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Struttura e Design

1. 2.1 Cultura del pesce

   Original publication 2021 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   

   Le vasche per acquaponica sono disponibili in una vasta gamma di forme, dimensioni e materiali, con una selezione in gran parte basata su specie di cultura. La maggior parte dei sistemi di grandi dimensioni utilizza serbatoi rotondi con fondo piatto o conico. L'uso del flusso tangenziale impedisce le zone morte se utilizzate in vasche rotonde (Figura 2). I serbatoi con fondo conico consentono ai solidi di concentrarsi sul fondo (nel cono) e di essere facilmente lavati dal sistema. I serbatoi a fondo piatto sono più ampiamente disponibili, ma la rimozione dei solidi richiede ulteriori passaggi per garantire una corretta rimozione del materiale organico disperso sul fondo del serbatoio.

   I serbatoi quadrati possono anche richiedere una pulizia aggiuntiva poiché solidi o detriti possono depositarsi negli angoli (Somerville et al. 2014). Il dimensionamento per le vasche di coltura del pesce segue i principi RAS, con un rapporto larghezza/altezza 3:1 ideale per il corretto movimento e il flusso dell'acqua. Le vasche di pesce sono generalmente il punto più alto del sistema e l'acqua scorre per gravità fino alla componente di filtrazione dei solidi.

   I serbatoi di qualità commerciale sono comunemente realizzati con materiali resistenti e resistenti ai raggi UV come polietilene ad alta densità (HDPE) o fibra di vetro. Su scala ridotta o in aree con risorse limitate, possono essere utilizzati contenitori intermedi per la rinfusa (IBC) o vasche di cemento rivestite. Sono necessari materiali di grado alimentare e resistente ai raggi UV, poiché molti serbatoi riutilizzati possono contenere sostanze chimiche o materiali pericolosi, rendendoli inadatti al consumo.

   • Fonte: Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Universita' statale del Kentucky. Manuale di produzione Aquaponics: un manuale pratico per i coltivatori. *

2. 2.2 Filtrazione dei solidi

   Original publication 2021 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   L'efficace filtrazione dei solidi è un componente chiave per un sistema ben funzionante e potenzialmente l'aspetto più importante in quanto influenza l'efficienza di tutti gli altri processi. I solidi sono prodotti principalmente da mangimi non consumati, rifiuti di pesce e biofilm batterici (classificati come solidi sospesi) (Timmons ed Ebeling 2013). Se i rifiuti non vengono rimossi, possono depositarsi sulle radici delle piante (prevenendo l'assorbimento di sostanze nutritive), raccogliere in aree a basso flusso d'acqua (con conseguente scarsa qualità dell'acqua), causare l'accumulo di gas nocivi e intasare i tubi (impedendo un flusso d'acqua sufficiente) (Somerville et al. 2014).

   La filtrazione dei solidi utilizzata dipende dalla qualità e dalla quantità di avanzamento che entra nel sistema, con tutti i progetti provenienti direttamente dalla tecnologia RAS. Le due categorie principali di filtrazione dei solidi sono la sedimentazione e la filtrazione meccanica (Lennard 2012).

   sedimentazione: La sedimentazione si riferisce ai solidi che si depositano dalla colonna d'acqua per gravità, che si verifica nel chiarificatore. I disegni chiarificatori o (rimozione di solidi) includono deflettori, filtri di flusso radiale e separatori a spirale (Figura 3a, b, c). I separatori di flusso radiale sono più comunemente utilizzati e hanno dimostrato di essere più efficaci nella rimozione dei solidi sedimentabili rispetto a un filtro a spirale in RAS (Davidson e Summerfelt 2005). I chiarificatori di deflettore e vortice sono simili nell'efficienza di rimozione dei solidi (Danaher et al. 2013). Le raccomandazioni per il materiale da costruzione seguono quelle delle vasche per pesci sopra menzionate.

   

   Il corretto dimensionamento dei chiarificatori e la portata dell'acqua appropriata sono essenziali per un'efficace rimozione dei solidi. Se si basa esclusivamente su un chiarificatore per rimuovere i solidi depositabili, è necessario un tempo di ritenzione di 30 minuti. Ciò significa semplicemente che la maggior parte dei solidi che possono depositarsi attraverso la gravità lo farà entro 30 minuti. Una portata d'acqua di 5 galloni al minuto per i piccoli serbatoi e 25 galloni al minuto per i serbatoi di grandi dimensioni dovrebbe essere utilizzata per calcolare le dimensioni del serbatoio di filtrazione necessario. La filtrazione sottodimensionata (o una portata troppo veloce) non sarà adeguata per rimuovere i solidi dei pesci, con conseguente accumulo più in basso nel sistema. Allo stesso modo, il sovradimensionamento del componente non è ideale in quanto aumenta il costo iniziale, richiede un ingombro maggiore nella struttura e si traduce in una maggiore quantità di utilizzo dell'acqua grazie allo scarico inefficiente.

   

   I chiarificatori rimuoveranno solo le grandi particelle solide presenti nell'acqua, lasciando solidi troppo piccoli per depositarsi fuori dall'acqua (Summerfelt et al. 2001). Questi solidi sospesi devono essere rimossi. Una pratica resa popolare dall'Università delle Isole Vergini è dirigere l'acqua dal chiarificatore attraverso serbatoi riempiti con reti di frutteto (Figura 4). Il materiale di rete trattiene i solidi fini, consentendo l'evacuazione dell'acqua pulita dalla superficie. Altre opzioni per rimuovere i solidi sospesi sono borse a rete fine, calze da donna, cuscinetti filtranti e altri. Questi elementi possono ostruirsi rapidamente se i solidi sedimentabili non vengono efficacemente rimossi nei chiarificatori.

   

   Separazione meccanica: La separazione meccanica è la rimozione attiva dei solidi tramite uno schermo o un supporto (Lennard 2012).

   Questi filtri sono estremamente efficienti, rimuovendo solidi più grandi di 50 micron, con conseguente minor tempo speso per la pulizia e la manutenzione grazie alla loro comoda funzione di controlavaggio automatico. Esempi di questi filtri includono il filtro a tamburo (Figura 5a) e un filtro a sfere pressurizzato (Figura 5b).

   

   I filtri meccanici hanno un prezzo elevato, che spesso li rende proibitivi per i praticanti su piccola scala. Inoltre, essi richiedono conoscenze più avanzate per operare e sono difficili da ottenere nei paesi in via di sviluppo. Questo tipo di filtrazione sarebbe appropriato per un grande sistema acquaponico disaccoppiato o per quelli che concentrano la maggior parte delle loro operazioni sulla produzione ittica.

   • Fonte: Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Universita' statale del Kentucky. Manuale di produzione Aquaponics: un manuale pratico per i coltivatori. *

3. 2.3 Filtrazione biologica

   Original publication 2021 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   La filtrazione biologica si riferisce alla ripartizione dell'ammoniaca (NH3 e NH4+) in nitrito (NO2) e poi ulteriormente in nitrato (NO3) mediante batteri nitrificanti naturali. Questi batteri vivono sulla superficie dei media contenuti in un serbatoio, chiamato collettivamente biofiltro. Il processo di conversione dell'ammoniaca in nitrato sarà dettagliato nella sezione relativa alla qualità dell'acqua.

   In RAS, il biofiltro è progettato per funzionare a bassa pressione. C'è un serbatoio dedicato riempito con substrato come Kaldnes media, mezzi granulari, sfere di plastica o altri materiali inerti che hanno una grande superficie specifica o superficie del supporto per unità di volume. Più alta è la superficie specifica, più batteri possono crescere sui supporti, traducendo in una maggiore capacità di rimozione dell'ammoniaca. I progetti tipici dei biofiltri per RAS includono torri di sfiato, mezzi sommersi, letti fluidizzati, filtri a sabbia e filtri a letto statici. In acquaponica, il biofiltro può essere un'unità separata o parte del sistema. Nella coltura delle acque profonde (DWC), le pareti delle piante, i fondali delle zattere e le radici delle piante forniscono una superficie significativa per la colonizzazione dei batteri nitrificanti. A differenza del RAS, il sistema AP fornisce in genere un'ampia superficie per la colonizzazione dei batteri, in particolare per i sistemi accoppiati di dimensioni adeguate. Il sistema NFT (Nutrient Film Technique) (vedere la sezione seguente) è un'eccezione, in quanto solo un sottile strato di acqua viene applicato alle piante. Se il biofiltro è un'unità separata, dovrebbe essere posizionato dopo l'unità di rimozione dei solidi.

   • Fonte: Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Universita' statale del Kentucky. Manuale di produzione Aquaponics: un manuale pratico per i coltivatori. *

4. 2.4 Cultura vegetale o sottosistema idroponico

   Original publication 2021 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   

   La parte idroponica del sistema comprende la maggior parte dell'ingombro dell'impianto. Vengono utilizzati tre progetti primari: letti multimediali, cultura dell'acqua profonda (DWC) e NFT.

   sistemi basati su media: la progettazione di sistemi basati su supporti, talvolta chiamati flood-e-drain, è abbastanza semplice. Un contenitore riempito con substrato viene periodicamente inondato con acqua dall'acquario. L'acqua torna quindi alla coppa (o acquario) aspirando ossigeno nel substrato per le radici delle piante e i batteri nitrificanti. Il letto multimediale sostiene la pianta man mano che cresce e funge da filtro solido e biologico (Figura 6). A causa di relativamente pochi componenti e facilità di costruzione e funzionamento, questi sistemi sono popolari per gli hobbisti e nelle regioni in via di sviluppo. Tuttavia, è raro trovare una produzione commerciale utilizzando solo letti multimediali in quanto sono meno produttivi rispetto ad altri tipi discussi di seguito. La regola generale per i sistemi multimediali è dettagliata nella tabella 1.

   Tabella 1: Regole empiriche per i sistemi acquaponici basati su supporti.

   

   Una varietà di materiali può essere utilizzata come substrato, tra cui ghiaia di piselli, roccia lavica, ciottoli di argilla espansa o altri mezzi inerti; i praticanti possono essere limitati da ciò che è disponibile localmente. Il flusso d'acqua nel sistema è controllato da un timer o da un sifone. Utilizzando il metodo del timer, l'acqua viene pompata per un determinato periodo di tempo, consentendo al letto di riempirsi.

   Quando il timer si spegne, l'acqua si scarica fino a quando il timer non riattiva la pompa. Il metodo sifone viene spesso implementato utilizzando un sifone automatico a campana (Figura 7a) o un sifone ad anello (Figura 7b). In entrambi i metodi a sifone, la pompa funziona continuamente, controllando la velocità di riempimento e scarico del letto. Fox et al. (2010) fornisce istruzioni dettagliate dettagliate per la costruzione, il funzionamento e la risoluzione dei problemi di un sifone automatico a campana.

   

   I sistemi di filtraggio a flusso costante offrono un'alternativa al metodo «flood-and-drain». L'acqua pesantemente aerata scorre nel letto multimediale. Invece di un ciclo di allagamento e scarico, il livello dell'acqua rimane costante utilizzando un tubo di appoggio. Questo riduce drasticamente la dimensione della coppa necessaria per questo tipo di sistema di coltivazione.

   Deep Water Culture: Questo metodo di coltivazione prevede la sospensione delle piante in una zattera galleggiante, consentendo alle radici di pendere nell'acqua (Figura 8). Le radici delle piante sono in costante contatto con l'acqua ricca di nutrienti proveniente dall'acquario.

   Un'efficace filtrazione dei solidi è un requisito in questi sistemi per evitare che i solidi entrino nel letto della pianta e intasino le radici delle piante. L'aerazione deve essere fornita anche nelle vasche per mantenere adeguati livelli di ossigeno per le radici delle piante e i batteri benefici. Insieme alla loro grande capacità di ritenzione idrica che mantiene i parametri di qualità dell'acqua più stabili, la parte inferiore delle zattere e il rivestimento degli abbeveratoi forniscono spazio sufficiente per colonizzare i batteri nitrificanti. Il design stesso fornisce anche un cuscino contro le interruzioni di corrente, poiché le radici rimangono immerse nell'acqua nonostante la perdita di acqua o il flusso d'aria.

   Tabella 2: Regole empiriche per DWC in acquaponica.

   \ *L'eccezione è nelle prime fasi di vita in cui i pesci possono consumare il 5 -10% del loro peso corporeo negli alimenti al giorno.

   La coltura in acque profonde (DWC) è più produttiva (kg di prodotto/m2 di spazio di crescita) rispetto ai sistemi basati su supporti; tuttavia, può essere più difficile da gestire su scala ridotta. Questi sistemi sono ben studiati dall'industria idroponica e acquaponica e sono comunemente implementati in ambienti commerciali.

   Verdi e erbe a foglia verde, come il basilico, fanno bene in questo sistema di produzione. Colture fruttifere come pomodori, cetrioli e peperoni possono avere successo con adeguate densità di nutrienti e supporto strutturale. La tecnica DWC potrebbe non essere adatta per aree in cui l'accesso alle forniture o alle attrezzature è limitato. Le regole empiriche per DWC in acquaponica sono elencate nella tabella 2.

   Nutrient Film Technique: La tecnologia Nutrient Film Technique (NFT) proviene direttamente dall'industria idroponica. In questo metodo, le piante vengono inserite nella parte superiore dei canali orizzontali poco profondi. Un piccolo film d'acqua viene pompato attraverso il canale, entrando in contatto con le radici delle piante che utilizzano tali sostanze nutritive per la crescita (Figura 9). I sistemi NFT, come DWC, richiedono una filtrazione dei solidi sufficiente per prevenire la contaminazione delle radici delle piante. A differenza di DWC, i sistemi NFT necessitano di un filtro biologico separato, poiché il canale da solo non fornisce una superficie sufficiente per una crescita sufficiente dei batteri nitrificanti.

   Questi sistemi sono più complessi da progettare, costruire e gestire rispetto ai sistemi basati su supporti. Se i canali non sono dimensionati correttamente, le radici delle piante possono interrompere il flusso d'acqua intasando i tubi. Questo progetto presuppone un grado di rischio, poiché il guasto della pompa può causare grosse perdite di coltura se il flusso d'acqua non riprende rapidamente. Tuttavia, NFT può essere un ottimo sistema per aree urbane o tetti in quanto sono leggeri, utilizzano pochissima acqua e possono essere realizzati con materiali facilmente reperibili. Le regole empiriche per NFT in acquaponica sono elencate nella tabella 3.

   

   Tabella 3: Regole empiriche per l'NFT in acquaponica

   \ *L'eccezione è nelle prime fasi di vita in cui i pesci possono consumare il 5 -10% del loro peso corporeo negli alimenti al giorno.

   • Fonte: Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Università statale del Kentucky. Manuale di produzione Aquaponics: un manuale pratico per i coltivatori. *

5. 2.5 Cup

   Original publication 2021 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2021-04-22 · Kentucky State University

   Il pozzetto è il punto più basso del sistema e dove l'acqua si raccoglie per essere distribuita secondo necessità in tutto il sistema. Qui è possibile prelevare campioni di qualità dell'acqua e apportare modifiche senza travolgere i pesci o i componenti idroponici. Sebbene non sia un requisito, l'aggiunta di un pozzetto impedisce che il livello dell'acqua cambi sia nell'acquario che nella componente idroponica. In altri casi in cui vengono messe in atto misure di sicurezza, l'acquario o il componente idroponico può essere utilizzato come pozzetto.

   • Fonte: Janelle Hager, Leigh Ann Bright, Josh Dusci, James Tidwell. 2021. Universita' statale del Kentucky. Manuale di produzione Aquaponics: un manuale pratico per i coltivatori. *