Célula a combustível microbiana: operação em diferentes tempos de detenção hidráulica e extração de energia ativa

Abstract

As estações de tratamento de efluente (ETEs) são grandes consumidoras de energia elétrica no âmbito municipal. Ao mesmo tempo, as ETEs têm um potencial significativo de geração de energia devido à matéria orgânica ali presente. De modo a promover a sustentabilidade no processo, técnicas para recuperação deste conteúdo energético dos efluentes estão sendo desenvolvidas rapidamente. Por exemplo, células de combustível microbianas (CCM) têm sido amplamente estudadas como tecnologia para produzir eletricidade a partir de compostos orgânicos presentes nas águas residuárias. Como é uma tecnologia recente e em expansão, existem alguns obstáculos, como condições ótimas de operação, meios para utilizar a energia produzida, aumento da escala e aplicação em sistemas reais. No presente estudo, avaliou-se uma CCM de câmara única (CCM-U) de 2 L para tratamento de efluente sintético (simulando o efluente sanitário). A CCM-U foi inoculada e aclimatada com lodo anaeróbio operando em regime de batelada, atingindo estabilidade na tensão de 0,65 V e 74,60% de remoção da demanda química de oxigênio (DQO). Em seguida, operando em fluxo contínuo, três etapas com diferentes tempos de detenção hidráulica (TDH) foram executadas, sendo elas 12, 8 e 4 h, a fim de verificar o impacto no desempenho da CCM. Verificou-se que os valores máximos de geração de eletricidade e eficiência de tratamento foram obtidos em TDH de 12 h. A potência produzida pela CCM foi em média 52,04 ± 18,00 mW m-3 a uma corrente de 159,20 ± 26,30 mA m-3. Aproximadamente 20% da DQO foi removida com uma eficiência coulômbica de 5,44%. Além disso, o teste de toxicidade aguda com Lactuca sativa evidenciou efeitos tóxicos no efluente bruto. No entanto, não foi possível detectar o efeito tóxico do efluente da CCM operado a um TDH de 12 h, indicando o potencial da CCM em reduzir a toxicidade. A operação da CCM com resistor externo (CCM-R) não proporciona aproveitamento de energia, uma vez que a mesma é dissipada na forma de calor. Dessa forma, a CCM foi operada com extração de energia ativa (CCM-E). O sistema funcionou em ponto de potência máxima e permitiu o carregamento de uma bateria. Comparado com CCM-R, o sistema de captação de energia ativa (CCM-E) aumentou a potência e eficiência coulômbica em aproximadamente 2,5 e 2,4 vezes, respectivamente. O filo predominante no biofilme anódico foi Proteobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes e Firmicutes. A família Clostridiceae representa os organismos eletroativos no biofilme anódico. A toxicidade do efluente de CCM foi avaliada utilizando o ensaio com Daphnia Magna. Foi possível verificar que o efluente tratado pela CCM-R e CCM-E promoveu redução na toxicidade do efluente. Esses resultados demonstraram que a CCM-E, abastecida em fluxo contínuo apresenta potencial para atuar na remoção de poluentes e recuperação de energia em ETEs. Como pós-tratamento, sugere-se a integração da CCM-E com um eletrobiorreator a membrana (EBRM). A energia produzida e armazenada poderá ser aplicada no EMBR para atuar no pós-tratamento do efluente da CCM.

Abstract: Wastewater treatment plants (WWTPs) are significant energy consumers at the municipal level. Meanwhile, WWTPs have considerable potential for sustainable energy recovery due to their intrinsic energy content. In order to promote sustainability in the process, techniques for recovering the energy content of wastewater are developing rapidly. For example, microbial fuel cells (MFCs) have been widely studied as potential devices to produce electricity from organic compounds in wastewater. As a novelty technology, there are some bottlenecks, such as gaps under optimal operational conditions, generation of practically usable power, scaled-up, and application in practical systems. In the present study, we assessed a scale-up single chamber MFC (2 L) for treating synthetic wastewater (similar to sewage). The MFC was successfully inoculated and acclimated with anaerobic sludge. The voltage reached a plateau of around 0.650 V and 74.60% COD removal under batch mode. After that, in a continuous flow, three sets of experiments with different combinations of hydraulic retention times (HRT), 12, 8, and 4 h, were performed to verify the impact on the MFC performance. It was found that electricity generation and wastewater treatment could be enhanced under an HRT of 12 h. The power produced by the MFC averaged 52.04 ± 18.00 mW m-3 at a current of 159.20 ± 26.30 mA m-3. Approximately 20% of the chemical oxygen demand (COD) was removed with a Coulombic efficiency of 5.44%. Furthermore, testing of acute toxicity with Lactuca sativa revealed toxic effects of the raw wastewater. However, it was not possible to detect the toxic effect of the effluent from the MFC operating under 12h HRT, indicating the potential to reduce toxicity. The operation with an external resistor does not provide energy use since it was dissipated as heat. Then, the MFC was operated with active energy harvesting (MFC-H). The system worked under maximal power point and enabled charging of a battery. Compared with the MFC-H, the active harvesting system increases power generation and Coulombic efficiency approximately 2.5 and 2.4 times, respectively. The predominant phylum at anode biofilm was Proteobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes, and Firmicutes. The Clostridiceae family might represent the electroactive organisms in the anodic biofilm. The toxicity of MFC effluent was evaluated using bioassay with Daphnia Magna. It is possible to verify that the effluent treated by MFC under resistor and active harvesting scenarios promoted a reduction in wastewater toxicity. Indeed, post-treatment is indicated to provide complete pollutant removal. These outcomes demonstrated that scaled-up MFC fed in continuous flow mode with synthetic wastewater should be an effective system for pollutant removal and energy recovery for wastewater treatment plants. As a post-treatment, it is suggested to integrate the MFC-H with an electro-membrane bioreactor (EMBR). The energy produced and stored could be applied in EMBR to treat the MFC effluent further.