Anaerobic co-digestion of microalgae and primary sludge in an anaerobic membrane bioreactor for resource recovery (biogas and bionutrients) from urban wastewater

Zusammenfassung

El consumo continuo de energía primaria ha motivado a la comunidad científica a buscar tecnologías que requieran un menor consumo de recursos y fuentes alternativas de energía renovable, que puedan sustituir a los combustibles fósiles. El cultivo de microalgas en combinación con tecnologías anaerobias surgió como una tecnología prometedora y sostenible en el ámbito del tratamiento de aguas residuales. La valorización de la biomasa de microalgas mediante la digestión anaerobia (AD) permite la producción de energía a partir de corrientes de residuos. Dado que la AD de microalgas presenta algunos inconvenientes que obstaculizan la eficiencia del proceso, se ha estudiado la co-digestión anaerobia (ACoD) con sustratos ricos en carbono, como residuos de papel o fangos, como alternativa para aumentar la eficiencia del proceso anaerobio. El presente estudio consiste en la evaluación a largo plazo de la ACoD de microalgas sin pretratar y fango primario. Para ello, la tecnología de ACoD se incluyó en un marco ambientalmente sostenible en el que la AD se utilizó en primer lugar para la eliminación de sustancias orgánicas de las aguas residuales decantadas; las microalgas cultivadas en una planta piloto de fotobiorreactores de membrana se utilizaron para la eliminación de nutrientes del efluente de la AD; y la biomasa microalgal y el fango primario se co- digirieron en un biorreactor de membrana anaerobio (AnMBR). Las microalgas y el fango primario se co-digirieron a escala de laboratorio y piloto y se evaluaron diferentes condiciones operacionales teniendo en cuenta los procesos biológicos, la filtración por membrana y la comunidad microbiana involucrada. La ACoD de microalgas y fango primario se estudió primero a escala de laboratorio, operando a diferentes tiempos de retención de sólidos (SRT), velocidad de carga orgánica (OLR) y temperatura. Los resultados indicaron que, cuanto mayor era el SRT y la OLR, mayor era la producción de metano, trabajando en un AnMBR. Los resultados de laboratorio también mostraron que el AnMBR termófilo alcanzaba una mayor producción de metano que el mesófilo. No obstante, los balances económicos y energéticos realizados para saber cuáles son las mejores condiciones de operación para escalar el proceso de laboratorio a escala piloto mostraron que un SRT de 70 d y las condiciones mesófilas eran las recomendables para operar la planta piloto de ACoD. Por tanto, en base a los resultados anteriores, la planta piloto de ACoD se operó durante un año a 70 d SRT y 35 oC. La planta piloto AnMBR alcanzó una biodegradabilidad del 62% y mostró una alta estabilidad en términos de pH y ácidos grasos volátiles. Se evaluó el proceso de filtración, indicando que la aplicación de la demanda específica de gas y un ciclo de contralavado por cada dos ciclos de filtración evitó la formación de fouling irreversible. Se ha demostrado que la ACoD de microalgas aumenta la producción de metano en comparación con la monodigestión de microalgas. La adición de un sustrato fácilmente biodegradable como fango primario a la biomasa microalgal tuvo un efecto sinérgico en la AD, creando una comunidad microbiana adaptada capaz de degradar ambos sustratos por vías sintróficas en las que microorganismos sintróficos como Smithella o W5 degradan intermediarios (especialmente propionato) y aumentan la producción de metano, principalmente llevada a cabo por metanógenos aceticlásticos como Methanosaeta. Los microorganismos hidrolíticos y fermentadores que intervienen en la degradación de las proteínas (por ejemplo, Coprothermobacter, Fervidobacterium o miembros de la familia Synergistaceae) y la degradación de la celulosa (por ejemplo, Defluviitoga o Thermogutta) también desempeñaron un papel importante en la degradación de ambos sustratos. En este trabajo se evaluó también la posible recuperación de nutrientes de los efluentes de la ACoD (permeado y digestato). El nitrógeno se recuperó del permeado con una eficiencia del 99% utilizando un contactor de membrana hidrofóbica de fibra hueca de polipropileno. El fósforo no se recuperó del permeado ya que el 74% se precipitó durante el proceso de AD. Los experimentos realizados con el digestato procedente de la ACoD en los reactores de compostaje Dewar, a escala laboratorio, demostraron que se puede aplicar un proceso de compostaje después de la ACoD, generando un material compostado estable e higienizado que podría utilizarse como enmienda orgánica. Esta tesis proporciona información novedosa sobre las ACoD de microalgas crudas y fango primario, ya que este proceso se estudió no solo a escala de laboratorio, sino también a escala piloto, lo que constituye un paso necesario para futuras aplicaciones a escala industrial. Se logró una alta estabilidad y una elevada degradación de los sustratos, (correspondiente a un alto rendimiento de metano) al co-digerir ambos sustratos debido a los efectos de sinergia encontrados entre los microorganismos y también debido a que se estaba utilizando la tecnología AnMBR, evitando la aplicación de costosos pretratamientos. Este proceso se enmarca en un escenario de economía circular en el que se están recuperando recursos (biogás, nutrientes y agua) de las aguas residuales urbanas.