Opportunità di integrazione delle microalghe negli impianti di depurazione

E.Ficara, M.Bellucci M.Mantovani, V.Mezzanotte, F.MarazziPolitecnico di Milano – DICA Università degli studi di Milano Bicocca - DISAT

Le microalghe

Responsabili della fotosintesi ossigenica

H2O → O2

• 2.8 miliardi di anni

• base per lo sviluppo degli organismi

aerobici

O2

Microalghe

• Monocellulari, fotosintetiche,

autotrofe

• Estremamente versatili ed

adattabili a condizioni ambientali

anche estreme

• Elevata biodiversità (decine di

migliaia di specie)

2

Nuove applicazioni

Nutrienti da

flussi

di scarto

Coltivazione con

sistemi

semplificati

Depurazione!!

• Fertilizzanti e

Biostimolanti

• Biocombustibili

• Mangimi

• Biomateriali

3

Coltivazioni su reflui

Nuove spinte: economia circolare, recupero di risorse, risparmio

energetico, nuove strategie Europee

WWTP → WRRP (Water Resource Recovery Platform)

Fattori chiave: recupero di energia e materia

4

Coltivazione su reflui

Principali vantaggi:

→ Rimozione di inquinanti dalle acque

reflue:

▪ Azoto (NH4+, NO3

-)

▪ Fosforo (PO43-)

▪ Carbonio (CORG, IPA)

→ Rimozione di gas serra (CO2)

→ Produzione di O2 (aerazione

fotosintetica)

→ Produzione di biomassa

▪ Biocombustibili

▪ Biofertilizzanti

5

Integrazione negli impianti di depurazione

Primary

sludge

PRIMARY

SETTLER

ACTIVATED

SLUDGE

SECONDARY

SETTLER

ANAEROBIC

DIGESTION

PRE -

TREATMENTS

INFLUENT EFFLUENT

BIOSOLIDS

Mixed sludge

Recirculation

Biogas

SOLID/LIQUID

SEPARATION

TERTIARY

TREATMENT

Secondary

sludge

Primary

sludge

PRIMARY

SETTLER

ACTIVATED

SLUDGE

SECONDARY

SETTLER

ANAEROBIC

DIGESTION

PRE -

TREATMENTS

INFLUENT EFFLUENT

BIOSOLIDS

P-106

Recirculation

Biogas

SOLID/LIQUID

SEPARATION

TERTIARY

TREATMENT

Secondary

sludge

PBR

(D)

Microalgal

biomass

SOLID/LIQUID

SEPARATION

Mixed sludge

Primary

sludge

PRIMARY

SETTLER

ACTIVATED

SLUDGE

SECONDARY

SETTLER

ANAEROBIC

DIGESTION

PRE -

TREATMENTS

INFLUENT EFFLUENT

BIOSOLIDS

P-106

Recirculation

Biogas

SOLID/LIQUID

SEPARATION

TERTIARY

TREATMENT

Secondary

sludge

PBR

(D)

Microalgal

biomass

SOLID/LIQUID

SEPARATION

Mixed sludge

Primary

sludge

PRIMARY

SETTLER

ACTIVATED

SLUDGE

SECONDARY

SETTLER

ANAEROBIC

DIGESTION

PRE -

TREATMENTS

INFLUENT EFFLUENT

BIOSOLIDS

P-106

Recirculation

Biogas

SOLID/LIQUID

SEPARATION

TERTIARY

TREATMENT

Secondary

sludge

PBR

(D)

Microalgal

biomass

SOLID/LIQUID

SEPARATION

Mixed sludge

Primary

sludge

PRIMARY

SETTLER

ACTIVATED

SLUDGE

SECONDARY

SETTLER

ANAEROBIC

DIGESTION

PRE -

TREATMENTS

INFLUENT EFFLUENT

BIOSOLIDS

P-106

Recirculation

Biogas

SOLID/LIQUID

SEPARATION

TERTIARY

TREATMENT

Secondary

sludge

PBR

(D)

Microalgal

biomass

SOLID/LIQUID

SEPARATION

Mixed sludge

6

Integrazione negli impianti di depurazione - mainstream

Esempio - Impianto di Chiclana

ALL GAS FP7-PROJECT (AQUALIA):

• HRAP = trattamento primario/secondario

• Sospensione algale: flottazione DAF,

AD+biogas upgrading →Biometano per

autotrasporto

• Richiesta energetica = 0,16 kWh/m3

Energia prodotta = 0,17 kWh/m3

• Fabbisogno superficie =2 m2/A.E.

• Scarico in corpo idrico superficiale

7

Integrazione negli impianti di depurazione Caso di studio – sidestream

– Progetto IMAP

8

Risultati – 2017 : coltivazione microalgheo

pti

cald

en

sity

(68

0 n

m) Irrad

iance

-M

J/m2

Cu

mu

latedrain

-m

m

Produttività Areale

4 - 10 gTSS/m2/d

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

0 20 40 60 80 100 120

cell/

10

0 m

L

time [d ]

Chlorella, Acutodesmus, Chlamydomonas

Conte cellulari

9

Results – 2017: Il destino di N e P nel Raceway

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

0 20 40 60 80 100 120 140

P-P

O4

[m

g/L]

Days

13,5%

44,5%10,6%

31,5%

N_NH4out N_nit N_bio N_strip

Azoto IN OUT Ripartizione dell’Azoto nel RW

Fosforo

NH4+

NO2-

NO3-

0

100

200

300

400

500

N-N

H4

[mg/

L]

0

50

100

150

200

N-N

O2

[m

g/L]

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140

N-N

O3

[mg/

L]

Days

10

Risultati – Caratteristiche della biomassa

Resa di Biometano

Batch BMP tests = 180-200 m3 CH4/kg TSS

C 43.3 ± 6.9H 7.4 ± 1.1N 8.5 ± 1.0P 0.9 ± 1.9

Analisi elementale (% TSS): 13 test

0%

5%

10%

15%

20%

0 20 40 60 80 100 120

% li

pid

s g

/g

time (d)

Contenuto lipidico

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50

m3_C

H4/k

g_TS

S

Time (d)

BMP_test results Model

11

Risultati – Campagna del 2018

7%22%

46%

5%

20%

Ripartizione Azoto

N_NH4out

N_NO2

N_NO3

N_bio

N_strip

Secondo anno: 23/5 - 5/12/2018

Copertura per proteggere dalla pioggia ma riduzione

PAR del 53%

• Riduzione produttività rispetto al 2017

• Rimozione ammonio costante:

- Assimilazione ↓

- Nitrificazione ↑

- Strippaggio ↓

• Contenuto lipidico: 5.4 ± 1.8 %P

rod

uct

ivit

y (g

TSS/

m2

d)

Produttività areale

12

Risultati – 2018: Effetto sulla composizione dell’

off - gas

Gruppo di lavoro: prof. S. Cernuschi

ingg. S. Ozgen, R. Tardivo, S. Signorini

Punti di misura:

SP1: off-gas

SP2: Dopo pre-trattamento (calce UniCalce)

= IN Colonna di ricircolo

SP3: Dopo la Colonna = OUT Colonna di

ricircolo

Sonda:

MADUR GA-21plus

Campionamento: ogni 15 s per 45 min

- 39-44%

- 38-50%

Measuring campaigns: 11/10/2018, 19/10/2018

13

Risultati – LCA

Scopo:

• Quantificare i miglioramenti ambientali ed

energetici

• Fornire indicazioni per un design sostenibile

di un impianto a scala reale

Ing. Lucia Rigamonti – Scientific responsible

Ing. Giulia Borghi

Ing. Camilla Tua

Gruppo di lavoro:

Acidification - A mol H+ eq.

Terrestrial eutrophication - TE mol N eq.

Freshwater eutrophication - FE kg P eq.

Marine eutrophication - ME kg N eq.

Freshwater ecotoxicity - FEC CTUe

Mineral, fossil & renewable resourcedepletion - RD

kg Sb eq.

+ 3 ENVIRONMENTAL INDICATORS:

• Cumulative energy demand - CED (MJ)

• Consumption of water resources (m3 water) - WD

• Land consumption (m2 per year) - LC

lucia.rigamonti@polimi.it

Climate change - CC kg CO2 eq.

Ozone depletion - OD kg CFC-11 eq.

Human toxicity, non cancer-effects - HTNC CTUh

Human toxicity, cancer effects - HTC CTUh

Particulate matter - PM kg PM2.5 eq.

Photochemical ozone formation - POF kg NMVOC eq.

12 IMPACT CATEGORIES FROM ILCD METHOD 2011

14

Risultati – LCA

• Diminuzione volatilizzazione di NH3 (controllo pH ): 1/4

• Biomassa prodotta destinata all’agricoltura

• Incremento produttività: +20%

“Scenario senza alghe” vs “Scenario con alghe con miglioramenti” → Indici con segno negativo

(Benefit) in 11 su 16 indicatori

Scenario Microalghe con miglioramenti:

Ipotesi:

-350%-300%-250%-200%-150%-100%

-50%0%

50%100%150%200%250%300%

CC CC* OD HTNC HTC PM POF A TE FE ME FEC RD WD CED LC

Ing. Lucia Rigamonti – Scientific responsible

Ing. Giulia Borghi

Ing. Camilla Tua

Gruppo di lavoro :

lucia.rigamonti@polimi.it

15

Conclusioni e prospettive

Microalghe possono crescere sul centrato, produttività variabile (condizioni ambientali)

Foto-ossigenazione supporta i batteri nitrificanti

Ossidazione efficace dell’ammonio … ma Strippaggio N

Risparmio energetico (come domanda di Ossigeno) nella linea acque

Rimozione del Fosforo

Bilancio del LCA positivo controllando strippaggio e stabilizzando la produttività microalgale (a larga scala)

La valorizzazione della biomassa è cruciale per la sostenibilità:

• Lipidi scarsi→ no biodiesel

• BMP basso → no biogas

• Compatibile con agricoltura→ potenziale produzione di bio-stimolanti per raggiungere un bilancioeconomico positivo

• Bioplastiche→ Wast4bioplast project 1/06/2019 → 1/12/2021

16

Integrazione negli impianti di depurazione- Progetto PerFORMWATER 2030

PERFORMWATER 2030 Project

Scopo:

• Individuare un destino alternativo per la

biomassa microalgale cresciuta sui reflui

urbani

• Fonte di carbonio per la produzione di

Nanoparticelle di ferro (ME-nFe) da usare

in ambito depurativo

• Valutare la capacità depurativa del sistema

raceway nei confronti di micro-inquinanti

17

18

Valorizzazione della biomassa microalgale come fonte di carbonio per produrre

nanoparticelle di ferro incapsulate in matrice carboniosa (ME-nFe)

PERFORMWATER 2030 Project

(Patrick Biller & Andrew B Ross (2012))

Me-nFe (s)

Frazione liquida (l)

Frazione gassosa(g)Elevata reattività

Potere adsorbente

Involucro di C+ nucleo di ferro

Siti defettivi

Area specifica superficiale

Proprietà magnetiche

ME-nFe

Carbonizzazione idrotermica

(HTC)

• Processo termochimico

T=180-250 °C, P=10-35 bar

• Biomassa come fonte di C

+ Nitrato di ferro

• Reazioni a catena (l)

• Prodotti:

Rimozione di metalli pesanti dalle acque tramite adsorbimento con nanoparticelle

ME-nFe

PERFORMWATER 2030 Project

Rimozione (%)

Zn Cu Cd Ni Cr

98.5

±0.1

99.6

±0.2

97.2

±0.8

85.2

±1.2

2.6

±0.9

Rimozione (%)

Zn Cu Cd Ni Cr

97.8

± 0.8

96.4

±0.6

99.6

±0.1

80.3

±5.4

12.4

±11.0

• Riutilizzo delle stesse ME-nFe

per più cicli depurativi• Test di adsorbimento da Effluente (II) con aggiunta di

Zn, Cu, Cd, Ni e Cr (10 ppm e 1 ppm)

Rem % Zn Rem % Cu Rem % Cd Rem % Ni

99.4 % 97.8 % 99.8 % 89.4 %

98.4 % 97.6 % 99.2 % 77.2 %

95.8 % 97.2 % 98.4 % 60.6 %

19

Risultati preliminari– Rimozione di composti farmaceutici dal RW

PERFORMWATER 2030 Project

Rimozione:

• >80% per Lamotrigina (che non viene

rimossa dai processi a fanghi attivi),

Ketoprofene, Claritromicina, Diclofenac

• 50-80% per Azitromicina (rimossa per il

40% circa nei sistemi a fanghi attivi) ,

Irbesartan

20

Grazie per l’attenzione

https://sites.google.com/view/polialgae-dica/home-page

• Tua C., Ficara E., Mezzanotte V.,, Rigamonti L. (2020). Integration of a side-stream microalgae process into a municipal wastewater treatment

plant: a Life Cycle Analysis. Journal of Environmental Management, 111605

• Rossi S., Díez-Montero R., Rueda E., Castillo Cascino F., Parati K., García J., Ficara E. (2020). Free ammonia inhibition in microalgae and

cyanobacteria grown in wastewaters: photo-respirometric evaluation and modelling. Bioresource

Technology, doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123046.

• Rossi, S., Casagli, F., Mantovani, M., Mezzanotte, V., Ficara, E. (2020) Selection of photosynthesis and respiration models to assess the effect of

environmental conditions on mixed microalgae consortia grown on wastewater, Bioresource Technology, doi:

doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122995.

• Mantovani, M., Marazzi, F., Fornaroli, R., Bellucci, M., Ficara, E., & Mezzanotte, V. (2020). Outdoor pilot-scale raceway as a microalgae-bacteria

sidestream treatment in a WWTP. Science of The Total Environment, Volume 710, 25 March 2020,

135583. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135583

• Marazzi, F., Bellucci, M., Rossi, S., Fornaroli, R., Ficara, E., & Mezzanotte, V. (2019). Outdoor pilot trial integrating a sidestream microalgae

process for the treatment of centrate under non optimal climate conditions. Algal Research, 39, 101430.

• Ficara, E., Uslenghi, A., Basilico, D., Mezzanotte, V. (2014). Growth of microalgal biomass on supernatant from biosolid dewatering. Water

Science and Technology, 69 (4), pp. 896-902.

• Bellucci, M., Marazzi, F., Naddeo, L., Piergiacomo, F., Beneduce, L., Ficara, E., Mezzanotte, V. (2020).Disinfection in lab-scale photobioreactors

for wastewater tertiary treatment. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 95(4), 959-966

• Mantovani, M., Collina, E., Lasagni, M., Marazzi, F. Mezzanotte, V. (2021). Production of microalgal-based carbon encapsulated iron

nanoparticles (ME-nFe) to remove heavy metals in wastewater. Bioresearch Technology (Submitted)