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Capítulo 8 Sistemas aquapônicos dissociados

1. 8.1 Introdução

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Conforme discutido em Chaps. 5 e 7, os sistemas aquapônicos de circuito único são bem pesquisados, mas esses sistemas têm uma eficiência geral inferior (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). À medida que a aquapônica se expande para a produção industrial, tem havido ênfase no aumento da viabilidade econômica de tais sistemas. Uma das melhores oportunidades para otimizar a produção em termos de rendimento de colheita pode ser alcançada desacoplando os componentes dentro de um sistema aquaponico para garantir condições de crescimento ideais para peixes e plantas. Os sistemas dissociados diferem dos sistemas acoplados na medida em que separam os laços de água e nutrientes da unidade de aquicultura e hidroponia uns dos outros e, assim, fornecem um controle da química da água em ambos os sistemas. A Figura 8.1 fornece uma visão geral esquemática de um sistema acoplado tradicional (A), um sistema dissociado de dois ciclos (B) e um sistema multi-loop dissociado (C). No entanto, há um debate considerável sobre se os sistemas aquaponicos dissociados são economicamente vantajosos em relação aos sistemas mais tradicionais, uma vez que exigem mais infra-estruturas. Para responder a essa pergunta, é necessário considerar diferentes projetos de sistemas para identificar seus pontos fortes e fracos.

   O conceito de um sistema aquaponico acoplado de um ciclo, tal como mostrado na Fig. 8.1a, pode ser considerado como a base tradicional de todos os sistemas aquánicos em que a água circula livremente entre as unidades de aquicultura e hidropônica, enquanto as lamas nutrientrich são descarregadas. Uma das principais desvantagens de tais sistemas é que é necessário fazer compensações nas condições de criação de ambos os subsistemas em termos de pH, temperatura e concentrações de nutrientes (Quadro 8.1).

   

   Fig. 8.1 A evolução dos sistemas aquapônicos. a) Apresenta um sistema aquaponico tradicional de uma alça, b) um sistema aquaponico simples dissociado e c) um sistema aquaponico multiciclo dissociado. A fonte azul significa entrada, saída e fluxos de água e o vermelho para produtos residuais

   Em contrapartida, os sistemas aquánicos dissociados ou de duas alças separam as unidades aquacultura e aquapônica umas das outras (Fig. 8.1b). Aqui, o dimensionamento da unidade hidropônica é um aspecto crítico, pois idealmente ela precisa assimilar os nutrientes fornecidos pela unidade de peixe diretamente ou por mineralização de lodo (por exemplo, extraindo nutrientes do lodo e fornecendo-o às plantas de forma solúvel). De fato, tanto o tamanho da área da planta como as condições ambientais (por exemplo, superfície, índice de área foliar, umidade relativa, radiação solar, etc.) determinam a quantidade de água que pode ser evapotranspired e são os principais fatores que determinam a taxa de substituição da água RAS. Consequentemente, a água enviada da RAS para a unidade hidropônica é substituída por água limpa que reduz as concentrações de nutrientes e melhora a qualidade da água (Monsees et al. 2017a, b). A quantidade de água que pode ser substituída depende da taxa de evapotranspiração das plantas que é controlada pela radiação líquida, temperatura, velocidade do vento, umidade relativa e espécies de culturas. Notavelmente, há uma dependência sazonal, com mais água evaporada nas estações mais quentes e ensolaradas, que é também quando as taxas de crescimento das plantas são mais altas. Essa abordagem tem sido sugerida por Goddek et al. (2015) e Kloas et al. (2015) como uma abordagem para melhorar o projeto de sistemas de um loop e utilizar melhor a capacidade para garantir o desempenho ideal do crescimento da planta. O conceito foi adoptado, nomeadamente, pelo ECF_ em Berlim, na Alemanha, e o actual “UrbanFarmers_” falido em Haia, Países Baixos.

   Apesar dos benefícios potenciais, os experimentos iniciais com um design de loop único dissociado tiveram sérios inconvenientes. Isso resultou das altas quantidades de nutrientes adicionais que precisavam ser adicionados ao loop hidropônico, uma vez que a água de processo que flui do RAS para o circuito hidropônico é puramente dependente da evapotranspiração (Goddek et al. 2016; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016). Os nutrientes também tendiam a se acumular nos sistemas RAS quando as taxas de evapotranspiração eram menores, podendo atingir níveis críticos, exigindo sangramento periódico da água (Goddek 2017).

   A superação dessas desvantagens exigiu a implementação de loops adicionais para reduzir a quantidade de resíduos produzidos no sistema (Goddek e Körner 2019). Esses sistemas multi-loop são descritos na Fig. 8.1c e melhoram a abordagem de dois ciclos (8.1b) com duas unidades que serão exploradas mais de perto nos próximos dois subcapítulos, bem como Chaps. 10 e 11 :

   1. Mineralização e mobilização eficientes de nutrientes, usando um sistema de reator anaeróbio de dois estágios para reduzir a descarga de nutrientes do sistema através de lodo de peixe

   2. Tecnologia de destilação/dessalinização térmica para concentrar a solução de nutrientes na unidade hidropônica, a fim de reduzir a necessidade de fertilizantes adicionais

   Tais abordagens foram parcialmente implementadas por vários produtores de aquaponia, como a empresa espanhola NerBreen (Fig. 8.1) (Goddek e Keesman 2018), bem como Kikaboni AgriVentures Ltd. em Nairobi, Quénia, (van Gorcum et al. 2019) (Fig. 8.2).

   

   Fig. 8.2 Imagens do sistema multi-loop existente em (1) Espanha (NerBreen) e (2) Quénia (Kikaboni AgriVentures Ltd.). Enquanto o Sistema NerBreen está localizado em um ambiente controlado, o Sistema Kikaboni está usando um sistema de túnel de folha semi-aberto

   Em termos de vantagens econômicas (Goddek e Körner 2019; Delaide et al. 2016), a otimização das condições de crescimento em cada ciclo de sistemas aquapônicos desacoplados tem vantagens inerentes tanto para as plantas como para os peixes (Karimanzira et al. 2016; Kloas et al. 2015), reduzindo a descarga de resíduos, bem como melhorando a recuperação e fornecimento de nutrientes (Goddek e Keesman 2018; Karimanzira et al. 2017; Yogev et al. 2016). Em seu trabalho, Delaide et al. (2016), Goddek e Vermeulen (2018) e Woodcock (pers. Comm.) mostram que os sistemas aquapônicos dissociados alcançam um melhor desempenho de crescimento do que seus respectivos grupos de controle de hidropônicos e aquapônicos de um ciclo. Apesar disso, há vários problemas que ainda precisam ser resolvidos, incluindo questões técnicas como escalonamento de sistemas, otimização de parâmetros e escolhas de engenharia para tecnologias de efeito estufa para diferentes cenários regionais. No restante deste capítulo, vamos nos concentrar em alguns dos desenvolvimentos atuais para fornecer uma visão geral dos desafios em curso, bem como desenvolvimentos promissores no campo.

2. 8.2 Loop de mineralização

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   No RAS, as lamas sólidas e ricas em nutrientes devem ser removidas do sistema para manter a qualidade da água. Ao adicionar um ciclo adicional de reciclagem de lodo, a acumulação de resíduos RAS pode ser convertida em nutrientes dissolvidos para reutilização pelas plantas em vez de descartados (Emerenciano et al. 2017). Dentro dos biorreatores, os microrganismos podem quebrar esse lodo em nutrientes biodisponíveis, que podem ser posteriormente entregues às plantas (Delaide et al. 2018; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2017a, b). Muitos sistemas aquapônicos de um ciclo já incluem digestores aeróbicos (Rakocy et al. 2004) e anaeróbicos (Yogev et al. 2016) para transformar nutrientes que estão presos no lodo de peixe e torná-los biodisponíveis para as plantas. No entanto, a integração desse sistema em um sistema aquaponico acoplado de um loop tem várias desvantagens:

   1. O fator de diluição para efluentes ricos em nutrientes é muito maior quando os descarregam para um sistema de ciclo único em relação à descarga apenas para a unidade hidropônica. Efetivamente, nutrientes diluídos entrando em contato com grandes volumes de água de criação de peixes.

   2. Os peixes são desnecessariamente expostos aos efluentes do reator de mineralização; por exemplo, os efluentes de reatores anaeróbios podem incluir ácidos gordos voláteis (VFAs) e amoníaco que podem potencialmente prejudicar os peixes; esses reatores também representam uma fonte adicional para a introdução potencial de agentes patogênicos.

   3. Cerca de 90% dos nutrientes presos nas lamas podem ser recuperados quando RassLudge é mantido a um pH de 4 (Jung e Lovitt 2011). Um pH tão baixo não é possível quando se operam biorreatores a um pH em torno de 7 (Goddek et al. 2018), que é o valor de pH de troca usual em sistemas aquapônicos de um ciclo.

   

   Fig. 8.3 PH aproximado da água dentro dos diferentes componentes do sistema, bem como da água de processo. O '~' indicou uma aproximação

   Em relação ao pH, a Fig. 8.3 mostra os valores aproximados de pH dos respectivos fluxos de água de processo em um sistema aquaponico multi-loop (por exemplo, conforme apresentado na Fig. 8.1c). A Figura 8.3 também mostra o impacto dos reatores de mineralização no desempenho do sistema como um todo, com base nos reatores anaeróbios propostos por Goddek et al. (2018). Tal sistema representa apenas uma solução possível para o tratamento de lamas, com abordagens alternativas discutidas no Chap. 10. A diminuição do pH da água de processo que flui do subsistema RAS para o circuito hidropônico, como mostrado na Fig. 8.3, demonstra a acidificação no circuito de concentração de nutrientes (isto é, a água desmineralizada tem um pH de 7). Assim, o efluente tem um pH inferior ao da saída RAS, o que reduz a necessidade de ajustar o pH para condições ideais de crescimento da planta.

   Quadro 8.1 Visão geral das condições de crescimento ideais para peixes e plantas e condições operacionais preferidas para o tratamento de reciclagem de nutrientes de lamas

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” Thsubsistema/th thSpecies/ função/th THPH/th oTemperatura (° C) /th Thnitrato (NOSub3/sub) (mg/L) /th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Sistema de aquicultura de recirculação (RAS) /td Tdioreocromis niloticus/i (tilápia do Nilo) /td td7—9 (Ross 2000) /td td27—30 (El-Sayed 2006) /td td<100—200 (Dalsgaard et al. 2013) /td /tr tr class="mesmo” tdionCorhynchus mykiss/i (truta arco-íris) /td td6.5—8.5 (FAO 2005) /td td15 (Coghlan e Ringler 2005) /td td<40 (Davidson et al. 2011; Schrader et al. 2013) /td /tr tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Hidropônicos/TD tdilActuca sativa/i (alface) /td td5.5—6.5 (Resh 2012) /td td21—25 (Resh 2012) /td td730 (Resh 2012) /td /tr tr class="mesmo” tdlycoPersicon esculentum (tomate) /td td6.3—6.5 (Resh 2002) /td td18—24 (Resh 2002) /td td666 (Sonneveld e Voogt 2009) /td /tr tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Reator anaeróbico/td TDmetanogenese/TD td6.8—7-4 (de Lemos Chernicharo 2007) /td td30—35 (Alvarez e Lidén 2008; de Lemos Chernicharo 2007) /td td—/td /tr tr class="mesmo” TDSludge mobilização/td td4.0 (Jung e Lovitt 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /tabela O sistema de reator de duas fases funciona do seguinte modo:

   • Na primeira fase (pH cerca de 7 para proporcionar condições óptimas para a metanogénese; Tabela 8.1), a matéria orgânica é dividida para sustentar um elevado grau de produção de metano (isto é, remoção de carbono). Mirzoyan e Gross (2013) relataram uma redução total de sólidos suspensos de cerca de 90%, usando tecnologia de reator cobertor de lodo anaeróbio de fluxo ascendente. Isto tem a vantagem de (1) o biogás ser colhido como fonte de energia renovável e (2) serem produzidos menos VFAs na segunda fase. O tempo de retenção de lamas na primeira fase deve ser de vários meses, antes de remover os nutrientes acumulados nas lamas (por exemplo, agregação de fosfato de cálcio) na segunda fase.

   • Na segunda fase, os nutrientes em sólidos em suspensão são mobilizados de forma eficaz e ficam disponíveis para a absorção das plantas. Essa mobilização é a mais eficaz em um ambiente de baixo pH (Goddek et al. 2018; Jung e Lovitt 2011). Uma vez que o pH dos reatores ácidos é diminuído, ele geralmente permanece estável; assim, menos regulação do pH é necessária na unidade hidropônica.

   Os efluentes ricos em nutrientes podem exigir algum pós-tratamento, dependendo da quantidade de sólidos suspensos e VFAs medidos. No entanto, é importante ter em mente que o amoníaco pode estimular o crescimento das plantas, por exemplo, folhas verdes, quando representa 5 a 25% da concentração total de azoto (Jones 2005). No entanto, os vegetais de frutas, como tomates ou pimentões doces, são particularmente sensíveis à amônia na solução nutritiva. Seria necessário um tratamento aeróbio pós-efluente ou um reservatório hidropônico bem arejado em sistemas que cultivam esses tipos de culturas.

   8.2.1 Determinação dos fluxos de água e nutrientes

   Para o dimensionamento do sistema (secção 8.4), é necessário conhecer a quantidade de água que flui do sistema RAS através do (s) reactor (es) para a unidade hidroponia (Qsubmin/sub) (Eq. 8.1):

   $Q_ {MIN} (kg/dia) =\ frac {n_ {feed}\ vezes k_ {lodo}} {\ pi_ {lodo}} $ (8.1)

   em que nsubfeed/sub é a quantidade de alimento para peixes em kg, ksublama/sub é o coeficiente proporcional de alimentos para peixes que acabam em lamas, e πsublama/sub é a proporção de sólidos totais (isto é, lamas) no fluxo de água das lamas que entram no circuito de mineralização.

   A concentração das lamas pode ser aumentada adicionando um dispositivo de separação por gravidade antes dos biorreatores, direcionando o sobrenadante “transparente” para o sistema RAS. Esta fórmula também pode ser usada para obter uma entrada para dimensionar o reator com base no tempo de retenção hidráulica (Cap. 10). Entre 20 e 40% dos alimentos para peixes acabam como sólidos totais suspensos nas lamas derivadas do RAS (Timmons e Ebeling 2013). Como exemplo, verificou-se que o lodo de tilápia contém cerca de 55% de nutrientes que foram adicionados ao sistema via ração (Neto e Ostrensky 2013; Yavuzcan Yildiz et al. 2017), o que representa um recurso valioso para o crescimento das culturas.

   Os principais nutrientes que podem ser recuperados através de um processo de mineralização são N e P. Como P (um dos principais componentes do lodo) é o macronutriente mais valioso em termos de custo e disponibilidade para a produção vegetal, deve ser o primeiro elemento a ser otimizado no sistema aquapônico.

   A taxa de mineralização do loop de mineralização é calculada da seguinte forma:

   $Mineralização (g/dia) = (n_ {feed}\ vezes 1000) π_ {feed}\ vezes π_ {lodo}\ vezes η_ {min} $ (8.2)

   em que _n_subfeed/sub é a entrada de alimentação para o sistema (em kg); _π_subfeed/subé a proporção do nutriente na formulação da alimentação animal; _π_subsludge/subé a proporção de um elemento específico derivado da alimentação que termina nas lamas; e ηsubmin/subis a eficiência de mineralização e mobilização do sistema do reator .

   O último passo seria determinar a concentração do respectivo elemento no efluente do circuito de mineralização:

   $Nutriente\ concentração\ (mg/L) =\ frac {Mineralização\ vezes 1000} {Q_ {MIN}} $ (8.3)

   Exemplo 8.1

   Nosso sistema RAS é alimentado com 10 kg de ração para peixes por dia. Partimos do princípio de que 25% da ração alimentada acaba como lodo. Em nosso sistema, usamos um Radial Flow Settler (RFS) para concentrar o lodo em 1% de matéria seca. Consequentemente, o fluxo da RAS para a HP através do ciclo de mineralização é calculado do seguinte modo:

   $Q_ {MIN}\ (kg/dia) =\ frac {10kg\ vezes\ 0.25} {0.01} =250\ aprox 250kg/dia$

   Decidimos dimensionar o nosso sistema em P. O teor de P da nossa alimentação (na maioria dos casos fornecido pelo fabricante da ração) é de 1,5% e 55% acaba no lodo (Neto e Ostrensky 2013). Assumimos que os nossos reactores atingem uma eficiência de mineralização de 90% para este elemento. Portanto, os gramas de P transferidos para a unidade hidropônica todos os dias podem ser determinados:

   $Mineralização\ (g/dia) = (10kg\ vezes 1000)\ vezes 0.55\ vezes 0.015\ vezes 0.9=74.25$

   A concentração do efluente em conseqüência:

   $Nutriente\ concentração\ (mg/L) =\ frac {74,25g\ vezes 1000} {250L} =297\ mg/L $

   Esta concentração de P no efluente na caixa de exemplo acima é aproximadamente seis vezes maior do que na maioria das soluções de nutrientes hidropônicos. A pesquisa de Goddek et al. (2018) sustenta esse número teórico, e relatam que seu lodo RAS continha 150 e 200 mg/L de P para dois sistemas independentes, respectivamente (1% de lodo TSS), com um teor de P de 0,83% na ração de matéria seca para este último (200 mg/L).

3. 8.3 Laço de destilação/dessalinização

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   Em sistemas aquapônicos dissociados, há um fluxo unidirecional da RAS para a unidade hidropônica. Na prática, as instalações absorvem água fornecida pela RAS, que por sua vez é coberta com água fresca (ou seja, torneira ou chuva). A saída necessária da unidade RAS é igual à diferença entre a água que sai do sistema HP através de instalações (e através da unidade de destilação) e a água que entra na unidade hidropônica a partir do reactor de mineralização, se o sistema incluir um reactor (Fig. 8.4). Um resumo simplificado é que o requisito de fluxo de água a longo prazo de RAS para HP é igual ao consumo de água da cultura por evapotranspiração e armazenamento de água da planta na biomassa da planta.

   

   Fig. 8.4 Esquema de fluxos de água e diferentes concentrações de nutrientes em um sistema aquapônico dissociado, onde Q, volume de fluxo em L; ρ, concentração de nutrientes em mg/L; RAS, sistema de aquicultura recirculante; MIN, reator de mineralização; DIS, unidade de destilação; e X, parâmetro de fluxo desconhecido/flexível

   No entanto, em termos de balanços de massa, a quantidade de nutrientes que saem do sistema hidropônico através das plantas precisa ser substituída para garantir um equilíbrio constante. Isso representa um dilema, uma vez que a concentração máxima tolerável de nutrientes em RAS é muito menor do que a necessária em HP. Os fluxos elevados de nutrientes (_ρ_Subras/sub $\ vez$ _Q_Subras/sub) para HP não podem, portanto, ser realizados pelas baixas concentrações de nutrientes RAS. Em vez disso, sem um ciclo de destilação/dessalinização, a concentração de nutrientes aumentaria no SRA enquanto diminuiria no sistema hidropônico. Um possível remédio é descarregar água RAS (e, portanto, também nutrientes) para diminuir a concentração de nutrientes lá e adicionar fertilizante à solução de nutrientes hidropônicos. Em termos de impacto ambiental e económico, esta solução é menos satisfatória e não serve o objectivo de uma produção combinada de ciclo fechado.

   A implementação de uma unidade de destilação como mostrado na Fig. 8.3 representa uma solução potencial para este dilema. Tais tecnologias de destilação (por exemplo, destilação por membrana térmica) têm potencial para separar sais e nutrientes dissolvidos da água (Shahzad et al. 2017; Subramani e Jacangelo 2015). No contexto de sistemas aquapônicos multi-loop, e como alternativa à fertilização adicional e sangramentos de água com custos extras correspondentes, esta tecnologia não só poderia fornecer água doce ao sistema, mas também alcançar as concentrações de nutrientes desejadas para os respectivos subsistemas (Goddek e Keesman 2018).

   Para a implementação (isto é, dimensionamento) de uma unidade de destilação, podem ser utilizadas equações simples de balanço de massa. O sistema restante, no entanto, deve ser dimensionado previamente (seja através de regras de polegar ou através de equações de balanço de massa; ver Seção 8.5), porque os nutrientes que entram no sistema devem estar em equilíbrio com os nutrientes biodisponíveis absorvidos pela cultura (Nota: o ponto ideal dos sistemas dissociados é a sua flexibilidade. Consequentemente, pode-se também sobredimensionar a parte hidropônica do sistema, embora isso exija o uso de mais fertilizante). A maneira mais fácil de estimar a absorção de nutrientes é utilizar o pressuposto de que os nutrientes são absorvidos/absorvidos da mesma forma que os íons dissolvidos na água de irrigação (isto é, sem resistências químicas, biológicas ou físicas específicas de elementos). Consequentemente, para manter o equilíbrio, todos os nutrientes absorvidos pela cultura, tal como contidos na solução nutritiva, precisam ser adicionados de volta ao sistema hidropônico (Eq. 8.4).

   $\ phi_ {RAS} +\ phi_ {MIN} -\ phi_ {HP} =0$ (8,4)

   em que __Subras/sub é o fluxo de nutrientes do sistema RAS para o sistema hidropônico, __submin/sub é o fluxo de nutrientes da unidade de mineralização para o sistema hidropônico e __subHP/sub é a absorção de nutrientes. Para esta equação, presume-se que o sistema de destilação tem uma eficiência próxima de 100%. Assim, _Q_subdis/sub remonta ao subsistema hidropônico.

   Consequentemente:

   $ (\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {HP}) = (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {RAS}) + (\ rho_ {MIN}\ vezes Q_ {MIN}) $ (8.5)

   onde Q é o volume de fluxo em L, e ρis a concentração de nutrientes em mg/L.

   Como indicado acima, o fluxo de RAS para a unidade hidropônica é a diferença entre a soma dos fluxos de água que saem do sistema hidroponia (isto é, QsubHP/Sub + QSubx/Sub) e a entrada do biorreator (Qsubmin/Sub), ou seja, QSubras/Sub = QSubHP/Sub + QSubx/Sub - QSubmin/Sub, o, o que nos equação:

   $ (\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ vezes Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ vezes Q_ {X}) - (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {MIN}) + (\ rho_ {MIN}\ vezes Q_ {MIN}) $ (8.6)

   A variável visada é o fluxo de destilação (QSubx/Sub) necessário para manter o equilíbrio da concentração de nutrientes no sistema hidropônico. Para isso, o Eq. 8.6 é resolvido para QSubx/Sub nas seguintes etapas:

   $ (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {X}) = (\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {MIN}) - (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {HP}) + (\ rho_ {RAS}\ vezes Q_ {MIN}) $ (8.7)

   $Q_ {X} =\ frac {\ rho_ {HP}\ vezes Q_ {HP}} {\ rho_ {RAS}} -\ frac {\ rho_ {MIN}\ vezes Q_ {MIN}} {\ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

   Note-se que o fluxo de destilação QSubx/Sub é altamente dinâmico e depende da taxa de evapotranspiração das plantas, que é dependente do clima. O resultado dinâmico, no entanto, pode ser usado para dimensionar a unidade de destilação. Para calcular a entrada necessária na unidade de destilação, pode ser utilizada a seguinte fórmula:

   $Q_ {DIS} =Q_ {X}\ vezes\ frac {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

   em que Q é o volume de fluxo em L e η a eficiência de desmineralização do dispositivo utilizado (em%).

   A tecnologia de destilação pode, portanto, reduzir drasticamente a pegada hídrica e ambiental (ou seja, o uso de fertilizantes) de sistemas aquapônicos multi-loop. No entanto, os sistemas aquapônicos tornam-se ainda mais complexos quando se considera sua implementação. Embora este ciclo adicional possa não fazer qualquer sentido para sistemas de pequena escala, tem o potencial de levar sistemas comerciais maiores a um novo nível. No entanto, é preciso considerar que a tecnologia de destilação térmica requer altas quantidades de energia térmica e pode não ser economicamente razoável em todos os lugares. Regiões com altos níveis globais de radiação solar ou fontes de energia geotérmica podem ser as mais adequadas para esta tecnologia. A sustentabilidade econômica de tais sistemas também depende da localização.

   Outro ponto a ter em mente é a alta temperatura da água destilada e da salmoura da unidade de destilação. Dependendo das condições ambientais e das espécies de peixes utilizadas, a água quente de destilação pode ser utilizada para aquecer a água RAS; no entanto, a salmoura precisa de arrefecer antes de voltar a entrar no subsistema HP.

4. 8.4 Dimensionamento de sistemas multi-loop

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   Dimensionar um sistema aquapônico requer equilibrar a entrada e a saída de nutrientes. Aqui, aplicamos basicamente o mesmo princípio que o dimensionamento de um sistema de um loop. No entanto, esta abordagem é um pouco mais complicada, mas será totalmente ilustrada com a ajuda de um exemplo.

   

   Fig. 8.5 Esquema que mostra o balanço de massa dentro de um sistema aquaponico de quatro ciclos; onde msubfeed/sub são os nutrientes dissolvidos adicionados ao sistema através de alimentação. Adicionar rótulos: QSubdis/Sub - QSubx/Sub ao destilado devolvido à HP; 'lodo' para nutrientes que entram no reator

   A Figura 8.5 ilustra o diagrama de balanço de massa para nossa abordagem de sistema. Na situação ideal, o sistema tem apenas uma entrada e saída. No entanto, na prática, será necessário adicionar nutrientes adicionais à parte hidropônica para otimizar o crescimento da planta. Este modelo pode ser usado para dimensionar o sistema, por exemplo, com base no fósforo, que é um recurso não renovável (Capítulo 2). A entrada para o sistema (msubfeed/sub) é a fração de um nutriente que os peixes excretam de forma dissolvida. O restante acumula-se nos peixes sob a forma de biomassa ou termina como lamas (ver secção anterior). A saída é a absorção de nutrientes da planta. A determinação da absorção de nutrientes das plantas depende de muitos fatores e é muito complexa; a maneira mais fácil de dar uma estimativa aproximada é considerar a respiração das plantas como o principal motor da absorção de nutrientes (Goddek e Körner 2019).

   A taxa de evapotranspiração é altamente dependente do clima e é direta ou indiretamente influenciada pela radiação absorvida de ondas curtas, umidade relativa, temperatura e concentração de COSub2/sub. Devido à alta complexidade de um sistema multi-loop, assumimos que as plantas estão localizadas em uma estufa controlada pelo clima e, portanto, só precisamos considerar a radiação global como a variável dinâmica que determina a quantidade de radiação de ondas curtas é absorvida. Em outras palavras, primeiro precisamos determinar quanto dos nutrientes adicionados ficam disponíveis para as plantas e, em seguida, determinar o quanto as plantas realmente ocupam.

   8.4.1 Entrada de alimentação

   A taxa de alimentação dos peixes depende da biomassa total do sistema e do rácio de conversão alimentar (RCF). Timmons e Ebeling (2013) fornecem uma abordagem simples para determinar as taxas de crescimento dos peixes para diferentes espécies de peixes. No entanto, recomendamos a obtenção de dados industriais para determinar a biomassa com mais precisão. Lupatsch e Kissil (1998) (Eq. 8.10) fornecem uma fórmula geral de crescimento, para a qual Goddek e Körner (2019) determinaram os coeficientes de crescimento por ajuste de curva usando o ambiente matemático de software MATLAB (função interna 'fitnlm') com dados empíricos para o Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus). Os pesos iniciais e finais adicionais, a temperatura da água do sistema e a saída para os coeficientes de crescimento específicos da espécie podem ser encontrados no quadro 8.2. Inserir estes parâmetros na Eq. 8.10 dá-nos o peso em um dia específico para esta espécie de peixe.

   $W_ {t} = [W_0^ {1-\ beta w} + (1-\ beta _w)\ alpha_wexp\ {\ gamma_wt} T] ^ {\ frac {1} {1-\ beta w}} $ (8.10)

   em que Wsubt/sub (g) é o peso do peixe num momento específico (dias), WSUB0/sub (g) é o peso inicial do peixe, T é a temperatura da água (em° C), αw βw e γw são coeficientes de crescimento específicos da espécie (sem unidades) e t é o tempo em dias.

   Quadro 8.2 Parâmetros de crescimento dos peixes para a Eq. 8.10 para uma determinada temperatura da água (T). WSUB0/Sub e WSubF/Sub podem ser ajustados às suas próprias necessidades

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” THFunção/th Parâmetros/th oDescrição/th O valor/th THSource/th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” td ROWSPAN="4"Crescimento de peixes/td TDWSUB0/sub/td TPeso dinicial dos alevinos tilápia (em g) /td TDPor exemplo, 55/td TDGodDek e Körner (2019) /td /tr tr class="mesmo” TDWSubF/sub/td TDPeso de colheita alvo do peixe (em g) /td TDPor exemplo, 600/td TDGodDek e Körner (2019) /td /tr tr class="ímpar” TDT/td TDTemperatura da água do RAS (em ˚C) /td td30/td TDTimmons e Ebeling (2013) /td /tr tr class="mesmo” tdαw; βw; γw/td Coeficientes de crescimento específicos para TD/td td0.0261; 0,4071; 0,0827/td TDGodDek e Körner (2019) /td /tr /tbody /tabela

   Com base na saída da equação acima, fomos capazes de determinar a quantidade de alimento que o peixe exigirá por estágio de crescimento. Na maioria das vezes, a taxa de alimentação (X% do peso corporal) ou RCF é mencionada pelo fabricante de alimentos para animais específico da espécie. No entanto, Timmons e Ebeling (2013) fornecem uma orientação aproximada para RCF para tilápia: 0,7—0,9 para Tilapia que pesa menos de 100 g e 1,2—1,3 para tilápia que pesa mais de 100 g.

   $Feed\ rate\ (g) =FCR\ vezes Wg_t\ vezes m_ {fish} $ (8.11)

   em que RCF é o rácio de conversão alimentar, WGSUBT/sub é o ganho de peso (por dia) e msubpeixe/sub é a quantidade de peixe no tanque de peixes.

   O ganho de peso (WG) por dia pode ser determinado com a Eq. 8.10 subtraindo o peso de, por exemplo, dia 10 do peso do dia 11. Isso pode ser feito para cada tanque. A figura 8.6 mostra a entrada de alimentos para peixes no sistema para Tilapia usando as equações acima. A entrada média de alimentação por dia após o sistema ser totalmente ciclado é de 165 kg.

   

   Fig. 8.6 Exemplo de balanço de biomassa para Tilapia criado em 13 tanques em coortes com um volume total (incluindo biofiltro e cárter) de 482.000 L no máximo. Biomassa total de 80 t durante um período de 2 anos, incluindo a fase de arranque com peso médio de peixe (a) (cada linha representa um cisterna/coorte) e a taxa diária de alimentação total (b) (dados obtidos de Goddek e Körner 2019)

   8.4.2 Disponibilidade de nutrientes

   Neto e Ostrensky (2013) relatam uma excreção de N solúvel de 33% e uma excreção de P solúvel de 17% da alimentação alimentar na criação do Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus, L.). Estes são os nutrientes que finalmente se acumulam no sistema RAS e podem ser absorvidos pelas plantas.

   8.4.3 Captação de plantas

   O quadro 8.3 apresenta uma visão geral das taxas de evapotranspiração específica da cultura (ETsubc/sub) ligadas à radiação global. Um mm de ET por metro quadrado é igual a 1 L. Para um dimensionamento simples, deve-se tomar a média diária anual (ver a próxima seção).

   Tabela 8.3 Visão geral dos níveis de radiação globais externos subártica, temperada marítima e condições áridas (com base em Goddek e Körner 2019) e suas respectivas taxas de evapotranspiração de culturas _ (Etc, mm dia-1) _ para _alface e _tomato cultivadas em um ambiente de estufa controlado de 20° C e 80% relativo umidade. A alface foi cultivada com plantio contínuo durante todo o ano; o tomate foi plantado em janeiro e removido em dezembro (Ilhas Faroé e Holanda) ou julho e junho (Namíbia)

   tabela cabeça tr th ROWSPAN="3"Mês/th th COLSPAN="3"Ilhas Faroé/th th COLSPAN="3"A Holanda th COLSPAN="3"NAMÍBIA/TH /tr tr class="cabeçalho” thRadiação global/th Thetsubc/sub/alface/th Tetsubc/sub/Tomato/th thRadiação global/th Thetsubc/sub/alface/th Tetsubc/sub/Tomato/th thRadiação global/th Thetsubc/sub/alface/th Tetsubc/sub/Tomato/th /tr tr class="cabeçalho” thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TdBjaneiro/b/td td1.4/td td0.78/td td0.52/td td4.5/td td0.78/td td0.53/td td54.2/td td2.74/td td4.55/td /tr tr class="mesmo” tdBfevereiro/b/td td5.2/td td0.85/td td1.38/td td9.1/td td0.93/td td1.40/td td53.7/td td2.70/td td4.47/td /tr tr class="ímpar” TDBmarch/b/td td13.7/td td1.20/td td2.12/td td17.0/td td1.28/td td2.14/td td51.2/td td2.42/td td3.96/td /tr tr class="mesmo” tdBapril/b/td td30.6/td td1.90/td td3.05/td td27.9/td td1.82/td td2.90/td td40.2/td td3.05/td td5.38/td /tr tr class="ímpar” TDBMAY/b/td td39,2/td td2.29/td td3.57/td td32.2/td td2.40/td td3.74/td td30.0/td td2.70/td td4.59/td /tr tr class="mesmo” tdBjune/b/td td39,6/td td2.33/td td3.60/td td26.6/td td2.52/td td3.91/td td30.5/td td2.28/td td3.80/td /tr tr class="ímpar” tdBjuly/b/td td34.5/td td2.17/td td3.37/td td36.4/td td2.54/td td3.51/td td37,5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class="mesmo” TdBaugust/b/td td21.3/td td1.67/td td2.73/td td31.7/td td2.28/td td3.51/td td37,5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class="ímpar” TDBseptember/b/td td13.2/td td1.20/td td2.04/td td23.1/td td1.75/td td2.77/td td43.2/td td2.00/td td3.02/td /tr tr class="mesmo” TDBoutuber/b/td td6.0/td td0.91/td td1.77/td td13.3/td td1.17/td td1.94/td td51.6/td td2.07/td td3.09/td /tr tr class="ímpar” TDBNovember/b/td td2.1/td td0.78/td td1.60/td td6.2/td td0.87/td td1.62/td td57.9/td td2.30/td td3.58/td /tr tr class="mesmo” TDBDezembro/b/td td0.4/td td0.79/td td1.66/td td3.5/td td0.77/td td1.52/td td59.8/td td2.44/td td3.95/td /tr tr class="ímpar” td Buaverage/U/B /td tdu17.3/u/td tdu1.41/u/td tdu2.28/u/td tdu20.6/u/td tdu1.59/u/td tdu2.50/u/td td3.83/td tdu2.47/u/td tdu3.83/u/td /tr /tbody /tabela

   8.4.4 Equilibrando os subsistemas

   O balanceamento dos loops é necessário para dimensionar o sistema. A entrada deve ser igual à saída (Fig. 8.5). Em um sistema aquaponico dissociado que incorpora uma unidade de biorreator, temos dois fluxos de entrada de nutrientes: (1) a fração da ração que é excretada para o sistema RAS de forma solúvel e (2) a fração dos nutrientes no lodo de peixe que o (s) biorreator (es) consegue mineralizar e mobilizar. O principal fluxo de saída (além da remoção periódica de lodo desmineralizado) de nutrientes é a absorção de nutrientes das plantas. O diferencial Eq. 8.12. expressa este equilíbrio:

   $Mineralização\ (Eq.8.2) +m_ {feed} =\ frac {\ underline {Q_ {HP}}\ vezes\ rho_ {HP}} {1000} $ (8.12)

   $ (\ underline {\ eta_ {feed}}\ vezes 10000\ vezes\ pi_ {feed}\ vezes\ pi_ {sludhe}\ vezes\ eta_ {min}) +\ underline {m_ {feed}} =\ frac {\ underline {Q_ {HP}}\ vezes\ rho _ {HP}} {1000} $ (8.13)

   onde $\ underline {\ eta_ {feed}} $ é a alimentação média (em kg) que entra no sistema RAS, πsubfeed/subis a proporção do nutriente na formulação de alimentos, πsubsludge/sub é a proporção de um elemento derivado de alimentação específico terminando no lodo, e ηsubmin/sub é a mineralização e eficiência de mobilização do sistema do reator, umsubfeed/sub/u é a quantidade média de um nutriente que os peixes defecam numa forma dissolvida, UQsubHP/sub/U é a evapotranspiração total média e ρSubHP/subis a concentração de nutrientes alvo (isto é, óptima) para um nutriente específico no subsistema hidropônico.

   No entanto, para ser capaz de determinar a área necessária, há duas variáveis que precisam ser redefinidas para resolver esta equação. A equação 8.14 mostra como calcular a excreção de nutrientes solúveis. No Eq. 8.15, mostramos que a evapotranspiração total média é um produto da área e a taxa de evapotranspiração específica da planta (aqui mostrada como média) por msup2/sup.

   $\ underline {m_ {feed}} =\ underline {n_ {feed}}\ vezes\ pi_ {feed}\ vezes\ eta_ {excr} $ (8.14)

   em que ηsubexcr/sub representa a fracção do nutriente excretado pelo peixe numa forma solúvel.

   $\ underline {Q_ {HP}} =A\ vezes\ underline {et_c} $ (8.15)

   onde $\ underline {Q_ {HP}} $ representa a evapotranspiração total média (em L), A área, e $\ underline {ET_ {c}} $ a evapotranspiração média específica da cultura em mm/msup2/sup (ou seja, l/msup2/sup).

   Resolvendo o Eq. 8.13 incorporando Eqs. 8.14 e 8.15 para encontrar A, somos capazes de calcular a área necessária da planta em relação à entrada média de alimentação (Eq. 8.15).

   $A=\ frac {(\ underline {\ eta_ {feed}\ vezes 1000\ vezes\ pi_ {feed}\ vezes\ eta_ {excr}\ vezes 1000}) + (\ underline {\ eta_ {feed}}\ vezes 1000\ vezes\ pi_ {feed}\ vezes\ pi_ {sludge}\ vezes\ eta_ {min}\ vezes 1000)}\ sublinhado {et_c}\ vezes\ rho_ {HP}} $ (8.16)

   Exemplo 8.2

   Para este exemplo, queremos dimensionar (ou seja, equilibrar) o sistema em relação a P. Assumimos que o componente RAS do nosso sistema requer uma alimentação diária média de 150 kg. O fabricante relata que o teor de P da ração para peixes é de 1%. Estimamos que o P que acaba no lodo seja de 55% e o P que os peixes excretam de forma solúvel seja de 17%. Os biorreatores funcionam muito bem e mineralizam cerca de 85% do P.

   No lado da saída, calculou-se a taxa média de evapotranspiração específica da cultura para a alface (por exemplo, utilizando a equação FAO Penman-Monteith). Na nossa localização, é cerca de 1,3 mm/dia (ou seja, 1,3 L/dia). A composição P ideal da solução nutritiva é de 50 mg/L (Resh 2013). Encontrar a área de cultivo de plantas necessária para absorver o P produzido pelo sistema é então resolvido por:

   $A=\ frac {(\ underline {\ eta_ {feed}\ vezes 1000\ vezes\ pi_ {feed}\ vezes\ eta_ {excr}\ vezes 1000}) + (\ underline {\ eta_ {feed}}\ vezes 1000\ vezes\ pi_ {feed}\ vezes\ pi_ {lamas}\ vezes\ eta_ {min}\ vezes 1000)} {\ underline {et_c}\ vezes\ rho_ {HP}} $

   $A=\ frac {(150000\ vezes 0.01\ vezes 0.17\ vezes 1000) + (150000\ vezes 0.01\ vezes 0.55\ vezes 0.85\ vezes 1000)} {1.3\ vezes 50} $

   $\\ =\ frac {255000+701250} {65} $

   $\\ =14711m^2 = 1,47 ha $

   O exemplo acima mostra que a maioria do P na unidade hidropônica é originária dos biorreatores. Assim, a implementação de um biorreator dentro de um sistema dissociado tem um impacto muito alto na sustentabilidade de P. Por outro lado, para dimensionar sistemas aquapônicos simples de um loop, uma regra geral é aplicada. Para as plantas frondosas, são necessários cerca de 40—50 g e para as plantas frutadas cerca de 50—80 g de alimentos para animais por msup2/sup área de cultivo (FAO 2014). Ao olhar para a entrada de ração no exemplo indicado acima = 150 kg, e dividindo-a por 45 (a média da aproximação das plantas frondosas), a área de cultivo proposta é de cerca de 3750 msup2/sup. Deixando de fora a mineralização do lodo, nosso exemplo sugere uma área de cultivo de 3333 msup2/sup ao dimensionar o sistema em P.

   8.4.5 Papel da unidade de destilação

   O papel da unidade de destilação é manter a concentração de nutrientes do sistema RAS e do sistema hidropônico nos respectivos níveis desejados. Uma vez que a acumulação de nutrientes e a correspondente densidade específica de nutrientes são dinâmicas nos sistemas RAS (isto é, dependendo das taxas ETsubc/sub) que dependem do fluxo QsubHP/sub e Qsubx/sub (Fig. 8.5), o tamanho da unidade de destilação não pode ser determinado utilizando uma equação diferencial. Assim, um modelo de série temporal é necessário para determinar a concentração de nutrientes na RAS ao longo do tempo. A concentração de nutrientes em um momento específico é necessária para poder executar equações de balanço de massa dentro do sistema Seção [8.3].

   

   Fig. 8.7 Simulações comparando a concentração de NO3-N no sistema de água RAS sobre o impacto dos fluxos de destilação (não, linha sólida; 5000 L h-1, linha tracejada) em hidropônicos (amarelo, —-) e RAS (azul, —-) concentrações de nutrientes em ** (a) ** Namíbia e ** (b) ** Países Baixos, ou seja, em concentrações baixas e altas latitudes (Namíbia 22.6˚S e Países Baixos, 52.1˚N, respectivamente) num período de 36 meses (incluindo a fase de preparação do sistema) utilizando dados climáticos locais e estufas ajustadas ao clima como entrada do modelo

   Para que o sistema seja equilibrado (ou seja, input = output), podemos dar uma orientação geral sobre a capacidade requerida de uma unidade de destilação. O objetivo é evitar a acumulação de nutrientes no sistema RAS. A Figura 8.7a, b mostra o impacto dos fluxos de destilação na solução hidropônica e nutriente RAS sem um loop de mineralização em duas latitudes diferentes. Ambos os sistemas têm a mesma entrada de alimentação (em média 158,6 kg daysup-1/sup; ver Fig. 8.6). No entanto, tendo em conta as condições ambientais e as estufas ajustadas ao clima, a área hidropônica necessária e óptima difere entre as localizações geográficas (ver capítulo 11). Sistemas hidropônicos com baixas taxas de evaporação potencial, como são comuns em locais em altas latitudes (ou seja, longe do equador) precisariam de áreas de cultivo maiores do que lugares mais próximos do equador. Ao mesmo tempo, uma maior variação anual na irradiação e, portanto, na transpiração é comum nessas regiões, portanto, uma maior demanda de variabilidade sazonal na água e nos nutrientes está presente (ver Fig. 8.7). No cultivo de estufa, no entanto, pode ser necessária iluminação suplementar, e em países como a Noruega, o cultivo de vegetais sem iluminação suplementar dificilmente ocorre. Além disso, a superfície total da folha da cultura faz a diferença; as culturas com uma área foliar elevada por unidade de superfície do solo (isto é, índice de área foliar) passam mais do que as culturas com áreas foliares menores, e pode-se observar uma diferença distinta entre as culturas de tomate e alface. Todos esses fatores precisam ser considerados ao planejar e dimensionar o sistema aquapônico.

   A seguir, fornecemos uma visão geral do tamanho otimizado da área hidropônica para os sistemas aquapônicos descritos acima: A área de cultivo para monoculturas simulada com cenários em etapas de 250 msup2/sup para encontrar a área de montagem de alface ou tomate, a fim de equilibrar o sistema adequadamente foi Sem iluminação suplementar (para alface ou tomate, respectivamente):

   • 17.000 msup2/sup ou 11.750 msup2/sup para Ilhas Faroé

   • 15.500 msup2/sup ou 11.000 msup2/sup para os Países Baixos

   • 8750 msup2/sup ou 6500 msup2/sup para a Namíbia

   Embora o tamanho dos sistemas seja diferente, a ingestão média anual de nutrientes é semelhante. No entanto, ao integrar um sistema de digestor, temos que levar em consideração a fonte de nutrientes adicional (Fig. 8.1c). Mudar um componente inevitavelmente leva a desequilíbrios do sistema, mas o sistema deve procurar fornecer nutrientes ideais para RAS e HP. Por exemplo, o NO3-N em RAS deve estar abaixo de um determinado limiar\ 200 mg L<SUP-1/Sup para, por exemplo, tilápia, enquanto o PO4-P em HP deve estar o mais próximo possível da concentração recomendada de 50 mg LSUP-1/Sup para o cultivo de plantas de boa qualidade. Assim, estudos de simulação ajudam a determinar o dimensionamento dos componentes em um sistema aquaponico fechado de vários ciclos, dissociado, a fim de obter suprimentos de nutrientes ideais para peixes e plantas. Para isso, Goddek e Körner (2019) criaram um simulador de aquapônica numérica.

   No entanto, o planejamento de um sistema aquapônico envolve algum entendimento básico do sistema, a fim de alcançar um equilíbrio que minimiza os picos indesejados na demanda e oferta de nutrientes. Uma vez que a força motriz para a dinâmica dos nutrientes é a evapotranspiração da cultura (ETSubc/Sub no sistema HP), que é em grande parte impulsionada pelo microclima e pela luz absorvida. Em um sistema perfeitamente equilibrado, este seria um ambiente totalmente automatizado e controlado (ver Seção 8.5 Monitoramento e Controle) com iluminação 24 horas. As plantas precisam de um certo período escuro de cerca de 4—6 h, de modo que o sistema mais equilibrado é realisticamente realizar aquapônica em fábricas fechadas exclusivamente com fontes de luz artificial. Isso, no entanto, exige altos custos de entrada elétrica e investimento e só é viável com preços de produtos muito altos. Portanto, recomendamos a produção de estufa com iluminação suplementar (se necessário e se compensa) como forma prática e economicamente viável de construir uma unidade aquapônica. Colocar plantas e peixes na mesma construção física resulta em sinergias adicionais, incluindo redução do aquecimento e aumento do crescimento da planta através de Cosub2/Sub elevado (Körner et al. 2017).

   Além dessas questões técnicas, os procedimentos de cultivo de plantas (a parte hortícola prática do sistema) devem ser ajustados às necessidades da aquapônica, de modo que haja uma demanda constante de nutrientes das culturas (assumindo o mesmo clima e luz), conforme mostrado no Quadro 8.3. O cultivo de alface e outros vegetais de folhas são realizados continuamente (Körner et al. 2018), enquanto culturas maiores, como frutas como tomate, pepino ou pimenta doce, são geralmente semeadas no inverno, e a primeira colheita é frequentemente no final do inverno/início da primavera seguida de remoção de plantas e outro cultura semeada para colheita no inverno novamente. Sem interplantação, ou seja, vários tipos de culturas no mesmo sistema ou lotes de frutas hortícolas plantadas ao longo do ano para sustentar a demanda de nutrientes, ocorrerão períodos de baixa demanda de nutrientes e níveis elevados de nutrientes. Com base em Goddek e Körner (2019), mostramos a variação de NoSub3/sub-N em RAS para tomate (muitas vezes não ajustado em aquaponia) e alface quando não há iluminação suplementar para três zonas climáticas (Ilhas Faroé, Holanda e Namíbia) (Fig. 8.8). O equilíbrio do sistema é possível aumentando a integral luminosa diária (isto é, a soma da luz mol recebida durante um período de 24 horas) com um controlo dinâmico de iluminação suplementar (Körner et al. 2006).

   

   Fig. 8.8 NO3-N em RAS combinado com HP cultivo de tomate ou alface em três zonas climáticas e latitudes decrescentes (Ilhas Faroé 62.0N, Holanda 52° N, Namíbia 22.6° S) com área otimizada para hidropônicos (ver acima) em uma simulação de 36 meses usando dados climáticos locais e estufas ajustadas ao clima como entrada do modelo

   A aplicação de tecnologias de destilação/dessalinização pode contribuir para reduções significativas nos níveis de nutrientes na RAS, ajustando os níveis no sistema HP mais próximo da optima, ou seja, a unidade concentra nutrientes aos níveis exigidos pelas plantas. A figura 8.9 ilustra o efeito de uma unidade de dessalinização sobre a concentração de N° Sub3/sub-N RAS quando se aplica entre 0 e 5000 L hsup-1/sup e systemsup-1/sup. É óbvio que, com o aumento do fluxo de dessalinização, a concentração de NOSub3/sub-N no sistema RAS está diminuindo. A unidade, no entanto, é controlada pela demanda de POSub4/sub no sistema HP. Os picos precisam ser evitados e, como já foi dito acima, isso pode ser alcançado através da criação de um ambiente climático estável com controles dinâmicos de luz. É óbvio que nas regiões climáticas com menos diferenças anuais na radiação solar, há menos variação no ETsubc/sub e o sistema completo é mais estável. Instalar lâmpadas e manter uma luz integral diária de pelo menos 10 mol msup-2/sup pode compensar variações sazonais. A interplantação e a produção de culturas mistas ajudam a nivelar o pico resultante do protocolo tradicional de cultivo de tomateiro com plantas jovens no inverno, quando ambos

   

   Fig. 8.9 NO3-N em RAS combinado com HP com tomate (direita) ou alface (esquerda) com dessalinização entre 0 e 5000 L h sup-1/sup fornecimento em três zonas climáticas e latitudes decrescentes (Ilhas Faroé 62.0˚ N, Holanda 52,1˚N, Namíbia 22.6˚S) com área ajustada para HP (ver acima) em uma simulação de 36 meses usando dados climáticos locais e estufas ajustadas ao clima como entrada do modelo

   clima (baixa radiação) e cultivo (pequenas plantas, baixo potencial etsubc/sub) contribuem para a acumulação de nutrientes.

5. 8.5 Monitoramento e controle

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   No controle de feedback clássico, como o controle PI ou PID (Proporcional-Integral-Derivative), as variáveis controladas (CV) são medidas diretamente, comparadas com um setpoint, e posteriormente alimentadas de volta ao processo através de uma lei de controle de feedback.

   Na Fig. 8.10, os sinais, sem o argumento de tempo, são denotados por uma pequena letra, em que y é a variável controlada (CV) que é comparada com o sinal de referência (setpoint) r. O erro de rastreamento ε (i.e. r - y) é alimentado no controlador, seja em hardware ou software, a partir do qual a entrada de controle u, também conhecido como a variável manipulada (MV), é gerado. A entrada u afeta diretamente o processo (P) do qual uma saída (y) resulta. A saída amostrada é posteriormente comparada com r, que fecha o loop. Na prática, esse loop continua até que o controlador seja desligado. Existe extensa literatura sobre controle de feedback (Doyle et al. 1992; Morris 2001; Ogata 2010), e este tem sido objeto de pesquisa há muitos anos, começando com as obras de Bode (1930) e Nyquist (1932).

   

   Fig. 8.10 controle de feedback com controlador (C) e processo (P). sinal de referência r, erro de rastreamento eps, sinal de entrada u, y saída sigma

   Em RAS, os CV típicos são temperatura, pH e concentração de oxigênio dissolvido (OD), para os quais existem sensores confiáveis. Consequentemente, o controle de feedback desses parâmetros de qualidade da água pode ser facilmente realizado. No entanto, na prática, na maioria das vezes, os sinais de entrada e saída são perturbados por processos de ruído, como entradas aleatórias desconhecidas e ruído de medição. Além disso, o processo global (P) pode mudar ao longo do tempo em resultado do crescimento, maturação, senescência, etc. Os alimentos para peixes constituem outro elemento de entrada para a RAS e o seu efeito sobre o crescimento dos peixes não pode ser directamente visto ou medido. Para esses parâmetros, controladores baseados em modelo (por exemplo, feedforward, modelo preditivo e controle ótimo) são normalmente introduzidos para prever a resposta de uma alteração na entrada de controle. No entanto, o alimento para peixes é normalmente adicionado com base em valores encontrados em tabelas ou receitas, mas este controle baseado em regras pode precisar de algum ajuste na prática real para atuar como um controlador de feedback. Os comportamentos dos peixes em RAS são uma medida clássica de controlo do feedback, uma vez que os peixes reagem fisiologicamente às alterações ambientais com variações de movimento, localização, receptividade à alimentação, etc.

   A produção hidropônica geralmente ocorre em ambientes protegidos, como estufas ou fábricas de plantas, onde tanto o ambiente radicular quanto aéreo precisam ser controlados. Controladores on-off que modelam de forma preditiva ambientes aéreos ideais têm sido superiores em pesquisas experimentais, mas a comercialização tem sido lenta, enquanto os controladores de feedback são padrão na maioria das estufas controladas pelo clima. No entanto, o atuador varia com o tipo de controlador com válvulas de aquecimento e aberturas normalmente controladas por feedback, mas a iluminação geralmente tem um mecanismo ON-OFF e apenas alguns são reguláveis. Os controladores que dependem do sensor ou da entrada de dados podem responder ao rápido crescimento em um ambiente protegido e resultar em produtos de alta qualidade com altos preços de mercado que melhoram seus benefícios de custo. Muitas estufas comerciais ainda têm o sensor clássico localizado centralmente pendurado 1—2 m acima da cultura e cobrindo várias centenas de metros quadrados ainda está em uso, mas vários sensores sem fio cobrindo áreas menores estão sendo introduzidos, embora muitos dos dados detalhados não possam ser usados porque bastante grandes zonas climáticas são controladas pelos mesmos atuadores. Os avanços na tecnologia de sensores (por exemplo, sensores de temperatura de microclima, processadores de imagem, medições de troca de gás em tempo real ou fluorescência de clorofila) ligados a software de modelagem podem utilizar sistemas de apoio à decisão e tornar-se sistemas de controlo automatizados.

   Em sistemas biorreatores típicos, a temperatura, o pH, o oxigênio dissolvido em sistemas arejados e os fluxos de gás em sistemas anaeróbicos são continuamente medidos e ajustados com controladores de temperatura, pH e oxigênio dissolvido disponíveis. Além disso, os tempos de retenção hidráulica (HRT) e de lamas (SRT) também são frequentemente definidos pelo controle dos fluxos de água (resíduos) e dos fluxos de resíduos de biomassa, respectivamente.

6. 8.6 Impacto Econômico

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Tecnologias que geram menos lucro, mas são melhores para o meio ambiente geralmente só são implementadas quando os operadores recebem um incentivo sob a forma de subsídios ou políticas os forçam a fazê-lo. No caso dos sistemas aquaponicos de uma linha, o apelo reside na nova tecnologia e na abordagem do sistema para a utilização sustentável dos recursos e não no seu potencial económico. No entanto, publicações recentes fornecem evidências para ganhos de produção: folhas verdes crescem melhor em ambientes desacoplados do que em sistemas hidropônicos estéreis (Delaide et al. 2016; Goddek e Vermeulen 2018) e alface em sistemas aquapônicos desacoplados tiveram uma vantagem de crescimento de aproximadamente 40% em comparação com o estado de a arte de abordagens hidropônicas.

   Embora se possa esperar taxas de crescimento mais elevadas, os sistemas aquapônicos multi-loop ainda são muito mais complexos do que os sistemas hidropônicos e investimentos iniciais significativos são necessários para a implementação. A maioria das localizações geográficas requer uma estufa de alta tecnologia para controlar as condições ambientais (isto é, uma umidade relativa de 80%, temperaturas constantes de cerca de 20C). As fontes de energia renováveis podem ser utilizadas para arrefecimento e aquecimento, mas atualmente esses sistemas só são rentáveis quando se instalam em grande escala (ou seja,\ > 1 ha) onde prevalecem boas condições de mercado.

7. 8.7 Impacto ambiental

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Com base no Exemplo 8.2, há evidências de que o tratamento de lodo em digestores pode ter um impacto benéfico na reutilização de nutrientes, especialmente fósforo. Os sistemas biorreatores, como um sistema sequencial de reatores UASB em dois estágios, podem aumentar a eficiência da reciclagem de fósforo em até 300% (Chap. 10). Anteriormente, em Chap. 2, discutimos o paradoxo do fósforo em relação à escassez de fosfato e problemas de eutrofização. Os biorreatores têm vantagens significativas para aumentar a recuperação de nutrientes das lamas, ajudando assim a fechar o ciclo de ciclagem de nutrientes dentro dos sistemas aquapônicos. No entanto, mais pesquisas são necessárias para refinar esses sistemas para otimizar a biodisponibilidade de nutrientes específicos. As Figuras 8.11, 8.12 e 8.13 mostram os fluxos de entrada, saída e resíduos de sistemas autônomos de aquicultura e hidroponia em comparação com um sistema aquapônico dissociado. Verifica-se que a abordagem dissociada constitui um conceito agrícola promissor para um sistema de redução e reciclagem de resíduos.

   

   Fig. 8.11 Fluxos de entrada, saída e perda em um sistema hidropônico autônomo

   

   Fig. 8.12 Fluxos de entrada, saída e perda em um sistema de aquicultura autônomo

   

   Fig. 8.13 Fluxos de entrada, saída e perda em um sistema aquaponico multi-loop dissociado que compreende um sistema de reator anaeróbio