Microalgae harvesting in wastewater treatment plants : application of natural techniques for an efficient flocculation

Research of new sources of bioenergy is nowadays driving attention to microalgae. Cost-effective biomass harvesting poses a challenge for full-scale microalgae production for biofuels. In the context of wastewater treatment with microalgae cultures, coagulation-flocculation followed by sedimentation seems to be the most suitable option for microalgae harvesting as low energy and no extra materials are required. The main objective if this PhD thesis was to evaluate and improve the harvesting efficiency of microalgal biomass grown in wastewater treatment high rate algal ponds (HRAPs) by means of flocculation-based pre-concentration techniques (i.e. coagulation-flocculation with organic flocculants and biomass recycling). Moreover, the energy assessment of a full-scale wastewater treatment system based on HRAPs followed by anaerobic digestion of harvested microalgal biomass located in a Mediterranean Region was assessed. Firstly, coagulation-flocculation and sedimentation with two tannin-based polymeric flocculants (Ecotan and Tanfloc) was evaluated by means of static sedimentation tests in conventional settling columns. Low flocculants doses (10-50 mg/L) enabled over 90% biomass recovery. Furthermore, both flocculants increased microalgae settling velocity, leading to fast and efficient biomass recovery (> 90% recovery in 10-20 min). Subsequently, dynamic sedimentation tests were performed in a water elutriation apparatus in order to evaluate the settling velocities distribution of microalgal biomass with and without flocculants. This time, a tannin-based flocculant (Tanfloc) and a cationic starch were evaluated. The amount of biomass reaching settling velocities higher than 6.5 m/h increased from 10-14% (without flocculant) to 70-84% when 20-40 mg/L of Tanfloc were added. On the other hand, 10-25 mg/L of starch enabled more than 95% biomass recovery, increasing from 46% to 78% the amount of particles with settling velocities higher than 6.5 m/h. According to the results, a settler designed with a critical settling velocity of 1 m/h (which is a typical value in secondary settlers) would enable over 90% biomass recovery while reducing the hydraulic retention time and the settler surface as compared to biomass harvesting without flocculants. Microalgal biomass harvesting was also tested by recycling some of the harvested microalgal biomass (2% and 10% dry weight) to the pilot wastewater treatment HRAP in order to increase the predominance of rapidly-settling microalgae species. Results indicated that biomass recycling had a positive effect on the harvesting efficiency, obtaining higher recoveries in the pilot HRAP with recycling (91-93%) than in the pilot HRAP without recycling (75 ¿ 88%), and increasing the percentage of biomass with high settling velocity. This was due to the fact that the abundance of rapidly-settling strains such as Stigeoclonium sp. and diatoms increased when 10% (dry weight) of harvested biomass was recycled. Experimental results from this PhD thesis suggested that either flocculation with natural organic flocculants or biomass recycling improves harvesting efficiency of microalgal biomass with high biomass recoveries (>90%), increasing by 2-8-folds the amount of biomass with high settling velocities (6.5 m/h) and obtaining the best results in those experiments in which rapidly settling species (e.g. Stigeoclonium sp. and diatoms) were dominant. Finally, the energy balance of a microalgae-based wastewater treatment plant located in the Mediterranean Region was assessed based on experimental results. The harvested microalgal biomass grown in wastewater HRAPs would undergo anaerobic digestion (with or without thermal pretreatment) to produce biogas and generate electricity and/or heat. The energy assessment concluded that the system should achieve microalgal biomass production of at least 15 g TSS/m2d and/or a methane yield of 0.5 m3CH4/KgVS all over the year to be energy self-sufficient.Actualmente, la investigación de nuevas fuentes de energía ha centrado la atención hacia las microalgas. El principal desafio para la producción de microalgas a gran escala es realizar una recuperación de la biomasa algal eficente y rentable para su posterior valorización. En el contexto del tratamiento de aguas residuales, el proceso de coagulación-floculación seguido de la sedimentación representa la técnica de recuperación de microalgas más adecuada debido al bajo consumo energético y a los bajos costes asociados. El objetivo principal de la tesis doctoral fue evaluar y mejorar la eficiencia de separación de la biomasa algal cultivada en lagunas de alta carga (LAC) para el tratamiento de agua residual urbana. Esto se consiguió aplicando técnicas de pre-concentración basadas en procesos de floculación. A posteriori, se evaluó el balance energético de un sistema de tratamiento de aguas residuales a gran escala situado en la región Mediterránea, formado por un sistema de LAC seguido de un proceso de digestión anaeróbica de la biomasa. En primer lugar, la coagulación-floculación y sedimentación con dos floculantes naturales poliméricos (Ecotan y Tanfloc) se evaluó por medio de ensayos de sedimentación estáticos en columnas de sedimentación convencionales. Ambos floculantes obtubieron dosis ótimas bajas (10-50 mg / L) que permitieron la recuperación del 90% de la biomasa. Además, estos aumentaron la velocidad de sedimentación de la biomasa algal, implicando una recuperación de la biomasa rápida y eficiente (> 90% de recuperación en 10 a 20 min). Posteriormente, los tests de sedimentación dinámica se realizaron en un dispositivo dotado de tres columnas de sedimentación con el fin de evaluar la distribución de velocidades de sedimentación de la biomasa con y sin el efecto de floculantes. Esta vez, se evaluaró un floculante polimérico (Tanfloc) y un almidón catiónico. En estos ensayos, se auménto del 10-14% (son floculante) al 70-84% (con coagulante) la fracción de biomasa con unas velocidades de sedimentación mayores a 6,5 m/h tras la adición de 20-40 mg/L de Tanfloc. Por otra parte, entre10 y 25 mg / L de almidón fueron necesarios para recuperar más del 95% de la biomasa,incrementando del 46% a 78% la fracción de partículas con velocidades de sedimentación mayores a 6,5 m / h. Según los resultados, un decantador diseñado con una velocidad de sedimentación de 1 m / h (valor típico en decantadores secundarios) permitiría la recuperación del 90% de la biomasa, reduciendo el tiempo de retención hidráulico y la superficie de los decantadores, tras la adición de los floculantes naturales estudiados. La separación de la biomasa también se evaluó mediante la recirculación de una fracción de la biomasa cosechada (2% y 10% del peso en seco) en un sistema de LAC para el tratamiento de aguas residuales con el fin de aumentar el predominio de aquellas especies con altas tasas de sedimentación. Los resultados indicaron que la recirculación aumento la eficiencia de recuperación, obteniendo mayores recuperaciones en la LAC con recirculación (91-93%) que en LAC sin recirculación (75-88%), y aumentando el porcentaje de la biomasa con velocidad de sedimentación elevadas. Esto fue debido a la aparación de especies con altas tasas de sedimentación tales como Stigeoclonium sp. y diatomeas presentes cuando se recirculó el 10% de biomasa cosechada. Por último, el balance energético de una planta de tratamiento de aguas residuales a base de microalgas situada en la región Mediterránea se evaluó a partir de resultados experimentales de la biomasa algal crecida en LAC y sometida a la digestión anaerobia (con o sin tratamiento térmico previo) para producir biogás y generar electricidad y / o calor. El estudio concluyó que se debe lograr una mínima producción de biomasa algal de 15 g SST / m2d y / o unas producciones de metano de 0,5 m3CH4 / kgVS para obtener un sistema energéticamente autosuficiente durante todo el añoPostprint (published version