Resumen de Integration of wastewater treatment and microalgae production for agricultural applications
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El concepto de escasez hídrica es relativamente nuevo pero ya afecta a casi el 40% de la población mundial. Según datos de las Naciones Unidas, 3 de cada 10 personas carecen de acceso a servicios de agua potable seguros y aproximadamente el 70% de las aguas extraidas de ríos, lagos y acuíferos naturales se utilizan para riego. A esto se suma que aproximadamente el 80% de las aguas residuales resultantes de la actividad humana se vierten al medioambiente sin ningún tratamiento, lo que supone un gran problema ambiental. La depuración de aguas residuales urbanas mediante métodos convencionales consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin garantizar que el agua que se vierte al medioambiente cumple unos criterios de calidad mínimos. Estos son cada vez más exigentes. Se estima que en España se depuran alrededor de 4950 hm3 de agua residual anuales; para ello, son necesarias más de 4700 estaciones depuradoras de aguas residuales y un presupuesto superior a los 1300 millones de euros. La eliminación de la materia orgánica presente en el agua residual es uno de los aspectos más optimizados en los procesos de tratamiento actuales. Sin embargo, a pesar de ser eficientes, gran parte de esta materia orgánica se transforma en CO2 y acaba inevitablemente en la atmósfera. Otro inconveniente de los procesos de depuración actuales ocurre durante la eliminación del nitrógeno y del fósforo. Para eliminarlos correctamente se requieren grandes consumos energéticos y la instalación de equipos y procesos complejos.
Tanto el carbono, como el nitrógeno y el fósforo son esenciales para el crecimiento de las microalgas. Por este motivo, durante los últimos años, los sistemas de tratamiento de aguas residuales basados en microalgas han captado un gran interés comercial. Su principal ventaja frente a los procesos tradicionales es la posible valorización de la biomasa producida para obtener bioproductos sostenibles o energía. Además, al ser microorganismos fotosintéticos, son capaces de asimilar el CO2 producido en los procesos tradicionales aumentando la sostenibilidad del proceso. Desde el punto de vista económico, el cultivo de microalgas utilizando aguas residuales como fuente de nutrientes también resulta especialmente interesante. De hecho, al combinar el tratamiento de aguas residuales con el cultivo de microalgas, los costes de producción de la biomasa microalgal se pueden reducir teóricamente a menos de 1 €·kg-1, muy por debajo de los 5-10 €·kg-1 actuales cuando se emplean otras fuentes de nutrientes. El principal uso de las microalgas es la producción de suplementos nutricionales, especialmente suplementos protéicos. La biomasa microalgal producida utilizando aguas residuales no puede emplearse directamente como alimento. Sin embargo, puede usarse para producir alimentos de forma indirecta: como materia prima para la obtención de bioestimulantes agrícolas o piensos para animales, especialmente para la acuicultura.
El potencial de esta tecnología es enorme. Uno de los mayores problemas relacionados con la depuración de aguas residuales urbanas mediante microalgas es que se procesan enormes cantidades de agua y se necesitan reactores de gran tamaño. Debido a su necesidad de luz, los fotobiorreactores utilizados para producir microalgas no pueden ser muy profundos, por lo que se necesitan grandes superficies. En concreto, para depurar el agua residual de una ciudad, se requieren fotobiorreactores de aproximadamente 5-6 m2 por habitante. Hasta la fecha, la gran mayoría de los estudios científicos publicados se han realizado a escala de laboratorio o a escala piloto durante periodos de tiempo muy reducidos. La duración de los ensayos es muy relevante, ya que un proceso estable durante un periodo de tiempo muy corto no permite predecir su comportamiento en condiciones reales. La validación de dichos procesos a mayor escala y su optimización es esencial para captar el interés comercial y conseguir la implementación industrial de los procesos de depuración de aguas residuales basados en microalgas. Otro inconveniente viene dado por el reducido número de microalgas disponibles en los bancos de algas. A pesar de que hay cientos de miles de cepas de microalgas distintas en la naturaleza, muy pocas han sido estudiadas en detalle y solo algunas de ellas utilizando aguas residuales.
Así pues, en esta Tesis Doctoral se pretende validar procesos basados en microalgas a una escala precomercial, demostrar la viabilidad tecnológica de su uso para la depuración de aguas residuales y estudiar cómo influyen las variables de operación y las condiciones ambientales en su eficiencia y productividad. Para ello, se han estudiado distintos tipos de fotobiorreactores (raceway y thin layer) y se han llevado a cabo ensayos durante todas las estaciones del año, permitiendo predecir valores de eficiencia y productividad de biomasa anuales. Los reactores tipo raceway, los más comunes a nivel mundial, son sistemas económicos y relativamente fáciles de operar, pero solo permiten alcanzar productividades relativamente bajas (20 g·m-2·día-1). Esto se debe, principalmente, a que la altura del cultivo es de unos 10-30 cm, lo que da lugar a un bajo aprovechamiento de la luz, ya que las microalgas se sombrean unas a otras. Además, la transferencia de materia en este tipo de reactores es reducida, lo que limita la asimilación de nutrientes y la eliminación de gases. Es por ello por lo que en esta Tesis también se ha llevado a cabo el estudio de otro tipo de sistemas: los reactores de capa fina o thin layer. Estos trabajan con una altura de cultivo inferior a 5 cm, lo que incrementa significativamente la disponibilidad de luz que tienen las células. Así, se consiguen alcanzar productividades de biomasa por unidad de superficie y tiempo muy superiores, en el rango 35-45 g·m-2·día-1. Hasta ahora, los reactores de capa fina no han sido optimizados a escala piloto y se desconoce su eficacia recuperando nutrientes del agua residual urbana.
En este trabajo se han utilizado fotobiorreactores tipo raceway de 80 m2 y fotobiorreactores thin layer de 63 y 163 m2, lo que supone un gran avance con respecto a los estudios previos donde los procesos se validaban a escalas de 10-20 m2 como máximo. Se ha estudiado el potencial de estos sistemas utilizando agua de la red y fertilizantes comerciales como medio de cultivo, donde se han llegado alcanzar productividades de biomasa de 5100, 5600 y 9100 kg·año-1, respectivamente. A continuación, con el fín de conseguir un proceso más sostenible, se ha validado el uso de dichos reactores pero usando agua residual urbana como la principal fuente de nutrientes. Las productividades obtenidas fueron similares a las observadas en los cultivos con ferilizantes comerciales. Esto permite prever que, si se escala el proceso a un reactor de 10000 m2, se podrían llegar a eliminar 10.6 toneladas de nitrógeno y 0.5 toneladas de fósforo al año, a la vez que se producirían hasta 56.5 toneladas de biomasa con un alto valor añadido. La utilización de aguas residuales no solo aumenta la sostenibilidad del proceso; un análisis económico preliminar ha demostrado que usando agua residual como medio de cultivo para el cultivo de microalgas se podría reducir el cose de producción en 0.44 €·kg-1 a la vez que se obtendría agua regenerada que podría reutilizable para riego.
Esta Tesis también ha tenido como objetivo estudiar el uso de membranas de ultrafiltración para aumentar la eficiencia del proceso. El uso de estas membranas es común en los procesos tradicionales de depuración de aguas, pero no ha sido implementado aún en procesos basados en microalgas. Su uso viene justificado por el bajo contenido en nutrientes de algunas aguas residuales, lo que da lugar a productividades de biomasa muy reducidas por presentarse limitación de nutrientes. El uso de membranas de ultrafiltración hace posible separar el tiempo de retención hidráulica del tiempo de retención celular, lo que permite tratar un mayor volumen diario de agua residual por unidad de superficie y, además, aumentar el aporte de nutrientes al cultivo, con lo que se incrementa la productividad. Escalando los valores obtenidos en esta Tesis tras el uso de membranas de ultrafiltración a un reactor raceway teórico de 10000 m2 acoplado a una membrana de utrafiltración, se podrían tratar 2.58 M m3 anuales agua residual produciendo 79.92 tn de biomasa al año. Es decir, el uso de membranas permitiría procesar hasta un 130% más de agua residual por unidad de superficie, a la vez que obtener 30 tn anuales más de biomasa.
Finalmente, la biomasa obtenida en el tratamiento de agua residual mediante procesos microalgales, se propone como materia prima para la producción de bioestimulantes. Se ha estudiado así el potencial de distintas biomasas obtenidas como bioestimulante, obteniendo resultados prometedores. En concreto, una de las cepas seleccionadas (Chlorella vulgaris MACC 1) aumentó el desarrollo de raíces hasta un 493% e incrementó la expansión de cotiledones en un 60.9%. Los bioestimulantes agrícolas basados en microalgas ya son una realidad comercial. Sin embargo, hasta la fecha su producción se realiza utilizando agua limpia y fertilizantes comerciales como fuente de nutrientes. Los resultados de este trabajo demuestran que las aguas residuales, que suponen un problema ambiental, podrían ser utilizadas como fuente de nutrientes para la producción de bioestimulantes, lo que podrían no solo minimizar la necesidad de agua de riego y de fertilizantes, sino también mejorar la calidad de los alimentos que consumimos y la salud de los consumidores.
- English
Availability and access to water is fundamental for a sustainable development.
Water scarcity affects more than 40% of the global population. According to a recent report of the United Nations, 3 in 10 people lack access to drinkable water and approximately 70% of all water abstracted from rivers, lakes, and natural aquifers is used for irrigation. This, together with the fact that approximately 80% of wastewater resulting from human activities is discharged into the environment without any pre-treatment represent a huge environmental problem. Wastewater treatment using conventional methods consists on a series of physical, chemical, and biological processes that aim to ensure that the water discharged into the environment meets an increasingly challenging quality criteria. It is estimated that, in Spain, around 4,950 hm3 of wastewater are processed per year; For this, more than 4700 wastewater treatment plants have been built and a budget of over 1300 million euros per year is needed. The elimination of the organic matter present in the wastewater is one of the most well-studied and optimized aspects of current wastewater treatment processes. However, most of this organic matter is transformed into CO2 that inevitably ends up in the atmosphere. Something similar occurs with the removal of nitrogen and phosphorus. Both are effectively removed from the wastewater but not recovered, ending up in the emission of greenhouse gases. Moreover, large energy requirements and complex equipment and processes are needed to comply with the current maximum nitrogen and phosphorus discharge limits.
Carbon, nitrogen, and phosphorus are essential for microalgal growth. For this reason, during the last few years, microalgae-based wastewater treatment processes have gained an increased commercial interest. Their main advantages when compared to traditional processes include the recovery (not removal) of nitrogen and phosphorus and their biotransformation into valuable biomass that could be used as a feedstock for the production of high-end compounds and renewable energy. Furthermore, as microalgae are photosynthetic microorganisms, they can transform the CO2 that is produced naturally during the degradation of organic matter into complex molecules of high commercial interest.
From an economic point of view, the production of microalgae using wastewater as a source of nutrients has also attracted the interest of the wastewater treatment industry. In fact, by combining wastewater treatment with microalgae production, the production costs of microalgae biomass can be theoretically reduced to less than 1€·kg-1, significantly lower than the current 5-10 €·kg-1 obtained when producing the biomass using freshwater and commercial nutrients. The microalgal biomass produced using wastewater cannot be used directly as food, the main use of microalgae today. However, it can be used indirectly for the production of food by being utilised as a raw material for the production of agricultural biostimulants or aquafeeds.
One of the biggest challenges of urban wastewater treatment using microalgae is the huge amount of wastewater that is daily generated in urban areas. This, together with the fact that microalgae are photosynthetic microorganisms and require large surfaces to maximise light availability leads to the need of using very large photobioreactors and large surface areas. Moreover, the up-scaling of microalgae-based processes is also a technological challenge. To date, the vast majority of the scientific literature has been carried out at a laboratory-scale or at a pilot-but for short periods of time. The validation of these processes on a demonstrative scale and during long periods of time is essential to capture commercial interest and investements and to achieve the industrial implementation of microalgae-based wastewater treatment processes. One last problem related with the processing of wastewater using microalgae is that although there are hundreds of thousands of different microalgal strains in the environment, only a very limited number of strains have been studied in detail and just a few using wastewater.
The overall objectives of this Doctoral Thesis were to up-scale current microalgae production processes and to demonstrate the technical viability of processing wastewater using microalgae. Both processes were validated at a pre-commercial scale and during the four seasos, which is essential to predict the potential industrial implementarion of the developed processes. Moreover, the assessment of the productivity and efficiency of the systems during a long period of time allos estimating the effect of environmental and operational conditions on a representative scale. The most common and economic photobioreactors are raceways, which are also easy to use and up-scale. However, despite allowing the processing of large volumes of water, these systems lead to relatively low biomass productivities (20 g·m-2·day-1). The main reasons are that as the depth of the culture is around 10-30 cm, the light availability inside the culture is low because of the self-shading effect of microalgae. An inefficient mass transfer is also responsible for their relatively low productivity. For this reason, the present Thesis evaluated the potential utilisation of more innovative photobioreactor designs such as thin-layer cascade photobioreactors. These reactors work with a culture depth lower than 5 cm, which permits a greater availability of light. Thin-layer reactors have not yet been optimized on a pilot scale and the assessment of their effectiveness in recovering nutrients from urban wastewater has not yet been evaluated.
In the present work, different photobioreactors were used to produce biomass and process wastewater including 80 m2 raceway reactors and 63 and 163 m2 thinlayer cascade photobioreactors. Initially, the operation of the photobioreactors was optimised using freshwater and commercial fertilisers, achieving biomass productivities of 5100, 5600, and 9100 kg·year-1. The goal was to increase the sustainability of the process and, for this reason, the photobioreactors were then operated using wastewater as the sole nutrients source.The results revealed that if the process was upscales to a theoretical 10,000 m2 reactor, it would be possible to recover approximately 10.6 and 0.5 tons of nitrogen and phosphorus per year, respectively while simultaneously producing up to 56.5 tons of valuable biomass.
In addition, a preliminary economic analysis revealed that using wastewater as the culture medium could reduce the production costs by 0.44 €·kg-1.
One third objective of the thesis was the assessment of the potential use of ultrafiltration membranes as a strategy to increase the biomass productivity and the amount of wastewater that can be processed per surface area. The use of ultrafiltration membranes is common in conventional wastewater treatment processes, but has not yet been studied in microalgae-based systems. One of their main attributes is that they allow separating the cellular from the hydraulic retention time, therefore they could be used to increase the areal biomass productivity when producing the biomass using secondary wastewater or to separate the biomass from the culture medium. In the present wotk, the use of membranes allowed achieving biomass productivities 40% higher and processing larger amounts of water (130%) per surface area. Scaling up the values obtained with the use of ultrafiltration membranes to a theoretical 10,000 m2 raceway reactor coupled to an ultrafiltration membrane would allow treating 2.58 M m3, producing 79.92 tons of biomass per year. This means that not only the amount of water processed but also the annual biomass productivity was 30 tons higher when the ultrafiltration membrane was used.
Finally, the produced biomass was assessed as a raw material for the production of agricultural biostimulants with very promising results. One of the selected strains (Chlorella vulgaris MACC 1) allowed increasing root development by over 493% and a cytokinin activity 60.9% higher. The production and commercialisation of microalgae-based biostimulants is already a reality. However, these are produced using freshwater and commercial fertilisers as the nutrient sources. The present work demonstrates that the production of agricultural biostimulants using wastewater is feasible and that the process shows potential for further development. The processing of wastewater, which is an environmental challenge, could be carried out while simultaneously producing agricultural biostimulants that could not only minimise the amount of irrigation water and fertilisers required but also promote crop yields and promote the quality of the end products.
The research presented in this Doctoral Thesis is part of the work carried out by the Department of Chemical Engineering of the University of Almería framed in the R&D project "Microalgae for the sustainable production of bioproducts and reclaimed water (AL4BIO)" financed by MCIN/AEI/10.13039/501100011033/, for “FEDER A way of making Europe” and in collaboration with GEMMA-UPC. The objective of this project is to produce high-value bioproducts and reclaimed water in systems based on microalgae during wastewater treatment.
