Fotobiodepuración de aguas residuales urbanas: análisis comparativo de fotobiorreactores a escala piloto
- Autores: Zouhayr Arbib
- Directores de la Tesis: J. A. Perales Vargas-Machuca (dir. tes.), Jesús Barragán Sánchez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cádiz ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: C. Mantell Serrano (presid.), Manuel Alejandro Manzano Quiñones (secret.), Ignacio de Godos (voc.), Bernardo Llamas Moya (voc.), Juan Félix González González (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La presente tesis doctoral se ha dividido en dos partes claramente diferenciadas, cada una de ellas ha aportado información relevante acerca de los parámetros que afectan al cultivo de microalgas en aguas residuales urbanas con el fin principal de eliminar los nutrientes de las mismas.
La primera parte de la presente tesis (capítulos II y III), ha proporcionado información muy valiosa acerca del comportamiento de diferentes especies de microalgas en distintos medios de cultivo en condiciones controladas de experimentación, esta etapa fue crucial ya que aportó información relevante tanto de las cinéticas de crecimiento de la biomasa como de la eliminación de nutrientes, así como la capacidad de biofijar CO2.
En el capítulo II, de las cuatro especie seleccionadas (Chlorella vulgaris, Chlorella kessleri, Scenedesmus obliquus y el Bloom natural) los mejores resultados obtenidos en todos los parámetros estudiados (capacidad de generación de biomasa, eliminación de nutrientes y biofijación de CO2) fueron obtenidos con Scenedemsus obliquus y el Bloom natural, siendo las diferencias con respecto a las dos especies de Chlorella significativas en todos los parámetros analizados. No se apreciaron diferencias significativas entre los dos medios de cultivo empleados (agua residual urbana y medio sintético) en ninguna de las especies estudiadas bajo las mismas condiciones de cultivo; concentraciones de los nutrientes esenciales (nitrógeno, fósforo y carbono), disponibilidad de luz, agitación y temperatura, indicando pues que el agua residual urbana posee un potencial semejante al del medio sintético para cultivar microalgas.
Todas las especies estudiadas demostraron una excelente capacidad de eliminación de nutrientes de las aguas residuales, alcanzándose en todos los casos niveles inferiores a los límites de vertido más restrictivos de la Directiva 98/15/CEE.
En cuanto a la capacidad de biofijación de CO2 todas las especies demostraron una relación directa de este parámetro con la capacidad de generación de biomasa, no observándose ninguna influencia del medio de cultivo en la capacidad de biofijación de CO2. Así pues, atendiendo a los resultados obtenidos en el capítulo II, se decidió seleccionar la especie Scenedesmus obliquus en agua residual urbana para desarrollar los sucesivos capítulos de la presente tesis.
En el capítulo III, se observó el gran efecto que tiene la variación del ratio nitrógeno-fósforo de un agua residual urbana en los diferentes parámetros analizados, indicando la gran importancia de monitorizar estos dos nutrientes esenciales en los medios de cultivo para poder predecir cambios tanto en la calidad del efluente generado como en la de la biomasa producida. La variación de la ratio afectó a todos los parámetros analizados, indicando que existe una ratio N:P óptima para la producción de biomasa, que para el caso de estudio está en torno a 9 - 13. En el caso de la eliminación de nutrientes, solo se consiguió alcanzar los límites de vertido de nitrógeno y fósforo más restrictivos de Directiva 98/15/CEE simultáneamente a ratios entre 9 y 13, a ratios superiores a 13 no se alcanzaban los limites de vertido del nitrógeno, y a ratios inferiores a 9 no se alcanzaban los del fósforo, poniendo de manifiesto que tanto la sobresaturación en nitrógeno o fósforo es indeseable en los sistemas de cultivo de microalgas.
La segunda parte de la tesis la conforman los Capítulos IV y V, donde se pasa de escala de laboratorio en condiciones controladas de los capítulos anteriores (II y III) a trabajar a escala planta piloto y en condiciones ambientales reales. Observándose grandes diferencias en el comportamiento de la microalga Scenedemus obloquus en todos los parámetros analizados.
En el capítulo IV, se operaron dos fotobiorreactores, uno cerrado (TPBR) y uno abierto (HRAP), bajo las condiciones más extremas, tanto meteorológicas (bajas temperaturas y baja radiación solar) como por limitación de la fuente de carbono inorgánico (CO2). Lo primero que quedo de manifiesto es que después de operar ambos fotobiorreactores, primero en modo discontinuo para determinar los tiempos hidráulicos de residencia de operación en continuo, es que la velocidades de crecimiento de Scenedemus obliquus fueron muy inferiores a las obtenidas a escala de laboratorio en condiciones controladas (capítulo II y III), lo que indica el efecto de las condiciones meteorológicas en los cultivos de microalgas, siendo la temperatura y la radiación solar tan influyentes en él como la disponibilidad de los nutrientes esenciales (nitrógeno, fosforo y carbono). El fotobiorreactor HRAP operando en paralelo y alimentado con el mismo medio de cultivo alcanzó productividades de biomasa muy inferiores al TPBR, además el tiempo hidráulico de residencia del HRAP fue muy superior al TPBR, lo cual se debe a la menor disponibilidad de luz en el reactor HRAP dada a su mayor trayectoria de luz (30 cm de espesor de película de agua en el HRAP, frente a los 10 cm de diámetro del TPBR). Una ventaja observada en el reactor HRAP respecto al TPBR fue que cuando se alcanzaron temperaturas muy bajas (-1.10 ± 1.25ºC) sufrió una inhibición menos acusada que el TPBR, debido fundamentalmente a que la masa de agua del HRAP es mucho mayor. Otro aspecto importante relacionado con las bajas temperaturas es que el reactor TPBR además de ser más sensible a las bajadas de temperatura que el HRAP, que comenzó a presentar claras evidencias de biofouling en las paredes de los tubos, al comienzo solo ocupaban una superficie muy pequeña del reactor, pero a medida que trascurría el tiempo la biopelicula formada crecía hasta llegar al punto de ocupar gran parte de la superficie, lo cual obligó a parar el TPBR y proceder a su limpieza, ya que tanto la productividad de biomasa como la capacidad de eliminación de nutrientes en el TPBR bajaron drásticamente. A pesar del proceso de inhibición por biofouling experimentado por el TPBR, este consiguió alcanzar productividades de biomasa y porcentajes de eliminación de nutrientes muy superiores al HRAP. Sin embargo la gran ventaja del reactor HRAP es su gran estabilidad.
Una vez operados los fotobiorreactores bajo las condiciones más extremas y extraídos los resultados en las condiciones más desfavorables (capítulo IV), en el capítulo V se operaron los reactores en las condiciones más favorables posibles, tanto ambientales como con adición a demanda de una fuente de carbono inorgánica externa, CO2 procedente de una central de ciclo combinado. En este capítulo se diseño un tercer reactor denominado HRAP+S, este reactor es semejante al HRAP pero con la única diferencia de que dispone de un pozo de inyección de CO2 de 1 metro de profundidad. Lo primero que se observo tras operar los tres fotobiorreactores en paralelo, es que el TPBR mostró una limitación de carbono mucho menor que en el caso los otros dos sistemas abiertos, a tenor de los valores más elevados de pH obtenidos en los sistemas abiertos (HRAP y HRAP+S). Al igual que en el capítulo IV, el TPBR volvió a experimentar fenómenos de biofouilng en las paredes de los tubos, hecho achacable nuevamente a una inhibición de Scenedemus obliquus debido a un choque térmico, en este caso por altas temperaturas. A pesar de que las productividades de biomasa obtenidas en el TPBR eran muy superiores a la de los sistemas abiertos, los fenómenos de fouling hacen que sea una tecnología difícil de aplicar debido a las continuas paradas que precisó la planta para su limpieza.
Las inyecciones de CO2 registradas en el reactor HRAP fueron superiores a las de HRAP+S y TPBR en las horas de máxima insolación, sin embargo la actividad fotosintética del HRAP fue siempre inferior a la de los demás reactores, lo que indica la baja transferencia de CO2 en este tipo de reactor, mientras que el HRAP+S trabajando en las mismas condiciones requirió menor adición de CO2 (menor número de inyecciones) alcanzando, además, productividades de biomasa superiores a las del HRAP, con lo que queda comprobada la mayor eficiencia en la transferencia del CO2 en el pozo de inyección.
En cuanto a la capacidad de eliminación de nutrientes, sin adición de CO2 (pH más elevado) los mecanismos implicados en la eliminación de nitrógeno y fósforo en los dos sistemas abiertos (HRAP y HRAP+S) eran una combinación de procesos bióticos y abióticos, sin embargo en el momento que se comenzó a inyectar CO2, y el pH se mantuvo en 8, el único mecanismo responsable de la eliminación de los nutrientes fue el biótico.
Tras operar durante un prolongado periodo de tiempo las tres plantas piloto, y haber analizado la estabilidad de los tres reactores, se concluye que los mejores resultados obtenidos basados principalmente en la estabilidad del proceso fueron proporcionados por el reactor abierto con pozo de inyección de CO2, (HRAP+S). Si bien, es preciso reseñar que los resultados proporcionados por el TPBR fueron muy superiores a los otros dos fotobiorreactores. No obstante, los procesos de inhibición que presentó este fotobiorreactor causados por choques térmicos, tanto por altas como por bajas temperaturas (capítulo IV y V), provocaron biofouling y precisó parar el TPBR y proceder a su limpieza, por lo que se ha descartado hasta que no se encuentre una solución a estos sucesos, como el usos de elementos de limpieza automática eficientes.
