Neste trabalho avaliou-se a influência das condições operacionais da célula a combustível microbiana (CCM) na remoção de matéria orgânica de águas residuárias e na geração de energia elétrica direta. As Hipóteses 1, 2 e 3 verificaram respectivamente as influências do tempo de detenção hidráulica (TDH), das condições mesofílica (25 ºC) e termofílica (55 ºC) de temperatura e da razão de recirculação (R) do efluente no cátodo da CCM (0, 1, 3 e 5) na geração de energia elétrica, na adesão e na comunidade microbiana e na remoção de DQO em CCM sem membrana de íon seletiva alimentada com água residuária sintética a base de sacarose. As Hipóteses 1, 2 e 3 foram aceitas. A redução do TDH permitiu maior geração de energia e dominância na comunidade microbiana e menor adesão da comunidade microbiana ao eletrodo. Enquanto que longos TDH removeram mais DQO, porém geraram menores valores de tensão elétrica. As condições termofílicas apresentaram maiores valores de tensão elétrica gerada e maior dominância da comunidade microbiana e menor adesão microbiana ao eletrodo e eficiência de remoção de DQO. A constante cinética aparente em condição termofílica ( 0,035 h-1) foi duas vezes menor que em condição mesofílica ( 0,083 h-1). O aumento da R melhorou a geração de energia e a remoção de DQO, pois houve melhor transferência de massa do meio líquido para os microrganismos e do meio gasoso para liquido e menor concentração de biomassa aderida ao eletrodo do cátodo aumentando a tensão elétrica gerada. Na Hipótese 4, verificou-se o uso e o efeito do TDH no tratamento de vinhaça de cana de açúcar em CCM sem membrana trocadora de íon seletivo operada em condição termofílica. A CCM foi capaz de remover a matéria orgânica da vinhaça de cana de açúcar e gerar energia elétrica direta, validando a Hipótese 4. As hipóteses 5, 6 e 7 avaliaram as influências da relação DQO, nitrogênio e fósforo da água residuária de produção de vinho, do tempo de retenção celular (TRC) e da configuração do eletrodo no desempenho de CCM de duas câmaras usando membrana de íon seletivo. Acataram-se as hipóteses 5, 6 e 7. O desbalanceamento entre DQO, nitrogênio e fósforo da água residuária de produção de vinho é um dos principais obstáculos para o uso desta tecnologia e a relação de DQO:N:P de 700:10:1 tem elevado potencial para gerar energia elétrica direta em CCM, embora não seja eficiente na remoção de matéria orgânica. A geração de energia aumenta com a redução do TRC, visto que há seleção dos microrganismos eletrogênicos e aumento da carga orgânica volumétrica específica reduzindo a competição por substrato. Entretanto, o TRC não influenciou a remoção de matéria orgânica, pois somente uma pequena parte da DQO foi removida similar em todos os TRC. As características físicas do eletrodo como a porosidade, a rugosidade e a densidade de área do eletrodo e a biocompatibilidade do eletrodo são fatores determinantes para aumentar o desempenho da CCM. Entre os eletrodos estudados, o feltro de carbono foi o melhor material encontrado. / In this work the influence of the operational conditions of the microbial fuel cell (MFC) were evaluated in organic matter removal from wastewater treatment and in the power generation. Hypotheses 1, 2 and 3 respectively checked the influences of hydraulic retention time (HRT), of mesophilic and thermophilic conditions (25 °C and 55 °C, respectively) and the recirculation ratio (R) of the effluent in cathode of MFC (0, 1, 3 and 5) in the power generation, microbial adhesion and community and COD removal of membraneless MFC fed with synthetic wastewater based on sucrose. Hypotheses 1, 2 and 3 have been accepted. Reducing the HRT increased the power generation and the dominance in microbial community and decreased the COD removal efficiency and microbial adhesion to the electrode. Long HRT more efficiently removed the organic matter but generated lower voltages. The thermophilic conditions yielded a more dominant microbial community that favored power generation compared with the mesophilic conditions because of reduced microbial adhesion to the electrode. The COD removal efficiencies were higher under mesophilic conditions than under thermophilic conditions due to the higher apparent kinetic constant at mesophilic conditions (0.083 h-1) than in thermophilic conditions (0.035 h-1). Increasing the R improved the power generation and the COD removal, because the mass transfer in the liquid medium for microorganisms was improved and the biomass adhered to the cathode electrode decreased increasing the voltage. In Hypothesis 4, the use and effect of HRT in treating sugar cane vinasse in membraneless MFC operated at thermophilic conditions were evaluated. The CCM was able to remove the COD of sugarcane vinasse and generate electricity directly, confirming the hypothesis 4. Hypotheses 5, 6 and 7 assessed the influences of COD, nitrogen and phosphorus ratio in winery wastewater, of sludge retention time (SRT) and of electrode configuration in dual chamber MFC. Hypotheses 5, 6 and 7 were adopted. The misbalance between COD, nitrogen and phosphorus from winery wastewater is a major obstacle to the use of this technology and COD:N:P ratio of 700:10:1 had high potential to generate power in MFC, although it is not effective in removing organic matter. The power generation increases with the reduction of the SRT, since there were the selection of bioeletrogenic microorganisms and increased the volumetric organic load rate reducing competition for substrate. However, the SRT did not affect the removal of organic matter, because only a small part of COD was removed regardless of SRT. Physical characteristics of the electrode as porosity, roughness and the electrode area density and the biocompatibility of the electrode are key factors to increase the performance of CCM. The carbon felt was the best studied material having the highest values of porosity, roughness and the electrode area density.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-21032017-165119 |
| Date | 08 April 2016 |
| Creators | Penteado, Eduardo Dellosso |
| Contributors | Gonzalez, Ernesto Rafael |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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