Universidad de Guanajuato División de Ingenierías Maestría en Ciencias del Agua
“Diseño y Evaluación de un Sistema Acuapónico para la Producción de Animales Acuáticos y Plantas para Consumo Humano”
Tésis Que para obtener el grado de
Maestro en Ciencias del Agua
Presenta Ing. José Roberto Regalado Arreola
Asesor de Tésis Dra. Alicia del Rosario Martínez Yáñez
Universidad de Guanajuato MAESTRO EN CIENCIAS DEL AGUA
ALUMNO: ING. JOSÉ ROBERTO REGALADO ARREOLA
SINODO DEL EXÁMEN DE TÉSIS DE GRADO
______________________________ Dr. Germán Cuevas Rodríguez Presidente
______________________________ Dr. Héctor Gordon Núñez Palenius Secretario
______________________________ Dra. Alicia del Rosario Martínez Yáñez Vocal
Guanajuato, Guanajuato, Septiembre 2013
AGRADECIMIENTOS A la JAPAMI y al Dr. Héctor Gordon Núñez Palenius, por las gestiones realizadas ante esta institución que nos proporcionó el agua en cantidad y calidad necesaria para este trabajo de experimentación, sin el vital líquido nada de esto hubiera sido posible. A mis padres quienes amo Ana María Arriola Rivas y Roberto Regalado Caballero, por su interminable apoyo y profundo amor. A mi primo Eduardo por su profundo afecto como hermano y apoyo en todo momento. A mi novia Mayte Vanessa quien siempre estuvo a mi lado en todo momento difícil. A la Dra. Alicia del Rosario Martínez Yáñez, quien me permitió ser parte de este novedoso e ingenioso proyecto, gracias por todas aquellas veces que no se rindió e hizo todo y más allá de lo que estuvo en sus manos para finalizar la investigación, pero aún más gracias por todas las veces que me permitió ser testigo de su infinita paciencia en mis pequeños grandes errores. Al Dr. Pedro J. Albertos Alpuche, a quien les estoy muy agradecido por brindarme parte de su experiencia y apoyarme en el armado, puesta en marcha y cuidado de los sistemas. A mis estimadísimas amigas y compañeras de tesis Azucena y Ángeles. Gracias por todos esos momentos de apoyo y en especial los momentos de risas necesarios para no volvernos locos en los invernaderos. A todos los alumnos de la DICIVA que prestaron su servicio social en nuestro proyecto. A mi amiga Fátima Aidee Navarro López por su apoyo incondicional y su gran amistad. A Athenea por su apoyo en el armado de los sistemas en sus largas vacaciones al lado nuestro. A mi amigo Daniel Muñoz Cancino por su apoyo en los levantamientos topográficos realizados. En general a mis profesores de la maestría quienes no solo nos aportaron conocimiento técnico sino también social, de vida y disciplina. A todos mis compañeros de maestría con quien pase muy buenos momentos y quienes siempre fueron un apoyo.
II
RESUMEN Un gran porcentaje del agua extraída en nuestro país es utilizada en la producción primaria de alimentos. La agricultura y la producción pecuaria son actividades fundamentales en el Estado de Guanajuato, es por esta razón que actualmente todos los pozos estudiados por la Comisión Estatal de Agua de Guanajuato presentan sobrexplotación. La acuaponía, se visualiza como una alternativa tecnológica dirigida al desarrollo sostenible, donde es posible obtener en un mismo ciclo de producción biomasa animal y vegetal (peces y hortalizas) apta para el consumo humano. Es un sistema de recirculación acuícola donde los desechos producidos por algún organismo acuático son convertidos por medio de acción bacteriana en nutrientes necesarios para el crecimiento de vegetales, además de tener la ventaja de un menor consumo de agua que los sistemas de recirculación acuícola convencionales, sistemas de cultivo hidropónico y cultivos a cielo abierto. La poca información existente respecto a los sistemas acuapónicos, hace necesaria la realización de investigaciones que aporten datos importantes para el desarrollo de esta alternativa. El objetivo de este trabajo, fue evaluar la producción de tilapia y albahaca en un sistema, de diseño original, a pequeña escala. Para lo cual, se elaboró la ingeniería básica y a detalle, fue determinada la memoria de cálculo hidráulico y la eficiencia energética de los componentes eléctricos del sistema acuapónico. También se evaluó el efecto de los sustratos utilizados en los filtros biológicos sobre la sobrevivencia y producción de biomasa animal y vegetal, así como, su eficiencia energética y rentabilidad económica. El experimento de producción de biomasas tuvo una duración de 70 días. Se utilizaron 6 sistemas acuapónicos individuales, cada uno integrado por: un estanque, 1 sedimentador y tres filtros biológicos los que a su vez estaban formados por 2 piezas, un biorreactor y 1 cama para plantas. Se utilizaron 450 Oreochromis niloticus (75 por estanque, 25.92 ± 7.31 g-1 peso húmedo) y 360 plantas de Ocimum basilicum L. (20 por cama, altura de 4.7±1.1cm). Las semillas se germinaron durante 30 días hasta desarrollar 4 hojas verdaderas. En cada biorreactor se colocaron como sustrato piezas plásticas: bioesferas, taparroscas de desecho o poliducto, y en cada cama de siembra piedra de río o grava de construcción, logrando así, seis combinaciones. El diseño original creado facilitó el manejo zootécnico y agronómico, y al mismo tiempo demostró ser hidráulicamente óptimo. La eficiencia energética del sistema de aireación y del sistema de bombeo fueron de 65.2 y 3.2 kW h/ton de tilapia producida, respectivamente. En todos los tratamientos se observó una sobrevivencia de plantas y peces mayor al 90%. Las mayores producciones, tanto de biomasa animal y vegetal, se presentaron en las combinaciones poliducto – piedra y tapas - piedra, las cuales a su vez fueron económicamente, las más rentables. El presente trabajo es una contribución a los sistemas convencionales de producción agropecuaria, debido a que el diseño original aquí presentado, se muestra como una alternativa viable desde los aspectos biológico y económico para la producción sostenible de proteína animal de alta calidad y plantas para el consumo humano. Palabras clave: Acuaponía, Ingeniería Hidráulica, Diseño SRA, Oreochromis niloticus, Ocimum basilicum. III
ABSTRACT A large percentage of water extracted in our country is used in the primary food production. Agriculture and livestock production are key activities in the state of Guanajuato, for this reason all wells currently studied by Guanajuato’s State Water Commission shown an overexploitation. Aquaponics is seen as a technological alternative directed to sustainable development, in which it is possible to obtain in one production cycle animal and produce biomass (fish and vegetables) suitable for human consumption. It is a recirculating aquaculture system where the waste produced by an aquatic organism is transformed in nutrients needed for plant growth by bacterial action, as well as having the advantage of consuming less water than conventional recirculating aquaculture systems, hydroponics systems and traditional outdoor crops. The little information regarding aquaponics makes it necessary to conduct research that provides important data for the development of this alternative. The goal of this study was to evaluate the production of tilapia and basil in an original design system, at a small scale. To which the basic and detailed system engineering were developed, the hydraulic calculation and energy efficiency of electrical components in the aquaponics system were determined too. We also evaluated the effect of the substrates used in the biological filters upon survival and biomass of animal and plant production, as well as energy efficiency and profitability. The biomass production experiment lasted 70 days. We used six individual aquaponics systems, each consisting of: a pond, a water clarifier and three biological filters each one consisted of two parts, a bioreactor and a grow bed for plants. 450 Oreochromis niloticus were used (75 per pond, 25.92 ± 7.31 g wet weight) and 360 plants of Ocimum basilicum L. (20 per grow bed height of 4.7 ± 1.1cm). Seeds were germinated for 30 days to develop four true leaves. In each bioreactor were placed as substrate plastic parts: Bio balls, waste plastic bottle caps or PVC flexible conduit pieces, and in each grow bed river gravel or crushed stone, getting, six combinations. The original design created facilitated the fish husbandry and agronomic handling, at the same time proved to be hydraulically optimal. The energy efficiency of the aeration and pumping systems were 65.2 and 3.2 kW h / t of tilapia produced, respectively. All treatments showed plants and fish survival greater than 90%. The major productions, both animal and plant biomass was obtained in the combinations: “PVC flexible conduit pieces – river gravel” and “waste plastic bottle caps – river gravel”, which was also the most profitable. This paper is a contribution to conventional farming, because the original design presented here is shown as a feasible alternative from biological and economic aspects, for sustainable production of high quality animal protein and vegetables for human consumption. Key Words: Aquaponics, Hydraulic Engineering, RAS Design, Oreochromis niloticus, Ocimum basilicum. IV
INDICE Resumen …………………………………………………………………………. Abstract ...................................................................................................... Índice General ……………………………………………………………………... Índice de Cuadros, figuras y Ecuaciones……………………………………….. 1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. 2. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………... 2.1. El Uso del Agua en México………………………………………………….. 2.1.1. Uso del Agua en el Estado de Guanajuato……………………………… 2.1.2. Uso del agua en la producción agropecuaria……………... 2.2. Agricultura protegida…………………………………………………………. 2.2.1. Hidroponía…………………………………………………….. 2.2.2. Plantas aromáticas…………………………………………………………. 2.2.3. Albahaca (Ocimum basilicum L.)…………………………………………. 2.3. Acuicultura…………………………………………………………………….. 2.3.1. Uso del agua en Acuicultura………………………………………………. 2.3.2. Sistemas de producción acuícola en México……………………………. 2.3.3. Acuicultura en el Estado de Guanajuato…………………...................... 2.3.4. Especies de peces para consumo humano……………………………... 2.3.5. Tilapia (Oreochromis niloticus)……………………………………………. 2.4. Sistemas de Recirculación Acuícola (SRA)……………………………….. 2.4.1. Acuaponía…………………………………………………………………… HIPÓTESIS…………………………………………………………………………. OBJETIVO GENERAL…………………………………………………………….. OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………………… 3. MATERIALES Y MÉTODOS…………………………………………………... 3.1. Localización del área de estudio……………………………………………. 3.2. Conceptualización del sistema de acuaponía…………………………….. 3.3. Ingeniería básica del sistema……………………………………………….. 3.3.1. Datos básicos del proyecto y criterios de diseño……………………….. 3.3.2. Unidades del sistema y dimensionamiento……………….. 3.3.3. Estanque de peces…………………………………………………………. 3.3.4. Biofiltros……………………………………………………….. 3.3.5. Sedimentador de sólidos…………………………………………………... 3.4. Ingeniería a detalle del sistema……………………………………………... 3.5. Determinación de eficiencia energética……………………………………. 3.6. Determinación de la producción de biomasa animal y vegetal………….. 3.6.1. De los sistemas………………………………………………. 3.6.2. De los filtros…………………………………………………………………. V
III IV V VII 10 12 12 14 16 22 24 25 27 28 28 30 31 32 33 35 37 39 39 39 40 40 40 41 41 43 43 44 47 49 50 50 51 51
3.6.3. De los sustratos…………………………………………………………….. 3.6.4. De los peces………………………………………………………………… 3.6.5. De las plantas………………………………………………………………. 3.6.6. Análisis estadístico…………………………………………………………. 3.7. Evaluación económica de los sistemas……………………………………. 3.7.1. Valor Actual Neto (VAN)…………………………………………………… 3.7.2. Relación Beneficio-Costo (B/C)…………………………….. 3.7.3. Relación Beneficio-Inversión Neta (N/K)…………………... 3.7.4. Tasa Interna de Retorno (TIR)……………………………… 4. RESULTADOS………………………………………………………………….. 4.1. Concepto del sistema acuapónico………………………………………….. 4.2. Ingeniería básica……………………………………………………………… 4.2.1. Instalaciones existentes en el lugar………………………………………. 4.2.2. Delimitación del área de trabajo………………………………………….. 4.2.3. Arreglo de las unidades del sistema……………………………………… 4.3. Ingeniería a detalle…………………………………………………………… 4.4. Memoria de cálculo hidráulico………………………………………………. 4.5. Determinación de eficiencia energética……………………………………. 4.6. Determinación de la producción de biomasa animal y vegetal………….. 4.7. Evaluación económica de los sistemas……………………………………. DISCUSIÓN GENERAL…………………………………………………………… CONCLUSIONES………………………………………………………………….. REFERENCIAS……………………………………………………………………..
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51 52 52 53 53 54 54 55 55 56 56 57 57 59 61 66 80 86 87 89 90 96 97
Índice de Cuadros, Figuras y Ecuaciones
Cuadro 1. Usos consuntivos del agua en el estado de Guanajuato (año 2009). Cuadro 2. Uso de agua requerida para la producción de diversos cultivos, período de 1996 al 2005. Valores promedio año en m3/ton. Cuadro 3. Uso de agua requerida para la crianza de animales productivos a lo largo de toda su vida, período de 1996 al 2005. Valores promedio año en m3/ton. Cuadro 4. Uso de agua requerida para la producción de carne de diversas especies en México, período de 1996 al 2005. Valores promedio año en m 3/ton. Cuadro 5. Comparación entre cultivo con sustratos inertes (hidroponía, sin suelo arable) y cultivo tradicional en suelo arable. Cuadro 6. Producción de especias y plantas medicinales en México para el año 2010. Cuadro 7. Combinaciones de sustratos en los filtros biológicos. Cuadro 8. Resultados de la simulación numérica del sedimentador – filtros tipo torre. Cuadro 9. Resultados de la simulación numérica de los filtros tipos torre - las camas de siembra de plantas. Cuadro 10. Resultados de la simulación numérica del desagüe de las camas distal y medial. Cuadro 11. Resultados de la simulación numérica del desagüe de la cama uno. Cuadro 12. Pérdidas locales por fricción en accesorios. Cuadro 13. Valores de sobrevivencia, crecimiento y producción de peces tilapia y plantas de albahaca, según las combinaciones de sustrato utilizadas en filtros biológicos de sistemas acuapónicos. Cuadro 14. Indicadores de evaluación económica de los diferentes sistemas acuapónicos evaluados, de acuerdo a la combinación de sustratos utilizados en los filtros biológicos.
Figura 1. Croquis de localización de área de estudio. Figura 2. Estanque para peces y sus dimensiones. VII
Figura 3. Cama de siembra. Figura 4. Sedimentador de sólidos. Figura 5. Imagen del sistema acuapónico diseñado. Figura 6. Instalaciones existentes del lugar. Figura 7. Dimensionamiento del área de trabajo. Figura 8. Distribución espacial dentro del área de trabajo. Figura 9. Delimitación de los sistemas y espacios de trabajo. Figura 10. Arreglo de unidades en el sistema y porcentajes de espacio destinados para cada unidad. Figura 11. Acotamiento de espacios para labor de cultivos entre dos sistemas consecutivos. Figura 12. Arreglo en perfil del sistema. Figura 13. Dirección del flujo (vista en planta). Figura 14. Dirección del flujo del agua al interior del sistema (vista frontal). Figura 15. Vista en planta del sistema completo, interconexiones y accesorios. Figura 16. Vista frontal del sistema completo, interconexiones y accesorios. Figura 17. Vista frontal de la primera sección del sistema, interconexiones y accesorios. Figura 18. Vista frontal de la segunda sección del sistema, interconexiones y accesorios. Figura 19. Vista frontal del biorreactor proximal al estanque de peces, interconexiones y accesorios. Figura 20. Vista frontal de los biorreactores medial y distal, interconexiones y accesorios. Figura 21. Vista del perfil de los filtros tipo torre. Figura 22. Vista frontal del biofiltro (integrado por filtro tipo torre y cama de siembra). Figura 23. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del sedimentador – filtros tipo torre. Figura 24. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica de los filtros tipos torre - las camas de siembra de plantas. VIII
Figura 25. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del desagüe de las camas distal y medial. Figura 26. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del desagüe de la cama uno. Figura 27. Carga a vencer por la bomba para alimentación de agua del estanque de peces al sedimentador de sólidos y datos básicos de la tubería. Figura 28. Vista isométrica de la alimentación al sedimentador.
Ecuación 1. Cálculo de población de peces por estanque. Ecuación 2. Cálculo de volumen de agua efectivo dentro del filtro tipo torre e imagen representativa. Ecuación 3. Cálculo de volumen de agua efectivo dentro de la cama de siembra. Ecuación 4. Cálculo del tiempo de retención hidráulico dentro del sedimentador. Ecuación 5. Cálculo de la carga dinámica total. Ecuación 6. Valor Actual Neto. Ecuación 7. Relación Beneficio – Costo. Ecuación 8. Relación Beneficio – Inversión Neta. Ecuación 9. Tasa Interna de Retorno.
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1. INTRODUCCIÓN
México es un país que para su desarrollo depende en gran medida de la producción agropecuaria, muestra de ello es que para el año 2007 del total de agua extraída de lagos, embalses y mantos acuíferos cerca del 78% fue destinada para actividades de riego agrícola. De la misma manera, para el estado de Guanajuato la agricultura es una actividad fundamental, la cual para el año 2011 demandó un volumen de agua cercano a los 3,500 millones de metros cúbicos aun cuando existen 17,280 perforaciones destinadas a la extracción de aguas subterráneas, de las cuales todos los pozos estudiados por la comisión estatal de agua de Guanajuato presentan sobrexplotación (CNA, 2011).
La hidroponía es un sistema de agricultura protegida, así como una alternativa de alta producción. Se caracteriza por una alta eficiencia en el consumo de agua y requerir de poco espacio para el crecimiento de las raíces, además de optimizar espacios para el crecimiento de la planta cultivada (Rodríguez, 2002). Por otro, actualmente la acuicultura enfrenta dentro de sus principales retos el manejo adecuado de sus aguas residuales. Estas aguas suelen estar cargadas de sólidos, moléculas tóxicas en solución, residuos químicos provenientes de excretas, medicamentos y alimentos no consumidos, los cuales son comúnmente vertidas en suelos o cuerpos de agua adyacentes produciendo impactos negativos en el medio ambiente, haciendo que alternativas como los sistemas de recirculación acuícola (SRA) y tratamiento de aguas sean una opción viable e interesante para mitigar los impactos ambientales negativos(Pillay y Kutty, 2005). Los filtros biológicos y en particular los sustratos utilizados son elemento clave en la eficiencia de los SRA.
En la actualidad algunas investigaciones han demostrado que los residuos de la acuicultura pueden ser utilizados para nutrir al cultivo vegetal en sistemas hidropónicos (Lennard y Leonard, 2006). De este principio nace la Acuaponía, la cual se visualiza como una alternativa tecnológica dirigida al desarrollo sostenible (Rakocy y Hargreaves, 1993; Racocy, 2005). La acuaponía en términos generales es - 10 -
un sistema en el cual los residuos producidos por algún organismo acuático son convertidos por medio de acción bacteriana en nutrientes necesarios para el crecimiento de vegetales, las cuales sirven como fuente de alimento (Van Gorder, 2000; Parker, 2002). Este sistema además de mitigar el impacto ambiental producido por las granjas acuícolas y obtener un doble beneficio al producir biomasa vegetal y animal, tiene la ventaja de tener un menor consumo de agua que los sistemas hidropónicos y cultivos a cielo abierto (McMurtry et al., 1997).
Debido a la poca información acerca de los sistemas de producción acuapónicos, es necesario realizar investigaciones que aporten información relevante acerca del comportamiento biológico y de la interacción peces – planta – agua. Debido a lo anteriormente señalado, este trabajo tiene la finalidad de crear un diseño original de un sistema acuapónico de producción a pequeña escala y evaluar la producción de tilapia y albahaca con seis combinaciones diferentes de sustratos en los filtros biológicos.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1. El Uso del Agua en México
El agua es un factor importante para el desarrollo de la vida cotidiana y para la realización de las diversas actividades económicas que sustentan a un país. Entre los diversos usos consuntivos convergen la agricultura, industria, abastecimiento urbano, generación de energía eléctrica, industria pecuaria, acuicultura, turismo y de cuestiones paisajísticas. Aunque no todas las actividades antes mencionadas generan un gran consumo de agua si contribuyen de forma importante como una causa limitante del recurso hídrico (CNA, 2008). Para el manejo del recurso hídrico es de vital importancia conocer la cantidad de lluvia que se precipita a lo largo del año en el territorio nacional. Nuestro país recibe un promedio anual de agua de 1,489 millones de metros cúbicos, de los cuales cerca del 73% se pierde por evapotranspiración. Un volumen de 329 millones de metros cúbicos escurre por una vasta red de arroyos y ríos de 633 mil kilómetros de longitud, mientras que el volumen restante se incorpora a los mantos acuíferos (CNA, 2011). Sin embargo, existen contrastes muy relevantes en la parte norte, centro y sur del país; así por ejemplo, en algunas zonas de Baja California Sur se tienen registros de la precipitación media anual de hasta 50 mm por año, mientras que, en algunos estados del sur como Tabasco y partes de Chiapas alcanzan alturas de lluvia de hasta 1,500 mm por año (SEMARNAT, 2008).
De acuerdo a la Comisión Nacional del Agua (2008), aproximadamente del total de la lluvia presente en la superficie en el año 2007, el 67% de esta se presenta en tan solo cuatro meses, el 83% de esta escurre superficialmente por los grandes ríos y el resto se incorpora a los mantos acuíferos, lo que dificulta su aprovechamiento y obliga a la construcción de grandes obras hidráulicas para su captación, almacenaje y distribución. En el último lustro, se ha presentado un crecimiento poblacional importante, de 25 a 103 millones de habitantes para el 2005. Sumado a esto, las dos terceras partes del territorio nacional son semiáridas, el - 12 -
mayor crecimiento y desarrollo se ha llevado a cabo en la zona centro y norte del país, las cuales tienen una disponibilidad del agua menor que en el sur, debido a factores como el cambio climático y su ubicación en la franja desértica del hemisferio, lo que favorece la presencia de sequías y desabastos de agua (SEMARNAT, 2008; CENAPRED, 2001 al 2004). Lo anteriormente señalado, ha ocasionado problemas de disponibilidad de agua debido a la sobre explotación de fuentes superficiales y subterráneas de agua, con los subsecuentes conflictos sociales y estancamientos en el desarrollo económico (CNA, 2010 y 2008).
Para fines de administración en nuestro país, los confinamientos del agua subterránea han sido divididos en 653 acuíferos, y se sabe que para el año 2008 más de cien presentaron sobreexplotación. Se estima que en promedio en el territorio mexicano cerca del 37% del volumen total de agua concesionado para usos consuntivos proviene del subsuelo y la mayoría de los acuíferos que presentan esta problemática se encuentran ubicados en la zona centro y norte del país. De estos mantos sobreexplotados se extrae un volumen aproximado del 58% del total de agua subterránea destinada para todos los usos en esta zona (CNA, 2010).
Expresado en porcentajes, en las regiones norte y centro del país se concentra el 77% de la población y se dispone solo del 31% de agua, mientras que en las regiones sur – sureste se dispone de aproximadamente el 69% del total de agua captada y se ubica el 23% de la población total. En lo que respecta al uso del agua, en diciembre del año 2006 se concesionó un volumen de 77,321 millones de m3 de agua para diversas actividades económicas, sin incluir la generación de energía hidroeléctrica. Del volumen total disponible de agua, el 77% corresponde al uso en la agropecuario, el 14% al uso público y el 9% para las actividades de la industria, las cuales obtienen el recurso en mayor medida de fuentes de subterráneas (CNA, 2010; CNA, 2008; SEMARNAT, 2008).
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2.1.1. Uso del Agua en el Estado de Guanajuato
El estado de Guanajuato pertenece a dos regiones hidrológicas, la región hidrológica Lerma – Santiago (RH-12), cuya extensión abarca más del 80% de la superficie del estado, y la región hidrológica del Panuco (RH-26) con una extensión de cerca del 17% de la superficie. La primera se caracteriza porque sus aguas tienen un flujo hacia el Océano Pacífico y la segunda por presentar escurrimientos hacia el Golfo de México (CEAG, 2001). Con el objetivo de llevar a cabo una correcta gestión del recurso hídrico, Guanajuato participa en conjunto con otros estados en tres consejos de cuenca, los cuales son: Lerma – Chapala, Río Santiago y Río Panuco, siendo el de mayor extensión en el estado el Lerma – Chapala. Dentro de las dos regiones hidrológicas del estado se encuentran distribuidas siete subcuencas, éstas son: San Gaspar, Salamanca – Cuitzeo - Solís, Adjuntas, Pericos, Río Lerma, Santa María – Extoraz y la más extensa Begoña, que se extiende abarcando los municipios de la parte norte central del estado (CEAG, 2001). A lo largo de la superficie del estado, fluye una red de ríos con una longitud total de 877 kilómetros. Dentro de la Región RH-12 los más importantes son Laja, Turbio, Guanajuato, Temascatío, Verde y Lerma, este último es el más largo de la región y del estado. En la región RH-26 solamente se ubica el río Santa María (INEGI, 1995 y 2000).
El estado de Guanajuato cuenta con una infraestructura hidráulica que almacena cerca de 1,500 millones de m3 en 5,000 almacenamientos de agua superficial. Las principales obras hidráulicas del estado son: Presa Solís, Laguna de Yuriria, Presa Allende, Presa Peñuelitas, Presa la Purísima, Presa el Palote, Presa Soledad y Presa la Esperanza, siendo las de mayor tamaño la presa Solís con una capacidad de 1,217 Mm3, La presa Ignacio Allende capaz de almacenar 251 Mm3 y la presa La Purísima con una capacidad máxima de 195 Mm3 (CEAG 2001; CEAG, 2004). Con la finalidad de estimar la precipitación promedio en el estado existe una red de cuarenta y cuatro estaciones hidrométricas distribuidas a lo largo del territorio operadas por la Comisión Nacional del Agua (CNA), la Comisión Estatal del Agua de Guanajuato (CEAG) y la Secretaría de Desarrollo Agropecuario y Rural (SDAyR), de - 14 -
las cuales 41 estaciones hidrométricas convencionales corresponden a la CNA, 2 estaciones convencionales a la CEAG y una estación semiautomática a la SDAyR (CNA, 2000; CEAG, 2001).
Para el estado de Guanajuato se estima un escurrimiento superficial de 1,364 millones de m3 en la región hidrológica Lerma – Chapala (RH-12) y un escurrimiento de 150 millones de m3 en la región hidrológica del Pánuco (RH-26), contra una extracción de demanda de aguas superficiales de 1,557 millones de m3, lo que refleja un déficit de 193 millones de m3 (CEAG 2001; CEAG, 2004). Debido a las características físicas del territorio estatal, Guanajuato posee las condiciones apropiadas para la formación de mantos acuíferos. Para su administración, la Comisión Nacional del Agua delimitó los acuíferos en 20 zonas y en 1999 la CNA en coordinación con la Comisión Estatal del Agua en Guanajuato dividió el estado en 15 zonas para el estudio de las aguas subterráneas. En lo que respecta al balance de las aguas subterráneas en el estado, anualmente en promedio se tiene una recarga a los mantos acuíferos de aproximadamente 2,948 millones de m3, mientras que se reporta una extracción de 4,194 millones de m3, cifras que resultan en un déficit de 1,245 millones de m3 (CEAG, 2001).
En el estado existen un total de 17,280 pozos registrados (cifra que se conoce gracias a los contratos derivados de energía eléctrica) con una profundidad media de 10 a 200 metros y un abatimiento medio anual de 0.5 a 3.5 metros. Cabe mencionar que todos los acuíferos estudiados por la Comisión Estatal del Agua de Guanajuato presentan sobreexplotación (CEAG, 2001; CEAG, 2004). De acuerdo a la Comisión Estatal del Agua (1999), del total del agua tanto superficial y subterránea disponible en el estado, cerca del 90% se destina a la actividad agrícola y de abrevadero, aproximadamente el 8% es usada por el sector público urbano y rural y el 1% se dispone para la actividad agrícola. Por otra parte, del total de agua extraída del subsuelo cerca del 99.73% es usada por la actividad agrícola (CEAG, 2001; CEAG, 2004). Para el año 2001, había un registro de 80 empresas clasificadas en 16 diferentes grupos y giros. Estas empresas eran capaces de - 15 -
generar aproximadamente 65,062 m3 de aguas residuales por día, de los cuales el 44% de este gasto proviene de la industria química y petroquímica, siendo los municipios más afectados San Francisco del Rincón y Salamanca, generando un alto grado de contaminación en los ríos Turbio y Lerma (CEAG, 2001).
2.1.2. Uso del agua en la producción agropecuaria
En la actualidad, uno de los factores limitantes en las producciones agropecuarias en México es el recurso hídrico, ya que los mantos acuíferos nacionales tienen una gran presión de demanda. Del total del agua extraída en el país, alrededor del 78% es destinada para riego en actividades agrícolas (CNA, 2008). Esta producción agrícola constituye el 4% del PIB nacional con un valor de 155 mil millones de pesos y existen entre 20 y 25 millones de hectáreas destinadas a esta actividad, de las cuales, se cosechan de 18 a 22 millones de hectáreas. En el año 2004, el 76% del agua extraída del subsuelo se utilizó para el riego de los cultivos, y el 6.5% de esta agua se destinó para las actividades pecuarias y de acuicultura (SEMARNAT, 2005). México es uno de los países que cuenta con mayor infraestructura para el riego en el mundo, ocupado el sexto lugar a nivel mundial, es por ello que, aproximadamente el 10.5% de la superficie del territorio está destinada para actividades de agricultura (alrededor de 21 millones de hectáreas) (CNA, 2008). Para el año 2007, el Censo Agrícola, Ganadero y Forestal reportó que el 18% de la superficie dedicada a la agricultura utilizó técnicas de riego. El agua es suministrada mediante 85 distritos de riego (utilizados en el 54% de la superficie regada) y pequeñas obras operadas por el productor conocidas como unidades de riego (utilizadas por el 46% de las superficies regadas). Las metodologías de riego mayormente usadas en el país son las de uso tradicional teniendo una eficiencia del uso del agua de un 46% y se estima que con el uso de nuevas tecnologías podría aumentar a un 60% (CNA, 2001). Cabe destacar que en el año 2008, la Comisión Nacional del Agua reporta que las eficiencias en el uso del agua en el sector agrícola son aún muy bajas cubriendo un rango de eficiencia de entre el 33 y 55%. La superficie restante es irrigada por temporal y 2.7 millones de hectáreas de esta son - 16 -
irrigadas por 22 distritos de temporal tecnificado (SEMARNAT, 2008). De acuerdo a la Comisión Nacional del Agua (2008), el 88% del volumen de agua que se utiliza por los distritos de riego proviene de fuentes superficiales tales como presas y ríos, mientras que el otro 12% proviene de fuentes de agua subterránea extraída de pozos profundos. Por otro lado, el 57% del agua utilizada por las unidades de riego proviene de fuentes de agua subterránea y el 43% restante de fuentes superficiales.
La agricultura de riego llega a generar más de la mitad de la producción agrícola nacional y en promedio las áreas que cuentan con infraestructura para suministrar el riego son 3.7 veces más productivas que las de temporal (SEMARNAT, 2008; CNA, 2008; CNA, 2010). Por lo que respecta al uso del agua para la agricultura en el estado, la Comisión Estatal del Agua de Guanajuato (2001) reportó un total de 416,000 hectáreas regadas. Lo que corresponde a un 67.5% de la superficie destinada para la agricultura, el otro 32% es irrigada por temporal. Guanajuato cuenta para esta práctica con dos distritos de riego que irrigan cercar de 125,060 hectáreas, el Alto Lerma (011) y la Begoña (085), además de esto 11,000 hectáreas son irrigadas por el distrito de riego 087 perteneciente al estado de Michoacán, el resto de la superficie destinada a la agricultura es regada por unidades de riego. Por otra parte, del total de la superficie irrigada el 27% lo hace por medio del riego. En el cuadro 1, se muestran los usos consuntivos del agua en el Estado de Guanajuato.
Cuadro 1. Usos consuntivos del agua en el estado de Guanajuato en el año 2009 (CNA, 2011). Usos consuntivos de agua en el estado de Guanajuato (m3) Abastecimiento Industria Industria Fuente Agricultura Industria público termoeléctrica hidroeléctrica Subterránea 2,118,756,100 557,562,557.40 60,113,704 20,543,076 0 Superficial 1,325,558,628 93,922,755.14 379,840 0 800,100,000 La agricultura de riego se ha desarrollado en el estado de Guanajuato a lo largo del bajío en dos etapas a partir de la década de los sesenta. La primera etapa - 17 -
corresponde a la modernización agroindustrial que sufrió la industria alimentaria entre las décadas de los sesenta y setenta. Dicha modernización trajo consigo el establecimiento de empresas transnacionales dedicadas a la producción de alimentos balaceados para la industria avícola, porcina y a la producción de harina de trigo. Esta modernización ocasionó un cambio total en el paisaje agrícola puesto que los cultivos predominantes (maíz y frijol) perdieron terreno frente a los cultivos de sorgo y materia prima para la elaboración de alimentos balanceados (Gómez Cruz y Perales, 1981). La segunda etapa se da en la década de los ochenta y se centralizó en la exportación masiva de hortalizas congeladas, gracias esta oportunidad de expansión en el mercado agrícola la superficie hortícola cultivada pasó de aproximadamente 10,000 a 70,000 hectáreas con un valor entre 10 y 170 millones de dólares (Bivings y Runsten, 1992).
Gracias a la expansión agrícola estas dos etapas de crecimiento ocasionaron un impacto negativo sobre los mantos acuíferos haciendo que Guanajuato pasara a ser el estado con mayor número de pozos a nivel nacional, con 1,100 perforaciones en 1960 y 16,500 en 1996 (CEAG, 2001).
La Comisión Estatal del Agua de
Guanajuato (1994) ha estimado que entre 1970 a 1990, el estado ha experimentado un crecimiento en la superficie destinada a riego de 135,900 hectáreas a 473,900 hectáreas haciendo que entre los años de 1977 a 1994 la profundidad promedio de los pozos llegara hasta 150 metros de profundidad con un descenso promedio del espejo de agua de uno a tres metros por año.
La cantidad de agua requerida para la producción de un cultivo depende de diversos factores. La huella hídrica de un producto de consumo se define como el total del volumen de agua fresca que es usada para producir dicho producto (Hoekstra et al., 2009). A su vez, la huella hídrica se subdivide en tres diferentes tipos: azul, verde y gris. La primera se refiere al agua superficial y subterránea consumida para la producción de un bien. La huella hídrica verde hace referencia al agua de lluvia consumida, mientras que la huella hídrica gris de un producto se
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refiere al volumen de agua requerida para asimilar la carga de contaminantes (Mekonnen y Hoekstra, 2010).
De acuerdo a la SAGARPA (2011a) a nivel nacional y estatal, los cultivos de grano como el maíz, la cebada y el trigo tienen una alta producción. Al mismo tiempo, es notable que dichos productos requieren de una cantidad considerable de agua para su desarrollo, cabe mencionar que en el estado de Guanajuato se tiene una problemática de sobrexplotación de los mantos acuíferos (CEAG, 2001; CEAG, 2004), y la actividad con mayor demanda de agua subterránea es la agrícola. El gasto de agua y la huella hídrica depende del tipo de cultivo y producto obtenido. En el cuadro 2 se muestra la huella hídrica de algunos cultivos producidos en el país y en el estado de Guanajuato, y en los cuadros 3 y 4 la huella hídrica para la crianza y mantenimiento de especies animales productivas y algunos productos de origen animal.
La producción y consumo de carnes en nuestro país, por orden de importancia, son las aves de corral, bovino y porcino. En el cuarto lugar, se ubican los peces de agua dulce junto con los ovinos y caprinos (FAO, 2010; SAGARPA, 2011b). En el cuadro 3 se pueden observar los volúmenes de agua reportados para la crianza de estas especies por año, en el período entre 1996 al 2005. En el caso del cultivo acuícola, a la fecha, no se han encontrado datos de huella hídrica en la literatura consultada.
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Cuadro 2. Uso de agua requerida para la producción de diversos cultivos, período de 1996 al 2005. Valores promedio año en m3/ton (Mekonnen y Hoekstra, 2010). Huella hídrica por cultivo (m3/ton) Cultivo Maíz Trigo Cebada con cascara Arroz Sorgo Caña de Azúcar Calabaza y Chayote Espinaca Coliflor, Brócoli Lechuga Cebolla Anís Ajo fresco Ajo en polvo Espárrago Fresa Sandía Melón Pepino y pepinillo Frijol Papa Pimiento verde
México Guanajuato H. H. Verde H. H. Azul H. H. Gris H. H. Verde H. H. Azul H. H. Gris 1852 333 1038 1239 1044 135 193 199 212 116 210 418 171 657 1278 228 176 134 70 4369 138 129
62 558 864 349 177 33 26 98 70 49 87 138 475 1827 712 90 60 26 31 174 112 82
357 185 37 162 27 15 65 94 74 49 83 36 121 465 252 43 45 45 39 475 13 76
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1874 457 790 1562 101 203 242 270 147 244 470 216 832 1701 171 196 149 69 4228 170 170
87 658 900 69 42 11 37 5 11 37 63 427 1644 475 83 31 6 52 71 67 82
355 183 31 24 15 62 84 74 46 78 35 158 607 233 33 44 43 38 417 13 102
Cuadro 3. Uso de agua requerida para la crianza de animales productivos a lo largo de toda su vida, período de 1996 al 2005. Valores promedio año en m3/ton (Mekonnen y Hoekstra, 2010).
Especie animal
Huella hídrica del animal vivo hasta el fin de su vida (m3/ton)
Vacas lecheras Caballos Ganado Vacuno Cerdos Ovejas Pollo Cabras Pollos de engorda
----40,612 7,477 3,831 4,519 ----3,079 3,364
Peso Huella Promedio promedio hídrica Promedio anual de del animal promedio de huella hídrica tiempo hasta el fin hasta el fin de un animal de vida de su vida su vida (m3/año/animal) (años) 3 (kg) (m /animal) ----20,558 10 2,056 473 19,189 12 1,599 253 1,889 3 630 102 390 0.75 520 31.3 141 2.1 68 ----47 1.4 33 24.6 76 2.3 32 1.9 6 0.25 26
En el cuadro 4, se pueden observar los volúmenes de agua necesarios para la obtención de carne de diversas especies productivas. Cuadro 4. Uso de agua requerida para la producción de carne de diversas especies en México, período de 1996 al 2005. Valores promedio año en m3/ton (Mekonnen y Hoekstra, 2010). Producto
H.H. Verde
H.H. Azul
H.H. Gris
Carne de res
15,843
801
618
Carne de oveja
20,987
485
94
Carne de cabra
10,489
304
1
Carne de cerdo
6,859
837
653
Carne de pollo
4,526
403
524
Es interesante observar que, se requiere una alta cantidad de agua para producir un kilo de carne de ovino, seguida por los bovinos y caprinos, y en menor medida para cerdos y pollos. Cabe mencionar que en la literatura consultada, no se han encontrado reportes del uso de agua requerida para la obtención de carne de peces de agua dulce. Este hecho llama poderosamente la atención, debido a que en - 21 -
el caso de la producción acuícola intensiva, la cual es manejada por medio de estanquería, el elemento agua es fundamental para dichas producciones. Muy probablemente, el recurso agua hasta la fecha no ha sido tomado en cuenta en la acuicultura, debido a que en gran medida, los organismos (como peces) que se consumen, aún los de agua dulce, se obtienen por medio de la captura directa. Sin embargo, con el acelerado y sostenido crecimiento y situación actual de la producción acuícola en estanques en México y el mundo, es fundamental evaluar el gasto hídrico necesario para la obtención de carne de peces de agua dulce y otros productos acuícolas.
2.2. Agricultura protegida
La agricultura es una actividad fundamental, conforme la población crece, las necesidades para la distribución y la producción de alimentos también lo hacen, por lo que la planificación de superficies para la práctica agrícola se vuelve cada vez más costosa y complicada (FAO, 1998). El crecimiento demográfico, las tendencias económicas de la población y la distribución de la superficie destinada para el cultivo son factores que determinan la demanda de alimentos para un sistema agropecuario y definen en gran medida el grado de pobreza de un país. Además, tanto las condiciones climáticas como el grado de tecnología de una región limitan fuertemente la producción (FAO, 2002; FAO, 2007).
La agricultura protegida se define como la modificación del ambiente aéreo y radicular de la planta, luz, temperatura, humedad y nutrición, con el objetivo de lograr incrementar el rendimiento de los cultivos, extender las temporadas productivas y permitir que las plantas crezcan en períodos del año que regularmente no lo hacen (Jensen y Malter, 1995). Para permitir la modificación de dichos parámetros es necesario contar con sistemas que brinden una protección adecuada y se ajusten a las necesidades particulares de cada cultivo. Estos sistemas pueden variar de acuerdo a su complejidad y función, desde pequeños semilleros, cubiertas plásticas, cajoneras, túneles, hasta edificaciones como los invernaderos, los cuales son - 22 -
estructuras en donde se puede cultivar hortalizas, flores y plantas verdes, permiten la manipulación de factores climáticos y el cultivo fuera de temporada (Tognoni y Alpi, 1999). En la actualidad, la práctica de esta técnica ha permitido a algunos países incrementar su superficie para la producción de alimentos.
En México, la agricultura protegida se ha incrementado en los últimos años debido a las ventajas que tiene sobre otros sistemas, ya que ofrece la oportunidad de obtener productos de forma constante sin depender del clima. Comparándola con cultivos de temporal, es posible programar las cosechas de acuerdo a la demanda y precio, se obtienen hasta tres cosechas al año dando como resultado un aumento en el rendimiento, se obtiene mayor calidad en los productos, hay un importante ahorro de agua y un mejor control de enfermedades y plagas (Serrano, 2005).
Gracias a las múltiples ventajas ambientales, comerciales y sociales que la agricultura protegida ofrece, México es un país en el que la superficie ocupada por cultivos de invernadero se encuentra en expansión. Para el año de 1980, existía un total de 300 hectáreas de invernadero a lo largo del territorio nacional. Para el año de 1999, el número ascendió a 721, para 2005 a 3,214, y para el 2007, el Instituto de Nacional de Estadística y Geografía reportó un total de 18,127 unidades que ocupaban una superficie de 12,540 hectáreas. Para el año 2008, había un total de 18,517 hectáreas ocupadas por invernaderos, para ese mismo período en el estado de Guanajuato existían 175 hectáreas (SAGARPA, 2011a). De acuerdo a la SAGARPA (2009) para el año 2008 del total de la superficie del país destinada a la agricultura protegida, el 44% de esta correspondía a invernaderos, el 51% a estructuras de malla sombra y el 5% a otros tipos de infraestructuras. Por otro lado, el 79% de los invernaderos presentes en el país el 79% eran de alta tecnología, el 17% de media y el 5% de baja.
A nivel nacional, los estados que cuentan con más infraestructura para la práctica de la agricultura protegida son: Sinaloa con el 30% del total del país, Baja California con un 16%, Estado de México con 12%, Jalisco con un 7% y el otro 35% - 23 -
se encuentra distribuido en el resto del país. Casi el 38% de infraestructura destinada para la agricultura protegida produce jitomate, el 33% cítricos y forrajes, el 16% pimiento morrón, el 10.8% pepino, el 1.6% plantas ornamentales y el 1% melón (SAGARPA, 2011 a).
2.2.1. Hidroponía
La hidroponía es un sistema en donde es posible la producción de plantas donde en lugar de tierra, se utiliza un medio inerte como arena gruesa, turba, vermiculita o aserrín a la que se agrega una solución nutritiva (Barbado, 2005), y ha sido desarrollada gracias a diversos experimentos realizados para determinar que sustancias necesitan las plantas para crecer (Howard, 2004). Debido a que una gran superficie del país presenta una precipitación media anual relativamente baja y además existen diversas zonas con problemas de erosión de suelo, los sistemas hidropónicos son una alternativa altamente productiva, ya que tiene una alta eficiencia en el consumo de agua y requiere de poco espacio para el crecimiento de las raíces, además la planta se hace crecer hacia arriba optimizando el espacio y por lo cual alcanza un gran tamaño (Rodríguez, 2002).
Como principales ventajas se tiene que en los sistemas hidropónicos las labores de cultivo, fumigación, riego y otras prácticas tradicionales extenuantes son eliminadas, gracias a la proporción constante de nutrientes, la planta puede aprovecharlos con mayor eficiencia. El hecho de que los sistemas hidropónicos puedan estar bajo condiciones protegidas permite obtener un mejor control de plagas, una alimentación eficiente de las plantas, un ambiente propicio para el crecimiento óptimo de las raíces y la manipulación de factores como la temperatura, luz, humedad y composición del aire. Además, los pequeños horticultores pueden adaptar pequeños sistemas en los jardines de sus casas (Benton, 2005). Las diferencias entre el cultivo con sustratos inertes (hidroponía) y cultivo tradicional en suelo arable pueden observarse en el Cuadro 5.
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Las desventajas que afectan a este sistema de producción son un costo inicial por hectárea muy alto, se necesita de conocimientos especializados para poder operarlos, las enfermedades y plagas pueden ser rápidamente esparcidas por todo el cultivo por medio de la solución nutritiva, las plantas pueden reaccionar rápidamente a buenas o malas condiciones, y usualmente se tiene descargas de aguas residuales cargadas con sales a suelos externos (Manson, 1990).
2.2.2. Plantas aromáticas
Entre las especies que son posibles de cultivar en sistemas hidropónicos, se encuentran las plantas aromáticas, las cuales, han extendido su utilización de forma relevante y son consumidas en cantidades importantes en nuestro país (SAGARPA, 2011a). Este tipo de plantas pueden ser de ciclo anual, perenne o bienal, y pueden ser cultivadas en suelo, macetas o hidroponía. Una gran parte de las plantas aromáticas pueden ser procesadas mediante el secado para conservar su aroma y sabor, aunque también pueden ser consumidas de forma fresca, principalmente hojas y tallos tiernos. En general se caracterizan por pequeños arbustos y la mayoría se reproducen por medio de semillas. Sus principales usos son culinarios, sin embargo, también son utilizadas con fines medicinales (Mendiola y Montalbán, 2009). En el cuadro 6 se puede observar que en el año 2010 algunas de las especias y plantas medicinales más producidas fueron jamaica, pimienta, chía, manzanilla, albahaca, te limón, achiote y anís. De la misma manera es notable que las más rentables son anís, jamaica, chía, pimienta, manzanilla, albahaca, achiote y pimienta verde.
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Cuadro 5. Comparación entre cultivo con sustratos inertes (hidroponía, sin suelo arable) y cultivo tradicional en suelo arable (RESH, 2001). Práctica de cultivo
Agua
Calidad del fruto
Nutrición vegetal
Número de plantas Control de malas hierbas Enfermedades y parásitos del suelo Esterilización del medio de cultivo Estado sanitario
Fertilizantes
Trasplante
Con suelos arables El uso del agua es poco eficiente, las plantas normalmente están sujetas a trastornos debidos a una pobre relación agua-suelo Debido a las deficiencias de calcio y potasio el fruto frecuentemente es blando A veces los nutrientes no son utilizados por las plantas debido al pH o mala estructura del terreno Limitado por la nutrición que pueda dar el suelo y por la luz disponible
Con sustratos inertes
Es posible usar una mayor densidad de plantación, lo que dará una mayor cosecha
Siempre existen
No existen
Mayor eficiencia en el uso de agua, se pueden reducir las pérdidas por evaporación, no existe estrés hídrico El fruto es firme, lo que permite cosecharlo y enviarlo a zonas distantes Buen control del pH y uniformidad para la nutrición de las plantas
No hay enfermedades, insectos ni animales en el medio de cultivo Proceso muy largo, de dos El tiempo preciso para la labor a tres semanas es muy corto La utilización de restos No existen agentes patógenos orgánicos suele ser causa ya que no se añaden de enfermedades en los componentes biológicos consumidores Se aplican grandes cantidades a todo el suelo Hay uniformidad en la con una distribución poco aplicación y se utilizan uniforme, teniendo pequeñas cantidades grandes pérdidas Se requiere de una No necesita una preparación preparación del suelo y a especial del suelo, siendo pesar de ello la planta mínima la pérdida vegetativa suele estresarse Gran número de enfermedades del suelo
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Cuadro 6. Producción de especias y plantas medicinales en México para el año 2010. (SAGARPA, 2011a). Cultivo
Superficie cosechada (ha)
Producción (ton)
Valor de producción (millones de pesos)
Achiote Albahaca Albahaca de invernadero Anís Chía Comino Hierbabuena Jamaica Jengibre Manzanilla Mejorana Mostaza Neem Noni Orégano Pimienta Pimienta verde Romero Te limón Tomillo
500 78 5.62 334 2,329 152 29.5 19,020 37 866 28 10 20 42 65 2,348 142 41 73.5 4
452.27 1,236 84.42 397.28 2,913 124 288 5,469 11 1,505 50 19 7 318 128 3,286 354 343 770 34
5.247 5.515 1.927 8,714 57.24 3.34 1.196 119.316 0.216 11.84 0.158 0.399 0.00324 1.937 0.692 50.384 3.414 1.281 2.437 0.05
2.2.3. Albahaca (Ocimum basilicum L.)
De las especies de plantas aromáticas consumidas en nuestro país, la albahaca (Ocimum basilicum L.) se utiliza ampliamente con diversos fines. Es una planta anual, que sólo dura un corto período que va de la siembra a la recolección (Mendiola y Montalbán, 2009). Es una planta herbácea de la familia de las labiadas, originaria de los países tropicales; es una hierba muy ramosa, con hojas ovaladas y enteras. Las flores se disponen en largos ramilletes terminales. Es una planta muy aromática y perfumada, que se ha utilizado desde siempre para dar sabor y aroma a muchas salsas y guisos; pero además de ser condimento culinario, cuenta con propiedades
medicinales
(Javanmardi
et
- 27 -
al.,
2002;
2003).
Contiene
una
concentración importante de carotenoides, los cuales son transformados en el cuerpo en vitamina A, y ayuda a reducir los riesgos de contraer algunas formas de cáncer, así como a la producción de rodopsina (proteína) que se encuentra en las paredes de la retina del ojo responsable de mantener una vista saludable (Rinzler, 2001). Para el año 2010, en México el cultivo de albahaca abarcó una superficie de aproximadamente 453 hectáreas, de las cuales se cosechó un área total de 449 hectáreas. La producción para ese mismo año fue de 3,723 toneladas dando un rendimiento de 8.29 toneladas por hectárea. El valor de producción de esta herbácea fue de $12,260.00 por tonelada lo que generó un valor de producción de $45,651,000.00 (SAGARPA, 2011a).
2.3. Acuicultura
La acuicultura, hace referencia a todas las formas de cultivo de animales acuáticos (peces, moluscos y crustáceos) y plantas de medios de agua dulce, salobre o marina (Pillay y Kutty, 2005). Dentro del marco legal se define a la acuicultura como el aprovechamiento de las aguas y riberas para la cría y reproducción de animales acuáticos. La acuicultura en nuestro país tiene una larga historia iniciando desde tiempos prehispánicos y siendo reglamentada en 1923 con el surgimiento del Primer Reglamento de Pesca Marítima y Fluvial de la República Mexicana (Fragoso y Auró, 2006).
2.3.1. Uso del agua en Acuicultura
El uso de agua para la acuicultura a menudo es relacionado con el uso de agua dulce destinado para esta actividad, así mismo a nivel mundial, es considerada como una competencia directa para el cultivo de alimentos básicos, debido a que requiere de volúmenes significativos para su labor especialmente en sistemas abiertos, donde además las aguas residuales vertidas son perjudiciales para el entorno. Aunado a esto, la creciente demanda del vital líquido para la urbanización e industrialización restringe en gran medida el agua para la acuicultura. Sin embargo, en diversos - 28 -
países se han implementado propuestas tecnológicas para el aprovechamiento de las aguas residuales tratadas provenientes de la acuicultura. Dichas aguas pueden ser utilizadas para irrigación y fertilización de cultivos, o bien se puede crear sistemas de recirculación, donde el consumo de agua es mínimo y no daña el medio ambiente ya que el agua nunca es vertida. Por otro lado, en las líneas costeras también se desarrollan actividades de acuicultura aunque se han visto restringida por la competencia directa con el turismo, las pesquerías, la navegación y el desarrollo urbano. Existe además un tercer uso del agua destinada para la acuicultura, el cual hace referencia a la utilización del agua dulce para manejar la salinidad de las aguas salobres. Dicha actividad hoy en día ha sido prohibida en muchos países debido a los problemas de intrusión salina que está causando (FAO, 2007).
En el artículo 17, incisos IV y VI de la Ley General de Pesca y Acuicultura Sustentable se observan como principios rectores que, la investigación científica y tecnológica en materia acuícola se consolide como herramienta fundamental y se busquen nuevas tecnologías donde se utilicen los recursos naturales de forma más eficiente y al mismo tiempo se reduzcan los impactos ambientales negativos y se aumente la productividad (DOF, 2007). Actualmente, uno de los principales retos a los que se enfrenta la producción acuícola intensiva es el manejo del agua residual, ya que puede contener residuos sólidos en suspensión y moléculas tóxicas en solución, desechos químicos procedentes de las excretas, alimento no consumido y medicamentos, entre otros. Una vez utilizada el agua proveniente de los sistemas productores acuícolas, generalmente se descarga en el suelo o en cuerpos de agua adyacentes
provocando
diversos
impactos
al
ambiente,
por
lo
cual,
la
implementación de sistemas de recirculación y tratamiento de agua en este tipo de granjas son elementos clave para mitigar el efecto ambiental negativo asociado a dichas producciones (SEMARNAT, 2005).
- 29 -
2.3.2. Sistemas de producción acuícola en México
La actividad acuícola en México se puede dividir en acuicultura de repoblación, de subsistencia, comercial o industrial. La primera se basa en la siembra y cosecha de individuos en sus diferentes etapas de desarrollo en cuerpos de agua y el rendimiento que suele tener es de 100 a 800 kg/ha. La acuicultura de subsistencia es también conocida como acuicultura rural y se práctica con fines de subsistencia o de manera semi-comercial. El rendimiento puede ser de 100 a más de 400 kg por ha y es practicada primordialmente en estanques habilitados, los cuales son embalses pequeños (bordos y jagüeyes) temporales y permanentes. La tercera obtiene producciones de 1.5 ton/ha hasta 25 ton/ha dependiendo del grado tecnológico con que se cuenta. Los sistemas de producción se refieren al nivel de intensidad necesario para producir una especie en particular. Dichos sistemas son: sistema extensivo, semiintensivo, intensivo y para algunas especies hiperintensivo (FAO, 2012).
Los sistemas extensivos se caracterizan por tener una reducida densidad de organismos (un organismo por metro cúbico de agua), dedicarse principalmente a la siembra y cosecha de los mismos, no cuentan con tecnología para medir parámetros fisicoquímicos del agua, tienen solamente un ciclo de producción al año, los recambios de agua son limitados por la naturaleza del lugar y la alimentación se lleva a cabo por las características mismas del lugar. Suelen utilizarse diversos embalses (presas, jagüeyes, bordos) o estanques rústicos, en los que se puede incorporar más de una especie para apoyar la alimentación del pez. La producción que puede alcanzar este sistema es de 1,000 a 1,500 kg por ciclo productivo (Fragoso y Auró, 2006).
El sistema de producción semiintensivo se lleva a cabo en estanques, bordos, canales de riego, estanques rústicos y presas, el productor interviene solamente en la alimentación. Es caracterizado por tener una densidad media de organismos (de uno a diez peces por metro cúbico de agua), la alimentación se lleva a cabo de - 30 -
manera parcial con alimentos naturales presentes en el aguar y es complementada con alimentos balanceados. Es necesario cambiar por lo menos un 5% del agua del estanque al día, se monitorizan parámetros en el agua como la cantidad de oxígeno disuelto y se pueden obtener hasta dos cosechas por año (FAO, 2012; Fragoso y Auró, 2006).
Los sistemas de producción acuícola intensivos utilizan estanques pequeños de cemento, jaulas, canales de corrientes rápidas y sistemas de recirculación. Este tipo de estructuras se utilizan con la finalidad de mantener un buen control y manejo de las características del agua para lograr densidades altas de producción (hasta 50 kg de organismos por metro cúbico de agua). La explotación bajo este sistema requiere de un flujo de agua alto (hasta 3 recambios totales del agua por día), y se puede tener todas las etapas de producción de la especie animal. La dieta es soportada en su mayoría por alimentos balanceados y los parámetros fisicoquímicos tales como cantidad de amonio, nitratos, nitritos, oxígeno disuelto y pH son medidos continuamente.
2.3.3. Acuicultura en el Estado de Guanajuato
De acuerdo a la Secretaria de Desarrollo Agropecuario del Estado (20062012), Guanajuato cuenta con una infraestructura para el desarrollo acuícola de 40 mil hectáreas de espejo de agua. Dicha actividad se centra en dos grandes lagos, el primero en Cuitzeo conformado por 4,000 hectáreas y el segundo en Yuriria abarcando aproximadamente 6,300 hectáreas. Otros embalses de importancia son la presa Solís, presa Allende, la Purísima, la presa de Jesús María y la Golondrina. Es importante resaltar que entre la laguna de Yuriria, el lago de Cuitzeo y la presa Solís, ubicados en la región sur del estado, se produce más del 60% de la producción y se cuenta con más del 73% de los permisos para la pesca comercial.
Debido a las altas cargas contaminantes que provienen de las partes altas de la cuenca así como las generadas en los valles, las demandas agrícolas que - 31 -
reducen el nivel de aguas en almacenamientos al mínimo operable y la obstrucción a las actividades pesqueras por parte del lirio, se ha limitado considerablemente la actividad acuícola en el estado a la producción de solo algunas especies (CEAG, 2001). Como ha sido planteado, la producción acuícola en el estado se basa principalmente en la captura de especies directo del medio, por lo cual, es importante ofrecer alternativas de producción acuícola que permitan tener estas fuentes de proteína de forma constante, las cuales deben ser inocuas para el consumo humano, entre esas alternativas se encuentran los sistemas de recirculación acuícola.
2.3.4. Especies de peces para consumo humano
La actividad acuícola en nuestro país ha ido en aumento en los últimos años, llegando a alcanzar una producción de 156,957 toneladas para el 2009 con un valor de 4,775 millones de dólares. México produjo alrededor de 24,522 toneladas de peces de agua dulce, 3,070 de peces de agua marina, 125,806 de crustáceos, 3,407 de bivalvos y 152 de rana. Dichas cifras reflejan la importancia del cultivo de crustáceos y peces de agua dulce los cuales aportan a la producción total aproximadamente el 80% de la producción y un poco más del 15% respectivamente. Para el año 2009, las principales especies producto de la acuicultura a lo largo del territorio mexicano fueron el camarón blanco (Penaeus vannamei) con cerca de 126 mil toneladas aportando cerca del 80% del total de la producción acuícola, especies de agua dulce, tales como tilapia, carpa, trucha y bagre, las cuales contribuyen con casi el 16% de la producción total. Dentro de las especies de agua dulce la más utilizada es la tilapia (Oreochromis), de la cual se produjerón 11 mil toneladas, las cuales representarón el 45% de la producción de peces de agua dulce en el país. La segunda especie más cultivada fue la carpa con 6 mil toneladas, después la trucha con casi 5 mil y por último el bagre con cerca de mil quinientas toneladas (FAO, 2009).
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Lo anterior demuestra que México es un gran consumidor de peces de agua dulce entre ellos las tilapias, sin embargo, a pesar de que la producción nacional es substancial, las importaciones han aumentado en los últimos años, además, este producto se obtiene principalmente por captura y en segundo lugar de sistemas de producción acuícolas (Hartley-Alcocer, 2007), lo que ejerce una gran presión en las poblaciones naturales. Entre las especies de tilapia importantes que se producen en el país se encuentra Oreochromis niloticus. Es un pez proveniente de África que se caracteriza por su alta adaptabilidad a diversos alimentos y calidades de agua, es resistente a las enfermedades y de fácil reproducción, características que lo han convertido en una de las especies más populares en la acuicultura (Vega-Villasante et al., 2010).
2.3.5. Tilapia (Oreochromis niloticus)
Las tilapia es una especie animal marina, que prospera en ambientes acuáticos dulceacuícolas y salobres como ríos, arroyos, lagos y lagunas costeras. Es nativa de África, mayormente producida en las regiones de América central, sur del Caribe, sur de Norte América, Sudeste asiático, Medio Oriente y África. La incorporación de esta especie a los cultivos acuícolas nacionales fue hecha en el año de 1964 por la Universidad de Auburn, Alabama y se logró adaptar a temperaturas de supervivencia de 24 y 29 °C (Fragoso y Auró, 2006). Es conocida por su fácil reproducción y rápido crecimiento, entre otras características. La tilapia es una especie que puede adaptarse a altas densidades, acepta una gran variedad de alimentos naturales y artificiales, es resistente a enfermedades, tiene una tasa alta de producción y puede sobrevivir en condiciones de bajas concentraciones de oxígeno y diferentes salinidades. Su cultivo es extensivo, intensivo y semi-intensivo, y se lleva a cabo en zonas tropicales cercanas a una fuente de agua natural en estanques rústicos, tanques circulares de concreto y jaulas flotantes. Cabe mencionar que la cría de esta especie es una de los más rentables en la producción de peces, se trabaja en 31 estados de la república mexicana y además el 91% de la producción la aporta la actividad acuícola (FAO, 2008; SAGARPA, 2011a). - 33 -
La densidad de siembra de la tilapia varía según la etapa de cultivo, para la etapa de siembra la superficie de cultivo va desde los 350 a los 850 metros cuadrados con una densidad de siembra de 100 a 150 organismos por metro cuadrado, para la etapa de levante la superficie de cultivo esta entre 450 a 1,500 metros cuadrados con una densidad de siembra de 20 a 50 organismos por metro cuadrado y por último para la etapa de engorda la superficie de cultivo puede variar aproximadamente de 1,000 a 5,000 metros cuadrados con una densidad de siembra de 10 a 30 organismos por metro cuadrado (Fragoso y Auró, 2006).
Este pez posee un cuerpo robusto, comprimido y discoidal raramente alargado, su aleta dorsal tiene forma de cresta con espinas y radios en su parte terminal mientras que su aleta caudal es redonda y trunca. Su boca es capaz de alargarse y cuenta con labios gruesos, mandíbulas anchas con dientes cónicos y a veces incisivos. La mayoría de las variedades de tilapia son omnívoras y en su medio natural suelen alimentarse de fitoplancton, plantas acuáticas, algas, zooplancton, detritus, invertebrados, pequeños insectos y organismos bentónicos (SAGARPA, 2011a).
Para mantener la bioseguridad de los peces, los flujos de agua deben ser altos y las explotaciones pueden realizarse de ciclo completo o incompleto, lo que permite todas las etapas de producción o solamente etapas como engorda y reproducción. Las densidades de siembra de peces que se pueden encontrar para la producción intensiva son de hasta 50 kg/m3 con flujos de agua de hasta 3 recambios totales por hora (Fragoso y Auro, 2006). Con lo que respecta a los géneros, el macho tiene dos orificios en la papila genital, el ano y el orificio urogenital, mientras que la hembra posee tres, el ano, el poro genital y el orificio urinario. La madurez de los machos es alcanzada en un periodo de cuatro a seis meses y la de las hembras en un periodo de tres a cinco meses, su incubación es bucal y dura de tres a seis días (FAO, 2008).
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2.4. Sistemas de Recirculación Acuícola (SRA)
Los sistemas de recirculación cerrada, son unidades de producción intensiva, el cual basa su principio de funcionamiento en la reutilización del agua después de un reacondicionamiento de la misma por medio de filtración biológica. Entre las principales ventajas, se encuentra que al cultivarse en espacios cerrados permite un mejor control de las tasas de crecimiento del producto, se pueden programar cosechas, se obtiene mayor producción por unidad de área que con cualquier otro sistema, es ambientalmente sostenible, usa entre un 90 – 99% menos agua que un sistema de acuicultura convencional y menos del 1% del área, además, permite un manejo seguro de los residuos (Timmons y Ebeling, 2010). El nitrógeno es un nutriente esencial para los organismos vivos y se puede encontrar en proteínas, ácidos nucleicos, nucleótidos de piridina y pigmentos. En los sistemas acuícolas el nitrógeno es resultado de los desechos de las crías cultivadas, tales como amonio, urea, ácido úrico, aminoácidos excretados, residuos orgánicos provenientes de organismos muertos, alimento no consumido, heces fecales y gas nitrógeno de la atmósfera (Kajimura et al, 2004). Particularmente para los SRA, la descomposición de estos elementos es de vital importancia debido a su toxicidad, por lo cual se hace necesaria la remoción de los mismos. El proceso por medio del cual el amonio puede ser transformado por un filtro biológico se llama nitrificación y consiste en la sucesiva oxidación del amonio a nitritos y posteriormente a nitratos (Timmons y Ebeling, 2010). El amonio es producido en mayor medida, por las excretas de los organismos cultivados y se encuentra en forma no ionizada. Al igual que los nitritos y nitratos, es altamente soluble en agua. Esta molécula existe en dos formas, no ionizada (NH3) y ionizada (NH4+). La cantidad presente de estas formas a su vez están en función del pH, temperatura y salinidad. Comúnmente a la suma de estas dos se le conoce como amonio total o simplemente amonio (Anthoniscn et al., 1976). En términos químicos es común expresar los compuestos inorgánicos nitrogenados en términos del nitrógeno que contengan, resultando NH4+-N (nitrógeno amoniacal ionizado),
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NH3–N (nitrógeno amoniacal no ionizado), NO2-N (nitrógeno de nitritos) y NO3–N (nitrógeno de nitratos).
De estos compuestos el amonio no ionizado es altamente tóxico para los peces aún en bajas concentraciones y puede producir alteraciones en el crecimiento. La tolerancia a éste dependerá de la especie, aunque por lo general todas soportan una concentración que oscile entre 0.1 y 0.05 mg/L (Tomasso et al., 1979; Wood, 2004). Los nitritos son el producto intermedio en el proceso de la nitrificación, mientras que los nitratos son el producto final y el compuesto menos tóxico, excediendo incluso concentraciones de 1,000 mg/L (Colt y Tchobanoglous, 1976). Estos niveles en sistemas de recirculación son usualmente controlados por los intercambios diarios de agua. Dentro del proceso de la nitrificación hay dos grupos de bacterias que son fundamentales para que este se lleve a cabo, estas se categorizan en bacterias autotróficas, llamadas así por que obtienen su energía a partir de los de compuestos inorgánicos. Y en bacterias heterotróficas, mismas que obtienen su energía a partir de compuestos orgánicos. Dentro del grupo de las bacterias autotróficas se encuentran: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus y Nitrosovibria, y son las responsables de oxidar el amonio a nitritos. Por otro lado, en el grupo de las bacterias heterotróficas están por los géneros Nitrobacter, Nitrococcus y Nitrospira, las cuales se encargan de oxidar los nitritos a nitratos (Hagopian y Riley, 1998).
Forzosamente, las primeras bacterias nitrificantes en el proceso son las autotróficas, y son aerobias, las cuales consumen dióxido de carbono como su principal fuente de carbono y requieren de oxígeno para crecer. A su vez estas bacterias pueden coexistir en un medio junto con organismos heterotróficos como bacterias, protozoos y micrometazoos, las cuales crecen significativamente más rápido y prevalecen por encima de las primeras en la competición por espacio y oxígeno donde las concentraciones de partículas orgánicas son altas. Por esta razón, es necesario que el agua que entra en un biofiltro sea lo más limpia posible para evitar concentraciones de estos microorganismos (Timmons y Ebeling, 2010). - 36 -
La implementación de filtros biológicos en SRA es la forma por medio del cual se aprovecha el ciclo del nitrógeno para la remoción de compuestos tóxicos.
En
sistemas acuícolas algunos de los filtros biológicos más comunes son biofiltros sumergibles, biofiltros de camas flotantes, biofiltros tipo wet/dry y biofiltros de cama fluidizada. Todos estos biofiltros están diseñados para permitir el intercambio gaseoso y la digestión biológica. Para su correcta selección o diseño se debe considerar la temperatura de operación, requerimientos de oxígeno, fuentes de agua, alimento usado por día, tipo de alimento, tipo de pez criado, costo y manutención (Hoff, 1996).
El pH óptimo para la supervivencia de las bacterias y la operación eficiente de los biofiltros se recomienda sea de entre 7 y 8 para bacterias autotróficas y entre 7.5 y 8.5 para heterotróficas, fuera de estos rangos de pH la eficiencia del biofiltro se reduce en aproximadamente un 50%. Otro factor importante es la cantidad de oxígeno presente en el agua, normalmente debe contener de entre tres a ocho partes por millón de oxígeno y está en función de la demanda biológica de oxígeno, compuestos orgánicos e inorgánicos presentes, temperatura, altitud, clima y limpieza (Grady y Lim, 1980).
2.4.1. Acuaponía
A nivel mundial, cada día se hace más evidente la escasez de agua, por lo cual, es necesario buscar alternativas para un uso eficiente del recurso hídrico. Algunas investigaciones han demostrado que los residuos de la acuicultura pueden ser utilizados como nutrientes para el crecimiento de plantas en sistemas hidropónicos (Naegel 1977; Waten y Busch, 1984; Seawright et al., 1998; Lennard y Leonard, 2006), por lo cual, es posible incorporar la hidroponía a la acuicultura. La acuaponía se visualiza como una alternativa de producción agropecuaria dirigida al desarrollo sostenible, ya que ha sido propuesta como un método para el control de la acumulación de desechos producidos por el cultivo acuícola, y puede definirse como la integración de la producción de plantas de forma hidropónica a un sistema de - 37 -
recirculación en acuicultura (Rakocy y Hargreaves, 1993; Racocy, 2005). En términos generales, la acuaponía es un sistema de producción orgánica en el cual los desechos producidos por algún organismo acuático (por lo general peces), son convertidos a través de la acción bacteriana en nitratos, los cuales, sirven como fuente de alimento para las plantas.
El principio se basa en que los nutrientes requeridos para el crecimiento y desarrollo de vegetales, son muy similares a los residuos producidos por los peces que son liberados y transformados posteriormente por los microorganismos nitrificantes presentes en el medio, las plantas toman del agua lo que necesitan, y así, al absorber estos nitratos, limpian el líquido que regresa a los peces, permitiendo a estos últimos vivir en un medio adecuado para su crecimiento y desarrollo (Van Gorder, 2000; Parker, 2002). Una de las principales ventajas que tiene el sistema acuapónico es el menor consumo de agua a comparación con la hidroponía (McMurtry et al., 1997), y en un mismo tiempo se obtienen productos animal y vegetal orgánicos comercialmente atractivos (Rakocy y Hargreaves, 1993). Además, disminuye significativamente el impacto al ambiente, ya que el sistema es cerrado con lo que no hay descargas y con esto se optimizan los recursos mano de obra, agua, alimento balanceado y nutrientes para las plantas (amonio y nitratos).
Los estudios sobre este tipo de sistema de producción mixto (acuícola e hidropónico
integrado)
son
escasos,
por
lo
cual,
es
necesario
realizar
investigaciones que nos permitan conocer los aspectos biológicos, ambientales y el manejo de los recursos agua, peces y plantas. En particular, a la fecha no se ha desarrollado ningún diseño de ingeniería analizado desde el punto de vista hidráulico. Debido a lo anteriormente señalado, el presente trabajo tiene como finalidad evaluar la producción de tilapia y albahaca del diseño original de un sistema acuapónico a pequeña escala.
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Hipótesis
En sistemas acuapónicos, la producción de tilapia y albahaca es similar a otros sistemas de recirculación acuícolas y de producción convencional.
Objetivo General
Evaluar la producción de tilapia y albahaca en sistemas acuapónicos en comparación con sistemas de recirculación acuícolas y de producción convencional.
Objetivos Específicos •
Crear un concepto de sistema acuapónico a pequeña escala.
•
Elaborar la ingeniería básica del sistema acuapónico para la producción de tilapia y albahaca.
•
Elaborar la ingeniería a detalle y determinar la memoria de cálculo hidráulico del sistema acuapónico.
•
Determinar la eficiencia energética de los componentes eléctricos del sistema.
•
Evaluar el efecto, sobre la sobrevivencia y producción de biomasa animal y vegetal, de diferentes sustratos utilizados en los filtros biológicos de los sistemas acuapónicos.
•
Evaluar la rentabilidad económica de acuerdo a los sustratos utilizados en los filtros biológicos de los sistemas acuapónicos.
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3. Materiales y Métodos 3.1. Localización del área de estudio
El presente trabajo se llevó a cabo en un área de la zona de invernaderos de la División de Ciencias de la Vida (DICIVA), Campus Irapuato – Salamanca, de la Universidad de Guanajuato, localizado en la comunidad de El Copal. El área de interés está situada sobre el camino hacia el CESAVEG, cerca del casco de la Ex – Hacienda y colindante a los edificios de laboratorios dentro de la zona de las aulas de agronomía (20°44’33.91’’N; 101°19’50.97’’O) (Figura 1).
Figura 1. Croquis de localización.
3.2. Conceptualización del sistema de acuaponía
Para hacer el diseño del sistema acuapónico se siguieron los lineamientos establecidos por Timmons y Ebeling (2010), Lennard y Leonard (2006), Racocy (2005), McMurtry et al. (1997), Rakocy y Hargreaves (1993). Los cuales mencionan que este tipo de sistemas deben contar con los siguientes elementos básicos:
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estanque(s) para organismo acuáticos, filtro(s) físico(s), filtro(s) biológico(s), camas de crecimiento de plantas, un elemento motriz y tubería de interconexión.
3.3. Ingeniería básica del sistema
La ingeniería básica para el sistema acuapónico para la producción de tilapia y albahaca se llevó a cabo tomando en cuenta las instalaciones existentes en el lugar, acondicionando el espacio de trabajo destinado al proyecto y a su vez realizando una delimitación para los sistemas dentro de éste. Para hacer está delimitación se tomó en cuenta una distribución espacial apta para acomodar nueve sistemas idénticos, un área libre para realizar “actividades biológicas específicas”, un pasillo y espacios ergonómicos para el manejo zootécnico y vegetal.
Los criterios de diseño para las unidades del sistema se tomarón de acuerdo a Timmons y Ebeling (2010), Fragoso y Auró (2006), Racocy (2005) y Hoff (1996), y fueron los siguientes: población de siembra de peces, número de recambios de agua por día, espacio mínimo de la especie vegetal, los materiales disponibles en la región, el tiempo de retención hidráulico (TRH) para el sedimentador y los filtros biológicos. El modelo del estanque de peces fue seleccionado tomando en cuenta el espacio requerido por la población animal. El material seleccionado para éste fue polietileno de alta densidad grado alimenticio, debido al fácil manejo que ofrecía, resistencia a condiciones de cultivo en invernaderos y a precio relativamente bajo. El sedimentador de sólidos se calculó basándose en el TRH requerido en los biofiltros de acuerdo a Racocy (2005).
3.3.1. Datos básicos del proyecto y criterios de diseño
El tipo de sistema de producción acuícola que se seleccionó para el proyecto fue el intensivo. Los criterios de diseño para el sistema acuapónico de este trabajo fueron: carga animal, espacio mínimo vital de plantas (Timmons y Ebeling, 2010), materiales disponibles en la región, el tiempo de retención hidráulico (TRH) (Racocy, - 41 -
2005), y el aprovechamiento de la fuerza de la gravedad para la dinámica del flujo en la recirculación, y además, buscando un menor consumo de energía eléctrica. La densidad de siembra seleccionada para este trabajo fue de 15 kg/m3, con un peso comercial para plato de 340 g/pez. Con el modelo descrito en la Ecuación 1 se la población de peces por estanque, lo que resultó en una población de 75 peces.
Población =
Población =
1.7m
V X ρ M
15
0.340
kg
kg
m
= 75 peces
Pez
Dónde: 3
V – Volumen del estanque en m . ρ – Densidad de siembra de peces. M – Peso plato comercial.
Ecuación 1. Cálculo de población de peces por estanque
El TRH (Tiempo de Retención Hidráulico) es el tiempo que el agua es retenida dentro del sistema con el objetivo de llevar a cabo la sedimentación de partículas de gran tamaño o para remover nutrientes por medio del cultivo vegetal. Para determinar este valor, se realizó un estudio previo donde fueron evaluados pH, temperatura y oxígeno disuelto en un sólo sistema como parámetros de control de calidad de agua, a diferentes TRH, dando como resultado un tiempo de 30 min, donde los parámetros antes mencionados se mantenían estables. Esto significa que la especie vegetal tuvo este tiempo de contacto con un volumen específico de agua a una concentración adecuada de oxígeno, antes de que este saliera de la unidad donde las plantas estaban contenidas. Con 30 min como TRH para un contenedor de agua de 0.125 m3, donde las plantas se desarrollan, el gasto resultante fue de 0.250 m3/h. Por lo cual se producen 10.6 cambios totales de agua por día en el
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sistema, lo cual indica que cada 2.26 horas hay una recirculación completa del agua del estanque.
Debido a que el sistema propuesto en este trabajo es considerado como un sistema de recirculación acuícola, en donde se necesita un flujo continuo de agua, y por tanto una fuente motriz para esto, fue importante diseñar el sistema de tal manera que el consumo de energía eléctrica no fuera alto. Por este motivo, un parámetro de diseño considerado fue la acción de la gravedad, aprovechando esta fuerza para movilizar el volumen de agua en una sección determinada del sistema se pudo llevar a cabo la recirculación utilizando solamente una fuente motriz para esto.
3.3.2. Unidades del sistema y dimensionamiento
El sistema acuapónico propuesto en el presente trabajo está compuesto por tres unidades básicas, las cuales tienen la función de permitir de manera controlada la simbiosis entre el cultivo animal y vegetal (Rakocy y Hargreaves, 1993). El conjunto de partes es el siguiente: •
Estanque para el cultivo de peces.
•
Sedimentador de sólidos.
•
Biofiltros, compuestos a su vez por un filtro tipo torre y una cama para siembra de plantas.
3.3.3. Estanque de peces
Para el cultivo de la especie animal se seleccionó un tanque de polietileno de alta densidad, de forma cónica truncada, con un diámetro superior de 2.13 m, un diámetro inferior de 0.79 m y un volumen efectivo de agua de 1.7 m3 (Figura 2). Las razones por las cuales se eligió este receptáculo fueron las siguientes:
- 43 -
•
El volumen efectivo de agua fue el necesario para albergar la densidad de siembra seleccionada (15 kg pez/m3).
•
Sus dimensiones permitieron un fácil manejo y acceso hacia los peces.
•
Debido al material del cual estaba construido era resistente a la intemperie y temperaturas en invernaderos, así como fácil de reparar en caso de tener alguna descompostura.
•
Se podía limpiar con rapidez y facilidad, al mismo tiempo, manejar sustancias desinfectantes.
•
Al ser un material plástico maniobrar con la unidad era relativamente sencillo ya que era ligero y flexible.
•
Bajo costo en relación a otros estanques similares.
Figura 2. Estanque para peces y sus dimensiones
3.3.4. Biofiltros
En la presente propuesta de diseño se utilizaron tres filtros biológicos, conformados, primero por una subunidad denominada “filtro tipo torre”, el cual es un filtro tipo wet/dry en una configuración cilíndrica, elaborado de PVC, de 1.5 m de altura y 0.101 m de diámetro. En su interior se rellenó con material filtrante como medio de soporte de bacterias nitrificantes. Con el objetivo de asegurar las concentraciones adecuadas de oxígeno para las bacterias dentro del “filtro tipo torre”, la subunidad se diseñó de tal manera que el nivel de agua en su interior alcanzó solamente la mitad de la altura de la estructura y se agregó una línea de alimentación de aire (Figura 3). - 44 -
V%& = V%& =
π D 4
)
h
π(0.101m)) (0.75m) 4
V%& = 6 lt
= 0.006m
Dónde: V%& – Volumen efectivo de agua. D – Diámetro del filtro. ℎ – Altura efectiva de agua.
Ecuación 2. Cálculo de volumen de agua efectivo dentro del filtro tipo torre e imagen representativa La segunda subunidad que componía el biofiltro fue llamada “cama de siembra”, misma que tenía la función de albergar un número específico de plantas. La “cama de siembra” fue fabricada con fibra de vidrio, con dimensiones de 1.5 m de largo, 0.6 metros de ancho y 0.3 metros de profundidad. Contenía en su interior un volumen de 0.076 m3 de sustrato inerte y un volumen efectivo de 0.104 m3 de agua. En la Ecuación 3, se puede observar el cálculo de volumen de agua dentro de la cama de siembra.
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V 78 = 0.076m Q% = 250 lt/hr TRH = 25 min = 0.416 hr h%& = 0.20 m h?@ = 0.10 m L = 1.5m B = 0.6m V%& = L B h%& = 1.5m 0.6m 0.20m V%& = 0.180m VD = Q% TRH = 250lt/hr 0.416hr = 104lt VD = 0.104m V?@ = L B h?@ = 1.5m 0.6m 0.10m V?@ = 0.09m VF = V%& + V?@ = 0.180m + 0.09m VF = 0.270m Dónde: V 78 – Volumen de sustrato m3 . Q% – Gasto de entrada lt/hr . TRH – Tiempo de retención hidráulico hr . h%& – Altura efectiva m . h?@ – Altura de bordo libre m . L – Largo de la cama de siembra m . B – Ancho de la cama de siembra m . V%& – Volumen efectivo m3 . VD – Volumen de agua m3 . V?@ – Volumen de bordo libre m3 . VF – Volumen total de la cama de siembra m3 .
Ecuación 3. Cálculo de volumen de agua efectivo dentro de la cama de siembra Dónde VSus es el volumen ocupado por el sustrato utilizado en las camas de siembra y fue determinado por la granulometría del mismo, por el ancho y largo de la cama, así como por la altura del desagüe de la cama. VEf es el volumen efectivo y corresponde al volumen que ocupa el sustrato y el agua en el interior, dicho volumen alcanza la misma altura a la cual el desagüe se encuentra, QE es el gasto de agua que entra a la subunidad, TRH el tiempo de retención para el agua contenida en la misma, hEf es la altura efectiva, la cual estaría ocupada por el sustrato y agua. Esta altura se consideró de 0.20 m ya que es una distancia adecuada para el crecimiento de la raíz de la planta. HBL es la altura de bordo libre para las camas de siembra, tomando esto en cuenta la profundidad total de la cama fue de 0.30 m. Las - 46 -
dimensiones de las camas fueron seleccionadas considerando que eran adecuadas para facilitar el manejo del cultivo vegetal, y a su vez tomando en cuenta el espacio disponible para cada sistema. El espacio requerido dentro de cada sistema para cada uno de los biofiltros fue de 0.908 m2. Un esquema de la cama de siembra se puede observar en la figura 3. .
Figura 3. Cama de siembra.
3.3.5. Sedimentador de sólidos
Con la finalidad de retener la mayor cantidad de sólidos de gran tamaño, producto de los desechos de los peces y alimento no consumido dentro del estanque, se dispuso de una unidad, la cual funcionó como un sedimentador. El volumen efectivo de agua dentro del cilindro fue de 0.250 m3 y, tomando en cuenta que el gasto hidráulico a la entrada del sedimentador fue de 750 L/h, el resultado obtenido para el TRH se puede observar en la Ecuación 4. Este componente del sistema de forma cilíndrica, de 0.7 m de diámetro y 0.8 m de altura estaba elaborado de polietileno de alta densidad (Figura 4).
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Q
IJ
=
V8 V8 ∴ TRH = TRH Q IJ
TRH =
0.250 m 0.750 m /hr
TRH = 0.333 hr ~ 20 min Dónde: V8 – Volumen del sedimentador en m3. Q
IJ – Gasto de agua a la entrada del
sedimentador. TRH – Tiempo de retención hidráulico.
Ecuación 4. Cálculo del tiempo de retención hidráulico dentro del sedimentador
Figura 4. Sedimentador de sólidos
Anteriormente, se había realizado el cálculo de TRH en las camas de siembra de 50 minutos (Timmons y Ebeling, 2010). Sin embargo, este valor fue modificado debido a que en el presente estudio se trabajó con sustrato en las camas, lo que provocaba una disminución en la cantidad de oxígeno disuelto presente en el agua de las mismas. Debido a ello el TRH del sedimentador se vio afectado quedando como lo mencionado en la ecuación 3.
- 48 -
3.4. Ingeniería a detalle del sistema
Para la determinación del cálculo y análisis hidráulico del sistema se utilizó el programa AH (análisis hidráulico versión 2.07) desarrollado por el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, el cual de acuerdo a la CNA (2007), es apropiado para la solución de redes cerradas y abiertas. Este programa emplea la formulación de ecuaciones en función de las cargas y para resolverlas utiliza el método de solución numérica de Newton – Raphson (Saldarriaga, 2007; CNA, 2007). Para el cálculo de las pérdidas se utilizó la ecuación de Darcy – Weisbach, determinando el coeficiente de fricción mediante la ecuación de Swamee y Jain (Saldarriaga, 2007), y a su vez se utilizaron diversos coeficientes de pérdidas menores para la obtención de pérdidas por accesorios (García, 2001).
La carga dinámica total fue determinada con la Ecuación 4: HF = LJ + M h&N + ℎO Dónde: HT
Carga total a vencer.
Lt
Longitud de la tubería.
hfk
Pérdidas locales por accesorios.
hf
Pérdidas en tubería por fricción.
Ecuación 5. Cálculo de la carga dinámica total
Se seleccionó una bomba sumergible, la cual fuera capaz de vencer la carga total y abastecer al sedimentador. La curva de funcionamiento de dicho instrumento mostraba que ésta era capaz de mover el volumen requerido de agua. Las características son las siguientes: •
Marca BOYU.
•
Diámetro de salida 1”. - 49 -
•
Voltaje AC 230/115 V.
•
Frecuencia 50/60 Hz.
•
Potencia 80 w.
•
Gasto máximo 5500 lt/h.
•
Altura máxima 3.5 m.
•
Peso 2.48.
•
Tamaño 285x160x170 mm.
3.5. Determinación de eficiencia energética
Para determinar la eficiencia energética de los componentes eléctricos del sistema, fue calculada la energía de aireación y la energía utilizada por la bomba, de acuerdo a lo establecido en los indicadores de uso eficiente de recursos en acuicultura (Boyd et al., 2007). La energía de aireación utilizada en el sistema fue determinada como: Energía de Aireación, kW = (potencia del aireador, hp x tiempo de aireación, h x 0.745 kW/hp) / producción de tilapias, t x 0.9. Tomando en cuenta que 1 hp = 0.745 kW y 0.9 = es el 90% de eficiencia del equipo utilizado. La energía de la bomba para el movimiento de agua utilizada en el sistema fue determinada como: Poder requerido por la bomba (kW) = (peso específico del agua, 9.81 kN/m3 x descarga, m3/seg x fuerza de bombeo, m) / eficiencia de la bomba, fracción decimal. Tomando en cuenta el 75% de eficiencia del equipo utilizado.
3.6. Determinación de la producción de biomasa animal y vegetal
Para determinar la producción de tilapia y albahaca en los sistemas acuapónicos, se llevó a cabo un experimento donde fueron utilizados diversos sustratos en los filtros biológicos, el cual, tuvo una duración de 70 días. A continuación se describe la metodología utilizada.
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3.6.1. De los sistemas
De acuerdo al diseño hidráulico de ingeniería básica y a detalle propuestos, fueron construidos seis sistemas acuapónicos experimentales iguales e individuales. Todo el sistema fue interconectado por medio de tubería de PVC y se utilizó una bomba sumergible para llevar a cabo el movimiento del líquido. Al mismo tiempo, funcionó de forma continua una bomba de aireación, lo que permitió niveles apropiados de oxígeno disuelto para el mantenimiento adecuado de los organismos. Todos los sistemas fueron protegidos con un invernadero de estructura metálica, techo de película plástica de luz difusa y malla sombra 50/50.
3.6.2. De los filtros
A la suma de un biorreactor y una cama de siembra para plantas se les consideró un mismo filtro biológico, por lo cual, los tratamientos fueron combinaciones de sustratos en los filtros.
3.6.3. De los sustratos:
Los materiales de filtración evaluados de los filtros tipo torre fueron bioesferas de plástico de 5 cm de diámetro, las cuales son comúnmente utilizadas en acuicultura, tapas plásticas de desecho con un diámetro de 3 cm, obtenidas por medio de una campaña de colecta residual de envases plásticos realizada en la División de Ciencias de la Vida, y poliducto plástico de 5 a 6 cm de largo y media pulgada de diámetro. En cuanto a las camas de siembra, fueron utilizados piedra de río (granulometría de 1”) y grava (granulometría de 3/4”). Al combinar los diversos sustratos, dieron como resultados los tratamientos que a continuación se describen, los cuales, fueron designados a cada sistema al azar (Cuadro 7).
- 51 -
Cuadro 7. Combinaciones de sustratos en los filtros biológicos. Sistema
Tratamientos
Biorreactores
1 2 3 4 5 6
BP TP TG BG PP PG
Bioesferas Tapas plásticas Tapas plásticas Bioesferas Poliducto Poliducto
Cama de siembra Piedra de río Piedra de río Grava Grava Piedra de río Grava
3.6.4. De los peces Fueron utilizados 450 especímenes de Oreochromis niloticus (25.92 ± 7.31 g-1 peso vivo húmedo), 75 en cada estanque. La sobrevivencia por estanque fue determinada como: % de sobrevivencia = (No. de peces cosechados x 100) / No. peces sembrados). La producción de peces durante el período experimental fue determinado como: kg-1 de tilapia producida por estanque = kg-1 de biomasa animal cosechada – kg-1 de biomasa animal sembrada.
3.6.5. De las plantas
Se utilizaron semillas de albahaca variedad genovesa (Ocimum basilicum L.), las cuales se germinaron en sustrato inerte (mezcla peat moss, sunshine 3), posteriormente, las plántulas de cuatro hojas verdaderas fueron trasplantadas a las camas de crecimiento. Las plantas utilizadas tenían 30 días de germinación al ser introducidas a los sistemas. La densidad de siembra fue de 20 plántulas por cama (0.9 m2) (altura de 4.7±1.1cm). La sobrevivencia de plantas fue determinada como: % de sobrevivencia = (No. de plantas cosechadas x 100) / No. plantas sembradas). Fue determinada la producción de hojas en estado verde (g/m2 y kg-1 de albahaca apta para consumo) por sistema, a lo largo del período experimental. El manejo agronómico fue realizado cuidando los detalles en el aspecto de control de plagas y enfermedades. A los 14 días de haber sido introducidas a los sistemas, las plantas de albahaca presentaron signos de deficiencia nutricional, para lo cual, fue necesario - 52 -
administrar micronutrientes de forma foliar. Las aplicaciones se continuaron cada tercer día hasta el término del experimento.
3.6.6. Análisis estadístico Los datos de la producción de plantas (g/m2) fueron obtenidos por triplicado (cada cama de siembra fue considerada una unidad experimental) y analizados por medio de un ANOVA de una vía, posteriormente fue realizada una prueba de comparación de medias (Duncan). Las combinaciones de sustratos, peces y plantas, tuvieron un arreglo completamente al azar en los filtros tipo torre, camas de siembra y estanques, en todos diferentes los sistemas, respectivamente.
3.7. Evaluación económica de los sistemas
Para determinar la viabilidad financiera de los sistemas de acuaponía diseñados y construidos, se llevó a cabo una evaluación económica de los mismos dependiendo del tipo de sustrato utilizado en los filtros biológicos. Estos Indicadores son usados en la evaluación de proyectos, ya que son conceptos valorizados que expresan el rendimiento económico de la inversión. Con base en esto, se puede tomar la decisión de aceptar, rechazar la realización de un proceso o evaluar la rentabilidad del proyecto. Además, esta evaluación permite comparar y seleccionar entre diferentes alternativas. Los indicadores son aquellos que consideran el valor del dinero en el tiempo. Para poder identificar la mejor opción productiva de acuerdo a los sustratos utilizados, se determinaron los siguientes indicadores: Valor Actual Neto (VAN); Relación Beneficio-Costo (B/C); Relación Beneficio-Inversión Neta (N/K) y Tasa Interna de Retorno (TIR) (Baca, 2010; Murcia et al., 2009; Sapag, 2004). Los cuales fueron determinados de la siguiente manera:
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3.7.1. Valor Actual Neto (VAN)
T
∑ Bt (1 + r ) VAN =
−t
t =1
T
T
− ∑ Ct (1 + r )
∑ (Bt − Ct )(1 + r )
−t
t =!
o VAN =
−t
t =1
Dónde: Bt = Beneficios en cada año del proyecto r = Tasa de actualización t = Tiempo en años Ct = Costos en cada año del proyecto
(1 + r )−t
= Factor de actualización o descuento Ecuación 6. Valor Actual Neto
3.7.2. Relación Beneficio-Costo (B/C)
T
∑ B/C =
−t
Bt (1 + r ) /
t =1
T
∑ t =1
−t
T
∑ ( Bt − Ct )(1 + r )
Ct (1 + r )
o B/C =
t =1
Dónde: Bt = Beneficios en cada año del proyecto r = Tasa de actualización t = Tiempo en años Ct = Costos en cada año del proyecto
(1 + r )−t
= Factor de actualización o descuento Ecuación 7. Relación Beneficio - Costo
- 54 -
−t
3.7.3. Relación Beneficio-Inversión Neta (N/K) −t
T
−t
T
∑ Nt (1 + r ) / ∑ Kt (1 + r ) N/K =
t =1
t =!
Dónde: Bt = Beneficios en cada año del proyecto r = Tasa de actualización t = Tiempo en años Ct = Costos en cada año del proyecto
(1 + r )−t
= Factor de actualización o descuento Ecuación 8. Relación Beneficio – Inversión Neta
3.7.4. Tasa Interna de Retorno (TIR) −t
T
∑ Bt (1 + r ) TIR =
t =1
T
−t
− ∑ Ct (1 + r ) = 0 t =1
T
o TIR =
∑ (Bt − Ct )(1 + r ) t =t
Dónde: Bt = Beneficios en cada año del proyecto r = Tasa de actualización t = Tiempo en años Ct = Costos en cada año del proyecto
(1 + r )−t
= Factor de actualización o descuento Ecuación 9. Tasa Interna de Retorno
- 55 -
−t
=0
4. RESULTADOS 4.1. Concepto del sistema acuapónico
Fue creado un diseño original de sistema acuapónico a pequeña escala, el cual consta de un estanque de peces (1,700 L-1), un filtro de sólidos (sedimentador, 250 L-1), tres camas de crecimiento para las plantas de 1.50 x 0.60 x 0.30 m de alto (2.7 m2), tres biorreactores, un sistema de bombeo de agua y un sistema de aireación (Figura 5). Estos elementos se conectan de tal manera que el agua rica en nutrientes pasa del estanque al filtro de sólidos eliminándose así partículas en suspensión, posteriormente, el agua es enviada a los biofiltros, a las camas de siembra y de ahí regresa al estanque.
Figura 5. Imagen del sistema acuapónico diseñado.
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4.2. Ingeniería básica
4.2.1. Instalaciones existentes en el lugar
La zona de invernaderos destinada al proyecto (Figura 6), contaba con las siguientes instalaciones: • Energía eléctrica, provista por una línea de transmisión derivada desde el área de agronomía y destinada en un principio a la alimentación de un sistema de bombeo existente en el lugar, el cual conduce el agua hasta un tanque de regulación para su posterior distribución. Actualmente la línea de corriente abastece tanto al sistema de bombeo antes mencionado como a un pequeño sistema de bombeo local y a un edificio para experimentación. • Una cisterna rectangular sencilla con una capacidad, que funciona como un tanque de regulación primario, el cual se abastece de una línea de conducción presente en el área, proveniente de un tanque de regulación de la comunidad. De esta cisterna se extrae a lo largo del día un volumen de agua para el abastecimiento de otras zonas del campus. • Un equipo de bombeo, provisto de una bomba sumergible adecuada en la cisterna antes mencionada, la cual cuenta con suministro energético y se encuentra en operación. Tiene la función de extraer un volumen de agua para suministro en un horario determinado del día. • Un invernadero de experimentación actualmente en operación. Esta sala utiliza para su objetivo el servicio de energía eléctrica y se provee de agua desde la cisterna del lugar. • Un sistema de bombeo local integrado por una bomba pequeña no sumergible, que abastece de agua únicamente al lugar, y que se conecta a una tubería interna y a un pequeño conjunto de mangueras. Esta herramienta se encuentra montado sobre la loza de la cisterna. • Una cisterna inhabilitada con una capacidad de 25 m3.
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• Un invernadero habilitado para la conservación y preservación de plantas cactáceas. • Un área destinada para diversas experimentaciones y utilizada como área de clases. • Además de las instalaciones antes mencionadas existe una edificación extra que no está habilitada y se encuentra en desuso.
Figura 6. Instalaciones existentes del lugar.
Aun cuando el abastecimiento de agua en la zona es continuo y la regulación es adecuada, la calidad de la misma es inapropiada para consumo humano o para consumo de alguna especie animal, la cual vaya a ser destinada para consumo humano. Lo anterior es debido a que tiene una concentración de arsénico de 50 ppm (evaluación realizada en el laboratorio de agua y suelo del Departamento de Ingeniería Ambiental de la DICIVA), la cual excede los límites permisibles de calidad - 58 -
del agua mencionada en la NOM – 127 – SSA1 – 1994. Por lo anterior expuesto, fue necesario contar con una fuente de abastecimiento alterna a la existente, la cual asegurara una calidad adecuada para consumo humano. Por dicho motivo se restauró la segunda cisterna (misma que no se encontraba en operación), con el objetivo de almacenar agua en cantidad y calidad necesaria para la operación.
4.2.2. Delimitación del área de trabajo
El espacio disponible para el proyecto, constó de un invernadero de forma semi – rectangular y las dimensiones y área se muestran en la figura 7. Debido a las malas condiciones estructurales del inmueble éste se encontraba inhabilitado y fue necesario realizar una restauración, para poder operar en condiciones adecuadas. Al invernadero restaurado se le incorporaron estructuras de cimentación, postes para el soporte de la estructura, cubiertas plásticas, malla antiáfidos, malla sombra y grava a manera de suelo.
Figura 7. Dimensionamiento del área de trabajo.
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El espacio útil del invernadero se distribuyó de tal manera que dentro del mismo existiera un arreglo de nueve sistemas acuapónicos iguales e individuales. Para cada sistema fue asignada una superficie de 13.15 m2, por lo cual el área total ocupada por los sistemas fue de 118.35 m2, lo que corresponde a un 82.76% del total disponible. El área restante se utilizó para la asignación de un pasillo de 12 m de largo por 1.04 m de ancho, con un área de 12.49 m2, y para delimitar una “zona libre”, necesaria para el trabajo de actividades específicas (Figuras 8 y 9).
Figura 8. Distribución espacial dentro del área de trabajo.
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Figura 9. Delimitación de los sistemas y espacios de trabajo.
4.2.3. Arreglo de las unidades del sistema
El arreglo en planta para las unidades de cada sistema se realizó de tal manera que se respetara una continuidad en el flujo para los diferentes procesos biológicos que se llevan a cabo en este sistema acuapónico. Otro factor importante a considerar fue el hecho de que tanto los espacios para laborar los cultivos, y los accesos a cada uno de los sistemas fueran adecuados, es decir que se respetara siempre un modelo ergonómico para el trabajo zootécnico y agronómico.
El área destinada a cada uno de los sistemas dentro del invernadero fue de 13.15 m2. Dentro de este espacio se configuró el acomodo de las unidades de tal manera que el estanque de peces fuera el inicio del ciclo, de ahí el flujo de agua es encausado a un sedimentador de sólidos, el cual se dispone inmediatamente después del estanque de peces. A continuación, el flujo fue dividido y distribuido a cada uno de los biofiltros, los cuales se localizaban uno después de otro y posterior - 61 -
al sedimentador. La distribución en los filtros biológicos comenzaba en los filtros tipo torre para continuar su paso por las camas de siembra, una vez que el flujo salía de las camas este retornaba al estanque y el ciclo reiniciaba.
En la figura 10, a la izquierda, se muestra el acomodo de las unidades dentro del espacio delimitado. A la derecha se observa el porcentaje del área destinada al sistema que cada elemento ocupo. Primero, el estanque de peces con una superficie de 3.60 m2 ocupa un 27.3% del total de la superficie delimitada para cada sistema. Siguiendo la secuencia, el sedimentador ocupó solamente el 2.9% del espacio con un área de 0.38 m2. Por último, los Biofiltros, ocuparon un 20.71% de la superficie total (2.72 m2). El espacio restante, el cual es un 49% (6.45 m2) del total se denominó como el espacio necesario para los acceso a las unidades y espacios de trabajo de cultivos.
Figura 10. Arreglo de unidades en el sistema y porcentajes de espacio destinados para cada unidad.
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En la figura 11, se muestra la distancia de los accesos a los sistemas entre dos sistemas que se encuentran consecutivos. Se puede observar que el pasillo principal de acceso, delimitado por los biofiltros de cada uno de los sistemas, mide 0.8 m, espacio suficiente para el paso de un hombre. De la misma manera se indica el espacio para labor en las camas de siembra, el cual también es de 0.8 m. El espacio entre el estanque de peces y el primer biofiltro es de 0.73 m, mismo que también es suficiente para el paso de hombre y para el manejo de los peces en el estanque, el manejo de los vegetales en las camas de siembra y el acceso al sedimentador.
Figura 11. Acotamiento de espacios para labor de cultivos entre dos sistemas consecutivos.
En la Figura 12, se muestra el arreglo en perfil de las unidades del sistema. Primero se aprecia el estanque de organismos acuáticos (2), donde se localizó una bomba sumergible en su interior (1). Del total de la altura del estanque 0.45 m estaba bajo la superficie del suelo. Este acomodo se realizó con la finalidad de - 63 -
hacer que el retorno de agua al estanque fuera por acción de la gravedad y hacer más eficiente el uso de energía al utilizar solamente una bomba para la dinámica del sistema. Como segunda unidad se encuentra el sedimentador de sólidos (3) que se ubicó a una altura de 1 m sobre el nivel del suelo, lo cual permitió que el volumen de agua en el interior alcanzara una altura efectiva de 1.652 m sobre el nivel del suelo, es decir que el nivel de agua dentro de la unidad tenía una altura de 0.652 m. El hecho de posicionar el sedimentador de sólidos a esta altura hizo que además de que funcionara como sedimentador, a su vez realizará la función de un estanque regulador, permitiendo un flujo constante hacia las demás unidades.
Los biorreactores (4, 5 y 6) son la tercer unidad que se puede apreciar en la figura, conformados por un filtro tipo torre y una cama de siembra de plantas. Primero se observan los filtros tipo torre en un arreglo de 1x2, teniendo una separación entre el filtro 1 y 2 de 1.40 m, y otra de 0.6 entre el segundo y tercero. Este acomodo permitió tener un pasillo de 0.80 m para el manejo zootécnico y agronómico. Como segunda subunidad de los biorreactores se muestran las camas de siembra de plantas ubicadas a 0.40 m sobre el nivel del suelo, en su interior se visualizan tubos con la función de mantener un nivel fijo de agua de 0.18 m para mantener el TRH antes mencionado.
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Figura 12. Arreglo en perfil del sistema. 1. Bomba; 2. Estanque de peces; 3. Sedimentador de sólidos; 4. Filtro tipo torre proximal; 5.Filtro tipo torre medial; 6. Filtro tipo torre distal; 7. Cama de siembra de plantas proximal; 8. Cama de siembra de plantas medial; 9. Cama de siembra de plantas distal; 10. Tubo regulador de nivel proximal; 11. Tubo regulador de nivel medial; 12. Tubo regulador de nivel distal. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
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4.3. Ingeniería a detalle
Para el correcto funcionamiento y manejo del presente sistema fue de vital importancia direccionar el agua a través de las diversas unidades, de tal manera que los procesos biológicos se llevarán a cabo de una forma adecuada. En las figuras subsecuentes se explica cómo era la dinámica del flujo del agua dentro del sistema, el cual, está indicado en las mismas con flechas de línea ondulada.
Las Figuras 13 y 14 presentan una vista en planta y un perfil frontal del sistema en conjunto. Se indica el direccionamiento del flujo de agua a través de las unidades que conforman el sistema, así como los diferentes accesorios que conectaban la red. Se observa que el flujo de agua comienza en el estanque de peces (1) y era impulsada por medio de una bomba sumergible (2) a través de una línea de alimentación al sedimentador (3). Se indica que poco después de que el agua salía del estanque, era bifurcada por una válvula reguladora de caudal (V.R) hacia una línea de retorno de agua (4) al estanque. Este retorno al estanque era importante para mantener los niveles de oxigenación adecuados en el agua del estanque, así como, la recirculación interna del mismo. El resto del agua era descargada en el sedimentador de sólidos (5), en donde permanecía un tiempo hasta el llenado parcial del mismo con el objetivo de que se llevará a cabo la sedimentación de sólidos. Una vez alcanzado el nivel necesario para obtener un tiempo de retención adecuado del agua, el flujo se direcciona a través de otra línea (7) que distribuía de forma homogénea el agua a cada uno de los filtros tipo torre (8, 9 ó 10, según corresponda). Como se mencionó anteriormente, la descarga de agua a los filtros proximal y medial al estanque, el flujo de agua era controlado por medio de una válvula reguladora de caudal (V.R), mientras que para el filtro distal al estanque (10) la alimentación se hacía por medio de un codo de radio medio de 90° (C.M).
El agua entraba a los filtros en cantidades iguales, y una vez que el agua permanecía un tiempo específico en el filtro, salía por la parte inferior de éste, para incorporarse a una línea que conducía el agua hacia el interior de las camas de - 66 -
siembra de plantas (14, 15 ó 16). Es importante mencionar que en el interior de cada una de las camas de siembra de plantas (11, 12 ó 13) se ubicaba la sección de descarga de agua de la línea de alimentación (14, 15 ó 16), la cual se observa que gracias a su forma la distribuía de manera uniforme al interior y al fondo de las camas. El tiempo de retención hidráulico (TRH) fue importante, debido a que es en esta fase del proceso para que las plantas funcionaran como filtro biológico y absorbieran nutrientes para su crecimiento. Para mantener un nivel de agua constante, el cual permitiera obtener un tiempo de retención específico dentro de las camas, se encontraba un tubo regulador del nivel de agua (17, 18 ó 19), y una vez que se alcanza el nivel de aguas máximo ordinario, el flujo era direccionado hacia una línea de desagüe de las camas de siembra (20, 21 ó 24). En este punto el agua se dirigía por el interior del desagüe (20, 21 ó 24) retornando al estanque de peces. Es importante resaltar que las líneas de desagüe (20 y 21) se conectan a una línea colectora (23) de mayor diámetro, la cual colectaba las aguas de desagüe de las camas de siembra de plantas (13 y 12) y las retorna al estanque de organismos acuáticos.
A su vez para el ciclo completo es importante resaltar que la presencia de oxígeno en el sistema fue vital para que las bacterias nitrificantes que realizaban las conversiones químicas entre los diferentes compuestos nitrogenados llevaran a cabo su función. Estas inter conversiones también eran indispensables para asegurar la buena funcionalidad del sistema, la salud e integridad de los organismos que en él se cultivan. Para ello se dispuso de una línea principal de alimentación de oxígeno (25) que se dividía en 4 líneas individuales (26, 27, 28 y 29), las cuales, distribuían el oxígeno al estanque de peces y los filtros tipo torre, unidades donde se requería de una alta concentración de oxígeno para la supervivencia de los organismos acuáticos y bacterias presentes en el sistema.
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Figura 13. Dirección del flujo (vista en planta). 1. Estanque de peces; 2. Bomba sumergible; 3. Línea de alimentación de agua al sedimentador; 4. Línea de retorno hacia el estanque; 5. Sedimentador de sólidos. 6. Válvula para la recolección de lodos; 7. Línea de alimentación de agua a los filtros tipo torre; 8, 9 y 10. Filtros tipo torre; 11, 12 y 13. Camas de siembra de plantas; 14, 15 y 16. Líneas de alimentación de agua a camas de siembra; 17, 18 y 19. Tubos reguladores de nivel; 20, 21 y 24. Desagües de las camas de siembra; 22. Conexión entre desagüe medial y distal; 23. Tubo colector de retorno de agua al estanque de peces; 25. Línea de alimentación de aire; 26. Alimentación de aire al estanque de peces; 27, 28 y 29. Alimentación de aire a los filtros tipo torre. C.M: Codo de radio medio de 90°; V.R: Válvula reguladora de caudal; T.E: Tee; R.O: Reducción; T.O: Tapón; B.I: Piedra aireadora. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 68 -
Figura 14. Dirección del flujo del agua al interior del sistema (vista frontal). 1. Bomba; 2. Estanque de peces; 3. Sedimentador de sólidos; 4, 5 y 6. Filtros tipo torre (proximal, medial y distal con respecto al estanque); 7, 8 y 9. Camas de siembra de plantas (proximal, medial y distal con respecto al estanque); 10, 11 y 12. Tubos reguladores de nivel de agua. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
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En las figuras 15 y 16, se muestra una vista en planta y frontal del sistema completo. Se indica la posición relativa de las unidades del sistema y se identifica cada una de ellas. La primera unidad señalada es el estanque de peces (1) y en su interior se ubicó una bomba sumergible (2), la cual se conectó a una línea de alimentación de agua (3) al sedimentador por medio de una tuerca unión (T.U). Esta línea se bifurcaba, formando una segunda línea (4) que retornaba parte del agua al estanque de peces. Dicho retorno, controlaba el flujo que alimentaba al sedimentador de sólidos (5), estaba provisto de una válvula reguladora (V.R) para realizar esta función, y además apoyaba al movimiento de agua en el estanque de peces. Inmediato a la bifurcación, se localizaba una válvula check (V.C), que impedía el retorno del agua hacia el estanque en caso de que la alimentación de la energía eléctrica fuera suspendida. A continuación se observa el sedimentador de sólidos (5), el cual, tenía una válvula para la recolección de lodos (6) en el fondo del mismo. A partir del sedimentador se realizaba la alimentación de agua a los filtros tipo torre (8, 9 y 10) por medio de la línea (7). Se identifica además que la alimentación de agua a los filtros tipo torre proximal (8) y medial (9) se hacía mediante una válvula reguladora de caudal (V.R), que permitía el paso de una determinada cantidad de agua, mientras que la alimentación al filtro distal (10) se hacía por medio de un codo de radio medio de 90° (C.M). A la salida de cada uno de los filtros (8, 9 y 10) se identifica una línea de alimentación de agua (14, 15 y 16) a las camas de siembra, misma que distribuía el agua de manera uniforme en el fondo de las camas.
Dentro de las camas de siembra (11, 12 y 13) se ubicaba un tubo regulador del nivel de agua (17, 18 y 19), el cual, hacía posible el tiempo de retención hidráulico. Cada uno de los tubos reguladores estaban conectados a un desagüe individual (uno para cada cama) (20, 21 y 24) por medio de una pieza llamada “bulk head” (B.H). Estas líneas de desagüe retornaban el agua al estanque de peces. A su vez, cada una contaba con una válvula para la toma de muestras de agua (A, B y C). Por último, dos de las tres líneas de desagüe (20 y 21) se conectaban a una línea
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colectora (23) de mayor diámetro por medio de un conector tipo tee con ampliación en sus extremos (22) y de esta se retornaba el agua al estanque de peces.
Por otro lado, en la parte superior de la figura se puede observar la línea de alimentación de aire (25). Esta línea se bifurcaba en cuatro líneas individuales (26, 27, 28 y 29), que proveían de oxígeno a los tres filtros tipo torre y al estanque de peces. También se indica en el extremo inferior de cada línea de aire una piedra aireadora (B.I), que distribuía de manera homogénea el oxígeno.
La figura 17, muestra una vista frontal de la primera sección del sistema. Se observar el posicionamiento relativo de las unidades que conforman esta primera etapa, así como las interconexiones y accesorios del sistema.
En la Figura 18, se presenta una vista frontal de la segunda sección del sistema, que corresponde a la parte superior del mismo, interconexiones y accesorios.
La Figura 19, muestran las unidades que conforman al biorreactor proximal al estanque de peces a partir de una vista frontal, interconexiones y accesorios.
En la Figura 20 se muestra una vista frontal de los filtros tipo torre medial y distal (9 y 10) con referencia al estanque del sistema, así como, las camas de siembra correspondientes a estos (12 y 13), interconexiones y accesorios.
En la Figura 21 se muestra la vista del perfil de los filtros tipo torre y en la Figura 22, se visualiza la vista frontal del biofiltro completo, integrado por el filtro tipo torre y la cama de siembra.
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Figura 15. Vista en planta del sistema completo, interconexiones y accesorios. 1. Estanque de peces; 2. Bomba sumergible; 3. Línea de alimentación de agua al sedimentador; 4. Línea de retorno hacia el estanque; 5. Sedimentador de sólidos. 6. Válvula para la recolección de lodos; 7. Línea de alimentación de agua a los filtros tipo torre; 8, 9 y 10. Filtros tipo torre; 11, 12 y 13. Camas de siembra de plantas; 14, 15 y 16. Líneas de alimentación de agua a camas de siembra; 17, 18 y 19. Tubos reguladores de nivel; 20, 21 y 24. Desagües de las camas de siembra; 22. Conexión entre desagüe medial y distal; 23. Tubo colector de retorno de agua al estanque de peces; 25. Línea de alimentación de aire; 26. Alimentación de aire al estanque de peces; 27, 28 y 29. Alimentación de aire a los filtros tipo torre. C.M: Codo de radio medio de 90°; V.R: Válvula reguladora de caudal; T.E: Tee; R.O: Reducción; T.O: Tapón; B.I: Piedra aireadora. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 72 -
Figura 16. Vista frontal del sistema completo, interconexiones y accesorios. 1. Estanque de peces; 2. Bomba sumergible; 3. Línea de alimentación de agua al sedimentador; 4. Línea de retorno hacia el estanque; 5. Sedimentador de sólidos. 6. Válvula para la recolección de lodos; 7. Línea de alimentación de agua a los filtros tipo torre; 8, 9 y 10. Filtros tipo torre; 11, 12 y 13. Camas de siembra de plantas; 14, 15 y 16. Líneas de alimentación de agua a camas de siembra de plantas; 17, 18 y 19. Tubos reguladores de nivel; 20, 21 y 24. Desagües de las camas de siembra; 22. Conexión entre desagüe medial y distal; 23. Retorno de agua al estanque de peces; 25. Línea de alimentación de aire; 26. Alimentación de aire al estanque de peces; 27, 28 y 29; Alimentación de aire a los filtros tipo torre. T.U: Tuerca unión; C.M: Codo de radio medio de 90°; C.C: Codo de radio medio de 45°; V.R: Válvula reguladora de caudal; T.E: Tee; R.O: Reducción; T.O: Tapón; B.I: Piedra aireadora. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 73 -
Figura 17. Vista frontal de la primera sección del sistema, interconexiones y accesorios. 1. Estanque de peces; 2. Bomba sumergible; 3. Línea de alimentación al sedimentador; 4. Línea de retorno al estanque de peces; 5. Sedimentador de sólidos; 6. Válvula de recolección de lodos 25. Línea de alimentación de aire; Línea de alimentación de aire al estanque de peces. T.U. Tuerca unión; V.R. Válvula reguladora de caudal; C.M. Codo de radio medio de 90°; V.C. Válvula check; C.C. Codo de radio medio de 45°; T.O. Tapón; B.I. Piedra aireadora. C. Válvula de toma de muestras de agua. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 74 -
Figura 18. Vista frontal de la segunda sección del sistema, interconexiones y accesorios. 5. Sedimentador de sólidos; 6. Válvula de recolección de lodos; 7. Línea de alimentación de agua a los filtros tipo torre; 8, 9 y 10. Filtros tipo torre (proximal, medial y distal); 25. Línea de alimentación de aire; 27, 28 y 29. Línea de alimentación de aire a filtros tipo torre. C.C. Codo de radio medio de 45 °; T.E. Tee; V.R. Válvula regulador de caudal. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
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Figura 19. Vista frontal del biorreactor proximal al estanque de peces, interconexiones y accesorios. 5. Sedimentador de sólidos; 6. Válvula de recolección de lodos; 7. Línea de alimentación de agua a filtros tipo torre; 8. Filtro tipo torre proximal; 11. Cama de siembra de plantas; 14. Línea de alimentación de agua a cama de siembra de plantas proximal; 17. Tubo regulador de nivel; 23.Retorno de agua hacia el estanque de peces; 24. Desagüe de cama de siembra; 25. Línea de alimentación de aire; 27. Alimentación de aire a filtro tipo torre. C. Válvula de toma de muestras de agua. C.C. Codo de radio medio de 45°; T.E. Tee; V.R. Válvula reguladora de caudal; R.O. Reducción. C.M. Codo de radio medio de 90°; T.O. Tapón; B.H. Bulk head; B.I. Piedra aireadora. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
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Figura 20. Vista frontal de los biorreactores medial y distal, interconexiones y accesorios. 7. Alimentación de agua a los filtros tipo torre; 9 y 10. Filtro tipo torre medial y distal; 12 y 14. Camas de siembra de plantas medial y distal; 15 y 16. Línea de alimentación de agua a camas de siembra de plantas; 18 y 19. Tubos reguladores de nivel de agua; 20 y 21. Líneas de desagüe de camas de siembra; 22. Conexión entre desagüe medial y distal; 25. Línea de alimentación de aire; 28 y 29. Línea de alimentación de aire a filtros tipo torre. V.R. Válvula reguladora de caudal; T.E. Tee; R.O. Reducción; C.M. Codo de radio medio de 45°; T.O. Tapón; B.H. Bulk head; B.I. Piedra aireadora. B y A. Válvulas de toma de muestra de agua. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
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Figura 21. Vista del perfil de los filtros tipo torre. 7. Línea de alimentación de agua a filtros tipo torre; 8, 9 Y 10. Filtro tipo torre; 25. Línea de alimentación de aire; 27, 28 y 29. Línea de alimentación de aire a filtros tipo torre. T.O. Tapón; V.R. Válvula reguladora de caudal; T.E. Tee; R.O. Reducción; C.M. Codo de radio medio de 45°; B.I. Piedra aireadora. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
- 78 -
Figura 22. Vista frontal del biofiltro (integrado por filtros tipo torre y cama de siembra). 7. Línea de alimentación de agua a los filtros tipo torre; 8, 9 y 10. Filtros tipo torre; 14, 15 y 16. Línea de alimentación de agua a los filtros tipo torre; 11, 12 y 13. Cama de siembra de plantas; 17, 18 y 19. Tubo regulador de nivel de agua; 20, 21 y 24. Línea de desagüe; 25. Línea de alimentación de aire; 27, 28 y 29. Línea de alimentación de aire a los filtros tipo torre. V.R. Válvula reguladora de caudal; C.M. Codo de radio medio de 90°; T.E. Tee; B.H. Bulk head; T.O. Tapón; P.R. Protector de tubo regulador de nivel de agua. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
- 79 -
4.4. Memoria de cálculo hidráulico
A continuación se presentan en los Cuadros 8, 9, 10 y 11, los resultados de la simulación numérica del sedimentador – filtros tipo torre, de los filtros tipos torre - las camas de siembra de plantas, del desagüe de las camas distal y medial y del desagüe de la cama uno, respectivamente.
En las Figuras 23, 24, 25 y 26, se muestran los esquemas de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del sedimentador – filtros tipo torre, de los filtros tipos torre - las camas de siembra de plantas, del desagüe de las camas distal y medial y del desagüe de la cama uno, respectivamente.
En la Figura 27, se puede observar los resultados de la carga a vencer por la bomba para alimentación de agua del estanque de peces al sedimentador de sólidos y los datos básicos de la tubería.
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Cuadro 8. Resultados de la simulación numérica del sedimentador – filtros tipo torre. Tramo Longitud (m)
1 2 3 4 5 4 5 6
2 3 4 5 6 7 8 9
0.1 0.1 0.7 1.4 0.6 0.05 0.05 0.05
n manning
Diámetro (m)
0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009
0.019 0.019 0.019 0.019 0.019 0.0063 0.0063 0.0063
Q Q (L/s) (L/h)
0.19 0.19 0.19 0.12 0.06 0.07 0.06 0.06
684 684 684 432 216 252 216 216
Q (m3/s)
A (m2)
V (m/s)
0.00019 0.00019 0.00019 0.00012 0.00006 0.00007 0.00006 0.00006
0.000283529 0.000283529 0.000283529 0.000283529 0.000283529 3.11725E-05 3.11725E-05 3.11725E-05
0.670126076 0.670126076 0.670126076 0.423237522 0.211618761 2.245572389 1.924776334 1.924776334
Figura 23. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del sedimentador – filtros tipo torre. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 81 -
Cuadro 9. Resultados de la simulación numérica de los filtros tipos torre - las camas de siembra de plantas. Tramo
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Longitud n Diámetro Q Q (m) manning (m) (L/s) (L/h)
0.05 0.05 0.6 0.05 0.7 1.5 0.3 0.05 0.3
0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009
0.051 0.019 0.019 0.019 0.019 0.019 0.019 0.019 0.019
0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22
792 792 792 792 792 792 792 792 792
Q (m3/s)
A (m2)
0.00022 0.00022 0.00022 0.00022 0.00022 0.00022 0.00022 0.00022 0.00022
0.00204282 0.00028353 0.00028353 0.00028353 0.00028353 0.00028353 0.00028353 0.00028353 0.00028353
V (m/s)
0.10769423 0.77593546 0.77593546 0.77593546 0.77593546 0.77593546 0.77593546 0.77593546 0.77593546
Figura 24. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica de los filtros tipos torre - las camas de siembra de plantas. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 82 -
Cuadro 10. Resultados de la simulación numérica del desagüe de las camas distal y medial Tramo
1 2 3 4 5 7 8 9 10 6
2 3 4 5 6 8 9 10 6 16
Longitud n Diámetro (m) manning (m)
0.25 0.05 0.08 1.05 0.03 0.25 0.05 0.48 0.08 3.83
0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009
0.025 0.025 0.025 0.025 0.051 0.025 0.025 0.025 0.025 0.051
Q (L/s)
Q (L/h)
Q (m3/s)
A (m2)
V (m/s)
1.09 1.09 1.09 1.09 1.10 1.40 1.40 1.40 1.40 2.49
3924 3924 3924 3924 3960 5040 5040 5040 5040 8964
0.00109 0.00109 0.00109 0.00109 0.0011 0.0014 0.0014 0.0014 0.0014 0.00248
0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.002042821 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.000490874 0.002042821
2.220529766 2.220529766 2.220529766 2.220529766 0.538471165 2.85205658 2.85205658 2.85205658 2.85205658 1.218902909
Figura 25. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del desagüe de las camas distal y medial. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
- 83 -
Cuadro 11. Resultados de la simulación numérica del desagüe de la cama uno. Tramo Longitud n Diámetro (m) manning (m)
Q (L/s)
Q (L/h)
Q (m3/s)
A (m2)
V (m/s)
1 2 3
0.95 0.95 0.95
3420 3420 3420
0.00095 0.00095 0.00095
0.000490874 0.000490874 0.000490874
1.935324108 1.935324108 1.935324108
2 3 4
0.25 0.05 1.7016
0.009 0.009 0.009
0.025 0.025 0.025
Figura 26. Esquema de las interconexiones del sistema correspondiente a la simulación numérica del desagüe de la cama uno. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992).
- 84 -
A B Datos de la tubería Q (L/hr)
750
D (mm)
25
2
Aréa (m )
0.00049
Velocidad (m/s)
0.4244
Longitud de la tubería (m)
2.8440
ε (mm)
0.0015
Re
10610.3295
f (Swamee and Jain)
0.0306
hf (m)
0.0325
Figura 27. A. Carga a vencer por la bomba para alimentación de agua del estanque de peces al sedimentador de sólidos B. Datos básicos de la tubería. Patente en Trámite (MX/a/2012/013992). - 85 -
A continuación se pueden observar las pérdidas locales por fricción en accesorios (Cuadro 12). El cálculo de la carga dinámica total fue de 2.926 m. Cuadro 12. Pérdidas locales por fricción en accesorios Accesorios
Cantidad
K
Hfk (m)
Codo radio medio 90°
2
0.75
0.01377
Válvula Check
1
2.5
0.02299
Pieza especial Tee
1
1.8
0.01652
Figura 28. Vista isométrica de la alimentación al sedimentador.
4.5. Determinación de eficiencia energética
La eficiencia energética del sistema de aireación y del sistema de bombeo fueron de 65.2 y 3.2 kW h/ton de tilapia producida, respectivamente. Estos datos fueron obtenidos de la producción reportada por las combinaciones poliducto o tapas con piedra de río.
- 86 -
4.6. Determinación de la producción de biomasa animal y vegetal
Los resultados de la producción de biomasa animal y vegetal, y sobrevivencia de los organismos se presentan en el cuadro 13. Se puede observar en general que, los tratamientos con piedra de río son los que presentaron los valores más altos de obtención de biomasa, y en cuanto a la sobrevivencia todos los sistemas contaron con valores mayores al 90%.
- 87 -
Cuadro 13. Valores de sobrevivencia, crecimiento y producción de peces tilapia y plantas de albahaca, según las combinaciones de sustrato utilizadas en filtros biológicos de sistemas acuapónicos. Cama siembra Piedra de río Grava Biorreactor Bioesferas Poliducto Tapas Bioesferas Poliducto Tapas % Sobrevivencia 98 99 98 96 98 97 peces Sobrevivencia 100 100 100 100 90 100 plantas kg por estanque Producción 1 peces 7.6 8.6 8.5 7.9 8.6 8.1 2 g/m * Producción 927.22 ± 81.86 b 1,838.00 ± 34.29 a 1,574.22 ± 146.51 a 321.74 ± 24.13 d 837.85 ± 153.98 bc 608.15 ± 47.60 cd 2 plantas kg por sistema 2.50 4.96 4.25 0.86 2.26 1.64 * Promedios ± EE, 1 Peso húmedo, 2 Base Húmeda. Literales diferentes denotan diferencias estadísticas significativas.
- 88 -
4.7. Evaluación económica de los sistemas
En el cuadro 14, se pueden observar los indicadores de evaluación económica de los diferentes sistemas acuapónicos evaluados, de acuerdo a las combinaciones de sustratos utilizados en los filtros biológicos.
Cuadro 14. Indicadores de evaluación económica de los diferentes sistemas acuapónicos evaluados, de acuerdo a la combinación de sustratos utilizados en los filtros biológicos. Biorreactor
Bioesferas
Cama siembra
Poliducto
Tapas
Bioesferas
Piedra de río
Poliducto
Tapas
Grava
VAN
- 6,045.90
11,564.09
7,511.75
49,404.29
- 8,837.99
18,158.31
B/C
0.98
1.26
1.21
0.19
0.93
0.77
TIR
-1.48%
22.33%
17.11%
No factible
-6.45%
-30.83%
N/K
0.92
2.59
2.16
1.80
0.67
0.05
- 89 -
DISCUSIÓN GENERAL El presente trabajo es una contribución a los sistemas convencionales de producción agropecuaria, debido a que el diseño original aquí presentado, se muestra como una alternativa viable desde los aspectos biológico y económico para la producción sostenible de proteína animal de alta calidad y plantas para el consumo humano. Los resultados obtenidos en el presente estudio demuestran que es posible integrar un sistema de recirculación acuícola (SRA) y un sistema hidropónico, funcionando este último como filtro biológico. Esta información es útil para que pequeños productores o familias puedan aplicar esta tecnología como una alternativa más de generación de recursos o poder producir sus propios alimentos.
El manejo, tanto zootécnico como agronómico del sistema, demostró ser funcional y de fácil operación, cumpliendo con los espacios mínimos para accesos y maniobras, según lo mencionado por Timmons y Ebeling (2010). De acuerdo a los objetivos de que se refieren a la parte de ingeniería e hidráulica, se ha demostrado que es posible construir un sistema de esta naturaleza, con el cual se pueden mantener organismos vivos y tener producciones, y que al mismo tiene una funcionalidad hidráulica.
Los sistemas acuapónicos convencionales (Rakocy y
Hargreaves, 1993) consisten de un estanque de peces, un filtro mecánico para la remoción de sólidos, un biofiltro, un componente hidropónico y un reservorio para la recolección del flujo tratado que posteriormente se rebombea al estanque de peces.
En comparación a lo anterior mencionado, el sistema aquí expuesto no cuenta con el reservorio de recolección, reduciendo el espacio y optimizando el uso de energía eléctrica que usaría una bomba extra. Otra diferencia significativa es que el sedimentador de sólidos tiene una forma rectangular y no cónica, lo cual abarata costos y reduce el espacio utilizado. Sin embargo debido a la poca oxigenación que presentaron las camas de siembra por la presencia de los sustratos utilizados con la consecuente modificación del TRH en el sedimentador, el comportamiento de este fue deficiente, lo cual se demostró con presencia de sólidos suspendidos en las - 90 -
camas de siembra y en menor medida en el estanque. Al parecer el sustrato en la cama hidropónica funcionó como filtro físico, por lo tanto, una alternativa de solución a este problema es cambiar el sedimentador por un filtro de separación de sólidos, principalmente si se pretende hacer uso de balsas para plantas (RAFT) en las camas hidropónicas.
El sistema acuapónico presentado en este documento, de acuerdo a los resultados obtenidos en las memorias de cálculo hidráulico, es capaz de trabajar con cargas mayores a tubo lleno, e incluso es posible variar las cargas y ajustar los tiempos de retención. Este punto es de crucial importancia, principalmente en la parte biológica, permitiendo que los organismos que habitan en él, tengan las condiciones adecuadas en cuanto a parámetros fisicoquímicos del agua, y con ello, incluso producir biomasa. Debido a la variación de cargas hidráulicas que se puede manejar en este diseño original, es posible la producción de vegetales diferentes a la albahaca o especies diferentes a la tilapia, lo único que se tendría que ajustar son las cargas iniciales de siembra.
De acuerdo a García (2001), los diámetros de la tubería en algunos tramos puedes ser disminuidos si se considera una velocidad de diseño de 2.5 m/s, con lo cual se podría reducir el costo de construcción de este sistema acuapónico. Por otro lado, se comprobó que el drenaje de la cama de siembra fue eficiente, permitiendo mantener un nivel constante y sin variaciones de agua dentro de la misma, aún cuando se deseará aumentar el gasto hidráulico considerablemente. Este factor fue crítico para permitir el ajuste del tiempo de retención hidráulico. A su vez, también fue posible observar que la manera en que se llevó a cabo la distribución del agua dentro de la cama de siembra fue adecuada, puesto que el crecimiento de la producción vegetal fue relativamente uniforme. Considerando que en los desagües de las camas de siembra existen pocas pérdidas por fricción por contar con pocos accesorios y distancias cortas, y a pesar de que los diámetros son adecuados para mover los volúmenes de agua resultantes, el diámetro de la tubería de 2” pudiera ser reducida a 1” considerando velocidades de diseño mayores (García, 2001). - 91 -
En cuanto a la eficiencia energética del sistema de aireación, si se compara con la producción de camarones de forma intensiva, la cual utiliza las 24 horas del día el suministro de aire al igual que los sistemas de acuaponía, el total utilizado en promedio es de 3,375 kW h/ton (Boyd et al., 2007), resultando un importante alto consumo a comparación del diseño original aquí presentado (65.2 kW h/ton de tilapia producida). En las mismas condiciones de producción intensiva en camarones, es utilizado un promedio de 673 kW h/ton de energía de bombeo de agua (Boyd et al., 2007), que al igual que el indicador anterior resulta elevado (3.2 kW h/ton de tilapia producida). En la producción de peces de agua dulce, por ejemplo de bagre de canal, la energía utilizada para el bombeo y la aireación en promedio es de 296 y 950 kW h/ton de bagre obtenido, respectivamente (Boyd y Tucker, 1995). Por lo cual, este sistema original de acuaponía resulta ser altamente eficiente en comparación con la producción de intensiva de camarones y semiintensiva de bagre. A pesar de ser altamente eficiente en cuanto al movimiento de agua la bomba utilizada en este diseño original de acuaponía, de acuerdo a nuestros resultados de cálculo hidráulico, es posible utilizar un instrumento de menor consumo energético, debido que fue necesario implementar en el diseño un re direccionamiento del caudal conducido del estanque hacia el sedimentador. Debido a ello, es muy probable que al cambiar la bomba, sea todavía más eficiente este diseño.
De acuerdo a los resultados obtenidos de producción de biomasa animal y vegetal, se puede observar que la sobrevivencia y producción presentadas por las tilapias en el presente estudio, es similar a los reportado por Soto-Zarazúa et al. (2011), Martins et al. (2009) y Aparecida et al. (2005), al producir Oreochromis niloticus en sistemas de recirculación acuícola (SRA), y Watten y Busch (1984), al producir tilapia Sarotherodon aurea integrada a tomates también en un SRA. Esto demuestra que los sistemas acuapónicos pueden ser igualmente productivos que los sistemas de recirculación acuícolas convencionales, con la ventaja de, además de producir peces, en el mismo ciclo productivo también se obtienen plantas para su consumo o comercialización. Similar a lo presentado en este estudio, en un experimento donde fue evaluado el efecto de dos medios plásticos como sustratos - 92 -
en los filtros biológicos sobre la producción de tilapia nilótica en un SRA, no se reportan diferencias en el comportamiento productivo entre los grupos de animales (Ridha y Cruz, 2001).
En cuanto a la producción de plantas de albahaca, de acuerdo a lo reportado por Vega et al. (2004), esta especie herbácea en campo produce 2 kg de forraje verde por m2 al año, comparándola con la biomasa obtenida en la combinación poliducto – piedra de río de este estudio, donde se obtuvo 1.83 kg en base húmeda, resulta en una diferencia importante en la producción, tomando en cuenta los tiempos de cultivo. Mientras que Contreras y Gómez (2008), al evaluar tres variedades de albahaca en hidroponía, entre ellas la genovesa, obtuvieron rendimientos de 0.43 kg m-2 en 90 días. En un sistema acuapónico de escala comercial (0.05 ha), se proyectó la producción anual de albahaca fue de 2.0, 1.8 y 0.6 kg m-2, utilizando sistemas en lotes, escalonadas y campo, respectivamente (Rakocy et al., 2003), resultado similares las producciones en acuaponía a las reportadas en nuestros sistemas en las camas que utilizaron piedra, en combinación con poliducto y piedra, en sólo 70 días de experimentación.
De acuerdo a nuestros resultados, se presenta un efecto en la producción de albahaca de acuerdo al medio evaluado en los filtros biológicos, esto puede deberse principalmente al sustrato de la cama. Sánchez (2006), reporta diferencias en el crecimiento de cuatro especies medicinales al utilizar dos sustratos inertes en sistemas hidropónicos. Vásquez y Flores (2007), también reportan diferencias en la producción hidropónica de dos especies de Brassica con tres sustratos diferentes. Al parecer esta condición también se presenta en sistemas de acuaponía.
Comparando tres sistemas hidropónicos, no se encontraron diferencias significativas en la ganancia de peso y tasas de crecimiento en individuos de Bacalao de Murray (Maccullochella peelii peelii) integrado a lechuga (Lactuca sativa) en sistemas acuapónicos, por el contrario, aunque en general las plantas mostraron buenos crecimientos, las mayores ganancias de biomasa se presentaron en las - 93 -
camas de grava, seguidas por balsas flotantes y al final las producidas con técnica de película de nutrientes, con diferencias estadísticas significativas entre los tratamientos, al mismo tiempo, se mostraron diferencias en la remoción de nitratos del sistema (Lennard y
Leonard, 2006). Por lo tanto, es muy probable que en
general, en sistemas acuapónicos la piedra de río permita a las plantas de albahaca una mejor absorción de nutrientes que la grava, lo que se traduce en un mejor crecimiento y por ende en una mayor producción por m2 de superficie de cultivo.
De acuerdo a los resultados de evaluación económica, las combinaciones de sustratos (tratamientos) que resultaron ser rentables son dos: la combinación Poliducto y Piedra de Río (PP) y la combinación Tapas y Piedra de Río (PT). Los tratamientos menos rentables fueron las combinaciones Tapas y Grava (TG), seguida por Poliducto y Grava (PG). El tratamiento Bioesferas y Grava se considera no factible, por sus bajos indicadores y alto costo, representado principalmente por la producción de biomasa vegetal. En el tratamiento PP, el VAN obtenido durante la vida útil del proyecto (10 años) a una tasa de actualización del 7.0%, el proyecto permitirá generar utilidades netas hasta de 11,564.09 pesos. La B/C que se obtuvo del experimento fue de 1.26 pesos, la cual se interpreta que durante la vida útil del proyecto se recuperará el peso invertido y se obtendrá un beneficio neto de 0.26 pesos; es decir, por cada peso invertido a una tasa de actualización de 7.0%, se obtendrá una ganancia de 26 centavos. La TIR fue 22.33%, esto significa que obtendrá durante la vida útil del proyecto una rentabilidad promedio de 22.33% o también se puede interpretar como la capacidad máxima que puede soportar un proyecto en donde los beneficios actualizados son iguales a los costos actualizados. Finalmente, la N/K que se obtuvo en el experimento fue de 2.59 pesos, que es aceptado por ser mayor a uno. Este indicador señala que por cada peso invertido inicialmente, se obtendrán beneficios netos totales de 1.59 pesos (Baca, 2010; Murcia et al., 2009; Sapag, 2004).
En el tratamiento PT, el VAN obtenido durante la vida útil del proyecto (10 años) a una tasa de actualización del 7.0%, el proyecto permitirá generar utilidades - 94 -
netas hasta de 7,511.75 pesos. La B/C que se obtuvo del experimento fue de 1.21 pesos, la cual se interpreta que durante la vida útil del proyecto se recuperara el peso invertido y se obtendrá un beneficio neto de 0.21 pesos; es decir, por cada peso invertido a una tasa de actualización de 7.0%, se obtendrá una ganancia de 21 centavos. La TIR fue 17.11%, esto significa que se puede obtener durante la vida útil del proyecto una rentabilidad promedio de 17.11% o también se le interpreta como la capacidad máxima que puede soportar un proyecto en donde los beneficios actualizados son iguales a los costos actualizados.
Finalmente, la N/K que se obtuvo en el experimento fue de 2.16 pesos, que es aceptado por ser mayor a uno. Este indicador señala que por cada peso invertido inicialmente, se obtendrán beneficios netos totales de 1.16 pesos (Baca, 2010; Murcia et al., 2009; Sapag, 2004).
Adler et al. (2000) describió la relación económica entre un sistema de recirculación para la producción de trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss), lechuga (Lactuca sativa) y albahaca (Ocimun basilicum). Se determinó que la integración de estos elementos en un sistema acuapónico genera ahorros económicos, que los sistemas de producción de peces y plantas por separado. El análisis de inversión demostró la rentabilidad del sistema para un período de vida útil de 20 años, con una TIR de 12.5%. Por lo cual, podemos mencionar que de acuerdo a nuestros resultados el sistema evaluado en el presente trabajo es económicamente rentable.
- 95 -
CONCLUSIONES
•
La producción de tilapia y albahaca en el sistema acuapónico creado fue similar o mayor a lo reportado en otros sistemas de recirculación acuícolas y de producción convencional.
•
El diseño original de sistema acuapónico, mostró ser eficiente desde el punto de vista hidráulico y de gasto energético.
•
El sistema acuapónico es biológicamente viable para el mantenimiento de organismos acuáticos y plantas, e incluso para la obtención de producción de biomasa para consumo humano.
•
La producción de biomasa animal y vegetal obtenida en sistemas acuapónicos se ve afectada de acuerdo al tipo de sustrato utilizado en los filtros biológicos.
- 96 -
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