Relazione sperimentazione impianto a ricircolo

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L’USO DEI SISTEMI A RICIRCOLO IN ITTICOLTURA
Introduzione
L’acquacoltura in impianti a ricircolo si è sviluppata in vari Paesi, in particolare dell’Europa
settentrionale, per la produzione di specie ittiche d’acqua calda.
L’applicazione delle tecniche di ricircolo permette in generale uno sfruttamento minore delle acque
a parità di biomassa allevata, attraverso il riutilizzo delle acque in uscita dalle vasche di
allevamento, previa depurazione, senza peggiorare la qualità dell’acqua all’atto dello scarico, quindi
mantenendo invariati tutti i parametri fisico chimici richiesti per legge.
Le tecniche di “ricircolo completo” prevedono la depurazione delle sostanze organiche in
sospensione e l’eliminazione dell’ammoniaca prodotta dall’attività metabolica del pesce attraverso
un sistema di filtri meccanici e biologici.
I filtri meccanici vengono utilizzati per allontanare i solidi in sospensione, mentre quelli biologici
hanno lo scopo di ossidare l’azoto ammoniacale attraverso l’azione di “batteri nitrificanti”; tali
batteri in natura vivono sul fondo dei fiumi e dei laghi, mentre nei biofiltri vengono fatti insediare
in strutture cubiche a nido d’ape dette “Bioblok”.
Le tecniche di “ricircolo parziale” invece, oltre a prevedere comunque una certa quota di nuova
acqua dall’esterno, non utilizzano i sistemi di biofiltrazione, ma solo filtraggio meccanico e
sistemi per lo sbattimento dell’acqua ai fini dell’ossigenazione e dello strippaggio dell’ammoniaca
gassosa (estrazione di un gas da un liquido).
Produzione e tossicità dell’azoto ammoniacale
Nel momento in cui si sia garantita l’ossigenazione delle acque di allevamento (normalmente
ottenuta attraverso l’uso di sbattitori d’acqua “a fungo” oppure attraverso l’apporto di ossigeno
liquido), il vero fattore limitante per l’itticoltura rimane l’azoto ammoniacale, normale catabolita
delle proteine, eliminato da tutti gli animali per varie vie ed in diverse forme chimiche. Esso viene
escreto dai pesci attraverso le feci, ma soprattutto attraverso le branchie; il passaggio dall’interno
all’esterno avviene in virtù del gradiente di concentrazione: ciò vuol dire che, quando la
concentrazione di ammoniaca nell’acqua è bassa, il passaggio avviene rapidamente e senza
problemi, mentre man mano che la concentrazione aumenta, l’escrezione diventa sempre più
difficile e più lenta. Si viene così a creare un accumulo della sostanza nei tessuti, che, nelle forme
più lievi, porta ad un danneggiamento delle branchie e ad una conseguente apertura all’attacco dei
batteri, e nelle forme più acute, all’asfissia del pesce.
L’azoto ammoniacale è presente nell’acqua in due forme che partecipano ad un equilibrio chimico:
lo ione ammonio (NH4+), dalla tossicità modesta, e l’ammoniaca indissociata in forma gassosa
(NH3), tossica per i pesci già in basse concentrazioni.
(1)
NH4+ + OH-
NH3 + H2O
Normalmente ci si riferisce all’azoto ammoniacale in termini di TAN (Total Ammonial Nitrogen),
che rappresenta la somma delle quantità relative di ione ammonio e di ammoniaca gassosa; in
questo equilibrio, la percentuale di ammoniaca gassosa è più bassa di quella dello ione ammonio, e
dipende strettamente dal pH e dalla temperatura dell’acqua: un ambiente “acido” ( pH basso )
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sposta l’equilibrio verso sinistra, a favore dello ione ammonio, uno “basico” ( pH elevato) lo sposta
verso destra a favore dell’ammoniaca gassosa.
La quantità di TAN prodotto è influenzata da numerosi fattori, quali la biomassa presente, la
percentuale di alimentazione, la conversione dell’alimento, la sua composizione, la frequenza con
cui è distribuito durante la giornata. Nel nostro caso la percentuale di TAN è stata suggerita
dall’azienda produttrice del mangime utilizzato nella fase analitica dell’esperimento.
E’ evidente che la percentuale di TAN nell’acqua assume una importanza fondamentale nei sistemi
a ricircolo, dove l’azoto ammoniacale non viene diluito e allontanato dal flusso d’acqua corrente,
come avviene invece negli allevamenti tradizionali, e necessita quindi di metodi di abbattimento.
Metodi per l’abbattimento dell’azoto ammoniacale totale nell’acqua
Entrambe le forme dell’azoto ammoniacale possono essere trasformate in nitriti (NO2-) e nitrati
(NO3-), composti questi molto meno tossici, grazie all’ossidazione prodotta dal metabolismo di
batteri nitrificanti (Nitrosomonas e Nitrobacter) . Tale ossidazione necessita di una superficie di
aggrappaggio dove fare avvenire l’ossidazione, attraverso uno scambio di ossigeno ed anidride
carbonica con l’aria e l’acqua.
Oltre all’ossigeno, all’anidride carbonica e all’acido carbonico, i batteri necessitano per la reazione
di una ampia superficie, da cui l’utilizzo delle strutture a nido d’ape.
Alternativamente al biofiltro, una tecnica per abbattere la quantità di Azoto Ammoniacale Totale
(TAN), è lo “strippaggio” dei gas dall’acqua.
Nei sistemi bifasici gas/liquido, volendo semplificare, i principali fattori che determinano la
quantità di massa gassosa scambiata sono la temperatura, la concentrazione percentuale
dell’elemento nelle due fasi, la pressione e la superficie di contatto tra le due fasi. [Per
approfondimenti si debbono conoscere le teorie dell’adsorbimento e dei due film sottili che qui non
considereremo]. Un gas disciolto in acqua tende a passare in aria e viceversa, a seconda delle
concentrazioni del gas rispettivamente nelle due fasi; per cui l’ammoniaca gassosa NH3, presente in
maggiore concentrazione in acqua, tende a passare in aria per raggiungere l’equilibrio; aumentando
la superficie di contatto, lo scambio viene molto favorito, e il gas viene “strippato” dall’acqua. Per
contro, l’ossigeno, presente nell’aria in concentrazione maggiore che nel liquido, per lo stesso
principio tende a passare in acqua, ossigenandola. Un modo semplice ed efficace per aumentare la
superficie di scambio è quindi il sistema di sbattimento dell’acqua “a fungo”.
Lo strippaggio risulta efficace non solo nei confronti dell’ammoniaca indissociata gassosa NH3, ma
anche dello ione ammonio NH4+. Infatti, dovendo le due forme dell’azoto ammoniacale stare in
equilibrio tra loro, e diminuendo la percentuale di NH3 a causa dello strippaggio, l’equilibrio della
reazione (1) viene spostato verso la produzione di nuova NH3 a scapito dello ione ammonio NH4+ ,
che viene poi nuovamente strippata. Il processo non è efficace quanto il sistema di biofiltrazione,
ma può risultare sufficiente in condizioni quali quelle dell’incubatoio/avannotteria, dove i valori
assoluti di mangime somministrato sono comunque bassi, e di conseguenza lo sono anche i valori di
TAN.
In entrambi i casi, sia che si preveda la biofiltrazione che lo strippaggio, è di fondamentale
importanza uno stretto monitoraggio della biomassa presente in vasca ed una attenta
programmazione, in qualità e quantità, della somministrazione dell’alimento. Bisogna infatti
evitare, da un lato, una somministrazione del mangime troppo prudente, che porterebbe ritardi
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nell’accrescimento ed ingenti danni economici; dall’altro, evitare la sovralimentazione del pesce e
di conseguenza evitare di uscire dagli stretti limiti imposti dalla produzione di ammoniaca.
Inoltre è necessario l’allontanamento dei solidi sospesi (feci e mangime indigerito) dal fondo delle
vasche, nonché delle carcasse dei pesci che muoiono quotidianamente, in quanto essi stessi
produttori di ammoniaca.
Confronto tra i sistemi di ricircolo
I sistemi a ricircolo totale presentano il vantaggio di riutilizzare tutta l’acqua necessaria per
l’allevamento, ma sono al momento giudicati troppo costosi, soprattutto in relazione
all’investimento iniziale; infatti tale impianto renderebbe necessaria una ristrutturazione delle
vasche per la raccolta e la filtrazione dei sedimenti e per l’impianto di biofiltrazione, nonché
l’acquisto delle pompe necessarie alla movimentazione dell’acqua e tutti gli accessori necessari per
il biofiltro e per il suo monitoraggio.
La gestione del biofiltro, perno centrale di tali sistemi, necessita un controllo ed una gestione
estremamente puntuale delle sue componenti chimiche e biologiche, pena l’entrata in crisi
rapidissima di tutto l’allevamento. Inoltre la sua efficienza viene penalizzata da temperature
dell’acqua troppo fredde, quali quelle esistenti nei nostri impianti ittici.
I sistemi a ricircolo parziale, con strippaggio dell’ammoniaca, presentano il vantaggio di
investimenti iniziali molto contenuti, ma non sono applicabili su larga scala, a causa
dell’insufficiente abbattimento dell’ammoniaca.
Esigenze dell’azienda
Non essendo l’azienda in grado, in questo periodo, di affrontare ingenti investimenti, si è
considerato di accantonare il sistema a ricircolo totale con biofiltrazione.
Volendo applicare la tecnica del ricircolo parziale, con strippaggio dell’ammoniaca, risulta però
evidente l’impossibilità, sulla base di quanto detto in precedenza, di utilizzarlo su larga scala nella
parte di allevamento adibito “ad ingrasso”.
Si è quindi deciso di sperimentarlo nell’incubatoio/avannotteria: qui, infatti si è da tempo
manifestata l’esigenza di ritardare l’uscita degli avannotti dall’incubatoio (struttura chiusa, rifornita
solo con acqua di pozzo) alle vasche esterne, dove l’esposizione a malattie (a causa dell’utilizzo di
acqua di superficie) per avannotti il cui sistema immunitario è ancora immaturo, è risultato spesso
letale, con percentuali di mortalità elevata nelle prime fasi di allevamento.
Ritardare l’uscita degli avannotti verso le vasche esterne, però, richiede un aumento della capacità
dell’incubatoio, in quanto la biomassa aumenta man mano che l’avannotto cresce in pezzatura. Tale
aumento di capacità risulta impossibile con le portate d’acqua di pozzo a disposizione
nell’incubatoio.
Inoltre le vaschette dell’incubatoio presentano già un valore critico per quel che riguarda la velocità
del flusso, insufficiente ad allontanare i solidi sospesi, con accumulo sul fondo delle vaschette e
conseguente necessità di frequenti operazioni di pulizia per evitare la formazione di ammoniaca e la
proliferazione batterica.
Il ricircolo parziale può venire incontro a queste esigenze, consentendo all’incubatoio di sopportare
una biomassa maggiore, e quindi di trasferire gli avannotti verso le vasche esterne ad una pezzatura
superiore – 4/5 grammi – con un sistema immunitario più sviluppato, una maggior resistenza alle
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malattie, un minor ricorso ai mangimi medicati e un accrescimento non ritardato da periodi di
sofferenza del pesce.
Descrizione dell’impianto e dei dati sperimentali
L’impianto a ricircolo è stato approntato accoppiando a due a due le dieci vaschette in cemento
dell’incubatoio, con l’inserimento di una pompa che muove l’acqua dall’uscita della prima
all’ingresso della seconda. La pompa soffiante ha tre scopi: movimentare l’acqua in una corrente
circolare forzata, ossigenarla e strippare l’ammoniaca gassosa.
Le coppie di vaschette mantengono comunque un flusso di acqua rinnovata, per cui presentano due
tubazioni in ingresso ed una in uscita. Il flusso ricircolato varia circa tra 4 e 7 volte quello
rinnovato, mentre la differenza tra la velocità dell’acqua con e senza pompa soffiante è ancora più
marcata.
La sperimentazione è stata effettuata in due fasi.
Fase sperimentale pratica
All’inizio del febbraio 2008 si è scelto di iniziare la sperimentazione del ricircolo con la partita di
avannotti denominata “OTT07A” (dal mese di semina). In quel periodo la media degli avannotti
risultava di circa 2 grammi, ma la biomassa della partita era già vicina al valore considerato limite
in base all’esperienza di allevamento per quell’incubatoio; senza ricircolo, si sarebbero dovuti
spostare gli avannotti all’esterno a causa del sopraggiunto sovraffollamento delle vasche, benché la
pezzatura fosse ancora troppo piccola.
E’ stato dunque approntato il ricircolo, accoppiando le vaschette ed inserendo le pompe soffianti.
Questa fase , benché non supportata da analisi chimiche, è stata di gran lunga la più delicata, ed ha
previsto un controllo molto stretto da parte degli operatori. Il maggior rischio in questa fase, infatti,
era rappresentato dall’avvelenamento da ammoniaca, che dà dei segnali che possono essere valutati
anche “a vista”: il pesce, infatti, va in anossia a causa dell’ammoniaca, determinando, prima, una
diminuzione dell’appetito, e poi il tipico comportamento per cui il pesce “boccheggia” fuori
dell’acqua, benché il valore dell’ossigeno disciolto sia alto.
Durante il mese di febbraio, la partita OTT07 è raddoppiata sia in pezzatura che in biomassa,
raggiungendo una densità per vasca doppia rispetto a quella fino ad allora considerata “limite”,
senza dare corso a comportamenti indicatori di sofferenza o mortalità superiori alla norma.
Le partite successive - GEN08A, MAR08A – hanno dato anch’esse ottimi risultati, con tempi di
accrescimento più rapidi e capacità delle vasche ancora migliorate.
La partita n.6 – OTT08A – ha invece dimostrato indirettamente sia, da un lato, l’effettiva efficacia
della pompa soffiante nell’ossigenare e strippare l’ammoniaca dall’acqua di ricircolo, sia, dall’altro,
quanto il sistema sia estremamente delicato e impegnativo sul fronte del monitoraggio.
Infatti, agli inizi di dicembre, in una situazione in cui circa il 30% della partita era stata concentrata
in una coppia di vasche a ricircolo, mentre la restante parte era in vasche a flusso normale, è
avvenuto un guasto meccanico che ha interrotto il flusso ricircolato, portando in poche ore alla
perdita di tutta biomassa presente in quella coppia di vasche.
In seguito si è deciso di interrompere l’uso del ricircolo per quella partita, ormai decimata,
distribuendo gli avannotti rimanenti su tutte le vasche, in condizioni di flusso normale.
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Fase sperimentale analitica
Alla fine della fase pratica, in cui abbiamo potuto sperimentare con mano potenzialità e difficoltà
del sistema a ricircolo, abbiamo voluto analizzare il suo funzionamento dal punto di vista dello
strippaggio dell’ammoniaca, attraverso una serie di analisi chimiche effettuate sul campo, in
continuo, con un fotometro da banco. Tale apparecchiatura ci ha permesso di confrontare i valori di
ammoniaca teorici, ricavati dai dati fornitici dall’azienda produttrice del mangime, con quelli
misurati.
I risultati sono stati molto soddisfacenti, in quanto ci hanno confermato che il sistema con pompa
soffiante riesce ad espletare, oltre alla sua funzione principale di movimentazione dell’acqua e di
ossigenazione, anche un notevole abbassamento della quantità di ammoniaca disciolta.
La portata d’acqua ricircolata, è notevolmente superiore a quella normale. La velocità del flusso è
quasi 10 volte più grande, migliorando il rapido allontanamento dei residui.
In funzione della biomassa presente viene stabilito il LR di mangime, ed in funzione di questo ci
sarà una certa produzione di azoto ammoniacale N, nelle sue due forme NH3 ed NH4+. Nella tabella
6 sono indicate le concentrazioni di ammoniaca indissociata e ione ammonio consigliate per
salmonidi.
Tabella 6
CONCENTRAZIONI DI NH3 ED NH4 PER
SALMONIDI
VALORE
NH3
ppm
OTTIMALE
0,000
ACCETTABILE
0,005
SOPPORTABILE BREVI P
0,025
LETALE
0,080
+
NH4
ppm
0,400
1,000
1,600
3,000
Confrontando i valori ottenuti con quelli della Tabella 6, si ottengono i giudizi sulla qualità media
dell’acqua. La produzione di Azoto Ammoniacale avviene in un numero di ore molto minore di 24
(i pasti iniziano alle 8:00 e terminano alle 18:00) , e segue una curva di distribuzione funzione dei
pasti, con picchi e minimi, per cui, in determinati momenti, la qualità dell’acqua può essere molto
peggiore del valore medio.
Abbiamo dunque supposto che l’Azoto Ammoniacale N relativo ad un certo pasto si distribuisca
nell’ora successiva alla somministrazione. Da quel momento inizia una diluizione dovuta al
continuo rinnovamento dell’acqua, fino al pasto successivo; l’andamento sarà variabile, ma si
devono poter riconoscere i picchi relativi ai vari pasti. Questa curva teorica è stata messa a
confronto con i valori di Azoto Ammoniacale N misurati, nel grafico 3.
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* +
+
Grafico 3
Azoto Am m oniacale in acqua
2,50
2,00
1,50
ppm
N misurato
N teorico
1,00
0,50
0,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
16,00
17,00
18,00
19,00
20,00
21,00
22,00
23,00
Ore
L’ammoniaca indissociata NH3 e lo ione ammonio NH4+ mostrano un andamento del tutto simile (grafici 4 e 5), essendo proporzionali ad N.
6
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
16,00
ORE
15,00
17,00
18,00
19,00
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* +
NH3 indissociata
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20,00
+
21,00
22,00
23,00
NH3 MISURATO
NH3 TORICO
7
Si noti come i valori misurati si mantengano sempre molto distanti dalla soglia dello 0,025 “sopportabile per brevi periodi”. La soglia 0,005 è quella
ritenuta “accettabile”.
0,000
8,00
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
Grafico 4
ppm
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* +
+
Grafico 5
NH4+ ione ammonio
3,000
2,500
ppm
2,000
NH4 TEORICO
1,500
NH4 MISURATO
1,000
0,500
0,000
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
16,00
17,00
18,00
19,00
20,00
21,00
22,00
23,00
ORE
Anche i valori misurati sono addirittura sotto la soglia dell’1, quindi tra “ottimale” e “accettabile”. La soglia 1,6 rappresenta invece “accettabile per
brevi periodi”.
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* +
+
Confronto tra dati teorici e misurati. Conclusioni
Il ricircolo del flusso idrico ha permesso un considerevole aumento della velocità dell’acqua,
permettendo un rapido allontanamento dei solidi sospesi – benché l’acqua abbia un andamento
circolare, il sollevamento e la movimentazione dei solidi permette un aumento statistico della
captazione degli stessi da parte dello scarico della vaschetta.
Una velocità del flusso elevata viene inoltre considerata uno dei fattori di protezione della salute del
pesce, grazie all’influenza benefica dell’attività motoria sul sistema immunitario.
Abbiamo potuto sperimentare un aumento di capacità delle vaschette dell’incubatoio pari al 100%,
con una incidenza della mortalità del tutto paragonabile a quella che si aveva prima
dell’applicazione del ricircolo.
L’uso della pompa soffiante ha dunque permesso, oltre la movimentazione dell’acqua e la sua
ossigenazione, anche una diminuzione consistente dell’ammoniaca, consentendo densità impossibili
in condizioni di flusso normale; la qual cosa è risultata evidente con la moria avvenuta in seguito
alla rottura della pompa.
L’esperienza quotidiana di allevamento è stata comunque suffragata dai dati sperimentali, dai quali
si è evinta la capacità della pompa soffiante di strippare una quantità di ammoniaca pari al 70%.
Ciò è dovuto sicuramente all’elevato rapporto tra flusso ricircolato e flusso normale (quasi 5 volte),
e quindi alla grande quantità d’acqua che passa attraverso la soffiante, più e più volte in un’ora,
strippando il gas ad ogni passaggio.
Queste stesse condizioni sarebbero però molto difficili da riprodurre nella zona di allevamento ad
ingrasso, visto le enormi portate che verrebbero richieste alle pompe.
L’episodio del guasto ha altresì messo in evidenza la fragilità intrinseca del sistema, che deve essere
rafforzato con una serie di sicurezze e allarmi che permettano un intervento tempestivo degli
operatori, 24 ore su 24.
In conclusione il sistema a ricircolo ha permesso di utilizzare al meglio l’acqua qualitativamente più
preziosa, ovvero quella dell’incubatoio, migliorando le prestazioni nella fase cruciale dello
svezzamento degli avannotti. Infatti ha garantito il benessere degli stessi fino al raggiungimento
della pezzatura desiderata, razionalizzando lo sfruttamento della risorsa idrica, e
contemporaneamente migliorando la qualità dell’acqua di allevamento.
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