Por: Pål Mugaas Jensen, Editor de LandbasedAQ. (Traducido del artículo original en Noruego)
¿Qué ocurre con la calidad del agua en una instalación RAS si se añaden nanoburbujas? ¿Y que otros efectos puede haber en la eficiencia del sistema y la salud de los peces? Estas fueron algunas de las preguntas que quiso responder la empresa tecnológica Moleaer cuando adoptó un enfoque científico en la piscicultura de Lødingen Fisk, en Noruega.
Las pruebas realizadas por Moleaer en Lødingen Fisk han dado como resultado un informe llamado "Efecto de las nanoburbujas de oxígeno en el rendimiento y la calidad del agua en sistemas de acuicultura de recirculación (RAS)". En este artículo, Federico Pasini, científico senior de investigación y desarrollo de Moleaer, explica los resultados obtenidos.
Pasini dice que el objetivo del estudio era cuantificar cómo la introducción de nanoburbujas de oxígeno puede mejorar la calidad del agua, reducir el consumo de energía y agua a través de una mejor oxigenación, una mejor eliminación de partículas, mayores tasas de nitrificación y prevención de biofilm. El estudio se llevó a cabo en dos etapas para evaluar los efectos a corto y largo plazo sobre el sistema RAS.
La primera etapa se realizó para caracterizar el efecto de las nanoburbujas en el proceso dentro de las primeras 48 horas posteriores a la puesta en marcha del generador de nanoburbujas (NBG). La segunda ronda de mediciones se realizó después de 50 días de operación continua del NBG, con peces mucho más grandes y con un requerimiento de oxígeno significativamente mayor, durante un período en el que la instalación estaba al 60% de su capacidad total.
"También estudiamos qué sucedió y cómo respondió el sistema a la presencia de nanoburbujas. Por último, también intentamos ver el efecto en los peces, aunque todavía tenemos preguntas al respecto. Sin embargo, identificamos algunos puntos interesantes para futuros estudios", dice Pasini.
Propiedades de las Nanoburbujas
- Las nanoburbujas suelen tener un tamaño de entre 80 y 200 nanómetros y, por lo tanto, son del tamaño de bacterias y virus.
- Las nanoburbujas se comportan de manera diferente en cuanto a estabilidad, carga superficial, flotabilidad neutra, oxidación, etc., porque son nanoscópicas.
- Las nanoburbujas tienen una flotabilidad neutra y pueden permanecer suspendidas en líquido (la mayoría de las veces agua) durante varias semanas sin subir a la superficie y desaparecer.
- Con su tamaño nanoscópico, las nanoburbujas aseguran que una enorme superficie total de burbujas permanezca en contacto con el agua, alterando y mejorando muchos procesos físicos, químicos y biológicos.
- Las nanoburbujas tienen una fuerte carga superficial negativa que evita que se fusionen y les permite romper físicamente las emulsiones y coagular pequeñas partículas, como grasas, aceites y lubricantes emulsionados, del agua.
ResultADOs DEL ESTUDIO A CORTO PLAZO
Determinar la presencia de nanoburbujas
—¿Y qué pasó inmediatamente después de poner en marcha el generador de nanoburbujas?
"Como esperábamos, pudimos detectar nanoburbujas de oxígeno en el sistema. La medición de nanoburbujas o nanopartículas no es del todo sencilla; Hay muchas variables, y se requiere precisión y un protocolo estricto. Por lo general, medimos la concentración de nanopartículas antes del experimento, como una referencia antes de introducir las nanoburbujas, es decir, antes de que se pusieran en marcha los generadores. Luego continuamos recolectando muestras después de que se pusieron en marcha los generadores de nanoburbujas, y medimos un aumento neto en todas las etapas de sistema, con un promedio de 60 millones por ml.
"Y sabemos por nuestros experimentos en el laboratorio y otras experiencias en el campo que esta concentración es definitivamente suficiente para ver un efecto en el agua, en la biología y, hasta cierto punto, la bioquímica. Por lo tanto, sabemos que, en general, independientemente del sistema de agua que tratemos, esperamos una reacción a esa concentración", dice Pasini.
Dice que vieron que en unas tres horas, hubo un aumento neto de alrededor de 140 millones de nanoburbujas por mililitro, con un tamaño promedio de 170 nanómetros. Estas nanoburbujas se dispersan y diluyen por todo el sistema, lo que da como resultado esta concentración promedio en el proceso.
Alta eficiencia en la DISOLUCIÓN de oxígeno
Pasini explica que al crear burbujas tan pequeñas y estables, podemos garantizar una eficiencia de liberación de oxígeno muy alta, lo que se demostró inmediatamente a través de las métricas en los cuatro puntos de muestreo.
"Tuvimos un aumento inmediato de oxígeno en todas las etapas del proceso.
Pero también se observó un efecto muy interesante y claro en el frotado y la eliminación de biofilm (véase también el recuadro informativo a continuación).
EL EFECTO DE RASPADO DE las nanoburbujas
- Las nanoburbujas tienen una superficie muy dura que puede arrancar mecánicamente el biofilm.
- Piensa en una nanoburbuja con oxígeno como un globo. Un globo está lleno de gas cubierto por una capa de plástico elástico que contiene el gas. En una nanoburbuja, la capa se reemplaza con una pequeña capa de iones OH alrededor del gas. Están cargados eléctricamente y atraen específicamente el agua a su alrededor a través de enlaces de hidrógeno. Esto le da a las burbujas una cáscara muy dura porque están hechas de iones y carga eléctrica que mantiene unida la burbuja.
- Y como estás en el nivel nano, las fuerzas son mayores en relación con el tamaño. La escala de la curvatura alrededor de las burbujas es lo suficientemente pequeña como para que la estructura del agua en sí sea interesante.
- Una de las cosas que sucede es que la tensión superficial en el agua cambia localmente, por lo que se obtiene una reorientación de la molécula de agua. Desde el exterior, verás esta burbuja normalmente cargada negativamente, porque tienes más OH- hacia afuera en la molécula de agua. Por lo tanto, se unen a diferentes iones, participan en reacciones, tanto químicas como biológicas, y se puede pensar en ellos como portadores. En otros casos, al estar cargados, son muy interactivos con las superficies, como el biofilm.
"Sabemos que las nanoburbujas están involucradas de una forma u otra en todo lo que tenga que ver con las interacciones de la superficie. En este caso, esto hace que parte del biofilm y parte del revestimiento orgánico de las superficies de los tanques y tuberías se afloje. Dentro de 24 a 48 horas, vemos un aumento en los sólidos, que luego se disuelven con el tiempo, lo que a su vez resulta en una menor necesidad de ozono.
Por lo tanto, las nanoburbujas hacen un efecto de limpieza en el que ciertos tipos de biofilm se desprenden de las superficies, que luego entran en el agua y se pueden filtrar.
Las nanoburbujas en sí mismas tienen una superficie muy dura, y con la velocidad que tienen, son capaces de barrer el material biológico suelto, de modo que queda suspendido en la corriente de agua y luego puede ir a los filtros de tambor, de donde se extrae.
"Es por eso que vemos un aumento en los SST (sólidos suspendidos totales) en casi cada paso del proceso, especialmente en los tanques. Podemos ver que durante 48 horas hubo más sólidos, lo que indica la liberación de más partículas. La tasa de alimentación era la misma, por lo que no se debía a ninguna otra condición diferente en el tanque.
"También probamos la eficiencia de liberación de oxígeno, y medimos una eficiencia de más del 90% a ese nivel de inyección de gas, que era bajo al comienzo del proceso. También vimos indicios de una mejor desinfección, que luego fue confirmada por los datos de UV y ozono", dice.
El efecto sobre la nitrificación
"Lo más interesante, en mi opinión, fue el efecto beneficioso sobre el biofiltro, especialmente sobre la nitrificación", dice. Véase también la Figura 2. Porque al final, es la nitrificación la que determina cuánta carga puede soportar el sistema.
Figura 2: Nitrito efluente del biofiltro.
"A pesar de que se puede agregar más oxígeno, aumentar la alimentación y aumentar la densidad de peces, se necesitaría un biofiltro más grande y eficiente para manejar todo el amoniaco y así no crear ningún riesgo para el bienestar de los peces.
Se observo que la presencia de nanoburbujas tenía un efecto positivo inmediato en el rendimiento de la nitrificación. La nitrificación biológica es un proceso que involucra tipos específicos de bacterias, divididas en dos categorías que realizan dos procesos diferentes. En primer lugar, las bacterias AOB (bacterias aeróbicas) que utilizan el oxígeno para descomponer el amoníaco en NO₂ (nitrito). Luego, otro grupo de bacterias, llamadas NOB (bacterias oxidantes de nitrito), toma este nitrito y lo convierte en NO₃ (nitrato), que es el producto final de la nitrificación biológica.
El nitrato es la forma menos tóxica de los peces, mientras que el nitrito es altamente tóxico incluso en bajas concentraciones.
"Por lo tanto, es muy importante que evitemos la acumulación de nitrito, que es un síntoma de un proceso de nitrificación parcial. Demostramos que con las nanoburbujas ayudamos a completar el paso que antes era limitante y, en general, tenemos un efecto positivo en la calidad del agua, lo cual es muy importante ya que el nitrito es muy tóxico para los peces", dice.
Resultados del estudio a largo plazo
Agua más clara
El primer efecto, logrado desde el principio, en el que se eliminó el biofilm de las tuberías y las superficies, lo que dio como resultado gradualmente un agua más clara en toda la planta. .
Las nanoburbujas se adhieren a las superficies y crean una capa de gas sobre ellas.
"Podemos ver esto como un efecto beneficioso sobre la turbidez. Después de 50 días, cuando los peces eran mucho más grandes y se les daba mucho más alimento, teníamos un agua mucho más clara que cuando empezamos", dice Pasini.
BENEFICIO Económico
Otra observación valiosa que se destaca es que el oxígeno disuelto aumentó en cada etapa del proceso.
La calidad del agua en los tanques mejoró significativamente después de que se permitió que las nanoburbujas funcionaran durante 50 días. Foto: Moleaer
"Y lo que es más relevante es que aumentamos la utilización del oxígeno en un 60 por ciento en comparación con la oxigenación constante. De este modo, pudimos ahorrar mucho oxígeno en comparación con lo que normalmente utilizarían en la planta. Este es un argumento económico muy importante para este tipo de tecnología", dice.
MEJOR Nitrificación
Federico Pasini dice que también confirmaron que la nitrificación mejoró con nanoburbujas en el agua. Véase también la Figura 2.
"La fuente más importante de amoniaco en el proceso es el alimento, y el alimento aumentó a lo largo del experimento. Pero vimos que los niveles de nitrito eran cada vez más bajos, lo que significa que el rendimiento del biofiltro había mejorado.
"También vimos que los niveles de CO₂ seguían aproximadamente la misma tendencia, por lo que puede parecer que también tiene un efecto positivo en la desgasificación, probablemente como resultado de una mejor conversión de carbono en el biofiltro. Así que, en general, mejoramos la calidad del agua y redujimos el consumo de oxígeno", dice.
Se encontró que la eficiencia del biofiltro, medida como tasa de nitrificación, aumentó en más del 60%.
Como resultado del efecto de limpieza y fregado y la reducción de la turbidez, el consumo específico global de ozono por tonelada de biomasa también disminuyó en casi un 70%.
"Esto confirmó que teníamos un efecto positivo en la prevención de biofilm, la limpieza de superficies, la desinfección y la turbidez general del agua", dice Pasini.
¿Mejora el bienestar de los peces?
Los efectos sobre la calidad del agua también condujeron a algunas observaciones interesantes, en las que agrega que continuarán profundizando.
"Se requerirán más estudios para comprender realmente lo que está sucediendo en lo que respecta al bienestar de los peces. Pero en general, vimos indicios de efectos positivos en el bienestar de los peces en términos de factor de alimentación e índice de crecimiento relativo. A pesar de las observaciones que hicimos y de los datos que recopilamos, es absolutamente necesario investigar más antes de sacar conclusiones finales", enfatiza.
"Lo que podemos concluir de los estudios es que, en general, tuvimos una mayor estabilidad en el oxígeno disuelto (OD), ya que el contenido de oxígeno fue mayor en general y menos variable a lo largo del proceso. Sin duda, esto puede tener un efecto positivo en el bienestar de los peces.
El hecho de que se redujera la turbidez en los tanques también puede tener un efecto positivo en el bienestar de los peces, así como prevenir hasta cierto punto el sucio y la formación de bacterias.
"La mejora de la eficiencia del biofiltro, la menor concentración general de amoníaco y nitrito, así como la menor concentración de CO₂ son parámetros que se traducen en un entorno más saludable para los peces.
Pasini dice que cuando se trata de nuevos esfuerzos de investigación relacionados con la salud de los peces, colaborarán con otras instituciones de investigación que tengan la experiencia para estudiar los aspectos médicos y metabólicos del crecimiento de los peces en general.
"Haremos todo lo posible para darles todo el conocimiento que podamos sobre las nanoburbujas para tratar de resolver este rompecabezas", concluye Pasini.
