Um sistema combinado de célula de combustível microbiana e filtro biológico aerado intermitentemente para autoenergia

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 18070 (2015) Citar este artigo

5148 Acessos

44 citações

7 Altmétrico

Detalhes das métricas

A autossuficiência energética é um objetivo altamente desejável do tratamento sustentável de águas residuais. Aqui, um sistema combinado de uma célula de combustível microbiana e um filtro biológico aerado intermitentemente (MFC-IABF) foi projetado e operado de maneira autossuficiente em energia. O sistema foi alimentado com água residual sintética (DQO = 1000 mg L-1) em modo contínuo por mais de 3 meses em temperatura ambiente (~25 °C). A saída de tensão foi aumentada para 5 ± 0,4 V usando um circuito baseado em capacitor. O MFC produziu eletricidade para alimentar os sistemas de bombeamento e aeração do IABF, removendo concomitantemente o DQO. O IABF operando em modo de aeração intermitente (taxa de aeração 1000 ± 80 mL h-1) removeu os nutrientes residuais e melhorou a qualidade da água no TRH = 7,2 h. Este sistema combinado de dois estágios obteve 93,9% de remoção de SCOD e 91,7% de remoção de TCOD (efluente SCOD = 61 mg L-1, TCOD = 82,8 mg L-1). A análise energética indicou que a unidade MFC produziu energia suficiente (0,27 kWh m-3) para suportar o sistema de bombeamento (0,014 kWh m-3) e o sistema de aeração (0,22 kWh m-3). Estes resultados demonstraram que o sistema combinado MFC-IABF poderia ser operado de forma autossuficiente em energia, resultando em efluentes de alta qualidade.

A crise energética e a poluição ambiental são dois grandes desafios que o mundo enfrenta hoje. A célula de combustível microbiana (MFC) é uma tecnologia recente, mas promissora, para ajudar a enfrentar parcialmente esses desafios1. Tem sido amplamente estudado em exoeletrogênio2, materiais de eletrodo3, configurações de reatores4 e assim por diante. Uma função principal da tecnologia MFC é o tratamento de águas residuais. No entanto, as questões relacionadas com a qualidade dos efluentes do MFC ainda não foram suficientemente abordadas. O MFC por si só pode não ser um caminho viável para atender aos rigorosos requisitos de qualidade dos efluentes, exigindo, portanto, outra etapa, como a integração do MFC com a tecnologia de membrana5 ou a tecnologia de tratamento convencional6, para purificar ainda mais o efluente tratado. Além disso, a geração direta de eletricidade é uma característica integrante do MFC. Sabe-se que os sistemas MFC típicos geram energia no nível de miliwatts (mW), dependendo da característica do influente, da configuração do reator e do parâmetro operacional. Esta produção de energia baixa e instável tem sido um grande obstáculo para impedir que o MFC, como fonte de energia renovável, acesse a rede elétrica que está no nível de capacidade instalada em kW ou MW na geração de energia convencional. Assim, a falta de responsabilização adequada pela produção de electricidade tem atraído mais atenção nos últimos anos.

Uma possível estratégia foi proposta com base na utilização in-situ da eletricidade gerada para um processo de tratamento de águas residuais autossuficiente em energia com sistema combinado baseado em MFC7. A energia potencial armazenada em diferentes águas residuais é variável, variando de 4,92 ~ 7,97 kWh kgDQO–1, o que excede as necessidades energéticas do seu tratamento8. Portanto, seria interessante se um sistema baseado em MFC oferecesse a possibilidade de gerar energia suficiente para um processo autossuficiente de tratamento de águas residuais. No passado, o balanço de energia neutro ou positivo foi demonstrado teoricamente no processo de tratamento de águas residuais em muitos reatores, como biorreator de membrana eletroquímica9, reator bioeletroquímico de membrana10 e célula de combustível microbiana de dois estágios e biorreator de membrana de leito fluidizado anaeróbico11. No entanto, não houve operação real de um sistema combinado autossuficiente em energia baseado em MFC para tratamento de águas residuais.

Para alcançar um processo de tratamento de águas residuais autossuficiente em energia com um sistema combinado baseado em MFC, são necessários métodos eficazes para aumentar a tensão do MFC. Diferentes abordagens foram usadas para aumentar as tensões do MFC no passado. Isto inclui conectar vários MFCs em série ou usar um conversor DC-DC12. O outro método na aplicação é o empilhamento serial de MFCs, embora tenha se mostrado ineficaz para aumentar a tensão devido à reversão de tensão, o que pode levar à falha de todo o sistema . O conversor DC-DC demonstrou aumentar efetivamente a tensão MFC, mas também tinha limitações de circuito complicado e perda substancial de energia no sistema de reforço duplo. No entanto, uma abordagem alternativa de utilização de circuitos baseados em condensadores revelou-se útil para o aumento da electricidade14. Com este método, a energia elétrica era inicialmente coletada em capacitores e depois distribuída de forma intermitente com saída de alta tensão. Os capacitores foram carregados em paralelo e descarregados em série usando vários MFCs, melhorando a saída de tensão com perda de energia insignificante .