Microalgae-based wastewater treatment processes: Implementation in acuaculture sector and WWTP.
Keywords: 
Aquaculture.
Chlorella vulgaris.
Mathematical model.
Microalgae.
Nutrients.
Wastewater treatment.
WWTP.
Tetradesmus obliquus.
Protozoa.
Issue Date: 
2020
Defense Date: 
28-Jul-2020
Publisher: 
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra
Citation: 
TEJIDO NUÑEZ, Yaiza "Microalgae-based wastewater treatment processes: Implementation in acuaculture sector and WWTP." Aymerich, E. y Sancho, L. Tesis doctoral. Universidad de Navarra, Pamplona, 2020
Abstract
Sustainable Development Goals developed by the United Nations recognize that “ending poverty must go hand-in-hand with strategies that build economic growth and address a range of social needs including education, health, equality and job opportunities, while tackling climate change and working to preserve our ocean and forests” (United Nations, 2019). This can be faced from different strategies, but a common factor to some of them deal with the use, reuse and treatment of the water in a sustainable way. Additionally, microalgae biotechnology is of increasing importance and a central application concerns the treatment of wastewater. Taken all of this together, microalgae-based processes for wastewater treatment become a research field of great interest. In this regard, the present Thesis faced this challenge from two points of view: aquaculture wastewater treatment and urban wastewater treatment plants. The main objective of the present Thesis has been gaining deep knowledge on new sustainable technologies for wastewater treatment, developing new solutions based on microalgae. In order to achieve this objective, this Thesis is structured in two parts: a experimental part corresponding to microalgae-based aquaculture water treatment, which is described in Chapter 2 and Chapter 3; and a second part related to the development of mathematical models for enhancing the implementation of microalgae-based processes in urban wastewater treatment plants, described in Chapter 4 and 5. The suitability of microalgae-based wastewater treatment systems in aquaculture is studied at laboratory scale, being the main objective of this study evaluate how the quality of the water taken from an aquaculture system affected the growth rate and nutrient removal efficiency of two well-known microalgae strains. Going further, a co-cultivation of these two species of microalgae was carried out also for aquaculture water treatment, to develop a more reliable and robust treatment contrasted to monocultures. This approach was tested at laboratory-scale and then compared to a co-culture at pilot-scale in an open thin-layer photobioreactor. In order to determine the state-of-the-art of microalgae mathematical modelling a review has been carried out to define the weaknesses and strengths of current models. Amongst all models already developed, only a few number are integrated models although the integration of microalgae-based processes in plant wide models is paramount for spreading its implementation at full-scale. As a result of that, the implementation of a microalgae model in the already existing Plant Wide Model library (PWM) has been proposed. After that, a validation of the model is necessary to assure its correct use in model-based assessment of microalgae processes in WWTP. The Thesis concludes with a chapter gathering the most significant conclusions, bibliography consulted for its development, and an appendix that includes a detailed description of the mathematical modelling methodology used.
Los Objetivos de Desarrollo Sostenible desarrollados por las Naciones Unidas recogen que "poner fin a la pobreza debe ir de la mano de estrategias que desarrollen el crecimiento económico y aborden necesidades sociales, incluyendo la educación, la salud, la igualdad y las oportunidades laborales, al tiempo que se aborda el cambio climático y se trabaja para preservar los océanos y bosques” (United Nations, 2019). Estos objetivos pueden ser abordadodos empleando diferentes estrategias, siendo un factor común a parte de ellos el uso, la reutilización y el tratamiento del agua residual de manera sostenible. Asimismo, la biotecnología de microalgas es un campo de estudio cada vez más relevante, siendo una aplicación central del mismo el tratamiento de aguas residuales. Como resultado, los procesos basados en microalgas para el tratamiento de aguas residuales se han convertido en un campo de investigación de gran interés. En este sentido, la presente Tesis ha enfrentado este reto desde dos puntos de vista: el tratamiento de aguas residuales en la acuicultura y en las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas. El objetivo principal de la presente Tesis ha sido desarrollar un conocimiento sólido sobre nuevas tecnologías sostenibles para el tratamiento de aguas residuales, desarrollando nuevas soluciones basadas en el empleo de microalgas. Para lograr este objetivo, esta Tesis está estructurada en dos partes: una parte experimental correspondiente al tratamiento de aguas de acuicultura basado en microalgas, que se describe en el Capítulo 2 y el Capítulo 3; y una segunda parte relacionada con el desarrollo de modelos matemáticos para mejorar la implementación a escala industrial de procesos basados en microalgas en plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, descrito en los Capítulos 4 y 5. La idoneidad de los sistemas de tratamiento de aguas residuales basadas en microalgas en su empleo en acuicultura se ha estudiado a escala laboratorio, siendo el objetivo principal evaluar cómo la calidad del agua tratada de un sistema de acuicultura afecta a la tasa de crecimiento y a la eficiencia de eliminación de nutrientes de dos especies ampliamente conocidas de microalgas. Posteriormente, se utilizó un co-cultivo de estas dos especies de microalgas, también para el tratamiento de agua procedente de la acuicultura, para poder desarrollar un sistema de tratamiento más robusto en comparación con los monocultivos. Esta solución se testeó a escala de laboratorio y luego se comparó con un co-cultivo a escala piloto llevado a cabo en un fotobiorreactor abierto. Para determinar el estado del arte del modelo matemático de las microalgas, se ha realizado una revisión bibliográfica para definir las debilidades y fortalezas de los modelos desarrollados actualmente. Entre ellos, solo un pequeño número son modelos integrados, a pesar de que la integración de los procesos basados en microalgas en los modelos de planta completa es primordial para aumentar su implementación a gran escala. Para enfrentar este reto, se implementó un modelo matemático describiendo las transformaciones de las microalgas en la biblioteca de modelos Plant Wide Model (PWM) ya existente. Por último, es necesario realizar una validación del modelo desarrollado para asegurar su correcto funcionamiento para su uso en la evaluación de la implementación de estos procesos a escala industrial en estaciones depuradoras de aguas residuales. La Tesis concluye con un capítulo que recoge las conclusiones más significativas, la bibliografía consultada para su desarrollo y un apéndice que incluye una descripción detallada de la metodología de modelado matemático utilizada.

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