Effekten av to ulike biomedia på nitrifikasjonsprosessen i bioreaktor

Abstract

Verdens befolkning vil fortsette å øke, og det betyr også at behovet for mat vil følge etter. Akvakultur er en industri som bidrar til mer produksjon av sjømat i hele verden. Produksjon av sjømat øker, men det settes også høyere krav til å produsere mat på en mer bærekraftig måte. Det betyr at man må finne løsninger for mer bærekraftig produksjon, og her kan bruk av resirkuleringsanlegg (RAS) være et alternativ. RAS-anlegg resirkulerer vannet, som gjør at vannforbruket går betraktelig ned. Med slike systemer er det også mulig å kontrollere vannkvalitetsparametere som nivåer av ammonium, karbondioksid, oksygen, pH og flere. En av de viktigste komponentene i et RAS-anlegg er biofilteret og den har som oppgave å oksidere giftig ammonium/ammoniakk til det mindre farlige nitrat, også kalt nitrifikasjonsprosessen. Det finnes ulike bioreaktorer som blir benyttet, men moving bed biofilm bioreactor (MBBR) er mest brukt. Nitrifikasjonsprosessen skjer ved hjelp av ammonium oksiderende bakterier og nitritt oksiderende bakterier, og for at en bioreaktor skal fungere godt er det avhengig av en effektiv bakteriekultur. Uten dette kan det medføre til akkumulering av ammonium (NH4+) eller nitritt (NO2--N). Dette vil påvirke fiskevelferden negativ og i verste fall medføre høy dødelighet i anlegget. Det er derfor viktig å skaffe seg mer kunnskap og forståelse om hvordan en kan få mest effekt av bakteriekulturen, samt å fortsette å utvikle og optimalisere bioreaktoren for å bedre vannkvalitet og fiskevelferd.

Gjennom denne masteroppgaven ble det utført et forsøk som var fordelt på tre faser. Fase 1; oppstart, fase 2: simulert normal drift og fase 3; kapasitetstest. Forsøket gikk ut på teste to forskjellige biomedia for å se om et større lukket areal på biomedia ville medføre bedre nitrittoksidasjon. Biomediene som ble benyttet var K5 (AnoxK5TM, Anox Kaldnes AS, Norway) og en lik versjon som var tre ganger så stor. Fase 1 var en oppstartsfase hvor hovedpoenget var å få i gang nitrifikasjonsprosessen, og i fase 2 ble det benyttet kontinuerlig nytt vann for å simulere en normal drift av en bioreaktor. Siste fasen av forsøket var kapasitetstesten, hvor man skulle se på kapasiteten til biofilmen på de ulike biomediene.

Forsøket resulterte i at det var utfordrende å se hvilke av biomediene som fungerte best, og med det forsøksriggen som ble benyttet kunne det ikke påvises forskjell mellom de to ulike biomediene. Resultatet ble i stor grad påvirket av eksterne faktorer og driftsutfordringer. Dette er en nyttig lærdom som er viktig å med seg videre i forbindelse med planlegging og gjennomføring av eventuelle nye forsøk.

The world's population will continue to increase, and that also means the need for food will follow. Aquaculture is an industry that contributes to more seafood production worldwide. Production of seafood is increasing, but there are also higher requirements to produce food more sustainably. This means that solutions must be found for more sustainable production, and the use of recirculation aquaculture systems (RAS) can be an alternative. RAS is based on reuse of water, which means that water consumption decreases considerably. With such systems it is possible to control water quality parameters such as levels of ammonium, carbon dioxide, oxygen, pH and more. One of the most important components in RAS is the bioreactor and its task is to oxidize toxic ammonium/ammonia to the less toxic nitrate, also called the nitrification process. There are various bioreactors that are used, but the moving bed biofilm bioreactor (MBBR) is the most used. The nitrification process takes place with the help of ammonium oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria, and for a bioreactor to function well it depends on an optimal bacterial culture. Without this, it can lead to the accumulation of ammonium (NH4+) or nitrite (NO2--N). This will affect fish welfare negatively and, in the worst case, result in high mortality in the facility. It is therefore important to acquire more knowledge and understanding about how to get the most effect from the bacterial culture and continue developing and optimizing the bioreactor to improve water quality and fish welfare.

Through this master's thesis, an experiment was carried out which was divided into three phases. Phase 1; start-up, phase 2: simulated normal operation, and phase 3; capacity test. The experiment involved testing two different biomedia to see if a larger closed area on the biomedia would lead to better nitrite oxidation. The biomedia used was K5 (AnoxK5TM, Anox Kaldnes AS, Norway) and a similar version that was three times as large. Phase 1 was a start-up phase where the main point was to get the nitrification process started, and in phase 2, continuous water flow was used to simulate normal operation of a bioreactor. The last phase of the experiment was the capacity test, where the capacity of the biofilm on the two different biomedia was to be seen.

The experiment resulted in it being challenging to see which of the biomedia worked best, and with the experimental setup that was used, no difference could be demonstrated between the two different biomedia. The result was largely influenced by external factors and operational challenges. This was a useful lesson and experience for future experiments.