Tratamiento de aguas residuales con microalgas en reactores abiertos
- Autores: María del Mar Morales Amaral
- Directores de la Tesis: Francisco Gabriel Acién Fernández (dir. tes.), José María Fernández Sevilla (codir. tes.), Alicia María González Céspedes (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Félix López Figueroa (presid.), María del Carmen Cerón García (secret.), Juan Luis Gómez Pinchetti (voc.), Bernardo Llamas Moya (voc.), Roberto Teófilo Abdala Díaz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biotecnología y Bioprocesos Industriales Aplicados a la Agroalimentación y Medioambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La depuración de aguas residuales toma cada vez mayor importancia debido al aumento de la población y de la actividad industrial. Además, las normativas de depuración de aguas residuales son cada vez más estrictas, por lo que son necesarias nuevas técnicas de depuración que no solo sean más eficientes sino también más sostenibles. La eliminación de la materia orgánica presente en el agua residual es uno de los aspectos más optimizados en el proceso de depuración. No ocurre lo mismo con la depuración de nitrógeno y fósforo que supone mayores gastos energéticos además de la necesidad de instalar equipos y procesos adicionales.
Como alternativa a los procesos convencionales basados en fangos activos, se ha propuesto la utilización de consorcios de microalgas y bacterias. La depuración de aguas residuales con estos consorcios permite eliminar la materia orgánica, así como el nitrógeno y el fósforo presentes en el agua residual hasta niveles aptos para su vertido, en una sola etapa. La recuperación de los nutrientes contenidos en el agua residual hace el proceso más sostenible, así como el potencial aprovechamiento de la biomasa producida puede hacerlo a la vez más rentable económicamente. Sin embargo, para que esta tecnología pueda ser comercial es necesario aún optimizarla y asentarla, maximizando su rendimiento y validándola en condiciones reales de operación bajo los estándares industriales. En este sentido, la presente tesis está enfocada a esta mejora y validación de la tecnología de depuración de aguas residuales basada en consorcios de microalgas y bacterias. En concreto se persigue optimizar el fotobioreactor y su modo de operación en función de la composición del agua residual, para maximizar la capacidad de tratamiento de agua residual y la producción de biomasa del sistema.
El trabajo de investigación se ha desarrollado en la Estación Experimental Cajamar "Las Palmerillas" de la Fundación Cajamar, donde se dispone de dos reactores a gran escala, un reactor capa fina y un raceway horizontal de 33 m2 de superficie, con volúmenes de 1.2 y 4.4 m3, respectivamente, así como de tres reactores raceway a pequeña escala, de 8.3 m2 de superficie con volúmenes de 0.75, 0.81 y 0.85 m3. Estos reactores se han operado en condiciones reales, en continuo y a lo largo de todo el ciclo anual. Todos los ensayos se realizan a pH controlado a 8 mediante inyección de CO2.
Los ensayos se dividen en cuatro etapas. Una primera etapa en la que se utiliza un medio de cultivo estándar preparado con fertilizantes para evaluar el rendimiento de los sistemas, empleando medios de cultivo puros sin ninguna limitación ni toxicidad en los cultivos. Se determinan así las condiciones de operación óptimas y los valores máximos de productividad de biomasa alcanzables en función de la radiación solar disponible. La velocidad de dilución óptima determinada es de 0.3 días-1 para el reactor inclinado y para los reactores a pequeña escala. En el caso del reactor horizontal la velocidad de dilución óptima es de 0.2 días-1. A dicha velocidad de dilución óptima la productividad de biomasa alcanzada es de hasta 30 g•m-2•día-1 para el caso de los reactores a pequeña escala, y hasta 33 g•m-2•día-1 para el caso del reactor horizontal, mientras que para el reactor inclinado se alcanza la mayor productividad de biomasa de hasta 38 g•m-2•día-1.
Una vez conocidas las condiciones óptimas de operación se realizan ensayos empleando como medio de cultivo los distintos tipos de agua residual que se pueden encontrar en una depuradora convencional: agua residual procedente de tratamiento secundario, lixiviados procedentes del escurrido de sólidos digeridos anaeróbicamente y agua procedente de tratamiento primario. La principal diferencia entre el medio de cultivo con fertilizantes y las aguas residuales empleadas es la fuente de nitrógeno, que en el caso de las aguas residuales es amonio mientras que en el caso de los fertilizantes es nitrato. Sin embargo, hay otros muchos factores del agua residual que no se pueden controlar como su turbidez, la posible presencia de tóxicos, la presencia de microorganismos algunos de los cuales pueden ser patógenos, etc. El objetivo del trabajo realizado es determinar la posibilidad de utilizar consorcios de microalgas y baterías para depurar estos efluentes y validar la robustez de la tecnología en condiciones reales de cultivo externo en reactores abiertos.
Los ensayos llevados a cabo con los tres tipos de efluentes han demostrado que el sistema es robusto y permite depurar el agua residual de forma estable y segura, aunque el modo de operación debe ser ajustado en función del tipo de agua a depurar, especialmente su contenido en nitrógeno. En el agua residual de secundario la relación N/P es 2, por lo que se necesita más nitrógeno del disponible para la completa eliminación del fósforo. La velocidad de dilución óptima en los reactores es la misma que la obtenida empleando medio preparado con fertilizantes (0.2 días-1 para el raceway horizontal y 0.3 días-1 para el reactor inclinado). La productividad de biomasa obtenida alcanza valores de 22 g•m-2•día-1 en el reactor horizontal y de 34 g•m-2•día-1 en el reactor inclinado, valores estos muy similares a los obtenidos con medio preparado con fertilizantes. En cuanto a la depuración del agua, la DQO se depura en un 69% para el reactor inclinado y en un 82% para el caso del reactor horizontal a su velocidad de dilución óptima, obteniéndose valores a la salida por debajo de 100 mg•L-1. Tanto el nitrógeno como el fósforo son eliminados en su totalidad, siendo las concentraciones de salida inferiores a 2 mg•L-1, a pesar de las posibles limitaciones de nutrientes. Estos valores son inferiores a los impuestos por la normativa vigente por lo que el agua tratada queda apta para vertido. Para aumentar la capacidad de tratamiento de agua de secundario es posible utilizar membranas que permitan separar el tiempo de retención celular del hidráulico. En estas condiciones la productividad de biomasa alcanzada en el caso del reactor inclinado es de 21 g•m-2•día-1 y de 20 g•m-2•día-1 en el caso del reactor horizontal. De esta forma se puede tratar hasta un 45% más de agua en el caso del reactor inclinado y un 30% en el caso del reactor horizontal, sin que se afecte la calidad del agua tratada final obtenida. El empleo de estas membranas y modo de operación MBR (Membrane Bio Reactor) permite incrementar el aporte de nutrientes por unidad de superficie y alcanzar cultivos más concentrados y estables.
El otro efluente considerado son los lixiviados de depuradora. Se trata de corrientes muy concentradas en contaminantes cuya recirculación en las depuradoras convencionales implica un elevado coste. El empleo de lixiviados tiene como inconveniente el elevado contenido de amonio, de hasta 400 mg•L-1, por lo que resulta tóxico para muchas microalgas y debe ser diluido para su empleo como medio de cultivo. El valor óptimo determinado del 30% de lixiviado en el medio de cultivo permite maximizar la producción de biomasa obteniéndose productividades similares a las obtenidas con el medio de cultivo preparado con fertilizantes. En estas condiciones se alcanza además una elevada depuración del medio, obteniéndose un efluente de salida con una DQO por debajo de 50 mg•L-1 y una concentración de nitrógeno menor de 5 mg•L-1. En cuanto a la eliminación del fósforo, ésta es considerable solo en el caso del reactor inclinado, alcanzando valores de concentración a la salida de 12 mg•L-1. Cabe mencionar que la eliminación del fósforo es una de las variables que han mostrado mayor variabilidad por lo que es necesario aún profundizar en el metabolismo de este compuesto en los consorcios de microalgas y bacterias para optimizar su asimilación.
Finalmente se ha utilizado agua de primario como medio de cultivo directo y único para la producción de microalgas. En este caso se ha estudiado tanto la influencia de la velocidad de dilución como de la altura de líquido en el reactor, trabajando con los reactores a pequeña escala con diferentes alturas, de 0.05, 0.12 y 0.20 m. Los resultados confirman la posibilidad de producir microalgas empleando únicamente agua residual de primario como medio de cultivo, de forma eficiente y estable todo el año. La productividad de biomasa aumenta con el descenso de la profundidad de los cultivos, pero al disminuir el volumen de los reactores también disminuye el caudal de agua que puede ser depurado diariamente, por lo que se debe encontrar un óptimo del sistema. El reactor inclinado es el que de nuevo alcanza la mayor productividad de biomasa, alcanzando valores próximos a los obtenidos empleando medios de cultivo con fertilizantes y lixiviados al 30%. La remoción de contaminantes del agua alcanzada es muy alta, superando el 80%, lo que permite obtener un agua apta para vertido según la normativa vigente.
Para todos los efluentes utilizados se observa una relación directa entre la productividad de biomasa y la remoción de nutrientes, por lo que para aumentar la capacidad de depuración de estos sistemas es necesario aumentar la productividad de biomasa de los mismos. Ya que las condiciones ambientales están prefijadas por la localización de la planta, la única forma de incrementar la capacidad de estos sistemas es mediante su óptima operación (dilución, pH, oxígeno disuelto) y diseño (profundidad del cultivo). Los resultados muestran que para todos los efluentes utilizados la capacidad de depuración aumenta con la disminución de la profundidad del cultivo, siendo así el reactor inclinado el más favorable para este tipo de procesos.
Como conclusión se puede decir que los consorcios de microalgas y bacterias son adecuados para la depuración de aguas residuales, y pueden ser acoplados con los sistemas actuales ya sea como tratamiento terciario para la remoción de nitrógeno y fósforo residual así como patógenos, o como tratamiento de los lixiviados de depuradora para evitar la recirculación de los mismos en las depuradoras convencionales. Adicionalmente los sistemas basados en consorcios de microalgas y bacterias pueden ser una alternativa completa a los sistemas convencionales, lo que constituye una alternativa interesante en términos de sostenibilidad y coste. Los resultados contenidos en esta tesis confirman todas estas posibilidades y establecen los factores más importantes a tener en cuenta en el diseño y operación de estos procesos. Además, se valida la robustez de la tecnología utilizada y se establecen las condiciones óptimas para garantizar la calidad de depuración y por tanto la seguridad de vertido del agua tratada. Sin embargo, aún quedan retos por resolver como el escalado de los sistemas, el aumento de la capacidad de tratamiento y el aprovechamiento de la biomasa obtenida. En los próximos años se realizarán importantes avances en estas líneas que ojalá en breve permitan hacer de estos sistemas una alternativa factible que responda a los retos de la sociedad en la gestión del agua.
