Tratamiento de efluentes de una granja porcina mediante bioceldas para la generación de bioelectricidad

Jaime  Cachay; David  Vargas; Brandon  Leyva

doi:10.17268/agroind.sci.2022.01.07

Autores/as

Jaime Cachay Facultad de Ciencias, Departamento de Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional Agraria La Molina. Av. La Molina s/n – Lima.
David Vargas Facultad de Ciencias, Departamento de Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional Agraria La Molina. Av. La Molina s/n – Lima.
Brandon Leyva Facultad de Ciencias, Departamento de Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional Agraria La Molina. Av. La Molina s/n – Lima

DOI:

https://doi.org/10.17268/agroind.sci.2022.01.07

Palabras clave:

celdas de combustible microbianas, doble cámara, microoganismos autóctonos, sedimentación

Resumen

La búsqueda de potenciales soluciones para tratar aguas residuales y brindarles un valor agregado motivan el objetivo de este estudio que fue evaluar la eficiencia y desempeño de las bioceldas en generar bioelectricidad a partir del tratamiento de los efluentes de una granja de cerdos; teniendo en cuenta su desempeño con y sin el uso de inóculo. Se construyeron 03 bioceldas de doble cámara y se implementaron dos tratamientos por 13 días bajo monitoreo horario del voltaje. En el primer tratamiento se emplearon los microorganismos autóctonos del agua residual y en el segundo, se empleó estiércol vacuno como fuente de inóculo. El efluente presentó baja biodegradabilidad (DBO₅/DQO=0,22), además se alcanzó remociones mayores al 80% y 67% para la DQO y DBO₅ respectivamente, atribuido en primera instancia a la sedimentación de los sólidos del efluente. Los parámetros eléctricos fueron muy bajos comparados a otras investigaciones, alcanzando un voltaje promedio menor a 200 mV y la eficiencia coulómbica menor a 0,1%. Estadísticamente los tratamientos no tuvieron diferencias significativas en la remoción de DQO y DBO₅, el voltaje medio y eficiencia coulómbica. Finalmente, fue posible generar bioelectricidad, pero a una eficiencia muy baja, lo que hace importante investigar sobre cómo optimizar el proceso.

Citas

Ahn, D. H., Chang, W. S., & Yoon, T. Il. (1999). Dyestuff wastewater treatment using chemical oxidation, physical adsorption and fixed bed biofilm process. Process Biochemistry, 34(5), 429–439.

Buitrón, G., & Pérez, J. (2011). Producción de electricidad en celdas de combustible microbianas utilizando agua residual: efecto de la distancia entre electrodos. TIP Revista Especializada En Ciencias Químico-Biológicas, 14(1), 5–11.

Chu, S., & Majumdar, A. (2012). Opportunities and challenges for a sustainable energy future. Nature, 488(7411), 294–303.

Condori, A., & Torres, G. (2019). Biodegradación de la materia orgánica y producción de Bioelectricidad en Celdas de Combustible Microbiano (CCM) a partir del agua residual doméstica – Lima (Tesis de Grado). Universidad Peruana Unión]. Repositorio Institucional – Universidad Peruana Unión

Estrada-Arriaga, E. B., Hernández-Romano, J., García-Sánchez, L., Guillén Garcés, R. A., Bahena-Bahena, E. O., Guadarrama-Pérez, O., & Moeller Chavez, G. E. (2018). Domestic wastewater treatment and power generation in continuous flow air-cathode stacked microbial fuel cell: Effect of series and parallel configuration. Journal of Environmental Management, 214, 232–241.

Franks, A. E., & Nevin, K. P. (2010). Microbial fuel cells, a current review. Energies, 3(5), 899–919.

Gil, G. C., Chang, I. S., Kim, B. H., Kim, M., Jang, J. K., Park, H. S., & Kim, H. J. (2003). Operational parameters affecting the performance of a mediator-less microbial fuel cell. Biosensors and Bioelectronics, 18(4), 327–334.

Hamed, M. S., Majdi, H. S., & Hasan, B. O. (2020). Effect of Electrode Material and Hydrodynamics on the Produced Current in Double Chamber Microbial Fuel Cells. ACS Omega, 5, 10339–10348.

Iman, I. A. M. (2021). Potencial energético de la biomasa residual pecuaria en el campus de la UNALM [Tesis de Grado, Universidad Nacional Agraria La Molina]. http://repositorio.lamolina.edu.pe/handle/UNALM/4692

Kannan, N., & Donnellan, P. (2021). Algae-assisted microbial fuel cells: A practical overview. Bioresource Technology Reports, 15, 1–13.

Khamis, A., Nordin, N., & Mokhtar, M. H. (2020). Performance of double chamber microbial fuel cell: Effect of waste water, electrode thickness and distance. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, 20(2), 619–626.

Kim, B. H., Park, H. S., Kim, H. J., Kim, G. T., Chang, I. S., Lee, J., & Phung, N. T. (2004). Enrichment of microbial community generating electricity using a fuel-cell-type electrochemical cell. Applied Microbiology and Biotechnology, 63(6), 672–681.

Kumar, S., Kumar, H. D., & K, G. B. (2012). A study on the electricity generation from cow dung using microbial fuel cell. Journal of Biochemical Technology, 3(4), 442–447.

Larrosa-Guerrero, A., Scott, K., Head, I. M., Mateo, F., Ginesta, A., & Godinez, C. (2010). Effect of temperature on the performance of microbial fuel cells. Fuel, 89(12), 3985–3994.

Li, L. H., Sun, Y. M., Yuan, Z. H., Kong, X. Y., & Li, Y. (2013). Effect of temperature change on power generation of microbial fuel cell. Environmental Technology, 34(13–14), 1929–1934.

Liu, H., Cheng, S., & Logan, B. E. (2005). Power generation in fed-batch microbial fuel cells as a function of ionic strength, temperature, and reactor configuration. Environmental Science and Technology, 39(14), 5488–5493.

Logan, B. E., Hamelers, B., Rozendal, R., Schröder, U., Keller, J., Freguia, S., Aelterman, P., Verstraete, W., & Rabaey, K. (2006). Microbial fuel cells: Methodology and technology. Environmental Science and Technology, 40(17), 5181–5192.

Ma, D., Jiang, Z. H., Lay, C. H., & Zhou, D. (2016). Electricity generation from swine wastewater in microbial fuel cell: Hydraulic reaction time effect. International Journal of Hydrogen Energy, 41(46), 21820–21826.

Marks, J., Kirkel, J., Sekoai, P., Enweremadu, C., & Daramola, M. (2020). Effect of combining different substrates and inoculum sources on bioelectricity generation and COD removal in a two-chambered microbial fuel cell: A preliminary investigation. Environmental and Climate Technologies, 24(2), 67–78.

Min, B., Cheng, S., & Logan, B. E. (2005). Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells. Water Research, 39(9), 1675–1686.

Naseer, M. N., Zaidi, A. A., Khan, H., Kumar, S., Taha Bin Owais, M., et al. (2021). Mapping the field of microbial fuel cell: A quantitative literature review (1970-2020). Energy Reports, 7, 4126–4138.

Pacco, A., Vela, R., Miglio, R., Quipuzco, L., Juscamaita, J., Álvarez, C., Fernández -Polanco, F., & Molina, L. (2018). Propuesta de parámetros de diseño de un reactor UASB para el tratamiento de aguas residuales porcinas Proposal design parameters of a UASB reactor treating swine wastewater Scientia Agropecuaria 9(3): 381-391 (2018).

Park, Y., Cho, H., Yu, J., Min, B., Kim, H. S., Kim, B. G., & Lee, T. (2017). Response of microbial community structure to pre-acclimation strategies in microbial fuel cells for domestic wastewater treatment. Bioresource Technology, 233, 176–183.

Ren, H., Jiang, C., & Chae, J. (2017). Effect of temperature on a miniaturized microbial fuel cell (MFC). Micro and Nano Systems Letters, 5(1), 3–9.

Rodríguez-León, L. D., Ordoñez-Vásquez, K. M., & Quizhpe-Cordero, P. F. (2019). Estrategias para mitigar el impacto ambiental generado por la porcicultura hacia la contribución del desarrollo sostenible: Sitio Banasur, cantón Pasaje. Polo Del Conocimiento, 4(8), 51–70.

Rossi, R., & Logan, B. E. (2020). Unraveling the contributions of internal resistance components in two-chamber microbial fuel cells using the electrode potential slope analysis. Electrochimica Acta, 348, 136291.

Santoro, C., Arbizzani, C., Erable, B., & Ieropoulos, I. (2017). Microbial fuel cells: From fundamentals to applications. A review. Journal of Power Sources, 356, 225–244.

Sharma, Y., & Li, B. (2010). Optimizing energy harvest in wastewater treatment by combining anaerobic hydrogen producing biofermentor (HPB) and microbial fuel cell (MFC). International Journal of Hydrogen Energy, 35(8), 3789–3797.

Singh, L., & Kalia, V. C. (2017). Microbial Fuel Cells: Types and Applications. In Waste Biomass Management - A Holistic Approach (pp. 367–384).

Suero, D. E. (2016). Evaluación de opciones tecnológicas para el tratamiento de efluentes de la unidad experimental de cerdos de la UNALM [Tesis de Grado, Universidad Nacional Agraria La Molina]. http://repositorio.lamolina.edu.pe/handle/UNALM/2860

Vogl, A., Bischof, F., & Wichern, M. (2016). Single chamber microbial fuel cells for high strength wastewater and blackwater treatment—A comparison of idealized wastewater, synthetic human blackwater, and diluted pig manure. Biochemical Engineering Journal, 115, 64–71.