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.
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 m3/h)
circa 40 - 60 cm di salto
corrente di circa 0,03 m/s
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
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
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
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
• Primissime fasi
di allevamento
in vasche poco
profonde nel
vivaio
• Inizio
alimentazione, 7
- 10 giorni postschiusa
• Trasferimento in
raceway alla
taglia di 7 - 8 cm
Allevamento
primi stadi
Sistemi di alimentazione
• Hand feeding
• Timer operated
feeders
• Demand feeders
• Blower/other
mechanical
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
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
Potenziali cause (tecniche)
di perdita
•
•
•
•
•
•
Malattie
Predazione
Inondazioni/siccità
Interruzione del flusso
Qualità 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
Densità di allevamento = carico zootecnico (quanto pesce nell’unità di volume)
DL = 3,16 . L
(kg/m3)
Densità di allevamento (kg/m3)
200
180
160
da 10 a 60 cm
140
120
100
80
60
da 30 a ca. 200 kg/m3
40
20
0
10
20
30
40
50
60
Lunghezza del pesce (cm)
Altre fonti:
DC = 60 - 120 kg/m3 (Westers, Michigan)
DC = 5 - 100 kg/m3 (Norvegia)
DC = 120 kg/m3 (p.v. > 50 g)
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.
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:
Q
Cxin
±Px
Cxout
Q
flusso d’acqua
l/min
Cx
concentrazione dell’elemento x
mg/l
± Px
produzione (o consumo) dell’elemento x
mg/h
± Px
Q=
---------------(Cxin - Cxout)
mg/h
-------------60 . mg/l
= l/min
Q
Esempio: “x” = O2
Q
Cxin
- Px
Cxout
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.
Esempio: “x” = NH3
Q
Cxin
+ Px
Cxout
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.
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.
CsO2
1,44  DO2

2,20  F
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)
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.
Cs NH3
NH 3  N

DO2  a
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)
La percentuale di ammoniaca non ionizzata rispetto all’azoto ammoniacale totale è
funzione principalmente di pH e temperatura:
pH 
% NH3 
pH 
% NH3 
T° 
% NH3 
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:
p.v.
Qs 
Cs
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)
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
CsO2 = ----------------- =
2,20 . F
1,44 . 3
----------------- =
2,20 . 2
1,0 kg/l.min
B. Carico specifico di pesce sulla base dell’ammoniaca:
NH3-N
CsNH3 = --------------- =
DO2 . a
12,5
----------------- =
3.1
4,2 kg/l.min
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:
Q=
p.v.
10000
---------- = ---------- =
Cs
1
10000 l/min (cioè 600 m3/h)
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:
p.v.
Dt 
DL  Q
dove:
Dt
p.v.
DL
Q
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 
Cs
dove:
Rs
D
0,06
Cs
ricambi del volume d’acqua (numero di ricambi/ora)
densità di allevamento (kg p.v./m3)
cefficiente di trasformazione dei l/minuto in m3/ora
carico specifico di pesce (kg p.v./l.min)
Dalle due relazioni precedentemente esposte risulta facile verificare che vale anche la
seguente:
1
Rs 
Dt
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.
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:
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.
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:
Q V S
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:
S hx
Q

V pro  3600
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):
S hx
Lx 
H
Quindi è possibile calcolare il volume del raceway, ricordando il flusso ed il tempo di
ritenzione idraulica, infatti:
VOL  Q  Dt
dove:
VOL
volume interessato dall’acqua (m3)
Q
flusso idrico (m3/h)
Dt
tempo di ritenzione idraulica (h)
Infine, noti il volume e la sezione, si calcola la lunghezza del raceway, completando così
la definizione dei parametri geometrici della struttura:
VOL
Lz 
S hx
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
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.
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.