Avaliação do potencial de geração de bioeletricidade e redução do sulfato com o uso de células combustíveis microbianas (CCM) alimentadas com drenagem ácida de mina (DAM)

Abstract

A Drenagem Ácida de Mina (DAM) é um problema ambiental mundialmente conhecido que tem como características efluentes com pH extremamente baixo (<4), alta concentração de sulfatos, metais pesados (Zn, Fe, Al, Mn, Cu, Cd) e alta toxicidade. Por este motivo, novos métodos de tratamento de DAM mais efetivos e de menor custo, estão sendo desenvolvidos com o passar dos anos. As Células Combustíveis Microbianas (CCM), apresentam-se como uma alternativa inovadora e promissora para o tratamento de efluentes e que, adicionalmente, geram energia pela atividade metabólica dos microrganismos, tornando-se autossustentáveis. A revisão da literatura com respeito às estratégias de tratamento de DAM utilizando tecnologias CCM mostra que a redução de íons metálicos e a modificação do pH, são dependentes, dentre outros aspectos, da arquitetura da célula, da presença e tipo de membrana trocadora de cátions, do tipo de microrganismos e dos mecanismos de oxidação do ferro ou redução do sulfato, da razão DQO/sulfato, os quais impactarão no potencial de geração de corrente e potência elétrica. A energia para promoção das atividades microbiológicas provém da degradação de uma fonte de matéria orgânica. Neste estudo foi avaliado o potencial de geração de bioeletricidade e redução de sulfato, utilizando CCM de câmara dupla catalisada por microbiota enriquecida em Bactérias Redutoras do Sulfato (BRS) e alimentada com DAM. O experimento avaliou a performance da membrana alternativa de Celulose Bacteriana comparando com membrana convencional Nafion®117. Utilizou-se lodo anaeróbio proveniente de ETE para obtenção das BRS. O estudo foi realizado em 3 etapas, sendo que na primeira (fase de adaptação) utilizou-se meio artificial mimetizando a DAM, na segunda foi utilizada DAM com pH 4,0 e na terceira DAM com pH 2,8 como católito. As etapas ainda tiveram em comum, o uso da casca de arroz como Barreira Reativa Permeável e suporte para desenvolvimento da microbiota, a composição da câmara anódica contendo lodo anaeróbio de ETE, bioeletrodos (10cm²) de tecido de carbono e resistência externa de 1000 O. Na etapa 3, utilizou-se Lactato de Sódio como doador de elétrons. Foi observada geração de potencial de 780 mV nesta Etapa, com adição de 1g/L de Lactato de sódio, promovendo uma potência volumétrica de 347,66 mW/m³ de DAM. Os melhores resultados de remoção de sulfato variaram entre 55,27 a 71,73% na Etapa 2 e 65,91 a 84,96% na Etapa 3. Todas as etapas apresentaram elevação do pH do meio constituinte do cátodo. A membrana de celulose bacteriana apresentou melhor desempenho na geração de potencial energético quando comparada a Nafion®117 nas Etapas com DAM, embora, a CB tenha apresentado evidências de possuir menor vida útil.

Abstract: Acid Mine Drainage (AMD) is a worldwide known environmental problem that has effluent characteristics with extremely low pH (<4), high concentration of heavy metals (Zn, Fe, Al, Mn, Cu, Cd) and high toxicity. For these reasons, new methods of treatment of more effective and less expensive AMD are being developed. Microbiological Fuel Cells (MFC) present themselves as an innovative and promising alternative for the treatment of effluents, which additionally generate energy through the metabolic activity of microorganisms, making them self-sustainable. The literature review regarding AMD treatment strategies using MFC technologies shows that the reduction of metal ions and pH modification are dependent, among other aspects, on the cell architecture, the presence and type of cation exchange membrane, the type of microorganisms and the mechanisms of iron oxidation or sulfate reduction, the COD/sulfate ratio, which will impact the potential for generating current and electrical power. The energy for promoting microbiological activities comes from the degradation of a source of organic matter. In this study, the potential of bioelectricity generation and sulfate reduction was evaluated using double-chamber MFC catalyzed by microbiota enriched in SRB and fed with AMD. The experiment evaluated the performance of the alternative Bacterial Cellulose membrane compared to the conventional membrane Nafion®117. Anaerobic sludge from sewage treatment station (STS) was used to obtain the SRB. The study was carried out in 3 stages, the first (adaptation phase) using an artificial medium mimicking the AMD, the second using AMD with pH 4.0 and the third AMD pH 2.8 as the catholyte. The steps still had in common, the use of rice husk as BRP and support for the development of the microbiota, the composition of the anode containing anaerobic sludge from STS, bioelectrodes (10cm²) of carbon tissue and external resistance of 1000 O. In step 3, Sodium Lactate was used as an electron donor. A potential generation of 780 mV was observed in this step, with the addition of 1g/L of sodium lactate, promoting a volumetric power of 347.66 mW/m³ of AMD. The best results for sulfate removal ranged from 55.27 to 71.73% in Step 2 and 65.91 to 84.96% in Step 3. All steps showed an increase in the pH of the constituent medium of the cathode. The bacterial cellulose membrane showed better performance in generating energy potential when compared to Nafion®117 in the Steps with AMD, although the BC has shown evidence of having a shorter useful life.