Nutrient removal from an anaerobic membrane bioreactor effluent using microalgae. Study and modeling of the process

Abstract

[EN] Anaerobic membrane bioreactors for urban wastewater treatment present interesting advantages when compared with aerobic treatments, such as less sludge production, lower energy demand and biogas generation. However, the generated effluent cannot generally be discharged without further ammonium and phosphate elimination. This thesis studies the removal of these inorganic nutrients by means of microalgae cultivation. The main objective of this work is therefore to obtain an autochthonous microalgal culture and to investigate its ability to grow on an already existing anaerobic effluent, as well as to research the extent to which ammonium and phosphate can be removed. Moreover, this thesis aims at providing the kinetic expressions which reproduce the main processes involved, in order to provide the basis for process simulation and design. Microalgae were isolated from a local wastewater treatment plant and their ability to grow on the anaerobic effluent -while successfully removing ammonium and phosphate- was demonstrated. An excellent water quality was obtained with a semicontinuous cultivation mode under constant illumination. The Scenedesmus and Chlorococcum genus proliferated more efficiently and thus became predominant in the culture. Results also showed that phosphorus was the limiting nutrient in the anaerobic effluent to be treated. The influence of phosphorus limitation on ammonium and phosphate removal, as well as the influence of temperature in ammonium removal, were then studied under laboratory conditions. Kinetic expressions which reproduce the observed effects were proposed and validated, taking also into account the effect of light intensity. Additionally, a Scenedesmus-dominated culture was grown under varying light and temperature in an outdoor flat-plate photobioreactor, with constant monitoring of light intensity, temperature and ammonium concentration. Acceptable results were obtained in the reproduction of the experimental data, albeit with less accuracy than under laboratory conditions. The work here presented demonstrates the feasibility of coupling a microalgal cultivation system to an anaerobic membrane bioreactor for urban wastewater treatment. The basic factors affecting microalgal nutrient removal are researched, and mathematical models are provided which reproduce these effects. This Ph.D. thesis is enclosed in a national research project funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness entitled "Estudio experimental de la recuperación como biogás de la energía de la materia orgánica y nutrientes del agua residual, acoplando un AnBRM y un cultivo de microalgas" (MINECO project CTM2011-28595-C02-01/02). This research was also supported by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sport via a pre doctoral FPU fellowship to the author (AP2009-4903)

[ES] En el tratamiento de aguas residuales urbanas, los bioreactores anaerobios de membranas presentan ventajas interesantes frente a los tratamientos aerobios. Algunas de estas ventajas son la menor producción de fangos, un menor consumo energético y la producción de biogás. Sin embargo, y generalmente, el efluente obtenido no puede ser vertido al medio sin una etapa previa de eliminación de amonio y fosfato. La presente tesis estudia la eliminación de dichos nutrientes inorgánicos empleando para ello un cultivo de microalgas. El objetivo principal de este trabajo es, por tanto, la obtención de un cultivo autóctono de microalgas y la evaluación de la capacidad que éstas tienen tanto de crecer en un efluente anaerobio como de eliminar el amonio y el fosfato presentes. Asimismo, se pretenden proporcionar las bases para la simulación y el diseño del sistema de depuración propuesto, mediante la obtención de las expresiones cinéticas que reproducen los principales procesos involucrados. En primer lugar se ha demostrado la capacidad de las microalgas, aisladas en una estación depuradora de aguas residuales, de crecer en el efluente anaerobio y de eliminar con éxito el amonio y fosfato en éste presente. El agua tratada, obtenida a mediante un proceso semicontinuo y con iluminación constante, presenta una excelente calidad. Los géneros Scenedesmus y Chlorococcum han proliferado más eficientemente y han llegado a ser los predominantes en el cultivo. Los resultados obtenidos indican que el nutriente limitante en el efluente a tratar es el fósforo, y por tanto la influencia de la limitación de fósforo en la eliminación de nutrientes ha sido estudiada en condiciones de laboratorio, junto con la influencia de la temperatura en la velocidad de eliminación de amonio. Han sido propuestas y validadas las correspondientes expresiones cinéticas que reproducen los efectos observados, teniendo en cuenta en todo momento la influencia de la intensidad de la luz. Por otro lado, un cultivo de Scenedesmus ha sido cultivado en el exterior, bajo condiciones cambiantes de luz y temperatura, que a su vez han sido monitorizadas constantemente, junto con la concentración de amonio. Los datos obtenidos han sido reproducidos mediante modelación matemática con resultados aceptables, aunque la precisión obtenida es menor que en condiciones de laboratorio. La presente tesis demuestra la viabilidad de combinar un cultivo de microalgas con un bioreactor de membranas para el tratamiento de agua residual urbana. Se exponen asimismo los factores básicos que influyen en la velocidad de eliminación de nutrientes, y se presentan los modelos matemáticos necesarios para reproducir los efectos observados. La presente tesis doctoral se incluye en el marco de un proyecto nacional de investigación financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de título "Estudio experimental de la recuperación como biogás de la energía de la materia orgánica y nutrientes del agua residual, acoplando un AnBRM y un cultivo de microalgas" (CTM2011-28595-C02-01/02). La presente tesis doctoral ha sido también financiada por el Ministerio de Educación, Cultura y Deporte a través de una ayuda para contratos predoctorales de Formación del Profesorado Universitario (AP2009-4903).

[CA] En el tractament d'aigües residuals urbanes, els bioreactors anaerobis de membrana tenen avantatges interessants respecte als tractaments aerobis. Alguns d'aquests avantatges són: menys producció de fangs, menys consum energètic i la producció de biogàs. No obstant això, i en general, l'efluent obtingut no es pot tornar al medi sense una etapa prèvia d'eliminació d'amoni i fosfat. Aquesta tesi estudia l'eliminació d'aquests nutrients inorgànics emprant per a fer-ho un cultiu de microalgues.

L'objectiu principal d'aquest treball és, per tant, l'obtenció d'un cultiu autòcton de microalgues i l'avaluació de la capacitat que aquestes tenen tant de créixer en un efluent anaerobi com d'eliminar l'amoni i el fosfat presents. Així mateix, volem proporcionar les bases per a la simulació i el disseny del sistema de depuració proposat, mitjançant l'obtenció de les expressions cinètiques que reprodueixen els principals processos involucrats.

En primer lloc, s'ha demostrat la capacitat de les microalgues, aïllades en una estació depuradora d'aigües residuals, de créixer en l'efluent anaerobi i d'eliminar amb èxit l'amoni i el fosfat presents. L'aigua tractada, obtinguda mitjançant un procés semicontinu i amb il·luminació constant, presenta una qualitat excel·lent. Els gèneres Scenedesmus i Chlorococcum han proliferat més eficientment i han arribat a ser els predominants en el cultiu. Els resultats obtinguts indiquen que el nutrient limitant en l'efluent per tractar és el fòsfor, i per tant la influència de la limitació de fòsfor en l'eliminació tant d'amoni com de fosfat ha sigut estudiada en condicions de laboratori, juntament amb la influència de la temperatura en la velocitat d'eliminació d'amoni. S'han proposat i validat les expressions cinètiques corresponents que reprodueixen els efectes observats, tenint en compte en tot moment la influència de la intensitat de la llum.

D'altra banda, s'ha cultivat a l'exterior un cultiu predominat per Scenedesmus, sota condicions canviants de llum i temperatura, que al seu torn s'han monitorat constantment, juntament amb la concentració d'amoni. Les dades obtingudes s'han reproduït mitjançant simulació matemàtica amb resultats acceptables, encara que la precisió obtinguda és més baixa que en condicions de laboratori.

La nostra tesi demostra la viabilitat de combinar un cultiu de microalgues amb un bioreactor de membrana per al tractament d'aigua residual urbana. La tesi exposa així mateix els factors bàsics que influeixen en la velocitat d'eliminació de nutrients, i presenta els models matemàtics necessaris per a reproduir els efectes observats.

Aquesta tesi doctoral s'inclou en el marc d'un projecte nacional de recerca finançat pel Ministeri d'Economia i Competitivitat amb el títol "Estudio experimental de la recuperación como biogás de la energía de la materia orgánica y nutrientes del agua residual, acoplando un AnBRM y un cultivo de microalgas" (CTM2011-28595-C02-01/02). La tesi doctoral ha sigut també finançada pel Ministeri d'Educació, Cultura i Esport a través d'una ajuda per a contractes predoctorals de formació del professorat universitari (AP2009-4903).