Aplicación de métodos híbridos de electrocoagulación-filtración en el pretratamiento de aguas residuales de acuicultura marina

Actualmente, la tecnología de filtración por electrocoagulación (EC) se aplica con éxito en la depuración de aguas y el tratamiento de aguas residuales industriales. El objetivo de este estudio fue investigar los efectos de la EC en las aguas residuales de la acuicultura, con la finalidad de proporcionar recursos técnicos y datos de referencia para mejorar la capacidad de pretratamiento de filtración de los sistemas de recirculación acuícola.

redacción de PAM*

La acuicultura de recirculación, técnica respetuosa con el medio ambiente y saludable, ha atraído cada vez más atención, y la mejora continua y el desarrollo de los procedimientos de los sistemas de recirculación acuícola (RAS, por sus siglas en inglés) son ya prácticas establecidas. Por lo general, en el RAS, el efluente del tanque de acuicultura se canaliza inicialmente a través de equipos de separación sólido-líquido para eliminar la mayor parte de las partículas en suspensión y, después, a través de equipos que proporcionan oxidación biológica, oxigenación, desinfección y otros procesos, con el fin de lograr el reciclaje. El pretratamiento de las aguas residuales de la acuicultura mediante equipos de separación sólido-líquido reduce, en gran medida, la carga de procesamiento que soportan las unidades de tratamiento de aguas posteriores y disminuye el consumo total de energía del sistema. Sin embargo, debido a la necesidad de garantizar la circulación fluida del agua en los RAS y a las limitaciones de los procesos y los costos, es difícil mejorar la eficiencia de la filtración física reduciendo continuamente el tamaño de los poros del filtro, lo que dificulta la consecución de niveles de filtración más elevados en estos sistemas.

Debido a la necesidad de garantizar una circulación fluida del agua en los RAS y a las limitaciones de los procesos y los costos, resulta difícil mejorar la eficiencia de la filtración física reduciendo continuamente el tamaño de los poros del filtro, lo que dificulta la consecución de mayores niveles de filtración en los RAS.

La electrocoagulación (EC) es también un método común para mejorar la separación sólido-líquido de las aguas residuales, en el que el ánodo de sacrificio libera cationes metálicos con características de floculación bajo la acción de un campo eléctrico externo y, luego, forma floculantes para absorber los contaminantes en el agua. Mediante la floculación iniciada por los procesos de EC, las pequeñas partículas en suspensión de las aguas residuales se coagulan en partículas más grandes, mejorando la eficiencia de la filtración, sin cambiar el equipo de filtración original, demostrando que la tecnología de EC-filtración tiene un gran potencial y aplicación en los procedimientos de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, su aplicación en aguas residuales de acuicultura es rara, y no se cuenta con reportes al respecto. El objetivo principal de la presente investigación fue investigar el efecto del pretratamiento de la tecnología de EC-filtración en aguas residuales de la acuicultura, que se espera proporcione alguna referencia para la futura mejora de la capacidad de filtración de los RAS.

Métodos y materiales

En el experimento, se diseñó un sistema continuo de EC-filtración a escala de laboratorio, que constaba de tres secciones: un reactor EC, un floculador mixto y un equipo de filtración. El volumen efectivo del reactor EC era de 5 L, en el que se dispusieron nueve grupos de electrodos en paralelo: cuatro grupos de ánodos compuestos por electrodos de placa de Al o de Fe, y cinco grupos de cátodos con electrodos de placa de titanio (Ti).

El floculador mixto estuvo dispuesto de manera vertical y su volumen efectivo era de aproximadamente 1.5 L, situado entre el reactor EC y el equipo de filtración, adaptado a un diseño de flujo ascendente. La función del floculador mixto es mejorar la frecuencia de contacto entre los floculantes y las partículas en sus- pensión, mejorando así la eficiencia de la floculación y la adsorción. Tras el tratamiento de floculación por EC, las aguas residuales de acuicultura se filtraron. El equipo de filtración utilizado fue un filtro de tambor de microtamiz cuyo tamaño de poro suele estar entre 50 μm y 75 μm. En la Figura 1 se muestra el diagrama esquemático del sistema de EC-filtración.

Las aguas residuales utilizadas en el experimento procedían de los efluentes del estanque de un RAS para Litopenaeus vannamei En este experimento se emplearon cinco combinaciones diferentes de ánodos, tres tiempos de retención hidráulica (HRT, por sus siglas en inglés) del reactor de EC y cuatro diámetros de poro de filtración. Se estableció un grupo de control sin tratamiento de EC y solo con equipos de filtración. El experimento tuvo como objetivo medir el efecto de eliminación sobre el número total de Vibrio, demanda química de oxígeno (CODMn), nitrógeno amoniacal total (TAN, por sus siglas en inglés), nitrito (NO2 N), nitrato (NO3 N) y nitrógeno total (TN) en aguas residuales de acuicultura mediante el uso de un sistema de filtración-EC con diferentes combinaciones de ánodos, diferentes HRT y tamaño variable de los poros de filtración. Finalmente, el agua residual de acuicultura posttratamiento EC se filtró a través de un equipo de filtración para completar el procedimiento de pretratamiento.

Resultados y discusión

El efecto de eliminación del sistema de EC-filtración sobre el número total de Vibrio

En la producción, el RAS utiliza la esterilización sinérgica por ozono y ultravioleta para controlar las bacterias patógenas, lo que suele requerir un alto consumo de energía. Los iones cargados generados por la EC pueden neutralizar la carga superficial de las bacterias patógenas, reducir la repulsión electrostática y formar floculantes. Además, los floculantes producidos por la EC pueden absorber y flocular activamente las bacterias. Estos flóculos se eliminan finalmente por filtración física.

La Figura 2(a) muestra el efecto de diferentes combinaciones de ánodos y HRT sobre la eliminación de Vibrio en el reactor de EC. Cuando aumentó el HRT, aumentó la eficiencia de eliminación. Se deduce que el reactor EC tuvo un efecto de eliminación significativo sobre el número total de Vibrio Además, sin una separación sólidolíquido, la eficiencia de eliminación aumentó con la adición de la proporción del electrodo de hierro en el ánodo combinado y con el aumento del HRT. El experimento demostró que la esterilización del Fe como ánodo durante la EC fue más eficaz que la del ánodo de Al, lo que concuerda con los resultados reportados. Las Figuras 2(b1)-2(b3) muestran los efectos de diferentes combinaciones de ánodos y tamaños de poro del filtro en la eliminación de Vibrio por EC-filtración. En comparación con el grupo de control, la eficiencia de eliminación de Vibrio de los grupos experimentales fue obviamente mayor.

Efectos del sistema de EC-filtración en la eliminación de CODMn

En el RAS, el aumento de CODMn en la masa de agua favorece el crecimiento bacteriano, aumentando la tasa de consumo de oxígeno y, por tanto, los costos. Como tecnología de pretratamiento de filtración de aguas residuales, el sistema de EC-filtración puede eliminar la CODMn de las aguas residuales mediante electrooxidación y floculación-filtración, que tienen un mejor efecto de eliminación de la CODMn que los métodos de filtración física tradicionales.

La Figura 3(c) muestra el efecto de diferentes combinaciones de ánodos y HRT sobre la eliminación de CODMn en el reactor EC. La eficiencia de eliminación aumentó con la adición de la proporción de electrodo de Fe a los ánodos compuestos y con el aumento del HRT. Las Figuras 3(d1)-3(d3) muestran los efectos de diferentes combinaciones de ánodos y tamaños de poro del filtro en la eliminación de CODMn en el sistema de filtración por EC. La eficiencia de eliminación aumentó 14.73, 8.78, 6.56 y 5.39 veces en comparación con el grupo de control. Por lo tanto, el sistema de EC-filtración tiene un excelente efecto de eliminación de CODMn en aguas residuales de la acuicultura, y sin cambiar la abertura original del filtro, la EC puede mejorar sustancialmente la capacidad del equipo de filtración física para eliminar CODMn

Efectos del sistema de filtración

EC en TAN, NO2 N, NO3 N y eliminación de TN

La tecnología de EC-filtración puede eliminar TAN, NO2 N y NO3 N al mismo tiempo que elimina los residuos de cebo y heces. La aplicación de la EC como proceso de pretratamiento no solo puede reducir la carga de los equipos de oxidación biológica posteriores, sino también mejorar la actividad de los microorganismos, mejorando así la capacidad de eliminación de nitrógeno de los RAS y reduciendo la amenaza de los contaminantes nitrogenados para los organismos cultivados.

Análisis del consumo de energía

La aplicación de combinaciones de ánodos en el pretratamiento de aguas residuales de acuicultura mediante el sistema EC- filtración se evaluó en términos de pérdida de energía eléctrica. Los resultados muestran que, durante el proceso de EC, el consumo de energía del sistema aumentó con la adición de la proporción de electrodos de Fe a la composición de los ánodos y con el aumento del HRT del reactor de EC (Tabla 1). El estudio constató que la electrooxidación del reactor EC era más fuerte cuando se utilizaba Fe como ánodo que cuando se empleó Al.

Conclusiones

El proceso de EC podría mejorar la capacidad del equipo de filtración física posterior. El sistema de EC-filtración resultó eficaz para la eliminación del número total de Vibrio, CODMn, TAN, NO2 N, NO3 N y TN en aguas residuales de acuicultura.

En comparación con el electrodo de Al, cuando se utilizó el electrodo de Fe como ánodo, el sistema EC-filtración tuvo una mayor capacidad de electrooxidación, favoreciendo la eliminación de TAN y NO2 N. Sin embargo, el efecto de floculación fue relativamente más débil y el consumo de energía aumentó 2.59 veces. En comparación con los ánodos simples de Al o Fe, el ánodo combinado de Al-Fe presentó más ventajas. Teniendo en cuenta tanto la eficiencia de eliminación como el consumo de energía, la combinación óptima de ánodos para el sistema de EC-filtración fue 3Al + Fe.

Con el aumento del HRT y la disminución del tamaño de poro de filtración, el efecto mejorado del proceso de EC en el equipo de filtración fue más evidente. Cuando el HRT fue de 4.5 min y el tamaño de poro del filtro de 45 μm, la eficiencia máxima de eliminación de Vibrio, CODMn y TN aumentó 3.31, 5.39 y 4.57 veces en comparación con el grupo de control, respectivamente.

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola Magazine del artículo “APPLICATION OF HYBRID ELECTROCOAGULATION-FILTRATION METHODS IN THE PRETREATMENT OF MARINEAQUACULTUREWASTEWATER” escritoporJIANPINGXU*,YISHUAIDU, TIANLONGQIU,LIZHOU,YELI*,FUDI CHEN* and JIANMING SUN- Institute of Oceanology,Qingdaoy*Universityof ChineseAcademyofSciences.La versión original, incluyendo tablas y figuras, fue publicada en MARZO de 2021 en WATER SCIENCE & TECHNOLOGY. Se puede acceder a la versión completa a través de: 10.2166/wst.2021.044.