Domestic wastewater treatment in algal-bacterial column photobioreactors: impacts of operational conditions and support media

Abstract

Global sanitation faces environmental, social, technological challenges, which are exacerbated by population growth and climate change, highlighting the urgent need to transition towards resilient framework based on circular bioeconomy. This research investigated the use of column photobioreactor for the cultivation of microalgal–bacterial consortium as a sustainable strategy for domestic wastewater treatment and biomass production. The work was divided into three complementary studies. The first study evaluated the operational effects on photobioreactor performance, demonstrating that reducing the hydraulic retention time significantly increased total carbon and nitrogen removal, whilst reducing the solids retention time prevented nitrite accumulation and resulted in undetectable levels of N2O. The second study deepened the investigation into nitrogen removal mechanisms by using allylthiourea as an operational tool to selectively inhibit bacterial nitrification. The results revealed that nitrification inhibition reduced the NH4+ removal rate and increased the contribution of microalgal assimilation, demonstrating that assimilation is the dominant pathway in the studied system, although the bacterial pathway is necessary to raise removal levels. Additionally, shifts in the microbial community structure resulting from this inhibition reduced total organic carbon removal efficiency and increased carbon assimilation into biomass. The third study evaluated the use of a support media (mini-Biobob) for biomass attachment. Despite the increased in attached biomass, the results showed no significant improvements in carbon, nitrogen and phosphorus removal efficiencies, suggesting that the use of support media may cause light attenuation and hydrodynamic limitations, thereby compromising the overall treatment performance. This thesis demonstrates that single-stage column photobioreactors are a promising technology for decentralised domestic wastewater treatment, potentially serving as an alternative in space-constrained areas. The elucidation of microbiological pathways reinforces the role of algal assimilation, while the use of support media indicate that photo-hydrodynamic factors are critical and must be balanced. This research contributes to advancing knowledge on microalgae-bacteria interactions and provides operational guidelines for process scale-up.

O saneamento global enfrenta desafios ambientais, sociais e tecnológicos, agravados pelo crescimento populacional e pelas mudanças climáticas, evidenciando a necessidade de transição para estruturas resilientes baseadas na bioeconomia circular. Esta pesquisa investigou o uso de fotobiorreatores tubulares verticais para o cultivo de microalgas e bactérias como uma estratégia sustentável para o tratamento de esgoto doméstico e produção de biomassa. O trabalho foi dividido em três estudos complementares. O primeiro avaliou os efeitos operacionais no desempenho do fotobiorreator, demonstrando que a redução do tempo de detenção hidráulica aumentou significativamente a remoção de carbono total e nitrogênio, enquanto a redução do tempo de retenção de sólidos preveniu o acúmulo de nitrito e resultou em níveis indetectáveis de N2O. O segundo aprofundou a investigação dos mecanismos de remoção de nitrogênio, adicionando a alil-tioureia como uma ferramenta para inibir seletivamente a nitrificação bacteriana. Os resultados revelaram que a inibição da nitrificação reduziu a taxa de remoção de NH4+ e aumentou a contribuição da assimilação microalgal, evidenciando que a assimilação é a rota dominante no sistema estudado, embora a via bacteriana seja necessária para a elevar os níveis globais de remoção. Adicionalmente, as mudanças na estrutura da comunidade microbiana decorrentes da inibição reduziram a eficiência de remoção de carbono orgânico total e aumentaram a assimilação de carbono na biomassa. O terceiro avaliou o uso de um meio suporte (mini-Biobob) para a fixação de biomassa. Apesar do aumento da biomassa aderida, os resultados não demonstraram ganhos relevantes na remoção de carbono, nitrogênio e fósforo, sugerindo que o uso de meio suporte pode causar atenuação de luz e limitações hidrodinâmicas, comprometendo o desempenho global do processo. A tese demonstra que fotobiorreatores tubulares verticais de estágio único são uma tecnologia promissora para o tratamento descentralizado de esgoto doméstico, podendo figurar como uma alternativa em áreas com restrição de espaço. A elucidação das rotas microbiológicas reforça o papel da assimilação algal, enquanto os testes com meio suporte indicam que fatores foto-hidrodinâmicos são críticos e devem ser equilibrados. Em suma, a pesquisa avança no conhecimento das interações microalga-bactéria e fornece diretrizes operacionais para o escalonamento do processo.