Este trabalho apresenta um estudo sobre tratamento concomitante de esgoto sanitário sintético e dessalinização de água do mar utilizando uma célula microbiana de dessalinização (MDC). O principal objetivo foi avaliar a remoção de matéria carbonácea e nitrogenada de um efluente sintético produzido para simular um esgoto doméstico em uma MDC com biocátodo aerado. A bioeletricidade gerada pelo sistema foi utilizada in situ para realizar a dessalinização parcial da água do mar. Para investigar o ponto ótimo de operação para o tratamento biológico e a dessalinização, algumas condições operacionais foram investigadas: tempo de retenção hidráulica (TRH), aeração intermitente do sistema e recirculação da água do mar. O sistema MDC foi capaz de reduzir em 19,1% a condutividade da água do mar com TRH de 7 dias. Além disso, a MDC reduziu a demanda química de oxigênio (DQO) do efluente em 89,2% da carga inicial, removeu 60,9% de nitrogênio total e desenvolveu o sistema de nitrificação e desnitrificação simultânea no biocátodo. Assim, o sistema MDC operando com biocátodo aerado demonstrou ser uma técnica promissora para a dessalinização parcial da água do mar a partir da utilização da bioeletricidade gerada no tratamento biológico de esgoto sintético com remoção de matéria carbonácea e nitrogenada.