CAPITOLO 4: Progettazione di impianti acquaponici (terza parte)

4.2.2 Filtrazione – meccanica e biologica
Filtrazione meccanica
Per un sistema a ricircolo, la filtrazione meccanica è senza dubbio l’
aspetto più importante del progetto. Dal punto di vista meccanico la filtrazione è la separazione e la rimozione di solidi in sospeso e degli scarti dei pesci dalle vasche. Eliminare questi rifiuti è essenziale  per la salute del sistema, perché altrimenti, se rifiuti solidi vengono fatti scomporre nelle vasche dei pesci, si sprigionerebbero gas nocivi rilasciati da batteri anaerobici. Inoltre i rifiuti possono intasare i sistemi e interrompere il flusso dell’acqua, causando condizioni anossiche ostili allo sviluppo delle radici.
I Sistemi acquaponici su piccola scala hanno in generale una densità di allevamento inferiore ai sistemi di allevamento del pesce a ricircolo tradizionali per i quali questi filtri meccanici sono stati originariamente concepiti, tuttavia un certo livello di filtrazione meccanica è essenziale anche per la vasche di allevamento del pesce in acquaponica, indipendentemente dal tipo di metodo idroponico utilizzato.
Esistono diversi tipi di filtri meccanici. Il metodo più semplice è uno schermo o filtro posto tra il serbatoio di pesce e i letti di crescita. Questo filtro cattura rifiuti solidi e deve essere risciacquato spesso.
Analogamente, l’acqua lasciando il serbatoio di pesce può passare attraverso un piccolo contenitore di materiale particellare, separato dal letto di crescita; questo contenitore è più facile da risciacquare periodicamente.
Entrambi questi metodi sono validi per alcuni sistemi acquaponici su piccola scala, ma sono insufficienti in sistemi più grandi, con più pesce, in cui la quantità di rifiuti solidi sia rilevante.
Ci sono molti tipi di filtri meccanici, vasche a sedimentazione, filtri a  flusso radiale, filtri a sabbia o perline ecc.. ciascuno di essi può essere utilizzato a seconda della quantità di rifiuti solidi che deve essere rimossa. Tuttavia, dal momento che questa pubblicazione si concentra sui sistemi acquaponici su piccola scala, vasche a sedimentazione e separatori meccanici, sono i filtri più appropriati.
Le vasche a sedimentazione, in generale, possono rimuovere fino al 60 per cento dei solidi totali. Per maggiori informazioni sui diversi metodi di filtrazione meccanica, consultare l’ulteriore sezione di lettura al termine di questa pubblicazione.
Separatori meccanici
Un separatore meccanico è un recipiente dedicato che utilizza le proprietà dell’acqua per
separare le particelle. Generalmente, l’acqua che si muove più lentamente non è in grado di trasportare molte particelle come acqua che scorre velocemente. Pertanto, il separatore è costruito in modo tale da accelerare e rallentare l’acqua in modo che le particelle si concentrino sul fondo e possano essere rimosse. In un separatore si crea una turbolenza, l’acqua dal serbatoio del pesce entra vicino al baricentro attraverso un tubo. Questo tubo è posizionato tangenzialmente al contenitore e costringe l’acqua a turbinare in un movimento circolare all’interno del contenitore. La forza centripeta creata dal movimento circolare dell’acqua costringe i rifiuti solidi in acqua al centro e sul  fondo del contenitore, perché l’acqua nel centro del vortice è più lenta di quella all’esterno. Una volta che ciò avviene i rifiuti sono raccolti sulla fondo. Un tubo attaccato al fondo del contenitore può essere aperto periodicamente, permettendo rifiuti solidi di essere estratti dal contenitore ed essere utilizzati per irrigare in maniera tradizionale. L’acqua ripulita esce dal separatore in alto ed entra nel  biofiltro o nei letti di crescita.
Le figure
mostrano esempi di semplici separatori meccanici per piccole e grandi unità.

Immagine 4.25

Diagramma di un separatore meccanico


Immagine 4.26

Separatore meccanico: immagine

Immagine 4.27

Separatore meccanico con diaframma

I rifiuti solidi intrappolati e rimossi contengono nutrienti e sono molto utili per le coltivazioni di tipo tradizionale o, in generale, per le piante da giardino. In linea guida generale, per gli impianti su piccola scala le dimensioni del separatore meccanico dovrebbero essere di circa un sesto del volume della vasca dei pesci  ma sulle dimensioni influiscono molti fattori quali la densità di stoccaggio dei persci il design delle vasche e del separatore stesso. L’appendice 8 conterrà istruzioni dettagliate, passo dopo passo per la costruzione di ogni parte di questi sistemi.
Una 
adeguata filtrazione meccanica preliminare è particolarmente importante per le unità NFT e DWC e serve per intercettare e rimuovere i rifiuti solidi. Senza questo processo preliminare, i rifiuti solidi in sospensione si accumulerebbero nei tubi di crescita delle verdure e nei canali e soffocherebbero le delle radici. L’accumulo di rifiuti solidi provoca intasamenti nelle pompe e dei componenti idraulici. Infine, come detto, i rifiuti non filtrati sono in grado di creare punti anaerobici del circuito che minacciano il sistema. Queste zone anaerobiche infatti possono portare allo sviluppo di batteri che producono acido solfidrico, un gas tossico e letale per i pesci, dovuto alla fermentazione dei rifiuti solidi. La presenza di zone anaerobiche pericolose spesso è rivelata da un odore di uova marce.


Biofiltrazione
La b
iofiltrazione è la conversione di ammoniaca e nitriti in nitrati effettuata ad opera di batteri viventi. La maggior parte
rifiuti dei pesci non è filtrabile utilizzando un filtro meccanico perché i rifiuti vengono sciolti direttamente nell‘acqua e la dimensione di queste particelle è troppo piccola per essere rimossa meccanicamente. Pertanto per di trattare questi rifiuti microscopici un sistema acquaponico utilizza batteri microscopici. La biofiltrazione è essenziale in quanto in acquaponica l’ammoniaca e i nitriti sono tossici anche a basse concentrazioni, mentre le piante hanno bisogno per crescere di nitrati. In un sistema acquaponico, il biofiltro è volutamente studiato per ospitare la maggior quantità possibile di batteri viventi. Inoltre, il movimento dell’acqua all’interno di un biofiltro sarà utile per abbattere i solidi molto fini non estratti dal separatore.
Una biofiltrazione separata non è invece necessaria nella tecnica di coltivazione su un letto di media (ad es argilla espensa) perché i grow bed stessi sono biofiltri perfetti.
Il biofiltro è progettato per avere una grande superficie alimentata con acqua ben ossigenata. Il biofiltro è installato tra il filtro meccanico e i contenitori nei quali avviene la coltura idroponica. Il volume minimo del biofiltro dovrebbe essere un sesto di quello della vasca del pesce.
La figura mostra un esempio di un biofiltro per un sistema di piccole dimensioni.Immagine 4.46.3
Il “mediom” comunemente usato nel biofiltro è Bioballs® un prodotto registrato disponibile nei  negozi di acquacoltura, vi sono anche delle marche generiche.

Immagine 4.29

Dettaglio delle componenti in plastica con ampia superfice per biofiltro

Questi prodotti sono progettati  per essere un materiale ideale biofiltro perché  costituiti da piccoli elementi di plastica sagomata che hanno una superficie molto grande rispetto al loro del volume (500-700 mq / m³). Altri media possono essere usati come biofiltro, tra cui ghiaia vulcanica, i tappi delle bottiglie di plastica, ecc…
Ogni biofiltro deve comunque avere un alto rapporto di superficie in relazione al propirio volume, essere inerte ed essere facile da risciacquare.
Le
Bioballs® hanno quasi il doppio della superficie in rapporto in volume rispetto al lapillo vulcanico, ed entrambi hanno una rapporto superiore a tappi di bottiglie di plastica. E’ è importante riempire il contenitore del biofiltro al massimo possibile , ma anche in questo modo la superficie fornita dai media potrebbe non essere sufficiente a garantire un adeguata biofiltrazione è bene pertanto sovradimensionare biofiltro durante la costruzione iniziale, ma sapendo che, se necessario, dei biofiltri secondari potrenno essere essere aggiunti in seguito. I biofiltri di tanto in tanto bisogno di essere agitati per evitare gli intasamenti, cosi pure come di essere risciacauqti per non venire intasati dai rifiuti solidi che possono creare una zona anossica. Il capitolo 8 l’allegato 4 conterranno  ulteriori informazioni sui requisiti di dimensione di biofiltrazione per gli impianti di piccola scala.
Un altro “ingrediente” richiesto per biofiltro è l’aerazione. I batteri nitrificanti necessitano di un’adeguato accesso a ossigeno per ossidare l’ammoniaca. Una soluzione semplice è quella di utilizzare una pompa ad aria, mettendo delle pietre porose collegate ad un areatore sul fondo del contenitore. Questo assicura che i batteri abbiano costantemente un’elevata concentrazione di ossigeno disciolto. Le pompe ad aria possono anche contribuire ad abbattere qualsiasi
rifiuto solido o sospeso non catturato dal separatore meccanico agitando e in continuo movimento le Bioballs® galleggianti. Per intrappolare ulteriori solidi all’interno biofiltro, è anche possibile inserire un piccolo secchio di plastica cilindrica con una rete di nylon (come Perlon®), o delle spugne all’ingresso del biofiltro.

Immagine 4.30

Biofiltro con filtrazione meccanica addizionale

I rifiuti vengono intrappolati da questo filtro meccanico secondario, permettendo all’acqua di fluire oltre attraverso piccoli fori praticati sul fondo del secchio nel contenitore biofiltro.

Mineralizzazione
La m
ineralizzazione, dal punto di vista dell’acquaponica, si riferisce al modo in cui sono trattati rifiuti solidi e vengono metabolizzati dai batteri in sostanze nutritive per le piante. I rifiuti solidi che sono intrappolati dal filtro meccanico contiengono sostanze nutritive; anche se l’elaborazione di questi rifiuti è diversa dalla biofiltrazione che richiede di essere trattata a parte.
Mantenendo i solidi all’interno del sistema complessivo si incrementano le sostanze nutritive a disposizione delle piante. I rifiuti che rimangono nei filtri meccanici, nei biofiltri o nei letti di crescita sono sottoposti ad alcuni processi di mineralizzazione. Lasciando i rifiuti in luogo più a lungo si consente una maggiore mineralizzazione. Tuttavia, questa stessa componente di rifiuti solidi, se non adeguatamente gestita e mineralizzata, bloccherà il flusso d’acqua, consumando ossigeno e portando a condizioni anossiche, che a loro volta produrranno pericoloso gas acido solfidrico. Alcuni sistemi di grandi dimensioni quindi lasciano deliberatamente i rifiuti solidi all’interno dei filtri, garantendo un adeguato flusso di acqua e di ossigenazione, in modo che venga rilasciatoun massimo di sostanze nutritive. Tuttavia, questo metodo è poco pratico per NFT artigianali e sistemi DWC.
Se si decide di deliberatamente “mineralizzare” questi solidi, ci sono modi semplici per aiutare i batteri nell’azione in un contenitore separato, semplicemente  con adeguata ossigenazione attraverso aria diffusa da pietre porose. Dopo un certo tempo, i rifiuti solidi saranno consumati, metabolizzati e trasformati da batteri eterotrofi. A questo punto, l’acqua può confluire nuovamente al sistema acquaponico e i rifiuti residui, che saranno diminuiti di volume, possono essere aggiunti al terreno.
In alternativa, questi rifiuti solidi possono essere subito separati, rimossi e aggiunti a qualsiasi terreno agricolo, giardino o compost come un prezioso
fertilizzante. Tuttavia, esatrarre subito questi nutrienti dal sistema può essere la causa di carenze nelle piante che possono quindi richiedere l’integrazione di nutrienti (vedi Capitolo 6) .
Una soluzione di compromesso può essere quella di utilizzare un grow bed (ad es argilla espansa o lapillo) per una combinazione di filtrazione meccanica e biologica.
È anche possibile usare una combinazione un grow bed per meccanica e biofiltrazione seguita da un sistema NFT e/o unità DWC

Immagine 4.31

Combinazione di media bed con filtrazione meccanica

Immagine 4.32

Sistema media bed usato per filtrare una coltivazione DWC

 Questo può essere importante dove non vi è la possibilità avere i materiali necessari per realizzare un separatore a turbolenza e/o un biofiltro separato. Ne discuteremo più ampiamente nel Capitolo 8, qui è sufficiente dire che per ogni 200 g di mangime per pesci al giorno io biofiltro avere un volume di 300 litri. Il piccolo filtro di ghiaia che vedete nell’immagine superiore è in grado di fornire un’adeguata biofiltrazione per circa 20 kg di pesce. Anche se questo grow bed sarebbe adeguato fornire un’adeguata biofiltrazione per un NFT o un’unità DWC nonché catturare e trattenere i rifiuti solidi, un ulteriore dispositivo di cattura di rifiuti solidi inserito nel letto è a volte consigliato per evitare che a lungo andare grow bed si otturi con solidi prodotti dai pesci. In definitiva poichè anche i letti dovrebbero essere risciacquati periodicamente per rimuovere i rifiuti solidi è in ogni caso meglio prevedere delle filtrazioni meccaniche di facile manutenzione a monte dei grow bed.
In sintesi:
un certo livello di filtrazione è essenziale per tutti i sistemi acquaponici la quantità di pesce stoccato, la tipologia di sistema determinano la quantità di filtrazione necessaria. I filtri meccanici separano rifiuti solidi per evitare accumuli tossici e convertono attraverso la biofiltrazione le scorie azotate disciolte in nitrato.

Immagine 4.33

Diagrama di un separatore meccanico di solidi connesso con un biofiltro

Immagine 4.34

Gli stessi grow bed agiscono sia come filtri meccanici e biofiltri quando si usa questa tecnica, ma una filtrazione meccanica aggiuntiva è a volte necessaria per elevate densità di pesce (15 kg / m3).
Senza i grow bed, come ad esempio in unità NFT e DWC, la filtrazione è sempre necessaria.

La mineralizzazione dei rifiuti solidi restituisce al sistema una maggiore quantità di sostanze nutritive. La mineralizzazione si verifica naturalmente nei grow bed, ma all’interno NFT e Sistemi DWC deve essere predisposta in contenitori separati.
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