Evaluating algae biomass productivity and nutrient dynamics in a raceway pond system

Abstract

En el context de la creixent urbanització i el canvi climàtic, les plantes de tractament d'aigües residuals (PTAR) s'enfronten a desafiaments significatius, incloent-hi la necessitat de millorar l'eliminació de nutrients i la mitigació de gasos d'efecte hivernacle. Aquest estudi se centra en el cultiu de microalgues en un reactor tipo “Raceway Pond” alimentat amb digestat i CO₂ procedent de la millora del biogàs, en el marc del projecte Biomethaverse a la planta de tractament d'aigües residuals Bresso-Niguarda a Milà. L'objectiu va ser quantificar la productivitat de la biomassa de microalgues i l'eliminació de nutrients a escala pilot, mentre es van explorar les dinàmiques del nitrogen al reactor i la valorització de la biomassa de microalgues mitjançant nanopartícules de ferro basades en microalgues (ME-nFe) per a l'adsorció de contaminants. La productivitat de les microalgues va ser de 9 ± 7 g de SST m⁻² d⁻¹, amb un creixement significatiu a partir de maig. La comunitat, dominada per Scenedesmus sp., Chlorella sp. i Synechocystis sp., va canviar en el temps. Les eficiències d'eliminació de nitrogen (N-NH₄⁺) i fòsfor (P-PO₄³⁻) van assolir un 86% ± 14% i un 74% ± 18%, respectivament, tot i que no es va aconseguir una nitrificació completa. Assolint una distribució del nitrogen d’un 45% implicat en la nitrificació, un 22% en assimilació microbiana, un 20% en “stripping” i un 13% retingut al sistema. Les nanopartícules ME-nFe van presentar una àrea superficial de 117 m²·g⁻¹ amb macropors (42%) i mesopors (38%) equilibrats, millorant la seva capacitat d'adsorció. La cinètica d'adsorció va seguir un model de pseudo-segon ordre (R² = 0.978) amb una capacitat de 7.097 mg/g, mentre que la isoterma de Temkin (R² = 0.979) va ser la que millor es va ajustar, seguida del model de Langmuir (R² = 0.960), que va indicar una capacitat màxima d'adsorció de 23.325 mg/g. Les microalgues van mostrar preferència pel consum d'amoni en lloc de nitrat.

En el contexto de la creciente urbanización y el cambio climático, las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) enfrentan desafíos significativos, incluyendo la necesidad de mejorar la eliminación de nutrientes y la mitigación de gases de efecto invernadero. Este estudio se centra en el cultivo de microalgas en un reactor tipo “Raceway Pond” alimentado con digestato y CO₂ procedente de la mejora del biogás, en el marco del proyecto Biomethaverse en la planta de tratamiento de aguas residuales Bresso-Niguarda en Milán. El objetivo fue cuantificar la productividad de la biomasa de microalgas y la eliminación de nutrientes a escala piloto, al mismo tiempo que se exploran las dinámicas del nitrógeno en el reactor y la valorización de la biomasa de microalgas mediante nanopartículas de hierro basadas en microalgas (ME-nFe) para la adsorción de contaminantes. La productividad promedio de las microalgas fue de 9 ± 7 g de SST m⁻² d⁻¹, con un crecimiento significativo a partir de mayo. La comunidad, dominada por Scenedesmus sp., Chlorella sp., y Synechocystis sp., cambió en el el tiempo. Las eficiencias de eliminación de nitrógeno (N-NH₄⁺) y fósforo (P-PO₄³⁻) alcanzaron un 86% ± 14% y un 74% ± 18%, respectivamente, aunque no se logró una nitrificación completa, alcanzando una distribución del nitrógeno de un 45% involucrado en la nitrificación, un 22% en la asimilación microbiana, un 20% en “stripping” y un 13% retenido en el sistema. Las nanopartículas ME-nFe presentaron un área superficial de 117 m²·g⁻¹ con macroporos (42%) y mesoporos (38%) equilibrados, mejorando su capacidad de adsorción. La cinética de adsorción siguió un modelo de pseudo-segundo orden (R² = 0.978) con una capacidad de 7.097 mg/g, mientras que la isoterma de Temkin (R² = 0.979) fue la que mejor se ajustó, seguida del modelo de Langmuir (R² = 0.960), que indicó una capacidad máxima de adsorción de 23.325 mg/g. Las microalgas mostraron preferencia por el consumo de amonio sobre el nitrato.

In the context of increasing urbanization and climate change, wastewater treatment plants (WWTPs) face significant challenges, including the need for improved nutrient removal and greenhouse gas mitigation. This study focuses on the cultivation of microalgae in a raceway pond fed with digestate and CO2 from biogas upgrading, within the framework of the Biomethaverse project at the Bresso-Niguarda wastewater treatment plant in Milan. The objective was to quantify microalgal biomass productivity and nutrient removal at pilot scale while exploring nitrogen dynamics in the raceway and the valorization of the microalgae biomass through microalgal-based iron nanoparticles (ME-nFe) for pollutant adsorption. Microalgae productivity averaged 9 ± 7 g TSS m-2 d-1, with significant growth starting in May. The community, dominated by Scenedesmus sp., Chlorella sp., and Synechocystis sp., shifted over time. Nitrogen (N-NH4+) and phosphorus (P-PO43-) removal efficiencies reached 86% ± 14% and 74% ± 18%, respectively, though complete nitrification was not achieved, with nitrogen distribution showing 45% involved in nitrification, 22% in microbial assimilation, 20% in stripping, and 13% retained in the system. ME-nFe nanoparticles presented a surface area of 117 m2·g−1 with balanced macropores (42%) and mesopores (38%), enhancing their adsorption capacity. Adsorption kinetics followed a pseudo- second-order model (R2 = 0.978) with 7.097 mg/g capacity, while the Temkin isotherm (R2 = 0.979) provided the best fit, followed by the Langmuir model (R2 = 0.960), which indicated a maximum adsorption capacity of 23.325 mg/g. Microalgae showed a preference for ammonium over nitrate consumption.