Avaliação do processo de tratamento integrado utilizando célula a combustível microbiana (CCM) e eletro-Fenton (EF) na degradação de azo-corante têxtil

Abstract

A integração da célula de combustível microbiana (CCM) com eletro-Fenton (EF), denominada sistema bio-eletro-Fenton (BEF), tem demonstrado resultados promissores na remoção de azo-corantes e geração simultânea de corrente elétrica. Neste estudo, foi investigada a aplicação do BEF ao tratamento de soluções do corante Violeta Brilhante de Remazol-5R (VBR-5R) em três fases diferentes, sendo: i) inoculação e aclimatação bacteriana; ii) remoção do azo-corante via BEF; e iii) tratamento via sistema híbrido em biofilme anódico de CCM e BEF catódico. Na primeira fase, foi investigado o processo de aclimatação das bactérias no CCM a partir de um lodo anaeróbio para a síntese de peróxido de hidrogênio (H2O2). Após 20 dias de aclimatação, a CCM alcançou uma densidade de potência máxima de 60,6 mW m-2, com 15,17 ± 0,3 mg H2O2 L-1. Houve uma mudança notável na estrutura da comunidade microbiana do biofilme, com incremento na abundância relativa de Proteobactérias (de 28,1% para 62%) e Firmicutes (de 7% para 19,6%). Alguns gêneros, como Kerstersia (42%) e Pandoraea (1%), apresentaram correlações positivas (r > 0,850) na conversão de substrato em corrente elétrica e subsequente síntese de H2O2. Na segunda fase, foram avaliadas as eficiências de remoção e manipulação do VBR-5R utilizando diferentes concentrações de VBR-5R (5, 10 e 20 mg L-1) e resistências externas (Rext) (1000, 100 e 10 O). A estratégia mais eficaz foi aquela que usou 20 mg VBR-5R L-1 e 10 O Rext. O sistema sintetizou 12,1 ± 0,2 mg H2O2 L-1 e alcançou uma densidade de potência máxima de 69,4 mW m-2, com uma eficiência de Coulomb (EC) de 7,2 ± 0,4%. Nesse cenário, obtivemos eficiências notáveis, como 95,5 ± 0,3% na remoção de cor, 73,6 ± 0,4% na remoção de grupos aromáticos e 82,4 ± 0,3% na remoção de DQO. No entanto, uma análise de fitotoxicidade revelou que, após 12 horas de detenção hidráulica (TDH), os índices de germinação (IG) das sementes de alface (Lactuca sativa) e rabanete (Raphanus sativus) ocorrem < 80%, que fornecem o efluente tratado via BEF era tóxico. Na terceira fase, a aplicação de um TDH de 6 h no biofilme anódico da CCM e de 12 h no BEF catódico para 20 mg VBR-5R L-1 + 0,25 g acetato de sódio L-1, se destaca. O sistema atingiu uma densidade de potência máxima de 70,3 mW m-2 e sintetizou 12,5 ± 0,3 mg H2O2 L-1, com CE de 8,34 ± 0,23%. Além disso, foram obtidas boas eficiências na remoção de cor (99,8 ± 0,1%), DQO (79,6 ± 0,3%) e grupos aromáticos (78,7 ± 1,0%). Uma análise de fitotoxicidade revelou que o ajuste do pH de 3,0 para 7,0 foi comprovado em menor toxicidade para as sementes de alface (IG = 30,1 ± 1,5%) e rabanete (IG = 43,8 ± 1, 6%) em comparação com o efluente bruto (IG = 1,90 ± 0,2%; IG = 3,1 ± 0,4%). Na comunidade microbiana do biofilme anódico, os gêneros da família Rhizobiaceae (r = 0,9475), Soehngenia (r = 0,9750) e Pandoraea (r = 0,8307) apresentaram correlações positivas, desde a etapa de manipulação do VBR-5R , até a conversão em corrente elétrica e síntese de H2O2. Portanto, de acordo com as três fases da pesquisa, o sistema de tratamento que apresentou os melhores resultados para manipulação do VBR-5R foi o BEF (20 mg VBR-5R L-1; e 10 O). A remoção de DQO foi superior no BEF em comparação com o sistema híbrido, apresentando eficiências de remoção de cor e manipulação de grupos aromáticos muito próximas aos valores obtidos no sistema híbrido. Os TDH's elevados e a alta carga de DQO na entrada do sistema híbrido podem ter favorecido a formação de subprodutos tóxicos adicionais. Em resumo, as três fases da pesquisa forneceram opções de abordagens bioeletroquímicas na síntese de H2O2 e na remoção eficiente do azo-corante têxtil, com contribuições significativas para aplicações futuras em tratamento de efluentes e questões ambientais.

Abstract: The integration of the microbial fuel cell (MFC) with electro-Fenton (EF), named bioelectro- Fenton (BEF) system, has demonstrated promising results in the azo dyes removal and simultaneous electric current generation. In this study, the BEF application to the Remazol Brilliant Violet-5R (RBV-5R) dye solutions treatment was investigated in three different phases, namely: i) inoculation and bacterial acclimation; ii) azo dye removal via BEF; and iii) treatment via hybrid treatment system MFC anodic biofilm and cathodic BEF. In the first phase, the acclimation process of bacteria in the MFC from anaerobic sludge for the hydrogen peroxide (H2O2) synthesis was investigated. After 20 days of acclimation, the MFC reached a maximum power density of 60.6 mW m-2, with 15.17 ± 0.3 mg H2O2 L-1. There was a notable change in the structure of the microbial community, with an increase in the relative abundance of Proteobacteria (from 28.1% to 62%) and Firmicutes (from 7% to 19.6%). Some genera, such as Kerstersia (42%) and Pandoraea (1%), showed positive correlations (r > 0.850) in the conversion of substrate into electrical current and subsequent H2O2 synthesis. In the second phase, the removal and degradation efficiencies of VBR-5R were evaluated using different concentrations of VBR-5R (5, 10, and 20 mg L-1) and external resistances (Rext) (1000, 100, and 10 O). The most effective strategy was the one using 20 mg RBV-5R L-1 and 10 O Rext. The system synthesized 12.1 ± 0.2 mg H2O2 L-1 and achieved a maximum power density of 69.4 mW m-2, with a Coulomb efficiency (CE) of 7.2 ± 0.4%. In this scenario, notable efficiencies were obtained, including 95.5 ± 0.3% in color removal, 73.6 ± 0.4% in aromatic group removal, and 82.4 ± 0.3% in COD removal. However, a phytotoxicity analysis revealed that, after 12h of hydraulic retention time (HRT), the germination indexes (GI) of lettuce (Lactuca sativa) and radish (Raphanus sativus) seeds were < 80%, which provided the effluent treated via BEF was toxic. In the third phase, HRT 6 h on the MFC anodic biofilm and 12 h on the cathodic BEF for 20 mg RBV-5R L-1 + 0.25 g sodium acetate L-1 stands out. The system achieved a maximum power density of 70.3 mW m-2 and synthesized 12.5 ± 0.3 mg H2O2 L-1, with a CE of 8.34 ± 0.23%. Furthermore, good efficiencies were obtained in removing color (99.8 ± 0.1%), COD (79.6 ± 0.3%), and aromatic groups (78.7 ± 1.0%). A phytotoxicity analysis revealed that adjusting the pH from 3.0 to 7.0 was proven to have lower toxicity for lettuce (GI = 30.1 ± 1.5%) and radish (GI = 43.8 ± 1.6%) seeds, compared to raw effluent (GI = 1.90 ± 0.2%; GI = 3.1 ± 0.4%). In the microbial community of the anode biofilm, the genera of the family Rhizobiaceae (r = 0.9475), Soehngenia (r = 0.9750), and Pandoraea (r = 0.8307) showed positive correlations since the RBV-5R degradation, until conversion into electrical current and H2O2 synthesis. Therefore, according to the three phases of the research, the treatment system that presented the best results for handling RBV-5R was BEF (20 mg RBV-5R L-1; and 10 O). The COD removal was increased in BEF compared to the hybrid system, presenting color removal and aromatic group handling efficiencies very close to the values obtained in the hybrid system. The high HRTs and the high COD load at the hybrid system inlet may have favored the formation of additional toxic byproducts. In summary, the three phases of research provide options for bioelectrochemical approaches in the H2O2 synthesis and the efficient textile azo dye removal, with significant contributions to future applications in wastewater treatment and environmental issues.