Optimization of nitrifying biofilters for aquaculture

Abstract

[ES] Los sistemas de recirculación en acuicultura (definidos como circuitos cerrados con mínimo o nulo intercambio del agua de cría) son unos sistemas de producción acuícola con mucho potencial, pero requieren conocimientos específicos de los equipos de purificación de agua. La optimización de uno de estos equipos, el biofiltro nitrificante eliminador de nitrógeno amoniacal, es el objetivo de la presente tesis. Para ello se realizó una serie de experimentos donde se evaluó el rendimiento de biofiltros nitrificantes de percolación (expresado como tasa de eliminación amoniacal pero también prestando atención a la concentración de amonio máxima y mínima en el tanque) en función de diferentes características como son la carga de amonio en el influente del biofiltro, el tipo de material filtrante, la temperatura y la carga hidráulica. La combinación de parámetros (material filtrante, carga hidráulica y temperatura) que originó el mejor rendimiento del biofiltro fue seleccionada para diseñar los biofiltros usados en un experimento de cría de doradas (Sparus aurata) (especie seleccionada puesto que su rango de temperatura óptimo es equivalente a las temperaturas que originaron una mayor tasa de eliminación de amonio) en las mismas instalaciones. Durante este experimento, se reevaluó el rendimiento del biofiltro, sujeto a la influencia de la materia orgánica. Los peces fueron alimentados con tres piensos diferentes (un control, uno formulado a base de harina de pescado y uno formulado sin harina de pescado) y el pienso fue suministrado mediante tres estrategias diferentes de alimentación (a saciedad, utilizando comederos automáticos y utilizando comederos de auto-demanda).

De la primera serie de experimentos se concluyó que, de los materiales filtrantes probados, uno de ellos (MECHpro® rings) fue responsable de rendimientos muy inferiores mientras que el uso de los materiales filtrantes restantes provocó un rendimiento muy similar. También se concluyó que la temperatura tuvo un efecto muy importante, pues bajas temperaturas (entre 15 y 18 ºC) originaron rendimientos bajos para cualquier combinación restante de parámetros por inactivación de las bacterias nitrificantes, mientras que a temperaturas altas el efecto de los diferentes parámetros, como la carga hidráulica, fue más significativo. Respecto a esta última, se observó un rendimiento claramente inferior a una carga hidráulica baja (4 m3/m2 h), así como rendimientos similares para las cargas hidráulicas restantes (8 m3/m2 h y 11 m3/m2 h). Una mayor carga de amonio produjo en todos los resultados de la primera serie de experimentos un rendimiento mayor, pero también picos de concentración de amonio elevados en el agua de cría, lo cual cuestiona su conveniencia en el correcto funcionamiento de los sistemas.

Las tasas de eliminación de amonio de los biofiltros nitrificantes durante su utilización para la cría de doradas fue generalmente menor que en las pruebas de determinación del efecto de diferentes configuraciones en el rendimiento de biofiltros. Esto fue atribuido a la presencia de materia orgánica, pero también a la menor carga de amonio ligada a unas excreciones de amonio total bajas. Se observó asimismo que el pienso vegetal implicó una pérdida de rendimiento y también se concluyó que una determinada estrategia de alimentación (utilización de comederos de auto-demanda) produjo rendimientos superiores respecto a las restantes estrategias, tanto en tasa de eliminación amoniacal como en concentración de amonio en agua. El valor máximo de concentración de amonio fue el más bajo de todos los experimentos realizados, incluyendo los resultados de las pruebas de evaluación del efecto los parámetros operacionales en la tasa de eliminación de amonio.

[EN] Recirculating aquaculture systems (defined as closed circuits where rearing water exchange is reduced to a minimum) show a great potential for fish production but require expertise of water purification equipment. The optimization of one of those units, the nitrifying biofilter, which removes ammonia nitrogen, is the subject of the present thesis. The performance (determined as ammonia removal rate but also taking into account the maximum and minimum concentration of N-TAN in the tank water) of a determinate type of these biofilters, the trickling filter, was evaluated according to different characteristics known as process parameters, such as the biofilter influent ammonia load, filter medium type, water temperature or hydraulic loading. The combination of those process parameters that led to the best results in biofilter performance was used to design biofilters for use in a pilot-scale rearing trial of gilthead sea bream (Sparus aurata), whose optimal growth temperature range is equivalent to the temperatures which led to the highest mean ammonia removal rate. During that experiment, carried out on the same facilities as the performance trials, the performance of the biofilter was re-evaluated, now subject to the influence of organic matter. Fish were fed three different diets (a control, a formulated diet with fishmeal and a formulated diet without fishmeal) y the feed was supplied by three different feeding strategies (to satiation, using automatic feeders and using auto-demand feeders).

The first batch of experiments showed that, from the filter media assessed, one of them (MECHpro® rings) was responsible of low performance in general, while the ammonia removal rates were comparable with the use of the remaining filter media. It was also concluded that the temperature had a very important effect as low temperatures (between 15 and 18ºC) led to low ammonia removal independent of every combination of the remaining process parameters due to the inactivation of nitrifying bacteria, while the effect of other process parameters, such as the hydraulic loading, was more significant at high temperatures. In regard to this parameter, an inferior efficiency was observed at a low hydraulic loading (4 m3/m2 h) compared to the remaining hydraulic loadings (8 m3/m2 h y 11 m3/m2 h), although both values led to similar efficiencies. A higher ammonia load led to greater ammonia removal rates but also to high ammonia concentration peaks in the rearing water, which questions its convenience in the system correct operation.

The mean ammonia removal rate of the nitrifying biofilters during operation in the gilthead sea bream rearing trial was generally lower than in the trials regarding the effect of the combination of process parameters on biofilter performance. This was attributed to the presence of organic matter, but also to the lower ammonia load consequence of low total ammonia excretion. In addition, it was observed that the plant meal based diet led to a loss of performance and that a determinate feeding strategy (use of auto-demand feeders) led to higher biofilter performances compared to the remaining feeding strategies, both in ammonia removal rate and in N-TAN concentration in the tank water. The maximum N-TAN concentration was the lowest across every experiment, including the results of the trials regarding the effect of the combination of process parameters on biofilter performance.

[CA] Els sistemes de recirculació en aqüicultura (definits com circuits tancats amb un intercanvi mínim o nul) són uns sistemes de producció aqüícola amb molt de potencial, però requerixen coneixements específics dels equips de filtració de l'aigua. La optimització d'un d'aquests equips, els biofiltres nitrificants, encarregat de la eliminació de nitrogen amoniacal, es l'objectiu de la present tesi. Per a tal funció es va elaborar una sèrie d'experiments on es va avaluar el rendiment de biofiltres nitrificants de percolació (expressat com tassa d'eliminació amoniacal però tenint en compte la concentració d'amoni màxima i mínima) en funció de diferents característiques como són la carga d'amoni en l'influent del biofiltre, el tipus de material filtrant, la temperatura i la càrrega hidràulica. La combinació de paràmetres (material filtrant, temperatura i càrrega hidràulica) que va originar el major rendiment del biofiltre fou seleccionada per a dissenyar els biofiltres a utilitzar per a l'experiment de cria de dorades (Sparus aurata) en les mateixes instal·lacions, ja què el seu rang of temperatura òptim és coincident amb les temperatures que varen original la major taxa d'eliminació d'amoni. Durant aquest experiment, es va re-avaluar el rendiment del biofiltre, subjecte a la influència de la matèria orgànica. Els peixos varen ser alimentats amb tres pinsos diferents (un control, un formulat amb farina de peix i un formulat sense farina de peix) i el pinso va ser subministrat mitjançant tres estratègies d'alimentació (a sacietat, usant comeders automàtics i usant comeders d'auto-demanda. De la primera sèrie d'experiments es va concloure que, dels materials filtrants provats, un d'ells (MECHpro® rings) fou responsable de rendiments molt inferiors, mentre que l'ús dels restants materials filtrants va produir rendiments molt similars entre ells. També es va concloure que la temperatura va tindre un efecte molt important perquè baixes temperatures (entre 15 i 18 ºC) conduïren a baixos rendiments amb independència de la combinació dels altres paràmetres, degut a la inactivació de les bactèries nitrificants. Per una altra banda, amb altes temperatures, l'efecte de paràmetres com la càrrega hidràulica sobre les tasses d'eliminació d'amoni fou més significatiu. Respecte a aquesta última, es va observar un rendiment clarament inferior a una càrrega hidràulica baixa (4 m3/m2 h) respecte a les restants càrregues hidràuliques (8 m3/m2 h y 11 m3/m2 h) que varen originar similar rendiments entre elles. Una major càrrega d'amoni va produir en tots els resultats de la primera sèrie d'experiments un rendiment major, però també pics de concentració d'amoni elevats en l'aigua de cria, la qual cosa cuestiona la seua conveniència en el correcte funcionament dels sistemes. El rendiment dels biofiltres nitrificant durant la seua utilització per a la cria de dorades fou generalment menor que en les proves de determinació dels efectes de diferents configuracions en la taxa d'eliminació d'amoni. Això fou atribuït a la presència de matèria orgànica, però també a la menor càrrega d'amoni lligada a unes excrecions d'amoni total baixes. Es va observar tanmateix que el pinso vegetal va implicar una pèrdua de rendiment i també es va concloure que una determinada estratègia d'alimentació (utilització de comeders d'auto-demanda) va produir rendiments superiors respecte a les restants estratègies, tant en taxa d'eliminació amoniacal como en concentració d'amoni en l'aigua. El valor màxim de concentració d'amoni fou el mes baix de tots els experiments realitzats, incloent els resultats de les proves d'avaluació del efecte dels paràmetres operacionals en la taxa d'eliminació d'amoni.