Portata di Flusso e rimozione ammoniaca

La portata di flusso d’acqua che attraversa il bio-reattore (filtro biologico) ed il tasso di alimentazione sono i due fattori principali che determinano il livello di ammoniaca ambientale presente in un laghetto pulito.

Quando la portata aumenta l’ammoniaca nell’ambiente scende mentre, se aumentiamo il tasso di alimentazione, così aumenterà anche l’ammoniaca.

Come tutti sappiamo, l’ammoniaca è una tossina per i pesci che, se incontrollata, ad alti livelli può bruciare loro le branchie, la pelle e l’intestino, fino al decesso. Ma anche a livelli sub-letali cronici può causare danni gravi quali la soppressione della crescita della Koi ed una sua maggiore suscettibilità alle malattie.

Detto ciò, possiamo facilmente concludere come sia assolutamente nel nostro interesse conoscere quanta di questa sostanza tossica sia presente nel nostro laghetto e di come possiamo influenzarne la rimozione, il tutto per rendere il nostro laghetto l’ambiente migliore possibile per le nostre Koi.

Cerchiamo per prima cosa a provare a dare una risposta a queste 3 domande basilari per un Koi Keeper. portata di flusso

PORTATA DI FLUSSO

Domanda n° 1 : Qual’è il limite massimo di ammoniaca che non dovremmo mai superare nel nostro laghetto?

Tutti abbiamo sentito dire (e diciamo, se siamo interpellati in proposito) che l’ammoniaca nei nostri laghetti dovrebbe essere pari a zero. Ma sappiamo anche che i pesci ne producono in continuazione e che i nostri filtri non la possono eliminare istantaneamente e quindi, giocoforza, un qualcosa di questa ammoniaca ne deve essere comunque presente nella nostra acqua.

Come conciliare questa apparente contraddizione?

In realtà, quando ci sentiamo dire che l’ammoniaca dovrebbe essere zero, quello che ci stanno dicendo è generalmente riferibile al fatto che i kit dei test più comuni in commercio non possono misurare ammoniaca inferiore a 0,1 ppm  (e molti anche non inferiore a 0,25 ppm) e che quindi è desiderabile mantenere l’ammoniaca inferiore a quel livello.

Per rendere inoltre le cose un po’ più complicate,  la maggior parte di questi test, in realtà, non misurano l’ammoniaca ma misurano l’azoto ammoniacale totale, o TAN. Il TAN è l’azoto associato a varie forme di ammoniaca. Le due forme che ci interessano in concreto sono l’ammoniaca non ionizzata (che è la forma tossica) o NH3  e l’ammonio, la forma ionizzata (molto meno tossici) o NH4+.portata di flusso

Noi dobbiamo assolutamente preoccuparci della prima, la forma più tossica, l’ammoniaca NH3.  Come facciamo se però abbiamo una lettura del dato aggregato? Se vogliamo conoscere la quantità di ammoniaca, rappresentata da una lettura del dato TAN, abbiamo bisogno del rapporto dei pesi atomici di ammoniaca e di azoto per ottenere tale valore, quindi: (con  N = 14 e H = 1)  NH3 ÷ N  =  (14 + 3) ÷ 14 = 1,21. Ciò significa che se moltiplichiamo il valore del TAN per 1.21 otteniamo il valore equivalente di ammoniaca;  con un processo simile, se prendiamo il rapporto del peso molecolare di ammonio diviso per quello dell’ azoto otteniamo 1,29 che è il fattore per convertire il TAN in ammoniaca ionizzata o ammonio. portata di flusso

La pratica aquaculturistica ci suggerisce un valore di massima per l’ammoniaca non ionizzata, così desumibile dalla “bibbia” dell’acquacultura ovvero il libro di Michael Timmon’s  “RAS – Recirculating Aquaculture System” che recita così:

Come potete leggere il valore massimo della forma non ionizzata non è conosciuto scientificamente ma definito con soglie desumibili da set imposti da organismi governativi. Questo però è un valore di riferimento valido per l’acquacoltura e sarebbe probabilmente più doveroso per noi appassionati, impostare un limite più rigoroso in quanto noi cerchiamo l’ambiente migliore per le nostre Koi, non soltanto quello adeguato.

Con questo ragionamento bene in mente, per rispondere alla prima domanda:  proponiamoci un limite 10 volte inferiore a quello definito dall’Agenzia delle Pesca Europea, vale a dire considerare un valore di ammoniaca non ionizzata pari a 0,0025 mg / L come media massima ammissibile  nel Pond di un hobbista.

Domanda n° 2 : Quanta ammoniaca ”pericolosa” ho nel mio laghetto?

Diversi studi hanno evidenziato come la proporzione tra la parte ionizzata e non-ionizzata dell’ammoniaca sia influenzata dal pH e dalla Temperatura dell’acqua e ne hanno mostrato la relazione in grafici e tabelle.portata di flusso

Ecco quello pubblicato da Timmons:

portata di flusso
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E per chi fosse più a sua agio con le tabelle:

clicca per ingrandire

Con questi numeri proviamo a verificare un laghetto in una situazione estiva normale con un pH di 8,0 e una temperatura di 25°. Come possiamo vedere dai dati la percentuali di ammoniaca presente è appena superiore al 5%, per la precisione 5,28.

Teniamo però, per comodità di calcolo, presente il numero 5%.

Andiamo avanti con il ragionamento. Sempre la nostra famosa “bibbia” ci fornisce un metodo di calcolo per approssimare la quantità di ammoniaca prodotta da una determinata quantità  di cibo somministrato.

L’algoritmo di calcolo si basa sulla seguente equazione:

 

Dove PTAN è la TAN prodotta dai pesci espressa in Kg/die, calcolata mediante la moltiplica di F (tasso di alimentazione in kg/die) per PC (concentrazione proteica del cibo in frazione decimale) e per la costante di Timmon’s.

Questa costante, estratta da una serie di stime ed approssimazioni effettuate dall’autore e che hanno dato tutte come risultato 0.092, è così basata:

0.092 =  .16 * .80 x .80 * .90

Con i seguenti postulati:

  • 16% è la componente nitrogena della proteina
  • 80% del nitrogeno è assimilato
  • 80% del nitrogeno assimilato è escreto
  • 90% del nitrogeno è escreto come TAN + 10% come urea (solo nei pesci d’acqua dolce)
  • tutto il TAN  è escreto durant
    e il tempo “t”
  • il nitrogeno non assimilato nelle feci è rimosso velocemente
  • assenza nel cibo di composti nitrogeni mineralizzati addizionati

Ovviamente la fisiologica area di tolleranza circa la digestione e la produzione finale di ammoniaca diffusa dalle branchie o escreta nelle feci rende questa costante un numero “morbido” e che, quindi, si presta benissimo ad un esercizio di semplice e veloce approssimazione: il 10% della proteina presente nel mangime diventa il tasso di ammoniaca generata.

Come vedete anche in questo caso, per il combinato disposto dei due numeri “magici”, l’acquacoltura ci fornisce un metodo per rispondere alla nostra fatidica 2° domanda: se diamo alle Koi un cibo avente un contenuto proteico del 36% (e usiamo il parametro 10% suggerito per la stima) abbiamo un 3.6% del peso del mangime che ritroviamo in acqua come TAN. Sappiamo però anche che non tutto il TAN è l’ammoniaca. Se ci basiamo sul presupposto che solo il 5% (ricordate il numero di prima?) del TAN può essere NH3-N, allora possiamo concludere che solo il 5% del 3,6%, ovvero 0,18% è il risultato dell’alimentazione a NH3-N in acqua.

Così, se nutriamo le Koi con 100 grammi di cibo al giorno, questo si tradurrà in 0,18% di tossica NH3-N, pari a 0.18 grammi o 180 mg di NH3-N al giorno. Tenete ancora a mente questo numero.

Domanda n° 3: Come possiamo mantenere la media NH3-N sotto lo 0,0025 ppm?

Per rispondere a questa domanda abbiamo bisogno di ipotizzare che l’acqua che esce dal il sistema di filtrazione sia totalmente pulita per entrambe le forme di ammoniaca. Non sempre è il caso, ma affrontiamo più avanti questo problema, nella sezione di discussione.

Dato però questo presupposto, siamo in grado di determinare la quantità di acqua pulita che serve a diluire 180 mg/giorno di ammoniaca per portare la concentrazione di NH3-N fino al nostro limite desiderato di 0,0025 ppm.

Per fare questo ci avvaliamo di una semplice equazione: Concentrazione = soluto ÷ solvente, in cui il soluto è il NH3-N ed il solvente è l’acqua pulita che esce dal filtro. Pertando riordinando l’equazione con i nostri valori abbiamo: il Soluto a 180 mg / giorno diviso la  Concentrazione di 0.0025mg / L  uguale ad un Solvente di 72,000 L / giorno, pari a 3000 litri/h o 50 litri/min.

Quindi questo significa che con il nostro laghetto a pH 8,0 e temperatura a 25 ° C,  per avere un’adeguata bio-conversione alimentando ad 1 etto di cibo al giorno (mantenendo una buona acqua con media ambiente NH3-N inferiore a 0.0025 ppm), abbiamo bisogno di una portata minima d’acqua pari a 50 L/minuto attraverso i nostri filtri per raggiungere questo obiettivo.

Usando questa metodologia, è possibile calcolare la portata minima del flusso d’acqua attraverso un bio-convertitore (al 100% delle sue performance ovviamente) necessario a mantenere il parametro 0,0025 ppm/NH3-N per diversi valori di temperatura, pH e peso del mangime somministrato.portata di flusso portata di flusso

Conclusioni

E’ importante ricordare che quanto sopra analisi presuppone come NON vi siano altre importanti fonti di ammoniaca nel laghetto oltre alle Koi. Se ci troviamo in presenza di un laghetto molto sporco per la decomposizione di materiale organico, che aumenta notevolmente l’ammoniaca presente, tutto sballa ovviamente. Ed è anche importante ricordare che questi calcoli sono per 100 g alimento al giorno. Quindi, se diamo il doppio di tale peso, le portate necessarie devono essere raddoppiate; se ne diamo la metà, la portata richiesta è tagliata a metà; ecc, ecc

Inoltre,  questo calcolo di portata si riferisce solo al parametro ammoniaca, mantenere correttamente gli altri parametri quali massima TAN, minima di ossigeno disciolto e/o la rimozione dei solidi sospesi totali (TDS), potrebbe richiedere un dimensionamento diverso delle portate di flusso.

Quello che dobbiamo memorizzare è però che la pratica acquaculturistica ci dimostra che i livelli di ammoniaca in acqua sono direttamente correlati alla quantità di cibo nutriti ed al tasso di afflusso dell’acqua nel filtro più che al volume o al turn-over dell’acqua nel pond  che invece, per la nitrificazione delle pareti e del fondo, funge da ammortizzatore per i picchi.

ATTENZIONE !! questo non significa che se si dispone di un laghetto di 10.000 litri e di un filtro delle dimensioni di una cassetta della frutta sia possibile aumentare il flusso attraverso di esso alla prossimità della velocità sonica e pretendere di avere un buon risultato il lavoro. Non succederà.

Tuttavia, se il filtro è minimamente dimensionato ed offre un tasso di conversione dignitoso (per effetto della carica batterica ben insediata), le formule di cui sopra ci consentono di programmare l’alimentazione delle nostre Koi mantenendole esponendole al minor effetto dei loro prodotti di scarto. Meglio ancora se  attraverso una regolare somministrazione, con mangiatoia automatica, nell’arco della giornata che diminuirà picchi di ammoniaca transitori.

Concettualmente: i grandi pond riducono i picchi di ammoniaca, i grandi filtri consentono tassi più alti di alimentazione, gli alimentatori automatici consentono di “livellare” l’ammoniaca prodotta nel corso della giornata.portata di flusso portata di flusso

 

letteratura: Timmons, Michael, et al – Recirculating Aquaculture Systems, Second Edition  ; Wheaton, Fredrick – Aquacultural Engineering 

 

 

 

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