Memoria de ponencias Think Green 2013: Crecimiento verde, retos y oportunidades para Mxico Sistemas de Recirculacin de Agua para la Acuicultura

en el estado de Hidalgo

Ing. Rigoberto Engel Ugalde1 Mesa de trabajo: MiPyMEs y enverdecimiento de las cadenas de suministro

1 Profesor del Departamento de Ingeniera y Arquitectura. Divisin de Profesional y Emprendimiento. Tecnolgico de Monterrey, Campus Hidalgo. engel.r@itesm.mx

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Sistemas de Recirculacin de Agua para la Acuicultura en el estado

de Hidalgo

Introduccin

La acuicultura es considerada como la Revolucin Azul y se ha constituido en una alternativa

importante para el abasto de alimento y fuente de ingresos econmicos para muchas familias. En

el estado de Hidalgo se tienen registradas 249 unidades de produccin en donde se cran y

comercializan trucha arco iris, tilapia, carpa, bagre, peces ornamentales y camarn (CAHSA,

2007). El aplicar sistemas intensivos de cultivo en la mayora de estas unidades requiere tener

altas densidades de organismos por unidad de volumen, usar cantidades importantes de alimentos

balanceados y requerir en ocasiones, la aplicacin de diversos medicamentos para el control y

tratamiento de enfermedades.

Es por esto que la acuicultura intensiva est generando preocupacin por las presiones sobre sus

fuentes naturales de suministro de agua y sus impactos ambientales. Por tal motivo, los

productores deben usar nuevos mtodos de aprovechamiento de agua, optimizar sus

procedimientos de cult/ivo y aplicar tecnologas amigables al ambiente y sustentables a largo

plazo. En otras palabras, aplicar procesos ecoeficientes para integrarse a la lnea de negocios

verdes.

Por estas circunstancias los sistemas de recirculacin y reacondicionamiento del agua (SRA)

deben recibir mayor atencin en la acuicultura debido a que su aplicacin resulta en unidades de

produccin ms limpia. Al recircular el agua, se ahorra este recurso; se utilizan espacios

pequeos de terreno y se controlan las condiciones de calidad del agua adems de facilitar una

mejor prevencin y control de enfermedades (Arredondo y Ponce, 1998).

El tratamiento del agua de un SRA en acuicultura persigue la eliminacin de sustancias inertes,

la destruccin de grmenes patgenos y facilitar intercambios de gas entre la fase lquida y la

gaseosa (Barnab, 1991). Las etapas de un sistema de recirculacin de agua son: la circulacin

de agua, remocin de slidos, la nitrificacin, desinfeccin y finalmente aireacin u

oxigenacin. De estos procesos, la nitrificacin se lleva a cabo en lo que se conoce como filtro

biolgico (Segovia, 2009).

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El proceso principal de un SRA es la nitrificacin o filtracin biolgica, que se define como la

conversin bacteriolgica de compuestos orgnicos nitrogenados a nitrato. Los diferentes pasos

en este proceso se llaman colectivamente ciclo del nitrgeno (ver figura 1).

Figura 1. Ciclo del Nitrgeno en sistemas acuticos

Esta conversin la realizan bacterias de los gneros Nitrosomonas y Nitrobacter principalmente.

La nitrificacin es de gran importancia en los cultivos de organismos acuticos porque el

amoniaco es un desecho metablico altamente txico que se descarga directamente por muchos

organismos cultivados y que se genera como un subproducto por muchas bacterias. El nitrito es

una tanto menos txico que el amoniaco (como NH3). El nitrato es considerado relativamente no

txico para la mayora de los organismos acuticos (Wheaton, 1982).

Amoniaco NH! Amonio NH!! !"#$%&%'%()& Nitritos NO!! !"#$%&'(#)$ Nitratos NO!!

Figura 2. Proceso de nitrificacin bacteriana

En el diseo de sistemas de recirculacin de agua se trabaj con dos unidades de produccin de

trucha arcoris -Oncorhynchus mykiss (FAO. 2013)- el Sector de Produccin Pisccola San

Miguel Regla y La Trucha Feliz. La tercera unidad de produccin La Mojarrita

comercializa tilapia del Nilo - Oreochromis nilotica (FAO. 2013). Estas unidades se localizan en

los municipios de Huasca de Ocampo, Mineral del Chico e Ixmiquilpan respectivamente.

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Sector de Produccin Pisccola San Miguel Regla (CAHSAC, 2013)

Trucha Feliz (CAHSAC, 2013)

La Mojarrita (CAHSAC, 2013)

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Metodologa

De abril del 2009 a junio del 2011 se trabaj, con la ayuda de alumnos del Servicio Social

Comunitario, en las unidades de produccin acucola Sector de Produccin Pisccola San Miguel

Regla, La Mojarrita y La Trucha Feliz. En cada una se determin el consumo de agua, la calidad

de agua de entrada y de salida. Adems se desarroll el diseo de sus sistemas de recirculacin

de agua.

Para la determinacin del consumo de agua se usaron diversos mtodos (Briones y Garca, 1997)

ya que las unidades de produccin cuentan con diferentes formas de hacer llagar el agua o

retirarla de sus estanques, Los utilizados fueron:

Aforo volumtrico (de aforo directo)

Mtodo del flotador (rea velocidad)

Mtodo de la trayectoria (rea velocidad)

De vertederos triangulares (contracciones)

La sedimentacin es una de las tecnologas ms sencillas disponibles para controlar las partculas

de slidos en aguas de proceso y aguas residuales (Timmons, 1994). Para el dimensionamiento

de tanques rectangulares de sedimentacin se usa el siguiente mtodo (Crites y Tchobanoglous,

2000).

a. Calcular el rea superficial necesaria bajo condicin de caudal promedio.

b. Determinar las dimensiones del rea superficial para una relacin largo-ancho de 4 a 1.

c. Determinar la carga superficial y el tiempo de retencin para caudal medio.

d. Determinar la carga superficial y el tiempo de retencin para caudal pico.

e. Calcular la velocidad de arrastre.

Para calcular las dimensiones y caractersticas apropiadas de los filtros biolgico se necesita

conocer la edad de los peces, la cantidad de alimento suministrado en el ltimo da de estancia en

la etapa de crecimiento, el porcentaje de protena en el alimento y el volumen total de agua en los

estanques donde se encuentran los organismos. Los pasos fundamentales para el diseo de filtros

biolgicos en aguas fras, de 10 a 22 C (propicias para la trucha arco iris) es el siguiente (Segovia, 2009).

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a. Determinar la produccin de nitrgeno amoniacal total (PNAT)

b. Calcular el volumen de arena requerido para metabolizar la PNAT

c. Seleccionar la altura de la cama de arena y altura de filtro

d. Determinar el rea del biofiltro

e. Obtener las velocidades de agua para separar las partculas de arena

f. Calcular la tasa de flujo de agua para separar el lecho de arena

En agua ms clida para tilapia, carpa, bagre o camarn (25 a 32 C) se usan los siguientes pasos

(Segovia, 2009).

a. Calcular el requerimiento de oxgeno disuelto

b. Calcular la tasa de flujo requerida en tanques para satisfacer la demanda de oxgeno.

c. Calcular la tasa de recambio del sistema de recirculacin

d. Calcular la produccin de nitrgeno amoniacal total (PNAT).

e. Calcular el rea del medio filtrante necesaria para remover la PNAT.

f. Calcular el volumen de medio filtrante requerido basado en el rea asociada al medio que

se va a usar.

g. Calcular el rea del biofiltro

h. Calcular la altura del biofiltro a partir del rea y el volumen de medio filtrante

Resultados

Una parte fundamental en las mediciones de aguas naturales, residuales y de tratamiento, son los

datos de aforo o determinaciones del flujo. Estas son fundamentales para conocer la cantidad de

agua que entra a un proceso, la que sale de los mismos, con el objetivo de tener una

cuantificacin de estos gastos as como para poder disear equipos de tratamiento. La seleccin

del equipo y metodologa que se usara en un aforo depende principalmente del costo de los

equipos, acceso al conducto o canal, si es tubera a presin, si es canal abierto o cerrado, y

caracterstica del agua a estudiar.

Por ejemplo, en San Miguel Regla se tiene un canal de concreto armado de 4.18 m de largo y

1.095 m de ancho que suministra parte de su agua a la etapa de crianza; aqu se usa el mtodo de

medicin de velocidad promedio del caudal; el flujo de agua se obtiene con la ecuacin.

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= Dnde:

Q= flujo o gasto de agua en m3/seg

A= rea transversal

V= velocidad promedio

El rea transversal (A) que ocupa la columna de agua dentro del canal es calculada midiendo el

ancho del canal en su pared interior y multiplicndolo por el tirante o altura de la columna de

agua en el canal, usando el siguiente procedimiento.

() =

La velocidad promedio se puede calcular por la determinacin de la velocidad superficial del

lquido. Existe una relacin relativamente constante entre la velocidad superficial (mxima) y la

velocidad promedio del agua, se seala que la velocidad promedio (V) de la corriente es el 85 %

de la velocidad superficial.

La velocidad superficial de la corriente se determin colocando un objeto flotante (testigo) sobre

la superficie de la corriente en un punto determinado del canal y se toma el tiempo que tarda en

recorrer la distancia establecida. La medicin del tiempo se realiza cinco veces (ver figura 5).

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Una vez obtenidos los cinco valores del tiempo, se encuentra su promedio y se calcula la

velocidad de la corriente con la siguiente frmula. =

V= velocidad superficial en m/seg

D= metros

T= tiempo (promedio)

Obtenida la velocidad superficial se obtiene la velocidad promedio haciendo el siguiente

procedimiento: = 0.85

Obteniendo los valores de la velocidad promedio y el rea transversal se calcula el gasto o

consumo de agua en metros cbicos sobre segundo, que se pueden convertir a metros cbicos

sobre da o a litros sobre segundo. La siguiente tabla muestra los consumos de agua de las

unidades de produccin sealadas.

Tabla 1. Consumos de agua en unidades de produccin acucola

Unidad de

Produccin

Etapa de

produccin

Gasto 1

L/s

Gasto 1

m3/da

San Miguel Regla Incubacin 2.73 235.87

Crianza 7.86 679.10

8

La Trucha Feliz Engorda 5.57 481.24

La Mojarrita Engorda 2.15 185.76 1 Unidades de medicin: L/s, litros sobre segundo; m3/da, metros cbicos al da.

A continuacin se presentan los valores promedio de calidad de agua comparados con los del

Manual de Buenas Prcticas de Produccin Acucola para cada una de las dos especies, se

incluye el gasto de agua en litros sobre segundo en las secciones indicadas.

Tabla 2. Parmetros de calidad del agua en incubacin y crianza en Sector de Produccin

Pisccola San Miguel Regla.

Primera seccin Incubacin

Segunda seccin Crianza

Parmetro1 Agua de manantial

Agua de salida

Agua de canal

Agua de salida

MBPPAT2

Oxgeno disuelto (mg/L) 7.3 7.1 7.1 7.1 > 5.0 Salinidad (/oo) 0.0 0.0 0.0 0.0 0 a 35 pH 7.0 7.1 7.0 7.1 6.4 a 8.4 Alcalinidad (mg/L) 31 31 31 31 30 a 200 Calcio mg/L 3.28 3.36 3.35 3.40 > 50 Amoniaco (mg/L) 0.02 0.04 0.02 0.09 < 0.05 Nitrito mg/L 0.004 0.004 0.030 0.050 < 0.55 Temperatura (C) 17.5 17.4 17.5 17.4 10-22 Slidos suspendidos (mg/L) 2 3 3 5 < 80 Slidos disueltos (mg/L) 30.6 30.6 30.5 32.8 50 a 200 Gasto (L/s) 2.73 2.73 103.9 7.86 - 1Unidades de medicin: mg/L, miligramos sobre litro; /oo, partes por mil; pH, potencial de Hidrgeno; C, grados centgrados; L/s, litros sobre segundo. 2 MBPPAT: Manual de Buenas Prcticas de Produccin Acucola de Trucha para la Inocuidad Alimentaria.

Tabla 3. Parmetros de calidad de agua de entrada y salida en La Trucha Feliz.

Parmetro1 Agua

entrada Agua salida MBPPAT2

Oxgeno disuelto (mg/L) 6.9 5.6 > 5.0 Salinidad (/oo) 0.0 0.0 0 a 35 pH 6.9 7.0 6.4 a 8.4 Alcalinidad (mg/L) 51 54 30 a 200 Calcio (mg/L) 5.93 6.60 > 50 Amonio no ionizado (mg/L) 0.03 0.42 < 0.05 Nitrito (mg/L) 0.005 0.030 < 0.55 Temperatura (C) 14.9 13.4 10-22 Slidos suspendidos (mg/L) 2.2 6.0 < 80 Slidos disueltos (mg/L) 47.1 50.3 50 a 200 Zinc (mg/L) 0.04 0.06 < 0.04

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Cobre (mg/L) 0.06 0.06 < 0.03 Gasto (L/s) 5.47 5.47 - 1Unidades de medicin: mg/L, miligramos sobre litro; /oo, partes por mil; pH, potencial de hidrgeno; C, grados centgrados; L/s, litros sobre segundo. 2 MBPPAT: Manual de Buenas Prcticas de Produccin Acucola de Trucha para la Inocuidad Alimentaria.

Tabla 4. Parmetros de calidad de agua en La Mojarrita.

Parmetro1 Agua

entrada Agua salida MBPPAT2

Oxgeno disuelto (mg/L) 2.7 4.2 > 5.0 Salinidad (/oo) 0.8 0.8 10 a 15 pH 7.2 7.1 6.5 a 9.0 Alcalinidad (mg/L) 342.7 325.3 100 a 200 Dureza (mg/L) 291.5 279.8 20 a 350 Amonio no ionizado (mg/L) 0.04 0.24 0.01 a 0.1 Nitrito (mg/L) 0.008 0.112 < 0.450 Temperatura (C) 29.5 28.5 25 a 32 Turbidez (FAU) 1.17 8 < 0.04 Fosfatos (mg/L) 0.18 0.26 0.06 a 1.5 Gasto (L/s) - 2.15 - 1Unidades de medicin: mg/L, miligramos sobre litro; /oo, partes por mil; pH, potencial de hidrgeno; C, grados centgrados; FAU, unidades de turbidez.; L/s, litros sobre segundo. 2 MBPPAT: Manual de Buenas Prcticas de Produccin Acucola de Tilapia para la Inocuidad Alimentaria.

A continuacin se presentan las dimensiones de los sedimentadores para las unidades de

produccin acucola.

Tabla 5. Caractersticas de sedimentadores.

Parametro1 San Miguel Regla La Trucha Feliz La Mojarrita

Profundidad (m) 0.70 a 0.75* 0.70 a 0.75* 0.70 a 0.75* Ancho interior (m) 0.80 1.10 0.91 Largo interior (m) 3.0 4.00 3.70 Pendiente (%) 2.00 2.00 2.00

1Unidades de medicin: m, metros; %, porciento. * Considerando 0.50 metros de profundidad efectiva del agua.

En las siguientes tablas se describen las dimensiones y caractersticas de los filtros biolgicos en

cada una de las unidades de produccin.

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Tabla 6. Caractersticas de filtros biolgicos en San Miguel Regla y La Trucha Feliz.

San Miguel Regla La Trucha Feliz

Variable1 Seccin de incubacin

Seccin de crianza

Estanques 1 a 7

Estanques 8 a 14

Tipo de filtro biolgico Lecho fluidizado

Lecho fluidizado

Lecho fluidizado

Lecho fluidizado

Tamao de arena (mm) 0.420 a 0.210 0.420 a 0.210 0.420 a 0.210 0.420 a 0.210 Volumen de arena (m3) 0.0207 0.1656 1.04 0.77 Altura de cama de arena (m) 0.5 0.7 1.20 1.00 Altura del filtro (m) 2.0 2.8 4.8 4.0 Dimetro del filtro (plg) 9.04 21.61 41.37 39.05 Flujo de agua para mover arena (L/s)

0.275 1.56 5.75 5.12

1 Unidades de medicin: mm, milmetros; m3, metro cbico; m, metro; plg, pulgada; L/s, litros sobre segundo

Tabla 7. Caractersticas biofiltro hmedo de estanques de crianza y engorda en La Mojarrita.

Parmetro1 Biofiltro crianza

Biofiltro engorda

Tipo de filtro biolgico Marca de medio filtrante

Por goteo BioStrata

Por goteo BioStrata

Relacin rea- volumen del medio filtrante(m2/m3) 226 226 Carga hidrulica medio (m3/m2 * da) 1755 1755 Volumen de medio filtrante (m3) 0.30 0.95 Altura (m) 2.57 2.00 Dimetro (plg) 15.31 30.61 Nmero de biofiltros 2 2 Capacidad de bombeo (L/s) 1.2 4.8 Requerimiento O2 (kg O2/da) 0.6 2.5 1Unidades de medicin: m2/m3, metro cuadrado sobre metro cbico; m3/m2 * da, metro cbico sobre metro cuadrado por da; m3, metro cbico; m, metros; plg, pulgadas; L/s, litro sobre segundo; kg O2/da, kilogramos de oxgeno al da.

El arreglo general del SRA en San Miguel Regla consta de los siguientes tratamientos:

Sedimentador rectangular filtro biolgico Unidad de esterilizacin de UV a presin

Dosificador de carbonato de calcio Oxigenacin de alto rendimiento.

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Figura 3. Sistema de recirculacin de agua para San Miguel Regla.

Propuesta de procesos unitarios del SRA para estanques 1 a 7 y 8 a 14 en la unidad de produccin La Trucha Feliz: Sedimentador rectangular Lecho fluidizado Unidad de esterilizacin UV Tanque de estabilizacin y aereacin Dosificador de carbonato de calcio

Figura 4. Sistema re recirculacin de agua para La Trucha Feliz.

El arreglo general del SRA en La Mojarrita consta de los siguientes procesos unitarios:

Sedimentador rectangular Filtro biolgico hmedo Unidad de esterilizacin UV

Tanque de estabilizacin.

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Figura 5. Sistema de recirculacin de agua para La Mojarrita.

El integrar un SRA permitir ahorros de consumo de agua importantes que se reflejarn en un

menor impacto ambiental. Este ahorro de agua les permitir a los productores tener una mejor

imagen ante las autoridades, sus clientes y sociedad en general ya que ofrecern productos, que

adems de ser nutritivos e inocuos, son amigables con el medio ambiente al aplicar tcnicas de

ecoeficiencia y podrn ser catalogadas como negocios verdes.

Tabla 8. Ahorros de agua estimados en un 80% como promedio.

Sin sistema de

recirculacin

Con sistema de

recirculacin

Ahorro de agua

Unidad de Produccin

Etapa de produccin

m3/da1 m3/da1 m3/da1

San Miguel Regla Incubacin 235.87 47.17 188.7

Crianza 679.10 135.82 543.28

La Trucha Feliz Engorda 481.24 96.24 385

La Mojarrita Engorda 185.76 37.15 148.61 1Unidades de medicin: m3/da, metro cbico sobre da.

Discusin y Conclusiones

Los valores de los parmetros fsico qumicos del agua de entrada, muestran que se cumple con

la calidad para el cultivo de trucha arcoris y tilapia. Los SRA propuestos deben mantener

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valores de oxgeno disuelto arriba de 5.0 mg/l y valores de amonio no ionizado inferiores a 0.05

mg/L en el agua que se recircule. (Sagarpa, 2003). Al hacer esto se disminuirn los impactos

ambientales sobre los cuerpos receptores del agua de cultivo de las unidades de produccin al

evitar la descarga de residuos de alimento y de los desechos metablicos de los peces.

El ahorro en el consumo de agua con la implementacin de sistemas de recirculacin puede estar

entre 70 % y 90% , lo que permitir avanzar hacia la seguridad hdrica por parte de la

acuicultura como actividad econmica en el estado.

Agradecimientos

A las unidades de produccin La Trucha Feliz, La Mojarrita y el Sector de Produccin

Pisccola San Miguel Regla por su inters y colaboracin para el desarrollo de este trabajo. Al

Comit Acucola Hidalguense de Sanidad, A.C por las fotografas para este documento. Al

ingeniero Arturo Alvarado Hierro exdirector del Instituto para el Desarrollo Social Sostenible del

Tecnolgico de Monterrey en Hidalgo. . A la licenciada Mara Guadalupe Tellera Gmez,

exdirectora de Formacin Social y Programas Educativos del Campus Hidalgo. A los alumnos

del Servicio Social Comunitario: Nayeli Alamilla Meja, Laura Edith Islas Padilla, Zulema

Aguilar Hernndez, Jos de Jess Snchez Cruz, Rubn Arteaga Montiel, Luis Francisco Lpez

Azuara, Sergio Rodrguez Perezgrovas, Pedro Gurrola Mendieta, Fernando David Ortega Garca,

Diego Rogelio Resndiz Zamora, Isidro Caada Torres, Fernando David Ortega Garca, Juan

Antonio Reyes Rivera y Luis Antonio Rodrguez Rodrguez y a la licenciada Tere Rivera

Montiel por la revisin de este documento.

Literatura

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Aplicaciones AGT Editor. S. A.

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