Integration of microalgae-bacteria treatment in the sludge line of a wastewater treatment plant. Pilot-scale testing

To ensure a sustainable development, new low environmental impact technologies have received much attention in the last few decades. This thesis was developed within the framework of the IMAP (Integration of microalgal based processes in wastewater treatment) project. This project focuses on the integration of a microalgal culturing unit within the sludge line in a conventional wastewater treatment scheme, with the main aim of improving the energy balance of the treatment process by fostering biogas production and reducing aeration costs. Specifically, microalgae are cultured on the liquid fraction of centrate that comes from biosolids dewatering. Microalgae exploit water and nutrients present in the centrate and would be harvested to be valorized through different applications, such as biogas production and nitrogen and phosphorous recovery. Within the IMAP project, the aim of this thesis was to study the management and optimization of a pilot-scale raceway reactor located at a wastewater treatment plant in the outskirts of Milan (IT) and fed on the liquid fraction of the centrate produced on-site from biosolid centrifuging. The research was conducted in collaboration with the University of Milano-Bicocca. To this purpose, two experimental campaigns were carried out. In the first experiment, the possibility to improve nutrient removal and biomass productivity by working with a biological retention time (BRT) lower than the hydrological retention time (HRT) was tested at lab-scale. It was found that the lower BRT did not ensure a higher performance of the process. Hence, these results were applied to select the operational condition to be applied to the pilot-scale raceway reactor which was operated with a coupled SRT/HRT. The results of the pilot-scale test demonstrated that the centrate can be a suitable medium for microalgae-bacteria consortia growth. More specifically, the following results were obtained: the algal biomass productivity was 2.6 gTSS/m2/d, on average; the Total Ammoniacal Nitrogen removal efficiency ranged between 75% and 99%; the phosphorous removal efficiency ranged between 60% and 90%. The statistical analysis confirmed the expected correlation between biomass productivity, some operational factors, and environmental parameters, such as irradiation and temperature. Although satisfactory results were obtained, further cost-benefit analysis needs to be carried out in order to demonstrate the overall techno-economical sustainability of this process.

Negli ultimi decenni, lo studio di nuove tecnologie a basso impatto ambientale è diventato di fondamentale interesse tra la comunità scientifica e il settore industriale, al fine di assicurare uno sviluppo sostenibile. In questa tesi viene analizzato un promettente processo di depurazione delle acque reflue basato sull’utilizzo di microalghe in consorzio con popolazioni batteriche. La tesi si inserisce nel progetto IMAP (Integration of microalgal based processes in wastewater treatment) volto a comprendere e valutare il trattamento microalghe-batteri applicato alle linea fanghi di un convenzionale impianto di trattamento delle acque reflue civili. Il principale obiettivo del progetto è quello di migliorare il bilancio energetico dell’impianto attraverso l’introduzione di questo innovativo processo, che permetterebbe una riduzione dei costi di aerazione e promuoverebbe la produzione di biogas. Le microalghe vengono coltivate sulla frazione liquida del digestato proveniente dalla disidratazione dei biosolidi della linea fanghi. Il consorzio microalghe-batteri è in grado di sfruttare l’acqua e i nutrienti presenti nel centrato. Al termine del trattamento la microalghe vengono separate dalla frazione solida per poter essere riutilizzate in diverse applicazioni, come la produzione di biogas e il recupero di azoto e fosforo. Nell'ambito del progetto IMAP, in questa tesi è stata studiata la capacità di crescita della popolazione microalghe-batteri e la loro efficacia nella rimozione del carico di azoto e di fosforo. Il lavoro, condotto in collaborazione con l'Università di Milano-Bicocca, si è sviluppato in due parti. Un primo esperimento, in scala di laboratorio, ha voluto testare la possibilità di migliorare la rimozione dei nutrienti e la produttività della biomassa lavorando con un tempo di ritenzione biologica (BRT) inferiore al tempo di ritenzione idraulica (HRT). I dati empirici hanno dimostrato che questa condizione non assicura una migliore prestazione del processo. Questi risultati sono stati poi applicati ad una secondo esperimento, in scala pilota, che ha quindi operato con un BRT uguale al HRT. Il reattore in questione si trova in un impianto di trattamento delle acque reflue civili nella periferia di Milano (IT). I risultati ottenuti da quest’ultimo test hanno confermato l’efficacia della coltivazione del consorzio microalghe-batteri su centrato, nello specifico si è ottenuto:un rateo medio di crescita algale di 2.6 gTSS /m2/d; una resa di rimozione dell'azoto ammoniacale totale compresa tra il 75% e il 99%; una resa di rimozione del fosforo compresa tra il 60% e il 90%. L'analisi statistica ha confermato la correlazione attesa tra la produttività della biomassa, alcuni fattori operativi e i parametri metereologici. Sebbene siano stati ottenuti risultati soddisfacenti, è necessario condurre una ulteriore analisi costi-benefici per dimostrare la sostenibilità economica complessiva di questo processo.