1. Funzionamento e struttura degli ossigenatori galleggianti a bassa pressione.
L’utilizzo dell’ossigenazione, soprattutto per quanto riguarda l’allevamento di trote si è decisamente intensificato negli ultimi vent’anni. Il motivo principale risiede nella forte diminuzione del prezzo dell’ossigeno. Tra tutti i metodi d’ossigenazione, l’utilizzo di ossigenatori galleggianti a bassa pressione è quello che si è reso protagonista della crescita maggiore.
Vengono definite come ossigenatori galleggianti a bassa pressione quelle macchine all’interno delle quali l’arricchimento d’ossigeno avviene sotto una calotta galleggiante. Normalmente ciò non provoca un livello di pressione eccesivo. Senza uno sgombero di gas dalla camera di gassificazione sotto la calotta si formerebbe, no-nostante un‘alimentazione di puro ossigeno, una struttura gassosa del tutto simile a quella dell’aria; e cioè: 21% di ossigeno e 79% di azoto (+ argon). Questo fenomeno si verifica a causa dell’emissione dell’azoto dell’acqua all’interno della camera di gassificazione (cfr. anche PETIT 1981, Rümmler 1986a e b). L’ossigeno può esercitare una pressione parziale sull’aria, cosa che è alla base della creazione di una soprassaturazione d’ossigeno nell’acqua corrente o convogliata, solo attraverso una continua eliminazione di una parte del gas dalla camera di gassificazione. In questo modo, la parziale pressione, ovvero la quantità volumetrica dell’azoto emesso, è mante-nuto ad un livello basso, mentre la pressione parziale esercitata dall’ossigeno, ovvero la sua quantità volumetrica, ne viene aumentata. Allo stesso tempo bisogna però tener conto di una certa perdita d’ossigeno. È possibile indi-rizzare la direzione di scarico del gas prevedendo una struttura adatta, altrimenti è possibile che l’emissione rifluisca nell’acqua fuoriuscente in maniera incontrollata attraverso delle bolle. Un’immissione eccessiva di ossigeno e uno scarico di gas ridotto impedirebbero alle macchine di galleggiare sull’acqua.
L’estesa superficie necessaria al trasferimento di ossigeno tra l’acqua e il gas può essere prodotta in differenti ma-niere. All’inizio si provvedeva a creare una flusso corrente di ossigeno tramite bollicine all’interno di tende o ca-lotte di gassificazione. (SPEECE 1981, KNÖSCHE 1982) (fig. 1). Nella maggior parte dei casi esso avviene convogliando e dividendo l’acqua all’interno della camera di gassificazione all’interno della calotta. Accade inoltre alquanto spesso che bolle di gas si formino anche “sottacqua”. È possibile istallare, per esempio, delle pompe coassiali e camera di miscelazione oppure delle cascate lineari a distribuzione di pioggia continua e a tamburo in lamiera forata (fig. 1). Negli ultimi anni, fra tutti i procedimenti, ha avuto un grande successo l’utilizzo di quelli che funzionano con le ruote a pale o con un rullo. Un esempio è il cosiddetto Turboxygene ® (ditta FAS). Queste macchine sono fornite di un tamburo in lamiera forata provvisto di scanalature e di “dita di plastica”, che viene immerso in 10 cm d’acqua e che gira alla velocità di due giri al secondo (fig. 2). Lo scarico di gas dalla camera di gassificazione avviene, in parte, attraverso l’anello di tenuta dell’albero di trasmissione. Una diversa struttura prevede di sostituire le pale della ruota con delle spazzole (Oxywheel® ditta Linn-Gerätebau).

2. Determinazione della quantità di ossigeno prodotta da ossigenatori galleggianti a bassa pressione.
Mentre l’utilizzazione di ossigenatori galleggianti a bassa pressione è alquanto diffusa, non esistono quasi risultati derivati da ricerche né sulla quantità, né sulle perdite d’ossigeno, né sul rendimento o le prestazioni di queste macchine. Risulta infatti alquanto problematico effettuare le rilevazioni tecniche a tal proposito. Non è infatti possibile determinare la quantità d’ossigeno prodotta da queste macchine, in qualità di apparecchiature “endoproduttrici” di gas all’interno di un bacino, come lo si fa per un “sistema d’aereazione interno” (cfr. BOYD e WATTEN 1989, RÜMMLER 1992), poiché, all’accensione, la quantità di azoto e quella d’ossigeno presente nella camera di gassificazione muta. Una misurazione in situazione stazionaria, come attraverso apparecchiature “esoproduttrici” di gas quindi, non è fattibile, poiché risulta generalmente alquanto difficile determinare la quantità d’acqua che scorre all’interno delle macchine (cfr. RÜMMLER 1986b).
Per questo motivo si è optato per un’altro metodo di misurazione che non ha tuttavia reso possibile una trasposi-zione esatta dei risultati con quelli ottenuti in situazioni di funzionamento diverse, cosa che era stata possibile con altri procedimenti in precedenza.
Si decise d’istallare un ossigenatore galleggiante a bassa pressione del tipo Turboxygene ® KR 94-L in una parte del canale di scarico dell’allevamento ittico di trote Unterhammer (cfr. Rümmler u.a. 2008) della lunghezza di 20 m, della larghezza di 2,0 m e della profondità di 1,0 m (fig. 2). È stato possibile determinare il flusso della corrente d’acqua nel canale attraverso la misurazione del flusso d’acqua transitante all’interno delle pompe circo-lari in funzione.
A tale scopo è stato utilizzato il misuratore ad ultrasuoni FLUXUS ADM 6725 (ditta Flexim), tramite l’applicazione di sensori di misurazione nella parte esterna dei tubi.
La concentrazione di ossigeno nell’acqua è stata misurata a circa 1,5 m davanti alla macchina gassificatrice e a circa 12 m dietro di essa. Poiché, all’interno dell’apparecchio gassificatore, l’ossigeno si arricchisce fino a oltre 20 mg/l, si è reso necessario un percorso di miscelazione sufficientemente lungo a partire dalla macchina. Tenendo conto che, dalla concentrazione misurata nella parte posteriore, risulta una saturazione dell’85 – 125 %, è presumibile che le differenze causate dal processo di ventilazione e di fuoriuscita siano di entità minima (cfr. anche NÄTKE 1985). Si è quindi utilizzato un misuratore d’ossigeno portatile Oxi 197i (ditta WTW) provvisto di mescolatore. Ogni trenta secondi sono state effettuate 6 – 8 misurazioni davanti e 12 – 14 dietro il gassificatore, a partire dalle quali si sono ottenute le medie aritmetiche risultanti da esse. Nei circa 10 minuti intercorsi durante le misurazioni, sono state misurate fluttuazioni minime nella concentrazione in entrata. Le differenze si sono dimostrate più grandi al momento in cui si è fatto uso di due apparecchi di misurazione.
Per la determinazione della quantità di ossigeno nel gas sotto la calotta, è stato istallato un apparecchio di misura-zione (GMH 3691 GL, ditta Greisinger) all’interno della conduttura bypass che arriva alla camera di gassificazio-ne. Nonostante non fossero da escludere una serie di errori di misurazione di molti percentili in volume, sono stati comunque indicati i valori medi di misurazione poiché fornivano indicazioni importanti sugli effetti del processo di gassificazione.
Sono state effettuate due serie di misurazioni. Il 26/06/07 il valore medio di flusso idrico era di 631 m3/h e la ve-locità media della corrente era di 32 cm/s. Dalla seconda serie di misurazioni, del 27/06 e del 28/06/07, è risultato un flusso idrico, rispettivamente, di 297 e 302 m3/h e le velocità della corrente sono risultate rispettivamente di 15 e 16 cm/s. I valori d’immissione d’ossigeno erano regolati su 0,75, 1,0, 1,25 e 1,5 Nm3/h. Il 27/06/07 si è proceduto anche a una regolazione a 0,875 e a 1,125 Nm3/h. Tra la regolazione di un nuovo valore e l’inizio di una misurazione trascorreva un tempo minimo di 30 o 60 minuti. A partire dai valori di misurazione sono stati calcolati l’immissione d’ossigeno, in qualità di corrente di massa, la quantità di ossigeno nell’acqua e la perdita d’ossigeno. È possibile ottenere le formule utilizzate chiedendole all’autore.
L’apparecchio registra una prestazione di 0,56 kW quando la corrente misurata ha un valore di 1,13 A e il cos φ risulta essere di 0,72. Il produttore ha indicato un carico di corrente di 1,3 A. Il carico della prestazione registrato è quindi di 0,65 kW. Il motore indicava una prestazione di 0,37 kW.

3. Risultati determinati dalle ricerche sulla quantità d’ossigeno prodotta
I risultati delle ricerche sono illustrati nella tabella 1 e nella figura 3. Per le doppie misurazioni della seconda se-rie, nella tabella 1 sono stati indicati i valori delle medie aritmetiche di entrambe le misurazioni. Nella figura 3 vengono indicati inoltre i singoli valori scaturiti dalle misurazioni.
La prima serie di misurazioni indicò che, immettendo 0,75 Nm3/h di ossigeno, l’acqua registrava una quantità di ossigeno di 726 g/h. L’immissione di 1,25 Nm3/h ha portato a una quantità di ossigeno di 1.015 g/h. La perdita di ossigeno era già alta, con un valore di 33%; alla minima immissione e il suo valore è salito fino al 44%. Durante le misurazioni del 27/07 e del 28/07/07, immettendo ossigeno nella stessa area, si è registrato un aumento di quantità di questo gas da 996 g/h a 1.309 g/h. Le perdite di ossigeno sono aumentate dal 9% al 28%. L’aumento di quantità d’ossigeno immessa è sempre collegata a valori di perdita più elevati.
Aumentando l’immissione di ossigeno da 1,25 a 1,5 Nm3/h non ha portato ad alcun ulteriore aumento di quantità d’ossigeno. Le perdite d’ossigeno sono invece salite fino al 40%.
È possibile che le differenze tra i risultati della prima serie di misurazioni e quelli effettuati nei due giorni relativi alla seconda serie di misurazioni siano dovute in parte all’abbassamento della temperatura, cosa che porta ad un aumento della quantità d’ossigeno. Inoltre, potrebbe essere possibile che una flusso di corrente d’acqua maggiore porti ad una incremento di bolle, facendo sì che il tempo di contatto fra acqua e gas sia breve, senza aumentare però allo stesso tempo la quantità d’ossigeno, come nella seconda serie di misurazioni.
Entrambe le serie di misurazioni hanno messo in evidenza le buone prestazioni degli ossigenatori galleggianti a bassa pressione. Aumentando l’immissione di ossigeno, aumenta la quantità di gas che esce dalla camera di gassi-ficazione e quindi la perdita d’ossigeno collegata a questo fenomeno. La conseguenza è un calo della quantità di azoto e quindi della sua parziale pressione all’interno della camera di gassificazione, ed un contemporaneo au-mento della quantità di ossigeno e quindi della sua pressione parziale. Durante la seconda serie di misurazioni la quantità d’ossigeno sotto la calotta aumenta da un valore di circa il 53% a un valore di circa 66%, ovvero da un valore di 56% ad uno di 76% (tabella 1). L’effetto è una compensazione della concentrazione di ossigeno, cosa che porta a un aumento di ossigeno all’interno della corrente idrica e quindi a un aumento della quantità d’ossigeno.

4. Effetti dovuti alla regolazione tecnica
Il fatto che la quantità d’ossigeno aumenti, anche se in maniera relativamente minima, con l’aumentare dell’immissione di ossigeno, ha conseguenze anche sulla regolazione tecnica. I tempi di compensazione nel per-corso normale variano dai 10 ai 20 minuti se l’immissione di ossigeno viene aumentata di 0,125 Nm3/h. Anche dando da mangiare spesso ai pesci singolarmente, essi consumano una maggiore quantità di ossigeno: un fabbiso-gno che va da 1,5 a 2,5 volte in più rispetto a quello che viene calcolato quando essi sono a riposo (ANREWS e MATSUDA 1975, WIENBECK 1979, 1982, KUHLMANN 1983, PETIT 1990, RÜMMLER 2003). Per questo è normale che una grande concentrazione di pesci all’interno di una zona di ricambio idrico ridotto provochi grandi alterazioni nella concentrazione di ossigeno all’interno delle vasche destinate all’allevamento ittico, un fattore, questo, cui bisogna far fronte agendo sulla regolazione tecnica.
In simili condizioni è consigliabile far funzionare questi ossigenatori, come è avvenuto durante le misurazioni, immettendo, in linea di principio, una quantità d’ossigeno minore ai 0,70 Nm3/h. Qualora si renda necessaria una compensazione a causa di una maggiore richiesta della quantità d’ossigeno, il valore di compensazione viene re-golato sui 1,25 Nm3/h. Per questo motivo è particolarmente utile l’utilizzo di due misuratori di flusso di corrente muniti di valvola di controllo. Per procedere alla regolazione, la cosa più facile è quella di agire tramite compo-nenti di controllo a due fasi, cioè tramite una valvola magnetica comandata da un modulatore di frequenza tramite un controllore PID. All’interno di bacini di grandi dimensioni ed in stagni, in condizioni di mescolanza idrica sufficienti, è possibile usare più ossigenatori controllati da un misuratore di flusso di corrente regolato da elettrodi di misurazione. Questo sistema è stato sperimentato con successo nel 2007 presso l’impianto a stagni plurimi di Petkampberg (cfr. RÜMMLER u.a. 2007), utilizzando per ciascuno stagno tre ossigenatori KR 94-L ed effettuando dieci lunghe sessioni di distribuzione di cibo.

5. Problematiche di scarico
La perdita di ossigeno da parte degli ossigenatori galleggianti a bassa pressione possono portare, in bacini a basso scambio idrico, come per esempio i bacini destinati all’allevamento di trote, ad una sensibile degassificazione della quantità d’azoto nella massa idrica. Ciò è stato verificato attraverso misurazioni effettuate nella zona di deflusso di uno stagno destinato all’allevamento di trote all’interno dell’impianto di Schevenhütte (ditta MO-HNEN, NRW) il 30/05/07. La densità presentava un valore di 30 kg/m3, il valore dello scambio idrico indicava 6,1 d-1, mentre la temperatura era di 12,5 °C. Nello stagno erano in funzione due ossigenatori galleggianti a bassa pressione (KR 94-L e Oxywheel®) con un’immissione di ossigeno totale di circa 1,8 Nm3/h.
Per valutare la saturazione di azoto (+ argon) nell’acqua sono stati misurati sia la sua pressione generale (apparecchi di misurazione TBO-F, ditta Common Sensing inc.) sia la concentrazione di ossigeno (Oxi 1971). Il calcolo dei valori di saturazione dell’azoto è stato realizzato seguendo i metodi APHA (1985).
Il valore di saturazione dell’ossigeno è stato valutato ad un valore di 98,2%, mentre la saturazione totale dei gas era di 72,8%. La saturazione della quantità d’azoto aveva un valore di 65,8%. Ciò non ha avuto effetti evidenti sui pesci. Il fatto che l’eccesso di saturazione della quantità d’azoto porti a casi d’embolia dovuti all’eccesso di gas è quindi piuttosto improbabile se si utilizzano gli ossigenatori galleggianti a bassa pressione. Parallelamente si può ipotizzare che la quantità di CO2 scaricata risulti relativamente buona; è tuttavia necessario procedere a misurazioni precise a tale riguardo.

6. Conclusioni per l’attività pratica
Utilizzando l’ossigenatore galleggiante a bassa pressione KR 94-L e alle stesse condizioni di quelle avute durante le misurazioni effettuate, si possono ottenere quantità di ossigeno fino ad un valore di 1,3 kgO2/h con perdite del 30%. Immettendo una minore quantità d’ossigeno è possibile che la sua quantità sia di circa 1,0 kg/h con perdite variabili tra il 10 e il 20%. I valori sono più alti a basse temperature e più bassi se le temperature sono più elevate. Tenendo conto dell’alto aumento di ossigeno all’interno dell’apparecchio, la sua concentrazione in fase di entrata dovrebbe esserne influenzata solo limitatamente. La velocità della corrente non deve essere però troppo elevata. I valori attorno ai 15 cm/s si manifestano in un ambito già favorevole all’allevamento di trote. (KNÖSCHE e RÜMMLER 1998). Una velocità del flusso di corrente più bassa avrebbe probabilmente solo un influsso insignificante sui valori delle quantità poiché l’ossigenatore regola l’afflusso di acqua necessaria a seconda della velocità delle corrente.
Bisogna considerare che le prestazioni specifiche di 0,56 kW*h/kgO2,ovvero una quantità d’ossigeno di circa 1,8 kgO2/kW*h con perdite relativamente basse, sono da considerarsi come molto basse se raffrontate a quelle di un reattore d’ossigenazione i cui valori superano i 2 kW*h/kgO2, ovvero 0,5 kgO2/kW*h. (RÜMMLER 1986a,b, RÜMMLER u. a. 2008).
I costi d’investimento di circa 2,1 mila € non sono insignificanti se teniamo conto di una quantità d’ossigeno di 1,0 kg/h e delle perdite al di sotto del 20%. Essi si relativizzano tuttavia se prendiamo in considerazione la facilità d’istallazione decentralizzata delle macchine in singole vasche, stagni o anche nei canali di un impianto idrico. La tecnica di misurazione e regolazione dell’ossigeno e la misurazione del flusso della corrente non sono stati presi in considerazione a causa delle diverse possibilità di configurazione.
I costi di esercizio delle diverse macchine ossigenatrici prese in esame sono illustrati nella tabella 2. Si calcola una spesa di 30 € per ogni kg di ossigeno registrato.