Producción de microalgas acoplada al tratamiento de aguas residuales

Resumo

Hasta el momento se han descrito múltiples aplicaciones potenciales de las microalgas, desde la producción de fármacos y compuestos nutracéuticos o cosméticos, a la producción de alimentos o piensos animales, especialmente para acuicultura, la producción de biofertilizantes o biocombustibles, e incluso el tratamiento de efluentes contaminados como gases de combustión y aguas residuales. Sin embargo, hoy en día las microalgas se utilizan principalmente como suplemento alimentario y en acuicultura larvaria, ya que la producción mundial es muy baja, del orden de 20.000 Tm, y el coste de producción de este tipo de biomasa es muy elevado, superior a los 10$/kg. Para extender el campo de aplicación de las microalgas a otros sectores es necesario aumentar en varios ordenes de magnitud la capacidad de producción, así como disminuir en al menos un orden de magnitud el coste de la misma, para lo cual es imprescindible acoplar dicha producción con el tratamiento de efluentes como gases de combustión y aguas residuales (Acién et al., 2012). La producción de microalgas requiere el aporte de compuestos como nitrógeno, carbono, fósforo, magnesio, azufre, etc., que tradicionalmente se suministran en forma de fertilizantes. Además, al tratarse de microrganismos acuáticos se requiere el uso de agua para su producción. El empleo de agua dulce y fertilizantes puede suponer entre un 10 y un 50% del coste de producción de la biomasa de microalgas (Acién et al., 2012). Este coste puede evitarse si se utiliza agua residual para la producción de microalgas. Así, estas aguas están cargadas de nutrientes que pueden ser consumidos por las microalgas contribuyendo de esta forma además a generar un efluente depurado. Además, las normativas de vertido de aguas residuales son cada vez más estrictas, por lo que es necesario desarrollar nuevas técnicas de depuración que sean más eficientes y sostenibles. En este sentido, la eliminación de la materia orgánica presente en el agua residual es uno de los aspectos más optimizados en los procesos de depuración convencionales, pero no ocurre lo mismo con la depuración del nitrógeno y fósforo contenidos en dicha agua residual cuya eliminación supone aumentar el consumo energético además de requerirse equipos y procesos adicionales. Como alternativa se ha propuesto utilizar microalgas para el tratamiento de aguas residuales, con lo que, además de mejorar el proceso de depuración del agua residual, haciéndolo más sostenible y eficiente, se puede conseguir biomasa microalgal a bajo coste útil para diversas aplicaciones fuera del consumo humano. En esta tesis se estudian los fenómenos que tienen lugar en el acoplamiento de la producción de microalgas con el tratamiento de aguas residuales, con el objetivo de optimizar el diseño y operación de este tipo de sistemas. El trabajo de investigación se ha desarrollado en la Estación Experimental Cajamar "Las Palmerillas" a escala de laboratorio, utilizando aguas residuales procedentes de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) convencional, y evaluando el acoplamiento de la producción de microalgas con el tratamiento de los distintos tipos de agua residual que se pueden encontrar dentro de una depuradora convencional: (i) agua residual procedente del tratamiento primario, (ii) agua residual procedente del tratamiento secundario y (iii) lixiviado procedente de la separación de sólidos tras la digestión anaeróbica de lodos. Los trabajos realizados se han dividido en tres bloques en función del tipo de agua residual utilizada. Se comenzó con agua residual del tratamiento secundario (ARS), caracterizada por un bajo contenido en materia orgánica e inorgánica y baja turbidez. Se estudió el uso de este efluente como medio de cultivo para la producción de Muriellopsis sp. en columnas de burbujeo de 250 ml, tanto en discontinuo como en continuo, realizando ensayos con diferentes mezclas con medio de cultivo convencional (Arnon) para determinar la presencia de posibles tóxicos en dicho efluente. No se observaron efectos adversos durante el cultivo discontinuo y en cultivo continuo se comprobó que la productividad máxima, de 0.95 g•l-1•día-1, se obtiene empleando como medio de cultivo una mezcla del 33% de ARS y 67% de medio Arnon, superando incluso a la productividad obtenida con medio Arnon. Se consiguieron cultivos estables en continuo incluso con un 100% de ARS, alcanzándose productividades de 0.50 g•l-1•día-1, concluyendo por tanto que el ARS es un medio apto para la producción de microalgas, aunque su baja concentración de nutrientes puede provocar un descenso de la productividad máxima por limitación. En cuanto a la depuración del medio, cuando se emplean porcentajes de ARS superiores al 66% de ARS, se depura por completo el nitrógeno y fósforo presente en el medio. Posteriormente, se realizaron ensayos suplementando el ARS con los nutrientes que podrían estar limitando el crecimiento (nitrógeno, fósforo y hierro), con el objetivo de descartar la presencia de cualquier tóxico en el ARS. Los resultados mostraron valores de producción iguales tanto empleando el medio optimo identificado (ARS al 33%), como ARS al 100% suplementado con nutrientes adicionales, descartando por tanto la presencia de cualquier tóxico en el ARS utilizada. Para confirmar que esto es así para cualquiera que sea la microalga de interés se realizaron ensayos con otras especies de microalgas (Pseudokirchneriella subcapitata, Chlorella vulgaris, Chlorella fusca, Chlorella sp. y Scenedesmus subspicatus) en ARS al 100%. De este estudio se concluyó que el ARS puede usarse directamente como medio de cultivo para una amplia variedad de microalgas dulceacuícolas, alcanzando cultivos estables para todas las especies ensayadas. La especie con mayor productividad de biomasa en ARS fue S. subspicatus, alcanzando valores de 0.5 g•l-1•día-1, análogos a los de Muriellopsis sp. Con el fin de aumentar la disponibilidad de nutrientes por las microalgas empleando ARS como medio de cultivo, se emplearon reactores de membrana (MBR) que permiten aumentar la tasa de dilución hidráulica (TDH) manteniendo la tasa de dilución celular (TDC). De este modo se llegó a una productividad de 0.75 g•l-1•día-1 operando a una TDH de 0.8 día-1, lo que supone el aporte del doble de nitrógeno y fósforo que el aportado sin el uso de membranas, pero tan sólo un 30% del aportado empleando medio Arnon convencional. Además, a la salida del reactor el ARS quedó suficientemente depurado para cumplir con los límites legales de vertido. El segundo bloque de ensayos se realizó con lixiviado procedente de la digestión anaeróbica de lodos. Este efluente se caracteriza por un mayor contenido en materia orgánica y especialmente de amonio, sin embargo, la concentración de fósforo es baja, al igual que la turbidez. De forma análoga al ARS, se llevaron a cabo ensayos utilizando medio de cultivo preparado diluyendo lixiviado en agua a distintos porcentajes, especialmente para reducir la elevada concentración inicial de amonio en dichos lixiviados. Se realizaron ensayos con cepas distintas de microalgas, Muriellopsis sp. y Pseudokirchneriella subcapitata, en columnas de burbujeo de 250 ml. Los resultados mostraron que el lixiviado diluido al 40-50% contiene nitrógeno, fósforo y carbono además de hierro y otros micronutrientes que permiten productividades de biomasa similares a las obtenidas con medio Arnon, siendo superiores a 1 g•l-1•día-1 para ambas especies. Las tasas de depuración fueron mayores en los cultivos de Muriellopsis sp. que en los de P. subcapitata tanto para el nitrógeno, como para la DQO, sin embargo, en la eliminación de fósforo ambas especias fueron igual de eficientes. No se observó toxicidad alguna por lo que se demuestra que los lixiviados de depuradora pueden ser la fuente principal de nutrientes para la producción sostenible de microalgas, sin requerirse nutrientes adicionales externos y debiendo ajustarse el porcentaje de lixiviado a incluir en el medio de cultivo a la tolerancia de la especie en producción y al cumplimiento de los límites de vertido exigibles. En el último bloque de ensayos se utilizó agua residual procedente del tratamiento primario (ARP), caracterizada por una concentración de nitrógeno intermedia entre el ARS y los lixiviados, que resulta suficiente para satisfacer los requerimientos de la producción de microalgas, pero sin llegar a ser tóxico para ellas. Aun así, la concentración de nitrógeno total en el ARP es menor que la del medio Arnon, por lo que puede llegar a limitar el crecimiento. El contenido en fósforo presenta un ratio con respecto al nitrógeno de 6:1 (N:P), idóneo para las microalgas. Se llevaron a cabo ensayos en modo continuo, y los resultados mostraron que el ARP puede ser utilizado como medio de cultivo para el crecimiento de microalgas sin ningún tratamiento previo, obteniéndose cultivos estables a tasas de dilución de hasta 0.8 día-1, tanto en columnas de burbujeo como en reactores agitados. No se detectó limitación por nutrientes en los cultivos alimentados con ARP a ninguna de las tasas de dilución ensayadas en los reactores agitados, sin embargo, en las columnas de burbujeo se detectó limitación por nitrógeno a tasas de dilución inferiores a 0.4 día-1, mientras que la limitación por fósforo se mantuvo hasta tasas de dilución de 0.7 día-1. Esto confirma que los requerimientos de nutrientes están directamente relacionados con la disponibilidad de luz dentro de los reactores, la cual es función a su vez de la geometría y radiación incidente en la superficie de los reactores. No se observaron efectos de toxicidad, y la productividad llegó a su valor máximo, de 0.53 g•l-1•día-1 al aumentar la tasa de dilución a 0.7 día-1 en las columnas de burbujeo. En cuanto a la depuración del medio, en las columnas de burbujeo se obtuvieron altas tasas de eliminación de nitrógeno, fósforo y DQO para todas las tasas de dilución ensayadas, cumpliendo la normativa de vertido a todas ellas, mientras que en los reactores agitados las tasas de depuración fueron inferiores confirmándose la necesidad de optimizar el aporte de nutrientes o ARP en función del tipo de reactor y producción de biomasa en el mismo. Así pues, los resultados contenidos en esta tesis demuestran que es posible acoplar la producción de microalgas con el tratamiento de los diferentes efluentes de una EDAR, permitiendo recuperar los nutrientes contenidos en dichas aguas residuales en forma de biomasa y generar efluentes depurados aptos para vertido. Se ha demostrado que las aguas residuales contienen todos los nutrientes requeridos por las microalgas, pero su concentración puede ser inadecuada en función del tipo de agua residual, por lo que es necesario realizar mezclas o utilizar reactores MBR según el caso. El tipo de reactor y las condiciones de operación deben ser también adecuadamente seleccionadas en función del tipo de agua residual a utilizar. Sin embargo, aún quedan retos por resolver como el escalado de los sistemas, el aumento de la capacidad de tratamiento por unidad de superficie, o el aprovechamiento de la biomasa obtenida. Actualmente, a través del Proyecto SABANA, se está construyendo una planta de producción de microalgas a partir de aguas residuales a escala de 1 y 5 ha, donde podrán abordarse estas mejoras y demostrarse la viabilidad de estos procesos.