Resumen de Modelling of microalgae-bacteria consortia for wastewater treatment
- español
La demanda de agua limpia ha estado en continuo crecimiento en el último siglo y se espera que aumente aún más durante las próximas décadas. Este incremento es debido al aumento de la población mundial, asociado con el incremento del consumo individual de agua y el rápido desarrollo de la agricultura intensiva, la industrialización y la urbanización. Además, la descarga de efluentes con altas concentraciones de nutrientes y materia orgánica promueve procesos de eutrofización en las reservas de aguas naturales, ayudados en gran medida por el aumento de las temperaturas oceánicas globales. En Europa, la Directiva del Consejo 91/271/EEC regula el tratamiento de aguas residuales urbanas para proteger el medio ambiente, estableciendo diferentes límites de descarga de efluentes en cuanto a la demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno (N) y fósforo (P). Para garantizar estos estándares, diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales tanto físicos como químicos o biológicos se han implementado con éxito en todo el mundo, cada uno con sus ventajas y limitaciones.
En las plantas de tratamiento de aguas residuales, el tratamiento más empleado es el proceso de fangos activados. A pesar de las altas tasas de eliminación de DQO, N y P obtenidas por los procesos de lodos activados, la aireación, los tiempos de mezcla y los reactivos necesarios para llevar a cabo el proceso siguen causando altas demandas de energía y elevados costos operativos. Las pérdidas potenciales de nutrientes y las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, NOx, CH4) también se plantean como las principales desventajas de los tratamientos convencionales. Para superar estos inconvenientes, se ha propuesto como solución sostenible el tratamiento de aguas residuales mediante consorcios de microalgas-bacterias. Esta tecnología aprovecha la luz solar renovable, minimiza la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera y permite la recuperación de nitrógeno y fósforo a la vez que se generan bioproductos de alto valor añadido a partir de la biomasa generada.
En los consorcios microalgas-bacterias tienen lugar múltiples interacciones entre las microalgas y los distintos grupos de bacterias presentes en las aguas residuales y en el medioambiente. Estas interacciones son dinámicas y están determinadas por las variables ambientales y operacionales en las que se desarrollan. Factores como la composición de las aguas residuales o la disponibilidad de nutrientes, junto con la disponibilidad de luz, son críticos para determinar el crecimiento específico de microalgas y bacterias. Otros parámetros que también juegan un papel relevante son el pH, la temperatura y las concentraciones de oxígeno disuelto. Además, estas interacciones determinan el éxito de los procesos porque permiten la eliminación de los sustratos presentes en las aguas residuales. Así, conocer las interacciones microbianas en los sistemas microalgas-bacterias es fundamental para controlar y maximizar el rendimiento y la eficacia de estos sistemas.
Por ello, en este trabajo se ha desarrollado un modelo matemático como potente herramienta para evaluar las principales poblaciones microbianas que aparecen en el tratamiento de aguas residuales con microalgas, así como la dinámica de los compuestos que en ellas se encuentran. Para desarrollar dicho modelo matemático, se adaptaron las técnicas tradicionales de respirometría para evaluar los organismos fotoautótrofos, dando lugar a la foto-respirometría, que permite eestimar tanto las actividades bacterias como la de microorganismos productores de oxígeno. Se aplicó la foto-respirometría para determinar la influencia de variables ambientales (luz, temperatura, pH y oxígeno disuelto) y operacionales (disponibilidad de nutrientes) en la actividad de microalgas, bacterias heterótrofas y bacterias nitrificantes. Estos datos fueron esenciales para determinar los parámetros cinéticos correspondientes a cada población, lo que permitió desarrollar un modelo biológico para los consorcios microalgas-bacterias que aparecen en los procesos de tratamiento de aguas residuales. Los parámetros cinéticos, junto con los datos reales del cultivo de microalgas-bacterias permitieron desarrollar, calibrar y validar un modelo matemático, denominado modelo ABACO, a escala de laboratorio utilizando aguas residuales reales. El modelo ABACO fue desarrollado utilizando el software MATLAB y está disponible como una herramienta de descarga que permite evaluar la influencia de cada variable ambiental y operacional en las poblaciones de microalgas y bacterias.
La última fase de desarrollo de la Tesis consistió en la mejora del modelo biológico distinguiendo dos poblaciones diferentes dentro del grupo de los nitrificantes. Además, los parámetros cinéticos para las poblaciones de bacterias se determinaron nuevamente utilizando una nueva metodología de respirometría aplicada al cultivo de microalgas-bacterias producido con digestato proveniente de una digestión anaeróbica en lugar de aguas residuales primarias. Los datos experimentales obtenidos se ajustaron con las ecuaciones correspondientes para obtener los parámetros cinéticos que se pueden utilizar para mejorar el modelo ABACO en trabajos futuros.
- English
Clean water demand has continued to grow in the last century, and this trend is expected to continue to grow during the coming decades. The mains reasons include the expected increase of the worlds’ population, associated with rising individual water consumption and the rapid development of intensive agriculture, industrialization, and urbanization in developing countries. In addition, the discharge of urban, agricultural, and industrial effluents with high nutrient concentrations and organic matter is the main cause of severe eutrophication, aided by climate change and the increasing temperature of the ocean. In Europe, the Council Directive 91/271/EEC regulates urban wastewater treatment to protect the water reservoirs, by setting different maximum discharge limits for chemical oxygen demand (COD), nitrogen (N) and phosphorus (P). To ensure these standards, physical, chemical, and biological wastewater treatment processes have been successfully implemented worldwide, each strategy with its own strengths and challenges.
In wastewater treatment plants, the most widely applied strategy is the utilization of activated sludge processes. Despite the high COD, N, and P removal capacities obtained by activated sludge processes, high energy demands, and operating costs caused by aeration, mixing, and the reagents required to operate the process remains a challenge. Potential nutrient losses and greenhouse gas emissions are also reported as major disadvantages of conventional processes. To overcome these drawbacks, the treatment of wastewater using microalgae-bacteria consortia has been proposed as a sustainable and innovative solution. This technology exploits sunlight, which is free and unlimited, minimize the release of greenhouse gases (CO2, NOx, CH4) into the atmosphere, and allows recovering nitrogen and phosphorous while simultaneously generating valuable bio-products from the produced biomass.
In microalgae-bacteria consortia, multiple interactions take place between microalgae and the most abundant bacterial groups. These interactions are dynamic and depend on both, environmental and operational variables. Factors such as the composition of wastewater or nutrient availability, in addition to light availability are critical in determining the specific growth of microalgae and bacteria. Other important factors affecting the process include as the pH, temperature and dissolved oxygen concentration. These interactions determine the success of the processes because they allow recovering the nutrients present in wastewater while producing valuable biomass. Thus, understanding the microbial interactions in microalgal systems, which is a challenging task, is essential to control and maximize the yield of these systems.
In this work, a mathematical model was developed as a powerful tool to evaluate the main microbial populations that appear in microalgae wastewater treatment as well as the main nutrients present in the media. To develop the mathematical model, a new methodology, termed as photo-respirometry, was developed based on already available techniques. Photo-respirometry was applied to determine the influence of environmental and operational variables on the performance of microalgae, heterotrophic bacteria, and nitrifying bacteria. These data were essential to determine the corresponding kinetic parameters of each population, which allowed developing a biological model for microalgae-bacteria consortia in wastewater treatment processes. The kinetic parameters together with experimental data of microalgae-bacteria cultures allowed developing, calibrating and validating a mathematical model, named ABACO. The ABACO model was developed using the software MATLAB and it is available as an easy and downloadable tool that permits the assessment of the influence of each environmental and operational variable on the microalgal and bacterial populations.
The last development phase of this Thesis consisted of the improvement of the biological model distinguishing two different populations within the nitrifiers group. In addition, the kinetic parameters for bacterial populations were determined again using a novel respirometry methodology applied to microalgal-bacterial cultures produced with anaerobic digestate as the source of nutrients instead of primary wastewater. The experimental data obtained were fitted with the corresponding equations to obtain the kinetic parameters that could be used to improve the ABACO model in future works.
