Abstract

Woodchip bioreactors have been used as an engineered solutions for mitigating nitrate from contaminated water. However, their year-round treatment performance and possible solutions for enhancing their removal efficiency under cold climate conditions still needs more research. In this thesis, we investigated nitrogen removal from aquaculture and mine-influenced water as an indoor and outdoor treatment system under several experimental conditions. This thesis attempts to identify design parameters (e.g., optimal hydraulic retention time (HRT) and nitrate removal rate) and enhancement solutions for woodchip bioreactors under cold climate conditions such as additional carbon source, hydraulic design and use of a floating aquatic as a hybrid system. The results show that woodchip bioreactors can successfully remove nitrate from recirculating aquaculture system (RAS) discharge and mine-influenced water under cold climate conditions. Two-year results from a full-scale woodchip bioreactor showed that selected design parameters from a laboratory-scale were sufficient to complete denitrification at the full-scale. The denitrification followed first-order reaction for RAS effluent and optimal HRT ranged between 1.5 to 2 d to achieve a nitrate removal rate of 25.8 g NO^-₃-N m^-3d^-1 and 74% removal efficiency. A layer of 50 cm of dry woodchips combined with snow cover (20‐30 cm) was sufficient to prevent frost, the water temperature never dropped lower than 7.3 °C during cold winter conditions (minimum air temperature = -24.7 ℃). Design of the hybrid unit was improved by inserting two inner plates along the water flow and adding floating hook-moss improved the hydraulic efficiency from poor (λ=0.06) to satisfactory (λ=0.51) which led to higher removal rates.

Tiivistelmä

Puuhakebioreaktoreita on käytetty puhdistusratkaisuna veden nitraattipitoisuuden vähentämiseksi. Niiden ympärivuotinen käsittelyteho ja mahdolliset ratkaisut poistotehokkuuden parantamiseksi kylmissä ilmasto-olosuhteissa vaativat kuitenkin lisätutkimuksia. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin typenpoistoa vesiviljelyn ja kaivosten puhdistusta vaativista vesistä sisä- ja ulkokäsittelyjärjestelmänä useissa koeolosuhteissa. Tässä työssä tunnistettiin suunnitteluparametreja (esim. optimaalinen HRT ja nitraatinpoistonopeus) ja parannusratkaisuja puuhakebioreaktoreille kylmissä ilmasto-olosuhteissa, kuten lisähiililähde, hydraulinen suunnittelu ja kelluvan vesikasvattamon käyttö hybridijärjestelmänä. Tulosten perusteella puulastubioreaktoreilla voidaan onnistuneesti poistaa nitraattia sekä sisäisen kierron kalankasvattamojen (RAS) että kaivosten kuormittamasta vedestä kylmissä ilmasto-olosuhteissa. Kahden vuoden tulokset täysimittaisella puuhakebioreaktorilla osoittivat, että laboratoriomittakaavassa valitut suunnitteluparametrit riittivät täyteen denitrifikaatioon täysimittaisessa mittakaavassa. Denitrifikaatio noudatti ensimmäisen järjestyksen reaktiota RAS- järjestelmänjäteveden osalta, ja optimaalinen HRT-aika vaihteli 1,5 ja 2 päivän välillä, jotta saavutettiin 25,8 g NO^-₃-N m^-3d^-1 ja 74 prosentin poistotehokkuus. 50 cm:n kerros kuivaa puuhaketta yhdistettynä lumipeitteeseen (20‐30 cm) riitti estämään järjestelmänjäätymisen, eikä veden lämpötila laskenut kokeen aikana alle 7,3 °C:n kylmien talviolosuhteiden aikana (ilman alin lämpötila = -24,7 ℃). Hybridiyksikön suunnittelua parannettiin lisäämällä kaksi sisälevyä veden virtauksen suuntaisesti ja kelluvaa koukkusammalta lisäämällä parannettiin hydraulista tehokkuutta huonosta (λ=0,06) tyydyttävään (λ= 0,51), mikä johti suurempiin poistomääriin.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Kiani, S., Kujala, K., T. Pulkkinen, J., Aalto, S. L., Suurnäkki, S., Kiuru, T., Tiirola, M., Kløve, B., & Ronkanen, A.-K. (2020). Enhanced nitrogen removal of low carbon wastewater in denitrification bioreactors by utilizing industrial waste toward circular economy. Journal of Cleaner Production, 254, 119973. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.119973

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Kiani, S., Lehosmaa, K., Kløve, B., & Ronkanen, A.-K. (2022). Nitrogen removal of mine-influenced water in a hybrid bioreactor with floating hook-moss (Warnstorfia fluitans) in cold climate conditions. Ecological Engineering, 177, 106562. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2022.106562

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Pulkkinen, J. T., Ronkanen, A.-K., Pasanen, A., Kiani, S., Kiuru, T., Koskela, J., Lindholm-Lehto, P., Lindroos, A.-J., Muniruzzaman, M., Solismaa, L., Klöve, B., & Vielma, J. (2021). Start-up of a “zero-discharge” recirculating aquaculture system using woodchip denitrification, constructed wetland, and sand infiltration. Aquacultural Engineering, 93, 102161. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2021.102161

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Kiani, S., Khan, U. A., T. Pulkkinen, J., Kujala, K., Kløve, B., Ronkanen, A.-K. (2022). Design parameters of woodchip bioreactors under cold climate conditions (from laboratory to full scale). Manuscript in preparation.