Trattamenti delle acque in acquaponica
L’acquaponica mette in atto un ricircolo idrico ed è pertanto necessario monitorare costantemente i parametri di qualità delle acque, al fine di preservare il benessere delle specie ittiche e la crescita delle piante. Nei sistemi acquaponici su piccola scala, come quelli domestici, la qualità dell’acqua di ricircolo viene assicurata dalla semplice azione depurativa che le piante esercitano su di essa, chiamata “fitodepurazione” \cite{Orozco_Mosqueda_2018}. Tuttavia, nei sistemi acquaponici su grande scala, come quelli commerciali, in cui la densità di allevamento delle specie acquatiche è molto elevata, la fitodepurazione non può compensare da sola la cospicua produzione di rifiuti fecali dei pesci. Infatti si producono grandi quantità di rifiuti solidi: per ogni kg di mangime, i pesci producono 0,25 kg di solidi fecali al giorno \cite{Wei_2019}. In secondo luogo, la maggior parte dei pesci assimila solo il 30-40% del cibo digerito, mentre il 60-70% è rilasciato come scarto, di cui il 50-70% è disperso sotto forma di ammoniaca, e i rifiuti restanti sono un mix organico di proteine, carboidrati, grassi, vitamine e minerali \cite{2014} .
Per queste ragioni è essenziale ingegnerizzare il ciclo acquaponico con un’apposita filiera di trattamento delle acque reflue. Le principali unità di trattamento sono il filtro meccanico, per la rimozione dei solidi sospesi e/o sedimentabili, e il filtro biologico, per l’ossidazione dei solidi disciolti. Tuttavia la notevole diversificazione tra gli impianti acquaponici nel mondo impedisce di stabilire una prassi esclusiva ed unitaria per il trattamento delle acque, e alcune tecnologie innovative stanno superando quelle tradizionali.
Il primo trattamento è la rimozione dei solidi, la cui decomposizione potrebbe causare condizioni critiche per la salute dell’ecosistema \cite{Pfeiffer_2008}. Occorre rimuovere i solidi sedimentabili per mezzo di separatori meccanici come le vasche di sedimentazione (conica, a vortice, a flusso radiale, a pianta rettangolare), e la porzione sospesa attraverso i filtri meccanici automatizzati(a griglia, a tamburo, a dischi).
Successivamente avviene il processo biologico all’interno dei biofiltri, ovvero dispositivi che facilitano la colonizzazione batterica per l’ossidazione della sostanza organica \cite{Buzby_2014}. Si tratta di un processo a “colture adese” poiché i batteri nitrificanti, come Nitrosomonas e Nitrobacter, agiscono metabolicamente solo se aderiscono ad un substrato di supporto, fisso o mobile. In questo modo le colonie batteriche formano una pellicola biologica, chiamata “biofilm”, che permane sul biofiltro finché non intervengono fenomeni metabolici che ne causano il distacco. Nel caso in cui il biofiltro sia correttamente progettato, la nitrificazione può ossidare fino al 95% dell’azoto ammoniacale \cite{2014} . Attualmente i biofiltri più diffusi sono: biofiltri percolatori, biofiltri MBBR (moving bed biofilters) e biofiltri a letto fluido.
Nuove tecnologie di trattamento
L’attività sperimentale, ha permesso di testare l’efficacia di nuove tecnologie di trattamento delle acque all’interno dei sistemi acquaponici, realizzando un confronto empirico con un sistema acquaponico convenzionale. Il set up sperimentale ha previsto l’installazione di due sistemi acquaponici in parallelo con allevamento di Tilapia e produzione di lattuga. Le tecnologie implementate sono: un trattamento MBR (membrane bioreactor) e un processo di ossidazione avanzata (advanced oxidation processes AOPs) con ozono e raggi UV per la disinfezione del refluo.
Il trattamento MBR è stato attivato con l’ausilio di una membrana dinamica auto-formante SFD-M (self forming dynamic membrane). Le membrane auto-formanti sono prodotte dalla deposizione di composti organici, colloidi e solidi sospesi sul materiale di supporto \cite{Mohan_2020,Millanar_Marfa_2021}. Si tratta di una tipologia unica nel suo genere che sfrutta i contaminanti per creare uno strato di filtrazione \cite{veral2016}. Le membrane possono rimuovere le particelle più piccole (0,001-35 µm) \cite{Naddeo_2020},\cite{Naddeo_2020a} che sfuggono alle tradizionali tecnologie filtranti: i separatori a vortice e le vasche di sedimentazione, riescono a trattenere solo particelle solide con diametro maggiore di 100 µm, mentre i separatori meccanici a griglia e a tamburo possono arrivare ad un minimo di 30 µm \cite{Wang_2016}. Il tempo impiegato per la formazione della membrana può variare da pochi minuti ad alcuni giorni, in base alla grandezza dei pori del materiale di supporto, alle dimensioni dei solidi in soluzione, alle caratteristiche del fango e alle condizioni operative \cite{Mohan_2020,Pervez_2020}.
Il funzionamento della membrana non è sempre ottimale nel tempo a causa del graduale ricoprimento del substrato poroso da parte del refluo in trattamento \cite{Prado_2017,Borea_2019}. Quest’ultimo fenomeno è noto come fouling e può essere attribuito sia alla precipitazione di composti inorganici poco solubili che ad inevitabili manifestazioni biologiche generate da colonie microbiche che interagiscono con la membrana \cite{belgiorno2013}. Questi sistemi presentano i seguenti vantaggi rispetto ai convenzionali MBR: flusso elevato e bassa resistenza alla filtrazione, facile controllo del fouling, costi e dispendio energetico ridotti, e facile manutenzione \cite{Xiong_2016}.
In secondo luogo, i processi di disinfezione mirano a ridurre le contaminazioni fecali per il consumo umano, attraverso l'uccisione e l'inattivazione dei microganismi patogeni (virus e batteri)\cite{Corpuz_2020} \cite{2014a}. In particolare, i processi di ossidazione avanzata (AOPs) conseguono un duplice risultato: degradazione di inquinanti organici e simultanea disinfezione \cite{Naddeo_2012}\cite{Borea_2018} \cite{Patton_2018}. Negli impianti acquaponici il rischio di contaminazione fecale da Escherichia Coli è relativamente basso ma permane nel caso in cui si utilizzi acqua di scarsa qualità, o nel caso di diretto contatto con gli scarti fecali di animali a sangue caldo \cite{Al_Harbi_2003}.
Conclusioni
Sulla base dei dati raccolti è stata dimostrata l'efficacia dei trattamenti implementati. In primo luogo, il trattamento di filtrazione biologica ha potenziato la nitrificazione batterica per elaborare i solidi disciolti e aumentare la produzione dei nutrienti indirizzati alle colture. In secondo luogo, il trattamento chimico-fisico di ha dimostrato un tasso di abbattimento elevato della carica patogena. I risultati ottenuti nella presenta attività sperimentale si inseriscono nel contesto più ampio della continua ricerca sugli impianti acquaponici per la sostenibilità ambientale, sociale ed economica.