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Tesis Doctoral
DOI
10.11606/T.18.2013.tde-02102013-153024
Documento
Autor
Nombre completo
Beatriz Cruz Gonzalez
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2013
Director
Tribunal
Campos, José Roberto (Presidente)
Braga, Maria Cristina Borba
Calheiros, Herlane Costa
Daniel, Luiz Antonio
Perez, Joelma
Título en portugués
Geração de energia elétrica a partir de eletrodos imersos em sistema do tipo célula a biocombustível composta por reator anaeróbio e reator aeróbio operados em série alimentado com esgoto sanitário
Palabras clave en portugués
Célula a biocombustível
Energia elétrica
Microssensores
Tratamento de esgoto sanitário
Resumen en portugués
A presente pesquisa teve como objetivo primordial a verificação da viabilidade técnica de empregar sistema do tipo célula a biocombustível para tratamento de esgoto sanitário com geração de energia elétrica. A célula a biocombustível, em escala de bancada, adotada foi constituída por reator anaeróbio seguido de reator aeróbio, visando à remoção de matéria orgânica carbonácea e à nitrificação Cada reator apresentou área de 0,6275 m2 e volume útil de 24,0 L. A célula a biocombustível foi alimentada com esgoto sanitário com tempo de detenção hidráulica médio de 8 horas (nos dois módulos). Em cada reator instalou-se um eletrodo imerso, de modo que os dois eletrodos foram unidos por fio condutor externo. Foi verificada a potencialidade do sistema em gerar energia elétrica a partir das reações químicas e bioquímicas que se deram junto aos eletrodos e nos biofilmes aderidos aos mesmos. A operação da célula a biocombustível foi dividida em cinco Fases, denominadas de I, II, III, IV e V, sendo que o fator principal que distinguiu essas Fases consistiu no material eletródico. Manta de fibra de carbono e placa de grafite foram adotadas como ânodo da célula (reator anaeróbio). Chapa de aço inoxidável (AISI 316) e malhas de aço inoxidável (AISI 316) foram usadas como cátodo do sistema (reator aeróbio). Para monitoramento do sistema foram realizadas análises físico-químicas do afluente, do efluente do reator anaeróbio e do efluente do reator aeróbio e para o acompanhamento da produção de energia elétrica utilizou-se potenciômetro acoplado a software específico. Microssensores de OD, pH e potencial redox foram empregados como ferramentas auxiliares para o acompanhamento do crescimento e desenvolvimento dos biofilmes aderidos aos eletrodos da célula a biocombustível. Como resultados concernentes ao tratamento do esgoto sanitário foram obtidas eficiências médias de remoção de DQO de (74,4±17,1)% e de nitrificação de (65,8±21,0)%, no decorrer das cinco Fases. O valor da maior densidade de potência média verificada foi de 107,0 mW.m-2, ocorrida quando o ânodo da célula a biocombustível consistiu em placa de grafite e o cátodo em malha de aço inoxidável (AISI 316) do tipo 20, na Fase V. A dosagem de cloreto férrico e a colocação de meio suporte de material plástico no sistema para limpeza automática do cátodo, realizadas na Fase em que se observou a maior densidade de potência média foram consideradas como positivas no aprimoramento da obtenção de energia elétrica. Por meio da combinação dos resultados relacionados à geração de energia elétrica e da aplicação dos microssensores constatou-se que o desenvolvimento de biofilmes espessos sobre os eletrodos da célula a biocombustível consiste em fator negativo da sua eficiência energética. Concluiu-se que a célula a biocombustível é tecnicamente viável para o tratamento de esgoto com geração de energia elétrica, contudo diante do conhecimento que se tem sobre essa tecnologia, a sua adoção em escala real ainda é economicamente inviável.
Título en inglés
Generation of electric energy from electrodes immersed in system named of biofuel cell consisted of an anaerobic and an aerobic reactor operated in series fed with wastewater
Palabras clave en inglés
Biofuel cell
Electric energy
Microsensors
Wastewater treatment
Resumen en inglés
This research aimed mainly to verify the technical feasibility of employing a system called biofuel cell for treating wastewater and generating electricity at the same time. The biofuel cell, in lab scale, adopted consisted of an anaerobic followed by an aerobic reactor, aiming the removal of carbonaceous organic matter and nitrification. Each reactor had an area of 0.6275 m2 and useful volume of 24.0 L. The biofuel cell was fed with sanitary wastewater with hydraulic retention time of eight hours (in both modules). In each reactor was installed an electrode immersed, and the two electrodes were connected by a wire conductor. The capability of the system to generate electricity from the chemical and biochemical reactions that occurred along the electrodes and in biofilms attached to them was verified. The biofuel cell operation was divided into five Phases, named I, II, III, IV and V, and the main factor that distinguished these Phases consisted of the electrode material. Carbon fiber felt and graphite plate were adopted as the anode of the cell (on anaerobic reactor). Stainless steel plates (AISI 316) and stainless steel meshes (AISI 316) were used as the cathode (on aerobic reactor). Monitoring system were carried out with physicochemical analyzes of the influent, anaerobic effluent and aerobic effluent and for monitoring the electricity production it was used a potentiometer coupled with a specific software. DO, pH and redox potential microsensors were employed as auxiliary tools for monitoring the growth and development of biofilms attached to the electrodes of the biofuel cell. The results concerning the treatment of wastewater were COD efficiencies removal of (74.4 ± 17.1)% and nitrification of (65.8 ± 21.0)%, throughout the five Phases. The amount of the higher power density observed was 107.0 mW.m-2 occurred when the anode of the biofuel cell consisted of graphite plate and cathode of stainless steel mesh (AISI 316) type 20, on Phase V . The dosage of ferric chloride and the placement of plastic midia on the aerobic module of the system for automatic cleaning of the cathode, conducted on Phase V, were considered positive for the improvement in obtaining electricity. By combining the results related to power generation and application of microsensors it was concluded that the development of thick biofilms on the electrodes of a biofuel cell is a negative factor in their energy efficiency. It was also concluded that the biofuel cell is technically feasible to treat sanitary wastewater and to generate electricity, but actually, based on the knowledge we have about this technology, its adoption in large scale is still not economically feasible.
 
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Beatriz_Gonzalez.pdf (4.67 Mbytes)
Fecha de Publicación
2014-01-30
 
ADVERTENCIA: El material descrito abajo se refiere a los trabajos derivados de esta tesis o disertación. El contenido de estos documentos es responsabilidad del autor de la tesis o disertación.
  • CAMPOS, J. R., et al. Análise da Nitrificação em Biofilmes por Meio de Microssensores. Hydro (São Paulo), 2011, vol. I, p. 44-49.
  • GONZALEZ, B. C., et al. The Use of Microsensors to Study the Role of the Loading Rate and Surface Velocity on the Grow and the Composition of Nitrifying Biofilm. Water Science and Technology, 2011, vol. 64, p. 1607-1613.
  • GONZALEZ, B. C., et al. Microscopic Sensors for Oxigen Measurements at Air-Water Interfaces and in Sediment Biofilms. In The 6th International Symposium on Gas Transfer at Water Surfaces, Kyoto - Japan, 2010. The 6th International Symposium on Gas Transfer at Water Surfaces.Kyoto - Japan : Komori, S.; Mc. Gillis; R. Kurosp, 2010.
  • GONZALEZ, B. C., LAMON, A. W., e CAMPOS, J. R. Reator de Bancada do Tipo Célula de Fluxo para Estudo de Biofilmes Aeróbios Mediante o Uso de Microssensores. In X Simpósio Italo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental - SIBESA, Maceió - Alagoas, 2010. X Simpósio Italo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental - SIBESA., 2010.
  • GONZALEZ, B. C., LAMON, A. W., e CAMPOS, J. R. Verificação da Ocorrência da Nitrificação em Biofilmes Aeróbio por Meio do Uso de Microssensores. In X Simpósio Italo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental - SIBESA, Maceió - Alagoas, 2010. X Simpósio Italo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental - SIBESA., 2010.
  • LAMON, A. W., et al. Sistema Avançado para Avaliação de Crescimento de Biofilme Anaeróbio/Aeróbio por Meio de Microsensores. In XXXI Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitária y Ambiental - AIDIS - Associación Interamericana de Ingenieria Sanitária y Ambiental, Santiago - Chile, 2008. XXXI Congreso Interamericano de Ingenieria Sanitária y Ambiental - AIDIS - Associación Interamericana de Ingenieria Sanitária y Ambiental., 2008.
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