Le strutture per i sistemi di allevamento “aperti” a “canalette” “Raceway systems”

1. Le strutture per i sistemi di allevamento “aperti” a “canalette” “Raceway systems” • Aspetti costruttivi: • Dimensionamento delle canalette • Calcolo del flusso idrico • Qualità dell’acqua • Tipologia delle strutture • Aspetti impiantistici: • Sistemi di alimentazione • Sistemi di ossigenazione • Selezione del pesce • Pulizia delle canalette, ecc.

2. Per questo sistema si farà specifico riferimento all’allevamento della trota • Definizioni e generalità • Dimensionamento geometrico delle strutture • 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.

5. circa 2000 l/min (120 m3/h)

6. circa 40 - 60 cm di salto

10. corrente di circa 0,03 m/s

12. 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. Carico specifico 2 kg / l . min 1 cfs = 1700 l/min Densità di allevamento 50 - 120 kg / m3 Trote - 20000 lbs./cfs/year = 5,3 kg per l/min all’anno Carico specifico - 7000 lbs./cfs = 1,9 kg per l/min Densità allevamento - 3 - 7,5 lbs./cf = 50 - 120 kg/m3

15. 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

16. Qualità dell’acqua • Range di temperatura ottimale 12º - 18ºC • Livelli di ossigeno, minimo 7 mg/l all’immissione • pH 6.5 - 8.5 • Free CO2 < 20 mg/l • Alcalinità totale 10 – 400 mg/l

17. Allevamentoprimi stadi • 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

18. Sistemi di alimentazione • Hand feeding • Timer operated feeders • Demand feeders • Blower/other mechanical

19. Selezione del pesce • La selezione può avvenire 2-4 volte durante il ciclo di allevamento • Uniformità delle taglie • Miglioramento performance • Aderenza alle richieste di mercato

20. 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 280 215 237 307 market

21. Potenziali cause (tecniche) di perdita • Malattie • Predazione • Inondazioni/siccità • Interruzione del flusso • Qualità dell’acqua scadente • Furti/vandalismi

22. 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:

23. Densità di allevamento Densità di allevamento = carico zootecnico (quanto pesce nell’unità di volume) DL = 3,16 . L (kg/m3) da 10 a 60 cm da 30 a ca. 200 kg/m3 Altre fonti: DC = 60 - 120 kg/m3(Westers, Michigan) DC = 5 - 100 kg/m3(Norvegia) DC = 120 kg/m3 (p.v. > 50 g)

24. 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./m3 di acqua) • o meglio da: • carico specifico del pesce (kg di p.v./litro di acqua immesso . minuto) • Infatti, in funzione del carico specifico del pesce, il flusso d’acqua deve garantire, nel sistema di allevamento, il mantenimento di: • livelli di O2 superiori alla soglia minima, • livelli di NH3 inferiori alla soglia massima.

25. La “teoria” Se si vuole mantenere una concentrazione ottimale di un elemento “x” è necessario che il flusso d’acqua Q 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: ±Px Cxin Cxout Q Q Q flusso d’acqua l/min Cx concentrazione dell’elemento x mg/l ± Px produzione (o consumo) dell’elemento x mg/h ± Px mg/h Q = ---------------- -------------- = l/min (Cxin - Cxout) 60 . mg/l

26. Esempio: “x” = O2 - Px Cxin Cxout Q Q Px è negativo perché l’ossigeno viene consumato dal pesce, Cxin deve essere almeno uguale alla soglia minima di ossigeno, Q deve essere sufficiente grande da immettere la quantità di ossigeno che il pesce consuma, Cxout risulterà almeno uguale alla soglia minima di ossigeno solo se la portata Q è stata correttamente dimensionata.

27. Esempio: “x” = NH3 + Px Cxin Cxout Q Q Px è positivo, perché l’ammoniaca viene prodotta nel sistema, Cxin deve essere la più bassa possibile, Q deve essere sufficiente grande da asportare la quantità di ammoniaca che viene prodotta dalla canaletta, Cxout risulterà inferiore alla soglia massima di ammoniaca solo se la portata Q è stata correttamente dimensionata.

28. 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”).

29. 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. dove: CsO2 carico specifico di pesce non-limitato dall’ossigeno (kg p.v./l.min) DO2 deficit di ossigeno (mg/l) F livello alimentare (% p.v.) (per ossidare 1 kg di alimento sono necessari 220 g di O2)

30. 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.

31. ca. 1 kg/l.min 4 mg/l Es. O2 in = 9 mg/l, O2 out = 5 mg/l

32. 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. dove: CsNH3 carico specifico di pesce non-limitato dall’ammoniaca (kg p.v./l.min) NH3-N concentrazione critica per l’ammoniaca indissociata (mg/l) concentrazione progettuale consigliata = 12,5 mg/l DO2 deficit di ossigeno = inlet - outlet (mg/l) a ammoniaca non ionizzata sull’azoto ammoniacale (%) Es. NH3 non ionizzata < 0,02 mg/l NH3 totale < 1,0 mg/l a < 2% (livelli massimi per la maggior parte dei pesci allevati)

33. La percentuale di ammoniaca non ionizzata rispetto all’azoto ammoniacale totale è funzione principalmente di pH e temperatura: pH  % NH3 pH  % NH3 T°  % NH3

34. 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.

35. 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: dove: Qs flusso, o portata d’acqua (l/min) p.v.peso vivo nella canaletta (kg) Cs carico specifico di pesce (kg p.v./l.min)

36. 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 mg/l • ammoniaca non ionizzata/ammoniaca totale 1% A. Carico specifico di pesce sulla base dell’ossigeno: 1,44 . DO2 1,44 . 3 CsO2 = ----------------- = ----------------- = 1,0 kg/l.min 2,20 . F 2,20 . 2 B. Carico specifico di pesce sulla base dell’ammoniaca: NH3-N 12,5 CsNH3 = --------------- = ----------------- = 4,2 kg/l.min DO2 . a 3 . 1

37. 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. 10000 Q = ---------- = ---------- = 10000 l/min (cioè 600 m3/h) Cs 1

38. 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. Quindi vale la seguente: dove: Dt tempo di ritenzione idraulica (h) p.v. peso vivo allevato ovvero produzione prevista (kg) DL densità di allevamento (kg/m3) Q flusso d’acqua di ricambio (m3/h)

39. Ricambio idrico Sempre partendo dal carico specifico di pesce (Cs) è possibile calcolare anche il ricambio idrico di sicurezza nella canaletta (Rs): dove: 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:

41. Velocità dell’acqua • La velocità dell’acqua deve essere opportunamente mantenuta su livelli: • abbastanza elevati per permettere la pulizia delle canalette •  (Vp, velocità minima di pulizia), • ma non troppo, per evitare eccessivi consumi energetici con l’attività di nuoto • (Vs o velocità di sicurezza o velocità massima di non-affaticamento). • Tra i due valori verrà scelto quello inferiore che rappresenterà la velocità progettuale (Vpro) 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.

42. 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: Vp = 0,03 m/s Su questo valore verranno basati anche i nostri calcoli di dimensionamento.

43. 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 • Vs = ---------- * L/100 • L0,37 • Vs = 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:

44. vedi il 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.

45. 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.

46. Ora, ricordando l’equazione generale di conservazione del moto dei fluidi: dove Q 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 sezione del raceway (m2) Q flusso idrico (m3/h) Vpro velocità dell’acqua progettuale (m/s)

47. 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 (Lx): Quindi è possibile calcolare il volume del raceway, ricordando il flusso ed il tempo di ritenzione idraulica, infatti: dove: VOL volume interessato dall’acqua (m3) Q flusso idrico (m3/h) Dt tempo di ritenzione idraulica (h)

48. Infine, noti il volume e la sezione, si calcola la lunghezza del raceway, completando così la definizione dei parametri geometrici della struttura:

49. Raceway in serie minori consumi d’acqua gradiente di qualità dell’acqua 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