Evaluation of the performance and sustainability of algal-bacterial processes during wastewater treatment using a mass balance approach

Resum

En la actualidad, el rápido crecimiento de la población humana sumado al uso masivo de combustibles fósiles está provocando la emisión descontrolada de grandes cantidades de aguas residuales y gases de efecto invernadero que amenazan la sostenibilidad ambiental del planeta. Esta situación está motivando un incremento en la investigación en procesos de bajo coste y ambientalmente sostenibles para el control eficiente de la contaminación. En este contexto, las aguas residuales domésticas o los efluentes procedentes de la digestión anaerobia de residuos, se caracterizan por su alta carga en nitrógeno (N) y fósforo (P), los cuales deben ser retirados del agua residual antes de su descarga para evitar la contaminación y eutrofización de las aguas naturales. A día de hoy, se dispone de una amplia gama de tecnologías destinadas a la eliminación de nutrientes en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) basadas en procesos físico-químicos y biológicos. Sin embargo, el tratamiento de aguas residuales (TAR) a menudo implica altos costes tanto de inversión como de operación, lo que limita la completa recuperación de los nutrientes contenidos en el agua residual. En este escenario, los procesos biológicos alga-bacteria se han establecido como una tecnología de TAR económica y sostenible, basada en la simbiosis entre ambos microorganismos. La capacidad de las microalgas para eliminar de forma simultánea carbono (C) (orgánico (CO) e inorgánico (CI)), N y P vía asimilación mixotrófica, sumado a la oxigenación fotosintética capaz de soportar la oxidación biológica de la materia orgánica y NH4+, representan ventajas clave en comparación con las tecnologías de TAR convencionales. No obstante, aún existen limitaciones técnicas y microbiológicas que limitan la aplicación generalizada del TAR con algas y bacterias. La identificación de estas limitaciones y el desarrollo de soluciones para superar las mismas serán decisivos a la hora de consolidar esta biotecnología sostenible para el TAR. En esta tesis, el potencial de la simbiosis entre algas y bacterias durante el TAR en términos de eficiencia y sostenibilidad ambiental durante el tratamiento de la contaminación, se ha evaluado mediante balances de materia al C, N y P con el objetivo de desarrollar nuevas estrategias de operación y configuraciones de fotobiorreactores que puedan contribuir a superar las principales limitaciones de esta biotecnología. En el Capítulo 3, se lleva a cabo un estudio fundamental del metabolismo mixotrófico bajo condiciones de estrés (crecimiento bajo largos periodos de luz (aerobios)-oscuridad (anaerobios) y en ausencia de nutrientes) de un cultivo axénico de Chlorella sorokiniana y un consorcio alga-bacteria mediante balances de materia al C, N y P. La hidrólisis de la glucosa a ácidos grasos volátiles durante el periodo de oscuridad, solamente tuvo lugar en los consorcios alga-bacteria, lo cual supuso una mayor eliminación de CO, N-NH4+ y P-PO4-3 durante las subsiguientes etapas de luz en comparación con los cultivos axénicos de C. sorokiniana, poniendo de manifiesto la función simbiótica del metabolismo bacteriano durante el TAR. Por otra parte, la ausencia de N y P promovió la asimilación de C-acetato y C-glucosa, lo que supuso un aumento considerable tanto en la productividad de la biomasa como en el contenido de carbohidratos en C. sorokiniana y en los consorcios alga-bacteria, al tiempo que demostró la versatilidad metabólica de los consorcios alga-bacteria bajo distintas condiciones de estrés. Estos resultados confirmaron el potencial de la simbiosis entre algas y bacterias indígenas como plataforma tecnológica para consolidar el TAR unido a la producción de energía basado en el uso de microalgas a escala industrial. Algunas de las limitaciones técnicas que todavía dificultan la implementación del TAR con algas y bacterias a gran escala, están relacionadas con su limitada capacidad para eliminar de forma completa los nutrientes presentes en aguas residuales con bajos ratios C/N, o con la baja capacidad de sedimentación de algunas especies de microalgas, lo que conlleva a una concentración de sólidos suspendidos totales (SST) en los efluentes de estos procesos mayor que la permitida por la ley Europea de vertidos. En el Capítulo 4 se evalúa, mediante balances de materia al C y N, tanto la eficiencia de eliminación de C y N, como la capacidad de sedimentación de la biomasa de un novedoso fotobiorreactor anóxico-aerobio de algas y bacterias con recirculación de biomasa. En estas condiciones, la simbiosis entre algas y bacterias, implementada en esta innovadora configuración de fotobiorreactor permitió obtener unas altas eficiencias de eliminación de CO (86-90%), CI (57-98%) y N total (68-79%) con un tiempo de residencia hidráulico de 2 días y un tiempo de residencia del fango de 20 días. La intensidad y el régimen de luz, junto con la concentración de oxígeno disuelto en el medio, controlaron el alcance de los mecanismos de eliminación asimilatorios o desasimilatorios del N. La producción de N-NO3- fue despreciable a pesar de las altas concentraciones de O2, lo que dio como resultado una desnitrificación únicamente basada en la reducción de NO2-. La recirculación de biomasa dio lugar a una rápida sedimentación de los flóculos de biomasa algal y por tanto a una concentración de SST en el efluente por debajo de la máxima exigida por la ley Europea de vertidos. El suministro externo de CO2 en cultivos alga-bacteria puede aportar el C adicional requerido para mejorar la eliminación de los nutrientes por asimilación durante el TAR con bajos ratios C/N. En este escenario, el biogás obtenido a través de la digestión anaerobia de la biomasa algal, puede ser depurado mediante la fijación fotosintética del CO2 contenido en el mismo. El Capítulo 5 se centra en el estudio, mediante balances de materia al C, N y P, de los mecanismos de eliminación involucrados en la captura simultánea de CO2 del biogás, y la eliminación de C y nutrientes de digestatos diluidos en un High Rate Algal Pond (HRAP) de 180 L interconectado con una columna de absorción. En este estudio, la baja intensidad lumínica aportada al sistema, junto con la baja velocidad de recirculación de líquido desde el HRAP a la columna de absorción, conllevó una baja absorción de C-CO2 (55%) y una baja productividad de biomasa de 2.2 g/m2¿d. A pesar de la baja intensidad de luz, esta eliminación de C-CO2 del biogás supuso un aumento en el contenido energético del mismo del 19%, lo que demuestra el potencial de este proceso combinado de TAR con depuración del biogás. De la misma forma el CI disponible en el caldo de cultivo controló de forma directa la cantidad de nutrientes eliminados por asimilación. En este contexto, la baja intensidad lumínica representó una ventaja competitiva para las bacterias nitrificantes (solo un 14% del N de entrada fue transformado en Nbiomasa), siendo la nitrificación el principal mecanismo de eliminación de NH4+, con un 47% del N-NH4+ a la entrada transformado en N-NO3-. Del mismo modo, se planteó como hipótesis una acumulación de P por encima de los requerimientos estructurales como consecuencia de la limitación de luz y del elevado contenido en P estructural (2.5%), lo que resultó en una eliminación de P-PO4-3 como biomasa del 77%. Por lo tanto, la intensidad lumínica y el tiempo de residencia del biogás en la columna de absorción se identificaron como parámetros clave de operación durante el proceso simultáneo de TAR y depuración de biogás con microalgas. Además, la sostenibilidad del TAR basado en microalgas, puede ser mejorada en términos energéticos mediante la digestión anaerobia de la biomasa cosechada durante el proceso de tratamiento. En el Capítulo 6 se lleva a cabo un estudio del sistema integrado crecimiento-digestión anaerobia de biomasa algal utilizando balances de materia y energía. La biomasa algal fue previamente cultivada bajo condiciones fotoautotróficas o mixotróficas. Los resultados mostraron que ¿ 50% del C inicial en forma de biomasa fue hidrolizado y transformado mayoritariamente en biogás (90% del C hidrolizado), con una composición del 30% (v/v) de CO2 y del 70% (v/v) de CH4. El 10% restante del C hidrolizado aparece como CO y CI disuelto tras la digestión anaerobia de la biomasa cultivada de forma fotoautotrófica y mixotrófica. El CH4 contenido en el biogás representó más del 50% de la energía química fijada como biomasa durante la etapa de cultivo microalgal. Estos resultados sugieren que tanto el grado de la hidrólisis de biomasa, como la composición del biogás, no estuvieron influenciados por las condiciones de cultivo de la microalga digerida, poniendo de manifiesto el potencial de la digestión anaerobia como una de las alternativas más económicas y eficientes en la valorización energética de las microalgas. Finalmente, la capacidad de las microalgas y las bacterias asociadas para sintetizar N2O durante el TAR pueden comprometer la sostenibilidad ambiental de esta biotecnología. Por tanto, con el objetivo de evaluar el impacto de la producción de N2O en la huella de C en los procesos de TAR con algas y bacterias, se cuantificaron las emisiones de N2O en dos sistemas: un HRAP (Capítulo 7) y un fotobiorreactor anóxico-aerobio (Capítulo 4). El HRAP mostró un factor de emisión durante 24 horas de 4.7 × 10-5 g N-N2O/g N-entrada con una carga típica de 7.1 g N/m3reactor¿d. De la misma forma, las emisiones durante el TAR en el fotobiorreactor anóxico-aerobio presentaron un valor de 5.2 × 10-6 g N-N2O/g N-entrada con una carga de 50 g N/m3reactor¿d. Los factores de emisión de N2O obtenidos en ambos estudios fueron significativamente menores que los reportados típicamente en EDARs convencionales (IPCC), lo que confirmó que las emisiones de N2O en sistemas alga-bacteria no comprometen la sostenibilidad ambiental de los TAR en lo que respecta a su contribución en el calentamiento global del planeta.