Elucidation of heavy metal removal, transformation and distribution mechanisms in piggery wastewater treatment systems with microalgae and activated sludge

Abstract

Pig manure management has become one of the biggest environmental challenges in recent years due to the increasing production of pork for human consumption. Manure is a liquid mixture of pig excrement, water, and in some cases, chemicals used in cleaning facilities. This by-product of pig production can be a source of contamination if not properly managed. One of the major problems associated with this waste is its high nutrient content, due to high loads of N, P and organic matter. Proper management is therefore necessary, as once they are discharged into the environment, they can generate problems of pollution and eutrophication of water, negatively affecting aquatic ecosystems. On the other hand, the use of mineral additives in livestock feed, and other supplements used as growth promoters, means that 90% of the heavy metals they contain pass into the manure, with only 10% being assimilated by the animal. In addition, drinking water is another key factor and source of metals entering the livestock diet.

Biological processes with microalgae and bacteria have gained importance in recent years due to their high effectiveness and low cost. Moreover, it is an environmentally sustainable, robust technology that simultaneously removes organic matter, nutrients and pollutants (heavy metals) and does not generate toxic waste. The biomass generated is a consortium of microalgae and bacteria, which can be subsequently valorised as feed or fertiliser, provided that the bioaccumulated metals are not present in the recovered by-products or are within the limits permitted according to their use. The treated water can be reused as irrigation water. Therefore, in this work, the use of live microalgae and their consortia with bacteria was studied in order to study the bioelimination of toxic trace elements present in the liquid fraction of pig manure. Specifically, the efficacy of the microalgae species Scenedesmus almeriensis in the bioelimination of Cu, Zn and As, among others found in lower concentrations such as Cd, Pb, Hg and U, was evaluated.

This thesis constitutes a first approach to wastewater treatment combining the removal of nutrients and heavy metals with microalgae and activated sludge, as well as the effect of these pollutants on the viability of the biomass grown.

La gestión de los purines de cerdo se ha convertido en uno de los mayores desafíos medioambientales de los últimos años debido al aumento de la producción de carne de cerdo destinada al consumo humano. Los purines son una mezcla líquida de excrementos de cerdo, agua, y en algunos casos, productos químicos utilizados en la limpieza de las instalaciones. Este subproducto de la producción porcina puede ser una fuente de contaminación si no se gestiona adecuadamente. Uno de los mayores problemas asociados a estos residuos es su alto contenido en nutrientes, debido a las altas cargas de N, P y materia orgánica. Es necesario por lo tanto una adecuada gestión, ya que una vez que se procede a su descarga en el medio ambiente, pueden generar problemas de contaminación y eutrofización de las aguas, afectando negativamente a los ecosistemas acuáticos. Por otro lado, el uso de aditivos minerales en la alimentación del ganado, y otros suplementos utilizados como promotores del crecimiento, hace que el 90% de los metales pesados que contienen, pasen a los purines, siendo solamente el 10% asimilado por el animal. Además, el agua de bebida es otro factor clave, y fuente de entrada de metales en la dieta del ganado.

Los procesos biológicos con microalgas y bacterias han ganado importancia en los últimos años debido a su alta efectividad y bajo coste. Además, es una tecnología sostenible con el medioambiente, robusta, que elimina simultáneamente materia orgánica, nutrientes y contaminantes (metales pesados) y que no genera residuos tóxicos. La biomasa generada es un consorcio de microalgas y bacterias, que puede valorizarse posteriormente como pienso o fertilizante, siempre que los metales bioacumulados no estén presentes en los subproductos recuperados o lo estén dentro de los límites permitidos según su uso. El agua tratada puede reutilizarse como agua de riego. Por ello, en este trabajo se estudió el empleo de microalgas vivas y sus consorcios con bacterias con el objetivo de estudiar la bioeliminación de elementos traza tóxicos presentes en la fracción líquida de purín de cerdo. Concretamente se evaluó la eficacia de la especie de microalga Scenedesmus almeriensis frente a la bioeliminación de Cu, Zn y As entre otros que se encuentran en menor concentración como Cd, Pb, Hg y U.

Esta tesis constituye una primera aproximación al tratamiento de aguas residuales combinando la eliminación de nutrientes y metales pesados con microalgas y fango activo , así como el efecto de estos contamninantes en la viabilidad de la biomasa crecida.