De 280 a 700 nm: combinando desinfección solar y ficotecnología para el aprovechamiento de los recursos en efluentes de piscicultura marina | From 280 to 700 nm: combining solar disinfection and phycotechnology for the recovery of resources from marine fish farming streams

La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de la combinación de dos tecnologías solares para el aprovechamiento de corrientes piscícolas desde una perspectiva de economía circular. Así, se ha estudiado el uso de la desinfección solar (SODIS) como pretratamiento para reducir la carga bacteriana de una corriente piscícola y la utilización de este efluente desinfectado como medio de cultivo para la producción de microalgas y la reducción del flujo másico de nutrientes. Se ha comprobado que el uso conjunto de ambas tecnologías solares genera una corriente de agua con calidad suficiente como para ser reintroducida al sistema de producción piscícola o ser vertida con seguridad al medio natural. De manera simultánea, el proceso genera biomasa de microalgas que puede ser reintroducida al sistema como ingrediente sustitutivo de harina de pescado en piensos de engorde para peces. En primer lugar, se seleccionó el marco en el que se aplicaría posteriormente la combinación de tecnologías solares, evaluando dos sistemas productivos piscícolas diferentes, de flujo continuo (FTS) y de recirculación (RAS). Con respecto a la desinfección solar, se llegó a la conclusión que el reactor tipo raceway era el más adecuado para llevar a cabo la desinfección solar a mayor escala por motivos tecno-económicos (menor inversión inicial y requerimiento de superficie en comparación con el tradicional colector parabólico compuesto, CPC). Se determinó que para desinfectar las corrientes estudiadas con concentración de bacterias (Vibrio spp.) de 103 UFC mL-1, la concentración óptima de peróxido de hidrógeno fue de 1.25 mg L-1. En estas condiciones se obtiene una eliminación superior al 99 % en t30 = 44 min (dosis = 22 Wh m-2), no observándose recrecimiento posterior ni efecto tóxico del oxidante residual sobre el posterior cultivo de microalgas. En el caso del cultivo de microalgas, se estudiaron un total de 6 especies (Nannochloropsis gaditana, Pavlova lutheri, Isochrysis galbana, Tetraselmis chuii, Phaeodactylum tricornutum, Chaetoceros gracilis) y un bloom a escala de laboratorio (18 L), obteniéndose productividades de entre 7 y 71 mg L-1 d-1 y velocidades de consumo de nitrógeno disuelto de entre 0,15 y 12,6 mg L-1 d-1. Gracias a los datos obtenidos a escala de laboratorio se diseñaron y construyeron dos reactores raceway, uno para desinfección solar (1000 L) y otro para el cultivo de microalgas (6000 L). Se situaron en la instalación de producción de 450 t año-1 de lenguados de la empresa Cultivos Piscícolas Marinos S.A. (CUPIMAR), empleándose como alimentación la corriente de purga del RAS enriquecida con 1 mg L-1 de fósforo. Se cultivó T. chuii debido a una mayor productividad (15 – 78 mg L-1 d-1) y concentración de proteínas (36 – 50 %) y se caracterizó tanto el efluente como la biomasa de microalgas generados a escala piloto. Se formularon dos piensos para lenguados incluyendo un 10 y un 20 % de biomasa algal (T. chuii), reduciendo el contenido en harina de pescado en un 25 %. En los ensayos de engorde de juveniles de lenguado con ambos piensos experimentales, no se encontraron diferencias significativas en la tasa de crecimiento ni en la composición proximal del pescado producido con respecto al control. El análisis tecno-económico mostró que el tratamiento del caudal de purga del RAS de una planta de producción de lenguados (Solea senegalensis) mediante una combinación de tecnología de microalgas y pretratamiento con desinfección solar tendría un coste de 0,52 € m-3, comparable con el coste de tratamiento de las aguas residuales urbanas. Además, gracias al ingreso que supondría la venta de la biomasa generada, este coste podría verse reducido hasta 0,33 € m-3.

This Doctoral Thesis is focused on investigating two solar technologies for the use of fish farm streams from a circular economy perspective. Thus, the use of solar disinfection (SODIS) has been studied as a pretreatment to reduce the bacterial load of a fish stream and the use of this effluent as a culture medium for the production of microalgae and the reduction of the mass flow of nutrients. The combined use of both solar technologies will generate a water stream of sufficient quality to be reintroduced to the fish production system or to be safely discharged to the natural environment and, simultaneously, produce microalgae biomass that can be reintroduced to the system as a substitute ingredient for fishmeal in fish feed. First, two different fish production systems, flow through system (FTS) and recirculation aquaculture system (RAS), were studied to produce microalgae. The results indicate that the raceway type reactor is the optimum for solar disinfection on a larger scale for techno-economic reasons (lower initial investment and surface area requirement compared to the traditional compound parabolic collector, CPC). It was determined that, for disinfection of the studied streams, with bacteria concentration (Vibrio spp.) between 102 - 106 CFU mL-1 , the optimum concentration of hydrogen peroxide is 1 - 10 mg L-1 , oxidant concentrations that do not inhibit the subsequent biological process. In the case of microalgae culture, a total of six species (Nannochloropsis gaditana, Pavlova lutheri, Isochrysis galbana, Tetraselmis chuii, Phaeodactylum tricornutum, Chaetoceros gracilis) and a bloom were studied at laboratory scale (18 L), obtaining productivities between 7 and 71 mg L-1 d-1 and dissolved nitrogen consumption rates between 0.15 and 12.6 mg L-1 d-1 . Thanks to the data obtained at laboratory scale, two raceway reactors were designed and constructed, one for solar disinfection (1000 L) and the other for microalgae cultivation (6000 L). They were located in a 450 t year-1 sole production facility of Cultivos Piscícolas Marinos S.A. (CUPIMAR), using the RAS purge stream enriched with phosphorus up to 1 mg L-1 as culture medium. T. chuii was cultured due to higher productivity (15 - 78 mg L-1 d-1) and protein concentration (36 - 50 %), and both the effluent and the microalgae biomass generated at pilot scale were characterised. Two sole feeds were formulated, including 10 and 20 % algal biomass (T. chuii), reducing the fishmeal content by 25 %. In juvenile sole fattening trials with both experimental feeds, no significant differences were found in the growth rate and proximal composition of the fish produced concerning the control. The techno-economic analysis shows that the treatment of the RAS purge flow from a sole (Solea senegalensis) production plant using a combination of microalgae technology and pre-treatment with solar disinfection would cost 0,52 € m-3, comparable to the cost of urban wastewater treatment. Moreover, due to the income from the sale of the biomass produced, this cost could be reduced to 0,33 € m-3.

Esta Tesis Doctoral ha sido realizada en el Grupo de Investigación Tecnología del Medio Ambiente (TEP-181) del Plan de Investigación Andaluz y gracias al contrato pre-doctoral de Personal Investigador en Formación (PIF) de la Universidad de Cádiz (UCA/REC01VI/2017). El trabajo experimental ha sido financiado por el proyecto AGL2016-80507-R, “Gestión eficiente y sostenible de efluentes en acuicultura marina mediante tecnología solar (Proyecto SUNRAS), del plan estatal de investigación científica y técnica y de innovación 2013 – 2016 del Ministerio de Economía y Competitividad, con periodo de ejecución 2017 – 2020.