Optimization of piggery wastewater treatment with purple phototrophic bacteria

Abstract

The increase in human population in the world entails future challenges for the sustainable development of mankind. This demographic expansion will represent global changes generated by anthropogenic activity on planet Earth, involving negative impacts on the biosphere, atmosphere, cryosphere and hydrosphere. In particular, the hydrosphere will be affected by the increased contamination of surface water and groundwater, and an increase in their eutrophication due to inadequate management of wastewaters. Thus, the generation of new biotechnologies to reduce pollution and improve the sustainable development of humanity will be a challenge for the next few decades.

In this sense, efficient wastewater treatment in cities, industry and agriculture requires the development of innovative solutions to reduce the pollution generated by the intense anthropogenic activity. Thus, the need for meeting the increasing demand for animal protein has led to an increase in intensive livestock farming, with the subsequent increase in the generation of wastewaters containing high organic matter, nitrogen and phosphorus concentrations. In particular, piggery wastewaters (PWW) are characterized by their high concentrations of organic matter and nitrogen in the form of ammonium, and by their odour nuisance.

Traditionally, PWW has been treated by disposal in open anaerobic lakes, with the subsequent production of high concentrations of greenhouse gases such as CO2, CH4, NH3 and H2S to the atmosphere due to their open configuration. Another technology used for the treatment of this type of wastewaters is anaerobic digestion in enclosed bioreactors, which is capable of generating methane (CH4) as a byproduct, a gas with high economic and energy value. However, this process is only capable of removing the carbon present in PWW, generating an effluent with a high nitrogen and phosphorus content that is not assimilated in the process. Lastly, activated sludge systems entail an effective removal of carbon, nitrogen and phosphorous with a high energy demand and a destruction of the nutrients present in PWW.

Nowadays, the use of photosynthetic microorganisms for PWW treatment at low operating costs and with a recovery of carbon, nitrogen and phosphorous has been proposed. These microorganisms are capable of absorbing solar radiation through the photosynthesis process to obtain energy, which is used for their growth and nutrients assimilation from different wastewaters. Purple phototrophic bacteria (PPB) represent the photosynthetic microorganisms with the most versatile metabolism in nature. PPB can grow phototrophically and chemotrophically, absorbing energy from solar radiation or from the degradation of organic compounds, respectively. In addition, PPB are heterotrophic microorganisms capable of degrading different organic compounds and also able to grow using an autotrophic metabolism, fixing carbon dioxide (CO2) and nitrogen (N2) from the atmosphere. PPB can grow both under anaerobic and aerobic conditions, through photoheterotrophy or chemoautotrophy, respectively. On the other hand, microalgae represent the most studied photosynthetic microorganisms in recent years, due to their high growth rate, capacity to fix CO2 and to the high valorization potential of their biomass. Both PPB and microalgae have species with extraordinary metabolic capacities, capable of growing at low or extremely high temperatures, under different pH ranges (acidic and alkaline), high salinity and in the presence or absence of oxygen, which supports their extraordinary metabolism for the treatment of multiple wastewaters.

La creciente población humana en el mundo conlleva futuros retos para el desarrollo sostenible de la humanidad. Esta expansión demográfica representará cambios globales generados por la actividad antropogénica en el planeta Tierra, involucrando impactos negativos en la biosfera, atmosfera, criósfera e hidrosfera. En particular, la hidrosfera será afectada por el incremento de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas, y un aumento en la eutrofización de estas por un manejo inadecuado de las aguas residuales. Así, el desarrollo de nuevas tecnologías para la reducción de la contaminación en aguas residuales que posibilite un desarrollo sostenible de la humanidad representa un desafío científico-tecnológico para las próximas décadas.

En este sentido, el tratamiento eficiente de las aguas residuales en ciudades, industria y agricultura, necesita el desarrollo de soluciones innovadoras para reducir la contaminación generada por la intensa actividad antropogénica. Específicamente, la necesidad de satisfacer la creciente demanda de proteína animal ha generado un aumento en la ganadería intensiva, con el consiguiente aumento en la producción de aguas residuales con altas concentraciones de materia orgánica, nitrógeno y fosforo. En particular, las aguas residuales de explotaciones porcinas (PWW, por sus siglas en inglés) se caracterizan por su alta concentración de materia orgánica y nitrógeno en forma de amonio, y por sus molestos olores.

Tradicionalmente, las PWW han sido tratadas mediante su disposición en lagunas facultativas abiertas, desde las que se emiten gases de efecto invernadero como CO2, CH4, NH3 y H2S hacia la atmosfera debido a su configuración abierta. Otra tecnología utilizada para el tratamiento de estas aguas residuales es el proceso de digestión anaerobia en biorreactores cerrados, la cual es capaz de generar metano (CH4) como subproducto, un gas de alto valor económico y energético. Sin embargo, este proceso es solo capaz de eliminar el carbono presente en PWW, generando aguas residuales con un alto contenido de nitrógeno y fosforo que no es asimilado en el proceso. Por último, los sistemas de lodos activos conllevan una eliminación efectiva de carbono, nitrógeno y fósforo con altos costes energéticos y una destrucción de los nutrientes presentes en las PWW.

En la actualidad se ha propuesto el uso de microorganismos fotosintéticos para el tratamiento de PWW con bajos costes de operación y una recuperación del carbono, nitrógeno y fósforo presente en estas aguas residuales. Estos microorganismos son capaces de absorber la radiación solar a través del proceso de fotosíntesis para la obtención de energía, utilizada para su crecimiento y asimilación de nutrientes en diferentes aguas residuales. Las bacterias fototróficas púrpuras (PPB, por sus siglas en inglés) constituyen los microorganismos fotosintéticos con el metabolismo más versátil en la naturaleza. Las PPB son capaces de crecer de forma fototrófica y quimiotrófica, absorbiendo energía de la radiación solar o de la degradación de compuestos orgánicos, respectivamente. Además, son microorganismos heterotróficos capaces de degradar numerosos compuestos orgánicos y de crecer mediante un metabolismo autótrofo, fijando dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno (N2) desde la atmosfera. Las PPB pueden crecer tanto en condiciones anaerobias como en condiciones aerobias, mediante fotoheterotrofía o quimioautotrofía, respectivamente. Por otra parte, las microalgas representan los microorganismos fotosintéticos más estudiados en los últimos años, debido a su alta tasa de crecimiento, a su capacidad para fijar CO2 y al alto potencial de valorización de su biomasa. Tanto el grupo de las PPB como microalgas presentan especies con capacidades metabólicas extraordinarias, capaces de crecer a bajas o extremadamente altas temperaturas, en diferentes rangos de pH (ácidos y alcalinos) y salinidad, y en presencia o ausencia de oxígeno, confiriéndoles un alto potencial para el tratamiento de diferentes aguas residuales.