UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
ENGENHARIA AMBIENTAL

AMANDA FRANZONI MARQUES

CÉLULAS COMBUSTÍVEIS MICROBIANAS APLICADAS AO
TRATAMENTO DE EFLUENTES

São Carlos, SP
2014

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
ENGENHARIA AMBIENTAL

Células combustíveis microbianas aplicadas ao tratamento de efluentes
Aluna: Amanda Franzoni Marques
Orientador: Ms. Lucas Ricardo Cardoso Marcon

Monografia apresentada à
Escola de Engenharia de São
Carlos, da Universidade de São
Paulo, para a obtenção do título de
Engenheira Ambiental.

São Carlos, SP
2014

DEDICATÓRIA

Dedico essa monografia aos meus pais,
Carlos Alberto e Maria Angélica,
pelo apoio incondicional durante esses anos.

AGRADECIMENTOS
À Deus, pela minha vida, por me guiar, me dar forças e esperança em
toda a minha jornada.
Aos meus pais, Carlos Alberto e Maria Angélica, por acreditarem nos meus
sonhos e nunca medirem esforços para que eu os alcançassem, pelo amor e por me
ensinar a ser forte em todas as situações.
À minha irmã, Rafaela, pela amizade, apoio e amor durantes esses anos que
passamos longe.
A toda minha família, pelo carinho e prontidão desses anos, mesmo com a
distancia que nos separava.
Aos meus padrinhos, Marcia e Vilson, por torcerem sempre por mim, por
estarem presentes a cada conquista, e pelo amor que independe de laços sanguíneos.
Ao Lucas Marcon, pela paciência, por me ajudar mesmo quando estava longe,
pelo apoio, pela orientação, por me apresentar ao tema da minha monografia e acima de
tudo pela amizade que criamos nesses anos de trabalho.
Ao professor Luiz Antonio Daniel, pelos ensinamentos teóricos, pela serenidade,
por me acalmar nos momentos de crise, pela compreensão e por ser exemplo pessoal e
profissional.
Ao meu querido professor Eugênio Foresti, pela amizade criada, pelos
ensinamentos, pelos conselhos e por me fazer acreditar na profissão escolhida.
À turma de Engenharia Ambiental de 2009, à minha amada Amb 09, por ter sido
a minha família nesses anos longe de casa. Em especial às minhas chatas preferidas,
Miriam Harumi, Pâmela Castilho, Aline Botasso, Thais Zaninetti e Aline Borgia pela
paciência em me ouvir e aconselhar durante esses anos, e também ao Danilo Ayabe e ao
Eduardo Mayer pela amizade, palavras e conselhos de sempre.
Às minhas amigas que mesmo de longe contribuíram para que eu chegasse aqui,
Ludmilla Fernandes, Hannah Beatriz, Nathália Marques e Larissa Harada. O apoio de
vocês foi essencial. E também a todos os outros amigos de São Carlos, Goiânia e Aveiro

que estiveram comigo por esses anos, por dividirem comigo um pedacinho da vida e me
ajudar a construir a minha história.
Aos amigos do LATAR, em especial à Maria Teresa e ao Gabriel Dibbern, pela
ajuda durante a pesquisa e por estarem sempre prontos a me ajudar e ouvir.
Ao Alcino, por toda a ajuda durante a pesquisa, sem ele tudo teria sido mais
difícil.
À Escola de Engenharia de São Carlos, EESC, pela estrutura
disponibilizada, por criar espaços de ensinamentos e aprendizados que não encontraria
em outro lugar.
A todos os funcionários da EESC que sem eles nada disso seria possível.
Enfim, a todos que passaram pela minha vida e de alguma forma contribuíram
para a realização desse trabalho.

"Podemos escolher recuar em direção à segurança
ou avançar em direção ao crescimento.
A opção pelo crescimento tem que ser feita repetidas vezes.
E o medo tem que ser superado a cada momento"
(Abraham Maslow)

RESUMO
MARQUES, A. F. Células combustíveis microbianas aplicadas ao
tratamento de efluentes. 2014. Monografia, Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, São Carlos, 2014.
Uma célula combustível microbiana (CCM) consiste de um biorreator que
permite o tratamento de efluentes e geração de energia elétrica simultaneamente. Com a
atual crise energética, o esgotamento das fontes não renováveis de energia e o aumento
da demanda por estações de tratamento de águas residuárias as CCM surgem com uma
oportunidade de geração de energia a partir do tratamento dessas águas. Com o intuito
de melhorar o desempenho dessas células a configuração ideal, os melhores materiais
(incluindo eletrodos e membranas), o melhor substrato e também as principais variáveis
que influenciam na eficiência das CCM vem sendo material de estudo para diversos
pesquisadores. Os substratos aplicados a CCM passaram de simples como glicose e
acetato para substratos complexos como águas residuárias indústrias e esgoto
doméstico. Com isso a configuração das mesmas mudaram. Por exemplo, o uso de
membranas trocadoras de prótons é recomendado para substratos simples, já para os
complexos recomenda-se a exclusão desse item. Além disso, ao estudar a aplicação das
CCM para o tratamento de esgoto doméstico cresce o interesse de adaptação das atuais
unidades de tratamento e com isso o uso de CCM com cátodo exposto ao ar torna-se
mais interessante. Ao adaptar as atuais estações à tecnologia das CCM além da geração
de energia elas também podem servir como um biossensor de DBO. Este trabalho
apresenta além de uma revisão dos diversos fatores que interferem no desempenho das
CCM, os resultados de um ensaio laboratorial que visou medir eficiência de remoção de
DQO e a diferença de potencial gerada entre as câmaras aeróbia e anaeróbia de uma
CCM tubular alimentada com água residuária sintética. Ao utilizar cargas orgânicas
diferentes (1,2 kg DQO.m-3.dia-1, 2,4 kg DQO.m-3.dia-1 e 3,6 kg DQO.m-3.dia-1) a CCM
apresentou eficiência de remoção de DQO diferente (80%, 92% e 88%,
respectivamente). A diferença de potencial média do sistema foi de 39,6mV.

Palavras-chave:
Bioconversão, Bioreator.

CCM,

Tratamento

de

águas

residuária,

Bioenergia,

ABSTRACT
MARQUES, A. F. Microbial fuel cells applied to effluent treatment. 2014.
Monografia, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São
Carlos, 2014.
A microbial fuel cell (MFC) is a bio reactor were is possible where it is possible
to treat wastewater and generate electricity simultaneously. The MFCs represent a new
opportunity for power generation from wastewater treatment because of that a special
attention was given to them in recent years. In order to improve the performance of de
cells a lot of research to find optimal configuration, the best materials (including
electrodes and membranes), the best substrates and also check the main variables that
influence the efficiency of MFCs has been study material for many researchers. The
substrate applied to MFC passed simple as glucose and acetate for complex substrates
like industrial wastewater and domestic wastewater, with that the configuration of MFC
was changed, for example, the use of ion exchange membranes is recommended for
simple substrates, but for complex substrate it is recommended to exclude this item. In
addition to studying the application of MFC for the treatment of domestic sewage
growing interest adaptation of existing treatment units and thus the use of MFCs
exposed to air cathode becomes more interesting. To adapt to the current seasons of
MFCs technology beyond the generation of energy they can also serve as a biosensor
BOD. This paper presents a review of the many factors that affect the performance of
MFCs and the results of a laboratory study aimed to measure efficiency of COD
removal and the potential difference generated between aerobic and anaerobic chambers
of a tubular MFC fed with synthetic wastewater. By using various organic loading rates
(1.2 kg DQO.m-3.dia-1-3.dia DQO.m 2.4 kg and 3.6 kg-1 DQO.m-3.dia-1) MFC
showed an efficiency of COD removal different (80%, 92% and 88%). The difference
potential average of the system was 39,6mV.

Palavras-chave: MFC, Wastewater treatment, Bioenergy, Bioconversion,
Bioreactor

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 3.1 - VISÃO SIMPLIFICADA DE UMA CCM ........................................................... 25
FIGURA 3.2 - NÚMERO DE ARTIGOS RETORNADOS QUANDO USADO AS PALAVRAS CHAVES
"CÉLULAS COMBUSTIVEIS MICROBIANAS" NO SISTEMA DE BUSCA SCIENCE DIRECT ........ 33
FIGURA 3.3 - SUBDIVISÕES NA CLASSIFICAÇÃO DA CCM. ............................................... 34
FIGURA 3.4 ESQUEMA DO FUNCIONAMENTO DE UMA CÉLULA COMBÚSTIVEL MICROBIANA.
........................................................................................................................................ 35
FIGURA 3.5 - ESQUEMA DA CCM I .................................................................................. 36
FIGURA 3.6 - ESQUEMA DA CCM II ................................................................................. 37
FIGURA 3.7 - DIAGRAMA DA CCM A AR COM MEMBRANA DE TROCA IÔNICA COMO
SEPARADOR. .................................................................................................................... 38

FIGURA 3.8 - CONFIGURAÇÃO DAS QUATRO CCM HIDRAULICAMENTE LIGADAS............. 39
FIGURA 3.9 PRINCIPAIS MATERIAIS UTILIZADOS EM ELETRODOS PARA CCM .................. 47
FIGURA 3.10 - ESQUEMA DO FUNCIONAMENTO DE UMA CCM ......................................... 49
FIGURA 3.11 - CCM COM ANAEROBIOSE NATURAL ......................................................... 52
FIGURA 4.1 DESENHO ESQUEMÁTICO DA CCM UTILIZADA NA PESQUISA ........................ 59
FIGURA 4.2 DETALHE DA CÂMARA INTERMEDIÁRIA COM ÊNFASE NO PREENCHIMENTO COM
CONDUÍTES DE PLÁSTICO. ................................................................................................ 60

FIGURA 4.3 BARRAS DE GRAFITE UTILIZADAS COMO ELETRODOS NA CCM ..................... 61
FIGURA 4.4 - DIFERENÇA DE POTENCIAL ENTRE AS CÂMARAS ANAERÓBIA E AEROBIA .... 66

LISTA DE TABELAS
TABELA 3-1 - TIPOS DE SUBSTRATOS APLICADOS A CCM ............................................... 30
TABELA 4-1 CARACTERÍSTICAS DAS CÂMARAS DO REATOR ............................................ 58
TABELA 4-2 NÚMERO E ÁREA DE ELETRODOS EM CADA CÂMARA DO REATOR. ................ 60
TABELA 4-3 COMPOSIÇÃO DA ÁGUA RESIDUÁRIA SINTÉTICA .......................................... 62
TABELA 4-4 VARIÁVEIS ANALISADAS E MÉTODO UTILIZADO. .......................................... 64
TABELA 4-5 VARIÁVEIS DE CONTROLE DA CCM ............................................................. 65

LISTA DE ABREVIAÇÕES

COV ­ Carga orgânica volumétrica específica
DBO ­ Demanda biológica de oxigênio
DQO ­ Demanda química de oxigênio
SVT ­ Sólidos voláteis totais
CCM ­ Células combustíveis microbianas
OD ­ Oxigênio Dissolvido
MTP ­ Membrana trocadora de prótons

SUMÁRIO
1.

INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 23

2.

OBJETIVO .......................................................................................................................... 24

3.

CAPÍTULO 1 ­ REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................. 25

4.

3.1.

Tratamento de efluentes aplicado à CCM ................................................................... 28

3.2.

Histórico da CCM ....................................................................................................... 32

3.3.

Configurações de CCM ............................................................................................... 34

3.4.

Tipos de membranas.................................................................................................... 40

3.5.

Eletrodos Aplicados .................................................................................................... 45

3.6.

Efeito do Biofilme ....................................................................................................... 48

3.7.

Aplicação..................................................................................................................... 50

3.8.

O efeito das Variáveis Físico-Químicas ...................................................................... 53

CAPÍTULO 2 - ESTUDO DE CASO ................................................................................. 58
4.1.1.

Célula a Combustível Microbiana ....................................................................... 58

4.1.2. Eletrodos................................................................................................................... 60
4.1.3. Alimentação do Reator ............................................................................................. 61
4.1.4. Substrato Sintético..................................................................................................... 62
4.1.5. Inóculo....................................................................................................................... 62
4.2.

Procedimento Experimental ........................................................................................ 63

4.2.1.

Imobilização da biomassa ................................................................................... 63

4.3. Análises ............................................................................................................................ 63
4.3.1. Monitoramento da Célula a Combustível Microbiana ............................................. 63
4.3.2. Potencial de geração de tensão entre as câmaras anaeróbia e aeróbia...................... 64
4.3.3. Geração de corrente elétrica ...................................................................................... 64
4.4. Resultados ....................................................................................................................... 65
5.

DISCUSSÃO ....................................................................................................................... 68

6.

CONCLUSÃO .................................................................................................................... 71

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 72

23

1.

INTRODUÇÃO

As águas residuárias trazem consigo materiais poluentes e tóxicos que, se não
forem removidos ou devidamente tratados, podem prejudicar a qualidade das águas
superficiais, comprometendo, além de toda a fauna e flora destes meios, os usos que a
elas são dados, como a pesca, a balneabilidade, a navegação e a geração de energia
elétrica.
Para tratar as águas residuárias são utilizadas unidades de tratamento que visam,
na maioria das vezes por meio biológico, minimizar o impacto da descarga de efluentes
no ambiente.
O tratamento de águas residuárias por meio biológico tornou-se um tema
frequente na comunidade científica, devido aos impactos causados pelo lançamento de
efluentes sem tratamento, e também pela disposição dos subprodutos desse tipo de
tratamento. Além disso, o gasto energético para manter sistemas biológicos de
tratamento é elevado e com o intuito de tornar o processo mais vantajoso são
pesquisadas alternativas para tratar o efluente e conjuntamente gerar energia elétrica.
As células combustíveis microbianas surgem como uma alternativa para o
tratamento de águas residuárias e geração de energia elétrica concomitantemente. As
CCM são consideradas fonte de energia renovável, uma vez que utilizam como
substrato as águas residuárias. A vantagem de se utilizar as CCM é a produção direta de
energia elétrica, diferente do que acontece quando outras formas de aproveitamento
energético são utilizadas em estações de tratamento de águas residuárias.
A CCM funciona como uma célula galvânica, gerando corrente elétrica contínua
através da diferença de potencial entre dois meios. Esse fluxo de elétrons é produzido
pela diferença de potencial, originada pela existência de um sistema aeróbio e um
anaeróbio funcionando simultaneamente e interligados por um circuito elétrico.
Os estudos das CCM embora tenham aumentado nos últimos anos, geraram
resultados ainda não consolidados quando comparados às formas indiretas de obtenção
de energia. A maioria das pesquisas para utilização de CCM é feita em reatores de
pequeno porte e em escala laboratorial, o que dificulta a análise de viabilidade para
escala real.

24

2.

OBJETIVO

O objetivo do presente trabalho é apresentar uma revisão bibliográfica atualizada
a cerca das células combustíveis microbianas e a aplicação das mesmas ao tratamento
de efluentes. Ao final do trabalho foi realizado um estudo de caso para avaliar uma
célula combustível no tratamento e geração de energia elétrica empregando esgoto
sintético.

25

3.

CAPÍTULO 1 ­ REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A célula combustível microbiana
Uma célula combustível microbiana (CCM) é um sistema bioeletroquímico
capaz

de

converter

energia

química

em

energia

elétrica.

Segundo

Ieropoulos et al. (2010), a CCM é um sistema capaz de extrair energia a partir de uma
fonte, como águas residuárias, explorando as comunidades microbianas no
compartimento anódico através do metabolismo dos componentes orgânicos presentes
na fonte de energia.
Uma célula combustível microbiana padrão consiste de dois compartimentos
(ânodo e cátodo) separados por uma membrana específica. Os microrganismos
presentes no compartimento do ânodo oxidam a matéria orgânica e fornecem elétrons
para o compartimento do cátodo (GIL et.al., 2003). Os elétrons são transferidos para o
compartimento catódico, através de um circuito, e os prótons através da membrana
(IEROPOULOS et al., 2010), como pode ser visto na Figura 3.1.

Figura 3.1 - Visão simplificada de uma CCM com duas câmaras e os possíveis modos de
transferência de elétrons.
(1) transferência de elétrons direta (2) transferência de elétrons através de mediadores; e (3) a
transferência de elétrons através de nanofios. Adaptado de PANT et al. (2010).

26

Uma CCM se baseia no fato de que um microrganismo durante seu metabolismo
vai escolher como receptor final de elétrons um meio que é capaz de fornecê-lo com a
maior quantidade de energia, ou seja, aquele meio com o maior potencial de redução.
Assim para facilitar essa "fuga" de elétrons, quando usado para tratamento de águas
residuárias, o eletrodo sólido usado na CCM deve apresentar um potencial de oxidação
maior que outros possíveis receptores presentes nessa água. Por este motivo o ânodo
das células combustíveis microbianas, em que o tratamento de águas ocorre, trabalha
preferencialmente em atmosfera anaeróbia (LARROSA-GUERRERO, 2010).
Segundo Carvalho (2010), uma célula combustível microbiana apresenta-se
como um sistema semelhante a uma pilha eletroquímica, diferenciando-se desta pelo
fato de serem microrganismos que oxidam a matéria orgânica, através dos seus
metabolismos, e gerando dessa forma os elétrons desejados.
Portanto, o funcionamento de uma CCM pode facilmente ser comparado ao
funcionamento de uma célula galvânica. Marcon (2011) compara a CCM à célula de
Daniell, reações (1) e (2), exemplo antigo de célula galvânica. Para a CCM utiliza-se
acetato como exemplo de substrato, reações (3) e (4).
(1)
(2)
3COO

+2H2O 2CO2 + 7H+ + 8e-

O2 + 4 e- + 4H+ 2H2O

(3)
(4)

No ânodo da célula de Daniell ocorre a reação (1) enquanto no ânodo da CCM
ocorre a reação (3). Já a reação (2) acontece no cátodo da célula de Daniell e a reação
(4) acontece no cátodo na CCM.
Na câmara anaeróbia da CCM, durante o metabolismo microbiano, elétrons são
liberados no meio e como não há oxigênio o aceptor de elétrons passa a ser o eletrodo
ligado a um circuito elétrico. Dessa forma, nessa câmara acontece a oxidação da matéria
orgânica. Os elétrons liberados são transferidos para a câmara aeróbia (cátodo) através
do circuito elétrico e os prótons são transferidos através da membrana de troca de
cátions. Ao chegar à câmara aeróbia os elétrons reduzirão o oxigênio e permitirá que ele
se ligue aos íons H+ formando moléculas de H2O. Essa movimentação de elétrons é a
responsável pela geração de corrente elétrica e consequentemente de energia.

27

Algo que muitas vezes dificulta a comparação entre os estudos realizados sobre
CCM é que cada pesquisador utiliza CCM com características específicas como volume
de reator, membrana de troca de íons, carga orgânica do substrato e superfície do ânodo.
Devido a essa dificuldade os autores normalizam os valores de potência obtidos e assim
conseguem comparar os diversos modelos de CCM. Essa normalização se dá por meio
da Equação 5
(5)
Na qual,
i : corrente elétrica (A)
U : diferença de potencial (V)
N : valor de referência para a normalização
A variável N da equação 5 varia de acordo com o pretendido pelo autor, por
exemplo, Rabaey (2005) expressou o desempenho dos reatores em termos de densidade
volumétrica de potência (Watts/m3), nesse caso o valor definido de N foi o volume do
reator, Liu & Logan (2004) expressaram o desempenho dos reatores por meio da
densidade de área de potência, P (W/m2), nesse caso o valor definido de N foi a área dos
eletrodos do ânodo.
No entanto, não é seguro usar valores normalizados para comparar a eficiência
das CCM, uma vez que segundo Dewan, Beyenal & Lewandowski (2008) a densidade
máxima de potência gerada por uma CCM não é diretamente proporcional à área de
superfície do ânodo, em vez disso ela é proporcional ao logaritmo da área de superfície
do ânodo.
Ao se normalizar os dados obtidos facilita a comparação entre os diversos
modelos de CCM e também a comparação com outras tecnologias de bioconversão, mas
para previsão de sistemas maiores é necessário uma maior atenção visto que segundo
Dewan, Beyenal & Lewandowski (2008) a área de superfície real necessária para gerar
a potência desejada terá que ser muito maior do que aquela prevista a partir de uma
relação linear.

28

3.1.

Tratamento de efluentes aplicado à CCM

O tratamento de esgoto sanitário e industrial tem por objetivo minimizar os
efeitos do lançamento in natura desses no meio ambiente. Ao se tratar essas águas
residuárias, garante-se a qualidade dos recursos hídricos e a melhora nos índices de
saúde ambiental.
Segundo van Haandel e Lettinga (1994), o objetivo principal do tratamento de
esgoto é corrigir as suas características indesejáveis de tal maneira que o seu uso ou a
sua disposição final possam ocorrer de acordo com as regras e critérios definidos pelas
autoridades regulamentadoras. Por esta razão, efetuar o tratamento inclui a redução da
concentração de pelo menos um dos quatro constituintes mais importantes do esgoto:
1.

sólidos em suspensão;

2.

material orgânico (biodegradável);

3.

nutrientes (notadamente nitrogênio e fósforo);

4.

organismos patogênicos.

Devido à importância de se tratar essas águas residuárias, o número de pesquisas
na área de tratamento de efluentes é vasto, o que faz com que existam inúmeros
processos para o tratamento de esgoto, individuais ou combinados. A decisão pelo
processo a ser empregado deve levar em consideração, principalmente, as condições do
curso de água receptor (estudo de autodepuração e os limites definidos pela legislação
ambiental) e da característica do esgoto bruto gerado. É necessário certificar-se da
eficiência de cada processo unitário e de seu custo, além da disponibilidade de área.
Segundo Rittmann (2008), os custos associados ao tratamento de águas
residuárias são muito elevados e o desenvolvimento de uma tecnologia que possibilite
simultaneamente o tratamento do efluente e que produza energia elétrica diretamente é
altamente relevante.
As CCM vêm se destacando nos últimos anos como um modo de converter
resíduos orgânicos, incluindo águas residuárias, em bioeletricidade. Além de produzir

29

energia elétrica, a CCM apresenta como um de seus objetivos o tratamento de
poluentes, tais como nitratos, sulfetos e sulfatos (PANT et al. 2010).
Segundo Pant et al. (2010), a produção de bioeletricidade pode se tornar uma
importante fonte de energia elétrica no futuro, porque oferece a possibilidade de geração
de energia elétrica a partir de uma ampla gama de compostos orgânicos renováveis.
Esses compostos orgânicos (substratos) vão desde compostos puros Zhao et al. (2012),
utilizaram glicose e Jia et al. (2014), usaram água residuária artificial com sacarose a
misturas complexas, como águas residuárias Ieropoulos et al. (2010), usaram esgoto
sanitário; Gil et al. (2003) água residuária sintética; Larrosa-Guerrero et al. (2010)
trabalharam com efluente de cervejaria.
Na Tabela 3-1 estão apresentados alguns dos substratos aplicados às CCM.
Torna-se fácil ver que a maioria das pesquisas concentram no tratamento de esgoto
doméstico e águas residuárias artificiais que o simulam. Isso acontece visto que o
tratamento de esgoto sanitário é algo de interesse global, e o tratamento desse tipo de
efluente demanda grandes gastos energéticos, sendo, portanto, grande o interesse pelo
tratamento de esgoto sanitário e a geração de energia elétrica por meio dele.

30

Tabela 3-1 - Tipos de substratos aplicados a CCM
Substrato

Potência ou
Corrente

Referência

Glicose

387 mA/m2

ZHAO et al. (2012)

Água residuária artificial
com sacarose

74,64 mW/m2

JIA et al. (2014)

Esgoto sanitário

1,7mA

GIL et al. (2003)

Efluente de cervejaria

92,8mW/m2

LARROSA-GUERRERO
et al. (2010)

Esgoto sanitário

61,8 mW/m2

LUO et al. (2012)

Efluente de cervejaria

435mW/m2

WANG, FENG & LEE
(2008)

Água residuária artificial

2,13mW

REN et al. (2014)

Esgoto sanitário

494mW/m2

LIU & LOGAN (2004)

Glucose

262mW/m2

LIU & LOGAN (2004)

Esgoto sanitário reforçado
com acetato de sódio

1210mW/m2

LIU, CHENG & LOGAN
(2005)

Água residuária artificial

248W/m3

AELTERMAN et al.
(2006)

Solução de glicose e ácido
glutâmico

11,5A/m2

ZENG et al. (2010)

Acetato e Glicose

460mW/m2
2

OH & LOGAN (2007)

Acetato

22,8mW/m

AN et al. (2014)

Água residuária artificial

4,9mW/m2

SHAHGALDI et al. (2014)

Esgoto sanitário

240mW/m2

HAYS, ZHANG &
LOGAN (2011)

Água residuária artificial

22,67mW/m2

CAMPO et al. (2014)

Na CCM o substrato é considerado um dos fatores mais importantes que afeta a
geração de eletricidade (LIU et. al., 2004). Ela influencia diretamente no desempenho
da CCM (CHAE et. al., 2009). Para mostrar essa influência do substrato na CCM John

31

& Lopes (2012) testaram eletrodos de ferro em dois substratos diferentes, meio lactato e
meio mineral. A CCM se comportou de maneira diferente em cada meio, sendo que em
meio lactato o potencial acumulado foi de 0,758V e em o meio mineral foi de 6,843V.
A toxicidade do meio lactato aumentou. O aumento de toxicidade do meio lactato
causando a mortandade de microrganismos, a diminuição do pH para um pH diferente
do ótimo para a bactéria devido à fermentação do meio e a diminuição no teor de
açúcares, causado pelo seu consumo do substrato são apontados como os responsáveis
pelo menor potencial acumulado no meio lactato (JOHN & LOPES, 2012).
A CCM surge também como uma alternativa de energia limpa, que se torna
interessante visto que facilita a conversão in situ de substrato orgânico para energia
elétrica (MOHAN et al, 2008).
Segundo Zhang (2013), futuramente a CCM será utilizada não só para o
tratamento de águas residuárias, mas também para dessalinização e aplicação de
biossensores (LUO et al., 2012; ABREVAYA et al., 2014), o que mostra um grande
avanço na área de pesquisa ocorrido nos últimos anos.
No entanto, a potência gerada pela CCM ainda é baixa em relação às outras
fontes de bioenergia o que faz com que as mesmas não sejam viáveis economicamente
(LIU & LOGAN, 2004). Esse fato relatado por Liu & Logan (2004) não mudou muito
até 2014 e as CCM ainda apresentam um alto custo, associado aos materiais
(membranas de troca de prótons e eletrodos principalmente) necessários à sua
construção. Rittmann (2008) reporta a necessidade de que durante os próximos anos
sejam desenvolvidas pesquisas para que seja alcançada a viabilidade técnica e também
econômica das CCM.

32

3.2.

Histórico da CCM

O termo bioeletricidade provavelmente originou-se quando, em 1870, Luigi
Galvani realizou uma experiência, na qual observou a contração das pernas de rãs
quando essas eram submetidas à descarga de corrente elétrica (RACHINSKI et al.,
2010). Em 1912, Michael Cresse Potter demonstrou a liberação de energia elétrica
quando Encherichia coli e Saccharomyces atuaram sobre substrato orgânico. Segundo
Rachinsk (2010), em 1931, Cohen, um pesquisador de Cambridge, reavivou a ideia de
Potter e descreveu um grupo de células capazes de produzir tensão elétrica de 35 mV e
corrente elétrica de 2 mA.
Nos anos seguintes pouco se falou de CCM e de suas aplicações para geração de
corrente elétrica e o tema passou a ser visto apenas como curiosidade científica. Em
1960 com o objetivo de gerar energia elétrica e degradar resíduos orgânicos produzidos
durante as viagens espaciais a Agência Espacial Americana (NASA National
Aeronautics and Space Administration) demonstrou interesse pelas células combustíveis
microbianas fazendo-as voltar a causar um novo interesse na comunidade científica.
Segundo Logan (2003), no início da década de 60, as CCM se tornaram
disponíveis para venda comercial, sendo usadas como fonte de energia para rádios
receptores e luzes sinalizadoras em alto mar. No entanto, não alcançaram sucesso
comercial, desaparecendo do mercado devido à baixa aceitação.
Em 1962 Rohrback projetou uma CCM, na qual Clostridium butyricum era
usada como catalisador na geração de hidrogênio através da fermentação da glicose.
Segundo Rachinsk et al. (2010), em 1966 Williams apresentou à comunidade científica
várias células combustíveis microbianas que utilizavam palha de arroz, que ligadas em
série, produziram corrente elétrica de 40 mA com tensão de 6V.
Segundo Rachinsk et al. (2010), com desenvolvimento de formas alternativas
mais viáveis tecnicamente como células fotovoltaicas, o interesse pelas CCM foi
reduzido e as pesquisas para seu desenvolvimento foram deixadas de lado. Na década de
80 junto com a crise do petróleo o interesse pelas CCM voltou. Karube et al. (1986)
avaliaram a geração de corrente elétrica de aproximadamente 300mA empregando

33

Anabaeba ssp., a qual foi inserida em uma célula combustível com ácido fosfórico
como eletrólito.
Pant et al. (2010) apresentaram dados do sistema de busca Scopus que exibe o
aumento de 60 vezes do número de artigos publicados entre 1988 e 2009 que continham
palavra chave "células combustíveis microbianas". A maioria desses trabalhos encontrase em países como nos EUA e China.
Ao se realizar uma busca no Science Direct utilizando a palavra-chave "células
combustíveis microbianas" é possível ver que o aumento do numero de pesquisas de
2009 para 2013 foi de aproximadamente 145%. Tal informação pode ser vista na
Figura 3.2.

3500

3290
2849*

Número de artigos

3000
2500

2327

2145

2000
1594
1500

1352

1000
500
0
2009

2010

2011

2012

2013

2014

Ano

Figura 3.2 - Número de artigos retornados quando usado as palavras chaves
"células combustiveis microbianas" no sistema de busca Science Direct
*Dados obtidos até o dia 24/08/2014
Apesar do progresso significativo na quantidade e na qualidade das pesquisas
realizadas sobre CCM ainda é necessário uma otimização maior para que a produção de
eletricidade seja viável em larga escala (LOVLEY, 2006).

34

3.3.

Configurações de CCM

A configuração de uma CCM é uma característica importante e por isso diversos
pesquisadores (LIU & LOGAN 2004; Du et al., 2007; MOHAN et al. 2008; MARCON
2011; OH et al., 2010; HAYS et al. 2011; ZHANG et al. 2013; REN et al. 2014; AN et
al. 2014) desenvolveram modelos de CCM ao longo dos anos visando melhorar o
desempenho deste tipo de célula.
A busca pela melhor arquitetura da CCM é talvez um dos maiores desafios da
área. A configuração ideal depende, principalmente, do objetivo principal, se é produzir
energia ou tratar o efluente (AHN et al., 2014). Uma CCM pode apresentar varias
configurações e na literatura ainda não há um consenso de qual é a melhor configuração
para a CCM.
Na Figura 3.3 esta representadauma divisão da CCM em função da posição do
cátodo.

Com MTP
Catodo
exposto ao ar
Sem MTP
CCM
Com MTP

Catodo
submerso
Sem MTP

Figura 3.3 - Subdivisões na classificação da CCM.
Adaptado MARCON (2011)

A busca por uma arquitetura ideal atrai muitos pesquisadores, Oh et al. (2010),
por exemplo, partindo do modelo de uma CCM característica, descreveram o uso de
uma CCM característica modificada, queutilizava biofilme fermentativo no ânodo e
biofilme redutor no cátodo.

35

A potência encontrada nesse tipo de sistema para tratamento de águas residuárias
doméstica ou industrial variou de 4 a 15 W/m3. O modelo descrito por eles pode ser
verificado na Figura 3.4.

Figura 3.4 Esquema do funcionamento de uma célula combústivel microbiana.
Adaptado de OH et al. (2010)
Ahn et al. (2014), em seus estudos, defendem o uso de CCM compactas,
compostas por uma única câmara e que trabalhe com baixo tempo de detenção
hidráulica. Eles acreditam que essa seja a configuração mais promissora, uma vez que
evita a necessidade de uso de membrana por ocorrer transferência passiva de oxigênio
para o cátodo.
O uso de células combustíveis microbianas compactas é defendido por diversos
autores. Marcon, Marques & Daniel (2012) testaram dois modelos de CCM. A primeira
CCM era composta de uma única câmara anaeróbia com fluxo ascendente (Figura 3.5),
baseada na concepção de CCM a ar de Liu & Logan (2004), Du et al. (2007), Mohan et
al. (2008), Zhang et al. (2013) na qual o cátodo é exposto diretamente ao ar atmosférico
permitindo o uso do oxigênio deste como aceptor final de elétrons. A segunda CCM

36

(Figura 3.6) era composta de um reator anaeróbio e um aeróbio acoplado em um único
módulo tubular feito de PVC. A câmara aeróbia foi aerada por aerador submerso e não
foi usada membrana trocadora de prótons visto que segundo Jang (2004) ao se tratar
água residuária com alta concentração de sólidos não é recomendado uso de MTP, uma
vez que gera a necessidade de constante troca e consequentemente um alto custo. A
potência máxima média obtida foi de 536 mW m-2 e de 40 mW m-2 para a CCM
primeira e segunda respectivamente.

Figura 3.5 - Esquema da CCM I
Adaptado de Marcon, Marques & Daniel (2012)

37

Figura 3.6 - Esquema da CCM II
Adaptado de Marcon, Marques & Daniel (2012)

Outros defensores das CCM compactas, Zhang et al. (2013), propõem ainda o
uso de uma camada de eletrodos embalados de baixo custo sob a superfície do reator
(exposto ao ar) e apoiados em uma membrana separadora de íons que evite a
transferência do oxigênio para a zona anaeróbia criada no fundo do reator. (Figura 3.7).

38

Figura 3.7 - Diagrama da CCM a ar com membrana de troca iônica como
separador.
Fonte: ZHANG et al (2013)

O modelo de CCM compacto na qual o cátodo esteja exposto diretamente ao ar é
interessante, visto que não possuem necessidade de aeração, não fazem uso de
membranas e devido a isso possuem um valor agregado menor, além do que, podem ser
adaptados para as estações anaeróbias já existentes.
Para tornar as células combustíveis microbianas ainda mais compactas e
eficientes Liu, Cheng & Logan (2005) testaram aproximar os eletrodos. A geração de
energia aumentou de 720 mW/m2 para 1210 mW/m2 apenas por meio da diminuição da
distância entre o ânodo e cátodo de 4 para 2 cm.
Hays, Zhang & Logan (2011) também apostaram na proximidade dos eletrodos
para melhorar a eficiência da CCM, no entanto eles observaram que essa proximidade
poderia gerar curto-circuito e para evitar isso eles fizeram uso de uma membrana
separadora de prótons. Com isso os eletrodos ficaram mais próximos, pôde-se usar um
maior número de eletrodos e a CCM se tornou-se mais compacta.

39

Outra forma de tornar a célula compacta é dividindo a CCM em unidades
menores e fazendo-a trabalhar conectada em série. Essa divisão da célula diminuiria o
espaçamento entre os eletrodos e aumentaria a área de superfície específica
(LIU et al., 2008).
No entanto, para alguns autores (ALTERMAN et al., 2006; OH & LOGAN,
2007), apesar de aumentar a tensão de uma CCM, ligar os reatores individuais em série
poderia ocasionar uma inversão de carga, resultante da inversão de polaridade de uma
ou mais células e consequentemente isso poderia produzir uma perda da potência
gerada.
Para testar a eficiência de se ligar um sistema em série, Ren et al. (2014)
utilizaram quatro reatores individuais ligados por um circuito elétrico com quatro
cátodos (reatores) conectados entre si e alimentados em fluxo contínuo (Figura 3.8). A
energia produzida pelas quatro CCM ligadas em série (2,12 +/- 0,03 mW, 200 W) foi o
mesmo que a energia somada (2,13 mW, 50 W) produzida pelas quatro CCM individuais
operando em batelada. Vê-se que é possível prever o comportamento de um sistema
ligado em série observado o comportamento de cada célula individualmente.

Figura 3.8 - Configuração das quatro CCM hidraulicamente ligadas
(a) imagem que mostra a estrutura exterior e (b) desenho esquemático que
mostra a ligação hidráulica. Fonte: Ren et al., (2014)

40

No entanto, é preciso lembrar que esses sistemas são testados em escala de
bancada e que aumentar à escala de operação pode fazer com que outros parâmetros,
como distância entre os eletrodos, uso de membranas e resistência interna (LIU et al.
2008), sofram alterações.
3.4.

Tipos de membranas

Diversos fatores ligados à construção das células combustíveis microbianas
afetam a eficiência e o custo da mesma. Pode-se considerar que o uso de membranas
trocadoras de íons seja um dos fatores limitantes para a aplicação em escala real da
CCM (KIM et al., 2007; LOGAN et al., 2008; XU et al., 2012; LEONG et al., 2013;
SHAHGALDI et al., 2014).
Materiais porosos que permitam a transferência de íons são amplamente
utilizados em células combustíveis microbianas de duas câmaras. Esses materiais
porosos são comumente chamados de membranas e têm como função separar as
soluções do ânodo e do cátodo (JOHN & LOPES, 2012). Há basicamente três tipos de
membranas, as de troca de cátions, as troca de ânions e as bipolares. As bipolares
consistem em uma membrana de troca de cátions e outra de troca de ânions (LOGAN,
2008; LEONG et al., 2013).
O uso de membranas pode afetar diversos fatores na CCM como o aumento
resistência interna, difusão de oxigênio, a perda de substrato e grande variação de pH
entre as câmaras (ZHU et al., 2011; LEONG et al., 2013).
A resistência é um fator que diminui a eficiência da CCM e a maior parte da
resistência total de uma CCM em operação é devido à resistência interna
(FAN, SHARBROUGH & LIU, 2008). A resistência interna é constituída
principalmente

pelas

resistências

do

ânodo,

do

cátodo

e

da

membrana

(LEONG et al, 2013). A solução para diminuir a resistência interna seria então o uso de
membranas com baixa resistência. No entanto, Zhao et al. (2009) verificaram que o uso
de membranas com baixa resistência, como membranas de microfiltração, também
apresentam uma baixo desempenho porque o oxigênio e o substrato atravessam a
membrana e afetam na densidade de potência produzida.

41

A difusão do oxigênio do cátodo para o ânodo (câmara anaeróbia) é uma questão
muito importante no desempenho de uma CCM. Essa difusão pode causar uma perda de
tensão devido a um aumento no potencial redox ou devido ao crescimento de
microrganismos aeróbios na câmara anaeróbia (OH et al., 2010). Além disso, uma vez
que o oxigênio é um receptor de elétrons favorável, ele irá competir com o ânodo
reduzindo ,portanto, a transferência de elétrons entre as câmaras. A difusão de oxigênio
deve ser minimizada a partir do uso de uma membrana densa ou através do uso de um
eliminador químico de oxigênio (LEONG et al., 2013).
Segundo Pandit et al. (2012), assim como o oxigênio, o substrato também podem
cruzar as membranas saindo da câmara anaeróbia do ânodo para a câmara do cátodo,
sentido oposto ao da difusão de oxigênio. Quando esse substrato difundir para dentro da
câmara do cátodo, ele será oxidado na superfície do cátodo por bactérias aeróbias,
produzindo elétrons extras no cátodo, o que irá cria uma curto-circuito interno na CCM
e reduzirá a eficiência da mesma.
As membranas usadas para ajudar a reduzir a difusão do oxigênio e o
cruzamento de substrato na CCM, gradualmente provocam uma grande variação de pH
entre as câmaras do ânodo e do cátodo o que podem reduzir drasticamente o
desempenho da CCM (PANDIT et al., 2012; LEONG et al., 2013)
Essa interferência da membrana na CCM fez a comunidade científica se divida
em dois grupos: o primeiro trabalha na pesquisa de novas tecnologias de membranas
que sejam mais acessíveis e interfiram menos no funcionamento da CCM
(BEHERA et al, 2010; XU et al, 2012, WINFIELD et al., 2013b), o segundo defende a
construção de CCM sem o uso de membranas (LOGAN 2008; LIU & LOGAN 2004).
A membrana Nafion 117 é atualmente a mais utilizada. Segundo Ramkumar
(2012) isso decorre devido às suas excelentes propriedades, como estabilidade térmica,
resistência a materiais corrosivos, boa resistência mecânica, permeabilidade seletiva
para o transporte de cátions e fácil transporte de água. No entanto, ela apresenta um alto
custo.
Para diminuir esse alto custo, estudos sobre os tipos de membranas utilizadas
aumentam cada vez mais. Diversos autores relatam avanços na tecnologia de
membranas bem como o uso de novos materiais para essa função. Winfield et.al.

42

(2013a) utilizaram borracha natural, Behera et al. (2010) utilizaram cerâmica e Winfield
et.al. (2013b) testaram BioBag (saco simples compostável biodegradável).
A cerâmica utilizada tanto por Behera et al.,(2010) e Winfield et.al., (2013b) é
altamente atraente pois possui um baixo custo e uma grande disponibilidade em países
em desenvolvimento. O BioBag (Winfield et.al., 2013b) possui um custo baixo e pode
ser obtido na maioria dos sistemas de resíduos de alimentos domésticos, no entanto
assim como a borracha natural (Winfield et.al., 2013b) é degradável e torna-se atraente
para aplicações de curto prazo.
A Tabela 3- 2

Apresenta a comparação de desempenho entre algumas

membranas utilizadas em CCM.

43

Tabela 3-2 Comparativo de rendimento entre membranas utilizadas em CCM.
Tipo de membrana

Performance

Referencia

Selemion HSF, Nafion 117,
Membrana Politetrafluoroetileno
(PTFE)


Membrana Selemion com menor resistência interna (1082±193 ) e difusividade de
oxigênio (0,08 cm2/s) apresentou o maior geração entre as CCM.

Preço Selemion (U$ 400/m2) é mais barato do que a membrana Nafion (U$1500/m2).

LEFEBVRE
(2011)

Cilindro de barro e Membrana
Nafion 117
Pote de barro e Membrana Nafion
117


A membrana de cilindro de barro tem uma resistência interna (69) inferior à
membrana Nafion (96), consequentemente, apresenta maior taxa de transferência de prótons.

O cilindro de barro apresentou potencial (circuito aberto) de 715 mV, e poder geração
de 48,30 mW/m2, a eficiência de remoção de DQO foi de 81.8±1.8%. A Membrana Nafion 117
apresentou potencial (circuito aberto) de 655 mV, a densidade de potência 28,27 mW/m2, a
eficiência de remoção de DQO foi de 79.4±2.2% e CE 14,2%.

Pote de barro apresentou menor resistência interna facilitou a transferência de prótons,
produziu tensão (circuito aberto) de 0,772 V, densidade de potência máxima de 50 mW/m2, e a
eficiência de remoção de CQO (96,5%).

JANA, BEHERA &
GHANGREKAR
(2010)
BEHERA et al. (2010)

Ultrafiltração de membrana (UF) e
membrana Nafion


Densidade de potência máxima pela membrana ultrafiltração (53,5 mW/m2) foi é
ligeiramente inferior à Membrana Nafion (55,7 mW / m 2).

Não ocorreu problemas de diferença de pH ao utilizar uma membrana de ultrafiltração.


KIM et al. (2012)

et al.

44

Membrana de acetato de celulose
de microfiltração (CAMF) e
Membrana Nafion 117
Membrana de microfiltração (MF),
PEM e ausência de membrana


A membrana CAMF tem resistência interna quase semelhante (263 ) à da membrana
Nafion (267 ).

A densidade de potência máxima para a membrana CAMF (0.831±0.016 W/m2) foi
apenas ligeiramente inferior à da membrana Nafion (0.8727±0.021W/m2).

O fluxo de oxigênio foi maior do cátodo para a câmara de ânodo através da utilização
CAMF

Baixa resistência interna da membrana MF (248 ) em relação à PEM (672) ,
também produziu maiores valores de tensão de saída (0,59 V), e densidade de potência
(214
mW/m2) entre as membranas testadas.

A membrana de microfiltração apresentou maior remoção de DQO (9.6±2,4%) que a
membrana Nafion (remoção de DQO 9.2±1,0%).

TANG et al. (2010)
SUN et al. (2009)

Membrana de ultrafiltração (UFM1 K, UFM-5 K, UFM-10 K),
Membrana de Microfiltração
(MFM) e Membrana Nafion 117


Nafion tem o menor coeficiente de difusão de substrato e oxigênio (Ds = 1.47×10-11
2
cm /s e Do= 3.8×10-6 cm2/s) e MFM tem o maior (Ds = 1.02×10-6 cm2/s e
Do =
9.96×10-6 cm2/s).

UFM-10K apresentou a maior resistência interna (713 ) e produziu a menor potencia
gerada (54 mW / m 2).

UFM-1K produziu a maior densidade de potência
(324 mW /m2)

HOU, SUN & HU
(2011)

Fonte: Adaptado LEONG (2013)

45

Apesar do número elevado de pesquisas para o desenvolvimento de membranas
que interfiram menos no funcionamento da CCM e apresentem um baixo custo ser
grande, alguns pesquisadores defendem que o uso de membranas muitas vezes torna a
CCM inviável para implantação em escala real, como é o caso de Logan (2008) que
defende que sejam feitas mais pesquisas de CCM que não utilizem membranas
trocadoras de íons.
Pesquisadores como Behera et.al. (2010), ao compararem a geração de potência
entre duas CCM verificaram que a não utilização de membranas pode aumentar a
geração de potência da CCM, pois a CCM sem membrana trocadora de íons gerou uma
potência de 2,3 W/m3 e a CCM com membrana trocadora de íons gerou uma potência de
0,53W/m3.
Há muitas vantagens em se usar modelos de CCM sem membranas, como
solução de alguns problemas como bioincrustação e aumento da resistência interna.
Além disso, também reduziria o custo de material para construção da CCM (ZHU et al,
2011).
No entanto, a tecnologia de operar uma CCM sem membrana não é ideal para
operações de longo prazo, devido à sua elevada difusão de oxigênio e de substrato, o
qual pode diminuir drasticamente o desempenho da célula combustível microbiana
(LIU & LOGAN, 2004; GHANGREKAR et al., 2007; LEONG et al., 2013).
3.5.

Eletrodos Aplicados

Assim como o tipo de membrana utilizada na CCM vai interferir na eficiência da
mesma, o material do eletrodo interfere no processo. Logo o desempenho e o custo do
material utilizado no eletrodo é de grande importância no projeto de uma CCM.
Segundo Logan (2008), o ânodo de uma CCM deve ser feito de um material que
seja um bom condutor elétrico, não apresente características corrosivas, apresente uma
alta porosidade, e seja biocompatível, uma vez que é essencial que bactérias possam
nele se desenvolver, além disso ele deve ser viável economicamente e fácil de obter.

46

Apesar da alta condutividade elétrica, a maioria dos pesquisadores evitam
utilizar metais no ânodo, pois os metais são corrosíveis e isso pode ocasionar a
toxicidade do meio, prejudicando os microrganismos presentes na CCM (JOHN &
LOPES, 2012). Além disso, a superfície lisa de metais não facilita a aderência de
bactérias

(WEI, LIANG & HUANG, 2011). Um exemplo de metal utilizado em

CCM é o aço inoxidável que foi utilizado por Dumas et al. (2007).
As pesquisas concentram-se, portanto, na utilização de materiais não metálicos
como os derivados do carbono e uma vez que eles apresentam alta condutividade e são
propícios ao crescimento de microrganismos (JOHN & LOPES, 2012).
Os materiais derivados de carbono podem ser divididos em três grupos: os de
estrutura plana (papel carbono, placas ou folhas de grafite e tecido de carbono) , de
estrutura embalada (grafite ou carbono granular) e os de estrutura em escova (escova de
grafite). Dentre esses materiais destacam-se: o papel de carbono (ZHANG et al., 2012;
JIA 2014), malha de carbono (LARROSA-GUERRERO et al., 2010; LIU et al., 2012;
REN et al., 2014), véu de carbono (WINFIELD et al., 2013), feltro de carbono (CUI et
al., 2014), carbono vítreo reticulado (LEPAGE et al., 2014), feltro de grafite (GIL et al.,
2003; ZHANG et al., 2012) espuma de grafite (KRAMER, 2012), e barras de grafite
(MARCON, 2011; CAI et al., 2013, SAJANA et al., 2014).
Na Figura 3.9 estão representadas imagens dos principais materiais utilizados em
eletrodos para CCM. Na Tabela 3- estão representados os resultados dos principais
materiais utilizados para confecção dos ânodos em CCM.

47

Figura 3.9 Principais materiais utilizados em eletrodos para CCM
(A) Papel carbono; (B) Placa de grafite; (C) Pano de carbono; (D) Malha de
carbono; (E) Grafite granular; (F) Carbono granular ativado; (G) Feltro de carbono; (H)
Carbono vítreo; (I) Escova de carbono; (J) Malha de aço inoxidável. FONTE WEI et al.
(2010)

48

Tabela 3-3 - Diferentes matérias utilizados nos eletrodos dos ânodos das CCM
Material do

Potência máx

eletrodo
Pano de carbono

Corrente

Voltagem

máx

máx

92.8mW/m2

Referência

LARROSA-GUERRERO
et al.(2010)

Feltro de grafite

1.6mA

GIL et al. (2003)

3

Véu de carbono

60 A/m

WINFIELD et al. (2013)

2

Carbono vítreo

22 mW/m

LEPAGE et al. (2014)

Placas de grafite

3.98 mW/m2

SAJANA et al. (2014)

Papel de carbono
Placa de carbono

682,64 mV
2

1.17 mW/m

JIA et al. (2014)
IEROPOULOS et al.
(2010)

Barra de grafite

150mW/m2

Feltro de carbono

990mW/m2

Papel de carbono
Feltro de grafite

MARCON (2011)
CUI et al. (2014)

2

32.7 mW/m

2

109.5 mW/m

2

ZHANG et al. (2012)

2

ZHANG et al. (2012)

210 mA/m
350 mA/m

Barra de grafite

71mV

CAI et al. (2013)

Espuma de Grafite

0.08 mW

KRAMER (2012)

Pano de carbono

2.13 mW

REN et al. (2014)

Aço inoxidável

2

23 mW/m

DUMAS et al (2007)

Já o material para o cátodo deve possuir as mesmas características do ânodo, no
entanto não precisa ser propício ao crescimento de microrganismos já que muitas vezes
não se utilizam bactérias no cátodo (JOHN & LOPES, 2012).
3.6.

Efeito do Biofilme

Outro fator que interfere na eficiência de uma CCM é a composição do biofilme.
O biofilme trata-se de uma matriz polimérica de aspecto compacto e gelatinoso, aderida
a uma superfície sólida, estando na maior parte das vezes imersa em meio líquido;
constituída essencialmente por microrganismos, substâncias extracelulares poliméricas,
que os mesmos excretam, e água (CHARACKLIS et al., 1981).

49

A maioria dos esforços para aperfeiçoar a geração de energia elétrica pelas
células combustíveis microbianas concentra-se em modificações na arquitetura e nos
materiais das membranas e dos eletrodos, dando pouca importância às propriedades dos
microrganismos que constituem o biofilme (MALVANKAR, 2011).
Segundo Zhao (2012), um dos principais campos a serem explorados para
aumentar e impulsionar as pesquisas a cerca das CCM é o estudo dos microrganismos
que compõe o biofilme. Allen (1993) já alertava para a importância do biofilme para
geração de eletricidade a partir das células combustíveis microbianas ao afirmar que a
atividade microbiana no ânodo é essencial para liberar elétrons a partir da degradação
da matéria orgânica e assim sustentar a geração de eletricidade.
Em seus estudos a partir da realização de medidas de espectroscopia de
impedância eletroquímica, Malvankar (2011) demonstrou que uma maior condutividade
do biofilme reduziu a resistência ao fluxo de elétrons através do mesmo. Esse resultado
sugere que utilizar um biofilme com maior condutividade associada pode ser uma
estratégia eficaz para aumentar a eficiência da CCM.
A Figura 3.10 representa um esquema do funcionamento de uma CCM
mostrando o fluxo de elétrons através dos eletrodos e também através do biofilme no
ânodo.

Figura 3.10 - Esquema do funcionamento de uma CCM
Adaptado de MALVANKAR et. al. (2011)

50

O início do processo de formação do biofilme ocorre durante a inoculação do
eletrodo e por isso essa torna-se uma etapa fundamental na vida de uma CCM, visto que
dependendo do tipo de microrganismo inoculado o tempo de maturação é diferente e
consequentemente o tempo para obtenção das máximas correntes também será
diferente, visto que segundo Zhao (2012), as CCM apresentam melhores desempenhos
quando o biofilme já está maduro.
Apesar da condutividade do biofilme não ser o único fator limitante na produção
liquida de corrente, sabe-se que é possível aumentar ainda mais a eficiência na CCM
utilizando biofilmes microbianos com maiores condutividades (MALVANKAR, 2011).
3.7.

Aplicação

A produção de energia elétrica é uso mais direto e mais obvio das células
combustíveis microbianas. Uma CCM pode funcionar por longos períodos de tempo
com capacidade de manter dispositivos elétricos de pequeno porte, em áreas remotas.
Isso se torna interessante visto que permite o uso de pequenos aparatos elétricos,
como sensores online e transmissores de dados (RACHINSKI et al., 2010). Segundo
Franks et al (2010), é possível gerar energia através da oxidação microbiana de
substratos orgânicos em sedimentos marinhos anóxicos através de CCM bentônica. Eles
conseguiram alimentar boias meteorológicas a partir dessa energia permitindo-lhes
operar continuamente e sem a necessidade de substituir as baterias. Segundo Marcon
(2011), para esse uso, há também a possibilidade de se agregar acessórios como
capacitores e conversores para minimizar o problema da tensão e corrente que se
encontram ainda abaixo do desejado.
No entanto, a geração de eletricidade não é o único uso das células combustíveis
microbianas. Uma CCM pode ser usada como sensor para DBO (GIL, 2003; CHANG et
al., 2004; MOON et al., 2006; KUMLANGHAN et al., 2007; LORENZO et al., 2009;
RACHINSKI et al., 2010; ABREVAYAA et al, 2014), tratamento de efluentes
(LARROSA-GUERRERO et al., 2010; RACHINSKI et al, 2010; MARCON, 2011;
LOGAN, 2008; JIA et al., 2014) e dessalinização (LUO et al., 2012).
Segundo Rachinski et al (2010), o princípio da CCM pode ser aplicado à
construção de biossensores para determinação rápida da DBO, com os micro-

51

organismos atuando como sensores e a corrente elétrica ou potencial gerado atuando
como indicadores. Segundo Gil et al. (2003), uma vez que a concentração do substrato
determina a quantidade de energia gerada pela CCM, o dispositivo pode ser facilmente
usado como um sensor de DBO em substituição ao método aprovado pela Associação
Americana de Saúde Pública (APHA ­ American Public Health Association) que tem
um tempo de resposta de 5 dias. Portanto, o uso da CCM como sensor de DBO
permitiria um monitoramento em tempo real dessa variável.
Para comprovar a possibilidade de usar a CCM como biossensor de DBO
Lorenzo et al., (2009) testaram uma CCM a ar com volume de 12,5 cm3 e com TDH de
40 min. Eles operaram o sistema por 7 meses e conseguiram uma boa relação linear
entre a geração de energia elétrica e a determinação da DBO.
Segundo Abrevayaa et al. (2014), o principal problema a ser resolvido por
qualquer método que vise medir a DBO de forma rápida é evitar ou controlar a possível
diferença entre o método de medição de DBO5 (padrão) e de DBO instantânea, que
depende principalmente da composição da água. Essa diferença está ligada a polímeros
de cadeia longa como a celulose ou o amido que não são facilmente biodegradáveis,
sendo assim o resultado fornecido pela CCM pode corresponder apenas à DBO
instantânea presente numa dada amostra e não representar de forma eficaz a DBO5
padrão.
O uso da CCM para tratamento de efluentes, embora ainda esteja em
desenvolvimento,

também

deve

ser

considerado,

visto

a

possibilidade

do

aproveitamento de efluentes líquidos para a geração de energia elétrica.
Segundo Rachinski et al. (2010), os efluentes provenientes, principalmente, das
indústrias de processamento de alimentos ou da pecuária de animais em regime de
confinamento são ideais para o bioprocessamento, pois contêm altos níveis de material
orgânico facilmente degradável, cujo resultado é um saldo positivo de energia ao final
do processo. Portanto o uso da CCM para tratamento desse efluente e concomitante
produção de energia elétrica seria uma forma útil de reduzir os custos oriundos do
tratamento de efluentes.

52

Para Marcon (2011), as pesquisas sobre o uso das CCM para tratamento de
efluentes devem convergir na possibilidade de adaptação das ETE já existentes de forma
a minimizar os custos de implantação do sistema.
Carvalho (2010) vai além e afirma que no futuro as CCM poderão ser utilizadas
em casas autossustentáveis para o tratamento das águas residuais provenientes da
habitação. Ele sugere um modelo semelhante à Figura 3.11 com uma possível estratégia
de implementação de uma CCM a nível doméstico, onde através do crescimento e
desenvolvimento de organismos multicelulares sob uma superfície é possível obter um
ambiente anaeróbio (os organismos multicelulares impediriam a intrusão de uma
elevada quantidade de O2 para o ânodo) e maximizaria a produção de energia.

.

Figura 3.11 - CCM com anaerobiose natural
FONTE: (Strik et al., 2008)
As CCM juntamente como outras energias "limpas" como a energia solar,
eólica, geotérmica, das ondas e das marés, contribuem para que no futuro haja uma
abolição do uso de combustíveis fósseis e além disso as CCM representam um avanço
na busca de processos sustentáveis.

53

3.8.

O efeito das Variáveis Físico-Químicas

3.8.1.

Temperatura

A temperatura é um fator determinante para tratamentos de efluentes, visto que
ela interfere diretamente no metabolismo celular das bactérias.

Sabe-se que é da

natureza da comunidade microbiana apresentarem temperaturas ótimas de atividade
(LARROSA-GUERRERO, 2010). Como a maior parte das bactérias usadas para
digestão de matéria orgânica preferem ambientes com temperaturas acima de 20ºC o
tratamento anaeróbio torna-se indicado para regiões tropicais, no entanto isso não
impede que regiões de clima temperado possam usar tratamento biológico.
Segundo Wang et. al. (2008), assim como a digestão anaeróbia as células
combustíveis microbianas estão fortemente interligadas à temperatura. Com o intuito de
difundir a tecnologia para regiões de clima temperado, na qual em algumas épocas do
ano a temperatura fica abaixo de 10ºC alguns autores estudam a influência da
temperatura na digestão anaeróbia e consequentemente na geração de energia elétrica
pelas CCM, como é o caso de Larrosa-Guerrero (2010).
O interesse de se produzir energia elétrica por via direta com o uso das células
combustíveis microbianas à baixa temperatura é interessante uma vez que as bactérias
responsáveis pela produção de biogases apresentam baixa atividade quando em
temperaturas inferiores à 10ºC (BOHN et. al. 2007). Além disso, as variações de
temperatura afetam também a diversidade e quantidade de espécies de microrganismos
presentes no lodo biológico (GAO et. al. 2011). Alvarez (2006) relata que é possível se
produzir biogás à baixa temperatura, no entanto essa produção não é satisfatória, o que
faz com que o estudo do aproveitamento energético das CCM torne-se interessante para
baixas temperaturas.

54

Tabela 3-4 - Resultados básicos publicados em artigos para diferentes
temperaturas
Temperatura
(ºC)
4
8

8
15
15
20
20

Tipo de
CCM
CCM
sedimentar
2 câmaras

CCM
sedimentar
2 câmaras
CCM
sedimentar
2 câmaras
2 câmaras

25

CCM
sedimentar
2 câmaras

25

1 câmara

25

2 câmaras

30
30

2 câmaras
2 câmaras

30
30
30
30

2 câmaras
2 câmaras
2 câmaras
2 câmaras

35

2 câmaras

35

CCM
sedimentar

20

Alimentação
Sedimentos
Marinhos
Água
residuária
artificial
Sedimentos
Marinhos
Acetato
Plâncton
Acetato
Água
residuária
artificial
Sedimentos
Marinhos
Água
residuária
artificial
Água
residuária
artificial
Água
residuária
artificial
Acetato
Água
residuária
artificial
Celulose
Etanol
Etanol
Diesel + água
subterrânea
Água
residuária
artificial
Sedimentos
marinhos

Pmáx (mW/m³)
7,03

SCOTT (2008)

112,26

5,05

JADHAV &
GHANGREKAR
(2009)
HONG(2009)

7,3
210

MIN(2008)
REIMERS(2007)

168,66
99,13

MIN(2008)
JADVAH(2009)

26,76

HONG(2009)

140,1

TARTAKOVSKY
(2006)

90,99

DU (2008)

182

LIU(2007)

256,66
461,08

MIN(2008)
VENKATA(2008)

150
151,17
171,70

ISHII(2008)
KIM(2007)
KIM (2007)
MORRIS(2009)

16
248,69

57,46

Fonte: Adaptado LARROSA-GUERRERO (2010)

É possível observar pela

Referência

ALZATEGAVIRIA(2008)
HONG(2009)

55

Tabela 3- que a maioria dos autores realizam suas pesquisas à temperaturas
superiores a 20ºC. Isso mostra que o aproveitamento energético das CCM para baixas
temperaturas ainda não foi muito estudado pela comunidade científica. O aumento das
pesquisas para aplicação a CCM a baixas temperaturas é interessante, visto que muitos
países do hemisfério norte passam a maior parte do ano submetidos a temperaturas
inferiores à 20ºC.
Pela
Tabela 3- também é possível ver que a CCM de

Jadhav &

Ghangrekar (2009) teve um bom desempenho mesmo submetida a uma temperatura de
8ºC. No entanto, como afirmam Larrosa-Guerrero et al. (2010), são muitos os fatores
que influenciam nesse desempenho e isso torna difícil analisar apenas uma variável para
a comparação entre as CCM.
Segundo Larrosa-Guerrero (2010), as mudanças de temperatura, afeta a cinética
do sistema, ou seja, afeta a energia de ativação, os coeficientes de transferência de
massa e a condutividade da solução. Além disso, também afeta a termodinâmica, como
a energia livre de Gibbs e os potenciais do eletrodo.
Larrosa-Gerrero et al. (2010) utilizaram três tipos de reatores diferentes: Um
com duas câmaras de CCM, outro com uma única câmara com cátodos de platina
pulverizado com manta de carbono e outro também com uma única câmara e cátodos de
platina sobre uma membrana Nafion e em ambos variou-se a temperatura de 4 a 35ºC.
Larrosa-Guerrero et al. (2010) concluiram que em termos de tratabilidade de água e
geração de energia às temperaturas mais altas apresentaram melhores resultados, mas
que a CCM é menos sensível à variações na temperatura do que outros sistemas
digestores anaeróbios, tornando-se uma tecnologia promissora para tratamento de
efluentes com concomitante geração de energia.
Portanto, as CCM tornam-se uma alternativa para tratamento de efluente e
geração de energia em regiões temperadas e em grandes centros que apresentam
temperaturas inferiores à 15ºC na maior parte dos meses.É preciso lembrar que essa
tecnologia ainda está em fase de avanço e são necessários mais estudos até que se possa
utiliza-la de forma eficiente.

56

3.8.2.

Tempo de Detenção Hidráulica (TDH)

Ieropoulos et al. (2010) verificaram que quanto menor a vazão aplicada na CCM
maior a produção de energia. O que sugere que o melhor desempenho obtido pela CCM
ocorre a uma baixa vazão, ou seja, quanto maior o contato entre o substrato e os
microrganismos maior é a captura de nutrientes e consequentemente maior será a
geração de energia.
Pesquisas anteriores que analisaram o efeito do TDH sobre o desempenho da
CCM (Li et al., 2008; Huang et al., 2008; Liu et al., 2008, Marcon et al. 2011).
Marcon et al.(2011), utilizaram diferentes TDH e observaram que para diferentes TDH
a eficiência da CCM também era diferente. Esses resultados mostraram que quanto mais
longo é o TDH maior é a eficácia na remoção de DQO, mas pode ter um efeito negativo
sobre voltagem e a estabilidade da CCM quando comparado com TDH curto.
Cada pesquisador utiliza uma configuração diferente de CCM, mas a variação no
TDH ideal acontece provavelmente devido às diferentes comunidades microbianas em
cada sistema. De fato as CCM são sistemas dinâmicos e o TDH ótimo (ideal) pode
variar ao longo do tempo de operação (IEROPOULOS et al., 2010).
3.8.3.

pH

Diversos fatores podem influenciar a geração de energia elétrica por uma célula
combustível microbiana. As condições de operação do ânodo possuem um papel
fundamental no desempenho de uma CCM, uma vez que está relacionado ao
crescimento ótimo dos micro-organismos (JADHAV, 2009) e a eficiência de
movimentação dos prótons através da membrana trocadora (LIU, 2007).
O processo de digestão anaeróbia que ocorre no ânodo se dá em quatro
principais fases, são elas: hidrólise, acidogênese, acetogênese, metanogênese e
sulfetogênese. No início do processo as bactérias formadoras de ácidos fracionam a
matéria orgânica e produzem os ácidos voláteis isso resulta em um aumento da acidez
do meio e uma redução do pH. No entanto, quando as bactérias metanogênicas

57

começam a agir elas transformam os ácidos em metano, neutralizando assim o meio e
elevando o pH.
Além disso outros fatores como o teor de amônia que aumenta quando ocorre
digestão das proteínas e a concentração de bicabornato (quando as bactérias
acidogênicas e acetogênicas são muito rápidas e produzem mais alimentos do que as
metanogênicas conseguem digerir, o dióxido de carbono liberado tornará maior a
concentração de bicarbonato) influenciam no pH do sistema, impedindo que ele sofra
uma queda acentuada. I
Manter o pH do processo neutro é importante pois segundo Pinto (1999) a
digestão anaeróbia se dá preferencialmente em pH variando de 6 e 8 e é considerado
ótimo para pH entre 7 e 7,2 , ou seja, pH neutro.
Segundo He (2008), uma célula combustível microbiana apresenta corrente
máxima quando o pH se encontra entre 7 e 8 no ânodo, no entanto esse valor tende a
cair quando o pH ultrapassa 9 ou se torna inferior a 6 (ERABLE, 2009). Esses valores
de pH condizem com a situação ótima do processo anaeróbio determinado por Pinto
(1999), o que mostra que a eficiência da CCM está intimamente ligada a eficiência do
processo de digestão anaeróbia que ocorre no ânodo.
Segundo Jia (2014), o pH influência tanto a digestão anaeróbia quanto a
desempenho da CCM porque está relacionado ao crescimento microbiano ótimo e
consequentemente às reações químicas que ocorrem dentro deste sistema. Valores altos
de pH irão influenciar a estabilidade da enzima e consequentemente ocorrerá queda no
número de elétrons no meio.
Além de afetar a atividade enzimática das bactérias responsáveis pela
degradação da matéria orgânica e consequente liberação de elétrons, o pH também
influencia no metabolismo e na absorção de nutrientes através da membrana celular por
influenciar na permeabilidade da mesma (HE, 2008).
O pH está ligado principalmente às atividades biológicas do sistema e por isso o
controle do mesmo é fundamental para a CCM, visto que por meio dele é possível ver
se a digestão anaeróbia está ocorrendo de forma completa e também é possível ver qual
a fase predominante e isso facilita a correção de possíveis problemas no sistema.

58

4.

CAPÍTULO 2 - ESTUDO DE CASO

A fim de avaliar a influência da carga orgânica na geração de diferença de
potencial entre as câmaras anaeróbia e aeróbia e o tratamento simultâneo de águas
residuárias por meio de células combustíveis microbianas, foi realizado por um período
de 130 dias um estudo experimental visando monitorar o comportamento dessa variável.
A metodologia desse estudo bem como os resultados obtidos podem ser vistos a seguir.

4.1.1.

Célula a Combustível Microbiana

A CCM é composta de um reator anaeróbio e aeróbio em um único módulo. Na
concepção adotada a CCM é dividida em quatro câmaras denominadas: anodo (reator
anaeróbio), intermediária, catodo (reator aeróbio) e "head space". Na Tabela 4-1 estão
apresentados outros detalhes da CCM utilizada na pesquisa.
Tabela 4-1 Características das câmaras do reator
Câmara

Volume
L

%

Anodo

9,35

31,29

Intermediária

2,83

9,49

Catodo

14,86

49,74

Head space

2,83

9,49

Total

29,87

100

Na câmara aerada, foi colocada uma pedra porosa ligada a um soprador para
promover aeração e agitação do líquido. A zona intermediária foi preenchida com anéis
de conduíte de plástico corrugado para minimizar a difusão de oxigênio para o ânodo
(Figura 4.2).

59

O fornecimento do substrato foi feito por meio de uma bomba peristáltica
(marca Provitec DM-5000), o qual foi distribuído na base do reator. A vazão foi
mantida constante em 2,34 L h-1, conferindo um TDH ao reator de aproximadamente 12
horas distribuído em 4 horas no reator anaeróbio, 1,22 horas na zona intermediária, 6,37
horas no reator aeróbio. A temperatura foi mantida em 30 °C para a carga de 1,2 kg
DQO.m-3.dia-1, já as cargas de 2,4 kg DQO.m-3.dia-1 e 3,6 kg DQO.m-3.dia-1 operaram
em temperatura ambiente. No caso de São Carlos a temperatura nos meses da pesquisa
variou de 18ºC a 28ºC.

Figura 4.1 Desenho esquemático da CCM utilizada na pesquisa
Marcon (2011).

60

Figura 4.2 Detalhe da câmara intermediária com ênfase no preenchimento com
conduítes de plástico.
Marcon (2011).

4.1.2. Eletrodos
Foram empregadas barras de grafite (Figura 4.3) como eletrodos, as quais foram
colocadas tanto na câmara do ânodo como no cátodo conforme as especificações
apresentadas na Tabela 4-2 Número e área de eletrodos em cada câmara do reator.. As
barras de grafite foram escolhidas por apresentarem boa biocompatibilidade,
estabilidade química e condutividade elétrica e serem consideradas como material inerte
e não interferirem nos processos biológicos. Os eletrodos foram ligados utilizando fio
de cobre (2,5 mm²), um a um, até formar o conjunto de eletrodos anódicos e catódicos,
os quais foram ligados ao sistema de aquisição de dados.
Tabela 4-2 Número e área de eletrodos em cada câmara do reator.
Câmara

nº eletrodos e

Área Superficial

dimensão

(m²)

Anodo (anaeróbia)

20 (ø 1 x 28 cm)

0,176

Catodo (aeróbia)

20 (ø 1 x 38 cm)

0,238

61

Figura 4.3 Barras de grafite utilizadas como eletrodos na CCM
Marcon (2011)

4.1.3. Alimentação do Reator

A pesquisa foi desenvolvida com a aplicação de três diferentes cargas orgânica
volumétrica à CCM: COV1: 1,2 kg DQO.m-3.dia-1; COV2: 2,4 kg DQO.m-3.dia-1;
COV3: 3,6 kg DQO.m-3.dia-1. As características do substrato sintético são descritas a
seguir.

62

4.1.4. Substrato Sintético

O substrato sintético utilizado na primeira parte da pesquisa (Tabela 4-3) seguiu
as recomendações de Torres (1992).
Tabela 4-3 Composição da água residuária sintética
Constituinte
Sacarose
Amido
Celulose
Extrato de Carne
Cloreto de Sódio (NaCl)
Cloreto de Magnésio
(MgCl2.6H2O)
Cloreto de Cálcio
(CaCl2.2H2O)
Bicarbonato de Sódio
(NaHCO3)

Concentração (mg L-1)
35
112
34
208
250
7
4,5
200

Como a carga orgânica volumétrica de cada fase é diferente, foram utilizadas
três concentrações do substrato. A composição as recomendações de Torres (1992).
Para a COV2 foi feito com uma concentração 2 vezes maior que na COV1 e, na COV3
com uma concentração 3 vezes maior que na COV1.
4.1.5. Inóculo

Como inóculo da CCM, foram utilizados lodo anaeróbio e aeróbio. O inóculo
anaeróbio, utilizado na câmara e eletrodos do anodo, foi obtido do reator UASB da ETE
da área 1 do Campus USP/São Carlos. O inóculo aeróbio, utilizado nos eletrodos do
catodo, foi obtido do reator aeróbio (lodo ativado) utilizado em pesquisa em andamento
no Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos USP.

63

4.2.

Procedimento Experimental

4.2.1. Imobilização da biomassa

O procedimento de imobilização da biomassa conforme adotado por Marcon
(2011) para os eletrodos (ânodo e cátodo), consistiu em colocar as barras de grafite em
recipiente, juntamente com o lodo. Os eletrodos permaneceram em contato com os seus
respectivos lodos por um período de 24 horas em temperatura ambiente. Decorrido esse
período, os eletrodos foram retirados dos recipientes e removido o excesso de lodo.
Finalmente, os eletrodos foram transferidos para o interior do reator.
Durante a operação a célula foi monitorada continuamente quanto às variáveis
listadas nos item 4.3 Análises.

4.3. Análises

4.3.1. Monitoramento da Célula a Combustível Microbiana

Para avaliar o desempenho do sistema e controlar o processo, durante a
realização do experimento foram realizadas análises e exames no afluente e efluentes da
CCM. Na

Tabela 4-4 estão apresentadas as variáveis avaliadas e metodologias aplicadas.

64

Tabela 4-4 Variáveis analisadas e método utilizado.
Variáveis
pH
Potencial redox
Condutividade
Temperatura
Alcalinidade

Unidade

Método
Potenciômetro

mV
S cm-1
ºC
mgCaCO3L-1

Termometria
Titulométrico

DQO

mgO2L-1

Espectrofotométrico

nº Método
Referência
+
4500 ­ H B
APHA, 2005
2580 B
2510 B
APHA, 2005
2550 B
APHA, 2005
Dilallo e Albertson, 1961
modificado por Ripley et
al.,1986
5220 D
APHA, 2005

4.3.2. Potencial de geração de tensão entre as câmaras anaeróbia e aeróbia

A CCM foi monitorada continuamente quanto à geração de tensão por um
sistema de aquisição de dados que mensurou a tensão e a corrente a cada 300 segundos.
Os dados foram armazenados em um computador e foram posteriormente analisados. A
eficácia desse software é confirmada pelos trabalhos de Marcon (2011).

4.3.3. Geração de corrente elétrica
O sistema operou durante as todas as fases submetido a uma resistência externa
de 1 . Portanto, foi possível medir a geração de corrente elétrica pela lei de Ohm:

I

U
R

(1)
I: corrente elétrica (mA)

65

U: diferença de potencial (mV)
R: resistência externa ()
4.4. Resultados

A diferença de potencial foi medida por meio de um sistema de aquisição de
dados desenvolvido pela empresa T&S que armazenava os dados de diferença de
potencial a cada 300s.
Na Figura 4.4.4 está representado o gráfico da média diária da diferença de
potencial entre as duas câmaras (anaeróbia e aeróbia) para os 130 dias de operação.
Para um melhor controle da CCM monitorou-se uma série de variáveis para cada
COV aplicada. Os dados obtidos podem se vistos na Tabela 4-5.
Através da Figura 4.4.4 e da Tabela 4-5 é possível ver que a diferença de
potencial diminuiu com o aumento da carga orgânica volumétrica aplicada (Cov). A
eficiência de remoção de DQO elevada decorre de um melhor funcionamento do reator
anaeróbio, que trabalha bem para elevadas cargas orgânicas.
Tabela 4-5 Variáveis de controle da CCM
Variáveis

Maior eficiência de remoção de
DQO

COV
1,2 kg DQO.
m-3/ dia

COV
2,4 kg DQO.
m-3/ dia

COV
3,6 kg DQO.
m-3/ dia

80%

92%

88%

Alcalinidade média anaeróbio
(mg CaCO3 L-1 )

191 ± 33

480 ± 230

528 ± 70

Alcalinidade média aeróbio
(mg CaCO3 L-1 )

181 ± 44

468 ± 235

519 ± 130

pH anaeróbio
pH aeróbio
OD ânodo (mg L-1 )

6,8
7,9
1,47

7
7,9
0,42

7
7,1
0,07

OD cátodo(mg L-1 )
Condutividade elétrica anaeróbio
(µS cm-1)
Condutividade aeróbio (µS cm-1)

5,59

2,46

1,71

851 ± 176

2315 ± 838

2089 ± 662

940 ± 165

2269 ± 825

2052 ± 641

66

67

60
-3

-1

-3

-1

-3

2,4 kg DQO.m .dia

1,2 kg DQO.m .dia

-1

3,6 kg DQO.m .dia

Diferença de potencial (mV)

50

40

30

20

10

0
0

10

20

30

40

50

60

70

Tempo (dias)

Figura 4.4.4 - Diferença de potencial entre as câmaras anaeróbia e aerobia

80

90

100

110

120

130

68

A comparação entre as diferentes COV aplicadas sugere forte influência da
quantidade de OD na câmara aeróbia sobre a geração de tensão, uma vez que para a
COV de 1,2 kg DQO.m-3.dia-1 (que apresentou elevada concentração de OD na câmara
aeróbia) a geração de tensão foi maior que nas demais fases.
A alcalinidade é uma variável que está relacionada à estabilidade do sistema.
Como os valores de alcalinidade total entre as câmaras são próximos é possível aferir
que

existe

um

equilíbrio

entre

os

microrganismos

metanogênicos

e

acidogênicos/acetogênicos.
Considerando o pH neutro aquele que varie entre 6,5 e 8 é possível dizer que a
CCM trabalhou em pH neutro durante toda a sua operação independente da COV
aplicada, o que vai ao encontro ao sugerido por He et al. (2008), Jia et al. (2014) e
Erable et al. (2009) para uma melhor eficiência da CCM.
A condutividade elétrica também aumentou com o aumento da COV aplicada,
fato que pode ter contribuído para uma queda na diferença de potencial uma vez que o
aumento dessa condutividade pode representar uma perda de elétrons para o meio.
A diferença de potencial média das três fases foi de 39,6mV. Tal valor é
semelhante ao encontrado por Marcon (2011) que obteve uma média de 52,1mV.
A arquitetura da CCM mostrou não ser a mais adequada, uma vez que houve
passagem de oxigênio da câmara aeróbia para a anaeróbia e isso possivelmente causou
diminuição da diferença de potencial entre as câmaras e também queda na eficiência de
tratamento da câmara anaeróbia.
Outro fator interessante é que como o sistema não opera com membranas
trocadoras de prótons isso pode significar que uma grande parte dos elétrons gerados
foram perdidos no meio. Além do que, pela simplicidade do reator, o mesmo não possui
sistema de coleta de gases, e a geração de gases pode interferir no balanço final de
elétrons livres (produção de metano na câmara anaeróbia). Esses fatores podem ter
interferir na geração de corrente elétrica na CCM.

69

5.

DISCUSSÃO

Este trabalho mostra como está o atual cenário da aplicação das CCM para o
tratamento de efluentes. Por meio dele é possível ver que nos últimos anos muito se foi
falado sobre essa tecnologia e consequentemente muito se avançou nessa área.
Em um primeiro momento os pesquisadores apostavam no uso de substratos
simples ou puros como acetato e glicose (Liu & Logan, 2004), mas depois passaram a
apostar no uso de substratos complexos como águas residuárias de processos industriais
e até mesmo esgoto sanitário.
O uso de substratos simples ainda é feito (Zhao et al., 2012; Oh & Logan, 2007;
An et al., 2014) para determinar propriedades e parâmetros de funcionamento de novas
configurações de reatores. Já o objetivo de utilizar substratos complexos é mostrar que
essa CCM possui um grande potencial de crescimento podendo ser adaptada na maioria
das estações de tratamento já existentes.
Além disso, ao utilizar uma gama maior de substrato a CCM surge como uma
aposta que vai além da simples geração de energia, ela se mostra uma boa opção como
biossensor de DBO em estações de tratamento de efluentes e também para geração de
energia em lugares de acesso remoto.
O fato de poder adaptar as atuais estações de tratamento de efluentes à
tecnologia da CCM fez com que vários autores optassem por utilizar sistemas nos quais
o cátodo fica exposto ao ar. Isso fez com que esse tipo de arquitetura de reator ganhasse
muitos adeptos e se desenvolvesse.
No entanto, apesar da facilidade de adaptação dessa arquitetura aos atuais
processos ainda não é possível afirmar que ela é a melhor opção, visto que ainda não
existe um consenso de qual seja a melhor configuração da CCM.
Outro fato ligado à configuração da CCM que ainda não é consenso entre os
pesquisadores é a presença ou não da membrana trocadora de íons. Ao trabalhar com
substratos simples, puros ou sintéticos, o uso de membrana é interessante, visto que
dificulta a transferência de oxigênio entre as câmaras ao mesmo tempo em que é
permeável aos íons.

70

No entanto, quando se trabalha com águas residuárias complexas a quantidade
de sólidos dissolvidos acaba por comatar a membrana e assim a mesma acaba perdendo
a funcionalidade e atrapalhando a transferência de íons entre as câmaras. Além disso, o
uso de membrana acaba por tornar a CCM muitas vezes inviável pelo alto custo
associado.
A influência do eletrodo na eficiência da CCM é consenso entre os
pesquisadores. A maioria dos trabalhos concentra-se na utilização de derivados de
carbono, devido às características favoráveis que eles apresentam. Outro fato importante
é que o uso de eletrodos metálicos é evitado, uma vez que apesar da boa condutividade
os metais são corrosíveis e isso poderia diminuir a vida útil da CCM.
Já é sabido que as bactérias que formam o bioflime interferem diretamente na
condutividade do meio e consequentemente na eficiência da CCM.
Outras variáveis como temperatura (LARROSA-GUERRERO et al, 2010;
WANG et. al., 2008), TDH (LI et al., 2008; HUANG et al., 2008; LIU et al., 2008,
MARCON et al. 2011) e pH (JADHAV, 2009; HE et al., 2008) interferem diretamente
na eficiência da CCM pois estão associadas ao metabolismo das bactérias.
Sabe-se que a liberação de elétrons no meio depende da capacidade de oxidação
de matéria orgânica pelas bactérias, ou seja, as bactérias presentes no biofilme devem
encontrar no meio um ambiente ideal para seu crescimento e para realizarem o seu
desenvolvimento. Sendo assim, ao selecionar as bactérias e microrganismos a
temperatura, o TDH e o pH influenciam diretamente na oxidação da matéria orgânica e
consequentemente na liberação de elétrons para o meio.
A dificuldade de operação de uma CCM, bem como os diversos fatores que
podem afetar o desempenho da mesma foi verificada pela parte experimental do
trabalho. Foi possível observar que mesmo trabalhando sob as mesmas condições e em
um mesmo reator, com modificações apenas na carga orgânica do substrato o sistema se
comporta diferente e os resultados são muitas vezes diferentes do esperado.
A parte experimental permite aferir que apesar do sistema anaeróbio funcionar
melhor para altas cargas aplicadas, a CCM possui um desempenho melhor em cargas

71

menores, o que as torna uma boa opção para tratamento de esgoto sanitário, já que essa
água residuária apresenta uma carga orgânica próxima a 1,2kgDQO/m-³dia¹..
A CCM mostra-se, portanto, uma potencial alternativa ao tratamento de
efluentes e geração concomitante de energia elétrica. No entanto, ainda não é uma
tecnologia consolidada e é necessário que sejam feitas pesquisas para que se aperfeiçoe
a geração de corrente elétrica bem como reduza os custos das mesmas, tornando-as
acessíveis e viáveis para aplicação em escala real.

72

6.

CONCLUSÃO

Conclui-se, portanto, que o uso de substratos simples é importante para a
determinação dos parâmetros de funcionamento de novas configurações de CCM, já o
uso de substratos complexos, como esgoto sanitário, mostra que a CCM apresenta
potencial para aplicação em estações de tratamento de esgoto.
A aplicação CCM vai alem da simples geração de energia elétrica, ela pode, por
exemplo, servir como biossensor de DBO em ETEs.
A configuração com eletrodo exposto ao ar é melhor adaptável às atuais
estações, por isso muitos pesquisadores preferem essa configuração. A maioria dos
trabalhos concentra-se na utilização de eletrodos de carbono.
O biofilme exerce influência na eficiência da CCM, ele interfere diretamente na
condutividade do meio, outros fatores que também influenciam no funcionamento da
CCM são: temperatura, TDH e pH.
A tecnologia ainda é recente e não está madura, portanto, torna-se necessário
que sejam feitas pesquisas que visem reduzir os custos e aumentar a eficiência das
CCMs.

73

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