Assessing the replacement of plastic filtration media with woodchips in biofilters located in recirculating aquaculture systems

Abstract

There is a growing interest in low-cost filtration media and reducing the environmental effects of aquaculture, by reducing the impact of effluents and reducing the use of plastic. This study evaluated woodchips as an alternative to plastic filtration media used for biological filtration processes. Four 2,24 L laboratory scale reactors were used to test two sizes of woodchip media, and mixes of RK BioElements Light and Mutag BioChips plastic filtration media. One of the reactors had new plastic media, while the other reactor was used for plastic media that already had biofilm established, taken from an operating moving bed bioreactor. The filtration reactors were used to filtrate water from smolt production at the Centre for Fish Research, at Norwegian University of Life Sciences. The average influent concentration of ammonium-nitrogen was 0,279 ± 0,115 mg/L, the average influent concentration of nitrite-nitrogen was 0,033 ± 0,015 mg/L and the average influent concentration of nitrate-nitrogen was 6,372 ± 1,220 mg/L.

The results from the experiment show that nitrification was occurring and that woodchips showed comparable results to plastic filtration media for nitrification. Both oxidations of ammonium and nitrite was occurring. The reactors were compared to a full-scale RAS, and comparable results were achieved for the oxidation of ammonium. Between the reactors, the nitrification rate was found to be higher for the woodchips than the plastic filtration media. No significant change was registered in total nitrogen or nitrate-nitrogen concentration, indicating that denitrification was not occurring at significant levels. This is likely to be due to the presence of dissolved oxygen in the water, known to inhibit denitrification. Visual inspections of the woodchips showed decomposing, indicating that woodchips likely can be used as a carbon source for bacteria. The smallest woodchips particles tested in the experiment were found to increase the levels of total oxygen demand (TOD) in the water, indicating the leaching of organic material.

The filtration media showed comparable clogging and reduction in flowrate. Thus, woodchips cannot be stated to give a higher potential of clogging than plastic media for a bioreactor with static media. The reason for the rapid clogging is believed to be a combination of the reactor design, where access biofilm is not flushed away as in a moving bed filter, and because of high load due to the small volume and the high flowrate. This shows that the reactor design is crucial for the flow and clogging potential.

Det er en økende interesse for kostnadsreduserende filtreringsmedier, men også for å redusere miljøeffektene av akvakultur, som rensing av avfallsvann og redusere bruk av plastikk. Dette prosjektet tar for seg treflis som et alternativ til filtreringsmedier av plast i biologisk rensing. Fire laboratorieskala filtreringsenheter med volum på 2,24L ble anvendt for å teste to størrelser av treflispartikler, og to mikser av plastmaterialer. Plastmiksen bestod av halvt om halvt med RK BioElements Light og Mutag BioChips filtreringsmedier. Den ene plastmiksen var ubrukt, mens den andre miksen ble tatt fra et opererende filtreringskammer. Filtreringsenhetene ble anvendt til å rense vann fra smoltproduksjon ved Senter for fiskeforsøk lokalisert ved Norges Miljø og Biovitenskapelige Universitet. Inntaksvannet hadde snittkonsentrasjoner på 0,279 ± 0,115 mg/L ammonium-nitrogen, 0,033 ± 0,015 mg/L nitritt-nitrogen og 6,372 ± 1,220 mg/L nitrat-nitrogen.

Resultatene fra forsøket viste at nitrifisering oppstod, og at treflis viste sammenlignbare nitrifiseringsresultater med filtreringsmediene av plast. Det forekom både oksidering av ammonium og nitritt. Filtreringsenhetene ble sammenlignet mot et av anleggene ved forskningssenteret, noe som viste sammenlignbare resultater for oksidering av ammonium. Sammenligning av filtreringsmediene mot nitrifikasjonsrate, viste at treflis hadde høyest nitrifiseringsrate. Ingen signifikante konsentrasjonsendringer ble registrert for gjennomsnittsmålingene av totalt nitrogen eller for nitrat-nitrogen. Noe som indikerer at det ikke har skjedd denitrifikasjon på merkbare nivåer. Årsaken til dette er trolig tilstedeværelsen av oppløst oksygen i vannet, noe som er kjent at forhindrer denitrifikasjon. Inspeksjon av treflisen etter forsøket viste klare tegn til nedbrytning, noe som indikerer at bakterier kan bruke treflis som karbonkilde. De minste treflispartiklene som ble testet viste en økning i TOD (Total Oxygen Demand), som indikerer at filteret tilfører organisk material til vannet.

Filtreringsmediene viste lignende resultater når det kommer til fortetting og reduksjon i volumstrøm. Derfor er det ingen grunnlag til å si at treflis har høyere potensial for å tette seg enn for plastmedier, når en bruker et anlegg med statisk filtreringsmedium. Årsaken til at anleggene tettet seg så raskt, er trolig en kombinasjon av reaktorenes design, med tanke på at overflødig biofilm ikke blir vasket vekk, og høy belastning på anlegget på grunn av stor volumstrøm i forhold til volum. Noe som viser hvor viktig reaktorens design har for stabil volumstrøm og fortetting.