Optimization of a Backyard Aquaponic Food Production System

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1. Introduction 

1.1 Food Security 

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safe and nutritious food which meets their dietary needs and food preferences for an active and healthy 

life. Household food security is the application of this concept to the family level, with individuals within 

households as the focus of concern.” 

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1.2 Small­Scale Agriculture 

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1.3 Objective of Project 

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To design an improved aquaponics system and make management recommendations with the goal of 

optimizing fish and plant biomass outputs.  

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2. Background 

2.1 Agriculture in Barbados 

2.1.1 Economy and Human Resources  

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2.1.2 Natural Resources 

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2.1.3 Climate  

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2.1.4 Terrain 

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2.1.5 Crop Production in Barbados 

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2.2 Food Production Methods 

2.2.1 Aquaculture 

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2.2.2 Hydroponics 

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2.2.3 Aquaponics 

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&Figure 2: A small system, built using recycled barrels     Figure 3: A commercial‐sized raft aquaponics (Hughey, 2005).                 system (Rakocy, Masser, & Losordo, 2006)   &XM<@&FM<&=L=F<Q&>=&>@&^KOK@E<S&M>?M&RCBGDEF>B@&BP&P>=M&K@G&ROK@F&ECBR=&KF&M>?M&=FBE[>@?&G<@=>F><=&EK@&^<&

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2.2.4 Comparison of Food Production Methods 

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Table 1: Comparison of various forms of food production (adapted from “Comparison of Methods” table in Nelson, 2008).   Advantages  Disadvantages 

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Inorganic 

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Recirculating 

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3. Aquaponic Systems 

3.1 System Designs 

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3.1.1 Media Filled Systems 

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 Figure 4: Various grow media in media‐filled systems (Hydroponics: Andrew Smith, 2006)  

3.1.2 Flood and Drain&]KO=B&[@BZ@&K=&9^^&K@G&/OBZ_&

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Figure 5: Different stages of a flood and drain system (Types of Hydroponics Systems: Dave's Hydroponics Experiment, 2010)

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3.1.3 Nutrient Film Technique (NFT) 

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Figure 6: A pipe NFT system          Figure 7:  A trough NFT system (What is Aquaponics: The Fish Farm, 2010)      (About Hydroponics: Get up and Grow, 2007) 

&

&

3.1.4 Floating Raft System 

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Figure 8: Schematic diagram of the floating raft system (Growing Arrangements: Sara's Aquaponic Adventure, 2008) &

  Figure 9: A larger floating raft system  (Hydroponic Photo Gallery: The Torch Work Shop) &

3.2 Fish 

3.2.1 Fish Selection 

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Figure 10: Red Tilapia fish at harvest (My Mom‐Friday, 2009) 

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3.2.2 Culturing Conditions for Tilapia 

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3.2.2.1 Water Quality 

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Table 2: Summary of ideal water quality conditions for an  aquaponic fish tank Parameter  Optimal  Range  for  Fish 

Tank  in  Aquaponic Systems 

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3.2.2.1.2 Temperature 

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3.2.2.1.3 pH 

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3.2.2.1.4 Ammonia  

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3.2.2.1.5 Water Quality in BVAA Systems 

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&3.2.2.2 Feed 

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Table 3: Example of daily feeding allowances for different sizes of tilapia.  (Source: National Research Council (1993) Nutrient Requirements of Fish.  National Academy Press, Washington, D.C.) 

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3.3 Plant Crops 

3.3.1 Nutritional Requirements 

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3.3.2 Crop Selection 

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Figure 11: Vibrantly coloured leafy vegetables and extensive root systems in aquaponic systems  (Somma, 2008) and (Wilson, 2010) 

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3.4 Bacteria 

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Figure 12: The nitrogen cycle in aquaponic systems (Steve, 2007) 

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Figure 13: A not‐to‐scale graphical representation of the nitrogen cycle resulting from the addition of fish to an aquaponic fish tank (Nelson, 2008). 

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4. The Design 

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Analysis and Research:  

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Specification:  

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Presentation:  

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4.1 System Stocking Density 

4.1.1 Growing Area  

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4.1.2 Basil, Okra and Coconut Husk 

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4.1.2.1 Okra 

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Figure 14: Harvested okra pods (Pesto: Salt and Pepper Blog) 

4.1.2.2 Basil 

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Figure 15: Freshly‐cut basil leaves (Okra Varieties: Diet, Desert and Dogs Blog) 

 

4.1.2.3 Coconut Husk 

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Figure 16: Coconut husk fibres (Block, 2009)                        Figure 17: Coconut husk chips (Loren, 2010) 

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4.1.3 Component Ratios 

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4.1.4 Feed Rate Ratio and Annual Fish Feed Mass. 

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4.1.5 Feed Conversion Ratio 

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4.1.6 Fish Biomass Production 

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4.1.7 Fish Stocking and Harvest 

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4.1.7.1 Critical Standing Crop 

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4.1.7.2 Fish Harvesting ­Multiple Rearing Tanks 

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Table 4: Mass of fish in each cohort at the end of each six week period and volume of water required per cohort at maximum stocking density 

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Table 5: Stocking densities of each cohort at the beginning of each six week cycle 

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 4.1.8 Plant Stocking and Harvest 

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Figure 18: Crop planting distribution and harvest schedule 

 

4.2 Water Flow Rate 

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4.2.1 Hydraulic Loading Rate 

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4.2.2 Hydraulic Retention Time 

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4.3 System Components 

4.3.1 System Configuration 

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Figure 19: Flow chart of general system components arrangement (Adapted from: Figure 2 ‐ Optimum arrangement of aquaponic system components (Rakocy, Masser, & Losordo, 2006)) 

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Figure 20: Aquaponic system side view (grow bed, fish rearing tank, sump tank and water distribution pipes) with heights in centimetres. 

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Figure 21: Aquaponic system top view (grow bed, fish rearing tank, sump tank and water distribution pipes)  

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Figure 22: Aquaponic system isometric view (all components) 

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4.3.2 Fish Tank 

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         Figure 23: 3D Isometric view of fish tank design 

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Figure 24: Top view of fish rearing tank with dimensions and cohort spacing with dimensions in meters 

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Figure 25: Cohort‐separating screens with dimensions in meters 

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Figure 26:  Side view of fish tank with dimensions in meters  

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4.3.3 Grow Bed 

Figure 27: 3D isometric view of grow bed 

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Figure 28: Top view of grow bed with      Figure 29: Side view of grow bed with dimensions in meters  dimensions in meters         (not to scale) 

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4.3.4 Sump Tank 

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Figure 30: 3D view of sump tank           Figure 31: Sump tank with dimensions in meters &

4.3.5 Aeration System 

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4.3.5.1 Air Pump 

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4.3.5.2 Airlift 

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&Figure 32: Conceptual diagram of an air lift pump (dela‐Cruz, 1982) 

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Figure 33: Heights of submergence and lift for airlift pump calculations 

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4.3.5.2.1 Air Flow Requirement 

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Figure 34: A 3D line model of the aeration system within the aquaponic system 

4.3.5.3 Fish Tank Aeration  

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Figure 35: Air stones attached to tubing          Figure 36: Air stones diffuse air  

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4.3.5.4 Grow Bed Aeration 

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Figure 37: Side view of aeration system showing level of    Figure 38: Top view of aeration system showing even aeration tube placement at 20 cm below grow bed surface   distribution of winding perforated air tube   

5. Other Considerations 

5.1 Temperature Regulation 

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5.2 pH Regulation 

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5.3 Water Quality Testing and Debris Control 

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6. Cost Benefit Analysis 

6.1 Costs 

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 6.1.1 Initial Material Costs Table 6: Initial costs of backyard aquaponic system  

Materials   1B=F&]058&l_& 1B=F&]1.5&l_&U5(9&TCBZ&0<G&& e:;H%%& A:eH;%&U5(9&/>=M&)K@[& $!%H%%& #$%H%%&U5(9&8DQR&)K@[& $$%H%%& ##%H%%&(DQR& ;ecH%%& $c:H%%&5>=FC>^DF>B@&.<FZBC[& $e%H%%& #A;H%%&->C&5>PPD=>B@&UB=<& #;%H%%& e;H%%&1>@G<C&0OBE[=&]#%_& ;%H%%& $;H%%&->C&8FB@<& #%H%%& ;H%%&->C&IKON<=& $%H%%& #%H%%&9YF<@=>B@&1BCG& ;%H%%& $;H%%&TCBZ&+<G>K&& #;H%%& eH;%&8<<GO>@?=& $%H%%& #%H%%&)>OKR>K&P>=M& c%H%%& !%H%%&Total  2,498.00  1,249.00 

Assumptions and notes:  

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6.1.2 Annual Costs 

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6.2 Outputs 

6.2.1 Fish Production  

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6.2.2 Vegetable Production 

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Table 7: Summary of annual outputs from okra and basil 

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(kg) Total Weight 

(kg) Market Price 

($BDS) Annual Value 

($CND) Annual Value 

($BDS) 

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6.3 Summary of Analysis 

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Table 8: Summary of first year costs and outputs 1st Year Inputs  Cost (BDS)  Cost (CND)  Outputs  Value (BDS)  Value (CND) 

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Table 9: Summary of second year costs and outputs 2nd Year Inputs  Cost (BDS)  Cost (CND)  Outputs  Value (BDS)  Value (CND) 

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Total  479.74  240.47     13655.88  6827.94 

&

Table 10: Summary of profits for the first two years (CBP>F=&& 058& 1.5&

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7. Conclusions 

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Appendices 

Appendix A: Barbados Background Information &

 

 

 

 

 

 

 

Figure 39: Location of Barbados in the Caribbean  (From: http://www.travelguide2barbados.com/p1_maps.php) 

 

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Figure 40: Barbados Climate Graph (Metric) (From: http://www.climatetemp.info/barbados/) 

Appendix B: Water Quality Experiment Results from Barbados System &Table 11: Summary of results on water quality in BVAA aquaponic fish tank 

Parameter  Range found in fish tank  Optimal range Temperature  $eH%;`$:HeA&m1& $e`$:&m1&pH  eHAc`eHb;& bHc`:&Salinity  %HAe`%H!A&(87&]RRF_& n&#%&RRF&](87_&PO4

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Figure 41: Dissolved oxygen concentrations over test period 

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Figure 42: Fish tank temperature over test period 

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Date

Temperature in Aquaponic Fish Tank

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Figure 43: Fish tank pH over test period 

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Figure 44: Fish tank salinity over test period 

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Figure 45: Nitrate concentrations over test period   

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pH in Aquaponic Fish Tank

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Salinity in Aquaponic Fish Tank

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Nitrate Concentration in Aquaponic Fish Tank

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Figure 46: Ammonia concentrations over test period 

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Date

Ammonia Concentration in Aquaponic Fish Tank

Appendix C: Fish Growth Estimations  Table 12: Fish Growth Estimations (based on SRAC‐282: Tank Culture of Tilapia 

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Appendix D: Air Pump Specifications 

Figure 47: Performance chart for Hi‐Blow HP 40 pump 

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Table 13: Alternate method for air flow calculations (The Geyser Pump, 2010) 

Pumping rate 1,904 gallon/day

Pipe diameter 2.00 inch submergence 3.5 ft lift 4.9 ft

cross-sectional area of pipe 0.022 ft2

Pipe volume 0.08 ft3 Pipe volume 7.48 gallon Vl (Flow rate) 1 GPM A (Pipe area) 0.022 ft2 L (Lift) 4.9 ft D (Pipe diameter) 2 inch Lf (density of fluid) 100 S (submergence) 3.51 ft Lg (Gas density) 0.0765 Value of Ordinate 24,697 2.47E+04 Value of Abscissa 100<Y<10,225 3.55 10,225<Y<73,637 3.42 73,637<Y<117,690 3.34 117,690<Y<123.645 0.00 123,645<Y<128,308 0.00 128,308<Y<99,018 3.21

Graph reading 3.42

Vg (Gas flow) 1.22 ft3/min

Pressure 1.52 psi &

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