Remoção de nitrogênio e fósforo num sistema de recirculação para criação de tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus)

Y A Maigua, I A Sánchez and T Matsumoto¹

Universidad de Nariño, Facultad de Ciencias Pecuarias, Departamento de Recursos Hidrobiológicos, Ciudad Universitaria Torobajo, San Juan de Pasto (Colombia)
¹Universidade Estadual Paulista (FEIS-UNESP), Faculdade de Engenharia Campus de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Civil. Ilha Solteira, São Paulo- Brasil
iaso@udenar.edu.co

Resumo

O objetivo desta pesquisa foi avaliar o desempenho de um decantador de coluna de fluxo vertical comparado com um decantador convencional de fluxo horizontal associados a um reator aeróbio de leito fluidizado trifásico com circulação num sistema de recirculação aqüícola para criação de tilápia do Nilo. Os tempos de detenção hidráulica do reator, o decantador convencional e o de coluna foram de 0,198, 2,94 e 0,55 h respectivamente.

Para densidades finais de estocagem de peixes de 33 kg/m³ (sistema com decantador de coluna) e 30 kg/m³ (decantador convencional) as remoções médias de nitrogênio amoniacal total, nitrogênio total e fósforo total foram 36,6%, 26,3%, 46,5% e 26,2%, 24,3%, 32,3% respectivamente com diferenças estatísticas significativas para nitrogênio amoniacal; as cargas acumuladas de alimentação nos dois sistemas foram de 2,64 e 2,22 kg de alimento/m³ de água de reposição. As duas opções avaliadas mostraram-se como alternativas viáveis para manutenção da qualidade da água nos sistemas de recirculação, o sistema com decantador de coluna apresentou melhores resultados devido aos menores requerimentos de área e volume, maior eficiência na remoção do nitrogênio amoniacal total e capacidade de assimilar maiores cargas de alimentação por unidade de volume.

Palavras chave: aqüicultura, leito fluidizado, sedimentação, tratamento de água residual

Nitrogen and phosphorus removal in a recirculating system for Nile tilapia (Oreochromis niloticus) culture

Abstract

The main objective of this research was to evaluate the performance of a column vertical flow settler and a conventional horizontal flow settler associated to an aerobic three-phase fluidized bed reactor with circulation in a recirculating aquaculture system for Nile tilapia farming. The hydraulic detention times of the reactor, the horizontal flow settler and the column settler were 0.198, 2.94 and 0.55 h respectively. For final fish stocking densities of 33 kg/m³ (system with column settler) and with 30 kg/m³ (conventional settler) the average removal efficiencies of total ammonia nitrogen, total nitrogen and total phosphorus were 36.6%, 26.3%, 46.5% and 26.2%, 24.3%, 32.3%, respectively with significant differences for total ammonia nitrogen; the cumulative feed burden for the two systems were: 2.64 and 2.22 kg of feed/m³ of freshwater per day. The two evaluated systems demonstrated to be feasible options to maintain the water quality in the recirculating systems. The system with column settler showed better results due to the lesser volume and area requirements, the higher levels of total ammonia nitrogen removal efficiency and assimilative capacity of feed per  unit volume.

Keywords: aquaculture, fluidized bed, sedimentation, wastewater treatment

Introdução

A prática da aqüicultura não é possível sem a existência de água, seja de fonte fluvial, lacustre ou marinha, e como qualquer outra atividade, gera resíduos que podem contaminar os ambientes aquáticos (Vinatea 2004).

Timmons e Ebeling (2010), afirmaram que os sistemas de recirculação para aqüicultura (SRA) são tecnologias que propiciam o cultivo de peixes com maior densidade de estocagem. São sistemas de tanques com fluxo livre, compostos por unidades para criação, sistema para remoção dos sólidos, filtro biológico, sistema de distribuição da água, aeração, recalque e drenagem que ajudam no controle da qualidade da água. Neste aspecto, a eficiência dos filtros biológicos exerce grande influência no sucesso da operação (Zimmermann e Fitzsimmons 2004; Samocha et al 2002; Ogle e Lotz 2001).

Um problema típico nos SRA é o rápido acúmulo de matéria orgânica, principalmente da ração não consumida e subprodutos do metabolismo dos peixes que vão diminuir a concentração de oxigênio dissolvido exercendo um aumento na DBO e eventualmente a produção e mineralização de diferentes tipos de nitrogênio tóxico para os peixes como a amônia não ionizada e os nitritos (Viadero e Noblet 2002; Johnson e Chen 2006; Avnimelech 2006).

Nos Estados Unidos os reatores biológicos de leito fluidizado são utilizados como parte dos SRAs. Estes reatores podem remover 50 a 90% da amônia em cada passagem da água mantendo baixas concentrações no cultivo. Este tipo de reatores são capazes de tratar pequenos ou grandes fluxos de água, devido à formação de um biofilme na superfície de pequenas partículas suspensas como a areia ou o carvão ativado utilizados como meio de suporte, além de serem compactos (Gebara 2006; Summerfelt 2006).

Os reatores de leito fluidizado (RLF) denominado “Biofilm Airlift Suspension”, chamados também “loop reactors” possuem duas seções conectadas, uma no tubo de subida conhecido como “riser” na qual o meio trifásico composto por líquido, ar e meio de suporte circula em fluxo ascendente por meio de jatos de ar e a outra região no tubo de descida conhecida como “downcomer” em fluxo do topo para a base (Nicolella et al 2000) podendo ter a configuração em tubos concêntricos.

O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho de um decantador de coluna de fluxo vertical (DV) comparado com um decantador convencional de fluxo horizontal (DH) associados a um reator aeróbio de leito fluidizado trifásico (RALF) com circulação em um sistema de produção intensiva de Tilápia do Nilo em sistema de recirculação para aqüicultura, para tal fim foram calculadas e comparadas as remoções de nitrogênio amoniacal total (NAT), nitrogênio total (NT) e fósforo total (PT) das duas configurações do sistema de recirculação.

Material e Métodos

Localização

A pesquisa foi realizada nos Laboratórios de Hidrologia - Hidrometria e Saneamento da Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual Paulista UNESP, campus de Ilha Solteira (São Paulo, Brasil).

Descrição do sistema de criação

O efluente foi gerado pelo cultivo de tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus) criadas no SRA com densidade de estocagem inicial aproximada de 17,0 kg/m³, vazão de água de entrada de 0,0097 m³/s distribuída em três tanques plásticos de criação -volume útil individual de 0,20 m³-, com fornecimento de ração comercial com 40% de proteína bruta. Com base nos ensaios iniciais de consumo de alimento dos peixes, a taxa de alimentação adotada foi de 1,2% da biomassa total de cada tanque por dia, taxa que se encontrou dentro dos valores recomendados por Kubitza (2000) para criação de exemplares de tilápia com peso maior que 250 g em sistemas de recirculação.

Características do sistema de recirculação

O SRA foi composto por: uma caixa de nível constante; sistema de tubulações de PVC para distribuição da água tratada às unidades de criação; calha semicircular para controle do nível e coleta do efluente dos tanques; unidade de remoção dos sólidos por sedimentação; reator de leito fluidizado; reator para transferência de oxigênio e remoção de CO₂ -construído em tubo de PVC de 1,80 m de comprimento e 300 mm de diâmetro-; um compressor para geração de ar pressurizado; tubulações para transporte e distribuição do ar; um tanque de sucção; um sistema de recalque do fluente tratado, e um soprador de ar.

Foram realizados dois experimentos com diferentes características dos sistemas de tratamento físico e biológico. No primeiro experimento utilizou-se um decantador de coluna de fluxo vertical associado ao reator aeróbio de leito fluidizado trifásico (DV-RALF); no segundo experimento foi utilizado um decantador convencional de fluxo horizontal associado ao reator aeróbio de leito fluidizado trifásico (DH-RALF).

Os dois sistemas de decantação foram projetados para remoção de sólidos maiores ou iguais a 0,2 mm. O decantador vertical esteve conformado por tubo em PVC com diâmetro 0,40 m, altura de 2,40 m, volume útil de 0,30 m³ e tempo de detenção hidráulica de 0,55 h; o decantador horizontal de seção retangular foi construído em chapa metálica cuja zona de sedimentação apresentou largura de 1,00 m, comprimento de 2,10 m, volume útil total de 1,70 m³ e tempo de detenção hidráulica de 2,94 h.

No caso do DV foi realizado um sangrado do fundo de 0,03 m³ três vezes por dia, representando 6,1% do volume total de água no sistema; para o DH foi feita uma troca semanal do seu volume por meio do esvaziado e limpeza total da unidade que representou 14,3% de renovação de água diária.

O reator aeróbio de leito fluidizado com circulação em tubos concêntricos foi construído em tubo PVC com 250 mm diâmetro externo e 2,50 m de comprimento; 100 mm de diâmetro no tubo interno e 2,20 m de comprimento. O tempo de detenção hidráulica do reator foi 0,198 h, utilizando como meio de suporte DV-RLFT areia para filtros com d₁₀=0,16 mm; e para o DH-RLFT  carvão ativado granular com d₁₀=0,34 mm.

Na Figura 1 estão apresentados os diferentes elementos constituintes e sua disposição no SRA avaliado.

Parâmetros físico-químicos monitorados

As análises dos parâmetros físico-químicos nitrogênio amoniacal total (monitorado uma vez por dia por meio de sonda multi-parâmetros YSI 6920), nitrogênio total e fósforo total (monitorados duas vezes por semana utilizando espectrofotômetro HACH DR 2500) seguiram as metodologias definidas por APHA, AWWA e WEF (1998). Nos dois sistemas foram medidas as concentrações do NAT e do PT nas entradas e saídas dos decantadores de fluxo vertical e horizontal e na saída dos reatores de leito fluidizado. No caso da avaliação do NT somente foram registradas as concentrações nas saídas dos decantadores e nas saídas dos reatores de leito fluidizado.

Eficiência das unidades de tratamento da água e analises estatística

A determinação das eficiências de remoção dos parâmetros pelas unidades de tratamento das águas residuárias foi calculada pela diferença de concentrações no afluente e no efluente da unidade estudada, o resultado foi multiplicado por 100 e foi dividido pela concentração registrada no afluente. Os valores das eficiências de remoção totais calculados nos dois sistemas avaliados foram analisados por comparação de médias utilizando o software Statgraphics Centurion XV.II.

Foram determinadas as cargas acumuladas de alimentação (cumulative feed burden: CFB) nos dois experimentos com base na equação apresentada por Colt et al (2006):

CFB = F/VFW 

Onde F é a massa diária de ração fornecida (g) e VFW é o volume equivalente de água fresca substituída por dia (m³).

Resultados

Concentrações e remoção do nitrogênio total

As concentrações do nitrogênio total registradas nas entradas (efluentes dos decantadores) e saídas dos reatores de leito fluidizado variaram segundo os valores registrados na Tabela 1 a seguir:

As concentrações médias de nitrogênio total calculadas para o sistema um foram: no efluente do decantador vertical de 19,9 mg/L e no efluente do reator aeróbio de leito fluidizado de 15,6 mg/L; já no sistema dois, as concentrações médias foram: no efluente do decantador horizontal de 4,6 mg/L e no efluente do reator de leito fluidizado de 4,1 mg/L.

 A Figura 2 apresenta a variação das eficiências de remoção do nitrogênio total calculadas para os dois arranjos avaliados.

Figura 2. Box-Plot das eficiências de remoção do nitrogênio total calculadas para os dois sistemas avaliados

Com base nos resultados das analises de comparação de médias determinou-se que não houve diferenças estatísticas no desempenho dos dois sistemas de tratamento (Valor de P = 0,765) com eficiência média de 26,3% para o sistema decantador vertical-reator aeróbio de leito fluidizado trifásico e 24,3% para o sistema decantador horizontal-reator aeróbio de leito fluidizado trifásico.

O Sistema DV-RALF é uma opção que ocupa menor espaço horizontal e precisa de um menor volume pelo menor tempo de detenção hidráulica do decantador, situação que garantiu um maior reúso da água no SRA. De acordo com Crab et al (2007), aproximadamente 75% do nitrogênio e do fósforo da ração fornecida não são aproveitados pelos peixes e permanece como resíduo na água das unidades de criação. Segundo Lazzari e Baldisserotto (2008), dentre 7 ao 13% do nitrogênio da ração é liberado nos efluentes da aqüicultura como fração sólida; por tanto, num SRA quanto melhor seja a remoção dos sólidos no sistema de tratamento primário, maior a contribuição na remoção total de nutrientes.

Os valores de remoção do nitrogênio total calculados foram menores aos reportados por Visvanathan et al (2008), que avaliaram o desempenho de um sistema de desnitrificação hidrogenotrópica por meio do uso de bioreatores de membrana, cuja eficiência atingiu o 91,4% para um tempo de detenção hidráulica de 3 h, tempo 15 vezes maior do que o destinado para os reatores de leito fludizado nesta pesquisa.

Concentrações e remoção do nitrogênio amoniacal total

As concentrações do nitrogênio amoniacal total medidas nas entradas e saídas dos decantadores e na saída dos reatores de leito fluidizado variaram segundo os valores registrados na Tabela 2 a seguir:

As concentrações médias de nitrogênio amoniacal total calculadas para o sistema um foram: 1,11 mg/L no afluente ao decantador vertical, 0,95 mg/L no afluente do reator aeróbio de leito fluidizado e 0,77 mg/L no efluente do reator; já no sistema dois, as concentrações médias foram: 0,24 mg/L no afluente do decantador horizontal, 0,24 mg/L no afluente do reator aeróbio de leito fluidizado e de 0,20 mg/L no efluente do reator.

A Figura 3 apresenta a variação das eficiências de remoção do nitrogênio amoniacal total calculadas para os dois sistemas avaliados.

Figura 3. Box-Plot das eficiências de remoção do nitrogênio amoniacal total calculadas para os dois sistemas avaliados

Os resultados das analises de comparação de médias demonstraram que houve diferenças estatísticas significativas no desempenho dos dois sistemas de tratamento (P Valor = 0.0249) com melhores resultados para o sistema decantador vertical-reator aeróbio de leito fluidizado trifásico, cuja eficiência média foi de 36,6%; o sistema conformado pelo decantador horizontal-reator de leito fluidizado trifásico reportou uma eficiência média de 26,24%. Ambos os valores foram superiores aos reportados por Timmons e Ebeling (2010) e Summerfelt (2006) na avaliação do desempenho de reatores de leito fluidizado bifásico cujas eficiências variaram desde 8 ao 11% utilizando areias com d₁₀ entre 0,45 e 0,80 mm.

As eficiências de remoção calculadas foram inferiores se comparadas com as reportadas por Brazil (2006), que utilizando um contator biológico rotativo registrou uma diminuição de aproximadamente 40% do nitrogênio amoniacal total no efluente de um SRA para criação de tilápia; também foram menores às obtidas por Davidson et al (2008) utilizando reatores de areia fluidizada com dois tamanhos: para d₁₀=0,11 mm as remoções do nitrogênio amoniacal total variaram entre 62 e 88%, para d₁₀=0,19 mm as eficiências variaram de 30 a 86%. Situação similar apresentou-se nos reatores aeróbios de leito fluidizado avaliados nesta pesquisa, onde a porcentagem de remoção no sistema com areia foi maior do que a registrada no sistema com carvão ativado granular devido à diferencia entre o tamanho dos grãos do meio suporte utilizado, o que se traduz numa maior área disponível para desenvolvimento do biofilme.

Concentrações e remoção do fósforo total

As concentrações do fósforo total medidas nas entradas e saídas dos decantadores e nas saídas dos reatores de leito fluidizado variaram segundo os valores registrados na Tabela 3 a seguir:

As concentrações médias de fósforo total calculadas para o sistema um foram: 2,20 mg/L no afluente ao decantador vertical, 1,35 mg/L no afluente do reator aeróbio de leito fluidizado e 1,10 mg/L no efluente do reator aeróbio; já no sistema dois, as concentrações médias foram: 1,57 mg/L no afluente do decantador horizontal e de 0,92 mg/L no afluente e no efluente do reator aeróbio de leito fluidizado.

A Figura 4 apresenta a variação das eficiências de remoção do fósforo total calculadas para os dois sistemas avaliados.

Figura 4. Box-Plot das eficiências de remoção do fósforo total calculadas para os dois sistemas avaliados

Os resultados das analises de comparação de médias demonstraram que não houve diferenças estatísticas significativas no desempenho dos dois sistemas de tratamento (Valor P = 0.0671) com eficiência média de 46,5% para o decantador vertical-reator aeróbio de leito fluidizado e 32,3% para o decantador horizontal-reator aeróbio de leito fluidizado.

As eficiências calculadas foram inferiores às obtidas por Moller, citado por True et al (2004) que utilizou um reator de leito fluidizado e adição de fosfato de ferro para precipitar fósforo dissolvido no tratamento de efluentes de truta em fluxo continuo, cujas eficiências foram de até 95% na remoção do fósforo total. Davidson et al (2008) utilizaram um reator de leito fluidizado com areia de d₁₀=0,11 mm e obtiveram taxas de remoção de fósforo de 14 a 41%, as eficiências diminuíram para areia com d₁₀=0,19 mm com remoções entre 21 e 28%. Na presente pesquisa também foi evidente a influência do tamanho do meio suporte na eficiência de remoção do fósforo total.

Sobrevivência dos organismos e carga de alimentação acumulada

Nos dois experimentos foram registradas baixas mortalidades não atribuíveis às características da qualidade da água, pois foram produzidas por esporádicas quedas dos peixes das unidades de criação nos momentos de fornecimento da ração ou de amostragem e medição dos parâmetros de qualidade da água. No sistema decantador vertical-reator aeróbio de leito fluidizado foi registrada uma sobrevivência de 93,8%, já no sistema decantador horizontal-reator aeróbio a sobrevivência calculada foi de 92,2%.

A carga de alimentação acumulada no sistema decantador vertical-reator aeróbio de leito fluidizado foi de 2,64 kg de alimento/m³ de água de reposição, entre 2,1 e 2,9 vezes menor à reportada por Brazil (2006); a carga do sistema decantador horizontal-reator aeróbio de leito fluidizado foi de 2,22 kg de alimento/m³, entre 2,5 e 3,5 vezes menor à registrada pelo mesmo autor, mas ficaram dentre as faixas de valores avaliados por Pedersen et al (2012). Os valores obtidos sugerem a importância de avaliar tais sistemas sob condições de maiores cargas de biomassa de peixes para de esta maneira aperfeiçoar o seu desempenho. 

Conclusões

• Os sistemas de tratamento avaliados, conformados pelo RALFTC associado aos decantadores de fluxo horizontal e vertical são alternativas eficientes para manutenção da qualidade da água num SRA.

  
  

• Areia para filtros e carvão ativado granular são opções viáveis de uso como meio suporte em reatores de leito fluidizado trifásicos.

  
  

• As dimensões do meio suporte utilizado nos RALFTC exerceram influência na eficiência de remoção do NAT, quanto menor o tamanho efetivo maior a eficiência demonstrada. 

  
  

• O sistema com decantador de coluna apresentou menores requisitos de área e volume, maior eficiência na remoção do nitrogênio amoniacal total e capacidade de assimilar maiores cargas de alimentação por unidade de volume.

Referências

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Received 11 March 2014; Accepted 15 October 2014; Published 3 November 2014

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