Anaerobic digestion effluents treatment by advanced microalgae cultivation

Abstract

Microalgae cultivation has attracted considerable interest as a sustainable approach for biofuel production, wastewater treatment, and the generation of high-value bioproducts. This PhD research focuses on treating anaerobic digestion effluents (ADEs) through advanced microalgae cultivation techniques. The study explores the potential of microalgae for nutrient recovery, carbon sequestration, and the production of biofuels and biochemicals, while also evaluating optimized growth conditions and the economic feasibility of microalgae-based biorefineries.A central aspect of this work is the use of anaerobic digestate as a nutrient source for microalgal growth. Although anaerobic digestion generates renewable biogas, the remaining digestate presents environmental concerns due to its high organic and nutrient load. This study demonstrates that ADEs can serve as a low-cost medium for cultivating microalgae, supporting both biomass production and wastewater remediation. Experiments highlight that strains like Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus efficiently remove nitrogen and phosphorus, indicating the viability of integrating microalgae into wastewater treatment systems and advancing circular bioeconomy practices. Enhancing lipid accumulation for biofuel production is another major focus. The research examines strategies such as nitrogen starvation, salt stress, and thermal pretreatment to improve lipid content. These methods notably increase lipid yields in Chlorella species, enhancing their suitability for biodiesel applications. Furthermore, thermal pretreatment boosts methane production during anaerobic digestion, reinforcing the role of microalgae in biogas generation.High-rate algae ponds (HRAPs) are evaluated for their effectiveness and scalability. Comparisons with open ponds and photobioreactors (PBRs) reveal HRAPs as cost-efficient systems with high nutrient recovery and biomass yields, though they require improvements to manage environmental fluctuations and contamination risks. The thesis also explores the commercial potential of producing natural astaxanthin from Haematococcus pluvialis, a valuable antioxidant used in nutraceuticals and aquaculture. The study proposes cost-saving measures including hybrid cultivation, nutrient recycling from waste, and integration with biogas units. Results suggest that astaxanthin production could become economically viable with further technological and market development. Additionally, the thesis introduces a photosynthetic biogas upgrading (PBU) method, using microalgae to sequester CO₂ and remove hydrogen sulfide, thus enriching the methane content in biogas. This approach supports cleaner energy production and greenhouse gas mitigation. Despite promising outcomes, challenges remain in scaling up microalgae-based systems. These include high operational costs, harvesting inefficiencies, and the need for pilot-scale validation. Future work should focus on optimizing reactor design, reducing costs, and incorporating AI for system control. This research underscores the role of microalgae in renewable energy and environmental biotechnology, advancing their application in integrated biorefineries.

Η καλλιέργεια μικροφυκών έχει προσελκύσει έντονο ενδιαφέρον ως βιώσιμη στρατηγική για την παραγωγή βιοκαυσίμων, την επεξεργασία λυμάτων και την ανάπτυξη υψηλής αξίας βιοπροϊόντων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην επεξεργασία εκροών από αναερόβια χώνευση (ADEs) μέσω προηγμένων τεχνικών καλλιέργειας μικροφυκών. Εξετάζεται η δυνατότητα των μικροφυκών να λειτουργήσουν ως φιλική προς το περιβάλλον λύση για την ανάκτηση θρεπτικών στοιχείων, τη δέσμευση άνθρακα και την παραγωγή βιοκαυσίμων και βιοχημικών, ενώ αξιολογούνται και καινοτόμες στρατηγικές βελτιστοποίησης της καλλιέργειας και της οικονομικής βιωσιμότητας βιοδιυλιστηρίων μικροφυκών. Η χρήση του αναερόβιου χωνευμένου υπολείμματος ως πηγή θρεπτικών για την καλλιέργεια μικροφυκών αποτελεί βασικό άξονα της μελέτης. Παρότι η αναερόβια χώνευση παράγει βιοαέριο, το χωνευμένο υπόλειμμα (digestate) παραμένει περιβαλλοντική πρόκληση λόγω του υψηλού οργανικού και θρεπτικού φορτίου. Η μελέτη αποδεικνύει ότι τα ADEs μπορούν να αξιοποιηθούν ως οικονομικό θρεπτικό μέσο, προωθώντας τόσο την παραγωγή βιομάζας όσο και την αποδοτική επεξεργασία λυμάτων. Στελέχη όπως τα Chlorella vulgaris και Scenedesmus obliquus παρουσιάζουν υψηλή ικανότητα απορρόφησης αζώτου και φωσφόρου, ενισχύοντας την ενσωμάτωση των μικροφυκών σε υπάρχοντα συστήματα επεξεργασίας λυμάτων και προωθώντας τις αρχές της κυκλικής βιοοικονομίας. Η ενίσχυση της συσσώρευσης λιπιδίων για παραγωγή βιοκαυσίμων αποτελεί κρίσιμο στόχο. Εξετάζονται στρατηγικές καταπόνησης όπως η στέρηση αζώτου, η αλατότητα και η θερμική προεπεξεργασία. Τα αποτελέσματα δείχνουν σημαντική αύξηση της λιπιδικής περιεκτικότητας στα είδη Chlorella, ενισχύοντας τη χρήση τους ως πρώτες ύλες για βιοντίζελ. Παράλληλα, η θερμική προεπεξεργασία αυξάνει την παραγωγή μεθανίου, καθιστώντας την καλλιέργεια μικροφυκών ελκυστική και για την παραγωγή βιοαερίου. Η απόδοση των υψηλού ρυθμού ανάπτυξης αβαθών δεξαμενών (HRAPs) αξιολογείται συγκριτικά με ανοικτές δεξαμενές και φωτοβιοαντιδραστήρες (PBRs), αναδεικνύοντας τα HRAPs ως οικονομικά αποδοτικά με υψηλή ανάκτηση θρεπτικών και παραγωγή βιομάζας, αν και απαιτείται περαιτέρω βελτιστοποίηση. Η διατριβή εξετάζει την παραγωγή φυσικής ασταξανθίνης από Haematococcus pluvialis μέσω υβριδικών καλλιεργειών και αξιοποίησης αποβλήτων, ενσωματώνοντας μονάδες βιοαερίου. Τα ευρήματα δείχνουν εμπορική δυναμική υπό την προϋπόθεση τεχνολογικών και στρατηγικών εξελίξεων.Τέλος, παρουσιάζεται η φωτοσυνθετική αναβάθμιση βιοαερίου (PBU), όπου τα μικροφύκη βελτιώνουν την καθαρότητα του βιοαερίου με δέσμευση CO₂ και απομάκρυνση υδρόθειου. Παρά τις προόδους, η κλιμάκωση απαιτεί μείωση κόστους, τεχνολογική βελτίωση και ενσωμάτωση τεχνητής νοημοσύνης για αποδοτική λειτουργία. Η έρευνα προσφέρει ολοκληρωμένη αξιολόγηση του δυναμικού των μικροφυκών σε περιβαλλοντική βιοτεχνολογία και ανανεώσιμες εφαρμογές.