As Células a Combustível do tipo Microbiana (MFC) são dispositivos bioeletroquímicos capazes de produzir energia elétrica direta a partir do uso de micro-organismos eletrogênicos como catalisadores de uma reação de oxidação do substrato. Atualmente, as pesquisas em MFCs estão focadas no uso de substratos que normalmente são passivos ambientais como os efluentes líquidos, os quais são tratados ao mesmo tempo em que ocorre a geração de energia. Neste contexto, o efluente de laticínios tem chamado a atenção por apresentar uma composição favorável para o emprego em MFCs, como alta quantidade de matéria orgânica biodegradável, alta condutividade iônica e concentrações significativas de nutrientes. Por outro lado, no intuito da difusão da MFC como tecnologia de tratamento de efluentes de laticínios ainda são necessários estudos para melhorar o desempenho na produção de energia e estudos mais completos que se aprofundam nas questões de remoção de poluentes inorgânicos e de remoção de toxicidade do efluente lácteo. Por esta razão, a presente tese foi desenvolvida com a construção de quatro diferentes modelos de MFCs, ainda não explorados, para produção de energia elétrica direta com a remoção de poluentes a partir do efluente lácteo. As MFCs de catodo ao ar foram construídas nas arquiteturas: tubular com circulação interna (TCI), tubular como biofiltro (TB), tubular híbrida com fluxo ascendente (THA) e, por fim, um modelo cúbico de fluxo ascendente (CA) para o estudo em ampliação de escala. Os sistemas foram conduzidos em modo semi-continuo de alimentação com longo tempo de operação e usando na partida o consórcio das bactérias eletrogênicas Shewanella oneidenisis e Clostridium butyricum. Como resultados, as MFCs produziram o potencial de ciruito aberto de 649 mV, 540 mV, 616 mV e 583 mV que resultaram em altas densidades de potências com valores de 1,3 W/m³, 1,1 W/m³, 0,5 W/m³ e 3,5 W/m³ para TCI, TB, CA e THA, respectivamente. Em termos de tratamento, as MFCs apresentaram altos desempenhos de remoção de DQO e DBO com valores superiores a 90%, exeto a MFC- TCI que removeu 62% para DQO e 46% para DBO. Em relação aos nutrientes (nitrogênio e fósforo), as MFCs TB e THA tiveram os melhores desempenhos com 85% e 43% para remoção de nitrogênio, e 92% e 95% para remoção de fósforo, respectivamente. As MFCs também apresentaram altas eficiências para remoção de nitrato e sulfato. Testes de toxicidade aguda utilizando o organismo Daphnia similis foram aplicados para as MFCs TB, CA e THA. Nestes testes, os efluentes tratados não apresentaram efeitos agudo tóxico em nenhum caso. Testes de toxicidade crônica usando o organismo Raphidocelis subcapitata foram aplicados na MFC THA. Neste caso, os testes revelaram efeito crônico para concentração de 40% de efluente tratado, que devem ser estudados em direção de sua remoção. Esses resultados demonstraram que é possível utilizar MFCs para produção de energia elétrica simultaneamente ao tratamento de efluente lácteo, com destaque para MFC tubular híbrida de fluxo ascedente (THA).

Microbial Fuel Cells (MFC) are bioelectrochemical devices capable of producing direct electrical energy from electrogenic microorganisms as catalysts toward a substrate oxidation reaction. Currently, the MFC research is focused in substrates that are normally passive environmental as wastewater, which are treated and simultaneously with power generation. In this context, the dairy wastewater has been studied for MFC substrates because this wastewater has a favorable composition, as amount of biodegradable organic matter, high ionic conductivity and significant nutrient concentrations. In order to diffuse MFC as environmental technology for dairy wastewater treatment, there are a lack of technological knowledge toward to improve energy production performance and studies that address the issues of inorganic pollutants and toxicity removal. For this reason, the present thesis was developed with the construction of four different architectures of MFCs to produce direct electrical energy with the removal of pollutants from the dairy effluent. The air-cathode MFCs were constructed from acrylic as tubular with internal circulation (TCI), tubular biofilter (TB), tubular hybrid upflow (THA) and scaled cubic upflow (CA) bioreactor. The systems were lead in semi-continuous feeding mode with long-term operation using the startup consortium of Shewanella oneidenisis and Clostridium butyricum electrogenic bacteria. The MFCs produced the maximum potential of 649 mV, 540 mV, 616 mV and 583 mV, which resulted in high maximum power densities of 1.3 W/m³, 1.1 W/m³, 0.5 W/m³ and 3.5 W/m³ for TCI, TB, CA and THA, respectively. Notably, the hybrid tubular showed the best performance in the electricity generation. In terms of treatment, MFCs showed high COD and BOD removal with values above 90%, but only the MFC-TCI had a low COD and BOD perfomance with 62% for COD and 46% for BOD. In terms of, the nitrogen and phosphorus removal, the MFC-TB had the best performance with 85% and 92%, respectively, but the MFC-THA also presented significant values for nitrogen and phosphorus as 43% and 95%, respectively. Acute toxicity studies were applied for MFCs TB, CA and THA, in which non acute toxic effect was exhibited in dairy wastewater treated. The chronic toxicity assays were tested only to MFC-THA, which revealed chronic effect for treated effluent concentration in 40%. MFCs also showed high efficiency for nitrate and sulfate removal. Hybrid upflow MFC demonstrated exceptional results that should be explored at larger scalar, in this case electrochemical impedance spectroscopy also showed changes in the anode caused by the exchange of external resistance that is associated with high performance.