Célula microbiana de dessalinização com biocátodo anóxico para simultânea remoção de carbono e nitrogênio, geração de bioeletricidade e dessalinização

Abstract

Sistemas Bioeletroquímicos, nomeadamente as Células Microbianas de Dessalinização, vêm surgindo como uma alternativa promissora para complementar as tradicionais tecnologias de dessalinização. Tais sistemas têm como princípio a ação de microrganismos na conversão da energia armazenada nas águas residuais em bioeletricidade e utilizá-la in situ para conduzir o processo de dessalinização. No entanto, existem vários desafios a serem superados, antes da aplicação em escala real. Considerando esses aspectos, foi desenvolvida uma Célula Microbiana de Dessalinização operando com biocátodo anóxico, para a conversão bioeletroquímica de carbono e nitrogênio, presentes em efluentes, em eletricidade e concomitante dessalinização. Além disso, visando o escalonamento do processo, implementou-se uma solução computacional fundamentada em Big Data para gestão dos dados obtidos durante a operação do sistema. Os resultados mostram geração de eletricidade equivalente a 0,425 W m-3 com eficiências de dessalinização, remoção de matéria orgânica e nitrato equivalentes a 43,69%, 99,85% e 92,11%, respectivamente. Protobacteria foi o Filo dominante, tanto no ânodo (88,45%), como no biocátodo anóxico (97,13%). Enquanto, uma grande diversidade de espécies foi desenvolvida na câmara anódica, o biocátodo apresentou menor abundância, com predomínio de Paracoccus (73,2%) e Nitrosomonas (18,2%), ambos relacionados com o processo de desnitrificação autotrófica. A solução computacional integrada baseada em Big Data para aquisição, monitoramento e processamento em tempo real de dados gerados durante a operação do reator Anox-Bio-MDC foi implementada e validada com sucesso. Tal ferramenta é fundamental para o avanço da tecnologia. Esses achados são promissores e trazem oportunidades para o desenvolvimento e aplicação dessa tecnologia no tratamento de efluentes visando o reúso de águas e conservação dos recursos naturais.

Abstract : Bioelectrochemical systems, namely microbial desalination cells are a promising alternative for traditional desalination technologies. These systems have as principle the conversion of energy stored in wastewater directly into electricity by microorganisms and utilize it in situ to drive desalination process. However, there are several challenges to be overcome in order to scale up it from laboratory research. Regarding it, the present study proposes the development of a Microbial Desalination Cells with anoxic biocathode for the bioelectrochemical conversion of carbon and nitrate with concomitant bioelectricity generation and desalination. In addition, envisaging the process scalability, the development and implementation of a computational solution based on Big Data to manage the data generated during the system operation is proposed. Results show an electricity generation equivalent to 0.425 W m-3 with desalination, organic matter and nitrate removal efficiencies of 43.69%, 92.11% and 99.85%, respectively. Protobacteria was the dominant Phyla in the anode (88.45%) and anoxic biocathode (97.13%). While a relative higher bacterial abundance was developed in the anode chamber, the biocathode showed more selected microorganisms, with predominance of Paracoccus (73.2%) and Nitrosomonas (18.2%) species, both related to the denitrification process. The Big Data-based pipeline for data acquisition, monitoring, and real-time processing during the Anox-Bio-MDC reactor operation was successfully implemented and validated, proving to be fundamental for the advancement of BES technologies. These findings are promising and provide us new opportunities to the development and application of this technology in the sector of wastewater treatment producing cleaner water and conservating natural resources.