Modelación matemática del proceso de crecimiento de microalgas en el tratamiento de aguas residuales. Aplicación a un fotobiorreactor de membranas (MPBR)

Résumé

En el contexto actual de escasez de recursos que sufre el planeta (biomasa, agua y energía), la tecnología basada en los cultivos de microalgas para el tratamiento de aguas residuales aparece como una tecnología muy interesante que permite no sólo la eliminación de los nutrientes (N y P) presentes en el agua, sino también la recuperación de estos nutrientes en la producción de una biomasa algal de alto valor con diversas aplicaciones: generación de biogás, producción de biocombustibles y biofertilizantes, elaboración de fármacos y cosméticos, etc. Estudios previos han demostrado que el efluente de un reactor anaerobio de membranas (AnMBR) resulta ser un medio de cultivo óptimo para el crecimiento de las microalgas. No obstante, la mayoría de los estudios existentes se han llevado a cabo a escala laboratorio en condiciones controladas de luz, temperatura, pH, carga de nutrientes, etc., y normalmente siempre en experimentos batch. Este trabajo consiste en el estudio y modelación matemática del proceso de cultivo de microalgas en una planta piloto de fotobiorreactores de membrana (MPBR) operando en continuo y en condiciones outdoor para el tratamiento del efluente de un sistema AnMBR que trata agua residual urbana real. Durante la fase de experimentación de los cultivos de microalgas se han llevado a cabo diversos experimentos en la planta MPBR donde se han evaluado diversos factores que afectan al crecimiento de las microalgas: temperatura, luz solar, tiempo de retención celular (TRC), carga de nutrientes o tiempo de retención hidráulico (TRH), sistema de recirculación del cultivo y el volumen en zona oscura. Los resultados obtenidos muestran la enorme importancia de las condiciones ambientales (luz solar y temperatura) en el rendimiento de los cultivos de microalgas. La temperatura óptima del cultivo de microalgas con predominancia del género Scenedesmus sp. resultó estar en torno a los 25ºC, mientras que temperaturas por debajo de 20ºC y por encima de 25ºC afectaron negativamente a la productividad de biomasa. La operación del sistema de fotobiorreactores (FBR) sin membranas para TRH 8 días y en condiciones ambientales favorables consiguió reducir la concentración de nutrientes por debajo de los límites de vertido que marca la Directiva 98/15/CE (10 mg N·L-1 y 1 mg P·L-1) alcanzando valores de eliminación de 75,2% de N y 77,9% de P. La operación del sistema MPBR permitió desacoplar el TRC del TRH en la operación de los FBR, lo que resultó en una mejora general del rendimiento de los cultivos de microalgas y permitió obtener un efluente libre de sólidos con alto potencial de reutilización. Los sistemas de recirculación del cultivo de microalgas comparados en el estudio (bombeo mecánico vs sistema airlift) no afectaron significativamente al rendimiento del cultivo. Por otro lado, reduciendo el volumen en zona oscura de un 27,2% al 13,6% en el sistema MPBR se consiguió un incremento del 40% en la productividad de biomasa. Mediante el uso de los datos obtenidos en planta piloto se ha desarrollado un modelo matemático de crecimiento de microalgas que permite simular de manera muy precisa (R2 = 0,9954) el comportamiento de los cultivos de microalgas en un sistema MPBR. Este modelo utiliza la notación y terminología de los modelos ASM, y consta de un total de 14 componentes (10 solubles y 4 suspendidos), 11 procesos gobernados por la cinética y los equilibrios ácido-base que determinan el pH del medio. Además, el modelo considera los efectos la luz y la temperatura en el crecimiento. Como novedad interesante respecto a otros modelos matemáticos de crecimiento de microalgas ya publicados, este modelo contempla, en condiciones de ausencia de P en el medio de cultivo, el crecimiento de las microalgas a partir del polifosfato almacenado internamente. El modelo desarrollado en este trabajo pretende ser una herramienta para facilitar la implementación futura de la tecnología de cultivos de microalgas en una EDAR a escala industrial.