Tratamiento electroquímico del agua de RAS

Estudio encuentra potencial significativo para la remoción de TAN, desinfección

La producción de pescado en sistemas de recirculación acuícola terrestre (RAS) proporciona una serie de ventajas bien conocidas. Algunos de los desafíos están asociados con los procesos biológicos centrales, la nitrificación y la desnitrificación. Ambos tipos de biofiltración están sujetos a condiciones de cría y requieren un mantenimiento constante para garantizar un rendimiento óptimo. Como la nitrificación depende de las condiciones bióticas, la puesta en marcha y la colonización, eventos imprevistos – como el uso inadecuado de desinfectantes químicos, cambios bruscos de salinidad, condiciones extremas (muy baja temperatura) o condiciones subóptimas (oxígeno o alcalinidad limitados) – pueden provocar acumulación indeseable de amoníaco.

De manera similar, puede ocurrir una eliminación insuficiente de nitrato si no se cumplen las condiciones; por ejemplo, grandes flujos y falta de fuentes de carbono fácilmente degradables (costosas). Además de eso, los riesgos potenciales de la liberación altamente tóxica de H₂S de las zonas anóxicas también deben ser considerados.

Las necesidades de una tecnología alternativa de tratamiento físico y abiótico que pueda reemplazar los procesos de tratamiento biológico más sensibles parecen obvias. Un desarrollo de alguna manera similar a la automatización del proceso laborioso y manual de lavar platos con máquinas lavaplatos.

Tratamiento electroquímico del agua

La desinfección electroquímica del agua es un proceso en el que los electrones suministrados por la corriente continua reaccionan con iones y moléculas en el agua. El requisito básico para el proceso es una fuente de alimentación y dos electrodos, un ánodo y un cátodo. Basado en los materiales del electrodo, la corriente aplicada y la composición del agua, varios procesos redox tienen lugar a diferentes velocidades. Se han usado diferentes términos para describir este tipo de proceso de tratamiento de aguas, incluyendo Redox Forzado, Desinfección Electrolítica, Desinfección Electroquímica, Agua Funcional, Proceso de Oxidación Electroquímica (EOP), Agua Activa Electroquímica, Electrocoagulación y Producción de Radicales Hidroxilo.

Se producen diferentes reacciones y procesos en ambos electrodos durante la electrólisis del agua. La aplicación más común de EOP es para la desinfección, basada en la generación eléctrica de especies reactivas de oxígeno (ROS). La misma tecnología también se puede aplicar para oxidar compuestos complejos lentamente degradables y  nutrientes disueltos como amonio. Recientemente se han publicado varios estudios de procesos electroquímicos de oxidación avanzada para el tratamiento de aguas de varias matrices de agua, incluidas interesantes aplicaciones acuícolas.

En nuestro estudio, probamos el EOP usando micro celdas de flujo (ElectroCell) en una configuración a escala de banco usando agua de sistemas de recirculación acuícola (RAS). Los dos objetivos fueron probar el potencial de EOP para oxidar el nitrógeno de amonio y reducir la cantidad de N disuelto; e investigar la capacidad de desinfección de EOP.

Este estudio fue una subtarea de un paquete de trabajo sobre el tratamiento abiótico de la descarga de la acuacultura como parte de un proyecto europeo de innovación, Bonus CleanAq financiado por la UE y el Fondo de Innovación de Dinamarca. Agradecemos a Ulla Sproegel, Brian Møller, Carine B. Jensen (DTU Aqua, Sección de Acuacultura) por el apoyo de laboratorio.

Remoción electroquímica de TAN

Para evaluar la eliminación electroquímica del nitrógeno amoniacal total (TAN), probamos diferentes combinaciones de electrodos en una configuración a escala de banco (ver imagen a continuación) con agua dulce y agua salobre de 8 ppt de salinidad. Las muestras de agua, ya fueran una mezcla de agua del grifo y agua de mar, o agua de RAS mezclada con agua de mar, se añadieron con NH₄Cl a una concentración equivalente a 30 ppm de TAN y se usaron en la configuración cerrada. La configuración incluyó un volumen de 1-L con una velocidad de flujo de 920 ml/min que pasaba por una celda de microflujo con dos electrodos con un área de contacto de 10 cm² (0.001 m²), con un potencial eléctrico de 5 voltios y una densidad de corriente de 22 mA/cm².

Durante un período de dos horas, se eliminaron hasta 28 mg/L de TAN utilizando una combinación de cátodos de cobre y electrodos de diamante dopado con boro (BDD). También se descubrió que las combinaciones de BDD-estaño (Sn; ánodo y cátodo, respectivamente) también eran efectivas (23 mg de TAN/L eliminado), mientras que los electrodos BDD-BDD solo mostraban una capacidad limitada de eliminación de TAN.

Cuando se extrapolaron a escalas más grandes, se determinaron las tasas de eliminación de TAN de hasta 0,45 kg de TAN por día por metro cuadrado para un electrodo de cobre-BDD. Se encontraron tasas similares en RAS salobre con un nivel de TAN más bajo (3,5 ppm), donde la misma célula oxidó el 70 por ciento del TAN agregado en 7 minutos y redujo la concentración de TAN a 0,5 ppm, que permaneció estable durante un período de prueba de 20 min. La eliminación de TAN específico de la superficie electroquímica aquí correspondió a aprox. 0,48 kg de N por día por metro cuadrado. Estos hallazgos se confirmaron con medidas de N disuelto total, que siguió la misma tasa de degradación. Se descubrió que la eliminación electroquímica de N en el rango de 40 KW/kg N.

Se encontró una reducción lineal de amonio y N disuelto total a concentraciones altas y bajas de TAN (Fig. 1). El electrodo de cobre eliminó el amonio a una velocidad mayor en comparación con el electrodo de estaño. A niveles más bajos de TAN, las combinaciones cobre-BDD mostraron una eliminación inmediata y constante de amonio hasta 0,5 mg N/L. 

Desinfección electroquímica

La capacidad potencial de desinfección de una celda de flujo con electrodos BDD-BDD combinados se probó en agua dulce y en agua de RAS salobre. Además, también se evaluó un dispositivo de tratamiento con ozonizador llamado “Doctor Chihiro” en experimentos a escala de lotes. Las muestras de agua se originaron a partir de un RAS de agua dulce a escala piloto y de un RAS comercial de agua salada o mezclas de estas. Los estudios no cuantificaron la composición de radicales y oxidantes formados durante la oxidación electroquímica, pero midieron la cantidad total de oxidantes (también conocidos como oxidantes residuales totales, TRO) como equivalente de cloro (Cl₂). Aquí, encontramos correlaciones lineales positivas entre la densidad de corriente, la salinidad y el tiempo de exposición en la formación de oxidantes.

Además, las eficacias de desinfección electroquímica se evaluaron mediante el uso de nuevos ensayos microbianos que cuantifican la actividad bacteriana en el agua. La actividad microbiana en el agua se probó en muestras de agua de RAS antes, durante y después del tratamiento electroquímico. Los grados de inhibición bacteriana fueron proporcionales a los oxidantes producidos en los experimentos por lotes y mostraron que se podía lograr una reducción de 1,000 veces (Log3) dentro de los 5 minutos de la oxidación electroquímica (Fig. 3).

Uso potencial en acuacultura

Resumiendo nuestros hallazgos generales, es posible eliminar el nitrógeno amoniacal total (TAN) por electroquímica, y se encontró que las especies reactivas de oxígeno (ROS) se formaron en agua dulce, y particularmente en agua salobre, con un alto efecto antimicrobiano. El estudio no abordó la cuantificación de los oxidantes formados, por lo que los efectos tóxicos en los peces y los problemas de inocuidad necesitan más atención antes de una implementación adicional potencial y de alto nivel.

Siempre que estos problemas se puedan abordar de manera efectiva, la oxidación electroquímica puede ser una técnica de tratamiento alternativa futura que se puede considerar, por ejemplo, durante el transporte de peces vivos donde la excreción y acumulación de amoníaco es crítica y los volúmenes de agua son bajos. Además, el proceso de oxidación electroquímica (EOP) puede reducir potencialmente el tiempo de arranque requerido para instalaciones RAS de agua (muy) fría, donde la maduración del biofiltro puede requerir meses antes de que se establezca la nitrificación.

El EOP puede aplicarse potencialmente para la desinfección de los sistemas acuícolas. En situaciones donde se requiere una desinfección severa (esterilización) para erradicar los patógenos o si se necesita una limpieza entre lotes (todo en todo), el EOP puede producir oxidantes potentes que pueden circular dentro del RAS y, por lo tanto, desinfectar microorganismos en el agua y en superficies, incluidas las biopelículas.

Related Posts

Responsibility

Cambio constante de pH inevitable, completamente normal

El Prof. Claude Boyd discute la importancia del pH para los peces y mariscos cultivados, las fluctuaciones normales y naturales y cómo los sistemas acuícolas pueden manejarlo. 

Intelligence

Adelante a toda velocidad para granja RAS de pámpano de Florida

Si bien muchos intentos de cultivar pámpano de Florida se han quedado cortos, Joe Cárdenas no se desanima, confía en que la clave es los sistemas de recirculación acuícola. 

Responsibility

Conductividad eléctrica del agua, parte 1

La conductividad eléctrica del agua, comúnmente llamada conductancia específica o simplemente conductividad, es una propiedad importante del agua frecuentemente medida en los sistemas acuícolas, y proporciona una evaluación de la concentración total de iones disueltos en el agua. 

Innovation & Investment

¿Es RAS el cambio de juego que necesita el sector acuícola europeo?

El impacto que tendrán los sistemas de recirculación acuícola o RAS en la producción europea aún está por verse, pero el ambiente general es positivo.