| dc.description.abstract | Biologisk vannrensing i resirkulerende akvakultur systemer (RAS) består vanligvis av nitrifisering, en bakteriell prosess der ammonium, et giftig restprodukt som skilles ut av fisk, omdannes til nitrat. Nitrat kan fjernes fra vannet ved denitrifikasjon, men denne prosessen brukes ikke mye i kommersielle norske RAS. Isteden kontrolleres nitrat konsentrasjonen i RAS ved vannutskifting. Men andre prosesser for nitrogenfjerning kunne vært interessante.
Biologiske vannrensingsprosesser basert på anammox er i dag i bruk i renseanlegg for industrielle avløpsvann med høye ammonium konsentrasjoner (500-2500 mg N/L). I disse prosessene brukes anammox bakterien i kombinasjon med delvis nitrifisering. Delvis nitrifisering med anammox (PNA) består av en delvis nitrifisering av ammonium til nitritt utført av ammonium oksiderende bakterier og anaerob ammonium oksidasjon utført av anammox bakterier. Selv om prosessen kun er i bruk ved høye ammonium konsentrasjoner på stor skala, har den også vært anvendt ved lave ammonium konsentrasjoner (ned til 20 mg N/L) i labskala forsøk. Normale ammonium konsentrasjoner i RAS er 2mg N/L og i dette studiet ble det undersøkt om PNA prosessen kunne anvendes på lave ammonium-N konsentrasjoner som er relevante for RAS i ett-trinns reaktorer med biofilmbærere.
Biofilmbærere fra en PNA prosess med høye ammonium konsentrasjoner (800 mg N/L) ble brukt i to 15L reaktorer for å se om det var mulig å få PNA og anammox aktivitet ved lave ammonium konsentrasjoner. Den ene reaktoren (kalt PNA reaktor) fikk 10 mg/L ammonium-N i tillegg til noe organisk karbon i en periode på 4 måneder. I tillegg ble den luftet i korte perioder. Den andre reaktoren fikk ammonium og nitritt og konsentrasjonen ble senket gradvis fra 300 mg/L til 10 mg/L av henholdsvis ammonium-N og nitritt-N, over en periode på 10 måneder. Konsentrasjoner av ammonium, nitritt og nitrat ble målt regelmessig i innløpet og utløpet til reaktoren. I tillegg ble det tatt prøver av biofilmbærerne fra begge reaktorene for å analysere hvilke bakterier den besto av. Dette ble gjort ved hjelp av Illumina-sekvensering av 16S rRNA amplikon.
PNA prosessen fungerte godt i PNA reaktoren. Den høyeste andelen av fjernet nitrogen var 90%, men gjennomsnittlig andel av fjernet nitrogen var 74% mot slutten av den eksperimentelle perioden. Det var ingen akkumulering av nitritt og nitrat i løpet av forsøket. Bakteriesamfunnet i PNA reaktoren besto av en stor andel Planctomycetes, en bakterieorden som er kjent for anammox bakterier. To ASV-er skilte seg ut siden de utgjorde en stor del av samfunnet: familien Brocadiacaea og rekken Chloroflexi.
I AMX reaktoren avtok andelen med fjernet nitrogen, mens nitrat produksjonen økte over den eksperimentelle perioden. Det bakterielle samfunnet besto også av mange ASV-er knyttet til Planctomycetes rekken, men i tillegg utviklet det seg en stor populasjon av Nitrospira. I de to siste biofilm prøvene utgjorde Nitrospira i gjennomsnitt 17% i relativ forekomst. Basert på den molare ratioen mellom oksygen og nitrogenforbindelsene var det ikke nok oksygen tilgjengelig i reaktoren for den nitrifikasjonen vi observerte, men det kan tenkes at det fantes flere kilder til oksygen enn det vi målte i innløpsvannet.
For å konkludere fungerte det bra å eksponere biofilmbærerne direkte til en lav konsentrasjon av ammonium for å få PNA aktivitet i reaktoren. | |
| dc.description.abstract | Biological water treatment in recirculating aquaculture systems (RAS) is typically based on nitrification, a process for the conversion of the toxic waste product ammonium (NH4+). This process results in high nitrate concentrations in the RAS water and its effluents. Nitrate can be removed by denitrification, but this process is not typically used in commercial smolt production in Norway. Instead, the nitrate concentration in the rearing water is controlled by water exchange. However, more economic and environmental-friendly alternatives for nitrogen removal might be interesting.
Biological water treatment processes based on the anammox process have been applied to treat industrial wastewaters of high ammonium concentrations (high-strength wastewater). In these treatment processes, the anammox bacteria is utilized in combination with partial nitrification. The partial nitrification anammox process (PNA) consists of the partial nitrification of ammonium to nitrite by nitrifiers and the removal of ammonium and nitrite through anaerobic oxidation of ammonium by anammox bacteria. Currently, the PNA process is only applied in large-scale processes treating high-strength wastewater (500-2500 mg N/L), but it has also been applied to lower nitrogen concentrations of 20-50 mg/L in lab scale studies. In RAS, typical ammonium concentrations are 2 mg/L and in this study, we examined whether PNA and anammox processes could be adapted to lower TAN concentrations relevant to RAS conditions in one-stage, biocarrier MBBR reactors.
In this study, PNA carriers treating high-strength wastewater of 800 mg/L ammonium-N and 3000 mg/L COD at the wastewater facility “Nordre Follo” (Viken, Norway) were implemented in two MBBR 15L reactors to try to obtain anammox or PNA activity at low ammonium concentrations. One reactor (PNA reactor) was operated at 10 mg/L ammonium-N for 4 months, fed some acetate-carbon (C/N-ratio = 0.35) and operated with intermittent aeration. The other reactor (AMX reactor) was fed ammonium and nitrite and the ammonium-N and nitrite-N concentrations were lowered stepwise from 300 mg/L to 10 mg/L, respectively, over a 10-month period, and operated anaerobically by N2 flushing of influent feeding water and the reactor content. Influent and effluent concentrations of nitrogen compounds were measured over the experimental periods of both reactors and K5 biocarriers with biofilm were sampled at regular intervals for Illumina sequencing of the 16S rRNA amplicons.
PNA activity was successfully achieved in the PNA reactor. A maximum nitrogen removal of 90% of the total influent nitrogen was observed and the average nitrogen removal during the final period of the three final days of operation was 74%. No accumulation of neither nitrite nor nitrate was observed during the experimental period. The bacterial community in the reactor showed high relative abundances and diversity of the Planctomycetes phylum. The two most abundant sequence variants (ASVs), representing the Brocadiaceae family and probably the phylum Chloroflexi, constituted in average around 40% of the total reads for the samples from the PNA reactor.
In the AMX reactor the nitrogen removal decreased over the experimental period, while nitrate production increased despite low oxygen concentration in the reactor. The microbial community in the AMX reactor also consisted of Planctomycetes and high abundances of the same two ASVs as in the PNA reactor, but the relative abundance of ASVs classified as Nitrospira increased over the experimental period and constituted in average 17% of the relative abundance in the last two biofilm samples. Based on the molar ratio of nitrite and oxygen for nitrite oxidation, there was not enough oxygen present for the nitrate production which was observed. However, nitrate production and Nitrospira abundance increased over the experimental period and one possible reason is that there were additional sources of oxygen which were unaccounted for in this study.
In conclusion, the strategy of directly exposing the biofilm carriers in the MBBR to low TAN concentrations was successful for PNA operation. | |
