8.1 Introduzione

Come discusso in Chaps. 5 e 7, i sistemi di acquaponica a ciclo singolo sono ben studiati, ma tali sistemi hanno un’efficienza complessiva non ottimale (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). Poiché l’acquaponica raggiunge la produzione a livello industriale, si è posto l’accento sull’aumento della redditività economica di tali sistemi. Una delle migliori opportunità per ottimizzare la produzione in termini di resa del raccolto può essere ottenuta sganciando i componenti all’interno di un sistema acquaponico per garantire condizioni di crescita ottimali sia per i pesci che per le piante. I sistemi disaccoppiati differiscono dai sistemi accoppiati in quanto separano gli anelli idrici e nutritivi dell’unità di acquacoltura e idroponica l’uno dall’altro e forniscono quindi un controllo della chimica dell’acqua in entrambi i sistemi. La Figura 8.1 fornisce una panoramica schematica di un sistema accoppiato tradizionale (A), di un sistema a due loop disaccoppiato (B) e di un sistema multi-loop disaccoppiato (C). Tuttavia, si discute considerevolmente se i sistemi acquaponici disaccoppiati siano economicamente vantaggiosi rispetto ai sistemi più tradizionali, dato che richiedono più infrastrutture. Per rispondere a questa domanda, è necessario prendere in considerazione diversi progetti di sistema al fine di identificare i loro punti di forza e di debolezza.

Il concetto di sistema acquaponico accoppiato a un anello, come illustrato nella figura 8.1a, può essere considerato come la base tradizionale di tutti i sistemi acquaponici in cui l’acqua ricircola liberamente tra le unità di acquacoltura e idroponica, mentre i fanghi di nutrienti vengono scaricati. Uno degli svantaggi principali di tali sistemi è che è necessario effettuare compromessi nelle condizioni di allevamento di entrambi i sottosistemi in termini di pH, temperatura e concentrazioni di nutrienti (tabella 8.1).

Fig. 8.1 L’evoluzione dei sistemi acquaponici. a) presenta un sistema acquaponico tradizionale a ciclo unico, b) un semplice sistema acquaponico disaccoppiato e c) un sistema acquaponico multianello disaccoppiato. Il carattere blu sta per ingresso, uscita e flussi d’acqua e il rosso per i prodotti di scarto

Al contrario, i sistemi acquaponici disaccoppiati o a due anelli separano le unità di acquacoltura e acquaponica l’una dall’altra (figura 8.1b). Qui, il dimensionamento dell’unità idroponica è un aspetto critico, perché idealmente ha bisogno di assimilare i nutrienti forniti dall’unità ittica direttamente o tramite mineralizzazione dei fanghi (ad esempio estraendo nutrienti dai fanghi e fornendoli alle piante in forma solubile). Infatti, sia le dimensioni della superficie vegetale che le condizioni ambientali (ad esempio superficie, indice di superficie fogliare, umidità relativa, radiazione solare, ecc.) determinano la quantità di acqua che può essere evapotrasportata e sono i principali fattori che determinano il tasso di sostituzione dell’acqua RAS. L’acqua inviata dal RAS all’unità idroponica viene quindi sostituita da acqua pulita che riduce le concentrazioni di nutrienti e migliora quindi la qualità dell’acqua (Monsees et al. 2017a, b). La quantità di acqua che può essere sostituita dipende dal tasso di evapotraspirazione delle piante che è controllata da radiazione netta, temperatura, velocità del vento, umidità relativa e specie di coltura. In particolare, c’è una dipendenza stagionale, con più acqua evaporata nelle stagioni più calde e soleggiate, che è anche quando i tassi di crescita delle piante sono più alti. Questo approccio è stato suggerito da Goddek et al. (2015) e Kloas et al. (2015) come approccio per migliorare la progettazione di sistemi one-loop e utilizzare meglio la capacità per garantire prestazioni ottimali di crescita delle piante. Il concetto è stato adottato, tra l’altro, da ECF a Berlino (Germania) e dall’ormai fallito Urbanfarmers a L’Aia (Paesi Bassi).

Nonostante i potenziali benefici, gli esperimenti iniziali con un design a ciclo singolo disaccoppiato hanno incontrato gravi inconvenienti. Ciò è dovuto alle elevate quantità di nutrienti aggiuntivi che erano necessari per essere aggiunti al ciclo idroponico dato che l’acqua di processo che scorre dal RAS al ciclo idroponico è puramente dipendente dall’evapotraspirazione (Goddek et al. 2016; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016). I nutrienti tendevano anche ad accumularsi nei sistemi RAS quando i tassi di evapotraspirazione erano più bassi e potevano raggiungere livelli critici, richiedendo quindi un sanguinamento periodico dall’acqua (Goddek 2017).

Il superamento di questi inconvenienti ha richiesto l’implementazione di loop aggiuntivi per ridurre la quantità di rifiuti prodotti nel sistema (Goddek e Körner 2019). Tali sistemi multi-loop sono delineati nella Fig. 8.1c e migliorano l’approccio a due loop (8.1b) con due unità che saranno esplorate più da vicino nei prossimi due sottocapitoli e Chaps. [10](/comunità/articoli/capitolo-10-trattamenti aerobici-e-anaerobici-per-acquaponico-fango-riduzione e mineralizzazione) e 11 :

1. Efficiente mineralizzazione e mobilitazione dei nutrienti, utilizzando un sistema di reattori anaerobici a due stadi per ridurre lo scarico di sostanze nutritive dal sistema attraverso i fanghi di pesce

2. Tecnologia di distillazione/desalinizzazione termica per concentrare la soluzione nutritiva nell’unità idroponica al fine di ridurre la necessità di ulteriori fertilizzanti

Tali approcci sono stati in parte implementati da vari produttori di acquaponica come la società spagnolo NerBreen (Fig. 8.1) (Goddek e Keesman 2018) e Kikaboni AgriVentures Ltd. a Nairobi, Kenya, (van Gorcum et al. 2019) (Fig. 8.2).

Fig. 8.2 Immagini del sistema multi-loop esistente in (1) Spagna (NerBreen) e (2) Kenya (Kikaboni AgriVentures Ltd.). Mentre il sistema NerBreen si trova in un ambiente controllato, il sistema Kikaboni utilizza un sistema a tunnel semi-aperto

In termini di vantaggi economici (Goddek e Körner 2019; Delaide et al. 2016), l’ottimizzazione delle condizioni di crescita in ciascun ciclo di sistemi acquaponici disaccoppiati presenta vantaggi intrinseci sia per le piante che per i pesci (Karimanzira et al. 2016; Kloas et al. 2015) riducendo lo scarico dei rifiuti e migliorando recupero e fornitura di nutrienti (Goddek e Keesman 2018; Karimanzira et al. 2017; Yogev et al. 2016). Nel loro lavoro, Delaide et al. (2016), Goddek e Vermeulen (2018), e Woodcock (pers. Comm.) mostrano che i sistemi acquaponica disaccoppiati raggiungono prestazioni di crescita migliori rispetto ai rispettivi gruppi di controllo acquaponica e idroponica a ciclo unico. Nonostante ciò, ci sono vari problemi che ancora devono essere risolti, tra cui problemi tecnici come la scalabilità del sistema, l’ottimizzazione dei parametri e le scelte ingegneristiche per le tecnologie serra per diversi scenari regionali. Nel resto di questo capitolo, ci concentreremo su alcuni degli sviluppi attuali per fornire una panoramica delle sfide in corso e promettenti sviluppi sul campo.