Microalgae-based wastewater treatment systems at demonstrative scale : gravity harvesting and thickening of biomass, and advanced design of bioreactors

Abstract

Microalgae culture is currently receiving considerable attention for its potential in wastewater treatment and production of algal biomass from which high-value bioproducts and bioenergy can be obtained, as well as the consequent carbon dioxide sequestration via photosynthesis process. However, biomass harvesting is one of the bottlenecks in microalgae culture and microalgae-based wastewater treatment systems. Energy intensive technologies are required to separate the solid-liquid phase due the low density of microalgae. Low-cost processes, such as sedimentation, are not efficient enough due to the low settling velocities of the microalgae. Sedimentation coupled to coagulation and flocculation has been widely studied on lab-scale in order to increase the microalgae settling velocity. However, few studies have addressed the scaling up of these experimental results in order to industrializing the process. The thesis has been divided into two main parts. A first study addressed the physical and theoretical principles of sedimentation used for the operation and optimization of biomass harvesting from a microalgae culture for wastewater treatment at demonstration scale in the framework of the INCOVER research project "Innovative Eco-technologies for Resource Recovery from Wastewater" (GA 689242) (https://incover-project.eu/), which aimed to validate innovative technologies at demonstration scale to convert wastewater into an alternative energy source and value-added products. A second study focused on the operation and optimization of the downstream thickening process of biomasspreviously harvested in the same facilities. Finally, the second part consist of a study and optimization of the behavior of mixed liquor in its transit through a high rate algae pond for wastewater treatment using Computational Fluid Dynamics modeling for its implementation in the city of Aligarh. This study has been carried out under the H2020 PAVITR project (http://www.pavitr.net; GA 821410), which aims at validation of sustainable natural and advanced technologies for water and wastewater treatment, monitoring and safe reuse of water in India. In the first study of the first part, the physical and theoretical principles of sedimentation were addressed to be used for the operation and optimization of harvesting biomass in lamella settler (700 L) from a microalgae culture for wastewater treatment on a three semi-closed tubular photobioreactor (11.7 m3 each) at demonstrative scale. During 6 months the inflow (6900 m3·day-1), coagulant dosage (1-12 mg·L-1) and purges of the biomass (60-240 L·day-1) were adjusted in order to achieve a proper separation of the solid-liquid phase. Results in this section evidenced the efficiency of the Lamella in the solid-liquid separation task obtaining an outlet turbidity below of 5 NTU after the optimization period. In the second part, two thickeners were operated and optimized in order to achieve a proper concentration (20 g·L-1) of previous harvested biomass for subsequent anaerobic digestion process at the same installations. The scrapers and purges were optimized in four periods during two months. Results showed an eventually concentrations of 26.5 g·L-1 in last period due a minimized use of scrapers in order to avoid the particles resuspension allowing a proper compression settling. In the second part, demonstrative-scale HRAP system was designed to be implemented in Aligarh (India) with a treatment capacity of 50 m3·day-1. The objective of the study was to assist, verify and optimize the conventional dimensioning of the High Rate Algae Ponds (HRAP) by means of biokinetic modelling and hydrodynamic analysis using Computational Fluid Dynamics (CFD). According to the biokinetic model simulations, 4 days was the optimal hydraulic retention time to enhance nutrient removal. A 3D model of the HRAP was built to analyze the hydrodynamic behavior of 36 different carousel designs. The different combinations of baffle numbers on the reversals, center wall widths and tear-shape sizes were simulated. The presence of low velocity zones as well as the useful area vs. the total occupied area were quantify. Two baffles and tear-shapes with a diameter equal to ¼ of the channel width was the most efficient configuration. In addition, a techno-economic assessment of the system determined an investment cost of € 483 per population equivalent (PE) and an operational cost of € 0.19 per m3 of treated wastewater.

El cultiu de microalgues està rebent actualment una atenció considerable pel seu potencial en el tractament d'aigües residuals i la producció de biomassa d'algues de la qual es poden obtenir bioproductes d'alt valor i bioenergia, així com el segrest consegüent de diòxid de carboni mitjançant el procés de fotosíntesi. Tot i això, la recol·lecció de biomassa és un dels colls d'ampolla del cultiu de microalgues i dels sistemes de tractament d'aigües residuals basats en elles. La separació de la fase sòlida-líquida requereix tecnologies d'alt consum energètic a causa de la baixa densitat de les microalgues. Els processos de baix cost, com la sedimentació, no són prou eficaços a causa de la baixa velocitat de sedimentació de les microalgues. La sedimentació combinada amb la coagulació i la floculació s'ha estudiat àmpliament a escala de laboratori per augmentar la velocitat de sedimentació de la biomassa algal. Tot i això, pocs estudis han abordat l'augment d'escala d'aquests resultats experimentals per industrialitzar el procés. La tesi ha estat dividida en dues parts. La primera està formada per dos estudis i és el tema principal d'aquesta tesi. Un primer estudi va abordar els principis físics i teòrics de la sedimentació que s'utilitzen pel funcionament i optimització de la recol·lecció de biomassa d'un cultiu de microalgues pel tractament d'aigües residuals a escala demostrativa en el marc del projecte de recerca INCOVER "Innovative Eco-technologies for Resource Recovery from Wastewater" (GA 689242) (https://incover-project.eu/), l'objectiu del qual era validar tecnologies innovadores a escala demostrativa per convertir les aigües residuals en una font d’energia alternativa i en productes de valor afegit. Un segon estudi es va centrar en el funcionament i optimització del procés d'espessiment posterior de la biomassa prèviament collida a les mateixes instal·lacions mitjançant dos espessidors treballant en línia. Finalment, la segona part va consistir en l'estudi i l'optimització del comportament del licor barrejat en el trànsit per un estany d'algues d'alta taxa pel tractament d'aigües residuals mitjançant la modelització de la Dinàmica de Fluids Computacional per a la seva implantació a la ciutat d’Aligarh. Aquest estudi s'ha realitzat en el marc del projecte H2020 PAVITR (http://www.pavitr.net; GA 821410), l'objectiu del qual és la validació de tecnologies naturals i avançades sostenibles pel tractament de l'aigua i de les aigües residuals, control i la reutilització segura de l’aigua a l’Índia.

Al primer estudi de la primera part, es van abordar els principis físics i teòrics de la sedimentació per utilitzar-los en el funcionament i l'optimització de la collita de biomassa en sedimentador de làmines (700 L) d'un cultiu de microalgues pel tractament d'aigües residuals en un fotobioreactor tubular semitancat de tres (11,7 m3 cadascun) a escala demostrativa. Durant 6 mesos es va ajustar el flux d'entrada (6900 m3-dia-1), la dosi de coagulant (1-12 mg·L-1) i les purgues de la biomassa (60-240 L·dia-1) per aconseguir una adequada separació de la fase sòlid-líquida. Els resultats d'aquest apartat van evidenciar l'eficàcia de les lamel·les en la tasca de separació sòlid-líquid obtenint una terbolesa de sortida inferior a 5 NTU després del període d'optimització. En el segon estudi, es van operar i optimitzar dos espessidors per aconseguir una concentració adequada (20 g·L-1) de la biomassa recol·lectada prèviament pel posterior procés de digestió anaeròbia a les mateixes instal·lacions. Els espessidors i les purgues es van optimitzar en quatre períodes durant dos mesos. Els resultats van mostrar una concentració final de 26,5 g·L-1 a l'últim període a causa d'un ús minimitzat dels rascadors per evitar la resuspensió de les partícules permetent una adequada sedimentació per compressió. A la segona part, es va dissenyar una Llacuna d'Alta Càrrega a escala demostrativa per ser implementada a Aligarh (Índia) amb una capacitat de tractament de 50 m3・dia-1. L'objectiu de l'estudi era assistir, verificar i optimitzar el dimensionament convencional de les llacunes d'alta càrrega mitjançant la modelització biocinètica i l'anàlisi hidrodinàmica mitjançant dinàmica de fluids computacional (CFD). Segons les simulacions del model biocinètic, el temps de retenció hidràulica òptim per millorar l'eliminació de nutrients va ser de 4 dies. Es va construir un model 3D de la llacuna per analitzar el comportament hidrodinàmic de 36 dissenys en forma de carrusel amb diferents configuracions. Es van simular les diferents combinacions de nombres de deflectors en les inversions, amples de paret central i mides de forma de llàgrima als extrems del mur central. Es va quantificar la presència de zones de baixa velocitat, així com l'àrea útil davant de l'àrea total ocupada. La configuració més eficient va ser la composta per dos deflectors i formes de llàgrima amb un diàmetre igual a . de l'amplada del canal. A més, una avaluació tecno-econòmica del sistema va determinar un cost d'inversió de 732 euros per població equivalent (PE) i un cost operatiu de 0,19 euros per m3 d'aigua residual tractada.

El cultivo de microalgas está recibiendo actualmente una atención considerable por su potencial en el tratamiento de aguas residuales y la producción de biomasa de algas de la que se pueden obtener bioproductos de alto valor y bioenergía, así como el consiguiente secuestro de dióxido de carbono mediante el proceso de fotosíntesis. Sin embargo, la recolección de biomasa es uno de los cuellos de botella del cultivo de microalgas y de los sistemas de tratamiento de aguas residuales basados en ellas. La separación de la fase sólida-líquida requiere tecnologías de alto consumo energético debido a la baja densidad de las microalgas. Los procesos de bajo coste, como la sedimentación, no son lo suficientemente eficaces debido a la baja velocidad de sedimentación de las microalgas. La sedimentación combinada con la coagulación y la floculación se ha estudiado ampliamente a escala de laboratorio para aumentar la velocidad de sedimentación de la biomasa algal. Sin embargo, pocos estudios han abordado el aumento de escala de estos resultados experimentales con el fin de industrializar el proceso. La tesis se ha dividido en dos partes principales. La primera está conforma por dos estudios y es el tema principal de esta tesis. Un primer estudio abordó los principios físicos y teóricos de la sedimentación que se utilizan para el funcionamiento y la optimización de la recolección de biomasa de un cultivo de microalgas para el tratamiento de aguas residuales a escala demostrativa en el marco del proyecto de investigación INCOVER "Innovative Eco-technologies for Resource Recovery from Wastewater" (GA 689242) (https://incover-project.eu/), cuyo objetivo era validar tecnologías innovadoras a escala demostrativa para convertir las aguas residuales en una fuente de energía alternativa y en productos de valor añadido. Un segundo estudio se centró en el funcionamiento y optimización del proceso de espesamiento posterior de la biomasa previamente cosechada en las mismas instalaciones mediante dos espesadores trabajando en línea. Por último, la segunda parte consistió en el estudio y optimización del comportamiento del licor mezclado en su tránsito por un estanque de algas de alta tasa para el tratamiento de aguas residuales mediante la modelización de la Dinámica de Fluidos Computacional para su implantación en la ciudad de Aligarh. Este estudio se ha realizado en el marco del proyecto H2020 PAVITR (http://www.pavitr.net; GA 821410), cuyo objetivo es la validación de tecnologías naturales y avanzadas sostenibles para el tratamiento del agua y de las aguas residuales, el control y la reutilización segura del agua en la India. En el primer estudio de la primera parte, se abordaron los principios físicos y teóricos de la sedimentación para utilizarlos en el funcionamiento y la optimización de la cosecha de biomasa en sedimentador de láminas (700 L) de un cultivo de microalgas para el tratamiento de aguas residuales en un fotobiorreactor tubular semicerrado de tres (11,7 m3 cada uno) a escala demostrativa. Durante 6 meses se ajustó el flujo de entrada (6900 m3·día-1), la dosis de coagulante (1-12 mg·L-1) y las purgas de la biomasa (60-240 L·día-1) para conseguir una adecuada separación de la fase sólido-líquida. Los resultados de este apartado evidenciaron la eficacia de las lamelas en la tarea de separación sólidolíquido obteniendo una turbidez de salida inferior a 5 NTU tras el periodo de optimización. En el segundo estudio, se operaron y optimizaron dos espesadores para conseguir una concentración adecuada (20 g·L-1) de la biomasa recolectada previamente para el posterior proceso de digestión anaerobia en las mismas instalaciones. Los espesadores y las purgas se optimizaron en cuatro periodos durante dos meses. Los resultados mostraron una concentración final de 26,5 g·L-1 en el último periodo debido a un uso minimizado de los rascadores para evitar la resuspensión de las partículas permitiendo una adecuada sedimentación por compresión. En la segunda parte, se diseñó una Laguna de Alta Carga a escala demostrativa para ser implementada en Aligarh (India) con una capacidad de tratamiento de 50 m3·día-1. El objetivo del estudio era asistir, verificar y optimizar el dimensionamiento convencional de las Lagunas de Alta Carga mediante la modelización biocinética y el análisis hidrodinámico mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Según las simulaciones del modelo biocinético, el tiempo de retención hidráulica óptimo para mejorar la eliminación de nutrientes fue de 4 días. Se construyó un modelo 3D de la laguna para analizar el comportamiento hidrodinámico de 36 diseños en forma de carrusel con diferentes configuraciones. Se simularon las diferentes combinaciones de números de deflectores en las inversiones, anchos de pared central y tamaños de forma de lágrima en os extremos del muro central. Se cuantificó la presencia de zonas de baja velocidad, así como el área útil frente al área total ocupada. La configuración más eficiente resultó ser la compuesta por dos deflectores y formas de lágrima con un diámetro igual a ¼ de la anchura del canal. Además, una evaluación técnico-económica del sistema determinó un coste de inversión de 732 euros por población equivalente (PE) y un coste operativo de 0,19 euros por m3 de agua residual tratada.