MICROALGAL BIOREMEDIATION OF ORGANIC POLLUTANTS AND HEAVY METALS FROM PETROLEUM DERIVED PRODUCED WATER. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD Thesis_G201706550_MOHAMMED OMAR FARUQUE_ E- print.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 7 March 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

المياه المنتجة، وهي ناتج ثانوي لاستخراج النفط والغاز، تحتوي على ملوثات عضوية مذابة خطرة ومعادن ثقيلة، مما يشكل مخاطر بيئية كبيرة. تقدم هذه الدراسة أول تحقيق شامل حول استخدام الطحلب الدقيق كلوريلا سوروكينيانا لإمكانية نموه، وقدرته على تحلل الملوثات العضوية، وإزالة المعادن الثقيلة من المياه المنتجة المشتقة من البترول. تم إجراء البحث على خمس مراحل لتقييم تكيف الطحلب الدقيق مع الظروف شديدة الملوحة، وإمكاناته في المعالجة الحيوية ضمن تدرجات مختلفة من المياه المنتجة الاصطناعية، بالإضافة إلى استغلال الكتلة الحيوية في تطبيقات إنتاج الطاقة الحيوية واستخدامها كمادة ماصة حيوية لإزالة المعادن الثقيلة في البداية، تم زراعة كلوريلا سوروكينيانا في مفاعل ضوئي يحتوي على محلول ملحي عالي الملوحة مدعم بمياه الصرف الصحي الصناعية الاصطناعية كمصدر للمغذيات، مما أظهر قدرتها على التكيف مع الملوحة الشديدة مع تحقيق تركيز عالٍ من الكتلة الحيوية يصل إلى 1373 ملغ/لتر وإزالة كبيرة للنيتروجين بنسبة 89.1% والفوسفور بنسبة 98.48%. تم إجراء دراسات إضافية لاستكشاف قدرة الطحلب الدقيق على المعالجة الحيوية للملوثات العضوية المذابة في نوعين مختلفين من المياه المنتجة الاصطناعية، أحدهما قائم على الأسيتات والآخر على الفينول، مع إضافة مياه الصرف الصناعي الاصطناعية. كشفت النتائج عن تحلل فعال للملوثات العضوية، حيث وصلت نسبة إزالة الكربون العضوي الكلي إلى 85% في 50% من المياه المنتجة. ومن الجدير بالذكر أن إزالة الفينول بنسبة 96% تعود بشكل أساسي إلى التحلل الحيوي بدلاً من الامتزاز الحيوي، بينما تراوح تراكم الدهون بين 12-30%، مما يؤكد الإمكانيات العالية للكتلة الحيوية في إنتاج الطاقة الحيوية تمت دراسة تأثير إجهاد الرصاص على الطحلب الدقيق كلوريلا سوروكينيانا أثناء زراعته في مياه منتجة اصطناعية تعتمد على الفينول والأسيتات، معززة بمياه الصرف الصناعي الاصطناعية، مما أثبت قدرته على التحمل وإزالة الرصاص من خلال الامتزاز الحيوي، والتراكم الحيوي، والترسيب الناتج عن تغيرات الرقم الهيدروجيني. تم تسجيل أعلى إنتاجية للكتلة الحيوية بمقدار 124.63 ملغ/لتر/يوم عند تعرض معتدل للرصاص، بينما بلغت كفاءة إزالة الكربون العضوي الكلي 95% عند 50% من المياه المنتجة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم قدرة الامتزاز الحيوي للكتلة الحيوية الجافة للطحلب لإزالة الكادميوم، حيث حققت قدرة امتزاز قصوى بلغت 92 ملغ/غرام عند الرقم الهيدروجيني 7. اتبعت حركية الامتزاز نموذج المرتبة الثانية الكاذبة، بينما تطابقت بيانات التوازن مع نموذج فروندليش، مما يشير إلى الطبيعة غير المتجانسة لعملية امتزاز الكادميوم بشكل عام، تقدم هذه الدراسة أول تحقيق مفصل حول استخدام الطحلب الدقيق كلوريلا سوروكينيانا في المعالجة الحيوية وتطبيقات الطاقة الحيوية ضمن معالجة المياه المنتجة. تظهر النتائج دوره المزدوج كعامل فعال في المعالجة الحيوية لإزالة الملوثات العضوية المذابة والمعادن الثقيلة، إضافة إلى كونه مصدرًا حيويًا واعدًا لإنتاج الطاقة المستدامة. توفر هذه الدراسة نهجًا صديقًا للبيئة يدمج بين المعالجة الحيوية للمياه المنتجة واستغلال الكتلة الحيوية، مما يساهم في تعزيز الاستدامة البيئية ودعم استراتيجيات الاقتصاد الحيوي الدائري

English Abstract

Produced water (PW), a byproduct of oil and gas extraction, contains hazardous dissolved organic pollutants (DOPs) and heavy metals (HM), posing significant environmental risks. This study introduces the first comprehensive investigation of Chlorella sorokiniana (C. sorokiniana) for its feasibility in terms of growth, organic pollutant degradation, and HM removal in petroleum-derived PW. The research was conducted in five phases, assessing the microalga’s adaptability in hypersaline condition, bioremediation potential in different gradients of synthetic PW (SPW), and biomass valorization for bioenergy applications as well as for potential bioadsorbent to remove HM. Initially, C. sorokiniana was cultivated in photobioreactor successively having hypersaline brine (HSB) supplemented with synthetic municipal wastewater (SMW) as a nutrient source, demonstrating its adaptability to extreme salinity while attaining high biomass concentration (up to 1373 mg/L) and substantial nitrogen (89.1%) and phosphorus (98.48%) elimination. Further studies explored the microalga’s capability to bioremediate dissolved organic pollutants distinctly in acetate based SPW and phenol based SPW supplemented with SMW. The results uncovered effective biodegradation of organic pollutants, with total organic carbon (TOC) elimination reaching 85% in 50% PW. Notably, phenol removal (96%) was mainly attributed to biodegradation rather than bioadsorption, while lipid accumulation ranged from 12–30%, emphasizing the bioenergy potential of the biomass. Subsequent examinations assessed the effect of lead (Pb²⁺) stress on C. sorokiniana during the cultivation in phenol-acetate based SPW supplemented with SMW, proving its resilience and ability to eliminate Pb²⁺ through biosorption, bioaccumulation, and pH-induced precipitation. The highest biomass productivity (124.63 mg/L/d) was monitored at moderate Pb²⁺ exposure, while TOC removal efficiency peaked at 95% at 50% PW. Lastly, the study considered the biosorption potential of C. sorokiniana dry biomass for Cd(II) removal, achieving a maximum sorption capacity of 92 mg/g at pH 7. Adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model, while equilibrium data fitted well with the Freundlich isotherm, emphasizing the heterogeneous nature of Cd(II) adsorption. Overall, this research provides the first detailed investigation of C. sorokiniana for bioremediation and bioenergy applications in PW treatment. The findings exhibit its dual role as an efficient bioremediation agent for removing dissolved organic pollutants and HM, while also serving as a suggesting bioresource for sustainable energy production. This study offers an eco-friendly approach to integrating PW bioremediation with biomass valorization, contributing to environmental sustainability and circular bioeconomy strategies.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Abdur Razzak, Shaikh
Committee Co-Advisor:	Hossain, Mohammad Mozahar
Committee Members:	Ahmed Al-Harthi, Mamdouh and Farooq Zameer Hussain, Wasif and Nzila Mouanda, Alexis
Depositing User:	MOHAMMED FARUQUE (g201706550)
Date Deposited:	10 Mar 2025 07:23
Last Modified:	10 Mar 2025 07:23
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143310