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Tratamiento de Aguas
Residuales y Biogás con
Microalgas
Raul Muñoz Torre
Dpto. Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente
Universidad de Valladolid
El potencial de la Biotecnología Algal
en Tratamiento de la Contaminación
Eliminación
Metales
Pesados
Test
Toxicidad
Oxidación
contaminantes
orgánicos
Biotecnología
Algal
Captura de CO2
Eliminación
de
Nutrientes
Tratamiento de Aguas Residuales
Agro-industriales en el Siglo XXI
Tratamiento
Tratamiento ¿Existe espacio para
Anaerobio
Aerobio la implementación de
Procesos de oxidación
avanzada
fotobiorreactores en
en el Tratamiento de
aguas del siglo XXI?
Oxidación en
Agua Supercrítica
Lagunas de estabilización
El Binomio Agua-Energía
TRATAMIENTO
SISTEMAS DE
DE AGUAS Y
MICROALGAS
RESIDUALES
BACTERIAS
ENERGÍA
ENERGÍA
VERDE
Biomasa de
Microalgas
¿Energía verde a partir de microalgas?
Estimación
de Costes de Producción
Producción de
Biogas
 microalgas
Cultivos de 1 ha con Tecnología
Actual  10 € /kg
 Cultivos de 100 ha con Tecnología
Actual  4 € /kg
Biodiesel
 Optimización del cultivo  0.4 € /kg
 Todavía muy cara para su empleo
como materia prima para la producción
¿Cuanto cuesta esta biomasa?
de bioenergía
Bioetanol
Norsker et al. (2011). Microalgal production- a close look at
economics, Biotechnology Advances 29: 24-27
A día de hoy la energía verde pasa por el
tratamiento de aguas residuales
Alta producción biomasa algal
+
Bajo consumo energetico
Producción neta de energía
TRATAMIENTO
SISTEMAS DE
DE AGUAS Y
MICROALGAS
RESIDUALES
BACTERIAS
Aplicaciones de microalgas en
tratamiento de aguas residuales
En simbiosis con
bacterias
Ganaderas
Metabolismo
Autotrófico
Metabolismo
heterotrófico
Digestatos
N, P
 Vacuno
 Porcino
 Metales pesados
 Papeleras
 Fenólicos
 Colorantes
 Organonitrilos
 Acetato
 Glucosa
 Cresol
 Fenol
 Naftaleno
 Fenantreno
 Colorantes Nitrogenados
Microalgas en el tratamiento de aguas
industriales con metales pesados
 Mecanismos Pasivos: rápidos, reversibles,
asociados a pared celular
 Mecanismos Activos: requieren energía,
introducen el metal en la célula
Ciclo de oxigenación fotosintética en
tratamiento de aguas residuales
CO2
NO3C
DOC
N
NH4+
P
PO43-
Bacteria
Microalgas
Biomass
Ventajas
Desventajas
O2
Ciclo de oxigenación fotosintética en
tratamiento de aguas residuales
Interacciones Complejas
Aumento de T
Aumento de pH
Aumento de OD
Bactericidas
Algicida
Microalgas
Materia extracelular
Bacterias
Promotores de Crecimiento
Potencial de la oxigenación
fotosintética
26
galgas m-2 d-1
39-49
g O2 m-2 d-1
130-164
g O2 m-3 d-1
+
Aireación atmosférica
15 g O2 m-2 d-1
Agua residual de carga media (DBO  200 g O2 m-3)
Tiempo Hidraúlico de Residencia 1- 2 día
Potencial de la oxigenación
fotosintética
Para un HRAP de 0.3 m y 1.9 g O2 galgae -1
0.14 kg DBO m-3 d-1
0.21 kg DBO m-3 d-1
0.28 kg DBO m-3 d-1
0.42 kg DBO m-3 d-1
0.35 kg DBO m-3 d-1
Lodos activos: 0.2 - 1 kg DBO m-3 d-1
(Tredici 2010)
Implementación a gran escala
• Canales 3-10 metros
• Tubos de 3-12 cm diámetro
• Longitud /anchura: 40/1
• Longitud 10-100 m
• Profundidad 10-40 cm
• Areas: 1500-5000 m2
☺ Menores costes de inversión
(10-30 € m-2).
☺ Mayores
productividades
(0.7-1 g l-1 dia-1)
☺Menores costes de operación
(3-5 veces menores)
☻Altos costes de inversión
(>100 € m-2).
☻ Menores productividades
(0.06-0.09 g l-1 dia-1)
☻ Ensuciamiento
☻ Altos costes de operación
Fotobiorreactores
Tratamiento de Aguas Residuales
¿Y se puede degradar cualquier
contaminante orgánico en
sistemas simbióticos?
Producción de O2 - Demanda de O2 > 0
Producción de
O2
Degradación
de
contaminante
10CO2 + 2NH4+ + 5H2O  2C5H8O2N + 2H+ + 10.5O2
1.05 mol O2 mol CO2-1
Tratamiento de Aguas Residuales
Demanda de O2 =
CH4
f ( Estado de oxidación del
C en el contaminante)
10 CH4 + 20 O2  10 CO2 + 20 H2O
5 CH4 + NH4+ + 4.75 O2  C5H8O2N + H+ + 20 H2O
1.65 mol O2 mol CH4-1 or 2.47 mol O2 mol CO2-1 > 1.05 mol O2 mol CO2-1
CH3OH
10 CH3OH + 15 O2  10 CO2 + 20 H2O
5 CH3OH + NH4+ + 2.25 O2  C5H8O2N + H+ + 7.5 H2O
1.15 mol O2 mol CH3 OH-1 or 1.72 mol O2 mol CO2-1 > 1.05 mol O2 mol CO2-1
C6H12O6
10/6 C6H12O6 + 10 O2  10 CO2 + 20 H2O
5/6 C6H12O6 + NH4+ + 0.25 O2  C5H8O2N + H+ + 7.5 H2O
0.68 mol O2 mol C6H12 O6-1 or 1.02 mol O2 mol CO2-1
Tratamiento de Aguas Residuales
Bahr y col. 2011. Appl. Microbiol Biot.
800
CH4 (g m-3)
CH3OH (g m-3)
CH4
150
100
50
CH4 + HCO3-
0
800
600
C6H12O6 (g m-3)
200
CH3 OH
400
CH3 OH + HCO3200
0
0
5
10
15
Tiempo (d)
Tiempo (d)
20
25
600
C6H12O6
400
C6H12O6
+
HCO3-
200
0
0
5
Tiempo (d)
Tiempo (d)
10
15
0
1
2
3
Tiempo (d)
Tiempo (d)
Figura: Ensayos de biodegradabilidad en lote de contaminantes con diferentes estados de oxidación.
Metano = -4; Metanol = -2 ; Glucosa = 0.
Sin aporte de O2 externo (o CO2) no es posible la
biodegradación de contaminantes muy reducidos
4
Potencial en la eliminación de
nutrientes
ELIMINACIÓN
ASIMILATORIA
• Nitrógeno  Proteína
• Fósforo  Material
genético y membranas
ELIMINACIÓN
ABIÓTICA
• Volatilización de NH3 en
HRAP: debido a los altos pH
NH4+ ↔ H+ +NH3
C106H181O45N16P
(Oswald, 1988)
• Precipitación de P a pH altos
en presencia de Ca2+
3 HPO42- + 5Ca2+ + 4OH- →
Ca5(OH)(PO4)3 + 3H2O
ELIMINACIÓN
DISSIMILATORIA
Nitrificación y Desnitrificación
simultánea en el floculo algabacteria a altas cargas
Potencial en la eliminación de
nutrientes
2.3
g N-NH4+ m-2 d-1
N=9%
26
g SST m-2 d-1
7.8
g N-NH4+ m-3 d-1
Agua Residual  40 g N m-3
HRT 5 días
P=1%
0.26
g PO43- m-2 d-1
3.5
g PO43- m-3 d-1
Agua residual  5 g P-PO4-3 m-3
HRT 6 días
¿Y en aguas industriales con bajo
contenido en nutrientes?
Digestión anaerobia para
recuperación de nutrientes!
Alcántara y col. (2013) Chem. Eng. J
C particulado
¿Y en aguas industriales con bajo
contenido en nutrientes?
C par
Hidrólisis de C del 55-60 %
CH4
CO2
C particulado
CO2 = 21 %
CH4 = 35 %
C par
CH4
CO2
60 % N
Alcántara y col. (2013) Chem. Eng. J
80 % P
Tratamiento de Aguas de Industria
Química
Iluminación continua
Ciclos luz/oscuridad 14/10
Acetonitrilo
Acetonitrilo
Biomasa
Biomasa
Muñoz y col. (2005) Wat Sci. Technol
Biodegradación de salicilato 1 g/l
Sistema de microalgas
y bacterias
Tratamiento de Aguas Ganaderas
Tratamiento de purines de cerdo
RE =70 %
RE =80 %
30 %
Nitrificación
De godos y col. (2009) Bior. Technol.
 Alta Biodiversidad
 Estructura de la comunidad bacteriana determinada por
condiciones estacionales y ambiental
 Filos dominantes: Verrucomicrobium, Firmicutes y
Proteobacteria (Resistentes a UV y bacterias formadoras
de flóculos)
Tratamiento de Aguas Domésticas
≈
¿Qué microalgas predominan en estos
sistemas?
Cargas
orgánicas
medias
 Euglena
 Oscillatoria
 Chlamydomonas
 Scenedesmus
 Chlorella
 Nitzschia
Top 10 Tolerancia a Contaminación orgánica
4
Nº de Géneros
Cargas
orgánicas
altas
3
2
1
0
(Palmer, 1969)
Algas verdes
Diatomeas
Flageladas
Cianobacterias
¿Cultivos de microalgas unialgales en
HRAPs tratando aguas residuales?
Tratamiento de aguas ganaderas
Tratamiento de aguas domésticas
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
I
II
III
Fig. 5: Dynamics of microalgae population in percentage of number of cells in (a)
HRAP 1, and (b) HRAP 2.
Chlamydomonas,
Microspora,
Chlorella,
Nitzschia,
Achnanthes,
Protoderma,
Selenastrum,
Oocystis,
Ankistrodesmus.
De godos y col. (2009)
García y col. (2000)
MANTENER UNA COMPOSICIÓN DE BIOMASA CONSTANTE EN EL TIEMPO
PARECE DIFICIL !!
Limitaciones del tratamiento de
aguas residuales
EVAPORACIÓN
Pérdidas de agua
0.3-0.4 m3 / kgalga
INHIBICIÓN
 NH3 en HRAP debido a los
altos pH
NH4+ ↔ H+ +NH3
e.j 30 mg NH4+ /l y pH = 8
Disminución rendimiento
depuración
 ≈10 % agua de carga baja
 Tóxicos orgánicos: menor
tolerancia que bacterias
 ≈13 % agua de carga media
e.j. Chlorella < 3 mg PCP/l
 ≈21 % agua de carga alta
Lodos activos < 30 mg PCP/l
Limitaciones del tratamiento de aguas
residuales
Flotación
Altos
Flujos
Eliminaciones 85 %
Biomasa
de
Concentración
0.01 5 %
bajo
coste volumétricas × 10
Cargas
 Clarificadores operan a cargas volumetricas 10
veces menos que con lodos activos
FOTOBIORREACTORES DE BIOPELÍCULA
☺ Efluentes
biomasa
Inhibición
Bajas
Pobre
cosechado
µ
Biopelícula
libres
de
☺ Retención de biomasa
☺ Protección
Inhibición
frente
a
FOTOBIORREACTORES DE BIOPELÍCULA
Tratamiento de aguas ganaderas
 Volumen 8 L
 HRT = 7 días
 Dilución del agua residual 8, 4, 2 y 1
 Chlorella sorokiniana + lodo activo
Eficiencia
PO43- en
PO43- sal
De godos y col. (2008) Appl. Microb. Biot.
Jugando con Balances de Materia y Energía
Es posible diseñar Estaciones de Tratamiento de
Aguas Residuales energéticamente sostenibles?
ENERGÍA
Materia Prima
PLANTA DE
TRATAMIENTO
Producto
AGUA
AGUA RESIDUAL
Sub-productos y Residuos
Biogás y Biosólidos
CASO PRÁCTICO: Granja de Cerdos, 10000 cabezas,
2.5 m3/cabeza/año, 30 g DQO/L
El potencial de los sistemas de microalgas y
bacterias en el tratamiento de aguas
Balances de Materia
Balances de energía
 T primario  30 % DQO
 Potencial  3.97 wh gDQO-1
 Eficacia proceso  90 % DQO
 Consumo  1.75 wh gDQO-1
 YX/S  0.45 g DQO/g DQOeliminada
 D anaerobia  45 % DQO
 P biogás  0.35 L CH4 gDQO-1
 R. eléctrico  0.35
(OPTI, 2010)
Déficit energético
1053 Mwh año-1
Coste: 1,900,000 Pesos año-1
El potencial de los sistemas de microalgas y
bacterias en el tratamiento de aguas
Balances de Materia
Balances de energía
 T primario  30 % DQO
 Potencial  3.87 wh gDQO-1
 YX/S  1 g DQO/g DQOeliminada
 Consumo  0.184 wh gDQO-1
 D anaerobia  35 % DQOalgas
 P biogás  0.35 L CH4 gDQO-1
 R. eléctrico  0.35
Déficit energético
-212 Mwh año-1
Beneficio 381.000 Pesos año-1
El potencial de los sistemas de microalgas y
bacterias en la depuración de aguas
Balances de Materia
Balances de energía
 Potencial  3.87 wh gDQO-1
 YX/S  0.1 g DQO/g DQOeliminada
 Consumo  0.367 wh gDQO-1
 D anaerobia  65 % DQOPURIN
 P biogás  0.35 L CH4 gDQO-1
 R. eléctrico  0.35
 Eliminación N  1.5 kwh kgN-1
Déficit energético
-212 Mwh año-1
Beneficio 355,000 Euros año-1
Tratamiento de Biogás con Microalgas
CH4 50-75 %
CO2 50-25%
H2S 0 - 2 %
H2S
 Altamente Corrosivo
 Tóxico
 Malos Olores
CO2
CH4
 Mayores Costes de
Transporte
 Liberación deCO2
 Menor del contenido
específico de energía
Tratamiento de Biogás con Microalgas
• - Costes de operación ↑↑
• - Operación Peligrosa
• - Costes de operación ↑↑
• - Más I+D
• + Costes de operación ↓
• + Producción de
biomasa reutilizable
• - More R&D needed
Tratamiento de Biogás con Microalgas
EN LA FUENTE
 No es realista
Eliminación de S
en la Fuente
(1)
Compuestos-S
DIGESTOR ANAEROBIO
CH4/CO2
H2S
(2) FINAL DE TUBERIA
 Más Establecida
 Tratamientos FisicoQuímicos
 Tratamientos biológicos
Sulfuro
(3) A NIVEL DE PROCESO
 Inhibidores selectivos de
sulfato reductoras
 Aumentar el pH
 Precipitatión de S
 Microaerobio
O2-free CH4 (g)
Tratamiento de Biogás con Microalgas
Treated
Water
SO42- (L)
O2 (L)
H2S (L)
CH4 (g)
CO2 (g)
H2S (g)
CO2 (L)
Microalgae
Biomass
Wastewater
Tratamiento de Biogás con Microalgas
 HRAP 180L
 50 cm (0.6 L) Columna de Absorción
Externa
 Iluminación continua: 80 µE/m2/s
 Agitación por paletas: 10 rpm.
 Biogas (CO2 30 %, H2S 500 – 5000
ppmv)
 Flujo de biogás: 20 ml /min
 Recirculación del cultivo: 20 ml/min
Alimentacion: 0-251 d MSM, 251-510
Efluentes anaerobios
Tratamiento de Biogás con Microalgas
 Eliminación de H2S: 100 %
 Eliminación de CO2: 90 % con MSM, 40 % Efluentes anaerobios
 [O2] salida del biogás aumenta con la recirculación
Raul Muñoz: [email protected]
Más información:
www.iqtma.uva.es/envtech
http://etuva.blogspot.com.es/