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Anaerobic digestion of sludge from RAS and MBBR maturation
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Authors
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Abstract(s)
Recirculating aquaculture systems (RAS) are gaining popularity for their enhanced sustainability and increased fish production rates. However, the potential of saltwater RAS is constrained due to the absence of a standardized method for treating the saltwater sludge produced. Besides this, biofilter maturation in marine RAS is more challenging and less explored. Hence, this study aims to 1) Identify a suitable inoculum for Anaerobic Digestion (AD) of sludge produced in marine RAS and 2) compare different media substrates K3, K5 and Biochip on maturation and nitrification performance in Moving Bed Biofilm reactor (MBBR). Serum bottles were adapted as anaerobic reactors to test three different inocula for COD and TSS removal capacity and methane purity of the biogas produced: 1) Digested sludge from an operating anaerobic reactor (ETAR); 2) aquaculture earth pond sludge (A) and 3) a mix of ETAR and A (MIX). Regarding MBBR maturation, K3, K5 and Biochip’s MBBRs were operated with a hydraulic retention time (HRT) of 1 hour and 60 % filling ratio. AD results showed that ETAR and MIX removed 49.7 and 48.7% of COD while 67.4 and 82% of TSS, respectively. The methane purity found in the biogas of ETAR, MIX and A inocula were 0.22, 2.5 and 3.5%. Regarding MBBR maturation, start-up was completed on day 46 for K3 and K5’MBBR while on day 50 for Biochip’s MBBR. Biochip, K5 and K3 MBBR’s attained a TAN removal efficiency of 93.4, 87.5 and 66% while Biochip and K5’s MBBRs stabilized their nitrite removal efficiency at 89.3 and 88.9%. In contrast, K3 still showed an increasing trend, reaching 40%. Overall, this study showed that considering inocula previously exposed to salinity could be a better option for AD of marine RAS while MBBR’s with K5 and Biochip can achieve better water quality in FLATLANTIC RAS.
Os sistemas de recirculação de aquacultura (RAS) estão a ganhar popularidade devido à sua maior sustentabilidade e à possibilidade de obter taxas de produção de peixe mais elevadas num ambiente controlado. No entanto, o potencial do RAS de água salgada está limitado por ainda não existir um método standard que permita tratar as lamas produzidas com elevada salinidade. Para além disto, a maturação de biofiltros em água salgada é mais desafiante e por norma demora mais tempo comparativamente a RAS de água doce. A maioria da investigação feita em biofiltros foca-se principalmente em água doce, levando a que haja uma grande falta de informação quanto às estratégias de maturação e à performance da nitrificação com diferentes substratos para Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) em sistemas RAS com água salgada. Por estas razões, este estudo tem dois objetivos principais: 1) tentar encontrar um inóculo que, através da digestão anaeróbia, consiga remover matéria orgânica das lamas salinas produzidas e, ao mesmo tempo produzir biogás, sendo este um recurso que pode ajudar a diminuir os custos do RAS, numa perspetiva de economia circular; 2) avaliar o tempo necessário para a maturação de substratos de MBBR, nomeadamente K3, K5 e Biochip MUTAG 30TM e perceber qual a capacidade de remoção de amónia e nitritos de cada um dos substratos, com o objetivo final de encontrar um substrato que permita atingir a melhor e mais estável qualidade de água em RAS de água salgada e em específico para a empresa FLATLANTIC. No que toca à digestão anaeróbia, dois inóculos foram inicialmente recolhidos. O primeiro inóculo foi recolhido de um digestor anaeróbio em operação num sistema de tratamento de águas residuais e o segundo inóculo foi recolhido de um tanque de terra de aquacultura que estava sujeito a variações de salinidade devido aos ciclos das marés. Através destes inóculos, três combinações de inóculos foram exploradas para maximizar a possibilidade de encontrar um inóculo capaz de digerir as lamas com elevada salinidade produzidas nos filtros tambor do sistema RAS da FLATLANTIC. As três combinações de inóculos avaliadas neste estudo foram: 1) lamas digeridas de um reator anaeróbio do sistema de tratamento de águas residuais (ETAR), 2) lamas de um tanque de terra de aquacultura (A) e uma combinação dos dois anteriores que considerou metade do volume adicionado de cada um dos primeiros (MIX), com objetivo de começar os reatores anaeróbios com uma concentração de sólidos suspensos totais (SST) inicial de 1 g/L. Para testar a digestão anaeróbia, foram adaptadas garrafas de soro a digestores anaeróbios de escala laboratorial com homogeneização constante da fase líquida do reator. Quanto à maturação de biofiltros MBBR, os substratos K3, K5 e Biochip foram adicionados inicialmente num rácio de enchimento de 60% e os reatores foram operados com um tempo de retenção de 60 minutos. Porém, após 15 dias do início do período experimental, os reatores com Biochip tiveram de ser reajustados para 30% de enchimento para melhorar a eficiência de homogeneização. Após este ajuste, o enchimento dos reatores com Biochip sofreram incrementos até chegarem a um rácio de enchimento final de 55%. Os resultados da experiência relativa à digestão anaeróbia demostraram que os inóculos ETAR e MIX foram capazes de remover 49,7 e 48,7% da carência química de oxigénio (CQO) total introduzida pelas lamas recolhidas do filtro tambor do sistema RAS da FLATLANTIC, respetivamente. A remoção de SST também foi analisada tendo os inóculos ETAR e MIX removido 67,4 e 83,7% dos sólidos suspensos adicionados pelas lamas produzidas no RAS. Devido à falha da homogeneização constante nos reatores anaeróbios com o inóculo A, os resultados de remoção de CQO e SST não foram considerados. Quanto à pureza do metano do biogás produzido, os inóculos ETAR, MIX e A obtiveram 0,22, 2,3 e 3,5%, respetivamente. Para além disto, os parâmetros de CQO solúvel, concentração de sulfato (SO42-), o rácio de CQO/SO42-, o rácio de C/N e a concentração de NH4+ também foram avaliados. O CQO solúvel demonstrou um aumento constante assim que os retores entraram em condições anaeróbias. Para além disto, as concentrações de sulfato e o respetivo rácio CQO/SO42- demostraram estar em condições promotoras para o estabelecimento de bactérias redutoras de sulfato que podem ter afetado a performance da digestão anaeróbia. O rácio de C/N dos reatores anaeróbios também demonstrou estar muito abaixo dos valores ótimos para a digestão anaeróbia. Para além dos incrementos na salinidade devido à natureza salina das lamas do RAS e dos fatores anteriormente referidos, o baixo conteúdo em SST das lamas do RAS também pode ter sido um fator que contribuiu para uma pureza de metano mais baixa. Quanto à maturação de MBBR, os MBBR com enchimento K3, K5 e Biochip demonstraram atingir a maturação no dia 46 e 50, respetivamente. Após a maturação existiu um período em que os MBBR tiveram uma diminuição na sua eficiência de remoção de amónia, onde o Biochip demonstrou ser o mais resiliente. Após este período, os MBBR com K3, K5 e Biochip demonstraram uma eficiência média na remoção de amónia de 66, 87,5 e 93,4%, respetivamente. Por outro lado, a remoção de nitritos foi mais demorada, apenas no dia 87 ocorreu a estabilização na eficiência de remoção de nitritos em 89,3 e 88,9% para os MBBR com Biochip e K5, respetivamente. Em contraste, o K3 não demonstrou estabilização deste fator, sendo que apenas atingiu uma remoção final de 40%. Este atraso no MBBR com K3 pode ter sido causado por uma maior competição por espaço e/ou oxigénio entre as bactérias nitrificantes e heterotróficas. A biomassa aderente das peças de substrato de MBBR demonstraram variações significativas ao longo do período experimental e não foram encontras diferenças significativas entre os SST do afluente e efluente dos MBBR, com o biochip a demonstrar algum potencial para remoção de SSTs. A percentagem de nitrato produzido demonstrou estar abaixo do expectável para um sistema de nitrificação perfeito, indicando que outras vias, para além da nitrificação, podem estar a ser favorecidas. A taxa de remoção volumétrica de amónia do K3, K5 e Biochip, obtidas no final do período experimental, foram 12,3, 17,7 e 20,8 g N/m3/dia, respetivamente. A taxa de remoção volumétrica de nitritos obtida para K3, K5 e Biochip foram 23,3, 48,2 e 54,2 g N/m3/dia e, por último, a taxa de remoção de amónia por unidade de área obtida foi 24,5, 22,1 e 3,8 mg N/m2/dia. Relativamente à digestão anaeróbia, este estudo demonstrou que é possível remover matéria orgânica e produzir algum biogás com digestão anaeróbia de lamas salinas produzidas em RAS de água salgada. Porém, também demonstrou que existem vários fatores que têm de ser simultaneamente combatidos de forma a aumentar a eficiência da digestão destas lamas salinas. Para além disto, este estudo demonstrou que é mais viável tentar adaptar bactérias anaeróbias que estiveram previamente expostas a salinidade do que tentar adaptar inóculos que provêm de digestores anaeróbios sem salinidade. Quanto à maturação de MBBR, este estudo permitiu perceber que os substratos K5 e Biochip podem ser uma opção mais viável para a empresa FLATLANTIC, permitindo uma melhor qualidade da água, contribuindo, possivelmente, para um melhor crescimento de Solea senegalensis. Estudos futuros relativamente à digestão anaeróbia de lamas de RAS com água salgada devem focar-se em tentar adaptar inóculos que estiveram previamente expostos a salinidade e a encontrar um método de adaptação standard que permita utilizar a digestão anaeróbia de forma eficiente para lamas de RAS de água salgada. No que toca à nitrificação, estudos futuros devem focar-se em otimizar estratégias de maturação que possam ser utilizadas à escala comercial para RAS de água salgada, de forma a permitir uma maior sustentabilidade e atratividade destas operações, assegurando o bem-estar animal.
Os sistemas de recirculação de aquacultura (RAS) estão a ganhar popularidade devido à sua maior sustentabilidade e à possibilidade de obter taxas de produção de peixe mais elevadas num ambiente controlado. No entanto, o potencial do RAS de água salgada está limitado por ainda não existir um método standard que permita tratar as lamas produzidas com elevada salinidade. Para além disto, a maturação de biofiltros em água salgada é mais desafiante e por norma demora mais tempo comparativamente a RAS de água doce. A maioria da investigação feita em biofiltros foca-se principalmente em água doce, levando a que haja uma grande falta de informação quanto às estratégias de maturação e à performance da nitrificação com diferentes substratos para Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) em sistemas RAS com água salgada. Por estas razões, este estudo tem dois objetivos principais: 1) tentar encontrar um inóculo que, através da digestão anaeróbia, consiga remover matéria orgânica das lamas salinas produzidas e, ao mesmo tempo produzir biogás, sendo este um recurso que pode ajudar a diminuir os custos do RAS, numa perspetiva de economia circular; 2) avaliar o tempo necessário para a maturação de substratos de MBBR, nomeadamente K3, K5 e Biochip MUTAG 30TM e perceber qual a capacidade de remoção de amónia e nitritos de cada um dos substratos, com o objetivo final de encontrar um substrato que permita atingir a melhor e mais estável qualidade de água em RAS de água salgada e em específico para a empresa FLATLANTIC. No que toca à digestão anaeróbia, dois inóculos foram inicialmente recolhidos. O primeiro inóculo foi recolhido de um digestor anaeróbio em operação num sistema de tratamento de águas residuais e o segundo inóculo foi recolhido de um tanque de terra de aquacultura que estava sujeito a variações de salinidade devido aos ciclos das marés. Através destes inóculos, três combinações de inóculos foram exploradas para maximizar a possibilidade de encontrar um inóculo capaz de digerir as lamas com elevada salinidade produzidas nos filtros tambor do sistema RAS da FLATLANTIC. As três combinações de inóculos avaliadas neste estudo foram: 1) lamas digeridas de um reator anaeróbio do sistema de tratamento de águas residuais (ETAR), 2) lamas de um tanque de terra de aquacultura (A) e uma combinação dos dois anteriores que considerou metade do volume adicionado de cada um dos primeiros (MIX), com objetivo de começar os reatores anaeróbios com uma concentração de sólidos suspensos totais (SST) inicial de 1 g/L. Para testar a digestão anaeróbia, foram adaptadas garrafas de soro a digestores anaeróbios de escala laboratorial com homogeneização constante da fase líquida do reator. Quanto à maturação de biofiltros MBBR, os substratos K3, K5 e Biochip foram adicionados inicialmente num rácio de enchimento de 60% e os reatores foram operados com um tempo de retenção de 60 minutos. Porém, após 15 dias do início do período experimental, os reatores com Biochip tiveram de ser reajustados para 30% de enchimento para melhorar a eficiência de homogeneização. Após este ajuste, o enchimento dos reatores com Biochip sofreram incrementos até chegarem a um rácio de enchimento final de 55%. Os resultados da experiência relativa à digestão anaeróbia demostraram que os inóculos ETAR e MIX foram capazes de remover 49,7 e 48,7% da carência química de oxigénio (CQO) total introduzida pelas lamas recolhidas do filtro tambor do sistema RAS da FLATLANTIC, respetivamente. A remoção de SST também foi analisada tendo os inóculos ETAR e MIX removido 67,4 e 83,7% dos sólidos suspensos adicionados pelas lamas produzidas no RAS. Devido à falha da homogeneização constante nos reatores anaeróbios com o inóculo A, os resultados de remoção de CQO e SST não foram considerados. Quanto à pureza do metano do biogás produzido, os inóculos ETAR, MIX e A obtiveram 0,22, 2,3 e 3,5%, respetivamente. Para além disto, os parâmetros de CQO solúvel, concentração de sulfato (SO42-), o rácio de CQO/SO42-, o rácio de C/N e a concentração de NH4+ também foram avaliados. O CQO solúvel demonstrou um aumento constante assim que os retores entraram em condições anaeróbias. Para além disto, as concentrações de sulfato e o respetivo rácio CQO/SO42- demostraram estar em condições promotoras para o estabelecimento de bactérias redutoras de sulfato que podem ter afetado a performance da digestão anaeróbia. O rácio de C/N dos reatores anaeróbios também demonstrou estar muito abaixo dos valores ótimos para a digestão anaeróbia. Para além dos incrementos na salinidade devido à natureza salina das lamas do RAS e dos fatores anteriormente referidos, o baixo conteúdo em SST das lamas do RAS também pode ter sido um fator que contribuiu para uma pureza de metano mais baixa. Quanto à maturação de MBBR, os MBBR com enchimento K3, K5 e Biochip demonstraram atingir a maturação no dia 46 e 50, respetivamente. Após a maturação existiu um período em que os MBBR tiveram uma diminuição na sua eficiência de remoção de amónia, onde o Biochip demonstrou ser o mais resiliente. Após este período, os MBBR com K3, K5 e Biochip demonstraram uma eficiência média na remoção de amónia de 66, 87,5 e 93,4%, respetivamente. Por outro lado, a remoção de nitritos foi mais demorada, apenas no dia 87 ocorreu a estabilização na eficiência de remoção de nitritos em 89,3 e 88,9% para os MBBR com Biochip e K5, respetivamente. Em contraste, o K3 não demonstrou estabilização deste fator, sendo que apenas atingiu uma remoção final de 40%. Este atraso no MBBR com K3 pode ter sido causado por uma maior competição por espaço e/ou oxigénio entre as bactérias nitrificantes e heterotróficas. A biomassa aderente das peças de substrato de MBBR demonstraram variações significativas ao longo do período experimental e não foram encontras diferenças significativas entre os SST do afluente e efluente dos MBBR, com o biochip a demonstrar algum potencial para remoção de SSTs. A percentagem de nitrato produzido demonstrou estar abaixo do expectável para um sistema de nitrificação perfeito, indicando que outras vias, para além da nitrificação, podem estar a ser favorecidas. A taxa de remoção volumétrica de amónia do K3, K5 e Biochip, obtidas no final do período experimental, foram 12,3, 17,7 e 20,8 g N/m3/dia, respetivamente. A taxa de remoção volumétrica de nitritos obtida para K3, K5 e Biochip foram 23,3, 48,2 e 54,2 g N/m3/dia e, por último, a taxa de remoção de amónia por unidade de área obtida foi 24,5, 22,1 e 3,8 mg N/m2/dia. Relativamente à digestão anaeróbia, este estudo demonstrou que é possível remover matéria orgânica e produzir algum biogás com digestão anaeróbia de lamas salinas produzidas em RAS de água salgada. Porém, também demonstrou que existem vários fatores que têm de ser simultaneamente combatidos de forma a aumentar a eficiência da digestão destas lamas salinas. Para além disto, este estudo demonstrou que é mais viável tentar adaptar bactérias anaeróbias que estiveram previamente expostas a salinidade do que tentar adaptar inóculos que provêm de digestores anaeróbios sem salinidade. Quanto à maturação de MBBR, este estudo permitiu perceber que os substratos K5 e Biochip podem ser uma opção mais viável para a empresa FLATLANTIC, permitindo uma melhor qualidade da água, contribuindo, possivelmente, para um melhor crescimento de Solea senegalensis. Estudos futuros relativamente à digestão anaeróbia de lamas de RAS com água salgada devem focar-se em tentar adaptar inóculos que estiveram previamente expostos a salinidade e a encontrar um método de adaptação standard que permita utilizar a digestão anaeróbia de forma eficiente para lamas de RAS de água salgada. No que toca à nitrificação, estudos futuros devem focar-se em otimizar estratégias de maturação que possam ser utilizadas à escala comercial para RAS de água salgada, de forma a permitir uma maior sustentabilidade e atratividade destas operações, assegurando o bem-estar animal.
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Biogás Biochip Água salgada Nitrificação Qualidade da água