تم تطوير نظام الهضم اللاهوائي المعزز بيوكهروكيميائيا مستمرا (BEAD) لمعالجة مياه الصرف في مصانع الجعة، مما أظهر تحسنا في إزالة الطلب الكيميائي على الأكسجين، وتحلل الأحماض الدهنية المتطايرة، وإنتاج الميثان، وكفاءة الطاقة مقارنة بالهضم اللاهوائي التقليدي تحت التشغيل بدرجة حرارة محيطة.
مقالة بحثية
تحسين الهضم اللاهوائي لمياه صرف مصنع الجعة بدرجة حرارة محيطة بيوكهروكيميائية: الأداء، إنتاج الميثان، وكفاءة الطاقة
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
برز الهضم اللاهوائي المعزز بيوكهروكيميائيا (BEAD) كنهج واعد لتحسين إنتاج الميثان واستقرار العمليات أثناء معالجة مياه الصرف الصناعي عالية القوة. في هذه الدراسة، تم تشغيل مفاعل BEAD التدفق المستمر لمدة 365 يوما لتقييم أدائه في معالجة مياه صرف الصرف الحقيقية في مصنع الجعة عند درجة حرارة محيطة (22–24 درجة مئوية). تمت دراسة تأثير معدل التحميل العضوي (OLR؛ 1–7 جرام sCOD/L∙d)، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT)، والجهد المطبق (1.2 فولت) على إزالة المادة العضوية، وتحلل الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA)، وإنتاج الميثان، وكفاءة الطاقة بشكل منهجي ومقارنتها مع الهضم اللاهوائي التقليدي (AD). حقق نظام BEAD كفاءة عالية في إزالة الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) (>92٪) عند OLRs تصل إلى 5 جرام sCOD/L∙d، وأظهر تحللا متفوقا في VFAs المعقدة، خصوصا الأحماض البروبيونية والبوتيريك. زاد إنتاج الميثان مع زيادة OLR، ليصل إلى حد أقصى 0.35 LCH₄/g scodعند إزالة OLR 7 جرام sCOD/L∙d. مقارنة ب AD، زاد BEAD إنتاج الميثان بنسبة 16–30٪ عند مستويات OLR أعلى مع الحفاظ على جودة الغاز الحيوي المستقرة (≈74–75٪ CH₄). على الرغم من أن تقصير العلاج الهرموني عند مستويات OLR العالية قلل من الأداء العام، إلا أن BEAD كان متفوقا باستمرار على AD. أظهر النظام كفاءة عالية في الطاقة (~1000٪)، مما يشير إلى أنه يمكن أن يكون مرشحا قويا وعالي كفاءة الطاقة لمعالجة مياه الصرف الصحي في مصانع الجعة في المناطق الباردة.
المقدمة
لا يزال تلوث المياه مصدر قلق عالمي كبير، حيث يضر بصحة الإنسان ويعطل النظم البيئية. تحتل صناعة الجعة من أكبر مولدات مياه الصرف الصناعية، حيث تنتج من 3 إلى 10 لترات من مياه الصرف لكل لتر من البيرة 1,2. أدى الاستهلاك العالمي للبيرة إلى إنتاج 188 مم3 من البيرة في عام 2023، لتحتل المرتبة الخامسة كأكثر المشروبات استهلاكا على مستوى العالم 3,4. البيرة أيضا مشروب شائع في كندا، كما يتضح من زيادة عدد مصانع الجعة من 1,120 في عام 2019 إلى 1,210 في عام 2020.
تدير مصانع الجعة بشكل أساسي مياه الصرف الصحي الخاصة بها عن طريق تصريبها في أنظمة الصرف الصحي البلدية، إما مباشرة أو بعد المعالجة المسبقة. ومع ذلك، غالبا ما تواجه محطات معالجة مياه الصرف التقليدية (WWTPs) صعوبات مع مياه الصرف الصناعية عالية القوة، مما يؤدي إلى حدود تنظيمية في العديد من الدول 2,6,7. في كثير من الحالات، قد تفرض الحكومات البلدية رسوما إضافية على المخلفات عالية القوة لمنع مثل هذه التصريفات، مما قد يؤدي إلى زيادة التكاليف التشغيلية لمصانع الجعة8. لذلك، يجب على مصانع الجعة اتخاذ تدابير لإدارة مياه الصرف الصحي بشكل أكثر فعالية وبتكلفة أقل. تركيب أنظمة معالجة في الموقع لا تقلل فقط من أحمال الملوثات، بل تستفيد أيضا من الطاقة من المركبات العضوية في مياه صرف مصنع الجعةيوفر بديلا عمليا.
يمكن للعمليات اللاهوائية معالجة مياه الصرف عالية القوة ذات استهلاك منخفض للطاقة بفعالية مع تحويل النفايات إلى غاز حيوي، والذي يمكن تحويله بعد ذلك إلى كهرباء أو غاز متجددأو طاقة حرارية. الهضم اللاهوائي (AD) هو عملية نقل إلكترونيات غير مباشرة بين الأنواع (IIET) حيث ينقل الوسطاء الإلكترونات بين البكتيريا الحمضية والأرثائم الميثانوجينية عبر تفاعلات إنزيمية معقدة11. ومع ذلك، تواجه هذه التفاعلات قيودا حرارية تمنع النقل الكامل للإلكترونات من الركائز الأولية إلى الميثان، مما يؤدي إلى خسائر ملحوظة للإلكترونات وانخفاضإنتاج الميثان. يتأثر استقرار AD بآليات نقل الإلكترون هذه، وغالبا ما تؤدي الاضطرابات إلى تراكم الوسطاء مثل الهيدروجين أو الأحماض الدهنية المتطايرة (VFAs). يعد الخلل بين البكتيريا المسببة للحموضة والميثانوجينات عاملا رئيسيا يساهم في هذا التراكم. معدلات التحميل العضوي المرتفعة (OLRs) في مياه صرف مصنع الجعة يمكن أن تزيد من هذا الخلل، متجاوزة قدرة الميثانوجينات على استخدام VFAs المنتجة13.
يستخدم الهضم اللاهوائي المعزز بيوكهروكيميائيا (BEAD) نقل إلكترونيات مباشرة بين الأنواع (DIET) لنقل الإلكترونات مباشرة من الركائز العضوية إلى الميثان، متجاوزا IIET الأبطأ والأقل كفاءة في AD التقليدي. في نظام DIET، تنتقل الإلكترونات مباشرة بين الأنواع الميكروبية عبر السيتوكرومات أو البوقليات الموصلة أو التجمعات متعددة الأنواع دون الحاجة إلى مكوك إلكترونات وسيط12. تستخدم أنظمة BEAD التيارات الكهربائية الخارجية لتعزيز تحلل VFAs قصيرة السلسلة مثل البيوتيرات والبروبيونات، مما يجعل العملية أكثر استقرارا من النماذج التقليديةAD 14,15,16. بالإضافة إلى ذلك، تعزز أنظمة BEAD التفاعلات الميكروبية التركيبية الكيميائية، مما يسرع إنتاج الميثان نتيجة تحسينات التحليل العام ل VFA17. أظهرت الدراسات أن BEAD يمكن أن يعزز إنتاجية الميثان مقارنة ب AD التقليدي بسبب مسارات الميثان الإضافية، مثل امتصاص الإلكترونات مباشرة من الأقطاب الكهربائية (الإلكتروميثانيسيس) 18,19.
الأبحاث حول مياه صرف مصانع الجعة في BEAD محدودة، حيث تجرى معظم الدراسات في درجات حرارة متوسطة (30–35 درجة مئوية) أو باستخدام مياه الصرف الصناعي20، 21، 22، 23، 24، 25. بينما تعتبر الظروف الميزوفيلية مثالية لمختلف الكائنات الدقيقة، فإن تحسين نظام BEAD في درجة حرارة الغرفة (22–24 درجة مئوية) أمر بالغ الأهمية للتطبيقات العملية، خاصة في المناطق الباردة مثل كندا. علاوة على ذلك، يوفر استخدام مياه صرف الصرف الحقيقية في مصنع الجعة تمثيلا أكثر دقة للتحديات الموجودة في السيناريوهات الواقعية. تهدف هذه الدراسة إلى سد الفجوات الرئيسية من خلال تقييم المعايير الحيوية للمعالجة وإنتاج الميثان من مياه صرف الصرف الحقيقية في مصنع الجعة في مفاعل BEAD في درجة حرارة الغرفة.
معدل التحميل العضوي (OLR) هو معيار تشغيلي مهم في أنظمة BEAD، ويعكس قدرة النظام على معالجة المركبات العضوية بفعالية. ارتفاع OLR قد يؤدي إلى تراكم مفرط للحمض، مما قد يعيق تكوين الميثانيس. لذلك، من الضروري إدارة OLR لتحقيق كفاءة علاج مثلى وإنتاج الميثان26,27. بحث الباحثون بشكل رئيسي في تأثير OLR على أداء BEAD باستخدام خليط صناعي من الأحماض العضوية 28,29,30,31، الحمأة المنشطة بالنفايات (WAS)26، بقايا نبات الطماطم32، نفايات الطعام33، وخليط نفايات34. معظم الدراسات حول BEAD مع مياه صرف المصانع استخدمت معدلات OLR منخفضة، ودراسة واحدة فقط قيمت تأثير OLRs المختلفة على كفاءة معالجة مياه صرف المصانع. أفاد بان وآخرون أن إنتاج الميثان زاد تدريجيا مع OLR، ليصل إلى 5.64 لتر/لتر يوميا عند OLR 20 جرام COD/L∙d، متفوقا على AD التقليدي في ظروف الميزوفيلية (35 °م). بالإضافة إلى ذلك، بينما انخفض أداء AD عند مستويات OLR المرتفعة، ظل نظام BEAD مستقرا حتى عند معدلات OLR الأعلى. حسب علمنا، لم تستكشف أي دراسة تأثير OLR على أداء BEAD باستخدام مياه صرف حقيقية في مصنع الجعة في درجة حرارة الغرفة. لذلك، تهدف هذه الدراسة إلى دراسة كيف تؤثر OLRs المختلفة على تحلل مياه الصرف الحقيقي في مصانع الجعة وإنتاج الميثان اللاحق في درجة حرارة الغرفة.
الجهد المطبق هو معامل تشغيلي مهم آخر في أنظمة BEAD. يعزز الجهد المطبق نمو الميثانوجينات الهيدروجينوتروفية، مما يزيد من استقرار العملية. علاوة على ذلك، يؤثر الجهد المزود على إنتاج الميثان وكذلك المقاومة الداخلية داخل النظام35، 36، 37. عدد محدود فقط من الدراسات استكشفت كيف يؤثر غياب أو وجود الجهد على أداء BEAD مع مياه صرف مصانع الجعة 20,21,25. على سبيل المثال، اختبر قو وآخرون ثلاثة مفاعلات BEAD بنسب متفاوتة بين الكاثود والأنود 1، 2.5، و4 سم2/سم3 عند 35 درجة مئوية باستخدام مياه صرف صناعي في مصنع الجعة، ووجدوا أن إعداد الدائرة المغلقة (0.9 فولت) زاد من إنتاج الميثان بنسبة 42٪، 121٪، و61٪ على التوالي، مقارنة بالدائرة المفتوحة (0 فولت). ومع ذلك، لا تزال الأبحاث التي تستخدم مياه صرف حقيقية في مصانع الجعة في درجة حرارة الغرفة محدودة، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق.
كان الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو دراسة جدوى وأداء نظام هضم لاهوائي معزز بيوكهروكيميائيا (BEAD) لمعالجة مياه الصرف الحقيقية في مصنع الجعة عند درجة حرارة الغرفة (22–24 درجة مئوية). مقارنة بالدراسات السابقة ل BEAD التي أجريت أساسا في ظروف الميزوفيل، تركز هذه الدراسة على التشغيل طويل الأمد ل BEAD في درجة الحرارة المحيطة، وهو أمر ذو أهمية هندسية خاصة لأنه يتجنب الحاجة إلى تسخين المفاعل المستمر ويقلل من الطلب على الطاقة. على وجه التحديد، قيمت الدراسة تأثيرات معدلات التحميل العضوية المختلفة (OLRs) وتأثير الجهد المطبق على تدهور مياه الصرف الصحي، واستقرار العملية، وإنتاج الميثان. من خلال تشغيل مفاعل BEAD في ظروف مضبوطة، هدفت هذه الدراسة إلى تحديد المعايير التشغيلية المثلى التي تعزز تحلل الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) وعائد الميثان مع الحفاظ على استقرار النظام. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى عملية حول تطبيق تقنية BEAD لمعالجة مياه الصرف الصحي في مصانع الجعة في الموقع.
البروتوكول
لم تكن هذه الدراسة مطلوبة للحصول على موافقة أخلاقية لأنها لم تشمل مشاركين بشريين أو من الحيوانات. تم جمع ومعالجة عينات مياه الصرف الصحي والحمأة وفقا لبروتوكولات السلامة المختبرية القياسية.
العلاف والتلقيح
في البداية، استخدم أسيتات الصوديوم كمصدر كربون مكمل لبدء النشاط الميكروبي في المفاعلات. بعد تشغيل المفاعل، تم إدخال مياه الصرف الحقيقية في مصنع الجعة التي تم الحصول عليها من شركة دومينيون سيتي للبيرة في أوتاوا تدريجيا، مع استبدال أسيتات الصوديوم تدريجيا (حوالي 5 أيام). تفاوتت خصائص عينات مياه الصرف الصحي في مصنع الجعة (الجدول 1) مع كل دفعة (17 دفعة إجمالا)، مما سمح بتقييم قدرة النظام على التكيف مع الظروف الواقعية. في دومينيون سيتي، يتم فصل المواد الصلبة مثل القفزات والخميرة قبل جمع مياه الصرف الصحي في خزانين نهائيين. تم أخذ عينات دفعة من هذه الخزانات، ونقلت إلى المختبر، وتم طردها المركزي عند حرارة 12,000 × جرام تحت درجة حرارة الغرفة (22 درجة مئوية) لإزالة المواد الصلبة المتبقية. كان الفائق الناتج يخزن عند 4 درجات مئوية حتى الاستخدام. كان اللقاح عبارة عن طين مهضم لاهوائي متوسط، تم جمعه من مركز روبرت أو. بيكارد البيئي (ROPEC) في أوتاوا. قبل إدخاله، كان الحمأة تتكيف مع مياه صرف مصنع الجعة الطرد المركزي في زجاجات زجاجية بسعة 500 مل لمدة 14 يوما عند 480 × جرام تحت درجة حرارة الغرفة (22 درجة مئوية).
تكوين المفاعل
استخدمت هذه الدراسة مفاعل BEAD ذو حجرة واحدة صاعد مصنوع من زجاج أسطواني (ارتفاع 435 مم، قطر 54 مم)، بحجم إجمالي 1 لتر وحجم عمل فعال 0.65 لتر. تم تغذية التأثير إلى المفاعل باستخدام مضخة بريستالية والتحكم فيه بواسطة مؤقت رقمي للتحكم في معدل التغذية. لتعزيز الخلط ونقل كتلة الغاز والسائل، تم ربط حلقة إعادة تدوير بين الجزء العلوي والسفلي من المفاعل (الشكل 1A)، مع الحفاظ على 70 مل/دقيقة باستخدام مضخة بيريستالتية ثانية. تكونت الأقطاب الكهربائية من مربعات لباد كربونية مكدسة بقطر 25 مم × 25 مم، بارتفاع إجمالي يبلغ 130 مم (الشكل 1B,C). تم وضع فاصل جيوتكستسايتي غير موصل بسماكة 3 مم مع ثقوب بقطر 2 مم بين الأنود والكاثود لمنع التلامس، مما أدى إلى تباعد بين الأقطاب 3 مم. تم وضع الأنود فوق الكاثود لمنع غاز الهيدروجين من الهروب إلى كيس الغاز، نظرا لانخفاض ذوبانية الهيدروجين في الماء. تم إدخال سلك تيتانيوم بسماكة 1 مم مطلية بأكسيد المعادن المختلط من الإيريديوم (Ir-MMO) في اللباد الكربوني وخدم كمجمع تيار لكلا القطبين. كانت المجمعات الحالية متصلة ببوتنشيستات (AUTM101. S، متروهم، سويسرا)، والتي استخدمت لتطبيق والحفاظ على جهد متحكم فيه عبر الأقطاب الكهربائية ومراقبة الاستجابة الكهروكيميائية للنظام بشكل مستمر. تم الحفاظ على جهد مطبق يبلغ 1.2 فولت بين الأنود والكاثود طوال فترة تشغيل المفاعل. كان لمفاعل AD، المستخدم كمجموعة ضابطة في هذه الدراسة، نفس تكوين مفاعل BEAD لكنه تم تشغيله دون جهد مطبق.
تصميم التجارب والإجراءات
أجريت الدراسة على مدى 365 يوما، شملت 17 مرحلة تشغيلية (10–20 يوما لكل مرحلة) عبر ثلاث مراحل رئيسية، كل مرحلة تقيم أداء مفاعل BEAD تحت ظروف تشغيلية مختلفة. قبل جمع البيانات، كانت كل مرحلة تعمل حتى يتم تحقيق ظروف مستقرة. مكنت هذه المدة الممتدة من تقييم أداء واستقرار BEAD على المدى الطويل، على عكس الدراسات النموذجية قصيرة المدى أو الدراسات الدفعية. أدى استخدام دفعات متعددة من مياه صرف المصانع الحقيقية إلى إدخال تباين تركيبي؛ ومع ذلك، تم تقييم أداء المفاعل تحت ظروف الحالة المستقرة داخل كل مرحلة، لضمان أن النتائج المبلغ عنها تعكس سلوك النظام المستقر وليس التقلبات قصيرة المدى.
مراحل بدء التشغيل: بدء تشغيل المفاعل (تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة)
تم تلقيح مفاعل BEAD بكمية 350–400 مل من الحمأة اللاهوائية المتوافقة مسبقا. في البداية كان النظام يعمل في وضع الدفعة مع أسيتات الصوديوم وجهد مطبق 1.2 فولت، وحافظ على معدل هرموني عالي لمدة 16 يوما لدعم نمو الكائنات الدقيقة النشطة كهربائيا مع تقليل تدفق الكتلة الحيوية. بعد أسبوعين، انتقل المفاعل إلى التشغيل بتدفق مستمر، باستخدام أسيتات الصوديوم عند ضغط OLR يبلغ 2 جرام sCOD/L∙d مع معدل تدفق يومي بين 120–130 مل، مما أدى إلى HRT لمدة 5 أيام. وبمجرد استقرارها، تم استبدال التغذية تدريجيا بمياه صرف مصنع الجعة: أولا عند 70٪/30٪ (الأسيتات/مياه الصرف)، ثم عند 50٪/50٪، وأخيرا عند 80٪/20٪ قبل أن يصل إلى 100٪ من مياه صرف مصنع الجعة (الجدول 2). كما قيمت هذه المرحلة تأثير نسب VFA/sCOD المختلفة المؤثرة على أداء BEAD، حيث أن أسيتات الصوديوم لها تركيبة VFA أبسط من VFAs الأكثر تعقيدا في مياه صرف المصانع، والتي تؤثر على النشاط الميكروبي وإنتاج الميثان. تمت مناقشة نتائج هذه المرحلة في الملف التكميلي 1 (الأشكال التكميلية 1–5 والجدول التكميلي 1) 12، 38، 39، 40، 41، 42.
عندما تم تحويل التغذية إلى 100٪ من مياه صرف المصانع عند معدل OLR يبلغ 2 جرام sCOD/L∙d، انخفض إنتاج الميثان مقارنة بالأعلاف التي تحتوي فقط على الأسيتات. أكدت اختبارات التثبيط، الملف التكميلي 1 (الجدول التكميلي 2)، أن التثبيط الناتج عن مياه صرف مصنع الجعة لم يكن المشكلة الأساسية. لذا، تم زيادة OLR لتحفيز النشاط الميكروبي مع توفر أكبر للركيزة. تم إجراء اختبارات استعادة المفاعل والتثبيط خلال فترة ثلاثة أشهر بين المرحلتين 5 و6. خلال هذه الفترة، كان المفاعل يعمل باستمرار تحت ظروف محكمة باستخدام مياه صرف الصرف الخاصة بمصنع الجعة، بينما أجريت تجارب إضافية لتقييم المركبات المثبطة المحتملة، بما في ذلك نيتروجين الأمونيا الكلي (TAN)، والكبريتات، والكبريتيد، وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، وحمض البيراستيك (PAA). أكدت النتائج أن أيا من هذه المركبات لم يكن موجودا بتركيزات مثبطة. تم الحفاظ على المفاعل في ظروف تشغيل مستقرة حتى تم استعادة الأداء المستقر، كما يتضح من الإنتاج المستمر للميثان، وإزالة COD، وتدهور VFA. استؤنفت المراحل التجريبية اللاحقة فقط بعد التأكد من استقرار أداء المفاعل وأنه قابل للمقارنة مع ظروف ما قبل الفجوة. تم حذف بيانات هذه الفترة من الاسترداد والاختبار من التحليل لضمان الاتساق عبر المراحل التشغيلية المحددة.
المرحلة الأولى: تأثير OLR
في هذه المرحلة، تم تغذية مفاعل BEAD حصريا بمياه صرف الصرف الصحي في مصنع الجعة لاستكشاف تأثير تغيرات OLRs (1–7 جرام sCOD/L∙d) تحت جهد مطبق يبلغ 1.2 فولت (الجدول 2). أدى التفاوت في مستويات COD في مياه صرف الجعة إلى تقلبات في التعويض التعويضي، خاصة عند أعلى معدل OLR (7* جرام sCOD/L∙d)، حيث أجريت التجارب تحت تجربتين هرمونيتين كل منهما 2 و4 أيام (* تشير إلى HRT مختلف عند نفس OLR 7 جرام sCOD/L∙d؛ 7 جرام sCOD/L∙d هو HRT في 3–4 أيام، 7 نجوم sCOD/L∙d هو العلاج الهرموني بعد يومين). وقد أتاح ذلك تقييم كيفية تأثير العلاج الهرموني على إنتاج الميثان، وتدهور الركيزة، والكفاءة العامة للعملية.
المرحلة 2: تأثير الإمكانات المطبقة
قيمت هذه المرحلة تأثير وجود أو غياب الجهد المطبق (1.2 فولت) على أداء المفاعل وإنتاج الميثان باستخدام مياه صرف الصرف في مصانع الجعة. تم اختبار مفاعل التحكم بدون جهد مطبق (AD) ومفاعل BEAD عند OLRs بمقدار 2، 3، 5، و7 g sCOD/L∙d. تم تشغيل وحدة التحكم AD كمفاعل منفصل بنفس تكوين مفاعل BEAD، ولكن بدون جهد مطبق. تم تشغيل كلا المفاعلين بالتوازي تحت ظروف مماثلة. علاوة على ذلك، عند OLR 7* g sCOD/L∙d، تم تقليل HRT من 4 أيام إلى يومين، مما سمح بالتحقيق في تأثير الجهد المطبق تحت HRT أقصر (الجدول 2).
الطرق التحليلية
تم قياس المواد الصلبة الكلية (TS) والمواد الصلبة المتطايرة (VS) باستخدام الطريقة القياسية 168443. تم تحليل COD القابل للذوبان (sCOD) باستخدام الطريقة القياسية44 باستخدام أنابيب الكواشف. قبل التحليل، تم ترشيح العينات باستخدام مرشح فراغ مزود بغشاء بحجم مسام 0.45 ميكرومتر. تم تحديد تركيز الأمونيا باستخدام مجموعة كاشفالأمونيا 45. تم قياس الكبريتات باستخدام مجموعة كاشف الكبريتات46. تم تحليل الكبريتيد باستخدام مجموعة كاشف الكبريتيد47. تم إجراء جميع تحليلات HACH باستخدام مقياس الطيف الضوئي. تم قياس بيروكسيد الهيدروجين وحمض البيراسيتيك باستخدام مجموعة اختبار حمض البيراسيتيك باستخدام زجاجة القذارة. تم جمع الغاز الحيوي في كيس جمع الغاز، وتم قياس حجمه يوميا باستخدام حقنة محكمة الإغلاق للغاز، مع إجراء جميع القياسات على شكل ثلاث نسخ. تم تحليل تركيبة الغاز الحيوي باستخدام كروماتوغرافيا للغاز الدقيق (GC)، مع الأرجون كغاز حامل، وكاشف TCD، ودرجة حرارة حقن تبلغ 110 درجات مئوية. تم قياس أحجام الغاز الحيوي مباشرة من أكياس جمع الغاز ويتم الإبلاغ عنها كقيم مقاسة تحت ظروف مختبرية متسقة. يتم الإبلاغ عن كميات الغاز على أساس رطب. أجريت جميع قياسات الغاز تحت ظروف ضغط جوية قريبة، وتم الحفاظ على وصلات محكمة الإغلاق لتقليل تسرب الغاز. تم فحص النظام بانتظام لضمان سلامة الختم طوال فترة التجربة.
تم قياس VFAs، بما في ذلك الأسيتات والبروبيونات والبيوتيرات، باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) بطول موجة امتصاص 210 نانومتر. تكونت المراحل المتحركة من 100٪ أسيتونونتريل وحمض الميثانيسولفونيك بمقدار 2.5 ملليمولار، وتم إجراء التحليل باستخدام عمود (5 ميكرومتر، 4 مم × 150 مم) عند 30 درجة مئوية مع معدل تدفق ثابت 1 مل/دقيقة للطور المتحرك. تم مراقبة درجة الحموضة ودرجة حرارة المفاعل باستمرار باستخدام جهاز قياس (meter). خلال تشغيل المفاعل، تم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني ضمن نطاق نموذجي يتراوح بين 6.5–7.5، مما يدل على ظروف تشغيل مستقرة. تم تسجيل الجيل الحالي كل 5 دقائق باستخدام بوتنشيوستات، تحت جهد ثابت مطبق يبلغ 1.2 فولت.
الحسابات
تم تحديد كفاءة ومعدل إزالة COD باستخدام المعادلات التالية:
المعادلة 1
المعادلة 2
تم حساب معدل التغذية الزائد باستخدام المعادلة 3، كما هو موضح أدناه، حيث يعبر عن معدل التغذية باللتر في اليوم (L/d) وحجم المفاعل باللتر.
المعادلة 3
تم استخدام المعادلات التالية لحساب عائد الميثان المحدد بناء على إزالة COD (إزالة LCH4/g sCOD)، وإضافة COD (LCH4/g sCODمضاف):
المعادلة 4
المعادلة 5
حيث هو حجم الميثان المنتج يوميا (LCH4/d) و و هما مقدار sCODالذي تم إزالته يوميا (g sCODتمت إزالته/يوم) وsCOD الداخل إلى المفاعل يوميا (g sCODمضاف/يوم)، على التوالي.
تم حساب كثافة التيار عن طريق تطبيع التيار المقاس (I) بالأمبير (A) إلى حجم العمل للمفاعل (V)، معبرا عنه بالأمتار المكعبة (متر3). يتم الإبلاغ عن كثافة التيار بوحدة A/m3 ويتم وصفها بالمعادلة التالية:
المعادلة 6
تم حساب كفاءة كولومبيك (CE) لتقييم كفاءة استعادة الإلكتروناتكتيار من COD تم إزالته. تعرف بأنها نسبة إجمالي الشحنة (بالكولومب) المسترجعة كتيار (QC) إلى الشحنة النظرية التي يمكن استعادتها بناء على COD التي تم إزالتها (QT). تم تحديد إجمالي الشحنة المستخرجة (QC) عن طريق دمج التيار المقاس مع مرور الوقت:
Qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t معادلة 7
حيث هو التيار المقياس (A) في كل فترة زمنية، وΔt هو الفترة المسجلة.
تم حساب الشحنة النظرية (QT) بناء على إزالة COD، بافتراض أن 1 مول من الإلكترونات يتم نقله لكل 8 جرام من CODبعد إزالته، وفقا لقانون فاراداي:
المعادلة 8
حيث F هو ثابت فاراداي (96,485 C/mol e⁻)، ويعبر عنه بالجرام.
وهكذا، تم حساب CE كالتالي:
المعادلة 9
كفاءة الطاقة (ηE)، المعرفة هنا بأنها كفاءة تحويل الطاقة من الكهرباء إلى الميثان، تستخدم لتقييم فعالية تحويل المدخلات الكهربائية إلى إنتاج إضافي للميثان في نظام BEAD. يعرف بأنه نسبة الطاقة المنتجة على شكل الميثان إلى الطاقة التي يستهلكها النظام للحفاظ على العمليات الكهروكيميائية. يجدر بالذكر أن كفاءة الطاقة المبلغ عنها تمثل توازنا جزئيا للطاقة يركز على المدخلات الكهربائية، ولا تأخذ في الاعتبار متطلبات الطاقة التشغيلية الأخرى (مثل الضخ وإعادة التدوير). لذلك، لا ينبغي تفسيره على أنه كفاءة الطاقة العامة للنظام. تم حساب كفاءة الطاقة باستخدام الصيغة التالية:
المعادلة 10
ΔWCH4 = ΔVCH4 × LHV معادلة 11
WE = I × E × ∆t معادلة 12
حيث:
يمثل ΔWCH4 الطاقة المستخرجة في BEAD، وهي الفرق في الطاقة الناتجة عن الميثان بين مفاعل BEAD ومفاعل التحكم AD، ويقاس بالواط-ساعة (Wh).
تشير الفصل الرابع ΔV إلى الفرق في حجم الميثان الناتج بين مفاعل BEAD ومفاعل التحكم AD، ويعبر عنه باللتر (L).
LHV هو القيمة الساخنة الأدنى للميثان، حوالي 9.6 واط ساعة/لتر.
WE هي كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة عند توفير الجهد المطبق، تقاس بالواط-ساعة (Wh)، وE هو الجهد بالفولت (V)، وΔt هو زمن الفاصل (24 ساعة).
التحليل الإحصائي
تم تحليل البيانات التي جمعت من التجارب إحصائيا باستخدام تحليل التباينات (ANOVA) لتقييم أهمية المعلمات التشغيلية مثل OLR، والجهد التطبيقي، والHRT على مؤشرات الأداء الرئيسية، بما في ذلك عائد الميثان، وإزالة COD، وتدهور VFA. تم تعريف نقاط البيانات المستقرة بأنها قياسات متتالية تم الحصول عليها تحت ظروف الحالة المستقرة، حيث أظهرت المعلمات الرئيسية تباينات أقل من ±5٪ مع مرور الوقت. تم اختيار ثلاث نقاط بيانات مستقرة من كل طور، تمثل قياسات تسلسلية من نفس المفاعل تحت ظروف الحالة المستقرة، وتم حسابها متوسطا لتمثيل تلك المرحلة. يجدر بالذكر أن كل مرحلة شملت عدة دفعات من مياه صرف الصرف الحقيقية في مصانع الجعة بخصائص مختلفة (مثل تركيب sCOD وVFA). تم دمج هذه التغيرات بشكل جوهري في التحليل القائم على الطور، مما يسمح بتقييم قابلية النظام للتكيف في ظروف واقعية. تم استخدام الانحراف المعياري كشريط خطأ في الأرقام ليعكس التغير. تم إجراء جميع التحليلات الإحصائية باستخدام جدول بيانات. تم اعتماد مستوى دلالة إحصائية بنسبة 95٪، مما يشير إلى أن النتائج التي يكون فيها قيمة p أقل من 0.05 تعتبر ذات دلالة إحصائية (p < 0.05).
النتائج
تأثير معدل التحميل العضوي (OLR) على أداء BEAD - المرحلة الأولى:
تأثير OLR على أداء إزالة COD
كما هو موضح في الشكل 2 ومفصل في الجدول 3، حافظ نظام BEAD على كفاءة عالية في إزالة COD حتى عند مستويات OLR عالية، محققا 92.7 ± 0.6٪ إزالة عند OLR مرتفع يبلغ 5 جرام sCOD/L∙d. ويظهر هذا الأداء بشكل خاص عند مقارنته بدراسات BEAD الأخرى التي أجريت في ظروف محكمة ومعدلات OLR أقل. على سبيل المثال، عند OLRs بمقدار 1 و2 جرام sCOD/L∙d، حقق المفاعل كفاءة إزالة COD بلغت 96.2٪، متفوقا على نتائج Sangeetha وآخرون 24 وGuo وآخرون 21، الذين أبلغوا عن أقصى إزالة من COD بلغت 90٪ و80٪ على التوالي، عند 30–35 درجة مئوية باستخدام مياه الصرف الصناعي في مصانع الجعة.
أدت الانخفاض في العلاج الهرموني عند مستويات OLR أعلى إلى انخفاض متناظر في كفاءة إزالة COD. مع انخفاض العلاج الهرموني من 5.2 ± 0.1 يوم عند OLR 5 جرام sCOD/L∙d إلى 4.4 ± 0.3 و3.7 ± 0.1 يوم عند OLRs 6 و7 جرام sCOD/L∙d على التوالي، انخفضت كفاءة إزالة COD بشكل ملحوظ إلى 85.1 ± 1.7٪ و79.2 ± 0.8٪ (p < 0.05). انخفاض إضافي في العلاج الهرموني إلى 2.1 ± 0.2 يوم عند معدل OLR 7 نجوم sCOD/L∙d خفض إزالة COD إلى 64.6 ± 2.1٪ (p < 0.05). يشير هذا الاتجاه إلى أن العلاج الهرموني القصير عند OLR مرتفع يمكن أن يؤدي إلى تثبيط الركيزة وفقدان الكتلة الحيوية، مما قد يحد من قدرة نظام BEAD على الحفاظ على التحسينات الكهروكيميائية الحيوية، التي قد تكون مرتبطة بالنظام الغذائي، والتي تعتبر مهمة لتحلل COD بكفاءة48. تتوافق هذه النتائج مع نتائج سانجيثا وآخرون، الذين لاحظوا انخفاضا في إزالة COD في مياه الصرف الصناعي التي تعالج BEAD عندما تم تقليل العلاج الهرموني من 36 إلى 12 ساعة مع زيادة OLR من 1.5 إلى 4.4 جرام COD/L∙d. رغم هذه التحديات، أظهر مفاعل BEAD في هذه الدراسة أداء ممتازا عند مستويات OLR عالية مقارنة بأنظمة AD التقليدية. على سبيل المثال، أبلغ Xu وآخرون عن إزالة بنسبة 80٪ من COD عند OLR 7.4 جرام COD/L∙d في ظروف مثالية عند 35 °م، وهي قيمة مماثلة ل 79.2 ± 0.8٪ عند 7 جرام sCOD/L∙d، وتحقق عند درجة حرارة الغرفة (22 °م).
إزالة VFA تحت OLRs المختلفة
كما هو موضح في الشكل 3A، لم تعيق زيادة OLRs قدرة BEAD على تعزيز إزالة VFA، حيث أدار BEAD أحمال VFA مؤثرة أعلى مع الحفاظ على معدلات VFA مستقرة نسبيا. على سبيل المثال، على الرغم من زيادة معدل VFA المؤثر من 1.8 جرام sCOD/L∙d عند OLR قدره 6 إلى 2.9 g sCOD/L∙d عند OLR 7، ظل معدل VFA الصرف مستقرا عند 0.8 جرام sCOD/L∙d. هذا الاستقرار عبر جميع OLRs يظهر فعالية BEAD في تدهور VFAs وقدرته على منع تراكم VFA المسؤول عادة عن انخفاض الحموضة وتثبيط الميكروبات في أنظمة AD التقليدية50,51.
علاوة على ذلك، أظهر النظام قدرة استثنائية على تحلل أحماض VFA الصعبة، وأحماض البروبيونيك والبيوتيريك، التي تعرف بمعدلات تحللها البطيئةفي العمليات اللاهوائية. على سبيل المثال، حقق BEAD إزالة 100٪ من حمض البروبيونيك عند OLRs 5 و7 جرام sCOD/L∙d وتقليل كبير في حمض البوتيريك من 1.2 إلى 0.3 جرام sCOD/L∙d عند OLR مقداره 7 جرام sCOD/L∙d، كما هو موضح في الشكل 3B والجدول 4. تشير النتائج أيضا إلى أن الحفاظ على العلاج الهرموني الأمثل أمر بالغ الأهمية لتحلل VFA الفعال في BEAD، خاصة عند مستويات OLR العالية، حيث يتكثف النشاط الكيميائي الكهروكيميائي. على الرغم من أن النظام أظهر معدلات تدهور عالية في VFA من OLRs التي تبلغ 5 إلى 7 جرام sCOD/L∙d، حتى مع انخفاض العلاج الهرموني من 5.2 ± 0.1 إلى 3.7 ± 0.1 يوما، أدى انخفاض إضافي إلى 2.1 ± 0.0 يوم عند OLR بمقدار 7 جرام sCOD/L∙d إلى انخفاض ملحوظ في الأداء. كان ذلك واضحا في الزيادة المعنوية في معدل VFA الفاضم من 0.8 إلى 2.4 جرام sCOD/L∙d. على وجه الخصوص، ارتفع معدل حمض الخليك الفاضم بشكل حاد من 0.6 إلى 1.8 جرام sCOD/L∙d، وزاد حمض البروبيونيك، الذي أزيلت بالكامل عند OLR 7، إلى 0.4 جرام sCOD/L∙d. تأثر إزالة حمض البوتيريك أيضا، وإن كان بدرجة أقل.
أداء إنتاج الفصلالرابع :
عائد الفصل4 (بناء على إزالة COD) والإنتاج الحجمي CH4
زادت معدلات OLR الأعلى بشكل كبير من إنتاج وحجم الميثان في BEAD، مما يشير إلى فوائد زيادة توفر الركيزة لإنتاج الميثان مع تجنب التحميل الزائد للنظام. كما هو موضح في الشكل 4A، بلغ عائد الميثان (بناء على إزالة COD) ذروته عند 0.35 ± 0.01 LCH4/g sCODRemoved (أقصى عائد نظري) عند OLR يبلغ 7 جرام sCOD/L∙d. مثل هذا العائد زيادة ذات دلالة إحصائية (p < 0.05) بنسبة 10–400٪ مقارنة بمعدلات OLR المنخفضة. كما تبع حجم الميثان هذا الاتجاه، حيث وصل إلى 1.93 ± 0.04 لتر/لتر يوميا عند OLR 7 جرام sCOD/L∙d، مما يشير إلى زيادات تتراوح بين 18–2657٪ مقارنة بمعدلات OLR المنخفضة، كما هو موضح في الجدول 3.
مقارنة بدراسات BEAD الأخرى التي أجريت تحت ظروف مضبوطة، أظهر نظام BEAD في هذه الدراسة إنتاجا متفوقا للميثان باستخدام مياه صرف حقيقية في مصنع الجعة عند درجة حرارة الغرفة (22 درجة مئوية). على سبيل المثال، بينما أبلغ سانجيثا وآخرون عن إنتاج ميثان 0.143 LCH4/جم COD وحجم 0.367 لتر/لتر يوميا عند OLRs بمقدار 1–2 جرام COD/L∙d باستخدام مياه صرف صناعي في مصنع الجعة عند 30 درجة مئوية، حقق نظامنا إنتاجية ميثان أعلى بمقدار 0.21 ± 0.01 LCH4/g sCODبعد إزالة وحجم 0.43 ± 0.03 لتر/لتر يوميا عند OLR 2 جرام sCOD/L∙d. وبالمثل، لاحظ شو وآخرون حجم ميثان 1.16 لتر/لتر يوميا عند OLR 5.8 جرام COD/L∙d و35°C، بينما أنتج نظامنا 1.64 ± 0.05 لتر/لتر∙d عند OLR مماثل يبلغ 6 جرام scod/L∙d. على الرغم من أن إنتاج وحجم الميثان ظلا مستقرا مع انخفاض العلاج الهرموني من 5.2 ± 0.1 إلى 3.7 ± 0.1 يوم بين OLRs 5 و7 جرام sCOD/L∙d، إلا أن الانخفاض الإضافي إلى 2.1 ± 0.2 يوم عند OLR 7* جرام sCOD/L∙d أدى إلى انخفاضات ذات دلالة إحصائية (p < 0.05). انخفض إنتاج الميثان بنسبة 21٪، من 0.35 ± 0.01 إلى 0.28 ± 0.01 LCH4/جم sCODتمت إزالته، وانخفض حجم الميثان بنسبة 36٪، من 1.93 ± 0.04 إلى 1.24 ± 0.02 لتر/لتر يوميا. ترتبط هذه الانخفاض بانخفاض إزالة COD وVFA الذي نوقش سابقا، مما يشير إلى أن العلاج الهرموني القصير يحد من وقت الاتصال بالميكروبات وتحويل المواد العضوية إلى الميثان. لذا، فإن وقت الاحتفاظ الكافي ضروري للحفاظ على كفاءة كيميائية حيوية كهروكيميائية مثلى تحت الحمل العضوي العالي.
عائد الفصل4 بناء على إضافة COD
تحسن إنتاج الميثان المعتمد على COD مع زيادة OLRs لكنه استقر عند مستويات أعلى بسبب قيود العلاج الهرموني. كما هو موضح في الشكل 4B، زاد إنتاج الميثان بشكل ملحوظ (p < 0.05) من 0.07 ± 0.01 لتر LCH4/جم sCODAdd عند OLR 1 g sCOD/L∙d إلى 0.28 ± 0.01 LCH4/g sCODAdded عند 5 جرام sCOD/L∙dd. ومع ذلك، من OLR 5 إلى 7 جرام sCOD/L∙d، استقر العائد حوالي 0.28 LCH4/g sCODAdded، دون فروق ذات دلالة إحصائية (p > 0.05)، مما يشير إلى أن الزيادات الإضافية في توفر الركيزة لم تؤدي إلى كفاءة تحويل أعلى. يعزى هذا الاكتشاف بشكل أساسي إلى انخفاض العلاج الهرموني عند مستويات OLR الأعلى، مما حد من تحويل المركبات العضوية غير VFA إلى الميثان، رغم التحلل الفعال ل VFA. يدعم الجدول 5 هذه الملاحظة، موضحا أن معدلات إزالة هذه المركبات العضوية الأخرى لم تزد بين OLRs 5 و7 جرام sCOD/L∙d، مما أدى إلى زيادة معدلات الخروج في مياه العادم. بالإضافة إلى ذلك، تسبب انخفاض إضافي في العلاج الهرموني عند OLR 7* جرام sCOD/L∙d في انخفاض ملحوظ في إنتاج الميثان، مما يوضح عتبة حرجة لم يتم تجاوزها حتى VFAs بشكل كاف إلى الميثان بسبب وقت الاحتفاظ غير الكافي.
محتوى الفصلالرابع
تحسنت محتوى الميثان في BEAD مع زيادة OLRs، مما استقر عند الأحمال العالية. كما هو موضح في الشكل 4C، بلغ النظام ذروة محتوى الميثان عند 75.0 ± 0.3٪ عند OLR 6 جرام sCOD/L∙d، تلاها 74.3 ± 1.2٪ و74.0 ± 0.8٪ عند OLRs 7 و5 جرام sCOD/L·d على التوالي. ومن الجدير بالذكر أنه لم تلاحظ أي فروق إحصائية (p > 0.05) في محتوى الميثان بين هذه المعدلات المرتفعة OLR، مما يشير إلى جودة غاز حيوي مستقرة عند هذه المعدلات العالية للتحميل. علاوة على ذلك، تفوق النظام على دراسات BEAD الأخرى؛ على سبيل المثال، أبلغ شو وآخرون عن محتوى ميثان بنسبة 62.3٪ عند OLR 5.8 جرام COD/L∙d تحت درجة حرارة محكمة 35°C وباستخدام مياه صرف صناعية، بينما حقق مفاعلنا 75.0 ± 0.3٪ عند OLR 6 جرام sCOD/L∙d باستخدام مياه الصرف الحقيقية في درجة حرارة الغرفة (22 °م).
عند OLR 7* g sCOD/L∙d مع انخفاض HRT بمقدار 2.1 ± 0.2 يوم، انخفض محتوى الميثان قليلا إلى 72.7 ± 0.5٪. ومع ذلك، لم يكن هذا التغير ذا دلالة إحصائية (p > 0.05) مقارنة بمحتوى الميثان عند العلاج الهرموني 3.7 ± 0.1 يوم ونسبة OLR 7 جرام sCOD/L∙d، مما يشير إلى أن النظام حافظ على محتوى فعال للميثان حتى في أوقات الاتصال المنخفضة.
الأداء الكهروكيميائي لنظام BEAD
تحسنت كل من كثافة التيار وCE بشكل ملحوظ مع زيادة OLRs ووصلتا إلى أقصى قيمهما عند OLR تبلغ 6 جرام sCOD/L·d، وبلغت ذروتها عند 13.8 ± 0.3 أمبير/متر3 و1.97 ± 0.04٪ على التوالي. ومع ذلك، أدى زيادة OLR إلى 7 جرام sCOD/L∙d إلى انخفاض كبير في الأداء (p < 0.05)، حيث انخفضت كثافة التيار وCE إلى 6.2 ± 0.1 أمبير/متر3 و0.81 ± 0.01٪ على التوالي، كما هو موضح في الأشكال 5A و B. يشير انخفاض قيم EC إلى أن معظم الإلكترونات موجهة نحو إنتاج الميثان بدلا من استعادتها كتيار كهربائي، وهو ما يتوافق مع الوظيفة الأساسية للنظام كعملية هضم لاهوائية. قد يعزى هذا الانخفاض إلى زيادة التحميل في الركيزة أو اختلالات المغذيات عند مستويات OLR العالية. يمكن أن تؤدي تركيزات الركيزة العالية عند OLRs العالي إلى تكثيف التنافس بين الإكستروجائنات الخارجية والميثانوجينات في الأنود، مما يفضل الميثانوجينات وبالتالي تقليل الجيلالحالي 52. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي توفر المغذيات المحدود عند مستويات OLR العالية إلى تثبيط نمو ونشاط الإلكتروجينات الخارجية، مما يقلل من الإنتاج الحالي53.
مقارنة بأنظمة BEAD الأخرى التي تستخدم مياه الصرف الصناعي في مصانع الجعة، أظهر نظامنا إنتاجا أعلى للتيار عند مستويات OLR أعلى وأداء كهروكيميائي أقل عند مستويات OLR أقل، مما يبرز تأثير تعقيد مياه الصرف. على سبيل المثال، عند كثافة OLR تبلغ 6 جرام sCOD/L∙d، حقق نظامنا كثافة تيار أعلى من تلك التي بلغت فقط 1.41 A/m3كما أبلغ Xu وآخرون عند OLR مماثل يبلغ 5.8 g COD/L∙d عند 35 °C. ومع ذلك، كان أداء BEAD لدينا عند OLR بمقدار 2 جرام sCOD/L∙d، مع كثافة تيار 1.9 ± 0.1 A/m3 وCE 1.58 ± 0.14٪، أقل من 14.3 A/m3و15٪ التي لاحظها Sangeetha وآخرون 24. تسلط هذه النتائج الضوء على أن الركائز الصناعية تعزز استعادة الإلكترونات بسبب تقليل المنافسة الميكروبية، على عكس مياه الصرف الصحي الحقيقية التي تحتوي على مجتمع ميكروبي أكثر تنوعا وتنافسية12,54.
ومن المثير للاهتمام أن الإنتاج الحالي ظل مستقرا رغم تقليص العلاج الهرموني. على وجه التحديد، لم يؤد تقليل العلاج الهرموني من 3.7 ± 0.1 يوم إلى 2.1 ± 0.2 يوم عند معدل OLR يبلغ 7 نجوم من COD/L∙d يوم إلى تغير ذو دلالة إحصائية في الكثافة الحالية (p > 0.05)، والتي بقيت مستقرة عند 6.2 A/m3. يشير هذا الاتساق إلى أن التغيرات في العلاج الهرموني الهرموني لا ترتبط بالضرورة بتغيرات كثافة التيار. هذا الاكتشاف حاسم لأنه يشير إلى أنه رغم انخفاض كفاءة الإزالة العضوية بسبب قصر وقت التلامس بين الكهروجينات الخارجية والركائز، ظل معدل انتقال الإلكترونات إلى الأنود دون تأثر. تتماشى هذه الملاحظة مع نتائج كاستيلانو-هينوخوسا وآخرون 55، الذين أبلغوا أيضا عن كثافة تيار مستقرة رغم الانخفاض الكبير في العلاج الهرموني. وبالمثل، لاحظ سونغ وآخرون 56 عدم وجود تغير في كثافة التيار (بقي عند 233 أمبير/متر3)، رغم أن نسبة التدفق الفاضم ارتفعت بشكل ملحوظ من 439.0 ± 129.8 إلى 749.0 ± 36 ملغ/لتر عندما تم تقليل العلاج الهرموني من 10 إلى 5 أيام. تشير هذه النتائج إلى أن التفاعلات الكيميائية الحيوية الكهروكيميائية، التي قد ترتبط بالنظام الغذائي، قد تظل فعالة في BEAD حتى عندما يتم قصر وقت الاحتفاظ.
تأثير الإمكانات المطبقة على أداء BEAD - المرحلة الثانية:
تأثير الإمكانات المطبقة على إزالة COD
أظهرت النتائج أنه عند معدلات OLR الأعلى، حسن الجهد المطبق في نظام BEAD كفاءة إزالة COD مقارنة بنظام التحكم في AD لكنه كان له تأثير ضئيل عند OLRs أقل، كما هو موضح في الشكل 2 والجدول 3. تحديدا، عند نسبة OLR عالية تبلغ 5 جرام sCOD/L∙d، حقق BEAD كفاءة إزالة COD بنسبة 92.7 ± 0.6٪، وهي أعلى بشكل ملحوظ (p < 0.05) مقارنة ب 85.3 ± 0.6٪ التي لوحظت في مرض الزهايمر. على النقيض من ذلك، عند معدلات OLR منخفضة 2 و3 جرام sCOD/L∙d، لم يكن الفرق ذا دلالة إحصائية (p > 0.05)، حيث حقق كلا النظامين كفاءات عالية متشابهة (96.2 ± 0.1٪ مقابل 96.6 ± 0.3٪ عند 2 جرام sCOD/L∙d و94.1 ± 1.2٪ مقابل 94.7 ± 0.8٪ عند 3 جرام sCOD/L∙d). يتماشى هذا الاتجاه مع نتائج تارتاكوفسكي وآخرين، الذين أبلغوا أيضا عن كفاءة مماثلة في إزالة COD عند معدلات OLR أقل في أنظمة ذات وبدون إمكانيات مطبقة، لكنهم أشاروا إلى أن تطبيق الجهد المحتمل أدى إلى زيادة ملحوظة في إزالة COD عند معدلات OLR أعلى مقارنة بالدهيمر التقليدي. تشير هذه الملاحظات إلى أن الجهد المطبق قد يعزز التفاعلات الميكروبية وعمليات نقل الإلكترونات، والتي قد تكون مرتبطة ب DIET، مما يؤدي إلى تحلل عضوي أكثر فعالية.
عند أعلى معدل OLR وهو 7 نجوم sCOD/L∙d، حيث تم تقليل HRT إلى يومين، كان للجهد المطبق تأثير محدود على كفاءة إزالة COD. حقق BEAD كفاءة إزالة COD بنسبة 64.6 ± 2.1٪، وهو أعلى قليلا من 61.9 ± 1.5٪ لوحظ في مرض الزهايمر، لكن الفرق لم يكن ذا دلالة إحصائية (p > 0.05). يشير هذا إلى أنه بينما قد تظهر معدلات OLR الأعلى الفوائد المحتملة للإمكانات المطبقة في تعزيز إزالة وفاة الموت الهولنكري، فإن انخفاض العلاج الهرموني يحد من قدرة النظام على الاستفادة الكاملة من هذه المزايا الكيميائية الحيوية الكهروكيميائية. قد يكون ذلك لأن العلاج الهرموني المختصر لا يوفر وقتا كافيا للنشاط الميكروبي وعمليات نقل الإلكترونات، والتي قد تكون مرتبطة بنظام DIET، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجية تشغيلية متوازنة تأخذ في الاعتبار فوائد الإمكانات المطبقة والقيود التي يفرضها تقليل وقت الاحتفاظ.
تأثير الجهد المطبق على إزالة VFA
تظهر الشكل 6A–E والجدول 5 أن BEAD تفوق بشكل كبير على الزيمر في تحلل VFAs المعقدة. ومن الجدير بالذكر أنه عند OLR 5 جرام sCOD/L∙d، حقق BEAD إزالة 100٪ من أحماض البروبيونيك والبيوتيريك، مقارنة بإزالة 58.2٪ و77.6٪ فقط في AD (الشكل 6E). يبرز هذا فعالية الإمكانات المطبقة في تعزيز العمليات الكهروكيميائية الحيوية، التي لا تسرع فقط من تحلل VFA بل تحسن أيضا حركية تكوين الميثانوجين58,59. يؤكد تحليل تركيب الصرف في هذا التحليل هذا الأداء المتفوق: فقد تكون مياه الصرف من 87٪ حمض الأسيتيك دون وجود أحماض بروبيونيك أو بيوتيريك قابلة للكشف، بينما يحتوي مخرج AD على 64٪ حمض الخليك، مع 19٪ حمض بروبيوني و17٪ أحماض بيوتيريك (الشكل 6D).
حافظ BEAD على إزالة أفضل من أحماض البروبيونيك والبيوتيريك حتى في فترة العلاج الهرموني القصير. عند أعلى OLR وهو 7 نجوم sCOD/L∙d مع تقليل HRT لمدة يومين، حقق BEAD إزالة 66.4٪ من حمض البوتيريك، وهو أعلى بكثير من 50.9٪ في AD. بالنسبة لحمض البروبيونيك، أزال BEAD نسبة 33.2٪، بينما أظهر AD معدل مخلفات يتجاوز التأثير، مما يشير إلى تدهور ضعيف. قد يعزى هذا الأداء المتفوق ل BEAD إلى تعزيز التفاعلات الكيميائية الكهروكيميائية الحيوية، والتي قد ترتبط بنظام DIET، والتي قد تسهل نقل الإلكترونات بشكل أكثر فعالية بين البكتيريا المؤكسدة للبروبيونات والبيوتيرات والمواد الميثانوجينية مقارنة بنقل الهيدروجين بين الأنواع (HIT) في الزهايمر، مما يقلل من تراكم VFA عند مستويات OLRs عالية 15,16,60,61.
تأثير الجهد المطبق على إنتاج CH4 :
الفصل4 العائد والإنتاج الحجمي CH4
أظهر BEAD أداء متفوقا في إنتاجية وحجم الميثان مقارنة ب AD، خاصة عند مستويات OLR 3، 5، و7 * جرام sCOD/L∙d، حيث دعم توفر الركيزة نشاطا كيميائيا حيويا كهروكيميائيا (الشكل 4A، الجدول 3). ومن الجدير بالذكر أن الفرق الأكثر دلالة لوحظ عند نسبة OLR تبلغ 5 جرام sCOD/L∙d، حيث حقق BEAD 0.30 ± 0.01 LCH4/g sCODبعد إزالته، وهو أعلى بنسبة 20٪ من عائد AD البالغ 0.25 ± 0.01 (p < 0.05). اتبعت كمية الميثان اتجاها مشابها، حيث تجاوز BEAD نسبة AD بنسبة 30٪، 20٪، و16٪ عند مؤشرات OLR 5 و3 و7* على التوالي (p < 0.05). يمكن عزو هذه المزايا إلى آليات نقل الإلكترونات الفعالة التي يسهل عليها نظام الدائرة المغلقة، حيث يعمل الأنود كمستقبل إلكترون موثوق، مما يعزز تدفق الإلكترونات إلى الكاثود62. على النقيض من ذلك، من المرجح أن تتعرض الدائرة المفتوحة للتيار الدهري لفقدان أكبر للإلكترونات، مما يقلل من كفاءة إنتاج الميثان. علاوة على ذلك، قد يستفيد BEAD من تعزيز التفاعلات الكيميائية الكهروكيميائية، والتي قد ترتبط بنظام DIET، مما قد يوفر مسارات إضافية لتكوين الميثانيسيسيس، مما يمكن من تحويل أكثر فعالية لجرعة VFA المعقدة مثل البروبيونات والبيوتيرات إلى الميثان. الاستثناء الوحيد لوحظ عند 2 جرام sCOD/L·d، حيث لم يظهر BEAD ميزة واضحة، ربما بسبب محدودية توفر الكربون والتكيف الأولي للكائنات الدقيقة النشطة كهربائيا.
لم تحسن الإمكانات المطبقة فقط إنتاج الميثان، بل عززت أيضا استقرار العملية، كما هو موضح في الشكل 7. عند OLR 5 جرام sCOD/L∙d، أظهرت عملية BEAD في المرحلة 11 إنتاجية ميثان مستقرة نسبيا، مع متوسط 0.298 LCH₄/g sCODبعد إزالته، وانحراف معياري 0.008 LCH₄/g sCODبعد إزالته، ومعامل تباين (CV) 2.81٪. على النقيض من ذلك، بعد التحول إلى AD في المرحلة 12، أظهر إنتاج الميثان تقلبات أكبر بكثير، حيث انخفض من 0.33 إلى 0.16 LCH₄/g sCODبعد إزالته، مع انحراف معياري أعلى 0.054 LCH₄/g sCODبعد إزالة وCV بنسبة 20.87٪. عندما عاد النظام إلى BEAD في المرحلة 13، تعافى إنتاج الميثان بسرعة وأصبح أكثر استقرارا، بمتوسط عائد 0.312 LCH₄/g sCODRemoved وانخفاض CV بنسبة 6.23٪. ومن الجدير بالذكر أنه خلال فترة الاستقرار المتأخرة للمرحلة 13، انخفض CV أكثر إلى 1.95٪، مما يشير إلى أن تشغيل BEAD أعاد استقرار العملية بعد الاضطراب الناتج عن تشغيل AD. تظهر هذه النتائج الكمية أن الجهد المطبق ساهم ليس فقط في زيادة إنتاج الميثان، بل أيضا في تقليل التباين التشغيلي واستقرار أسرع. تتوافق هذه النتائج مع نتائج بارك وآخرون 63، الذين أفادوا بأن أنظمة BEAD تعزز معدلات إنتاج الميثان وتقصر وقت الاستقرار من خلال تسهيل الأكسدة العضوية السريعة وتكوين الميثان، مما يوفر مزايا واضحة مقارنة بعمليات الزهايمر التقليدية.
محتوى الفصلالرابع
كان لدى BEAD محتوىCH 4 أعلى من AD عند OLRs أعلى، حيث وصل إلى 74.0 ± 0.8٪ و72.7 ± 0.5٪ مقارنة ب AD 71.0 ± 0.8٪ و70.0 ± 0.5٪ (p < 0.05) عند OLRs 5 و7 جرام sCOD/L∙d على التوالي، كما هو موضح في الشكل 7. ومع ذلك، عند مستويات OLR منخفضة بمقدار 2 و3 جرام sCOD/L∙d، لم تكن الفروقات ذات دلالة إحصائية (p > 0.05). ويرجح أن ذلك يعود إلى أن زيادة تدهور VFA في BEAD تنتج المزيد من ثاني أكسيد الكربون (CO 2)، حيث يحول جزء منه إلى CH4 بينما يزيد الباقي ثاني أكسيد الكربون2 في كيس الغاز، مما يترك محتوىCH 4 دون تغيير. لوحظت اتجاهات مماثلة في دراسات أخرى 64,65,66، مما يشير إلى أن التحسينات في نسبة CH 4 والحجم لا تحدث بالضرورة في نفس الوقت. زيادة الجهد المطبق فوق 1.23 فولت يمكن أن تحسن محتوى CH4 أكثر من خلال تسهيل التحليل الكهربائي للماء، مما ينتج الهيدروجين (H2) الذي يمكنه تحويل ثاني أكسيد الكربونالإضافي إلى ميثان57,66. ومع ذلك، قد يؤدي هذا النهج إلى مشاكل في الإمكانات الزائدة، مما قد يؤدي إلى عدم كفاءة الطاقة وتحديات تشغيلية. لذا، يجب تحسين ضبط الجهد بعناية لتحقيق توازن بين زيادة إنتاج الميثان وكفاءة النظام.
كفاءة الطاقة لنظام BEAD
يظهر الشكل 8 أن BEAD حافظ على كفاءة طاقة عالية ومتسقة (~1000٪) عبر جميع منافذ OLR. ومن الجدير بالذكر أنه حتى عند أعلى معدل استهلاك طاقة يبلغ 7 نجوم sCOD/L∙d مع تقليل HRT لمدة يومين، حقق النظام كفاءة عالية للطاقة بسبب انخفاض استهلاك الطاقة البالغ 0.03 ± 0.01 واط ساعة/جمsCOD بعد إزالته. وهذا أقل بكثير من استهلاك الطاقة النموذجي البالغ 0.7 إلى 2 واط/جم sCODتمت إزالته في عمليات الحمأة المنشطة التقليدية67. علاوة على ذلك، على الرغم من أن الانخفاض الطفيف في كفاءة الطاقة لوحظ مع زيادة OLR، إلا أن التغير كان طفيفا، مما يشير إلى أن BEAD حافظ على أداء طاقي مستقر حتى تحت زيادة التحميل العضوي وتقليل وقت الاحتفاظ الهيدروليكي. تشير هذه النتائج إلى أن BEAD يمكن أن يعزز إنتاج الميثان بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة ضمن نطاق المدخلات الكهربائية المطبقة. ومع ذلك، يجب ملاحظة أن تحليل الطاقة الحالي لا يأخذ في الاعتبار متطلبات الطاقة التشغيلية الأخرى، مثل ضخ التغذية وإعادة التدوير. لذلك، تعكس كفاءة الطاقة المبلغ عنها توازنا جزئيا للطاقة، وهناك حاجة إلى مزيد من العمل لتقييم الأداء الكلي للطاقة تحت ظروف التشغيل الكاملة.
أداء BEAD في مياه صرف مصنع الجعة ذات النسبة المحدودة (عالية النسبة إلى الصبغة)
على الرغم من نسبة المستهلك إلى الشمال العالية في مياه صرف المصانع، حققت BEAD أداء كبيرا، بما في ذلك إزالة COD بكفاءة، وتحلل VFA، وإنتاج الميثان. تتميز مياه صرف مصانع الجعة عادة بمحتوى عضوي مرتفع ومحتوى نيتروجين منخفض، مما يؤدي إلى نسب كربون إلى نيوت مرتفعة68، 69، 70، 71. يعتمد هذا التفسير على الخصائص الملحوظة للعامل المؤثر وليس على مقارنة محكمة عبر نسب C/N المختلفة. في العملية التقليدية لزيت الزهايمي، غالبا ما يطلب الأمر مكملات المغذيات لمياه صرف الصرف في مصانع الجعة لخفض نسبة الكربون إلى النيوت ودعم نمو الميكروبات 69,70,71، لكن لم تضاف أي مغذيات إضافية في هذه الدراسة. الأداء القوي ل BEAD على الأرجح ناتج عن الجهد المطبق، الذي يعزز النشاط الميكروبي واستقرار المفاعل في ظروف نقص العناصر الغذائية72,73. بحثت أبحاث محدودة في تأثير نسب C/N على أداء BEAD، حيث ركزت معظم الدراسات على نسب C/N المنخفضة إلى المتوسطة (0.6–25)74،75،76. كما ذكر سابقا، الدراسات المحددة حول أنظمة BEAD التي تعالج مياه صرف مصانع الجعة نادرة. علاوة على ذلك، في الدراسات التي استخدمت مياه صرف الصرف الاصطناعية في مصانع الجعة، أضيفت عادة العناصر الغذائية لتحقيق نسب C/N مثلى إلى 4021، 23، 24، 25، بينما لم تقس أو تأخذ الدراستان الوحيدتان على مياه صرف المصانع الحقيقية تأثير نسبة الكربون إلى الN على أداء BEAD20 و22. لذا، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف دور نسب C/N المتغيرة (منخفضة إلى عالية) على أنظمة BEAD باستخدام مياه صرف حقيقية من مصانع الجعة.
توفر البيانات:
البيانات ذات الصلة بالدراسة مدرجة في المقال وكذلك في الملف التكميلي 2.
الشكل 1: تكوين وإعداد تشغيل نظام المفاعل الكيميائي الحيوي المستخدم في هذه الدراسة. (أ) رسم تخطيطي لتكوين المفاعل يوضح المكونات الرئيسية للنظام، بما في ذلك الأنود ذو السرير المكشوف المملوء بمادة موصلة قائمة على الكربون، غرفة الكاثود، الفاصل، خطوط التدفق والخارج، حلقة إعادة التدوير الداخلية، منفذ أخذ عينات الغاز، كيس جمع الغاز، والدائرة الكهربائية الخارجية المتصلة بالبوتنشيستات ل المراقبة والسيطرة الكهروكيميائية. كما يتم تحديد مواقع مجمعات التيار، ومنافذ العينة، ومضخة التغذية، ومضخة إعادة التدوير، ونظام مراقبة الرقم الهيدروجيني. (ب) صورة للمفاعل المجمع قبل التشغيل، مع تسليط الضوء على تصميم العمود الرأسي، هيكل الأنود المضغوط، طبقة الفاصل، منطقة الكاثود، خط التأثير، منفذ العينات، ووصلات إعادة التدوير. (ج) صورة للمفاعل أثناء التشغيل، تظهر أداء المفاعل تحت ظروف إعادة تدوير مستمرة، بما في ذلك مسارات تدفق السائل، وتكوين الأغشية الحيوية على سطح القطب الكهربائي، ووصلات الأنابيب الخارجية، والأسلاك الكهربائية المتصلة بالبوتنتيوستات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: كفاءة إزالة COD تحت أنظمة OLR المختلفة في نظام BEAD ونظام AD التقليدي. تم تقييم إزالة ود الموت (٪) في حالات OLR تتراوح بين 1 إلى 7 جرام sCOD/L·d، بما في ذلك حالة التحميل الزائد (7*). يقارن الشكل أداء المعالجة لمفاعلات BEAD وAD تحت ظروف تحميل الركيزة المتزايدة. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
3: إنتاج وتركيب VFA تحت أنواع مختلفة من OLRs في نظام BEAD. (أ) معدلات VFA الكلية التأثيرة والفاضفة المقاسة عند OLRs تتراوح بين 1 إلى 7 جرام sCOD/L·d، مما يظهر تأثير تحميل الركيزة على تراكم وأداء إزالة VFA. (ب) توزيع المركبات الوفورية الرئيسية VFA، بما في ذلك الأسيتات والبروبيونات والبيوتيرات، في الجداول الضافة والفاضحة تحت ظروف مختلفة من OLR. تشير الخطوط الرأسية المتقطعة إلى انتقالات الطور التشغيلية التي تتوافق مع التغيرات في OLR. معدلات VFA معبرة عنها ب g scod/L·d. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: أداء إنتاج الميثان تحت أنظمة OLR المختلفة في أنظمة BEAD وAD. (أ) عائد الميثان المعدل إلى COD بعد إزالته؛ (ب) عائد الميثان الذي تم تطبيعه إلى COD مضاف؛ و(ج) محتوى الميثان (٪) في الغاز الحيوي المنتج عند كميات OLR تتراوح بين 1 إلى 7 جرام sCOD/L·d، بما في ذلك حالة التحميل الزائد (7*). يوضح الشكل تأثير زيادة تحميل الركيزة على كفاءة استرداد الميثان وجودة الغاز الحيوي في كلا تكوينات المفاعلين. يتم التعبير عن عائد الميثان ب L CH₄/g COD. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 5: الأداء الكهروكيميائي لنظام BEAD تحت أنظمة OLR المختلفة. (أ) كثافة التيار المولدة عند OLRs تتراوح بين 1 إلى 7 جرام sCOD/L·d، مما يوضح العلاقة بين تحميل الركيزة والنشاط الكهروكيميائي الحيوي. (ب) كفاءة كولومبيك (٪) تحت ظروف OLR المختلفة، تمثل نسبة الإلكترونات المستخرجة كتيار كهربائي بالنسبة لإجمالي أكسدة الركيزة. تعبر كثافة التيار بحجم A/m3. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 6:. تأثير الجهد المطبق على ديناميكا VFA وتركيب الصرف في أنظمة BEAD و AD. (أ) معدلات VFA الإجمالية تحت ظروف جهد مطبق وOLR مختلفة؛ (ب) معدلات إنتاج وإزالة البروبيونات؛ (ج) معدلات إنتاج وإزالة البيوتيرات؛ (D) تركيب COD المؤثر والسائل عند OLR 5 جرام sCOD/L·d، مما يظهر التوزيع النسبي للأسيتات، البروبيونات، البيوتيرات، والمركبات الأخرى؛ و(ه) كفاءة إزالة البيوتيرات (٪) تحت ظروف OLR المختلفة. يوضح الشكل تأثير التحفيز الكهروكيميائي على منتجات التخمير الوسيطة ومسارات تحويل الركائز. معدلات VFA تعبر عنها ب g sCOD/L·d. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية لتكرار القياسات حيثما ينطبق. n = 3. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 7: التغير الزمني في إنتاج الميثان الذي تم تطبيعه إلى COD الذي أزيله خلال التشغيل طويل الأمد لنظام مفاعل BEAD. تمت مراقبة إنتاج الميثان على مدى 365 يوما تحت مراحل تشغيلية مختلفة وظروف OLR. تشير الخطوط الرأسية المتقطعة إلى انتقالات بين المراحل التشغيلية، بما في ذلك مرحلة الاسترداد بعد تحميل المفاعل الزائد. يتم التعبير عن إنتاج الميثان بإزالة L CH₄/g sCOD. يوضح الشكل استقرار المفاعل وأداء إنتاج الميثان خلال التشغيل المستمر الممتد. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 8: تأثير الجهد المطبق على استعادة الطاقة وكفاءة الطاقة في نظام BEAD تحت أنظمة OLR المختلفة. يقارن الشكل الطاقة المستردة، والطاقة الكهربائية المستهلكة، وكفاءة الطاقة الإجمالية (٪) عند مستويات OLR 3، 5، و7 * جرام sCOD/L·d. يتم التعبير عن الطاقة المسترجعة والطاقة المستهلكة بإزالة Wh/g scod. يوضح الشكل الأداء الطاقي لنظام BEAD تحت التحفيز الكهروكيميائي وظروف تحميل الركيزة المتغيرة. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
| المعلمة | القيمة |
| sCOD (ملغ/لتر) | 8,000-30,343 |
| VFA/sCOD | 0.1-0.4 |
| TS (٪) | 0.85-1.4 |
| VS (٪) | 0.6-1.3 |
| VS/TS | 0.7-0.93 |
| الرقم الهيدروجيني | 5.2-6 |
| TAN (ملغ/لتر) | 5-5.2 |
الجدول 1: خصائص مياه صرف الصرف المستخدمة أثناء تشغيل المفاعل. يلخص الجدول نمذعات sCOD، VFA/sCOD، TS، VS، VS/TS، نسبة pH، وTAN المحسوسة في مياه صرف مصنع الجعة طوال فترة التجريب.
| المسرح | المرحلة | الوصف | الركيزة | OLR (g sCOD/L.D) | الجهد المطبق (1.2 فولت) | العلاج الهرموني (الأيام) |
| المرحلة الأولى: تأثير OLR | 5 | أدنى حالة OLR | مصنع الجعة WW | 2 | نعم | 4-5 |
| 6 | المرحلة المشتركة (خط الأساس للمرحلة الثانية) | مصنع الجعة WW | 1 | نعم | 4-5 | |
| 9 | المرحلة المشتركة | مصنع الجعة WW | 3 | نعم | 4-5 | |
| 10 | زيادة OLR | مصنع الجعة WW | 4 | نعم | 4-5 | |
| 11 & 13 | الطور المتكرر عند OLR=5 للتحقق من الاستقرار | مصنع الجعة WW | 5 | نعم | 4-5 | |
| 14 | زيادة OLR | مصنع الجعة WW | 6 | نعم | 4-5 | |
| 15 | معدل OLR عالي | مصنع الجعة WW | 7 | نعم | 3-4 | |
| 16 | أقصى تحميل | مصنع الجعة WW | 7* | نعم | 2 | |
| المرحلة الثانية: تأثير الإمكانات التطبيقية | 5 | نفس حالة المرحلة الأولى | مصنع الجعة WW | 2 | نعم | 4-5 |
| 7 | بدون إمكانيات مطبقة | مصنع الجعة WW | 2 | لا | 4-5 | |
| 9 | نفس ما حدث في المرحلة الأولى | مصنع الجعة WW | 3 | نعم | 4-5 | |
| 8 | بدون إمكانيات مطبقة | مصنع الجعة WW | 3 | لا | 4-5 | |
| 11&13** | نفس المرحلة المتكررة مثل المرحلة الأولى | مصنع الجعة WW | 5 | نعم | 4-5 | |
| 12 | بدون إمكانيات مطبقة | مصنع الجعة WW | 5 | لا | 4-5 | |
| 16 | نفس ما حدث في المرحلة الأولى | مصنع الجعة WW | 7* | نعم | 2 | |
| 17 | بدون إمكانيات مطبقة | مصنع الجعة WW | 7* | لا | 2 |
الجدول 2: تصميم التجارب وظروف التشغيل المستخدمة لتقييم تأثيرات OLR والجهد المطبق على أداء المفاعل. يلخص الجدول المراحل التشغيلية، وظروف الركيزة، والجهد المطبق، والعلاج الهرموني الهرموني المستخدم طوال الدراسة. يمثل شرط التحميل الزائد (7*) التشغيل عند نفس OLR مع تقليل HRT.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| المعلمة | خرزة | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | خرزة | خرزة | بعد الميلاد |
| إزالة COD (٪) | 96.2 ± 1.0 | 96.2 ± 0.1 | 96.6 ± 0.3 | 94.1 ± 1.2 | 94.7 ± 0.8 | 81.6 ± 1.1 | 92.7 ± 0.6 | 85.3 ± 0.6 | 85.1 ± 1.7 | 79.2 ± 0.8 | 64.6 ± 2.1 | 61.9 ± 1.5 |
| إزالة العائد من الفصل4 (LCH4/g sCODRmove) | 0.07 ± 0.01 | 0.21 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 | 0.26 ± 0.01 | 0.23 ± 0.01 | 0.29 ± 0.01 | 0.30 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 | 0.33 ± 0.01 | 0.35 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 |
| إضافة عائد الفصل4 (LCH4/g مردوود) | 0.07± 0.01 | 0.20 ± 0.01 | 0.24 ± 0.01 | 0.25 ± 0.01 | 0.22 ± 0.01 | 0.24 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.21 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.28 ± 0.01 | 0.18 ± 0.01 | 0.15 ± 0.01 |
| الفصلالرابع المجلد (L/L.D) | 0.07 ± 0.02 | 0.43 ± 0.03 | 0.46 ± 0.02 | 0.77 ± 0.01 | 0.64 ± 0.02 | 0.96 ± 0.04 | 1.42 ± 0.07 | 1.09 ± 0.08 | 1.64 ± 0.05 | 1.93 ± 0.04 | 1.24 ± 0.02 | 1.07 ± 0.01 |
| الفصل4 (٪) | 43.0 ± 1.4 | 69.0 ± 1.6 | 71.0 ± 0.8 | 70.3 ± 0.9 | 68.0 ± 2.1 | 70.7 ± 0.5 | 74.0 ± 0.8 | 71.0 ± 0.8 | 75.0 ± 0.3 | 74.3 ± 1.2 | 72.7 ± 0.5 | 70.0 ± 0.5 |
| CE (٪) | 1.58 ± 0.14 | 0.69 ± 0.07 | - | 0.93 ± 0.14 | - | 0.89 ± 0.10 | 1.64 ± 0.10 | - | 1.97 ± 0.04 | 0.81 ± 0.01 | 0.98 ± 0.03 | - |
| كثافة التيار (A/m3) | 2.3 ± 0.1 | 1.9 ± 0.1 | - | 3.8 ± 0.6 | - | 4.1 ± 0.4 | 10.8 ± 0.2 | - | 13.8 ± 0.3 | 6.2 ± 0.1 | 6.2 ± 0.2 | - |
| العلاج الهرموني (الأيام) | 5.3 ± 0.2 | 5.5 ± 0.3 | 5.3 ± 0.1 | 4.6 ± 0.1 | 5.3 ± 0.1 | 3.6 ± 0.1 | 5.2 ± 0.1 | 4.1 ± 0.1 | 4.4 ± 0.3 | 3.7 ± 0.1 | 2.1 ± 0.2 | 2.0 ± 0.1 |
الجدول 3: معايير الأداء تحت أنظمة OLR المختلفة في أنظمة BEAD و AD. يلخص الجدول إزالة COD، عائد CH₄، حجم CH₄، محتوى CH₄، CE، كثافة التيار، وHRT تحت ظروف تشغيلية مختلفة. تعرض القيم كمتوسط ± انحراف معياري بناء على قياسات الحالة المستقرة خلال كل مرحلة تشغيلية. يمثل شرط التحميل الزائد (7*) التشغيل عند نفس OLR مع تقليل HRT.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| المعلمة | خرزة | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | خرزة | خرزة | بعد الميلاد |
| الأسيتات المؤثرة (g sCOD/L.D) | 0.03 | 0.06 | 0.08 | 0.08 | 0.13 | 0.09 | 0.3 | 0.46 | 0.34 | 0.9 | 0.38 | 0.21 |
| بروبيونات المؤثر (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0.13 | 0 | 0.19 | 0.48 | 0.34 | 0.56 | 0.82 | 0.55 | 0.07 |
| البيوتيرات المؤثرة (g sCOD/L.D) | 0.07 | 0.28 | 0.11 | 0.23 | 0.16 | 0.39 | 0.79 | 0.56 | 0.91 | 1.18 | 0.86 | 0.76 |
| أسيتات الصرف الوظيفي (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0.03 | 0.03 | 0.26 | 0.32 | 0.48 | 0.53 | 0.56 | 1.78 | 1.44 |
| بروبيونات الصرف (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0.03 | 0.03 | 0.21 | 0 | 0.14 | 0.14 | 0 | 0.37 | 0.24 |
| بيوتيرات الصرف الصادر (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.05 | 0 | 0.13 | 0.09 | 0.28 | 0.29 | 0.37 |
الجدول 4: معدلات VFA تحت أنظمة OLR المختلفة في أنظمة BEAD و AD. يلخص الجدول معدلات الأسيتات الفائضة والبروبيونات والبيوتيرات المعبر عنها ب g sCOD/L·d تحت ظروف تشغيلية مختلفة.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| المعلمة | خرزة | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | خرزة | بعد الميلاد | خرزة | خرزة | خرزة | بعد الميلاد |
| نقطة الموت المؤثرة (g sCOD/L.D) | 1.1 | 2.1 | 1.93 | 3.13 | 2.91 | 4.04 | 5.11 | 5.11 | 5.91 | 6.92 | 6.96 | 6.97 |
| VFA المؤثرة (g sCOD/L.D) | 0.1 | 0.34 | 0.19 | 0.44 | 0.29 | 0.67 | 1.56 | 1.36 | 1.81 | 2.89 | 1.79 | 1.04 |
| المؤثرة الأخرى** (g sCOD/L.D) | 1 | 1.76 | 1.74 | 2.69 | 2.62 | 3.37 | 3.55 | 3.75 | 4.1 | 4.03 | 5.17 | 5.93 |
| COD الصادر (g sCOD/L.D) | 0.04 | 0.08 | 0.07 | 0.18 | 0.15 | 0.75 | 0.37 | 0.75 | 0.88 | 1.44 | 2.47 | 2.66 |
| مياه المعالجة السريعة VFA (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0.06 | 0.05 | 0.52 | 0.32 | 0.75 | 0.76 | 0.84 | 2.44 | 2.05 |
| مياه الصرف السريع الأخرى (g sCOD/L.D) | 0.04 | 0.08 | 0.07 | 0.12 | 0.1 | 0.23 | 0.05 | 0 | 0.12 | 0.6 | 0.03 | 0.61 |
| تم إزالة COD (g sCOD/L.D) | 1.06 | 2.02 | 1.86 | 2.95 | 2.76 | 3.29 | 4.74 | 4.36 | 5.03 | 5.48 | 4.49 | 4.31 |
| تم إزالة VFA (g sCOD/L.D) | 0.1 | 0.34 | 0.19 | 0.38 | 0.24 | 0.15 | 1.24 | 0.61 | 1.05 | 2.05 | - | - |
| تم حذف أخرى (g sCOD/L.D) | 0.96 | 1.68 | 1.67 | 2.57 | 2.52 | 3.14 | 3.5 | 3.75 | 3.98 | 3.43 | 5.14 | 5.32 |
الجدول 5: توزيع COD، معدلات VFA، وإزالة المركبات الأخرى تحت OLRs المختلفة في أنظمة BEAD وAD. يلخص الجدول أجزاء COD المؤثرة والفاضفة والمزائلة، VFAs، ومركبات أخرى معبر عنها ب g sCOD/L·d تحت ظروف تشغيل مفاعلات مختلفة. "أخرى" تمثل المركبات غير التابعة ل VFA التي تساهم في COD.
الشكل 1 الإضافي. تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة على كفاءة إزالة COD في BEAD. يقارن الشكل أداء إزالة COD لمفاعل BEAD تحت نسب VFA/sCOD المتناقصة من 1 إلى 0.2. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل الإضافي 2. تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة على إنتاج الفصلالرابع (استنادا إلى إزالة COD) في BEAD. يقارن الشكل عائد CH₄ لمفاعل BEAD تحت نسب VFA/sCOD المتناقصة من 1 إلى 0.2. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل الإضافي 3. تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة على CH4 ٪ في BEAD. يقارن الشكل محتوى CH₄ في مفاعل BEAD تحت نسب VFA/sCOD المتناقصة من 1 إلى 0.2. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل الإضافي 4. تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة على كثافة التيار في BEAD. يقارن الشكل كثافة التيار في مفاعل BEAD تحت نسب VFA/sCOD المتناقصة من 1 إلى 0.2. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل الإضافي 5. تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة على كفاءة الكولومبيك في BEAD. يقارن الشكل كفاءة الكولومبيك في مفاعل BEAD تحت نسب VFA/sCOD المتناقصة من 1 إلى 0.2. تمثل أشرطة الخطأ الانحرافات المعيارية للقياسات المكررة. n = 3. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الجدول التكميلي 1. معايير الأداء في تركيبات الركيزة المختلفة. يلخص الجدول إزالة COD، وعائد CH₄، وحجم CH₄، ومحتوى CH₄، وCE وكثافة التيار تحت تركيبات ركائز مختلفة. تعرض القيم كمتوسط ± انحراف معياري بناء على قياسات الحالة المستقرة خلال كل مرحلة تشغيلية. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الجدول الإضافي 2. تركيزات المركبات المثبطة في المادة الفائرة والسائدة. يلخص الجدول المركبات المثبطة بما في ذلك الأمونيا، الكبريتات، الكبريتيد،H2O2 وPAA في BEAD وAD المتأثرة والفاضات تحت ظروف OLR المختلفة. تعرض القيم كمتوسط ± انحراف معياري بناء على قياسات الحالة المستقرة خلال كل مرحلة تشغيلية. يمثل شرط التحميل الزائد (7*) التشغيل عند نفس OLR مع تقليل HRT. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 1. تأثير نسبة VFA/sCOD المؤثرة على أداء BEAD وتقييم المركبات المثبطة.يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
الملف الإضافي 2. بيانات خام.يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
المناقشة
تفوق BEAD باستمرار على AD التقليدي من حيث إزالة COD، وتدهور VFA، وإنتاج الميثان، واستقرار العملية عبر مستويات OLR المختلفة. ميزة رئيسية للنظام كانت قدرته على تفكيك VFAs المعقدة بكفاءة، مثل أحماض البروبيونيك والبيوتيريك، والتي عادة ما تكون صعبة التفكيك في البيئات اللاهوائية. زاد إنتاج الميثان مع توفر الركيزة الأعلى، ليصل إلى ذروة إنتاج الميثان عند 0.35 LCH4/g scodبعد إزالته عند أعلى OLR تم اختباره وهو 7 جرام sCOD/L·d. استفاد إنتاج الميثان من الإمكانات المطبقة، حيث كان حجم الميثان في BEAD أعلى بنسبة 16–30٪ مقارنة ب AD عبر أنواع OLR المختلفة. يمكن عزو هذا التعزيز إلى تحسين عمليات نقل الإلكترونات. في أنظمة AD التقليدية، يتم التحكم بشكل أساسي في نقل الإلكترونات بواسطة IIET، الذي يعتمد على وسطيات مثل الهيدروجين والفورمات، وغالبا ما يكون محدودا بقيود الانتشار وعدم كفاءة الديناميكا الحرارية77. وعلى النقيض من ذلك، من المرجح أن يؤدي تطبيق جهد خارجي في BEAD إلى تعزيز النظام الغذائي المباشر، مما يتيح تبادل إلكترونيات أكثر كفاءة بين البكتيريا النشطة كهربائيا والميثانوجينات دون الحاجة إلى وسطاء قابلين للذوبان. التفاعلات الكيميائية الحيوية الكهروكيميائية، التي قد ترتبط ب DIET وتسهل بواسطة الجهد المطبق، قد تؤدي إلى انخفاض خسائر الإلكترونات، وتحلل عضوي أكثر فعالية، وزيادة إنتاج الميثان77. يمكن أن يقلل هذا التحول من IIET إلى DIET من فقدان الإلكترونات، ويعزز التفاعلات التركيبية، ويسرع من تحلل الركائز العضوية، مما يساهم في تحسين إنتاج الميثان واستقرار العملية. يجدر بالذكر أن مياه صرف المصانع المستخدمة في هذه الدراسة تم الحصول عليها من مصدر واحد، وبالتالي فإن الأداء الملحوظ يعكس خصائص مياه الصرف الخاصة بالموقع. لذلك، يجب تفسير النتائج ضمن سياق الظروف التي تم اختبارها وقد لا تكون قابلة للتعميم مباشرة على جميع أنظمة مياه الصرف الصحي في مصانع الجعة.
يمكن أن تساعد الأساليب البديلة والأساليب التكميلية في دراسة الآليات المسؤولة عن زيادة إنتاج الميثان ونقل الإلكترونات في أنظمة BEAD. على سبيل المثال، يمكن لتسلسل 16S rRNA أو التحليل الميتاجينومي تحديد البكتيريا النشطة كهربائيا ومواد الميثانوجين المرتبطة بنظام DIET. يمكن أن توفر تقنيات الكيمياء الكهروكيميائية مثل CV وEIS رؤى إضافية حول سلوك نقل الإلكترونات وتوصيلية الغشاء الحيوي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام SEM والمجهر الفلوري لدراسة تطور الأغشية الحيوية والتفاعلات الميكروبية على أسطح الأقطاب. ستوفر هذه الأساليب التكميلية فهما أفضل للآليات الكيميائية الحيوية الكهروكيميائية التي تحكم أداء المفاعل.
على الرغم من أن BEAD تعامل مع مستويات OLR العالية بفعالية، إلا أن تقليل الهرمونات التعويضية من 3.7 إلى 2.1 يوم أدى إلى انخفاض في إزالة COD، وتدهور VFA، وإنتاج الميثان، مما يبرز أهمية وجود HRT كاف لاستقرار العملية تحت الأحمال العضوية العالية. يجب أن تبحث الأعمال المستقبلية بشكل أعمق في دمج النفايات الصلبة في مصانع الجعة كتغذية مشتركة، وتحسين الإمكانات المطبقة، والتقييم تحت نطاق أوسع من تركيبات مياه الصرف الصحي وظروف التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، ستساعد الدراسات التي تدمج تحسين التكرار الإحصائي ومقارنة أوضح مقارنة بأنظمة الزهايمر التقليدية في تقييم الأداء النسبي ل BEAD. ستوفر هذه الجهود فهما أكثر شمولا للنظام وتساعد في توضيح قابليته لمعالجة مياه الصرف الصناعية عالية القوة.
الإفصاحات
لا يوجد تضارب مصالح لدى المؤلفين.
شكر وتقدير
يشكر المؤلفون مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا على الدعم المالي. التوصية الفنية من الدكتور بوريس تارتكوفسكي والدكتور فيريندر سينغ معتمدة على ذلك.
مصدر التمويل: مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 0.45 µm membrane filter | MilliporeSigma | HAWP04700 | Used before soluble COD analysis |
| 500 mL glass bottles | Fisherbrand | 500 mL media bottle | Used for inoculum acclimatization |
| Acclaim OA column | Thermo Scientific | Acclaim OA, 5 µm, 4 × 150 mm | Column used for VFA quantification |
| Acetonitrile | Fisher Scientific | HPLC grade | Mobile phase for HPLC analysis |
| Ammonia reagent kit | HACH | TNTplus 832 | Nitrogen, Ammonia-Salicylate HR Method 10205 |
| Argon carrier gas | Air Liquide | Ultra-high purity argon | Carrier gas for micro GC |
| Carbon felt | SGL Carbon | GFD series | Electrode material cut into 25 mm × 25 mm squares |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810 R | Used to centrifuge brewery wastewater at 12,000 × g |
| COD reagent tubes | SCP Science | COD reagent tubes (Method 8000 compatible) | Used for soluble COD analysis following HACH Method 8000 |
| Cylindrical glass reactor | Chemglass Life Sciences | Custom glass reactor | Single-chamber upflow reactor; 1 L total volume, 0.65 L working volume |
| Digital timer | Intermatic | TN311 | Used to control feed-rate timing |
| DR 2800 spectrophotometer | HACH | DR 2800 | Used for COD, ammonia, sulfate, and sulfide analyses |
| Gas collection bag | SKC | Tedlar gas sampling bag | Used for biogas collection |
| Gas-tight syringe | Hamilton | Gastight syringe | Used to measure biogas volume |
| HPLC system | Thermo Scientific Dionex | UltiMate 3000 | Used for volatile fatty acid (VFA) analysis |
| Hydrogen peroxide/peracetic acid test kit | LaMotte | 7191-02 | Used for H2O2 and PAA measurement |
| Ir-MMO coated titanium wire | Baoji Changli Special Metal Co., Ltd. | Ir-MMO/Ti wire | 1 mm current collector inserted into carbon felt |
| Laboratory refrigerator | VWR | Laboratory refrigerator | Used for wastewater storage at 4 °C |
| Methanesulfonic acid | Sigma-Aldrich | ≥99% | Used at 2.5 mM as HPLC mobile phase |
| Micro gas chromatograph | Agilent Technologies | 490 Micro GC | Used for biogas composition analysis with TCD detector |
| Non-conductive geotextile separator | TenCate Geosynthetics | Mirafi series | 3 mm separator with 2 mm perforations between electrodes |
| Peristaltic pump | Cole-Parmer | Masterflex L/S | Used for influent feeding and recirculation |
| Potentiostat | Metrohm Autolab | PGSTAT204 | Potentiostat used for applied potential and current monitoring |
| Silicone tubing | Cole-Parmer | Masterflex silicone tubing | Used for influent, effluent, and recirculation lines |
| Spectrophotometer | HACH | DR 2800 | Used for HACH analytical measurements |
| Spreadsheet | Microsoft Excel | Used for statistical analysis | |
| Sulfate reagent | HACH | SulfaVer 4, Method 8051 | Used for sulfate measurement |
| Sulfide reagent | HACH | Method 8131 | Used for sulfide measurement |
| Vacuum filtration apparatus | MilliporeSigma | Glass vacuum filtration holder | Used with 0.45 µm membrane filters |
المراجع
- Kumar JA et al. A comprehensive review on bio-hydrogen production from brewery industrial wastewater and its treatment methodologies. Fuel. 2022;319:123594.
- Simate GS et al. The treatment of brewery wastewater for reuse: State of the art. Desalination. 2011;273(2):235-47.
- Statista Inc. Beer production worldwide from 1998 to 2023. 2024. Available from: https://www.statista.com/statistics/270275/worldwide-beer-production/
- Timm TG, Schipmann DBD, Costa TM, Tavares LBB. Remediation of brewery wastewater and reuse for β-glucans production by basidiomycete fungi. Waste Biomass Valor. 2024;15(8):4629-45.
- Beer Canada. National overview. 2021. Available from: https://industry.beercanada.com/national-overview
- Goldammer T. The brewer’s handbook: the complete book to brewing beer. 2nd ed. Apex Publishers; 2009.
- Huige NJ. Brewery by-products and effluents. In: Handbook of Brewing. 2nd ed. CRC Press; 2006. p. 60.
- Stantec Ltd. Over Strength Surcharge Review for Toronto Water, City of Toronto. 2012. Available from: https://www.toronto.ca/legdocs/mmis/2012/pw/bgrd/backgroundfile-50669.pdf
- Swain K, Abbassi B, Kinsley C. Combined electrocoagulation and chemical coagulation in treating brewery wastewater. Water. 2020;12(3):3.
- Hao X et al. Environmental impacts of resource recovery from wastewater treatment plants. Water Res. 2019;160:268-77.
- Feng Q, Song YC, Ahn Y. Electroactive microorganisms in bulk solution contribute significantly to methane production in bioelectrochemical anaerobic reactor. Bioresour Technol. 2018;259:119-27.
- Oh GG, Song YC, Bae BU, Lee CY. Electric field-driven direct interspecies electron transfer for bioelectrochemical methane production from fermentable and non-fermentable substrates. Processes. 2020;8(10):10.
- Park JG, Shin WB, Shi WQ, Jun HB. Changes of bacterial communities in anaerobic digestion and bio-electrochemical anaerobic digestion reactors according to organic load. Energies. 2019;12(15):15.
- Kaur A et al. Inhibition of methane production in microbial fuel cells: operating strategies which select electrogens over methanogens. Bioresour Technol. 2014;173:75-81.
- Luo L et al. Evaluation of methanogenic microbial electrolysis cells under closed/open circuit operations. Environ Technol. 2018;39(6):739-48.
- Moreno R et al. Mitigation of volatile fatty acid build-up by the use of soft carbon felt electrodes: evaluation of anaerobic digestion in acidic conditions. Fermentation. 2018;4(1):1.
- Liu Q et al. Multiple syntrophic interactions drive biohythane production from waste sludge in microbial electrolysis cells. Biotechnol Biofuels. 2016;9(1):162.
- Blasco-Gómez R et al. On the edge of research and technological application: a critical review of electromethanogenesis. Int J Mol Sci. 2017;18(4):4.
- Wang XT et al. Microbial electrolysis cells accelerated methane production from the enhanced hydrolysis and acidogenesis of raw waste activated sludge. Chem Eng J. 2021;413:127472.
- Hussain SA, Perrier M, Tartakovsky B. Long-term performance of a microbial electrolysis cell operated with periodic disconnection of power supply. RSC Adv. 2018;8(30):16842-9.
- Guo Z et al. Efficient methane production from beer wastewater in a membraneless microbial electrolysis cell with a stacked cathode: the effect of the cathode/anode ratio on bioenergy recovery. Energy Fuels. 2017;31(1):615-20.
- Pan H et al. Influence of organic loading rate on methane production from brewery wastewater in bioelectrochemical anaerobic digestion. Fermentation. 2023;9(11):11.
- Sangeetha T et al. Energy recovery evaluation in an up flow microbial electrolysis coupled anaerobic digestion reactor: role of electrode positions and hydraulic retention times. Appl Energy. 2017;206:1214-24.
- Sangeetha T et al. Cathode material as an influencing factor on beer wastewater treatment and methane production in a novel integrated upflow microbial electrolysis cell. Int J Hydrogen Energy. 2016;41(4):2189-96.
- Xu S, Zhang Y, Luo L, Liu H. Startup performance of microbial electrolysis cell assisted anaerobic digester with pre-acclimated activated carbon. Bioresour Technol Rep. 2019;5:91-8.
- Kang X et al. Fermentation and biogas production of alkaline wasted sludge enhanced in a bioelectrolysis-assisted anaerobic digestion reactor under increasing organic loads. Sustainability. 2023;15(2):1443.
- Sun MT et al. Effects of organic loading rate on biogas production from macroalgae: performance and microbial community structure. Bioresour Technol. 2017;235:292-300.
- Clauwaert P et al. Combining biocatalyzed electrolysis with anaerobic digestion. Water Sci Technol. 2008;57(4):575-9.
- Cristiani L, Zeppilli M, Villano M, Majone M. Role of the organic loading rate and the electrodes’ potential control strategy on the performance of a micro pilot tubular microbial electrolysis cell for biogas upgrading. Chem Eng J. 2021;426:131909.
- Lee M, Nagendranatha Reddy C, Min B. In situ integration of microbial electrochemical systems into anaerobic digestion to improve methane fermentation at different substrate concentrations. Int J Hydrogen Energy. 2019;44(4):2380-9.
- Zhao Z et al. Bioelectrochemical enhancement of anaerobic methanogenesis for high organic load rate wastewater treatment in a up-flow anaerobic sludge blanket reactor. Sci Rep. 2014;4(1):6658.
- Hirano S, Matsumoto N. Analysis of a bio-electrochemical reactor containing carbon fiber textiles for the anaerobic digestion of tomato plant residues. Bioresour Technol. 2018;249:809-17.
- Park JG, Lee B, Park HR, Jun HB. Long-term evaluation of methane production in a bio-electrochemical anaerobic digestion reactor according to the organic loading rate. Bioresour Technol. 2019;273:478-86.
- Sasaki K et al. Bioelectrochemical system stabilizes methane fermentation from garbage slurry. Bioresour Technol. 2010;101(10):3415-22.
- Choi KS, Kondaveeti S, Min B. Bioelectrochemical methane production in anaerobic digestion at different supplemental voltages. Bioresour Technol. 2017;245:826-32.
- Flores-Rodriguez C, Nagendranatha Reddy C, Min B. Enhanced methane production from acetate intermediate by bioelectrochemical anaerobic digestion at optimal applied voltages. Biomass Bioenergy. 2019;127:105261.
- Park JG, Jiang D, Lee B, Jun HB. Towards the practical application of bioelectrochemical anaerobic digestion: insights into electrode materials, reactor configurations, and process designs. Water Res. 2020;184:116214.
- Cusick RD et al. Performance of a pilot-scale continuous flow microbial electrolysis cell fed winery wastewater. Appl Microbiol Biotechnol. 2011;89(6):2053-63.
- Duan H et al. Metabolic regulation of mesophilic Methanosarcina barkeri to ammonium inhibition. Environ Sci Technol. 2022;56(12):8897-907.
- Jiang Y et al. Ammonia inhibition and toxicity in anaerobic digestion: a critical review. J Water Process Eng. 2019;32:100899.
- Chen Y, Cheng JJ, Creamer KS. Inhibition of anaerobic digestion process: a review. Bioresour Technol. 2008;99(10):4044-64.
- Liu X, Chen J, Lin DH, Pavlostathis SG. Long-term evaluation of the effect of peracetic acid solution on anaerobic wastewater treatment: process performance and microbial community structure. Chem Eng J. 2022;436:135262.
- EPA. Method 1684: Total, Fixed, and Volatile Solids in Water, Solid, and Biosolids Draft 20. 2001.
- HACH. DR 2800 Spectrophotometer Procedures Manual. 2007.
- HACH. Nitrogen, Ammonia-Salicylate HR Method 10205, TNTplus 832. 2007.
- HACH. Sulfate Method 8051, SulfaVer 4 method, powder pillows or AccuVac ampuls, range: 2-70 mg/L. 2007.
- HACH. Sulfide, Methylene Blue Method 8131. 2007.
- Gomez-Romero J et al. Continuous two-staged co-digestion process for biohydrogen production from agro-industrial wastes. Int J Energy Res. 2016;40(2):257-72.
- Xu F et al. Identical full-scale biogas-lift reactors with anaerobic granular sludge and residual activated sludge for brewery wastewater treatment and kinetic modeling. J Environ Sci. 2013;25(10):2031-40.
- Buyukkamaci N, Filibeli A. Volatile fatty acid formation in an anaerobic hybrid reactor. Process Biochem. 2004;39(11):1491-4.
- Wang Y, Zhang Y, Wang J, Meng L. Effects of volatile fatty acid concentrations on methane yield and methanogenic bacteria. Biomass Bioenergy. 2009;33(5):848-53.
- Sleutels THJA, Molenaar SD, Heijne AT, Buisman CJN. Low substrate loading limits methanogenesis and leads to high coulombic efficiency in bioelectrochemical systems. Microorganisms. 2016;4(1):1.
- Zarabadi MP, Charette SJ, Greener J. Flow-based deacidification of Geobacter sulfurreducens biofilms depends on nutrient conditions: a microfluidic bioelectrochemical study. ChemElectroChem. 2018;5(23):3645-53.
- Sasaki K et al. Changes in the microbial consortium during dark hydrogen fermentation in a bioelectrochemical system increases methane production during a two-stage process. Biotechnol Biofuels. 2018;11(1):173.
- Castellano-Hinojosa A et al. Hydraulic retention time drives changes in energy production and the anodic microbiome of a microbial fuel cell. J Water Process Eng. 2024;59:104966.
- Song YC, Feng Q, Ahn Y. Performance of the bio-electrochemical anaerobic digestion of sewage sludge at different hydraulic retention times. Energy Fuels. 2016;30(1):352-9.
- Tartakovsky B, Mehta P, Bourque JS, Guiot SR. Electrolysis-enhanced anaerobic digestion of wastewater. Bioresour Technol. 2011;102(10):5685-91.
- He W et al. Enhanced methanogenesis of waste-activated sludge in a continuous stirring tank reactor with stealth electrodes. Fermentation. 2024;10(3):3.
- Kanellos G, Tremouli A, Arvanitakis G, Lyberatos G. Computational analysis of the kinetic processes of microbial electrolysis cell-assisted anaerobic digestion using the ADM1. Water. 2023;15(22):22.
- Cruz Viggi C et al. Magnetite particles triggering a faster and more robust syntrophic pathway of methanogenic propionate degradation. Environ Sci Technol. 2014;48(13):7536-43.
- Zhao Z et al. Communities stimulated with ethanol to perform direct interspecies electron transfer for syntrophic metabolism of propionate and butyrate. Water Res. 2016;102:475-84.
- Rotaru AE et al. A new model for electron flow during anaerobic digestion: direct interspecies electron transfer to Methanosaeta for the reduction of carbon dioxide to methane. Energy Environ Sci. 2014;7(1):408-15.
- Park J, Lee B, Tian D, Jun H. Bioelectrochemical enhancement of methane production from highly concentrated food waste in a combined anaerobic digester and microbial electrolysis cell. Bioresour Technol. 2018;247:226-33.
- Dou Z, Dykstra CM, Pavlostathis SG. Bioelectrochemically assisted anaerobic digestion system for biogas upgrading and enhanced methane production. Sci Total Environ. 2018;633:1012-21.
- Gajaraj S, Huang Y, Zheng P, Hu Z. Methane production improvement and associated methanogenic assemblages in bioelectrochemically assisted anaerobic digestion. Biochem Eng J. 2017;117:105-12.
- Yu J, Kim S, Kwon OS. Effect of applied voltage and temperature on methane production and microbial community in microbial electrochemical anaerobic digestion systems treating swine manure. J Ind Microbiol Biotechnol. 2019;46(7):911-23.
- Cheng KY, Ho G, Cord-Ruwisch R. Energy-efficient treatment of organic wastewater streams using a rotatable bioelectrochemical contactor. Bioresour Technol. 2012;126:431-6.
- Chen H et al. Brewery wastewater treatment using an anaerobic membrane bioreactor. Biochem Eng J. 2016;105:321-31.
- Ince BK, Ince O, Sallis PJ, Anderson GK. Inert COD production in a membrane anaerobic reactor treating brewery wastewater. Water Res. 2000;34(16):3943-8.
- Parawira W, Kudita I, Nyandoroh MG, Zvauya R. A study of industrial anaerobic treatment of opaque beer brewery wastewater in a tropical climate using a full-scale UASB reactor seeded with activated sludge. Process Biochem. 2005;40(2):593-9.
- Yu H, Gu G. Biomethanation of brewery wastewater using an anaerobic upflow blanket filter. J Clean Prod. 1996;4(3):219-23.
- Alonso RM, Escapa A, Sotres A, Morán A. Integrating microbial electrochemical technologies with anaerobic digestion to accelerate propionate degradation. Fuel. 2020;267:117158.
- Feng Q, Song YC, Bae BU. Influence of applied voltage on the performance of bioelectrochemical anaerobic digestion of sewage sludge and planktonic microbial communities at ambient temperature. Bioresour Technol. 2016;220:500-8.
- Cristiani L, Leobello L, Zeppilli M, Villano M. Role of C/N ratio in a pilot scale microbial electrolysis cell for biomethane production and biogas upgrading. Renew Energy. 2023;210:355-63.
- Feng H et al. The effect of carbon sources on nitrogen removal performance in bioelectrochemical systems. Bioresour Technol. 2013;128:565-70.
- Huang B et al. The effect of C/N ratio on nitrogen removal in a bioelectrochemical system. Bioresour Technol. 2013;132:91-8.
- Al Hasani Z et al. Prospect of conductive materials in the anaerobic digester matrix for methane production: electron transfer and microbial communication. Water. 2025;17(9):1321.