Experimental studies on Microalgae cultivation in urban wastewater: nutrients removal, CO2 absorption, biomass harvesting and valorisation

Microalgal biotechnology has received more and more attention in recent years as an alternative method of conventional wastewater treatment process and as possible solution for carbon dioxide capture. Moreover, the algal biomass generated during wastewater treatment is regarded as exploitable resource. Although this technology is attractive, a number of obstacles need to be solved before large-scale applications. The main purpose of this work is to study some critical aspects linked to the sustainable microalgal production chain, such as biotic factors (light, nutrients supply), carbon dioxide utilization, lipids production and biomass harvest. A wastewater-autochthonous algal culture was used to treat raw urban wastewater in closed photobioreactors under different light intensities and nutrients supply. The best conditions for both biomass production and lipids accumulation resulted in low nutrients supply (~ 10 mg NH4+/L, ~ 6.5 mg PO43-/L) and high light intensity (100 µmol s-1m-2). The biomass autoflocculation was investigated at the end of the cultivation period, corresponding to the high pH values of the cultivation media. The highest biomass recovery of 72% was estimated for the lowest light intensity (20 µmol s-1m-2) and nutrients supply conditions. The same wastewater-autochthonous algal culture was further cultivated in an open system (200 L pilot-scale raceway pond), using urban wastewater as growth medium, to analyse its carbon dioxide capture potential, applying different gas input flowrates (0.2, 0.4 and 1.0 L/min). Biomass growth, inorganic carbon and nutrients absorption were also studied during the cultivation start-up and its semi-continuous feeding conditions. Low gas flowrates favoured the fixation of bio-available CO2, while higher gas flowrates favoured the CO2 absorption in the open system, corresponding also the highest microalgal productivity (28.3 g d-1m-2 at the gas flowrate of 1.0 L/min). The combined cultivation of microalgae and yeast was conducted in batch conditions and in the open system, with the final purpose of increase the total lipid concentration of the produced biomass. Urban wastewater was used as growth medium. Yeast growth was monitored only during the first days of the cultivation because of the low availability of easy assimilated organic substrates in the medium. Microalgae growth showed a 3 days long initial lag phase and a subsequent linear growth, during which nutrients were completely depleted with 2.9 mgN•L-1•d-1and 0.96 mgP•L-1•d-1 of removal rates. The cultivation induced a natural bactericidal and antifungal action at the end of the cultivation period (14 days). The highest lipids content was measured at the end of the cultivation (15% lipids/dry weight) and resulted mainly composed by arachidic acid. Bioflocculation was studied as harvesting technique since it is low cost and not toxic for the biomass. First, microalgae bioflocculation was studied through their interaction with filamentous cyanobacteria. The filamentous cyanobacteria were obtained by the cultivation of the wastewater-autochthonous algal culture in specific condition of light, temperature, growth media and cultivation mode. Microlagae and cyanobacteria were cultivated in synthetic media and in pre-filtered urban wastewater. Natural flocculation occurred for cyanobacteria and enhanced the microalgae harvesting which resulted trapped in cyanobacteria mats; anyway, the suspended microalgae limited the clarification of the growth media. Finally, the natural cyanobacteria flocculation-tendency was further investigated applying two different mixing systems (air bubbles and shaking moment) and different initial biomass concentrations. Results showed a better flocculation performance in case of air bubbles mixing and with high initial biomass concentration. Moreover, the best condition for the natural biomass settling corresponded to the end of the biomass exponential growth state.

Le biotecnologie microalgali hanno ricevuto sempre più attenzione negli ultimi anni come metodo alternativo ai convenzionali processi di trattamento delle acque reflue e come possibile soluzione per la cattura dell’anidride carbonica (CO2). A ciò si aggiunge la possibilità di valorizzare ulteriormente la biomassa microalgale prodotta. Sebbene si tratta di una tecnologia attraente, prima della sua applicazione a larga scala, bisogna risolvere una serie di ostacoli. La principale finalità di questo lavoro consiste nello studio di alcuni aspetti critici legati alla produzione sostenibile di microalghe, relativi a fattori biotici (luce, carico di nutrienti), utilizzo della CO2, produzione di lipidi e raccolta della biomassa. Una policoltura algale, costituita principalmente da cianobatteri e microalghe (Chlorella sp., Scenedesmus sp.) è stata coltivata in un refluo urbano non pretrattato in fotobioreattori sottoposti a diverse luminosità e carico di nutrienti. Lo studio ha portato ad identificare le migliori condizioni per la produzione di biomassa e l’accumulo di lipidi, nel minore carico di nutrienti (~ 10 mg NH4+/L, ~ 6.5 mg PO43-/L) e nella più alta luminosità (100 µmol s-1m-2). Il maggiore recupero della biomassa, corrispondente al 72% è stato riscontrato per la più bassa luminosità testata (20 µmol s-1m-2) ed il più basso carico di nutrienti al termine del periodo di coltivazione. La stessa policoltura è stata coltivata in un sistema aperto (vasca pilota da 200 L), in acqua reflua urbana, al fine di analizzarne la potenzialità di catturare CO2, applicando diversi flussi di gas in ingresso (0.2, 0.4, 1 L/min). La crescita della biomassa, l’assorbimento di carbonio inorganico e di nutrienti sono stati analizzati durante la fase di avviamento della coltivazione ed in condizioni di alimentazione in semi-continuo. I più bassi flussi di gas hanno favorito la fissazione della CO2 biodisponibile, mentre i flussi più alti di gas hanno favorito l’assorbimento totale della CO2 nel sistema aperto, in corrispondenza della maggiore produttività microalgale (28.3 g d1m-2 al flusso di 1.0 L/min). Una coltivazione combinata di microalghe e lieviti è stata condotta in condizioni batch in acqua reflua urbana, nel sistema aperto, al fine di incrementare l’accumulo di lipidi totali nella biomassa. L’accrescimento dei lieviti è stato riscontrato solo nel corso dei primi giorni di coltivazione poiché limitato dalla scarsa disponibilità di substrati organici facilmente assimilabili. L’accrescimento microalgale è stato caratterizzato da tre giorni iniziali di latenza e dalla successiva crescita lineare, durante la quale le concentrazioni di azoto (N) e fosforo (P) sono state ridotta ai tassi di 2.9 mgN•L-1•d-1 e 0.96 mgP•L-1•d-1. La concentrazione di lipidi è stata monitorata durante il periodo di coltivazione, raggiungendo il tasso maggiore al termine del periodo di coltivazione (15% lipidi/peso secco) e risultando principalmente costituiti da acido arachidico. La bioflocculazione è stata studiata quale tecnica di raccolta delle microalghe analizzando le interazioni con cianobatteri filamentosi. Detti cianobatteri sono stati ottenuti dalla coltivazione della policoltura algale in specifiche condizioni di luce, temperatura, liquido e tecnica di coltura. Microalghe e cianobatteri sono stati coltivati in liquido sintetico ed in acqua reflua urbana pre-filtrata. I cianobatteri hanno mostrato una naturale tendenza flocculante favorendo l’agglomerazione nei fiocchi di parte delle microalghe in sospensione. La tendenza flocculante dei cianobatteri è stata, successivamente, analizzata utilizzando due sistemi di coltura (bolle d’aria e momento rotante) e diverse concentrazioni iniziali di inoculo. I risultati hanno mostrato una migliore capacità flocculante nel caso di miscelazione mediante bolle d’aria e con più alte concentrazioni iniziali di biomassa. Infine, la migliore condizione per la sedimentazione spontanea della biomassa è stata ottenuta al termine della fase di crescita esponenziale.