Dr. Manuel SegoviaDepartamento de AcuiculturaDepartamento de Acuicultura

CICESE

Acuicultura tradicional Restricciones en el uso del recurso hídrico

Impacto al ambiente por liberación de efluentes Impacto al ambiente por liberación de efluentes 

acuícolas

Control de nutrientes en efluentes

Uso de espaciop

Control de enfermedades

Control de parámetros fisicoquímicos

Porque recirculaciónUso racional del aguaImpacto ambientalImpacto ambientalSitio ClimaClimaCalidad de aguaEnfermedadesEnfermedadesDepredaciónEspecies exóticasp

Que es un sistema deQue es un sistema de recirculación?

Es un sistema donde el recambio de agua es menor al 10% del volumen total por díaU   i  d d     di  d   i   i i  Un sistema donde por medio de operaciones unitarias básicas se lleva a cabo el reciclado y reacondicionamiento del aguareacondicionamiento del aguaEl reuso del agua afecta variables fisicoquímicas (ya sea aumentando o disminuyendo su concentración)yConforme se incrementa el reuso del agua, el reacondicionamiento de la misma se vuelve mas iimportante

Una vez que reconocemos que hayUna vez que reconocemos que hay cinco operaciones unitarias que hacemos?

S di i l iSe dimensionan las operaciones unitarias en el sistema deunitarias en el sistema de recirculación para la cantidad pde biomasa que se va a producir

E d i d t i lEs decir, se determina la 

capacidad de carga del sistema 

de recirculación acuícola

Capacidad de cargaSe especifica en términos de carga (biomasa de organismos/flujo de agua) en densidad (biomasa d   i / l )de organismos/volumen)Producción de metabolitos es proporcional al li t   idalimento consumidoCapacidad de carga puede definirse en términos de cantidad de alimento suministrado (kg de cantidad de alimento suministrado (kg de alimento/día) o consumo de oxigeno (kg de oxigeno/volumen)oxigeno/volumen)

En el diseño de un sistema de recirculación es esencial predecir la recirculación es esencial predecir la capacidad de carga y producciónPaso necesario y criticoPaso necesario y criticoMal calculo

reducción de la tasa de crecimientoreducción de la tasa de crecimientoAumento de la tasa de conversión de alimentoalimentoSusceptibilidad a enfermedadesMortalidad Mortalidad 

Ley de la conservación de la materia

La materia ni se crea ni se destruye, solo se transformatransforma

A áli i d b l dAnálisis de balance de masa o materialesmateriales

Δm = E – S + G - RΔm E S G R

Análisis de balance de masaAnálisis de balance de masa o materialeso materiales1. Limites del sistema deben de estar bien definidos

2. Aislamiento e identificación de un flujos que cruzan los limites del sistemacruzan los limites del sistema

3. Identificar el material a ser balanceado

4. Identificar los procesos de transformación que se llevan a cabo dentro del sistema

Tasa de acumulación Tasa de flujo Tasa de flujo

Tasa neta detransformación de

de una masa dentro de los limites del sistema

=Tasa de flujo de la masa en el sistema

‐ de la masaafuera delsistema

+transformación dela masadentro delsistema

Acumulación = entra  ‐ sale + genera ‐ consume

Como lo llevamos a cabo?

Por medio de Q

Flujo de aguaO d   l O2 transportado al tanqueDesechos removidos del tanque

Diseño de sistema cerradoParámetros (O2, NH4, NH3‐H, CO2, SST, NO2, 4 3alcalinidad)Calidad de aguaProducción

Flujo suficientemente altoj

Balance de masa

Transporte (in) de X + producción (X)=

Transporte (out) de X

Q QQ Q

Q QQ1 Q1

Q QQ1 Q1

UNIDAD DE TRATAMIENTO

Q QQ1 Q1

UNIDAD DE TRATAMIENTO

Circulación

Remoción de sólidos

Unidadde Nitrificación

cultivo

DesgasificaciónDesgasificación

Aireación/Oxigenación

Q QPQ1 Q1P

Q QPQ1 Q1PC1

Q QPQ1 Q1PC1 C2

Operaciones Unitarias:Operaciones Unitarias:

1 Circulación1. Circulación 2. Remoción de Sólidos (RS)3. Filtración Biológica (FB)3. Filtración Biológica (FB)4. Desgasificación / Remoción de Gases (RG)5. Aireación / Oxigenación (A) y/o (O)5. Aireación / Oxigenación (A) y/o (O)

Operación Unitaria

Antes de unidad de 

Después de unidad de 

tratamiento tratamientoRS + ‐RS +FB + ‐RG +RG + ‐

A y/o O ‐ +

Q QPQ1 Q1PC1C2

Δm = E – S + G - R

Ecuación básica para pelaborar el balance de masa 

de un sistema 100% de un sistema 100% recirculación

Q1C2 + P = Q1C1Q1C2 P Q1C1

Q1C2 + P = Q1C1

Para efectos prácticos! Podríamos entender la ecuación que esta arriba como:

Q1C2 + P = Q1C1

Lo que entra + lo que se produce = a lo que sale

Q1C2 + P = Q1C1

Lo que entra + lo que se produce = a lo que sale

Q1C2 + P = Q1C1

Lo que entra + lo que se produce = a lo que sale

Entonces, que flujo necesito para mantener el balance de 

?masa?

Q1C2 + P = Q1C11 2 1 1

Y esta ecuación se despeja de d f b bldos formas en base a esta tabla 

Operación Unitaria Antes de unidad de tratamiento

Después de unidad de tratamientotratamiento tratamiento

RS + ‐

FB + ‐

RG + ‐

A y/o O ‐ +

Forma 1:

Q1 (C2 - C1) = -P

Forma 2:

1 ( 2 1)

Forma 2:

Q (C C ) PQ1 (C1 – C2) = P

Forma 1:

Q1 (C2 - C1) = -P1 ( 2 1)

Para calcular la tasa de flujo Para calcular la tasa de flujo para el parámetro del oxigeno di ldisuelto

Forma 2:

Q1 (C1 – C2) = P

Para calcular la tasa de flujo para 

Q1 ( 1 2)

Para calcular la tasa de flujo para el parámetro del sólidos 

did   l   i ó  suspendidos totales, nitrógeno amoniacal total y dióxido de ycarbono

El balance de masa debe de tomar en cuenta otro factor o tratamientotratamiento

t t i tQ Q

tratamiento

C1 C21 2

TC2 = C1 +           (Coptimo‐ C1)

T

100

d d

100

donde:C optimo=  el mejor resultado obtenido con elp

tratamientoC  ti = para CO el 0.5 mg/LC optimo  para CO2 el 0.5 mg/L

para SST y amonio 0 mg/L

Carga Masa de organismos acuáticos que se pueden mantener por unidad de flujo de agua

Unidad      (L)       kg               org  acuáticosUnidad      (L)       kg               org. acuáticosLpm litros por minuto

Densidad   (Dorg)  kg               org. acuáticosde org´s m3 por volumende org s m3 por volumen

Si combina el numero de intercambios por hora (R)

L = 0 06  DL = 0.06  DorgR

0.06 constante que convierte Lpm a m3 h‐1q pL =    capacidad de carga kg/m3/hDorg= densidad de peces en kg/m3

org p g/R =    numero de intercambios por hora

Capacidad de carga depende de:

Calidad de aguagTamaño del organismoE iEspecieEstadio

Usando la ecuación anterior y si asumimos que:

Pez requiere 250 g O2/kg alimentoLa carga (kg de org por Lpm por flujo)

Loxigeno 144  ΔO2250F

=250F%

F% = tasa de alimentaciónF%  tasa de alimentación

Conforme densidad aumenta[O2] se mantiene con O2 puro inyectadoOtros parámetros se vuelven limitantesOtros parámetros se vuelven limitantesIncremento producción

CO2

NH33

SSTSe conoce como efecto acumulativo de OSe conoce como efecto acumulativo de O2

10 mg/L de oxigeno que se consumen 

producen 

1.4 mg/L amonio4 g/

14 mg/L CO2

10‐20 mg/L de sólidos suspendidos

M  fá il  i     á i      Mas fácil estimar carga máxima que carga optima (curva de aprendizaje)

Pq?

Tamaño de organismoEspecieCaracterísticas del sistemaManejo

PProducción de un contaminante (NAT, CO2, SST) o consumo de (O2, CaCO3)Directamente relacionado a la F

PO2 = ‐ 0.25 kg por kg por alimento consumido= ‐ 0.12 kg por kg consumido por BN= ‐ 0.13 bacterias heterótrofas (hasta 0.5)= ‐ 0.5 kg (0.25+0.12+0.13)

PCO2 = 1.375 gramos producidos por gramo 

de O2 consumido

PNAT = F x PC x 0.092

Psolidos, SST = 0.25kg X kg de alimento seco

20% – 40%

P = producciónC   [ ]  á   i l  d   lid d d  C = [ ] parámetro particular de calidad de agua

Seleccionar diseño/condiciones de operación

Parámetro tilapia truchaParámetro tilapia trucha

ToF 75 85 50 65ToF 75-85 50-65O2 mg/L 4-6 6-8CO mg/L 40 50 20 30CO2 mg/L 40-50 20-30SST mg/L < 15 < 10Amonio total mg/L < 3 < 1Amonio total mg/L < 3 < 1NH3 mg/L < 0.6 < 0.02Nitrito mg/L < 1 < 0 1Nitrito mg/L < 1 < 0.1Cloro mg/L >200 > 200

OO2

Primer factor limitantePrimer factor limitanteRequiere flujo alto para mantener [O2]R l     id d  d  O  Regla 0.25 unidades de O2 por metabolismo depende de tipo de 

iorganismoWester (1978) 200‐250 g/kgPecor (1978) 110 g/kg, pez poco activoO pez + biofiltroO2 pez + biofiltro

Amonio Valores máximos entre amonio y amoniaco 

   no se conocen

Valores máximos varíanValores máximos varían

0.025 mg/L amonio no ionizado

[ ] recomendada determinada por pH

Producción de amonio

PNATF x PC x 0.092 

T=NAT TSe basa en una serie de aproximaciones0.092 = 0.16 x 0.8 x 0.8 x 0.9

16% (proteína es 16%)80% nitrógeno es asimilado80% nitrógeno asimilado es excretado90% de nitrógeno excretado es NATtodo NAT excretado en el tiempo Tsólidos se remueven rápidamente

CO2Parámetro muy importante pero ignoradoDorg < 40 kg m3  equivale < 20 mg/LAl  d id d     i  d   l d  COAlta densidad, otro tipo de control de CO2

PCO2 = 1.375 gramos producidos pord    d  O id  cada gramo de O2 consumido 

(bacterias y peces)Ni eles má imos 10 20 mg/LNiveles máximos 10‐20 mg/LAltas concentraciones crónicas = deposición calcárea en el hígado (nefrocalcinosis)calcárea en el hígado (nefrocalcinosis)

Sólidos suspendidos totalesActividad mas importanteConcentraciones en sistema 10‐30 mg/L1 kgalimento produce 8 litros desechos líquidos1 lbalimento = 1 galón de desechos

NitratosNitratosProducto terminal de la nitrificación1 kg por día de NAY = 1 kg por día de NO3

Premisa crecimiento org´s tasa definida

Alimentación

Consumo O2 generación metabolitos

Crecimiento pez en base a temperatura

SIEMPRE DISEÑAR SISTEMASIEMPRE DISEÑAR SISTEMAPARA CAPACIDAD

MAXIMA DE CARGA:DENSIDAD MAXIMA Y DENSIDAD MAXIMA Y 

MAXIMA TASA DE ALIMENTACION

P esencialmente relacionado a la tasa de alimentaciónalimentaciónFactor mas importante al diseñar un sistema 

dcerradoParametros llegan a equilibrio:g qProducción (biomasa)Fl j  d  Flujo de aguaCambio en [ ] de parametros a través del equipo de tratamiento