Aqu @teach: Il biofiltro

Il biofiltro è il cuore di ogni sistema di acquacoltura a ricircolo. La salute dei pesci, e quindi il successo economico, dipendono dal corretto funzionamento del biofiltro. Elevati livelli di ammoniaca e nitriti nelle vasche di pesce possono essere causati da diversi fattori. Uno di questi può essere mal progettato o funzionamento sub-ottimale del biofiltro (troppo piccolo, non miscelato in modo uniforme, livelli di nitrati troppo alti, pH troppo basso, intossicazione del biofiltro da sale o cure mediche, aerazione troppo bassa o troppo alta, ecc.). L’altro aspetto principale del fallimento del progetto è l’insufficiente ricircolo dell’acqua. Il biofiltro può solo degradare ciò che riceve dall’acquario. Se il tasso di ricircolo è troppo basso, anche un biofiltro sovradimensionato non porterà ad una buona qualità dell’acqua. Per evitare ciò, seguire l’esempio in Capitolo 2 per calcolare la velocità di ricircolo corretta per il sistema in uso.

È richiesto un biofiltro separato?

Nei sistemi a bassa densità di stoccaggio dei pesci, un letto di coltura può assumere il ruolo sia di rimozione dei solidi che di biofiltrazione. Se il carico di solidi è troppo alto, possono verificarsi intasamenti e aree anaerobiche, che riducono l’efficienza della biofiltrazione. Pertanto, se il letto in crescita deve funzionare come un biofiltro, si raccomanda una calza di pesce molto bassa o un dispositivo separato per la rimozione dei solidi.

Scelta del biofiltro

Il tipo di biofiltro più comunemente usato in acquaponica e in RAS è il reattore a biofiltro a letto mobile (MBBR) (figura 13, tabella 6). Il mezzo di un filtro a letto mobile è costituito da piccole strutture in plastica (1-2 cm) con un’elevata superficie specifica (ad esempio Kaldness k1). Questo mezzo filtrante viene mantenuto in costante movimento per aerazione (ad esempio attraverso l’ingresso di aria attraverso piastre d’aria nella parte inferiore del serbatoio del biofiltro). Il movimento costante del mezzo ha un effetto autopulente sul mezzo filtrante e impedisce la proliferazione di batteri. Per la pulizia il filtro a letto mobile deve essere scollegato dal RAS e quindi relavato circa una volta alla settimana.

Il supporto portante supporta la crescita microbica del biofilm fornendo un’ampia superficie. Tipicamente, MBBR sono riempiti 40 -60% con biocarrier, creando una superficie assoluta di 300-600 m²/m³volume bioreattore. Il movimento dell’aria crea forze di taglio sui biofilm e mantiene la crescita e la rottura del biofilm in equilibrio. Se il biofilm sui vettori diventa troppo spesso, allora l’aerazione è troppo bassa e, se è inesistente, allora l’aerazione è troppo alta. Uno dei principali vantaggi di MBBR è il degasaggio e l’aerazione per flusso d’aria, che non è fornita dai filtri a letto fisso.

Filtri a letto fisso hanno un mezzo biofiltrante fisso. Il filtro a letto fisso funziona anche come dispositivo di rimozione dei solidi in quanto ha capacità di filtrazione per filtrare gli avanzi di solidi e composti organici che non sono stati filtrati nell’unità di separazione dei solidi. Se il carico organico è superiore alla degradazione naturale sulla superficie, la torta filtrante può essere intasata dalla crescita di particelle e batteri. Il filtro deve essere lavato regolarmente e l’acqua di controlavaggio deve essere trattata separatamente (per sedimentazione, ecc.). (Tabella 6).

Filtri di gocciolamento sono l’ultimo dei tre tipi di filtri comuni e funzionano gocciolando acqua attraverso un mucchio di supporti biofilm. Il più grande vantaggio del filtro di gocciolamento è l’alto effetto di degasaggio attraverso l’alta superficie dell’acqua e dell’aria causata dal gocciolamento. Lo svantaggio principale sono gli elevati costi di pompaggio necessari per portare l’acqua all’altezza richiesta. Poiché questi vettori non vengono spostati regolarmente come in un MBBR, il biofilm cresce più spesso su questi vettori e riduce la velocità di nitrificazione. I filtri di gocciolamento sono molto comuni in acquaponica, poiché consentono lo scambio di gas (degasaggio di CO₂ e aerazione) in un unico passaggio. Inoltre, hanno solo bisogno di circolazione dell’acqua e nessun dispositivo di aerazione aggiuntivo come MBBR (ad esempio un ventilatore), il che li rende un sistema molto facile da costruire.

Figura 13: Due versioni di biofiltri per supporti mobili non ottimali: (a sinistra) biofiltro contenente troppi biochip (foto R. Bolt); (a destra) biofiltro senza aerazione (foto: U. Strniša)

Tabella 6: Tipi di biofiltri e loro pro e contro in termini di prestazioni del sistema: reattore a biofilm a letto mobile (MBBR), filtro a letto fisso e filtro di gocciolamento

Tipo di biofiltro	Costruzione di base	Pro e contro
Reattore biofilm a letto mobile (MBBR		Nitrificazione ++ Filtrazione - Degassaggio +
Filtro a letto fisso		Nitrificazione + Filtrazione + Degassaggio -
Filtro di sfioramento		Nitrificazione+Filtrazione -Degassaggio ++ (se aerato) -

Degassaggio e aerazione

L’acquario (i), il biofiltro e il letto (i) coltivatore (i) necessitano di un’aerazione adeguata. Ci sono molti modi per fornire questo, tra cui l’uso di pompe aeree, spruzzi d’acqua, ruote a pale, rotori, soffianti e compressori. Come per il pompaggio dell’acqua, l’aerazione dell’acqua deve essere affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico. L’aerazione in sistemi più piccoli può essere effettuata utilizzando una pompa ad aria a basso consumo energetico e di lunga durata e tubi in vinile per uso alimentare collegati a pietre aeree poste sul fondo o vicino al fondo dei serbatoi e delle aiuole. Le pompe d’aria non sono generalmente abbastanza grandi per aerare sistemi più grandi, che tendono a utilizzare un ventilatore rigenerativo o un generatore di ossigeno.

In acquaponica, pompe d’aria e pietre d’aria vengono utilizzate per forzare l’aria nell’acqua per fornire ossigeno alle radici delle piante e ai pesci. Le pompe ad aria sono ampiamente disponibili in una gamma di dimensioni, da molto piccole a molto grandi con una capacità di funzionare da una a molte pietre aeree, ognuna delle quali introduce centinaia di minuscole bolle di aria fresca e ricca di ossigeno nella soluzione. Mentre è più facile spingere l’aria fuori da una pietra aerea che si trova in acque poco profonde, non si ottiene tanto ossigeno nell’acqua quanto si fa se la pietra aerea è più profonda. Quando la pietra dell’aria è più profonda, il gran numero di bolle che escono sono più piccole a causa della maggiore pressione dell’acqua, che insieme hanno una superficie maggiore rispetto al minor numero di bolle più grandi, e devono viaggiare ulteriormente verso la superficie, con l’acqua circostante assorbe ossigeno dalle bolle fino a la parte superiore del serbatoio dove scoppiano in superficie.

Ingresso di ossigeno ad alta efficienza

Le tecnologie di ossigenazione di base sono il tubo a U, il cono di ossigenazione e l’ossigenatore a bassa testa (figure 14-16, tabella 7).

Tabella 7: Caratteristiche delle diverse possibilità di arricchimento di ossigeno ad alta efficienza in RAS

Una semplice tecnologia di ossigenazione per sciogliere l’ossigeno nell’acqua del sistema è il U (Figura 14). L’ossigeno viene iniettato sul fondo di un tubo profondo 10-30 m attraverso il quale scorre l’acqua del sistema. A causa dell’elevata testa idraulica, l’alta pressione porta ad un’elevata dissoluzione dell’ossigeno nella colonna d’acqua. Tuttavia, poiché questa tecnica richiede che le strutture siano costruite in profondità nel terreno, il metodo spesso non è implementabile nella pratica.

Figura 14: Tubo a U

Un conoossigenazioni (Figura 15) utilizza lo stesso principio di un tubo a U. La differenza è che l’alta pressione idraulica è indotta da una pompa (che utilizza molta energia). Questa tecnologia è particolarmente adatta per coprire i picchi della domanda di ossigeno e ha un’elevata efficienza in termini di dissoluzione dell’ossigeno.

Figura 15: Cono di ossigeno per la dissoluzione dell’ossigeno puro ad alta pressione Fonte: Timmons and Ebeling 2007 (a sinistra), Bregnballe 2015 (a destra)

Il ossigenatore a bassa testa (LHO) (Figura 16) utilizza un altro metodo di arricchimento dell’ossigeno. L’acqua scorre attraverso una piastra perforata e provoca un’elevata superficie di acqua a gas nella camera di miscelazione sottostante. Gli LHO funzionano in modo molto economico, anche se non possono raggiungere concentrazioni di ossigeno più alte possibile.

Figura 16: Ossigenatore a bassa testa

Arricchimento di ossigeno a bassa efficienza

La figura 17 e la tabella 8 mostrano diverse possibilità di arricchimento dell’ossigeno a bassa efficienza.

Figura 17: Diverse possibilità di arricchimento di ossigeno a bassa efficienza in acquacoltura

Tabella 8: Caratteristiche delle diverse possibilità di arricchimento di ossigeno a bassa efficienza nella RAS

*Copyright © Partner del progetto Aqu @teach. Aqu @teach è un partenariato strategico Erasmus+ per l’istruzione superiore (2017-2020) guidato dall’Università di Greenwich, in collaborazione con l’Università di Scienze Applicate di Zurigo (Svizzera), l’Università Tecnica di Madrid (Spagna), l’Università di Lubiana e il Centro Biotecnico Naklo (Slovenia) . *