10.3 Trattamenti Aerobici
Il trattamento aerobico migliora l’ossidazione dei fanghi sostenendone il contatto con l’ossigeno. In questo caso, l’ossidazione della materia organica è guidata principalmente dalla respirazione di microrganismi eterotrofici. COSub2/sub, il prodotto finale della respirazione, viene rilasciato come mostrato in Eq. (10.1).
$C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +energia$ (10.1)
Questo processo nei reattori aerobici si ottiene principalmente iniettando aria nella miscela fango-acqua con soffianti collegati a diffusori ed eliche. L’iniezione d’aria garantisce anche una corretta miscelazione dei fanghi.
Durante questo processo ossidativo vengono rilasciati i macro e i micronutrienti legati alla materia organica. Questo processo è chiamato mineralizzazione aerobica. Pertanto, ulteriori nutrienti possono essere riciclati durante il processo di mineralizzazione, mentre alcuni nutrienti, ad esempio sodio e cloruro, possono anche superare la soglia per l’applicazione idroponica e devono essere monitorati attentamente prima dell’applicazione (Rakocy et al. 2007). La mineralizzazione aerobica della materia organica, derivata dall’unità di rimozione del solido (ad esempio chiarificatore o filtro a tamburo) in RAS, è un modo semplice per riciclare i nutrienti per la successiva applicazione acquaponica.
Inoltre, durante il processo di digestione aerobica, il pH diminuisce e favorisce la mineralizzazione dei minerali legati intrappolati nei fanghi. Ad esempio, Monsees et al. (2017) hanno dimostrato che P è stato rilasciato dai fanghi RAS a causa di questo cambiamento di pH. Questa diminuzione del pH è dovuta principalmente alla respirazione e, in misura minore, probabilmente, alla nitrificazione.
Grazie al costante apporto di ossigeno attraverso l’aerazione della camera di mineralizzazione e all’abbondanza di materia organica, i microrganismi eterotrofici trovano le condizioni ideali per crescere. Ciò si traduce in un aumento della respirazione e il rilascio di COsub2/sub che si dissolve in acqua. COSub2/sub forma acido carbonico che dissocia e quindi abbassa il pH dell’acqua di processo, come illustrato nella seguente equazione:
$CO_ {2 (g)} +2\ H_2O\ rarr H_3O^++ {HCO_3} ^-$ (10.2)
Le acque reflue derivate dalla RAS spesso contengono NHSub4/SubSUP+/SUP ed inoltre sono caratterizzate da un pH neutro di circa 7, poiché il pH in RAS deve essere mantenuto a tale livello per garantire la conversione microbica ottimale di NHSub4/subSUP+/SUP in NoSub3/sub all’interno del biofiltro (cioè nitrificazione). Il processo di nitrificazione può contribuire alla diminuzione del pH nei reattori aerobici nella fase iniziale rilasciando protoni nell’acqua di processo, come si può vedere nella seguente equazione:
$ {NH_4} ^+ + 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ h^+H_2O+Energia$ (10.3)
Questo vale almeno per la fase iniziale in cui il pH è ancora superiore a 6. Con un pH ≤ 6, la nitrificazione potrebbe rallentare o addirittura cessare in modo significativo (Ebeling et al. 2006). Tuttavia, ciò non rappresenta un problema per l’unità di mineralizzazione.
La diminuzione generale del pH nell’unità di mineralizzazione aerobica nel processo in corso è il principale motore del rilascio di sostanze nutritive presenti sotto forma di minerali precipitati come fosfati di calcio. Monsees et al. (2017) hanno osservato che circa il 50% del fosfato nei fanghi era solubile in acido, derivato da un RAS Tilapia in cui è stato applicato un mangime standard contenente farina di pesce. Qui, circa l'80% del fosfato all’interno della RAS è stato perso dalla pulizia del decanter e dallo scartamento della miscela fango-acqua. Considerando questo fatto, il grande potenziale delle unità di mineralizzazione per applicazioni acquaponiche diventa chiaro.
I vantaggi della mineralizzazione aerobica sono la bassa manutenzione, senza bisogno di personale qualificato e nessuna successiva riossigenazione. L’acqua arricchita può essere utilizzata direttamente per la concimazione delle piante, gestita idealmente da un sistema online per l’adeguata preparazione della soluzione nutritiva. Uno svantaggio rispetto alla mineralizzazione anaerobica è che non viene prodotto metano (Chen et al. 1997) e, come già detto, il maggiore fabbisogno energetico dovuto alla necessità di un’aerazione costante.
10.3.1 Unità di mineralizzazione aerobica
Fig. 10.2 Esempio schematico di un’unità di mineralizzazione aerobica operata in modalità batch. La camera di mineralizzazione (marrone) è separata dalla camera di uscita (blu) da una piastra di setaccio coperta da una piastra di copertura solida durante il processo di mineralizzazione (forte aerazione) per evitare l’intasamento e la formazione di particelle fini. L’acqua ricca di sostanze organiche proveniente da un chiarificatore o da un filtro a tamburo entra nell’unità di mineralizzazione attraverso l’ingresso. Al termine di un ciclo di mineralizzazione, l’acqua ricca di nutrienti e priva di solidi esce dall’unità di mineralizzazione attraverso l’uscita e viene trasferita direttamente all’unità idroponica o conservata in un serbatoio di stoccaggio fino a quando necessario
Un esempio di progettazione di un’unità di mineralizzazione aerobica è presentato in Fig. 10.2. L’ingresso è collegato all’unità di rimozione del solido tramite una valvola, che consente il riempimento discontinuo della camera di mineralizzazione con una miscela di fango e acqua. La camera di mineralizzazione viene aerata tramite aria compressa per favorire la respirazione di batteri eterotrofi e mantenere i processi di denitrificazione anaerobica il più possibile minimi. Per evitare che il materiale organico esca dalla camera di mineralizzazione, una piastra di setaccio potrebbe fungere da barriera. Idealmente, una seconda piastra di copertura impermeabile dovrebbe essere utilizzata per coprire il setaccio durante il processo di mineralizzazione (durante l’aerazione). Ciò dovrebbe impedire l’intasamento della piastra del setaccio poiché durante l’aerazione pesante il materiale organico sarebbe costantemente spostato contro la piastra del setaccio. Prima di trasferire l’acqua ricca di nutrienti dalla camera di mineralizzazione all’unità idroponica, l’aerazione viene interrotta per consentire alle particelle di depositarsi. Successivamente, la piastra di copertura viene rimossa e l’acqua arricchita con sostanze nutritive può passare attraverso la piastra di setaccio e lasciare la camera di mineralizzazione attraverso l’uscita, come suggerito nella Fig. 10.2. Infine, la piastra di copertura viene rimessa in opera, la camera di mineralizzazione viene riempita con una miscela di acqua e fanghi derivati dalla RAS e il processo di mineralizzazione ricomincia (cioè processo batch).
L’unità di mineralizzazione deve avere almeno il doppio del volume del chiarificatore per consentire una mineralizzazione continua. Un ciclo di mineralizzazione può durare fino a 5—30 giorni a seconda del sistema, del carico organico e del profilo nutritivo richiesto e deve essere elaborato per ogni singolo sistema. Per i sistemi che includono un filtro a tamburo, come avviene nella maggior parte dei sistemi RAS moderni, la dimensione dell’unità di mineralizzazione deve essere regolata in base al deflusso giornaliero o settimanale dei fanghi del filtro a tamburo. Poiché finora non è stato testato in una configurazione sperimentale, non sono attualmente possibili raccomandazioni specifiche.
10.3.2 Implementazione
Un esempio dell’implementazione di un’unità di mineralizzazione aerobica in un sistema acquaponico disaccoppiato è presentato nella figura 10.3. Poiché non è necessario pre- e post-trattamento (ad es. ri-ossigenazione), l’unità di mineralizzazione può essere posizionata direttamente tra l’unità di rimozione del solido e i letti idroponici. Installando una valvola prima e dopo l’unità di mineralizzazione, è possibile un funzionamento discontinuo e l’erogazione di nutrienti all’unità idroponica su richiesta, ma in molti casi sarebbe necessario un ulteriore serbatoio di stoccaggio. Idealmente, dopo aver diretto l’acqua ricca di nutrienti verso l’unità idroponica, l’acqua spostata viene sostituita con nuovi fanghi e acqua dall’unità di rimozione del solido. A seconda del volume dell’unità di mineralizzazione, è importante notare che il riempimento con nuova miscela fango-acqua può portare a un aumento del pH e quindi il processo di mineralizzazione potrebbe essere interrotto. Aumentando le dimensioni dell’unità di mineralizzazione, questo effetto verrebbe tamponato. Nello studio di Rakocy et al. (2007) che studia i rifiuti organici liquidi provenienti da due sistemi di acquacoltura, un tempo di ritenzione di 29 giorni per la mineralizzazione aerobica ha portato ad un notevole successo di mineralizzazione. Tuttavia, ciò dipende anche dal tenore di TS all’interno della camera di mineralizzazione, dal mangime applicato al RAS, dalla temperatura e dal fabbisogno nutritivo delle piante prodotte all’interno dell’unità idroponica.
Fig. 10.3 Immagine schematica di un sistema acquaponico disaccoppiato comprendente un’unità di mineralizzazione aerobica. L’acqua può essere trasferita nel serbatoio dei nutrienti dal circuito RAS o direttamente dall’unità di mineralizzazione