Modello di un sistema acquaponico su piccola scala

Aquaponics is a technique that combines aquaculture with hydroponics. It is a symbiotic process of growing aquatic species and plants, based on using the aquaculture effluent, after specific depuration treatments, as a source of water and nutrients for plant growth. By absorbing the nutrients, plants purify the aquaculture effluent. The main challenge of aquaponics consists in balancing the optimal conditions required for the growth of fishes, plants and bacteria. For the purpose of this work, a mathematical model was developed under stationary conditions, in order to describe the dynamics of 8 components, in a pilot scale aquaponic system located at the wastewater treatment plant of San Giuliano Milanese Ovest (MI). The described components were the following: particulate organic nitrogen, soluble organic nitrogen, ammonia-nitrogen, nitrate-nitrogen, particulate COD, soluble COD, total supended solids and dissolved oxygen. The concentrations obtained from the results were compared to the water quality standard, referring to available scientific literature and to D.lgs. 152/06. The results identified a lack of dissolved oxygen in the biofilter and in hydroponics, under the operational conditions defined prior to the startup of the system. Furthermore, a different scenario was simulated, in order to evaluate nitrogen concentration under reduced plant growth conditions. For a variety of reasons, it was not possible to launch the pilot and therefore it was not possible to validate the model by performing experimental measurements.

L’acquaponica è una tecnica che combina l’acquacoltura all’idroponica. Si tratta di un processo di crescita di specie acquatiche e di piante in simbiosi, nel quale l’effluente dell’acquacoltura viene utilizzato, in seguito a trattamenti di depurazione, come fonte di acqua e nutrienti per la crescita delle piante, le quali, grazie all’assorbimento di nutrienti, esercitano la purificazione dello stesso effluente dell’acquacoltura. La sfida principale dell’acquaponica consiste nella ricerca di un equilibrio delle condizioni ottimali, che soddisfino i diversi requisiti di crescita di pesci, piante e batteri all’interno del sistema. Nel presente elaborato di tesi è stato sviluppato un modello matematico per descrivere le dinamiche a cui sono soggetti 8 parametri inquinanti, in condizioni di regime, all’interno di un sistema pilota di acquaponica su piccola scala, per l'allevamento di alborelle e storioni, abbinato alla coltivazione di lattuga, basilico, pomodori, fragole, cetrioli e melanzane. Il sistema è situato presso l’impianto di depurazione di San Giuliano Milanese Ovest (MI). In particolare, sono stati presi in esame i parametri inquinanti ritenuti maggiormente significativi, per l’importanza che rivestono nei processi di crescita di pesci e piante e nei processi di rimozione all’interno delle unità operative nel sistema: azoto organico particolato, azoto organico soluto, azoto ammoniacale, azoto nitrico, COD particolato, COD soluto, solidi sospesi totali e ossigeno disciolto. I risultati ottenuti dalla simulazione sono le concentrazioni degli inquinanti considerati all’interno dei vari reattori, che sono state confrontate con il benchmark di qualità dell’acqua, stabilito facendo riferimento alla letteratura scientifica disponibile e al D.Lgs. 152/06. I risultati hanno segnalato una lieve carenza di ossigeno disciolto nel bioreattore e in idroponica, nelle condizioni operative previste in fase preliminare all’avvio del sistema, suggerendo, quindi, che potrebbe essere necessaria un'areazione forzata all'interno del bioreattore. Inoltre, è stata effettuata una simulazione in uno scenario alternativo, per valutare se l’assorbimento di azoto da parte delle piante fosse sufficiente a mantenere un’adeguata qualità dell’acqua, anche in condizioni di crescita ridotta delle colture idroponiche. Per problematiche varie, il pilota non è stato avviato nei tempi previsti, quindi non è stato possibile procedere con la fase di validazione sperimentale, per verificare se il modello descrivesse correttamente i fenomeni che occorrono all’interno del sistema.