Akvakultur muligheter og trusler i vann 13. Mai 2009, Pirsenteret, Trondheim Viktige faktorer for optimal drift av biofiltersystemer Av Christian Vogelsang 1
Biofilterets plass i rensesystemet 9 faktorer av betydning for dimensjonering og drift Ulike biofiltersystemer Generelle utfordringer Overvåkning Smittespredning oppsummering 2
Biofilterets plass i rensesystemet [www.pir.sa.gov.au] Biofilter trengs når TAN blir begrensende faktor ift vannkvaliteten Minimere organisk belastning på biofilteret; fjern fórrester, partikulært materiale Biofilteret må driftes slik at NH 3 og NO 2- holdes under tålegrensen for fisken [Aquaculturedevelopments.com] 3
Biofilterets plass i rensesystemet, forts. Kar-intern resirkulering Resirkulering på hel karrekke [Solbakken m.fl 2005] [www.campbellsci.co.uk] 4
Biofilterets plass i rensesystemet, forts. Avansert rensing: strenge krav til driftsrutiner og kontroll mer utsatt hvis driftsproblemer TMYs anlegg i Tromsø anno 2004 5
Faktorer av betydning for dimensjonering og drift av biofilteret Biofilteret må driftes for å holde NH 3 og NO 2- under tålegrensen for fisken 1. Tålegrenser for NH 3 hos fisken Stor variasjon Fiskeart; laks (3-60 µg N/l) vs piggvar (ca 100 µg N/l) Utviklingsstadium; tidlige livsstadier hos laksefisk ca 10x mer NH 3 -tolerante enn senere stadier Sammenheng mellom giftighet og vannkvalitet Rosseland (1999): 3-5 µg NH 3 -N/l grense ved kronisk eksponering for laksefisk Målt som TAN Avhengig ph, temperatur og salinitet Kalkulator på www.resirkforumnor.no ph 7,0/10 o C: ca 0,2 % som NH 3 2 mg TAN/l = 4 µg NH3-N/l ph 8,0/10 o C: ca 2 % som NH 3 2 mg TAN/l = 40 µg NH 3 -N/l TAN = NH 4+ +NH 3 6
Faktorer av betydning for dimensjonering og drift av biofilteret, forts. 2. TAN-belastningen på biofilteret Ekskresjon av urea/tan fra fisken Øker med fiskemengde og -størrelse, fôringstyrke (fórforbruk), mengde protein i fôret Stiger med økende temperatur, stressfaktorer og svømmehastighet Utskillelse fra fórrester 3. Tap av TAN utenom biofilteret Vannutskifting Gitt av resirkuleringsgraden; bestemt av fiskens toleranse for akkumulerende NO 3 Mikrobiologisk omsetning (vekst på vegg/i vannet) Dimensjonering etter maks-belastning 7
Faktorer av betydning for dimensjoneringog drift av biofilteret, forts. 4. Biofilterets funksjon = evne/kapasitet for nitrifikasjon Biofilmprosesser diffusjonsbegrenset Nitrifikasjonen utføres av to bakteriegrupper; NH 3 /NH 4 -oksiderende NO 2 - NO 2 oksiderende NO 3 - Saktevoksende spesielt ved lav temp Mulighet for denitrifikasjon i anoksiske soner i biofilmen; NO 3- /NO 2 - N 2 5. BOF: kan gi opphav til overvekst av rasktvoksende heterotrofe bakterier Konkurranse om O 2 og plass Reduserer nitrifikasjonskapasiteten 8
Faktorer av betydning for dimensjonering og drift av biofilteret, forts. 6. Nitrifikasjonshastigheten Lave TAN/NH 3 -konsentrasjoner; TAN begrensende substrat (ellers oksygen) TAN begrensende når O 2 /TAN > 3,4 g O 2 /g TAN Restkapasitet Hastigheten synker med temperaturen [Chen m.fl. 2006] 7. ph og alkalitet ph optimum > 8, men økende sjanse for NH 3 -forgiftning av både fisk og bakterier Forbruk alkalitet ph synker NB: synker mer inne i biofilmen Redusert aktivitet og økt NO 2 - Kalkdosering e.l. nødvendig 0,9 meqv/l 9
Faktorer av betydning for dimensjonering og drift av biofilteret, forts. 8. Filtermediets overflate tilgjengelig for biofilmvekst m 2 overflate med aktiv biofilm per m 3 reaktorvolum Spesifikk biofilmoverflate på bæremediet x fyllingsgrad Type bæremedium Spesifikk biofilmoverflate [m2/m3 reaktor] Tetthet [kg/l] Kaldnes K1 500 0,95 Kaldnes K2 350 0,95 Silikasand 2 000-20 000 2,65 Plastikkmedia for rislefiltre 150-200 >1 9. Biofilterets reaktorkonfigurasjon Rislefilter med stasjonært bæremateriale Bevegelig bæremateriale ( moving bed ) a typen KMT Fluidisert sand 10
Ulike biofiltersystemer Rislefiltere Bæremateriale; store porer hindrer gjentetting Min. flow og god fordeling for å holde hele filteret fuktet Fordeler: Enkel å bygge, drifte og vedlikeholde Høy prosess-stabilitet CO2-avgassing Ulemper: Relativt lite volumeffektiv store biofiltere Biofilm skaller av Fare for klogging; diskontinuerlig drift pga spyling [Eding m.fl. 2006] Design og drift: Eding m.fl. 2006, Aquacult. Eng. 34, 234-260 11
Ulike biofiltersystemer, forts. Grov rist KMT Bærematerialet (1-2,5 cm) holdes i suspensjon vhja store bobler, som også gir tilstrekkelig lufting Viktig med god turbulens for å øke transporten av TAN inn til overflaten og holde biofilmen tynn og kompakt Viktig med riktig dimensjonert lufte- grid og retensjonsrist [Rusten m.fl. 2006] Fordeler: Fri fyllingsgrad opp til 70 % Kontinuerlig drift Design og drift: Rusten m.fl. 2006, Aquacult. Eng. 34, 322-331 12
Ulike biofiltersystemer, forts. Fluidisert sandfilter Sandkornene holdes fluidisert av den oppadgående vannstrømmen de letteste (minste og de med størst biomasse) ender øverst Kornstørrelsen og fordelingen viktig for optimal drift Fordeler: Filtersand billig og har ekstremt høyt spesifikt overflateareal meget kompakt prosess Ingen klogging, mens overskuddsslam kan lett suges av fra toppen Ulemper: Komplekse å designe Må opereres innen snever flow (±10-30 % ift designflow) Ingen CO2-stripping Design og drift: Summerfelt 2006, Aquacult. Eng. 34, 275-302 13
[Summerfelt 2006] Injisering av vann må ivareta riktig fluidisering og hindre tilstopping av dyser 14
Maximum specific growth rate Ved oppstart Generelle utfordringer Langsom etablering (måneder) av nitrifiserende biofilm ved lav temperatur TAN-belastning må økes langsomt for å unngå betydelig akkumulering av NO 2 2,5 Driftsforstyrrelser Raske endringer i TAN, ph, temp, DO, salinitet kan forstyrre/hemme nitrifikasjonsbakteriene 2 1,5 1 0,5 0 0 10 20 30 Temperature, 0 C Nitrosomonas Nitrobacter akkumulering av NO 2 15
Overvåkning Driftsstabilitet; hensyn til helsetilstand fisk OG biofilter Tidsoppløsning: fange opp trender OG kjappe endringer Kontinuerlig på biofilteret ph, løst oksygen, temp Over biofilteret TAN, NO 3, NO 2 Alkalitet TSS/turbiditet, TOC 16
Sykdomsspredning via biofilteret Smittestoffer fra fiskekar kan spres til biofilter Kjemisk sykdomsbehandling kan skade biofilteret: Formalin, kobbersulfat, kaliumpermanganat, noen antibiotika Raske endringer i saltkons. Biofilteret kan isoleres under behandling, men mulig reintroduksjon av smitte via biofilter 17
Oppsummering Resirkulering i Norge sannsynligvis i startfasen Globalt: Mest driftserfaringer varmtvannssystemer, men også kaldtvannssystemer Dimensjonering og drift må knyttes til fiskehelse OG biofilterhelse 18
Takk for oppmerksomheten! 19