8.3 Ciclo di distillazione/dissalazione

Nei sistemi acquaponici disaccoppiati, esiste un flusso unidirezionale dal RAS all’unità idroponica. In pratica, le piante assorbono l’acqua fornita dal RAS, che a sua volta è ricoperta da acqua fresca (cioè rubinetto o pioggia). Il deflusso necessario dall’unità RAS è pari alla differenza tra l’acqua che esce dal sistema HP attraverso gli impianti (e attraverso l’unità di distillazione) e l’acqua che entra nell’unità idroponica dal reattore di mineralizzazione, se il sistema include un reattore (Fig. 8.4). Una sintesi semplificata è che il fabbisogno di flusso idrico a lungo termine da RAS a HP è pari al consumo di acqua nelle colture mediante evapotraspirazione e stoccaggio idrico delle piante nella biomassa dell’impianto.

Fig. 8.4 Schema di flussi d’acqua e diverse concentrazioni di nutrienti in un sistema acquaponico disaccoppiato, dove Q, volume di flusso in L; ρ, concentrazione di nutrienti in mg/L; RAS, sistema di acquacoltura a ricircolo; MIN, reattore di mineralizzazione; DIS, unità di distillazione; e X, parametro di flusso sconosciuto/flessibile

Tuttavia, in termini di bilanci di massa, la quantità di nutrienti che lasciano il sistema idroponico attraverso le piante deve essere sostituita per assicurare un equilibrio costante. Ciò pone un dilemma, poiché la concentrazione massima tollerabile di nutrienti in RAS è molto inferiore a quanto necessario in HP. Gli elevati flussi di nutrienti (_ρ_subras/sub $\ volte$ _Q_subras/sub) per HP non possono quindi essere raggiunti dalle basse concentrazioni di nutrienti RAS. Invece, senza un ciclo di distillazione/desalinizzazione, la concentrazione di nutrienti aumenterebbe nel RAS, diminuendo nel sistema idroponico. Un possibile rimedio è quello di scaricare acqua RAS (e quindi anche sostanze nutritive) per diminuire la concentrazione di nutrienti lì e aggiungere fertilizzante alla soluzione nutritiva idroponica. In termini di impatto ambientale ed economico, questa soluzione è meno soddisfacente e non serve all’obiettivo di una produzione combinata a circuito chiuso.

L’attuazione di un’unità di distillazione, come illustrato nella figura 8.3, rappresenta una soluzione potenziale per questo dilemma. Tali tecnologie di distillazione (ad esempio la distillazione a membrana termica) hanno il potenziale di separare i sali disciolti e i nutrienti dall’acqua (Shahzad et al. 2017; Subramani e Jacangelo 2015). Nel contesto dei sistemi acquaponici multi-loop, e in alternativa alla fertilizzazione supplementare e al dissanguamento dell’acqua con costi aggiuntivi corrispondenti, questa tecnologia non solo poteva fornire acqua dolce al sistema, ma anche raggiungere le concentrazioni di nutrienti desiderate per i rispettivi sottosistemi (Goddek e Keesman 2018).

Per l’implementazione (cioè il dimensionamento) di tale unità di distillazione, è possibile utilizzare semplici equazioni di bilancio di massa. Il sistema rimanente, tuttavia, deve essere dimensionato in anticipo (tramite regole empiriche o equazioni di bilancio di massa; cfr. Sez. 8.5), perché i nutrienti che entrano nel sistema dovrebbero essere in equilibrio con i nutrienti biodisponibili assunti dalla coltura (Nota: il punto debole dei sistemi disaccoppiati è la sua flessibilità. Di conseguenza, si può anche sovradimensionare la parte idroponica del sistema anche se ciò richiederà l’uso di più fertilizzanti). Il modo più semplice per stimare l’assorbimento dei nutrienti consiste nell’assumere il presupposto che i nutrienti siano assorbiti o assorbiti molto come gli ioni disciolti nell’acqua di irrigazione (cioè nessuna resistenza chimica, biologica o fisica specifica per gli elementi). Di conseguenza, per mantenere l’equilibrio, tutti i nutrienti assorbiti dalla coltura come contenuti nella soluzione nutritiva devono essere aggiunti al sistema idroponico (Eq. 8.4).

$\ phi_ {RAS} +\ phi_ {MIN} -\ phi_ {HP} =0$ (8.4)

dove __subras/sub è il flusso di nutrienti dal sistema RAS al sistema idroponico, __submin/sub è il flusso nutritivo dall’unità di mineralizzazione al sistema idroponico e __subHP/sub è l’assorbimento delle piante nutritive. Per questa equazione, si presume che il sistema di distillazione abbia un’efficienza di quasi il 100%. Così, _Q_subdis/sub torna al sottosistema idroponico.

Di conseguenza:

$ (\ rho_ {HP}\ volte Q_ {HP}) = (\ rho_ {RAS}\ volte Q_ {RAS}) + (\ rho_ {MIN}\ volte Q_ {MIN}) $ (8.5)

dove Q è il volume di flusso in L e ρis la concentrazione di nutrienti in mg/L.

Come detto sopra, il flusso dal RAS all’unità idroponica è la differenza tra la somma dei flussi d’acqua che escono dal sistema idroponico (cioè QSubHP/Sub + QSubx/Sub) e l’afflusso dal bioreattore (QSubmin/Sub), vale a dire QSUBRAS/Sub = QSubHP/Sub + QSubx/Sub - QSubmin/Sub, che ci porta al seguente equazione:

$ (\ rho_ {HP}\ volte Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ volte Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ volte Q_ {X}) - (\ rho_ {RAS}\ volte Q_ {MIN}) + (\ rho_ {MIN}\ volte Q_ {MIN}) $ (8.6)

La variabile mirata è il flusso di distillazione (Qsubx/sub) necessario per mantenere l’equilibrio di concentrazione dei nutrienti nel sistema idroponico. Per questo, Eq. 8.6 è risolto per Qsubx/sub nei seguenti passaggi:

$ (\ rho_ {RAS}\ volte Q_ {X}) = (\ rho_ {HP}\ volte Q_ {MIN}) - (\ rho_ {RAS}\ volte Q_ {HP}) + (\ rho_ {RAS}\ volte Q_ {MIN}) $ (8.7)

$Q_ {X} =\ frac {\ rho_ {HP}\ volte Q_ {HP}} {\ rho_ {RAS}} -\ frac {\ rho_ {MIN}\ volte Q_ {MIN}} {\ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

Si noti che il flusso di distillazione Qsubx/sub è altamente dinamico e dipende dal tasso di evapotraspirazione delle piante, che dipende dal clima. Il risultato dinamico, tuttavia, può essere utilizzato per dimensionare l’unità di distillazione. Per calcolare l’afflusso richiesto nell’unità di distillazione, è possibile utilizzare la seguente formula:

$Q_ {DIS} =Q_ {X}\ volte\ frac {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

dove Q è il volume di flusso in L e η l’efficienza di demineralizzazione del dispositivo utilizzato (in%).

La tecnologia di distillazione può quindi ridurre drasticamente l’impatto ambientale e dell’acqua (cioè l’uso di fertilizzanti) dei sistemi acquaponici multi-loop. Tuttavia, i sistemi acquaponici diventano ancora più complessi quando si considera la loro implementazione. Anche se questo ciclo aggiuntivo potrebbe non avere alcun senso per i sistemi su piccola scala, ha il potenziale per portare i sistemi commerciali più grandi a un nuovo livello. Tuttavia, bisogna considerare che la tecnologia di distillazione termica richiede elevate quantità di energia termica e potrebbe non essere economicamente ragionevole ovunque. Le regioni con elevati livelli globali di radiazione solare o fonti geotermiche potrebbero essere le più adatte a questa tecnologia. Di conseguenza, anche la sostenibilità economica di tali sistemi dipende dalla posizione.

Un altro punto da tenere a mente è l’alta temperatura dell’acqua distillata e della salamoia proveniente dall’unità di distillazione. A seconda delle condizioni ambientali e delle specie ittiche utilizzate, l’acqua di distillazione calda potrebbe essere utilizzata per riscaldare l’acqua RAS; la salamoia, tuttavia, deve raffreddarsi prima di rientrare nel sottosistema HP.