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Capitolo 8 Sistemi Acquaponici disaccoppiati

1. 8.1 Introduzione

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Come discusso in Chaps. 5 e 7, i sistemi di acquaponica a ciclo singolo sono ben studiati, ma tali sistemi hanno un'efficienza complessiva non ottimale (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). Poiché l'acquaponica raggiunge la produzione a livello industriale, si è posto l'accento sull'aumento della redditività economica di tali sistemi. Una delle migliori opportunità per ottimizzare la produzione in termini di resa del raccolto può essere ottenuta sganciando i componenti all'interno di un sistema acquaponico per garantire condizioni di crescita ottimali sia per i pesci che per le piante. I sistemi disaccoppiati differiscono dai sistemi accoppiati in quanto separano gli anelli idrici e nutritivi dell'unità di acquacoltura e idroponica l'uno dall'altro e forniscono quindi un controllo della chimica dell'acqua in entrambi i sistemi. La Figura 8.1 fornisce una panoramica schematica di un sistema accoppiato tradizionale (A), di un sistema a due loop disaccoppiato (B) e di un sistema multi-loop disaccoppiato (C). Tuttavia, si discute considerevolmente se i sistemi acquaponici disaccoppiati siano economicamente vantaggiosi rispetto ai sistemi più tradizionali, dato che richiedono più infrastrutture. Per rispondere a questa domanda, è necessario prendere in considerazione diversi progetti di sistema al fine di identificare i loro punti di forza e di debolezza.

   Il concetto di sistema acquaponico accoppiato a un anello, come illustrato nella figura 8.1a, può essere considerato come la base tradizionale di tutti i sistemi acquaponici in cui l'acqua ricircola liberamente tra le unità di acquacoltura e idroponica, mentre i fanghi di nutrienti vengono scaricati. Uno degli svantaggi principali di tali sistemi è che è necessario effettuare compromessi nelle condizioni di allevamento di entrambi i sottosistemi in termini di pH, temperatura e concentrazioni di nutrienti (tabella 8.1).

   

   Fig. 8.1 L'evoluzione dei sistemi acquaponici. a) presenta un sistema acquaponico tradizionale a ciclo unico, b) un semplice sistema acquaponico disaccoppiato e c) un sistema acquaponico multianello disaccoppiato. Il carattere blu sta per ingresso, uscita e flussi d'acqua e il rosso per i prodotti di scarto

   Al contrario, i sistemi acquaponici disaccoppiati o a due anelli separano le unità di acquacoltura e acquaponica l'una dall'altra (figura 8.1b). Qui, il dimensionamento dell'unità idroponica è un aspetto critico, perché idealmente ha bisogno di assimilare i nutrienti forniti dall'unità ittica direttamente o tramite mineralizzazione dei fanghi (ad esempio estraendo nutrienti dai fanghi e fornendoli alle piante in forma solubile). Infatti, sia le dimensioni della superficie vegetale che le condizioni ambientali (ad esempio superficie, indice di superficie fogliare, umidità relativa, radiazione solare, ecc.) determinano la quantità di acqua che può essere evapotrasportata e sono i principali fattori che determinano il tasso di sostituzione dell'acqua RAS. L'acqua inviata dal RAS all'unità idroponica viene quindi sostituita da acqua pulita che riduce le concentrazioni di nutrienti e migliora quindi la qualità dell'acqua (Monsees et al. 2017a, b). La quantità di acqua che può essere sostituita dipende dal tasso di evapotraspirazione delle piante che è controllata da radiazione netta, temperatura, velocità del vento, umidità relativa e specie di coltura. In particolare, c'è una dipendenza stagionale, con più acqua evaporata nelle stagioni più calde e soleggiate, che è anche quando i tassi di crescita delle piante sono più alti. Questo approccio è stato suggerito da Goddek et al. (2015) e Kloas et al. (2015) come approccio per migliorare la progettazione di sistemi one-loop e utilizzare meglio la capacità per garantire prestazioni ottimali di crescita delle piante. Il concetto è stato adottato, tra l'altro, da ECF a Berlino (Germania) e dall'ormai fallito Urbanfarmers a L'Aia (Paesi Bassi).

   Nonostante i potenziali benefici, gli esperimenti iniziali con un design a ciclo singolo disaccoppiato hanno incontrato gravi inconvenienti. Ciò è dovuto alle elevate quantità di nutrienti aggiuntivi che erano necessari per essere aggiunti al ciclo idroponico dato che l'acqua di processo che scorre dal RAS al ciclo idroponico è puramente dipendente dall'evapotraspirazione (Goddek et al. 2016; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016). I nutrienti tendevano anche ad accumularsi nei sistemi RAS quando i tassi di evapotraspirazione erano più bassi e potevano raggiungere livelli critici, richiedendo quindi un sanguinamento periodico dall'acqua (Goddek 2017).

   Il superamento di questi inconvenienti ha richiesto l'implementazione di loop aggiuntivi per ridurre la quantità di rifiuti prodotti nel sistema (Goddek e Körner 2019). Tali sistemi multi-loop sono delineati nella Fig. 8.1c e migliorano l'approccio a due loop (8.1b) con due unità che saranno esplorate più da vicino nei prossimi due sottocapitoli e Chaps. 10 e 11 :

   1. Efficiente mineralizzazione e mobilitazione dei nutrienti, utilizzando un sistema di reattori anaerobici a due stadi per ridurre lo scarico di sostanze nutritive dal sistema attraverso i fanghi di pesce

   2. Tecnologia di distillazione/desalinizzazione termica per concentrare la soluzione nutritiva nell'unità idroponica al fine di ridurre la necessità di ulteriori fertilizzanti

   Tali approcci sono stati in parte implementati da vari produttori di acquaponica come la società spagnolo NerBreen (Fig. 8.1) (Goddek e Keesman 2018) e Kikaboni AgriVentures Ltd. a Nairobi, Kenya, (van Gorcum et al. 2019) (Fig. 8.2).

   

   Fig. 8.2 Immagini del sistema multi-loop esistente in (1) Spagna (NerBreen) e (2) Kenya (Kikaboni AgriVentures Ltd.). Mentre il sistema NerBreen si trova in un ambiente controllato, il sistema Kikaboni utilizza un sistema a tunnel semi-aperto

   In termini di vantaggi economici (Goddek e Körner 2019; Delaide et al. 2016), l'ottimizzazione delle condizioni di crescita in ciascun ciclo di sistemi acquaponici disaccoppiati presenta vantaggi intrinseci sia per le piante che per i pesci (Karimanzira et al. 2016; Kloas et al. 2015) riducendo lo scarico dei rifiuti e migliorando recupero e fornitura di nutrienti (Goddek e Keesman 2018; Karimanzira et al. 2017; Yogev et al. 2016). Nel loro lavoro, Delaide et al. (2016), Goddek e Vermeulen (2018), e Woodcock (pers. Comm.) mostrano che i sistemi acquaponica disaccoppiati raggiungono prestazioni di crescita migliori rispetto ai rispettivi gruppi di controllo acquaponica e idroponica a ciclo unico. Nonostante ciò, ci sono vari problemi che ancora devono essere risolti, tra cui problemi tecnici come la scalabilità del sistema, l'ottimizzazione dei parametri e le scelte ingegneristiche per le tecnologie serra per diversi scenari regionali. Nel resto di questo capitolo, ci concentreremo su alcuni degli sviluppi attuali per fornire una panoramica delle sfide in corso e promettenti sviluppi sul campo.

2. 8.2 Ciclo di mineralizzazione

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   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:

   1. 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.

   2. 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.

   3. 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. 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). 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).

3. 8.3 Ciclo di distillazione/dissalazione

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   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.

4. 8.4 Sistemi di dimensionamento multi-loop

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   Il dimensionamento di un sistema acquaponico richiede un bilanciamento dell'input e dell'output dei nutrienti. Qui, fondamentalmente applichiamo lo stesso principio del dimensionamento di un sistema a ciclo singolo. Tuttavia, questo approccio è un po 'più complicato, ma sarà pienamente illustrato con l'aiuto di un esempio.

   

   Figura 8.5 Schema che mostra il bilancio di massa all'interno di un sistema acquaponico a quattro loop; dove msubfeed/sub sono i nutrienti disciolti aggiunti al sistema tramite feed. Aggiungere etichette: QSubdis/sub - Qsubx/sub al distillato restituito a HP; 'fanghi' per i nutrienti che entrano nel reattore

   La figura 8.5 illustra il diagramma del bilancio di massa per il nostro approccio al sistema. Nella situazione ottimale, il sistema ha un solo ingresso e uscita. Tuttavia, in pratica, si dovrà aggiungere ulteriori nutrienti alla parte idroponica per ottimizzare la crescita delle piante. Questo modello può essere utilizzato per dimensionare il sistema, ad esempio basato sul fosforo, che è una risorsa non rinnovabile (cap. 2). L'ingresso al sistema (msubfeed/sub) è la frazione di un nutriente che il pesce espelle in forma disciolta. Il resto si accumula nel pesce come biomassa o finisce come fanghi (vedi sezione precedente). L'uscita è l'assorbimento dei nutrienti vegetali. Determinare l'assorbimento dei nutrienti delle piante dipende da molti fattori ed è molto complesso; il modo più semplice per fornire una stima approssimativa è considerare la respirazione delle piante come il principale motore dell'assorbimento dei nutrienti (Goddek e Körner 2019).

   Il tasso di evapotraspirazione è altamente dipendente dal clima ed è influenzato direttamente o indirettamente dalla radiazione ad onde corte assorbita, dall'umidità relativa, dalla temperatura e dalla concentrazione COSub2/sub. A causa dell'elevata complessità di un sistema multi-loop, supponiamo che le piante si trovino in una serra a controllo climatico, e quindi abbiamo solo bisogno di considerare la radiazione globale come la variabile dinamica che determina quanta radiazione ad onde corte viene assorbita. In altre parole, dobbiamo prima determinare la quantità di nutrienti aggiunti diventano disponibili per le piante, e quindi determinare quanto le piante effettivamente occupano.

   8.4.1 Ingresso feed

   Il tasso di alimentazione dei pesci dipende dalla biomassa totale nel sistema e dal rapporto di conversione del mangime (FCR). Timmons ed Ebeling (2013) forniscono un approccio semplice per determinare i tassi di crescita dei pesci per diverse specie ittiche. Tuttavia, si consiglia di prendere i dati industriali per determinare la biomassa in modo più preciso. Lupatsch e Kissil (1998) (Eq. 8.10) forniscono una formula di crescita generale, per la quale Goddek e Körner (2019) hanno determinato i coefficienti di crescita mediante adattamento curvo utilizzando l'ambiente software matematico MATLAB (funzione interna 'fitnlm') con dati empirici per il Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus). Ulteriori pesi iniziali e finali, temperatura dell'acqua del sistema e la produzione per i coefficienti di crescita specifici sono disponibili nella tabella 8.2. L'inserimento di questi parametri in Eq. 8.10 ci dà il peso in un giorno specifico per questa specie di pesci.

   $W_ {t} = [W_0^ {1-\ beta w} + (1-\ beta _w)\ alpha_wexp\ {\ gamma_wt} T] ^ {\ frac {1} {1-\ beta w}} $ (8.10)

   dove Wsubt/sub (g) è il peso del pesce in un determinato momento (giorni), Wsub0/sub (g) è il peso iniziale del pesce, T è la temperatura dell'acqua (in ˚C), αw βw e γw sono coefficienti di crescita specifici della specie (nessuna unità) e t è il tempo espresso in giorni.

   Tabella 8.2 Parametri di crescita del pesce per Eq. 8.10 per una data temperatura dell'acqua (T). WSub0/Sub e WSUBF/Sub possono essere regolati in base alle proprie esigenze

   tavolo testata tr class = header» THFUNCE/TH THParametri/TH THDESCRIZIONE/TH Valore/TH ThSource/TH /tr /testata tbody tr class="dispari» td Rowspan="4"Crescita del pesce/td TDWSub0/Sub/TD Peso denziale dei fingerling Tilapia (in g) /td TDAd esempio, 55/td TDGoddek e Körner (2019) /td /tr tr class="even» TDWSubf/Sub/TD TDPeso target del raccolto del pesce (in g) /td TDAd esempio, 600/td TDGoddek e Körner (2019) /td /tr tr class="dispari» TDT/TD TDTemperatura dell'acqua del RAS (in ˚C) /td td30/td TDTimmons ed Ebeling (2013) /td /tr tr class="even» tdαw; βw; γw/td Coefficienti di crescita specifici per TDspecie/td td0.0261; 0.4071; 0.0827/td TDGoddek e Körner (2019) /td /tr /tbody /tavolo

   Sulla base dell'output dell'equazione di cui sopra, siamo stati in grado di determinare quanto nutrimento il pesce richiederà per fase di crescita. Nella maggior parte dei casi, la velocità di avanzamento (X% del peso corporeo) o le FCR sono menzionate dal produttore specifico di mangimi. Tuttavia, Timmons ed Ebeling (2013) forniscono una linea guida approssimativa per le FCR per tilapia: 0,7-0,9 per Tilapia che pesano meno di 100 g e 1,2-1,3 per tilapia che pesano più di 100 g. Ciò avviene tramite la seguente equazione.

   $Feed\ rate\ (g) =FCR\ volte WG_t\ volte m_ {pesce} $ (8.11)

   dove FCR è il rapporto di conversione dei mangimi, WGsubt/sub è l'aumento di peso (al giorno) e msubfish/sub è la quantità di pesce presente nell'acquario.

   L'aumento di peso (WG) al giorno può essere determinato con Eq. 8.10 sottraendo il peso di, ad esempio il giorno 10 dal peso del giorno 11. Questo può essere fatto per ogni serbatoio. La Figura 8.6 mostra l'input di alimentazione dei pesci nel sistema per Tilapia utilizzando le equazioni sopra riportate. L'ingresso medio di alimentazione al giorno dopo il ciclo totale del sistema è di 165 kg.

   

   Fig. 8.6 Esempio di bilancio a biomassa per Tilapia allevato in 13 serbatoi in coorti con un volume totale (compresi biofiltro e coppa) di 482.000 L ad un massimo. Biomassa totale di 80 t per un periodo di 2 anni, compresa la fase di avviamento con peso medio del pesce (a) (ogni linea rappresenta un serbatoio/coorte) e il tasso di alimentazione totale giornaliero (b) (dati tratti da Goddek e Körner 2019)

   8.4.2 Disponibilità dei nutrienti

   Neto e Ostrensky (2013) riportano un'escrezione N solubile del 33% e un'escrezione P solubile del 17% della quantità di mangimi durante l'allevamento del Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus, L.). Questi sono i nutrienti che finalmente si accumulano nel sistema RAS e possono essere assorbiti dalle piante.

   8.4.3 Apprendimento delle piante

   La tabella 8.3 fornisce una panoramica delle percentuali di evapotraspirazione specifica delle colture (ETSUBC/sub) collegate alle radiazioni globali. Un mm di ET per metro quadrato equivale a 1 L. Per un semplice dimensionamento, si dovrebbe prendere la media annua giornaliera (vedere la sezione successiva).

   Tabella 8.3 Panoramica dei livelli globali di radiazioni subartiche, temperate marittime e aride (in base a Goddek e Körner 2019) e delle rispettive evapotraspirazione delle colture _ (eC, mm giorno-1) _ tassi per lattuce e tomato coltivati in un ambiente serra controllato di 20°C e 80% relativo umidità. La lattuga è stata coltivata con piantagione continua tutto l'anno; il pomodoro è stato piantato a gennaio e rimosso a dicembre (Isole Færøer e Paesi Bassi) o luglio e giugno (Namibia)

   tavolo testata tr th Rowspan="3"mese/esimo th COLSPAN="3"Isole Faroe/TH th COLSPAN="3"Paesi Bassi/TH th COLSPAN="3"Namibia/th /tr tr class = header» THGlobal Radiazione/th Thetsubc/sub/lattuga/th Thetsubc/sub/tomato/th THGlobal Radiazione/th Thetsubc/sub/lattuga/th Thetsubc/sub/tomato/th THGlobal Radiazione/th Thetsubc/sub/lattuga/th Thetsubc/sub/tomato/th /tr tr class = header» thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"kg msup-2/sup daysup-1/sup/th /tr /testata tbody tr class="dispari» TDBGennaio/B/TD td1.4/td td0.78/td td0.52/td td4.5/td td0.78/td td0.53/td td54.2/td td2.74/td td4.55/td /tr tr class="even» TDBfebbraio/B/TD td5.2/td td0.85/td td1.38/td td9.1/td td0.93/td td1.40/td td53.7/td td2.70/td td4.47/td /tr tr class="dispari» TDBMarch/B/TD td13.7/td td1.20/td td2.12/td td17.0/td td1.28/td td2.14/td td51.2/td td2.42/td td3.96/td /tr tr class="even» TDBaprile/B/TD td30.6/td td1.90/td td3.05/td td27.9/td td1.82/td td2.90/td td40.2/td td3.05/td td5.38/td /tr tr class="dispari» TDBMay/B/TD td39.2/td td2.29/td td3.57/td td32.2/td td2.40/td td3.74/td td30.0/td td2.70/td td4.59/td /tr tr class="even» TDBJune/B/TD td39.6/td td2.33/td td3.60/td td26.6/td td2.52/td td3.91/td td30.5/td td2.28/td td3.80/td /tr tr class="dispari» TDBluglio/B/TD td34.5/td td2.17/td td3.37/td td364/td td2.54/td td3.51/td td37.5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class="even» TDBaugust/B/TD td21.3/td td1.67/td td2.73/td td31.7/td td2.28/td td3.51/td td37.5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class="dispari» TDBsettembre/B/TD td13.2/td td1.20/td td2.04/td td23.1/td td1.75/td td2.77/td td43.2/td td2.00/td td3.02/td /tr tr class="even» TDBoctober/B/TD td6.0/td td0.91/td td1.77/td td13.3/td td1.17/td td1.94/td td51.6/td td2.07/td td3.09/td /tr tr class="dispari» TDBNovembre/B/TD td2.1/td td0.78/td td1.60/td td6.2/td td0.87/td td1.62/td td57.9/td td2.30/td td3.58/td /tr tr class="even» TDBdicembre/B/TD td0.4/td td0.79/td td1.66/td td3.5/td td0.77/td td1.52/td td59.8/td td2.44/td td3.95/td /tr tr class="dispari» td Buaverage/U/b /td tdu17.3/u/td tdu1.41/u/td tdu2.28/u/td tdu20.6/u/td tdu1.59/u/td tdu2.50/u/td td3.83/td tdu2.47/u/td tdu3.83/u/td /tr /tbody /tavolo

   8.4.4 Bilanciamento dei sottosistemi

   Il bilanciamento dei loop è necessario per dimensionare il sistema. L'ingresso dovrebbe essere uguale all'uscita (Fig. 8.5). In un sistema acquaponico disaccoppiato che incorpora un'unità bioreattore, abbiamo due flussi di afflusso di nutrienti: (1) la frazione del mangime che viene escreto nel sistema RAS in forma solubile e (2) la frazione dei nutrienti nei fanghi di pesce che il bioreattore (i) riesce a mineralizzare e mobilitare. Il principale flusso di deflusso (a parte la rimozione periodica dei fanghi demineralizzati) dei nutrienti è l'assorbimento dei nutrienti delle piante. Il differenziale Eq. 8.12. esprime questo equilibrio:

   $Mineralizzazione\ (Eq.8.2) +m_ {feed} =\ frac {\ sottolineatura {Q_ {HP}}\ volte\ rho_ {HP}} {1000} $ (8.12)

   $ (\ sottolineatura {\ eta_ {feed}}\ volte 10000\ volte\ pi_ {feed}\ volte\ pi_ {sludhe}\ volte\ eta_ {min}) +\ sottolineatura {m_ {feed}} =\ frac {\ sottolineatura {Q_ {HP}}\ volte\ rho _ {HP}} {1000} $ (8.13)

   dove $\ sottolinea {\ eta_ {feed}} $ è il mangime medio (in kg) che entra nel sistema RAS, πsubfeed/subis la proporzione del nutriente nella formulazione del mangime, πsubsludge/sub è la proporzione di uno specifico elemento derivato dal mangime che finisce nel fango, e ηsubmin/sub è l'efficienza di mineralizzazione e mobilitazione del sistema reattore, umsubfeed/sub/u è la quantità media di un nutriente che i pesci defecano in forma disciolta, UQsubHP/sub/U è l'evapotraspirazione totale media e ρSubHP/subè la concentrazione nutriente bersaglio (cioè ottimale) per un nutriente specifico nel sottosistema idroponico.

   Tuttavia, per essere in grado di determinare l'area richiesta, ci sono due variabili che devono essere ridefinite per risolvere questa equazione. L'equazione 8.14 mostra come calcolare l'escrezione di nutrienti solubili. In Eq. 8.15, mostriamo che l'evapotraspirazione totale media è un prodotto della zona e il tasso di evapotraspirazione specifico della pianta (qui indicato come media) per msup2/sup.

   $\ sottolineatura {m_ {feed}} =\ sottolineatura {n_ {feed}}\ volte\ pi_ {feed}\ times\ eta_ {escr} $ (8.14)

   dove ηsubexcr/sub rappresenta la frazione del nutriente escreto dal pesce in forma solubile.

   $\ sottolineatura {Q_ {HP}} =A\ times\ sottolineatura {et_c} $ (8.15)

   dove $\ sottolineatura {Q_ {HP}} $ rappresenta l'evapotraspirazione totale media (in L), A l'area e $\ sottolineatura {ET_ {c}} $ l'evapotraspirazione media specifica del raccolto in mm/msup2/sup (cioè L/MSUP2/SUP).

   Risolvendo Eq. 8.13 incorporando Eqs. 8.14 e 8.15 per trovare A, siamo in grado di calcolare la superficie vegetale richiesta rispetto all'alimentazione media (Eq. 8.15).

   $A=\ frac {(\ sottolineatura {\ eta_ {feed}\ volte 1000\ volte\ pi_ {feed}\ volte\ eta_ {escr}\ volte 1000}) + (\ sottolineatura {\ eta_ {feed}}\ volte 1000\ volte\ pi_ {feed}\ volte\ pi_ {sludge}\ times\ eta_ {min}\ volte 1000)} {\ sottolineatura {et_c}\ volte\ rho_ {HP}} $ (8.16)

   Esempio 8.2

   Per questo esempio, vogliamo dimensionare (cioè bilanciare) il sistema rispetto a P. Presumiamo che la componente RAS del nostro sistema richieda un carico giornaliero medio di 150 kg. Il produttore riferisce che il contenuto P del mangime per pesci è dell'1%. Si stima che la P che finisce nel fango sia del 55% e la P che i pesci espellono in forma solubile sia del 17%. I bioreattori funzionano abbastanza bene e mineralizzano circa l'85% del P.

   Sul lato della produzione, abbiamo calcolato il tasso medio di evapotraspirazione specifico per la lattuga (utilizzando, ad esempio, l'equazione FAO Penman-Monteith). Nella nostra sede, è di circa 1,3 mm/giorno (cioè 1,3 L/giorno). La composizione P ottimale della soluzione nutritiva è di 50 mg/L (Resh 2013). Trovare l'area di coltivazione delle piante necessaria per l'assorbimento del P prodotto dal sistema viene quindi risolto da:

   $A=\ frac {(\ sottolineatura {\ eta_ {feed}\ volte 1000\ volte\ pi_ {feed}\ volte\ eta_ {escr}\ volte 1000}) + (\ sottolineatura {\ eta_ {feed}}\ volte 1000\ volte\ pi_ {feed}\ volte\ pi_ {fango}\ times\ eta_ {min}\ volte 1000)} {min} {\ sottolineatura {et_c}\ times\ rho_ {HP}} $

   $A=\ frac {(150000\ volte 0,01\ volte 0,17\ volte 1000) + (150000\ volte 0,01\ volte 0,55\ volte 0,85\ volte 1000)} {1.3\ volte 50} $

   $\\ =\ frac {255000+701250} {65} $

   $\\ =14711m^2 = 1.47ha$

   L'esempio sopra mostra che la maggior parte della P nell'unità idroponica proviene dai bioreattori. Pertanto, l'implementazione di un bioreattore all'interno di un sistema disaccoppiato ha un impatto molto elevato sulla sostenibilità P. Al contrario, al fine di dimensionare semplici sistemi acquaponici a un ciclo, di solito viene applicata una regola empirica. Per le piante a foglia ca. 40-50 g e per le piante fruttate sono necessari circa 50-80 g di mangime per msup2/sup (FAO 2014). Osservando l'input di mangime nell'esempio indicato sopra = 150 kg e dividendolo per 45 (la media dell'approssimazione delle piante a foglia), la superficie di coltivazione proposta è di circa 3750 msup2/sup. Lasciando fuori la mineralizzazione dei fanghi, il nostro esempio suggerirebbe una superficie di coltivazione di 3333 msup2/sup quando si dimensiona il sistema su P.

   8.4.5 Ruolo dell'unità di distillazione

   Il ruolo dell'unità di distillazione è quello di mantenere la concentrazione di nutrienti del sistema RAS e del sistema idroponico ai rispettivi livelli desiderati. Poiché l'accumulo di nutrienti e la corrispondente densità specifica dei nutrienti sono dinamici nei sistemi RAS (cioè a seconda delle velocità ETSUBC/sub) che dipendono dal flusso QsubHP/sub e Qsubx/sub (fig. 8.5), la dimensione dell'unità di distillazione non può essere determinata utilizzando un'equazione differenziale. Pertanto, è necessario un modello di serie temporale per determinare la concentrazione di nutrienti nel RAS nel tempo. La concentrazione di nutrienti in un momento specifico è necessaria per poter eseguire equazioni di bilancio di massa all'interno del sistema (Sez. 8.3).

   

   Fig. 8.7 Simulazioni che confrontano la concentrazione di NO3-N nel sistema idrico RAS sull'impatto dei flussi di distillazione (no, linea solida; 5000 L h-1, linea tratteggiata) su idroponica (gialla, —-) e RAS (blu, —-) concentrazioni di sostanze nutritive in ** (a) ** Namibia e ** (b) ** nei Paesi Bassi, cioè in bassa e alta latitudini (Namibia 22.6˚S e Paesi Bassi, rispettivamente 52,1˚N) entro un periodo di 36 mesi (compresa la fase di preparazione del sistema) utilizzando i dati climatici locali e le serre regolate dal clima come input di modello

   Affinché il sistema sia bilanciato (cioè input = output), possiamo fornire una linea guida generale sulla capacità richiesta di tale unità di distillazione. L'obiettivo è evitare l'accumulo di nutrienti nel sistema RAS. La figura 8.7a, b mostra l'impatto dei flussi di distillazione sulla soluzione idroponica e nutriente RAS _senza un ciclo di mineralizzazione a due diverse latitudini. Entrambi i sistemi hanno lo stesso input di alimentazione (in media 158,6 kg daysup-1/sup; cfr. fig. 8.6). Tuttavia, tenendo conto delle condizioni ambientali e delle serre regolate dal clima, l'area idroponica necessaria e ottimale differisce tra le località geografiche (cfr. cap. 11). I sistemi idroponici con bassi tassi di evaporazione potenziali, come sono comuni in luoghi ad alte latitudini (cioè lontani dall'equatore) avrebbero bisogno di aree di coltivazione più ampie rispetto a luoghi più vicini all'equatore. Allo stesso tempo, una maggiore variazione annua dell'irradiazione e quindi della traspirazione è comune in queste regioni, per cui è presente una maggiore domanda di variabilità stagionale di acqua e sostanze nutritive (vedi Fig. 8.7). Nella coltivazione in serra, tuttavia, può essere necessaria un'illuminazione supplementare, e in paesi come la Norvegia, la coltivazione di ortaggi senza illuminazione supplementare non avviene difficilmente. Inoltre, la superficie totale delle foglie delle colture fa la differenza; le colture con una superficie fogliare alta per unità di superficie (cioè indice di superficie fogliare) trasformano più delle colture con superfici fogliari più piccole, e si può notare una differenza distinta tra colture di pomodoro e lattuga. Tutti questi fattori devono essere presi in considerazione nella pianificazione e nel dimensionamento del sistema acquaponico.

   Di seguito forniamo una panoramica delle dimensioni ottimizzate dell'area idroponica per i sistemi acquaponici sopra descritti: L'area di coltivazione delle monocolture simulata con scenari in gradini di 250 msup2/sup per trovare l'area di adattamento di lattuga o pomodori al fine di bilanciare in modo appropriato il sistema è stato senza illuminazione supplementare (rispettivamente per lattuga o pomodoro):

   • 17.000 msup2/sup o 11.750 msup2/sup per le Isole Faroe

   • 15.500 msup2/sup o 11.000 msup2/sup per i Paesi Bassi

   • 8750 msup2/sup o 6500 msup2/sup per Namibia

   Anche se la dimensione dei sistemi differisce, l'assorbimento medio annuo dei nutrienti è simile. Tuttavia, quando si integra un sistema digestore, dobbiamo prendere in considerazione la fonte nutriente aggiuntiva (Fig. 8.1c). Cambiare un componente porta inevitabilmente a squilibri del sistema, ma il sistema deve mirare a fornire nutrienti ottimali sia per RAS che per HP. Ad esempio, NO3-N in RAS deve essere al di sotto di una certa soglia\ 200 mg L<SUP-1/SUP per, ad esempio, tilapia, mentre PO4-P in HP deve essere il più vicino possibile alla concentrazione raccomandata di 50 mg LSUP-1/SUP per la coltivazione di piante di buona qualità. Pertanto, gli studi di simulazione aiutano a determinare il dimensionamento dei componenti in un sistema acquaponico a ciclo multiplo chiuso disaccoppiato, al fine di ottenere un apporto ottimale di nutrienti sia per i pesci che per le piante. A tal fine, Goddek e Körner (2019) hanno creato un simulatore numerico di acquaponica.

   Tuttavia, la pianificazione di un sistema acquaponico comporta una certa comprensione del sistema di base al fine di raggiungere un equilibrio che minimizza i picchi indesiderati nella domanda e nell'offerta di nutrienti. Poiché la forza trainante per la dinamica dei nutrienti è l'evapotraspirazione del raccolto (ETSUBC/Sub nel sistema HP), che è in gran parte guidata dal microclima e dalla luce assorbita. In un sistema perfettamente bilanciato, si tratterebbe di un ambiente completamente automatizzato e controllato (cfr. Sez. 8.5 Monitoring and Control) con illuminazione 24 ore su 24. Le piante hanno bisogno di un certo periodo buio di circa 4—6 ore, quindi il sistema più equilibrato è realisticamente per realizzare acquaponica in stabilimenti chiusi esclusivamente con sorgenti luminose artificiali. Ciò, tuttavia, richiede elevati costi di ingresso elettrico e di investimento ed è fattibile solo con prezzi molto elevati del prodotto. Pertanto, si consiglia la produzione di serra con illuminazione supplementare (se necessario e se si paga) come modo pratico ed economicamente fattibile di costruire un'unità acquaponica. Posizionare sia le piante che i pesci nella stessa costruzione fisica comporta ulteriori sinergie, tra cui riduzione del riscaldamento e aumento della crescita delle piante grazie all'elevato COsub2/sub (Körner et al. 2017).

   Oltre a queste questioni tecniche, le procedure di coltivazione delle piante (la parte pratica orticola del sistema) devono essere adattate alle esigenze dell'acquaponica in modo da garantire una costante domanda di nutrienti vegetali (assumendo lo stesso clima e la stessa luce), come illustrato nella tabella 8.3. La coltivazione della lattuga e di altre verdure a foglia verde viene effettuata continuamente (Körner et al. 2018), mentre le colture più grandi, come gli ortaggi da frutta come il pomodoro, il cetriolo o il peperone dolce, vengono solitamente seminate in inverno, e il primo raccolto è spesso in tardo inverno/inizio primavera seguita dalla rimozione delle piante e da un altro raccolto seminato per il raccolto in inverno di nuovo. Senza interpiantare, vale a dire vari tipi di colture nello stesso sistema o lotti di ortaggi a frutto piantati durante tutto l'anno per sostenere la domanda di nutrienti, si verificheranno periodi di bassa domanda di nutrienti e livelli elevati di nutrienti. Sulla base di Goddek e Körner (2019), mostriamo la variazione di NoSub3/sub-N in RAS per pomodori (spesso non regolati in acquaponica) e lattuga quando non viene utilizzata alcuna illuminazione supplementare per tre zone climatiche (Isole Faroe, Paesi Bassi e Namibia) (Fig. 8.8). Il bilanciamento del sistema è ottenibile aumentando l'integrale della luce giornaliera (cioè la somma della luce mol ricevuta durante un periodo di 24 ore) con il controllo dinamico supplementare dell'illuminazione (Körner et al. 2006).

   

   Fig. 8.8 NO3-N in RAS combinato con HP che cresce pomodoro o lattuga in tre zone climatiche e latitudini in diminuzione (Isole Faroe 62.0N, Paesi Bassi 52.1˚N, Namibia 22.6˚S) con area ottimizzata per l'idroponica (vedi sopra) in una simulazione di 36 mesi utilizzando dati climatici locali e serre regolate dal clima come ingresso modello

   L'applicazione di tecnologie di distillazione/desalinizzazione può contribuire a riduzioni significative dei livelli di nutrienti nel RAS, regolando i livelli nel sistema HP più vicini all'optima, cioè l'unità concentra i nutrienti ai livelli richiesti dalle piante. La figura 8.9 illustra l'effetto di un'unità di dissalazione sulla concentrazione RAS NoSub3/sub-N quando si applica tra 0 e 5000 L hsup-1/sup e systemsup-1/sup. È ovvio che con l'aumento del flusso di dissalazione, la concentrazione di NOSub3/sub-N nel sistema RAS sta diminuendo. L'unità, tuttavia, è controllata dalla richiesta di POSUB4/Sub nel sistema HP. I picchi devono essere evitati e, come detto sopra, questo può essere ottenuto creando un ambiente climatico stabile con controlli dinamici della luce. È ovvio che nelle regioni climatiche con meno differenze annuali di radiazione solare, vi è meno variazione in ETSUBC/sub e il sistema completo è più stabile. Installare lampade e mantenere una luce giornaliera integrale di almeno 10 mol msup-2/sup può compensare le variazioni stagionali. L'interpiantagione e la produzione di colture miste aiutano a livellare il picco derivante dal protocollo tradizionale di coltivazione del pomodoro con le piante giovani in inverno, quando

   

   Fig. 8.9 NO3-N in RAS combinato con HP con pomodoro (destra) o lattuga (sinistra) con dissalazione tra 0 e 5000 L h sup-1/sup in tre zone climatiche e latitudini decrescenti (Isole Faroe 62.0˚N, Paesi Bassi 52.1˚N, Namibia 22.6˚S) con area regolata per HP (vedi sopra) in una simulazione di 36 mesi utilizzando i dati climatici locali e le serre regolate dal clima come input di modello

   clima (basse radiazioni) e la coltivazione (piccole piante, basso potenziale ETSUBC/sub) contribuiscono all'accumulo di nutrienti.

5. 8.5 Monitoraggio e controllo

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Nel controllo di feedback classico, come PI o PID (Proportional-Integral-Derivative), le variabili controllate (CV) vengono misurate direttamente, confrontate con un setpoint, e successivamente restituite al processo attraverso una legge sul controllo del feedback.

   In Fig. 8.10, i segnali, senza l'argomento del tempo, sono denotati da una lettera minuscola, dove y è la variabile controllata (CV) che viene confrontata con il segnale di riferimento (setpoint) r. L'errore di tracciamento ε (cioè r - y) viene inserito nel controller, sia in hardware che software, da cui l'ingresso di controllo u, nota anche come variabile manipolata (MV), viene generato. L'input u influisce direttamente sul processo (P) da cui risulta un output (y). L'uscita campionata viene successivamente confrontata con r, che chiude il ciclo. In pratica, questo ciclo continua fino a quando il controller non viene spento. Esiste una vasta letteratura sul controllo del feedback (Doyle et al. 1992; Morris 2001; Ogata 2010), e questo è stato oggetto di ricerca per molti anni, a partire dai lavori di Bode (1930) e Nyquist (1932).

   

   Fig. 8.10 Controllo feedback con controller (C) e processo (P). r segnale di riferimento, eps tracking error, u segnale di ingresso, y uscita sigma

   In RAS, i CV tipici sono la temperatura, il pH e la concentrazione di ossigeno disciolto (DO), per i quali esistono sensori affidabili. Di conseguenza, il controllo del feedback di questi parametri di qualità dell'acqua può essere facilmente realizzato. Tuttavia, in pratica, il più delle volte, i segnali di ingresso e uscita sono disturbati da processi di rumore, come ingressi casuali sconosciuti e rumore di misura. Inoltre, il processo complessivo (P) può cambiare nel tempo a causa della crescita, della maturazione, della senescenza, ecc. Il mangime per pesci è un altro input nella RAS e il suo effetto sulla crescita dei pesci non può essere visto o misurato direttamente. Per questi parametri, i controller basati su modello (ad esempio feedforward, predittivo del modello e controllo ottimale) sono tipicamente introdotti per prevedere la risposta di un cambiamento nell'input di controllo. Tuttavia, il mangime per pesci viene comunemente aggiunto sulla base dei valori presenti nelle tabelle o nelle ricette, ma questo controllo basato su regole può richiedere qualche aggiustamento nella pratica reale per agire come controller di feedback. I comportamenti dei pesci in RAS sono una classica misura di controllo del feedback in quanto i pesci reagiscono fisiologicamente ai cambiamenti ambientali con variazioni di movimento, posizione, ricettività all'alimentazione, ecc.

   La produzione idroponica avviene solitamente in ambienti protetti come serre o fabbriche vegetali in cui è necessario controllare sia l'ambiente radicale che quello aereo. I controller on-off che modellano predittivamente ambienti aerei ottimali si sono dimostrati superiori nella ricerca sperimentale, ma la commercializzazione è stata lenta, mentre i controller di feedback sono standard nella maggior parte delle serre a controllo climatico. Tuttavia, l'attuatore varia a seconda del tipo di regolatore con valvole di riscaldamento e prese d'aria tipicamente controllate da feedback, ma l'illuminazione di solito ha un meccanismo ON-OFF e solo pochi sono dimmerabili. I controller che si basano sull'input di sensori o dati possono rispondere alla rapida crescita in un ambiente protetto e portare a prodotti di alta qualità con prezzi di mercato elevati che migliorano i vantaggi in termini di costi. Molte serre commerciali hanno ancora il classico sensore situato in posizione centrale appeso 1-2 m sopra il raccolto e che copre diverse centinaia di metri quadrati è ancora in uso, ma vengono introdotti sensori wireless multipli che coprono aree più piccole anche se gran parte dei dati dettagliati non può essere utilizzata perché piuttosto grande le zone climatiche sono controllate dagli stessi attuatori. I progressi nella tecnologia dei sensori (ad esempio sensori di temperatura microclima, processori di immagine, misurazioni in tempo reale di scambio di gas o fluorescenza clorofilla) connessi al software di modellazione potrebbero utilizzare sistemi di supporto decisionale e diventare sistemi di controllo automatizzati.

   Nei sistemi bioreattori tipici, la temperatura, il pH, l'ossigeno disciolto nei sistemi aerati e i flussi di gas nei sistemi anaerobici sono continuamente misurati e regolati con i controllori di temperatura, pH e ossigeno disciolto disponibili. Inoltre, i tempi sia idraulici (HRT) che di ritenzione dei fanghi (SRT) sono spesso impostati controllando rispettivamente i flussi idrici (rifiuti) e i flussi di rifiuti di biomassa.

6. 8.6 Impatto economico

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Le tecnologie che generano meno profitti, ma sono migliori per l'ambiente di solito vengono implementate solo quando gli operatori ricevono un incentivo sotto forma di sovvenzioni o politiche li costringono a farlo. Nel caso dei sistemi acquaponici a ciclo unico, l'appello risiede nella nuova tecnologia e nell'approccio del sistema all'uso sostenibile delle risorse piuttosto che nel suo potenziale economico. Tuttavia, le recenti pubblicazioni forniscono prove di un aumento della produzione: i verdi a foglia verde crescono meglio in ambienti disaccoppiati rispetto ai sistemi idroponici sterili (Delaide et al. 2016; Goddek e Vermeulen 2018) e la lattuga nei sistemi acquaponici disaccoppiati hanno avuto un vantaggio di crescita di circa il 40% rispetto allo stato di approcci idroponici all'arte.

   Anche se ci si può aspettare tassi di crescita più elevati, i sistemi acquaponici multi-loop sono ancora molto più complessi dei sistemi idroponici e sono necessari investimenti iniziali significativi per l'attuazione. La maggior parte delle località geografiche richiede una serra ad alta tecnologia per controllare le condizioni ambientali (cioè un'umidità relativa dell'80%, temperature costanti di circa 20 °C). Le fonti di energia rinnovabili possono essere utilizzate per il raffreddamento e il riscaldamento, ma attualmente tali sistemi sono redditizi solo quando si installano su larga scala (cioè\ > 1 ha) dove prevalgono buone condizioni di mercato.

7. 8.7 Impatto ambientale

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Sulla base dell'esempio 8.2, vi è evidenza che il trattamento dei fanghi nei digestori può avere un impatto benefico sul riutilizzo dei nutrienti, in particolare il fosforo. I sistemi a bioreattore, come un sistema sequenziale di reattori UASB a due stadi, possono aumentare l'efficienza di riciclo del fosforo fino al 300% (cap. 10). In precedenza, in cap. 2, abbiamo discusso il paradosso del fosforo in relazione sia alla scarsità di fosfato che ai problemi di eutrofizzazione. I bioreattori presentano vantaggi significativi per un maggiore recupero dei nutrienti dai fanghi, contribuendo così a chiudere il ciclo ciclico dei nutrienti all'interno dei sistemi acquaponici. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per perfezionare tali sistemi per ottimizzare la biodisponibilità di nutrienti specifici. Le figure 8.11, 8.12 e 8.13 mostrano i flussi di input, output e rifiuti dei sistemi di acquacoltura e idroponica indipendenti rispetto a un sistema acquaponico disaccoppiato. Si può constatare che l'approccio disaccoppiato costituisce un promettente concetto agricolo per un sistema di riduzione e riciclaggio dei rifiuti.

   

   Fig. 8.11 Flussi di ingresso, uscita e perdita in un sistema idroponico autonomo

   

   Fig. 8.12 Flussi di ingresso, uscita e perdita in un sistema di acquacoltura autonomo

   

   Fig. 8.13 Flussi di ingresso, uscita e perdita in un sistema acquaponico multiloop disaccoppiato comprendente un sistema di reattori anaerobici