8.2 Ciclo di mineralizzazione
In RAS, i fanghi solidi e ricchi di nutrienti devono essere rimossi dal sistema per mantenere la qualità dell’acqua. Aggiungendo un ulteriore ciclo di riciclaggio dei fanghi, gli accumuli di rifiuti RAS possono essere convertiti in nutrienti disciolti per il riutilizzo da parte delle piante piuttosto che scartati (Emerenciano et al. 2017). All’interno dei bioreattori, i microrganismi possono abbattere questi fanghi in nutrienti biodisponibili, che possono essere successivamente consegnati alle piante (Delaide et al. 2018; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2017a, b). Molti sistemi acquaponici a ciclo unico includono già digestori aerobici (Rakocy et al. 2004) e anaerobici (Yogev et al. 2016) per trasformare i nutrienti intrappolati nei fanghi dei pesci e renderli biodisponibili per le piante. Tuttavia, l’integrazione di un tale sistema in un sistema acquaponico accoppiato a un ciclo presenta diversi svantaggi:
Il fattore di diluizione per gli effluenti ricchi di nutrienti è molto più elevato quando li scarichi in un sistema a ciclo singolo rispetto allo scarico solo nell’unità idroponica. Effettivamente, nutrienti diluiti entrando in contatto con grandi volumi di acqua di allevamento di pesci.
I pesci sono inutilmente esposti agli effluenti del reattore di mineralizzazione; ad esempio, gli effluenti dei reattori anaerobici possono includere acidi grassi volatili (VFA) e ammoniaca che potrebbero danneggiare i pesci; tali reattori rappresentano anche una fonte aggiuntiva per la potenziale introduzione di agenti patogeni.
Circa il 90% dei nutrienti intrappolati nei fanghi può essere recuperato quando RassLudge viene mantenuto a un pH di 4 (Jung e Lovitt 2011). Un pH così basso non è possibile quando si utilizzano bioreattori con un pH intorno a 7 (Goddek et al. 2018), che è il solito valore di pH compromesso all’interno dei sistemi acquaponici a un anello.
Fig. 8.3 PH approssimativo dell’acqua all’interno dei diversi componenti del sistema e dell’acqua di processo. Il ‘~’ indicava un’approssimazione
Per quanto riguarda il pH, la fig. 8.3 mostra i valori di pH approssimativi dei rispettivi flussi d’acqua di processo in un sistema acquaponico multi-loop (ad esempio, come illustrato nella figura 8.1c). La figura 8.3 mostra inoltre l’impatto dei reattori di mineralizzazione sulle prestazioni del sistema nel suo complesso, sulla base dei reattori anaerobici proposti da Goddek et al. (2018). Tale sistema rappresenta una sola soluzione possibile per il trattamento dei fanghi, con approcci alternativi discussi nel capitolo [10](/comunità/articoli/capitolo-10-trattamenti aerobici-e-anaerobici-for-aquaponici-riduzione e mineralizzazione dei fanghi). La diminuzione del pH dell’acqua di processo che scorre dal sottosistema RAS nel circuito idroponico, come mostrato nella figura 8.3, dimostra l’acidificazione nel circuito di concentrazione dei nutrienti (cioè l’acqua demineralizzata ha un pH di 7). Pertanto, l’effluente ha un pH inferiore rispetto all’uscita RAS, che riduce la necessità di regolare il pH per condizioni ottimali di crescita delle piante.
Tabella 8.1 Panoramica delle condizioni ottimali di crescita per pesci e piante e delle condizioni operative preferenziali per il trattamento di riciclaggio dei nutrienti dei fanghi
tavolo testata tr class = header» THSottosistema/Th Thspecies/ funzione/th THPH/Th Temperatura (˚C) /th Thnitrate (NoSub3/sub) (mg/L) /th /tr /testata tbody tr class=“dispari» td ROWSPAN=“2"Sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) /td tdioreochromis niloticus/i (tilapia del Nilo) /td td7—9 (Ross 2000) /td td27—30 (El-Sayed 2006) /td td<100—200 (Dalsgaard et al. 2013) /td /tr tr class=“even» TDionCorhynchus mykiss/i (trota iridea) /td td6.5—8.5 (FAO 2005) /td td15 (Coghlan e Ringler 2005) /td td<40 (Davidson et al. 2011; Schrader et al. 2013) /td /tr tr class=“dispari» td rowspan=“2"Idroponics/TD tdilActuca sativa/i (lattuga) /td td5.5—6.5 (Resh 2012) /td td21—25 (Resh 2012) /td td730 (Resh 2012) /td /tr tr class=“even» TDlycopersicon esculentum (pomodoro) /td td6.3—6.5 (Resh 2002) /td td18—24 (Resh 2002) /td td666 (Sonneveld e Voogt 2009) /td /tr tr class=“dispari» td Rowspan=“2"reattore anaerobico TDmetanogenesi/TD td6.8—7-4 (de Lemos Chernicharo 2007) /td td30—35 (Alvarez e Lidén 2008; de Lemos Chernicharo 2007) /td td—/td /tr tr class=“even» Mobilitazione TDSludge td4.0 (Jung e Lovitt 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /tavolo Il sistema di reattori a due stadi funziona come segue:
Nella prima fase (pH intorno a 7 per fornire condizioni ottimali per la metanogenesi; Tabella 8.1), la materia organica viene scomposta per sostenere un elevato grado di produzione di metano (cioè la rimozione del carbonio). Mirzoyan e Gross (2013) hanno riferito una riduzione totale dei solidi sospesi di circa il 90%, utilizzando la tecnologia del reattore a cielo aperto a fanghi anaerobici. Ciò ha il vantaggio che (1) il biogas viene raccolto come fonte di energia rinnovabile e (2) meno VFA sono prodotti nella seconda fase. Il tempo di ritenzione dei fanghi nella prima fase dovrebbe essere di diversi mesi, prima di rimuovere i nutrienti accumulati nei fanghi (ad es. aggregazione di fosfati di calcio) entro la seconda fase.
Nella seconda fase, i nutrienti nei solidi sospesi vengono mobilitati in modo efficace e diventano disponibili per l’assorbimento delle piante. Questa mobilitazione è la più efficace in un ambiente a basso pH (Goddek et al. 2018; Jung e Lovitt 2011). Una volta diminuito il pH dei reattori acidi, di solito rimane stabile; quindi è necessaria una minore regolazione del pH nell’unità idroponica.
Gli effluenti ricchi di sostanze nutritive possono richiedere qualche post-trattamento a seconda della quantità di solidi sospesi totali misurati e VFA. Tuttavia, è importante tenere presente che l’ammoniaca può stimolare la crescita delle piante, ad esempio verdi a foglia verde, quando rappresenta il 5 -25% della concentrazione totale di azoto (Jones 2005). Tuttavia, le verdure a base di frutta come pomodori o peperoni dolci sono particolarmente sensibili all’ammoniaca nella soluzione nutritiva. Un trattamento aerobico post-effluente o una coppa idroponica ben aerata sarebbe necessario nei sistemi che coltivano questi tipi di colture.
8.2.1 Determinazione dei flussi di acqua e nutrienti
Per il dimensionamento del sistema (Sez. 8.4), la quantità di acqua che scorre dal sistema RAS attraverso il reattore (i) all’unità idroponica (QSubmin/sub) deve essere nota (Eq. 8.1):
$Q_ {MIN} (kg/giorno) =\ frac {n_ {feed}\ volte k_ {fanghi}} {\ pi_ {fanghi}} $ (8.1)
dove nsubfeed/sub è la quantità di mangime per pesci in kg, ksubsludge/sub è il coefficiente proporzionale di mangime per pesci che finisce come fanghi e πsubfango/sub è la proporzione di solidi totali (ossia fanghi) nel flusso di acqua fanghi che entra nel circuito di mineralizzazione.
La concentrazione dei fanghi può essere aumentata aggiungendo un dispositivo di separazione per gravità prima dei bioreattori, che riporta il surnatante «chiaro» verso il sistema RAS. Questa formula può anche essere utilizzata per ottenere un input per dimensionare il reattore in base al tempo di ritenzione idraulica ([cap. 10](./10-trattamenti aerobici-e-anaerobici-for-aquaponico-fango-riduzione e mineralizzazione.md)). Tra il 20 e il 40% del mangime per pesci finisce come solidi sospesi totali nei fanghi derivati dalla RAS (Timmons ed Ebeling 2013). Ad esempio, è stato riscontrato che i fanghi di tilapia contengono circa il 55% dei nutrienti che sono stati aggiunti al sistema tramite mangimi (Neto e Ostrensky 2013; Yavuzcan Yildiz et al. 2017), che rappresenta una risorsa preziosa per la crescita delle colture.
I principali nutrienti che possono essere recuperati attraverso un processo di mineralizzazione sono N e P. Poiché P (uno dei principali componenti dei fanghi) è il macronutriente più prezioso in termini di costo e disponibilità per la produzione delle colture, dovrebbe essere il primo elemento ad essere ottimizzato nel sistema acquaponico.
Il tasso di mineralizzazione del ciclo di mineralizzazione è calcolato come segue:
$Mineralizzazione (g/giorno) = (n_ {feed}\ volte 1000) π_ {feed}\ volte π_ {fanghi}\ volte η_ {min} $ (8.2)
dove _n_subfeed/sub è l’alimentazione del sistema (in kg); _π_subfeed/subis la proporzione del nutriente nella formulazione del mangime; _π_subsludge/subè la proporzione di uno specifico elemento derivato dal mangime che termina nel fango; e ηsubmin/subis l’efficienza di mineralizzazione e mobilitazione del sistema reattore .
L’ultimo passo consisterebbe nel determinare la concentrazione del rispettivo elemento nell’effluente del ciclo di mineralizzazione:
$Nutriente\ concentrazione\ (mg/L) =\ frac {Mineralizzazione\ volte 1000} {Q_ {MIN}} $ (8.3)
Esempio 8.1
Il nostro sistema RAS viene alimentato con 10 kg di mangime per pesci al giorno. Supponiamo che il 25% dei mangimi alimentati finisca come fanghi. Nel nostro sistema, utilizziamo un colatore di flusso radiale (RFS) per concentrare i fanghi all'1% di sostanza secca. Di conseguenza, il flusso dal RAS a HP attraverso il ciclo di mineralizzazione è calcolato come segue:
$Q_ {MIN}\ (kg/giorno) =\ frac {10kg\ volte\ 0.25} {0.01} =250\ circa 250kg/giorno $
Decidiamo di dimensionare il nostro sistema su P. Il contenuto P del nostro mangime (nella maggior parte dei casi fornito dal produttore di mangimi) è dell'1,5% e il 55% di esso finisce nei fanghi (Neto e Ostrensky 2013). Supponiamo che i nostri reattori raggiungano un’efficienza di mineralizzazione del 90% per questo elemento. Pertanto, i grammi di P trasferiti all’unità idroponica ogni giorno possono essere determinati:
$Mineralizzazione\ (g/giorno) = (10kg\ volte 1000)\ volte 0,55\ volte 0,015\ volte 0,9 = 74,25$
La concentrazione dell’effluente in conseguenza:
$Nutriente\ concentrazione\ (mg/L) =\ frac {74,25g\ volte 1000} {250L} =297\ mg/L $
Questa concentrazione di P nell’effluente nella casella di esempio sopra è circa sei volte superiore rispetto alla maggior parte delle soluzioni nutritive idroponiche. La ricerca di Goddek et al. (2018) è alla base di questo numero teorico, e riportano che i fanghi RAS contenevano 150 e 200 mg/L di P per due sistemi indipendenti, rispettivamente (1% fanghi TSS), con un tenore P di mangime per pesci pari allo 0,83% nel mangime per sostanza secca per questi ultimi (200 mg/L).