Depurazione delle acque con tecnologie di membrana negli allevamenti ittici in acqua dolce

1. Introduzione

Acquacoltura è il termine che si utilizza per indicare l’allevamento di organismi acquatici, animali o vegetali, in acque dolci, salmastre e marine. Si tratta di una pratica antichissima che risale al 475 a.C., quando i Romani praticavano l’allevamento delle ostriche. L’inizio del percorso di addomesticazione di specie ittiche a fini di acquacoltura risale al 1800, con i primi tentativi di riproduzione in cattività della trota. Attualmente l’acquacultura è una pratica molto diffusa non soltanto nel nostro Paese ma in tutto il modo. Recentemente è stato introdotto il controllo completo sul ciclo biologico degli animali allevati e comunque, a tutt’oggi, è possibile solo per un limitato numero di specie.

Successivamente sono state individuate e sviluppate tecniche adeguate alla riproduzione e all’allevamento di un numero sempre maggiore di specie. Oggi sono circa 200 gli organismi acquatici per i quali le conoscenze sono sufficienti a controllare, almeno in parte, il ciclo biologico e procedere all’allevamento con adeguate garanzie di successo.

Nella realtà non bisogna pensare alla pesca e all’acquacoltura come attività concorrenti o addirittura conflittuali, piuttosto è più corretto considerarle in una logica integrata. Il primato produttivo in acquacultura in Italia spetta all’allevamento della trota, che con 37.000 tonnellate ha raggiunto un valore di circa 115 milioni di euro, seguita dall’orata e dalla spigola, con più di 17.000 tonnellate, pari a circa 142 milioni di euro.  Le regioni italiane più importanti per numero di allevamenti sono quelle del nord in particolare il Piemonte, la Lombardia, il Veneto, il Trentino e il Friuli Venezia Giulia mentre al centro ci sono impianti più piccoli in termini di tonnellate di pesci prodotti, fra queste la Toscana, l’Umbria e le Marche. L’acquacoltura implica forme di intervento umano, attraverso l’allevamento, nei processi di accrescimento, attraverso i sistemi di semina e controllo, alimentazione, protezione o controllo della qualità delle acque in cui crescono le specie ittiche. Nella figura 1  è riportata l’immagine di un allevamento di trote nel trentino.

Fig.1 Tipico impianto di allevamento intensivo della trota

Le trote hanno assunto il ruolo delle maggiori protagoniste nella piscicoltura italiana, raggiungendo con processo di crescita costante il picco produttivo di circa 51.000 tonnellate nel 1997, per poi contrarsi negli anni successivi a valori intorno alle 30-35.000 tonnellate. Nel 2013 la produzione di trote ha contribuito per il 25,5% circa al volume della produzione nazionale e al 69,9% alle produzioni di pesci. Il trend di produzione negli ultimi 11 anni è in crescita (+8,5%), con un tasso di variazione media annua del 2,5%. Al mercato il costo delle trote si aggira attorno ai 9 €/kg mentre, solo 4 anni orsono, era di circa 4 €/kg.

La maggior parte degli allevamenti di acqua dolce sono collocati lungo il percorso dei fiumi, a partire dalla sorgente, fino quasi alla foce. Gli allevamenti richiedono un terreno pianeggiante, sono quindi collocati nelle vallate formate dai fiumi nel loro percorso verso il mare. Gli allevamenti prossimi alla sorgente dei fiumi sono quelli più produttivi in ragione della buona qualità delle acque, ma poiché le acque di cultura dei pesci vengono reimmesse, almeno in parte nel fiume stesso, man mano che si scende a valle diminuisce generalmente la qualità delle acque. Questo inconveniente viene compensato con ricambi dell’acqua delle vasche più frequenti per mantenere una ambiente idoneo all’allevamento.

Sostanzialmente il rinnovo delle acque e la loro ossigenazione effettuata con pompe di sollevamento costituiscono uno dei modi per il controllo delle acque. Ma se le acque utilizzate per il rinnovo periodico sono esse stesse contaminate è evidente che il semplice rinnovo può avere effetti insignificanti. Poiché i peggiori nemici per la salute delle trote sono microorganismi che si riproducono rapidamente e raddoppiano in numero in meno di 30 minuti, la chimica dell’acqua deve essere estremamente controllata e la sua purezza risulta fondamentale per mantenere sempre produttivo l’allevamento. Un altro parametro che incide sulla salute delle trote è lo stress a cui sono sottoposte all’interno delle vasche, che scatena gravi infezioni microbiche di ogni genere. Il benessere degli animali non ha quindi solo un valore etico ma si traduce rapidamente in patologie che portano alla moria degli animali.

Anche se oggi la troticoltura è notevolmente sviluppata in termini di produzioni, essa è caratterizzata da una forte componente artigianale, dove gli allevamenti sono gestiti e tramandati di padre in figlio che si trasmettono i “segreti” del mestiere  mentre l’innovazione e la tecnologia non appartiene a questo comparto produttivo.

Lo scopo di questa nota è quello di suggerire a chi si dedica alla gestione di allevamenti di acquacultura l’impiego di nuovi sistemi di purificazione e rigenerazione delle acque, basati su tecnologie separative mediante membrane, impiegate almeno da 40 anni nei settori industriali e del trattamento delle acque (5-7). L’impiego di queste tecniche consente inoltre di riutilizzare fino a circa il 96 % dell’acqua depurata che quindi richiede un modesto 4% reintegro di quella del fiume. Un intervento importante di tutela dell’ambiente, della risorsa idrica e della salute.

2. La contaminazione delle acque e malattie ittiche

Così come nelle fattorie, anche negli allevamenti ittici sono presenti minacce molto comuni alla salute dei pesci, incluse quelle causate da agenti patogeni quali batteri, virus e parassiti. Essi si trovano in concentrazione elevata negli allevamenti (ma sono presenti anche in natura). Come per gli animali di terra, il sovraffollamento rende molto facile la diffusione di malattie. A questo proposito, le infezioni virali sono particolarmente pericolose, visto che i pesci che sopravvivono alle infezioni possono diventare portatori sani del virus senza mostrarne i sintomi, e possono trasmetterlo ad animali non infetti. Inoltre, le sostanze chimiche presenti negli ambienti in cui i pesci vivono possono irritarne la pelle e le mucose, rendendoli così più sensibili ai germi, come avviene quando sono feriti. Solitamente, nel tratto digestivo dei pesci vivono alcuni batteri che non sono nocivi per loro, e che in realtà possono avere effetti benefici. Tuttavia in condizioni di stress questi batteri diventano pericolosi per gli animali e possono causare infezioni gravi.

Molto spesso i pesci vengono nutriti con cibo artificiale contenente enzimi anabolizzanti e integratori chimici per farli crescere più velocemente. Questo cibo, però, causa problemi di salute come la degenerazione adiposa viscerale, una malattia di cui molti pesci che vengono nutriti con prodotti contenenti altri pesci e crostacei ricchi di grassi e carboidrati soffrono.

Le cause delle malattie dei pesci sono diverse in funzione degli organismi infettanti, tra cui virus, batteri, funghi, protozoi, copepodi e altri pesci parassiti. I batteri più comuni dei pesci negli allevamenti ittici sono, tra gli altri, quelli del genere Vibrio, Aemonas e Renibacterium. Una grave malattia batterica è la setticemia enterica, causata dal batterio Edwardsiella ictaluri. Questa colpisce soprattutto i pesci gatto ed è molto diffusa negli Stati Uniti e in altre parti del mondo.

L’impiego di biocidi (spesso fuori legge) ed anche di antibiotici consentiti per il settore che sono somministrati attraverso i mangimi risolvono solo parzialmente i problemi di infezioni microbiche. Esiste una documentazione scientifica molto approfondita sull’identificazione dei parassiti delle trote. Fra questi i più diffusi sono Yersiniosi da Yersinia ruckeri, Flavobatteriosi viscerale e superficiale da Flavobacterium psychrophylum, Foruncolosi da Aeromonas salmonicida  (1-4).

L’acquacultura intensiva comporta tutta una serie di inconvenienti come la necessità di impiegare biocidi tossici anche per le trote, quindi la qualità alimentare del pescato che finisce sul nostro piatto si abbassa. La moria degli animali comporta da una parte un danno economico per i produttori e contribuisce ulteriormente a contaminare le acque. Generalmente in Italia gli allevatori usufruiscono di convenzioni comunali o regionali per il mantenimento della produzione sfruttando un bene comune quale quello della risorsa idrica. Praticamente non pagano l’acqua prelevata dal fiume e in quanto dovrebbero rilasciare nel fiume un effluente depurato secondo le normative ambientali, ma spesso si chiude un occhio e i controlli sono sporadici.

La contaminazione delle vasche è causate dalle deiezioni dei pesci ed anche dai frammenti dei mangime che rimangono dispersi nell’acqua e si raccolgono sul fondo. Poiché i mangimi sono costituiti in larga parte 45.55 % da sostanze proteiche derivanti da farine di pesce , soia residui di macellazione ecc., che si trasformano in ammonio , nitriti e nitrati che diventano contaminanti per le specie ittiche.

Fra i parametri chimico-fisici che devono essere controllati all’interno delle vasche si segnalano il pH (che indirettamente è una misura dell’ammonio), la temperatura, il tenore di ossigeno disciolto, le concentrazioni di ammonio, dei nitrati, di alcuni metalli pesanti (Cd, Mn, Cu, Pb, Ni) (presenti soprattutto nei mangimi), e la torbidità delle acque, che in modo indiretto indica anche la presenza della carica microbica nelle vasche. Nella tabella 1 si riportano i valori limite di alcuni metalli pesanti.

Tabella 1 valore limite di alcuni metalli tossici

Oltre i valori limite questi elementi sono tossici per i pesci quindi le analisi devono tener conto di questi parametri e intervenire con la nanofiltrazione.

La tecnologia attuale rende disponibili sensori in linea per la determinazione in tempo reale dei valori di ammonio, nitrati, ossigeno disciolto, conducibilità elettrica e torbidità . Per il monitoraggio dei metalli pesanti è necessario invece l’utilizzo di un sistema spettrofotometrico batch  che richiede di effettuare analisi a campione. Dopo aver indicato i principali problemi dell’acquacultura di acqua dolce, viene di seguito descritto il modo in cui è possibile risolverli.

3. Linee guida per la definizione di un processo di depurazione e recupero idrico

Nel tentativo di indicare soluzioni tecniche che siano il più possibile adattabili alle diverse condizioni di allevamento vengono indicate alcune sezioni separate del processo  che riguardano: il monitoraggio delle acque attraverso un sistema di sensori chimici inseriti nelle vasche; un sistema di filtrazione delle acque a doppio stadio; il monitoraggio e controllo automatico del processo locale da remoto. Il sistema di purificazione è costituito da una doppia filtrazione: la prima dedicata alla rimozione dei microorganismi e parzialmente dei virus attraverso membrane di microfiltrazione (MF), mentre la seconda è dedicata alla depurazione di sostanze chimiche attraverso membrane di nanofiltrazione (NF). Lo schema di figura 2 illustra, a grandi linee, come un impianto che realizza il processo descritto si inserisce in un sistema esistente di allevamento (vasche).

Fig.2 Integrazione di un impianto di depurazione e recupero con il sistema di allevamento

Le acque di allevamento, che sono state indicate in cascata, vengono inviate, tramite pompa idraulica, sul sistema a membrana, da cui si ottiene un permeato (PMF) praticamente sterile all’origine perché privo di carica microbica. Ciò si ottiene con la filtrazione attraverso una porosità (dimensione dei pori della membrana) di 0,2 micron. Il 97 % del volume d’acqua inviato in microfiltrazione (MF) costituisce il fluido permeato (acqua depurata) che viene reintegrato in testa alle vasche di coltura, come mostra la figura. Solo il 3% dell’acqua inviata alla microfiltrazione, cioè il concentrato (CMF) rappresentato da una specie di fango, viene inviata al trattamento di essiccamento fanghi in dotazione a tutti gli impianti di acquacultura.

Il monitoraggio di alcune delle sostanze critiche per le condizioni dell’allevamento può essere effettuato direttamente attraverso l’istallazione in linea di sensori elettrochimici che permettono di avere una fotografia istantanea delle condizioni idriche della vasca in tempo reale e, al tempo stesso, effettuarne la correzione (controllo) in modo automatico. Alcuni valori limite di alcuni parametri chimici e chimico fisici sono riportati nella tabella 2 per gli allevamenti di troticoltura.

Tabella 2 valori di composti e parametri chimico fisici delle vasche

Nell’ipotesi di processo presa a riferimento è prevista l’introduzione del sistema di monitoraggio nell’ultima vasca di allevamento, che spesso coincide con quella a maggiore densità di specie allevate. Sia i sensori che il sistema filtrante a doppio stadio sono controllati e gestiti in automatico dalla centralina di processo. Ad esempio, se la concentrazione di nitrati e ammoniaca ecc. superano dei valori di soglia preimpostati automaticamente è possibile far entrare in funzione il secondo sistema filtrante a membrana, che usa la tecnologia della nanofiltrazione (NF). Questa filtrazione, a differenza della prima, richiede una pressione idraulica di esercizio di almeno 15-20 bar, quindi è caratterizzato da un maggior consumo energetico rispetto al primo stadio della microfiltrazione che funziona a bassa pressione (2-3 bar). L’ipotesi di processo descritta prevede di trattare in nanofiltrazione solo 1/3 del volume d’acqua depurata con la microfiltrazione, questo perché questa tecnica rimuove oltre ai contaminanti anche ioni bi e trivalenti che sono necessari alla crescita dei pesci e che andrebbero quindi reintegrati.

4. Dettagli tecnici del sistema di filtrazione e valutazioni economiche

Si è considerato un sistema di trattamento delle acque per un volume di circa 100-200 m3 quindi relativamente modesto, ma si tratta solo di un esempio.  Più in dettaglio all’interno del processo descritto si riporta lo schema di flusso idrico attraverso le membrane in figura 3.

Fig.3 Schema di flusso del processo a membrane

L’acqua contaminata prelevata dalle vasche viene inviata al primo stadio di filtrazione caratterizzato da membrane di MF, ed in parte al secondo stadio di NF.  L’unità di MF può essere realizzata da membrane piane assemblate in cassette o da moduli di fibre cave immerse direttamente nel mezzo da filtrare, ad esempio in una vasca di capacità idonea (alcuni m³ di volume) a valle delle vasche di allevamento. Il permeato viene aspirato da una pompa che a tempo inverte il flusso idrico da aspirato a compresso, al fine di rimuovere il deposito che si forma sulla superfice esterna dei capillari.  Il sistema è quindi autopulente per mantenere alta l’efficienza di filtrazione nel tempo. Si suppone di impiegare una superficie filtrante di circa 400 m², il che assicura una produzione di acqua depurata di circa 8 m³/h. L’impianto può essere operativo 22 ore su 24.

L’unità di NF è caratterizzata da una superficie filtrante di 65 m², in grado di produrre oltre 3m³/h di acqua permeata. L’impianto dovrebbe operare circa 7 ore su 24 ma queste sono solo delle indicazioni generali che vanno definite per ogni realtà produttiva e tarata sul livello di contaminazione delle vasche. Tutto l’impianto ha bisogno di una potenza energetica di circa 3 kW. Il consumo energetico della NF è di circa 40 kWh/g per un costo di circa 80 €/giorno. La MF, invece, è caratterizzata da un consumo energetico di circa 0,7 kW/m³, cioè di circa 123 kWh/giorno che equivale ad un costo di circa 30 €/giorno. Il costo presunto dell’impianto di MF è di circa 45 k€, mentre quello di NF è di circa 50 k€, il sistema sensori e controllo da centralina anche da remoto ha un costo di circa 30k€. Il totale del costo presunto dell’intero sistema di trattamento è quindi pari a circa 125.000 €.

5. Conclusioni

Sono stati indicati per sommi capi i principali problemi che caratterizzano l’inquinamento delle vasche di acquacultura, come sanno bene gli allevatori, sottolineando le principali patologie delle specie allevate di cui sono responsabili. Il sistema di depurazione e recupero dell’acqua indicato in questo articolo ha una validità più generale è infatti utilizzabile non solo per le specie allevate in acque dolci ma anche per quelle ittiche marine allevate fuori dal mare aperto, cioè in vasche, lagune etc., comunque non nelle gabbie galleggianti in mare aperto. Sono stati descritti i vantaggi del sistema di depurazione e recupero in termini di aumento della produttività degli insediamenti: sotto il profilo del risparmio della risorsa idrica, ed infine per migliorare la qualità alimentare del pescato. Un ulteriore vantaggio offerto dal sistema proposto riguarda lo scarico delle acque di allevamento nel corpo idrico che deve rispettare le normative preiste dalla normativa (DECRETO LEGISLATIVO 23 febbraio 2023, n. 18 in cui ad esempio il COD deve serre inferiore a 160 mg/l, il mercurio mg/L ≤0,005 ≤0,005, Il nichel mg/L ≤2 ≤4, il piombo mg/L ≤0,2 ≤0,3 che sono valori molto restrittivi. Infatti nell’ipotesi descritta non c’è più un effluente liquido da scaricare, ma solo un fango la cui composizione ha limiti consentiti più alti.
A titolo puramente indicativo è stata inoltre indicata una scala produttiva di tutto il sistema impiantistico, tanto per dare un’indicazione utile agli allevatori, si sottolinea però fin da subito che i sistemi a membrana possono essere progettati per trattare volumi di acque contaminate molto più grandi, anche di un fattore 100 rispetto all’ipotesi volumetrica considerata. Il sistema di monitoraggio, che si basa sull’impiego di sensori chimico-fisici specifici per inquinante, rappresenta un formidabile strumento per conoscere con esattezza la chimica dell’acqua istantaneamente e nel tempo, con la possibilità di interpretare, anche in automatico, i trend delle varie grandezze misurate.
Attraverso l’utilizzo di un PLC è possibile monitorare e controllare, registrando e rappresentando graficamente i dati relativi ai livelli di inquinamento, in automatico l’impianto e quindi di ottimizzare le fasi di filtrazione, anche da remoto e in condivisione con specifiche APP per smartphone Il processo proposto chiude in modo sostenibile tutto il ciclo di lavorazione utilizzando anche le infrastrutture presenti in azienda, come l’ispessimento dei fanghi che preclude ad altri processi di depurazione come il compostaggio, in modo da produrre fertilizzanti organici per l’agricoltura. Sono stati indicati anche i costi complessivi dell’impianto (circa 125.000€) ed anche i consumi energetici molto contenuti, valutati economicamente in circa 110€/giorno. Per ulteriori informazioni, e per avere maggiori dettagli tecnici, è possibile contattare la Società Genelab S.r.l. (www.genelab-srl.com) che vanta una vasta esperienza nel settore dell’applicazione dei processi a membrana nei vari settori industriali quali quello alimentare, cosmetico e farmaceutico.

6. Bibliografia
1. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), The State of World Fisheries and Aquaculture; Opportunities and challenges, Rome, (2014).
2. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), The State of World Fisheries and Aquaculture: Meeting the sustainable development goals, Rome, (2018).
3. P. Melotti , A. Roncarati,L. Angellotti and all. Effects of rearing density on rainbow trout welfare, determined by plasmatic and tissue parameters, It. J. Anim. Science 3, (2004).
4 Galezan F.H., Bayati M.R., Safari O., Rohani A. Modeling oxygen and organic matter concentration in the intensive rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) rearing system, Environ. Monit. Assess., (2020
5. M. Pizzichini, C. Russo, E. Ferrero; Le tecnologie separative mediante membrane. Report ENEA (2009).
6. M. Pizzichini, A. Agnelli: tecnologie di membrana per il management razionale dell’acqua: FIDA (2012).
7.M. Pizzichini, A.Agnelli, M.Pennacchio: Salviamo il lago di Bracciano con l’acqua del depuratore Cobis, Fidaf; (2020.)