Influencia sobre el cosechado de microalgas de las condiciones de cultivo en agua residual

Resumen

La tesis doctoral se ha estructurado en VII capítulos. En el primero se ha realizado una introducción al tema objeto de estudio y se han presentado los objetivos de la tesis. Seguidamente en los capítulos II al V se presentan los trabajos realizados para la consecución de los diferentes objetivos planteados y finalmente en los Capítulos VI y VII se realiza una discusión general de los resultados obtenidos y se presentan las conclusiones globales de la Tesis. Con el fin de seleccionar la especie de microalga para la consecución de los objetivos de la Tesis Doctoral, en el capítulo II se recoge el trabajo realizado para su selección. En base a una profunda búsqueda bibliográfica para seleccionar las especies de microalgas que han demostrado buenas tolerancias y propiedades tanto para ser cultivadas agua residual, como su capacidad de eliminación de nutrientes y su cosechado se preseleccionaron siete especies: Chlorella vulgaris, Chlorella kessleri, Chlorella sorokiniana, Botryococcus braunii, Scenedesmus obliquus, Ankisrodesmus falcatus, Neochloris oleabundans y un Bloom natural obtenido a partir de aguas residuales urbanas. Como primer trabajo a desarrollar se realizó un estudio en el que se hizo un seguimiento del crecimiento y eliminación de nutrientes a lo largo del tiempo y en discontinuo de cada cultivo de microalgas en fotobiorreactores de 2 litros. Este primer estudio ha permitido obtener información acerca del efecto en las variables analizadas medio de cultivo, el fotoperiodo, además de la posible necesidad de adicionar nutrientes al agua residual para que el proceso sea viable. Igualmente se realizó la comparativa entre las diferentes microalgas y se seleccionó la especie idónea con la que se ha llevado a cabo el resto del estudio, para lo que se valoró su influencia sobre las propiedades del cosechado estudiando las diferentes técnicas de cosechado de la biomasa: coagulación-floculación-sedimentación y centrifugación. El crecimiento de biomasa y la eliminación de nutrientes se consideran dos procesos combinados y son independiente uno de otro debido a que las microalgas acumulan nutrientes en su interior, por lo que la asimilación de nutrientes comienza antes del crecimiento y a una velocidad bastante mayor que la de generación de biomasa. Por lo tanto, y una vez seleccionado la especie de estudio, en el capítulo III se trata de examinar con profundidad el efecto de diferentes variables como (la concentración de inicial biomasa y nutrientes, la intensidad de luz, el efecto del pH mediante la inyección de CO2) en la cinética de crecimiento, y eliminación de nutrientes en agua residual. Así como sobre las propiedades del cosechado estudiando la viabilidad económica, técnica y ambiental de las diferentes técnicas de cosechado de la biomasa mencionada. Por eso se diseñó y construyó un fotobiorreactor (columna de burbujeo) de 20 litros. Se operó el fotobiorreactor en modo discontinuo utilizando agua residual enriquecida con nutrientes, para obtener la cinética de asimilación de nutrientes, y luego en modo continuo de acuerdo con la cinética del proceso obtenida de la modelización de los datos del experimento en discontinuo, minimizando el tiempo hidráulico de residencia, garantizando una calidad del efluente y analizando la cosechabilidad de la biomasa mediante diferentes técnicas del cosechado. El Bloom natural de microalgas ha sido utilizado tanto en el capítulo III como en los capítulos IV y V debido a que ha presentado el mejor comportamiento y evita el problema del mantenimiento de monocultivos en las EDARs. Una vez obtenidos los resultados en condiciones controladas del fotobiorreactor de columna de burbujeo, y obtenidas las constantes cinéticas tanto de crecimiento de biomasa como de eliminación de nutrientes, el objetivo del capítulo IV es desarrollar, trabajando en continuo a escala del laboratorio; y basándonos sobre los resultados de la cinética de crecimiento en Batch; un modelo que relacione la cinética de consumo de biomasa y la eliminación de nutrientes en continuo. Este modelo permite predecir la cinética de eliminación de nutrientes y a composición de la biomasa en continuo para diferentes tiempos hidráulicos de residencia de operación, basándonos sobre los resultados experimentales de crecimiento y eliminación de nutrientes en discontinuo. Por último, uno de los objetivos a tratar en esta tesis doctoral es el estudio de la eliminación de los productos farmacéuticos en aguas residuales mediante el uso de biotecnología de microalgas. Con este fin, se realizó un estudio (Capítulo V) que tenía como objetivo evaluar la capacidad de eliminación por parte del bloom de microalgas cultivadas en continuo y en laboratorio, de una mezcla de productos farmacéuticos hidrófilos comunes en aguas residuales urbanas, junto con los nutrientes. Asimismo se estudió el efecto que sobre la eficacia de eliminación de estos contaminantes tienen variables como la adición de CO2, el tiempo hidráulico de residencia (THR). De los resultados obtenidos tras la investigación desarrollada y descrita a lo largo de los diferentes capítulos que integran la presente memoria, se derivan las siguientes conclusiones específicas: La tecnología basada en el cultivo de microalgas para la depuración de aguas residuales urbanas tiene un elevado potencial, alcanzándose rendimientos de eliminación de nutrientes compatibles con el vertido del agua residual de acuerdo con la normativa europea. Todas las especies de microalgas estudiadas (Chlorella vulgaris, Chlorella kessleri, Chlorella sorokiniana, Botryococcus braunii Scenedesmus obliquus, Ankistrodesmus falcatus, Neochloris oleabundans) así como un Bloom obtenido a partir de agua residual urbana donde predominaron microalgas del género Chlorella, fueron capaces de crecer satisfactoriamente en agua residual urbana. Cada especie estudiada presenta diferente productividad volumétrica de biomasa y velocidades de consumo de nutrientes. La microalga Scenedesmus obliquus y el Bloom han demostrado ser las mejores candidatas para el tratamiento del agua a tenor de su cinética de crecimiento, de consumo de nutrientes y su cosechabilidad. El uso de especies de microalgas, que provienen del agua residual tratada (Bloom natural), es podría ser la mejor opción debido a que de manera natural, están adaptadas a altas concentraciones de nutrientes y a otras substancias presente en las aguas residuales. Desde un punto de vista económico, los resultados indican que los coagulantes férricos o sulfato de aluminio y policloruro de aluminio (PAC) parecen ser las mejores alternativas para cosechar microalgas mediante procesos de coagulación-floculación-sedimentación, siendo el tiempo de sedimentación un factor importante en el estudio de la cosechabilidad. El modelo desarrollado permite predecir en base a la cinética de crecimiento y consumo de sustratos (tanto nutrientes como fármacos) en discontinuo, la velocidad de consumo de sustratos, la producción volumétrica de biomasa y la composición de ésta en términos de nitrógeno y fósforo del fotobiorreactor operado en continuo. Este modelo ha sido validado empíricamente mediante la comparación de los resultados predichos o simulados con aquellos calculados u obtenidos experimentalmente. El tiempo hidráulico de residencia óptimo para el tratamiento del agua residual (eliminación de nutrientes) viene determinado por la cinética de consumo de nitrógeno y no del fósforo, mientras que el tiempo de residencia de operación del fotobiorreactor para obtener la máxima producción de biomasa es mayor que el anterior y viene determinado por la velocidad específica de crecimiento de la microalgas. El contenido en N y P de la biomasa algal en un fotobiorreactor en continuo es más dependiente del tiempo hidráulico al que opera que del pH, dentro de los valores ensayados. La eficiencia de eliminación de los compuestos farmacéuticos varió desde la eliminación insignificante hasta más del 90% dependiendo del compuesto y el tratamiento. El acetaminofén, el ibuprofeno y el atenolol se eliminaron fotolíticamente bajo condiciones abióticas, mientras que la fluoxetina se eliminó rápidamente por adsorción. La carbamazepina y el trimetoprim fueron recalcitrantes tanto a la fotólisis como a la biodegradación. La fotólisis directa fue un mecanismo importante para la remoción de acetaminofén en aguas residuales urbanas. La combinación de fotólisis y biodegradación fue responsable de la eliminación de ibuprofeno y atenolol, mientras que la sorción de fluoxetina a la biomasa de microalgas contribuyó a su eliminación, esta vía de eliminación aceleró siete veces el tiempo de vida media de degradación de la fluoxetina. La eficiencia de eliminación del atenolol también ha mejorado comparando con el proceso abiótico (el tiempo de vida media fue tres veces mejor). La viabilidad del uso de microalgas para la eliminación de nutrientes y otros contaminantes emergentes de aguas residuales urbanas está supeditada a incrementar la cinética de consumo de nutrientes de los fotobiorreactores empleados, dado que la demanda de superficie es actualmente el principal limitante de esta tecnología.