Microalgal biomass production and nutrients removal from industrial wastewater using different culture systems

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2021.As microalgas são vistas como uma matéria-prima flexível e muito promissora e, por isso, têm sido amplamente estudadas nos últimos anos em diferentes aplicações: captura de CO2; produção de biomassa/biocombustível e absorção de nutrientes de águas residuárias. Porém, é preciso tornar o processo mais eficiente e barato. Nesse contexto, o crescimento de microalgas em águas residuárias, promovendo concomitantemente sua biorremediação, tem sido proposto como uma alternativa viável para redução de custos e da pegada ambiental. Assim, neste estudo, um lixiviado de aterro e um efluente da indústria de papel, concentrado e em diferentes diluições, foram avaliados como meio de cultura para Chlorella vulgaris e Tetradesmus obliquus. Como o fósforo e o nitrogênio são nutrientes essenciais para as microalgas, sua concentração foi monitorada ao longo dos cultivos em termos de fosfato, nitrato e nitrito. Nas condições estudadas, ambas as espécies foram capazes de crescer nesses meios e promover a remoção desses nutrientes. As eficiências máximas de remoção obtidas foram 83 ± 1% e 56 ± 1% para nitrogênio e fósforo, respectivamente. No entanto, observou-se que os efluentes não diluídos inibiram o crescimento da espécie. Assim, pode-se concluir que o processo de biorremediação é possível após uma adequada diluição do efluente. A diluição do efluente minimiza a toxicidade e reduz a cor/turbidez. No cultivo de T. obliquus, no entanto, foi observado um comportamento diferente em relação aos demais testes, pois as microalgas cresceram na forma de flocos. Este fato pode representar uma real vantagem econômica para a etapa de recuperação da biomassa (processo de colheita), embora, por outro lado, resulte em produtividades mais baixas. Em relação ao lixiviado de aterro, após a seleção de uma concentração adequada de efluente nos testes realizados em frascos de 1 L, também foram realizados testes em um fotobiorreator tubular (PBR) inovador. A configuração empregada foi composta por um tubo absorvedor de vidro de borossilicato e uma superfície refletora com geometria de dupla parábola (DP) feita de material de alumínio anodizado (R85). Este PBR é conhecido por sua capacidade de melhorar a absorção e distribuição da luz dentro do meio reacional, um parâmetro crucial para os processos fotossintéticos. Uma melhoria significativa nas taxas específicas de crescimento de C. vulgaris (de 0,15±0,04 d-1 a 0,61±0,04 d-1) e eficiências de remoção de nitrogênio (um ganho de aproximadamente 26% e 33% para C. vulgaris e T. obliquus, respectivamente) foram alcançados neste teste preliminar, confirmando que o desenvolvimento de novos PBRs também é uma estratégia importante a ser explorada. Com base nisso, estudos foram realizados com diferentes configurações deste 9 PBR, onde foram avaliados os seguintes aspectos: (i) geometria da superfície refletora plana (F), parábola dupla simples (SP) e parábola dupla tradicional (DP)) e (ii) os materiais utilizados na sua fabricação (alumínio anodizado com revestimento protetor MIRO-SUN® (MS) e sem revestimento protetor (R85) e aço inoxidável (SS)). Para determinar o impacto desses parâmetros no aproveitamento da energia luminosa foram realizados testes actinométricos e determinado o crescimento de C. vulgaris em função do tempo de cultivo e da energia acumulada no sistema. Em função do tempo, os sistemas com refletores parabólicos (SP e DP) feitos de materiais com maior refletância especular (R85 e MS) alcançaram resultados superiores, o que está de acordo com uma maior potência radiante incidente (RPi), obtida com os testes actinométricos. Assim, a taxa específica de crescimento máxima (µ, d-1) obtida foi de 0,230±0,005 d-1 no ensaio com PBR R85-DP (RPi de 0,167±0,005 J s-1). Em termos de energia, houve uma pequena queda nas taxas específicas de crescimento, com o aumento do fluxo de fótons, o que pode estar associado à baixa transmissibilidade das suspensões de microalgas, principalmente quando se atinge maior densidade celular. Os testes utilizando dois tubos absorvedores mostraram que a distância de 50,0 mm entre eles é a mais adequada, considerando as taxas de crescimento específicas e produtividades de biomassa por metro quadrado de coletor solar. Nessas condições, obteve-se maior eficiência no aproveitamento da energia fotônica em comparação ao teste com tubo único. Portanto, o uso desses novos PBRs para o crescimento de microalgas pode representar uma redução geral do custo do processo, além de levar a uma maior produção de células e, consequentemente, maximizar a remoção de nutrientes em efluentes industriais.Abstract: Microalgae are seen as a flexible and very promising raw material and, therefore, have been widely studied in recent years in different applications: CO2 capture, biomass/biofuel production and nutrients uptake from wastewater. However, it is necessary to make the process more efficient and cheaper. In this context, microalgal growth in wastewater, concomitantly promoting its bioremediation, has been proposed as a viable alternative to reduce the costs and environmental footprint. Thus, in this study, a landfill leachate and paper industry effluent, concentrated and in dilutions different, were evaluated as culture medium for Chlorella vulgaris and Tetradesmus obliquus. As phosphorus and nitrogen are essential nutrients for microalgae, their concentration was monitored throughout the cultivations in terms of phosphate, nitrate and nitrite. Under the conditions studied, both strains were able to grow on these media and promote the removal of these nutrients. The maximum removal efficiencies obtained were 83±1% and 56±1% for nitrogen and phosphorus, respectively. However, it was observed that undiluted effluents inhibited the growth of the species. Thus, it can be concluded that the bioremediation process is possible after an adequate effluent dilution. The effluent dilution minimizes the toxicity and reduces color/turbidity. In T. obliquus cultivation in the paper industry effluent, a different behavior was observed in relation to the other tests, as the microalgae grew in the form of flakes. This fact can represent a real economic advantage for the biomass recovery stage (harvest process). Although, on the other hand, it results in lower productivities. Concerning landfill leachate, after selecting an adequate effluent concentration in the tests carried out in 1 L flasks, tests on an innovative tubular photobioreactor (PBR) were also carried out. The configuration employed was composed by a borosilicate glass absorber tube and a reflecting surface with a double parabola geometry (DP) made of anodized aluminum material (R85). This PBR is known for its ability to improve the absorption and distribution of light inside the reaction medium, a crucial parameter for photosynthetic processes. Significant improvement in specific growth rates of C. vulgaris (from 0.15±0.04 d-1 to 0.61±0.04 d-1) and nitrogen removal efficiencies (a gain of approximately 26% and 33% for C. vulgaris and T. obliquus, respectively) were achieved in this preliminary test, confirming that the development of new PBRs is also an important strategy to be explored. Based on this, studies were carried out with different configurations of this PBR, where the following aspects were evaluated: (i) reflective surface geometries (flat (F), simple double parabola (SP) and traditional double parabola (DP)) and 16 (ii) the materials used in their manufacture (anodized aluminum with protective coating MIRO-SUN® (MS), anodized aluminum without protective coating (R85) and stainless steel (SS)). To determine the impact of these parameters on the use of light energy, actinometric tests were carried out, and the growth of C. vulgaris was determined as the function of the cultivation time and the energy accumulated in the system. As a function of time, superior results were achieved with systems with parabolic reflectors (SP and DP) made of materials with higher specular reflectance (R85 and MS), which is in agreement with a higher incident radiant power (RPi) obtained under these conditions, according to the actinometric tests. Thus, the maximum specific growth rate (µ, d-1) obtained was 0.230±0.005 d-1 in PBR R85-DP assay, with RPi of 0.167±0.005 J s-1. There was a small drop in specific growth rates on the energy basis as the photon flux increased, which may be associated with the low transmissibility of microalgal suspensions, especially when a higher cell density is reached. The tests using two absorber tubes showed that the distance of 50.0 mm between them is the most adequate, considering the specific growth rates and biomass productivity per square meter of solar collector. Under these conditions, higher efficiency on the photonic energy usage was attained comparing to the test with a single tube. Therefore, the use of these novel PBRs towards microalgal growth may represent an overall process cost reduction, in addition to leading to greater cell production and, consequently, maximizing nutrient recovery in industrial effluents