ZERO OUTPUT RECIRCULATING AQUACULTURE SYSTEM ILVO MEDEDELING nr 150 december 2013 Daan Delbare Kris Van Nieuwenhove ZERO OUTPUT RECIRCULATING AQUACULTURE SYSTEM Rapportnummer: AQUA/2013/01 Projectacronym: ZORAS Projectcode: VIS:10/A/06/DIV. Periode: 01/09/2010 – 30/06/2013 Projectpartners: ILVO-Visserij Financiering: EVF ILVO MEDEDELING nr 150 december 2013 ISSN 1784-3197 Wettelijk Depot: D/2013/10.970/150 Daan Delbare Kris Van Nieuwenhove EINDRAPPORT ZERO OUTPUT RECIRCULATING AQUACULTURE SYSTEM – ZORAS 30 juli 2013 Auteur Daan Delbare Kris Van Nieuwenhove Contactpersoon Daan Delbare Rapportnummer AQUA/2013/01 Projectacronym ZORAS Projectcode VIS:10/A/06/DIV. Periode 01/09/2010 – 30/06/2012 Projectpartners ILVO-Visserij Financiering Europees Visserij Fonds - EVF i INHOUD SAMENVATTING .................................................................................................................................... iv 2 Ontwikkelingen en behoeften........................................................................................................... 2 3 Doelstelling..................................................................................................................................... 10 4 Werkpakket 1. Overzicht van bestaande filtratietechnieken in de aquacultuur ............................. 10 4.1 Mechanische filters ................................................................................................................ 10 4.1.1.1. Bezinkingstank ................................................................................................................... 11 4.1.1.2. Hydrocyclonen en wervelafscheiders ................................................................................ 12 4.1.2. Scheiding op basis van captatie ........................................................................................ 13 4.1.2.1. Microzeeffilters ................................................................................................................... 13 4.1.2.2. Granulaire Media (GM) ...................................................................................................... 15 4.1.2.3. Poreuze Media (PM) filters ................................................................................................ 17 4.1.3. Scheiding op basis van flotatie .......................................................................................... 18 4.2 Biofilters ................................................................................................................................. 19 4.2.1. Ondergedompeld biofilter .................................................................................................. 21 4.2.2. Sproeifilter (trickling filter) .................................................................................................. 23 4.2.3. Rotating biological contactor (RBC) of Biodisc (incl. Biodrum) ......................................... 24 4.2.4. Zwevend bed filter (fluidized bed filter) .............................................................................. 26 4.2.5. Bead filter ........................................................................................................................... 28 4.2.6. Moving bed (mixed bed) .................................................................................................... 31 4.2.7. Micro bead biofilter ............................................................................................................ 32 4.3 Heterotrofische filters ............................................................................................................. 33 4.3.1. Periphyton behandelingstechniek ...................................................................................... 34 4.3.2. Biofloc techniek .................................................................................................................. 35 4.4 Denitrificatie ........................................................................................................................... 37 4.4.1. Opwaartse aëroob slibfilter (Upflow Aerobic Sludge-Blanket – UASB) ............................. 38 4.4.2. Propstroomreactor (plug flow reactor - PFR) .................................................................... 39 5 Werkpakket 2. Modellering ............................................................................................................ 40 6 Werkpakket 3. Praktijkvoorbeeld ................................................................................................... 46 6.1 Opbouw ZORAS .................................................................................................................... 46 6.2 Groei en waterkwaliteit .......................................................................................................... 48 6.3 Microbiologische opvolging ................................................................................................... 58 6.4 Prooiproductie voor kweeksoort ............................................................................................ 61 6.5 Algemene conclusie .............................................................................................................. 63 7 Dankwoord ..................................................................................................................................... 65 ii Literatuurlijst .......................................................................................................................................... 66 Bijlage 1. Poster met uitleg over het ZORASysteem............................................................................. 70 Bijlage 2. Verslagen Stuurgroep ............................................................................................................ 72 iii SAMENVATTING Het Zero Output Recirculating Aquaculture System – ZORAS heeft bewezen dat het mogelijk is om een intensieve kweek van zeebaarzen, met een commercieel gebruikte bezettingsgraad, te laten lopen met geen waterverversing en een geringe afvoer van actief slib (biovlokken). Daarnaast wordt ook de kwetsbaarheid van het systeem getoond. Door het falen van één pomp binnen het systeem, is het volledige ZORAS gecrasht. Daarnaast hebben kleine foutjes in de constructie van ZORAS, zoals de keuze van de diameter van de afvoerbuis vistank-drumfilter, voor bijkomende moeilijkheden gezorgd. Daarom kan een dergelijk systeem dan ook pas op commerciële basis gebruikt worden, wanneer voldoende back-up systemen zijn voorzien en alle details tijdens de constructie goed zijn nagerekend. Verder duurt het een ganse tijd vooraleer er een evenwicht wordt gevonden tussen de verschillende filtereenheden, resp. denitrificatiefilter (DNF) en biovlokreactor. Door te zorgen voor een voldoende verval tussen de verschillende filtereenheden, is het mogelijk het aantal pompen te reduceren tot twee: één voor het oppompen van het water na het biologisch filter naar de vistank en één voor het oppompen van water na het biologisch filter naar de sproeikoppen van het mechanisch filter. De discontinue voeding van de biovlokreactor vanuit het mechanisch filter zorgt echter voor een bijkomend probleem, namelijk dat tijdens het sproeien het debiet voor korte tijd hoog is, waardoor er een uitstroom van particulair materiaal uit resp. de biovlokreactor en DNF plaatsvindt. Dat euvel werd grotendeels opgelost door de overloop van de biovlokreactor naar het DNF te verkleinen, maar beter is het misschien om het effluent van de drumfilter apart op te vangen en dan continu traag naar de biovlokreactor over te pompen. Door gebruik te maken van een fractioneerkolom met ozon is het mogelijk de turbiditeit, alsook de COD en BOD5 laag te houden. Door het vroegtijdig crashen van het systeem, kon de kweek van prooidieren op biovlokken niet geoptimaliseerd worden. Diverse pogingen, met verschillende prooi-organismen en in verschillende ontwikkelingsstadia hebben gefaald. iv Zero Output Recirculating Aquaculture System - ZORAS 1. UITGANGSITUATIE De Vlaamse aquacultuur is voor het ogenblik nog vrijwel onbestaand. Eén van de hindernissen voor de ontwikkeling van aquacultuur in Vlaanderen is dat, zelfs met gebruik van intensieve recirculatiesystemen (Recirculating Aquaculture System – RAS), het verbruik van water nog steeds groot is. Zo heeft een snoekbaarskwekerij met een jaarlijkse productie van 75 ton en met een dagelijkse waterverversing van 10%, ongeveer 70 m³ water nodig per dag. Bij een 100 ton tarbotkwekerij met een jaarlijkse productie van 100 ton, werkend met een traditioneel recirculatiesysteem (RAS), bedraagt het volume aan spuiwater ongeveer 180 m³ per dag. Daarnaast produceert deze ook nog eens dagelijks meer dan 15 kg mest, met een N-concentratie van 3 kg/dag en een P-concentratie van 0.64 kg/dag. Een dergelijk volume aan spuiwater dient dagelijks vervangen te worden door vers zeewater. Dat tevens voor logistieke problemen zorgt inzake de aan- en afvoer van zeewater. Ook bij zoetwater is het intrekken van water met een goede kwaliteit problematisch. Zo zijn diepe grondwaterwinningen sinds 2005 geen evidentie meer. Deze worden, omwille van overbemaling, nog maar beperkt hervergund, waarbij ook het vergund oppompvolume wordt gereduceerd. Alternatieve waterbronnen zijn: open putwater, oppervlaktewater, drainagewater, e.d., maar deze zijn van mindere kwaliteit en hebben een te hoog gehalte aan niet-gewenste stoffen, zoals roetdeeltjes, ijzer, ammonium, nitraat en/of bacteriën. Anderzijds is leidingwater veel te duur. Bovendien veroorzaakt het spuien van een dergelijke hoeveelheid water ook een verlies aan warmte (temperatuur optimaal voor de kweek van de meeste commercieel aquatische organismen > 18°C), terwijl het nieuwe water dient opgewarmd te worden. Daarnaast moet de hoeveelheid geloosd water voldoen aan de milieunormen. Indien dat niet het geval is, dient men het te lozen afvalwater bijkomend een waterbehandeling te geven, teneinde te voldoen aan de lozingsnormen, of dienen lozingspremies betaald te worden. Dit zorgt voor extra kosten. Kortom, het reduceren van effluentwater in de aquacultuur is niet alleen economisch interessant, maar zorgt ook voor een duurzame benutting van water en energiebronnen. 1 Zero Output Recirculating Aquaculture System - ZORAS 2 ONTWIKKELINGEN EN BEHOEFTEN De aquacultuur is wereldwijd de snelst groeiende tak van de voedselproductie. Voor het ogenblik is ongeveer de helft van de visproducten die op wereldvlak worden geconsumeerd afkomstig uit de aquacultuur. De forse groei van de aquacultuur in andere delen van de wereld staat echter in schril contrast met de stagnerende productie binnen de EU. De aquacultuur in de EU-28 is op jaarbasis goed voor een productie van 1,3 miljoen ton visserijproducten, met een waarde van maar liefst drie miljard euro. Ondanks het feit dat de EU de laatste jaren veel inspanningen heeft geleverd op het vlak van onderzoek en technologische ontwikkeling in de visteelt, wordt dit echter niet vertaald in hogere productiecijfers. Daarom roept de Europese Unie de lidstaten op om te investeren in de duurzaamheid en concurrentiekracht van haar aquacultuur. In haar ontwikkelingsstrategie noemt de EU duurzaamheid, zowel economisch, ecologisch als maatschappelijk, waarbij een verminderde afhankelijkheid van vismeel en visolie, verhoogde welzijn, en de verdere ontwikkeling van recirculatiesystemen belangrijke speerpunten voor de toekomst van Europese aquacultuur (EU, COM(2002)511) zijn. In België wordt jaarlijks ongeveer 240.000 ton vis geconsumeerd waarvan 22.000 ton afkomstig is uit de Belgische visserij en minder dan 50 ton uit de Belgische aquacultuur. Daarom is de interesse in aquacultuur binnen Vlaanderen de laatste jaren sterk toegenomen, waarbij diverse onderzoekscentra, zoals UGent, KULeuven, Hogeschool Roeselare, Hoge school Sint Niklaas, POVLT-Beitem, Kruishoutem, en het ILVO onderzoek verrichten naar de mogelijkheden voor aquacultuur binnen Vlaanderen. De ontwikkeling van de aquacultuur in Vlaanderen wordt echter initieel gehinderd door de strenge milieu-eisen inzake grondwaterwinning, mestproductie en het spuien van afvalwater. Het oplossen/wegwerken van deze factoren kan de opstart van visteelt binnen Vlaanderen vergemakkelijken. Reststromen in aquacultuur De reststromen in aquacultuur bestaan voornamelijk uit effluent water (vervuild met organische en anorganische opgeloste stoffen), alsook de aanwezigheid van organisch en anorganisch particulair materiaal. Deze reststromen ontstaan doordat vissen niet alle nutriënten, die via het voer aan het kweeksysteem wordt toegevoegd, door de vis worden vastgelegd in massa (groei). Effluentwater Doordat het effluent water vervuild is met organische en anorganische opgeloste stoffen, is het niet mogelijk het effluent water rechtstreeks op het oppervlaktewater te lozen, tenzij het 2 Zero Output Recirculating Aquaculture System - ZORAS voldoet aan de richtwaarden opgegeven in Bijlage 2.3.1. Basismilieukwaliteitsnormen voor oppervlaktewater in Vlarem II. Een alternatief is het lozen van effluentwater op de riolering. Gezien aquacultuur gezien wordt als een agrarische activiteit, betekent dat in de meeste gebieden waar aquacultuur kan plaatsgrijpen er geen rioleernetwerk is voorzien. Bovendien gaat het lozen van effluentwater meestal gepaard met lozingsheffingen. Verder kan zoutrijk effluentwater (uit een zeewater recirculatiesysteem) sowieso niet op de riool geloosd worden, vanwege de hoge saliniteit en de daaraan gekoppeld hoge chloride concentratie. Tabel 1. Bijlage 1 van VLAREM I over hinderlijk beschouwde inrichtingen en hun indeling in klassen – Rubriek 3 Afvalwater en koelwater. Klasse 4 Het, zonder behandeling in een afvalwaterzuiveringsinstallatie, lozen van bedrijfsafvalwater dat al dan niet één of meer van de in 2C bij tiotel I van het Vlarem bedoelde gevaarlijke stoffen bevat [in concentraties hoger dan de indelingscriteria, vermeld in de kolom “indelingscriterium GS (gevaarlijke stoffen)” van artikel 3 van bijlage 2.3.1 van titel II van het Vlarem], met een debiet: 1° tot en met 2 m³/h a) wanneer het bedrijsafvalwater geen gevaarlijke stoffen hoger dan 3 voormelde concentraties bevat b) wanneer het bedrijsafvalwater één of meer gevaarlijke stoffen hoger dan voormelde concentraties bevat 2 2° van meer dan 2 m³/h tot en met 100 m³/h 2 3° van meer dan 100 m³/h 1 6 Afvalwaterzuiveringsinstallaties, met inbegrip van het lozen van het effluentwater en het ontwateren van de bijhorende slibproductie: 3. Voor de behandeling van bedrijfsafvalwater dat één of meer van de in bijlage 2C bij titel I van het Vlarem bedoelde gevaarlijke stoffen bevat in concentraties hoger dan de geldende milieukwaliteitsnormen voor het uiteindelijk ontvangende oppervlaktewater, met uitzondering van de in rubriek 3.6.5. ingedeelde inrichtingen, met een effluent: 1° tot en met 5 m³/h a) wanner het effluentwater geen gevaarlijke stoffen hoger dan voormelde 3 concentraties bevat b) wanneer het bedrijsafvalwater één of meer gevaarlijke stoffen hoger 2 dan voormelde concentraties bevat 2° van meer dan 5 m³/h tot en met 50³/h 2 3° van meer dan 50 m³/h 1 Mestproductie Het particulair materiaal (> 30µm) wordt uit het kweekmedium gefilterd door het mechanisch filter in het recirculatiesysteem. Deze filtering is noodzakelijk om de hoeveelheid particulair materiaal in suspensie (Total Suspended Solids – TSS) laag te houden in het kweekmedium. De maximum toegelaten TSS concentratie in het kweekmedium loopt nogal uiteen en is inherent verbonden aan de doelsoort, 15 mg/l (FIFAC) tot 40 mg/l (Muir (1982). Voor het direct lozen van het residu van het mechanisch filter, dient men rekening te houden 3