3.1 Introduzione
I sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) descrivono sistemi intensivi di produzione ittica che utilizzano una serie di fasi di trattamento delle acque per depurare l’acqua di allevamento e facilitarne il riutilizzo. La RAS includerà generalmente (1) dispositivi per rimuovere le particelle solide dall’acqua che sono costituite da feci di pesce, mangimi non consumati e gregge batteriche (Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009), (2) biofiltri nitrificanti per ossidare l’ammoniaca escreta in nitrati dai pesci (Gutierrez-Wing e Malone 2006) e (3) di dispositivi di scambio di gas per rimuovere l’anidride carbonica disciolta espulsa dai pesci nonché l’aggiunta di ossigeno richiesto dai pesci e dai batteri nitrificanti (Colt and Watten 1988; Moran 2010; Summerfelt 2003; Wagner et al. 1995). Inoltre, RAS può anche utilizzare l’irradiazione UV per la disinfezione dell’acqua (Sharrer et al. 2005; Summerfelt et al. 2009), l’ozonizzazione e la scrematura proteica per i solidi fini e il controllo microbico (Atramadal et al. 2012a; Gonçalves e Gagnon 2011; Summerfelt e Hochheimer 1997) e sistemi di denitrificazione per rimuovere i nitrificazione (van Rijn et al. 2006).
La moderna tecnologia dell’acquacoltura a ricircolo si sta sviluppando da oltre 40 anni, ma le nuove tecnologie offrono sempre più modi per cambiare i paradigmi delle tradizionali RAS, compresi miglioramenti sui processi classici come la cattura dei solidi, la biofiltrazione e lo scambio di gas. La RAS ha inoltre registrato importanti sviluppi in termini di scala, capacità di produzione e accettazione del mercato, con sistemi sempre più grandi e robusti.
Questo capitolo illustra come la tecnologia RAS si sia sviluppata negli ultimi due decenni, da un periodo di consolidamento tecnologico a una nuova era di implementazione industriale.
3.1.1 Storia della RAS
La prima ricerca scientifica sulla RAS condotta in Giappone negli anni ‘50 si è concentrata sulla progettazione di biofiltri per la produzione di carpe, guidata dalla necessità di utilizzare risorse idriche localmente limitate (Murray et al. 2014). In Europa e negli Stati Uniti, gli scienziati hanno cercato allo stesso modo di adattare le tecnologie sviluppate per il trattamento delle acque reflue domestiche al fine di riutilizzare meglio l’acqua all’interno dei sistemi di ricircolo (ad esempio processi di fanghi attivi per il trattamento delle acque reflue, depurazione, biofiltri sommersi e downflow e diversi tipi di sistemi di filtrazione). Questi primi sforzi hanno riguardato principalmente i sistemi marini per la produzione di pesce e crostacei, ma sono stati presto adottati nelle regioni aride dove il settore agricolo è limitato dall’approvvigionamento idrico. In acquacoltura sono state progettate diverse soluzioni per massimizzare l’uso dell’acqua, compresi i sistemi di ricircolo altamente intensivo che incorporano sistemi di filtrazione dell’acqua come filtri a tamburo, filtri biologici, schiumatori proteici e sistemi di iniezione di ossigeno (Hulata e Simon 2011). Nonostante la forte convinzione da parte dei pionieri del settore circa la redditività commerciale del loro lavoro, la maggior parte dei primi studi si è concentrata esclusivamente sull’ossidazione dei rifiuti tossici di azoto inorganico derivati dal metabolismo delle proteine. La fiducia nella tecnologia è stata rafforzata dal buon funzionamento degli acquari pubblici e domestici, che generalmente dispongono di unità di trattamento di dimensioni eccessive per garantire acqua cristallina. Inoltre, le densità di stoccaggio estremamente basse e gli input di mangimi associati hanno fatto sì che tale ingegnerizzazione fornisse ancora un contributo relativamente modesto ai costi di capitale e di esercizio del sistema rispetto alla RAS intensiva. Di conseguenza, i cambiamenti nelle dinamiche di processo associati al cambiamento di scala non sono stati rilevati, con conseguente sottodimensionamento delle unità di trattamento RAS al fine di ridurre al minimo i costi di capitale. Di conseguenza, i margini di sicurezza erano troppo ristretti o inesistenti (Murray et al. 2014). Poiché molti scienziati pionieristici avevano background biologici piuttosto che ingegneristici, i miglioramenti tecnici sono stati anche limitati da errori di comunicazione tra scienziati, progettisti, personale edile e operatori. Lo sviluppo di una terminologia standardizzata, delle unità di misura e dei formati di rendicontazione nel 1980 (EIFAC/CIEM 1980) ha contribuito ad affrontare la situazione, anche se le differenze regionali persistono ancora. Solo a metà degli anni ‘80 i parametri ciclici della qualità dell’acqua sono diventati importanti nella produzione di stagni, ad esempio misurando periodicamente le concentrazioni di pH, ossigeno, TAN (azoto ammoniacale totale), NO2 (nitrato), BOD (domanda biochimica di ossigeno) e COD (domanda chimica di ossigeno).
Nell’ultima parte del secolo scorso sono stati pubblicati numerosi articoli sullo sviluppo precoce della RAS. Rosenthal (1980) ha elaborato lo stato dei sistemi di ricircolo nell’Europa occidentale, mentre Bovendeur et al. (1987) ha sviluppato un sistema di ricircolo dell’acqua per la cultura del pesce gatto africano in relazione alla cinetica di produzione e rimozione dei rifiuti (è stato presentato un progetto per un sistema di trattamento delle acque costituito da un chiarificatore primario e un reattore aerobico a film fisso che ha dimostrato risultati soddisfacenti per la coltura ad alta densità del pesce gatto africano). Questo lavoro è stato parte del rapido sviluppo dei sistemi di coltura ittica fino alla metà degli anni ‘90 nell’Europa settentrionale e occidentale (Rosenthal e Black 1993), nonché in Nord America (Colt 1991). Nuove classificazioni, come la classificazione in base al modo in cui l’acqua scorre attraverso un sistema di acquacoltura, hanno fornito informazioni chiave sui processi di qualità dell’acqua importanti per la produzione ittica (Krom e van Rijn 1989). Nel successivo lavoro di van Rijn (1996), sono stati introdotti concetti incentrati sui processi biologici alla base dei sistemi di trattamento. Le conclusioni di questo lavoro sono state che l’introduzione di metodi per ridurre l’accumulo di fanghi e nitrati ha portato a condizioni di qualità dell’acqua più stabili all’interno delle unità di coltura. Durante questo periodo, la produzione di RAS è aumentata significativamente in termini di volume e diversità delle specie (Rosenthal 1980; Verreth ed Eing 1993; Martins et al. 2005). Oggi, più di 10 specie sono prodotte in RAS (pesce gatto africano, anguilla e trota come principali specie d’acqua dolce e rombo, fondali e sogliola come principali specie marine) (Martins et al 2010b), con RAS che diventa anche un elemento cruciale nella produzione di larve e novellame di diverse specie.
Mentre le rese massime sostenibili di molte specie di stock acquatici selvatici sono state o saranno presto raggiunte e molte specie sono già sovrasfruttate, la RAS è considerata una tecnologia chiave che aiuterà il settore dell’acquacoltura a soddisfare le esigenze delle specie acquatiche nei prossimi decenni (Ebeling e Timmons 2012).
3.1.2 Una breve storia dell’acquaponica nel contesto della RAS
Fig. 3.1 Chinampas (giardini galleggianti) in America Centrale — costruzione di isole artificiali come antecedente della tecnologia acquaponica. (Da Marzolino/ Shutterstock.com)
Aquaponica è un termine che è stato «coniato» negli anni ‘70, ma in pratica ha radici antiche, anche se ci sono ancora discussioni sulla sua prima apparizione. Gli Aztechi coltivavano isole agricole conosciute come chinampas (le prime 1150—1350CE), in un sistema considerato da alcuni come la prima forma di acquaponica per uso agricolo (Fig. 3.1). In tali sistemi, le piante sono state allevate su isole stabili, o talvolta mobili e galleggianti poste in acque lacustre dove fango ricco di nutrienti poteva essere dragato dai canali di Chinampa e posto sulle isole per sostenere la crescita delle piante (Crossley 2004).
Un esempio ancora precedente di acquaponica è iniziato dall’altra parte del mondo nel sud della Cina e si ritiene che si sia diffuso nel sud-est asiatico, dove i coloni cinesi provenienti dallo Yunnan si sono insediati intorno al 5 CE. Gli agricoltori coltivavano e coltivavano riso nelle risaie in combinazione con il pesce (FAO 2001). Questi sistemi di agricoltura policturale esistevano in molti paesi dell’Estremo Oriente per allevare pesci come il loach orientale (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), l’anguilla palude (fam. Synbranchidae), carpa comune (Cyprinus carpio) e carassio (Carassius carassius) (FAO 2004). In sostanza, tuttavia, questi non erano sistemi acquaponici, ma possono essere meglio descritti come primi esempi di sistemi integrati di acquacoltura (Gomez 2011). Nel ventesimo secolo, i primi tentativi di creare sistemi di produzione ittica pratici, efficienti ed integrati insieme alle verdure sono stati realizzati negli anni ‘70 con il lavoro di Lewis e Naegel (Lewis e Wehr 1976; Naegel 1977; Lewis et al. 1978). Altri primi sistemi sono stati progettati da Waten e Busch nel 1984 e Rakocy nel 1989 (Palm et al. 2018).