Processo e progettazione dei parametri del Sistema di Acquacoltura a Ricircolo Industrializzato a Terra (RAS) (Parte 3): Parametri di Qualità dell'Acqua

Parametri di Qualità dell'Acqua in Ricircolo

Gli standard di qualità dell'acqua e i parametri di progettazione costituiscono la base per il progetto e la gestione operativa dei sistemi di trattamento dell'acqua in ricircolo. Di seguito sono riportati diagrammi di riferimento e parametri comunemente utilizzati dal  Team di Ingegneria :

1. Progettazione del Sistema di Rimozione delle Particelle Solidificate

I Solidi Sospesi Totali (TSS) vengono comunemente utilizzati come parametro per misurare la materia particolata solida nei Sistemi d'Aquacoltura in Circolo (RAS). Si riferisce principalmente alla quantità totale di particelle solide con una dimensione superiore a 1 micron in un'unità d'acqua. Nel sistema di acqua circolante, i TSS includono feci di pesce, esche residue, floccoli biologici (batteri morti e vivi), ecc. La dimensione di queste particelle sospese varia notevolmente, da livello micrometrico a centimetrico. La materia particolata sospesa può influire direttamente sulla salute e sulla crescita dei pesci (soprattutto quelli d'acqua fredda) e aumentare il carico sui biofiltri. Pertanto, è necessario mantenere la concentrazione di particelle sospese nell'acqua circolante entro limiti ragionevoli.

In alcuni paesi dell'UE, nei sistemi di Acquacoltura in Recircolo (RAS), il controllo delle particelle sospese è relativamente rigido. Ad esempio, per i corpi d'acqua utilizzati nei sistemi di Acquacoltura in Recircolo (RAS), la concentrazione di particelle sospese (misurata tramite solidi sospesi totali TSS) viene generalmente mantenuta al di sotto dei 15 mg/L per garantire una buona qualità dell'acqua e un ambiente ecologico adeguato.

Gli Stati Uniti hanno inoltre normative sulla qualità dell'acqua nei settori dell'acquacoltura e del trattamento delle acque. Nei sistemi di Acquacoltura in Recircolo (RAS), il contenuto di particelle sospese (convertito tramite turbidità e altri indicatori correlati) ha anche limitazioni specifiche. L'intervallo ideale per la concentrazione di particelle sospese è compreso tra 8-12 mg/L, utilizzato per garantire la sopravvivenza e la riproduzione degli organismi acquatici.

Nell'attuale funzionamento del sistema di Acquacoltura a Ricircolo (RAS) basato su fabbrica in Cina, generalmente è richiesto di mantenere la concentrazione di particelle sospese (solidi sospesi SS) al di sotto dei 10 mg/L. Per alcune specie preziose che richiedono alta qualità dell'acqua, come il salmone, è persino necessario controllarla al di sotto dei 5 mg/L.

2. Parametri di Rimozione dei Contaminanti Disciolti

La solubilità nell'acqua include sostanze inorganiche disciolte e sostanze organiche disciolte. Tra queste, le sostanze nocive disciolte nell'acqua sono principalmente l'ammoniaca (NH3-N) e l'azoto nitrito (NO2--N). L'ammoniaca può entrare nel sangue attraverso le branchie e la pelle dei pesci, alterando il loro ciclo tricarbossilico normale, modificando la loro pressione osmotica e riducendo la loro capacità di assorbire ossigeno dall'acqua, influenzando così la loro crescita e sopravvivenza normali.

Il biofiltro di nitrificazione a membrana fissa comunemente utilizzato nei sistemi di Acquacoltura in Ciclo Chiuso (RAS) è la comunità batterica di conversione del biossido di azoto che cresce sulla superficie di un determinato materiale di riempimento biologico, e il biossido di azoto viene trasferito al biofilm fisso attraverso diffusione e convertito. Lo scopo principale della progettazione del processo del filtro biologico è garantire che il filtro abbia un numero sufficiente di batteri nitrificanti per rimuovere il biossido di azoto escretato dai pesci, mantenere la concentrazione di biossido di azoto nel sistema di acquacoltura all'interno dell'intervallo prestabilito e garantire la sicurezza e la crescita efficace dei pesci.

2.1 Controllo del Biossido di Azoto (NH₃-N)

L'azoto ammoniacale è uno dei principali inquinanti disciolti nell'acqua nei sistemi di Acquacoltura a Ricircolo (RAS). Deriva principalmente dagli escrementi e dal cibo residuo degli organismi allevati. Concentrazioni elevate di azoto ammoniacale possono essere tossiche per gli organismi allevati, influenzando la loro crescita, l'immunità e la capacità riproduttiva. Nei biofiltri, la rimozione dell'azoto ammoniacale dipende principalmente dalla nitrificazione da parte di microorganismi come le batterie nitrificanti, che trasformano l'azoto ammoniacale in nitrito e nitrato.

Quando si progetta un biofiltro, è necessario considerare una superficie e un volume sufficienti del materiale filtrante per fornire abbastanza spazio perché le batterie nitrificanti crescano e si riproducano. Nello stesso tempo, è necessario controllare il carico di ammoniaca azotata nel flusso entrante e evitare che concentrazioni eccessive di ammoniaca azotata impattino sul filtro biologico. Ad esempio, la concentrazione di ammoniaca azotata nel flusso entrante può essere ridotta utilizzando una macchina per il somministrazione automatica del cibo e adottando una strategia di alimentazione a piccole dosi e pasti multipli. Determinare la concentrazione ammissibile di ammoniaca azotata per il biofiltro in base alla tolleranza all'ammoniaca e alla densità di allevamento degli organismi allevati. In generale, per la maggior parte dei pesci d'acqua dolce, la concentrazione totale di ammoniaca azotata dovrebbe essere mantenuta al di sotto di 1 mg/L, e l'ammoniaca non ionica non deve superare i 0,025 mg/L.

2.2 Controllo del nitrito (NO₂⁻-N)

Il nitrito è inoltre un parametro della qualità dell'acqua che deve essere monitorato attentamente nel sistema di Acquacoltura in Ricircolo (RAS). È un prodotto intermedio nel processo di nitrificazione dell'azoto ammoniacale ed è altresì tossico per gli organismi d'acquacoltura. Il nitrito può influire sul trasporto di ossigeno nel sangue degli organismi allevati, causando sintomi di ipossia come ansimare, galleggiamento e persino la morte.

Nella progettazione, è necessario assicurare che il biofiltro possa convertire efficacemente il nitrito in nitrato. Ciò richiede di mantenere l'attività dei batteri denitrificanti nel biofiltro e fornire loro condizioni ambientali adatte, come un livello adeguato di ossigeno dissolto. Generalmente, si richiede di mantenere la concentrazione di nitrito sotto i 0,5 mg/L.

2.3 Considerazioni sull'acquacoltura in acqua salata

La salinità dell'acqua di mare è relativamente alta, contenendo vari ioni come ioni di sodio (Na ⁺ ), ioni di cloro (Cl ⁻ ), ioni di magnesio (Mg ² ⁺ ) e ioni di calcio (Ca ² ⁺ ), ecc. Gli organismi dell'acquacoltura marina hanno sviluppato sistemi complessi di regolazione ionica durante la loro adattamento a lungo termine agli ambienti ad alta concentrazione di sale. Quando il nitrito entra negli organismi marini, questi possono alleviare parzialmente gli effetti fisiologici del nitrito utilizzando il proprio sistema di regolazione ionica. Nell'Aquacoltura a Ciclo Chiuso (RAS), gli ioni cloruro (Cl -) possono ridurre la tossicità del nitrito (NO2-) sugli organismi d'acquacoltura attraverso l'inibizione competitiva. In particolare, sia gli ioni cloruro che il nitrito devono entrare nel corpo dei pesci attraverso le cellule cloride presenti sulle lamelle branchiali. La presenza di ioni cloruro aumenta la difficoltà per il nitrito di penetrare nel corpo del pesce, riducendone così la tossicità. In generale, quando la concentrazione di ioni cloruro nell'acqua è sei volte quella del nitrito, può inibire efficacemente la tossicità del nitrito sugli organismi d'acquacoltura. Rispetto all'acquacoltura in acque dolci, l'acquacoltura in acque salate presenta minori rischi tossici da parte del nitrito, il che è correlato alla maggiore concentrazione di ioni cloruro nell'acqua di mare. Pertanto, nel sistema di Aquacoltura a Ciclo Chiuso (RAS), regolando salinità in modo appropriato, è possibile ridurre efficacemente la tossicità del nitrito e proteggere la salute e sicurezza degli organismi d'acquacoltura.

3. Ossigeno Dissolto (DO)

In un sistema di Acquacoltura in Ricircolo (RAS), l'ossigeno dissolto (DO) è un parametro chiave della qualità dell'acqua. I pesci e altri organismi acquatici assorbono l'ossigeno dissolto dall'acqua attraverso la respirazione branchiale per mantenere la loro attività metabolica. La concentrazione di ossigeno dissolto necessaria per la crescita normale della maggior parte dei pesci d'acqua calda è generalmente intorno a 5-8 mg/L. Quando la concentrazione di ossigeno dissolto scende al di sotto del livello critico, la respirazione degli organismi acquatici sarà inibita, il tasso di crescita rallenterà, l'immunità diminuirà e saranno più suscettibili alle infezioni da malattie. Per esempio, quando l'ossigeno dissolto scende sotto i 2 mg/L, molti pesci mostreranno il fenomeno della 'testa alzata', e una prolungata esposizione a bassi livelli di ossigeno dissolto può portare alla morte dei pesci.

In un Sistema di Acquacoltura a Ricircolo (RAS), si consiglia di mantenere l'ossigeno dissolto tra 8-10 mg/L. Un livello più alto di ossigeno dissolto è benefico per aumentare i livelli di alimentazione e ridurre i rapporti di conversione del mangime.

4. Controllo del pH

In un sistema di Acquacoltura a Ricircolo (RAS), il intervallo di pH adatto per i pesci è generalmente compreso tra 7.0-8.5. Per esempio, la maggior parte dei pesci d'acqua dolce cresce bene in ambienti con pH compreso tra 7.2-7.8. Questo è dovuto al fatto che, all'interno di questo intervallo di pH, le funzioni fisiologiche dei pesci, come la respirazione e la regolazione dell'osmoticità, possono essere svolte in modo relativamente normale. Lo scambio di gas avviene attraverso le branchie, e l'acidità o l'alcalinità appropriata nell'acqua facilita il processo di scambio normale di ossigeno e anidride carbonica.

Per l'allevamento di gamberi, come ad esempio il gambero bianco sudamericano, il intervallo di pH adatto è circa 7,8-8,6. Ciò dipende dalla struttura fisiologica e dalle caratteristiche di attività dei crostacei, che li rendono più adattabili a ambienti con un pH leggermente più alto. Un pH adeguato è benefico per la crescita durante la muta dei gamberi.

Tuttavia, durante il processo di Sistema di Acquacoltura in Ricircolo (RAS), il valore di pH diminuirà continuamente man mano che procede l'allevamento, ed è necessario regolare il valore di pH dell'acqua. Si può utilizzare un dispositivo automatico per l'aggiustamento del pH. Regola automaticamente il valore di pH del corpo d'acqua in base ai dati del sensore di pH.