Tratamento de efluente sintético de refinaria de petróleo e remoção do sal da água do mar através de células de dessalinização microbiana

Abstract

As células de dessalinização microbiana vêm sendo pesquisadas intensivamente nos últimos anos, visto que estes sistemas possuem a capacidade de remover compostos orgânicos presentes em águas residuárias, sedimentos, esgotos industriais e domésticos, convertendo-os em energia elétrica através de reações bioquímicas e eletroquímicas em biofilmes microbianos. Com base nesse conhecimento e do ponto de vista ambiental, refinarias de petróleo são grandes geradoras de poluição por consumirem grandes quantidades de água e energia, além de lançarem elevadas quantidades de resíduos líquidos, gases nocivos para a atmosfera e sólidos de difícil degradação. As águas residuárias do processo de refino podem conter poluentes em diferentes concentrações. Podem estar presentes compostos xenobióticos como etilbenzeno, nonano, fenol e tolueno, além de amônia e formas nitrogenadas. Essas águas ainda podem conter sais que podem inviabilizar o reuso de água, por exemplo, em torres de resfriamento. Visando o tratamento desse tipo de efluente, células de dessalinização foram confeccionas em duas configurações, uma com uma única câmara e outra com três câmaras de dessalinização. Microrganismos foram adaptados progressivamente ao longo de 300 dias para operação com um efluente que mimetizou as características de um efluente de refinaria. Após a adaptação, três condições foram avaliadas com quantidades diferentes de tolueno, etilbenzeno, nonano e fenol, com 25, 37,5 e 50 mg.L-1. O presente trabalho verificou a alta capacidade de remoção de etilbenzeno, nonano, tolueno (> 95%) e fenol (> 80%) em todas as condições testadas em ambas as MDCs. Os sistemas também diminuíram a concentração de sais presentes na água do mar, que foi inserida nas câmaras centrais, com melhores resultados para a concentração de 50 mg.L-1, no biorreator com uma câmara (47%) e com três câmaras (44%). Ambas as células de dessalinização microbiana possuem biocátodo e aeração intermitente que proporcionaram o processo de nitrificação e desnitrificação para remoção de nitrogênio total do efluente sintético de refinaria (> 95%). Os resultados das análises genéticas também mostraram diferenças das espécies inoculadas em relação as que permaneceram nas MDCs, evidenciando o processo de adaptação ao longo do processo. A tensão média gerada mais alta pelas células foi de 226 mV e 175mV para a de três câmaras e uma câmara, respectivamente, na condição 50 mg.L-1. Através da espectroscopia de impedância eletroquímica também foi possível avaliar a resistência interna, cujos gráficos obtidos indicam estar relacionados ao metabolismo bacteriano.

Abstract: Microbial desalination cells (MDCs) have been extensively studied in recent years due to their ability to remove organic compounds from wastewater, sediments, and industrial and domestic sewage, while simultaneously converting these compounds into electrical energy through biochemical and electrochemical reactions in microbial biofilms. From an environmental perspective, oil refineries are significant sources of pollution, consuming vast amounts of water and energy and releasing large volumes of liquid waste, harmful atmospheric gases, and hard-to-degrade solid residues. Refinery wastewater can contain pollutants at varying concentrations, including xenobiotic compounds such as ethylbenzene, nonane, phenol, and toluene, as well as ammonia and nitrogen-based compounds. Furthermore, these waters often contain salts that may render water reuse unfeasible, such as in cooling towers. To address the treatment of such effluents, MDCs were developed in two configurations: one with a single chamber and another with three desalination chambers. Over a 300-day period, microorganisms were progressively adapted to operate with a synthetic effluent that mimicked the characteristics of refinery wastewater. Following this adaptation, three conditions were tested with varying concentrations of toluene, ethylbenzene, nonane, and phenol (25, 37.5, and 50 mg.L-1). The study demonstrated a high removal efficiency for ethylbenzene, nonane, and toluene (>95%) as well as phenol (>80%) under all tested conditions in both MDC configurations. Additionally, the systems reduced the salt concentration in seawater introduced into the central chambers, with the best results observed at the 50 mg.L-1 concentration: 47% in the single-chamber bioreactor and 44% in the three-chamber bioreactor. Both MDCs featured biocathodes and intermittent aeration, enabling nitrification and denitrification processes that achieved the removal of total ammonia nitrogen from synthetic refinery effluents (>95%). Genetic analysis revealed differences between the initially inoculated microbial species and those that persisted in the MDCs, highlighting microbial adaptation over time. The highest average voltages generated by the cells were 226 mV and 175 mV for the three-chamber and single-chamber configurations, respectively, under the 50 mg.L-1 condition. The highest average voltage generated by the cells was 226 mV and 175 mV for the three-chamber and one-chamber cells, respectively, at 50 mg.L-1. Through electrochemical impedance spectroscopy, it was also possible to evaluate the internal resistance, whose graphs obtained indicate that they are related to bacterial metabolism.