Water Quality for Aquaponics Systems

Jen HoldsworthAquaponics Facilities Manager

Pentair Aquatic Eco‐Systems, Inc.Apopka, FL

Aquaponics Misconception

• Fish make waste + Plants clean water = Magic!

• Not exactly how it works

• Biological and Mechanical filtration required for bacterial transformation

Keys to a Successful Aquaponics System

• Efficient Solids Removal• Proper sizing: filtration, aeration, plumbing, fish to plant ratio• Improper filtration and improper sizing lead to poor solids removal, excess nutrient build‐up, poor water quality, poor production, fish and plant death

Nitrification and Bacterial Transformation

• Fish excrete ammonia through their gills and through their waste• This ammonia must go through the nitrification process to be made into a usable form for plants to uptake

• Ammonia oxidizes, turns into Nitrite• Nitrite oxidizes, turns into Nitrate• Nitrate is taken up by plants

Mechanical Filtration

• Solids must be removed from the system 

• Circulation Pumps• Swirl separators • Drum Filters• Filter Socks• Cleaning of media beds

http://aquaponics.hunterinstitute.wikispaces.net/The+Nitrogen+Cycle

Biological Filtration

• Bacteria need some type of media to cling to in order to complete nitrification process

• The more surface area that is available, the more efficient the process

• Examples of biological filtration media:• Matala mats• Kaldnes Media• Pea Gravel• Lava Rock

Acceptable Ammonia Levels

• Ammonia will be present during initial system start‐up• After a few weeks should be as close to 0 as possible

• Ammonia buildup in the system after it is established indicates that solids are not being removed adequately 

• If ammonia is not removed from the system, it can lead to fish death

Acceptable Nitrite Levels

• Ammonia will transform into Nitrite, and will be present during initial system start‐up

• After a few weeks should be as close to 0 as possible

• High nitrite levels can also cause fish death

Acceptable Nitrate Levels

• An indicator that a system has fully cycled is when ammonia and nitrite are no longer present 

• Nitrate is important because this is the usable product that plants remove from the system to grow

• Acceptable nitrate levels 5‐100ppm depending on fish species and number of plants in the system

• Some fish are more tolerant of high nitrates and poor water quality than others

Acceptable Nitrate Levels

• Low nitrate levels can indicate not enough food going into system to support plants

• High nitrate levels can indicate too few plants in the system, or poor filtration‐ solids not being removed

• If nitrates are too high, plants will not make fruit, can also cause fish death

Dissolved Oxygen

• Fish require oxygen to breathe• Plant roots require oxygen to grow, will not tolerate stagnant water for long periods

• Dissolved oxygen level read in Percentage or Milligrams/Liter• Acceptable dissolved oxygen can range from 30‐100% or 5‐8Mg/L depending on fish species tolerance 

Dissolved Oxygen Variables

• Readings will vary throughout the day• Normally highest in the morning• May decrease dramatically after feeding• It is possible for D.O. to be too high‐ over 150% can burn fish gills and cause other problems

• Important to monitor D.O. level multiple times a day

• Regulate D.O. levels with air pumps and diffusers, blowers, oxygen cone

• Higher stocking densities require increased oxygen levels

Backup Oxygen Supply

• Tanks with a high density of fish can be completely depleted of oxygen in a matter of minutes‐be prepared!

Temperature

• Temperature effects fish respiration rates, pH, and dissolved oxygen

• Lower air and water temperatures = higher dissolved oxygen levels

• Higher air and water temperatures = lower dissolved oxygen levels

• Desired temperatures vary by fish species

• Warmer climates create lower D.O., must compensate for this

pH

• pH measures acidity or basicity of water• Below 7 is acidic• Above 7 is basic

• In general plants like slightly lower pH, fish like slightly higher pH

• Ideal pH to strive for to have happy fish and plant is about 6.7

Stabilizing pH

• pH tends to decrease over time due to biofiltration and alkalinity comsuption• Low pH can lead to decreased nitrification• Must add chemical components to raise pH

• Calcium carbonate• Potassium carbonate • Liquid or powder forms

• pH changes throughout the day, should be checked one to two times a day after cycling

• High pH combined with high temperature can lead to high ammonia levels

Alkalinity

• The buffering capacity of water to neutralize acid

• Ideal alkalinity level 100‐200 ppm

• Low alkalinity or non‐buffered water causes pH swings

Calcium

• Calcium additives help stabilize pH and are also taken up by plants• Calcium deficiency can be associated with low pH• Usually added to the system either daily with a doser, or 1‐3 times a week depending on system readings

• Ideal calcium level 80‐150ppm

Iron

• Iron is beneficial for the plants• Keeps plant leaves a healthy green color• Yellow leaves indicate iron deficiency • Some plants show deficiencies earlier than others

• Ideal Iron level 2‐3.5ppm

Potassium

• Indicators of potassium deficiency:• Brown or curled leaf edges• Yellowing between veins• Purple spots under leaf 

• Ideal potassium 50‐100ppm depending on plant type

How to monitor your Water Quality

• Test kits, titration methods• Computer probe monitoring• Hand‐held computer probes

How often to Check

• During initial setup, Ammonia, Nitrite, Nitrate, pH should be monitored daily

• After, Ammonia, Nitrite, Nitrate 1‐2x per week• pH daily• Calcium and Iron weekly

Identifying Nutrient Deficiencies 

• Iron deficiency usually first to present itself, followed by calcium, then potassium

• Indicator plants

• Test kits• System additives 

• Internet research• County extension agents

System Design and Water Quality

Pump size

• Undersized pump = poor circulation/flow, poor solids removal, excess nutrient buildup

• Oversize pump = high energy consumption

Aeration

• Poor aeration = low fish and plant density, poor plant growth

Tanks

• Rectangular tanks = poor solids removal

• Surface drain = poor solids removal

Filtration

• Lack of filtration or undersized filtration = poor solids removal, poor water quality

Nutrient Deficiencies 

• Lack of water quality monitoring = nutrient deficiencies 

Questions?