Microalgae-based wastewater treatments: review and integration within a real context

This thesis work focuses on the application and integration of microalgae-based wastewater treatment to municipal wastewater treatment plants. The choice of the topic is related to the worldwide renewed awareness over various environmental concerns that need to be addressed, mainly linked to water scarcity and its pollution, climate change and world energy demand. Microalgae-based wastewater treatments fit perfectly in the innovative approach to wastewater that changes the wastewater paradigm from environmental problem to nutrients and energy resource: exploiting nutrients rich wastewater streams to grow microalgae, that are subsequently sent to Anaerobic Digestion or used as fertilizers, closing the cycle with the reuse of nutrients rich digestate again for microalgae cultivation. This thesis work features a first section dedicated to describing microalgae main characteristics, a second section dedicated to state of the art regarding microalgae and wastewater treatments, a third section dedicated to the integration of microalgae treatments in the sludge treatment line, with description and results of a pilot microalgae reactor, and a scenario analysis implementing literature information and experimental data from the previous sections. Literature review confirmed the applicability of the microalgae-based wastewater treatment. Results of the experimental phase are satisfying, with an average ammonium removal of 85% and phosphorous removal of 70% from June to mid-September. In terms of biomass specific production there’s anyway room for improvement, being it’s average the 50% of the potential productivity. Results of the assessment instead underline the need of either higher flow and nutrients load, or the study of the reactor performances with a longer Hydraulic Retention Time, to exploit higher surface to obtain a higher biomass production. If that is obtained, main advantage for the wastewater treatment plant seems to be a reduction in the aeration needs, decreasing the stoichiometric oxygen needs of an average of 1%.

L’elaborato si inserisce in un più ampio lavoro di ricerca volto alla comprensione, applicazione ed ottimizzazione dei trattamenti delle acque reflue tramite microalghe. Il lavoro di ricerca si inserisce a sua volta nel quadro dell’“economia circolare”, applicata alle acque reflue. Le microalghe sono ricche di nutrienti, nello specifico Azoto e Fosforo, fondamentali all’agricoltura. La coltivazione intensiva ha portato ad un impoverimento delle riserve di nutrienti, in particolare di fosforo, di cui si prevede un esaurimento nei decenni a venire. Il consumo di nutrienti si aggiunge ad un depauperamento delle risorse idriche ed un incremento dei fabbisogni energetici: conseguente è la necessità di ridurre gli sprechi delle risorse idriche e di nutrienti, così come la definizione di nuove fonti energetiche. In questo contesto si inseriscono le microalghe: coltivate sui reflui derivanti da diverse unità di processo all'interno dell'impianto di trattamento delle acque reflue, ne sfruttano così i nutrienti e l’acqua, e possono poi essere utilizzate come fertilizzanti a lento rilascio o come biomassa per la produzione di biogas. E’ evidente il cambio di paradigma relativo alle acque reflue: da problema, a risorsa. La prima parte di questa tesi è dedicata ad una descrizione generale delle microalghe e delle loro caratteristiche, a cui segue una review dello stato dell’arte relativo alle applicazioni delle microalghe al trattamento delle acque reflue. La seconda parte è invece dedicata all’attività di ricerca sul campo, condotta presso l’impianto di trattamento delle acque reflue di Bresso-Niguarda e presso l’Università di Milano Bicocca. La terza parte presenta invece una valutazione, sulla base dei dati sperimentali presentati nella sezione precedente, dell’integrazione di un reattore raceway per la coltivazione delle microalghe sul centrato, nel contesto dell’impianto di trattamento delle acque reflue di Bresso-Niguarda.