TECNOLOGIE PER L ACQUACOLTURA

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1 Scuola di specializzazione in: Allevamento, igiene, patologia delle specie acquatiche e controllo dei prodotti derivati TECNOLOGIE PER L ACUACOLTURA PROF. MASSIMO LAZZARI Anno accademico Le strutture per i sistemi di allevamento aperti a canalette Raceway systems Aspetti costruttivi: Dimensionamento delle canalette Calcolo del flusso idrico ualità dell acqua Tipologia delle strutture Aspetti impiantistici: Sistemi di alimentazione Sistemi di ossigenazione Selezione del pesce Pulizia delle canalette, ecc. 1. Per questo sistema si farà specifico riferimento all allevamento della trota 2. Definizioni e generalità 3. Dimensionamento geometrico delle strutture 4. Calcolo del flusso di ricambio dell acqua 1. Definizioni e generalità Canaletta ( raceway ) Le canalette sono manufatti in cui i pesci vengono allevati in acqua corrente, cioè con elevato flusso d acqua. L allevamento della trota viene generalmente e tipicamente effettuato in sistemi a canaletta. circa 2000 l/min (120 m 3 /h) 1

2 circa cm di salto corrente di circa 0,03 m/s 2

3 Produzione specifica annua circa 5,3 kg / l. min. anno Es. se il flusso è 380 l/min, allora la produzione prevista di trote risulta 2280 kg/anno. 1 cfs 1700 l/min Carico specifico 2 kg / l. min Densità di allevamento kg / m 3 Trote lbs./cfs/year 5,3 kg per l/min all anno Carico specifico lbs./cfs 1,9 kg per l/min Densità allevamento - 3-7,5 lbs./cf kg/m 3 Flusso idrico Vivaio 200 to 400 l/m minimo in funzione dell allevamento da rifornire la minima fornitura di uova determina il minimo flusso d acqua richiesto Allevamento 5-9 kg p.v. raccolto per l/m di acqua flussata Vari fattori possono limitare la capacità produttiva ualità dell acqua Range di temperatura ottimale 12º - 18ºC Livelli di ossigeno, minimo 7 mg/l all immissione ph Free CO 2 < 20 mg/l Alcalinità totale mg/l Primissime fasi di allevamento in vasche poco profonde nel vivaio Inizio alimentazione, 7-10 giorni post- schiusa Trasferimento in raceway alla taglia di 7-8 cm Allevamento primi stadi 3

4 Sistemi di alimentazione Selezione del pesce Hand feeding Timer operated feeders Demand feeders Blower/other mechanical La selezione può avvenire 2-4 volte durante il ciclo di allevamento Uniformità delle taglie Miglioramento performance Aderenza alle richieste di mercato Accrescimento previsto Prevedere il momento di immissione sul mercato Esempio: inizio 7.5 cm (4.5g), taglia commerciale 33 cm (450g) Temp. 12ºC 15ºC 18ºC 21ºC Days to market Potenziali cause (tecniche) di perdita Malattie Predazione Inondazioni/siccità Interruzione del flusso ualità dell acqua scadente Furti/vandalismi Dimensionamento delle canalette Dimensionare un sistema di allevamento tipo raceway significa stabilire una quantità minima di acqua di ricambio compatibile con la produzione di pesce che si intende ottenere e calcolare il volume e le dimensioni delle vasche di allevamento. In questa sede si propone un dimensionamento progettuale che procede secondo le seguenti tappe: Densità di allevamento (kg/m3) Densità di allevamento Densità di allevamento carico zootecnico (quanto pesce nell unità di volume) D L 3,16. L (kg/m 3 ) da 10 a 60 cm da 30 a ca. 200 kg/m 3 Lunghezza del pesce (cm) Altre fonti: D C kg/m 3 (Westers, Michigan) D C kg/m 3 (Norvegia) D C 120 kg/m3 (p.v. > 50 g) 4

5 Flusso idrico di sicurezza Il flusso d acqua che deve essere mantenuto nelle canalette è influenzato da: densità di allevamento del pesce (kg di p.v./m 3 di acqua) o meglio da: carico specifico del pesce (kg di p.v./litro di acqua immesso. minuto) La teoria Se si vuole mantenere una concentrazione ottimale di un elemento x è necessario che il flusso d acqua sia sufficientemente grande da immettere (o da asportare) la quantità di elemento x prodotta +Px (o consumata -Px ). Ciò si può calcolare con la seguente relazione generale: Cx in ±Px Cx out Infatti, in funzione del carico specifico del pesce, il flusso d acqua deve garantire, nel sistema di allevamento, il mantenimento di: livelli di O 2 superiori alla soglia minima, livelli di NH 3 inferiori alla soglia massima. flusso d acqua l/min Cx concentrazione dell elemento x mg/l ± Px produzione (o consumo) dell elemento x mg/h ± Px mg/h l/min (Cx in - Cx out ) 60. mg/l Esempio: x O 2 Cx in - Px Px è negativo perché l ossigeno viene consumato dal pesce, Cx in deve essere almeno uguale alla soglia minima di ossigeno, Cx out deve essere sufficiente grande da immettere la quantità di ossigeno che il pesce consuma, Cx out risulterà almeno uguale alla soglia minima di ossigeno solo se la portata è stata correttamente dimensionata. Esempio: x NH 3 Cx in + Px Px è positivo, perché l ammoniaca viene prodotta nel sistema, Cx in deve essere la più bassa possibile, Cx out deve essere sufficiente grande da asportare la quantità di ammoniaca che viene prodotta dalla canaletta, Cx out risulterà inferiore alla soglia massima di ammoniaca solo se la portata è stata correttamente dimensionata. La procedura empirica Per la verità, la procedura teorica di calcolo del flusso idrico di sicurezza non viene utilizzata nella pratica. Sono stati, invece, proposti dei metodi empirici di calcolo che mirano direttamente alla determinazione del Carico specifico di pesce. Il carico specifico di pesce può quindi essere calcolato sulla base, da un lato, del livello minimo di ossigeno ( carico di pesce non-limitato dall ossigeno ) e dall altro del livello massimo di ammoniaca ( carico di pesce non-limitato dall ammoniaca ). Carico specifico di pesce non limitato dall ossigeno Il livello di ossigeno da mantenere è in stretta relazione al consumo alimentare, infatti esiste la seguente formula empirica per calcolare il carico specifico. Cs O2 O 2 F Cs O 2 carico specifico di pesce non-limitato dall ossigeno (kg p.v./l. min) deficit di ossigeno (mg/l) livello alimentare (% p.v.) 1 2,44 O 2,20 F (per ossidare 1 kg di alimento sono necessari 220 g di O 2 ) 5

6 Il livello massimo di ossigeno all ingresso è funzione di numerose variabili (es. temperatura, altitudine, pressione atmosferica, salinità, ecc.). Il livello minimo di ossigeno all uscita, per le trote è bene non sia inferiore a 5 mg/l. ca. 1 kg/l. min 4 mg/l Es. O 2 in 9 mg/l, O 2 out 5 mg/l Carico specifico di pesce non limitato dall ammoniaca Il livello di ammoniaca non ionizzata da mantenere è in stretta relazione al deficit di ossigeno, infatti esiste la seguente formula empirica per calcolare il carico specifico. Cs NH3 NH 3 -N O 2 Cs NH 3 NH3 N O a carico specifico di pesce non-limitato dall ammoniaca (kg p.v./l. min) concentrazione critica per l ammoniaca indissociata (µg/l) concentrazione progettuale consigliata 12,5 µg/l deficit di ossigeno inlet - outlet (mg/l) a ammoniaca non ionizzata sull azoto ammoniacale (%) 2 La percentuale di ammoniaca non ionizzata rispetto all azoto ammoniacale totale è funzione principalmente di ph e temperatura: ph % NH 3 ph % NH 3 T % NH 3 Es. NH 3 non ionizzata < 0,02 mg/l NH 3 totale < 1,0 mg/l a < 2% (livelli massimi per la maggior parte dei pesci allevati) A questo punto è possibile calcolare facilmente il flusso idrico di sicurezza, conoscendo la quantità di pesce che si vuole allevare in una canaletta. Vale, infatti, la seguente relazione: s p.v. Cs p. v. s C flusso, o portata d acqua (l/min) peso vivo nella canaletta (kg) carico specifico di pesce (kg p.v./l. min) s Tra i due valori trovati di carico specifico di pesce (non limitato da ossigeno e da ammoniaca), si dovrà scegliere quello più limitante, cioè quello inferiore. Nella maggior parte dei casi il carico specifico di pesce basato sull ossigeno risulterà inferiore, ma questo non esime comunque dal calcolare anche quello basato sull ammoniaca. 6

7 Esempio Calcolare il flusso idrico ed il ricambio d acqua necessari in una canaletta in cui vengono allevate 10 t di trote, considerando: deficit di ossigeno 3 mg/l livello alimentare 2% p.v. concentrazione critica di ammoniaca non ionizzata 12,5 µg/l ammoniaca non ionizzata/ammoniaca totale 1% C. Flusso d acqua necessario nella canaletta: Tra i due valori precedentemente trovati viene scelto il carico specifico di pesce calcolato sulla base dell ossigeno, cioè 1,0 kg p.v./l. min, quindi: p.v l/min (cioè 600 m 3 /h) Cs 1 A. Carico specifico di pesce sulla base dell ossigeno: 1,44. O 2 1,44. 3 Cs O ,0 kg/l. min 2,20. F 2,20. 2 B. Carico specifico di pesce sulla base dell ammoniaca: NH 3 -N 12,5 Cs NH ,2 kg/l. min O. 2 a 3. 1 Tempo di ritenzione idraulica Il tempo di ritenzione idraulica rappresenta il tempo impiegato per effettuare un rinnovo completo del volume d acqua presente nel raceway. Viene quindi calcolato sulla base della produzione di pesce prevista, della densità di allevamento del pesce e della portata d acqua: tutti parametri che sono già stati definiti. uindi vale la seguente: Dt p.v. DL p. v. t D L tempo di ritenzione idraulica (h) peso vivo allevato ovvero produzione prevista (kg) densità di allevamento (kg/m3) flusso d acqua di ricambio (m3/h) Ricambio idrico Sempre partendo dal carico specifico di pesce (Cs) è possibile calcolare anche il ricambio idrico di sicurezza nella canaletta (Rs): D 0,06 Rs C Rs ricambi del volume d acqua (numero di ricambi/ora) D densità di allevamento (kg p.v./m3) 0,06 cefficiente di trasformazione dei l/minuto in m3/ora Cs carico specifico di pesce (kg p.v./l.min) Dalle due relazioni precedentemente esposte risulta facile verificare che vale anche la seguente: s R s 1 t Velocità dell acqua La velocità dell acqua deve essere opportunamente mantenuta su livelli: abbastanza elevati per permettere la pulizia delle canalette (V p, velocità minima di pulizia), ma non troppo, per evitare eccessivi consumi energetici con l attività di nuoto (V s o velocità di sicurezza o velocità massima di non-affaticamento). Tra i due valori verrà scelto quello inferiore che rappresenterà la velocità progettuale (V pro ) sulla quale verrà poi basato il calcolo idraulico progettuale delle canalette. La velocità dell acqua può essere determinata sulla base di procedimenti empirici, come di seguito specificato. 7

8 Velocità minima di pulizia La velocità dell acqua dovrà impedire la sedimentazione delle particelle solide, che avviene tanto più velocemente quanto maggiori sono la loro dimensione e massa volumica. Indicativamente possono essere considerati i seguenti dati bibliografici: In definitiva, vari Autori suggeriscono, per il calcolo di dimensionamento delle canalette, velocità minime di pulizia di: V p 0,03 m/s Su questo valore verranno basati anche i nostri calcoli di dimensionamento. Velocità massima di non-affaticamento Per le trote esiste una relazione fra velocità critica di nuoto e lunghezza dei pesci. Se esprimiamo la velocità in termini di lunghezze di pesce al secondo (lunghezze/s), per pesci con lunghezza a partire da 10 cm la velocità di affaticamento diminuisce da 4,5 a 2,0 lunghezze/s. E possibile allora definire un determinato valore di velocità di sicurezza che è bene non superare nel dimensionamento delle canalette: 5,25 V s * L/100 L 0,37 V s velocità di sicurezza (m/s) L lunghezza del pesce (cm) I dati di velocità espressi in termini di lunghezze/s possono anche essere ricavati dal grafico: Generalmente, la velocità minima di pulizia risulta sempre molto inferiore alla velocità di non-affaticamento e quindi rappresenta quasi sempre la velocità progettuale. Ciò non toglie che è sempre preferibile verificare i calcoli di progetto anche per la velocità di non-affaticamento, onde evitare spiacevoli sorprese. Calcolo delle dimensioni Nella determinazione delle caratteristiche geometriche di un raceway (lunghezza, larghezza, battente idrico), la scelta del battente idrico gioca un ruolo fondamentale ed è un parametro in genere facilmente controllabile e modificabile attraverso soglie di tracimazione mobili. La variazione del battente idrico, comportando il mantenimento di diversi volumi d acqua nel raceway, influenza il tempo di ritenzione idraulica e la velocità di scorrimento. Normalmente l altezza del battente idrico in un raceway è consigliata intorno a valori minimi di 0,4 m e massimi di 1,0 m. Ora, ricordando l equazione generale di conservazione del moto dei fluidi: V S dove è un flusso (l/min), V è una velocità (m/s) e S è una superficie o sezione (m2), possiamo ricavare da questa la sezione del raceway, infatti la relazione può essere risolta nel modo seguente: Shx Vpro S hx sezione del raceway (m2) flusso idrico (m3/h) V pro velocità dell acqua progettuale (m/s) 3600 Assumendo un altezza standard del battente idraulico (H, generalmente compresa tra 0,4 e 1,0 m), è possibile calcolare la larghezza progettuale del raceway (L x ): L x Shx H uindi è possibile calcolare il volume del raceway, ricordando il flusso ed il tempo di ritenzione idraulica, infatti: VOL Dt VOL t volume interessato dall acqua (m3) flusso idrico (m3/h) tempo di ritenzione idraulica (h) 8

9 Raceway in serie minori consumi d acqua Infine, noti il volume e la sezione, si calcola la lunghezza del raceway, completando così la definizione dei parametri geometrici della struttura: gradiente di qualità dell acqua VOL Lz S hx rapida diffusione di malattie Raceway in parallelo acqua di migliore qualità elevati consumi d acqua possibilità di settorializzazione in caso di problemi sanitari Combinazione di raceway in parallelo ed in serie vantaggi dei due sistemi risparmio d acqua se si può ricorrere a ricircolo Sistemi di raccolta Uno dei principali vantaggi del sistema di allevamento raceway è la facilità di esecuzione dell operazione di raccolta. Generalmente la raccolta è effettuata spingendo il pesce da un estremità all altra delle canalette, ammassandolo temporaneamente in una area limitata dalla quale può essere pescato con sistemi a rete. E possibile anche prevedere sistemi automatici di raccolta con vagli o griglie di cattura che permettono la selezione del pesce immaturo che può rimanere nella canaletta per proseguire il ciclo di ingrasso. 9

10 Sistemi raceway innovativi Raceway ellittica, con flusso idrico in serie e carico e scarico dell acqua dallo stesso lato. Raceway verticale o a silo : è una struttura verticale alimentata con flusso idrico dal basso verso l alto (soluzione a o b). Alcuni Autori riportano che unità alte 5 m, con un diamentro di 2,3 m, alimentate con flussi idrici di 28,4 l/min, sono in grado di sopportare una produzione di 2800 kg di trote. 10