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11.7 Strumenti di modellazione
In acquaponica, diagrammi di flusso o diagrammi di stock e di flusso (SFD) e diagrammi di ciclo causale (CLD) sono comunemente utilizzati per illustrare la funzionalità del sistema aquaponico. Di seguito verranno descritti i diagrammi di flusso e i CLD. 11.7.1 Grafici di flusso Per ottenere una comprensione sistemica dell’acquaponica, i diagrammi di flusso con i componenti più importanti dell’acquaponica sono un buon strumento per mostrare come fluisce il materiale nel sistema.
· Aquaponics Food Production Systems11.6 Modellazione acquaponica multi-loop
I progetti acquaponici tradizionali comprendono l’acquacoltura e le unità idroponiche che comportano il ricircolo di acqua tra i due sottosistemi (Körner et al. 2017; Graber e Junge 2009). In tali sistemi acquaponici a ciclo unico, è necessario effettuare un compromesso tra le condizioni di entrambi i sottosistemi in termini di pH, temperatura e concentrazioni di nutrienti, poiché pesci e piante condividono un ecosistema (Goddek et al. 2015). Al contrario, i sistemi acquaponici a doppio anello disaccoppiati separano le unità RAS e idroponiche l’una dall’altra, creando ecosistemi distaccati con vantaggi intrinseci sia per le piante che per i pesci.
· Aquaponics Food Production Systems11.4 Modellazione della Digestione Anaerobica
Fig. 11.10 Simulazione di TAN (XSubnHX-N,1/sub) in [mg/l] su 2 giorni = 2880 min con Q = 300 l/min (blu) e Q = 200 l/min (arancione) Fig. 11.11 Simulazione di nitrato-N (XSubNO3-N,1/sub) in [mg/l] su 50 giorni = 72.000 min con QSubbexC/Sub = 300 l/giorno (giallo), QSubexC/Sub = 480 l/giorno (arancione) e QSUBexC/Sub = 600 l/giorno (blu) La digestione anaerobica (AD) di materiale organico è un processo che coinvolge le fasi sequenziali di idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi (Batstone et al.
· Aquaponics Food Production Systems11.3 Modellazione RAS
L’acquacoltura ittica globale ha raggiunto i 50 milioni di tonnellate nel 2014 (FAO 2016). Data la crescente popolazione umana, c’è una crescente domanda di proteine del pesce. La crescita sostenibile dell’acquacoltura richiede nuove tecnologie (bio) come i sistemi di ricircolo di acquacoltura (RAS). I RAS hanno un basso consumo di acqua (Orellana 2014) e consentono il riciclo di prodotti escretori (Waller et al. 2015). Il RAS fornisce condizioni di vita adeguate per i pesci, grazie a un trattamento delle acque in più fasi, come la separazione delle particelle, la nitrificazione (biofiltrazione), lo scambio di gas e il controllo della temperatura.
· Aquaponics Food Production Systems11.2 Sfondo
Sono disponibili molte definizioni di un sistema, che vanno da descrizioni sciolte a formulazioni matematiche rigorose. In quanto segue, un sistema è considerato un oggetto in cui diverse variabili interagiscono a tutti i tipi di scale spaziali e temporali e produce segnali osservabili. Questi tipi di sistemi sono anche chiamati sistemi aperti. Una rappresentazione grafica di un sistema aperto generale (S) con segnali di ingresso e uscita a valori vettoriali è rappresentata in Fig.
· Aquaponics Food Production Systems11.1 Introduzione
In generale, i modelli matematici possono assumere forme molto diverse a seconda del sistema in esame, che può variare dai sistemi sociali, economici e ambientali ai sistemi meccanici ed elettrici. Tipicamente, i meccanismi interni dei sistemi sociali, economici o ambientali non sono molto noti o compresi e spesso sono disponibili solo piccoli insiemi di dati, mentre la conoscenza preventiva dei sistemi meccanici ed elettrici è ad un livello elevato, e gli esperimenti possono essere fatti facilmente.
· Aquaponics Food Production Systems11,5 HP Modellazione di serre
L’uso dell’acqua di coltura e l’assorbimento dei nutrienti sono un sottosistema centrale dell’acquaponica. La parte HP è complessa, poiché l’assorbimento puro di acqua e sostanze nutritive disciolte non segue semplicemente una relazione lineare piuttosto semplice come, ad esempio, la crescita dei pesci. Per creare un modello completo, è necessario un simulatore di serra completo. Si tratta di sistemi sottomodelli di fisica delle serre, compresi i controllori del clima e la biologia delle colture, che coprono processi interattivi con fattori di stress biologici e fisici.
· Aquaponics Food Production Systems10.6 Conclusioni
Il trattamento dei fanghi di pesce per la riduzione e il recupero dei nutrienti è in una fase iniziale di attuazione. Ulteriori ricerche e miglioramenti sono necessari e vedrà la giornata con la crescente preoccupazione dell’economia circolare. In effetti, i fanghi di pesce devono essere considerati più una fonte preziosa anziché un rifiuto usa e getta.
· Aquaponics Food Production Systems10.5 Metodologia per quantificare le prestazioni di riduzione dei fanghi e mineralizzazione
Per determinare la digestione del trattamento dei fanghi acquaponici nei bioreattori aerobici e anaerobici, è necessario seguire una metodologia specifica. In questo capitolo viene presentata una metodologia adattata ai fini del trattamento dei fanghi acquaponici. Sono state sviluppate equazioni specifiche per quantificare con precisione le loro prestazioni (Delaide et al. 2018), che dovrebbero essere utilizzate per valutare le prestazioni del trattamento applicato in uno specifico impianto acquaponico. Al fine di valutare le prestazioni del trattamento, è necessario raggiungere un approccio di bilancio di massa.
· Aquaponics Food Production Systems10.4 Trattamenti anaerobici
La digestione anaerobica (AD) è stata a lungo utilizzata per la stabilizzazione e la riduzione del processo di massa dei fanghi, principalmente a causa della semplicità di funzionamento, dei costi relativamente bassi e della produzione di biogas come potenziale fonte di energia. La rappresentazione stechiometrica generale della digestione anaerobica può essere descritta come segue: $CNHaob+ (n-a/4-b/2)\ cdot H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cdot CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4 $ (10.4) Equazione 10.4 Bilancio di massa generale del biogas (Marchaim 1992).
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