La industria de Sistemas de Recirculación de Agua (RAS) se ha convertido en un segmento de gran potencial dentro del creciente sector de la acuicultura. La clave principal para el éxito de estos sistemas de recirculación radica en la capacidad de tratar grandes volúmenes de agua y proporcionar de manera un ambiente confiable para las especies cultivadas. Hasta ahora, todas las aplicaciones a gran escala de RAS se basan, en principio, en el mismo concepto biológico tradicional de tratamiento de agua con filtros biológicos para controlar la concentración tóxica de amoníaco no iónico.
En términos sencillos, la electrooxidación del amoníaco es un método que existe desde la década de 1960 para tratar aguas residuales. Marinčić y Leitz fueron los primeros en sugerir este proceso.
Lo que hace la electrooxidación es convertir químicamente el amoníaco en gas nitrógeno (N2) utilizando solo tres electrones por molécula de amoníaco. Esta eficiencia es mucho mayor que los métodos biológicos convencionales, que necesitan intercambiar 13 electrones y generalmente requieren diversos microorganismos para realizar esta conversión en dos etapas.
Además, el consumo teórico de energía de la electrooxidación es más bajo en comparación con estos sistemas biológicos convencionales.
A pesar de las ventajas teóricas, los expertos no ven este método como un reemplazo categórico del tratamiento biológico, se muestra que puede ser preferible en diversas aplicaciones y condiciones específicas, como la acuicultura en agua salina fría y cuando se requieren procesos de purga de bajo consumo de agua, entre otros.
Por el momento, las pruebas piloto realizadas han demostrado crecimientos exitosos de dorada y lubina en sistemas electroquímicamente tratados, incluso a altas concentraciones de amonio, lo que reduce la huella del sistema y la demanda energética.
También se ha probado la eficiencia de este método para reducir la incidencia del virus de las necrosis nerviosa en un sistema de cultivo de besugo. Otros sistemas han probado la eficiencia de un sistema de cultivo de agua dulce de tilapia y la combinación de microelectrolisis con luz UV para el cultivo de tilapia GIFT en condiciones de salinidad.
Sin embargo, este método de depuración del agua de acuicultura no se ha implantado a escala comercial, entre otras razones porque necesita desarrollos adicionales, ajustes y pruebas antes de que esta innovación sea plenamente aceptada por la conservadora y centralizada industria de RAS. Existe alguna evidencia académica de aplicaciones logísticas para el suministro de mariscos vivos y transporte en barcos.
En el mercado, hay tres empresas destacadas: Biofishency Ltd., Apria Systems SL y Natural Shrimp Inc., que ofrecen soluciones comerciales de tratamiento de agua RAS que se basan en la electrooxidación de amoníaco para el cultivo de peces y langostinos.
Para que estos nuevos e innovadores métodos de remoción del amonio formen parte del proceso a escala comercial se requieren pruebas que puedan mantener altas densidades de pescado durante períodos prolongados, requisito fundamental para demostrar la viabilidad, sostenibilidad y rentabilidad de las soluciones de tratamiento electroquímico del agua para RAS.
Aspectos técnicos de los electrodos para obtener eficiencia
La aplicación de la electroquímica en el tratamiento del agua ofrece un vasto conjunto de combinaciones de componentes en los reactores electroquímicos, incluyendo electrodos y geometría, arquitecturas celulares y potenciales aplicados. En este contexto, la calidad del agua, usualmente considerada como constante, se vuelve esencial para determinar la viabilidad de soluciones de tratamiento electroquímico.
La ingeniería moderna de sistemas de acuicultura, especialmente aquellos con descarga de agua cercana a cero, está adoptando la operación con agua sintética, permitiendo ajustar la composición del agua para optimizar los tratamientos electroquímicos. Este enfoque innovador ofrece flexibilidad y eficiencia mejorada en comparación con los métodos convencionales.
Además, las reacciones químicas y físicas en las soluciones electrolizadas y los electrodos varían con las características químicas y físicas, destacando la importancia de distintas vías de electrooxidación. Un ejemplo es la electrooxidación económica de amoníaco, que requiere un potencial anódico específico. Este potencial, junto con el pH y otras condiciones químicas y físicas, impacta directamente en la eficiencia del proceso y su consumo energético.
En resumen, la innovación en tratamiento de agua mediante electroquímica se centra en la optimización de componentes y condiciones para ofrecer soluciones más eficientes y adaptables a las necesidades específicas del sector.
Parámetros electroquímicos que actúan en la eliminación de amonio
De los parámetros a tener en cuenta, el de la salinidad es de los más importantes en aplicaciones de electrooxidación y eliminación del amoniaco. Diversos estudios han demostrado que para que el proceso funcione bien, debe tener entre 1,8 y 3 gramos de cloruro por litro de agua. En ambientes de salinidad marina es de esperar que se produzca una eliminación de amoniaco eficiente, aunque se debe vigilar la eficiencia o vida útil del equipo.
A diferencia de las reacciones biológicas asociadas con la nitrificación y la denitrificación, que tienen un óptimo a temperaturas de 20°C–35°C, las reacciones relacionadas con la electrooxidación del amoníaco apenas cambian en el rango de temperatura relevante para la acuicultura.
Esta ventaja es más evidente en la acuicultura de especies de aguas frías (10°C–14°C), donde los reactores de nitrificación y denitrificación deben ser al menos tres veces más grandes en comparación con la acuicultura de especies de aguas cálidas (24°C–28°C).
Otro de los inconvenientes de este nuevo método es que se estima que encarecen los costes energéticos entre un 20% y un 40% del total requerido para el proceso de tratamiento de agua.
La distribución del pH en la solución electrolítica y cerca de las superficies de los electrodos es un parámetro complejo que influye directamente en las reacciones de oxidación-reducción en los electrodos, y de manera indirecta, en los procesos electrolíticos generales.
Este pH, que varía en el espacio entre el ánodo y el cátodo debido a las reacciones provocadas por la corriente aplicada, depende de la densidad de corriente y del pH y capacidad amortiguadora originales del electrolito.
Estudios han mostrado diferencias en las tasas de eliminación de nitritos y en la eficiencia de oxidación de amoníaco a diferentes valores de pH. Independientemente del valor de pH del electrolito, suele haber un gran gradiente de pH en el espacio entre el ánodo y el cátodo, afectando la eficiencia y limpieza del sistema electroquímico.
Aspectos a tener en cuenta para el futuro
Los expertos sugieren que los esfuerzos de mejora deben centrarse en estructuras, materiales y recubrimientos de electrodos alternativos, así como en la optimización de las características físicas y químicas del electrolito.
Los expertos también destacan la necesidad de investigación adicional en el proceso de decloración, especialmente en acuicultura, para desarrollar algoritmos de monitoreo y control sofisticados y fiables.
Una vez que estos escollos se superen, se podrá abrir el camino para soluciones ventajosas en la nueva generación de sistemas RAS en un futuro cercano.
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