Επεξεργασία λυμάτων με μικροφύκη σε διατάξεις προσκολλημένης βιομάζας

Abstract

The photosynthetic growth of microalgae requires light, CO2, water, and minerals. Microalgae have the ability to produce O2 and contribute to the reduction of the greenhouse effect. The most common method of cultivation is suspended culture, where the biomass is suspended in liquid and the final concentration of microalgae is relatively low. More specifically, the biomass concentration ranges from 0.1 to 1 g/L (i.e., 0.01 to 0.1%) (Johnson and Wen, 2010). Biomass harvesting is an extremely expensive process and is usually done through filtration, flotation, flocculation, sedimentation, and centrifugation, which are energy-intensive processes. The small size of the cells (2 to 40 µm) makes the harvesting process even more difficult (Lin-Lan et al., 2018). Biofilm cultures can overcome the high costs associated with harvesting the algae and have a productivity of 10 to 20% higher than that which can come from simple centrifugation. The purpose of this dissertation was the investigation of biofilm development and, more specifically, the examination of the physicochemical parameters that affect the adhesion of microalgae to various materials for wastewater treatment, with the ultimate goal of constructing a biofilm bioreactor with the most efficient materials. The reactor will have the capacity to treat wastewater, remove nitrogen, phosphorus, and organic material, and produce sufficient microalgal biomass for further utilization as an alternative energy source (biodiesel). or biopolymers such as lipids, total proteins, and carbohydrates. Regarding the selection of suitable microalgae support materials and the investigation of factors influencing biofilm growth, materials with different properties were selected: wettex, cork, cotton denim, stainless steel, rubber, geotextile, plexiglas, glass, plexiglas patterned in three different ways (plexiglas 1, 2 and 3) and glass reinforced with polymeric brass fibers and glass fibers. More specifically, all materials were cut in the form of coupons (7.4×2.4×0.1 cm, L×W×H) in horizontal or vertical orientation and placed in laboratory-scale tanks under continuous nutrient supply with an experimental period of 16 days. The strains of microalgae studied were Scenedesmus rubescens, Chlorococcum sp., Botryococcus braunii, Neochloris vigensis, and mixotrophic algae, which came from the tank of the wastewater treatment plant of the University of Patras campus at Rio. The physicochemical properties of the materials examined included the contact angle, surface energy, acid-base interactions, Lifshitz-van der Waals interaction forces, the point of zero charge, and the surface groups with ATR-FTIR (attenuated total reflection-fourier transform infrared spectroscopy). The various biochemical parameters examined were: pH, optical density (OD650), turbidity, anions (PO43--P, NO3--N), cell number, zeta potential, chlorophyll-a (chl-a), lipids, total proteins, and carbohydrates. The interaction of the biofilm of the examined microalgae with the surface of the coupons was captured by scanning electron microscopy (SEM) analysis. The results showed that the hydrophobicity of a material does not play a decisive role in adhesion, as hydrophobic microalgal strains adhered to hydrophobic materials and vice versa. Accordingly, contact angle, surface energy, or PZC, and surface groups do not appear to predict the adhesion performance of materials. Micropatterning does not enhance the performance of materials in terms of biomass production. The microalgae strain plays a decisive role in the attachment process, due to selectivity. Fibrous materials, visually, appear to be effective. However, this cannot be quantified as there is either loss of material due to biodegradation or corruption. However, the surfaces, despite the detachment, were again productive over time, during cultivation. Subsequently, a pilot-scale photobioreactor was constructed with two different support materials: plexiglas and wettex. The photoreactor is oriented vertically, and the surfaces are placed on an appropriate slope (20°) to support the microalgae. The reactor was evaluated for its effectiveness in nutrient (nitrogen and phosphorus) and organic material removal, as well as biomass production, through bacteria-microalgae symbiotic action in primary settled wastewater. The cycles of experiments for the bioreactor with wettex were two and lasted 50 d and 16 d, while the bioreactor with plexiglas lasted 42 d. The reactor performance was monitored by measuring the following parameters: pH, OD650, turbidity, NO3--N, total and soluble phosphorus (Total P and sTotal P), chemical oxygen demand (COD) and soluble COD (sCOD), ammonium nitrogen (NH3-N), total Kjeldahl nitrogen (TKN), lipids, total proteins, and carbohydrates. Both the plexiglas photobioreactor and the wettex photobioreactor were effective in removing NO3--N, NH3-N, TKN, Total P and COD from the wastewater, while when the recirculation rate was reduced, the efficiencies were even higher, and this was due to the longer contact period between the wastewater nutrient and the attached microalgae. In the plexiglas photobioreactor, during the second harvest, biofilm production was almost 42% higher than the first harvest. The lower recirculation supply, combined with not scraping the biomass at the end of the 1st harvest, were positive contributing factors. Microalgae have the ability to produce triglycerols (TAGs) and are considered a second-generation raw material in the production of biofuels, specifically biodiesel. The lipids of the microalgae Chlorococcum sp. (cultivated in secondary treated wastewater) and Scenedesmus rubescens (cultivated in BG 11-1/3 NO3-) were converted to methyl esters (biodiesel) via transesterification. Homogeneous catalysts H2SO4, NaOH were used in the one-step method and in a combination method using first NaOH and then H2SO4 (two steps). Subsequently, the biomass of Scenedesmus rubescens microalgae, cultivated in 1/3 NO3--BG 11, was examined. After extraction of the lipids, transesterification with biochar followed. The biochar was derived from malt roots, which were pyrolyzed at 850°C for 3 hours. Then, the performance of the modified biochar with H2SO4 1 N was also examined. The physicochemical properties of the catalyst were determined, and its ability to convert lipids into biodiesel was examined. Finally, the performance in the production of methyl esters from biochar catalysts, produced from malt spent rootlets, spent coffee grounds, and olive kernels, pyrolized at 400 and 850oC for 3 hours, was examined. In conclusion, the choice of the type of the catalyst depends on the FFA content of microalgae lipids. The variety of methyl esters highly depends on the type of microalgae species and their growth conditions. The catalyst from spent coffe grounds pyrolyzed at 400°C was found to be equally effective as H2SO4 and NaOH.

Η φωτοσυνθετική ανάπτυξη των μικροφυκών απαιτεί φως, CO2, νερό και ανόργανα άλατα. Tα μικροφύκη έχουν την ικανότητα να παράγουν οξυγόνο και να συντελούν στη μείωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Ο πιο συνήθης τρόπος καλλιέργειάς τους είναι οι αιωρούμενες καλλιέργειες, όπου η βιομάζα βρίσκεται σε αιώρηση μέσα στο υγρό, και η τελική συγκέντρωση των μικροφυκών είναι σχετικά χαμηλή. Πιο συγκεκριμένα, η συγκέντρωση της βιομάζας κυμαίνεται από 0,1 έως 1 g/L. Η συγκομιδή της βιομάζας είναι εξαιρετικά δαπανηρή διαδικασία και συνήθως γίνεται μέσω διήθησης, επίπλευσης, κροκίδωσης, καθίζησης και φυγοκέντρισης, που είναι διαδικασίες με υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Το μικρό μέγεθος των κυττάρων (2 έως 40 μm) κάνει την διαδικασία της συλλογής ακόμα πιο δύσκολη. Οι καλλιέργειες βιοφίλμ μπορούν να ξεπεράσουν το υψηλό κόστος, που σχετίζεται με την συγκομιδή των φυκών και να έχουν παραγωγικότητα, 10 με 20% παραπάνω από αυτήν, που μπορεί να προέλθει από απλή φυγοκέντριση. Το αντικείμενο της παρούσης διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση της ανάπτυξης βιοφίλμ, και πιο συγκεκριμένα η εξέταση των φυσικοχημικών παραμέτρων, που επηρεάζουν την προσκόλληση των μικροφυκών σε διάφορα υλικά για την επεξεργασία λυμάτων, με απώτερο σκοπό την κατασκευή ενός βιοαντιδραστήρα βιοφίλμ με τα πιο αποδοτικά υλικά. Ο αντιδραστήρας θα έχει την ικανότητα να επεξεργάζεται λύματα και να απομακρύνει άζωτο, φώσφορο, οργανικό υλικό, και να παράγει επαρκή βιομάζα μικροφυκών για περαιτέρω αξιοποίηση ως εναλλακτική πηγή ενέργειας (π.χ βιοντίζελ) ή βιοπολυμερή όπως είναι τα λιπίδια, οι ολικές πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Όσον αφορά στην επιλογή κατάλληλων υλικών υποστήριξης μικροφυκών και τη διερεύνηση παραγόντων, που επηρεάζουν την ανάπτυξη του βιοφίλμ, επιλέχθηκαν υλικά με διαφορετικά χαρακτηριστικά: wettex, φελός, βαμβακερό τζιν, ανοξείδωτος χάλυβας, καοτσούκ, γεωύφασμα, plexiglas, γυαλί, plexiglas χαραγμένα με τρεις διαφορετικούς τρόπους (plexiglas 1, plexiglas 2 και plexiglas 3) και γυαλί ενισχυμένο με πολυμερικές ίνες ορείχαλκου και ίνες υάλου. Πιο συγκεκριμένα, όλα τα υλικά εξετάστηκαν με την μορφή κουπονιών (7,4×2,4×0,1 cm, Μ×Π×Υ) σε οριζόντιο ή κάθετο προσανατολισμό και τοποθετήθηκαν σε εργαστηριακής κλίμακας δεξαμενές, υπό συνεχή τροφοδότηση θρεπτικού, με πειραματική περίοδο 16 ημέρες. Τα στελέχη των μικροφυκών, που μελετήθηκαν ήταν τα Scenedesmus rubescens, Chlorococcum sp., Botryococcus braunii, Neochloris vigensis και μιξότροφα φύκη, που προήλθαν από δεξαμενή στην εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) του Πανεπιστημίου Πατρών. Όσον αφορά στα υλικά, εξετάστηκαν οι φυσικοχημικές ιδιότητες όπως είναι η γωνία επαφής, η ενέργεια επιφάνειας, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης οξέος-βάσεως (acid-base interactions), οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης Lifshitz-van der Waals, το σημείο μηδενικού φορτίου (point zero of charge) και οι επιφανειακές ομάδες με εξασθενημένη ολικής ανάκλασης - φασματοσκοπία υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (ATR-FTIR). Οι διάφορες βιοχημικές παράμετροι, που εξετάστηκαν ήταν το pH, η οπτική πυκνότητα (OD650), η θολερότητα, τα ανιόντα (PO43--P, NO3--N), ο αριθμός κυττάρων, το δυναμικό ζ, η χλωροφύλλη-α (chl-a), τα λιπίδια, οι ολικές πρωτεΐνες και οι υδατάνθρακες. H αλληλεπίδραση του βιοφίλμ των εξεταζόμεων μικροφυκών με την επιφάνεια των κουπονιών αποτυπώθηκε με ανάλυση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Από τις φυσικοχημικές παραμέτρους, που εξετάστηκαν, καμία δεν ξεχώρισε ως καθοριστική για την προσκόλληση των μικροφυκών. Τα καλύτερα υλικά σε θέμα προσκόλλησης ήταν το plexiglas και το wettex, ενώ η συνολική διαδικασία επηρεάζεται από διάφορες παραμέτρους ταυτόχρονα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υδροφοβικότητα ενός υλικού δεν παίζει καθοριστικό ρόλο στην προσκόλληση, καθώς υδρόφοβα στελέχη μικροφυκών προσκολλήθηκαν σε υδρόφοβα υλικά και το αντίστροφο. Αντίστοιχα, η γωνία επαφής, η επιφανειακή ενέργεια, ή το PZC, και οι επιφανειακές ομάδες φαίνεται να μην προβλέπουν την απόδοση των υλικών σε ό,τι αφορά στην προσκόλληση. Το micropatterning δεν ενισχυεί την απόδοση των υλικών σε ό, τι αφορά στη παραγωγή βιομάζας. Το στέλεχος των μικροφυκών παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαδικασία προσκόλλησης, λόγω εκλεκτικότητας. Tα ινώδη υλικά, οπτικά, φαίνονται να είναι αποτελεσματικά. Ωστόσο, αυτό δεν μπορεί να προσδιοριστεί ποσοτικά, καθώς είτε υπάρχει απώλεια υλικού λόγω βιοαποικοδόμησης, είτε φθοράς. Ωστόσο, Οι επιφάνειες, παρά την αποκόλληση, ήταν και πάλι παραγωγικές με την πάροδο του χρόνου, κατά την διάρκεια της καλλιέργειας. Στη συνέχεια, κατασκευάστηκε φωτοβιοαντιδραστήρας πιλοτικής κλίμακας με δύο διαφορετικά υλικά υποστήριξης, το plexiglas και το wettex. Ο φωτοαντιδραστήρας έχει κατακόρυφο προσανατολισμό και το πληρωτικό υλικό έχει τοποθετηθεί με κατάλληλο τρόπο υπό κλίση (20°) για την υποστήριξη των μικροφυκών. Ο αντιδραστήρας αξιολογήθηκε για την αποτελεσματικότητά του στο να αφαιρεί θρεπτικά (άζωτο και φώσφορο) και οργανικό υλικό καθώς και την παραγωγή βιομάζας μέσω της συμβιωτικής δράσης βακτηρίων-μικροφυκών για την επεξεργασία πρωτοβάθμια καθιζημένων λυμάτων. Οι κύκλοι των πειραμάτων για το βιοαντιδραστήρα με το wettex ήταν δύο, και διήρκησαν 50 και 16 d, ενώ για τον βιοαντιδραστήρα με plexiglas, ήταν ένας και είχε διάρκεια 42 d. Η παρακολούθηση της λειτουργίας του αντιδραστήρα έγινε με τον έλεγχο των παραμέτρων pH, OD650, θολερότητας, NO3--Ν, ολικού και διαλυτού φωσφόρου, ολικoύ χημικά απαιτούμενου οξυγόνου και διαλυτού χημικά απαιτούμενου οξυγόνου, αμμωνιακού αζώτου, ολικού αζώτου κατά Kjeldahl, λιπιδίων, ολικών πρωτεινών και υδατανθρακών. Οι φωτοαντιδραστήρες κρίθηκαν επιτυχείς ως προς την επεξεργασία των λυμάτων και αποδοτικοί σε ό,τι αφορά στην παραγωγή βιομάζας μικροφυκών. Τόσο ο φωτοαντιδραστήρας με plexiglas, όσο και ο φωτοαντιδραστήρας με wettex ήταν αποτελεσματικοί στην αφαίρεση ΝΟ3--Ν, ΝΗ3-Ν, ΤΚΝ, Τotal P και COD από τα λύματα, ενώ όταν μειώθηκε η παροχή ανακυκλοφορίας, οι αποδόσεις ήταν ακόμα μεγαλύτερες, και αυτό γιατί υπήρχε μεγαλύτερη περίοδος επαφής μεταξύ της θρεπτικής ουσίας των λυμάτων και των προσκολλημένων μικροφυκών. Στον αντιδραστήρα με plexiglas, κατά τη δεύτερη συγκομιδή, η παραγωγή του βιοφίλμ ήταν μεγαλύτερη κατά σχεδόν 42% σε σχέση με την πρώτη συγκομιδή. Η μικρότερη παροχή ανακυκλοφορίας, σε συνδυασμό με το ότι δεν αποξέστηκε η βιομάζα στο τέλος της 1ης συγκομιδής ήταν οι παράγοντες, που συνέβαλαν θετικά.Τα φύκη, έχουν την δυνατότητα να παράγουν τριαγλυκερόλες και να θεωρούνται ως δεύτερης γενιάς πρώτη ύλη στην παραγωγή βιοκαυσίμων και συγκεκριμένα παραγωγής βιοντίζελ. Μελετήθηκε η μετατροπή των λιπιδίων του μικροφύκους Chlorococcum sp. (καλλιεργημένο σε δευτεροβάθμια επεξεργασμένα λύματα) και του Scenedesmus rubescens (καλλιεργημένο σε BG 11 με 1/3 ΝΟ3) σε μεθυλεστέρες (βιοντίζελ) μέσω μετεστεροποίησης. Χρησιμοποιήθηκαν ομογενείς καταλύτες H2SO4, ΝaOH με τη μέθοδο του ενός σταδίου και με μια συνδυαστική μέθοδο χρησιμοποιώντας αρχικά ΝaOH και στη συνέχεια H2SO4 (δύο στάδια). Η μέθοδος ενός σταδίου με H2SO4 είχε καλύτερα αποτελέσματα στην παραγωγή μεθυλεστέρων από τα λιπίδια του Chlorococcum sp., ενώ η μέθοδος δύο σταδίων αποδείχτηκε πιο παραγωγική αντίστοιχα, για τα λιπίδια του Scenedesmus rubescens. Στην συνέχεια, εξετάστηκε βιομάζα μικροφυκών Scenedesmus rubescens, καλλιεργημένη σε 1/3 ΝΟ3--BG 11. Ύστερα από την εκχύλιση των λιπιδίων ακολούθησε μετεστεροποιήση με απανθρακωμένο υλικό (biochar). Το biochar προήλθε από ριζίδια βύνης, που πυρολύθηκαν στους 850οC για 3 h, το οποίο στη συνέχεια τροποποιήθηκε με 1 N H2SO4. Προσδιορίστηκαν οι φυσικοχημικές ιδιότητες του καταλύτη και εξετάστηκε η ικανότητα του για μετατροπή των λιπιδίων σε βιοντίζελ. Το μη τροποποιημένο biochar έδωσε καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με τον τροποποιημένο καταλύτη. Τέλος, εξετάστηκε η απόδοση στη παραγωγή μεθυλεστέρων από καταλύτες biochar, που παρήχθησαν από ριζίδια βύνης, κόκκους καφέ και κουκκούτσια ελιάς, πυρολημένο στους 400oC και 850oC για 3 h Το biochar από κόκκους καφέ 400oC ήταν ο πιο παραγωγικός καταλύτης σε ό,τι αφορά στην ποσότητα των μεθυλεστέρων, που παρήχθησαν. Συμπερασματικά, η επιλογή του τύπου του καταλύτη εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε FFA στα λιπίδια των μικροφυκών. Η ποικιλία των μεθυλεστέρων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο των ειδών μικροφυκών και από τις συνθήκες ανάπτυξής τους. Ο καταλύτης από κόκκους καφές που πυρολήθηκαν στους 400οC βρέθηκε εξίσου αποτελεσματικός με τους ομογενείς καταλύτες H2SO4 και NaOH.