gas transfer in air-lifts used to recirculate aquaculture systems - Lsu

251 Pages·2009·14.47 MB·English

by  Ryan Hearn

GAS TRANSFER IN AIR‐LIFTS USED TO RECIRCULATE 
AQUACULTURE SYSTEMS 

A Thesis 

Submitted to the Graduate Faculty of the  
Louisiana State University and  
Agricultural and Mechanical College  
in partial fulfillment of the  
requirements for the degree of  
Master of Science in Civil Engineering  

in 

 The Department of Civil and Environmental Engineering 

by 
Ryan Hearn 
B.S. Environmental Engineering, Louisiana State University, 2007  
August 2009
ACKNOWLEDGEMENTS 

Many many thanks are first owed to my major professor, Dr. Ronald 
Malone.  Not  just  as  my  advisor,  but  as  a  great  friend  and  companion.  The 
guidance and life lessons you have bestowed upon me are incomparable, and I 
thank you for that. And how will I ever forget the numerous meetings at the 
chicken wing place, as the majority of our research discussions included ten 
wings and a side salad.  
Credit  is  owed  to  my  remaining  committee  members,  Dr.  Chandra 
Theegela and Dr. Clinton Willson. Your feedback and technical reviews have 
been substantially helpful and much appreciated. This would not have been 
possible without you. Thank you Sandy Malone as well, for having faith and 
confidence in me during graduate school.   
Appreciation is extended to the project team at Hubbs SeaWorld Research 
Institute, who in cooperation with USDA provided the funding for my thesis 
work. Without Mark Drawbridge, Michael Paquette, Lisa Goldie, and Kate Boyle, 
the experimental research would have never been possible. I would also like to 
thank Dr. Timothy J. Pfeiffer and Todd Lenger of USDA‐ARS at Harbor Branch 
Oceanographic Institute, who provided support and peer reviews during my 
research and additional air‐lift studies at HBOI.  
Most importantly, to my parents, who have supported me and taught me 
to never think twice about pursuing my goals. Your endless love from day one 
provided me with the drive and determination to succeed in everyday tasks, in 
school or life; and I can’t thank you enough for everything you have offered me.  
 Finally, I would like to thank the rest of my family and friends for their 
continual support throughout my graduate academic career.  

ii
TABLE OF CONTENTS 

ACKNOWLEDGEMENTS………………………………………………………....ii 

LIST OF TABLES……………………………………………………………………..v 

LIST OF FIGURES…………………………………………………………………..vi 

ABSTRACT………………………………………………………………………….viii 

CHAPTER 1: INTRODUCTION……………………………………………..……1 
OBJECTIVES…………………………………………………………………..6 

CHAPTER 2: AIR‐LIFT KINETICS FOR CARBON DIOXIDE AND 
OXYGEN IN A MARINE RECIRCULATING AQUACULTURE  
SYSTEM……………………….………………………………......................................8 
             INTRODUCTION…………………………………………………………......8 
  BACKGROUND…………………………………………………………….....9 
   METHODOLOGY……………………………………………………………11 
   Hydraulic  Behavior……………………………………………………13 
   Gas Transfer  ……………………………………………………………14 
     Aeration  Trials………………………………………………….15 
     Degasification  Trials…………………………………………...16 
  RESULTS AND DISCUSSION………………………………………...…...19 
  CONCLUSION...……………………………………………………………...23 

CHAPTER 3: OXYGEN AND CARBON DIOXIDE GAS TRANSFER 
CHARACTERISTICS FOR CONCURRENTLY INJECTED AIR‐LIFTS 
IN FRESHWATER RECIRCULATION UNITS.........................................…...25  
INTRODUCTION…………………..…………………………………….…25 
           BACKGROUND…………………………………………………………..…26 
METHODOLOGY………………………………...…………………………30 
   Aeration  Studies……………………………………………………….33 
     Method ……………….………………………………………….33  
     Data  Analysis…………………………………………………...33 
   Degasification  Studies………………………………………………..36 
     pH/Alkalinity Method …………………………………………36 
     pH/Alkalinity Data  Analysis………………………………….37 
     Head  Space Reactor Method………………………………….39 
     Head  Space Reactor Data Analysis…………………………..40 
iii
RESULTS……………………………………………………………………….41  
   Aeration  Results……………………………………………………….41 
   Degasification  Results………………………………………………..42 
  DISCUSSION………………………………………………………………….44 
  CONCLUSION………………………………………………………………...46 

CHAPTER 4: STEADY STATE ANALYSIS AND DISCUSSION……..…48 
  INTRODUCTION……………………………………………………………..48 
  OXYGEN BALANCE………………………………………………………….50 
  CARBON DIOXIDE BALANCE…………………………………………….51 
  SYSTEM ANALYSIS………………………………………………………….51 
    Warmwater Marine Broodstock Evaluation at F = 4 kg day‐1…….53 
Warmwater Marine Fingerling Evaluation at F = 8.5 kg day‐1…...54 
Warmwater Marine Growout Evaluation at F = 17 kg day‐1……...55 
CONCLUSION…….…………………………………………………………57 

CHAPTER 5: GLOBAL CONCLUSION………………………………….…….58 

REFERENCES…………………………………………………………………...........59 

APPENDIX A: EXPERIMENTAL AIR‐LIFT DATA COLLECTED AT  
HUBBS SEA WORLD RESEARCH INSTITUTE (HSWRI)………………..64 
  AERATION STUDIES………………………………………………………..65 
  DEGASSING STUDIES……………………………………………………...85 
  SUPPLEMENTAL HYDRAULIC DATA………………………………….107 

APPENDIX B: EXPERIMENTAL AIR‐LIFT DATA COLLECTED AT  
HARBOR BRANCH OCEANOGRAPHIC INSTITUTE (HBOI)………..108 
  AERATION STUDIES………………………………………………………109 
  DEGASSING STUDIES…………………………………………………….166 

APPENDIX C: STEADY STATE MASS BALANCE DERIVATIONS…238  
  OXYGEN DERIVATIONS………………………………………………….239 
  CARBON DIOXIDE DERIVATIONS…………………………………….241 

VITA…………………………………………………………………………………..243 

iv
LIST OF TABLES 

Table 2‐1. Average hydraulic behavior for a 20.3 cm air‐lift operating at  
multiple lift heights in a warmwater marine RAS………………………………..14 

Table 2‐2. AOTR and ACTR equations and operating limits for a 20.3 cm air 
lift in a 33ppt marine environment………………………………………………….22 

Table 3‐1. Hydraulic performance summary for 10.2, 15.2, and 20.3 cm air‐lifts  
and resulting gas to liquid ratios……………………………………………………32 

Table 3‐2. Oxygen transfer rate summary and operating parameters for the  
tested air‐lifts in non‐loaded freshwater RAS units………………….…………..35 

Table 3‐3. Carbon transfer rate summary and operating parameters for the  
tested air‐lifts in non‐loaded freshwater RAS units…………………...................38 

Table 3‐4. SOTR and KLaO2 summary for the gas transfer aeration tests.............41 

Table 3‐5. SCTR and KLaCO2 summary for the gas transfer degasification tests,  
including both pH/Alkalinity and head space methods………………………....43 

Table 3‐6. OTR and CTR values along with resulting CO  concentrations based  
2
on a target 5 mg l‐1 DO………………………………………………………………...46 

Table 4‐1. The general equations for tank and bio‐filter reaction rates as  
related to Figure 4‐1...…………………………………………………........................49 

Table 4‐2. Air‐lift K values along with fish and bacterial respiration  
K assumptions for oxygen and carbon dioxide chosen for the steady state  
analysis……………………………………………………………………………….....52

v
LIST OF FIGURES 

Figure 1‐1. The five fundamental recirculation requirements (adapted from 
 Malone and Gudipati, 2005a)…………………………………………………………1 

Figure 1‐2. Basic schematic of an air‐lift pump from Loyless (1995) displaying  
lift height, submergence, and air injection tube……………………………….…...3 

Figure 1‐3. Transition as air injection increases of the three most common air‐ 
lift two‐phase flow regimes…………………………………………………………...6 

Figure 2‐1. A common air‐lift pump in stagnant [A] and operational [B] mode  
when water discharge is set at tank water level…………………………...............10 

Figure 2‐2. 20.3 cm air‐lifts complementing the 25 ft3 PolyGeyser® at  
HSWRI.............................................................................................................................13 

Figure 2‐3. Plot of concentration deficit versus oxygen transfer rate at 1,415 l 
min‐1 of air. 1,135 & 890 l min‐1 of liquid flow was observed at 38.1 & 45.7 cm  
lift, respectively………………………………………………......................................17 

Figure 2‐4. Plot of CTR versus a given concentration deficit at 1,415 l min‐1  
of air based on 38.1 & 45.7 cm lift, respectively…………………………...............19 

Figure 2‐5. Gas versus liquid flow at lift heights of 38.1 and 45.7 cm for a 20.3  
cm air‐lift…………………………………………………………………….................20 

Figure 2‐6. Correlation between air input and CTR and OTR coefficients for  
Cdeficit for a 20.3 cm air‐lift at 38.1 and 45.7 cm lift heights……………………….22 

Figure 3‐1. Common description of a SUTA pump defining terms for stagnant 
[A] and operational [B] mode when water discharge is set above tank water  
level……………………………………………………………………...........................27 

Figure 3‐2. PolyGeyser® floating bead filter used in air‐lift studies (picture  
taken from Bellelo (2006))…………...………………………………………………..30 

Figure 3‐3. The 10.2 cm air‐lift/bio‐filter configuration unit used for gas  
exchange experiments and legend displaying pertinent labels…...…………….31 

vi
Figure 3‐4. Oxygen transfer rate summary plot for each tested air‐lift. OTR is  
seen to increase with deficit, air injection, and pipe diameter………………….34 

Figure 3‐5. Carbon transfer rate summary plot for each tested air‐lift. CTR is 
seen to increase with deficit, air injection, and pipe diameter……….................38 

Figure 3‐6. Head space reactor used for in‐tank measurements of carbon  
dioxide…………………………………………………………………………………..40 

Figure 3‐7. Resulting CO  concentrations in various air‐lifts for a target DO of 5 
2
mg l‐1. The shaded symbols represent OTR and the transparent symbols are for  
CTR……………………………………………………………………………………...45 

Figure 4‐1. The general diagram for dissolved gas mass balance in an air‐lifted 
®
 PolyGeyser  recirculation system…………………………………………..............48 

Figure 4‐2. Resulting O2 and CO2 profiles along with water delivery rates for a 
broodstock environment (F = 4 kg day‐1) employing a 20.3 cm air‐lift over a  
particular range of gas flows…………………………………………………………53 

Figure 4‐3. Resulting O2 and CO2 profiles along with water delivery rates for a 
fingerling environment (F = 8.5 kg day‐1) employing a 20.3 cm air‐lift over  
a particular range of gas flows………………………………….................................55 

Figure 4‐4. Resulting O2 and CO2 profiles along with water delivery rates for a 
growout environment (F = 17 kg day‐1) employing a 20.3 cm air‐lift over a 
particular range of gas flows………………………………………………………....56 

vii
ABSTRACT 
The following studies were conducted to determine hydraulic, aeration, 
and degasification characteristics associated with various air‐lift pumps. The first 
study  presented  data  on  a  20.3  cm  air‐lift  used  to  support  adult  Yellowtail 
broodstock  (Seriola  lalandi)  in  an  oligotrophic  warmwater  marine  RAS 
(recirculating aquaculture system). Empirical relationships were used to estimate 
actual oxygen and carbon dioxide mass transfer rates (AOTR & ACTR) as the 
inlet oxygen or carbon dioxide concentrations were perturbed under lift heights 
of 30.5, 38.1, and 45.7 cm. Transfer rates, kg of constituent per day, were found to 
be dependent on air injection depth and volume, aqueous gas concentrations, 
and lift height. Liquid flows ranged from 623 – 1,117 l min‐1 for corresponding air 
injections  of  850  –  1,415  l  min‐1.  Certain  extremities  show  the  tested  air‐lift 
capable of providing 3.13 kg O  day‐1 while concurrently stripping 28.32 kg CO  
2 2
day‐1.  
The second study examined standard oxygen and carbon dioxide transfer 
rates (SOTR & SCTR) for 10.2, 15.2, and 20.3 cm SUTA (siphoning u‐tube air‐lift) 
pumps  in  low‐head,  freshwater  recirculation  systems.  Results varied  as  pipe 
diameter, gas to liquid ratios, and lift to submergence ratios varied; with transfer 
rates  increasing  with  pipe  diameter  and  air  injection  volume.  SOTR  values 
ranged from 0.0594 kg O2 hr‐1 to 0.2073 kg O2 hr‐1 while SCTR varied between 
0.0013 to 0.0061 kg CO2 hr‐1. All configurations were capable of stripping CO2 
less than 20 mg l‐1 while targeting DO levels of 5 mg l‐1.  
Steady state analysis shows that 20.3 cm air‐lifts can meet O2 consumption 
and CO2 production rates of broodstock, fingerling, and growout categories in 
warmwater marine environments. As feed rate varied from 4 to 17 kg feed day‐1, 
oxygen and carbon dioxide levels were sufficiently maintained for broodstock 
and fingerlings, with supplemental air recommended for growout conditions.  
viii
CHAPTER 1: INTRODUCTION 
Over the years, aquatic facilities have attempted numerous technological 
approaches  as  stratagems  to  the  increasing  seafood  market  demand  and 
dwindling ocean supply. As water availability concerns and stringent discharge 
requirements are becoming more problematic, Aquaculturists are forced to resort 
to alternate and more robust technologies, including recirculating aquaculture 
systems (RAS). Timmons et al. (2001) state recirculating aquaculture systems 
generally conserve greater then 90% of the water as compared to more traditional 
setups. They are fundamentally conditioned to maximize existing water  use, 
creating  a  need  for  continuous  water  circulation  and  high  degrees  of  water 
treatment.  Nevertheless,  there  are 
several  basic  concepts  that  are 
clearly  defined  for  recirculating 
units, with the majority of literature 
agreeing  with  the  related 
assumptions and principles:   
1. RAS  were  implemented  for 
water and land conservation, 
intensive  stocking  capacities, 
Figure 1‐1. The five fundamental 
and bio‐security concerns.  
recirculation requirements (adapted from 
2.  Five fundamental fingers of   Malone and Gudipati, 2005a). 
recirculation must be addressed (Figure 1‐1); including water circulation, 
solids capture and removal, oxygen regeneration, carbon dioxide removal, 
and bio‐filtration.  
3.  Their continuous water movement for oxygen replenishment and waste 
removal  creates  an  energy  intensive  environment,  permitting  higher 
capital and operating costs for the associated technology.  
1
4. Simpler guidelines, further consolidation of treatment processes, and 
  more energy efficient devices are needed for commercial expansion. 
Low‐head centrifugal or air‐lift pumps are the most common choices for 
recirculation  of  waters  through  the  water  treatment  block  in  a  recirculating 
system.  Centrifugal pumps are extremely efficient at water movement, but they 
must be matched with the treatment components through their pump curve that 
relates  flow  delivery  with  the  expected  headlosses.  Savings  in  capital  and 
operating costs for such single components serving multiple duties can overcome 
the  losses  seen  from  individual  process  inefficiencies.  Air‐lifts  have  been 
successfully utilized in recirculation systems due to their circulation, aeration, 
and degasification capabilities (Loyless and Malone, 1998).
Air‐lift  pumps  are  self‐contained  liquid  transport  devices  capable  of 
delivering  large  quantities  of  water,  but  are  generally  only  used  in  systems 
specifically designed for their use, i.e. low‐lift conditions. Serially placed air‐lifts 
can lift water several feet, but they are not particularly efficient. Once the design 
variables are understood, they are easily constructed from readily available PVC 
piping. Figure 1‐2 shows a common air‐lift sketch receiving of a side injected air 
tube.  
The construction of an air‐lift consists in its simplest form of an open‐
ended  submerged  pipe  fitted  with  a  receiving  air  injection  source  near  the 
bottom,  either  by  side  or  concurrent  injection.   As   gas  is  injected,  typically 
surrounding air from a centrifugal blower, the specific gravity of the gas/water 
mixture lowers and eventually discharges out the head piece (Wheaton, 1977). 
There are several fundamental parameters that control the performance of an air‐
lift, and even slight variations may cause dramatic changes in efficiency. Nicklin 
(1963) concluded that air injection, pipe size, lift height, and submergence depths 
control the overall performance of an air‐lift.  
2