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Publicação
Use of the microalgae-bacteria Consortium in photobioreactors for the treatment of wastewater from the paper pulp industry
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Resumo(s)
This thesis investigated the application of microalgae–bacteria consortia in photosynthetic and granular systems for the treatment of pulp and paper industry wastewater, characterized by low biodegradability and reduced nitrogen content. The study evaluated how inoculum concentration affects start-up, hydraulic retention time (HRT), and initial reactor sizing. Optimal microalgae-to-bacteria ratios (1:1, 1:5, 3:1) were identified: PBR5 (1:5) promoted higher COD and nitrogen removal, PBR6 (3:1) enhanced phosphorus removal, and PBR3 (1:1) improved biomass formation. Excessive microalgae hindered granule formation, while an optimized HRT of 16 h with 8 h cycles was determined. In photobioreactors, higher bacterial proportions accelerated organic matter degradation (up to 85% COD removal) and promoted efficient flocculation (>90%), whereas higher microalgae ratios improved phosphorus removal (up to 86%) and lipid accumulation in the biomass (22%). The symbiotic interaction also enabled nitrogen removal above 85% via nitrification and assimilation. A hybrid system combining photobioreactors and constructed wetlands treated raw industrial effluent, achieving 89% COD, 69% total nitrogen, 59% total phosphorus, and 81% phenolic compound removal. The system maintained high operational stability (600 mgVSS/L biomass) and excellent settleability (89.7%), demonstrating the potential of nature-based solutions and integration into circular economy strategies. Aerobic granular sludge systems with microalgae–bacteria consortia (AB-AGS) were evaluated in sequential reactors, showing rapid granulation (>82% of particles >1.0 mm in 15 days), high compactness, and structural stability, with phosphorus removal above 92% and significant organic matter and nitrogen elimination. Operational comparisons highlighted differences in settleability: one system reduced the sludge volume index (SVI) from 31.84 to 4.59 mL/g, while another maintained 27.42 mL/g, indicating slower but functional compaction. The latter also exhibited higher lipid accumulation (23.3 ± 1.8%), more than double that observed in reactors inoculated solely with bacteria (9.3 ± 1.7%), demonstrating the potential of AB-AGS as an integrated biorefinery for biofuel precursors without chemical additives. Overall, the results confirm that integrating microalgae–bacteria consortia into photosynthetic, hybrid, and granular systems is an effective and sustainable approach for treating complex industrial wastewater. These systems enable high pollutant removal, generate valuable biomass, and reduce reliance on energy-intensive processes. Although conducted at laboratory scale, the findings provide a solid foundation for future pilot-scale validation and potential industrial implementation.
Esta tese investigou a aplicação de consórcios microalgas–bactérias em sistemas fotossintéticos e granulares para o tratamento de efluentes da indústria da pasta de papel, caracterizados por baixa biodegradabilidade e reduzida concentração de azoto. Avaliou-se como a concentração de inóculo influencia o arranque, o tempo de retenção hidráulico (HRT) e o dimensionamento dos reatores. Foram definidas proporções ótimas de microalgas para bactérias (1:1, 1:5, 3:1), verificando-se que PBR5 (1:5) favoreceu remoção de COD e azoto, PBR6 (3:1) melhorou a remoção de fósforo, enquanto PBR3 (1:1) promoveu melhor formação de biomassa. Concentrações excessivas de microalgas prejudicam a granulação, sendo o HRT otimizado de 16 h com ciclos de 8 h. Em fotobiorreatores, maiores proporções bacterianas aceleraram a degradação de matéria orgânica (até 85% de COD) e promoveram elevada floculação (>90%), enquanto proporções maiores de microalgas favoreceram remoção de fósforo (até 86%) e acúmulo lipídico (22%). A simbiose contribuiu também para remoção de azoto >85% via nitrificação e assimilação. Um sistema híbrido de fotobiorreatores acoplados a zonas húmidas construídas operou com efluente industrial bruto, atingindo 89% de COD, 69% de azoto total, 59% de fósforo total e 81% de compostos fenólicos. O sistema manteve elevada estabilidade (biomassa 600 mgVSS/L) e excelente sedimentabilidade (89,7%), evidenciando o potencial de soluções baseadas na natureza e integração em economia circular. Sistemas de lamas granulares aeróbias algais–bacterianas (AB-AGS) em reatores sequenciais demonstraram rápida granulação (>82% das partículas >1,0 mm em 15 dias), elevada compacidade e estabilidade, removendo >92% de fósforo e níveis elevados de matéria orgânica e azoto. Comparações operacionais mostraram diferenças na sedimentabilidade: SVI reduziu de 31,84 para 4,59 mL/g num sistema, enquanto outro manteve 27,42 mL/g, mostrando compactação mais lenta mas funcional. Este último destacou-se pela elevada acumulação lipídica (23,3 ± 1,8%), mais do que o dobro de sistemas com inoculação apenas bacteriana (9,3 ± 1,7%), evidenciando o potencial do AB-AGS como biorrefinaria integrada para produção de precursores de biocombustíveis, sem necessidade de aditivos químicos. Globalmente, os resultados confirmam que a integração de consórcios microalgas–bactérias em sistemas fotossintéticos, híbridos e granulares constitui uma abordagem eficaz e sustentável para tratamento de efluentes industriais complexos, permitindo elevada remoção de poluentes, produção de biomassa valorizável e redução da dependência de processos energeticamente intensivos. Apesar de laboratorial, os resultados fornecem bases sólidas para futura validação à escala piloto e implementação industrial.
Esta tese investigou a aplicação de consórcios microalgas–bactérias em sistemas fotossintéticos e granulares para o tratamento de efluentes da indústria da pasta de papel, caracterizados por baixa biodegradabilidade e reduzida concentração de azoto. Avaliou-se como a concentração de inóculo influencia o arranque, o tempo de retenção hidráulico (HRT) e o dimensionamento dos reatores. Foram definidas proporções ótimas de microalgas para bactérias (1:1, 1:5, 3:1), verificando-se que PBR5 (1:5) favoreceu remoção de COD e azoto, PBR6 (3:1) melhorou a remoção de fósforo, enquanto PBR3 (1:1) promoveu melhor formação de biomassa. Concentrações excessivas de microalgas prejudicam a granulação, sendo o HRT otimizado de 16 h com ciclos de 8 h. Em fotobiorreatores, maiores proporções bacterianas aceleraram a degradação de matéria orgânica (até 85% de COD) e promoveram elevada floculação (>90%), enquanto proporções maiores de microalgas favoreceram remoção de fósforo (até 86%) e acúmulo lipídico (22%). A simbiose contribuiu também para remoção de azoto >85% via nitrificação e assimilação. Um sistema híbrido de fotobiorreatores acoplados a zonas húmidas construídas operou com efluente industrial bruto, atingindo 89% de COD, 69% de azoto total, 59% de fósforo total e 81% de compostos fenólicos. O sistema manteve elevada estabilidade (biomassa 600 mgVSS/L) e excelente sedimentabilidade (89,7%), evidenciando o potencial de soluções baseadas na natureza e integração em economia circular. Sistemas de lamas granulares aeróbias algais–bacterianas (AB-AGS) em reatores sequenciais demonstraram rápida granulação (>82% das partículas >1,0 mm em 15 dias), elevada compacidade e estabilidade, removendo >92% de fósforo e níveis elevados de matéria orgânica e azoto. Comparações operacionais mostraram diferenças na sedimentabilidade: SVI reduziu de 31,84 para 4,59 mL/g num sistema, enquanto outro manteve 27,42 mL/g, mostrando compactação mais lenta mas funcional. Este último destacou-se pela elevada acumulação lipídica (23,3 ± 1,8%), mais do que o dobro de sistemas com inoculação apenas bacteriana (9,3 ± 1,7%), evidenciando o potencial do AB-AGS como biorrefinaria integrada para produção de precursores de biocombustíveis, sem necessidade de aditivos químicos. Globalmente, os resultados confirmam que a integração de consórcios microalgas–bactérias em sistemas fotossintéticos, híbridos e granulares constitui uma abordagem eficaz e sustentável para tratamento de efluentes industriais complexos, permitindo elevada remoção de poluentes, produção de biomassa valorizável e redução da dependência de processos energeticamente intensivos. Apesar de laboratorial, os resultados fornecem bases sólidas para futura validação à escala piloto e implementação industrial.
Descrição
Palavras-chave
Consórcio microalga-bactéria Fotobiorreator Remoção de matéria orgânica Remoção de nutrientes Sedimentabilidade Valorização de subprodutos Economia circular Microalgae-bacteria consortia Photobioreactors Organic matter removal Nutrient removal Sedimentability Biomass valorization Circular economy