Separation of microalgae and management of microplastics through integrated approaches

Microplastic pollution constitutes one of the major contemporary environmental challenges, directly affecting the quality of water resources and aquatic ecosystems. These emerging contaminants, characterized by their persistence, have been detected in a wide range of environments, which often act as diffuse sources of microplastics (MPs) in the environment. In parallel, the use of effluents for the cultivation and recovery of microalgae presents high potential as a sustainable strategy for tertiary treatment and biomass valorization. In this context, this thesis aimed to develop and evaluate integrated approaches for MPs monitoring and microalgae recovery. In Chapter 1, an offline ultrafiltration system coupled to a remotely operated vehicle (ROV) was developed and applied for in situ concentration of water samples. The concentration efficiency was evaluated using membranes with different filtration areas, and MPs were identified by Differential Scanning Calorimetry (DSC). In Chapter 2, microalgae were cultivated in photobioreactors with and without the addition of MPs, and the effluent was treated by coagulation–flocculation–sedimentation using natural coagulants (Moringa oleifera seeds and Tanfloc) and a chemical coagulant (aluminum sulfate). The coagulants were characterized by FTIR spectroscopy and the floc sedimentation dynamics analyzed using Particle Image Velocimetry. The results showed that the ROV system is a promising tool for environmental sampling in hard-to-reach areas, although DSC detection presented limitations at low concentrations. In the microalgae recovery stage, natural coagulants exhibited performance comparable to aluminum sulfate, promoting the formation of larger, denser flocs with higher sedimentation velocities. The integration of the two chapters demonstrates a synergistic approach: the first develops tools for environmental monitoring of MPs, while the second proposes solutions for their removal and the simultaneous recovery of biomass. Thus, this thesis contributes relevant methodological and technological advances toward addressing the challenges associated with water pollution and the sustainable reuse of resources in the twenty-first century.

Resumo (português)

A poluição por microplásticos constitui um dos principais desafios ambientais contemporâneos, afetando diretamente a qualidade dos recursos hídricos e dos ecossistemas aquáticos. Esses contaminantes emergentes, caracterizados por sua persistência, têm sido detectados em uma ampla variedade de ambientes, que frequentemente atuam como fontes difusas de microplásticos (MPs) no ambiente. Paralelamente, o uso de efluentes para o cultivo e a recuperação de microalgas apresenta alto potencial como estratégia sustentável para o tratamento terciário e a valorização da biomassa. Nesse contexto, esta tese teve como objetivo desenvolver e avaliar abordagens integradas para o monitoramento de MPs e a recuperação de microalgas. No Capítulo 1, foi desenvolvido um sistema de ultrafiltração offline acoplado a um veículo operado remotamente (VOR), aplicado à concentração in situ de amostras de água. A eficiência de concentração foi avaliada utilizando membranas com diferentes áreas de filtração, e os MPs foram identificados por Calorimetria Exploratória Diferencial (CED). No Capítulo 2, microalgas foram cultivadas em fotobiorreatores com e sem a adição de MPs, e o efluente foi tratado por coagulação–floculação–sedimentação utilizando coagulantes naturais (Moringa oleifera e Tanfloc) e um coagulante químico (sulfato de alumínio). Os coagulantes foram caracterizados por espectroscopia FTIR, e a dinâmica de sedimentação dos flocos foi analisada por Velocimetria por Imagem de Partículas. Os resultados mostraram que o sistema VOR é uma ferramenta promissora para amostragem ambiental em locais de difícil acesso, embora a detecção por CED apresente limitações em baixas concentrações. Na etapa de recuperação de microalgas, os coagulantes naturais exibiram desempenho comparável ao sulfato de alumínio, promovendo a formação de flocos maiores, mais densos e com maiores velocidades de sedimentação. A integração dos dois capítulos demonstra uma abordagem sinérgica: o primeiro desenvolve ferramentas para o monitoramento ambiental de MPs, enquanto o segundo propõe soluções para sua remoção e a recuperação simultânea de biomassa. Assim, esta tese contribui com avanços metodológicos e tecnológicos relevantes para o enfrentamento dos desafios associados à poluição hídrica e ao reaproveitamento sustentável de recursos no século XXI.

Palavras-chave

Coagulants, Microplastics, Sedimentation analysis, Infrared spectroscopy, Coagulantes, Microplásticos, Análise de sedimentação, Espectroscopia de infravermelho

Idioma

Inglês

Citação

FILIPAKI, Fernanda. Separation of microalgae and management of microplastics through integrated approaches. 2025. Thesis (Doctor of Civil and Environmental Engineering) – School of Engineering Bauru, São Paulo State University (Unesp), Bauru, 2025.