Potential and limitations of ozone in marine recirculating aquaculture systems - Guidelines and thresholds for a safe application

Schröder, Jan

The aim of the present thesis was to assess the potential and limitations of ozonation in marine recirculating aquaculture systems (RAS) while particularly focussing on the toxicity, formation and removal of ozone-produced oxidants (OPO) in order to develop guidelines and thresholds for a reasonable and safe ozone application. In the first two chapters the toxicity of OPO was investigated for Pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei) and turbot (Psetta maxima) and maximum safe exposure levels were determined for both species. Despite their strong differences in biology, both investigated species possess a similar sensitivity towards OPO. Results demonstrate that OPO concentrations ≥ 0.10 mg/l cause adverse effects in both species. An OPO concentration of 0.06 mg/l was determined as the maximum safe exposure level for rearing juvenile L. vannamei and P. maxima. Furthermore, we proved this safe level to be sufficient to control and reduce bacterial biomass in the recirculating process water. To improve the control of toxic OPO, the removal performance of activated carbon filtration was tested for different oxidant species (free bromine, bromamines, free chlorine and chloramines). Results proved activated carbon filtration to be very efficient in removing the dominating oxidant species free bromine and bromamines formed during the ozonation of natural and most artificial seawaters. In contrast, removability of chloramines, sometimes present in ozonated bromide-free artificial seawater, was shown to be significantly lower. Finally the suitability of ozone for water quality improvement was evaluated by investigating the ozone-based removal of nitrite, ammonia, yellow substances and total bacterial biomass with regard to feasibility, efficiency as well as safety for the cultivated organisms. Results demonstrate that ozone can be efficiently utilized to simultaneously remove nitrite and yellow substances from process water in RAS without risking the formation of toxic OPO concentrations. Although ammonia oxidation in seawater by ozonation is independent from pH and enables almost the complete removal of ammonia-nitrogen from the aquaculture system with nitrogen gas as the primary end product, it presupposes an initial accumulation of OPO to highly toxic amounts, restricting a safe application in aquaculture.

Ziel dieser Arbeit war es, Potential und Grenzen einer Ozonbehandlung in marinen Aquakultur-Kreislaufsystemen unter besonderer Berücksichtigung der Entstehung, Toxizität und Entfernbarkeit Ozon-generierter Oxidantien aufzuzeigen und Richtlinien für eine sinnvolle und sichere Ozon-Anwendung zu erarbeiten. In den ersten beiden Kapiteln wurde anhand zweier Ozon-Verträglichkeitsstudien die Toxizität Ozon-generierter Oxidantien für den Pacific White Shrimp (Litopenaeus vannamei) sowie für den Steinbutt (Psetta maxima) untersucht, um auf Basis dessen Grenzwerte für eine maximale unbedenkliche Oxidantien-Konzentration für beide Arten zu ermitteln. Beide Arten zeigten trotz ihrer unterschiedlichen Biologie eine ähnliche Empfindlichkeit gegenüber Ozon-generierten Oxidantien. Während Oxidantien-Konzentrationen ≥ 0,10 mg/l nachweisbare chronische Beeinträchtigungen der Gesundheit beider Arten bewirkten, konnte dagegen eine Restoxidantien-Konzentration von 0,06 mg/l als Grenzwert für eine sichere Ozonbehandlung bestimmt werden. Darauf aufbauende Untersuchungen zeigten, dass bereits dieser Sicherheits-Grenzwert durchaus eine effektive Keimreduktion des Kreislaufwassers gewährleisten kann. Zur Verbesserung der Kontrolle toxischer Restoxidantien wurde die Entfernungsleistung von Aktivkohle-Filtration für vier verschiedene Ozon-generierte Oxidantien (freies Brom, Bromamine, freies Chlor, Chloramine) getestet. So konnte der Aktivkohle-Filtration eine effektive Abbau-Leistung für die dominierenden Oxidantien eines ozonisierten Meerwassersystems (freies Brom, Bromamine) nachgewiesen werden. Die Entfernbarkeit von Chloraminen, welche bei der Ozonisierung von bromidfreiem künstlichem Meerwasser entstehen können, stellte sich dagegen im Vergleich geringer dar. Um das Potential von Ozon zur Verbesserung der Wasserqualität zu evaluieren, wurde die Ozon-basierte Entfernung von Nitrit, Ammonium, organischen Gelbstoffen sowie Gesamt-Bakterien unter Berücksichtigung von Machbarkeit, Effizienz, sowie Sicherheit für die kultivierten Organismen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Ozon sehr effizient in marinen Kreislaufsystemen zur schnellen und simultanen Entfernung von Gelbstoffen und Nitrit ohne Risiko einer Akkumulation schädlicher Oxidantien-Konzentrationen eingesetzt werden kann. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass die Ozon-basierte Oxidation von Ammonium in Meerwasser pH-unabhängig verläuft, bei der ein überwiegender Teil des Ammonium-Stickstoffs in Form molekularen Stickstoffs komplett aus dem System entfernt werden kann. Allerdings stellte sich die vorangehende Anreicherung von als Zwischenprodukt fungierender toxischer Ozon-generierter Oxidantien als limitierender Faktor für eine unbedenkliche Ammonium-Oxidation mittels Ozon heraus.

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Schröder, Jan: Potential and limitations of ozone in marine recirculating aquaculture systems - Guidelines and thresholds for a safe application. 2011.

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