BR102021005323A2 - Sistema bioeletroquímico sequencial empilhável para geração de eletricidade - Google Patents

Abstract

A presente invenção tem como objetivo principal a viabilização do ganho de escala de um sistema bioeletroquímico empilhável, caracterizado por compreender uma pluralidade de reatores, em que cada reator compreende uma câmara anódica e uma câmara catódica, contendo material condutivo, inerte e biocompatível para o crescimento de biofilme bacteriano como ânodo e outra câmara com o mesmo tipo de material para crescimento ou não de biofilme bacteriano, separadas por um mecanismo eletrolítico seletivo para transferência de cátions ou ânions. Esse sistema possibilita a conversão direta de compostos orgânicos e inorgânicos presentes em águas residuárias em eletricidade por meio da atividade microbiana no ânodo e reações de redução de aceptores de elétrons (por exemplo, oxigênio, nitrito, nitrato, sulfato, metano) no cátodo com atividade bacteriana. Essa eletricidade pode ainda ser utilizada no mesmo sistema para produzir hidrogênio por meio de eletrólise, conversão de CO2 em compostos orgânicos de valor agregado ou sua fixação na biomassa.

Description

SISTEMA BIOELETROQUÍMICO SEQUENCIAL EMPILHÁVEL PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE Campo da invenção:

[001] A presente invenção se insere no campo dos sistemas bioeletroquímicos compreendendo eletrodos constituídos de materiais apropriados, especificamente no campo dos sistemas bioeletroquímicos para tratamento de águas residuárias, ainda mais especificamente com foco de otimização da produção de eletricidade a partir desses rejeitos.

Fundamentos da invenção:

[002] Os impactos resultantes do lançamento in natura de águas residuárias em corpos d’água naturais são conhecidos há muito tempo, sendo que as tecnologias convencionais de tratamento de águas residuárias usualmente dependem de processos biológicos e físico-químicos, como o tratamento aeróbio por sistema de lodos ativados, digestor anaeróbio, tecnologia de membrana, troca iônica, adsorção, precipitação química, coagulação e redução eletrolítica.

[003] No entanto, apesar das relativas boas eficiências de tratamento, esses sistemas são classicamente destinados ao padrão de saneamento linear, com objetivos de remover a matéria orgânica carbonácea e a nitrogenada, em vez de sua utilização como recurso para produção de energia, por exemplo. Além disso, a geração de quantidades excessivas de lodo e a elevada demanda de energia elétrica são desvantagens típicas das estações de tratamento de águas residuárias tradicionais.

[004] Assim, destaca-se a importância dessa interconexão entre água e energia. Nesse contexto, ações integradas, voltadas à proteção dos corpos d'água e à diversificação da matriz energética por fontes renováveis, são relevantes para o interesse público e o desenvolvimento sustentável.

[005] Atualmente, a digestão anaeróbia visando a produção de metano ou hidrogênio para geração de energia tem sido estudada como uma abordagem alternativa alinhada à perspectiva de saneamento cíclico. No entanto, para gerar eletricidade a partir do biogás, são necessárias várias etapas de conversão, incluindo a conversão da matéria orgânica em biogás, a purificação do biogás em metano e a posterior conversão em corrente elétrica, o que limita a eficiência da produção de eletricidade excedente.

[006] Nesse âmbito, uma tecnologia alinhada à perspectiva sistemática que pode superar a limitação da eficiência de conversão é a dos sistemas bioeletroquímicos (SBE) .

[007] Os sistemas bioeletroquímicos são considerados a solução mais recente em termos de geração de energia a partir de águas residuárias, no entanto, os primeiros estudos nessa área datam de antes da década de 1970. Nessa época, os resultados ainda eram incipientes, porém a partir da década de 1990, estudos começaram a apresentar maiores níveis de geração de eletricidade com menor consumo de insumos químicos, o que incitou a comunidade científica a vislumbrar possibilidades de aplicação da tecnologia em escala industrial.

[008] Apesar dos avanços no desenvolvimento tecnológico alcançado nos últimos anos na área de sistemas bioeletroquímicos, alguns fatores ainda apresentam limites à aplicação em larga escala da tecnologia para a produção de eletricidade, sendo o custo e a baixa densidade de potência por volume em relação ao potencial teórico, fatores usualmente limitantes.

[009] Os custos são decorrentes principalmente dos materiais utilizados e insumos químicos para catalisar as reações. A baixa densidade de potência é decorrente de outros subfatores: a limitação relacionada ao metabolismo microbiano e ao desenho dos reatores.

[010] Portanto, com vistas ao aprimoramento e ganho de escala, faz-se necessário ampliar o conhecimento acerca do processo com configurações que otimizem o uso de materiais de menor custo. Adicionalmente, outro objetivo é eliminar a demanda por insumos químicos. A consecução desses objetivos resultará no desenvolvimento de sistemas bioeletroquímicos com eficiência otimizada para geração de eletricidade.

[011] Os SBE, comumente representados pela tecnologia denominada célula a combustível microbiana (CCM), também conhecida como microbial fuel cell (na literatura internacional), funcionam com o auxílio de enzimas e microrganismos que atuam como biocatalisadores, sendo capaz de converter diretamente, com base na sinergia entre o metabolismo microbiano e um aceptor ou doador de elétrons sólido, a energia química de um substrato biodegradável em energia elétrica e ainda a energia elétrica em hidrogênio e compostos orgânicos.

[012] Nos SBE, as reações bioquímicas que geram corrente elétrica são catalisadas por bactérias na superfície de um eletrodo, chamado ânodo, em condição anaeróbia, produzindo prótons e elétrons a partir da degradação de substratos orgânicos ou inorgânicos. Em outro eletrodo, denominado cátodo, reações, bioquímicas ou eletroquímicas, de redução de um aceptor de elétrons (oxigênio, nitrito, nitrato, dióxido de carbono, entre outros) ocorrem resultando na produção de água, nitrogênio gasoso, hidrogênio e/ou compostos orgânicos como acetato, butano e metanol. Um SBE típico consiste em um ânodo anaeróbio que oxida a matéria orgânica e um cátodo aeróbio, separados por um sistema de transferência de íons.

[013] Os elétrons produzidos pela oxidação do substrato orgânico ou inorgânico migram do ânodo para o cátodo através de um circuito externo, gerando corrente elétrica. Os prótons migram do ânodo para o cátodo, através do sistema de transferência de prótons (geralmente uma membrana de troca de prótons, MTP), onde são consumidos por um aceptor de elétrons (geralmente oxigênio), em uma reação de redução, fechando o circuito.

[014] Assim, o fluxo de elétrons e a diferença de potencial entre as enzimas respiratórias dos microrganismos associados ao ânodo e a reação de redução de oxigênio (ou outro aceptor de elétrons) no cátodo geram a corrente e a tensão, respectivamente.

[015] A literatura relata que SBEs têm a capacidade de gerar energia diretamente de vários compostos biodegradáveis, incluindo compostos puros (como ácidos orgânicos) e substratos complexos (como águas residuárias). Nesse sentido, a geração de eletricidade na CCM já foi demonstrada experimentalmente a partir de acetato, glicose, esgoto sanitário, efluentes industriais, lixiviados de aterros sanitários, entre outros.

[016] No entanto, sabe-se que a eficiência e a viabilidade econômica da conversão de resíduos orgânicos em bioenergia dependem principalmente da composição química e da concentração dos componentes do substrato. Assim, águas residuárias com maiores concentrações de matéria orgânica são teoricamente fontes com maior quantidade de energia associada. Além disso, recentemente demonstrou-se que compostos inorgânicos comumente encontrados em águas residuárias, como o nitrogênio, são fontes para a produção de energia em sistemas bioeletroquímicos.

[017] Apesar de suas vantagens, SBEs ainda apresentam limitações significativas para aplicações em larga escala. As referidas limitações incluem a utilização de materiais de alto custo e o pouco conhecimento consolidado sobre as condições ideais de operação para atingir desempenho de tratamento suficiente com elevada eficiência de conversão.

[018] Com o intuito de superar tais limitações, diferentes projetos de reatores, materiais e configurações de eletrodos já foram estudados, incluindo reatores de câmara única, SBE sem membrana, configuração de cátodo exposto ao ar, eletrodo produzido com nanomateriais, entre outros.

[019] Em contrapartida, demanda-se ainda uma configuração bem estabelecida e adequada de sistema bioeletroquímico para resolver significativamente o problema de viabilizar o ganho de escala em níveis elevados de geração de eletricidade e tratamento de águas residuárias com alta concentração de matéria orgânica. Atualmente, a maioria dos sistemas bioeletroquímicos apresenta uma baixa densidade de potência por volume em relação ao potencial teórico, decorrente também da limitação relacionada ao metabolismo microbiano e ao desenho dos reatores.

[020] Desse modo, desenvolveu-se um sistema bioeletroquímico com eletrodos tridimensionais que utiliza por completo a área do ânodo para crescimento de colônias de bactérias eletrogênicas e que possibilita o ganho de escala a partir da possibilidade de empilhamento e aproveitamento, de forma combinada, das diferentes reações redox possíveis a partir dos componentes da água residuária. O desenho de câmara dupla combinado com o biocátodo é uma abordagem favorável para reduzir custos associados ao cátodo e estender as aplicações do SBE devido à catalisação por microrganismos em vez de catalisadores químicos, por exemplo.

Estado da técnica:

[021] Alguns documentos do estado da técnica descrevem sistemas bioeletroquímicos que promovem a geração de eletricidade, no entanto, ainda não foram capazes de conseguir uma densidade de potência considerável que se sustentasse ao longo do tempo de tratamento da água residuária.

[022] CN202808518 revela um sistema de tratamento físico-químico aplicado para compostos de baixa biodegradabilidade. É uma técnica usualmente aplicada como pré-tratamento de reatores biológicos, pois aumenta a biodegradabilidade dos compostos a partir de uma clivagem química das moléculas, permitindo que sistemas biológicos apresentem melhor desempenho ao degradar as moléculas orgânicas geradas pelo processo de Fenton/eletrólise. Ao se introduzir um catalisador de ferro e injetar energia para controlar a reação (utilizando um eletrodo), é possível aumentar a taxa de reação e melhorar, assim, o rendimento do sistema. No caso do pedido de patente, o inventor propõe a combinação do sistema de fenton com eletrólise em um sistema que utiliza materiais de baixo custo ou residuais para catalisar as reações químicas/eletroquímicas.

[023] No entanto, o referido sistema combinado de fenton + Micro eletrólise possui objetivos, fundamentos e funcionamento diferente de um sistema bioeletroquímico. No Fenton + Micro eletrólise busca-se, exclusivamente, oxidar compostos orgânicos recalcitrantes (de baixa biodegradabilidade), a partir de uma reação química, com consumo energético para controle da reação, na ausência de microrganismos. O uso do carvão ativado granular nesse sistema está fortemente relacionado à uma outra propriedade que consiste na adsorção de compostos orgânicos nesse material, contribuindo para a remoção deles da água residuária, sendo possível ter algum controle da renovação da capacidade de adsorção a partir do controle do potencial elétrico. A literatura apresenta diversos exemplos de uso de CAG para tratamento de efluentes industriais com corantes, por exemplo.

[024] Em contrapartida, no sistema bioeletroquímico proposto aqui, diferentemente, busca-se gerar corrente elétrica, ao invés do seu consumo, a partir de reações bioeletroquímicas por microrganismos. O carvão ativado granular neste caso tem um papel completamente diferente, sendo utilizado sob o aspecto de ser um material tridimensional com microfissuras e poros que aumentam sua área superficial para proporcionar o crescimento de biofilme microbiano. Ou seja, não está exclusivamente relacionado à sua capacidade de adsorção de compostos orgânicos como um elemento para exercer a função de tratar água residuária por adsorção.

[025] KR20130051251 revela uma célula combustível microbiana com desenho convencional de câmara dupla, utilizando resíduo aquoso de tinta/corante como substrato, na qual forma-se facilmente um biofilme na ampla superfície de um carvão ativado granular, facilitando a descoloração e a purificação das águas residuais de corantes. A referida célula compreende um cátodo e um ânodo que associa carvão ativado granular e uma camada de troca iônica que divide os recipientes de reação do eletrodo positivo e do eletrodo negativo, no entanto, a geração de energia fica em segundo plano.

[026] Salienta-se que o referido pedido de patente coreano possui foco no tratamento de águas residuárias poluídas com corantes, de modo que não apresenta uma configuração de reatores otimizada para aumentar a densidade de potência, ou que permita um empilhamento compacto. Também não há flexibilidade de aplicação, com combinação de processos bioeletroquímicos, uma vez que é informado apenas que a câmara catódica será saturada com oxigênio.

[027] Em contrapartida, na presente invenção, as configurações de reatores, empilhamento e sequências possíveis de tratamento, que por si só já se diferenciam, permitem uma maior densidade de potência, sem perder eficiência de tratamento. Além disso, apresenta uma solução que pode ser aplicada para uma variedade de águas residuárias de diferentes origens. Ou seja, este sistema pode ser configurado para gerar eletricidade a partir de águas residuárias com elevada carga orgânica ou em outros casos, com menor biodegradabilidade utilizando-se uma sequência de câmaras anódicas.

[028] Por exemplo, um efluente industrial facilmente biodegradável poderia ser tratado obtendo-se todo o potencial de geração de eletricidade possível em uma única câmara anódica, enquanto uma água residuária com baixa biodegradabilidade poderia ser tratada por uma série de câmaras anódicas, cada uma com um consórcio microbiano distinto convertendo diferentes compostos orgânicos em eletricidade.

[029] Por exemplo, no caso de uma água residuária previamente tratada no sistema, que já não possua matéria orgânica disponível, poder-se-ia utilizá-la como eletrólito sem atividade microbiana. Nesse caso, a promoção de aeração combinada a um cátodo de alta eficiência não-biocompatível poderia ser aplicada, uma vez que, a atividade biológica não seria necessária. Assim, caso os parâmetros relacionados aos objetivos do sistema se alterem, como o nível de remoção de matéria orgânica ou nitrogênio, a demanda energética (nível de geração de corrente elétrica) ou as características da água residuária (concentração de substrato orgânico e/ou inorgânico), o sistema pode ser facilmente reconfigurado para se adaptar às novas características e objetivos.

[030] US20190112212 revela um sistema bioeletroquímico com uma arquitetura estrutural baseada em um conjunto de pares de ânodo e cátodo em sequência, conectados a uma fonte de energia e entrada de gás. O principal objetivo do sistema é aumentar a proporção de metano no biogás formado no processo. Para isso, o desenho do reator e princípios de operação se concentram na remoção de gás sulfídrico (H2S) e conversão de CO2 em CH4. Dessa forma, o sistema tem como objetivo produzir biogás com maior quantidade de CH4 para uso posterior, como fonte energética, por exemplo. Ao se considerar o CH4 como fonte energética, o sistema de tratamento apresentaria um balanço energético mais favorável em relação ao tratamento anaeróbio convencional, que produz biogás com menor teor de CH4.

[031] Embora algumas características sejam semelhantes, como as possibilidades de empilhamento e materiais utilizados, verifica-se que o pedido de patente americano supracitado tem como foco principal a configuração dos eletrodos e o desenho de reator para a geração e tratamento de biogás. Nesse sentido, os inventores inclusive informam a necessidade da presença de microrganismos metanogênicos, sendo que, na presente invenção, o foco é a geração de corrente elétrica e a presença de metanogênicos seria prejudicial para a geração de eletricidade. Além disso, o sistema de US20190112212 considera o consumo de energia para controle do processo de produção de biogás com maior teor de CH4, enquanto em nossa proposta o foco principal é gerar eletricidade com a menor produção possível de CH4.

[032] O desenho de reator de US20190112212 considera uma sequência intercalada de ânodos e cátodos, enquanto em nosso desenho as câmaras catódicas estão conectadas pelo sistema de difusão de ar, e, é possível escolher se a água residuária em questão será encaminhada do ânodo para o cátodo, do cátodo para o ânodo, do ânodo para outro ânodo ou de um cátodo para outro cátodo. Além disso, a configuração de reator é pouco otimizada para materiais tridimensionais em relação à presente invenção.

[033] CN210825621 se configura como uma adaptação de uma tecnologia convencional de tratamento de águas residuárias, denominada "reator biológico rotativo de contato" ou "Biodisco rotativo", utilizando os conceitos da bioeletroquímica para produzir corrente elétrica. A utilização dessa técnica reduz a necessidade de aeração do sistema, uma vez que a rotação do disco na câmara catódica expõe os elementos do cátodo ao ar. Isso permite o crescimento de uma camada de bactérias aeróbias sobre o material, sendo essa a principal vantagem do "Biodisco Rotativo" convencional.

[034] O objetivo do documento supracitado é o de apresentar uma alternativa para o crescimento de bactérias aeróbias sem o uso de aeradores, sem considerar qualquer aspecto de otimização do desenho de reatores para aumento de densidade de potência ou aplicação com empilhamento ou tratamento sequencial entre unidades. Na presente invenção, considera-se a utilização de difusores de ar ligados a aeradores e com o foco na otimização do desenho de empilhamento.

[035] Nesse sentido, a câmara anódica da presente invenção possui o volume integralmente composto pelo eletrodo tridimensional, enquanto no documento chinês supracitado considera-se um eletrodo plano com considerável volume morto. Igualmente, a câmara catódica da presente invenção se aproveita do material tridimensional, sem volumes vazios, sendo que a construção final do sistema em tela é claramente mais compacta e facilmente empilhável do ponto de vista elétrico e estrutural. No sistema de CN210825621, a câmara catódica necessariamente precisa estar exposta à atmosfera, o que, por si, já limita as possibilidades de empilhamento e flexibilidade de montagem, o que não favorece o ganho de escala. Além disso, o funcionamento rotativo do cátodo pressupõe a utilização de oxigênio nas reações, enquanto na presente invenção pode-se optar por alimentar a câmara catódica com oxigênio, CO2, outros gases, ou simplesmente não adicionar ar.

[036] CN108767265 propõe uma solução para confecção de cátodos em um sistema bioeletroquímico de câmara única. Nesse tipo de sistema, pode-se optar por não utilizar uma membrana de troca catiônica, uma vez que o ânodo é mantido no interior da única câmara e o cátodo é posicionado no exterior da câmara, exposto ao ar. No entanto, o cátodo precisa estar exposto ao ar na parede do reator sem estar isolado do ânodo, sob o ponto de vista de cargas elétricas. A confecção e montagem de materiais considerando essa particularidade são complexas e muitas vezes envolvem materiais de alto custo. Catalisadores químicos são usualmente utilizados no cátodo, uma vez que a catalisação por atividade biológica não é possível nesse modelo.

[037] O cátodo proposto no documento acima citado não é compatível com o tipo de sistema da presente invenção e o conceito de cátodo da presente invenção não é compatível com o tipo de tecnologia considerada em CN108767265. Em relação ao aço inox, embora se apresente nas duas soluções, ainda assim possuem utilizações diferentes. Em CN108767265, um fio de inox é acoplado à camada catalítica do cátodo plano, que por usa vez se baseia em carvão ativado em pó e poliuretano. Em nosso caso, o aço inox é uma das possibilidades de material para conformar uma grade na qual o elemento tridimensional é inserido.

[038] Verifica-se que todos os documentos mais próximos do estado da técnica possuem uma variedade de soluções tecnológicas com objetivos diferentes entre si e distintos da presente invenção, sendo que nenhum deles tem foco na geração de eletricidade a partir de águas residuárias.

[039] Assim, as soluções propostas em cada documento são focadas em otimizar, reduzir custos ou viabilizar tecnicamente o sistema para alcançar esses objetivos. Algumas são orientadas em aspectos operacionais, outras nos materiais ou desenho do sistema, no entanto nenhuma delas se aproxima da solução proposta na presente invenção: viabilizar o ganho de escala com níveis elevados de geração de eletricidade por meio de um sistema que compreende uma configuração específica de reator e de acoplamento destes reatores.

[040] Essa referida configuração favorece pelo menos: a) o empilhamento de unidades; b) o maior aproveitamento das características originais da água residuária e características resultantes das reações redox no processo bioeletroquímico e c) a utilização de materiais tridimensionais com elevada área superficial que auxiliam no rendimento.

[041] Em suma, a presente invenção consiste em um sistema de reatores acoplados que permite otimizar a utilização do material tridimensional, mas, muito além disso, favorece a combinação da composição química das águas residuárias com uma variedade de reações redox para aproveitar todo o potencial energético da água residuária e aumentar a densidade de potência volumétrica, usualmente abaixo de 6 W/m3 (literatura) para valores acima de 50 W/m3.

[042] Ou seja, as características das águas residuárias, como alta concentração de matéria orgânica, nitrogênio amoniacal e outros íons, são plenamente utilizadas para obter ganhos na atividade microbiana substituindo catalisadores químicos e aproveitando melhor as moléculas da água residuária.

[043] Com isso, concebe-se um sistema de design compacto, otimizado para eletrodos tridimensionais, empilhável com o cátodo como eixo de acoplamento e com flexibilidade de aplicação a partir da possibilidade de tratamento sequencial em qualquer direção. Tendo em vista que as câmaras anódicas e catódicas são acessíveis a partir de qualquer outra câmara anódica ou catódica, resulta em flexibilizar a aplicação de acordo com as características das águas residuárias.

Breve descrição da invenção:

[044] A presente invenção tem como objetivo principal a viabilização do ganho de escala de um sistema bioeletroquímico empilhável, caracterizado por compreender uma pluralidade de reatores, em que cada reator compreende uma câmara anódica e uma câmara catódica, contendo material condutivo e inerte para o crescimento de biofilme bacteriano como ânodo e outra câmara com material apresentando as mesmas características para crescimento ou não de biofilme bacteriano, separadas por um mecanismo eletrolítico seletivo para transferência de cátions ou ânions. Esse sistema possibilita a conversão direta de compostos orgânicos e inorgânicos em eletricidade por meio da atividade microbiana no ânodo e reações envolvendo, por exemplo, oxigênio, nitrito, nitrato, sulfato e/ou metano, no cátodo com ou sem atividade microbiana. Essa eletricidade pode ainda ser utilizada no mesmo sistema para produzir hidrogênio por meio de eletrólise, conversão de CO2 em compostos orgânicos de valor agregado ou sua fixação na biomassa.

Breve descrição das figuras:

[045] Para auxiliar na identificação das principais características, são apresentadas as figuras às quais se faz referências, conforme se segue:

[046] Na Figura 1 apresenta-se uma configuração preferencial do ânodo (11) com malha coletora de elétrons (111) preenchida com material granular biocompatível (112) .

[047] Na Figura 2 apresenta-se uma configuração preferencial do separador (2) das câmaras anódica e catódica compreendendo um dispositivo eletrolítico de troca seletiva de íons estruturado em material rígido para conferir resistência mecânica ou sem estrutura.

[048] Na Figura 3 apresenta-se uma configuração preferencial do corpo do reator (3) com detalhe para os seus elementos construtivos.

[049] Na Figura 4 apresenta-se uma configuração de tampa (4) do reator com os principais elementos construtivos ilustrando a conexão para acoplamento de câmaras catódicas.

[050] Na Figura 5 apresenta-se uma configuração do cátodo (51) com malha coletora de elétrons (511) preenchida com material granular biocompatível (512) e difusor de ar (514) .

[051] Na Figura 6 representa-se a instalação de todos os componentes para montagem do reator (visão lateral).

[052] Na Figura 7 representa-se a instalação de todos os componentes para montagem do reator (visão em perspectiva e corte transversal).

[053] Na Figura 8 representa-se uma configuração do acoplamento de reatores para montagem de sistema empilhado (corte longitudinal).

[054] Na Figura 9 representa-se uma configuração do acoplamento de reatores para montagem de sistema empilhado (visão em perspectiva).

[055] Na Figura 10 representam-se esquemas para conexão elétrica dos reatores de forma individual, em série (representado em lilás) e/ou em paralelo (representado em laranja).

[056] Na Figura 11 representam-se configurações de operação para tratamento de água residuária com câmaras anódica e catódica independente ou em sequência.

[057] Na Figura 12 representam-se configurações de operação para tratamento de água residuária com reatores acoplados e câmaras anódicas e catódicas em sequência.

[058] Na Figura 13 representa-se um exemplo de funcionamento do sistema para tratamento de água residuária e geração de eletricidade com reatores acoplados com conexão elétrica em série e paralelo e câmaras anódicas e catódicas operando em sequência.

[059] Na Figura 14 apresentam-se o comportamento dos parâmetros elétricos principais obtidos em laboratório para CCMs inoculadas com bactérias capazes de oxidar nitrogênio amoniacal, com dominância do gênero Nitrosomonas ou Candidatus Kuenenia (anammox).

Descrição detalhada da invenção:

[060] A presente invenção se refere a um sistema bioeletroquímico tubular empilhável para geração de eletricidade, que compreende uma pluralidade de reatores em que cada reator compreende:
um corpo externo (3) e uma tampa (4);
pelo menos uma câmara anódica (1) compreendendo um ânodo (11) preferencialmente com prévia inoculação de bactérias eletrogênicas e/ou bactérias nitrificantes;
pelo menos uma câmara catódica (5) compreendendo um cátodo (51) que compreende opcionalmente bactérias eletroativas;
pelo menos um separador de íons (2);
em que os referidos reatores são acoplados de forma sequencial ou independente, e com conexão elétrica individual, em série ou em paralelo.

[061] O referido corpo (3) de cada reator compreende: uma entrada da câmara anódica (31), uma saída da câmara anódica (32), uma entrada da câmara catódica (33), uma saída da câmara catódica (34), uma entrada elétrica do cátodo (35), uma saída elétrica do ânodo (36), um contato elétrico do cátodo (37), um contato elétrico do ânodo (38), um encaixe do separador (39), uma conexão para difusor no cátodo (310), uma entrada para o mecanismo de travamento (311), uma conexão para acoplamento de câmaras catódicas (312). O referido mecanismo de travamento pode ser por parafuso, encaixe ou outras formas correlatas de travamento.

[062] A referida tampa de cada reator compreende: um encaixe para o separador (41), uma conexão para acoplamento de câmaras catódicas (42), conexão para difusor no cátodo (43), camada de material flexível (44) e mecanismo de travamento (45) auxiliado por um orifício com chanfro. O referido mecanismo de travamento pode ser por parafuso, encaixe ou outras formas correlatas de travamento.

[063] O referido ânodo consiste essencialmente de uma malha (111) em formato de "U" com seção espacial geométrica de um prisma quadrangular confeccionada com material de alta condutividade e resistência à corrosão, preferencialmente aço inoxidável, em que a referida malha é preenchida com material granular condutivo (112), com elevada área superficial e biocompatível, sendo preferencialmente carvão ativado granular.

[064] Em relação às bactérias contidas no sistema, deve-se considerar: a) quantidade inicial de bactérias / processo de inoculação; b) quantidade de bactérias após estabilização do referido processo.

[065] Quanto ao referido processo de inoculação onde ocorre a injeção de bactérias no sistema, este pode ser feito com quantidades variáveis, uma vez que as bactérias nesse inóculo se adaptam às condições do sistema bioeletroquímico e, com o tempo, passam a crescer até chegar em um ponto de equilíbrio dinâmico. Como referência, utilizou-se experimentalmente uma taxa de inoculação inicial de aproximadamente 11 mg de sólidos suspensos voláteis (SSV), sendo este um parâmetro indicador para quantidade de bactéria por grama de carvão ativado granular (CAG) que pode variar de 5 mg a 15 mg de sólidos suspensos voláteis (SSV) por grama de carvão. Uma correlação pode ser realizada para outros materiais, considerando a relação entre área superficial e massa, em comparação com a área superficial e massa do CAG.

[066] Em relação a fonte desses inóculos, depende de qual reação química específica quer se potencializar, sendo que, para a conversão de matéria orgânica em eletricidade, podem-se utilizar fontes enriquecidas com bactérias heterotróficas facultativas ou anaeróbias, como lodos ativados ou de digestores anaeróbios de estações de tratamento de esgoto.

[067] Para a conversão de nitrogênio amoniacal em eletricidade, o ideal é utilizar fontes enriquecidas com bactérias autotróficas aeróbias, como o lodo proveniente de tanques de aeração de estações de tratamento de esgoto. Por outro lado, para o processo de redução de nitrito e nitrato, fontes provenientes de ambientes anóxicos são adequadas.

[068] Um tipo de inóculo relativamente versátil, geralmente, possui representantes de todos os grupos de fontes mencionadas. Um exemplo é o lodo obtido a partir de sistemas de tratamento de efluentes com gradientes de concentração de matéria orgânica e oxigênio dissolvido, como no caso do sistema de lodo ativado granular.

[069] Quanto maior a proporção dos referidos grupos bacterianos no inóculo, mais rápida é a estabilização do sistema, sem considerar mudanças em outras variáveis de influência. No entanto, é importante ressaltar que a proporção desses grupos é muito variável dependendo da localização da fonte e ao longo do tempo, portanto, não é possível definir um valor fixo nesse sentido.

[070] Após a estabilização, os grupos necessários para cada processo (oxidação de matéria orgânica, de amônia, redução de nitrito, etc.) são enriquecidos e a quantidade de biofilme desenvolvido no eletrodo fica substancialmente estável e dependente somente das condições de operação, de modo que, por exemplo, a aplicação de uma carga orgânica mais elevada consequentemente resulta em maior concentração de bactérias.

[071] A configuração do ânodo também pode compreender outros materiais tais como grafite granular, platina, grafeno, dentre outros, no interior de malhas de tecido de carbono, carbono vítreo, titânio, cobre, dentre outros, atuando respectivamente, de acordo com as propriedades mencionadas.

[072] Entre o ânodo e o cátodo, há um sistema eletrolítico seletivo denominado separador de íons (2), utilizado com o intuito de separar os doadores de elétrons da câmara anódica dos aceptores de elétrons da câmara catódica, mas permitindo a transferência de cargas a partir da transferência de íons. O referido separador consiste em uma estrutura de suporte mecânico (21) que abarca uma membrana eletrolítica de troca seletiva de íons (22), sendo preferencialmente uma membrana de troca protônica, mas também com possibilidades de uso de membranas de troca aniônica ou membranas de separação física, como de ultra ou nanofiltração e argila.

[073] O material que compõe o sistema eletrolítico pode ou não estar fixado em uma estrutura rígida (Figura 2), mas deve possuir rigidez ao ser inserido nas estruturas de encaixe presentes na base e na tampa do reator (Figuras 3 e 4).

[074] O cátodo (51) consiste em uma malha condutiva em formato poliédrico (511) preenchida com material granular condutivo (512), com elevada área superficial e biocompatibilidade e com uma entrada para um mecanismo de difusão de ar (513) .

[075] O referido cátodo pode compreender preferencialmente um difusor de ar (514), com mecanismos de difusão de ar por tubo ou conduto flexível, pedra porosa ou outros materiais porosos que produzam bolhas finas ou microbolhas por meio da passagem de ar, inserido em uma das extremidades do cátodo pela entrada (513) ou a partir do centro da malha do cátodo, conforme exemplificado na Figura 5. O difusor de ar se conecta a um dispositivo hidráulico/pneumático que por sua vez apresenta condutos rígidos e/ou flexíveis que atravessam a câmara catódica verticalmente desde a base até a tampa do reator.

[076] Os referidos condutos estão localizados na base e na tampa e servem para acoplamento dos reatores formando um sistema empilhado que permita a alimentação (contínua, intermitente ou em batelada) com ar atmosférico, oxigênio puro, CO2 (podendo ser proveniente da câmara anódica) e / ou metano (podendo ser proveniente da câmara anódica), entre outros, em todas as unidades de forma simultânea e homogênea.

[077] Na Figura 6 exemplifica-se a montagem de um reator com todos os componentes supracitados: câmara anódica (1) compreendendo um ânodo (11), um separador de íons (2), um corpo externo (3), uma tampa (4), uma câmara catódica (5) compreendendo um cátodo (51).

[078] Nas duas extremidades da câmara anódica há orifícios que permitem a entrada e saída de líquido enquanto na câmara catódica, os dois orifícios encontram-se em diferentes pontos na mesma face (exemplo na Figura 3). Na parte frontal do reator, dois conectores, preferencialmente metálicos com elevada resistência à corrosão, são inseridos nas câmaras, sendo um em contato com a malha que compõe o ânodo e o outro em contato com a malha que compõe o cátodo (Figura 3).

[079] Na Figura 7 destaca-se ainda, além dos componentes citados na Figura 6, o difusor de ar (514), e ainda uma conexão para acoplamento superior (61), uma conexão para acoplamento inferior (62), mecanismos de travamento para montagem da tampa (63), e um conector (64) para provimento de fluxo entre o difusor e um segundo reator. O referido mecanismo de travamento pode ser por parafuso, encaixe ou outras formas correlatas de travamento.

[080] Na Figura 8 destacam-se os mecanismos de acoplamento de reatores, de modo que, ocorre uma conexão entre cada difusor de ar (514) de um primeiro reator com pelo menos uma conexão de acoplamento superior ou inferior de um segundo reator, em que os reatores das extremidades compreendem um tampão (71) ou um compressor (72) localizados em lados opostos de um conjunto de reatores acoplados.

[081] Na Figura 9 destaca-se a configuração montada do sistema empilhado e na Figura 10 observam-se os tipos de conexões elétricas entre os reatores, sendo estas individuais, em série, em paralelo ou uma combinação em série e paralelo com mais reatores.

[082] Um dos orifícios da câmara anódica é utilizado para alimentação de forma contínua, semicontínua ou em batelada, preferencialmente com o uso de uma bomba hidráulica ou por gravidade, com o resíduo contendo substrato biodegradável, podendo ser matéria orgânica ou inorgânica. No outro orifício da câmara anódica ocorre a saída da água residuárias que poderá ser reintroduzida (recirculada) na mesma câmara anódica, direcionada à câmara catódica do mesmo reator ou encaminhada para alimentar a câmara anódica ou catódica de outra unidade ou ainda ser retirada em definitivo do sistema.

[083] Um dos orifícios da câmara catódica serve como entrada para alimentação contínua, semicontínua ou em batelada com água, solução tampão, água residuária bruta ou efluente proveniente da câmara anódica, do mesmo reator ou da câmara catódica ou anódica de outro reator. O outro orifício da câmara catódica serve para saída da água residuária que poderá ser reintroduzida (recirculada) na mesma câmara catódica, direcionada à câmara anódica do mesmo reator ou encaminhada para alimentar a câmara anódica ou catódica de outra unidade ou ainda retirada em definitivo do sistema. Os orifícios de entrada e saída de cada câmara podem ser invertidos, dependendo da operação do sistema.

[084] Na Figura 11 revela-se a diferença de tratamento da água residuária referente ao uso de câmaras independentes e câmaras sequenciais.

[085] No caso de câmaras independentes, inicialmente a câmara anódica é alimentada por água residuária pela entrada da câmara anódica (31) e a câmara catódica é alimentada por uma solução sem matéria orgânica, através da entrada da câmara catódica (33). Após ocorrerem as reações bioquímicas de oxirredução, a água residuária tratada é transferida ao ambiente externo do sistema e a água residuária com baixo teor de matéria orgânica é descartada ou preferencialmente reaproveitada.

[086] No caso das câmaras sequenciais, inicialmente a câmara anódica também é alimentada por água residuária proveniente de atividades urbanas, industriais ou agrícola, com alta concentração de matéria orgânica e inorgânica, como vinhaça de cana-de-açúcar e/ou lixiviado de aterro sanitário e/ou efluente de curtume e/ou efluentes da indústria de bebidas e/ou efluente do desaguamento de lodo de estação de tratamento de efluentes, dentre outros.

[087] A água residuária bruta é inserida pela entrada da câmara anódica (31), no entanto, a própria água residuária a partir da saída da câmara anódica (32) é retroalimentada e direcionada para uma entrada da câmara catódica (33), sendo que a água residuária tratada é transferida para o ambiente externo do sistema por uma saída da câmara catódica (34).

[088] A depender da condição de operação e tipo de água residuária as seguintes reações poderão ocorrer na câmara anódica: (i) oxidação de matéria orgânica gerando elétrons transferidos para o anodo ou (ii) oxidação de nitrogênio amoniacal gerando elétrons transferidos para o ânodo. No caso da reação (i) além dos elétrons, dióxido de carbono (CO2) e prótons (H+) serão liberados. No caso da reação (ii), além dos elétrons, prótons (H+), nitrito (NO2), nitrato (NO3) e/ou gás nitrogênio (N2) serão gerados.

[089] A depender da condição de operação e tipo de água residuária as seguintes reações poderão ocorrer na câmara catódica consumindo elétrons no cátodo: redução de (i) oxigênio, (ii) nitrito, (iii) nitrato, (iv) óxido nitroso (N2O), (v) dióxido de carbono, (vi) metano, (vii) eletrólise da água e / ou (viii) fixação de carbono na biomassa. No caso da reação (i) água (H2O) será produzida. No caso das reações (ii, iii e iv) poderá ser produzido NO2, N2O e/ou N2. No caso da reação (v), serão produzidos compostos orgânicos como acetato, butanol e metanol. No caso da reação (vii) será produzido hidrogênio (H2). No caso da reação (viii) ocorrerão crescimento e acúmulo de biomassa microbiana. Além das reações que consomem elétrons do cátodo, na presença de oxigênio, poderá ocorrer a conversão de nitrogênio amoniacal em nitrito ou nitrato.

[090] A tabela 1 reúne as reações químicas que ocorrem nas câmaras independentes e nas câmaras sequenciais:

[091] Pela Figura 12 verifica-se uma configuração preferencial de acoplamento de três reatores com retro alimentação, sendo que no ânodo de cada reator ocorre sequencialmente a oxidação da matéria orgânica de uma água residuária bruta, oxidação da matéria orgânica residual da água residuária tratada parcialmente, oxidação de nitrogênio amoniacal da água residuária tratada nas etapas anteriores. Enquanto no cátodo, em todos os reatores ocorrem Nitrificação e/ou Redução de oxigênio e/ou Redução de nitrito/nitrato proveniente ou não da água residuária.

[092] Na Figura 13 verifica-se um conjunto de reatores acoplados com câmaras sequenciais e conexão elétrica em série e paralelo de modo que as reações em cada reator seguem a mesma condição supracitada (Figura 12), porém existem diferentes objetivos de tratamento (exemplos: redução da concentração de matéria orgânica, oxidação de compostos nitrogenados, conversão de nitrogênio dissolvido em nitrogênio gasoso) e reações de geração de eletricidade em cada conjunto de reatores.

[093] Detalha-se ainda a presença de um elemento elétrico (81), que pode ser um resistor, capacitor, aparelhos eletrônicos externos, baterias de acumulação, e/ou fontes elétricas para controle do potencial dos eletrodos.

[094] Verifica-se ainda, a partir da Figura 13, uma condição preferencial da presente invenção com uma intercalação horizontal de ânodo - cátodo e uma disposição sequencial dos cátodos e ânodos no sentido vertical. A referida configuração se alinha ao acoplamento por meio do mecanismo de difusão de ar (difusor), o que, por sua vez, otimiza o volume total do sistema e simplifica a injeção de ar na pluralidade de colunas catódicas.

Testes de concretização da invenção

[095] Um determinado volume de água residuária composta por alta concentração de matéria orgânica e nitrogênio amoniacal inicialmente foi encaminhada para uma câmara anódica onde bactérias eletrogênicas aderidas ao ânodo, especialmente do gênero Geobacter (em condição mesofílica) e Tolumonas (em condição termofílica), converteram a matéria orgânica da água residuária em eletricidade. O efluente proveniente dessa câmara, portanto, possui baixa concentração de matéria orgânica carbonácea por ter sido consumida na primeira etapa de geração de eletricidade. Entretanto, o composto nitrogênio amoniacal ainda restante, foi utilizado na segunda câmara anódica para conversão do amônio em nitrito ou nitrato, propiciando a geração de corrente elétrica por meio da atividade de bactérias nitrificantes aderidas ao ânodo, especialmente do gênero Nitrosomonas.

[096] O efluente de saída da referida segunda câmara anódica é composto por concentrações altas de nitrito ou nitrato, sendo aproveitado na sequência em uma câmara catódica. Nessa câmara catódica, bactérias desnitrificantes eletroativas, especialmente do gênero Comamonas além de representantes das Proteobactérias, Firmicutes e Bacteroidetes, utilizam esses compostos como aceptores finais de elétrons em uma reação de redução, eliminando a necessidade da injeção de ar (oxigênio) nessa câmara, o que por sua vez, reduz custos operacionais associados ao funcionamento e manutenção de um sistema de aeração.

[097] Esse processo também é vantajoso, pois reduz as limitações associadas ao cátodo e elimina a necessidade do uso de catalisadores químicos, uma vez que as bactérias eletrogênicas associadas ao eletrodo atuarão como biocatalisadores. A água residuária ao sair dessa câmara catódica, já não apresentará mais concentrações elevadas de nitrogênio, mas ainda apresentará condutividade elétrica elevada, sendo uma condição importante para reduzir a resistência interna do sistema decorrente de outros sais que não são consumidos nas reações redox.

[098] Essa água residuária é utilizada como meio eletrolítico de outra câmara catódica alimentada com oxigênio pelo sistema de acoplamento e difusão de ar. Assim, o oxigênio será utilizado como aceptor final de elétrons, eliminando a necessidade de aplicação de uma solução tamponada com condutividade elétrica elevada o que representa redução de custos. Os produtos do sistema serão eletricidade com densidade de potência de mais de 50 W/m3 e uma água residuária com alto grau de tratamento (mais de 90% de remoção de matéria orgânica e nitrogênio).

[099] Experimentos foram realizados em laboratório com os procedimentos de operação e tipo de combinação de materiais dos eletrodos fabricados a partir de uma malha de aço inoxidável preenchida com carvão ativado granular (CAG).

[100] Salienta-se ainda que, caso a composição da água residuária se altere ou o sistema seja empregado para tratar outro tipo de água residuária, outras sequências de tratamento e microrganismos podem ser utilizadas, mantendo-se o conceito inventivo. Independentemente do tipo de bactéria ou processo pretendido, baseando-se nos resultados experimentais, é possível identificar uma quantidade de bactérias variando entre 10 e 40 mg de SSV por g de carvão ativado granular (CAG), após estabilização do processo no sistema.

[101] Em termos de abundância relativa de bactérias eletrogênicas na comunidade microbiana do biofilme, valores acima de 10% são suficientes para o correto funcionamento do sistema. A abundância relativa final de bactérias eletrogênicas no biofilme considerando um sistema em estabilidade, apesar de ser dependente de outras condições operacionais, pode alcançar valores em torno de 50% para o ânodo e pelo menos 80% para o cátodo.

[102] Os referidos experimentos foram conduzidos utilizando água residuária sintética simulando vinhaça com até 5 g DQO L-1, sendo que, com um resistor de 300 Ω, temperatura de 23 °C, taxa de carregamento orgânico de 3,64 kg DQO m-3 d-1, cátodo aerado e fluxo ascendente, obteve-se densidade de potência máxima de 48 W. m-3, sendo mais alto do que valores descritos em anterioridades já reportadas.

[103] Em adição, o sistema da presente invenção alcançou uma densidade de potência de até 17 W.m-3 com nitrato como aceptor de elétrons, o que é consideravelmente maior do que é apontado usualmente no estado da técnica, sendo uma possibilidade para tratamento de efluentes de processos de nitrificação com custo reduzido.

[104] Em termos de tratamento da água residuária, foi observada oxidação da matéria orgânica com alta eficiência (> 90%), independentemente das condições aplicadas, enquanto a amônia foi oxidada para nitrito e nitrato nas câmaras catódicas aeradas a 23 °C e 35 °C e removida por volatilização a 55 °C (> 80%).

[105] Na Figura 14 representa-se um gráfico demonstrando que, em um novo processo bioeletroquímico com amônia como doadora de elétrons, o gênero Nitrosomonas foi associado à geração de corrente, bactérias eletrogênicas adaptaram-se à oxidação de amônia e as bactérias anammox transferiram elétrons ao ânodo com menor potencial (0.25 V contra 0.38 V), mas a corrente foi consideravelmente mais baixa.

[106] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.

Claims (28)

1. SISTEMA BIOELETROQUÍMICO EMPILHÁVEL PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE, compreendendo uma pluralidade de reatores, caracterizado pelo fato de cada reator compreender:
   um corpo externo (3) e uma tampa (4);
   pelo menos uma câmara anódica (1) compreendendo um ânodo (11) preferencialmente com prévia inoculação de bactérias eletrogênicas e/ou bactérias nitrificantes;
   pelo menos uma câmara catódica (5) compreendendo um cátodo (51) e opcionalmente uma fonte de bactérias eletroativas; pelo menos um separador de íons (2);
   em que os referidos reatores são acoplados de forma sequencial ou independente,
   em que os referidos reatores são conectados eletricamente de maneira individual, em série ou em paralelo, ou por meio de uma combinação destes.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido ânodo compreender uma malha (111) preferencialmente em formato de "U" com seção espacial geométrica de um prisma quadrangular preenchida com material granular condutivo (112).
3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido cátodo (51) compreender uma malha (511) preferencialmente em formato poliédrico preenchida com material granular condutivo (512).
4. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de as referidas malhas (111) (511) serem fabricadas preferencialmente de aço inoxidável e os referidos materiais granulares condutivos (112) (512) serem preferencialmente fabricados de carvão ativado granular (CAG).
5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido separador de íons (2) compreender uma estrutura de suporte mecânico (21) abarcando uma membrana eletrolítica de troca seletiva de íons (22), preferencialmente uma membrana de troca protônica.
6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido corpo (3) compreender pelo menos uma entrada da câmara anódica (31), uma saída da câmara anódica (32), uma entrada da câmara catódica (33), uma saída da câmara catódica (34), uma entrada elétrica do cátodo (35), uma saída elétrica do ânodo (36), um contato elétrico do cátodo (37), um contato elétrico do ânodo (38), um encaixe do separador (39), uma conexão para difusor no cátodo (310), uma entrada para mecanismo de travamento (311), uma conexão para acoplamento de câmaras catódicas (312).
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a referida tampa (4) compreender pelo menos um encaixe para o separador (41), uma conexão para acoplamento de câmaras catódicas (42), conexão para difusor no cátodo (43), camada de material flexível (44) e mecanismo de travamento (45).
8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido cátodo (51) compreender opcionalmente uma entrada para um mecanismo de difusão de ar (513).
9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido mecanismo de difusão de ar (513) ser preferencialmente um difusor de ar (514).
10. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o referido difusor de ar (514) se conectar a um dispositivo hidráulico/pneumático compressor (72) que compreende condutos rígidos e/ou flexíveis que atravessam a câmara catódica verticalmente desde a base até um tampão (71) do reator.
11. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o referido acoplamento de reatores de forma sequencial se dar através de uma conexão para acoplamento superior (61), uma conexão para acoplamento inferior (62) e um conector (64) para provimento de fluxo entre o difusor e um segundo reator.
12. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma entrada da câmara anódica ser alimentada com uma água residuária contendo substrato biodegradável de forma contínua, semicontínua ou em batelada, preferencialmente com o uso de uma bomba hidráulica ou por gravidade.
13. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a referida água residuária, ser preferencialmente vinhaça de cana-de-açúcar e/ou lixiviado de aterro sanitário, efluente de curtume e/ou efluentes da indústria de bebidas e/ou efluente do desaguamento de lodo de estação de tratamento de efluentes.
14. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a referida inoculação prévia de bactérias eletrogênicas e/ou bactérias nitrificantes compreender preferencialmente inóculos provenientes de sistemas de tratamento de efluentes com gradientes de concentração de matéria orgânica e oxigênio dissolvido.
15. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de, para conversão de matéria orgânica em eletricidade, os referidos inóculos serem majoritariamente constituídos de uma fonte enriquecida em bactérias heterotróficas facultativas ou anaeróbias, preferencialmente provenientes de lodos ativados ou de digestores anaeróbios de estações de tratamento de esgoto.
16. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de, para conversão de nitrogênio amoniacal em eletricidade, os referidos inóculos serem majoritariamente enriquecidos em bactérias autotróficas aeróbias, preferencialmente provenientes de lodo de tanques de aeração de estações de tratamento de esgoto.
17. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma entrada da câmara catódica ser alimentada com solução tampão ou água residuária bruta ou água residuária tratada proveniente da câmara anódica do mesmo reator ou da câmara catódica ou anódica de um segundo reator acoplado.
18. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a água residuária proveniente de pelo menos uma saída da câmara anódica ou catódica ser reintroduzida na mesma câmara, direcionado à uma câmara oposta do mesmo reator, ou encaminhado para alimentar a câmara anódica ou catódica de um segundo reator acoplado.
19. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ocorrer sequencialmente de maneira independente nas câmaras anódicas de pelo menos três reatores acoplados a oxidação da matéria orgânica bruta, oxidação da matéria orgânica residual e oxidação de nitrogênio amoniacal, respectivamente.
20. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ocorrer nas câmaras catódicas dos reatores acoplados nitrificação e/ou redução de oxigênio e/ou redução de nitrito/nitrato.
21. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de, para a redução de nitrito e nitrato no cátodo, a referida fonte opcional de bactérias utilizada ser preferencialmente uma fonte proveniente de ambientes anóxicos.
22. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender preferencialmente uma intercalação horizontal de ânodo - cátodo dos reatores acoplados e uma disposição sequencial dos cátodos e ânodos no sentido vertical para injeção de ar direto em uma pluralidade de colunas catódicas.
23. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as referidas bactérias eletrogênicas serem preferencialmente do gênero Geobacter ou Tolumonas.
24. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as referidas bactérias nitrificantes serem preferencialmente do gênero Nitrosomonas.
25. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as referidas bactérias eletroativas catódicas serem preferencialmente do gênero Comamonas.
26. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizado pelo fato de a quantidade de sólido suspensos voláteis (SSV) inicial de bactérias no ânodo ser de 5 mg a 15 mg por g de carvão ativado granular (CAG), preferencialmente 11 mg por g de carvão ativado granular (CAG).
27. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizado pelo fato de a quantidade de sólido suspensos voláteis (SSV) relativos à quantidade de bactérias no ânodo após a estabilização do processo eletroquímico no sistema ser de 10 a 40 mg por g de carvão ativado granular (CAG).
28. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizado pelo fato de as abundâncias relativas de bactérias eletroativas após estabilização serem em torno de 50% para o anodo e pelo menos de 80% para o cátodo.

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