Recirculating aquacultural system (RAS) wastewater treatment using microalgae

Abstract

Avløpsvannet fra landbaserte oppdrettsanlegg inneholder næringsstoffer (f.eks. nitrogen og fosfor) som stammer fra uspist fiskefôr og avføring. Hvis dette avfallet slippes ut i økosystemer, kan næringsstoffene i vannet føre til eutrofiering, som er en prosess som kan skape omfattende skader (f.eks. øke skadelig algevekst). Når næringsstoffene blir fjernet fra vannet, kan vannet bli gjenbrukbart for oppdrettsanlegget eller kan trygt slippes ut i økosystemer.

Fjerning av næringsstoffer fra avløpsvann kan gjøres ved bruk av mikroalger ved å la vannet renne gjennom et mikroalgedyrkningsanlegg. Dette anlegget vil være et roterende alge-biomasse (RAB) anlegg. Dette er et av de mest optimale dyrkingsanleggene på grunn av de roterende dyrkingsbeltene. Disse beltene gir høy vekstrate på grunn av deres kontinuerlige rotasjon fra et gassstadium i et rom fylt med lys til et mørkt dyrkningsmedium fullt av næringsstoffer. I tillegg til dette er dyrkingsbeltene bygget vertikalt for å spare fotavtrykk. Denne prosessen vil også skape et biprodukt fra biomasse, som kan selges for profitt. Derfor ser denne prosessen på å gjøre et avfallsprodukt om til en vare, noe som resulterer i redusert avfall til økosystemer og vekst av biovarer.

I denne oppgaven blir to mikroalger Phaeodactylum Tricornutum og Synechocystis SP. PCC 6803 og en blandet kultur fra begge artene testet for absorpsjonshastighet for næringsstoffer. Næringsopptakshastigheten kan brukes til å se hvor godt disse artene er egnet til å fjerne næringsstoffer fra avløpsvannet til et behandlingsanlegg for et landbasert resirkulerende akvakulturelt system (RAS). Fra laboratorieeksperimentene ble det funnet at alle tre kulturene absorberte ca 75mg*m^(-2)*døgn^(-1) nitrogen og 4.411 mg*m^(-2)*døgn^(-1) fosfor. Biomassen til Phaeodactylum Tricornutum hadde problemer med å feste seg til overflaten og hadde derfor lav biomassevekst. Som et resultat av dette ble Synechocystis SP. PCC 6803 valgt som den beste mikroalgen.

Laboratorieeksperimentene og beregningene som ble utført i denne avhandlingen indikerte videre at for et RAS-anlegg som produserer 219 tonn laks per år, vil et renseanlegg for mikroalger kreve et RAB-overflateareal på ca. 10,000m^2 et fotavtrykkareal mellom 900 til 1200 m^2 med dyrkningsbeltehøyder henholdsvis mellom 1,83 og 2,50 m høye. Beregninger viser at mikroalgene Synechocystis SP. PCC 6803 ville produsere opptil 14 tonn mikroalger biomasse i året. Dette skiller seg fra informasjonen som ble funnet i et litteratursøk at den samme RAB-reaktoren kunne produsere opptil 111 tonn mikroalgerbiomasse.

Det er flere grunner til at den beregnede produksjonen av biomasse fra laboratorieforsøkene i denne oppgaven er rundt 15 % av den faktiske beregnede produksjonen av biomasse fra et RAB anlegg. Opprinnelig skulle denne oppgaven gjennomføre en pilottest av mikroalgevekst i et RAB anlegg. På grunn av Covid-19 var det umulig å transportere reaktoren til Norge i tide, så laboratorietestingen var en reserveplan. Mikroalgene dyrket i laboratoriet ble dyrket i flasker og tilført næringsrikt vann hver tiende dag. Dette er langt fra det optimale miljøet i en RAB-reaktor og presenteres med grunne verdier for produksjon av biomasse, som forventet fra dyrking i flaske.

The wastewater from land-based fish farming facilities contains nutrients (e.g., nitrogen and phosphorus) originating from uneaten fish feed and feces. If this waste is released into ecosystems, the nutrients in the water can lead to eutrophication which is a process that can create extensive damage (e.g., increasing harmful algae growth). When the nutrients are removed from the water, the water becomes reusable for the fish farming facility or can safely be released to ecosystems.

Removing nutrients from wastewater can be done using microalgae by letting the water run through a microalgae cultivation facility. In the case addressed here, the facility will be a rotating algal biomass (RAB) facility. This is one of the most optimal cultivation facilities because of the rotating cultivation belts. These belts provide a high growth rate because of their continuous rotation from a gas stage in a room filled with light to a dark cultivation liquid medium full of nutrients. In addition to this, the cultivation belts are built vertically to save footprint area. This process will also create a biomass byproduct, which can be sold for profit. Therefore, this process looks at turning a waste product into a commodity, resulting in reduced waste into ecosystems and the growth of bio-commodities.

In this thesis, two microalgae species Phaeodactylum Tricornutum and Synechocystis SP. PCC 6803 and a mixed culture from both the species are being tested for their nutrient absorption rate. The nutrient absorption rate can be used to see how well these species could remove nutrients from wastewater to be a treatment facility for a land-based recirculating aquacultural system (RAS). From the laboratory experiments, it was found that all three cultures absorbed about 75 mg*m^(-2)*day^(-1) of nitrogen and 4.411 mg*m^(-2)*day^(-1) of phosphor. The Phaeodactylum Tricornutum biomass had trouble attaching to the surface and had, therefore, low biomass growth. As a result of this Synechocystis SP. PCC 6803 has been the chosen microalgae, as it had a steady growth rate.

The laboratory experiments and calculations performed in this thesis further indicated that for a RAS plant producing 219 tons of salmon per year, a microalgae wastewater treatment facility would require a RAB surface area of approximately 10,000 m^2 and a footprint area between 900 to 1,200 m^2 with cultivation belt heights of 2.50 to 1.83 m respectively. Calculations show that the microalgae Synechocystis SP. PCC 6803 would produce up to 14 tons of microalgae biomass a year. This differs from information found in a literature search that the same RAB reactor could produce up to 111 tons of microalgae biomass.

There are several reasons why the calculated biomass production from the laboratory experiments in this thesis is around 15 % of the RAB biomass production from literature. Initially, this thesis was going to do a pilot test of microalgae growth in an actual RAB reactor. Because of Covid-19, it was impossible to transfer the reactor to Norway in time, so the laboratory testing was a backup plan. The microalgae grown in the lab were cultivated in bottles and supplied nutritious water every ten days. This is far from the optimal environment in a RAB reactor and presented with shallow values for biomass production, as expected from bottle cultivation.