Tecnologias avançadas de tratamento aplicadas a efluente suíno sintético: célula a combustível microbiana e eletrobiorreator a membrana

Abstract

O Brasil é um dos maiores produtores de suínos no cenário internacional, com destaque para o estado de Santa Catarina. Entretanto, a disposição inadequada dos dejetos suínos não tratados ou insuficientemente tratados compromete os corpos hídricos, contribuindo para a eutrofização devido ao excesso de nutrientes como nitrogênio e fósforo. Para enfrentar esse desafio, este trabalho avaliou o uso de tecnologias inovadoras, como células a combustível microbiana (CCM) e eletrobiorreatores a membrana (EBRM), no tratamento de efluente suíno sintético, com o objetivo de remover matéria orgânica e nutrientes, possibilitando o reúso não potável do efluente tratado. Os estudos foram organizados em capítulos, com foco em diferentes abordagens. O capítulo III explorou a CCM na configuração de câmara única (CCM-U/MEA). Durante a operação com extração de energia passiva e ativa, observou-se que a formação do biofilme no ânodo e a temperatura influenciaram diretamente no desempenho inicial. A densidade de potência máxima alcançou 418,23±64,30 mW m?³ durante a extração de energia ativa, superior a extração de energia passiva (165,39±7,52 mW m?³), demonstrando maior eficiência energética ao armazenar energia em baterias recarregáveis. Apesar disso, a CCM apresentou baixa remoção de matéria orgânica e nutrientes. A adição de sulfametoxazol afetou a comunidade microbiana, causando redução na densidade de potência, no entanto, melhorando a eficiência de remoção de DQO e nutrientes. Estudos toxicológicos indicaram impacto negativo do efluente tratado na germinação de radículas. O capítulo IV avaliou o sistema de eletrocoagulação com base no planejamento fatorial do delineamento composto central rotacional (DCCR). As condições otimizadas (densidade de corrente de 21 A·m?² e ciclos de 8 minutos ligado e 13 minutos desligado) proporcionaram remoção de fósforo superior a 90% e melhoria da filtrabilidade do licor misto em mais de 50%. Estes resultados evidenciaram o potencial do sistema de eletrocoagulação para tratar efluentes ricos em fósforo e matéria orgânica, além de estimular a biomassa bacteriana. No capítulo V, foi analisado o desempenho do reator piloto operado em batelada sequencial (BS), comparando-se as operações sem (BRM-BS) e com eletrocoagulação (EBRM-BS). Ambas as modalidades demonstraram elevada eficiência na remoção de matéria orgânica (>99%). A eletrocoagulação aumentou significativamente a remoção de nitrogênio amoniacal (99,6±0,4%) e fósforo (90,1±3,2%), destacando-se em relação ao reator sem corrente elétrica. Apesar da toxicidade reduzida em comparação ao efluente bruto, o permeado ainda apresentou efeitos adversos ao organismo-teste. De forma geral, o estudo destacou o caráter sustentável das tecnologias avaliadas. A CCM-U/MEA demonstrou viabilidade para geração de energia elétrica a partir de uma fonte renovável, enquanto o EBRM-BS apresentou alto potencial para o tratamento de efluentes agroindustriais e reúso não potável, contribuindo para práticas mais sustentáveis na suinocultura.

Abstract: Brazil is one of the largest swine producers on the international stage, with Santa Catarina state standing out in particular. However, the improper disposal of untreated or insufficiently treated swine waste compromises water bodies, contributing to eutrophication due to excess nutrients such as nitrogen and phosphorus. To address this challenge, this study evaluated the use of innovative technologies, such as microbial fuel cells (MFC) and membrane electrobioreactors (MEBR), for treating synthetic swine wastewater, aiming to remove organic matter and nutrients to enable the non-potable reuse of treated effluent. The studies were organized into chapters, each focusing on different approaches. Chapter III explored the MFC in a single-chamber configuration (SCMFC/MEA). During operation with passive and active energy extraction, it was observed that biofilm formation on the anode and temperature directly influenced initial performance. The maximum power density reached 418.23±64.30 mW m?³ during active energy extraction, surpassing passive energy extraction (165.39±7.52 mW m?³), demonstrating higher energy efficiency when storing energy in rechargeable batteries. Despite this, the MFC showed low removal of organic matter and nutrients. The addition of sulfamethoxazole affected the microbial community, causing a reduction in power density but improving COD and nutrient removal efficiency. Toxicological studies indicated a negative impact of the treated effluent on radicle germination. Chapter IV evaluated the electrocoagulation system based on the central composite rotatable design (CCRD) factorial planning. Optimized conditions (current density of 21 A·m?² and cycles of 8 minutes on and 13 minutes off) achieved phosphorus removal above 90% and improved mixed liquor filterability by more than 50%. These results highlight the potential of the electrocoagulation system for treating effluents rich in phosphorus and organic matter, in addition to stimulating bacterial biomass. In Chapter V, the performance of a pilot reactor operated in sequential batch mode (SB) was analyzed, comparing operations with and without electrocoagulation. Both modes demonstrated high efficiency in organic matter removal (>99%). Electrocoagulation significantly enhanced ammoniacal nitrogen removal (99.6±0.4%) and phosphorus removal (90.1±3.2%), standing out compared to the reactor without electric current. Despite reduced toxicity compared to raw effluent, the permeate still exhibited adverse effects on the test organism. Overall, the study highlighted the sustainable nature of the evaluated technologies. The SCMFC/MEA demonstrated feasibility for generating electricity from a renewable source, while the MEBR-SB showed high potential for treating agro-industrial effluents and non-potable reuse, contributing to more sustainable practices in swine farming.