Otimização de parâmetros de construção e operação de células de energia microbiana aplicadas à remoção de sulfato.

Abstract

A tecnologia das células de energia microbiana (CEM) explora a capacidade de alguns microorganismos transferirem os elétrons produzidos durante a oxidação da matéria orgânica para um anodo, na forma de uma célula eletroquímica. Nesta tese foram estudadas CEM visando a remoção de sulfato e concomitante geração de potencial elétrico e remoção de DQO. O foco principal do trabalho foi estudar o impacto dos seguintes parâmetros de engenharia, nas respostas citadas: (i) utilização de carvão de ossos como material de preenchimento da câmara anódica; (ii) tipo de fonte de carbono; (iii) relação DQO/SO4 2- e (iv) tipo de membrana separadora. A utilização do carvão de ossos e o tipo de fonte de carbono foram inicialmente estudados em uma etapa de triagem utilizando o planejamento fatorial completo 22. Nesta etapa, a utilização de lactato como fonte de carbono gerou uma densidade de potência média de 13,3 mW m-3 (com ou sem carvão na câmara anódica), enquanto com lactose, a CEM com carvão atingiu 5,6 mW m-3 e a CEM sem carvão não ultrapassou 0,8 mW m-3 durante todo o ensaio. No caso da remoção de DQO e SO4 2-, as CEM com carvão também mostraram os melhores resultados, com destaque para a lactose como fonte de carbono, alcançando 95% de remoção de DQO e 90% de remoção de SO4 2-. Em seguida, diferentes membranas separadoras foram testadas e, neste caso, foi aplicada análise de componentes principais (PCA), a qual indicou que as maiores contribuições para a geração de potencial foram referentes às membranas de microfiltração e látex, ambas atingindo 26,7 mW m-3. Definida a utilização do carvão de ossos na câmara anódica e a lactose como fonte de carbono, seguiu-se à otimização da massa de carvão utilizada e da relação DQO/SO4 2- para as respostas (i) geração de potencial elétrico; (ii) remoção de DQO e (iii) remoção de SO4 2-. A etapa de otimização foi aplicada para ambas as construções (membrana de microfiltração e látex) e foi utilizada a metodologia da superfície de respostas com planejamento Doehlert. As análises estatísticas mostraram que é possível aumentar a densidade de potência volumétrica em até 42% em relação à triagem e atingir remoções de sulfato acima de 1400 mg L-1 (70%), em CEM com membrana de microfiltração. E no caso da CEM com membrana de látex, houve um incremento de 20% na densidade de potência volumétrica e a remoção de sulfato chegou a 1800 mg L-1 (90%) No entanto, a remoção de DQO não foi otimizada, em ambos os casos, mas alcançou remoções da ordem de 70%. A partir das condições otimizadas, foi feita a determinação dos ácidos graxos voláteis sendo proposto um mecanismo preliminar para a degradação da lactose e interação entre a remoção de sulfato e a geração de eletricidade. A glicose oriunda da lactose é fermentada a butirato e este é consumido na redução de sulfato, gerando acetato que é utilizado preferencialmente pelos micro-organismos eletrogênicos. Esse processo foi incialmente acompanhado da elevação nos potenciais elétricos. Esta observação sugere que a presença de BRS homoacetogênicas em CEM é fundamental para a geração do acetato usado na eletrogênese. Por fim, o efluente das CEM foi utilizado para precipitar arsênio, sendo alcançado 80% de remoção deste metaloide. Esta tese mostrou a versatilidade dos sistemas bioeletroquímicos, em especial das células de energia microbianas no tratamento de efluentes complexos concomitante à geração direta de eletricidade.