Assessment of the flat-pannel membrane photobioreactor technology for wastewater treatment: Outdoor application to treat the effluent of an anaerobic membrane bioreactor

Abstract

[ES] La combinación de reactores anaerobios de membranas (AnMBRs) con el cultivo de microalgas en un fotobiorreactor de membranas (MPBR) aparece como una opción ideal dentro del marco de tecnologías sostenibles para la depuración de aguas residuales. Con esta combinación de tecnologías, se puede obtener biogás a partir de la materia orgánica presente en el agua residual, mientras que los nutrientes del efluente de AnMBR se recuperan con la biomasa algal. Además, la tecnología de membranas permite obtener un efluente limpio y apto para su reutilización. Estudios previos han demostrado la capacidad de un cultivo de microalgas para recuperar los nutrientes presentes en el efluente de un sistema AnMBR a escala laboratorio. Sin embargo, el traslado de esta tecnología a condiciones controladas de laboratorio a condiciones ambientales variables puede suponer una limitación en su aplicación industrial. Este trabajo consiste en la evaluación del proceso de cultivo de microalgas en una planta piloto MPBR alimentada con el efluente de un sistema AnMBR. Para ello se han evaluado las condiciones óptimas de operación de la planta, teniendo en cuenta tanto el proceso biológico de microalgas como la velocidad de ensuciamiento de las membranas. También se ha estudiado el efecto de otros parámetros que influyen en el proceso, como la intensidad de luz aplicada a los fotobiorreactores (PBRs), temperatura, concentración de materia orgánica, presencia de otros organismos, etc.; así como el peso específico de cada parámetro dentro del proceso. Otro objetivo consiste en la búsqueda de nuevos parámetros de control del proceso que faciliten la operación en continuo del sistema. El sistema MPBR utilizado en este estudio se mostró capaz de tratar un efluente de AnMBR, cumpliendo con los límites legales de vertido. Sin embargo, esta operación se consiguió únicamente cuando se cumplían una serie de condiciones: i) El espesor de los fotobiorreactores era estrecho (10 cm). ii) Las condiciones de operación (BRT y HRT) se mantenían dentro del rango adecuado. iii) Temperatura se mantenía habitualmente debajo del límite máximo de 30 ºC. iv) No existía acumulación de nitrito. v) La fuente principal de nitrógeno era amonio. vi) La materia orgánica presente en el cultivo no era excesiva.

[CA] La combinació de reactors anaerobis de membranes (AnMBRs) amb el cultiu de microalgues en un fotobioreactor de membranes (MPBR) apareix com una opció ideal dins el marc de tecnologies sostenibles per a la depuració d'aigües residuals. Amb aquesta combinació de tecnologies, es pot obtenir biogàs a partir de la matèria orgànica present en l'aigua residual, mentre que els nutrients de l'efluent de AnMBR es recuperen amb la biomassa algal. A més, la tecnologia de membranes permet obtenir un efluent net i apte per a la seua reutilització. Estudis previs han demostrat la capacitat d'un cultiu de microalgues per recuperar els nutrients presents en l'efluent d'un sistema AnMBR a escala laboratori. No obstant això, el trasllat d'aquesta tecnologia de condicions controlades de laboratori a condicions ambientals variables pot suposar una limitació en la seua aplicació industrial. Aquest treball consisteix en l'avaluació del procés de cultiu de microalgues en una planta pilot MPBR alimentada amb l'efluent d'un sistema AnMBR. Per a això s'han avaluat les condicions òptimes d'operació de la planta, tenint en compte tant el procés biològic de microalgues com la velocitat d'embrutiment de les membranes. També s'ha estudiat l'efecte d'altres paràmetres que influeixen en el procés, com la intensitat de llum aplicada als fotobioreactors (PBRs), temperatura, concentració de matèria orgànica, presència d'altres organismes, etc .; així com el pes específic de cada paràmetre dins del procés. Un altre objectiu consisteix en la recerca de nous paràmetres de control del procés que facilitin l'operació en continu del sistema. El sistema MPBR utilitzat en aquest estudi es va mostrar capaç de tractar un efluent de AnMBR, complint amb els límits legals d'abocament. No obstant això, aquesta operació es va aconseguir únicament quan es complien una sèrie de condicions: i) El gruix dels fotobioreactors era estret (10 cm). ii) Les condicions d'operació (BRT i HRT) es mantenien dins del rang adequat. iii) La temperatura es mantenia habitualment baix del límit màxim de 30 ºC. iv) No existia acumulació de nitrit. v) La font principal de nitrogen era amoni. vi) La matèria orgànica present en el cultiu no era excessiva.

[EN] The combination of anaerobic membrane reactors (AnMBRs) and microalgae membrane photobioreactor (MPBR) appears as an ideal option within the framework of sustainable technologies for wastewater treatment. This combination enables to produce biogas from the organic matter present in wastewater, while the nutrient content of the AnMBR effluent can be recovered from microalgae biomass. In addition, membrane technology allows obtaining a water effluent which can be suitable for reclamation. Previous studies have proved the capability of a microalgae culture to recover the nutrients present in AnMBR effluent at lab scale. However, up-scaling from controlled lab conditions to varying outdoor conditions could limit the industrial applications of this technology. This study consists of the assessment of a microalgae culture in an MPBR pilot plant fed by effluent of an AnMBR system. For this, optimal operating conditions of the MPBR plant were evaluated, considering both the microalgae biological process and the membrane fouling rate. The effect of other parameters that have an influence on the process such as light intensity applied to the photobioreactors (PBRs), temperature, organic matter concentration, presence of other organisms, etc., was also studied; as well as the specific weight of each parameter on the process. Another goal consisted of finding new controlling parameters that ease the continuous operation of the system. The MPBR system used in this study showed appeared to be capable of treating AnMBR effluent, successfully accomplishing legal discharge limits. However, this was only achieved when the following conditions were reached: i) PBR light path was as narrow as 10 cm. ii) Operating conditions (BRT and HRT) were in the appropriate range. iii) Temperature was under the máximum limit of around 30 ºC. iv) Nitrite was not accumulated. v) Ammonium was the main nitrogen source. vi) Organic matter concentration in the culture was not high.