Generation recirculationEstá na hora de olhar além dos biofiltros tradicionais em RAS?

Em um típico sistema de aquicultura de recirculação (RAS), uma série de processos de tratamento é usada para manter o nível de qualidade da água necessário para sustentar as espécies cultivadas e, ao mesmo tempo, manter uma taxa de troca de água muito baixa. Um aspecto fundamental do processo de tratamento é a biofiltração.

Como funcionam os biofiltros

Os biofiltros usam bactérias nitrificantes para converter amônia em nitrato e para decompor ainda mais a matéria particulada dissolvida e remanescente. A atividade do biofiltro é influenciada por muitos fatores, incluindo o tipo de substrato e a qualidade da água. Felizmente, a maioria dos sistemas contemporâneos é automatizada para manter esses fatores-chave nos níveis predeterminados corretos e evitar mudanças rápidas.

As bactérias formam um biofilme na superfície de um suporte, chamado de biomídia. O tamanho da abertura, a área de superfície específica, a resistência mecânica ao cisalhamento e a fração de enchimento (porcentagem de um volume de biofiltro vazio) são fatores determinantes para o desempenho do biofiltro.

Para aumentar a eficiência do biofiltro, é necessário que o biofiltro seja capaz de produzir um fluxo de água mais eficiente

Para aumentar a eficiência do biofiltro, os sólidos são removidos primeiro da água do processo, reduzindo a demanda bioquímica de oxigênio e a carga de nitrogênio e fósforo do sistema. Os métodos de remoção rápida de sólidos incluem peneiramento, sedimentação, flotação, floculação e adsorção. Essas técnicas reduzem o entupimento da biomídia e o acúmulo de partículas sedimentáveis e suspensas no biofiltro.

Adoção da filtragem biológica na aquicultura

A filtragem biológica tem sido amplamente utilizada nas últimas décadas devido à sua manutenção relativamente simples e à eficácia na remoção de poluentes nitrogenados da água de processo na aquicultura.

A técnica foi adaptada das estações de tratamento de águas residuais, onde uma cultura floculenta de microrganismos chamada lodo ativado é usada para processar a água. Na aquicultura, em vez de lodo ativado, os meios biológicos artificiais são comumente usados como transportadores bacterianos. Os biomeios são fornecidos em várias formas e tamanhos e geralmente são feitos de polietileno ou polipropileno de grau alimentício. A forma e os tamanhos das aberturas nos meios biológicos são ditados pela taxa de carga orgânica e pelo tipo de biofiltro em que são usados

As duas formas mais comuns de biofiltros de biomídia usados em RAS são os biorreatores de leito móvel (MBBRs) e os biorreatores de leito fixo (FBBRs). Os FBBRs apresentam menor consumo de energia e taxas mais altas de fósforo e desnitrificação, enquanto os MBBRs têm taxas de carga volumétrica mais altas e menor acúmulo de sólidos (Choi, Lee, & Lee, 2012).

Outros tipos de biofiltros biológicos usados em RAS são os biorreatores de leito móvel e os biorreatores de leito fixo

Outros tipos de filtrações biológicas foram usados na aquicultura, como biofloc, wetlands, aquicultura multitrófica integrada, leitos de areia fluidizados e biorreatores de membrana de troca iônica. No entanto, até o momento, nenhuma delas se transformou em operações de aquicultura industrial bem-sucedidas, principalmente porque tendem a aumentar os custos operacionais e a trazer riscos maiores de fracasso.

Limitações e desafios dos biofiltros tradicionais

Um dos principais obstáculos dos biofiltros de biomídia é que sua eficácia muda com o tipo de substrato e depende dos níveis de oxigênio dissolvido, matéria orgânica, temperatura, pH, alcalinidade, turbulência e salinidade (Qi, Skov, de Jesus Gregersen, & Pedersen, 2022). Qualquer mudança rápida desses fatores afeta as comunidades bacterianas e, por sua vez, a eficácia da filtragem. Além disso, a biomídia também pode abrigar patógenos e bactérias que produzem sabor desagradável.

Além disso, as bactérias nos biofiltros usam uma quantidade considerável da demanda total de oxigênio em RAS (20 a 30%) e excretam CO₂ e outros metabólitos. Isso aumenta a capacidade necessária dos equipamentos de desgaseificação e oxigenação, bem como o custo operacional em termos de demanda de energia e manutenção.

Alberto Monteleone, gerente de instalações de P&D do grupo AquaBioTech em Malta, que supervisiona testes de pesquisa em mais de 30 instalações de RAS - o que significa que ele tem mais de 30 biofiltros para manter e reiniciar regularmente - explica que a troca de água, as flutuações de temperatura e as alterações de pH têm um efeito adverso no tempo de recuperação dos biofiltros.

"Um dos grandes problemas é o período de inicialização longo e imprevisível, que torna o planejamento de testes de pesquisa excepcionalmente difícil, mas crucial para o sucesso", observa ele.

Monteleone espera que sensores de qualidade da água mais confiáveis fiquem disponíveis para identificar problemas que possam levar ao colapso das comunidades bacterianas nos biofiltros.

Os biofiltros também apresentam alguns desafios bastante grandes do ponto de vista da engenharia. Em geral, os projetos precisam ser integrados às estruturas existentes, o que traz limitações como cargas estruturais e restrições dimensionais. Isso pode afetar negativamente a eficácia final dos biofiltros. Outro problema é que os operadores de aquicultura podem alterar as taxas de alimentação e as densidades de estocagem, o que representa um desafio para o projeto de um biofiltro estável e eficiente.

Michele Gallo, responsável pelo projeto de instalações de pesquisa aquática na AquaBioTech, explica: "Para lidar com as restrições espaciais, as simulações de dinâmica de fluidos computacional são usadas para fornecer projetos que ofereçam o perfil hidrodinâmico mais adequado para as saídas necessárias e o espaço disponível."

Além disso, a filtragem de micropartículas, por meio de métodos como a desnatação de proteínas, é usada para melhorar o desempenho do biofiltro.

Para complementar o projeto, os planos de produção precisam ser otimizados de forma a proporcionar transições suaves entre diferentes períodos de crescimento e minimizar as flutuações de carga do biofiltro.

Gallo também observa que tem visto um rápido crescimento nas tecnologias de IA sendo implementadas no software de gerenciamento agrícola, onde os dados coletados pelos sistemas de monitoramento são analisados com modelos de IA para melhorar os processos de tomada de decisão para os operadores e sistemas de controle.

Novos desenvolvimentos em filtragem

Nos últimos anos, algumas tecnologias relativamente novas surgiram como alternativas à biofiltração convencional, embora ainda não tenham sido implementadas em escala.

1. Eletro-oxidação

A eletrooxidação é um processo que poderia substituir o tratamento biológico da água, ajudar a remover material particulado e eliminar agentes de sabor desagradável. A eletro-oxidação da amônia ocorre em um reator por meio do processo de eletrólise, usando uma corrente elétrica para impulsionar a formação de gás nitrogênio a partir da amônia, ao mesmo tempo em que remove o carbono orgânico total (TOC) e reduz a contagem de patógenos.

A eletro-oxidação promete baixo consumo de energia em sistemas de aquicultura marinha, mesmo em altas densidades de estocagem.

"Alcançamos uma capacidade de desinfecção de mais de 3-log (99,9% de redução da população microbiana) mesmo para bactérias com um nível mais alto de patogenicidade", diz German Santos Bregel, engenheiro sênior de P&D da Apria Systems, uma empresa especializada em tecnologias de eletro-oxidação no setor de aquicultura.

A vantagem mais significativa da eletro-oxidação é que ela pode ser iniciada e interrompida sem um impacto notável no ciclo de produção em um RAS.

"Uma vantagem notável é a capacidade de o processo trabalhar em sua capacidade total, mesmo com temperaturas tão baixas quanto 5 °C", diz Bregel. A remoção de vários poluentes em um único processo também significa que as despesas de capital podem ser reduzidas para o RAS, uma vez que a necessidade de tratamento com ozônio e UV pode ser bastante reduzida ou até mesmo eliminada.

Uma das maiores vantagens do RAS é a capacidade de trabalhar com capacidade total, mesmo com temperaturas baixas de 5 °C

Uma das maiores desvantagens desse processo é a formação de trihalometanos (THM), subprodutos tóxicos para os organismos aquáticos. É necessário um pH baixo durante a eletrólise para impedir a formação de THMs (Ben-Asher & Lahav, 2016). São necessários dois processos de pós-tratamento: desgaseificação e adsorção de subprodutos. A desgaseificação já existe no RAS convencional, enquanto o processo de adsorção é feito com carvão ativado granular e é um componente adicional que precisa ser levado em consideração em termos de investimento e operação.

"Não temos referências suficientes para nossa tecnologia porque o setor ainda depende de métodos tradicionais de filtragem e devido à falta de financiamento para melhorar, desenvolver e integrar ainda mais essa tecnologia para RAS", observa Bregel. Esse sistema parece mais promissor para RAS marinhos, já que sua eficácia é ditada pelo nível de salinidade da água.

2. eletrocoagulação

O processo fundamental na eletrocoagulação é a passagem de corrente elétrica através de eletrodos feitos do mesmo material e submersos em água processada ou em algum outro eletrólito. Nesse processo, formam-se óxidos metálicos, hidrogênio e oxigênio. Os óxidos metálicos atraem os poluentes e têm uma grande tendência a formar flocos com eles. Os flocos mais leves flutuam até o topo da coluna d'água com a ajuda do gás hidrogênio e oxigênio que é produzido no processo de eletrólise. Os flocos podem então ser facilmente removidos por meio de escumação. Os flocos mais pesados afundam no fundo e são removidos como lodo com sedimentação ou até mesmo filtração mecânica (Boinpally, Kolla, Kainthola, Kodali, & Vemuri, 2023).

No âmbito dos RAS, a eletrocoagulação é interessante sob dois aspectos: ajuda na remoção de material particulado e na oxidação de poluentes solúveis, como vários compostos de enxofre e nitrogênio amoniacal. Outro benefício também é o fato de que a célula de eletrólise pode se adaptar facilmente a condições variáveis, como taxas de alimentação e mudanças de temperatura, aplicando menos ou mais corrente aos eletrodos.

O método tem suas vantagens

O método tem seus desafios, que vêm na forma de eficiências variáveis de remoção de poluentes devido a vários fatores, como pH, temperatura, velocidade da água e densidade de corrente na célula.

Em um desenvolvimento recente, essa tecnologia foi implementada em um RAS de camarão por uma empresa chamada NaturalShrimp. Seu principal objetivo era aumentar o tamanho do total de sólidos suspensos para que pudessem removê-los com filtros de microcircuito. O processo também aumentou a eficiência de remoção da demanda química de oxigênio, amônia e nitrito (Ben-Asher & Lahav, 2016). Para lidar com o ambiente em constante mudança na água da aquicultura, eles medem a turbidez da água e, em seguida, variam a corrente aplicada aos eletrodos de acordo com a turbidez

A empresa pretende realizar vários testes menores com empresas locais de criação de camarão para validar ainda mais sua tecnologia.

3. reatores UASB

Outro processo potencial que foi recentemente desenvolvido para RAS é o reator anaeróbico de fluxo ascendente com manta de lodo (UASB). Ele é usado para tratar as águas residuais que saem da instalação de RAS (tratamento de fim de tubo) ou como uma etapa de polimento da água a ser devolvida ao sistema.

O UASB integra um biorreator e um tanque de sedimentação, o que o torna muito compacto no âmbito dos reatores anaeróbicos.

"A alta carga volumétrica e os tempos de retenção hidráulica relativamente curtos o tornam adequado para a alta rotatividade de água em RAS e promove a produção de ácido orgânico, o que é benéfico em alguns sistemas que favorecem condições levemente ácidas (por exemplo, aquicultura multitrófica integrada)", diz Carlos Espinal, diretor de inovação da Landing Aquaculture, uma empresa de engenharia e consultoria focada na piscicultura intensiva em terra.

Ao mesmo tempo, é possível ter um alto tempo de retenção de sólidos para promover a desnitrificação. Esses reatores também são conhecidos por serem fáceis de operar e relativamente baratos de construir.

O desempenho do reator é muito bom

O desempenho do reator depende da temperatura. Se for operado em temperaturas abaixo do ideal (abaixo de 20 e acima de 35 °C), a comunidade bacteriana muda e uma comunidade mais adequada à temperatura em questão povoa a manta de lodo. Para manter as taxas de remoção de nitrogênio, a temperatura precisa estar na faixa ideal e as mudanças de temperatura devem ser graduais. Isso pode ser feito por meio de um bom isolamento e do uso de fontes de calor residual (se disponíveis).

Além disso, Espinal destaca a questão do lodo volumoso em reatores de água doce e o alto custo inicial do equipamento de automação necessário para o controle e o monitoramento adequados. Para evitar isso, a Landing Aquaculture está usando lavagem automática e um projeto de saída específico. Quando o custo da automação adicional for proibitivo, o monitoramento e a operação manuais desses reatores podem ser feitos.

Ao contrário da eletro-oxidação, o UASB já está sendo implementado no setor.

"Esses sistemas têm sido usados na Holanda como tratamento de fim de tubo em fazendas de peixes e estão entre as práticas recomendadas pelo Padrão Holandês para Aquicultura Sustentável", diz Espinal.

Perspectivas para o futuro

Atualmente, parece que a biofiltração convencional veio para ficar, devido à sua longa tradição e eficácia comprovada. A eletro-oxidação e a eletrocoagulação têm o potencial de substituir os biofiltros ou, pelo menos, atenuar as deficiências dos métodos de filtragem usados em RAS. Nenhuma outra tecnologia parece ser capaz de competir com a função muito específica que as bactérias nitrificantes desempenham nos biofiltros. Esperam-se melhorias nos biofiltros tradicionais na forma de biomídia aprimorada e melhores perfis de fluxo dos biofiltros.

Os reatores UASB provavelmente encontrarão seu lugar como tratamento de fim de tubo à medida que os padrões ambientais se tornarem mais rigorosos e as fazendas RAS crescerem, tornando esses tipos de reatores mais viáveis. Novos desenvolvimentos em sensores de qualidade da água oferecerão melhores percepções sobre o bem-estar das bactérias e darão aos agricultores mais oportunidades de empregar medidas corretivas.