Landbaserat recirkulerande vattenbruk (RAS) (1) och Simon Pedersen Avdelningen för reglerteknik Chalmers
Vattenbruk (2) Fiske Odlad
Vattenbruk (3) Många problem associerade med traditionell odling i öppna kassar: Utsläpp av eutrofierande näringsämnen, parasiter och sjukdomar Rymlingar som utarmarvilda stammar. Användning av antibiotika och kemikalier för att hantera sjukdomar och parasiter. Användning av fiskmjöl för odling av rovfisk Problem med extrema väderförhållanden. Tillgång på vatten. Endast begränsad kassodling i Sverige.
Landbaserat recirkulerande vattenbruk (4) Utsläpp Rymlingar Sjukdomar Fiskmjöl Väder Vattentillgång
Uthålligt vattenbruk (5)
$ - Nackdelar / fördelar med RAS (6) Investeringskostnader Lokal (personal, slussar...) Bassänger, rör, kopplingar mm. Utrustning: Filter, pumpar, givare, styrsystem mm. Driftskostnader Uppvärmning Elektricitet för pumpning, luftning mm. Salt för att hålla alkalinitet / ph Kolkälla för denitrifikation Vatten Ekonomiska fördelar Snabbare tillväxt Lägre dödlighet Mindre foderåtgång Enklare hantering av fisken Hur ska en optimal RAS se ut?
Olika typer av RAS (7) Partiellt recirkulerande Mer än 10% vattenutbyte per dag Fullt recirkulerande Mindre än 10% vattenutbyte per dag Landbaserade Utomhus Inomhus Akvaponi Havs /sjö baserade Hårt skal Mjukt skal
Innehållsförteckning (8) Introduktion RAS Vattenrening Partikulärt material Löst organiskt material Nitrifikation Denitrifikation Photokemisk behandling RAS konfigurationer En RAS simulator Planer
Partikulärt material (9) Irriterar och skadar gälarna vilket ökar risken för bakteriella angrepp på gälarna. Ackumulation av suspenderade partiklar kan ge upphov till anoxisk nedbrytning som ger fisken dyig smak Försämrad sikt ger högre foderspill Kan reducera effektiviteten i den övriga reningen (UV, igensättning av filter osv.) Trumfilter Bandfilter
Löst organiskt material (10) Hydrolys Biologiskt nedbrytbart partikulärt material (organiskt) Löst organiskt material
Löst organiskt material (11) Hydrolys Biologiskt nedbrytbart partikulärt material (organiskt) Löst organiskt material I en aerob miljö bryter heterotrofa bakterier ner löst organiskt material (HC): HC + O 2 CO 2 + H 2 0 + biomass Aktivt slam: Bakterierna sitter ihop i aggregat (klumpar) Biofilm: Bakterierna sitter fast på ett underlag Organiskt material kan mätas i COD / BOD
Nitrifikation (12) Ammoniak (NH3) är toxiskt för de flesta fiskar redan vid låga koncentrationer Jämvikten är förskjuten mot ammonium (NH 4+ ) NH 3 + H 3 O + NH 4+ + H 2 0 Ammonium oxideras biologiskt i två steg: 1. Ammoniumoxiderande bakterier (AOB) NH + 4 + 1.5O 2 NO 2 + H 2 O + 2H + som alltså sänker ph. Generaliserat kompenseras det för genom en reduktion av alkaliniteten (bikarbonat) 2H + + 2HCO 3 2CO 2 + 2H 2 O 2. Nitritoxiderande bakterier (NOB) NO 2 + 0.5O 2 NO 3 Nitrifierare är autotrofa och växer mycket långsammare än de heterotrofa bakterierna. Som en följd blir de utkonkurrerade om inte BOD concetrationerna är tillräckligt låga. Både AOB och NOB är temperaturberoende med optimum kring 20 25 o C.
Nitrifikation För nitrifikation brukar man använda sig av biofilmreaktorer AOB och NOB fäster bra på de flesta material, bildar en relativt fast film som klarar skjuvkrafter väl och gör att de klarar konkurrensen från de heterotrofa bakterierna bättre (13) Underlag Notera: Även nitrit (NO 2 ) är väldigt toxiskt för fisk. Det är därför viktigt att systemet är designat så att man får en fullständig nitrifikation från NH 4+ till NO 2. Denitrifikation Vid brist på syre kan de heterotrofa bakterierna använda nitrat som då reduceras till kvävgas: 4NO 3 + 4H + + 5CH 2 O 2CO 2 + 2N 2 + 7H 2 O
Kvävereningsproblemet (14) Nödvändig rening: Organiskt (BOD) Tolerant Ammonium (NH 4+ ) Toxiskt Nitrat (NO 3 ) Tolerant Nitrit (NO 2 ) Toxiskt Biological WWT processes:
Kvävereningsproblemet (15) Nödvändig rening: Organiskt (BOD) Tolerant Ammonium (NH 4+ ) Toxiskt Nitrat (NO 3 ) Tolerant Nitrit (NO 2 ) Toxiskt Biological WWT processes: Kräver BOD = 0
(16) Fodret påverkar fisken påverkar avföringen påverkar bakterierna påverkar...
Enormt antal föreslagna RAS! (17) Landbaserad RAS typisk för partiell recirkulation utan denitrifikation (AquaOptima)
Enormt antal föreslagna RAS! (18) Landbaserad RAS typisk för partiell recirkulation utan denitrifikation (AquaOptima)
(19) Med efterdenitrifikation och hydrolys: Example: Langsand Laks 1000 tons/year
(20) Med biofilter i en separat loop (Aqua Group):
Med biofilter i separat loop: (21) Aquaculture Developments + Lågt flöde genom BF möjligt => fullständig nitrifikation kan garanteras + All BOD i huvudflödet behöver inte renas => reducerar syreförbrukningen + Partiklar från BF fångas i PF innan fiskbassängerna Ingen denitrifikation Ökat flöde genom PF, UV och avgasning => ökad energianvändning Möjlighet till nitrifikation i avgasningen => risk för förhöjda nitritkoncentrationer
(22) University of Maryland: 2006 2009 Mycket hög grad av recirculation Överaskande massbalanser som förklaras av kombinerad denitrifikation och ANAMMOX bakterier
(23) Med Annamoxbakterier: Höga temperaturer och måttlig salthalt (<1.6 g/l)
Greenfish AB (Kungälv) and Lantfisk AB (Ale): (24) + Fördenitrifierande lösning (WWTP) + Nitrifikation in separat loop => fullständig nitrifikation kan garanteras + Bypass från P => både BOD och NH4 styras till att ligga nära gränsvärdena
Varför så många lösningar? (25) En uppstart till stationär drift tar år. Efter en förändring av systemet eller driften tar det månader innan stationär drift uppnås igen. Faktum är att systemet per definition aldrig är i stationärt tillstånd! Komplexa relationer mellan fisk, foder och bakterier. Mycket dyrt och i princip omöjligt att experimentellt optimera utan välgrundade hypoteser.
Slutsats (26) En RAS konfiguration som generellt är optimal har inte fastställts. Mycket sannolikt beror den på Art Foder Storlek Temperatur Lokala faktorer, som t ex. tillgängligt vatten, utsläppskrav, tillgängliga värmekällor och andra faciliteter
En simulator i (Matlab / Simulink) (27)
Skillnader (28) Landbaserad RAS Municipal WWTP Predikterbara förhållanden Max-koncentrationer NO2 CO2 Alkalinitet TAN Dimensionering Icke predikterbara förhållanden Medelkoncentrationer Fosfor ph Tidsserier Kunskap Operatörsträning Optimering
1 (29) Feed 0 0 6 time (h) Death Growth: TGC + FCR TGC + DE + DEN... Rate Rate 0.1 0 0.1 0 =1 T 1 =1 T 2 =2 0 6 time (h) T 1 =0 T 2 =2 =2 0 6 time (h)
(30)
En dynamisk process! (31)
Simulatorn (32) Numeriska problem Tidskrävande simuleringar Matlab/Simulink används i huvudsak bara av ingenjörer och är dyrt (för företag i storleksordningen 150 kkr)
(33) Ändra till freeware mjukvara. Många kan hjälpas åt att förbättra simulatorn. Fiskodlare och biologer kan använda simulatorn. Undersök specifikt RAS lösningar för havskatt och hummer Effekt av temperaturval. Tuning av modeller till data från övriga grupper i Nomaculture. Undersök uppstart av en anläggning. Smögen lax Lägg till energiförbrukning. Undersök fördelar och nackdelar med olika konfigurationer (robusthet, förbrukning av energi och material etc.)
En ny simulator i OpenModelica (34) Inga numeriska problem! Mycket snabbare simuleringar!
Smögen lax (35) Grov preliminär parametersättning Litet läckage av luft ovanför anoxiska tankarna syrekoncentration Med läckage av luft Utan läckage av luft tid (dygn) 30
Smögen lax (36) Grov preliminär parametersättning Litet läckage av luft ovanför anoxiska tankarna nitratkoncentration Med läckage av luft Utan läckage av luft tid (dygn) 30
Vad vill ni använda en simulator till? (37) Vi har en anläggning och undrar vad som händer om vi ändrar foder? Hur stora tankar behöver vi om vi... Om man gör så här blir det bättre eller sämre? osv.
Nomaculture (38) Spotted wolffish (Fläckig havskatt) European lobster (Hummer)