Ambiente/Environment/Meio ambiente
Desempeño de celdas de combustible microbiana para la remoción de materia orgánica y la generación de electricidad a partir de aguas residuales
Microbial fuel cell performance for removal of organic matter and electricity generation from wastewater
Desempenho de celas de combustível microbiana para a remoção de matéria orgânica e a geração de eletricidade a partir de águas residuais
Pedro J. López G.
Bio°, MSc. Centro Regional de Investigaciones Ambientales (CRIA), Universidad de Oriente (UDO). Correo-e: pedro.lopez@ne.udo.edu.ve
Jesús Guzmán
Ing°Quí°. Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Juan Y. López C.
Bio°, MSc. CRIA-UDO. Correo-e: juanlopez358@hotmail.com
Lourdes M. Ávila L.
Ing°Quí°. CRIA-UDO
Julio C. Rodríguez
Licdo°Bio°, MSc. CRIA-UDO. Correo-e: juliorod58@gmail.com
Recibido: 20-4-18; Aprobado: 10-7-18
Abstract
A microbial fuel cell (MFC) is a device in which a population or microbial community anaerobically oxidizes organic matter and transfers the electrons produced to an electrode, producing an electric current. In the present work, MFC were built in two configurations. Plastic containers of 500 ml and 600 ml were used; graphite rods were used as electrodes. Two types of residual water were tested, one artificial with glucose as a carbon source, and another of natural origin taken from the affluent of a treatment plant. The voltages were measured using digital multimeters. The current density, power and power density were determined using standard methods. The chemical oxygen demand (COD) in wastewater, natural and artificial, was determined using the APHA method (1998). The cells of concentric design showed a better performance than those of design in H to generate electricity and those that used natural residual water had better performance to remove organic matter; the generation of electricity showed much lower values than those indicated by other authors, while the COD removal rate was similar, probably the low power is related to a high internal resistance of the cells or a sub-optimal inoculum.
Resumen
Una celda de combustible microbiana (CCM) es un dispositivo en el cual una población o comunidad microbiana oxida anaeróbicamente materia orgánica y transfiere los electrones producidos a un electrodo, produciendo una corriente eléctrica. En el presente trabajo, se construyeron CCM en dos configuraciones. Se usaron envases plásticos de 500 ml y 600 ml, como electrodos se emplearon barras de grafito. Se ensayaron dos tipos de agua residual, una artificial con glucosa como fuente de carbono, y otra de origen natural tomada del afluente de una planta de tratamiento. Los voltajes se midieron usando multímetros digitales. La densidad de corriente, potencia y densidad de potencia se determinaron usando métodos estándar. La demanda química de oxigeno (DQO) en las aguas residuales, natural y la artificial, se determinó usando el método de la APHA (1998). Las celdas de diseño concéntrico mostraron un mejor desempeño que las de diseño en H para generar electricidad y las que usaron agua residual natural tuvieron mejor desempeño para remover materia orgánica; la generación de electricidad mostró valores muy inferiores a los indicados por otros autores, mientras que la tasa de remoción de DQO fue similar, probablemente la baja potencia se relacione con una alta resistencia interna de las celdas o un inóculo sub-óptimo.
Resumo
Una celda de combustible microbiana (CCM) es un dispositivo en el cual una población o comunidad microbiana oxida anaeróbicamente materia orgánica y transfiere los electrones producidos a un electrodo, produciendo una corriente eléctrica. No presente trabalho, construíram-se CCM em duas configurações. Usaram-se embalagens plásticas de 500 ml e 600 ml, como eletrodos se empregaram barras de grafito. Se ensaiarem dois tipos de água residual, uma artificial com glucose como fonte de carbono, e outra de origem natural tomada do afluente de uma planta de tratamento. As voltagens mediram-se usando multímetros digitais. A densidade de corrente, potência e densidade de potência determinaram-se usando métodos regulares. A demanda química de oxigeno (DQO) nas águas residuais, natural e a artificial, determinou-se usando o método da APHA (1998). As celas de desenho concêntrico mostraram um melhor desempenho que as de desenho em H para gerar eletricidade e as que usaram água residual natural tiveram melhor desempenho para remover matéria orgânica; a geração de eletricidade mostrou valores muito inferiores aos indicados por outros autores, enquanto a taxa de remoção de DQO foi similar, provavelmente a baixa potência relacione-se com uma alta resistência interna das celas ou um inoculo sub-ótimo.
Palabras clave/Keywords/Palavras-chave:
Águas residuais, aguas residuales, anaerobic oxidation, celas de combustível microbiana, celdas de combustible microbiana, electricity generation, generación de electricidad, geração de eletricidade, microbial fuel cells, oxidación anaeróbica, oxidação anaeróbica, wastewater.
Citar así/Cite like this/Citação assim: López et al. (2018) o (López et al., 2018).
Referenciar así/Reference like this/Referência como esta:
López G., P. J., Guzmán, J., López C., J. Y., Ávila L., L. M., Rodríguez, J. C. (2018, agosto). Desempeño de celdas de combustible microbiana para la remoción de materia orgánica y la generación de electricidad a partir de aguas residuales. Geominas 46 (76). 79-82.
Introducción
El tratamiento aeróbico convencional de aguas residuales de carga media como las de tipo doméstico, encara no solo altos costos de capital sino también costos operacionales y de consumo de energía; la aireación por ejemplo, representa una demanda de energía cercana a los 0,5 kWh/m3. Además, se producen cantidades excesivas de lodo que requieren un tratamiento posterior y una disposición final aparte (Aelterman et al, 2006).
La búsqueda de soluciones para los problemas arriba señalados ha sido amplia e incluye los tratamientos fotocatalíticos (Backhaus et al, 2010), proceso Anammox (Vásquez-Padín et al, 2009), reactores de secuenciación por lotes o SRB (Chan et al., 2009), métodos electroquímicos (Barrera-Díaz et al., 2006) y celdas de combustible microbianas (Logan 2005).
Una celda de combustible microbiana es un dispositivo que convierte la energía disponible en un sustrato, directamente en electricidad. Esto puede lograrse cuando los microorganismos cambian de aceptor natural de electrones, como por ejemplo oxígeno o nitrato, a un aceptor insoluble, tal como un ánodo de grafito. (Rabaey y Verstraete, 2005).
Logan et al. (2006), indicaron que son posibles diversas configuraciones para las celdas de combustible microbianas (CCM), esto comprende las CCM de una sola cámara o celda en la que el ánodo y cátodo se encuentran en el mismo compartimiento; las CCM de dos celdas unidas mediante un puente salino o una membrana de intercambio de protones, en una de las cuales está el ánodo y en la otra el cátodo, de ellas las más comunes son las de forma o configuración en “H”. Los electrones pueden ser transferidos al ánodo a través de mediadores o transportadores, por transferencia directa asociada a la membrana, mediante nanocables producidos por las bacterias, o por otros medios aun no reportados. Los electrodos anódicos y catódicos, deben ser conductivos, biocompatibles y químicamente estables en la solución del reactor; los más comunes son el acero inoxidable y el grafito. Como membrana de separación entre las celdas se usan con más frecuencia el Nafion o puentes salinos. La liberación de electrones en el ánodo por catálisis microbiana y el subsecuente consumo de electrones en el cátodo, cuando ambos procesos son sostenibles, son las características que definen a una celda de combustible microbiana.
Nuestro objetivo fue evaluar el desempeño de dos configuraciones de celdas (en H y concéntrica) y dos tipos de aguas residuales (natural y artificial), en la remoción de materia orgánica y la generación de electricidad en celdas de combustible microbiana.
Materiales y métodos
Construcción de las celdas: Se construyeron un total de 6 celdas de doble recámara con dos configuraciones diferentes. Las celdas o compartimientos (anódico y catódico), se unieron mediante un puente salino (KCl 2 M, 3 % agar). Las celdas se construyeron con envases plásticos los volúmenes de las celdas en H fueron de 450 ml (los dos compartimientos) mientras que los volúmenes de las celdas concéntricas fueron de 450 ml en el ánodo y 100 ml en el cátodo. La celda número 5 recibió aireación en la recámara del cátodo con el fin de aumentar la concentración de O2 disuelto; en la celda 6 se usó como aceptor de electrones peroxidisulfato de potasio 20 mmol/l y sulfato ferroso 10 nmol/l. En ambas configuraciones la recámara anódica se mantuvo sellada con un sello de silicona para mantener condiciones anaeróbicas. Se usaron electrodos de grafito de 5,7 cm de longitud y 0,7 cm de diámetro y un área superficial de 13,3 cm2, tratados con ácido sulfúrico 2 M a 80 oC durante 24 horas para eliminar impurezas metálicas (Doherty et al.,2015). La distancia entre los electrodos en todas las celdas fue de 10 cm. Los electrodos se conectaron mediante una resistencia (R) de 560 Ω. Las figuras 1 y 2, muestran diagramas de ambos tipos de celdas.
Figura 1. Diagrama de la celda en H.
Figura 2. Diagrama de la celda concéntrica.
Agua residual
Se usaron de dos tipos. Una natural (afluente), proveniente de una planta de tratamiento de tipo convencional (lodos activados) y otra artificial con glucosa (3 g/l), como fuente de carbono y energía.
Caracterización de las aguas residuales
La temperatura, pH, conductividad, salinidad, sólidos disueltos totales y oxígeno disuelto en afluente y efluente de la planta de tratamiento, se midieron usando una sonda multiparamétrica YSI modelo 600, acoplado a un lector-capturador de datos YSI 600R. La DQO y la remoción en las aguas residuales naturales y la artificial se determinó usando métodos estándar (APHA, 1998).
Medición de los voltajes, cálculo de las corrientes y densidad de potencia
Se aplicó la metodología descrita por Logan et al. (2006). Los voltajes se midieron usando multímetros digitales tomando lecturas cada hora durante un total de 24 días y se tomaron los últimos 7 días para las determinaciones finales. La resistencia externa fue de 560 Ω.
Resultados
Generación de electricidad por las celdas
En la figura 3 se muestran los valores promedios de la densidad de potencia (P An, en mW/m2) para las diferentes celdas durante un periodo de 7 días.
Figura 3. Gráfico del promedio de densidad de potencia (mW/m2) para las 6 celdas.
Tabla 1. Aspecto y variables físico-químicas in situ (promedio de tres mediciones) de aguas residuales.
La variación de la densidad de potencia (mW/m2) se diferenció significativamente entre las celdas (F = 95.53; P<0,05) y entre los días (F=0,5; P<0,05). La prueba a posteriori Duncan (P<0,05) diferenció a las celdas 1 y 6 como el grupo donde se produjo el mayor promedio de la densidad de corriente; mientras que en la celda 5 se determinó el menor promedio. Los días 4 a 7 formaron un grupo homogéneo donde se produjo el mayor promedio de la densidad de potencia; mientras que en el día 1 el promedio de la densidad de potencia fue menor.
Discusión
Los valores mostrados en la tabla 1, indicaron que el agua residual natural afluente y efluente, tuvieron características típicas de este tipo de agua, siendo el de mayor valor de oxígeno disuelto (en valor relativo porcentual de 36,89 %) el agua efluente. Se atribuye esta diferencia porcentual entre el agua residual natural efluente y afluente el proceso de aireación.
Mediante el tratamiento aeróbico convencional (lodos activados), se removió el 79,3 % de la DQO, mientras que este valor para las CCM osciló de un mínimo de 0 (celda 5) a un máximo de 79,3 % (celda 3). En la tabla 3 se observa que todas las CCM lograron remover eficazmente DQO excepto la celda 5. Esta celda tenía aireación, pero la turbulencia causada en la cámara catódica causo el rompimiento del puente salino y la consiguiente falla de la celda. En la tabla 4, se muestran los resultados obtenidos en investigaciones similares incluyendo las del presente trabajo.
Tabla 2. Demanda Química de Oxígeno (DQO) y % de remoción de la planta de tratamiento Dos Cerritos.
Tabla 3. Remoción de Demanda Química de Oxigeno (DQO) por las celdas de combustible microbiana (CCM).
Tabla 4. Tabla comparativa de resultados.
La variación de la densidad de corriente se diferenció significativamente entre las celdas (F=95.53; P < 0,05) y entre los días (F = 0,5; P < 0,05). La prueba a posteriori Duncan (P<0,05) diferenció a las celdas 1 y 3 como el grupo donde se produjo el mayor promedio de la densidad de corriente; mientras que en la celda 5 se determinó el menor promedio. Los días 4 a 7 formaron un grupo homogéneo donde se produjo el mayor promedio de la densidad de corriente; mientras que en el día 1 el promedio de la densidad de corriente fue menor.
La tasa de reducción de la DQO (52-79,3 %) fue similar a la mayoría de las investigaciones reportadas por otros autores, mientras que la potencia anódica fue muy inferior a las mostradas en esas investigaciones. Esto probablemente se relacione con la arquitectura de las celdas, específicamente con el puente salino empleado, que podría estar causando una alta resistencia interna y la consiguiente baja potencia anódica, o el uso de un inóculo subóptimo (efluente en lugar de lodo). Rosa et al. (2017), mostraron resultados de remoción de DQO y densidad máxima de corriente similares a los de esta investigación.
Referencias
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