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TECNOLOGIE PER

L’ACQUACOLTURA

PROF. MASSIMO LAZZARI

Scuola di specializzazione in:

Allevamento, igiene, patologia delle specie

acquatiche e controllo dei prodotti derivati

Anno accademico 2007-2008

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

“Raceway systems”“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.

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 generalità1. 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 m3/h)

2

circa 40 - 60 cm di salto

corrente di circa 0,03 m/s

3

1 cfs = 1700 l/min

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.

Densità di allevamento 50 - 120 kg / m3

Carico specifico2 kg / l . min

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

Flusso idricoFlusso idrico

•• Vivaio Vivaio –– 200 to 400 l/m minimo200 to 400 l/m minimo

� in funzione dell’allevamento da rifornirein funzione dell’allevamento da rifornire

�� la minima fornitura di uova determina il la minima fornitura di uova determina il minimo flusso d’acqua richiestominimo flusso d’acqua richiesto

•• Allevamento Allevamento –– 5 5 -- 9 kg p.v. raccolto9 kg p.v. raccoltoper l/m di acqua flussataper l/m di acqua flussata

�� Vari fattori possono limitare la capacità Vari fattori possono limitare la capacità produttivaproduttiva

Qualità dell’acquaQualità dell’acqua

•• Range di temperatura ottimale 12Range di temperatura ottimale 12º º --18ºC18ºC

•• Livelli di ossigeno, minimo 7 mg/l Livelli di ossigeno, minimo 7 mg/l all’immissioneall’immissione

•• pH 6.5 pH 6.5 -- 8.58.5

•• Free COFree CO2 2 < 20 mg/l< 20 mg/l

•• Alcalinità totale 10 Alcalinità totale 10 –– 400 mg/l400 mg/l

AllevamentoAllevamentoprimi stadiprimi stadi

•• Primissime fasi Primissime fasi di allevamento di allevamento in vasche poco in vasche poco profonde nel profonde nel vivaiovivaio

•• Inizio Inizio alimentazione, 7 alimentazione, 7 -- 10 giorni post10 giorni post--schiusaschiusa

•• Trasferimento in Trasferimento in raceway alla raceway alla taglia di 7 taglia di 7 -- 8 cm 8 cm

4

Sistemi di alimentazioneSistemi di alimentazione

•• Hand feedingHand feeding

•• Timer operated Timer operated feedersfeeders

•• Demand feedersDemand feeders

•• Blower/other Blower/other mechanicalmechanical

Selezione del pesceSelezione del pesce

•• La selezione può La selezione può avvenire 2avvenire 2--4 volte 4 volte durante il ciclo di durante il ciclo di allevamentoallevamento

•• Uniformità delle Uniformità delle taglietaglie

•• Miglioramento Miglioramento performanceperformance

•• Aderenza alle Aderenza alle richieste di richieste di mercatomercato

Accrescimento previstoAccrescimento previsto

•• Prevedere il momento di immissione sul Prevedere il momento di immissione sul

mercatomercato

•• Esempio: inizio = 7.5 cm (4.5g), taglia Esempio: inizio = 7.5 cm (4.5g), taglia

commerciale = 33 cm (450g)commerciale = 33 cm (450g)

•• Temp.Temp. 1212ºCºC 15ºC 18ºC 21ºC15ºC 18ºC 21ºC

•• Days toDays to 280 215 237 307280 215 237 307

marketmarket

Potenziali cause (tecniche) Potenziali cause (tecniche) di perditadi perdita

•• MalattieMalattie

•• PredazionePredazione

•• Inondazioni/siccitàInondazioni/siccità

•• Interruzione del flussoInterruzione del flusso

•• Qualità dell’acqua scadenteQualità dell’acqua scadente

•• Furti/vandalismi Furti/vandalismi

Dimensionamento delle canaletteDimensionamento 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

Densità di allevamento = carico zootecnico (quanto pesce nell’unità di volume)

DL = 3,16 . L (kg/m3)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

10 20 30 40 50 60

Lunghezza del pesce (cm)

Den

sità

di

all

eva

men

to (

kg/m

3)

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)

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./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.

Q flusso d’acqua l/min

Cx concentrazione dell’elemento x mg/l

± Px produzione (o consumo) dell’elemento x mg/h

Cxin CxoutQ Q

± Px mg/h

Q = ---------------- -------------- = l/min

(Cxin - Cxout) 60 . mg/l

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 CxoutQ Q

Esempio: “x” = O2

- Px

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.

Cxin CxoutQ Q

Esempio: “x” = NH3

+ Px

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.

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.

dove:

CsO2 carico specifico di pesce non-limitato dall’ossigeno (kg p.v./l.min)

∆O2 deficit di ossigeno (mg/l)

F livello alimentare (% p.v.)

(per ossidare 1 kg di alimento sono necessari 220 g di O2)

F

OC

Os ⋅∆⋅

=20,2

44,1 2

2

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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. O2 in = 9 mg/l, O2 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.

dove:

CsNH3 carico specifico di pesce non-limitato dall’ammoniaca (kg p.v./l.min)

NH3-N concentrazione critica per l’ammoniaca indissociata (µg/l)

concentrazione progettuale consigliata = 12,5 µg/l

∆O2 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)

aO

NNHC

NHs ⋅∆−

=2

3

3

pH ↑

% NH3 ↑

pH ↓

% NH3 ↓

T° ↑

% NH3 ↑

La percentuale di ammoniaca non ionizzata rispetto all’azoto ammoniacale totale è

funzione principalmente di pH e temperatura:

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.

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)

s

sC

vpQ

..=

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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%

NH3-N 12,5

CsNH3 = --------------- = ----------------- = 4,2 kg/l.min

∆O2. a 3 . 1

1,44 . ∆O2 1,44 . 3

CsO2 = ----------------- = ----------------- = 1,0 kg/l.min

2,20 . F 2,20 . 2

A. Carico specifico di pesce sulla base dell’ossigeno:

B. Carico specifico di pesce sulla base dell’ammoniaca:

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

C. Flusso d’acqua necessario nella canaletta:

QD

vpt

L ⋅=∆

..

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)

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:

s

sC

DR

06,0⋅=

tRs ∆

=1

La velocità dell’acqua può essere determinata sulla base di procedimenti empirici, come di

seguito specificato.

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.

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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.

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:

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.

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:

Ora, ricordando l’equazione generale di conservazione del moto dei fluidi:

SVQ ⋅=

3600⋅=

pro

hxV

QS

Shx sezione del raceway (m2)

Q flusso idrico (m3/h)

Vpro velocità dell’acqua progettuale (m/s)

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):

H

SL hx

x =

Quindi è possibile calcolare il volume del raceway, ricordando il flusso ed il tempo di

ritenzione idraulica, infatti:

tQVOL ∆⋅=

dove:

VOL volume interessato dall’acqua (m3)

Q flusso idrico (m3/h)

Dt tempo di ritenzione idraulica (h)

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Infine, noti il volume e la sezione, si calcola la lunghezza del raceway, completando così

la definizione dei parametri geometrici della struttura:

hx

zS

VOLL =

Raceway in parallelo

acqua di migliore

qualità

elevati consumi

d’acqua

possibilità di

settorializzazione in

caso di problemi

sanitari

Raceway in serie

minori consumi

d’acqua

gradiente di qualità

dell’acqua

rapida diffusione di

malattie

Combinazione di

raceway in parallelo

ed in serie

vantaggi dei due

sistemi

risparmio d’acqua se

si può ricorrere a

ricircolo

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.

Sistemi di raccolta

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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.