10.1 Introduzione
Il concetto di acquaponica è associato all’essere un sistema di produzione sostenibile, in quanto riutilizza le acque reflue del sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) arricchite in macronutrienti [cioè azoto (N), fosforo (P), potassio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg) e zolfo (S)] e micronutrienti (cioè ferro (ferro (Fe ferro (Fe), manganese (Mn), zinco (Zn), rame (Cu), boro (B) e molibdeno (Mo)) per fertilizzare le piante (Graber e Junge 2009; Licamele 2009; Nichols e Savidov 2012; Turcios e Papenbrock 2014). Una domanda molto discussa è se questo concetto può eguagliare la propria ambizione di essere un sistema quasi chiuso, poiché elevate quantità di nutrienti che entrano nel sistema vengono sprecate scaricando i fanghi di pesce ricchi di nutrienti (Endut et al. 2010; Naylor et al. 1999; Neto e Ostrensky 2013). Infatti, per mantenere una buona qualità dell’acqua in un sistema RAS e acquaponico, l’acqua deve essere costantemente filtrata per la rimozione del solido. Le due tecniche principali per la filtrazione dei solidi sono di trattenere le particelle in una rete (cioè la filtrazione delle maglie come filtri a tamburo) e di consentire alle particelle di decantare nei chiarificatori. Nella maggior parte degli impianti convenzionali, i fanghi vengono recuperati da questi dispositivi meccanici di filtrazione e vengono scaricati come liquami. Nei casi migliori, il fango viene essiccato e applicato come fertilizzante sui campi terrestri (Brod et al. 2017). In particolare, fino al 50% (in sostanza secca) del mangime ingerito viene escreto come solidi dai pesci (Chen et al. 1997) e la maggior parte dei nutrienti che entrano nei sistemi acquaponici attraverso il mangime per pesci si accumulano in questi solidi e quindi nei fanghi (Neto e Ostrensky 2013; Schneider et al. 2005). Quindi, un’efficace filtrazione solida rimuove, ad esempio, oltre l'80% del prezioso P (Monsees et al. 2017) che potrebbe altrimenti essere utilizzato per la produzione di impianti. Pertanto, il riciclaggio di questi preziosi nutrienti per applicazioni acquaponiche è di grande importanza. Lo sviluppo di un adeguato trattamento dei fanghi in grado di mineralizzare i nutrienti contenuti nei fanghi per il loro riutilizzo nell’unità idroponica sembra essere un processo necessario per contribuire a chiudere il ciclo nutritivo in misura maggiore e ridurre così l’impatto ambientale dei sistemi acquaponici (Goddek et al. 2015; Goddek e Keesman 2018; Goddek e Körner 2019).
È stato dimostrato in studi sperimentali che la soluzione nutritiva acquaponica integrata (cioè dopo l’aggiunta di nutrienti mancanti) favorisce la crescita delle piante rispetto all’idroponica (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). Pertanto, la mineralizzazione dei fanghi è anche un modo promettente per migliorare le prestazioni del sistema acquaponico poiché i nutrienti recuperati vengono utilizzati per completare la soluzione acquaponica. Inoltre, le unità di mineralizzazione in loco possono anche aumentare l’autosufficienza degli impianti acquaponici, soprattutto per quanto riguarda le risorse finite come P, essenziale per la crescita delle piante. P è prodotto da attività minerarie, per cui i depositi non sono distribuiti equamente in tutto il mondo. Inoltre, il suo prezzo è aumentato fino all'800% nell’ultimo decennio (McGill 2012). Pertanto, anche le unità di mineralizzazione applicate nei sistemi acquaponici aumenteranno probabilmente il suo futuro successo economico e la sua stabilità.
Il trattamento dei fanghi in acquaponica deve essere affrontato in modo diverso rispetto a quanto fatto in passato. Infatti, nel trattamento delle acque reflue convenzionali, l’obiettivo principale è quello di ottenere un effluente decontaminato e pulito. Le prestazioni di trattamento sono espresse in termini di rimozione di contaminanti (ad es. solidi, azoto (N), fosforo (P), ecc.) dalle acque reflue e quantificando gli effluenti rispetto alla qualità raggiunta (Techobanoglous et al. 2014). Utilizzando questo approccio convenzionale, diversi studi hanno fornito prove quantitative che una proporzione consistente della domanda chimica di ossigeno (COD) e dei solidi totali sospesi (TSS) può essere rimossa digerendo le acque reflue RAS in condizioni aerobiche, anaerobiche e sequenziali (Goddek et al. 2018; Chowdhury et al. 2010; Mirzoyan et al. 2010; Van Rijn 2013). Tuttavia, nei sistemi acquaponici, le acque reflue dei pesci sono considerate una preziosa fonte di fertilizzanti. Nell’ambito di un approccio a circuito chiuso, la parte solida scaricata deve essere ridotta al minimo (cioè la riduzione organica massimizzata) e il contenuto di nutrienti negli effluenti deve essere massimizzato (cioè la mineralizzazione dei nutrienti massimizzata). Pertanto, le prestazioni di trattamento delle acque reflue in acquaponica non devono più essere espresse in termini di rimozione dei contaminanti, ma in termini di riduzione dei contaminanti e capacità di mineralizzazione dei nutrienti.
Alcuni studi hanno dimostrato la capacità funzionale di digerire i fanghi di pesce con trattamenti aerobici e anaerobici a fini di riduzione organica (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). Con il trattamento anaerobico nel bioreattore si possono ottenere elevate prestazioni di riduzione della sostanza secca (cioè TSS) (ad esempio superiore al 90%), mentre si può produrre metano (van Lier et al. 2008; Mirzoyan e Gross 2013; Yogev et al. 2016).
Il trattamento aerobico dei fanghi è anche un modo molto efficace per ridurre la materia organica, che viene ossidata a COsub2/sub durante la respirazione (vedere Eq. 10.1). Ad esempio, sono stati segnalati tassi di riduzione del 90% (qui determinati come solidi sospesi, COD e riduzione BOD) da un impianto di recupero delle risorse idriche (Seo et al. 2017). I processi aerobici sono più veloci di quelli anaerobici, ma possono essere più costosi (Chen et al. 1997) poiché un’aerazione costante della miscela fango-acqua richiede pompe o motori ad alta intensità energetica. Inoltre, frazioni significative dei nutrienti vengono convertite in biomassa microbica e non rimangono disciolte nell’acqua.
Sebbene questi studi abbiano dimostrato il potenziale di riduzione organica dei fanghi di pesce, solo pochi autori hanno esaminato il rilascio di sostanze nutritive specifiche (ad esempio per N e P) dai fanghi di pesce. La maggior parte di questi studi sono stati condotti per brevi esperimenti in vitro (Conroy e Couturier 2010; Monsees et al. 2017; Stewart et al. 2006) e da un RAS operativo (Yogev et al. 2016), piuttosto che da una configurazione acquaponica. Mentre discusso in una certa misura in teoria (Goddek et al. 2016; Yogev et al. 2017), la ricerca deve iniziare ora per studiare sistematicamente la riduzione organica e la mineralizzazione dei nutrienti dei fanghi di pesce sia per i reattori aerobici che anaerobici e i suoi effetti sulla composizione dell’acqua e sulle piante crescita. Pertanto, questo capitolo mira a fornire una panoramica sui diversi trattamenti dei fanghi di pesce che possono essere integrati nelle configurazioni acquaponiche per ottenere la riduzione organica e la mineralizzazione dei nutrienti. Saranno evidenziati alcuni approcci progettuali. Sarà discusso l’approccio del bilancio di massa dei nutrienti nel contesto del trattamento dei fanghi acquaponici e sarà sviluppata una metodologia specifica per quantificare le prestazioni di trattamento dei fanghi.