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AnMBR + Reactor microalgas


Biorreactor secuencial de membrana anaeróbica y microalgas  para la recuperación de agua, energía y nutrientes de las aguas residuales 

Artículo original de:

Minh T. Vu, Hang P. Vu, Luong N. Nguyen, Galilee U. Semblante, Md Abu Hasan Johir and Long D. Nghiem

Centre for Technology in Water and Wastewater, School of Civil and Environmental Engineering, University of Technology Sydney, Sydney, NSW 2007, Australia.

Technical Services, Western Sydney University, Kingswood, NSW 2747, Australia

NTT Institute of Hi-Technology, Nguyen Tat Thanh University, Ho Chi Minh City, Vietnam

 

Traducido por Fco.  J. NOVOA NUÑEZ

 

Recuperación de recursos desde las  aguas residuales 

Existe un interés creciente en la recuperación más amplia posible de los recursos presentes en las  aguas residuales, incluido su contenido latente de energía y nutrientes, junto con el agua misma. La reutilización de aguas residuales se ha implementado durante más de dos décadas, en Singapur, en particular, donde actualmente hay cinco plantas a gran escala en operación que satisfacen hasta el 40% de la demanda de agua industrial del país.

La recuperación de energía latente como biogás (predominantemente metano) generalmente se limita a la digestión anaeróbica (AD) de la corriente de desechos de lodo, cuyo objetivo principal es estabilizar los sólidos del lodo. La corriente de lodo proporciona la carga orgánica necesariamente alta para que la recuperación de energía por AD sea económicamente viable.

La tecnología de biorreactor de membrana anaeróbica (AnMBR) para tratar las aguas residuales directamente ha formado el foco de la investigación durante muchos años y se ha implementado para aguas residuales industriales de alta resistencia desde principios de los años noventa. Por otro lado, al igual que con AD, solo proporciona una eliminación limitada de nutrientes.

Sin embargo, el contenido de nutrientes del efluente AnMBR puede usarse para alimentar microalgas, una biomasa a partir de la cual la energía (biocombustible) puede ser potencialmente producida por licuefacción hidrotermal. Se ha demostrado que las algas asimilan nutrientes de las aguas residuales, proporcionando el doble beneficio de la purificación de las  aguas residuales y la generación de una biomasa útil.

El estudio que hemos realizado tiene como objetivo evaluar un esquema de tratamiento que comprende un sistema AnMBR + un fotobiorreactor de membrana de algas  (MPBR). El rendimiento de AnMBR se evaluó en términos de su eliminación de carbono orgánico y generación de biogás.

El efluente de AnMBR rico en nutrientes se utilizo como alimento directamente al MPBR y las algas generadas (Chlorella vulgaris, C. vulgaris) se cosecharon y se aglomeraron.

La eficacia de MPBR se evaluó en términos de eliminación de nitrógeno (N) y fósforo (P).

 

Metodología

El sistema AnMBR

El AnMBR comprendía un fermentador de vidrio de 3 L que contenía una membrana PVDF de fibra hueca sumergida de 0.02 m2 de área de membrana (Fig. 1).

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Se sembró con lodo AD de una planta de tratamiento de aguas residuales cercana y se alimentó con aguas residuales municipales sintéticas que contenían 7500, 164 y 66 mg / L de DQO, NH4 + y PO43- respectivamente.

Se emplearon tiempos de retención hidráulica  de  24 h  y de sólidos  de  80 d, dando una tasa de carga orgánica (OLR) de 5.1 kgCOD / m3 / día.

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El licor mezcla con  sólidos suspendidos en el rango de 10-14 g/l, sostenido por un flujo de membrana neto de 4.2 L/m2/h con un ciclo de  operación de 9 min de filtración + 1 m  ciclo de relajación

El reactor se mantuvo a 35 ° C, y el biogás generado se recogió continuamente. Se registraron el volumen y el contenido de biogás, específicamente las concentraciones de CH4, CO2 y H2.

La recuperación de energía se determinó suponiendo un valor calorífico de biogás de 22 MJ / m3 (o 6.1 kWh / m3) y una eficiencia de conversión eléctrica del 35%.

MPBR

El C. vulgaris se cultivó en el efluente AnMBR en un recipiente de 1 L, aireado a 1.5 L/min, mantenido a ~ 20 ° C e irradiado a ~ 100 µmol fotones/m2/s  intensidad de luz con un ciclo claro/oscuro  de  20 : 4 h

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Esto fue así realizado para permitir que las algas se adapten al efluente anaeróbico.

El MPBR comprendía un recipiente de vidrio cilíndrico de 1.5 L (Fig. 1) con una segunda membrana iHF operada a un flujo neto de 3.15 L/m2/h usando la misma operación cíclica que el AnMBR, aireada a una velocidad de 100 L/min. con aire filtrado y mantenido a una temperatura de 22–23 ° C.

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La concentración inicial de biomasa fue de 300 mg / L, obtenida por dilución 1:50 con el efluente AnMBR, y se mantuvo  el mismo protocolo de iluminación que para la etapa de cultivo.

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El efluente AnMBR se alimentó continuamente al MPBR a una velocidad tal que dio un HRT de 24 h  y una OLR de alrededor de 0.16 kgCOD / m3 / día, y operado a una SRT de 30 d.

El MPBR fue operado por períodos duplicados de 13 d.

La biomasa de algas recolectada se le adiciono un polímero de poliacrilamida para permitir que los sólidos de algas floculados se recojan por sedimentación. 

Resultados y discusión

AnMBR

El AnMBR eliminó > 97% de la DQO del agua de alimentación mientras generaba 4.7 ± 0.15 L / d de biogás en promedio con un contenido de metano del 64% (Fig. 2). Esto equivale a 0.3–0.5 L de biogás y un promedio de 0.19 L de metano por g de DQO eliminado, algo más de la mitad del potencial máximo teórico de 0.35 L de CH4 / g de DQO.

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El valor de producción de metano es algo mayor que el esperado de la digestión anaeróbica de lodo primario o secundario primario o mixto debido al alto contenido de carbono orgánico fácilmente biodegradable de las aguas residuales sintéticas. La cifra equivale a una tasa de producción de energía de 2.4 kWh / kg DQO por día

El AnMBR produjo efluentes que contenían concentraciones de NH4 + y PO4 3− que eran respectivamente 1.9 y 1.4 veces las del influente. Las concentraciones aumentaron gradualmente con el tiempo (Fig. 3), lo que refleja la bioquímica anaeróbica predominante relativamente lenta.

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MPBR

La concentración de biomasa de algas varió de 450 a 700 mg / l durante los 12 días de operación, aumentando constantemente durante los primeros seis días antes de disminuir posteriormente (Fig. 4a).

La tasa de producción disminuyó de un valor inicial de ~ 140 mg / L / d a cero después de 8 días.

Es probable que esta disminución continua de la productividad se deba a la baja TRH de 24 horas empleada para el MPBR. Estudios previos de la misma especie de alga indican tiempos de retención superiores a dos días. También es el caso de que, como con el tratamiento regular de aguas residuales, la eliminación efectiva requiere un equilibrio de nutrientes, es decir, una relación C: N: P adecuada.

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Es posible que se logre un equilibrio con el carbono dirigiendo el biogás de la etapa AnMBR al MPBR, ya que esta corriente es rica en CO2. Sin embargo, esto provoca la acidificación de la biomasa de algas y la pérdida parcial del metano, que está parcialmente solubilizado.

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La disminución de la productividad se reflejó en los datos de eliminación de nutrientes (Fig. 4b), en particular para el amoníaco. Mientras que la eliminación de P se mantuvo por encima del 80% durante los primeros 11 días, la eliminación de N disminuyó constantemente de ~ 80 a ~ 65% durante el mismo período. Para ambos nutrientes hubo una disminución significativa en la eliminación el día 12.

Los datos de eliminación de nutrientes parecerían indicar una actualización continua de nutrientes por parte de la biomasa de algas mediante bioacumulación sin bioasimilación, ya que se esperaría que esta última sostenga el crecimiento.

La biomasa de microalgas se cosechó eficazmente del reactor dosificando con 36 mg / g de peso seco de polímero catiónico disponible comercialmente (Fig. 5). La dosificación a esta concentración recuperó el 80-90% de la biomasa como sólidos rápidamente sedimentables

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Conclusiones

Este estudio aún se encuentra en las primeras etapas, pero los resultados iniciales sugieren que:

  • un biorreactor de membrana sumergida anaeróbico (AnMBR) puede aprovechar efectivamente la energía latente de un agua residual de alta resistencia, logrando una producción de energía específica de 2.4 kWh / kg COD (alimentación)/d;
  • AnMBR puede eliminar constantemente el 97% de la concentración de DQO de alimentación para un agua residual que contiene carbono orgánico fácilmente biodegradable;
  • Los altos niveles de nutrientes en el efluente AnMBR, como resultado del metabolismo anaeróbico, pueden usarse potencialmente para el cultivo de microalgas en un fotobiorreactor de membrana aguas abajo (MPBR), pero se requiere la optimización de las condiciones de operación para garantizar que el proceso sea sostenible durante un período prolongado ;
  • La biomasa de algas se puede cosechar eficazmente, recuperando el 90% de la biomasa en promedio, utilizando polímeros catiónicos comerciales.

Se está trabajando en el plan de tratamiento, con el enfoque en optimizar el MPBR para crear un proceso viable de dos pasos para la recuperación de agua, energía y nutrientes.

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