Sistema de acuicultura de recirculación

Todos los sistemas RAS dependen de la biofiltración para convertir el amoníaco (NH₄⁺ _y NH₃ ⁾ excretado por los peces en _nitrato . ^{[ 7 ]} El amoníaco es un producto de desecho del metabolismo de los peces y las altas concentraciones (>0,02 mg/L) son tóxicas para la mayoría de los peces. ^{[ 8 ]} Las bacterias nitrificantes son quimioautótrofas que convierten el amoníaco en nitrito (NO₂⁻ ₎ ^y luego en nitrato (NO₃⁻ ₎ ^. Estas incluyen bacterias de los géneros Nitrobacter , Nitrococcus , Nitrospira y Nitrospina . Aunque el nitrito generalmente se convierte en nitrato tan rápido como se produce, la falta de oxidación biológica del nitrito dará como resultado niveles elevados de nitrito que pueden ser tóxicos para los peces. Los altos niveles de nitrito también son indicativos de una falla inminente del biofiltro. El nitrato es el producto final de la nitrificación y es el menos tóxico de los compuestos nitrogenados, con valores de CL50 de exposición a 96 horas _en agua dulce superiores a 1000 mg/L. ^{[ 9 ]}  

Un biofiltro proporciona un sustrato para la comunidad bacteriana, lo que da como resultado el crecimiento de una biopelícula gruesa dentro del filtro. ^{[ 7 ]} El agua se bombea a través del filtro y las bacterias utilizan el amoníaco como fuente de energía. En los sistemas de recirculación, se suelen realizar intercambios diarios de agua para controlar los niveles de nitrógeno. Se requieren condiciones ambientales estables y un mantenimiento regular para garantizar el funcionamiento eficiente del biofiltro. ^{[ 10 ] [ 6 ]}

Además de tratar los desechos líquidos excretados por los peces, los desechos sólidos también deben ser tratados, lo cual se hace concentrando y eliminando los sólidos del sistema. ^{[ 11 ]} La eliminación de sólidos reduce el crecimiento bacteriano, la demanda de oxígeno y la proliferación de enfermedades. El método más simple para eliminar sólidos es la creación de una balsa de sedimentación donde la velocidad relativa del agua es lenta y las partículas pueden depositarse en el fondo del tanque, donde se eliminan mediante lavado o aspiración manual con un sifón. ​​Sin embargo, este método no es viable para operaciones RAS donde se desea un espacio reducido. La eliminación típica de sólidos en RAS implica un filtro de arena o un filtro de partículas donde los sólidos se alojan y pueden eliminarse periódicamente mediante retrolavado. ^{[ 12 ]} Otro método común es el uso de un filtro de tambor mecánico donde el agua pasa sobre una malla de tambor giratoria que se limpia periódicamente con boquillas de pulverización a presión, y la suspensión resultante se trata o se envía por el desagüe. Para eliminar partículas extremadamente finas o sólidos coloidales se puede utilizar un fraccionador de proteínas con o sin la adición de ozono ( _O₃ ). ^{[ 13 ] [ 14 ]}

La reoxigenación del agua del sistema es fundamental para obtener altas densidades de producción. Los peces requieren oxígeno para metabolizar los alimentos y crecer, al igual que las comunidades bacterianas en el biofiltro. Los niveles de oxígeno disuelto pueden incrementarse mediante dos métodos: aireación y oxigenación . En la aireación, se bombea aire a través de una piedra difusora o un dispositivo similar que crea pequeñas burbujas en la columna de agua, lo que resulta en una gran superficie donde el oxígeno puede disolverse. En general, debido a las bajas tasas de disolución de gases y la alta presión de aire necesaria para crear pequeñas burbujas, este método se considera ineficiente y, en su lugar, el agua se oxigena bombeando oxígeno puro. ^{[ 15 ]} Se utilizan diversos métodos para asegurar que durante la oxigenación todo el oxígeno se disuelva en la columna de agua. Se debe prestar especial atención al cálculo y la consideración de la demanda de oxígeno de un sistema determinado, y dicha demanda debe satisfacerse con equipos de oxigenación o aireación. ^{[ 16 ]}

En todos los sistemas RAS, el pH debe ser monitoreado y controlado cuidadosamente. El primer paso de la nitrificación en el biofiltro consume alcalinidad y disminuye el pH del sistema. ^{[ 17 ]} Mantener el pH en un rango adecuado (5.0-9.0 para sistemas de agua dulce) es crucial para mantener la salud tanto de los peces como del biofiltro. El pH se controla típicamente mediante la adición de alcalinidad en forma de cal (CaCO ₃ ) o hidróxido de sodio (NaOH). Un pH bajo dará lugar a altos niveles de dióxido de carbono disuelto (CO ₂ ), que puede resultar tóxico para los peces. ^{[ 18 ]} El pH también puede controlarse desgasificando el CO ₂ en una columna de relleno o con un aireador; esto es necesario en sistemas intensivos, especialmente donde se utiliza oxigenación en lugar de aireación en los tanques para mantener los niveles de O _2. ^{[ 19 ]}

Todas las especies de peces tienen una temperatura preferida por encima y por debajo de la cual experimentan efectos negativos en su salud y eventualmente mueren. Las especies de agua cálida como la tilapia y el barramundi prefieren  agua a 24 °C o más, mientras que las especies de agua fría como la trucha y el salmón prefieren agua a temperaturas inferiores a 16  °C. La temperatura también juega un papel importante en las concentraciones de oxígeno disuelto (OD), con temperaturas del agua más altas que resultan en valores más bajos de saturación de OD. La temperatura se controla mediante el uso de calentadores sumergidos, bombas de calor , enfriadores e intercambiadores de calor . ^{[ 20 ]} Los cuatro pueden usarse para mantener un sistema operando a la temperatura óptima para maximizar la producción de peces.

Los brotes de enfermedades ocurren con mayor facilidad al trabajar con las altas densidades de peces que se emplean habitualmente en los sistemas de recirculación acuícola intensivos (RAS). Los brotes pueden reducirse operando varios sistemas independientes en el mismo edificio y aislando el contacto agua a agua entre sistemas mediante la limpieza de equipos y personal que se desplaza entre ellos. ^{[ 21 ]} Asimismo, el uso de un sistema de tratamiento de agua ultravioleta (UV) u ozono reduce la cantidad de virus y bacterias libres en el agua del sistema. Estos sistemas de tratamiento reducen la carga de enfermedades que se produce en los peces estresados ​​y, por lo tanto, reducen la probabilidad de un brote. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

La combinación de plantas y peces en un RAS se denomina acuaponía. En este tipo de sistema, el amoníaco producido por los peces no solo se convierte en nitrato, sino que también es eliminado del agua por las plantas. ^{[ 32 ]} En un sistema acuapónico, los peces fertilizan eficazmente las plantas, lo que crea un sistema de circuito cerrado donde se generan muy pocos residuos y se minimizan los insumos. La acuaponía ofrece la ventaja de poder cosechar y vender múltiples cultivos. Existen opiniones contradictorias sobre la idoneidad y la seguridad de los efluentes de los RAS para sustentar el crecimiento de las plantas en condiciones acuapónicas. Las futuras conversiones, o más bien las "actualizaciones", de granjas RAS operativas a proyectos acuapónicos semicomerciales no deberían verse disuadidas por argumentos sobre la insuficiencia o la seguridad de los nutrientes. Se fomenta el aprovechamiento de los residuos de las granjas RAS mediante la acuaponía semicomercial. Los nutrientes presentes en las aguas residuales y los lodos de los RAS son suficientes y seguros para sustentar el crecimiento de las plantas en condiciones acuapónicas. ^{[ 33 ]}

Los acuarios domésticos y los acuarios comerciales de interior son una forma de RAS donde la calidad del agua se controla con mucho cuidado y la densidad de población de peces es relativamente baja. En estos sistemas, el objetivo es exhibir los peces en lugar de producir alimento. Sin embargo, todavía se utilizan biofiltros y otras formas de tratamiento de agua para reducir la necesidad de cambiar el agua y mantener su claridad. ^{[ 34 ]} Al igual que en los RAS tradicionales, el agua debe cambiarse periódicamente para evitar la acumulación de nitratos y otros químicos tóxicos en el sistema. Los acuarios costeros a menudo tienen altas tasas de intercambio de agua y normalmente no funcionan como un RAS debido a su proximidad a una gran masa de agua limpia.