UUttaahh SSttaattee UUnniivveerrssiittyy DDiiggiittaallCCoommmmoonnss@@UUSSUU All Graduate Theses and Dissertations Graduate Studies 8-2011 ZZeeoolliittee‐BBaasseedd AAllggaaee BBiioofifillmm RRoottaattiinngg PPhhoottoobbiioorreeaaccttoorr ffoorr AAllggaaee aanndd BBiioommaassss PPrroodduuccttiioonn Ashton M. Young Utah State University Follow this and additional works at: https://digitalcommons.usu.edu/etd Part of the Engineering Commons RReeccoommmmeennddeedd CCiittaattiioonn Young, Ashton M., "Zeolite‐Based Algae Biofilm Rotating Photobioreactor for Algae and Biomass Production" (2011). All Graduate Theses and Dissertations. 986. https://digitalcommons.usu.edu/etd/986 This Thesis is brought to you for free and open access by the Graduate Studies at DigitalCommons@USU. It has been accepted for inclusion in All Graduate Theses and Dissertations by an authorized administrator of DigitalCommons@USU. For more information, please contact [email protected]. ZEOLITE‐BASED ALGAE BIOFILM ROTATING PHOTOBIOREACTOR FOR  ALGAE BIOMASS PRODUCTION      by      Ashton M. Young      A thesis submitted in partial fulfillment  of the requirements for the degree    of    MASTER OF SCIENCE    in    Biological Engineering      Approved:          ________________________________  ________________________________  Dr. Ronald C. Sims  Dr.  Charles D. Miller  Committee Chairman  Committee Member          ________________________________  ________________________________  Issa Hamud  Dr. Mark R. McLellan  Committee Member  Dean of Graduate Studies        UTAH STATE UNIVERSITY  Logan, Utah    2011 ii                 Copyright © Ashton Young 2011  All rights Reserved iii ABSTRACT    Zeolite‐Based Algae Biofilm Rotating Photobioreactor  for Algae and Biomass Production    by    Ashton M. Young, Master of Science  Utah State University, 2011    Major Professor: Dr. Ronald C. Sims  Department: Biological Engineering    Alkaline conditions induced by algae growth in wastewater stabilization ponds create  deprotonated ammonium ions that result in ammonia gas (NH ) volatilization.  If algae are  3 utilized to remediate wastewater through uptake of phosphorus, the resulting nitrogen loss will  hinder this process because algae generally require a stoichiometric molar ratio of N P .  Lower  16 1 ratios of N/P due to loss of ammonia gas will limit the growth and yield of algae, and therefore  will reduce phosphorus removal from the water phase into the algae phase.  In order to reduce  nitrogen loss through volatilization, an ammonium selective zeolite, clinoptilolite, can be used to  sequester nitrogen from the water phase as ammonium ion and in a form that is bioavailable for  uptake and  growth of algae.   A novel algae biofilm rotating  photo bioreactor  (RPB) with  clinoptilolite  integrated  to  the  outermost  surface  as  the  substratum  for  algae  biofilm  attachment and growth has been designed, constructed, and tested for ammonium capture and iv algae biomass production, with simultaneous removal of the algal nutrient phosphorus from  water. The clinoptilolite‐based RPB (cRPB) provides algal biomass that can serve as feedstock for  biofuel production through uptake of zeolite‐based nitrogen and water phase phosphorus.    (134 pages) v ACKNOWLEDGEMENTS    I am appreciative of the support provided by several organizations, including the  Biological Engineering Department, the Sustainable Waste‐to‐Bioproducts Engineering Center,  the Utah Water Research Laboratory, the Biofuels Center, the Logan City Environmental  Department, and the Huntsman Environmental Research Center at USU.  Special thanks go to  my committee members, Dr. Ronald Sims, Dr. Charles Miller, and Mr. Issa Hamud, for the input,  technical support, and assistance.  Special thanks go to my colleagues in action, Dr. Daniel Dye,  Logan Christenson, Nathan Isrealson, Katie Glaittli, and Ally Schoessler, for their assistance  throughout this research.  Special thanks go to my wife, Meghan, for her support, and my parents for their  encouragements and support to get a higher education.  Ashton M. Young vi   CONTENTS    Page  ABSTRACT ........................................................................................................................................ iii    ACKNOWLEDGEMENTS .................................................................................................................... v    LIST OF TABLES ................................................................................................................................ ix    LIST OF FIGURES ............................................................................................................................... x    LIST OF SYMBOLS, NOTATION, AND DEFINITIONS .........................................................................xiii    CHAPTER    1. INTRODUCTION AND RESEARCH OBJECTIVES .............................................................................. 1  2. LITERATURE REVIEW .................................................................................................................... 6    2.1 Need for alternative energy .................................................................................................. 6  2.2 Logan lagoons ........................................................................................................................ 7  2.3 Nitrogen removal in WWSPs. ................................................................................................ 9  2.4 Phosphorus removal in WWSPs .......................................................................................... 12  2.5 Algae as a biofuel feedstock ................................................................................................ 13  2.6 Wastewater treatment with microalgae ............................................................................. 14  2.7 Natural Zeolite: Clinoptilolite .............................................................................................. 16  2.8 Algae biofilms ...................................................................................................................... 18  2.9 Rotating biological contactors (RBC) ................................................................................... 19  2.10 RBC vs. Rotating Photobioreactor ..................................................................................... 20    3. EXCHANGE CAPACITY AND BIOAVAILABILITY OF AMMONIUM ION EXCHANGED ONTO  CLINOPTILOLITE FOR ALGAE BIOFILM GROWTH ....................................................................... 22    3.1 Introduction ......................................................................................................................... 22  3.2 Materials and Methods ....................................................................................................... 23    3.2.1 Granular clinoptilolite mechanical particle‐size analysis .............................................. 23  3.2.2 Synthetic wastewater formulation ............................................................................... 24  3.2.3 Granular clinoptilolite ammonium exchange isotherm ................................................ 26  3.2.4 Bio‐availability of exchanged ammonium for algae biofilm growth ............................. 28    3.3 Results and Discussion ......................................................................................................... 31 vii 3.3.1 Granular clinoptilolite mechanical particle‐size analysis .............................................. 31  3.3.2 Granular clinoptilolite ammonium exchange isotherm ................................................ 32  3.3.3 Bio‐availability of exchanged ammonium for algae biofilm growth ............................. 38    3.4 Conclusion ........................................................................................................................... 40    4. FABRICATION OF A ROTATING PHOTOBIOREACTOR WITH CLINOPTILOLITE AS ITS  SUBSTRATUM ............................................................................................................................ 42    4.1 Introduction ......................................................................................................................... 42  4.2 Materials and Methods ....................................................................................................... 45    4.2.1 cRPB Fabrication ........................................................................................................... 45  4.2.2 cRPB surface characteristics ......................................................................................... 47    4.3 Results and Discussion ......................................................................................................... 49    4.3.1 cRPB Fabrication ........................................................................................................... 49  4.3.2 Ammonium exchange of the cRPB ................................................................................ 52    4.4 Conclusion ........................................................................................................................... 55    5. ALGAE BIOFILM BIOMASS PRODUCTION ON THE CLINOPTILOLITE ROTATING  PHOTOBIOREACTOR .................................................................................................................. 58    5.1 Introduction ......................................................................................................................... 58  5.2 Materials and Methods ....................................................................................................... 62    5.2.1 Reactor Design/Layout .................................................................................................. 62  5.2.2 Nitrogen balance ........................................................................................................... 66  5.2.3 Energy balance .............................................................................................................. 67  5.2.4 Statistical design ........................................................................................................... 70    5.3 Results and Discussion ......................................................................................................... 71    5.3.1 Reactor algae biomass performance ............................................................................ 72  5.3.2 Nitrogen balance ........................................................................................................... 75  5.3.3 Energy balance .............................................................................................................. 77    5.4 Conclusion ........................................................................................................................... 77    6. FUTURE RESEARCH NEEDS ......................................................................................................... 80    7. CONCLUSIONS ............................................................................................................................ 83    REFERENCES ................................................................................................................................... 85 viii   APPENDICES ................................................................................................................................... 94    APPENDIX A.  CALCULATIONS .................................................................................................... 95  APPENDIX B:  PAPER TO BE SUBMITTED TO JOURNAL .............................................................. 98 ix LIST OF TABLES        Table  Page    1 ‐ Wastewater characteristics of the Logan City treatment facility. ............................................ 12    2 ‐ Phosphorus concentration of the wastewater with and without nitrogen loss.   .................... 16    3 ‐ Comparisons between the Clinoptilolite Rotating Photobioreactor (cRPB) and the Rotating  Biological Contactor (RBC). ....................................................................................................... 21    4 ‐ Hourly 24 hour composite sample of competing cations from the influent and effluent  wastewater used to formulate synthetic wastewater exchange media. ................................. 24    5 ‐ Synthetic wastewater media.. .................................................................................................. 25    6 ‐ Clinoptilolite mechanical particle size analysis.. ................................................................ 31    7 ‐  Values for the Langmuir and Freundlich coefficients for the clinoptilolite in synthetic  wastewater. .............................................................................................................................. 36    8 ‐ Values for the Linear, Freundlich and Langmuir coefficients for the cRPB in synthetic  wastewater. .............................................................................................................................. 54    9 ‐ Phosphorus concentration of the wastewater without nitrogen loss and with nitrogen loss  assuming a C H O N P algae stoichiometry. ..................................................................... 61  106 181 45 16   10 ‐ Macro‐nutrient removal rates of cRPB, sRPB, and eRPB over time ± standard deviation. .... 73    11 ‐ Energy Input and Output comparison of algae biofilm and suspended algae growth using  RPB and raceway growth technologies ..................................................................................... 77    12 ‐ Fatty Acid Methyl Ester (FAME) composition of biofilm algae biomass grown in wastewater,  % of total FAME ± standard deviation .................................................................................... 115    13 ‐ Algae wastewater technologies compared with the cRPB ................................................... 117