Skimmer de proteínas en acuicultura RAS
El primer artículo mostró que el fraccionamiento por espuma es un proceso de separación interfacial. Esta segunda parte aborda la cuestión práctica: ¿cómo dimensionar un sistema profesional y cómo integrarlo en una línea de tratamiento en la que la filtración mecánica, la biofiltración, la desgasificación, el ozono y los UV deben funcionar de forma coherente? El método propuesto es deliberadamente conservador: los valores de rendimiento comercial anunciados por los fabricantes no pueden trasladarse directamente de un sistema a otro.
El principio de dimensionamiento: partir de la carga, no del volumen
El volumen del tanque es un parámetro hidráulico, pero la carga orgánica está determinada principalmente por la ración de alimento, su digestibilidad, la composición del alimento, la biomasa, la renovación del agua y la dinámica microbiana. Por lo tanto, dos tanques pueden requerir capacidades de fraccionamiento por espuma muy diferentes.
Carga de alimentación (kg/día) = ración diaria de alimento realmente distribuida
El primer enfoque consiste en establecer un balance de materia a partir de la ración de alimento. A continuación, se estima la fracción de carbono orgánico susceptible de estar presente en el agua y, sobre todo, la fracción que puede ser efectivamente capturada por el proceso de fraccionamiento.
Puede establecerse el siguiente balance conceptual:
Entradas orgánicas = biomasa producida + sólidos separados + materia disuelta exportada + transformaciones internas + pérdidas
Este balance no constituye una ecuación universal de dimensionamiento. Una parte del alimento se convierte en materia fecal y debe ser capturada mecánicamente; otra parte es metabolizada; y otra parte alimenta a los microorganismos. La fracción susceptible de ser eliminada mediante fraccionamiento por espuma depende de la calidad del agua y, idealmente, debe determinarse mediante mediciones o ensayos piloto.
1. Carga orgánica y concentración: dos parámetros diferentes
Una concentración de DQO expresada en mg/L no es suficiente para conocer el flujo de materia que debe tratarse. El flujo másico depende del caudal hidráulico. A la inversa, un caudal elevado no significa necesariamente una carga elevada si la concentración es baja.
Flujo másico = Q × C
donde Q es el caudal volumétrico y C es la concentración de la sustancia considerada. En un sistema profesional, los balances de materia deben establecerse utilizando unidades coherentes, generalmente kg/día, m³/h y mg/L.
2. Caudal de agua a través del skimmer
El caudal de agua que atraviesa el skimmer debe seleccionarse en función de su volumen útil, su diseño y la calidad de la mezcla. Un caudal excesivo reduce el tiempo de contacto y puede alterar la zona de recogida. Un caudal demasiado bajo reduce la renovación de la masa de agua.
Por lo tanto, el criterio pertinente no es simplemente «cuántas veces pasa el volumen del tanque por el skimmer», sino la combinación entre la tasa de tratamiento, la carga orgánica, la capacidad de fraccionamiento y la calidad del agua deseada a la salida.
3. Caudal de aire y relación aire/agua
La relación entre el caudal de aire y el caudal de agua constituye un parámetro fundamental de diseño. Aumentar el caudal de aire incrementa la superficie interfacial, pero una cantidad excesiva de aire puede desestabilizar el funcionamiento hidráulico, aumentar las pérdidas de carga y provocar una espuma demasiado húmeda.
Los equipos que presentan un caudal de aire muy elevado no son necesariamente los más eficientes, ya que, en última instancia, este diseño puede perturbar el proceso de separación.
Relación aire/agua = Q_aire / Q_agua
4. Tiempo de retención hidráulica
Se trata de un parámetro muy importante que condiciona la eficiencia del equipo. Los skimmers compactos se ven penalizados por un tiempo de retención demasiado corto.
τ = V / Q
τ representa el tiempo de retención hidráulica teórico, V el volumen útil del contactor y Q el caudal que lo atraviesa. Este parámetro es útil para comparar diferentes configuraciones, pero no describe la distribución real de los tiempos de contacto.
5. Velocidad superficial y comportamiento de las burbujas
La velocidad superficial del agua o de la mezcla aire/agua influye en la interacción entre las burbujas, su tiempo de ascenso y la estabilidad de la columna.
En una columna correctamente diseñada, debe evitarse que el flujo hidráulico arrastre las burbujas demasiado rápidamente hacia la salida o genere zonas de recirculación incontroladas.
6. Un dimensionamiento por etapas
- Definir el objetivo
- Extracción de DQO, mejora de la transparencia del agua, pretratamiento antes del ozono, reducción de la carga orgánica o una combinación de estos objetivos.
- Establecer el balance hidráulico
- Volumen, caudal de recirculación, caudal disponible, altura estática y pérdidas de carga.
- Establecer el balance de carga
- Ración de alimento, biomasa, sólidos, DOC/DQO cuando estén disponibles y posibles aportes externos.
- Definir las hipótesis relativas a la fracción susceptible de ser eliminada mediante fraccionamiento por espuma y su nivel de incertidumbre.
- Seleccionar la tecnología de generación de burbujas.
- Dimensionar el contactor y la zona de recogida.
- Comprobar el balance energético
- Bomba, suministro de aire, posible generación de ozono y tratamiento del gas residual.
- Prever los ajustes, las purgas, la limpieza y la evacuación del concentrado.
- Validar las prestaciones mediante mediciones durante la explotación o mediante ensayos piloto cuando la importancia económica o biológica lo justifique.
7. Fraccionamiento por espuma + ozono: diseño de un sistema acoplado
En un sistema con ozono, el skimmer puede constituir una parte del contactor gas/agua. El dimensionamiento debe integrar entonces la solubilización del ozono, su tiempo de contacto, su transferencia, la demanda de ozono del agua y el tratamiento del gas de salida.
La destrucción del ozono residual es un elemento esencial de seguridad y de calidad de funcionamiento.
Tasa de transferencia de O₃ = (O₃ inyectado − O₃ residual gas/líquido) / O₃ inyectado
Esta relación constituye una forma sencilla de representar la eficiencia de transferencia. En la práctica, el cálculo debe distinguir los flujos gaseosos y líquidos y tener en cuenta las condiciones de medición.
8. Fraccionamiento por espuma y esterilización UV
La reducción de la materia orgánica y de la coloración puede mejorar las condiciones del tratamiento posterior.
Sin embargo, la radiación UV es un proceso de inactivación que depende, entre otros factores, de la dosis UV y de la transmitancia del agua.
Por lo tanto, es incorrecto afirmar que un skimmer «aumenta la potencia UV»: mejora la calidad óptica del agua y contribuye indirectamente a mantener las condiciones necesarias para un tratamiento UV eficaz.
9. Fraccionamiento por espuma y biofiltración: complementariedad y compromisos
Un MBBR es un reactor biológico. Un skimmer es un proceso de separación. Su asociación permite distribuir las diferentes funciones de tratamiento.
Sin embargo, una extracción orgánica muy intensa modifica el sustrato disponible para las bacterias heterótrofas. En algunos sistemas, esta modificación puede ser deseable, especialmente en sistemas con una carga elevada, como los RAS o los viveros.
En otros casos, puede requerir una adaptación de la estrategia biológica, por ejemplo en criaderos o instalaciones de acuariología.
10. ¿Fraccionamiento por espuma o DAF?
El fraccionamiento por espuma y la flotación por aire disuelto (DAF) utilizan ambos burbujas, pero sus objetivos y principios de funcionamiento son diferentes.
El DAF está diseñado principalmente para hacer flotar partículas o flóculos hacia una superficie de separación. Puede ser muy eficaz para materias en suspensión o floculadas e incluso para determinados aceites.
El skimmer tiene como objetivo concentrar compuestos disueltos y coloidales con afinidad por la interfaz gas/agua.
11. Fraccionamiento por espuma en acuicultura marina
En la acuicultura marina intensiva, el skimmer puede instalarse en un circuito principal o secundario de tratamiento.
La elección depende de la tolerancia de los animales, del caudal disponible, de la necesidad de exportación de materia orgánica y del posible uso de ozono.
Un circuito de derivación puede permitir optimizar el tiempo de contacto sin imponer pérdidas de carga excesivas a todo el circuito de recirculación.
12. El caso particular de los criaderos
Las larvas y los organismos planctónicos pueden ser mucho más sensibles a las modificaciones de la calidad del agua.
Un fraccionamiento por espuma intensivo puede eliminar compuestos o partículas útiles, modificar la disponibilidad de determinadas sustancias y alterar los equilibrios microbianos.
Por lo tanto, la estrategia debe adaptarse a la etapa biológica en lugar de aplicarse como una regla general.
13. Fraccionamiento por espuma en acuarios públicos
En un acuario público, el dimensionamiento debe tener en cuenta la diversidad de especies, los regímenes alimentarios, los grandes volúmenes de agua y la necesidad de una elevada disponibilidad de los equipos.
La redundancia, la facilidad de limpieza, la accesibilidad de los vasos colectores y la supervisión del sistema se convierten en criterios tan importantes como el rendimiento teórico.
14. Errores de dimensionamiento que deben evitarse
- Dimensionar el sistema únicamente a partir del volumen del tanque.
- Utilizar una capacidad comercial sin conocer las condiciones en las que fue determinada.
- Aumentar el caudal de aire sin comprobar la hidráulica y la estabilidad de la espuma.
- Confundir la concentración de DQO con la carga másica que debe tratarse.
- Considerar que toda la DQO puede eliminarse mediante fraccionamiento por espuma.
- Ignorar las diferencias entre agua dulce y agua de mar.
- No tener en cuenta las pérdidas de carga del Venturi y del sistema de generación de burbujas.
- Combinar ozono y fraccionamiento por espuma sin tratar el gas residual.
- Sustituir la filtración mecánica por un skimmer.
- No prever regulación, purgas, limpieza e instrumentación.
15. Indicadores de rendimiento
Rendimiento de extracción (%) = (C_entrada − C_salida) / C_entrada × 100
Este rendimiento debe utilizarse con precaución: depende del punto de medición, del tiempo de retención y de la variación de la carga.
Para comparar sistemas, es preferible realizar un balance másico cuando sea posible medir los caudales y las concentraciones.
Carga extraída = Q × (C_entrada − C_salida)
Un skimmer puede presentar un elevado rendimiento de eliminación de concentración y, al mismo tiempo, retirar una masa total reducida si la carga entrante es baja.
Por el contrario, puede obtenerse una elevada extracción másica con una reducción moderada de la concentración cuando el caudal es muy elevado.
16. Energía y costes de explotación
El coste de un skimmer no se limita a su precio de adquisición.
Deben tenerse en cuenta la bomba, el compresor o la bomba de aire, las pérdidas de carga, la limpieza, las piezas de desgaste, la evacuación del concentrado y, en caso de utilizar ozono, el generador y el destructor de ozono.
Por lo tanto, el mejor sistema rara vez es aquel que maximiza la cantidad de aire inyectado. Es aquel que alcanza el objetivo de calidad del agua con un consumo energético y una complejidad compatibles con las condiciones de explotación.
Conclusión
El fraccionamiento por espuma constituye una herramienta potente para la gestión de la materia orgánica en sistemas acuáticos intensivos, pero su eficacia depende de parámetros que rara vez pueden resumirse mediante una simple relación volumen/caudal.
Un dimensionamiento adecuado debe relacionar la carga de alimentación, la composición del agua, el caudal hidráulico, la producción de burbujas, la superficie interfacial, el tiempo de contacto, la estabilidad de la espuma y la estrategia global de tratamiento.
En un RAS o en un acuario público, el skimmer debe considerarse como un elemento de una línea de tratamiento integrada:
- la filtración mecánica elimina los sólidos;
- la biofiltración transforma los compuestos nitrogenados;
- la desgasificación controla los gases disueltos;
- el ozono puede modificar y oxidar la materia orgánica;
- el skimmer exporta una fracción interfacial;
- la radiación UV asegura la inactivación microbiológica.
El rendimiento global es, por tanto, el resultado de la interacción entre estos diferentes procesos.