Improved water quality in recirculating aquaculture systems (RAS) by applying a membrane bioreactor (MBR) concept for removal of colloidal and fine suspended solids

Abstract

The world’s human population is growing, and there is an increased demand for food. Aquaculture production is increasing rapidly to meet these demands and there is a growing interest for recirculating aquaculture systems (RAS) to maximize production. A typical RAS facility consists of production tanks and a water treatment compartment for removal or conversion of accumulated nutrients, organic matter and particulates where the treated water is recycled to the production tanks. Reuse of water in RAS is high, typically > 90%. Benefits of RAS as compared to flow through systems are commonly cited as; reduction of water consumption, conservation of heat, better environmental control that can reduce the risk of disease and pollution problems, optimize the growth rates and health of certain aquatic species and life stages by surveillance of the water quality. Two of the most important water quality parameters to control in RAS are the content of solids and N-compounds as they can be very detrimental to the species being cultivated. This requires advanced treatment systems that include biological removal of nitrogen and efficient removal of the solids fractions, particularly the fine solids and colloidal fractions.

In this study a membrane bioreactor (MBR) concept was investigated that consisted of a biofilter using the moving-bed-bioreactor with a submerged membrane filtration reactor. To assess the ability of MBR to improve water quality several investigations were conducted through two studies. The first study evaluated the production of the live feed organisms calanoid copepod (Acartia tonsa) and rotifer (Brachionus ‘Cayman’) in marine recirculating aquaculture system (RAS), and the second study evaluated RAS production of Atlantic cod larvae (Gadus morhua L).

In the first study with live feed productions, the MBR concept was found to be a very efficient treatment process to remove the colloidal and fine suspended solids. However, the impact this had on the number of particles in the live feed production tanks was not readily apparent based on particle analysis. To benefit from this enhanced particle removal treatment in live feed production a higher recirculation rate and/or different operating conditions are necessary.

In the second study with production of Atlantic cod larvae, the MBR concept improved water quality with respect to turbidity and colloidal material. This concept also appeared to give improved ammonia conversion in the biofilter. This was potentially due to reduced concentration of organic material and reduced heterotrophic competition. Results also show that the MBR concept lowered the number of bacteria, and affected the microbial composition in the fish tanks. Interestingly a higher cod larvae survival and significantly higher cod larvae size were observed when applying the MBR treatment scheme, and the cod larvae were more robust and had a higher tolerance to applied stress (i.e. higher survival) compared to the control group.

One challenge with membrane filtration in general is the potential decrease in filtration flux resulting from accumulated materials on the surface of or within the membrane. Investigations of the membrane performance and change in transmembrane pressure (TMP) during the experiment revealed a clear correlation between change in TMP and the different feeding regimes applied. Algae paste, decaying rotifers and dry feed appear to contribute the most to membrane fouling.

Verdens befolkning er i stadig vekst, og det er et økende behov for mat. For å møte dette behovet ser man en kraftig økning av matproduksjonen fra akvakulturnæringen, og det er samtidig en voksende interesse for resirkuleringssystem (RAS) for å maksimere produksjonen. Et typisk RAS anlegg består av produksjonstanker og en vannbehandlingsavdeling som skal fjerne eller omdanne akkumulerte næringsstoffer, organisk materiale eller partikler, og hvor det behandlede vannet returneres produksjonstankene. Gjenbruken av vann i RAS er høy, typisk over 90 %. Fordelene med RAS sammenlignet med gjennomstrømsanlegg refererer vanligvis til redusert vannbehov, konservering av varme, forbedret miljøkontroll som kan redusere risikoen for sykdom og forurensningsproblemer, optimalisert vekstrate og helse for visse akvatiske arter og livsstadier ved overvåkning av vannkvalitet. De to viktigste vannkvalitetsparametrene å kontrollere i RAS er innholdet av partikulært materiale og N-forbindelser ettersom disse kan være svært skadelige for den kultiverte arten. Dette krever avansert vannbehandlingssystem som inkluderer biologisk fjerning av nitrogen og effektiv fjerning av den partikulære fraksjonen, spesielt de finpartikulære og kolloidale fraksjonen.

I denne studien ble en membran - bioreactor (MBR) konsept undersøkt som besto av et biologisk filter der man brukte en moving-bed-bioreactor sammen med en nedsunket membranfiltreringsreaktor. For å evaluere membran – bioreaktorens evne til forbedre vannkvaliteten ble ulike undersøkelser gjennomført i to studier. Det første studiet undersøkte produksjonen av levendefôr-organismene calanoid copepod (Acartia tonsa) og rotifer (Brachionus ’Cayman’) i marin RAS, og det andre studiet undersøkte RAS produksjon av atlantiske torskelarver (Gadus morhua L.).

I det første studiet med levendefôrproduksjon ble det vist at MBR konseptet var en effektiv vannbehandlingsprosess til å fjerne den kolloidale og finpartikulære fraksjonen. Påvirkningen på antall partikler i produksjonstankene var imidlertid ikke tydelig basert på partikkelanalyse. For å nyte fordelen av denne avanserte metoden for partikkelfjerningen er det nødvendig med en høyere resirkulasjonsrate og/eller andre driftsbetingelser.

I det andre studiet for produksjon av atlantiske torskelarver forbedret MBR konseptet vannkvaliteten med tanke på turbiditet og kolloidalt materiale. Dette konseptet så også ut til å forbedre ammoniakkomdanninga i biofilteret. Dette var mest sannsynlig på grunn av redusert konsentrasjon av organisk materiale og dermed redusert heterotrof konkurranse. Resultatene viste også at MBR konseptet reduserte antall bakterier, og påvirket den mikrobielle sammensetninga i fisketankene. Det ble observert høyere overlevelse og økt vekst på torskelarvene når man benyttet vannbehandling med MBR, og torskelarvene var mer robust og hadde en høyere toleranse for stress sammenlignet med kontrollgruppen.

En utfordring med membranfiltrering generelt er muligheten for redusert gjennomstrømning forårsaket av akkumulert materiale på overflaten eller inni i membranen. Undersøkelser på membranens ytelse og forandringer på trykket over membranen i løpet av forsøket viste en klar sammenheng mellom trykket over membranen og de forskjellige fôrene som ble tilsatt. Algepasta, oppløste rotatorier og tørrfôr så ut til å bidra mest til fouling av membranen