Impacts of advanced oxidation processes to microalgae cultivation in RAS water

Abstract

Land-based aquaculture is a growing industry driven by increasing food demand and changes in marine environment. Recirculating aquaculture systems (RAS) are one option to produce aquatic species in closed and controlled environment with minimal impacts on surroundings. Key element in these recirculation systems is the water treatment unit which maintains the water quality of the system. To increase the economical feasibility of the RAS based production, development of the water treatment unit is desired.

For the development of the water treatment unit, the implementation of advanced oxidation processes (AOPs) and microalgae cultivation have been suggested to improve removal of recalcitrant compounds and nitrogen removal together with value adding with microalgae production. In this thesis, co-application of these methods is studied to determine how the implementation of AOP-treatment would impact to latter microalgae cultivation.

While using marine microalgae species Nannochloropsis oculate, pretreatment of RAS water with ozone, ozone/UV and photocatalysis did overall decrease the microalgae growth over 14 days cultivation period compared to untreated samples. Higher doses of ozone did completely prevent the microalgae growth whereas best results were achieved with photocatalysis. Even though the microalgae growth was hindered in AOP-treated samples, the pretreated samples produced more consistent growth between the replicates compared to untreated samples, and achieved comparable nutrient removal.

Kalankasvatus on kasvava ruuantuotannon muoto, joka on myös siirtymässä meristä maalle. Yksi maalla tapahtuvan kalankasvatuksen mahdollistavista tekniikoista on kiertovesiviljely (recirculating aquaculture systems, RAS). RAS-laitoksissa kasvatus tapahtuu suljetussa ja kontrolloidussa ympäristössä minimoidulla ympäristökuormituksella. Näissä laitoksissa vedenpuhdistus on tärkeä osa järjestelmää sen ylläpitäessä systeemissä kiertävän veden laatua. Vedenpuhdistusjärjestelmän kehittämisellä voitaisiin vaikuttaa laitosten taloudelliseen kannattavuuteen, joka on tunnistettu ongelma alalla.

RAS-laitosten vedenkäsittelyn kehittämiseksi kehittyneiden hapetusmenetelmien (advanced oxidation processes, AOPs) ja mikroleväviljelyn hyödyntämistä on tutkittu. Näillä menetelmillä voitaisiin tehostaa haitta-aineiden ja typen poistoa sekä tuottaa lisäarvoa levänkasvatuksella. Tässä työssä tutkitaan näiden kahden menetelmän yhteensopivuutta RAS-veden käsittelyssä ja pyritään selvittämään miten AOP-käsittely vaikuttaa sitä seuraavaan mikroleväviljelyyn.

Työssä käytetyn mikrolevän, Nannochloropsis oculate, kasvu oli heikompaa vesinäytteissä, jotka oli esikäsitelty käyttäen otsoni-, otsoni/UV- ja fotokatalyysimenetelmiä verrattuna käsittelemättömiin näytteisiin 14 päivän viljelyjaksolla. Korkeimmat otsoni annokset estivät levän kasvun täysin, kun taas parhaimmat tulokset saavutettiin fotokatalyysilla. Vaikka esikäsittelyt heikensivätkin mikrolevän kasvua, vaihtelu toisintonäytteiden välillä oli huomattavasti pienempää käsitellyissä näytteissä ja ravinteiden poisto onnistui myös heikennetyn kasvun tapauksissa.