Optimización de cultivos de microalgas para el tratamiento de aguas residuales ganaderas y limpieza de biogás

Abstract

The cultivation of microalgae represents a promising and sustainable solution to current environmental challenges, particularly in wastewater treatment and CO¿ capture. This thesis explores the use of microalgae as an integrated technology for water purification and the photosynthetic upgrading of biogas, with the aim of maximizing the efficiency of both processes at low cost and with high environmental value. Various approaches were investigated to improve the efficiency of microalgae cultivation in digestates, such as pre-ozonation to remove the dark color of the effluent, which enabled greater photosynthetic activity without compromising biomass production. Although nutrient removal did not improve significantly, the study revealed the potential of ozonation as a competitive pretreatment compared to conventional alternatives. In addition, a full-scale photosynthetic biogas upgrading system was developed and evaluated, demonstrating its technical and economic feasibility on pig farms. The cultivation of microalgae enabled the removal of CO¿ and H¿S from the biogas, producing high-purity biomethane (>95%) with low capital and operating costs, and substantial energy and economic benefits. Subsequently, the process was optimized by analyzing operational variables such as hydraulic retention time and liquid/gas ratio, achieving biomethane concentrations above 96% and system stability under real outdoor conditions. This technology met the specifications for its use as compressed natural gas (CNG) for vehicles. Finally, the continuous treatment of livestock digestate was evaluated in a high-rate algal pond under real seasonal conditions. The results showed high efficiency in the removal of nutrients, organic matter, and pathogens, with a remarkable physiological adaptability of the microalgae to environmental variations. Overall, the results confirm that the use of microalgae is not only effective in wastewater purification and biomethane production, but also offers an environmentally friendly and economically viable alternative to enhance the sustainability of the agricultural sector and mitigate its environmental impact.

El cultivo de microalgas representa una solución prometedora y sostenible ante los desafíos ambientales actuales, especialmente en el tratamiento de aguas residuales y la captura de CO₂. Esta tesis explora el uso de microalgas como tecnología integral para la depuración de aguas y el upgrading fotosintético de biogás, con el objetivo de maximizar la eficiencia de ambos procesos a bajo coste y con alto valor ambiental. Se investigaron diferentes enfoques para mejorar la eficiencia del cultivo de microalgas en digestatos, como la ozonización previa para eliminar el color oscuro del efluente, lo que permitió una mayor actividad fotosintética sin comprometer la producción de biomasa. A pesar de que la eliminación de nutrientes no mejoró significativamente, el estudio reveló el potencial de la ozonización como tratamiento previo competitivo frente a alternativas convencionales. Además, se desarrolló y evaluó un sistema de upgrading fotosintético de biogás a escala real, demostrando su viabilidad técnica y económica en explotaciones porcinas. El cultivo de microalgas permitió eliminar CO₂ y H₂S del biogás, produciendo biometano de alta pureza (>95%) con bajos costos de capital y operación, y con beneficios energéticos y económicos sustanciales. Posteriormente, se optimizó el proceso, analizando variables operativas como el tiempo de residencia hidráulico y la relación líquido/gas, logrando concentraciones de biometano superiores al 96% y estabilidad del sistema en condiciones reales al aire libre. Esta tecnología cumplió con los requisitos para su uso como gas natural comprimido (GNC) para vehículos. Finalmente, se evaluó el tratamiento continuo de digestato en un estanque de algas de alta tasa bajo condiciones estacionales reales. Los resultados mostraron una elevada eficiencia en la eliminación de nutrientes, materia orgánica y patógenos, con una notable capacidad de adaptación fisiológica de las microalgas frente a variaciones ambientales. En conjunto, los resultados obtenidos confirman que el uso de microalgas no solo es eficaz en la depuración de aguas residuales y la producción de biometano, sino que además ofrece una alternativa ecológica y económicamente viable para mejorar la sostenibilidad del sector agropecuario y mitigar su impacto ambiental.