Aqu @teach: Tecnologia del sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS)

Un sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) è costituito da vasche per pesci e da diverse unità di filtrazione che puliscono l’acqua. In un classico RAS l’acqua è quindi in costante flusso dalle vasche di pesce attraverso il sistema di filtrazione e poi di nuovo alle vasche di pesce (Figura 4). A causa del metabolismo dei pesci, l’acqua che lascia le vasche contiene alte concentrazioni di solidi, nutrienti e anidride carbonica, mentre è povera di ossigeno rispetto all’acqua in afflusso. L’obiettivo delle unità di filtrazione è quello di ridurre i solidi, i nutrienti, le tossine e le concentrazioni di anidride carbonica, e aumentare i livelli di ossigeno disciolto nell’acqua prima che venga restituito all’acquario.

Il sistema di filtrazione è costituito da più fasi (Figura 4). La prima fase di trattamento dopo il deflusso è la separazione dei solidi (Figura 4, Punto 2) in cui i solidi (residui di mangime, feci e gruppi di batteri) vengono rimossi dall’acqua. Dopo questo, l’acqua viene disinfettata con UV (Figura 4, Punto 6). Questo passaggio non è sempre implementato negli allevamenti ittici e può anche essere posizionato dopo il biofiltro. L’acqua entra quindi nel biofiltro (Figura 4, Punto 3), dove i batteri metabolizzano parte del carico organico e ossidano l’ammoniaca in nitrito e poi in nitrato. Tutte queste reazioni metaboliche batteriche utilizzano ossigeno disciolto (O₂) e, come i pesci, rilasciano anidride carbonica (CO₂) nell’acqua. Pertanto, il CO₂ in acqua deve essere abbassato dopo la biofiltrazione. Questo viene fatto nell’unità di degassaggio in cui l’acqua all’aria superficie viene aumentata in modo che il CO₂ la fase aria (Figura 4, Punto 4). Come ultimo passo, la concentrazione di ossigeno nell’acqua deve essere aumentata ad un livello adeguato per i pesci. Questo viene fatto nell’unità di ossigenazione (Figura 4, Punto 5). Le sezioni seguenti descrivono questi componenti di sistema in modo più dettagliato.

Figura 4: Componenti principali di un sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS)

L’acquario

L’acquario è la zona di coltivazione per il pesce e quindi una componente centrale di un RAS. I disegni ‘classici’ del serbatoio sono serbatoi rotondi e canali di flusso quadrati. Uno degli aspetti principali che rendono le vasche rotonde favorevoli ai canali a flusso quadrato è l’effetto autopulente che può essere ottenuto attraverso un disegno idraulico circolare (Figura 5). Il flusso nelle vasche ha due funzioni: (i) distribuzione uniforme dell’acqua di afflusso e dei mangimi per pesci; (ii) trasporto di particelle al centro della vasca. Il flusso rotante primario è il flusso dall’ingresso e quindi in senso orario/antiorario attorno al serbatoio. Trasporta i solidi sedimentabili verso il basso. Il flusso rotante primario crea un flusso radiale secondario e insieme generano un serbatoio autopulente.

Figura 5: Ruolo dei flussi primari e secondari: il flusso primario garantisce una buona distribuzione dell’acqua in ingresso e il flusso secondario contribuisce alla rimozione efficace dei solidi (adattato dopo Timmons et al. 1999)

Sebbene i serbatoi rotondi abbiano numerosi vantaggi rispetto ai serbatoi quadrati, il loro principale svantaggio (bassa efficienza di area) li rende spesso una soluzione non ottimale per un’azienda agricola RAS. Pertanto, numerose altre forme di serbatoi sono state sviluppate e testate negli ultimi decenni (maggiori dettagli sono presentati nel Capitolo 12).

Poiché la RAS ha guadagnato popolarità e questi sistemi sono stati pianificati anche come grandi imprese (ad esempio Nordic Aquafarms sta progettando di investire in una fattoria RAS da 500 milioni di dollari a Belfast, Maine, USA), i progetti di serbatoi di grandi dimensioni sono diventati sempre più numerosi importante. Questi serbatoi di grandi dimensioni sono spesso (almeno in teoria) molto più efficienti in termini di costi rispetto ai tradizionali serbatoi più piccoli (Figura 6).

Figura 6: Un grande serbatoio rotondo (6 m di profondità, 32,5 m di diametro) come parte di un salmone RAS (Swiss Alpine Fish)

Le condizioni di flusso hanno un impatto importante sulla salute dei pesci. Si possono stabilire diversi flussi d’acqua e quindi strutturare idraulicamente i bacini utilizzando pannelli. In questo modo i pesci rimangono nella parte ottimale del serbatoio (Figura 7). È importante sapere che i nuotatori hanno bisogno di nuotare, in altre parole hanno bisogno di una corrente. La velocità della corrente deve essere adattata alle specie ittiche. Generalmente, i pesci più piccoli richiedono una velocità di corrente inferiore, anche se deve essere abbastanza alta per garantire che la separazione dei solidi funzioni ancora. Tutto ciò ha anche un impatto sulla qualità della carne di pesce.

Figura 7: Sistema di flusso sviluppato appositamente per l’allevamento del salmone, Swiss Alpine Fish AG, Lostallo, Svizzera

Separazione dei solidi

Ci sono diversi motivi per la rimozione dei solidi. In primo luogo, la qualità dell’acqua è migliorata riducendo i solidi organici che riducono la mineralizzazione (respirazione aerobica) e quindi contribuisce anche a stabilizzare il contenuto di ossigeno. In secondo luogo, la conservazione della qualità dell’acqua beneficia anche dell’assorbimento dei mangimi e del controllo delle scorte. Inoltre, la rimozione dei solidi riduce il carico batterico, perché rimuove la fonte di cibo per i microrganismi. L’elevata attività batterica nella colonna d’acqua porta a un consumo inutile di ossigeno.

Un altro vantaggio della rimozione dei solidi è la prevenzione dell’intasamento delle branchie di pesci che possono portare a una crescita lenta o addirittura alla morte dei pesci. Tuttavia, questo dipende dalle specie ittiche. I pesci filtranti, come molte specie di carpe, possono anche contare su una certa quantità di composti sospesi nel loro habitat naturale e possono quindi resistere anche a una quantità maggiore di solidi sospesi in RAS rispetto, ad esempio, ai salmonidi (Avnimelech 2014).

Uno dei motivi tecnici più importanti per cui i solidi devono essere rimossi è il potenziale intasamento del biofiltro (c.f. Capitolo 9). Inoltre, l’efficacia della riduzione dei germi attraverso la disinfezione (c.f. Capitolo 9) viene aumentata attraverso la rimozione dei solidi. I solidi presenti nell’acqua dei pesci hanno dimensioni diverse e i trattamenti per rimuovere questi solidi variano per lo più a seconda delle loro dimensioni (Figura 8).

Il trattamento delle acque reflue e lo smaltimento dei fanghi sono fattori di costo importanti del RAS intensivo. Un RAS richiede 300-1000 l di scambio d’acqua per kg di pesce prodotto e produce 100-200 g di fanghi di peso secco. Per ridurre al minimo il volume delle acque reflue è possibile trattare l’acqua dei fanghi risultante dalla separazione solida. In questo modo anche un sistema di filtrazione low-tech può ottenere una significativa riduzione del volume finale delle acque reflue.

Figura 8: Processi di rimozione del solido e intervallo di granulometria (in μm) su cui i processi sono più efficaci (adattati dopo Timmons e Ebeling 2007

Disinfezione

Le malattie batteriche e virali possono porre seri problemi nel RAS intensivo. La disinfezione dell’acqua con ozono o irradiazione UV sono i metodi più comuni. La luce UV ad una certa intensità può distruggere il DNA di bio-organismi come agenti patogeni e organismi unicellulari. In RAS la luce UV (figura 9) è principalmente racchiusa in un breve pezzo di tubo tra l’unità di filtrazione meccanica (ad esempio filtro a tamburo) e il biofiltro. L’intensità o la dose della luce UV può essere espressa in µWs/cm² (energia per area). In RAS la dose UV necessaria per uccidere (disattivare) circa il 90% degli organismi varia tra 2000-10.000 µWs/cm². Tuttavia, per uccidere tutti i funghi e piccoli parassiti è necessaria una dose fino a 200.000 µWs/cm² . Per la massima efficienza è importante posizionare la luce UV dopo il sistema di filtrazione meccanica in modo che non venga bloccata dai solidi sospesi.

Figura 9: Reattore UV (AKR UV Systems)

L’aggiunta di ozono (O₃) è un altro metodo efficace per ridurre gli agenti patogeni e altri organismi indesiderati in un RAS. A contatto con l’acqua si divide in O₂ un radicale ossigeno libero O. Questo radicale ‘attacca’ e ossida le sostanze organiche. Ciò si traduce nella degradazione delle particelle sospese o di alcune sostanze (chiarificazione della torbidità dell’acqua, formazione del colore mediante acidi umici). Allo stesso modo, le pareti cellulari biologiche degli organismi sono anche attaccate dall’O radicale della molecola di ozono, uccidendo batteri, galleggianti e alghe filamentose. Tuttavia, l’ozono è molto reattivo e può anche danneggiare i batteri nitrificanti presenti nel biofiltro e attaccare le branchie di pesce se applicato in quantità troppo elevate. Il dosaggio deve quindi essere monitorato in modo permanente. Gli agenti chimici possono essere utilizzati per trattamenti puntuali per ridurre le concentrazioni di germi nell’acqua. Il perossido di idrogeno (H_{2O 2}) è comunemente usato, a volte stabilizzato dall’acido peracetico (CH₃CO₃H). Il sovradosaggio può avere gravi effetti sulla salute dei pesci e può danneggiare i batteri filtranti.

Tabella 1: Vantaggi e svantaggi della disinfezione con UV, ozono e perossido di idrogeno (H₂O₂) nella RAS

Biofiltrazione

Il processo di nitrificazione avviene nel biofiltro per ossidare l’ammonio libero tossico in nitrito tossico e infine in nitrato atossico. I batteri nitrificanti sono il cuore del biofiltro. Questi batteri crescono sulla superficie filtrante. Il supporto può essere fissato (ad es. filtro di gocciolamento) o in movimento (ad es. filtro a letto mobile). I batteri nitrificanti sono sensibili ai cambiamenti di qualità dell’acqua nel sistema (in particolare pH e temperatura), e cambiamenti rapidi dovrebbero quindi essere evitati o fatti a passi lenti, poiché altrimenti grandi quantità di batteri nitrificanti possono morire, il che porterebbe a picchi di ammoniaca e nitriti nel sistema. Inoltre, poiché i batteri nitrificanti sono aerobici, il contenuto di ossigeno disciolto nel biofiltro deve essere sempre mantenuto ad una certa soglia (a seconda anche della temperatura dell’acqua). Le reazioni chimiche che si verificano nel biofiltro sono spiegate in Capitolo 5. Maggiori dettagli sulla scelta della giusta biofiltrazione sono disponibili in Capitolo 12.

Degassaggio e aerazione

Il trasferimento di gas tra la fase liquida e quella gassosa avviene quando vi è una sub-saturazione in una fase. La solubilità del gas dipende dalla pressione, dalla temperatura, dalla salinità e dalla pressione parziale del gas. Il trasferimento avviene sulle superfici di contatto tra gas e liquido. Aerazione aumenta il contenuto di ossigeno nell’acqua. Il degasaggio rimuove dall’acqua gas come l’anidride carbonica.

Degassaggio

I gas, in particolare l’anidride carbonica derivante dalla respirazione dei pesci e dei batteri, si accumulano nell’acqua del sistema. Questi possono avere effetti dannosi sui pesci se le concentrazioni diventano troppo elevate. Pertanto, un’unità di degassaggio viene solitamente aggiunta al RAS intensivo. Il consumo di gas (degassaggio) si ottiene aumentando la superficie di contatto tra l’acqua e l’aria, mediante aerazione della colonna d’acqua o spruzzando acqua attraverso l’aria. Diversi biofiltri hanno già un alto effetto di degasaggio: in un filtro di sfiato l’acqua passa attraverso l’aria, mentre in un letto mobile filtro l’aria passa attraverso l’acqua. Ciò può quindi rendere ridondante un’unità di degasaggio aggiuntiva.

Ossigenazione

Il contenuto di ossigeno disciolto (O₂) è uno dei parametri di qualità dell’acqua più importanti nel RAS e spesso il primo vincolo in situazioni di emergenza (ad esempio in caso di interruzioni di corrente, guasto della pompa ecc.). Esistono numerose tecniche per arricchire l’ossigeno disciolto nell’acqua. L’assunzione di gas di acqua (aerazione) può essere migliorata: (i) massimizzando l’area di contatto ossigeno/acqua utilizzando vortici o piccole bolle; (ii) massimizzando il periodo di contatto con ossigeno/acqua utilizzando un piccolo diametro della bolla e/o un flusso d’acqua lento; (iii) aumentando la pressione (aumenta la solubilità) — livello dell’acqua, pressione vaso; e (iv) aumento della pressione parziale di O₂(aumenta la solubilità) — ossigeno puro.

Ingresso ossigeno ad alta efficienza

Nei RAS intensivi, le tecnologie di ossigenazione dipendono dall’uso dell’ossigeno puro piuttosto che dalla semplice aerazione, che diventa poco pratica a determinate densità di pesce. L’ossigeno viene prodotto in loco con un generatore di ossigeno o fornito da un’azienda esterna e immagazzinato in serbatoi di ossigeno liquido all’esterno dell’impianto di acquacoltura.

Ingresso ossigeno a bassa efficienza

In stagni estesi per pesci è di solito sufficiente un apporto di ossigeno a bassa efficienza. Ciò si ottiene (i) mantenendo l’acqua fresca, poiché questo scioglie più ossigeno e (ii) aumentando il movimento dell’acqua. Diverse modalità di aerazione possono supportare questa operazione (cfr. Capitolo 12).

Pompe e pozzi di pompaggio

Una pompa è per RAS ciò che il cuore è per il corpo umano. Se fallisce, il risultato può essere catastrofico. Pertanto nessuna spesa dovrebbe essere risparmiata al momento dell’acquisto di una pompa. È possibile utilizzare pompe a controllo della velocità per ridurre il flusso se necessario. Utilizzando una serie parallela di pompe con valvole di ritegno, le possibilità di guasto del sistema possono essere ridotte. Prima di acquistare una pompa, le perdite di pressione nei tubi dovrebbero essere calcolate, ad esempio con l’aiuto di questo calcolatore online: http://www.pressure- Drop.com/online-calculator/.

*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) . *