ES2951693T3 - Instalación de producción multitrófica desacoplada con unidad de biorreactor - Google Patents
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Abstract
Una instalación para el cultivo de vegetación, comprendiendo la instalación (1) al menos un contenedor (2) para recibir animales acuáticos y/u organismos acuáticos, al menos una parte hidropónica (13), al menos un dispositivo para la circulación de agua y/o sustancias (17) por lo que la instalación (1) comprende además al menos una unidad de biorreactor (10). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Instalación de producción multitrófica desacoplada con unidad de biorreactor
La invención se refiere a una instalación para el cultivo de vegetación de acuerdo con la reivindicación 1, así como a un método para hacer funcionar dicho sistema de acuerdo con la reivindicación 3.
Se conocen bien esencialmente sistemas relacionados en general con la agricultura y más particularmente con sistemas y métodos para el cultivo de vegetación.
El documento US 8677 686 B1 desvela sistemas y procesos acuapónicos, que empiezan desde un separador de sólidos, desde el que comienzan a ejecutarse dos cuasi-líneas del proceso. El separador de sólidos está configurado para aceptar aguas residuales y separar los sólidos sedimentables del agua residual suspendida, estando un primer componente configurado para recibir el agua residual suspendida y convertir el agua residual suspendida en agua rica en nutrientes adecuada para el cultivo hidropónico de plantas, estado un aparato de cultivo hidropónico configurado para recibir el agua rica en nutrientes para mantener el cultivo hidropónico y convertir el agua rica en nutrientes en agua pobre en nutrientes, estando un acuario configurado para recibir el agua pobre en nutrientes y convertir el agua pobre en nutrientes en agua residual, y estando un segundo componente configurado para recibir los sólidos sedimentables y convertir los sólidos sedimentables en lodos ricos en nutrientes.
El documento EP 2 158801 A1 desvela una instalación acuapónica con circulación cerrada de agua que comprende una unidad de acuicultura y una unidad hidropónica que están funcionalmente conectadas entre sí.
El documento WO 2013/132481 se refiere a un sistema de acuicultura, que tiene un sistema de circuito cerrado que incluye un tanque de cultivo y una unidad de tratamiento que trata y reutiliza el agua del sistema.
El documento WO 2015/160966 se refiere a un sistema acuapónico que tiene como objetivo un efecto remineralizante al proporcionar subproductos que las bacterias fijadoras de nitrógeno descomponen en nitratos y nitritos, proporcionando agua que se suministra al sistema hidropónico, donde las plantas utilizan los nitratos y nitritos como nutrientes; después, el agua se recircula de nuevo al sistema de acuicultura; las plantas se cultivan como en los sistemas hidropónicos, con las raíces sumergidas en el agua enriquecida en nutrientes; el operario ajusta los valores de pH cuando sea necesario utilizando adiciones químicas para mantener el pH en un nivel saludable para los peces que viven en el acuario y para la descomposición de la materia orgánica; las bacterias presentes en el sistema convierten el amoníaco en nitritos y luego en nitratos mediante el proceso de nitrificación.
El documento EP 2276 795 A1 desvela un método para producir material de alimentación en relación con sistemas hidropónicos así como con la acuicultura.
También en el documento EP 2 963 060 A1 se desvela un método para producir un material de alimentación como biomasa para su uso en acuicultura y sistemas hidropónicos.
Los sistemas acuapónicos, que están dirigidos a métodos de producción de alimentos para producir plantas y organismos acuáticos, combinan los sistemas de producción de la acuicultura de recirculación y la hidroponía. Por consiguiente, la acuaponía proporciona agua enriquecida en nutrientes a la unidad de cultivo hidropónico de plantas, que, a su vez, depura el agua que se devuelve a los tanques de acuicultura.
Por ejemplo, los sistemas acuapónicos están relacionados con plantas, peces, bacterias y/u otros organismos, que crecen en una simbiosis común. Las bacterias convierten las aguas residuales de los peces en nutrientes para las plantas; las plantas filtran las aguas residuales en busca de nutrientes; y las aguas residuales tratadas luego se devuelven a los peces.
El inconveniente de la técnica anterior citada es que no encuentra un compromiso eficaz para producir tanto plantas como peces en las mismas condiciones ambientales. Una de las razones de esto es que las plantas y los peces a menudo requieren diferentes intervalos de pH de acidez del agua. La cría de peces normalmente requiere un intervalo de pH entre pH 6,5 y 9,0, mientras que las plantas a menudo prefieren un intervalo de pH inferior a 6,5.
Por consiguiente, un objeto de la presente invención es proporcionar una instalación así como un método para hacer funcionar una instalación de este tipo que permita un aumento de la concentración de nutrientes y del pH para la parte hidropónica del sistema, asegurando al mismo tiempo condiciones preferibles pobres en nutrientes para los peces.
Sin embargo, la práctica ha demostrado que no se puede conseguir un nivel óptimo de concentración de nutrientes debido a que se construyen áreas de cultivo hidropónico más grandes para garantizar un flujo de agua eficaz desde el sistema de recirculación acuícola con el fin de mantener la concentración de nutrientes del sistema de recirculación acuícola en un nivel óptimo. Esto significa que el sistema hidropónico necesita añadir nutrientes, p. ej., fertilizantes artificiales. Esto genera inconvenientes económicos ya que los costes operativos aumentarán debido a los requisitos adicionales de fertilización. Por tanto es otro objeto de la invención proporcionar un sistema armonizado para
aumentar la concentración de nutrientes dentro del sistema hidropónico mientras que a los peces se les proporciona un material pobre en nutrientes.
Además, el estado de la técnica no resuelve el problema de los altos valores de nitrato en el sistema de recirculación acuícola. Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar una instalación así como un método para hacer funcionar esta instalación que resuelve el problema de los altos valores de nitrato.
A este respecto, es otro objeto de la invención mejorar el equilibrio de nutrientes de los subsistemas multitróficos e hidropónicos.
Además, sería ventajoso minimizar la descarga de agua utilizada en este sistema.
Además, es un objeto de la invención reducir los requisitos de fertilización para el subsistema hidropónico.
Estos diversos aspectos se resuelven por la invención mediante una instalación de acuerdo con la reivindicación 1 y el método para hacer funcionar dicho sistema de acuerdo con la reivindicación 3.
Sumario de la invención:
La presente invención se refiere a una instalación para el cultivo de vegetación.
La invención se describirá y explicará con la ayuda de un sistema de acuaponía, aunque la invención se refiere aparentemente al sistema de cultivo de vegetación que retoma el concepto de combinación de dos sistemas de producción en uno, siendo la acuaponía un ejemplo típico de dicho sistema y definiendo un sistema integrado de producción de alimento multitrófico de circuito casi cerrado que comprende un sistema de recirculación acuícola (en lo sucesivo en el presente documento: RAS) y una unidad hidropónica.
La instalación de acuerdo con la invención está diseñada para procesar un medio enriquecido en nutrientes, que procede de un componente o parte del mismo y que está dentro de este medio, por lo que el medio se conduce a una unidad hidropónica proporcionando de esta manera nutrientes para el crecimiento de la vegetación.
Un ejemplo de tal sistema es el sistema acuapónico que comprende agua enriquecida en nutrientes procedente de peces y/u otros animales acuáticos u organismos acuáticos, que se conduce a la unidad hidropónica, proporcionando de esta manera nutrientes para el crecimiento de la vegetación, p. el., el crecimiento de plantas.
Sin embargo, en otro ejemplo, una instalación de este tipo también es capaz de manipular productos metabólicos de otros animales tales como ganado, así como de manipular residuos orgánicos domésticos o productos de residuos vegetales.
En una realización de la presente invención, la instalación procesa el medio que es agua enriquecida en nutrientes. Esta agua contiene nutrientes derivados del componente o parte del mismo. Los componentes o parte en el sentido de la presente invención pueden ser animales acuáticos y/u organismos acuáticos, p. ej., peces, cangrejos, cangrejos de río, etc., que producen efluentes que causan el enriquecimiento en nutrientes del medio. El enriquecimiento en nutrientes también puede ser el resultado de alimentos no consumidos proporcionados a los animales acuáticos y/u organismos acuáticos.
A los efectos de la presente invención, la expresión animales acuáticos y/u organismos acuáticos se resumirá en la expresión peces.
La instalación utiliza un medio enriquecido en nutrientes al convertir sus nutrientes en nutrientes utilizables por la vegetación, p. ej., nutrientes de plantas. Las plantas presentes en el sistema pueden absorber el nutriente a través de las raíces o a través de las paredes celulares. Las plantas son la parte funcional o, más bien, el objeto diana del proceso de manipulación de la parte de la unidad hidropónica.
Por tanto, la instalación es capaz de producir, por ejemplo, animales acuáticos, p. ej., peces, cangrejos de río, etc., y plantas, p. ej., verduras, hierbas, plantas medicinales, frutas etc., en un ecosistema microbiano que garantiza altos niveles de reutilización del medio, especialmente la reutilización del agua y el reciclaje de nutrientes.
De forma adicional, la instalación está diseñada para llevar a cabo un proceso en el que el medio enriquecido en nutrientes se limpia por las plantas en la unidad hidropónica antes de volver de nuevo a los peces del sistema. El medio enriquecido en nutrientes, p. ej., el agua enriquecida en nutrientes, que también puede denominarse medio residual, p. ej., agua residual, se convierte preferentemente por bacterias y/o gusanos y/u otros organismos en alimento para las plantas y se dirige a la unidad hidropónica en la que las plantas u otros organismos filtran el enriquecimiento en nutrientes antes de que el medio vuelva a los peces.
No es necesario decir que en un sistema de circulación de este tipo, el medio elegido tiene que alimentar el entorno de los peces así como el entorno de las plantas. Sin embargo, este requisito es difícil de cumplir ya que tanto los peces como las plantas y las bacterias necesitan un medio que tenga diferentes intervalos de pH, por mencionar esta diferencia específica, como ya se ha descrito anteriormente.
Comprometer las necesidades de los peces y las plantas dentro de un solo ciclo de proceso del medio reduce casi automáticamente la eficacia de un sistema de circuito de recirculación tan singular en comparación con el resultado de la producción únicamente de peces, la producción únicamente de plantas o la producción únicamente de un cultivo.
Por lo tanto, se han desarrollado sistemas en los que los peces, las plantas y, si es aplicable, la remineralización se integran como unidades funcionales separadas que comprenden diferentes ciclos de medio, p. ej., ciclos de agua, que se pueden controlar de forma independiente. Dichos sistemas se denominan en el campo de la acuaponía Sistemas Acuapónicos Desacoplados (en lo sucesivo en el presente documento: DAPS). Estos al menos dos sistemas independientes se comunican entre sí aumentando los nutrientes para las plantas y proporcionando agua limpia de las plantas para diluir la composición enriquecida en nutrientes en la subunidad de los peces.
La presente invención se basa en un sistema DAPS de este tipo que ofrece la ventaja de que la parte multitrófica del sistema, así como la parte hidropónica del sistema, pueden separarse en caso de que la otra parte correspondiente cause un problema, p. ej., la necesidad de reparación. Los sistemas desacoplados también tienen ventajas con respecto a los sistemas comerciales a gran escala.
La instalación de acuerdo con la invención comprende, por tanto, una parte multitrófica así como una parte hidropónica.
La instalación de acuerdo con la invención también comprende una unidad de biorreactor, que también podría caracterizarse como un circuito de remineralización y que se describe con más detalle a continuación.
Parte multitrófica:
Aunque se pueden usar muchas opciones para los componentes individuales y la interrelación entre ellos, en sistemas de acuaponía (que son el ejemplo para describir el sistema de cultivo de vegetación de acuerdo con la invención), se prefiere el uso de sistemas de recirculación acuícola (en lo sucesivo en el presente documento: RAS). El RAS es una realización de la parte multitrófica de la instalación.
La parte multitrófica de la instalación comprende un contenedor. En lugar de un contenedor también puede utilizarse un tanque, recipiente o construcciones similares, denominadas en lo sucesivo en el presente documento, en general: contenedor.
Este sistema multitrófico comprende preferentemente, además del contenedor, unidades adicionales, tales como una unidad de biofiltro, opcionalmente una unidad de intercambio de gases, una unidad de filtro mecánico, una unidad de contenedor de sumidero, dispositivos de retirada de sólidos, dispositivos de iluminación UV o dispositivos de ozono para desinfección, bombas de aire, dispositivos de regulación del pH y/o contenedores de sedimentación. Estas unidades adicionales están preferentemente dispuestas fuera del contenedor.
El contenedor multitrófico contiene los peces y, por lo tanto, también podría denominarse acuario. El contenedor tiene preferentemente uno o más conectores a una línea de descarga del medio, p. ej., una línea de descarga de agua, que conduce el medio al menos a un tanque o cámara de sedimentación. Este dispositivo de sedimentación se puede utilizar como sistema de prefiltración y como sumidero de bomba.
El flujo de medio total se puede dividir en dos circuitos independientes. El primer circuito se puede utilizar para conducir el medio, por ejemplo, el agua, a la instalación de las plantas, es decir, a la parte hidropónica, de acuerdo con la invención. El segundo circuito independiente devuelve el agua desde la parte hidropónica del sistema al contenedor multitrófico que contiene los peces.
Por lo tanto, al describir la instalación y su método de procesamiento, nunca se debe olvidar que hay un circuito permanente, específicamente un medio de circulación, p. ej., agua de circulación. Esto significa, entre otras cosas, que cuando se describe más adelante, por ejemplo, la conducción o más bien el flujo del medio desde el acuario a la unidad de filtro mecánico, desde esta a la unidad de biofiltro, desde esta a la unidad de sumidero y de allí de nuevo al acuario, la unidad de sumidero recoge el medio únicamente desde esta unidad. Dado que es un circuito circulante, la unidad de sumidero, por ejemplo, también recibe medio que ya ha pasado por el circuito de la parte hidropónica y/u otras partes, tales como la unidad de destilación y la unidad de biorreactor, conduciendo de esta manera esta parte del medio de nuevo al acuario.
Esta circulación del medio siempre debe tenerse en cuenta al describir la función o construcción de las unidades de la instalación o su método de funcionamiento. Por tanto, el sistema de la instalación y su proceso es no estático, sino que circula permanentemente.
En general, se pueden utilizar bombas de elevación para el suministro del medio, que pueden estar soportadas por un sistema de gravedad que hace que el medio fluya en una determinada dirección.
Para lograr una buena calidad del medio, el medio, p. ej., el agua, tiene que filtrarse, y tienen que eliminarse los sólidos así como el amoníaco y el CO2 u otros componentes.
Los niveles de oxígeno disuelto, los valores de pH y la temperatura son factores importantes para el crecimiento de los peces y deben mantenerse en los niveles requeridos en todo momento.
El sistema de acuerdo con la invención comprende, por tanto, preferentemente una unidad para la filtración mecánica del medio del sistema de acuicultura de recirculación. Para mantener una buena calidad del medio y evitar que el sistema se deteriore, es necesario eliminar los restos de alimentos proporcionados a los peces y los efluentes de los peces, p. ej., los excrementos. Esto se procesa por la unidad de filtración mecánica.
De no hacerse esto, el aumento del amoníaco, la disminución del oxígeno y el ensuciamiento del medio debido a bacterias específicas conduciría a una concentración anaeróbica que, a su vez, haría que el sulfito de hidrógeno fuera un gas tóxico para los peces; adicionalmente aumenta el riesgo de obstrucción de las raíces de las plantas.
Se prefiere tener la unidad de filtración mecánica dispuesta directamente después del contenedor multitrófico, p. ej., el acuario y, preferentemente, delante de una unidad de biofiltro que se describirá más adelante. El orden de disposición de la unidad de filtración mecánica y la unidad de biofiltración también podría ser al revés.
La unidad de filtración mecánica puede utilizar diversas técnicas conocidas en el estado de la técnica. Por ejemplo, la instalación puede usar microfiltros de pantalla, p. ej., filtros de tambor, filtros de arena o filtros de bolas.
La unidad de filtración mecánica separa al menos la mayor parte de las partes sólidas del medio, p. ej., restos de alimento, excrementos, del resto del medio, es decir, de la parte líquida del medio. Habitualmente, las partes sólidas del medio están en el intervalo del 0,5 al 5 por ciento en peso.
Desde la unidad de filtración mecánica, la parte líquida del medio se conduce a la unidad de sumidero, mientras que las partes sólidas del medio se conducen a una unidad de biorreactor, en ambos casos para su procesamiento posterior. En el caso en el que no se proporciona unidad de biorreactor, en un ejemplo no perteneciente a la invención, la parte líquida así como las partes sólidas únicamente se conducen a la unidad de sumidero.
La conducción puede proporcionarse por la unidad de filtración mecánica directamente o a través de un dispositivo separado que está conectado de forma funcional y por construcción a la unidad de filtración mecánica.
En lugar o además de la filtración, se pueden utilizar unidades basadas en la sedimentación, separadores, p. ej., una unidad de filtración mecánica, separadores de oleaje o de flujo radial, u otras unidades basadas en la separación por gravedad. Como ya se ha mencionado, a la unidad de filtración mecánica le sigue una unidad de biofiltración y una unidad de sumidero.
El orden de secuencia de la unidad de sumidero o la unidad de biofiltración puede ser como se desee. Se prefiere proporcionar tanto la unidad de sumidero como la unidad de biofiltración en la instalación.
La unidad de sumidero comprende un contenedor y recibe al menos la mayor parte de la parte líquida del medio para su posterior procesamiento. La unidad de sumidero recibe, por lo tanto, la parte líquida del medio que contiene los nutrientes disueltos. La unidad de sumidero puede diseñarse preferentemente para un proceso de refinado adicional, p. ej., para una mayor separación de los componentes nutrientes.
Al menos la mayor parte de la parte del líquido enriquecido en nutrientes se conduce desde la unidad de sumidero de la parte multitrófica a la unidad de sumidero hidropónica que se describirá a continuación con más detalle. Esta parte enriquecida en nutrientes está destinada a un procesamiento posterior dentro de la parte hidropónica de la instalación total.
La parte líquida del medio que se devolverá al contenedor al final de las etapas de procesamiento se conducirá desde la unidad de sumidero, total o parcialmente, hasta la unidad de biofiltración.
De acuerdo con estas funciones, la unidad de sumidero tiene varios medios para separar los diversos flujos del medio circulante.
En caso de que la unidad de biofiltración siga directamente a la unidad de filtración mecánica, la parte líquida del medio mencionado se conducirá a la unidad de sumidero de la parte multitrófica de la instalación y se procesará adicionalmente en esta unidad de sumidero como se describe y posteriormente se conducirá total o parcialmente a una unidad de intercambio de gas opcional o se conducirá completamente al acuario de nuevo.
La unidad de biofiltración tiene como objetivo eliminar, entre otros elementos, amoníaco, compuestos orgánicos disueltos y dióxido de carbono. El amoníaco, que es un metabolito tóxico que se encuentra en los excrementos de los peces, se convierte en nitrito y/o nitrato.
La unidad de biofiltro puede ser del tipo reactor biológico de lecho móvil (en lo sucesivo en el presente documento: MBBR). El reactor MBBR consiste en un contenedor, tanque, bote, etc.; es un reactor lleno de medios biológicos y un sistema de aireación. Las bacterias descomponen los productos residuales y la aireación se usa para añadir oxígeno y eliminar el CO2.
Los biofiltros pueden estar hechos de diversos materiales, p. ej., de polímero de PVC o PE. Los sistemas de biofiltración MBBR, por tanto, consisten en un tanque de reactor lleno con el sustrato de biofiltro que consiste en pequeños tubos de plástico. Se utiliza un dispositivo dispensador en la parte inferior para airear el filtro, que hace que el sustrato de biofiltro se desplace. Como resultado, hay un buen contacto entre el agua residual y la biopelícula que crece en el sustrato. Las burbujas de aire también ayudan a proporcionar oxígeno a las bacterias y eliminar el dióxido de carbono. Pueden ser opcionales sopladores para proporcionar aire.
Por lo general, la concentración de nitrato en los sistemas de acuerdo con la invención puede controlarse mediante el intercambio de agua, absorción por la planta y/o desnitrificación a través de reducción bacteriana anóxica.
Después de haber eliminado todos o gran parte de los sólidos por la unidad de filtración mecánica mencionada anteriormente, el medio, por ejemplo, el agua, se conduce a través de la unidad de biofiltro donde el amoníaco se convertirá primero en nitrito y después en nitrato. Este proceso de conversión es conocido en el estado de la técnica y, por lo tanto, no se describe en detalle.
El nitrato recibido por este proceso es además una importante fuente de nitrógeno para las plantas. Como el nitrito también es tóxico para los peces, se debe garantizar que el sistema bacteriano en la instalación de biofiltro funcione correctamente con el resultado de que el amoníaco se mantenga dentro de niveles no tóxicos; la existencia de amoníaco no puede eliminarse por completo ya que los peces segregan permanentemente amoníaco a través de los excrementos. Esto quiere decir que la biofiltración es un proceso continuo.
Es preferible proporcionar una aireación significativa en los MBBR. Preferentemente, los medios deben tamizarse o mantenerse dentro del recipiente de contención.
Independientemente de estos requisitos generales, depende de los expertos en la materia proporcionar una unidad de biofiltro adecuada, cuya elección depende de varios factores tales como el tamaño de todo el sistema, la temperatura, las especies de animales acuáticos, el sistema de alimentación, la tasa de intercambio de agua, etc.
En lugar de o además del MBBR, también pueden utilizarse filtros de perlas, filtros de arena o filtros percoladores como sistema de biofiltración.
Se pueden utilizar otros sistemas en lugar de o además de los sistemas mencionados anteriormente, por ejemplo, sistemas de oxidación que aplican el tratamiento con ozono.
La elección de estas diferentes opciones depende mucho de varios aspectos, p. ej., de los costes, del espacio disponible, de si la construcción es sencilla o más complicada y del tamaño de todo el sistema para el crecimiento de la vegetación.
Según esto, la parte del RAS de la invención comprende opcionalmente una unidad de intercambio de gases. La unidad de intercambio de gases disuelve el CO2 del medio, p. ej., agua, y optimiza el nivel de oxígeno. El oxígeno es un parámetro de calidad importante para el crecimiento de los peces. La configuración de la unidad de intercambio de gases depende del tipo de pez, del tamaño de los peces, de los parámetros de alimentación, de la temperatura del agua, etc.
Después de pasar esta unidad de intercambio de gases opcional y/o la unidad de biofiltración o la unidad de sumidero mencionadas anteriormente, el agua pobre en nutrientes se conduce de nuevo al contenedor del circuito del RAS.
Por tanto, la al menos una parte del RAS está destinada a tratar los lodos procedentes de los peces y proporcionar un control de los parámetros de calidad más importantes, p. ej., el oxígeno disuelto, el TAN (nitrógeno amoniacal total (mg N/L = mg de NH3 - N/L mg de NH4 - N/L)), los sólidos en suspensión y el dióxido de carbono, del medio, p. ej., el agua.
Parte hidropónica:
La al menos una parte hidropónica de la instalación completa de la invención comprende al menos un contenedor, que contiene los sustratos para el crecimiento de la vegetación, p. ej., las plantas y, por supuesto, las propias plantas. Los nutrientes que son necesarios para el crecimiento de la vegetación suelen ser suministrados por sustratos que forman
parte de la solución que proporciona todos los nutrientes a las raíces o a las paredes celulares de las plantas. Normalmente están integrados sistemas de riego.
Existen varios enfoques constructivos de estas partes hidropónicas de la instalación posibles.
Una de estas técnicas se refiere al cultivo en aguas profundas (en lo sucesivo en el presente documento: DWC) también conocido como cultivo directo en agua, que funciona suspendiendo las raíces de las plantas directamente en una solución de nutrientes altamente oxigenada. Los sistemas de DWC son muy eficaces, son fáciles de construir y de hacer funcionar. Los contenedores, tanques, recipientes, etc. suelen estar llenos de agua y estas plantas se disponen sobre láminas de plástico dejando pasar el exceso de agua a través de las aberturas. Las raíces de las plantas se dirigen hacia el medio oxigenado que fluye continuamente desde y hacia el contenedor multitrófico, p. ej., los acuarios.
Otros sistemas hidropónicos son los sistemas aeropónicos que utilizan un proceso de cultivo de plantas en un ambiente de aire o niebla, pero sin utilizar sustrato ni ningún tipo de medio.
Otro sistema puede resumirse como sistema de flujo continuo; las técnicas de flujo continuo incluyen técnicas de película de nutrientes (en lo sucesivo en el presente documento: NFT) y sistemas de goteo. El concepto básico se refiere a un flujo continuo de nutrientes que proporciona un buen drenaje y flujo.
El denominado sistema de riego por goteo utiliza pequeños emisores para gotear nutrientes directamente sobre las raíces o el sustrato de las plantas. El sistema se puede utilizar con medio y sustrato.
El sistema de flujo y reflujo se describe como un sistema hidropónico de inundación y drenaje que inunda los contenedores con una solución de nutrientes a intervalos regulares y después los conduce de nuevo al contenedor multitrófico.
De acuerdo con el sistema NFT, los nutrientes se bombean desde el contenedor multitrófico a una bandeja para formar una película delgada de nutrientes que fluye constantemente, estando las raíces de las plantas sumergidas en ellos sin usar medio de cultivo.
El sistema de DWC se denomina sistema de RDWC cuando se utiliza junto con sistemas de cultivo directo en agua de recirculación. El RDWC funciona con el mismo principio que el sistema de DWC, pero puede tener un contenedor central separado que alimenta a varios subcontenedores, tanques, recipientes, etc. Las raíces de las plantas en la parte hidropónica del sistema necesitan oxígeno. En el caso de ciertas plantas, el aumento del oxígeno conduce a un aumento de la absorción de nutrientes, lo que a su vez conduce a un mayor crecimiento. En los sistemas hidropónicos es necesario que las raíces de las plantas entren en contacto con el oxígeno. En los sistemas de flujo y reflujo, esto se consigue al tener flujos a intervalos regulares de solución de nutrientes interrumpidos por períodos de falta de suministro para que las raíces puedan respirar. En un sistema de DWC, las raíces de las plantas siempre están conectadas a la solución de nutrientes; el oxígeno que necesitan las plantas también está dentro de la solución.
En el sistema hidropónico, el sustrato para las raíces de las plantas puede consistir en diversos productos, p. ej., los denominados cubos de lana de roca, bolas de hidrotón, grava, arcilla expandida u otros.
Todos los sistemas mencionados anteriormente requieren una filtración mecánica eficaz para evitar que los desechos de los animales se instalen en las raíces de las plantas.
La parte hidropónica preferentemente también comprende una unidad de sumidero. Esta unidad de sumidero de hidroponía en sí misma puede comprender una bomba y/o filtro(s) del tipo apropiado. La unidad de sumidero de la parte hidropónica recibe el agua del RAS procesada en la parte multitrófica de la instalación y como se ha descrito anteriormente. En la unidad de sumidero tiene lugar un procesamiento posterior, por ejemplo, el suplemento y procesamiento de nutrientes, así como el procesamiento del agua que se conducirá al lecho hidropónico como se acaba de describir. La adaptación del nivel de pH, como se describe a continuación, puede tener lugar en relación con la unidad de sumidero de hidroponía.
La unidad de sumidero de hidroponía también está diseñada para recibir de vuelta el agua procedente del lecho hidropónico después de que las plantas hayan absorbido los nutrientes y conducirla de nuevo en una forma limpia a la unidad de sumidero de la parte de RAS de la instalación. Por consiguiente, esta agua devuelta es pobre en nutrientes. Con respecto a la unidad de destilación, la unidad de sumidero de hidroponía tiene funciones adicionales que se describirán en el contexto de la unidad de destilación. Para cumplir con estas diversas funciones, la unidad de sumidero de hidroponía tiene medios para separar los diferentes flujos.
En caso de que la instalación comprenda una unidad de destilación, la unidad de sumidero de hidroponía conduce agua a la unidad de destilación, como se describirá con más detalle con respecto a la unidad de destilación.
El tamaño de la parte hidropónica y sus unidades de la presente invención depende de la cantidad de nutrientes, es
decir, los peces alimentan al RAS, que se pone a disposición del sistema. El alcance de los nutrientes que se ponen a disposición de las plantas mediante la remineralización de los lodos de acuicultura da como resultado una mayor cantidad de nutrientes que estarán disponibles para las plantas. Por consiguiente, el tamaño de la parte hidropónica del sistema de la instalación debe adaptarse al alcance de la remineralización de los lodos de acuicultura.
Módulos/componentes generales:
La instalación comprende preferentemente otros módulos/componentes que se describen a modo de ejemplo como se indica a continuación:
Dado que es el sistema de recirculación acuícola (RAS) el que aporta los nutrientes necesarios al componente hidropónico del sistema y dado que el medio proporciona oxígeno tanto a los peces como a las plantas, existen parámetros de calidad adicionales y dispositivos necesarios para controlar los parámetros ambientales del sistema para el cultivo de vegetación de acuerdo con la invención.
Uno de los parámetros es la temperatura, que puede variar considerablemente según la especie de los peces y según la especie de las plantas. La temperatura también debe tener en cuenta los requisitos para las bacterias nitrificantes. Los peces de agua fría, por ejemplo, necesitan temperaturas en el intervalo de 10 ° - 18 °C, diversos peces tropicales prefieren temperaturas entre 22° - 32 °C. Las plantas a menudo prefieren temperaturas en el intervalo de 14 ° - 20 °C; las bacterias nitrificantes necesitan un intervalo de 16° - 35 °C.
Por tanto, el sistema comprende preferentemente medios para controlar la temperatura según las necesidades específicas de los peces, plantas y bacterias.
Los peces necesitan oxígeno. La solubilidad del oxígeno depende de la temperatura y la salinidad del agua. En un sistema en el que se eleva la temperatura del agua y aumenta salinidad, disminuye la solubilidad del oxígeno. El oxígeno es, por tanto, un parámetro importante para el sistema de la presente invención. Su nivel depende de varios factores, p. ej., el tipo de pez, la temperatura del agua y el tipo de alimentación de los peces.
Por tanto, el sistema de acuerdo con la invención comprende preferentemente un dispositivo para controlar el oxígeno disuelto.
Otro parámetro de calidad se refiere al nivel de pH, p. ej., a la cuestión de la acidez. Como ya se ha indicado al principio de esta descripción, los peces prefieren valores de pH entre 6,5 y pH 9,0. Los valores más altos de pH conducen a la conversión de amonio en amoníaco tóxico. Los intervalos de pH inferiores a 6,5 tienen un efecto negativo en el metabolismo de los peces. Las plantas prefieren valores de pH inferiores a pH 6,5. Las bacterias nitrificantes crecen mejor a un nivel superior a pH 7,5.
Por tanto, es esencial llevar estos diferentes niveles de pH para el sistema de recirculación acuícola y el sistema hidropónico a un sistema de equilibrio.
Por lo tanto, el sistema comprende una unidad para controlar los diversos niveles de pH de la parte de RAS y de la parte hidropónica. Se prefiere llevar a estas partes a un intervalo de pH de equilibrio que se ajuste a las necesidades específicas de las especies de peces y plantas que crecen en el sistema.
La acidez del agua influye aún más en muchos de los parámetros de calidad del medio, entre los que se incluyen los nitritos y los nitratos.
Por lo tanto, es preferible equilibrar el pH para el medio de los peces, p. ej., a los requisitos de pH de las plantas o viceversa; en muchos casos se prefiere un intervalo entre pH 6,8 y 7,0, siendo este un compromiso aceptable.
Preferentemente, también hay un dispositivo para controlar la alcalinidad (CaCO3) para neutralizar el ácido en el medio teniendo en cuenta el nivel de pH necesario.
El nutriente a utilizar para el sistema de acuerdo con la invención comprende, entre otros, nitrógeno N así como fósforo P como componentes esenciales. El nitrógeno en el sistema de la invención surge entre otros debido a los excrementos de los peces. El medio contiene amoníaco (NH3), que puede ser tóxico para los peces incluso en niveles muy bajos, mientras que el nitrito es tóxico para los peces en niveles más altos. Por otro lado, se puede utilizar nitrógeno para estimular el crecimiento de las plantas. Los residuos sólidos en forma de excrementos o alimento en el sistema multitrófico se convierten en amonio por medio de microbios. Como ya se ha mencionado, las bacterias convierten el amonio en nitritos y luego en nitratos.
Por lo tanto, el sistema de acuerdo con la invención comprende preferentemente una unidad de desnitrificación. La unidad aborda la existencia de nitrato en aguas oxigenadas; el nitrato (NH4+) se puede convertir bioquímicamente en nitrito (NH3), que de nuevo se puede oxidar a nitrato una vez más. La unidad de desnitrificación, por tanto, tiene capacidad de desnitrificación, es decir, de reducir el nitrato, así como de nitrificación, es decir, de oxidar amoníaco o amonio a nitrito.
Si todos o algunos de los componentes/módulos descritos se utilizan junto con una tecnología de destilación solar/fotovoltaica y/o tecnología de biogás, aumenta la rentabilidad.
Circuito de remineralización:
Como ya se ha indicado anteriormente, el sistema para el cultivo de vegetación de acuerdo con la invención comprende al menos una unidad adicional en forma de un biorreactor.
La provisión de una unidad que comprende un biorreactor se podría caracterizar por proporcionar la denominada unidad de remineralización o, más bien, el circuito de remineralización que es capaz de reducir adicionalmente el valor de pH de las partes de nutrientes sólidos en el sistema y convertir al menos una gran parte, preferentemente la totalidad, de estas partes de nutrientes sólidos en biofertilizante.
Ya se ha indicado en el contexto de la descripción de la unidad de filtro mecánico de la parte de RAS de la instalación de acuerdo con la invención, que al menos una gran parte de las partes de partículas solubles en agua que se separan debido al proceso del filtro mecánico puede conducirse desde la unidad de filtro mecánico a la unidad de biorreactor. La cantidad de estas partes de partículas solubles en agua que se separan en la unidad de filtro mecánico puede variar; normalmente, sin embargo, asciende a aprox. un 0,5 % - 5 % en peso.
Estas partes de partículas solubles en agua podrían denominarse residuos acuícolas. Suelen ser lodos de peces, es decir, excrementos y alimentos no consumidos.
Las partes de partículas solubles en agua quedan atrapadas en la rejilla, red o membrana u otro medio de separación como resultado del proceso de filtrado mecánico realizado por la unidad de filtro mecánico. Las partes de partículas que quedan atrapadas pueden separarse aplicando sobrepresión que da como resultado el lavado de las partes de partículas.
No es necesario decir que también se pueden aplicar diferentes métodos de separación y conducción de estas partes de partículas.
El biorreactor está diseñado para realizar un postratamiento aeróbico de las partículas, es decir, de los residuos acuícolas.
El biorreactor reduce el valor de pH de estos residuos acuícolas. Como resultado de la reducción del valor de pH, llegará a un intervalo de pH 6 a pH 5, pero preferentemente, a un valor menor que pH 5.
La reducción del valor de pH preferentemente no influye en el contenido de nutrientes, es decir, en el valor nutricional. El contenido de nutrientes de estos residuos acuícolas después de haber pasado el proceso de reducción del valor de pH preferentemente sigue siendo el mismo.
Sin embargo, al reducir el valor de pH en la unidad de biorreactor, los nutrientes de estos residuos acuícolas se disuelven de manera ventajosa. Esto significa que ejecutar el proceso en la unidad de biorreactor da como resultado una "extracción" de los nutrientes de los residuos acuícolas, p. ej., del lodo de peces.
Un intervalo preferido de menos de pH 5 conduce a una eficacia de recuperación de nutrientes mucho mejor. Los residuos acuícolas se convierten eficazmente en biofertilizante.
Debido al valor de pH y la correspondiente metanogénesis suprimida, el efluente es, sin embargo, rico en ácidos grasos volátiles (AGV) que retrasan el crecimiento.
Por lo tanto, la unidad de biorreactor preferentemente proporciona una etapa adicional de proceso de un postratamiento aeróbico, que proporciona etapas de oxidación o más bien de disminución de los AGV para que el efluente de esta etapa de postratamiento pueda transferirse al sistema hidropónico.
Por ello, la transferencia de los residuos acuícolas al biofertilizante se finaliza preferentemente en un dispositivo de sedimentación de flujo radial que puede formar parte de la unidad de biorreactor completa.
Los sedimentadores de flujo radial son un tipo de filtro que ayuda a eliminar las partes sólidas de los residuos acuícolas y, por lo tanto, a preparar biofertilizante. En un sedimentador de flujo radial, los residuos acuícolas ya tratados en el biorreactor como se ha descrito anteriormente entran, por ejemplo, en el centro de un tanque verticalmente y fluyen a través de un pozo de amortiguación que hace que los sólidos de baja densidad sedimenten fácilmente fuera de la columna de agua a medida que sedimentan en el tanque. El medio filtrado se desborda por un aliviadero en la parte superior del sedimentador hacia un canal de recolección donde el medio tratado se envía a la parte hidropónica de la instalación.
Por supuesto, otros principios de construcción de un sedimentador de flujo radial también funcionan de manera apropiada.
De acuerdo con la unidad de biorreactor mencionada anteriormente, el efluente tratado se transfiere a la parte hidropónica de la instalación, preferentemente al sumidero de hidroponía ya mencionado.
Al mezclar este efluente que tiene, como se ha descrito, un valor de pH bajo con el medio que procede de la parte de RAS de la instalación, que también tiene ya un valor de pH reducido, como se ha descrito anteriormente, es posible una reducción adicional del valor de pH en la parte hidropónica de la instalación, lo que es ventajoso para el crecimiento de las plantas de acuerdo con los requisitos mencionados anteriormente para el nivel de pH de las plantas. Independientemente de esto, al menos la mayor parte de los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas permanecen en el efluente transferido desde la unidad de biorreactor a la parte hidropónica de la instalación.
Cuando el efluente haya llegado a la parte hidropónica de la instalación, es decir, el sumidero de hidroponía, el tratamiento del medio continuará como se ha descrito anteriormente.
Esto significa que en caso de proporcionar la unidad de destilación mencionada a continuación, el medio pasa las etapas de proceso correspondientes descritas. En caso de que no se proporcione una destilación, el medio enriquecido en nutrientes se conduce directamente desde el sumidero de hidroponía al lecho hidropónico que contiene las plantas; la parte de agua pobre en nutrientes será conducida de vuelta al contenedor multitrófico, p. ej., acuario, como se ha descrito anteriormente.
Debe enfatizarse que proporcionar una unidad de biorreactor en la instalación de acuerdo con la invención no se limita al procesamiento adicional de las partes de partículas solubles en agua de los lodos de peces que se separan del filtro mecánico. La unidad de biorreactor también es capaz de procesar o más bien tratar las sustancias fertilizantes primarias externas, tales como excrementos de ganado, p. ej., vacas, cerdos o pollos, o tales como residuos orgánicos domésticos triturados y productos de residuos vegetales.
Esto significa que la función de la unidad de biorreactor es universal. El biorreactor se puede implementar universalmente tanto para residuos acuícolas como para excrementos de ganado, productos de residuos orgánicos domésticos y residuos vegetales triturados.
El biorreactor se coloca en el sistema entre el contenedor multitrófico y el sistema hidropónico, especialmente después del microfiltro de pantalla, p. ej., filtro de tambor.
El biorreactor puede comprender funcionalmente un depósito de sedimentación más una bomba.
El biorreactor es capaz de remineralizar lodos de peces y convertir residuos acuícolas, es decir, excrementos de peces y alimentos no consumidos, en biofertilizante. El solicitante descubrió que si proporcionaba un pH bajo, es decir, menor de 5,0, la eficacia de recuperación de nutrientes era mucho mejor.
La provisión de un biorreactor no está restringida a un cierto tipo de biorreactor. Sin embargo, pueden ser reactores apropiados los denominados reactores anaeróbicos de flujo ascendente y manto de lodos (en lo sucesivo en el presente documento: UASB).
Un reactor UASB puede comprender un solo tanque en el que se pueden tratar aguas residuales o aguas negras anaeróbicas centralizadas o descentralizadas logrando una alta eliminación de contaminantes orgánicos. El agua residual entra en el reactor, por ejemplo, desde abajo y fluye hacia arriba. Un manto de lodos en suspensión filtra y trata las aguas residuales a medida que las aguas residuales fluyen a su través. Las bacterias presentes en el lodo convierten la materia orgánica mediante un tratamiento anaeróbico y producen biogás. Los sólidos pueden separarse mediante filtros. Los nutrientes se eliminan únicamente en una pequeña medida. Por lo tanto, el agua residual, así como el lodo estabilizado, se pueden utilizar para el sistema hidropónico como fertilizante.
En lugar o además de los reactores UASB, también se pueden utilizar los denominados reactores de digestión de lecho de lodo granular expandido (en lo sucesivo en el presente documento: EGSB) o reactores de circulación interna (en lo sucesivo en el presente documento: IC).
En general, se puede utilizar cualquier tipo de biorreactor.
Dado que el nitrógeno y el fósforo no se reducen de manera eficaz en las tecnologías anaeróbicas, la provisión de un biorreactor es apropiada en los sistemas para el cultivo de vegetación de acuerdo con la invención, especialmente en sistemas acuapónicos.
Unidad de destilación:
Como se ha indicado anteriormente, la instalación puede comprender además una unidad de destilación, aparte de la parte multitrófica, la parte hidropónica y el biorreactor descritos anteriormente.
Dado que la hidroponía es, como ya se ha mencionado, un sistema de cultivo sin sustrato, los nutrientes para las plantas se suministran, entre otros, por el alimento de los peces y los residuos de los peces, i.e. los excrementos. Los nutrientes se pueden dividir en macronutrientes y micronutrientes. Los macronutrientes tales el nitrógeno N, fósforo P, potasio K, calcio Ca, magnesio Mg y azufre S son de suma importancia para las plantas.
Los micronutrientes tales como el hierro Fe, cobre Cu, boro B, zinc, Zn, etc., preferentemente se añaden.
Como los nutrientes presentes en el sistema llegan a través del alimento de los peces como residuos de los peces o restos de alimentos, la concentración de macro y micronutrientes en el circuito del RAS es automática y sistemáticamente más alta que en el componente hidropónico en caso de que no se produzcan aportes adicionales de fertilizantes en la parte hidropónica. Por otro lado, como ya se ha mencionado, se debe lograr la situación inversa, ya que las plantas en el circuito hidropónico necesitan el suministro de la concentración de macro y micronutrientes. Por tanto, los sistemas DACS requieren una cantidad significativa de fertilizante adicional o la manipulación de nutrientes para cumplir con los parámetros de crecimiento óptimos. Sin embargo, esta situación no puede alterarse eficazmente por el hecho de que el circuito de remineralización suministra nutrientes adicionales al componente hidropónico.
Una posible solución a esta situación no deseada sería aumentar la concentración de nutrientes en el circuito hidropónico, asegurando al mismo tiempo que las condiciones del agua del RAS cumplen con los requisitos específicos de las especies. Sin embargo, en el contexto del sistema para el cultivo de vegetación, especialmente en el contexto del sistema acuapónico, la fertilización adicional lleva asociada los costes adicionales correspondientes.
Por otro lado, los peces necesitan un medio pobre en nutrientes. La simple conducción del medio enriquecido en nutrientes de la parte de RAS a la parte hidropónica y el relleno de la parte de RAS con medio limpio llevaría todo el sistema al absurdo porque no se ahorra nada de medio, p. ej., agua.
De forma adicional, debe mencionarse que la adición de fertilizantes artificiales puede, teniendo en cuenta los costes adicionales así como el aumento de la huella ecológica, el contenido de nutrientes hidropónicos, sin embargo, no resolvería el problema de los altos valores de nitrato en el RAS.
Para evitar la fertilización adicional, otra opción es implementar un proceso de destilación.
La destilación en este contexto es capaz de aumentar la concentración de nutrientes dentro del circuito hidropónico al tiempo que garantiza condiciones de bajo contenido de nutrientes preferidas para los peces. De forma adicional, también se puede minimizar el uso de agua. La unidad de destilación soluciona las descargas de agua y nutrientes. La tecnología de destilación se puede utilizar para equilibrar las concentraciones de nutrientes.
Como ya se ha mencionado anteriormente con respecto a la parte multitrófica de la instalación, la unidad de sumidero de hidroponía recibe medio, por ejemplo, el agua, de la unidad de sumidero de la parte multitrófica de la instalación.
Como ya se ha mencionado, la unidad de sumidero de la parte multitrófica recibe la parte líquida del medio que contiene los nutrientes disueltos. Esta parte líquida se conduce además a la unidad de sumidero de hidroponía. La unidad de sumidero de hidroponía también recibe el medio, p. ej., el agua, del contenedor hidropónico en el que las plantas tomaron o más bien absorbieron al menos una gran parte de los nutrientes del medio y limpiaron el agua al menos en cierta medida; esta parte del agua aún puede incluir algunos de los nutrientes en caso de que las plantas no absorban todos los nutrientes.
Entonces, todo este medio, y de nuevo hay que tener en cuenta que es un proceso de circulación permanente, se conducirá desde el contenedor de la unidad de sumidero de hidroponía hasta la unidad de destilación, donde tiene lugar un proceso de separación como se describirá con más detalle a continuación.
El resultado de este proceso de separación es que el medio se separará en una parte líquida, pobre en nutrientes y limpia, y que será conducida de vuelta desde la unidad de destilación/el contenedor multitrófico, p. ej., al acuario a través de la unidad de sumidero de la parte multitrófica, generalmente también a través de la unidad de biofiltro y/o la unidad de intercambio de gases. Por lo tanto, el medio es muy adecuado para los peces, y todo el ciclo de circulación puede comenzar de nuevo.
El proceso de separación llevado a cabo en la unidad de destilación conduce, además de a un medio pobre en nutrientes, a una concentración de nutrientes que será conducida de vuelta desde la unidad de destilación a la unidad de sumidero de hidroponía. En la unidad de sumidero de hidroponía tiene lugar un enfriamiento del medio recibido de la unidad de destilación. Por tanto, este medio enriquecido con nutrientes se conducirá desde la unidad de sumidero de hidroponía al contenedor hidropónico, poniéndose estos nutrientes a disposición de las plantas.
La propia unidad de sumidero de hidroponía conduce al menos una gran parte del medio recibido a la unidad de destilación.
De manera más específica, el medio procedente del sumidero de hidroponía se concentra en la unidad de destilación dando como resultado dos flujos separados, en concreto, agua desmineralizada que fluye al RAS por un lado y una solución de nutrientes concentrada (es decir, salmuera) que fluye de vuelta al circuito hidropónico por el otro lado.
La unidad de destilación puede funcionar con varios principios de construcción o combinaciones de los mismos.
La microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), nanofiltración (NF), ósmosis inversa (OI), pervaporación y electrodiálisis son procesos de membrana apropiados.
Un ejemplo de la unidad de destilación utiliza la técnica de destilación por membrana (MD). Una membrana microporosa hidrófoba separa el medio calentado y una fase receptora enfriada. La diferencia de temperatura resultante de esto a través de la membrana provoca la transferencia de vapor de agua a través de los poros desde el lado de alta presión de vapor al de baja.
El contenido de sólidos solubles del medio, en la medida en que todavía existe cuando se recibe de la unidad de sumidero de hidroponía, aumenta mediante el proceso de concentración. Esta parte restante concentrada del medio, es decir, la solución nutritiva concentrada, se conduce de nuevo a la unidad de sumidero de hidroponía, donde se enfría adicionalmente y luego se conduce a la unidad de cultivo de agua hidropónica (DWC) o unidades similares de acuerdo con la explicación proporcionada anteriormente.
La parte de agua destilada del medio, es decir, el agua vaporizada, se desmineraliza mediante este proceso y se conduce en esta concentración pobre en nutrientes de regreso a la unidad de sumidero multitrófico y desde allí se conduce a través de la unidad de filtro biológico y la unidad de intercambio de gases opcional nuevamente al contenedor, p. ej., acuario.
La destilación por membrana MD es un proceso dirigido térmicamente, en el que el transporte de vapor de agua se produce a través de una membrana hidrófoba porosa no humedecida. Se genera un gradiente de presión de vapor por una diferencia de temperatura a través de la membrana. El transporte de agua a través de la membrana puede comprender las etapas de formación de un espacio de vapor en la superficie de contacto de membrana-medio caliente, transporte de la fase de vapor a través del sistema microporoso y condensación del vapor en la superficie de contacto membrana-solución de permeado del lado frío.
Se pueden utilizar configuraciones específicas de esta técnica, p. ej., el denominado proceso de destilación por membrana de contacto directo (DCMD) según el cual se usa agua que tiene una temperatura más baja que el líquido en el medio como fluido de condensación en el lado del permeado; por consiguiente, el líquido en ambos lados de la membrana está en contacto directo con la membrana microporosa hidrófoba.
Una alternativa es el denominado método de destilación por membrana con espacio de aire (AGMD), en el que el vapor de agua se condensa sobre una superficie fría que se ha separado de la membrana a través de un espacio de aire.
Otra posibilidad es el denominado método de destilación por membrana con gas de barrido (SGMD) en el que se usa un gas inerte frío en el lado del permeado para arrastrar y transportar las moléculas de vapor al exterior del módulo de membrana donde tiene lugar la condensación.
La técnica del denominado método de destilación por membrana de vacío (VMD), utiliza la aplicación de vacío en el lado del permeado; la presión de vacío aplicada es menor que la presión de vapor de equilibrio con la consecuencia de que la condensación tiene lugar fuera del módulo de membrana.
También se pueden utilizar otras técnicas de destilación, p. ej., destilación osmótica (OD) en la que una membrana hidrófoba microporosa separa dos soluciones acuosas a diferentes concentraciones de soluto. La unidad de destilación adicional es, por lo tanto, capaz de concentrar la solución de nutrientes hidropónicos y de dirigir el agua desmineralizada a la parte de rAs del sistema nuevamente. La solución de nutrientes que se obtiene realizando este proceso en las unidades descritas contiene el concentrado de nutrientes. Este concentrado por lo general no consiste en nutrientes en forma de partículas, es decir, nutrientes sólidos, sino en nutrientes disueltos.
Los ensayos y pruebas del solicitante, así como los cálculos, muestran que entre el 30 % y el 75 % del flujo a la unidad de destilación se remineraliza y se puede reutilizar dentro del RAS. Una de las consecuencias adicionales es que el nivel de nitrato del RAS se puede mantener en niveles justo por debajo de 50 ppm.
Otra ventaja de la instalación es que las concentraciones de nutrientes hidropónicos y de RAS se regulan directamente. El lodo tratado, es decir, el residuo, se concentra aún más para aumentar la concentración en la hidroponía y para aumentar la calidad del agua en el RAS
Además de la dosificación de las concentraciones de nutrientes del sistema de RAS así como del sistema hidropónico, la al menos una unidad de destilación es capaz de desalinizar agua de mar o agua salobre, aumentando así la capacidad de las regiones secas para producir alimentos dentro del sistema sostenible.
Por tanto, la implementación de procesos de destilación contribuye a los equilibrios de nitratos en los sistemas acuapónicos de circuito múltiple para lograr condiciones de crecimiento óptimas tanto para los peces como para la vegetación, p. ej., plantas, concentrando la solución de nutrientes hidropónicos mientras se diluye el agua del proceso del RAS.
Ejemplo de realización de la invención:
El sistema y el método de acuerdo con la invención se describen con más detalle; sin embargo, la invención no se limita a este detalle, que muestra en la Fig. 1: un esquema de flujo de agua del sistema acuapónico de circuito múltiple.
La instalación 1 de acuerdo con la invención muestra un esquema del sistema acuapónico de circuito múltiple que comprende cuatro sistemas parciales que están desacoplados.
La instalación de acuerdo con la invención comprende, por lo tanto, unidades multitróficas 2, 4, 6, 7 así como unidades hidropónicas 13, 12, 14.
La instalación puede comprender una unidad de destilación 16 y comprende una unidad de biorreactor 10. El uso de sistemas de recirculación acuícola es una realización de la parte multitrófica de la instalación. Una parte multitrófica de la instalación comprende un contenedor 2.
Este sistema multitrófico como se muestra en la Fig. 1 comprende además del contenedor 2 unidades adicionales, tales como una unidad de biofiltro 6, una unidad de intercambio de gases 5 y una unidad de filtro mecánico 4. Estas unidades adicionales están dispuestas fuera del contenedor 2.
El contenedor multitrófico 2 está diseñado para contener los peces. El contenedor tiene uno o más conectores a una línea de descarga de medio, p. ej., una línea de descarga de agua, que conduce el medio al menos a un tanque o cámara de sedimentación (no mostrado). Este dispositivo de sedimentación se puede utilizar como sistema de prefiltración y como sumidero de bomba. El flujo medio total se divide en dos circuitos independientes. El primer circuito se puede utilizar para conducir el medio, por ejemplo, el agua, a la instalación de las plantas, es decir, a la parte hidropónica, de acuerdo con la invención. El segundo circuito independiente devuelve el agua desde la parte hidropónica de la instalación al contenedor multitrófico 2 que contiene los peces, es decir, acuario 3.
La instalación comprende una unidad de filtración mecánica 4 del medio del sistema de recirculación acuícola. Para mantener una buena calidad del medio y evitar que el sistema se deteriore, es necesario eliminar los restos de alimentos proporcionados a los peces y los efluentes de los peces, p. ej., los excrementos. Esto se procesa por la unidad de filtración mecánica 4.
La unidad de filtración mecánica 4 está dispuesta directamente después del contenedor multitrófico 2, es decir, el acuario 3, y delante de una unidad de biofiltro 6, de acuerdo con este ejemplo de realización de la invención.
La unidad de filtración mecánica 4 separa las partes sólidas del medio, p. ej., restos de alimento, excrementos, del resto del medio, es decir, de la parte líquida del medio.
Desde la unidad de filtración mecánica 4, la parte líquida del medio se conduce a la unidad de sumidero 7, mientras que las partes sólidas del medio se conducen a una unidad de biorreactor 10, en ambos casos para su procesamiento posterior.
El orden de secuencia de la unidad de sumidero 7 o la unidad de biofiltración 5 puede ser como se desee.
La unidad de sumidero 7 recibe al menos la mayor parte de la parte líquida del medio para su procesamiento adicional. La unidad de sumidero 7 está diseñada para un proceso de refinado adicional, p. ej., para una mayor separación de los componentes nutrientes. Al menos la mayor parte de la parte del líquido enriquecida en nutrientes se conduce a la unidad de sumidero de hidroponía 12. Esta parte enriquecida en nutrientes está destinada a un procesamiento posterior dentro de la parte hidropónica 13, 12, 14 de la instalación 1 completa.
La parte líquida pobre en nutrientes del medio que se devolverá al contenedor 2 al final de las etapas de procesamiento, se conducirá desde la unidad de sumidero 7, total o parcialmente, hasta la unidad de biofiltración 6.
En caso de que la unidad de biofiltración 6 siga directamente a la unidad de filtración mecánica 4 la parte líquida del
medio mencionada se conducirá a la unidad de sumidero 7 de la parte multitrófica de la instalación 1 y se procesará posteriormente en esta unidad de sumidero 7 como se ha descrito y luego se conducirá total o parcialmente a una unidad opcional de intercambio de gases 5 o se conducirá completamente al acuario 3 de nuevo.
La unidad de biofiltración 6 tiene como objetivo eliminar, entre otros elementos, amoníaco, compuestos orgánicos disueltos y dióxido de carbono. El amoníaco, que es un metabolito tóxico que se encuentra en los excrementos de los peces, se convierte en nitrito y/o nitrato.
Después de haber eliminado todos o gran parte de los sólidos por la unidad de filtración mecánica mencionada anteriormente 4, el medio, por ejemplo, el agua, se conduce a través de la unidad de biofiltro 6 donde el amoníaco se convertirá primero en nitrito y después en nitrato.
El sistema de acuerdo con la invención comprende preferentemente, por tanto, una unidad para la desnitrificación. La unidad aborda la existencia de nitrato en aguas oxigenadas; el nitrato (NH4+) se puede convertir bioquímicamente en nitrito (NH3), que de nuevo se puede oxidar a nitrato una vez más. La unidad de desnitrificación es, por tanto, capaz de realizar la desnitrificación, es decir, de reducir el nitrato, así como de nitrificación, es decir, de oxidar amoníaco o amonio a nitrito.
El nitrato recibido por este proceso es además una importante fuente de nitrógeno para las plantas. Como el nitrito también es tóxico para los peces, se debe garantizar que el sistema bacteriano en la instalación de biofiltro funcione correctamente con el resultado de que el amoníaco se mantenga dentro de niveles no tóxicos; la existencia de amoníaco no puede eliminarse por completo ya que los peces segregan permanentemente amoníaco a través de los excrementos. Esto quiere decir que la biofiltración es un proceso continuo.
De acuerdo con la Fig. 1, la parte de RAS de la invención comprende una unidad de intercambio de gases 5 (opcional). La unidad de intercambio de gases 5 disuelve el CO2 del medio, p. ej., agua, y optimiza el nivel de oxígeno. El oxígeno es un parámetro de calidad importante para el crecimiento de los peces. La configuración de la unidad de intercambio de gases 5 depende del tipo de pez, del tamaño de los peces, de los parámetros de alimentación, de la temperatura del agua, etc.
Después de pasar esta unidad de intercambio de gases 5 opcional, la unidad de biofiltración 6 mencionada anteriormente o la unidad de sumidero 7, el agua pobre en nutrientes se conduce de vuelta al contenedor 2 del circuito de RAS.
La otra parte principal del sistema es el al menos un sistema hidropónico 13 que comprende al menos una unidad de sumidero de hidroponía 12 y al menos una unidad de cultivo en aguas profundas 14 que permite que las plantas crezcan y se suspendan con las raíces sumergidas en la solución de nutrientes.
La al menos una parte hidropónica 13, 12, 14 de la instalación 1 completa de la invención comprende un contenedor 14, que contiene los sustratos para el crecimiento de la vegetación, p. ej., las plantas y, por supuesto, las propias plantas.
Existen varios enfoques constructivos de estas partes hidropónicas de la instalación posibles.
Una de estas técnicas se refiere al cultivo en aguas profundas (en lo sucesivo en el presente documento: DWC) también conocido como cultivo directo en agua, que funciona suspendiendo las raíces de las plantas directamente en una solución de nutrientes altamente oxigenada.
Dado que la hidroponía es, como ya se ha mencionado, un sistema de cultivo sin sustrato, los nutrientes para las plantas se suministran, entre otros, por el alimento de los peces y los residuos de los peces, i.e. los excrementos. Los nutrientes se pueden dividir en macronutrientes y micronutrientes. Los macronutrientes tales el nitrógeno N, fósforo P, potasio K, calcio Ca, magnesio Mg y azufre S son de máxima importancia para las plantas.
Los micronutrientes tales como el hierro Fe, cobre Cu, boro B, zinc, Zn, etc., preferentemente se añaden.
Como los nutrientes presentes en el sistema llegan a través del alimento de los peces como residuos de los peces o restos de alimentos, la concentración de macro y micronutrientes en el circuito del RAS es automática y sistemáticamente más alta que en el componente hidropónico en caso de que no se produzcan aportes adicionales de fertilizantes en la parte hidropónica. Por otro lado, como ya se ha mencionado, se debe lograr la situación inversa, ya que las plantas en el circuito hidropónico necesitan el suministro de la concentración de macro y micronutrientes.
Por consiguiente, parte del sistema del ejemplo de acuerdo con la Fig. 1 muestra una unidad de destilación 16. El agua procedente del sumidero de hidroponía 12 se concentra en la planta de destilación 16 dando como resultado dos flujos separados, en concreto, el transporte del agua desmineralizada de vuelta al RAS que tiene condiciones pobres en nutrientes para los peces y la solución de nutrientes concentrada, es decir, con mayor concentración de nutrientes, que fluye de vuelta al circuito hidropónico 13
La destilación en este contexto es capaz de aumentar la concentración de nutrientes dentro del circuito hidropónico 13, 12, 14 al tiempo que garantiza condiciones de bajo contenido de nutrientes preferidas para los peces. De forma adicional, también se puede minimizar el uso de agua. La unidad de destilación soluciona las descargas de agua y nutrientes. La tecnología de destilación se puede utilizar para equilibrar las concentraciones de nutrientes.
Como ya se ha mencionado anteriormente con respecto a la parte multitrófica 2, 4, 6, 7 de la instalación 1, la unidad de sumidero de hidroponía 12 recibe medio, por ejemplo, el agua, de la unidad de sumidero 7 de la parte multitrófica de la instalación. La propia unidad de sumidero de hidroponía 12 conduce al menos una gran parte del medio recibido a la unidad de destilación 16.
El agua procedente del sumidero de hidroponía se concentra en la unidad de destilación dando como resultado dos flujos separados, en concreto, agua desmineralizada que fluye al RAS por un lado y una solución de nutrientes concentrada (es decir, salmuera) que fluye de vuelta al circuito hidropónico por el otro lado.
La unidad de destilación 16 es, por lo tanto, capaz de concentrar la solución de nutrientes hidropónicos y de dirigir el agua desmineralizada a la parte de RAS del sistema nuevamente. La solución de nutrientes que se obtiene realizando este proceso en las unidades descritas contiene el concentrado de nutrientes. Este concentrado por lo general no consiste en nutrientes en forma de partículas, es decir, nutrientes sólidos, sino en nutrientes disueltos.
Por tanto, la implementación de procesos de destilación contribuye a los equilibrios de nitratos en los sistemas acuapónicos de circuito múltiple para lograr condiciones de crecimiento óptimas tanto para los peces como para la vegetación, p. ej., plantas, concentrando la solución de nutrientes hidropónicos mientras se diluye el agua del proceso del RAS.
En la instalación de acuerdo con la Fig. 1, el sistema para el cultivo de vegetación comprende al menos una unidad adicional en forma de un biorreactor 10 de acuerdo con la esencia de la invención.
La provisión de una unidad que comprende un biorreactor 10 se podría caracterizar por proporcionar la denominada unidad de remineralización o, más bien, el circuito de remineralización 8 que es capaz de reducir adicionalmente el valor de pH de las partes de nutrientes sólidos en el sistema y convertir al menos una gran parte, preferentemente la totalidad, de estas partes de nutrientes sólidos en biofertilizante.
Ya se ha indicado en el contexto de la descripción del filtro mecánico 4 de la parte de RAS de la instalación 1 de acuerdo con la invención, que al menos una gran parte de las partes de partículas solubles en agua que se separan debido al proceso de la unidad de filtro mecánico 4 se conduce desde el filtro mecánico 4 al circuito de biorreactor 8, en caso de proporcionarse, que incluye la unidad de biorreactor 10. Un depósito de sedimentación 9 adicional que recibe estas partículas es una opción.
Estas partes de partículas solubles en agua podrían denominarse residuos acuícolas. Suelen ser lodos de peces, es decir, excrementos y alimentos no consumidos.
Las partes de partículas solubles en agua quedan atrapadas en la rejilla, red o membrana u otro medio de separación como resultado del proceso de filtrado mecánico realizado por la unidad de filtro mecánico 4. Las partes de partículas que quedan atrapadas pueden separarse aplicando sobrepresión que da como resultado el lavado de las partes de partículas.
El circuito de remineralización 8 que incluye la unidad de biorreactor 10 está diseñado para realizar un postratamiento aeróbico de las partes de partículas, es decir, de los residuos acuícolas.
La unidad de biorreactor 10 reduce el valor de pH de estos residuos acuícolas. Como resultado de la reducción del valor de pH, llegará a un intervalo de pH 6 a pH 5, pero preferentemente, a un valor menor que pH 5.
La reducción del valor de pH preferentemente no influye en el contenido de nutrientes, es decir, en el valor nutricional. El contenido de nutrientes de estos residuos acuícolas después de haber pasado el proceso de reducción del valor de pH preferentemente sigue siendo el mismo.
Sin embargo, al reducir el valor de pH en la unidad de biorreactor 10, los nutrientes de estos residuos acuícolas se disuelven de manera ventajosa. Esto significa que ejecutar el proceso en la unidad de biorreactor 10 da como resultado una "extracción" de los nutrientes de los residuos acuícolas, p. ej., del lodo de peces.
Un intervalo de menos de pH 5 conduce a una eficacia de recuperación de nutrientes mucho mejor. Los residuos acuícolas se convierten eficazmente en biofertilizante.
Debido al valor de pH y la correspondiente metanogénesis suprimida, el efluente es rico en ácidos grasos volátiles (AGV) que retrasan el crecimiento.
Por lo tanto, la unidad de biorreactor 10 proporciona una etapa adicional de proceso de un postratamiento aeróbico, que proporciona etapas de oxidación o más bien de disminución de los AGV para que el efluente de esta etapa de postratamiento pueda transferirse al sistema hidropónico 13, 12, 14.
La transferencia del residuo acuícola al biofertilizante se finaliza en un dispositivo de sedimentación de flujo radial 11 que puede formar parte del circuito de remineralización 8.
Los sedimentadores de flujo radial 11 son un tipo de filtro que ayuda a eliminar las partes sólidas de los residuos acuícolas y, por lo tanto, a preparar biofertilizante. En un sedimentador de flujo radial, los residuos acuícolas ya tratados en la unidad de biorreactor 10 como se ha descrito anteriormente entran, por ejemplo, en el centro de un tanque verticalmente y fluyen a través de un pozo de amortiguación que hace que los sólidos de baja densidad sedimenten fácilmente fuera de la columna de agua a medida que sedimentan en el tanque. El medio filtrado se desborda por un aliviadero en la parte superior del sedimentador hacia un canal de recolección donde el medio tratado se envía a la parte hidropónica de la instalación (partes específicas no mostradas en la Fig. 1).
De acuerdo con la unidad de biorreactor 10 mencionada anteriormente, el efluente tratado se transfiere a la parte hidropónica 13, 12, 14 de la instalación 1, o más bien al sumidero de hidroponía 12 ya mencionado. Al mezclar este efluente que tiene, como se ha descrito, un valor de pH bajo con el medio que procede de la parte de RAS de la instalación 1, que también tiene ya un valor de pH reducido, como se ha descrito anteriormente, es posible una reducción adicional del valor de pH en la parte hidropónica 13, 12, 14 de la instalación 1, lo que es ventajoso para el crecimiento de las plantas de acuerdo con los requisitos mencionados anteriormente para el nivel de pH de las plantas. Independientemente de esto, al menos la mayor parte de los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas permanecen en el efluente transferido desde la unidad de biorreactor a la parte hidropónica de la instalación.
Cuando el efluente haya llegado a la parte hidropónica 13, 12, 14 de la instalación, es decir, el sumidero de hidroponía 12, el tratamiento del medio continuará como se ha descrito anteriormente. Esto significa que debido a que se proporciona la unidad de destilación 16 mencionada anteriormente, el medio pasa las etapas de proceso correspondientes descritas.
El biorreactor 10 se coloca en el sistema entre el contenedor multitrófico 2 y la parte hidropónica 13, 12, 14, especialmente siguiendo al filtro de pantalla mecánico 4.
El biorreactor 10 comprende funcionalmente un depósito de sedimentación 9 más una bomba.
El biorreactor 10 es capaz de remineralizar lodos de peces y convertir residuos acuícolas, es decir, excrementos de peces y alimentos no consumidos, en biofertilizante. El solicitante descubrió que si se proporcionaba un pH bajo, es decir, menor de 5,0, se obtenía una eficacia de recuperación de nutrientes mucho mejor. Por consiguiente, un ciclo de remineralización puede mejorar el cumplimiento de la sostenibilidad. Este circuito de remineralización 8 se proporciona mediante un depósito de sedimentación 9, un biorreactor 10 y un sedimentador de flujo radial 11. El circuito de remineralización está compuesto por un reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente en el que se utiliza el parámetro de fósforo para determinar el flujo del biorreactor 10. Dentro de este sistema del circuito de remineralización 8, el lodo de peces se remineraliza para convertir los residuos acuícolas, es decir, excrementos de peces y alimentos no consumidos, en biofertilizante. La realización de la remineralización tiene lugar a un valor de pH bajo, es decir, menor de 5,0, lo que conduce a una eficacia de recuperación de nutrientes mucho mejor.
El sistema de reciclado acuícola, la hidroponía y la remineralización de lodos se muestran de forma independiente para constituir la necesidad de diferentes condiciones en cada subsistema. En el sistema proporcionado por la invención no hay necesidad de intercambio de agua además de la reposición de agua como consecuencia de la evapotranspiración 15.
El lodo remineralizado, es decir, el fertilizante líquido concentrado solo se lleva al sistema hidropónico donde se necesita. Así se evita la dilución innecesaria. Por supuesto, la radiación global interviene de manera importante en la evapotranspiración 15 y depende de la evapotranspiración 15 para la reposición del agua. Por consiguiente, los lodos de peces procedentes del RAS se remineralizan y se añaden al sistema hidropónico.
Las diversas unidades componentes se conectan entre sí mediante dispositivos unidireccionales o bidireccionales para la circulación de agua y/o sustancias 17, es decir, mediante tuberías correspondientes.
Lista de números de referencia
1 instalación
2 contenedor multitrófico
3 acuario
4 unidad de filtro mecánico
5 unidad de intercambio de gases
unidad de biofiltro
unidad de sumidero
circuito de remineralización
unidad de depósito de sedimentación
unidad de biorreactor
unidad de sedimentador de flujo radial
unidad de sumidero de hidroponía
parte hidropónica
lecho hidropónico
evapotranspiración
unidad de destilación
dispositivo para la circulación de agua y/o sustancias
Claims (5)
1. Una instalación para el cultivo de vegetación, comprendiendo la instalación (1)
- al menos una parte hidropónica (13, 12, 14),
- al menos una parte multitrófica, que comprende al menos un contenedor (2) para tener animales acuáticos y/u organismos acuáticos,
- al menos un dispositivo para la circulación de agua y/o sustancias (17)
caracterizada por que
la instalación (1) comprende además un circuito de remineralización (8) que comprende al menos una unidad de biorreactor (10),
estando posicionada la unidad de biorreactor (10) en el sistema entre el contenedor multitrófico y la parte hidropónica,
siendo capaz la unidad de biorreactor (10) de reducir aún más el valor de pH de las partes de nutrientes sólidos en el sistema y de convertir al menos una gran parte de estas partes de nutrientes sólidos en biofertilizante, y transfiriéndose el efluente tratado a la parte hidropónica (13, 12, 14).
2. Una instalación (1) de acuerdo con la reivindicación 1
caracterizada por que
la unidad de biorreactor (10) es del tipo de una unidad de biorreactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente o unidad de reactor de digestión de lecho de lodo granular expandido o unidad de reactor de circulación interna.
3. Método para hacer funcionar una instalación de acuerdo con la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por que
el medio se intercambia entre el al menos un contenedor multitrófico (2) y la parte hidropónica (13), concentrándose de este modo la solución de nutrientes hidropónica y dirigiéndose el agua desmineralizada a dicho al menos a un contenedor multitrófico (2).
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado por que
los nutrientes se ponen a disposición de las plantas al remineralizar el medio que se intercambia entre el al menos un contenedor multitrófico (2) y al menos una parte hidropónica (13) mediante el uso de la unidad de biorreactor (10).
5. Método de acuerdo con las reivindicaciones 3 o 4,
caracterizado por que
la unidad de biorreactor (10) recibe y procesa adicional mente residuos acuícolas de animales acuáticos y/u organismos acuáticos a un biofertilizante.
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