7.4 Unità di acquacoltura

Le vasche di allevamento (dimensioni, numeri e design) sono selezionate in base alla scala di produzione e alle specie ittiche in uso. Rakocy et al. (2006) utilizzavano quattro grandi vasche di pesca per la produzione commerciale di O. niloticus nel sistema acquaponico UVI (USA). Con la produzione di specie ittiche onnivore o piscivore, come C. gariepinus, si dovrebbero utilizzare diverse vasche a causa della selezione delle classi di taglia e della produzione sfalsata (Palm et al. 2016). Le vasche per pesci devono essere progettate in modo che i solidi che si depositano sul fondo delle vasche possano essere efficacemente rimossi attraverso un effluente sul fondo. Questa rimozione dei rifiuti solidi è la prima fase cruciale del trattamento delle acque nell’acquaponica accoppiata, come nel caso dell’acquacoltura e dell’acquaponica disaccoppiata. I rifiuti provengono da mangimi non consumati, feci di pesce, biomassa batterica e flocculanti prodotti durante la produzione dell’acquacoltura, aumentando il BOD e riducendo la qualità dell’acqua e la disponibilità di ossigeno sia per quanto riguarda l’acquacoltura che le unità idroponiche. In acquacoltura, i rifiuti solidi sono costituiti in larga misura da carbonio organico, che viene utilizzato dai batteri eterotrofici per produrre energia attraverso il consumo di ossigeno. Maggiore è la rimozione dei rifiuti solidi, migliori sono le prestazioni generali del sistema sia per i pesci che per le piante, cioè con livelli ottimali di ossigenazione e nessun accumulo di particelle nella rizosfera che inibiscono l’assorbimento dei nutrienti, e con vasche rotonde o ovali che si rivelano particolarmente efficienti (Knaus et al. 2015).

La produzione di pesce in acquaponica accoppiata nella FishglassHouse in Germania è stata testata su diverse scale per accertare l’efficacia dei costi. Questo è stato fatto in modo efficace come produzione estesa (max. 50 kg, 35 pesci msup-3/sup) o intensiva (max. 200 kg, 140 pesci msup-3/sup) di pesce gatto africano. La produzione semiintensiva (max. 100 kg, 70 pesci msup-3/sup) non può essere raccomandata a causa di un negativo rapporto costi/benefici. Nella modalità di produzione semi-intensiva, la manutenzione del sistema, la manodopera e l’input di mangimi erano tanto meno in fase di produzione intensiva, ma con una ridotta produzione di biomassa ittica e vegetale, e gli eventuali guadagni economici nell’unità di acquacoltura non sono stati ripagati (Palm et al. 2017). Ciò è dovuto alle elevate richieste biochimiche di ossigeno (BOD), all’elevata denitrificazione a causa della ridotta disponibilità di ossigeno, ai tassi di cambio dell’acqua relativamente elevati, alla mineralizzazione prevalentemente anaerobica con precipitazioni distinte, ai bassi livelli di P e K, nonché a bassi valori di pH con una resa molto inferiore rispetto ai pesci con le condizioni intensive. Al contrario, l’ampia produzione di pesce ha permesso una maggiore disponibilità di ossigeno con minori tassi di scambio dell’acqua e una migliore disponibilità di nutrienti per la crescita delle piante. Pertanto, alle condizioni di cui sopra, un’unità di produzione ittica RAS per l’acquaponica accoppiata funziona in condizioni di produzione di pesce estensiva o intensiva, ed è opportuno evitare condizioni intermedie.

7.4.1 Filtrazione

I chiarificatori, talvolta chiamati anche sedimentatori o separatori a spirale (vedi anche cap. 3, sono i dispositivi più utilizzati per la rimozione dei rifiuti solidi nell’acquaponica accoppiata (Rakocy et al. 2006; Nelson e Pade 2007; Danaher et al. 2013, Fig. 7.4). Le particelle più grandi devono essere rimosse dal sistema per evitare zone anossiche con effetti denitrificanti o lo sviluppo di Hsub2/subs. La maggior parte dei chiarificatori utilizza lamelle o inserti in piastre per facilitare la rimozione dei solidi. I fondi conici supportano la concentrazione dei fanghi nella parte inferiore durante il funzionamento e la pulizia, mentre i fondi piatti richiedono grandi quantità di acqua per sciacquare e rimuovere i fanghi. Durante il funzionamento, i solidi affondano sul fondo del chiarificatore per formare fanghi. A seconda dell’alimentazione e del tempo di ritenzione, questo fango può accumularsi fino a formare strati relativamente spessi. L’attività microbica all’interno degli strati di fango si sposta gradualmente verso condizioni anaerobiche, stimolando la denitrificazione microbica. Questo processo riduce i nitrati disponibili delle piante e dovrebbe essere evitato, soprattutto se l’acqua di processo deve essere utilizzata per la produzione di impianti idroponici. Di conseguenza, la denitrificazione può risultare controproducente nell’acquaponica accoppiata.

La densità dei rifiuti solidi rimossi dal chiarificatore è piuttosto bassa, rispetto ad altre tecnologie, la manutenzione richiede molto tempo e la pulizia del chiarificatore con acqua dolce è responsabile della principale perdita d’acqua dell’intero sistema. La quantità di acqua richiesta è influenzata dal suo design generale, dalla forma inferiore e dall’accessibilità dei deflettori in PVC all’acqua di lavaggio (Fig. 7.4a, b). L’aumento delle densità di stoccaggio dei pesci richiede maggiori quantità di scambio idrico (ogni giorno della settimana in condizioni intensive) per mantenere una qualità ottimale dell’acqua per la produzione ittica, il che può comportare la perdita di grandi quantità di acqua di processo, perdendo anche notevoli quantità di nutrienti necessari per le piante crescita. Inoltre, la sostituzione con acqua dolce introduce carbonati di calcio e magnesio che possono poi precipitare con fosfati. Pertanto, l’uso di tali chiarificatori azionati manualmente rende quasi impossibili previsioni sulla composizione dell’acqua di processo rispetto alla crescita ottimale delle piante (Palm et al. 2019). Sarebbe più efficace seguire l’esempio di Naegle (1977) di separazione dei fanghi aerobici e anaerobici e dello scarico gassoso di azoto con un sistema a doppio fango.

Fig. 7.4 Principio della filtrazione acquaponica con sedimentatore (a-b) e (c) filtro a disco (Pal-Aquakulur GmbH, Abtshagen, Germania) del pesce gatto africano commerciale (Clarias gariepinus) RAS nella FishglassHouse (Università di Rostock, Germania)

Una rimozione più efficace dei rifiuti solidi può essere ottenuta con filtri automatici a tamburo o a disco che forniscono barriere meccaniche che trattengono i solidi, che vengono poi rimossi attraverso il risciacquo. I nuovi sviluppi mirano a ridurre l’uso dell’acqua di risciacquo attraverso tecnologie di aspirazione, consentendo la concentrazione dei solidi totali nei fanghi fino al 18% (Dr. Günther Scheibe, Pal-aquakultur GmbH, Germania, comunicazione personale, Fig. 7.4c). Tale efficace rimozione dei rifiuti ha un’influenza positiva sulla composizione dei fanghi, migliorando il controllo delle acque reflue al fine di soddisfare meglio i requisiti orticoli. Un’altra opzione è l’applicazione di più chiarificatori (sedimentatori) o componenti per la rimozione dei fanghi in fila.

I biofiltri sono un’altra parte essenziale del RAS, poiché convertono l’azoto ammoniacale attraverso l’ossidazione microbica in nitrati (nitrificazione). Anche se le radici delle piante e il sistema stesso forniscono superfici per i batteri nitrificanti, la capacità di controllare la qualità dell’acqua è limitata. I sistemi che non dispongono di biofiltrazione sono limitati alle installazioni mini o hobby con bassi ingressi di alimentazione. Non appena la biomassa del pesce e l’alimentazione dei mangimi aumentano, è necessaria una capacità supplementare di biofiltro per mantenere un’adeguata qualità dell’acqua per la coltura ittica e fornire quantità sufficienti di nitrati per la crescita delle piante.

Per l’acquaponica domestica e su piccola scala, i mezzi vegetali (ghiaia o argilla espansa per esempio) possono essere sufficienti come biofiltri efficaci. Tuttavia, a causa dell’elevato potenziale di intasamento e quindi della necessità di regolare pulizia e manutenzione manuale, questi metodi non sono adatti per acquaponica commerciale su larga scala (Palm et al. 2018). Inoltre, Knaus e Palm (2017a) hanno dimostrato che l’uso di un semplice biofiltro in un bypass ha già aumentato di circa il 25% l’ingresso di alimentazione giornaliera in un sistema acquaponico con accoppiamento posteriore. I moderni biofiltri utilizzati in RAS intensivi sono efficaci nel fornire una sufficiente capacità di nitrificazione per la produzione di pesce e piante. A causa dell’aumento dei costi di investimento, tali componenti sono più applicabili nei sistemi acquaponici commerciali di medie e grandi dimensioni.

7.4.1.1 Idroponica in acquaponica accoppiata

Nell’acquaponica accoppiata, è possibile utilizzare una vasta gamma di sottosistemi idroponici (vedi anche [cap. 4](/community/articles/capitolo-4-tecnologie idroponiche)) a seconda della scala operativa (Palm et al. 2018). A meno che la manodopera non abbia un impatto significativo sul rendimento (o sul profitto) e il sistema non sia troppo grande, possono essere utilizzati contemporaneamente diversi sottosistemi idroponici. Questo è comune nelle acquaponiche domestiche e dimostrative che spesso utilizzano sistemi di substrati (sabbia, ghiaia, perlite, ecc.) in canali di riflusso e flusso, canali DWC (sistemi di coltura di acque profonde o zattera) e anche spesso canali di film nutriente fatti in casa (NFT). La maggior parte ad alta intensità di manodopera sono i letti di substrato (sabbia/ghiaia) nei canali di riflusso e di flusso, che possono ostruirsi a causa della deposizione di detriti e spesso devono essere lavati (Rakocy et al. 2006). A causa della manipolazione dei substrati, questi sistemi sono solitamente di dimensioni limitate. D’altro canto, i sottosistemi idroponici DWC richiedono meno manodopera e sono meno inclini alla manutenzione, consentendo loro di essere adottati per aree di impianto più ampie. Per questo motivo, i sottosistemi DWC si trovano principalmente nei sistemi domestici e semicommerciali, ma di solito non nei sistemi acquaponici su larga scala. Per una maggiore produzione acquaponica commerciale, la percentuale di manodopera e manutenzione nel sistema DWC è ancora considerata troppo elevata. Anche l’uso di risorse idriche e di energia per il pompaggio sono sfavorevoli per i sistemi su larga scala.

Se i sistemi acquaponici chiusi sono progettati per una produzione orientata al profitto, l’impiego della manodopera deve diminuire mentre la zona di produzione deve aumentare. Ciò è possibile solo semplificando la produzione ittica combinata con l’applicazione di sottosistemi idroponici di facile utilizzo. Attualmente la tecnica del film nutriente (NFT) può essere considerata il sistema idroponico più efficiente, combinando manodopera ridotta con grandi superfici vegetali e un buon rapporto tra acqua, energia e costi di investimento. Tuttavia, non tutte le piante acquaponiche crescono bene nei sistemi NFT e quindi è necessario trovare la giusta scelta di piante per ciascun sottosistema idroponico, che a sua volta è correlato con l’apporto di nutrienti di una specifica specie ittica integrata in uno specifico progetto di sottosistema idroponico. Per l’acquaponica accoppiata, il carico di particelle talvolta più elevato nell’acqua può essere problematico intasando gocciolamenti, tubi e valvole negli impianti NFT. Pertanto, i grandi sistemi aquaponici devono contenere una gestione professionale dell’acqua con un’efficace filtrazione meccanica per evitare blocchi di ricircolo. Quando la fornitura continua di acqua è assicurata attraverso i tubi, il sistema NFT può essere utilizzato in tutti i tipi di sistemi acquaponici accoppiati, ma è più consigliato per la produzione con sistemi piccoli/semi-commerciali e sistemi su larga scala (Palm et al. 2018).