1.Panoramica dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS)
(1) Caratteristiche dei sistemi di acquacoltura a ricircolo
I sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) sono un nuovo modello di acquacoltura sviluppato sulla base dell'acquacoltura intensiva, caratterizzato dal ricircolo e dal riutilizzo dell'acqua di coltura. Oltre ai vantaggi dell’acquacoltura intensiva convenzionale, i RAS offrono vantaggi significativi nel trattamento delle acque reflue, nella riduzione del consumo di acqua e nella minimizzazione dello scarico degli effluenti. Attraverso la progettazione ottimizzata del sistema di approvvigionamento idrico e il funzionamento coordinato di più strutture e dispositivi, RAS consente il riciclaggio ripetuto dell'intero volume di acqua di coltura. Rispetto all’acquacoltura intensiva tradizionale, sono superiori in termini di efficienza energetica per il controllo della temperatura, la mitigazione dell’inquinamento ambientale e la prevenzione e il controllo delle malattie.
I RAS richiedono l'uso integrato di una serie completa di impianti di depurazione e trattamento dell'acqua. La progettazione dei processi prevede l'applicazione di molteplici discipline e tecnologie industriali, tra cui meccanica dei fluidi, biologia, ingegneria meccanica, elettronica, chimica e tecnologia dell'informazione per l'automazione. Un RAS ben-progettato può ottenere il pieno controllo dei parametri di qualità dell'acqua come temperatura, ossigeno disciolto e sostanze nutritive e, in qualsiasi circostanza, oltre il 90% dell'acqua del sistema può essere riutilizzata attraverso il ricircolo.
(2)Essenza e vantaggi di RAS
L’essenza dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) risiede nel sostenere e ottimizzare la produzione dell’acquacoltura attraverso approcci industrializzati e modernizzati. Consentendo la completa-regolamentazione del processo dell'ambiente acquatico, RAS può superare parzialmente i vincoli esterni quali temperatura, disponibilità di acqua e spazio, ottenendo così una produzione continua-in più lotti per tutto l'anno. Ciò consente l'agricoltura fuori-stagione e l'ingresso scaglionato sul mercato, offrendo ai produttori un vantaggio competitivo e rendimenti economici più elevati.
(3)Efficienza produttiva e utilizzo delle risorse
Le eccellenti prestazioni di produzione di RAS sono strettamente legate alle sue caratteristiche altamente controllabili ed efficienti in termini di risorse. Su base per-unità-d'acqua, la resa dei prodotti acquatici nella RAS è 3-5 volte superiore a quella del flusso tradizionale-attraverso l'acquacoltura intensiva e 8-10 volte superiore a quella dell'acquacoltura in stagno, mentre i tassi di sopravvivenza aumentano di oltre il 10%. Inoltre, l'uso di farmaci veterinari e di agenti chimici è ridotto di quasi il 60%. Questi miglioramenti globali negli indicatori di prestazione garantiscono i vantaggi sia economici che ecologici del RAS.
(4) Trattamento delle acque e integrazione di sistema
In RAS, l'acqua di coltura viene sottoposta a una serie di trattamenti, tra cui filtrazione fisica, purificazione biologica, sterilizzazione e disinfezione, degasaggio e ossigenazione, consentendo il riutilizzo totale o parziale dell'acqua. Allo stesso tempo, l’ottimizzazione dell’ambiente culturale può essere integrata con apparecchiature automatizzate come alimentatori automatici, consentendo un certo grado di automazione e gestione intelligente.
(5)Fondamenti tecnologici e caratteristiche chiave
RAS integra tecnologie avanzate provenienti dall'ingegneria della pesca, dalle attrezzature meccaniche, dai nuovi materiali eco-compatibili, dalla regolamentazione microecologica e dalla gestione digitale. Grazie all'ambiente di produzione completamente controllato, che è minimamente influenzato dalle condizioni esterne, RAS dimostra vantaggi significativi tra cui la conservazione dell'acqua e del territorio, una ridotta domanda di energia per la regolazione della temperatura, condizioni di allevamento stabili, tassi di crescita accelerati, elevate densità di allevamento e la produzione di prodotti eco-compatibili e non inquinati-. In quanto tali, i RAS sono considerati "il modello di acquacoltura e la direzione degli investimenti più promettenti del 21° secolo".
(6) Sviluppo e applicazione in Cina
Ad oggi, in Cina sono stati progettati e costruiti più di 900 RAS su larga-scala, che abbracciano le principali province costiere e le regioni interne, estendendosi anche allo Xinjiang. Questi sistemi, che comprendono applicazioni sia marine che d'acqua dolce, sono stati commercializzati con successo, raggiungendo gli obiettivi di produzione previsti e dimostrando eccellenti prestazioni operative. Le pratiche di produzione confermano che RAS non solo offre produttività e vantaggi ambientali superiori, ma raggiunge anche costi di produzione significativamente inferiori per resa unitaria rispetto ad altri modelli di acquacoltura.
2.Processi e tecnologie chiave dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS)
I sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS) fanno ampio uso di attrezzature e tecnologie di ingegneria industriale. Tipicamente sono costituiti da unità di processo e impianti per la rimozione delle particelle solide; rimozione delle particelle sospese e della materia organica solubile; eliminazione dei sali inorganici solubili tossici e nocivi come ammoniaca e nitriti; controllo degli agenti patogeni; rimozione dell'anidride carbonica dal metabolismo di organismi e microrganismi in coltura; integrazione di ossigeno; e regolazione della temperatura. I processi tecnici coinvolti comprendono l'isolamento termico e il controllo della temperatura, la rimozione delle particelle solide, la rimozione dell'azoto e del fosforo inorganici solubili, la disinfezione e la sterilizzazione, nonché l'ossigenazione.
(1) Caratteristiche di produzione industrializzata e intensiva
RAS migliora ulteriormente le caratteristiche intensive dell’acquacoltura industriale, offrendo un’elevata efficienza produttiva e un’occupazione ridotta del territorio, superando al contempo i vincoli delle risorse terrestri e idriche. In quanto modello agricolo ad-input elevato, ad alto{2}}output, ad alta{3}}densità e ad alta-efficienza, RAS è in linea con gli obiettivi generali della Cina per la civilizzazione ecologica e le strategie di sviluppo sostenibile.
(2) Importanza ecologica e strategica
Grazie alle sue caratteristiche intensive, efficienti, di-risparmio energetico, di riduzione-delle emissioni e di rispetto dell'ambiente, RAS è diventata una direzione importante per trasformare e migliorare l'acquacoltura in Cina verso uno sviluppo verde e a basse- emissioni di carbonio. Per diversi anni consecutivi, la RAS è stata elencata dal Ministero dell’Agricoltura e degli Affari rurali cinese come una delle principali tecnologie di acquacoltura consigliate.
(3)Sviluppo e tendenze attuali
Al momento, questo modello ha ottenuto un ampio riconoscimento sia dal mondo accademico che dall’industria in Cina. La portata della costruzione di nuovi sistemi e la capacità complessiva dell'allevamento sono aumentate costantemente negli ultimi anni, rendendo RAS una delle principali tendenze di sviluppo futuro del settore dell'acquacoltura cinese.
3.Panoramica della ricerca e dell'industrializzazione dei sistemi di acquacoltura a ricircolo (RAS)
(1)Ricerca internazionale e industrializzazione
Ricerca e sviluppo iniziali
Il primo sistema di acquacoltura a ricircolo (RAS) è emerso in Giappone negli anni ’50. Successivamente, molti paesi hanno iniziato la ricerca sulle tecnologie di trattamento delle acque e di acquacoltura per RAS. Inizialmente, questi studi erano basati su processi di trattamento delle acque reflue municipali e su sistemi in stile acquario- (con densità di coltura di soli 0,16–0,48 kg/m³). Tuttavia, tali approcci non tenevano conto dei requisiti specifici dell'acquacoltura commerciale-in particolare in termini di costi del sistema, utilizzo delle risorse, rapporto tra i volumi dell'acqua di coltura e di depurazione e capacità di carico del sistema (tipicamente 50–300 kg/m³). Di conseguenza, gli sforzi di ricerca hanno incontrato molti intoppi, hanno consumato grandi quantità di risorse e hanno progredito lentamente.
Riconoscimento delle caratteristiche dinamiche
I primi studi trascuravano anche un’importante caratteristica del RAS: la sua natura dinamica. I tassi di produzione e degradazione dei rifiuti metabolici dei pesci devono raggiungere un equilibrio dinamico affinché il sistema rimanga stabile e sano. Verso la metà degli-anni '80, con la crescente comprensione dei parametri di qualità dell'acqua-come pH, ossigeno disciolto (DO), azoto totale (TN), nitrato (NO₃⁻), domanda biochimica di ossigeno (BOD) e domanda chimica di ossigeno (COD) e dei loro modelli di variazione nell'acqua di acquacoltura, questi cambiamenti dinamici furono gradualmente integrati nella progettazione del sistema. Ad esempio, la carenza di ossigeno può essere corretta rapidamente mediante l’aerazione, ma la risposta dei batteri nitrificanti all’aumento delle concentrazioni di ammoniaca spesso è notevolmente ritardata. Pertanto, una conoscenza più approfondita dei fattori limitanti interagenti è diventata sempre più importante per una progettazione e un funzionamento efficaci del sistema.
Sfide nelle prime pratiche
Molti professionisti dell'acquacoltura avevano esperienza con il flusso-attraverso sistemi intensivi, ma non conoscevano il funzionamento del RAS. Di conseguenza, spesso non riuscivano a controllare adeguatamente la densità degli allevamenti, le quantità di mangime, la frequenza di alimentazione e la gestione della qualità dell’acqua, portando a squilibri nel flusso dell’acqua del sistema e nel ciclo dei materiali e, in definitiva, causando guasti operativi. Questa mancanza di comprensione scientifica e di esperienza di gestione si rifletteva nei livelli di densità della coltura: il RAS su scala-di laboratorio di solito raggiungeva solo 10–42 kg/m³, mentre il RAS su scala commerciale-si manteneva a un minimo di 6,7–7,9 kg/m³. Dopo oltre mezzo secolo di progressi tecnologici-tra cui l'ottimizzazione dei processi, l'aerazione e l'ossigenazione (ad esempio l'uso di ossigeno liquido), l'alimentazione automatizzata e la selezione di specie adatte-i moderni RAS hanno superato molti fattori limitanti e ora possono supportare densità di coltura elevate di 50–300 kg/m³.
Crescita industriale e innovazioni tecnologiche
Poiché l’acquacoltura tradizionale in stagno ha dovuto affrontare una stagnazione a causa della concorrenza fondiaria e delle pressioni ambientali, la RAS in Europa e Nord America ha registrato una rapida crescita tra gli anni ’80 e ’90. Questa espansione industriale è stata accompagnata da miglioramenti tecnologici, compreso l'uso di filtri pressurizzati e non-pressurizzati per solidi sospesi di grandi dimensioni, l'ozonizzazione per la disinfezione e la degradazione della materia organica e lo sviluppo di molteplici filtri biologici come filtri sommersi, filtri percolatori, filtri alternativi, contattori biologici rotanti, biofiltri a tamburo e reattori a letto fluido, nonché unità di denitrificazione anaerobica. Con questi progressi, RAS è gradualmente maturata ed è entrata nell'applicazione commerciale.
Il caso degli Stati Uniti
Gli Stati Uniti hanno mantenuto una posizione di leadership nella ricerca RAS sia fondamentale che applicata, coprendo aree quali la nutrizione e la fisiologia delle specie allevate intensivamente, la prevenzione delle malattie e le tecnologie di trattamento delle acque. Una caratteristica fondamentale dei RAS statunitensi è l’elevato grado di automazione e meccanizzazione nel controllo della qualità dell’acqua. I sistemi computerizzati-regolano automaticamente i livelli di ossigeno disciolto, pH, conduttività, torbidità e ammoniaca, nonché le condizioni ambientali come temperatura, umidità e intensità della luce. Sfruttando la propria base industriale avanzata, gli Stati Uniti hanno ampiamente adottato apparecchiature ad alta-tecnologia per l'ossigenazione, la purificazione biologica, la rimozione dei solidi, la classificazione e la raccolta. Ad esempio, il RAS sperimentale sviluppato dal Centro di biotecnologia marina dell'Università del Maryland incorpora processi di trattamento anaerobici, molto simili ai sistemi progettati da Aquatec-Solutions in Danimarca.
4.Sfide e contromisure per lo sviluppo di sistemi di acquacoltura a ricircolo industrializzati (RAS)
(1) Integrazione insufficiente di strutture e attrezzature
Sebbene le apparecchiature cinesi per il trattamento dell'acqua, l'alimentazione automatica, la disinfezione e l'aerazione si siano gradualmente avvicinate al livello avanzato internazionale, l'integrazione complessiva del sistema rimane inadeguata. La mancanza di imprese su larga-scala in grado di produrre set completi di apparecchiature RAS ha aumentato i costi e la complessità di costruzione, ostacolando così il rapido progresso delle apparecchiature domestiche.
(2) Necessità di ottimizzazione dei mangimi composti specializzati
Al momento, le formule di aquafeed in Cina sono altamente omogenee e mancano di mangimi specializzati progettati per RAS e specie allevate specifiche. Ciò aumenta il carico operativo dei sistemi di trattamento delle acque e influisce sulle prestazioni agricole. È necessario sviluppare mangimi RAS specifici-per specie con un'alimentazione ben-bilanciata, bassi tassi di lisciviazione e rapporti di conversione del mangime favorevoli.
(3) La prevenzione e il controllo delle malattie richiedono maggiore precisione
L'agricoltura ad alta-densità e ad alta-efficienza aumenta il rischio di epidemie quando si verificano squilibri del sistema e gli agenti patogeni sono difficili da eliminare nei sistemi chiusi. L'ottimizzazione del sistema dovrebbe essere migliorata per migliorare la capacità tampone, mentre la ricerca dovrebbe concentrarsi sulla fisiologia dei pesci, sulle risposte allo stress, sugli indicatori precoci delle malattie e sui meccanismi di allarme-efficaci delle malattie.
(4) Pressione significativa sul consumo energetico e riduzione dei costi
Gli elevati investimenti iniziali nella costruzione e il consumo energetico sono sfide inevitabili per RAS. Dovrebbero essere implementate misure di risparmio energetico sia a livello di apparecchiature che di sistema, compreso lo sviluppo di filtri a basso consumo energetico, dispositivi per la rimozione di CO₂, tecnologie per il trattamento delle acque di scarico e applicazioni di energia rinnovabile come pompe di calore solari, eoliche e idriche.
(5) Mancanza di standardizzazione nel funzionamento e nella gestione
Attualmente non esistono standard o norme tecniche unificate per RAS in Cina. Di conseguenza, la progettazione del sistema, le pratiche di gestione e le prestazioni agricole variano ampiamente e i guasti operativi sono comuni. È essenziale stabilire un quadro tecnico standardizzato per un’acquacoltura sana, migliorare gli standard di processo e di gestione e promuovere progetti dimostrativi per una produzione standardizzata.
(6) Necessità di rafforzare la ricerca di base
La comprensione scientifica di diversi aspetti rimane insufficiente, tra cui lo stato di salute delle specie coltivate in condizioni di alta-densità e specifiche condizioni di qualità dell'acqua, i cambiamenti strutturali del biofilm durante il funzionamento del sistema, i meccanismi del ciclo dei nutrienti e i metodi ottimali per la rimozione e il trattamento innocuo delle particelle solide. Queste lacune ostacolano l’ulteriore sviluppo di tecnologie e attrezzature pertinenti.
(7) Tendenze e opportunità di sviluppo futuro
Nonostante queste sfide, RAS offre vantaggi significativi in termini di efficienza produttiva, sostenibilità ambientale e benessere degli animali. Essendo un modello agricolo verde, ecologico, circolare ed efficiente, è in linea con le tendenze globali verso uno sviluppo a basse- emissioni di carbonio. Con la modernizzazione della pesca cinese, il progresso della civiltà ecologica e l’accelerazione degli obiettivi di neutralità del carbonio, si prevede che RAS entrerà in una nuova fase di rapido sviluppo.