Modelling of microalgae-bacteria consortia for wastewater treatment

Resumen

La demanda de agua limpia ha estado en continuo crecimiento en el último siglo y se espera que aumente aún más durante las próximas décadas. Este incremento es debido al aumento de la población mundial, asociado con el incremento del consumo individual de agua y el rápido desarrollo de la agricultura intensiva, la industrialización y la urbanización. Además, la descarga de efluentes con altas concentraciones de nutrientes y materia orgánica promueve procesos de eutrofización en las reservas de aguas naturales, ayudados en gran medida por el aumento de las temperaturas oceánicas globales. En Europa, la Directiva del Consejo 91/271/EEC regula el tratamiento de aguas residuales urbanas para proteger el medio ambiente, estableciendo diferentes límites de descarga de efluentes en cuanto a la demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno (N) y fósforo (P). Para garantizar estos estándares, diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales tanto físicos como químicos o biológicos se han implementado con éxito en todo el mundo, cada uno con sus ventajas y limitaciones. En las plantas de tratamiento de aguas residuales, el tratamiento más empleado es el proceso de fangos activados. A pesar de las altas tasas de eliminación de DQO, N y P obtenidas por los procesos de lodos activados, la aireación, los tiempos de mezcla y los reactivos necesarios para llevar a cabo el proceso siguen causando altas demandas de energía y elevados costos operativos. Las pérdidas potenciales de nutrientes y las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, NOx, CH4) también se plantean como las principales desventajas de los tratamientos convencionales. Para superar estos inconvenientes, se ha propuesto como solución sostenible el tratamiento de aguas residuales mediante consorcios de microalgas-bacterias. Esta tecnología aprovecha la luz solar renovable, minimiza la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera y permite la recuperación de nitrógeno y fósforo a la vez que se generan bioproductos de alto valor añadido a partir de la biomasa generada. En los consorcios microalgas-bacterias tienen lugar múltiples interacciones entre las microalgas y los distintos grupos de bacterias presentes en las aguas residuales y en el medioambiente. Estas interacciones son dinámicas y están determinadas por las variables ambientales y operacionales en las que se desarrollan. Factores como la composición de las aguas residuales o la disponibilidad de nutrientes, junto con la disponibilidad de luz, son críticos para determinar el crecimiento específico de microalgas y bacterias. Otros parámetros que también juegan un papel relevante son el pH, la temperatura y las concentraciones de oxígeno disuelto. Además, estas interacciones determinan el éxito de los procesos porque permiten la eliminación de los sustratos presentes en las aguas residuales. Así, conocer las interacciones microbianas en los sistemas microalgas-bacterias es fundamental para controlar y maximizar el rendimiento y la eficacia de estos sistemas. Por ello, en este trabajo se ha desarrollado un modelo matemático como potente herramienta para evaluar las principales poblaciones microbianas que aparecen en el tratamiento de aguas residuales con microalgas, así como la dinámica de los compuestos que en ellas se encuentran. Para desarrollar dicho modelo matemático, se adaptaron las técnicas tradicionales de respirometría para evaluar los organismos fotoautótrofos, dando lugar a la foto-respirometría, que permite eestimar tanto las actividades bacterias como la de microorganismos productores de oxígeno. Se aplicó la foto-respirometría para determinar la influencia de variables ambientales (luz, temperatura, pH y oxígeno disuelto) y operacionales (disponibilidad de nutrientes) en la actividad de microalgas, bacterias heterótrofas y bacterias nitrificantes. Estos datos fueron esenciales para determinar los parámetros cinéticos correspondientes a cada población, lo que permitió desarrollar un modelo biológico para los consorcios microalgas-bacterias que aparecen en los procesos de tratamiento de aguas residuales. Los parámetros cinéticos, junto con los datos reales del cultivo de microalgas-bacterias permitieron desarrollar, calibrar y validar un modelo matemático, denominado modelo ABACO, a escala de laboratorio utilizando aguas residuales reales. El modelo ABACO fue desarrollado utilizando el software MATLAB y está disponible como una herramienta de descarga que permite evaluar la influencia de cada variable ambiental y operacional en las poblaciones de microalgas y bacterias. La última fase de desarrollo de la Tesis consistió en la mejora del modelo biológico distinguiendo dos poblaciones diferentes dentro del grupo de los nitrificantes. Además, los parámetros cinéticos para las poblaciones de bacterias se determinaron nuevamente utilizando una nueva metodología de respirometría aplicada al cultivo de microalgas-bacterias producido con digestato proveniente de una digestión anaeróbica en lugar de aguas residuales primarias. Los datos experimentales obtenidos se ajustaron con las ecuaciones correspondientes para obtener los parámetros cinéticos que se pueden utilizar para mejorar el modelo ABACO en trabajos futuros.