DISEÑO DE UN SISTEMA ACUAPÓNICO POR INUNDACIÓN Y DRENAJE …
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1 DISEÑO DE UN SISTEMA ACUAPÓNICO POR INUNDACIÓN Y DRENAJE ANDRÉS FELIPE MALDONADO CAICEDO PROFESOR ASESOR: GIACOMO BARBIERI, PHD DOCUMENTO PROYECTO DE GRADO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES MAYO DE 2018
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DISEÑO DE UN SISTEMA ACUAPÓNICO POR INUNDACIÓN Y DRENAJE
ANDRÉS FELIPE MALDONADO CAICEDO
PROFESOR ASESOR:
GIACOMO BARBIERI, PHD
DOCUMENTO PROYECTO DE GRADO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
MAYO DE 2018
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1. Agradecimientos
Quiero expresar mi gratitud y reconocimiento con todos aquellos a los que me apoyaron para poder
culminar este proyecto exitosamente. A mi profesor y asesor Giacomo Barbieri, quien con su
apoyo y motivación hizo posible que cada una de las etapas del proyecto fueran exitosas.
A mis padres por su esfuerzo y dedicación enfocado en poder realizar mis estudios en la
Universidad de los Andes y por su apoyo y motivación durante el desarrollo de mi proyecto de
grado.
A mi novia por ser un apoyo constante durante el desarrollo del proyecto y por brindar siempre la
alegría en los momentos más difíciles.
Agradezco a todos los profesores que con su enseñanza me formaron como ingeniero mecánico, y
con su empeño y dedicación me guiaron a través del proceso de formación. A la universidad por
ser la institución en la que todos los sueños son posibles. A mis amigos por ser un apoyo constante
durante todo mi paso por la carrera y sobre todo por aquellos momentos difíciles en los que cada
esfuerzo extra fue importante para llegar hasta aquí.
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2. Introducción
Desde que los humanos desarrollaron la agricultura se ha buscado la forma de incrementar la
eficiencia en la producción de los cultivos para proveer suficiente alimento para el crecimiento
constante de nuestra civilización. A través de la innovación, se han alcanzado nuevos niveles de
producción de alimentos que han alterado los ciclos naturales de la Tierra, con la consecuencia de
generar grandes cambios en los ecosistemas naturales (Cohen, Malone, Morris, Weissburg, &
Bras, 2018). La agricultura tradicional consume entre el 80-90% de los suministros de agua dulce
en los Estados Unidos en una época en la que los suministros son cada vez más limitados y costosos
(Practices & Use, 2018).
Un sistema acuapónico de inundación y drenaje tiene como fundamento la hidroponía y la
acuacultura. Este sistema recoge los beneficios de ambos mundos y los integra para recrear un
ecosistema en el cual se aprovechen los recursos al máximo. En el componente de acuacultura se
recrea un ciclo de crecimiento y desarrollo de una especie de pescado. El ciclo comienza cuando
se introduce el alimento para que lo consuman los pescados, allí los pescados por medio de su
sistema digestivo producen desechos orgánicos que cargan el agua de nutrientes asimilables para
las plantas, como también por medio de su sistema respiratorio introducen nitrógeno amoniacal en
el agua que posteriormente va a ser el alimento de las bacterias.
El componente hidropónico del sistema es el encargado de realizar un proceso de limpieza y
purificación en el agua para que esta pueda ser reutilizada por los pescados. El proceso ocurre
mediante el ciclo del nitrógeno, donde el agua cargada de desechos y nutrientes proveniente de los
pescados es circulada a través de una cama de crecimiento que contiene un sustrato neutro, donde
las bacterias nitrificantes van a encontrar un ambiente perfecto para establecerse. Estas bacterias
descomponen el nitrógeno amoniacal en nitritos y posteriormente en nitratos para que puedan ser
asimilados por las plantas, por lo que el sistema es recirculante y aprovecha cada uno de los
componentes que habitan en ese ecosistema.
Un sistema acuapónico eficiente es capaz de utilizar hasta un 95% menos del agua utilizada en
procesos tradicionales de agricultura para cultivar la misma cantidad de plantas, además permite
producir alimento totalmente orgánico ya que no es posible introducir ningún tipo de producto
químico que pueda ser perjudicial para los pescados, plantas y bacterias que están establecidas en
el sistema. Por otra parte, es posible caracterizar y controlar cada uno de los factores claves que se
requieren para que el sistema sea exitoso y estable, como lo son la cantidad de nutrientes y
desechos en el agua.
Los sistemas cerrados recirculantes en ambientes controlados que sirven para el cultivo de
vegetales y pescados pueden ayudar a reducir el uso del agua y la eutroficación. Siendo que los
desechos cargados de fertilizantes en el agua y regados sobre extensas áreas de cultivos tienden a
liberar una cantidad excesiva de nitrógeno en los reservorios de agua subterránea, generando
eutroficación en las tierras fértiles. Las nuevas tecnologías en el área de la acuaponía tienen el
potencial de reemplazar los métodos productivos de agricultura y acuacultura a una fracción de
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agua, nutrientes, y uso de la tierra, proveyendo una solución más sostenible para la agricultura
tradicional (Cohen et al., 2018).
El siguiente documento presenta el diseño, implementación y verificación de un sistema
acuapónico de inundación y drenaje. Se realizará una observación de la efectividad del biofiltro
para el proceso de nitrificación del amonio sintético y su capacidad para posteriormente ser capaz
de mantener una población estable de pescados. Se hará una comparación entre un método
estandarizado de medición del proceso de nitrificación y un método comercial disponible en el
mercado colombiano. Se comprobarán los consumos de potencia para diferentes configuraciones
del sistema y se evaluará brevemente un posible uso de energías renovables para su alimentación.
Finalmente, se realizarán mediciones del crecimiento de las plantas de lechuga en el tiempo para
verificar si el sistema es capaz de albergar y desarrollar un cultivo de lechugas durante el
establecimiento del biofiltro.
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3. Objetivos
3.1. General
• Diseñar un sistema acuapónico de inundación y drenaje eficiente y sostenible.
3.2. Específicos
• Comparar la eficiencia del establecimiento del biofiltro bajo el uso de plantas de
lechuga sembradas en un sistema con el que no las presenta.
• Comparar los métodos de medición de la calidad del agua en el sistema acuapónico que
tiene sembradas plantas durante el establecimiento del biofiltro.
• Caracterizar el consumo energético de los sistemas con y sin el uso de calefactores para
el agua en cada uno de los sistemas.
• Evaluar la efectividad del biofiltro bajo el establecimiento del cultivo bacteriano
mediante la introducción de amoniaco sintético durante el desarrollo del ciclo.
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4. Estado del arte
Existen diferentes tipos de sistemas de inundación y drenaje que se adaptan a las condiciones del
proyecto. El primero es un sistema básico que consta de una cama de crecimiento y un tanque para
pescados, allí el agua es llevada desde el tanque de los pescados localizado en el suelo hasta la
cama de crecimiento por medio de una bomba, la cama de crecimiento debe estar a una altura
superior al borde del tanque para pescados para garantizar que el agua sea drenada por gravedad.
Este sistema es el más fácil de instalar y adecuar, pero no es amigable con la salud de los pescados,
ya que para inundar la cama de crecimiento es necesario trasladar parte del agua del tanque
generando un ambiente estresante para los pescados.
Ilustración 1. Inundación y drenaje básico
En la ilustración 1 se puede observar el ciclo del agua, que va desde el tanque de los pescados
hasta la cama de crecimiento para después de ser inundada hasta el nivel deseado. La cama es
drenada nuevamente en el tanque de los pescados para finalizar el ciclo. Los beneficios de este
sistema radican en su facilidad de instalación y mantenimiento y en los costos de inversión inicial
necesaria, pero tiene grandes desventajas como contribuir a un estrés permanente en los pescados
por la variación constante del nivel del agua y porque no es fácil de escalar hacía más camas de
crecimiento ya que el nivel del agua va a descender cada vez más en el tanque. Una posible
solución al problema de más camas de crecimiento es el uso de una válvula indexadora que
permita llenar cada una de las camas por separado, pero sacrificando tiempo valioso de cada ciclo
de inundación y drenaje por cada cama.
El segundo tipo de configuración para el sistema de inundación y drenaje es mediante la adición
de un sumidero, el sumidero tiene el objetivo principal de mantener el nivel del agua en el tanque
siempre constante, además de separar la bomba de los pescados. El sistema observado en la
ilustración 2 muestra como la bomba circula el agua proveniente de las camas de crecimientos en
su etapa de drenaje hacia el tanque de los pescados, en el cual por medio de la fuerza de gravedad
se va a drenar el agua entrante hacia las camas de crecimiento. La ventaja de este sistema es la
altura constante de la columna de agua en el tanque de los pescados. Ahora bien, las desventajas
de este sistema tienen que ver con el sumidero, este sumidero debe ser lo suficientemente grande
para sostener el volumen de agua proveniente de las camas de crecimiento en su etapa de drenaje,
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pero también su altura máxima debe ser más baja que la salida de los drenajes de las camas de
crecimiento, además, para evitar daños en la bomba es necesario que el sumidero siempre
mantenga una altura de la columna de agua suficiente para que la bomba este siempre sumergida.
Otra de las desventajas es que la altura del tanque debe ser mayor que la altura del sumidero y de
las camas de crecimiento para que efectivamente el agua pueda fluir desde el tanque hacia las
camas por gravedad, según (Bernstein, 2011) el diseño del tanque para mantener una adecuada
población de pescados debe tener una relación de 3 a 1 en cuanto a diámetro por altura del tanque,
lo cual dificulta enormemente la instalación de un volumen reducido de agua como lo es el
objetivo de esta etapa inicial.
Ilustración 2. Sistema CHOP
El tercer sistema también involucra un sumidero con la diferencia en el diseño de circulación del
agua dentro del sistema. Desde la bomba ubicada en el sumidero se sube al agua hacia la cama de
crecimiento, pero también se hace una conexión directa hacia el tanque de los pescados. Esto crea
una mezcla constante de agua limpia proveniente de las camas de crecimiento y agua llena de
desechos y nutrientes proveniente del tanque de los pescados en el sumidero, con esta nueva
recirculación se elimina la necesidad de tener un tanque alto y se puede adecuar un tanque mucho
más acorde con las necesidades de los pescados. Las ventajas de este sistema están basadas en la
flexibilidad y simplicidad en el diseño, mientras se tenga una bomba lo suficientemente fuerte
para circular el agua y suficientes desechos provenientes de los pescados, entonces es posible
agregar más camas de crecimiento mediante nuevas conexiones en la tubería y así poder tener un
área de cultivo más grande. Cabe aclarar que, al agregar nuevas camas el volumen de agua dentro
del sumidero debe ser capaz de contener estos nuevos volúmenes, como también de mantener el
nivel mínimo de agua para el correcto funcionamiento de la bomba. Una desventaja del sistema
es que el agua limpia se mezcla con los residuos de los pescados en el sumidero, pero al mantener
un flujo constante y alta oxigenación en el sistema esta situación no compromete la salud del
ecosistema. Por lo tanto, es adecuado agregar fuentes de aireación y realizar mediciones
constantes de oxígeno disuelto en el agua para garantizar la buena salud de todos los componentes
(Bernstein, 2011).
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El diseño del sistema se adecua principalmente a el presupuesto, esto porque un sistema eficiente
con pescados debe ser capaz de mantener una relación de volumen entre el tanque de los pescados
y las camas de crecimiento de 1:1. Con las restricciones del costo y con la implementación de
trabajos futuros, el diseño del sistema no va a contener esta relación de volumen con la salvedad
de que no se van a introducir pescados en el sistema y por lo tanto no se compromete la salud de
los que serían los más afectados.
El equilibrio del sistema ocurre cuando los pescados segregan amonio, 80% a través de las agallas
y 17% a través de la orina y heces. Entonces, el ciclo de nitrificación comienza y se crea un cultivo
de bacterias oxidantes del amonio (BOA) que descomponen el amonio (𝑁𝐻3) en nitritos (𝑁𝑂2), y
otro cultivo de bacterias oxidantes de nitritos (BON) que se encargan de descomponer los nitritos
en nitratos (𝑁𝑂3). Estos nitratos son el alimento de las plantas, ya que el nitrato es una molécula
de nitrógeno que está combinada con oxígeno (Dudley, 2016).la siguiente ilustración muestra el
desarrollo del ciclo del nitrógeno para los sistemas acuapónicos.
Ilustración 3. Ciclo del nitrógeno
El amonio es producido como la mayor proporción del catabolismo de las proteínas y es excretado
principalmente como amonio desionizado a través de las branquias y como regla general se debe
mantener por debajo de 0.1 a 0.05 mg/L NH_3 -N. Los nitritos son un producto del proceso de
nitrificación del amonio a nitrato. Normalmente es convertido tan pronto como es producido a
nitrato, la falta de oxidación biológica de los nitritos resultará en concentraciones elevadas de
nitritos que pueden ser tóxicas para los pescados. Los altos niveles de nitritos muestran una falla
en el biofiltro y por lo tanto siempre deben ser atendidos inmediatamente. Los nitratos son el
resultado de todo el proceso de nitrificación y es el compuesto menos tóxico para los pescados. En
los sistemas recirculantes para la acuacultura es normal que se agregue un paso a la cadena de
producción. Este paso se hace por medio de intercambios diarios de agua o con el uso de la
desnitrificación. La desnitrificación se hace agregando cantidades importantes de cloruro de sodio
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o cloruro de calcio en el agua para crear una reacción química que descomponga los nitratos y
disminuya su concentración hasta niveles aceptables por los pescados. Por eso es que los sistemas
acuapónicos aprovechan la generación de nitratos para proveer los nutrientes necesarios para el
crecimiento de las plantas, ayudando a reducir la huella ambiental y reduciendo en gran medida la
necesidad de realizar cambios de agua en el sistema.
La filtración biológica es un medio efectivo para controlar el amonio presente en el agua. Existen
dos grupos filogenéticos distintos de bacterias que se encargan del proceso de nitrificación. Estos
son generalmente categorizados como bacterias autotróficas químico sintéticas porque derivan su
energía de compuestos inorgánicos (Timmons & Ebeling, 2013).
Las bacterias oxidantes del amonio (BOA) obtienen su energía catabolizando amonio desionizado
en nitrito incluyendo bacterias del grupo Nitrosomonas, Nitrosococcus. Nitrosopira, Nitrosolobus,
y Nitrosovibrio. Las bacterias oxidantes de nitritos (BON) oxidan nitritos en nitratos e incluyen
bacterias del grupo Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira, y Nitrospina (Hagopian & Riley, 1998).
La mayoría de los sistemas recirculantes de agua usan biorreactores que contienen superficies
ideales para el crecimiento de las bacterias mencionadas anteriormente. La capacidad de los filtros
para remover el amonio depende directamente del área superficial total disponible para el
crecimiento de las bacterias nitrificantes. Para la máxima eficiencia, se debe usar un sustrato que
contenga gran área superficial con una porosidad apreciable para adecuar el rendimiento hidráulico
del sistema. El sustrato usado debe ser inerte, no compresible, y no degradable biológicamente.
Los biofiltros deben diseñarse para evitar la limitación del oxígeno y la acumulación excesiva de
sólidos.
Ilustración 4. Proceso de nitrificación
En la gráfica anterior se puede observar el ciclo típico del nitrógeno en un sistema acuapónico. La
idea es recrear este ciclo o acelerarlo debido a la restricción del tiempo del proyecto, ya que
normalmente en 35 días estaría listo. Estas pruebas son las más importantes porque determinan la
funcionalidad del diseño y del posterior hábitat para los pescados en el tanque. Debido a la
naturaleza del ciclo es importante recalcar que no se necesita hacer uso de químicos para tratar el
agua y por la tanto, el crecimiento se da en un ambiente orgánico.
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Como en esta etapa del proyecto no se van a incorporar pescados es necesario utilizar fuentes de
amonio, ya sea sintético u orgánico, los sintéticos pueden ser amonio puro o cloruro de amonio, y
los orgánicos pueden ser orina o carne animal. La elección del tipo y clase de amonio depende de
las condiciones del laboratorio de fluidos y, por lo tanto, considero conveniente hacer uso de los
sintéticos. Gracias a el uso de sintéticos el ciclo de estabilización puede ser acelerado y completarse
entre 10 días y 3 semanas, y terminar con una población robusta de bacterias preparadas para la
introducción de los pescados (Bernstein, 2011; Dudley, n.d.; Publication, National, Agriculture, &
Service, 2010).
Temperatura agua
La temperatura juega un papel significativo en la razón de nitrificación en sistemas de crecimiento
suspendidos como lo es para todas las reacciones químicas y biológicas. Los investigadores
Wortman y Weaton (1991) desarrollaron la ecuación WWW para predecir la razón de nitrificación,
R, durante el rango de sus mediciones (7 a 35 °C).
𝑅 = 140 + 8.5 𝑇(°𝐶)
En sus resultados se pudo observar que el cambio entre temperaturas para la razón de crecimiento
de las bacterias no es significativo. Entonces, los requerimientos de temperatura deben ser
establecidos por las necesidades de la o las especies de pescados por criar y no por el desarrollo
eficiente del biofiltro (Timmons & Ebeling, 2013).
La temperatura del agua determinada para el sistema es de 22°C (+/-1°) y controlada por medio de
un calentador para peceras de 300W, siendo que la temperatura ambiente del agua es de 18 (+/-
1°). El motivo para mantener la temperatura en este rango es para ayudar a que el cultivo de
bacterias se establezca más rápido y robusto dentro de la cama de crecimiento. Cabe aclarar que
la temperatura del agua en el sistema se debe establecer para el tipo de pescado que se desea criar.
Debido a que el objetivo de este proyecto es evaluar el desempeño de la reproducción de un sistema
acuapónico mediante su capacidad para desarrollar un ciclo del nitrógeno efectivo, se hace un
comparativo mediante dos sistemas bajo las mismas condiciones ambientales, pero con la
diferencia de que uno tiene plantas instaladas mientras que el otro no.
pH
Mantener un nivel de pH es vital para que el ecosistema opere en condiciones propicias para cada
uno de sus componentes. Lo más apropiado es mantener el nivel del pH lo más cercano posible a
7.0 sin que disminuya hasta niveles críticos paras las bacterias y los pescados. La literatura sugiere
que el rango óptimo de pH para la nitrificación debe estar entre 7.0 y 9.0. el nivel óptimo de pH
para las Nitrosomas varía entre 7.2 y 7.8 y entre 7.2 y 8.2 para las Nitrobacter. Los cambios de pH
radicales entre 0.5 y 1.0 unidades en un intervalo corto de tiempo estresan el biofiltro y se requiere
un tiempo de adaptación a las nuevas condiciones ambientales (Timmons & Ebeling, 2013).
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Es de esperarse que el nivel de pH tienda a disminuir a medida que ocurre el proceso de
nitrificación y mineralización, motivo por el cual es necesario ajustar el pH para que las plantas
crezcan sanas. En el caso en el que los niveles de pH disminuyan a niveles inferiores de lo
permitido, es necesario subir estos niveles mediante hidróxido de potasio (KOH) o mediante
hidróxido de calcio (Ca(OH)2), ya que estos compuestos no provocan cambios indeseados en el
sistema ni para los pescados, ni plantas ni el cultivo bacteriano. Además, estos compuestos tienen
el beneficio agregado de suplementar al sistema con calcio y potasio, siendo estos los nutrientes
que requieren las plantas para crecer y normalmente no se presentan en cantidades adecuadas en
los sistemas acuapónicos. No se deben usar compuestos que tengan sodio ya que a largo plazo
contribuyen en el daño de las plantas. Por otra parte, si la calidad del agua en el sistema contiene
carbonatos, estos tenderán a subir los niveles de pH con el tiempo, siendo negativo para las plantas
en continuo crecimiento. Para disminuir el nivel de pH se debe agregar ácido fosfórico (H3PO4),
que tampoco es dañino para el sistema y cumple con adicionar fósforo para las plantas.
Aireación
Los seres vivos que habitan en el sistema acuapónico requieren oxígeno. Los peces lo respiran, las
plantas lo absorben a través de las raíces, y las bacterias lo consumen en su proceso metabólico.
En el sistema diseñado es imperativo hacer uso de uno o más aireadores para suplir las necesidades
de oxígeno, ya que de no usarlo el sistema se sofocaría y provocaría fallas en los peces hasta
incluso su muerte. Los aireadores funcionan mediante la aspiración del aire en el ambiente a través
de difusores bajo el agua llamados piedras difusoras de aire. Estas piedras están hechas de sílice
porosa que dividen el aire en pequeñas burbujas. Las burbujas más pequeñas tienen un área
colectiva superficial más grande que las burbujas grandes, esto se traduce en que una cantidad
mayor de oxigeno será capaz de disolverse en el agua. Las piedras difusoras nunca deben instalarse
en el tanque de los pescados ya que inhiben la limpieza natural de los tanques.
La instalación de un sistema de alarmas y emergencia en caso de que el aireador falle es de suma
importancia, ya que los pescados no lograrían sobrevivir si las cantidades de oxígeno disuelto en
el agua disminuyen drásticamente. Se podría hacer la instalación de uno o más sistemas de respaldo
para que siempre estén en funcionamiento o de un sistema de control que active un segundo
aireador en caso de falla del aireador principal.
Sumidero
El uso del sumidero es vital para el sistema ya que permite instalar la bomba, el calentador y el
aireador sin perturbar el ambiente en el tanque de los pescados. Es desde allí que el agua fluye a
el punto más alto del sistema, siendo la cama de crecimiento y también distribuye el agua limpia
que proviene del sifón instalado en la cama de crecimiento.
El volumen del sumidero es importante porque debe ser capaz de almacenar suficiente agua para
que la bomba no se queme cuando la cama de crecimiento está siendo inundada, y a la vez debe
ser capaz de sostener el flujo de agua que recircula a través del estanque de agua de los peces. Por
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otra parte, el agua es mezclada y llevada hasta la temperatura deseada en este punto para garantizar
un flujo uniforme en el sistema. Debido a la mezcla constante generada por la oxigenación de las
piedras difusoras de aire, se asegura que el agua mantenga una temperatura estable y en caso de
ser necesario regular el pH, que estos se diluyan adecuadamente para que sean recirculados
uniformemente.
Los parámetros más importantes de monitoreo en un sistema recirculante de agua con pescados
son los siguientes:
De alta prioridad (tiempo de respuesta rápida – minutos)
• Fuente de electricidad
• Nivel del agua en el tanque
• Oxígeno disuelto – sistemas de aireación
De prioridad media (tiempo de respuesta moderada – horas)
• Temperatura
• Dióxido de carbono
• pH
De prioridad baja (tiempo de respuesta baja – días)
• Alcalinidad
• Nitrógeno amoniacal
• Nitrito – nitrógeno
• Nitrato – nitrógeno
Para un sistema con densidades poblacionales de pescados bajas (menor a 40 kg/m3), los
parámetros básicos que se deben monitorear incluyen el sistema eléctrico, el nivel de los tanques
(alto y bajo), aireación, y flujo a través de los diferentes componentes por medio de la bomba. El
uso de sensores digitales (on/off) en el nivel del agua en los tanques, la presión de aireación, los
switch de flujo de agua y los sensores análogos para el oxígeno disuelto, temperatura, pH,
conductividad, y sondas de nitrógeno amoniacal son de gran importancia en el monitoreo de los
sistemas instalados y deben ser considerados como fundamentales para garantizar la salud de todos
los organismos presentes. Cuando se tiene un sistema recirculante de agua es obligatorio y de gran
ayuda mantener una hoja de cálculo con el registro de la calidad del agua y el rendimiento de los
pescados. Esta información sirve para analizar el desarrollo del sistema en el tiempo y permite
presentar los datos a las diferentes áreas encargadas de los sistemas presentes. Es de gran
importancia en iteraciones futuras la implementación de sensores análogos y digitales que
permitan monitorear los parámetros establecidos anteriormente e informar sobre posibles errores
y emergencias. Como también, desarrollar sistemas de control que permitan controlar en tiempo
real estos parámetros que están siendo monitoreados constantemente.
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Luces
Para una producción optima, las plantas requieren una cierta cantidad de luz por día. Es
recomendable hacer las mediciones de la luz en PAR (Photosynthetically Active Radiation) por
sus siglas en inglés y no en lúmenes, ya que los lúmenes son la medición de la luz total vivible
para el ojo humano. En cambio, un PAR en micromoles es una medida de la cantidad de fotones
de luz que son aprovechables por las plantas. Normalmente la lechuga requiere cerca de 250
micromoles por metro cuadrado por segundo, o cerca de 17-25 moles totales por metro cuadrado
por día, llamados Daily light Integral (DLI) por sus siglas en ingles. La luz solar es capaz de brindar
2000 micromoles por metro cuadrado por segundo, lo que significa que las 25 moles requeridas
son alcanzadas en 3.5 horas de la luz solar directa. Debido a que la instalación del sistema es bajo
techo, se debe suplementar con luz artificial suficiente para que las lechugas puedan crecer
efectivamente.
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5. Requerimientos del sistema
Nombre Categoría Texto Objetivo Prioridad Derivado de Método de
verificación
Volumen de
almacenamiento
Física
Volumen de
agua en el
sistema
<500
litros
Alta
Estado del
arte
Prueba
constante
Uso continuo de
la bomba
Funcional
La bomba debe
funcionar
continuamente
24 horas
al día
Alta
Estado del
arte
Prueba
constante
Caudal de salida
de la bomba
Funcional
El caudal debe
permitir circular
todo el volumen
del tanque en
una hora
250
litros/hora
Alta
Estado del
arte
Prueba
constante
Calidad del agua
de entrada
Recurso
El agua de
entrada no debe
superar la
cantidad de
cloro permitido.
Cl entre 1
y 3 mg/L
Alta
Estado del
arte
Reactivo
análogo
Valor de pH en
el agua
Rendimiento
El pH del agua
debe ser estable
dentro del rango
permitido
6.8 < pH
< 8.4
Alta
Estado del
arte
pHmetro
Concentración
de amonio en el
agua
Rendimiento
El nivel de
amonio en el
agua no debe
superar lo
permitido
≤ 0.5
mg/L
Alta
Estado del
arte
Destilación y
titulación
Concentración
de nitritos en el
agua
Rendimiento
El nivel de
nitritos en el
agua no debe
superar lo
permitido
≤ 0.5
mg/L
Alta
Estado del
arte
Prueba
colorimétrica
Concentración
de nitratos en el
agua
Rendimiento
El nivel de
nitratos en el
agua no debe
superar lo
permitido
≤ 150
mg/L
Alta
Estado del
arte
Prueba
colorimétrica
Concentración
de oxígeno
disuelto en el
agua
Rendimiento
La
concentración
de OD debe
estar en el
rango permitido
4 a 8
mg/L
Normal
Estado del
arte
Sonda digital
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Temperatura del
agua en el
tanque
Rendimiento
La temperatura
del agua debe
permanecer
estable dentro
del rango
permitido
18°C ≤ T
≤ 28°C
Normal
Estado del
arte
Termopar
Tiempo
Restricción
El proyecto se
debe completar
en 14 semanas
<14
semanas
Alta
Requisitos
universitarios
Implementación
de diseño
Costo de
materiales
Restricción
El proyecto
cuenta con 1
SMMLV para
compras
>781,242
COP
Alta
Requisitos
universitarios
Implementación
de diseño
Costo de
manufactura y
pruebas
Restricción
El proyecto
cuenta con 1
SMMLV para
pruebas
>781,242
COP
Alta
Requisitos
universitarios
Implementación
de diseño
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6. Metodología
La primera etapa de diseño comprende la capacidad instalada de la cama de crecimiento, ya que
es el lugar en el que el biofiltro va a establecerse cumpliendo con su función de transformar los
desechos en alimento asimilable para las plantas, y a su vez realizando la limpieza adecuada del
agua en el sistema.
Ilustración 5. Cama de crecimiento Colempaques
La cama de crecimiento debe ser capaz de sostener un volumen de 65 litros de arlita más un
volumen de agua que inunda la cama cada 15 minutos. Los 15 minutos se seleccionan para
permitir que haya un proceso de absorción de nutrientes en 12 minutos mientras el agua alcanza
la altura determinada para activar el sifón y un proceso de oxigenación de 3 minutos que ocurre
cuando la cama se drena (Bernstein, 2011). Además, el material del recipiente debe estar diseñado
para no liberar sustancias tóxicas que puedan perturbar el ecosistema. El material más pertinente
que se acomoda al presupuesto es un tanque de polietileno estilo comedero para el ganado. Estos
comederos están diseñados para aguantar el peso del ganado cuando se acerca a comer además
de sostener el alimento, por lo tanto, su capacidad estructural se adecua perfectamente a las
necesidades del proyecto. La empresa Colempaques ofrece dos clases de comederos
rectangulares, que varían en su robustez, por cuestiones de presupuesto el tanque seleccionado es
el de tipo comedero de 150 litros de capacidad. Ahora bien, según la relación de volumen a
mantener de 1 a 1 para el tanque de los pescados, lo siguiente es realizar la elección del volumen
necesario para ubicar a los pescados.
Como se ha mencionada anteriormente, este proyecto es una primera etapa en el desarrollo de un
sistema más completo y robusto que permita un mayor volumen de crecimiento de plantas a lo
largo de su vida útil. Entonces, bajo las recomendaciones de diseño de (Bernstein, 2011), el tanque
debe ser de al menos 150 litros de capacidad. Por otra parte, debe cumplir con las necesidades de
no liberar tóxicos en el agua y que sea especialmente diseñado para almacenar agua. Entre los
materiales más adecuados se encuentran la fibra de vidrio y el polietileno de los tanques para
almacenamiento de agua. Los tanques en fibra de vidrio son más resistentes, robustos, y tienen
una mayor vida útil que los de polietileno. Estos tanques deben ser realizados bajo pedido y por
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lo tanto tienen un alto costo en el mercado nacional, motivo por el cual son descartados para esta
primera etapa de diseño.
Las opciones de tanques de polietileno para almacenamiento de agua son extensas y hay una gran
variedad en el mercado nacional, se encuentran de diferentes alturas y diámetros y permiten ser
instalados de acuerdo con las necesidades del proyecto. Entonces, al realizar la búsqueda de
tanques con volumen mayor a 150 litros se encuentran dos opciones; un tanque de 250 litros de 1
metro de altura y un tanque de 250 litros de 45 centímetros de altura. Según (Dudley, n.d.) es
aconsejable cuando sea posible utilizar tanques con una razón de diámetro – altura de 3 a 1, por
lo cual la opción seleccionada es el tanque bajito de Rotoplast hecho en polietileno. La tapa que
viene con el tanque va a ser utilizada para cubrir el tanque para proteger el agua de los residuos
que caen desde la escalera ubicada en el segundo piso del laboratorio de fluidos, otro de los
motivos es que ciertas especies de peces prefieren ambientes con menor cantidad de luz para su
sano desarrollo.
Ilustración 6. Tanque para pescados de 250 litros Rotoplast
El componente mecánico principal del sistema es la bomba hidráulica, esta es la encargada de
recircular el agua a través de todos los componentes del sistema. La bomba del sistema fue
seleccionada principalmente por el precio y consumo energético, debido a que el volumen de agua
dentro del sistema es de 350 litros y el caudal requerido para inundar y drenar el agua de la cama
de crecimiento es de 2 L/min. La selección fue hecha con base en la literatura, donde aconsejan
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utilizar bombas para acuarios, ya que estas son de bajo consumo y pueden funcionar durante todo
el día.
Este tipo de bombas no proveen una curva característica debido a su baja cabeza disponible. La
bomba seleccionada es una KEDSUM de 770 litros por hora con una cabeza máxima de 2.5
metros que puede ser usada continuamente y consume 65W de potencia instantánea.
Ilustración 7. Bomba Kedsum en funcionamiento y comercial.
Los sifones tipo campana son una forma ingeniosa para drenar el agua de las camas de crecimiento
en los sistemas acuapónicos de inundación y drenaje sin la necesidad de utilizar un temporizador
que prenda y apague la bomba. Los fundamentos para establecer un sifón tipo campana son los
siguientes:
• A medida que el nivel del agua sube en la cama de crecimiento, el agua es forzada a través
de los dientes en el fondo del sifón a través de las paredes del tubo cobertor y el sifón.
• A medida que el agua excede la altura del tubo colector y el sistema de drenaje se empieza
a llenar, el sifón es creado.
• La mayor parte del agua en la cama de crecimiento es drenada por el sifón hasta que el
nivel del agua alcanza la altura de los dientes.
• El aire es forzado a través de la salida del sifón, y como resultado, el sifón se rompe para
volver a permitir que la cama de crecimiento se inunde, recreando el ciclo una y otra vez.
Los beneficios de utilizar un sifón tipo campana son los siguientes: se evita el uso de un
temporizador y por lo tanto su costo, la bomba puede funcionar continuamente aumentado su vida
útil y reduciendo el desgaste, aumentando la aireación en el sistema ya que la salida del agua del
sifón permite que el oxígeno se disuelva más fácil en el agua del sumidero. El principio físico del
sifón es conocido como la cabeza de presión hidrodinámica.
El diseño del sifón tipo campana está determinado por el tamaño de la cama de crecimiento, para
un volumen de 0.45 m3 se necesita un tubo de drenaje de 1 in de diámetro y un tubo tipo campana
de 2 in de diámetro según (Dudley, n.d.). La cama de crecimiento instalada tiene un volumen
19
aproximado de 0.375 m3 por lo cual es indicado realizar la instalación del sifón propuesto
anteriormente. El sifón se instala para que se active a una altura de 27 cm medidos desde la base
de la cama de crecimiento, esto con el fin de garantizar que 4 cm de agua siempre permanezcan en
el sistema en el fondo de la cama y que 4 cm permanezcan siempre secos medidos desde la boca
del sifón. El motivo por el cual se deja un volumen fijo de agua en la base de la cama es para
capturar una porción de los sólidos que van a ser introducidos cuando los pescados comiencen a
hacer sus desechos en el tanque, estos sólidos en un sistema ya establecido serian digeridos por
una población de lombrices rojas encargadas de producir nutrientes para las plantas. El espacio sin
agua dejado sobre la superficie de la cama es para prevenir la formación de algas y hongos sobre
las plantas y la arlita, en el caso de que el sistema esté ubicado en una zona exterior que reciba luz
solar (Bernstein, 2011).
Haciendo mención de lo estipulado por (Wongkiew, Hu, Chandran, Lee, & Khanal, 2017) se
debe mantener una temperatura del agua superior a los 20 °C para garantizar un ambiente
propicio para el crecimiento y posterior establecimiento del cultivo bacteriano en el biofiltro. Por
lo que se hace el estudio de sistemas de calentamiento constante para agua debido a que la
temperatura promedio del agua en el laboratorio de fluidos es de 18 °C, y a esta temperatura el
rendimiento en el crecimiento de bacterias nitrificantes en el biofiltro se disminuye hasta en un
50%. Las posibles alternativas que se adecuan al presupuesto son los calentadores para peceras
y acuarios con termostatos incorporados que permiten mantener una temperatura constante del
agua dependiendo de la potencia consumida y el volumen de agua por calentar. Estos dispositivos
están específicamente diseñados para ser introducidos en ambientes con pescados y plantas y
por lo tanto se adecuan en gran medida a los requerimientos del proyecto. Partiendo del
volumen instalado en cada uno de los sistemas es importante seleccionar uno de los
calentadores que permita aumentar más de 2 °C la temperatura del agua. Con este fin y
adecuando la selección del calentador a las restricciones de presupuesto se selecciona un
calentador de 300W con termostato incluido de la marca Resun para cada uno de los sistemas
acuapónicos, esto con el fin de garantizar un mismo comportamiento durante el establecimiento
del biofiltro en ambos sistemas. Para comprobar el funcionamiento de los calentadores se
realizarán mediciones diarias de temperatura en ambos sistemas y medidas en los tanques para
pescados donde se encuentra el mayor volumen del agua.
Para garantizar una altura de la columna de agua constante en el tanque de los pescados es
necesario hacer uso de un sumidero, este sumidero es de gran importancia en el sistema porque
allí van a ser instalados los componentes mecánicos del sistema. Para la selección del sumidero
se realiza una búsqueda de posibles alternativas que principalmente se adecuen a el presupuesto.
Motivo por el cual se restringe la búsqueda a recipientes que sean capaces de albergar 100 litros
o más y que el material del que este hecho sea compatible con el ecosistema presente en los
sistemas acuapónicos. Se selecciona entonces una caja de almacenamiento hecha de polietileno
de 120 litros de capacidad con tapa. El sumidero va a recibir el agua proveniente del tanque de
los peces cuando este alcance la altura deseada, como también el agua proveniente de las camas
de crecimiento cuando el sifón se active al llegar al límite de inundación predeterminado. La
20
bomba instalada en el sumidero va a recircular el agua a través de todo el sistema sin perturbar el
tanque de los pescados. El calentador también va a estar ubicado en el sumidero para incrementar
la temperatura del agua de una forma más eficiente, ya que debido al flujo mixto que se tiene, es
entonces posible distribuir la misma temperatura del agua hacia la cama y el tanque de los
pescados: con el beneficio agregado de proteger a los peces de una posible quemadura al acercarse
mucho a el calentador.
Ilustración 8. Sumidero
La selección de los aireadores se realiza por parte de la restricción de presupuesto y por las
especificaciones de los fabricantes de aireadores para peceras y acuarios. El aireador seleccionado
es capaz de suministrar 3L/min de aire en el agua a través de dos manqueras y sus piedras
difusoras correspondientes. Los aireadores van a estar instalados en los tanques de los pescados
para garantizar que la mayor concentración de oxígeno disuelto esté disponible para una futura
población de pescados, debido a que estos son los que requieren las concentraciones más altas
para garantizar su supervivencia. Para cumplir el requerimiento de oxígeno disuelto en el agua se
realizarán mediciones periódicas de la concentración de oxígeno disuelto en ambos sistemas
mediante la sonda óptica Mettler Toledo SevenGo pro ubicada en el laboratorio de análisis
químico ambiental.
21
Ilustración 9. Aireador Resun AC-1500
Metodología de las pruebas
Con el objetivo de comprobar el funcionamiento del biofiltro en las camas de crecimiento, se
debe realizar un control de los parámetros simulados que en un funcionamiento real deben
permanecer dentro de los límites establecidos. Para esto se hace la instalación de dos sistemas que
están regidos por las mismas condiciones ambientales y que su funcionamiento contenga los
mismos flujos de agua para garantizar el mismo tiempo de llenado en ambas camas de
crecimiento. Cada uno de los sistemas usa una bomba Kedsum de 770 gph, un aireador de 3W a
doble flujo, y un calentador de aluminio para acuarios de 300W. La diferencia en los dos sistemas
radica en la implementación de plantas de lechuga en uno de los sistemas, junto con dos luces
LED en forma de tubo cada una con un consumo de 18W. Se espera comparar el funcionamiento
de un sistema con plantas establecidas y el otro sin las plantas para lograr recrear el ciclo del
nitrógeno en el menor tiempo posible, y así poder introducir la población de pescados lo antes
posible.
El primer paso por seguir es entonces comprobar los tiempos de llenado de ambas camas de
crecimiento, medir la temperatura, medir la cantidad de oxígeno disuelto en el agua y realizar la
primera medición de amoniaco nitrógeno, nitritos y nitratos en el agua, todo esto para ambos
sistemas. Este es el día cero para ambos sistemas. Posteriormente, cuando los sistemas presenten
las mismas condiciones iniciales se procede a sembrar las plantas de lechugas sobre uno de los
tanques y a configurar el controlador para las luces sobre este sistema. Las luces se adecuan para
estar a una altura constante de 25 centímetros sobre la cama y el controlador tiene la función de
prender las luces a las 7 AM y apagarlas a las 11:59 PM para garantizar que las 17 horas de luz
sean recibidas por las plantas de lechuga.
El siguiente paso es realizar las mediciones de nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos cada día
para observar el desarrollo del cultivo bacteriano que se encarga del proceso nitrificante. El
método seleccionado para esta iteración es un ciclo sin pescados, totalmente sintético, que es
producido mediante la introducción de cantidades periódicas de amoniaco en una concentración
de 25% en solución acuosa. En el día uno se introduce 4.5 mL de amoniaco sintético en ambos
sistemas en el tanque de los pescados. Ahora bien, es necesario tomar 5 muestras de 50 mL de
22
agua en tubos para centrifugado de cada uno de los sistemas. Estas muestras son llevadas a el
laboratorio de análisis químico ambiental Ml-422 donde van a ser examinadas mediante los
siguientes protocolos químicos.
Para el nitrógeno amoniacal se usa el método de referencia SM 4500 – NH3 B y C, Standard
Methods for the examination of Water and Wastewater. 21 edición, 2005., Método de referencia
para destilación de biosólidos: EPA 1689. EPA: Agencia de Protección Ambiental de los Estados
Unidos.
Se realiza en método de destilación y titulación y el principio es el siguiente, para destilar el
amoniaco es necesario llevar la muestra a un pH de 9.5, utilizando una solución de boratos e
hidróxido de sodio para disminuir la hidrólisis de los cianatos y los compuestos de nitrógeno
orgánico. El amoniaco es liberado como un gas junto con el vapor producido al ebullir la muestra,
y el destilado es absorbido en ácido bórico. La cantidad de nitrógeno amoniacal se mide a
continuación por titulación con ácido sulfúrico y pHmetro. Para obtener el resultado se debe
realizar el siguiente cálculo.
Para la muestra líquida:
Donde,
𝐴𝑚𝑜𝑛𝑖𝑜 ( 𝑚𝑔
) = 𝐿 𝑁𝐻3 − 𝑁
(𝐴 − 𝐵) ∗ 𝑁
𝑉
∗ 14000
A = volumen en mL utilizado de ácido en la muestra
B = volumen en mL utilizando en el blanco
N = normalidad de ácido utilizado en la titulación
V = volumen de la muestra
Para ilustrar el proceso para calcular la concentración de amonio en el agua se presentan las
siguientes imágenes tomadas en el laboratorio de análisis químico ambiental. En los anexos se
adjunta la certificación de la toma de datos.
23
Ilustración 10. Destilación del amonio en ácido bórico
La ilustración 10 presenta el proceso de destilación de la muestra de 250 mL de agua tomada del
sistema acuapónico. La muestra debe destilarse para garantizar que el amonio sea retenido en el
ácido bórico para poder ser llevado al titulador automático.
Ilustración 11. Titulación del amonio
La ilustración 11 presenta la titulación del amonio por medio del titulador automático Metrohm
702 SM Titrino, que mediante la adición de ácido sulfúrico reduce el pH de la muestra hasta un
valor de 4.35 unidades, entonces para determinar la concentración de amonio se aplica la ecuación
mencionada anteriormente en el protocolo de amonio.
24
Ilustración 12. Medición de pH
La ilustración 12 presenta la sonda Oakton pH 300 series utilizada para medir el pH del agua en
cada uno de los sistemas acuapónicos.
Para la concentración de nitritos se usa el método de referencia 4500 – NO2 B. Standard Methods
for the examination of Water and Wastewater. 21 edición, 2005.
Se realiza un método colorimétrico que determina la concentración de NO2 mediante la formación
de un colorante azoico, rojizo púrpura, producido a pH 2,0 a 2,5 por el acoplamiento del ácido
diazotizado con el clorhidrato de N – (1-naftil)-etilendiamina o clorhidrato NED. Cuando se tiene
la muestra esta se pasa por el espectrofotómetro usando a 543 nm de longitud de onda provisto de
un paso de luz de 1,0 cm. El resultado se presenta por medio de una interpolación en la curva de
calibración realizada por el ingeniero a cargo del laboratorio.
25
Ilustración 13. Reacción del NED con la muestra de agua
En la ilustración 13 se observa la reacción del NED en la muestra de agua del sistema acuapónico,
el color rosado indica la presencia de nitritos, un color más opaco de rosa se traduce en una mayor
concentración de nitritos mientras que uno más tenue significa una menor concentración. La celda
de la derecha tiene una longitud de 1 cm y es la que es introducida en el espectrofotómetro
Aquamate para determinar la concentración real de nitritos como se observa en la ilustración 14.
Ilustración 14. Espectrofotómetro Aquamate para medición de nitritos
En la ilustración 14 se observa la pantalla del espectrofotómetro configurado para una longitud de
onda de 543 nm, el resultado obtenido de la muestra es de 0.095 de absorbancia. La absorbancia
se refiere a la cantidad de luz que absorbe la muestra cuando pasa a través de la celda de 1 cm, con
26
este resultado se realiza la interpolación en la curva para concentraciones de nitrito para obtener
el valor real de nitritos en mg/L – N.
Para la concentración de nitratos se usa el método de referencia HACH 8039.
Se realiza un método colorimétrico bajo una reducción con cadmio; el ion nitrito reacciona en un
medio ácido sulfanílico para formar una sal diazonio intermedia la cual se una al ácido gentísico,
para formar un producto color ámbar. Cuando la muestra está lista se introduce en el
espectrofotómetro a 420 nm de longitud de onda bajo un haz de luz de 1 cm. El resultado se
presenta por medio de una interpolación en la curva de calibración realizada por el ingeniero a
cargo del laboratorio.
Ilustración 15. Reacción de la muestra con el Nitraver 3
En la ilustración 15 se observa la reacción de la muestra cuando es introducido el reactivo Nitraver
3. El color naranja determina la cantidad de nitrato presente en la muestra de agua, entre más opaco
sea el color, mayor concentración de nitrato va a contener la muestra, en cambio entre más tenue
el color, menor concentración de nitrato habrá en la muestra. Nuevamente se utiliza la celda de 1
cm para preparar la muestra que va a ser introducida en el espectrofotómetro Aquamate para
determinar el valor real de nitrato como se observa en la ilustración 16.
27
Ilustración 16. Espectrofotómetro Aquamate para la medición de nitratos
En la ilustración 16 se observa la pantalla del espectrofotómetro configurado para una longitud
de onda de 420 nm, el resultado obtenido de la muestra es de 0.329 de absorbancia. La
absorbancia se refiere a la cantidad de luz que absorbe la muestra cuando pasa a través de la
celda de 1 cm, con este resultado se realiza la interpolación en la curva para concentraciones de
nitrato para obtener el valor real de nitratos en mg/L – N.
De forma comparativa se realiza la medición de los mismos parámetros con el kit multiparamétrico
API FRESHWATER para acuarios y peceras con el fin de establecer la diferencia y precisión entre
ambos métodos.
Ilustración 17. API Freshwater kit para medición de pH rango bajo y alto.
28
Ilustración 18. API Freshwater kit para medición de amonio, nitrito y nitrato.
7. Resultados
Los resultados presentados a continuación buscan establecer las condiciones necesarias para la
implementación de sistemas acuapónicos, recreando el ciclo del nitrógeno dentro de las camas de
crecimiento con el uso de amoniaco sintético. Con variaciones sustanciales como lo son la
inclusión de un cultivo de lechugas y luces de crecimiento en uno de los sistemas, mientras que en
el otro no. Por otra parte, se presenta el análisis comparativo entre el kit de medición de parámetros
para acuarios y peceras de la marca API y las mediciones realizadas en el laboratorio de análisis
químico ambiental del departamento de ingeniería civil y ambiental de la Universidad de los
Andes.
Gráfica 1. Evolución del biofiltro en el tanque sin plantas medido en el laboratorio de análisis químico ambiental
40 35 30 25 20
Días
0 5 10 15
7.20 0
7.40
50
pH 7.60
Nitratos 7.80
100
Amonio
Nitritos
8.00 150
8.20
200
8.40
8.60 250
Co
nce
ntr
ació
n [
mg/
L]
pH
29
En la gráfica 1 se puede observar las concentraciones de nitrógeno amoniacal, nitritos, nitratos, y
pH a través del tiempo en el sistema sin plantas. Las muestras son analizadas en el laboratorio de
análisis químico ambiental mediante los protocolos mencionados anteriormente. La curva de color
rojo representa la concentración en partes por millón del nitrógeno amoniacal presente en el agua.
A medida que se agrega el amoniaco sintético desde el día uno se puede ver que la concentración
aumenta hasta las 8.16 mg/L en el día 7 del ciclo y que es entonces que comienzan a establecerse
las bacterias nitrificantes que producen los nitritos junto con el cultivo que se encarga de la
transformación de los nitritos en nitratos. Con respecto a la curva amarilla de pH se puede afirmar
que la introducción del amoniaco sintético eleva el nivel de pH. En la curva verde se presenta el
crecimiento en la concentración de nitritos en el agua, desde el día 8 el biofiltro genera la
concentración de nitritos esperada y a partir del día 12 la concentración se dispara pasando de 3.44
a 24.01 mg/L, lo que se traduce en una gran eficiencia en la transformación del nitrógeno
amoniacal en nitritos. Consecuentemente es en el día 12 que hay un punto de inflexión entre las
curvas de amonio y nitritos de acuerdo con el comportamiento teórico presentado en la ilustración
4.
La curva de color azul representa la concentración de nitratos en el agua, estos nitratos son
generados a partir de la nitrificación de los nitritos en el agua y muestra la efectividad del biofiltro
para generar los nutrientes necesarios para las plantas. La concentración de nitratos aumenta a
partir del día 7 cuando la concentración del nitrógeno amoniacal comienza a disminuir, y crece de
forma significativa el día 12 cuando la concentración de nitritos se ubica en las 24.01 mg/L, Por
lo tanto, se puede afirmar que un aumento en la concentración de nitritos genera un aumento en
la concentración de nitratos. Desde el día 12 hasta el día 18 el crecimiento es acelerado por la
aparición de nitritos en el agua y la muestra de agua da un resultado de 218.32 mg/L de nitratos,
esta cantidad excede la concentración adecuada para un cultivo de pescados y debe disminuir hasta
niveles inferiores a los 80 mg/L para que sea seguro el sistema.
Entre el día 18 y 22 ocurre una disminución de la concentración de nitritos en el agua y por lo tanto
también ocurre una disminución en la cantidad de nitratos presentes, lo que muestra que el
comportamiento del biofiltro depende de los cultivos bacterianos establecidos. Desde el día 22 se
observa la disminución progresiva de la concentración de nitritos en el agua siendo esta la
respuesta esperada del biofiltro según el comportamiento teórico presentado en la ilustración 4.
Cabe recordar que para que el biofiltro cumpla su ciclo no se deben presentar concentraciones de
nitrógeno amoniacal y nitritos por encima de las 0.5 mg/L para poder introducir la población de
pescados.
30
Gráfica 2. Evolución del biofiltro en el tanque con plantas medido con el API Freshwater Kit
La gráfica 2 muestra el comportamiento del biofiltro en la efectividad de transformar el amonio en
nitritos y los nitritos en nitratos por medio de los resultados obtenidos en las muestras realizadas
con el API Freshwater kit. Este kit es una aproximación económica para obtener las
concentraciones de los parámetros de amonio, nitrito y nitrato en el agua del sistema acuapónico.
Conforme a los resultados obtenidos se encuentra que la precisión datos no permite comprender
las variaciones diarias entre los diferentes parámetros. Por lo tanto, muestra tendencia que siguen
estos valores de cada una de las concentraciones medidas. Para tomar decisiones sobre lo que se
debe modificar en el sistema se debe llevar un registro más preciso como el utilizado en la
caracterización de los parámetros en el laboratorio de análisis químico ambiental de la
universidad.
El comportamiento de la curva de amonio presenta los resultados esperados mientras ocurre la
introducción del amoniaco. La disminución en el día 6 ilustra el comienzo del proceso de
nitrificación y el incremento en las concentraciones de nitrito y nitrato. La curva de amonio
mantiene su valor cercano a 0 ppm hasta el día 11 donde ocurre un salto hasta las 3 ppm que
pudo haber sido producido porque la colonia de bacterias nitrificantes sufrió una disminución por
alguna presencia externa que fue introducida en el agua del sistema. Pero, la curva vuelve a
disminuir hasta los niveles aceptables y continua su tendencia hasta el final de las pruebas.
Continuando con el proceso de nitrificación se realiza la observación de la curva de la
concentración de nitrito en el agua. La curva presenta el comportamiento esperado porque
aumenta a partir del día 4 y se mantiene constante hasta el día 13 donde la concentración
disminuye para alcanzar los niveles aceptables para la población de pescados. La curva de la
concentración de nitrato tiene un comportamiento fuera de lo esperado, el crecimiento se da
desde el día 1 siendo que el proceso de nitrificación no empezó sino hasta el día 4. El error se
debe a una posible concentración inicial de nitrato en el agua introducida en el sistema, como
también puede ser por un error en el instrumento de medición. Se puede observar que el
30 25 20 15
Días
10 5 0
100
80
60
40
20
0
Amonio
Nitritos
Nitratos
180 160
140
120
Co
nce
ntr
ació
n [
mg
/L]
31
crecimiento en la concentración de nitrato si cumple con la tendencia esperada para llegar a el
límite del medidor del kit, por lo tanto, no es posible conocer la verdadera concentración de
nitrato en ese día. Posteriormente ocurre una disminución entre los días 19 y 21 que ocurre por la
absorción proveniente de la etapa de desarrollo de las plantas de lechuga.
Gráfica 3. Evolución del biofiltro en el tanque con plantas medido en el laboratorio de análisis químico ambiental
La gráfica 3 muestra la evolución del biofiltro con la introducción de las plantas en el sistema. En
la curva de concentración de amonio el comportamiento se mantiene constante a lo largo de las
mediciones debido a la aceleración del proceso de nitrificación por medio de las plantas de
lechuga. Esto permite asegurar que una población futura de pescados pueda tener un desarrollo
sin la toxicidad en altas concentraciones de amonio. La curva de concentración de nitrito en el
sistema muestra un crecimiento progresivo mientras ocurre la nitrificación entre los días 0 y 4.
En los días siguientes y hasta el día 11 la concentración se reduce hasta los valores aceptables
para la estabilización del ciclo como es de esperarse. La curva de nitrato crece junto con el
proceso de nitrificación del nitrito y presenta una serie de cambios a lo largo del intervalo de
medición. El primer cambio ocurre entre los días 4 y 6 donde la concentración incrementa e
inmediatamente disminuye. Esto es debido a la absorción de nutrientes por parte de las plantas
de lechuga. En la curva se observan dos intervalos similares entre los días 11 y 14, y los días 17
y 23 que también están ocasionados por la absorción de nutrientes, y se puede afirmar que hay
etapas en las que las plantas sembradas de lechuga se alimentan de los nutrientes en el agua.
Co
nce
ntr
ació
n [
mg
/L]
Días
35 30 25 20 15 10 5 0
0
50
100
150
Nitratos 200
Amonio
Nitritos
250
32
8. Conclusiones
El desarrollo del sistema acuapónico de inundación y drenaje fue exitoso debido a el
establecimiento del ciclo del nitrógeno y a la futura posibilidad de introducir una población de
pescados. Bajo la confirmación de los resultados se puede afirmar que la reproducción del ciclo
en sistemas nuevos es viable en ambientes interiores y puede ser acelerado mediante la siembra de
plantas sin la necesidad de sacrificar la siembra. Basado en los resultados presentados se observa
una reducción de 10 días entre la estabilización del sistema con plantas comprado con el sistema
sin plantas. Este beneficio esta acompañado de una primera cosecha de plantas de lechuga que
pueden ser ingeridas cuando estas alcancen la etapa de cosecha, mientras que solo hasta que el
ciclo se estabiliza en el sistema sin plantas es que es posible comenzar la siembra de plantas para
el consumo. La oportunidad que brinda este tipo de sistema con plantas puede ser aprovechado
en gran medida en la creación de nuevos sistemas o cuando se adicionan nuevos módulos de
crecimiento al sistema acuapónico general. Por lo tanto, se sugiere en gran medida comenzar con
la siembra de plantas desde el día cero cuando la bomba es puesta en funcionamiento.
Para garantizar la precisión en la medición de los parámetros en el agua es sugerido realizar el
análisis de las muestras en un laboratorio, con los instrumentos de medición más adecuados ya
que, para mantener la salud del ecosistema controlada además de mantener la eficiencia, es
necesario poder comprender el comportamiento de los niveles de amonio, nitritos y nitratos.
Estos valores de las concentraciones permiten conocer el estado real del sistema y las
condiciones en las que se están desarrollando los seres vivos que componen el sistema
acuapónico. Siendo los pescados los más delicados en este tipo de sistemas es necesario utilizar
los valores obtenidos por el análisis químico para poder realizar una estimación de la cantidad de
alimento que debe ser introducido para determinada cantidad de plantas. Esto porque excesivos
niveles de nitrato en el agua pueden llegar a ser perjudiciales para los pescados. Para compensar
estos niveles de nitratos también es posible agregar nuevos módulos de siembra sin necesidad de
incrementar la población de pescados, estos módulos permiten cultivar una mayor cantidad de
plantas aumentando la eficiencia sin la necesidad de incrementar el componente de acuacultura
en el sistema.
La medición de los parámetros por parte del kit API Freshwater debe solo hacerse en caso de
sistemas pequeños que no estén pensados para uso comercial, ya que al tener una precisión baja
pueden contribuir a la causa de errores por parte de los operarios, siendo que estas se traducen en
enfermedad o muerte para las plantas y los pescados. Este tipo de sistema de medición se utiliza
para bajas densidades de pescados y de área disponible de siembra, debido a que las
concentraciones de amonio, nitrito y nitrato en el sistema no presenta una variación significativa
que en sistemas mucho más grandes. Esto basado en los parámetros presentados en el proyecto
de grado.
Es necesario mantener una relación de al menos uno a uno en el volumen instalado del
componente de acuacultura y el componente hidropónico. Cuando el sistema está establecido es
posible aumentar la relación de volumen hasta de 4 a 1 siendo el componente hidropónico el más
33
grande. Como se mencionó anteriormente esto permite aprovechar al máximo los recursos
producidos por los pescados manteniendo más estables los parámetros de amonio, nitrito y
nitrato presentes en el agua.
9. Trabajos futuros
Con el fin de crear sistemas acuapónicos eficientes y seguros los trabajos por desarrollar en el
futuro brindaran las especificaciones necesarias para el desarrollo multidisciplinario de la
agricultura como elemento tecnológico para contribuir con los problemas ambientales actuales.
Con esto como fundamento se ha desarrollado un plan para agregar nuevos sistemas que ayuden a
complementar el sistema desarrollado actualmente. Dentro de las etapas posteriores se van a
desarrollar los siguientes complementos por parte de un equipo multidisciplinario del
departamento de ingeniería de la Universidad de los Andes.
Los componentes futuros son:
• Sistema de emergencia para dar aviso de los posibles fallos de los componentes mecánicos
del sistema, junto con el diseño y construcción de un invernadero que permita mantener las
condiciones ambientales estables.
• Desarrollo de un plan de negocios para un sistema acuapónico rentable en el mercado
colombiano con el propósito de enfocar el desarrollo tecnológico hacia una industria en
desarrollo.
• Investigación en el desarrollo de un sistema lumínico que permita generar el desarrollo
exitoso de las plantas en un sistema acuapónico en ausencia de luz, con el fin de aumentar
la eficiencia en el crecimiento.
• Evaluación de diferentes alternativas para generar sistemas híbridos que maximicen la
producción de las cosechas bajo la conciencia ambiental sostenible.
Estos son solo algunos de los desarrollos futuros que van a ser implementados, pero continúa
existiendo la necesidad de combinar muchos más equipos de otras disciplinas que contribuyan con
sus conocimientos para hacer de la agricultura inteligente una forma eficaz para suplir la demanda
de alimentos y a el beneficio del medio ambiente.
34
10. Referencias
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35
36
37
38
