evaluación de la eficiencia de un sistema de tratamiento
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
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Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
Winter 5-26-2021
Evaluación de la eficiencia de un sistema de tratamiento de agua Evaluación de la eficiencia de un sistema de tratamiento de agua
a escala piloto basado en la filtración biológica para la a escala piloto basado en la filtración biológica para la
recirculación del agua en piscinas de piscicultura. recirculación del agua en piscinas de piscicultura.
Maria Camila Guevara Porras Universidad de La Salle, Bogotá, [email protected]
Daniela Isabel Gutiérrez Pérez Universidad de La Salle, Bogotá, [email protected]
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Citación recomendada Citación recomendada Guevara Porras, M. C., & Gutiérrez Pérez, D. I. (2021). Evaluación de la eficiencia de un sistema de tratamiento de agua a escala piloto basado en la filtración biológica para la recirculación del agua en piscinas de piscicultura.. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/1927
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1
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA A
ESCALA PILOTO BASADO EN LA FILTRACIÓN BIOLÓGICA PARA LA RECIRCULACIÓN
DEL AGUA EN PISCINAS DE PISCICULTURA
MARIA CAMILA GUEVARA PORRAS
DANIELA ISABEL GUTIÉRREZ PÉREZ
Trabajo de Grado para optar el Título de
Ingeniera Ambiental y Sanitaria
Director
CARLOS ANDRÉS PEÑA GUZMÁN
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA - INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTÁ D.C
2021
2
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA A
ESCALA PILOTO BASADO EN LA FILTRACIÓN BIOLÓGICA PARA LA RECIRCULACIÓN
DEL AGUA EN PISCINAS DE PISCICULTURA
MARIA CAMILA GUEVARA PORRAS
DANIELA ISABEL GUTIÉRREZ PÉREZ
Trabajo de Grado para optar el Título de
Ingeniera Ambiental y Sanitaria
Director
CARLOS ANDRÉS PEÑA GUZMÁN
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA - INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTÁ D.C
2021
3
Nota de aceptación
__________________________________
__________________________________
__________________________________
_________________________________________
Firma del Director
_________________________________________
Firma de Jurado
Bogotá, 2021
4
Agradecimientos
Agradecemos a los piscicultores de la finca Palestina por su colaboración e interés en este trabajo,
principalmente al ingeniero Plinio Gutiérrez que nos apoyó mucho en la contextualización de esta
actividad. En segundo lugar agradecemos a nuestro tutor Carlos peña Por su apoyo y guía durante el
desarrollo del proyecto y por haber decidido darle una oportunidad a esta investigación. Además,
queremos agradecer al ingeniero Andrés Bastidas Sánchez por su orientación y disposición de
ayudarnos. Finalmente queremos agradecer a nuestras familias que nos brindaron, los recursos,
espacios y apoyo necesarios para desarrollas este trabajo
5
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................................. 5
ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................................................... 7
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................... 8
GLOSARIO .................................................................................................................................. 10
RESUMEN .................................................................................................................................. 11
ABSTRACT .................................................................................................................................. 11
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 12
2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................. 13
3. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 15
Objetivo General ....................................................................................................................... 15
Objetivos Específicos................................................................................................................ 15
4. MARCO DE REFERENCIA .................................................................................................... 15
4.1. Marco Teórico .................................................................................................................... 15
La acuicultura............................................................................................................................ 15
Sistemas de tratamiento y recirculación de agua ...................................................................... 16
Parámetros de calidad del agua ................................................................................................. 18
4.2. Marco Legal ................................................................................................................... 19
5. METODOLOGÍA .............................................................................................................. 20
5.1. Diagnóstico. ....................................................................................................................... 21
5.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN. ........................................................................................ 26
5.3. Monitoreo y Seguimiento ............................................................................................... 41
6
● Análisis de DBO: Se empleó el método de análisis de las botellas Velp, para el cual de
acuerdo a la DBO esperada se empleaba un volumen de muestra, en este caso como esta se
encuentra en un rango de 0 a 90 mg/L se utilizaron 400 mL. El método consiste en los
siguientes pasos. .................................................................................................................... 42
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................... 42
6.1. Resultados y análisis de caracterizaciones iniciales ......................................................... 42
6.2. Resultados del diseño ......................................................................................................... 48
6.3. Resultados del monitoreo y seguimiento ....................................................................... 60
6.4. Porcentajes de remoción y variación de parámetros ...................................................... 61
6.5. Comparación del sistema. .............................................................................................. 82
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 85
8. RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 87
9. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 88
ANEXOS ...................................................................................................................................... 94
7
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de flujo de la metodología ........................................................................................ 20
Figura 2. Estanques de cultivo de la finca palestina, los cubiertos por plástico son los que se encuentran
en funcionamiento. ...................................................................................................................................... 21
Figura 3. Peces en el tanque de producción. .............................................................................................. 22
Figura 4. Diagrama de flujo del proceso de producción. ......................................................................... 22
Figura 5. Muestreo del efluente del estanque de producción (Izquierda) y Muestreo al interior del tanque
de producción (Derecha). ............................................................................................................................ 23
Figura 6. Análisis de parámetros in situ utilizando el kit........................................................................... 24
Figura 7. Desarrollo de análisis ex situ. ..................................................................................................... 25
Figura 8. Fase de filtración mecánica. ....................................................................................................... 31
Figura 9. Vista superior del filtro. ............................................................................................................. 32
Figura 10. Vista frontal del filtro. ............................................................................................................. 32
Figura 11. Torre de aireación .................................................................................................................... 34
Figura 12. Zona de siembra ....................................................................................................................... 35
Figura 13. P&ID del sistema. ..................................................................................................................... 39
Figura 14. Sistema de recirculación ........................................................................................................... 40
Figura 15 .................................................................................................................................................... 40
Figura 16. Toma de muestras al interior de la pecera y a la salida del sistema de tratamiento. ................ 41
Figura 17. Cambio de color en el análisis ex situ de dióxido de carbono para el agua al interior del
estanque. ..................................................................................................................................................... 44
Figura 18. Resultado de la medición in situ del pH del agua de los estanques. ......................................... 44
Figura 19. Variación del pH en estanques de peces de acuerdo al nivel de alcalinidad. ........................... 47
Figura 20. Pecera con las carpas Koi. ........................................................................................................ 48
Figura 21. Esquema de la torre de tratamiento. ......................................................................................... 53
Figura 22. Esquema de la torre de aireación. ............................................................................................. 58
8
Figura 22. Esquema zona de siembra ........................................................................................................ 59
Figura 24. Comparación entre el amoniaco presente en la pecera con valores recomendados por la FAO.
.................................................................................................................................................................... 72
Figura 25. Comparación de valores de la DBO presente en la pecera con los recomendados por la FAO.
.................................................................................................................................................................... 73
Figura 26. Comparación entre los nitritos presentes en la pecera con valores recomendados por la FAO 74
Figura 27. Comparación de los valores de sólidos suspendidos totales de la pecera con los recomendados
por la FAO. ................................................................................................................................................. 76
Figura 28. Comparación entre el dióxido de carbono libre presente en la pecera con los valores
recomendados por la FAO. ......................................................................................................................... 77
Figura 29. Comparación entre los nitratos presentes en la pecera y los valores recomendados por la FAO.
.................................................................................................................................................................... 78
Figura 30. Comparación entre la alcalinidad presente en la pecera y la recomendada por la FAO. .......... 80
Figura 31. Comparación entre el pH en la pecera con valores recomendados por la FAO ....................... 81
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Niveles normales y desfavorables de los parámetros fisicoquímicos del agua para tener en cuenta
en los estanques de piscicultura. ................................................................................................................. 18
Tabla 2. Características principales de los filtros percoladores. ................................................................ 29
Tabla 3. Pérdidas del sistema. .................................................................................................................... 36
Tabla 4. Pérdida de energía del sistema con Bernoulli .............................................................................. 38
Tabla 5. Potencia de la bomba ................................................................................................................... 38
Tabla 6. Distribución de los muestreos. ..................................................................................................... 41
Tabla 7. Caracterización del agua de los cultivos de piscicultura de la finca palestina. ............................ 43
Tabla 8. Caracterización del agua de la pecera empleada en el proyecto. ................................................. 45
Tabla 9. Memoria de cálculo del diseño inicial de la fase de filtración biológica. .................................... 49
9
Tabla 10. Memoria de cálculo final correspondiente al diseño de la torre de filtración. ........................... 51
Tabla 11. Verificación del diseño del filtro percolador. ............................................................................ 53
Tabla 12. Memoria de cálculo para el dimensionamiento inicial de las bandejas. .................................... 56
Tabla 13. Memoria de cálculo para dimensionamiento de la torre de aireación ........................................ 56
Tabla 14. Verificación del diseño de la torre de aireación. ........................................................................ 58
Tabla 15. Dimensiones de la unidad de acuaponía. ................................................................................... 59
Tabla 16. Resultados del análisis del agua a la salida del sistema ............................................................. 60
. ................................................................................................................................................................... 60
Tabla 14. Resultados del análisis del agua dentro de la pecera. ................................................................. 60
Tabla 18. Porcentajes de remoción entre el efluente y afluente del sistema de tratamiento ...................... 62
. ................................................................................................................................................................... 62
Tabla 19. Variación de los parámetros antes y después de la puesta en marcha del sistema. .................... 65
Tabla 20. Características físico-químicas de la fuente de abastecimiento de la finca palestina ................ 67
. ................................................................................................................................................................... 67
Tabla 21. Porcentaje de Variación del afluente de la pecera (agua salida del sistema) respecto al afluente
de los cultivos de la finca ............................................................................................................................ 68
Tabla 22. Límites recomendados por la FAO de los parámetros tenidos en cuenta durante el proyecto. .. 70
Tabla 23. Porcentaje de variación de los parámetros al interior de la pecera respecto a los límites
recomendados por la FAO .......................................................................................................................... 71
Tabla 24.Carcterización de agua lluvia. ..................................................................................................... 82
Tabla 25. Comparación con otros sistemas de tratamiento de aguas piscícolas. ....................................... 84
10
GLOSARIO
Piscicultura: La piscicultura es la actividad comercial dedicada al cultivo de peces, y engloba las etapas
de pre-cría, cría y engorde de estos organismos con fines principalmente comerciales y de producción
alimenticia (Merino M., Salazar G., &, Gómez D., 2006).
Aireación mecánica: Es el proceso donde se consigue la ruptura del agua en gotas utilizando la energía
mecánica para aumentar el área de la interfaz aire-agua (Gómez, J., Barrera, G, 2018).
Filtración biológica: Es un proceso biológico de tratamiento de aguas en el cual se lleva a cabo la
eliminación o transformación del ion amonio mediante su oxidación a nitrito y posteriormente a nitrato.
(Yang L., Chou L & Shieh w, 2001).
Nitrificación: Es la etapa del ciclo del nitrógeno que consiste en la oxidación del amonio (NH4+) y
amoniaco (NH3) a nitratos (NO3−), este proceso es llevado a cabo por diferentes grupos de
microorganismos aerobios, como las bacterias amonio-oxidantes, arqueas amonio-oxidantes y bacterias
nitrificantes (Ward, B. B., 2008).
Recambio: Es un término empleado en Colombia en el campo de la piscicultura para referirse al volumen
de agua de los estanques que es cambiada por agua nueva y limpia a diario (Merino M., Salazar G., &,
Gómez D., 2006).
Recirculación de agua: Es una técnica de reutilización de agua en la cual el agua que sale de un sistema
o proceso es reincorporada nuevamente a dicho proceso para su funcionamiento (Bregnballe J., 2015).
Tratamiento del agua: comprende una serie de procedimientos o técnicas llevadas a cabo para mejorar
la calidad del agua, seleccionadas dependiendo de la calidad inicial del agua y los estándares o parámetros
a los que se quiera llegar según el uso que se le vaya a otorgar (Karapanagioti, H. K., 2016, pp. 453-457).
11
RESUMEN
En el presente proyecto se evaluó la eficiencia de un sistema de tratamiento de agua basado en la
filtración biológica para determinar qué tan factible es la recirculación de esta en piscinas de
piscicultura, a partir de la elaboración de un prototipo el cual consistió de una pecera, una torre
de biofiltración, que integra el biofiltro y filtro mecánico, una torre de aireación y una zona de
siembra, ya que el sistema se plantea como acuapónico. El proyecto se llevó a cabo en cuatro
fases: El diagnóstico, en el cual se realizó la caracterización del agua de los cultivos de peces de
la finca Palestina y del efluente de los estanques, definiendo que los parámetro principales a
monitorear eran: pH, alcalinidad, amonio, DBO, nitritos, nitratos, sólidos suspendidos y dióxido
de carbono, en segundo lugar , la fase de diseño y construcción, en donde a partir de los
resultados de la fase anterior se hizo el diseño de cada unidad propuesta y de igual forma se
prosiguió a su construcción, la cual se llevó a cabo en La calera, Cundinamarca, en tercer lugar,
la fase de seguimiento y control, donde se realizó la caracterización del agua de la pecera como
de la salida del sistema en cuatro fechas diferentes y por último la fase de cierre, en la cual se
determinó la eficiencia o no del sistema de tratamiento. En cuanto a los resultados obtenidos se
evidenció que en comparación a los límites recomendados por la FAO de cada parámetro el
único que no estuvo dentro de los rangos fue la alcalinidad, además se mostró que la mayoría de
los parámetros a tratar con las unidades propuestas (Amoniaco, DBO, nitratos y dióxido de
carbono) mostraron una tendencia a disminuir con excepción de los sólidos suspendidos los
cuales mostraron gran inestabilidad. Adicionalmente, se determinaron porcentajes de remoción
del 100 % para amoniaco y DBO, para los sólidos suspendidos el promedio de remoción fue del
58% y para el dióxido de carbono del 35%. Finalmente, el sistema demostró ser eficiente y logró
proporcionar agua con una mayor calidad para el desarrollo de los peces que el agua captada para
abastecer los estanques de cultivo de la finca en cuestión para la mayoría de los parámetros a
excepción de los sólidos suspendidos.
Palabras claves: Sistema de recirculación en acuicultura (RAS), Acuicultura, Biofiltración,
Remoción, Eficiencia.
ABSTRACT
In this project, the efficiency of a water treatment system based on biological filtration was
evaluated to determine how feasible it is to recirculate water in fish farming pools, from the
elaboration of a prototype which consisted of a fish tank, a biofiltration tower, which integrates
the biofilter and mechanical filter, an aeration tower and a planting area, since the system is
considered aquaponic.
12
The project was carried out in four phases: The diagnosis, in which the characterization of the
water of the fish cultures of the Palestina farm and the effluent of the ponds was carried out,
defining that the main parameters to be monitored were: pH, alkalinity , ammonium, BOD,
nitrites, nitrates, suspended solids and carbon dioxide, secondly, the design and construction
phase, in which the design of each proposed unit was made with the previous results and in the
same way Its construction was continued, which was carried out in La calera, Cundinamarca, in
third place, the monitoring and control phase, where the characterization of the water from the
fish tank was carried out as for the outlet of the system on four different dates and finally the
closing phase, in which the efficiency of the treatment system was determined.
Regarding the results obtained, it was evidenced that compared to the limits recommended by the
FAO of each parameter, the only one that was not within the ranges was alkalinity, and it was
also shown that most of the parameters to be treated with the proposed units ( Ammonia, BOD,
nitrates and carbon dioxide) showed a tendency to decrease with the exception of suspended
solids which showed great instability. Additionally, removal percentages of 100% were
determined for ammonia and BOD, for suspended solids the removal average was 58% and for
carbon dioxide 35%. Finally, the system proved to be efficient and managed to provide water
with a higher quality for the development of the fish than the water collected to supply the
culture ponds of the farm in question for most of the parameters with the exception of suspended
solids.
Key words: Recirculation aquaculture system (RAS), Aquaculture, Biofiltration,
Removal, Efficiency
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El consumo de agua en los procesos de piscicultura puede llegar a ser muy alto, debido a los
cambios diarios del agua de los estanques o piscinas de peces pues, dependiendo de la especie, el
tipo del cultivo y las etapas que manejan, diariamente se puede llegar a cambiar hasta más del
50% del agua de los estanques por agua limpia (Merino M., Salazar G., &, Gómez D., 2006),
dentro de la etapa de alevinaje el consumo es alrededor de 576 m3/d, en la etapa juvenil 640 m3/d
y finalmente la etapa de engorde maneja un consumo aproximado de 2376 m3/d. (Tobón O.,
2016)
Debido a esto es necesario pensar en estrategias que optimicen estos procesos y permitan
disminuir el consumo diario de agua en estas actividades; una de estas estrategias son los
sistemas de recirculación de agua en acuicultura (RAS), los cuales están basados en el
tratamiento del agua de salida de los estanques para poder reutilizarla y permitir la
reincorporación de estas nuevamente en los procesos de producción y por ende la disminución
del consumo diario de agua limpia(Masser, M., Rakocy, J., & Losordo, T. M., 1999).
13
A pesar de esto, en algunos casos esta estrategia no parece factible para los piscicultores por
diversos factores, como diseños deficientes que no cumplen con el objetivo de que las
características del agua tratada sean propicias para permitir el desarrollo saludable de los peces,
otro factor son los altos costos para su implementación o el alto consumo de energía para
mantener en funcionamiento el sistema, o simplemente el miedo a lo desconocido ya que se
requiere del uso de tecnologías que pueden no ser parte del área conocimiento y experiencia de
los piscicultores (Feucht, Y., & Zander, K., 2015).
Debido a lo anterior en este proyecto se realizará una evaluación de la eficiencia de un sistema
de tratamiento basado principalmente en el proceso de filtración biológica, ya que este ha
probado ser efectivo en el tratamiento de aguas de procesos de piscicultura en varios estudios,
como el realizado por Yang L., Chou L. & Shieh W. en 2001, en el cual solo se empleó el uso
de tres biofiltros con medios diferentes cada uno para el tratamiento del agua; otro estudio es el
desarrollado por Liu, W., Du, X., Tan, H., et al., en el 2020, donde se empleó el uso de solo dos
biofiltros como tratamiento, ambos estudios dieron resultados que demostraron la efectividad de
la biofiltración al eliminar o transformar los compuestos más tóxicos para los peces como lo que
son el nitrógeno amoniacal total y nitritos, además controlar la alcalinidad.
A pesar de esto es necesario complementar los biofiltros con otros procesos ya que estos no
remueven otros factores importantes para el desarrollo de los peces como los sólidos suspendidos
y el dióxido de carbono, por lo tanto en el presente proyecto se plantea un sistema de filtración
biológica complementado con otros procesos como la aireación y filtración mecánica, con el fin
de determinar qué tan factible o no es su aplicación en los sistemas de recirculación de agua.
2. JUSTIFICACIÓN
El proceso productivo de piscicultura requiere una demanda de agua muy alta debido a la
continua recirculación de agua en los estanques, llegando en algunos casos a un recambio diario
de agua de hasta el 50%, tan solo en el 2018, según el estudio nacional del agua, la demanda
hídrica del sector piscícola se estimó en 3.023,2 millones de metros cúbicos representando el
8,1% de la demanda total de agua en Colombia, superando a los sectores doméstico e industrial y
ubicado como el cuarto sector con mayor demanda hídrica de los diez sectores totales (Instituto
de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM., 2019, p. 182).
Debido a lo anterior es necesario pensar en estrategias que puedan implementarse para optimizar
estos procesos productivos y disminuir el consumo o demanda de agua diaria, una de estas
estrategias es la implementación de sistemas de recirculación de agua, que a pesar de ser
recomendada por varios expertos en el área de la piscicultura, en algunos caso su
implementación no es satisfactoria debido a diseños deficientes, costos elevados, o manejo
inadecuado (Masser M., Rakocy J., & Losordo T., 1992), problemáticas que podrían verse
solucionadas al estudiar esta estrategia no solo desde el enfoque de la piscicultura sino también
14
integrando una perspectiva desde la ingeniería ambiental y sanitaria; en consecuencia el
propósito del presente proyecto es evaluar y determinar la eficiencia de un sistema de tratamiento
de aguas a escala piloto, para su aplicación en sistemas de recirculación de aguas de piscicultura.
El proceso de tratamiento estará basado en los sistemas implementados convencionalmente para
las aguas de piscicultura, los cuales usan como proceso principal la filtración biológica debido a
la carga orgánica contaminante de este tipo de aguas. De acuerdo a la Organización de las
Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO por sus siglas en inglés) las
unidades o procesos específicamente empleadas y recomendadas en el siguiente orden son
filtración mecánica, filtración biológica y oxigenación o aireación del agua, este grupo de
procesos según varios estudios ha demostrado cumplir con los parámetros requeridos para
propiciar el desarrollo de los peces, a pesar de esto no se han presentado verdaderamente cuales
son los porcentajes de eficiencia o remoción logrados por la implementación de estas unidades,
por ende se evidencia la necesidad de establecer cuáles son estos porcentajes siendo esto uno de
los propósitos del presente trabajo.
Para este proyecto el sistema de tratamiento será adaptado para fines de funcionalidad y
disminución de costos, y consistirá en el diseño y construcción de este a escala piloto. En cuanto
a sus unidades, se contará en primer lugar con una torre compuesta por un filtro biológico y un
filtro mecánico de arena, esta unidad se encuentra basada en un estudio realizado por (Gallego, I
& García D., 2017), y decidió adaptarse a este proyecto debido a la ventaja que presenta al
disminuir el área necesaria.
En segundo lugar se empleará una torre de aireación en vez de aireación con difusores, siendo
este último el método utilizado convencionalmente, esta sustitución se realiza con el fin de
disminuir los costos energéticos en el tratamiento, el propósito de esta torre es eliminar el
dióxido de carbono esta no reemplaza la aireación constante que debe mantenerse en las piscinas
de cultivo. Finalmente, el sistema concluirá con una unidad hidropónica con el objetivo de
complementar el proceso de biofiltración, al transformar en nitratos con ayuda de las plantas los
nitritos que puedan quedar resultantes del proceso anterior y utilizarlos como nutrientes
previniendo una acumulación de estos compuestos en el agua.
Finalmente, el proyecto se llevará a cabo a partir de la simulación de una piscina de cultivo a
pequeña escala, para la cual se tendrá como referencia las condiciones de las piscinas de cultivo
de tilapia (mojarra) en la finca Palestina en el municipio de Melgar- Tolima, teniendo en cuenta
que las características de las aguas de piscicultura son muy similares.
15
3. OBJETIVOS
Objetivo General
Evaluar la eficiencia de un sistema de tratamiento de agua basado en la filtración biológica
para determinar qué tan factible es la recirculación de esta en piscinas de piscicultura.
Objetivos Específicos
● Determinar las características fisicoquímicas del agua proveniente de los procesos de la
piscicultura, con el fin de tener bases para el diseño del sistema.
● Diseñar la ingeniería básica correspondiente al sistema de tratamiento de agua a escala de
prototipo, de acuerdo con la caracterización inicial.
● Determinar la eficiencia del sistema de tratamiento a partir de la comparación de las
características fisicoquímicas entre el agua de entrada a las piscinas de cultivo y el agua
de salida del sistema.
4. MARCO DE REFERENCIA
4.1. Marco Teórico
La acuicultura
La acuicultura es la actividad que comprende el cultivo, cría y engorde de organismos acuáticos,
los cuales pueden ser vegetales como algas o animales como peces y mariscos, teniendo como
objetivo principal la producción alimentaria; la piscicultura es la rama de la acuicultura dedicada
específicamente al cultivo de especies de peces y es la que representa el mayor volumen de
producción dentro de las actividades acuícolas (Merino M., Salazar G., &, Gómez D., 2006).
Según las técnicas de cultivo aplicadas y la densidad de peces, la piscicultura se puede clasificar
en: extensiva, semi-intensiva, intensiva y superintensiva. La extensiva es la técnica de cultivo
que por sus bajas densidades de aproximadamente un pez por cada 5-10 m2 emplea una gran
extensión de área, adicionalmente es en la que menos control del proceso se tiene, ya que es muy
similar al ambiente de desarrollo natural de los peces, incluso puede llevarse a cabo en cuerpos
de agua ya existentes, es la técnica que tiene un menor impacto en el recurso hídrico, debido a
16
que el recambio de agua (volumen de agua de los estanques sustituida por agua limpia) diario es
poco o nulo (Merino M., Salazar G., &, Gómez D., 2006).
Las otras técnicas de cultivo generan un mayor impacto en el recurso, debido a que el consumo
del agua va aumentando de acuerdo con la intensidad del cultivo, proporcionalmente a una
mayor cantidad de peces por área el recambio diario de agua necesario es mayor. Los cultivos
semi-intensivos requieren de un mayor control del proceso como la suministración de alimento
para los peces y la elaboración de estanques artificiales, presenta una mayor densidad entre 2 - 4
peces por m2 y el recambio de agua aumenta estando en un rango alrededor del 5 -15% diario. La
técnica intensiva maneja una mayor densidad entre 5 a 20 peces por m2, y el control del proceso
es más específico involucrando sistemas de aireación en los estanques, en consecuencia, el
recambio de agua aumenta a mínimo el 30% diario. Por último, la técnica superintensiva al
manejar altas densidades de peces y requerir un recambio de agua demasiado alto que exigiría un
excesivo consumo de agua, por lo general se maneja en jaulas flotantes en las cuales se confinan
a los peces en cursos de agua naturales (Merino M., Salazar G., &, Gómez D., 2006).
Sistemas de tratamiento y recirculación de agua
Como se puede evidenciar la piscicultura, principalmente la de tipo intensiva es una actividad
que demanda un consumo de agua considerable debido a los recambios diarios de esta, por lo
tanto se ha visto la necesidad de aplicar estrategias que hagan de esta actividad más sostenible
ambientalmente, una de estas son los sistemas de recirculación aplicados a la acuicultura, RAS
por sus siglas en inglés (Recirculating aquaculture systems), la cual según una guía elaborada por
la FAO es una técnica para cultivar peces basada en la reutilización del agua, que consiste en el
tratamiento del agua que sale de los estanques con las unidades necesarias para cumplir con las
características propicias para el desarrollo de los peces y la reincorporación de esta nuevamente
en los estanques, disminuyendo así el consumo de agua nueva necesaria para mantener el
volumen de los estanques (Bregnballe J., 2015, p. 9).
El vertimiento de aguas residuales industriales está regido por la Resolución 0631 del 2015 en la
que se estipulan los parámetros y valores máximos permisibles para el vertimiento de estas,
dependiendo de la actividad por la cual son generadas. Sin embargo, la contaminación de los
cuerpos de agua por el vertimiento sin un previo tratamiento es una de las problemáticas que se
evidencian en la actualidad (Atencia, C., 2007).
Teniendo en cuenta lo anterior, el adecuado tratamiento de aguas residuales industriales y su
posterior reutilización para múltiples usos contribuye a un consumo sostenible del agua y a la
regeneración ambiental del dominio público hidráulico, (Loaysa J., 2009, p. 6). A partir de esto,
se hace evidente la necesidad de sistemas de tratamiento, los cuales para aguas residuales
industriales se caracterizan por un pretratamiento, tratamiento físico-químico, tratamiento
17
biológico y finalmente un tratamiento terciario; este sistema aunque es una generalidad, se
adapta a las necesidades y parámetros a remover.
Por lo general, debido a la carga orgánica el tratamiento de estas aguas se enfoca en la
remoción de materia orgánica, por lo tanto las unidades principalmente usadas y recomendadas
en el siguiente orden por la FAO son filtros mecánicos o de arena para la remoción de sólidos,
filtros biológicos (biofiltros) para la degradación de materia orgánica y promover procesos de
nitrificación, y la aireación del agua para la desgasificación y oxigenación del agua (Bregnballe
J., 2015).
La filtración mecánica del agua es el proceso que consiste en la remoción de los sólidos
suspendidos mediante el uso de un medio poroso, ya sea una membrana o medios granulares
como la arena, con varios fines como disminuir las impurezas, la turbiedad y/o eliminar
interferencias del agua que puedan interrumpir los procesos de desinfección al proveer
protección a los microorganismos, incluso puede lograrse remoción de microorganismos
mediante filtración (Romero J., 1999, pp. 193-195), en este caso la filtración es empleada para
remover la mayor cantidad posible de sólidos provenientes del excremento de los peces y el
alimento no consumido.
Otro tipo de filtración es la filtración biológica, esta técnica es de gran importancia y es muy
usada en este tipo de sistemas de recirculación debido a que, como se mencionó anteriormente la
mayor parte de la carga contaminante de estas aguas es materia orgánica la cual necesita ser
degradada mediante este tipo de procesos, además los procesos biológicos de digestión de los
peces producen amoniaco como residuo, un compuesto tóxico para estos hasta en
concentraciones bajas como 0.25 mg/l, por lo tanto se hace indispensable la implementación de
estas unidades para la transformación del amoniaco en nitratos mediante los procesos de
nitrificación llevados a cabo en este tipo de filtros (Bregnballe J., 2015, pp. 13-14).
En cuanto al medio filtrante de estas unidades se recomienda usar materiales con mucha
superficie específica y además sean inertes para no interferir con el crecimiento de los
microorganismos, como lo son medios plásticos como los pall rings o biobolas. Un material con
propiedades parecidas es la piedra pómez, pumita o pumicita, un material de origen volcánico,
extremadamente poroso y por ende de bajas densidades entre 0,4 y 0,8 g/cm3, además no tiene
capacidad de afectar el pH del agua debido a su estabilidad y a que es totalmente inerte, incluso
se mantiene estable en condiciones de pH 2.5 (Bar-Tal, A., Saha, U. K., Raviv, M., & Tuller, M.,
2019), este material ha sido empleado en algunos casos para filtrar aguas aunque no se
encuentran investigaciones académicas serias.
Otro compuesto generado como residuo en el proceso de respiración de los peces y que es tóxico
para estos es el dióxido de carbono (CO2), este además es generado en los procesos biológicos de
los biofiltros, por lo tanto, es necesario removerlo posterior a la biofiltración mediante procesos
como la aireación por el cual se remueve mediante la desgasificación o adsorción con carbón
activado (Bregnballe J., 2015, pp. 20-21).
18
Parámetros de calidad del agua
Para seleccionar el tratamiento adecuado que permita la recirculación del agua no solo es
necesario saber cuáles son las unidades mayormente recomendadas o usadas, adicionalmente es
muy importante tener en cuenta los parámetros y la calidad el agua necesaria en los estanques
para permitir la vida, crecimiento y desarrollo de los peces, por lo tanto a continuación se
presenta una lista de los parámetros más importantes a tener en cuenta en estos sistemas y rangos
y valores propicios para la vida de estos animales, elaborada por Bregnballe en colaboración con
la FAO (2015).
Tabla 1. Niveles normales y desfavorables de los parámetros fisicoquímicos del agua para tener
en cuenta en los estanques de piscicultura.
Fuente: Bregnballe J., 2015, p. 56.
De acuerdo con la tabla 1 se puede deducir que los parámetros más importantes a tener en cuenta
son el dióxido de carbono, el amoniaco (nitrógeno amoniacal), nitritos, pH, alcalinidad, DBO y
sólidos suspendidos, por ende estos serán los monitoreados en el desarrollo del proyecto, los
parámetros como el oxígeno disuelto y la temperatura que son muy importantes en el desarrollo
de los peces no serán tenidos en cuenta ya que estos son controlados directamente en los
estanques.
19
Finalmente es importante tener en cuenta que para que un sistema de recirculación sea realmente
eficiente el agua a la salida del tratamiento debe tener la misma o mejor calidad que el agua que
entra a los estanques de peces, y así pueda ser considerado por los piscicultores como una
estrategia viable.
4.2.Marco Legal
Se debe tener en cuenta que la normatividad colombiana que rige la actividad de piscicultura en
el país en cuanto a temas de tratamiento de agua y calidad de ésta es escasa y por ende se hace
necesario el uso de documentos expedidos por organizaciones como lo es la FAO.
Nombre Objeto Aplicación
Ley 13 de 1990 Por la cual se dicta el estatuto general de
pesca
Esta ley da la creación del
Instituto Nacional de Pesca y
Acuicultura (INPA), el cual se
encarga de estimular, regular,
supervisar y controlar las
actividades de acuicultura
Resolución 631
de 2015
Por la cual se establecen los parámetros y los
valores límites máximos permisibles en los
vertimientos puntuales a cuerpos de aguas
superficiales y a los sistemas de
alcantarillado público y se dictan otras
disposiciones”.
Niveles máximos permisibles
que deben cumplir las aguas
vertidas de la actividad de
piscicultura.
Decreto 1047
de 2015
El Ministerio de Ambiente y Desarrollo
Sostenible es el rector de la gestión del
ambiente y de los recursos naturales
renovables, encargado de orientar y regular el
ordenamiento ambiental del territorio y de
definir las políticas y regulaciones a las que
se sujetarán la recuperación, conservación,
protección, ordenamiento, manejo, uso y
aprovechamiento sostenible de los recursos
naturales renovables y del ambiente de la
Nación, a fin de asegurar el desarrollo
sostenible, sin perjuicio de las funciones
asignadas a otros sectores.
Debido a que el sitio de estudio
realiza sus actividades a partir
de la captación de aguas de una
fuente superficial se hace
necesario que se tenga
concesión para dicha
captación.
A guide to
recirculation
Presentar los lineamientos para la
implementación de estos sistemas en la
Esta guía elaborada por la FAO
ayuda principalmente en la
20
Nombre Objeto Aplicación
Aquaculture
(FAO)
piscicultura como lo son, los parámetros del
agua para tener en cuenta que pueden afectar
el desarrollo de los peces, las unidades que
pueden ser implementadas para el tratamiento
del agua y los parámetros para tener en
cuenta para que estas unidades funcionen
correctamente.
definición de la metodología,
para escoger los parámetros a
ser monitoreados y los valores
óptimos de estos; y además
brinda una idea de cuáles son
las posibles unidades que
diseñar.
Resolución
1207 de 2014
La presente resolución tiene por objeto
establecer las disposiciones relacionadas con
el uso del agua residual tratada y no aplica
para su empleo como fertilizante o
acondicionador de suelos.
Da una contextualización de la
legislación actual en Colombia
en cuanto a la utilización de
aguas residuales, aunque no se
encuentra considerado el
campo de la piscicultura.
5. METODOLOGÍA
El desarrollo del proyecto consistió de tres fases principales y el cierre, las cuales se explicaran
de forma detallada a continuación.
Figura 1. Diagrama de flujo de la metodología.
21
5.1. Diagnóstico.
La fase diagnóstico consistió en entender de forma un poco más profunda y no solo teórica los
mecanismos de los procesos de producción piscícola, el uso del agua en estas actividades y las
características de los efluentes generados, con el propósito de contar con la información base
necesaria para el desarrollo de las próximas fases, principalmente el diseño ya que para este es
muy importante tener en cuenta los parámetros de los efluentes de estos procesos. Para esto se
llevaron a cabo tres pasos principales siguientes:
5.1.1. Contextualización del proceso de producción:
La contextualización del proceso de producción se realizó basándose en los procesos
llevados a cabo en la finca piscícola “Palestina” ubicada en el municipio de Melgar del
departamento de Tolima, en la cual se cultivan Tilapias (mojarras) de forma intensiva con una
densidad de 22 peces por cada metro cúbico de agua y un recambio diario de agua del 20%.
Figura 2. Estanques de cultivo de la finca palestina, los cubiertos por plástico son los que se
encuentran en funcionamiento.
Fuente: Autores
En esta finca se cuenta con dos estanques en funcionamiento, uno de cuarentena en el cual se
realiza la siembra y acondicionamiento de los alevinos (crías de peces), en este estanque se
adicionan sales a una baja concentración para evitar infecciones en los alevinos jóvenes y
disminuir la mortalidad, por lo tanto los efluentes contienen una concentración de sales de
aproximadamente 2 mg/L según los criadores, a pesar de esto la carga contaminante del efluente
del tanque de cuarentena es menor ya que entre más joven y pequeño sea el pez menor será el
excremento producido; por otro lado el segundo estanque corresponde al de producción, en el
cual se pasan los peces después de que han terminado su etapa de crianza y están listos para
iniciar la etapa de engorde.
22
Figura 3. Peces en el tanque de producción.
Fuente: Autores
En cuanto al destino del agua efluente de los recambios diarios los productores realizan dos tipos
de vertimientos, una parte del efluente es conducida a unos cultivos de banano y usada como
riego y abono, y la otra parte es vertida a un curso de agua sin ningún tipo de tratamiento. A
continuación se presenta un diagrama de flujo que resume la información anterior, donde Que es
caudal de entrada, Qs es el caudal de salida que corresponde al recambio diario, y Qv es el caudal
vertido.
Figura 4. Diagrama de flujo del proceso de producción.
Fuente: Autores
23
5.1.2. Toma de muestras de agua al interior y a la salida de los estanques de cultivo:
El muestreo se realizó de forma puntual, es decir un muestreo simple en un solo momento sin
intervalos de tiempo, para el muestreo del interior del estanque se tomaron dos litros de
muestra a nivel superficial y dos litros de muestra al fondo del estanque estos se mezclaron y
se extrajo un litro de muestra definitiva. Para el muestreo del efluente se tomó tres litros de
muestra se mezclaron y se extrajo un litro de muestra definitivo.
Figura 5. Muestreo del efluente del estanque de producción (Izquierda) y Muestreo al interior
del tanque de producción (Derecha).
Fuente: Autores
Las muestras fueron rotuladas y almacenadas en una nevera de icopor con hielo para mantenerlas
refrigeradas durante el camino a Bogotá, lugar donde se almacenaron en una nevera eléctrica
manteniendo así la cadena de frío durante 24 horas antes de que fueran analizadas en el
laboratorio.
5.1.3. Análisis físico-químicos de las muestras tomadas:
De acuerdo a la revisión bibliográfica realizada y como se mencionó anteriormente, los
parámetros físico químicos objeto de análisis debido a su importancia e influencia en el
desarrollo de los peces son: amoniaco (NH3), nitritos (NO2−), pH, dióxido de carbono (CO2),
alcalinidad, sólidos suspendidos y demanda biológica de oxígeno (DBO), adicionalmente se
24
midieron los nitratos (NO3-) debido a que es un indicador del funcionamiento del proceso de
filtración biológica aplicado en el tratamiento.
Los parámetros de pH, amoniaco, nitritos y nitratos fueron analizados in situ mediante una
técnica colorimétrica, utilizando el kit de análisis API de agua diseñado para monitorear la
calidad del agua de acuarios y estanques de peces.
Figura 6. Análisis de parámetros in situ utilizando el kit.
Fuente: Autores
En cuanto a los parámetros ex situ, a continuación se explican las técnicas empleadas.
a. Alcalinidad: se empleó la técnica de titulación con ácido sulfúrico 0,02 N utilizando como
indicador naranja de metilo, en este caso no se mide la alcalinidad de fenolftaleína ya que el
pH de la muestra es menor a 8,2 por lo tanto esta es nula, esta técnica consiste de los
siguientes pasos.
2. Agregar tres gotas de naranja de metilo a 50 mL de muestra.
3. Titular con ácido sulfúrico a 0,02 N hasta que cambie la coloración de amarillo a naranja
y tomar nota del volumen en mL empleado.
4. Calcular la alcalinidad total de la siguiente forma:
𝐴𝑙𝑐𝑎𝑙𝑜𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑚𝑔
𝐿 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝐶𝑂3 = 𝑣 ∗ 20 (1)
Donde V corresponde al volumen de titulante empleado en mL.
b. Dióxido de carbono: se empleó la técnica de titulación con hidróxido de sodio 0,02 N
utilizando como indicador fenolftaleína, basada en el Manual práctico de análisis de agua de
la Fundación Nacional de Salud de Brasil, la cual consiste de los siguientes pasos.
1. Agregar 10 gotas de fenolftaleína a 100 mL de muestra sin agitar, si colorea no hay
presencia de dióxido de carbono si no lo hace continuar con el procedimiento.
25
2. Titular con hidróxido de sodio 0,02 N hasta que presente una coloración rosada que
permanezca por lo menos por 30 segundos y tomar nota del volumen en mL empleado.
3. Calcular el dióxido de carbono libre con la siguiente fórmula:
𝑚𝑔
𝐿𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 = 𝑣 ∗ 10 ∗ 𝐹𝑐 (2)
Donde V es el volumen del titulante en mL y Fc es el factor de corrección de la solución
del titulante el cual es un valor cercano a 1.
4. Calcular el dióxido de carbono total con la siguiente fórmula:
𝑚𝑔
𝐿𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴 + 0,44(2𝐵 + 𝐶) (3)
donde A son los mg/L CO2 libre, B es la Alcalinidad debido a bicarbonato, que en este caso es
la misma alcalinidad total debido a que la alcalinidad por fenolftaleína es nula, por lo tanto C que
es la Alcalinidad debido al carbonato es cero.
Figura 7. Desarrollo de análisis ex situ.
Fuente: Autores.
c. Sólidos suspendidos totales: para este parámetro se empleó la técnica de filtración al vacío y
secado a 105°C, que consiste en lo siguiente.
1. Preparar el equipo de filtración al vacío.
2. Colocar un disco de papel filtro en una cápsula y pesar, registrar el peso inicial.
3. Coloque el disco de papel filtro pesado en el equipo de filtración y enciéndalo.
4. Agitar la muestra dando vueltas para mezclar los sólidos, medir en probeta un volumen
de la muestra agitada y registrar este valor, en este caso fueron 200 mL.
5. Depositar la muestra en el equipo de filtración y dejar filtrar durante un minuto.
26
6. Retirar el disco, depositarlo en la cápsula y llevarlo al horno de 105°C durante una hora.
7. Retire la cápsula del horno y lleve a un desecador durante 15 minutos.
8. Pesar la cápsula con el disco y registrar el valor(, para calcular los sólidos suspendido de
la siguiente forma:
𝑆𝑆𝑇 =𝐵−𝐴
𝑉 (4)
Donde B es el peso final de la cápsula y el disco en g, A es el peso inicial del conjunto
antes de la filtración en g y V es el volumen de muestra empleado en L.
d. DBO: este parámetro no pudo ser medido de manera experimental debido a varios
inconvenientes, en primer lugar los equipos necesarios para la medición se encontraban en
mantenimiento en noviembre de 2020 y no habrían espacios de laboratorios disponibles en la
universidad hasta el 2021, a pesar de que se encontraba reservado el espacio y práctica para
esas fechas según el cronograma, debido a esto se decidió hacer la medición por un tercero,
pero este proporcionó resultados demasiado bajos menores a 2mg/L, concentraciones de DBO
que prácticamente darían a entender que no es ni siquiera necesario un filtro biológico, por lo
tanto se decidió tomar una DBO de 74.28 mg/L para el diseño del filtro biológico, basada en
un informe realizado por García J. (2014), en el cual se midió la DBO de 6 estanques de peces
durante cinco semanas y se evidencio que esta varía en un rango de 50 a 100 mg/L,
escogiendo el valor promedio para el diseño del filtro biológico.
Con este valor se corre el riesgo de sobredimensionar el filtro biológico, no solo porque el
análisis certificado dio concentraciones muy bajas, sino también que en otros estudios se
reportaban concentraciones de DBO mucho más bajas, pero debido a que este fue el estudio
más completo encontrado en cuanto a monitoreo de los parámetros de estanques de
piscicultura fue finalmente el valor escogido para tener bases de diseño, además correr el
riesgo de subdimensionar la unidad puede ser incluso más problemático.
5.2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN.
En esta fase teniendo en cuenta los resultados del diagnóstico y la metodología ya planteada en el
anteproyecto se procedió a realizar el diseño y construcción del sistema, para poder dar paso a
su puesta en marcha y funcionamiento.
27
5.2.1. Preparación de la pecera e impactación del agua.
Debido a lo complicado que resulta imitar los procesos naturales y continuos de los peces para
impactar y crear artificialmente agua con las mismas características del agua de los estanques,
se procedió a preparar una pecera en la cual se replicó la densidad de peces del cultivo de
peces de la finca Palestina, que como ya se mencionó es de 22 peces/m3.
La pecera empleada tiene unas dimensiones de 25 cm de ancho, 50 cm de largo y 35.5 cm de
alto, lo cual nos da un volumen de 0.04375 m3 , con este valor y la densidad de peces se
calculó cuantos peces se necesitan en la pecera, dando una cantidad exacta de 0,9 peces o 1
pez, además de esto es necesario tener en cuenta el tamaño de los peces, ya que un pez de 10
gramos no producirá los mismos desechos que uno de 50, por lo tanto es importante tener en
cuenta que los peces de la finca palestina tenían un peso aproximado de 100 gramos al
momento del muestreo.
En cuanto al tipo de peces empleados se utilizaron carpas Koi, ya que a pesar de que su uso en
Colombia es de tipo ornamental, son la mejor opción debido a que soportan un amplio rango
de temperaturas por lo cual se adaptan a aguas frías, muy importante debido a que el proyecto
se desarrolló en la calera y las temperaturas pueden llegar a ser muy bajas en la noche; son
peces pacíficos por lo tanto no se corre riesgo de pérdida de peces por riñas o peleas, además
son peces que soportan una gran variedad de condiciones ambientales, como bajos niveles de
oxígeno o variaciones de pH, lo que disminuye la probabilidad de pérdida de individuos
durante el desarrollo del proyecto (Invasive Species Specialist Group-ISSG, 2010).
Finalmente, para preparar la pecera se empleó agua lluvia y no agua procedente del
acueducto, debido a que esta puede contener cloro residual que puede afectar a los peces e
incluso causarles la muerte, el agua se cambió todos los días con un recambio del 50% para
replicar los recambios diarios de los cultivos durante el tiempo en el que aún no se ponía en
marcha el sistema.
5.2.2. Torre de tratamiento (Filtro biológico y filtro mecánico)
Para diseñar esta unidad en primer lugar fue necesario escoger el tipo de filtro en el cual va a
estar basada la primera fase correspondiente a el proceso de filtración biológica, para esto se
tuvo en cuenta principalmente que sea efectivo en el proceso de nitrificación, por lo tanto, el
filtro escogido tiene que ser totalmente aerobio ya que el proceso de nitrificación necesita
oxígeno y es llevado a cabo por bacterias aerobias como lo son las nitrosomonas y las
nitrobacter (Eding E., Kamstra A., Verreth J., Huisman A, Klapwijk A., 2006), para entender
con mayor claridad como es usado el oxígeno en este proceso las reacciones involucradas son
las siguientes.
28
Fuente: Eding E., Kamstra A., Verreth J., Huisman A, Klapwijk A., (2006)
Teniendo en cuenta lo anterior finalmente el filtro seleccionado fue un filtro percolador de
tasa baja, no solo porque son los filtros más empleados y recomendados para estos sistemas
de recirculación sino por las razones que es recomendado, estos filtros si son de tasa baja
pueden dar procesos de nitrificación completa no solo porque son aerobios, sino también
porque pueden manejar bajas cargas orgánicas (desde 0,08 kg DBO/m3d según Romero
(1999), a diferencia de otros reactores aerobios como lo es el reactor de lodos activados que
manejan cargas más altas (desde 0,3 kg DBO/m3d convencionalmente según Romero (1999)),
esto es importante ya que los microorganismos involucrados en la degradación de la materia
orgánica crecen y se reproducen de forma más rápida que las bacterias nitrificantes, por lo
tanto si estos se encuentran en un ambiente que los favorezca rico en materia orgánica,
eventualmente estos dominaran la población microbiana y competirán con las bacterias
nitrificantes no permitiendo el desarrollo de estas, disminuyendo así la eficiencia de remoción
de amoniaco, por lo tanto si el enfoque de un filtro biológico es remover amoniaco lo
aconsejable es manejar cargas orgánicas bajas (Eding E., Kamstra A., Verreth J., Huisman A,
Klapwijk A., 2006) (United States Environmental Protection Agency-EPA, 2000).
Con el tipo de filtro ya seleccionado se procedió a diseñar la torre de tratamiento esto se llevó
a cabo en dos pasos, el primero consistió en diseñar el filtro biológico de tipo percolador
siguiendo las fórmulas teóricas encontradas en el libro de tratamiento de aguas residuales de
Romero (1999), y con las dimensiones obtenidas en esta metodología se escogió un
contenedor comercial que más se adaptaba a estas dimensiones, para esto se empleó un tanque
comercial de 90 cm de alto y 60 cm de diámetro, el segundo paso consistió en verificar los
parámetros y adaptar el diseño a las medidas del contenedor adquirido ya que él las medidas
con la metodología del primer paso eran más grandes e incluso un poco más de lo esperado, lo
cual tiene sentido ya que los filtros percoladores debido a la necesidad de tener espacios
huecos suficientes que permitan el paso del aire tienden a ocupar una mayor área que otro tipo
de filtros o reactores biológicos (Jaap van Rijn, Yossi Tal, Harold J. Schreier, 2006)
Para la primera metodología el primer paso es tener definido el caudal, la concentración de
DBO del afluente, la eficiencia del sistema, en este caso se tomó una eficiencia del 80% según
Romero (1999), y la temperatura de diseño, para esto se midió con termómetro la temperatura
del agua en el sitio en el cual se localizará el prototipo. El siguiente paso es calcular la
constante de tratabilidad la cual depende de la temperatura, de acuerdo a la siguiente fórmula:
29
KT = 0,1 × (1,08(T−20)) Según Romero J., 2010. (5)
Dónde: KT es la constante de tratabilidad y T la temperatura en Celsius.
Con esta constante y con el área superficial específica del medio filtrante se calculó el volumen
del mismo siguiendo el modelo de Bruce y Merkens:
V = Qd∗Ln(
Sa
Se)
KT∗S (6)
Dónde: V es el volumen del medio en m3, Qd es el caudal de diseño m3/d, Sa es la concentración
de DBO del afluente en mg/L, Se es la concentración de DBO del efluente en mg/L, y S el área
superficial específica del medio m2/m3.
Posteriormente con este volumen, la concentración del afluente y el caudal se calculó la carga
orgánica de la siguiente forma:
CO =Sa∗Qd
V (7)
Este valor es muy importante ya que dependiendo de esta carga se escoge el valor de la carga
hidráulica de acuerdo a los rangos proporcionados por Romero (1999) los cuales se pueden
encontrar en la tabla 2. Por último, con la carga hidráulica se procedió a calcular el área y todas
las dimensiones. En la sección de resultados se presenta de forma consolidada los resultados de
este primer paso del diseño
Tabla 2. Características principales de los filtros percoladores.
Características Tasa baja
o estándar
Tasa
intermedia
Tasa alta Torres
biológicas
Desbaste
Carga hidráulica
m3/m2.d
1 -4 4 - 9 9 -37 14 - 240 57 - 171
Carga orgánica
kg DBO/m3.d 0,08 - 0,32 0,24 -0,48 0,32 - 1,8 ≤4,8 > 2
30
Características Tasa baja
o estándar
Tasa
intermedia
Tasa alta Torres
biológicas
Desbaste
Profundidad, m 1,5 - 3,0 1,0 - 2,5 0,9 - 2,5 ≤12 0,9 - 6
Medio Piedra,
escoria
Piedra,
escoria
Piedra,
escoria,
sintético
Sintético Piedra o
sintético
% de remoción de
DBO 80 - 85 50 - 70 40 - 80 65 - 85 40 – 85
Dosificación Intervalos Continua Continua Continua Continua
Nitrificación Total Parcial Nula Baja Nula
Fuente: Romero J, 1999.
La segunda metodología de diseño, con la cual se realizó la construcción del sistema, consistió
en empezar desde las dimensiones y con estas calcular los demás parámetros, para esto se basó
en un tanque comercial con unas dimensiones de 60 cm de diámetro y 90 cm de altura, el cual se
dividió de la siguiente manera los primeros 50 cm superiores corresponden a la fase de filtración
biológica y los 40 cm restantes corresponden a la fase de filtración mecánica, es importante
entender que el flujo es de manera descendente por lo tanto el afluente pasará primero por la fase
biológica y posteriormente por la fase mecánica.
La distribución de la fase biológica se realizó de la siguiente manera: de los 50 cm disponibles el
20% corresponde al borde libre y los restantes a la profundidad del medio filtrante el cual se
colocó encima de un soporte con orificios para realmente separar ambas fases, en cuanto a la fase
mecánica primero se dejó un espacio libre de 4 cm para permitir el paso del agua entre las fases,
y el resto de la profundidad correspondió ⅓ para el medio soporte (grava) y ⅔ de medio
filtrante (arena), también se tuvo en cuenta que según Romero 1999, es recomendado que los
31
filtros de arena tengan profundidades de esta entre 25-30 cm. En la Figura 21 en la sección de
resultados se puede observar un esquema de la distribución de la totalidad de la torre o bien en el
Anexo 2. Plano sección 1 y 2 se encuentra de forma más específica el diseño.
De acuerdo a las medidas y distribuciones anteriores se calcularon los valores de carga hidráulica
empleando la siguiente fórmula:
q =Q
A (8)
Donde q es la carga hidráulica en m3/m2*d, Q es el caudal en m3 y A es el área en m2.
Y la carga orgánica se calculó de acuerdo a la fórmula 3.
Con estos valores se procedió a verificar si estas corresponden con los rangos que se encuentran
en la Tabla 2.Para tener una idea más clara de cómo es la estructura del filtro, a continuación se
encuentran imágenes del filtro empleado en el sistema de recirculación, la Figura 8 muestra la
segunda fase correspondiente a la filtración mecánica a la cual se le colocó en el centro un
soporte para poder aguantar la base de la piedra pómez correspondiente al proceso de filtración
biológica.
Figura 8. Fase de filtración mecánica.
Fuente: Autores
En la Figura 9 se encuentra la vista superior de la totalidad del filtro, como se puede ver debido a
la baja densidad de la piedra pómez esta flota en el agua por lo tanto se mantuvo una lámina de
agua muy baja de 3 cm.
32
Figura 9. Vista superior del filtro.
Fuente: Autores
El filtro se diseñó y construyó con flujo descendente, por lo tanto, es importante mantener una
lámina de agua en la zona de filtración mecanica, pero debido a la disponibilidad de espacio y la
facilidad de manejo se decidió no hacer un diseño con tuberías que permita mantener la lámina
sino mangueras ya que estas son mucho más fáciles de mover en espacios reducidos, y además es
más fácil removerlas si es necesario; por lo tanto la lámina de agua se controló con el cierre y
apertura de las válvulas del filtro. A continuación, se muestra una vista frontal del filtro donde
se puede evidenciar la salida del efluente en la parte inferior.
Figura 10. Vista frontal del filtro.
Fuente: Autores
33
Por último, de acuerdo a lo mencionado anteriormente el proceso de nitrificación necesita
oxigeno por lo tanto fue necesario realizar un cálculo de cuanto oxigeno sería necesario para
convertir la totalidad del amoniaco en nitratos siguiendo las reacciones de nitrificación
presentadas anteriormente, este cálculo puede evidenciarse en la sección de resultados.
Para finalizar con esta sección, es necesario aclarar después de la construcción de la unidad y
quince días antes de la puesta en marcha del sistema se realizó la activación del filtro, que
consistió en la aplicación de un inóculo de bacterias nitrificantes y una solución de nutrientes,
para los cuales empleamos el agua que se cambiaba diariamente de la pecera, para dar tiempo
suficiente y permitir la formación de las biopelículas necesarias para el funcionamiento del filtro,
y así el sistema de tratamiento se estabilice mucho más rápido al ponerlo en marcha. Por otro
lado, teniendo en cuenta que los filtros percoladores son aerobios se empleó una bomba de aire
para mantener la aireación dentro del filtro.
5.2.3. Torre de aireación
Con el fin de reducir el dióxido de carbono presente en el agua de la pecera, se optó por una
aireación por bandejas a partir del diseño y construcción de una torre de aireación. Este diseño
consistió en dos partes, la primera corresponde al cálculo de las dimensiones de la bandeja a
partir de una carga superficial asumida, teniendo en cuenta los rangos establecidos por
Romero, 1999, a partir de esta y con el caudal se calcula el área superficial de la bandeja
(ecuación 5) para proseguir a calcular el lado de la bandeja a partir de la raíz cuadrada del
área.
As =Q
q (9)
La segunda parte consistió en adaptar la memoria de cálculo de la torre a unas medidas de
bandeja comerciales, siendo estas lo más similares posible a las resultantes en el primer pasó.
Para proseguir a calcular en número de bandejas, altura de la lámina de agua, distancia entre
bandejas, y número de orificios, esto, se muestra de forma detallada en la tabla 9 en la sección de
resultados.
En cuanto al lecho de contacto se utilizó grava, ya que según Romero (1999) se recomienda
piedra, carbón coque, ladrillo triturado o materiales de cerámica para la remoción del dióxido de
carbono y/o del hierro presente. A continuación se presenta la imagen de la torre de aireación a
escala prototipo, con el fin de contextualizar lo explicado en el presente numeral.
34
Finalmente, el funcionamiento de esta unidad parte del bombeo del agua almacenada en un balde
a la salida de la torre de filtración, la cual entra a la torre de aireación por una tubería con
agujeros en forma de regadera con el fin de evitar los cortocircuitos como se muestra a
continuación.
Figura 11. Torre de aireación.
Fuente: Autores
5.2.4. Zona de siembra.
Este sistema se adapta a la técnica acuapónica de inundación y drenaje, la cual consiste en que
una parte del sustrato está expuesto a un periodo inundado y a otro periodo seco, con el fin de
permitir una oxigenación adecuada que beneficie tanto a las raíces como a las bacterias
presentes en el sustrato. (Bañuelos J., 2017) Teniendo en cuenta lo anterior, se plantea un
flujo de agua ascendente, donde la lámina de agua, la cual es de 8 cm en el periodo seco,
aumente 6 cm durante la puesta en marcha del sistema, es decir que en el periodo de
inundación la lámina de agua tiene una altura total de 14 cm.
En cuanto a los sustratos sólidos más comunes en la hidroponía se encuentran la arena,
cascarilla de arroz, piedra pómez, grava, aserrín y entre otros (Maza E & Villa P., 2011), por
lo que en el presente se utilizó la piedra pómez como sustrato. Por otro lado, la selección de la
planta se hizo teniendo en cuenta que las que más se recomiendan en la acuaponía son las
aromáticas como la albahaca, la menta y el orégano (Ramirez D, Sabogal D, Jimenez P &
Hurtado H., 2008). A partir de esto, se escogió como planta la menta, debido principalmente a
que esta crece con facilidad en zonas con climas cuyas temperaturas son muy bajas, condición
35
que se presenta en La Calera, municipio donde se llevó a cabo el proyecto. Finalmente, en la
Figura 12 se puede visualizar la unidad para un mayor entendimiento de la misma.
Figura 12. Zona de siembra.
Fuente: Autores
5.2.5. Funcionamiento del sistema.
El sistema de tratamiento de agua planteado es cerrado por lo que el proceso inicia y finaliza
en la pecera, la cual cuenta con un sistema de aireación. En primer lugar es necesario entender
que el sistema funciona por intervalos de cincuenta minutos con una hora de descanso entre
cada uno, durante cuatro horas en total; Esto por diversas razones, primero los filtros
percoladores de tasa baja son operados en intervalos de dosificación debido a que no cuentan
con recirculación, por lo tanto es necesario aplicar intervalos para aumentar el tiempo de
contacto entre el medio filtrante y el afluente, y así beneficiar los procesos biológicos
aumentando la eficiencia de remoción (Romero J., 1999), además los cambios rápidos de agua
en los filtros bilógicos disminuyen la eficiencia de remoción de amoniaco por los
microorganismos (Jaap van Rijn, Yossi Tal, Harold J. Schreier, 2006), teniendo en cuenta lo
anterior es importante que en el momento de escoger los intervalos estos deben garantizar que
el medio siempre va a estar húmedo (United States Environmental Protection Agency-EPA,
2000).
En segundo lugar, como ya se mencionó anteriormente la técnica escogida para la unidad de
siembra es la de inundación y drenaje, la cual está compuesta de periodos de secado y de
inundación es decir también funciona por intervalos, por lo tanto, no se podía realizar un
funcionamiento continuo del sistema ya que en ese caso la unidad se encontraría siempre en
inundación.
36
En cuanto al flujo del agua, en primer lugar, esta es bombeada desde el acuario hasta la
primera unidad, la cual corresponde a la torre de filtración pues, aunque en este tramo se
permitía la conducción de agua por gravedad, esta no llegaba al filtro con la suficiente
presión, adicionalmente en esta parte se tiene una válvula para controlar el caudal debido a
que la bomba proporcionaba uno mayor al caudal de diseño, y también para regular la entrada
de agua al biofiltro ya que la pecera tenía un nivel más elevado por lo tanto si no se contaba
con la válvula el agua de la pecera continuaría fluyendo a la torre hasta nivelar las láminas de
agua en los momentos que no estaba en funcionamiento el sistema. Después de la torre de
filtración el agua sale a un tanque de almacenamiento del cual se hace bombeo hasta la torre
de aireación, a la salida de esta, se contaba con una válvula con el fin de tener control del paso
del agua, ya que, al no tener los indicadores de nivel se presentaba la posibilidad de que el
agua se desbordara. Posteriormente, el agua que sale de esta unidad es bombeada desde un
segundo tanque de almacenamiento hasta la unidad de acuaponía, de la cual, el agua retorna a
la pecera directamente y nuevamente inicia el ciclo, en este último caso la bomba tenía que
ser asistida manualmente para el funcionamiento, ya que la bomba no daba la altura necesaria,
sin embargo no fue factible comprar una bomba que alcanzara dicha altura debido a que esta
manejaba un consumo mayor al igual que su caudal por lo que se dificultaría regular el caudal
puesto que el que se manejó para el diseño del sistema era mucho menor, finalmente en esta
se empleó una válvula a la entrada de la zona de siembra, ya que la entrada del flujo era de
forma ascendente, por lo que si esta no se cerraba cuando el sistema no estaba funcionando el
flujo se devolvería y se vaciaría la unidad de siembra.
La necesidad de implementar estas bombas en el sistema se identificó inicialmente por el
espacio inadecuado con el que se contaba para configurar un sistema que funcionara por
gravedad y rebose, ya que en primer lugar el terreno no contaba con una pendiente, además, el
tamaño de la torre de filtración complicaba la elevación de este y por último, no era factible
enterrar la pecera para que el flujo de agua llegara a esta sin bombeo. De acuerdo a lo anterior,
con el fin de explicar el funcionamiento hidráulico del sistema se realizó el cálculo de
pérdidas del sistema y la ecuación de Bernoulli que se muestran a continuación. con el fin de
explicar el funcionamiento hidráulico del sistema.
Tabla 3. Pérdidas del sistema.
Perdidas Pecera-Torre de filtración
Accesorios Diámetro Cantidad Le(m) Le total (m)
Válvula de bola
0,0127
1 5 5
Tubería 1 0,8 0,8
Manguera 1 1,5 1,5
Adaptador 1 0,3 0,3
37
Perdidas Pecera-Torre de filtración
Long total 7,6
Perdida 0,011
Perdidas torre de filtración - balde
Accesorios Diámetro Cantidad Le(m) Le total (m)
Válvula de bola
0,0127
1 5 5
Tubería 1 0,05 0,05
Manguera 1 0,1 0,1
Adaptador 1 0,3 0,3
Long total 5,45
Perdida 0,008
Balde -Torre de aireación
Accesorios Diámetro Cantidad Le(m) Le total (m)
Válvula de bola
0,0127
1 5 5
Tubería 1 0,1 0,1
Manguera 1 0,7 0,7
Adaptador 1 0,3 0,3
Long total 6,1
Perdida 0,0091
Perdidas Torre de aireación-Unidad de siembra
Accesorios Diámetro Cantidad Le(m) Le total (m)
Válvula de bola
0,0127
1 5 5
Tubería 1 0,15 0,15
Manguera 1 1 1
Adaptador 1 0,3 0,3
Long total 6,45
Perdida 0,0096
Fuente: Autores
38
Tabla 4. Pérdida de energía del sistema con Bernoulli
Pérdidas energía (Bernoulli)
Tramo Alturas (Z) m Perdida de
fricción (m) Fórmula
Altura
manométrica de
la bomba (m)
Pecera-biofiltro 1 0,8 0,011 Hp-b = Zp - Zb -hb 0,19
Salida Biofiltro- torre
de aireación 0,02 0,9 0,009 Hb-ta = Zb-Zta-hta -0,89
salida Torre de
aireación - zona de
siembra 0,02 1,45 0,03 Hta-Zs=Zta-Zs-(hzs) -1,46
Fuente: Autores
Tabla 5. Potencia de la bomba
Potencia de la Bomba
Tramo caudal
m3/s
peso
específico
(N/m3)
H (m) Formula de
la potencia
Potencia
teórica
(Watts)
Potencia
nominal de
la bomba
(Watts)
Salida Biofiltro- torre
de aireación 0,000012 9800 0,889
𝑃= 𝑄𝑑 ∗ 𝐻 ∗ 𝛾
0,10 3
salida Torre de
aireación - zona de
siembra
0,000012 9800 1,46 0,17 3
Fuente: Autores
Las pérdidas de fricción se calcularon a partir del método de Hazen Williams, donde para el coeficiente
de rugosidad se escogió el correspondiente a PVC, estas pérdidas se calcularon por secciones y sus
respectivos accesorios se pueden observar en la figura 13, la cual corresponde al P&ID, posteriormente se
realizó la ecuación de la energía de Bernoulli, la cual permitió determinar la altura manométrica de la
bomba como se muestra en la tabla 4, de estas alturas los valores negativos (tramo salida biofiltro-torre
de aireación y salida torre de aireación-zona de siembra) que la energía requerida para el flujo del punto 1
a 2 no es suficiente, por lo que se necesita una bomba para conducir el fluido. Posteriormente, como se
muestra en la tabla 5, con esta altura se calculó la potencia necesaria en cada uno de los tramos, la cual
fue mucho menor a la potencia nominal de la bomba adquirida, lo anterior quiere decir que si se hubiese
implementado una bomba que alcanzara una mayor altura, la potencia y caudal de igual forma hubieran
sido mucho mayores, por lo que se hubiese sobredimensionado el accesorio y también se hubiesen
presentado gastos energéticos mucho mayores.
39
El contenido referente a la figura 13 y 15 se encuentra en ANEXOS como: Anexo 4. P&ID y Anexo 1.
PLANOS DE PLANTA, adicionalmente con el fin de complementar la ingeniería básica se presenta el
Anexo 6. LISTA DE EQUIPOS.
Figura 13. P&ID del sistema.
Fuente: Autores.
40
Figura 14. Sistema de recirculación.
Fuente: Autores.
Figura 15. Layout del sistema
41
Fuente: Autores
5.3. Monitoreo y Seguimiento
Esta fase consistió en la toma y análisis de muestras del agua al interior de la pecera y el agua de
salida del sistema de tratamiento (Figura 16) después de su puesta en marcha durante un tiempo
de 41 días distribuidos de acuerdo a la tabla 6, teniendo en cuenta que los parámetros in-situ,
especialmente nitritos y amoniaco, son los que mayor control necesitan debido a su alta toxicidad
para los peces, y además son los que mayor indicación dan del correcto funcionamiento del
sistema, se escogió realizar un monitoreo más frecuente.
Figura 16. Toma de muestras al interior de la pecera y a la salida del sistema de tratamiento.
Fuente: Autores
Tabla 6. Distribución de los muestreos.
Tipo de muestreo Día de muestreo Hora Número de muestras
Caracterización
inicial 15/02/2021 11:00 a. m.
Una sola muestra puntual al
interior de la pecera
Monitoreo #1 22/02/2021 11:00 a. m.
Dos muestras puntuales una
al interior de la pecera y
una a la salida del sistema.
Monitoreo #2 8/03/2021 11:00 a. m.
Dos muestras puntuales una
al interior de la pecera y
una a la salida del sistema.
Monitoreo #3 19/03/2021 11:00 a. m.
Dos muestras puntuales una
al interior de la pecera y
una a la salida del sistema.
Monitoreo #4 26/03/2021 11:00 a. m.
Dos muestras puntuales una
al interior de la pecera y
una a la salida del sistema.
42
Fuente: Autores, 2021.
Este monitoreo no solo se realizó con el propósito de hallar la eficiencia del sistemas sino
también para verificar si estaba funcionando de forma correcta y realizar las correcciones o
arreglos pertinentes en el caso de que no, por ejemplo un aumento significante en la
concentración de amoniaco, lo que necesitaría un cambio total del agua para evitar la mortalidad
de los peces.
Para los análisis de laboratorio se siguieron las técnicas ya mencionadas en el apartado de
diagnóstico, a diferencia de la DBO, ya que esta sí pudo ser analizada de forma práctica
siguiendo la siguiente metodología.
● Análisis de DBO: Se empleó el método de análisis de las botellas Velp, para el cual de
acuerdo a la DBO esperada se empleaba un volumen de muestra, en este caso como
esta se encuentra en un rango de 0 a 90 mg/L se utilizaron 400 mL. El método consiste
en los siguientes pasos.
1. Medir con una probeta 400 mL de muestra y depositarlos en la botella ambar.
2. Añadir un sobre de nutrientes, dos perlas de soda cáustica y un agitador magnético.
3. Colocar el cabezal de la botella (medidor) y programarlo de acuerdo al rango de DBO
esperado.
4. Llevar las botellas a una incubadora a 25°C y colocarlas sobre la plancha de agitación.
5. Posterior a cinco días realizar la lectura en el cabezal o medidor de la botella y registrar el
resultado.
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
En esta sección se presentarán los resultados de la fase de diagnóstico y de la fase de monitoreo y
seguimiento por separado.
6.1. Resultados y análisis de caracterizaciones iniciales
Para tener bases con las cuales realizar el diseño del sistema fue necesario realizar análisis
previos de agua procedente de cultivos de peces, por lo tanto, a continuación, se presenta los
resultados de la caracterización del agua de los cultivos de la finca palestina. En la tabla 4 se
pueden ver estos resultados de forma consolidada, los cuales fueron hallados y calculados de la
manera en que se indica en la metodología.
43
Tabla 7. Caracterización del agua de los cultivos de piscicultura de la finca palestina.
Caracterización estanques de piscicultura
Parámetro Unidades Valor (agua dentro del
estanque)
Valor (efluente del
estanque)
pH NA 6,4 6,4
Amoniaco mg/L 0,25 0,37
Nitritos mg/L 0 0
Nitratos mg/L 0 0
Dióxido de
carbono libre mg/L 38
14
Dióxido de
carbono total mg/L 48,56 22,8
Alcalinidad mg/L 12 10
Sólidos
suspendidos mg/L 77 36
DBO mg/L 74,28 74,28
Fuente: Autores, 2020.
A continuación, se muestran algunas imágenes de los análisis de laboratorio llevados a cabo para
el diagnóstico. La Figura 17 corresponde al análisis de dióxido de carbono libre.
44
Figura 17. Cambio de color en el análisis ex situ de dióxido de carbono para el agua al interior
del estanque.
Fuente: Autores, 2020.
En la siguiente Figura se muestra el resultado de uno de los parámetros medidos in situ mediante
el uso del kit de reactivos API.
Figura 18. Resultado de la medición in situ del pH del agua de los estanques.
Fuente: Autores, 2020.
Así mismo, para poder realizar una comparación con las características del agua de los cultivos a
escala real se realizó la caracterización del agua de la pecera empleada en el desarrollo del
proyecto, para con esta verificar si el sistema diseñado de acuerdo a las concentraciones y
parámetros de un cultivo real concuerda con las características de la pecera empleada. De
acuerdo a lo anterior a continuación se presentan estos resultados de forma consolidada.
45
Tabla 8. Caracterización del agua de la pecera empleada en el proyecto.
Caracterización pecera
Parámetro Unidades Valor
pH 7,2
Amoniaco mg/L 0,5
Nitritos mg/L 0
Nitratos mg/L 0
Dióxido de carbono mg/L 7,5
Dióxido de carbono total mg/L 24,748
Alcalinidad mg/L 19,6
Sólidos suspendidos mg/L 67,54
DBO mg/L 26
Fuente: Autores, 2021.
Al comparar los valores de los parámetros presentados en los cultivos de la finca piscícola
“Palestina” (Tabla 7) con los límites aconsejados por la FAO (Tabla 1), donde se puede
evidenciar que los valores de amoniaco y dióxido de carbono libre y total en el cultivo superan
los niveles desfavorables planteados por la organización, el más preocupante es el amoniaco, ya
que, es uno de los compuestos más tóxicos para los peces y según la guía propuesta por los
mismos, debería mantenerse en concentraciones menores a 0.025 mg/L, lo cual no se cumple,
pues el efluente supera este límite llegando a 0.37 mg/L de amoniaco, esto representa un
ambiente tóxico para los peces que puede causarles las muerte. A pesar de lo anterior muchos
piscicultores consideran niveles de amoniaco de 0.25 mg/L aceptables, aun así, el nivel deseado
e ideal es de 0 mg/L para asegurar un ambiente saludable para los peces.
En cuanto a la concentración de amoniaco en la pecera empleada en el desarrollo del proyecto, se
evidencia que es aún más elevada que la de los estanques piscícolas de la finca Palestina, siendo
específicamente 0.5 mg/L (Tabla 8), esto se puede deber a que el recambio de agua antes de la
puesta en marcha del sistema no era continuo y constante sino por intervalos de tiempo para no
disturbar a los peces demasiado tiempo, igualmente diariamente se hacía un recambio del 50%
del volumen de agua durante un periodo de tres horas. Por otro lado, a partir de esta
concentración obtenida de amoniaco se logró determinar estequiometricamente la concentración
de nitratos generados a partir de este parámetro, como se puede observar a continuación.
46
𝑁𝐻3+ + 2𝑂2 → 𝑁𝑂3
− + 𝐻+ + 𝐻2𝑂
0.5 𝑚𝑔 𝑁𝐻3 ∗ (1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3
17 𝑚𝑔 𝑁𝐻3 ) (
1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑂3
1𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 ) (
62 𝑚𝑔 𝑁𝑂3
1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑂3) = 1,8
𝑚𝑔
𝐿𝑁𝑂3
A partir de lo anterior, se identifica que la concentración de nitratos aportados por el amoniaco
será baja y por ende se escogió un número de plantas en la zona de siembra reducido (3 mentas).
El dióxido de carbono de los estanques supera el límite de 15 mg/L en una proporción mayor al
doble, lo que puede estar relacionado con una inadecuada oxigenación del mismo, pues a pesar
de que los peces producen CO2 naturalmente este se remueve fácilmente con la aireación del
agua, por lo tanto un nivel tan alto en el agua puede indicar falta de aireación en los estanques o
falta de oxígeno disuelto en el afluente, evidenciando la necesidad de airear el agua antes de su
incorporación en los estanques como se propone en el presente proyecto mediante la aireación
por bandejas.
Por otro lado, el dióxido de carbono libre o disponible en la pecera utilizada en el prototipo es
mucho menor que el límite recomendado por la FAO, evidenciando una mejor oxigenación del
agua en la pecera, sin embargo, teniendo en cuenta que la concentración de dióxido de carbono
de los estanque de cultivo fue empleada para el cálculo del número de bandejas de la torre de
aireación, es necesario verificar el diseño con el valor de este parámetro medido en la pecera el
cual es de 7.5 mg/L, aunque como esta última concentración es mucho menor que la empleada en
el diseño se puede deducir fácilmente que la unidad puede manejar esta concentración, esto se
realizará en la siguiente sección.
Otro parámetro que presenta un riesgo para los peces es la alcalinidad, a diferencia de los
anteriores el problema radica en que tanto para los estanques como la pecera, se encuentra en un
valor muy bajo al recomendado por la FAO de 100 mg/L de CaCO3 el cual permite mantener
estabilidad en los acuarios, mientras que para la finca palestina y la pecera se obtuvieron entre
10-12 mg/L y 19.5 respectivamente. Los bajos niveles de alcalinidad pueden ser riesgosos para
los peces ya que está relacionada con un pH inestable, es decir, grandes variaciones de pH
durante el día, con niveles de pH muy bajos en la mañana y demasiado altos en la tarde, lo que
puede causar estrés, crecimiento pobre e incluso la muerte de algunos individuos, a pesar de esto
algunos expertos recomiendan mínimo un nivel de 25 mg/L de CaCO3 para disminuir los riesgos
pero con un valor de alcalinidad ideal y deseado entre 50 -150 mg/L CaCO3 (Wurts, W., 1992), a
continuación se presenta una gráfica de cómo puede variar el pH en el transcurso del día en
aguas con baja y alta alcalinidad.
47
Figura 19. Variación del pH en estanques de peces de acuerdo al nivel de alcalinidad.
Fuente: Wurts W., & Durborow R., 1992.
Para subir de forma progresiva sin afectar a los peces y mantener un nivel alto de alcalinidad que
no aumente el pH a valores peligrosos se recomienda utilizar piedra caliza en el fondo de los
estanques, esta no aumenta el pH a más de 8.3, lo cual sigue estando dentro de los límites
recomendados (Wurts, W., 1992), de acuerdo a lo anterior, la alcalinidad no es un parámetro que
se pueda controlar en el sistema de tratamiento sino directamente en los estanques.
En cuanto a los nitritos y nitratos estos dieron concentraciones de 0 mg/L tanto en el estanque
como el efluente de la finca palestina y la pecera antes de la puesta en marcha del sistema, esto
quiere decir que no se está dando el ciclo del nitrógeno para transformar el amoniaco y disminuir
su toxicidad para los peces, lo cual tiene total sentido ya que, en ambos casos el control de la
calidad del agua se estaba realizando mediante el recambio diario de esta sin un sistema de
recirculación.
Como se puede evidenciar en la tabla 7 los valores de los parámetros de alcalinidad, dióxido de
carbono y sólidos suspendidos disminuyeron para el efluente de los estanques en comparación
con el agua al interior de los estanques de producción de la finca en cuestión, esto puede estar
relacionado en el caso del dióxido de carbono al movimiento del agua en el efluente además del
contacto que tiene con el aire, lo que puede causar la volatilización del dióxido de carbono; en
cuanto a los sólidos suspendidos, en el momento de realizar el muestreo se evidenció una gran
cantidad de sólidos flotantes cerca a la superficie del agua, específicamente excremento y
desperdicios de alimento de peces, los cuales aumentan la cantidad de sólidos al interior del
estanque pero no en la salida del efluente, ya que esta es por la parte inferior del estanque.
48
Al comparar los sólidos suspendidos presentes en los estanques de producción y la pecera se
puede observar que en ambos casos (Tablas 7 y 8) no se supera el límite máximo recomendado
por la FAO pero si el valor ideal de 20 mg/L. El último parámetro corresponde a la DBO, como
se puede ver en la tabla 8 el valor de este, en la pecera es mucho menor que el valor teórico
empleado para el diseño del filtro biológico, por lo tanto es necesario verificar el diseño del filtro
biológico con esta nueva concentración, lo cual también se realizará en la siguiente sección.
Para finalizar, los parámetros que dieron como resultado concentraciones y valores que se
encuentran dentro de los rangos propuestos por la FAO y que según la caracterización no
presentan un riesgo para los peces, no deben ser descuidados o llevados a un segundo plano, ya
que si no son tratados, con el tiempo se puede dar un aumento de estos hasta llegar a niveles
peligrosos para los peces. De acuerdo a lo anterior se evidenció la necesidad de implementar un
sistema de tratamiento para mantener la calidad del agua en los niveles necesarios para la vida y
desarrollo saludable de los peces.
6.2. Resultados del diseño
6.2.1. Pecera
La cantidad de peces koi necesarios para mantener la densidad del cultivo a escala real de la
finca palestina de 22 peces/m3, se calculó haciendo la relación del peso de las mojarras
empleadas en el cultivo y los peces koi, la cual es de 100/15, dando un resultado de 6.66 peces
koi o 7 peces necesarios por cada pez de 100 gramos, para mantener la densidad inicialmente
calculada en la metodología. Por lo tanto en la pecera se emplearon 7 peces Koi, ya que de
acuerdo a lo explicado en la metodología según el volumen de la pecera solo es necesario un pez
de 100 gramos.
Figura 20. Pecera con las carpas Koi.
Fuente: Autores, 2021.
49
Lo más importante que resaltar en esta sección es el hecho de que durante el desarrollo del
proyecto no se presentó mortalidad de los organismos, y todos lo siete peces Koi empleados
vivieron sin signos notables de enfermedad, a pesar de que en ningún momento se les incorporó
agua fresca en la pecera sino solo el agua contenida dentro del sistema de recirculación.
Esto permite inferir que el sistema fue eficiente en su mayoría proporcionando agua con la
calidad suficiente para no afectar por lo menos notablemente la salud de los peces, y si bien es un
hecho que los peces Koi son más resistentes a condiciones ambientales desfavorables como se
explicó anteriormente en la sección 5.2.1, igualmente el hecho de que no se haya presentado
ninguna pérdida, indica que el agua tuvo que mantenerse con ciertos estándares de calidad
durante la recirculación, lo cual se analizará más profundamente en las siguientes secciones.
6.2.2. Torre de tratamiento (Filtro biológico y filtro mecánico)
Como se mencionó en la sección de metodología para el diseño de esta unidad se llevaron a cabo
dos pasos el primero empleando los métodos teóricos y el segundo ajustando el diseño a un
tanque con dimensiones ya definidas.
Para el primer paso fue necesario calcular la carga orgánica, la cual dio un resultado de 0,43 kg
DBO/ m3 d, para poder seleccionar el valor de la carga hidráulica de acuerdo a los rangos
proporcionados por Romero (1999), para este caso la carga hidráulica debe estar entre un rango
de 4-9 m3/m2.d, como se pudo evidenciar en la tabla 2, como el objetivo es que el filtro sea de
carga baja se seleccionó 4 m3/m2.d ya que este valor corresponde a la carga orgánica resultante
pero además. Con la carga hidráulica se calcularon el área y todas las dimensiones dando como
resultado un diámetro de 0.59 m, altura del medio de 0,68 m y profundidad total del filtro
percolador de 0,75 m, como se evidencia son dimensiones un poco grandes pero no es totalmente
de extrañar ya que el volumen y la carga orgánica tienen una relación inversamente proporcional
por lo tanto bajas cargar orgánicas pueden estar relacionadas con altos volúmenes del medio
filtrante, debido a esto se seleccionó un contenedor con las medidas lo más cercanas posible y
posteriormente con estas medidas se verifico nuevamente el diseño. En la siguiente tabla se
puede observar de forma resumida todos los parámetros de diseño, así como todas las fórmulas
empleadas.
Tabla 9. Memoria de cálculo del diseño inicial de la fase de filtración biológica.
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Filtro percolador
Caudal de diseño Qd L/s 0,01
Asumido m3/d 1,12
50
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Filtro percolador
DBO afluente Sa mg/L 74,00
Basado en un estudio de parámetros
fisicoquímicos de aguas de estanques de
peces. (García J., 2014)
DBO efluente Se mg/L 14,80 Asumiendo una eficiencia del 80% de
acuerdo a Romero J., 2010
Temperatura de
diseño del agua T °C 14,00
Tomada con termómetro en la zona de
ubicación del prototipo
Constante de
tratabilidad KT m/d 0,06
KT=0,1*(1,08^(T-20)) según Romero J.,
2010
Área superficial
especifica del
medio
S m2/m3 150,00 United States Environmental Protection
Agency-EPA, 2000
Volumen medio
filtrante V m3 0,19
V=Q*Ln(Sa/Se)/KT*S según modelo de
Bruce y Merkens
Carga orgánica CO kg DBO/
m3 d 0,43 CO=Sa*Qd/V
Carga hidráulica q m3/m2 d 4,00 Depende de la carga orgánica (Tabla 20.1,
Romero)
Área A m2 0,28 A=Q/q
Diámetro D m 0,60
Lado L m 0,53 L= A^0.5
Altura del medio h m 0,68 h=V/A
Profundidad P m 0,75 P=h*1.1
Fuente: Autores, 2021.
Siguiendo con el diseño el segundo paso consistió en adaptar el diseño a la escala necesaria,
empleando un tanque ya definido. Para este caso el valor de la carga hidráulica fue calculado al
igual que la carga orgánica y no solo fue seleccionado de los rangos de la tabla 2, por lo tanto, se
procedió a verificar si el valor calculado corresponde con los rangos presentados en esta tabla,
lastimosamente se evidencia que no correspondan ya que con el nuevo volumen la carga
orgánica se encuentra clasificada de tasa alta con cargas hidráulicas relacionadas de mínimo 9
m3/m2.d, pero la carga hidráulica dio un valor de 3.67 m3/m2.d clasificándose dentro de los filtros
de tasa baja, este aumento en la carga orgánica coincide con lo mencionado anteriormente al
emplear un tanque con un volumen menor la carga orgánica aumento debido a la relación inversa
entre estas dos variables, a pesar de esta inconsistencia las medidas presentadas en la tabla 2 no
son una camisa de fuerza y solo representan los valores y rangos más comunes en estos sistemas,
51
el problema radica en que el filtro ya no sería de tasa baja y probablemente su eficiencia en la
remoción de amoniaco no sea tan alta.
En cuanto a las demás especificaciones de la unidad estas fueron explicadas en la metodología,
adicionalmente a continuación en la Tabla 10 se muestran todas las especificaciones del diseño
que finalmente fue construido para esta unidad.
Tabla 10. Memoria de cálculo final correspondiente al diseño de la torre de filtración.
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Filtro percolador
Caudal de diseño Qd
L/s 0,01
Asumido m3/d 1,12
DBO afluente Sa mg/L 74,00
Basado en un estudio de parámetros
fisicoquímicos de aguas de estanques de
peces. (García J., 2014)
DBO efluente Se mg/L 14,80
Asumiendo una eficiencia del 80% de
acuerdo a Romero J., 2010
Volumen medio
filtrante V m3 0,11 V=A*h
Carga orgánica CO
kg DBO/
m3 d 0,74 CO=Sa*Qd/V
Carga hidráulica q m3/m2 d 3,97 q=Q/A
Área A m2 0,28 A=pi*(D/2)^2
Diámetro D m 0,60 Dado
Altura del medio h m 0,40 h=P*0,8
Profundidad P m 0,50 Dado
Filtro de arena
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Caudal Qd
m3/d 1,12
Medido
m3/s 0,00
L/s 0,01
Carga hidráulica q m3/m2-día 3,97 q=Qd/Ar
Tiempo de
retención t
s 8695,38
t = V/Q
min 144,92
h 2,42
52
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Área Ar
m2 0,28
Igual al filtro percolador cm2 2826,00
Diámetro Φ
m 0,6
Igual al filtro percolador cm 60
Altura borde libre Hf m 0,03 Asumido
Altura del medio Hb
m 0,37
Asumido cm 37,00
Altura de grava Hs
m 0,12
Hs = 1/3Hb cm 12,33
Altura de medio
filtrante (Arena) Har
m 0,25
Har = 2/3Hb (25-30 cm) cm 24,67
Altura total real H
m 0,40
H=Hf+Hb cm 40,00
Volumen Arena Va m3 0,07 V = Ar*Hb
Volumen Grava Vg m3 0,03 V = Ar*Hs
Volumen filtro Vg m3 0,11 V = Ar*H
Torre de filtración
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Altura total Ht m 0,40 Ht=P+H
Área total At m2 0,28 misma del filtro percolador
Volumen Total Volt m3 0,11 Volt=At * Ht
Diámetro D m 0,60 Mismo diámetro del filtro percolador
Fuente: Autores.
En la siguiente Figura se puede observar un esquema de la distribución de la totalidad de la torre
de acuerdo a las especificaciones dadas en la metodología, o bien en el Anexo 2. Plano sección 1
y 2 se encuentra de forma más específica el diseño.
53
Figura 21. Esquema de la torre de tratamiento.
Fuente: Autores.
Pero, aunque el diseño anterior corresponde al diseño final que fue implementado en el
desarrollo del proyecto, es necesario verificar si este diseño aplica para las condiciones de la
pecera analizadas en la caracterización inicial, para esto se procedió a calcular la nueva carga
orgánica con la concentración de 26 mg/L de DBO (Tabla 8) dando un resultado de 0.25 kg
DBO/m3.d, con este valor nuevamente se verificó la carga hidráulica correspondiente según las
recomendaciones de Romero (1999), para lo cual se evidencia que está en un rango de 1-4
m3/m2.d (Tabla 2), afortunadamente la carga hidráulica del filtro se encuentra en el rango y el
diseño del filtro resultó siendo de tasa baja siendo el adecuado para las características del agua
empleada en el desarrollo del proyecto. En la tabla 11 se puede ver de forma específica los
nuevos parámetros de diseño.
Tabla 11. Verificación del diseño del filtro percolador.
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
Filtro percolador
Caudal de
diseño Qd
L/s 0,013
Asumido m3/d 1,123
DBO afluente Sa mg/L 26,000
Basado en un estudio de parámetros fisicoquímicos
de aguas de estanques de peces. (García J., 2014)
54
Parámetro Nomenclatura Unidades Valor Observaciones
DBO efluente Se mg/L 5,200
Asumiendo una eficiencia del 80% de acuerdo a
Romero J., 2010
Volumen medio
filtrante V m3 0,113 V=A*h
Carga orgánica CO
kg DBO/
m3 d 0,258 CO=Sa*Qd/V
Carga hidráulica q m3/m2 d 3,975 q=Q/A
Área A m2 0,283 A=pi*(D/2)^2
Fuente: Autores, 2021.
Finalmente, se realizó el cálculo de la cantidad de aire necesario, según la EPA (2000) El
oxígeno disuelto para la nitrificación en los filtros percoladores debe estar entre 0,5 y 2,5 mg/l, el
cual varía dependiendo del flujo, cuando se tienen flujos demasiado altos se recomienda una
mayor concentración de oxígeno disuelto ya que los microorganismos tienen menos tiempo para
realizar la nitrificación. Igualmente, es más exacto calcular mediante estequiometria con las
reacciones de nitrificación y teniendo en cuenta la concentración de amoniaco inicial la
concentración de oxígeno disuelto que aplicaría para este caso, para esto se tuvo en cuenta la
reacción general del proceso de nitrificación:
𝑁𝐻3+ + 2𝑂2 → 𝑁𝑂3
− + 𝐻+ + 𝐻2𝑂
0.5 𝑚𝑔 𝑁𝐻3 ∗ (1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3
17 𝑚𝑔 𝑁𝐻3 ) (
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
1𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 ) (
32 𝑚𝑔 𝑂2
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2) = 1,88
𝑚𝑔
𝐿𝑂2
Como se evidencia el resultado está dentro de los rangos establecidos por la EPA, pero este
resultado no es suficiente, ya que para escoger la bomba adecuada de aire es necesario calcular
cuánto aire sería necesario, estos cálculos se presentan a continuación:
Volumen fase de filtración biológica del filtro = 110L
Kg total de Oxigeno= 1,88𝑚𝑔
𝐿𝑂2 × 110𝐿 = 207,05 𝑚𝑔
Según la EPA la relación entre los kg de O2 suministrado/kg O2 requerido es 50 por lo tanto:
mg O2 suministrado = 207,05 𝑚𝑔 × 50 = 10352,5 𝑚𝑔
55
Ahora es necesario calcular los litros de oxigeno necesario para esto se empleó la densidad del
Oxígeno en Bogotá la cual es 988 mg/L.
L O2 necesario =10352,5𝑚𝑔
988 𝑚𝑔
𝐿
= 10,47 𝐿 𝑑𝑒 𝑂2
Adicionalmente como las bombas que se emplearan son de aire y no inyectan oxígeno se debe
calcular el aire necesario, para esto se sabe que el 21% v/v del aire es oxígeno.
L aire necesario =10,47 𝐿 𝑑𝑒 𝑂2 × 100
21= 49,85 𝐿 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒
Por último, con el tiempo de llenado de la parte de filtración biológica del tanque que es de 2,54
horas, que se calculó con el volumen y caudal, se calcula el caudal de aire es importante recalcar
que, aunque el tanque no está lleno porque el filtro percolador no funciona continuamente, la
aireación debe realizarse continuamente por lo tanto para poder calcular el caudal de aire de
asumirá que el filtro está lleno:
Q aire necesario =49,85 𝐿 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒
2,54 ℎ= 19,62
𝐿
ℎ 𝑎𝑖𝑟𝑒
6.2.3. Torre de aireación.
Para el diseño de la torre de aireación, se calculó el área de las bandejas a partir del caudal de
diseño y una carga hidráulica asumida de 550 m3/m2*d (Romero J.,1999), lo cual, permitió
calcular la medida del largo de la bandeja como se muestra en la tabla 12; sin embargo, estas
dimensiones no se presentaban comercialmente, por lo que se ajustó la memoria de cálculo a
medidas de recipientes ya existentes en el mercado. El recipiente cuyo dimensionamiento más se
aproximaba al calculado inicialmente, cuenta con un largo de 12 cm y un ancho de 6 cm, dando
como resultado un área de 0,0072 m2.
Teniendo en cuenta lo anterior, se prosiguió a calcular la cantidad de bandejas necesarias a partir
de la fórmula de Scott dando como resultado un total de 6 unidades. Posteriormente, con las
dimensiones de la bandeja ya definida se determinó la cantidad de orificios, el caudal por los
mismos y la altura de la lámina de agua (Tabla 13). Finalmente se determinó que la altura total
de la torre de aireación es de 60 cm, a la cual se le agregaron 30 cm correspondientes al tanque
de almacenamiento, el cual se ubicaría en la parte inferior de esta unidad.
56
Tabla 12. Memoria de cálculo para el dimensionamiento inicial de las bandejas.
Parámetro Nomenclatura Unidad Valor
Caudal de entrada Qd
L/s 0,02
m3/s 0,00002
m3/d 1,72
Carga hidráulica q m3/m2-dia 550
Área superficial As m2 0,003
lado L m 0,05
cm 6
Fuente: Autores, 2020
Tabla 13. Memoria de cálculo para dimensionamiento de la torre de aireación
Parámetro Nomenclatura Unidad Valor Observaciones
Caudal de
entrada Qd
L/s 0,02
Caudal de la bomba m3/s 0,00002
m3/d 1,72
CO2 inicial Co mg/L 38 Valor obtenido en la primera
caracterización
CO2 final C mg/L 5 Valor recomendado por la FAO
Número de
bandejas n Nb 6 𝑁𝑏 =
𝐿𝑜𝑔𝐶
𝐶𝑜−0,14
Carga
hidráulica q m3/m2-dia 239,3
q =Qd
As
Área de
bandeja As m2 0,0072 As=L*An
Largo de
bandeja L
m 0,12 Largo de bandeja comercial
cm 12
Ancho de
bandeja An
m 0,06 Ancho de bandeja comercial
cm 6
Altura de H m 0,05 Altura de bandeja comercial
57
Parámetro Nomenclatura Unidad Valor Observaciones
bandeja
Altura entre
bandejas Ht m 0,05 Asumido
Distancia
entre orificios do
cm 3 Asumido
m 0,03
Número de
orificios
no largo no L 4 𝑛𝑜 =𝐿
𝑑𝑜
no ancho no A 2 𝑛𝑜 =𝐴𝑛
𝑑𝑜
Número total
de orificios not No
8 no*no
3 Aproximado
Diámetro de
orificio Do
mm 6 Asumido
m 0,006
Área del
orificio Ao
mm2 28,3 Ao = π ∗
Do
2
2
m2 0,0000283
Caudal por
orificio Qo m3/s 0,0000068 Qo =
Qd
not
Altura lámina
de agua h m 0,0082
h =
Qo(0,6 ∗ Ao)2
2 ∗ 9,81
Altura Torre Ht m 0,6
Fuente: Autores, 2020
Al igual que con el filtro biológico para la torre de aireación también es necesario verificar el
diseño con las condiciones de la pecera, para esto se empleó como concentración inicial el CO2
de la caracterización inicial de la pecera de 7.5 mg/L (Tabla 8), y como concentración de salida 1
mg/L asumiendo una eficiencia del 86%, dando un resultado nuevamente de seis bandejas y
evidenciando que el diseño de esta unidad concuerda con las nuevas características de la pecera
empleada.
58
Tabla 14. Verificación del diseño de la torre de aireación.
Parámetro Nomenclatura Unidad Valor Observaciones
Caudal de entrada Qd
L/s 0,02
Caudal de la bomba m3/s 0,00002
m3/d 1,72
CO2 inicial Co mg/L 7,5 Concentración más alta de CO2
libre de la primera caracterización
CO2 final C mg/L 1 Asumido
Número de
bandejas n Nb 6 Nb =
LogC
Co−0,14
Fuente: Autores, 2021.
A continuación, se muestra un esquema con las dimensiones planteadas anteriormente, este se
puede observar a mayor detalle en el Anexo 2.
Figura 22. Esquema de la torre de aireación.
Fuente: Autores.
59
6.2.4. Zona de siembra.
Como se mencionó en la metodología las dimensiones de esta unidad se definieron a partir de
una unidad ya existente, por lo que a continuación se muestran a detalle.
Tabla 15. Dimensiones de la unidad de acuaponía.
Parámetro Nomenclatura Unidad Valor Observaciones
Caudal Qd m3/d 1,760
Largo L m 0,5 asumido
Ancho A m 0,2
Área Ar m2 0,1 A=L*A
Profundidad del agua p m 0,09 A esa altura se encuentra la salida de
agua.
Borde libre BL m 0,05 Asumido
Altura H m 0,15 H=p+BL
Fuente: Autores, 2020.
A continuación, se muestra un esquema con las dimensiones planteadas anteriormente, este se
puede observar a mayor detalle en el Anexo 3.
Figura 22. Esquema zona de siembra
Fuente: Autores.
60
6.3. Resultados del monitoreo y seguimiento
En la presente sección se muestran los valores obtenidos de cada uno de los parámetros
analizados en las cuatro fechas planteadas inicialmente (Tabla 3), tanto del agua de la pecera
como de la salida del sistema de tratamiento, (Tabla 16 y 17)
Tabla 16. Resultados del análisis del agua a la salida del sistema
.
Agua salida del sistema (efluente del sistema)
Parámetro Unidades
22/02/2021 08/03/2021 19/03/2021 26/03/2021
Valor Valor Valor Valor
pH NA 7,2 7,2 7,2 7,2
Amoniaco mg/L 0,25 0 0 0
Nitritos mg/L 0,25 0 0 0
Nitratos mg/L 5 5 5 5
Dióxido de carbono
libre mg/L 3,5 3,2 2,13 2
Dióxido de carbono
total mg/L 32,716 50,72 22,898 22,24
Alcalinidad mg/L 33,2 54 23,6 23
Sólidos suspendidos mg/L 31,00 23,00 20,00 18,00
DBO mg/L 2,2 0 0 0
Fuente: Autores
Tabla 14. Resultados del análisis del agua dentro de la pecera.
Agua dentro de la pecera (afluente)
Parámetro Unidades
22/02/2021 08/03/2021 19/03/2021 26/03/2021
Valor Valor Valor Valor
pH NA 7,200 7,400 7,200 7,200
Amoniaco mg/L 0,250 0,125 0,125 0,125
Nitritos mg/L 0,250 0,000 0,000 0,000
61
Agua dentro de la pecera (afluente)
Parámetro Unidades
22/02/2021 08/03/2021 19/03/2021 26/03/2021
Valor Valor Valor Valor
Nitratos mg/L 5,000 5,000 5,000 5,000
Dióxido de carbono
libre mg/L 5,600 4,000 4,400 3,000
Dióxido de carbono
total mg/L 27,600 47,120 29,392 25,880
Alcalinidad mg/L 25,000 49,000 28,400 26,000
Solidos
suspendidos mg/L 90,000 62,000 40,000 40,000
DBO mg/L 5,000 3,200 3,000 0,000
Fuente: Autores.
Adicionalmente, con el fin de tener conocimiento de si la unidad de siembra es o no eficiente
para la remoción del nitrato, se realizó un análisis para este parámetro a la salida de la torre de
aireación el cual fue de 15 mg/L con este valor y con el de la salida del sistema, 5 mg/L, (Tabla
14) se logra definir que el porcentaje de remoción de esta unidad fue del 66,7 %.
6.4. Porcentajes de remoción y variación de parámetros
Uno de los propósitos del monitoreo es poder analizar cómo el sistema se comportaba a través
del tiempo, y a pesar de que no se pudo hacer con mayor frecuencia debido a conflictos con los
recursos y la disponibilidad de laboratorios durante la actual contingencia, con los resultados
obtenidos se puede identificar puntos interesantes los cuales se presentan a continuación.
En primer lugar, en la tabla 18 se presentan los porcentajes de remoción hallados entre el
afluente del sistema (Agua al interior de la pecera) y el efluente del sistema (Agua a la salida del
sistema), estos fueron calculados para cada uno de los días que se realizó monitoreo del sistema
con el objetivo de identificar el comportamiento del sistema durante su funcionamiento,
adicionalmente en la misma tabla se presenta el promedio de todos los porcentajes de remoción
para tener una percepción general sobre el funcionamiento del sistema.
Es necesario aclarar que estos porcentajes de remoción se calcularon sólo para los parámetros de
amoniaco, dióxido de carbono libre y total, sólidos suspendidos y DBO, ya que estos son los
parámetros que son tratados directamente en el sistema. Los parámetros restantes no se tuvieron
en cuenta para este punto debido a varias razones, en el caso del pH el concepto de porcentaje de
62
remoción simplemente no aplica, en cuanto a la alcalinidad esta no fue tratada en el sistema, por
otro lado los nitritos fueron monitoreados para verificar si se estaba dando correctamente el
proceso de nitrificación en el filtro mas no para ver si eran removidos por el sistema y por último
el porcentaje de remoción de nitratos fue calculado teniendo en cuenta la concentración de
nitratos a la salida de la torre de aireación y a la salida de la unidad de siembra, debido a que
estos son producidos dentro del filtro biológico.
Tabla 18. Porcentajes de remoción entre el efluente y afluente del sistema de tratamiento
.
Porcentajes de remoción entre el efluente y afluente del sistema de tratamiento
Parámetro
22/02/2021 08/03/2021 19/03/2021 26/03/2021
Promedio
% de remoción % de remoción % de remoción % de remoción
Amoniaco 0,000 100,000 100,000 100,000 75,000
Dióxido de
carbono libre 37,500 20,000 51,591 33,333 35,606
Dióxido de
carbono total -18,536 -7,640 22,094 14,065 2,496
Sólidos
suspendidos 65,556 62,903 50,000 55,000 58,365
DBO 56,000 100,000 100,000 100,000 89,000
Nota: Los signos negativos representan un aumento en la concentración o valor en vez de
remoción o disminución.
Fuente: Autores, 2021.
En primer lugar, al observar el comportamiento del sistema en cuanto a la remoción del
amoníaco, se puede evidenciar que solo se presentó este parámetro en el efluente del sistema en
la primera semana de funcionamiento (Tabla 16). Esto puede deberse a que probablemente el
filtro biológico no estaba totalmente activo en el momento que se puso en marcha el sistema, a
pesar de que el proceso de activación se inició quince días antes del funcionamiento mediante la
63
inoculación de bacterias nitrificantes, por lo tanto se puede deducir que para que el filtro sea
activado completamente y no se presenten problemas en cuanto a la remoción de amoniaco, se
recomienda dar una semana adicional a los quince días que aconseja la literatura, para permitir
que los microorganismos se desarrollen exitosamente y logren formar la biopelícula necesaria en
el medio filtrante.
A pesar de lo anterior, el filtro biológico funcionó de manera exitosa durante el resto del
desarrollo del proyecto, ya que no se presentaron niveles de amoniaco en el efluente en los
demás monitoreos (Tabla 16), teniendo porcentajes de remoción del 100% del amoniaco del
afluente durante los tres últimos monitoreos (Tabla 18) y un porcentaje promedio de remoción de
amoniaco del 75% teniendo en cuenta que durante la primer semana la concentración de
amoniaco del afluente y el efluente fueron la misma dando un porcentaje inicial de remoción del
0%. Este porcentaje promedio es muy cercano al encontrado en el estudio de Gallego I & García
D., (2017) de 77,22%, estudio en el cual se basó la unidad de la torre de filtración, y a pesar de
que el promedio es menor en general se logra superar este porcentaje, ya que, como se dijo
anteriormente se lograron remociones del 100%, demostrando que se logró establecer un filtro
biológico aún más eficiente.
La DBO tuvo un comportamiento similar al amoniaco en el efluente del sistema, durante la
primera semana la DBO fue de 2,2 mg/L y de ahí en adelante la concentración del efluente se
mantuvo constante en 0 mg/L (Tabla 16), por la misma razón de que el filtro no estaba
completamente activo al inicio, la diferencia es que para la DBO si hubo remoción en la primera
semana específicamente del 56% y para el resto de los monitoreos del 100%, dando como
resultado una eficiencia del sistema en la remoción de DBO del 89% (Tabla 18).
Si se compara esta eficiencia con el estudio realizado por Yang L., Chou L & Shieh w (2001) en
el cual se presentaron porcentajes de remoción de DBO entre 72% - 91% para un sistema de
recirculación con tres filtros biológicos consecutivos, se puede evidenciar que el promedio de
remoción del presente proyecto se encuentra en el mismo rango pero se alcanzaron porcentajes
más altos en los monitoreos individuales debido a que en este caso se llegó a una remoción del
100%, esto puede deberse a que la carga orgánica en el presente proyecto era más baja.
Adicionalmente en el estudio de Yang L., Chou L & Shieh w, (2001) el comportamiento de los
filtros biológicos en la remoción DBO y amoniaco también se mantuvo de forma muy similar
para ambos parámetros, esto puede ser debido a que las concentraciones de ambos parámetros
eran bajas por lo tanto los microorganismos en la biopelícula utilizaban tanto la DBO como el
amoniaco como nutrientes, pero en el caso de que la concentración de alguno de los dos sea
mucho más alta las diferencias en la remoción de cada uno sería mucho más notoria y podría
presentarse una alta remoción de uno de los dos parámetros considerablemente mayor que para el
otro; especialmente es importante tener en cuenta que la concentración de DBO no debe ser
demasiado alta, ya que esto puede dar paso a la degradación de materia orgánica sin nitrificación,
lo que no solo no remueve el amoniaco sino que produce aún más compuestos de nitrógeno
amoniacal (Eding E., Kamstra A., Verreth J., Huisman E., & Klapwijk A., 2006).
64
Otra razón por la cual se tuvo una eficiencia tan alta en la remoción de DBO, puede estar
relacionada con ambas fases de la torre de filtración, como ya se ha mencionado el filtro estaba
compuesto de dos zonas la zona de filtración biológica y la zona de filtración de arena, como el
filtro de arena tuvo que adaptarse a las dimensiones del filtro percolador de tasa baja este resulto
siendo un filtro lento de arena ya que la carga hidráulica se encontraba entre el rango propuesto
de este tipo de filtros (2-7 m3/m2d). Como lo dice la teoría una diferencia entre lo filtros lentos de
arena y los rápidos, es que los filtros de arena no solo filtran mecánicamente, sino que también
filtran biológicamente de hecho son llamados Biofiltros de arena (biosand filters), ya que su baja
tasa de filtración permite la formación de una biopelícula en su superficie y además un mayor
tiempo de contacto con el efluente por lo cual se presentan procesos de filtración biológica, por
lo tanto, la zona de filtración de arena también aporto en la remoción de materia orgánica ya que
esta no solo era realizada en la primera fase correspondiente al filtro percolador sino también en
la fase de filtración mecánica, lo que explicaría porque la DBO después del funcionamiento del
filtro logro llegar a concentraciones tan bajas y los porcentajes de remoción fueron tan altos (B.
Sizirici Yildiz, 2012) (Bruni A., & Spuhler D., s.f.).
Para los nitritos el comportamiento que tuvo tanto en el afluente como efluente del sistema fue el
mismo, como se puede ver en las Tabla 16 y 17, durante la primera semana el nivel aumentó de
0 mg/L antes de la puesta en marcha a 0,25 mg/L, lo que indica que el proceso de nitrificación
empezó a darse dentro del filtro biológico, pero no de manera completa, ya que no todos los
nitritos se transformaron en nitratos. Posteriormente los nitritos disminuyeron muy rápidamente a
0 mg/L manteniéndose estable en ese nivel hasta el final de la etapa experimental, lo cual junto
con el hecho de que el amoniaco también disminuyó de la misma forma y la presencia de nitratos
en el efluente del sistema, demuestra que el proceso de nitrificación se dio de forma correcta
dentro del filtro biológico.
En cuanto a los nitratos, el hecho de que estos se hayan presentado después de la puesta en
marcha del sistema, demuestra que se está dando el proceso de nitrificación, específicamente
estos se mantuvieron constantes tanto para el efluente como afluente del sistema en una
concentración de 5 mg/L (Tabla 16 y 17), este dato a un primer vistazo puede dar la impresión de
que no se están removiendo nitratos en el sistema ya que la concentración del afluente y efluente
son la misma, lo cual es totalmente erróneo, porque en ese caso los nitratos aumentan con el
tiempo de funcionamiento en vez de mantenerse estables, lo cual causaría acumulación de
nitratos en el sistema, es por esto que hay que tener en cuenta que estos son producidos dentro
del filtro biológico y son removidos en la unidad de siembra por las plantas.
Como se puede evidenciar en la tabla 17 la concentración de sólidos suspendidos aumentó para
la primera semana de funcionamiento del sistema respecto a la concentración antes de la puesta
en marcha, acercándose al límite establecido, después de la primer semana al avanzar el tiempo
el sistema logró disminuir esta concentración progresivamente tanto en el afluente como efluente
del sistema, dando porcentajes de remoción entre el 50% y 66% de los sólidos (Tabla 18).
65
Estas eficiencias pueden ser muy bajas comparadas con sistemas de tratamiento en los cuales se
emplean filtros de arena, o incluso con estudios donde se evalúan sistemas recirculación en
acuicultura, como es el de Yang L., Chou L & Shieh w (2001) en el cual se lograron remociones
de sólidos de casi el 100%, pero al comparar con la eficiencia de remoción del estudio de
Gallego I & García D. (2017) en el cual se encuentra basada esta unidad, en el presente proyecto
se dio un mayor porcentaje de remoción de sólidos superando el 40,79% del estudio en cuestión,
demostrando que la torre de tratamiento del presente proyecto es más eficiente.
Sin embargo, al observar la Tabla 18 se puede evidenciar, como el porcentaje de remoción va
disminuyendo y la fase de filtración mecánica es cada vez menos eficiente, no se sabe si
probablemente más adelante este porcentaje llegará a estabilizarse y tampoco se puede concluir
hasta que valor llegue, por lo tanto este aspecto es preocupante. Esta disminución de la eficiencia
puede estar relacionada con el hecho de que a la torre de filtración no se le puede hacer un
retrolavado con la misma frecuencia que se realiza para los filtros de arena individuales, con el
propósito de no afectar la comunidad microbiana presente en el filtro, por otro lado la fase de
filtración mecánica no pudo diseñarse individualmente sino que tuvo que ser adaptada a los
parámetros del filtro biológico, por lo tanto probablemente sea más eficiente tener por separado
las fases de filtración y no en la misma unidad como en este caso, o bien tal vez sea necesario un
estudio con mayor extensión de tiempo para analizar cómo evoluciona el funcionamiento de la
unidad.
Por otro lado, adicional a los porcentajes de remoción del sistema, para tener una mejor
percepción de su funcionamiento, en la tabla 17 se presenta el porcentaje de remoción entre el
efluente del sistema y las concentraciones iniciales del agua al interior de la pecera antes de la
puesta en marcha, y el porcentaje de variación entre las características del agua al interior de la
pecera antes y después de la puesta en marcha del sistema. Para este caso se incluyó la
alcalinidad, pero no como porcentaje de remoción sino para identificar cómo varía este
parámetro antes y después de la puesta en marcha, los nitritos y nitratos no se incluyeron
nuevamente debido a que inicialmente las concentraciones de ambos parámetros correspondieron
a 0 mg/L.
Tabla 19. Variación de los parámetros antes y después de la puesta en marcha del sistema.
Parámetro
Caracterización
pecera inicial
(mg/L)
Promedio
efluente
(salida
sistema)
(mg/L)
Promedio
afluente
(interior
pecera)
(mg/L)
Porcentaje de
remoción
después de la
puesta en
marcha (%)
Variación
características
de la pecera
(mg/L)
pH 7,2 7,2 7,25 NA -0,694
66
Parámetro
Caracterización
pecera inicial
(mg/L)
Promedio
efluente
(salida
sistema)
(mg/L)
Promedio
afluente
(interior
pecera)
(mg/L)
Porcentaje de
remoción
después de la
puesta en
marcha (%)
Variación
características
de la pecera
(mg/L)
Amoniaco 0,5 0,063 0,156 87,4 68,8
Dióxido de
carbono
libre 7,5 2,7 4,25 63,9 43,3
Dióxido de
carbono
total 24,748 32,1 32,5 -29,9 -31,3
Alcalinidad 19,6 33,4 32,1 -70,66 -63,8
Sólidos
suspendidos 67,5 23 58 65,95 14,1
DBO 26 0,55 2,8 97,9 89,2
Nota: Los signos negativos representan un aumento en la concentración o valor en vez de
remoción o disminución.
Fuente: Autores, 2021.
Para la eficiencia del sistema en términos de porcentaje de remoción de CO2, se calculó que este
presenta un 63% de remoción del mismo, esto comparando el valor inicial con el final, (Tabla
19), sin embargo, es importante tener en cuenta que el planteamiento del sistema de tratamiento
implica que sea un ciclo cerrado, por lo que también se debe tener en cuenta el comportamiento
del CO2 durante todo el proceso, para esto se calculó el porcentaje de remoción promedio, el cual
es del 35%, teniendo en cuenta el porcentaje de remoción de cada uno de los días en los que se
hizo caracterización como se muestra en la Tabla 18, en esta, también se evidencia que los
porcentajes varían entre el 20-50%. Adicionalmente, aunque se puede interpretar que los
porcentajes de remoción son bajos, realmente, concuerdan con los propuestos en la teoría ya que
la torre de aireación por bandejas maneja porcentajes de remoción del CO2 entre el 30-60%.
(Romero J., 1999)
67
En cuanto a la variación de los sólidos suspendidos entre el antes y después de la puesta en
marcha estos disminuyeron en promedio en un 14,12% dentro de la pecera después de la puesta
en marcha, comportamiento que se puede observar en la figura 27, lo cual es considerablemente
bajo, pero en cuanto a la comparación con el efluente del sistema se evidencia que se lograron
remover en un 66% los sólidos iniciales, lo que permite deducir que probablemente el aumento
de sólidos se esté dando dentro de la pecera.
Por otra parte, con el fin de saber realmente qué tan factible es la implementación de este sistema
a escala real, es necesario comparar los valores de los parámetros del afluente de la pecera
(efluente del sistema) con los valores de los parámetros de las fuentes de abastecimiento
empleadas en estos cultivos, para esto se tomó como base los valores de un estudio de calidad de
agua realizado para el nacimiento del cual se abastece el proceso de producción de la finca
palestina. A continuación, en la tabla 20 se presentan los valores extraídos del estudio otorgado
por la finca en cuestión o bien en el Anexo 5 se encuentra la totalidad del informe.
Tabla 20. Características físico-químicas de la fuente de abastecimiento de la finca palestina
.
Parámetro Unidades Caracterización afluente finca palestina
pH 6,10
Amoniaco mg/L <0,30
Nitritos mg/L <0,03
Nitratos mg/L NA
Dióxido de carbono mg/L NA
Dióxido de carbono total mg/L NA
Alcalinidad mg/L 6,19
Sólidos suspendidos mg/L 10,00
DBO mg/L <2,10
Fuente: Autores, 2021
68
Teniendo en cuenta lo anterior, en la tabla 21 se presenta el porcentaje de variación del afluente
de la pecera (agua salida del sistema) respecto al afluente de los cultivos de la finca, los valores a
los que no se les calculó este porcentaje fue debido a que no fueron reportados en el estudio
otorgado por la finca.
Tabla 21. Porcentaje de Variación del afluente de la pecera (agua salida del sistema) respecto
al afluente de los cultivos de la finca
Porcentaje de Variación del afluente de la pecera (agua salida del sistema) respecto al
afluente de los cultivos de la finca (%)
Parámetro 22/02/2021 08/03/2021 19/03/2021 26/03/2021 Promedio
pH -18,03 -18,03 -18,03 -18,03 -18,03
Amoniaco 16,7 100 100 100 79,17
Nitritos -733,3 100 100 100 -108,3
Nitratos NA NA NA NA NA
Dióxido de carbono NA NA NA NA NA
Dióxido de carbono
total NA NA NA NA NA
Alcalinidad -436,3 -772,38 -281,26 -271,6 -440,4
Sólidos suspendidos -210 -130 -100 -80 -130
DBO -4,76 100 100 100 73,8
Nota: Los signos negativos representan un aumento en la concentración o valor en vez de
remoción o disminución.
Fuente: Autores, 2021.
Teniendo en cuenta los resultados expuestos anteriormente, al comparar los niveles de amoniaco
antes y después de la puesta en marcha del sistema, se encontró que la concentración de este,
69
disminuyó en un 68,8% dentro de la pecera después de la puesta en marcha del sistema y el
porcentaje de remoción promedio fue del 87,4% el cual, se calculó comparando los niveles del
efluente del sistema con el nivel inicial en la pecera (Tabla 17). Además la concentración de
amoniaco del afluente fue en promedio un 79% menor que la concentración de la fuente de
abastecimiento de los estanques de la finca palestina (Tabla 21), evidenciando que el sistema no
solo disminuye el amoniaco de la pecera después de su puesta en marcha, sino que además
también proporciona agua de mayor calidad (en cuanto a amoniaco se refiere) en comparación
con la fuente utilizada en un cultivo a escala real de peces.
Por otro lado, como se puede ver en la Tabla 21, la concentración de nitritos en el efluente del
sistema sólo superó el valor de la fuente de abastecimiento de la finca durante la primera semana,
de resto fue mucho menor a esta ya que se mantuvo en 0 mg/L es decir el sistema proporcionaría
agua con un 100% menos de nitritos.
Asimismo, al comparar con la DBO del afluente de los estanques de la finca base, solo se
superaría esta concentración en el sistema durante la primera semana, ya que en el tiempo
restante el sistema proporcionó agua sin ninguna concentración de DBO es decir 100% menos
que la fuente de la finca palestina, con un promedio de 73,8 % menos DBO (Tabla 18).
De igual forma, Al analizar la Tabla 21 se puede evidenciar que los sólidos suspendidos del
efluente del sistema son mayores en promedio en un 130% a los sólidos de la fuente de
abastecimiento de la finca Palestina, evidenciando que el sistema proporcionaría agua con una
menor calidad en este aspecto si es aplicado en estanques de cultivo reales, Sin embargo, el
sistema logró mantener los sólidos dentro de la pecera en concentraciones mucho menores a la
presente en los estanques de la finca palestina de 77 mg/L (Tabla 7), por lo tanto a pesar de que
el agua de entrada a la pecera tienen más sólidos que el agua de entrada a los cultivos, el sistema
logró mantener una mayor calidad del agua en la pecera, en cuanto a sólidos suspendidos, que los
cultivos de la finca en cuestión.
En cuanto a la calidad del agua al interior de la pecera, los valores bases con los cuales se pueden
comparar los parámetros para verificar su calidad, con el fin de determinar si el sistema puede
ser aplicado en cultivos reales son los límites recomendados por la FAO y así asegurar la salud y
crecimiento de los peces, los cuales se encuentran en la tabla 1, o bien en la tabla que se
encuentra a continuación (Tabla 22), están los valores recomendados únicamente para los
parámetros tenidos en cuenta durante el desarrollo del proyecto.
70
Tabla 22. Límites recomendados por la FAO de los parámetros tenidos en cuenta durante el
proyecto.
Parámetro Unidades Límites recomendados por la FAO
pH 6,2 - 8
Amoniaco mg/L 0,03
Nitritos mg/L 0,50
Nitratos mg/L 300
Dióxido de carbono mg/L 15
Dióxido de carbono total mg/L NA
Alcalinidad mg/L >100
Sólidos suspendidos mg/L 100
DBO mg/L 20
Fuente: Autores, 2021.
Por otro lado, de acuerdo a lo anterior, en la tabla 21 se presenta el porcentaje de variación de los
parámetros del agua al interior de la pecera respecto a los límites recomendados por la FAO, los
valores a los que no se calculó este porcentaje es debido a que la FAO no ha establecido un
límite.
71
Tabla 23. Porcentaje de variación de los parámetros al interior de la pecera respecto a los
límites recomendados por la FAO
Porcentaje de variación de los parámetros al interior de la pecera respecto a los
límites recomendados por la FAO (%)
Parámetro 22/02/2021 08/03/2021 19/03/2021 26/03/2021 Promedio
pH máximo 10 7,5 10 10 9,4
pH mínimo -16,1 -19,3 -16,1 -16,1 -16,9
Amoniaco -900 -400 -400 -400 -525
Nitritos 50 100 100 100 87,5
Nitratos 98,3 98,3 98,3 98,3 98,3
Dióxido de carbono 62,7 73,3 70,7 80 71,7
Dióxido de carbono
total NA NA NA NA NA
Alcalinidad 75 51 71,6 74 67,9
Sólidos suspendidos 10 38 60 60 42
DBO 75 84 85 100 86
Nota: Los signos negativos representan un aumento en la concentración o valor en vez de
remoción o disminución.
Fuente: Autores, 2021.
En cuanto al comportamiento del amoniaco dentro de la pecera se evidenció que se mantuvo
estable después de la primera semana en una concentración de 0,125 mg/L, que al comparar con
el límite máximo recomendado por la FAO dentro de la pecera se supera en promedio este valor
por un 525%, es decir el amoniaco es cinco veces mayor en la pecera que el nivel recomendado
por la FAO para mantener un ambiente saludable para los peces (Figura 24); a pesar de esto,
72
muchos piscicultores y en diferente literatura se establece que niveles de hasta 0.5 mg/L de
amoniaco son aceptables aunque no deseados, en cuanto menor sea el amoniaco mejor será la
salud de los peces (Yang L., Chou L & Shieh w, 2001; Masser, M., Rakocy, J., & Losordo, T.
M., 1999).
Figura 24. Comparación entre el amoniaco presente en la pecera con valores recomendados por
la FAO.
Fuente: Autores, 2021
Aunque no se supere el nivel máximo de amoniaco recomendado por otros expertos, se
recomienda siempre tomar medidas para reducir el amoniaco dentro de los estanques, en este
caso teniendo en cuenta que el agua que sale del sistema e ingresa a la pecera no tiene amoniaco
una de las soluciones puede ser aumentar el tiempo de recirculación de agua, como se mencionó
en la metodología este fue de cuatro horas diarias por lo tanto aumentar este tiempo o bien
realizar varios intervalos de recirculación al día puede disminuir el amoniaco en los estanques.
Otras medidas que pueden ser tomadas dentro de la pecera son disminuir la densidad de peces
para por ende disminuir el amoniaco producido o incorporar bacterias nitrificantes dentro de los
propios estanques para tratar de disminuir el amoniaco dentro de estos.
Según la Tabla 17 y la Figura 25 la DBO en la pecera se mantuvo menor que el límite máximo
de la FAO durante todo el desarrollo del proyecto, diferencia la cual fue aumentando
proporcionalmente con el tiempo de funcionamiento del sistema, manteniendo un 86% menos en
promedio en los niveles de concentración, demostrando que en ningún momento los peces se
vieron afectados por altos niveles de DBO en el agua durante el funcionamiento del sistema, ya
73
que antes de la puesta en marcha este límite se superó. Como se evidencia en la figura 25, la
tendencia del este parámetro es a disminuir siendo estos valores interpretados como bajos, pues
están en un rango 0-5 mg/L; sin embargo, a partir de la revisión de diversos estudios se ha
determinado que es común que se presenten bajas concentraciones de este parámetro en
estanques de piscicultura, de hecho, una DBO <5 es considerada como el valor normal dentro de
lo recomendado para sistemas de recirculación de aguas piscícolas. (Yang, L., Chou, L. Sen, &
Shieh, W. K, 2001)
Adicionalmente, Aunque en la metodología el biofiltro fue diseñado a partir de una
concentración teórica de 74 mg/L debido a que fue esta la más alta que se encontró en los
estudios revisados, es común que este parámetro se encuentre en rangos bajos en estanques sin
tratamiento, por ejemplo, en un estudio se realizó la caracterización físico-química de 2 estantes
los cuales tuvieron una DBO de 7 y <2 mg/L respectivamente (Yanzapata, A. 2015), en otro
estudio en estanques de tilapia cada uno con diferente especie, en el primero la DBO fue de 2,77
mg/L para tilapia Nilotica y 13 mg/L para el estanque con tilapia roja. (Luna, M. 2011) A partir
de lo anterior, podemos inferir que, aunque los resultados obtenidos para la DBO en el presente
proyecto parecen bajos, realmente este parámetro no presenta un comportamiento
predeterminado en estos ecosistemas, pues, así como se puede presentar en altas
concentraciones, también se puede presentar en bajas, por lo que se interpreta que este
comportamiento depende de diversos factores entre estos la especie del pez.
Figura 25. Comparación de valores de la DBO presente en la pecera con los recomendados por
la FAO.
Fuente: Autores, 2021
74
En cuanto a los nitritos dentro de la pecera el nivel de este parámetro se mantuvo durante toda la
fase de monitoreo en un valor menor al nivel desfavorable establecido por la FAO, en un
promedio de un 87,5% menos (Tabla 23), demostrando que los peces no se vieron afectados en
ningún momento por niveles tóxicos de nitritos, uno de los riesgos que se corre en la
implementación de sistemas de recirculación en la piscicultura.
Figura 26. Comparación entre los nitritos presentes en la pecera con valores recomendados por
la FAO
Fuente: Autores, 2021.
Teniendo en cuenta todo lo anterior se puede llegar a concluir que el filtro biológico funcionó de
manera eficiente y correcta durante la fase experimental del proyecto, y generalmente logró
proporcionar agua con incluso mayor calidad que la fuente de abastecimiento empleada en la
finca piscícola tomada como base en el proyecto, además logró mantener los parámetros en la
pecera dentro de los niveles aceptables por la FAO, a excepción del amoniaco que aunque superó
el nivel desfavorable de la FAO se mantuvo en niveles seguros de acuerdo a literatura diferente.
A pesar de lo anterior es necesario resaltar que para que el filtro mantenga su funcionamiento
correcto durante la totalidad del tiempo y no solo por el corto tiempo que duró el presente
proyecto es importante que siempre tenga los nutrientes necesarios para que la biopelícula se
mantenga permanentemente y los microorganismos no se mueran por falta de nutrientes.
Este aspecto se resalta porque como se evidencia en la Figura 25, la DBO en la pecera fue
disminuyendo de forma progresiva hasta llegar a un valor de 0 mg/L, lo cual puede parecer
75
positivo inicialmente, pero este nivel de DBO indica que no hay la materia orgánica suficiente
para proporcionarle a los microorganismos del filtro biológico por lo tanto estos pueden empezar
a morir y el filtro dejará de funcionar, por ende no solo la DBO aumentara nuevamente sino
también el amoniaco y el filtro tendrá que volver a ser activado, presentando intervalos de
tiempo en los que el sistema no funcionará correctamente y el agua que proporciona no será apta
para los peces lo que puede causar mortalidad en los estanques de producción.
Para prevenir lo anterior es necesario realizar monitoreos del sistema y en los momentos que esté
disminuyendo demasiado la DBO y/o el amoniaco ya que este también es esencial para estas
bacterias, se puede suministrar soluciones nutritivas directamente en el filtro biológico como
soluciones de fosfato de amonio dibasico ((NH4)2HPO4) y fosfato de sodio dibásico (Na2HPO4),
o bien también se puede usar agua peptonada (Masser, M., Rakocy, J., & Losordo, T. M., 1999).
Para finalizar con lo correspondiente a los procesos de filtración biológica, se puede deducir que
debido al funcionamiento eficiente del filtro biológico el uso de piedra pómez granular como
medio filtrante fue una decisión acertada, el cual fue escogido inicialmente debido a que los
materiales filtrantes normalmente empleados en estos procesos son demasiados costosos, y
gracias a sus propiedades de alta porosidad y una gran área superficial específica, así como su
comportamiento inerte que no afecta ni interviene con el desarrollo de los microorganismos,
logró demostrar ser un material propicio para el crecimiento de microorganismos y la formación
de colonias y biopelículas necesarias en este tipo de filtros (Bar-Tal, A., Saha, U. K., Raviv, M.,
& Tuller, M., 2019)
Con respecto a los sólidos suspendidos en ningún momento ni antes ni después de la puesta en
marcha del sistema superaron el nivel desfavorable establecido por la FAO (Tabla 8 y 17, Figura
27), los sólidos al interior de la pecera lograron mantenerse en promedio un 42% menor al límite
establecido por la FAO, porcentaje que fue aumentado con el tiempo de funcionamiento (Tabla
18), por lo tanto los peces en ningún momento se vieron afectados por este factor y el agua
mantuvo su calidad en este aspecto, igualmente es necesario controlar este parámetro para evitar
que pueda elevarse a valores desfavorables teniendo en cuenta lo bajos porcentajes de remoción
mencionados anteriormente.
76
Figura 27. Comparación de los valores de sólidos suspendidos totales de la pecera con los
recomendados por la FAO.
Fuente: Autores, 2021.
El comportamiento del dióxido de carbono en el agua de la pecera después de la puesta en
marcha, muestra una tendencia de disminución del parámetro, (Tabla 17, Figura 28) permitiendo
una primera percepción de que la torre de aireación tuvo un funcionamiento óptimo, es
importante mencionar, que aunque en la pecera y en la salida del sistema de tratamiento el valor
inicial de este parámetro está dentro de los niveles recomendados por la FAO, el nivel de CO2
presente en los estanques de la finca Palestina, (Tabla 7), si es un valor superior, por lo que se
recalca la importancia de la implementación de sistemas de aireación como el presente al
momento de llevar a cabo un sistema de recirculación a escala real. Partiendo de lo anterior se
plantea el supuesto en el que, si se llegara implementar este sistema en la finca Palestina, con los
porcentajes de remoción dichos anteriormente, se lograría cumplir con la disminución del CO2 y
que estos estén dentro de los límites propuestos por la FAO.
77
Figura 28. Comparación entre el dióxido de carbono libre presente en la pecera con los valores
recomendados por la FAO.
Fuente: Autores, 2021.
Por otro lado, para las cuatro caracterizaciones realizadas en la fase de monitoreo y seguimiento,
se obtuvo la presencia de nitrato en una concentración constante de 5 mg/L tanto en la pecera
como para el agua a la salida del sistema (Tabla 16, Tabla 17), al comparar esto con los valores
de nitrato recomendados por la FAO los cuales son preferiblemente de 100-200 mg/L máximo
300 mg/L (Tabla 22, Figura 29), se evidencia que se mantuvieron concentraciones
considerablemente bajas, específicamente en un 98,3 % menos (Tabla 20), lo cual era de
esperarse ya que el nitrato es el compuesto nitrogenado con menor peligrosidad para los peces y
la vida acuática por lo tanto la concentración tóxica para los peces es mucho mayor comparada
con los límites establecidos para el amoniaco y nitritos (Bregnballe, J. (2015), además debido a
que la concentración de amoniaco es muy baja tampoco existían condiciones para producir
niveles muy altos de nitratos en el sistema; a pesar de lo anterior, es importante tener en cuenta
que para expertos y en la literatura se recomiendan concentraciones de nitrato no tan altas
estando estas entre 0-40 mg/L (Bautista, J., Ruíz, J., 2011), teniendo esto en cuenta, se evidencia
que aún se sigue cumpliendo con estos límites planteados, ya que 5 mg/L sigue siendo una
concentración baja.
78
Figura 29. Comparación entre los nitratos presentes en la pecera y los valores recomendados por
la FAO.
Fuente: Autores, 2021.
Es importante tener en cuenta que la diferencia entre los límites de la FAO y los de otros autores
puede deberse a que concentraciones de nitratos mayores a 40 mg/L pueden ser tóxicas para
algunos peces, puesto a que no todos tienen resistencia a altas concentraciones de nitrato, sin
embargo, esto depende de la especie. (Lloret, J., 2006) Por esto, es importante, monitorear este
parámetro con el fin de evitar que se vuelva en un tóxico para los peces, para esto se recomienda
principalmente la remoción a partir de la dilución por recambio constante del agua (Mollaplaza,
T., 2017), sin embargo, es precisamente dicha actividad la que se pretende reemplazar en el
presente proyecto planteando una recirculación, es por esto, que se adopta un sistema acuapónico
con el fin de incluir una unidad de siembra que reemplace el proceso de recambio.
El principio de esta unidad es que se utilizan los nitratos generados por el tratamiento previo
(biofiltración) de los desechos orgánicos producidos por algún organismo acuático, como fuente
de alimento para las plantas. A partir de esto, en el presente proyecto se buscó evaluar la
eficiencia de esta unidad en cuanto a porcentaje de remoción de nitrato, el cual fue de 66,7%,
adicionalmente, se debe aclarar que este porcentaje se aplica sobre la técnica de siembra
utilizada, la cual corresponde a la de inundación y drenaje, como se explica en la metodología.
Lo anterior, permite inferir que aunque para el prototipo aplicado el porcentaje de remoción
permitió niveles bajos de nitratos, probablemente al aplicar esta técnica en un cultivo a escala
79
real este porcentaje de remoción no sea suficiente para lograr valores menores o iguales a 40
mg/L por lo que es importante que en ese caso se tenga conocimiento previo de si la especie a
cultivar resiste o no las concentraciones esperadas; Otro factor que puede influir en el porcentaje
de remoción es el tipo de técnica implementada, puesto que la utilizada en el presente se
recomienda en mayor medida para sistemas muy pequeños (acuaponía casera), ya que, aunque al
utilizar un sustrato este le brinda soporte a las raíces, una alta carga de partículas orgánicas puede
generar colmatación y por ende, generar ambientes anaerobios (Ramirez D, Sabogal D, Jimenez
P & Hurtado H., 2008).
Por otro lado, se debe tener en cuenta que al implementar estos sistemas es importante tener
conocimiento de la cantidad de nutrientes requeridos por la planta seleccionada, puesto que, un
déficit de nutrientes también puede generar que la planta se estrese y que sus hojas se marchiten,
por lo que el sistema sería ineficiente, en este caso se seleccionó la menta como planta, teniendo
conocimiento de que requiere de aproximadamente 225 Kg/Ha N (Brown B, Hart J, Wescott M &
Christensen W., s.f), con el fin de comparar este valor con la cantidad de nitrógeno que entró a
nuestro sistema se tuvo en cuenta que el nitrato presenta nitrógeno en un 22.5%, por lo que se
calcularon los Kg/Ha de nitrógeno que se está ingresando al sistema a partir de la concentración
de 15 mg/L, que como ya se ha dicho es la que se presenta a la salida de la torre de aireación, lo
anterior se puede evidenciar en el procedimiento a continuación.
𝑁 =22.5 ∗ 15
𝑚𝑔𝐿
100= 3.375
𝑚𝑔
𝑙𝑁
3.375𝑚𝑔
𝑙∗ (
1𝑘𝑔
1000000) ∗ (
1000 𝑙
1𝑚3) = 0.003375
𝐾𝑔
𝑚3
0.003375𝐾𝑔
𝑚3∗ (
0.0036 𝑚3
0.04 𝑚2) ∗ (
1 𝑚2
0.0001 ℎ𝑎) = 3.03
𝑘𝑔
𝐻𝑎𝑁
El procedimiento anterior, se basa principalmente en multiplicar la concentración por el volumen
de la zona de siembra para posteriormente dividirse en el aérea de la misma, en cuanto al
resultado se evidenció que nuestro sistema únicamente presentó 3.3 Kg/Ha de nitrógeno. La
importancia de esto recae en que en el tiempo transcurrido se pudo observar una leve coloración
amarilla en las hojas, por lo que se infiere que probablemente los nitratos que absorbió la planta
no fueron los suficientes y que probablemente por esta razón el porcentaje de remoción no fue
mayor; también se recalca en que aunque la teoría recomienda una relación mínima de pez:
planta de 1:10, en este caso esta relación no aplicaba debido a las bajas concentraciones de
compuestos nitrogenados que se presentaban como ya se explicó en la sección de diagnóstico de
los resultados.
80
Finalmente, como ya se ha mencionado en el presente, el proceso de nitrificación es el que se da
en la torre de biofiltración, sin embargo este tiende a generar una disminución significativa en la
alcalinidad del agua debido a que se liberan iones de hidrógeno durante este proceso (H+) lo que
a su vez aumenta el pH (Van, J., Tal, Y., & Schreier, H., 2006), esto podría explicar por qué los
valores de este parámetro son tan bajos en comparación con lo recomendado por la FAO, pues
este último estipula que no sea menor a 100 mg/L CaCO3, pero en la práctica los valores tienen
un promedio de 33 mg/L. (Tabla 17, Figura 31).
Figura 30. Comparación entre la alcalinidad presente en la pecera y la recomendada por la FAO.
Fuente: Autores, 2021.
De acuerdo a lo anterior se debe tener presente que por otro lado se encuentra el proceso de
desnitrificación el cual consiste en que el nitrato que ingresa a la unidad de siembra es reducido
por las bacterias allí presentes a compuestos nitrogenados gaseosos, (Colorado, M & Ospina, M.,
2019) lo cual, genera un aumento de la alcalinidad al consumir los iones de hidrógeno liberados
anteriormente y a la vez generando iones hidroxilo, lo que vuelve a aumentar el pH dentro del
sistema (Van, J., Tal, Y., & Schreier, H., 2006), permitiendo inferir que es esta la razón por la
que la alcalinidad aumenta después de la puesta en marcha del sistema (Tabla 17, Figura 30) y
por la cual el pH se mantuvo mayormente estable durante todo el desarrollo del proyecto (Tabla
17, Figura 31). Lo anteriormente explicado se muestra en la siguiente estequiometria:
NH4+ + 2º2 = NO3− + 2H+ + H2O
2NO3− + 12H+ + 10e− = N2 + 6H2O
81
Figura 31. Comparación entre el pH en la pecera con valores recomendados por la FAO
Fuente: Autores, 2021
Por último, se debe aclarar que el aumento en la alcalinidad es beneficioso ya que como se
mencionó en la sección 7.1, una alta alcalinidad mantiene el pH estable y disminuye la variación
que este pueda tener durante el día, evitando así que los peces se vean afectados por subidas o
bajadas extremas en los niveles de pH (Wurts W., & Durborow R., 1992). Sin embargo, el
aumento en la alcalinidad en el sistema no es suficiente por lo tanto se recomienda tomar
medidas adicionales para subir la alcalinidad gradualmente en los estanques al momento de
implementar estos sistemas a escala real, a pesar de esto, el agua que estaría proporcionando el
sistema a los estanques tendría una mejor calidad en este aspecto, ya que sería casi cinco veces
mayor que la alcalinidad de una fuente de abastecimiento de agua natural, al comparar con las
características de la fuente utilizada en la finca palestina, siendo este comportamiento igual con
el pH (Tabla 18).
82
6.5. Comparación del sistema.
6.5.1. Con otras fuentes de abastecimiento.
A pesar de que la fuente de abastecimiento de la finca palestina es el punto de comparación
principal, es importante también realizar comparaciones con otras fuentes de abastecimiento de
cultivos de peces para verificar que este sistema pueda ser aplicado ampliamente. Para esto se
tiene como punto de comparación la caracterización de agua lluvia realizada por Gallego, I &
García D. en 2017, ya que el agua lluvia es la fuente empleada en lugares donde la disponibilidad
de agua es escasa, además estos sistemas de recirculación son mayormente aplicados en estos
mismos lugares.
Tabla 24.Carcterización de agua lluvia.
Parámetro Unidades Valor(Gallego, I & García
D., 2017)
Amoniaco mg/L 0,92
Nitritos mg/L 0,021
Nitratos mg/L 1,7
Sólidos
suspendidos
mg/L 14
pH NA 5,5
Alcalinidad mg/L 3,21
Fuente: Autores
Como se puede evidenciar en la tabla anterior el amoniaco en el agua lluvia supera el límite
propuesto mencionado anteriormente de 0,5 mg/L, por lo tanto sería recomendado en lugares
donde se emplee esta agua en los estanques pasar el agua en primer lugar por el sistema de
tratamiento antes de incorporarlo a los estanques y así evitar la mortalidad de peces.
83
Teniendo en cuenta lo anterior, es importante tener en cuenta el bajo pH de esta agua, ya que en
los procesos de nitrificación este pH disminuye aún más debido a las razones mencionadas
anteriormente, e incluso si no disminuye el pH actual es mucho más bajo que los límites
expuestos por la FAO, por lo tanto es necesario o sería recomendable integrar procesos en el
sistema que permitan aumentar el pH y la alcalinidad de forma segura para los peces como el
uso de piedra caliza.
Por otro lado el sistema lograria proporcionar agua con una mayor calidad que el agua lluvia, en
todos los parámetros a excepción de los nitratos y sólidos suspendidos que son menores en el
agua lluvia, a pesar de esto si se compara con la caracterización inicial del sistema (Tabla 7), se
evidencia que el sistema inicialmente no contiene nitratos, la concentración era de 0 mg/L en
cambio si se emplea el agua lluvia el sistema iniciaría su funcionamiento con una concentración
inicial de nitratos por lo tanto el efluente del sistema podría terminar con un nivel mayor de este
parámetro, lo cual necesariamente no es negativo ya que esto puede significarse que las plantas
de la unidad de siembra presenten un menor estrés al tener más nutrientes disponibles.
En cuanto a los sólidos el hecho de que en el presente proyecto el sistema proporcione agua con
más sólidos suspendidos que el agua lluvia no es realmente algo que se pueda establecer como
cierto, ya que como se mencionó anteriormente lo recomendado seria pasar el agua lluvia
recolectada por el sistema de tratamiento, lo que quiere decir que estos sólidos suspendidos
disminuirían y por ende el sistema proporcionaría agua con un nivel de sólidos suspendidos
aceptable e incluso menor que en el presente proyecto. En conclusión, la calidad del agua del
efluente del sistema depende de la calidad del agua de entrada a este de forma directamente
proporcional.
6.5.2. Con otros sistemas de tratamiento.
Es importante tener en cuenta que para determinar si el sistema de tratamiento para la
recirculación de agua piscícola presentado en el presente proyecto, es eficiente no solamente es
importante tener en cuenta los porcentajes de remoción, como se presenta en la sección 6.5, sino
que también se deben comparar los resultados de la calidad del agua obtenidos con los de otros
sistemas de tratamiento, es por esto, que se presenta la siguiente tabla.
84
Tabla 25. Comparación con otros sistemas de tratamiento de aguas piscícolas.
Parámetro
Método
Sistema planteado en
el presente proyecto
Sistema acuapónico
con orégano 1
Sistema acuapónico
con 4 tipos de plantas 2
Valor promedio en mg /L
pH 7,2 6,4 7,5
Amoniaco 0,16 0,92 Menor a 1
Nitritos 0,062 0,45 9
Nitratos 5 76,3 32,24
Dióxido de
carbono libre 3,25 NA NA
Alcalinidad 32,1 NA NA
Sólidos
suspendidos 72,5 NA 33,09
DBO 2,8 NA 25
1 Este sistema de tratamiento implementa biofiltración, y camas de siembra de orégano (Ramírez
L., Pérez M., Jiménez P., Hurtado H., & Gómez E., 2011)
2 Este sistema de tratamiento implementa biofiltración y camas de siembra con cilantro,
albahaca, ají y tomate cherry (Ruíz W ., & Guayara J., 2020)
Fuente: Autores, 2021
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La tabla anterior fue desarrollada a partir del promedio de los valores obtenidos de cada
parámetro en cada una de las fechas de caracterización del respectivo estudio, y se resalta que en
los estudios presentados en la tabla, fueron con el que hubo una mayor similitud en cuanto a los
parámetros tenidos en cuenta. Es importante señalar que se buscaron los tratamientos con mayor
similitud, pues ambos son acuapónicos por lo que presentan biofiltración y zona de siembra, sin
embargo a comparación del presente, ninguno establece una unidad para la remoción de dióxido
de carbono como lo es la torre de aireación, y de igual manera no se tiene en cuenta la filtración
mecánica.
En lo que respecta al amoniaco, nitratos, nitritos y DBO se evidencia claramente que se
obtuvieron mejores resultados en cuanto a calidad, por lo que se infiere que el sistema de
tratamiento presenta una mayor eficiencia, de igual forma se rectifica que el proceso de
nitrificación se dio de manera óptima y que la oxigenación por torre de aireación, también es
necesaria, pues como se explicó en la sección 6.4 esta tiene relación directa con el
comportamiento de los nitratos.
Finalmente, se evidencia que en comparación con los otros dos estudios, los sólidos suspendidos
presentaron valores considerablemente altos, lo cual se evidencia de igual manera en los
porcentajes de remoción donde este no presentó una tendencia a disminuir sino que hubo un
aumento en algunos periodos.
7. CONCLUSIONES
El sistema demostró ser eficiente en el proceso de filtración biológica manteniendo todos los parámetros
relevantes en este aspecto (DBO, amoniaco, nitritos y nitratos) dentro de los rangos favorables
establecidos por la FAO, y otros expertos para el caso del amoniaco, dentro de la pecera, manteniendo
porcentajes de remoción del 100% para la DBO y el amoniaco después de la primera semana,
proporcionando agua con mejor calidad que la fuente de abastecimiento de los estanques de la finca
piscícola Palestina para todo los parámetros, incluso con niveles 100% menores que los de la fuente de
abastecimiento; además se logró dar un proceso de nitrificación completo después de la primera semana
de funcionamiento, evitando la producción y aumento en los niveles de compuestos tóxicos como los
nitritos.
Sin embargo el sistema no demostró la misma eficiencia en cuanto a la remoción de sólidos suspendidos,
teniendo porcentajes de remoción promedio durante la recirculación del 58%, proporcionando agua con
un nivel mayor de sólidos al de la fuente de abastecimiento de la finca (específicamente un 103% o más
86
del doble), aun así el sistema logró mantener niveles favorables de sólidos suspendidos dentro de la
pecera menores a los estanques de la finca Palestina y que cumplen con lo establecido por la FAO, lo cual
es relevante teniendo en cuenta que tienen la misma densidad de peces.
El pH en el sistema se mantuvo estable durante la duración del proyecto, y en un nivel mucho más
favorable que el pH de la fuente de abastecimiento de la finca en cuestión, este último se encontraba fuera
de los rangos planteados por la FAO siendo así desfavorable para los peces, demostrando que a pesar de
que el pH disminuye durante el proceso de nitrificación esto se contrarrestó con el proceso de
desnitrificación de la unidad de siembra.
La piedra pómez demostró ser un medio filtrante funcional para los procesos de filtración biológica, no
solo permitiendo la formación de biopelículas y el crecimiento de microorganismos, sino también siendo
mucho menos costoso que los medios tradicionalmente empleados en estas unidades.
En el proceso de puesta en marcha del sistema de tratamiento se manejó una adecuada oxigenación, lo
cual se reflejó, en los bajos valores de dióxido de carbono y nitratos, por lo que se define la torre de
aireación como una unidad adecuada como complemento del sistema de oxigenación, además los rangos
de remoción se encuentran entre los valores normales con porcentajes promedio del 35% de remoción.
Para implementar un sistema de tratamiento de agua que implique que se maneje un ciclo cerrado, como
el que se propuso en el presente, a escala industrial, es necesario plantear sistemas acuapónicos, los cuales
reemplazan el recambio diario del agua, pues, de lo contrario con solo el biofiltro como unidad, se
presentaría la generación y acumulación de nitratos, pudiendo llegar a niveles tóxicos para los peces,
alterando a su vez parámetros como alcalinidad y pH los cuales son indispensables mantener controlados
para evitar que los organismos se enfermen o incluso mueran.
Adicional la unidad de siembra logró una remoción de nitratos del 66,7%, y se presentó un
comportamiento constante del componente por lo que se evitó la acumulación del mismo en la pecera,
87
demostrando que la planta seleccionada (menta) y el tipo de sistema (inundación y drenaje) fueron
óptimos a una escala de implementación de prototipo.
En general el sistema demostró ser eficiente y logró proporcionar agua con una mayor calidad para el
desarrollo de los peces que el agua captada para abastecer los estanques de cultivo de la finca en cuestión
para la mayoría de los parámetros a excepción de los sólidos suspendidos, a pesar de esto su
implementación en cultivos puede ser factible, ya que todos los parámetros dentro de la pecera la cual
sería el estanque a escala real se mantuvieron dentro de los rangos aceptables estableció por la FAO y
demás expertos.
Finalmente, se demostró que implementar un sistema acuapónico, es viable en cuanto a la calidad del
agua de los estanques, y que permite el cumplimento del objetivo principal de disminuir el consumo de
agua que en este tipo de prácticas, adicionalmente, se promueve la seguridad alimentaria, al implementar
cultivos, por lo que, comenzar a sustituir la piscicultura tradicional por estos modelos de tratamiento, trae
grandes beneficios a nivel ambiental, económico y social.
8. RECOMENDACIONES
Es importante controlar las concentraciones de amoniaco y la carga orgánica que ingresa al sistema ya
que si disminuye demasiado como disminuye hacia el final de la fase experimental del presente proyecto,
los microorganismos no tendrán alimento suficiente y el filtro sería inoperante. Además es importante
controlar que la carga orgánica (DBO) no sea demasiado alta y exceda demasiado el amoniaco, ya que los
microorganismos pueden terminar degradando la materia orgánica sin realizar nitrificación.
Para definir con mayor certeza si la unidad de torre de filtración es efectiva en la remoción de sólidos
suspendidos serán necesarios estudios más extensos para ver cómo evoluciona la remoción de sólidos en
el tiempo, para poder concluir si definitivamente es más factible y/o necesario remover los sólidos
suspendidos de otra forma como implementando los dos filtros de forma independiente y no en la misma
unidad.
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Se recomienda implementar medidas dentro de los estanques o adicionar un proceso al sistema que
permita controlar la alcalinidad y aumente los niveles de esta, ya que aunque el sistema logró elevar la
alcalinidad en comparación con antes de su puesta en marcha, no logró llegar a los valores favorables para
controlar la estabilidad del pH, una solución interesante sería utilizar piedra caliza como medio en la torre
de aireación, aunque necesitará ser validada su efectividad, o bien incorporar piedra caliza en los
estanques.
Para la torre de aireación, podría utilizarse como medio los pull ring, lo cuales están hechos de cerámica
lo que podría generar una disminución en los sólidos suspendidos del sistema, adicionalmente, estos
presentan eficiencias mayores, por lo que es muy importante que se tengan en cuenta las condiciones de
los estanques que se deseen tratar.
Aunque se obtuvieron resultados satisfactorios con la técnica de acuaponía propuesta (Inundación y
drenaje), se recomienda que para la implementación de esta a escala real, se evalúen las condiciones de
los cultivos, para la selección óptima de la técnica, siendo la NFT la más recomendada y utilizada para
grandes cultivos de peces.
En caso tal de que se quiera llevar a cabo el sistema de recirculación propuesto sin la torre de aireación, es
importante tener en cuenta que se deben buscar alternativas que reemplacen esta unidad y que
complementen el proceso de oxigenación, con el fin de poder obtener resultados igual o mejores a los
mostrados en el presente.
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ANEXOS
• ANEXO 1: Planos de planta
• ANEXO 2: Plano sección 1 y 2.
• ANEXO 3: Planos sección 3.
• ANEXO 4: P&ID
• ANEXO 5: Informe de la calidad de agua de la fuente de abastecimiento de la finca palestina.
• ANEXO 6: Lista de equipos.