Recupero di nutrienti dalle acque reflue urbane mediante coltivazione di microalghe in reattori continui

La crescente richiesta di acqua, unitamente alla spinta verso la riduzione degli impatti ambientali, impone la necessità di mettere a punto processi di trattamento delle acque reflue che siano sempre più “green” e a basso costo. In quest’ottica, i processi di trattamento di tipo biologico mediante fanghi attivi hanno visto un crescente sviluppo. Tuttavia, alcune criticità di questo processo sono ancora da risolvere, tra cui l’abbattimento di nutrienti quali azoto e fosforo, che spesso necessitano di stadi aggiuntivi caratterizzati da trattamenti chimici o fisici, con conseguente aumento dei costi e degli impatti ambientali. Un’alternativa che negli ultimi anni ha suscitato vivo interesse nella comunità scientifica è rappresentata dall’impiego di microalghe nella depurazione delle acque reflue. Tale alternativa risulta particolarmente interessante nell’ottica dello sviluppo di un’economia circolare, mirata al recupero e alla valorizzazione dei rifiuti. Difatti, questi organismi sono particolarmente efficienti nell’assimilazione di azoto e fosforo, che vengono dunque accumulati all’interno della biomassa, la quale può essere poi valorizzata in uno svariato numero di settori (dall’energia, alla produzione di composti ad alto valore aggiunto).

In questo lavoro sono valutate le prestazioni, in termini di produttività di biomassa e di abbattimento dei nutrienti (N, P e COD) di un processo di coltivazione di microalghe in continuo in acque reflue urbane. In particolare, Chlorella protothecoides è stata coltivata in acque reflue campionate a valle del trattamento primario di due diversi impianti di depurazione, rispettivamente a Vicenza e Padova [1]. I risultati sperimentali condotti in laboratorio ad un’intensità di luce di 100 μmol di m-2 s-1 e con insufflazione continua di una corrente di aria arricchita in CO2 (5% v/v, 1 L h-1), a diversi tempi di ritenzione idraulica (HRT = 0.64 – 1.97 d), hanno mostrato un efficiente abbattimento di N e P, con consumi compresi rispettivamente tra il 70-80% e tra l’85-95% (Figura 1). D’altro il canto, il contenuto di COD è risultato invariato, suggerendo una crescita microalgale prettamente autotrofa. La produttività di biomassa è risultata compresa tra 0.4 – 0.6 g L-1 d-1. In questo contesto, un possibile schema di processo potrebbe prevedere una vasca di coltivazione di microalghe a valle del trattamento primario per la rimozione di azoto e fosforo, seguita dalla vasca a fanghi attivi per la rimozione del COD.

Tale schema di processo presenta tuttavia degli svantaggi, legati da un lato all’aerazione di entrambe le vasche per fornire CO2 alle microalghe e O2 ai batteri, dall’altro alla necessità di elevate superfici per consentire una disponibilità di luce tale da garantire una crescita efficiente degli organismi fotosintetici.

Di recente, ha acquisito interesse l’idea di coltivare microalghe e batteri nel medesimo reattore, in consorzio. L’impiego di consorzi alghe-batteri consente infatti, in linea di principio, di ottenere l’abbattimento simultaneo di N, P e carbonio organico in un unico stadio, sfruttando la sinergia tra questi organismi ottenuta mediante il reciproco scambio gassoso: l’ossigeno prodotto dalle microalghe per fotosintesi viene sfruttato dai batteri per la loro crescita, che a sua volta produce la CO2 necessaria per le prime. In tal modo, i costi operativi relativi all’aerazione delle vasche (che rappresentano il contributo di gran lunga maggioritario nel bilancio energetico dell’intero processo) sarebbero abbattuti.

Anche la limitazione dovuta alla necessità di ampie superfici per consentire un’efficiente utilizzo della luce può in qualche modo essere moderata considerando la capacità di alcune microalghe (tra cui C. protothecoides) di crescere secondo un metabolismo mixotrofo, ovvero mediante il simultaneo utilizzo della luce e assimilazione del carbonio organico come fonti di energia per la crescita. La regolazione di questo metabolismo è influenzata da molti fattori, tra cui la disponibilità di CO2, che quando presente in eccesso favorisce la via di crescita fotosintetica [1, 2], e la disponibilità di luce. L’effetto di quest’ultima variabile sulle performance di abbattimento di N, P e COD di un consorzio costituito da C. protothecoides e un inoculo batterico proveniente da fanghi di depurazione (Montebello Vicentino) è stato dunque studiato in reattori continui, operati a diversi valori di HRT (1.6 – 4 d). In particolare, sono state testate due diverse intensità di luce, rispettivamente 50 e 150 μmol m-2 s-1 [3]. I risultati dimostrano che all’intensità di luce inferiore, la rimozione dei nutrienti è risultata generalmente più efficiente (Figura 2). In particolare, per tempi di residenza inferiori ai 2.5 d, le microalghe sono state dilavate dal sistema, a causa della loro velocità di crescita inferiore a quella dei batteri. Questo è riflesso in un consumo di N e P modesto. Per i tempi maggiori tuttavia, la concentrazione di biomassa algale è risultata superiore a 50 μmol m-2 s-1 rispetto al caso della luce più elevata.

Questi risultati suggeriscono che una luce bassa può avere un effetto positivo in un impianto di trattamento di acque reflue urbane in cui le microalghe siano applicate insieme ai batteri. Grazie al metabolismo mixotrofo, infatti, si renderebbe necessaria una superficie minore, consentendo allo steso tempo una rimozione simultanea di N, P e carbonio organico in un unico stadio del processo. Ciò incoraggia e promuove lo sviluppo e l’implementazione delle microalghe per il recupero dei nutrienti dalle acque reflue.

Figura 2. Consumo di azoto (A e C) e di COD (B e D) in funzione del tempo di residenza, per una luce di 50 μmol m-2 s-1 (A e B) e 150 μmol m-2 s-1 (Ce D). La prima colonna rappresenta la concentrazione in ingresso. Per l’azoto, il colore nero rappresenta l’N organico, il grigio l’N ammoniacale, e le linee oblique l’azoto sotto forma di nitrato [3]

Riferimenti bibliografici

1. Ramos Tercero EA, Sforza E, Morandini M, Bertucco A (2014) Cultivation of Chlorella protothecoides with Urban Wastewater in Continuous Photobioreactor: Biomass Productivity and Nutrient Removal. Appl Biochem Biotechnol 172:1470–1485. doi: 10.1007/s12010-013-0629-9
2. Sforza E, Cipriani R, Morosinotto T, et al. (2012) Excess CO2 supply inhibits mixotrophic growth of Chlorella protothecoides and Nannochloropsis salina. Bioresour Technol 104:523–529. doi: 10.1016/j.biortech.2011.10.025
3. Pastore M, Santaeufemia S, Bertucco A, Sforza E (2018) Light intensity affects the mixotrophic carbon exploitation in Chlorella protothecoides: consequences on microalgae-bacteria based wastewater treatment. Water Sci Technol 78:1762–1771.

.