Practical studies of lignocellulose filter cake from RAS sludge

Cabell, Joshua; Letelier-Gordo, Carlos Octavio; Løes, Anne-Kristin and Seow, Hui Ching (2024) Practical studies of lignocellulose filter cake from RAS sludge. NORSØK Report, no. 5, Vol 9. NORSØK, Tingvoll, Norway.

PDF - Accepted Version - English
1MB

Document available online at: https://www.norsok.no/

Summary in the original language of the document

Effluent water and mechanically filtered sludge from recirculating aquaculture systems (RAS) contain significant concentrations of nitrogen (N) and phosphorus (P) and may be applied directly as fertiliser, e.g. in hydroponic systems. However, where this is not possible the nutrients must be removed and should ideally be applied as fertiliser elsewhere, but this often involves costly transportation. To increase the amount of nutrients per kg of material to be transported, e.g. to agricultural fields, the sludge may be filtered using various methods. Chemical coagulants and flocculants are commonly applied to aid particle and nutrient removal. This report describes initial trials with fish sludge amended with the natural polymers lignocellulose and purified cellulose as filter materials, conducted at Denmark Technical University (DTU) Hirtshals, and further testing of the filer cakes as substrates for composting conducted at NORSØK, Tingvoll. The optimal composition of lignocellulose and cellulose to be used for filtration of fish sludge was determined by filtering 1 L of sludge at 4.85 g TCOD/L (total chemical oxygen demand) with combinations of lignocellulose (20, 25, 30, 35 g/L) and cellulose (0.5, 0.75, 1, 2 g/L). A minimum ratio of 0.75 g of cellulose to 35 g of lignocellulose per L of sludge was required for filtration. This combination could produce a filter cake with a dry matter content of 24 - 29%, containing most of the nutrients (N, P). The weight of material containing N and P was reduced by more than 80% by the filtration.
Two types of filter cake were produced at DTU Hirtshals with these natural polymers, with and without aluminium coagulant. The cakes were frozen and transported to the Norwegian Centre for Organic Agriculture, Tingvoll where they were amended with fish meal to make batches with a C/N ratio of 55, 30, and 20. The thermophilic decomposition and CO2 respiration of these batches were studied in Dewar flasks. The mixtures without chemical coagulant were on average warmer and emitted more CO2, and mixtures with C/N ratios of 30 were the warmest, followed by 20 and 55. However, only mixtures with coagulant (C/N 20 and 30) reached the thermophilic range (> 55 °C). Respiration fluxes and rates generally reflected the thermodynamics of the treatments. The treatments without coagulant emitted more CO2 than those with, and the treatments with C/N ratios of 20 and 30 emitted more than those with C/N 55. Utilising lignocellulose and cellulose as filter materials may increase nutrient recovery from RAS systems, while reducing the weight of the collected sludge as compared with traditional methods. This may reduce the costs associated with transportation and produce a biodegradable filter cake that is conducive to composting. Further trials should be conducted to test composting on a larger (practical) scale, and the quality of such compost for soil amendment.

Summary translation

Avløpsvann og mekanisk filtrert slam fra resirkulerende akvakultursystemer (RAS) inneholder betydelige konsentrasjoner av nitrogen og fosfor og kan utnyttes direkte som gjødsel, f.eks. i hydroponiske systemer. Når dette ikke er mulig, må næringsstoffene fjernes og brukes som gjødsel andre steder, men dette innebærer ofte kostbar transport. For å øke mengden næringsstoffer per kg materiale som skal transporteres, f.eks. til jordbruksarealer, kan slammet filtreres ved hjelp av forskjellige metoder. Kjemiske koagulanter og flokkuleringsmidler brukes ofte til å fjerne (oppkonsentrere) partikler og næringsstoffer. I et gjødselperspektiv kan dette være negativt fordi kjemikaliene gjerne inneholder aluminium som gjør fosforet i slammet mindre tilgjengelig for planter. Denne rapporten beskriver innledende forsøk med fiskeslam tilsatt de naturlige polymerene lignocellulose og cellulose som alternativ til kjemiske flokkulanter og koagulanter, utført ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) Hirtshals, og videre testing av filterkakene som substrat for kompostering utført ved NORSØK, Tingvoll. Den optimale sammensetningen av lignocellulose og cellulose som brukes til filtrering av fiskeslam ble bestemt ved å filtrere 1 L slam med 4,85 g TCOD/L (COD= kjemisk oksygenforbruk, «chemical oxygen demand») med kombinasjoner av lignocellulose (20, 25, 30, 35 g/L) og cellulose (0,5, 0,75, 1, 2 g/L). En blanding av 0,75 g cellulose og 35 g lignocellulose per liter ga best filtrering. Denne kombinasjonen ga en filterkake med et tørrstoffinnhold på 24 - 29 %, som inneholdt mesteparten av næringsstoffene i slammet (nitrogen og fosfor, N og P). Vekten av materialet som inneholdt N og P ble redusert med mer enn 80 % ved filtreringen. To typer filterkaker ble produsert ved DTU Hirtshals med disse naturlige polymerene, med og uten aluminium-basert koaguleringsmiddel. Kakene ble frosset og fraktet til NORSØK, Tingvoll hvor de ble blandet med fiskemel for å lage partier med et C/N-forhold på 55, 30 og 20. Den termofile nedbrytningen og CO2-respirasjonen i de ulike filterkakene (totalt 6 behandlinger) ble undersøkt i Dewar-flasker. Blandingene uten kjemisk koaguleringsmiddel var i gjennomsnitt varmere og slapp ut mer CO2. Blandinger med C/N-forhold på 30 hadde sterkest varmeutvikling, etterfulgt av 20 og 55. Blandinger med C/N forhold på 20 og 30 slapp ut mer CO2 enn de med C/N 55. Det var imidlertid bare blandinger med koagulant (C/N 20 og 30) som nådde det termofile temperaturområdet, dvs. at temperaturen kom opp i over 55 °C. Respirasjonen som ble målt reflekterte temperaturutviklingen i behandlingene. Bruk av lignocellulose og cellulose som filtreringsmidler kan øke næringsgjenvinningen fra RAS-avløp samtidig som vekten av det oppsamlede slammet reduseres. Dette kan redusere kostnader forbundet med transport. Bruk av slike naturlige polymerer til å filtrere slam fra RAS-anlegg gir videre en biologisk nedbrytbar filterkake, som egner seg til kompostering. Det vil være av interesse å videreføre forsøk i en større skala, og undersøke kompostens egenskaper som jordforbedringsmiddel.

EPrint Type:	Report
Keywords:	RAS, fish sludge, filtering, coagulant, flocculant, respiration, cellulose, compost
Agrovoc keywords:	Language Value URI English composting http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_15956 English aquaculture effluents http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_383e96e7 English recirculating aquaculture systems http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_28f056f3 English filter cakes http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_25239 English flocculation http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_2975 English coagulants http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_a848e4c5 English composts http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_1795
Subjects:	Crop husbandry > Composting and manuring Food systems > Recycling, balancing and resource management Soil > Nutrient turnover
Research affiliation:	Norway > NORSØK - Norwegian Centre for Organic Agriculture
Horizon Europe or H2020 Grant Agreement Number:	817992
ISBN:	978-82-8202-183-8
Deposited By:	Cabell, Joshua Fenton
ID Code:	53376
Deposited On:	22 May 2024 12:54
Last Modified:	22 May 2024 12:54
Document Language:	English
Status:	Published
Refereed:	Peer-reviewed and accepted

Repository Staff Only: item control page

Download Statistics

Downloads

Downloads per month over past year

View more statistics