Artículo de investigación

Digestión anaeróbia mejorada bioquímicamente de aguas residuales de cervecería a temperatura ambiente: rendimiento, rendimiento de metano y eficiencia energética

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DOI:

10.3791/70884

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31 de julio de 2026

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1Department of Civil and Environmental Engineering, Carleton University, 2Department of Bioresource Engineering, McGill University

En este artículo

Resumen

Se desarrolló un sistema continuo de digestión anaeróbica mejorada bioelectroquímicamente (BEAD) para el tratamiento de aguas residuales de cervecería, que demostró una mejor eliminación de la demanda química de oxígeno, degradación de ácidos grasos volátiles, producción de metano y eficiencia energética en comparación con la digestión anaeróbica convencional bajo operación a temperatura ambiente.

Resumen

La digestión anaeróbica mejorada bioelectroquímicamente (BEAD) ha surgido como un enfoque prometedor para mejorar la producción de metano y la estabilidad del proceso durante el tratamiento de aguas residuales industriales de alta resistencia. En este estudio, se operó un reactor BEAD de flujo ascendente continuo durante 365 días para evaluar su desempeño en el tratamiento de aguas residuales reales de cervecería a temperatura ambiente (22–24 °C). Se investigaron sistemáticamente y compararon sistemáticamente los efectos de la tasa de carga orgánica (OLR; 1–7 g sCOD/L∙d), el tiempo de retención hidráulica (HRT) y el potencial aplicado (1,2 V) sobre la eliminación de materia orgánica, la degradación de ácidos grasos volátiles (VFA), la producción de metano y la eficiencia energética con la digestión anaeróbica convencional (EA). El sistema BEAD logró eficiencias de eliminación de alta demanda química de oxígeno (COD) (>92%) en OLRs de hasta 5 g sCOD/L∙d y demostró una degradación superior de los AGV complejos, especialmente los ácidos propiónico y butírico. El rendimiento de metano aumentó con el aumento de la OLR, alcanzando un máximo de 0,35 LCH₄/g de sCODeliminado con un OLR de 7 g de sCOD/L∙d. En comparación con la DA, el BEAD aumentó la producción de metano entre un 16 y un 30% con OLRs más altos, manteniendo la calidad estable del biogás (≈74–75% de CH₄). Aunque acortar la THS con OLRs altos redujo el rendimiento global, BEAD superó consistentemente a la DA. El sistema mostró una alta eficiencia energética (~1000%), lo que sugiere que podría servir como un candidato robusto y altamente eficiente energéticamente para el tratamiento de aguas residuales de cervecería en regiones frías.

Introducción

La contaminación del agua sigue siendo una preocupación global importante, perjudicando la salud humana y alterando los ecosistemas. La industria cervecera está entre los mayores generadores industriales de aguas residuales, produciendo entre 3 y 10 L de aguas residuales por litro decerveza 1,2. El consumo global de cerveza resultó en la producción de 188Mm 3 de cerveza en 2023, situándose como la quinta bebida más consumida a nivel mundialcon un 3,4. La cerveza también es una bebida popular en Canadá, como lo demuestra el aumento del número de cervecerías de 1.120 en 2019 a 1.210 en 20205.

Las cervecerías gestionan principalmente sus aguas residuales vertiéndolas en los sistemas municipales de alcantarillado, ya sea directamente o tras el pretrato. Sin embargo, las plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales (WWTP) suelen tener dificultades con los efluentes industriales de alta resistencia, lo que lleva a límites regulatorios en muchos países 2,6,7. En muchos casos, los gobiernos municipales pueden imponer recargos sobre los efluentes de alta concentración para disuadir dichos vertidos, lo que podría llevar a un aumento de los costes operativos para lascervecerías. Por lo tanto, las cervecerías deben tomar medidas para gestionar sus aguas residuales de forma más eficaz y a menor coste. Instalar sistemas de tratamiento in situ que no solo reduzcan las cargas contaminantes, sino que también aprovechen el potencial energético de los compuestos orgánicos en las aguas residuales de la cervecería, ofrece una alternativaviable 9.

Los procesos anaeróbicos pueden tratar eficazmente aguas residuales de alta resistencia con bajo consumo energético mientras convierten los residuos en biogás, que luego puede transformarse en electricidad, gas renovable o energíatérmica 10. La digestión anaeróbica (EA) es un proceso indirecto de transferencia de electrones interespecies (IIET) en el que los intermediarios transfieren electrones entre bacterias acidogénicas y arqueas metanogénicas a través de reacciones enzimáticascomplejas 11. Sin embargo, estas reacciones se enfrentan a limitaciones termodinámicas que impiden la transferencia completa de electrones desde los sustratos iniciales al metano, lo que provoca pérdidas notables de electrones y una reducción de la producción demetano 12. La estabilidad del DA está influida por estos mecanismos de transferencia de electrones, y las interrupciones suelen conducir a la acumulación de intermediarios, como hidrógeno o VFAs (ácidos grasos volátiles). El desequilibrio entre bacterias acidogénicas y metanógenos es un factor principal que contribuye a esta acumulación. Altas tasas de carga orgánica (OLR) en las aguas residuales de la cervecería pueden agravar este desequilibrio, superando la capacidad de los metanógenos para utilizar losVFAs 13 producidos.

La digestión anaeróbica mejorada bioelectroquímicamente (BEAD) utiliza transferencia directa de electrones entre especies (DIET) para transferir electrones directamente desde sustratos orgánicos al metano, evitando así el IIT, más lento y menos eficiente, en la AD convencional. En DIET, los electrones se transfieren directamente entre especies microbianas mediante citocromos, pilos conductores o agregados multiespecie sin necesidad de un transbordador intermediode electrones 12. Los sistemas BEAD utilizan corrientes eléctricas externas para mejorar la degradación de los VFAs de cadena corta, como el butirato y el propionato, haciendo el proceso más estable que el AD14, 15 y 16 convencional. Además, los sistemas BEAD promueven interacciones sintróficas microbianas, que aceleran la producción de metano gracias a la mejora de la descomposición global de laVFA 17. Los estudios han demostrado que el BEAD puede aumentar los rendimientos de metano en comparación con el AD convencional debido a vías adicionales de metanogénesis, como la captación directa de electrones por electrodos (electrometanogénesis)18,19.

La investigación sobre aguas residuales cerveceras en BEAD es limitada, con la mayoría de los estudios realizados a temperaturas mesofílicas (30–35 °C) o utilizando aguas residualessintéticas 20,21,22,23,24,25. Aunque las condiciones mesofílicas son ideales para diversos microorganismos, optimizar el sistema BEAD a temperatura ambiente (22–24 °C) es crucial para aplicaciones prácticas, especialmente en regiones frías como Canadá. Además, utilizar aguas residuales reales de cervecería ofrece una representación más precisa de los desafíos que se encuentran en escenarios reales. Este estudio pretende cubrir las carencias clave evaluando parámetros críticos para el tratamiento y la producción de metano a partir de aguas residuales reales de cervecería en un reactor BEAD a temperatura ambiente.

La tasa de carga orgánica (LR) es un parámetro operativo importante en los sistemas BEAD, reflejando la capacidad del sistema para procesar compuestos orgánicos de manera eficaz. Un OLR alto puede provocar una acumulación excesiva de ácido, lo que puede dificultar la metanogénesis. Por lo tanto, es crucial gestionar el OLR para lograr una eficiencia óptima del tratamiento y producciónde metano 26,27. Los investigadores investigaron principalmente el impacto de la OLR en el rendimiento de los BEAD utilizando una mezcla sintética de ácidosorgánicos 28,29,30,31, lodos activados por residuos (WAS)26, residuos de plantas detomate 32, residuosalimentarios 33 y suspensión debasura 34. La mayoría de los estudios sobre BEAD con aguas residuales de cervecería han empleado OLRs bajos, y solo un estudio evaluó el impacto de diferentes OLRs en la eficiencia de BEAD al tratamiento de aguas residuales de cervecería. Pan et al.22 informaron que la producción de metano aumentó gradualmente con la OLR, alcanzando 5,64 L/L∙d con un OLR de 20 g COD/L∙d, superando la AD convencional bajo condiciones mesofílicas (35 °C). Además, aunque el rendimiento de AD disminuyó con OLRs elevados, el sistema BEAD se mantuvo estable incluso con OLRs más altos. Hasta donde sabemos, ningún estudio ha explorado el impacto del OLR en el rendimiento de los BEAD utilizando aguas residuales reales de cervecería a temperatura ambiente. Por ello, este estudio pretende examinar cómo diferentes OLRs afectan a la degradación de aguas residuales reales de cervecería y a la posterior producción de metano a temperatura ambiente.

El voltaje aplicado es otro parámetro operativo importante en los sistemas BEAD. El voltaje aplicado favorece el crecimiento de metanógenos hidrogenotróficos, aumentando así la estabilidad del proceso. Además, el voltaje suministrado afecta la producción de metano así como a la resistencia interna dentro delsistema 35,36,37. Solo un número limitado de estudios ha explorado cómo la ausencia/presencia de voltaje afecta al rendimiento BEAD con aguas residualesde cervecería 20, 21, 25. Por ejemplo, Guo et al.21 probaron tres reactores BEAD con diferentes relaciones cátodo-ánodo de 1, 2,5 y 4 cm2/cm 3 a 35 °C utilizando aguas residuales sintéticas de cervecería, encontrando que un sistema de circuito cerrado (0,9 V) aumentaba la producción de metano en un 42%, 121% y 61%, respectivamente, en comparación con un circuito abierto (0 V). Sin embargo, la investigación que utiliza aguas residuales reales de cervecería a temperatura ambiente sigue siendo limitada, lo que pone de manifiesto la necesidad de una investigación más profunda.

El objetivo principal de este estudio fue investigar la viabilidad y el rendimiento de un sistema de digestión anaeróbica mejorada bioelectroquímicamente (BEAD) para tratar aguas residuales reales de cervecería a temperatura ambiente (22–24 °C). En comparación con estudios BEAD anteriores realizados principalmente bajo condiciones mesofílicas, este estudio enfatiza el funcionamiento a largo plazo de BEAD a temperatura ambiente, que es de particular importancia ingenierística porque evita la necesidad de calentamiento continuo de reactores y reduce la demanda energética. En concreto, el estudio evaluó los efectos de diferentes tasas de carga orgánica (OLR) y el impacto del voltaje aplicado en la degradación de aguas residuales, la estabilidad del proceso y la producción de metano. Al operar un reactor BEAD bajo condiciones controladas, este estudio buscó identificar parámetros operativos óptimos que mejoren la descomposición de ácidos grasos volátiles (AFV) y el rendimiento de metano, manteniendo la estabilidad del sistema. Se espera que los resultados aporten conocimientos prácticos sobre la aplicación de la tecnología BEAD para el tratamiento de aguas residuales en las cervecerías.

Protocolo

No se requirió aprobación ética para este estudio, ya que no involucró a participantes humanos ni a sujetos animales. Las muestras de aguas residuales y lodos se recogieron y trataron conforme a los protocolos estándar de seguridad de laboratorio.

Alimentación e inóculo

Inicialmente, el acetato de sodio se utilizaba como fuente suplementaria de carbono para iniciar la actividad microbiana en los reactores. Tras el arranque del reactor, se introdujeron de forma incremental aguas residuales de cervecería reales obtenidas de Dominion City Brewing Co., Ottawa, reemplazando gradualmente el acetato de sodio (aproximadamente 5 días). Las características de las muestras de aguas residuales de la cervecería (Tabla 1) variaron con cada lote (17 lotes en total), permitiendo evaluar la adaptabilidad del sistema a condiciones reales. En Dominion City, sólidos como el lúpulo y la levadura se separan antes de que las aguas residuales se recojan en dos tanques finales. Se tomaron muestras por lotes de estos tanques, se transportaron al laboratorio y centrifugaron a 12.000 × g a temperatura ambiente (22 °C) para eliminar sólidos residuales. El sobrenadante resultante se almacenaba a 4 °C hasta su uso. El inóculo era lodo mesófilo digerido anaerobicamente recogido en el Centro Ambiental Robert O. Pickard (ROPEC) en Ottawa. Antes de su introducción, el lodo se aclimataba con las aguas residuales centrífugas de la cervecería en botellas de vidrio de 500 mL durante 14 días a 480 × g a temperatura ambiente (22 °C).

Configuración del reactor

Este estudio utilizó un reactor BEAD de flujo ascendente de una sola cámara fabricado en vidrio cilíndrico (435 mm de altura, 54 mm de diámetro), con un volumen total de 1 L y un volumen efectivo de trabajo de 0,65 L. El influyente se introducía en el reactor mediante una bomba peristáltica y se controlaba mediante un temporizador digital para controlar la velocidad de alimentación. Para mejorar la mezcla y la transferencia de masa gas-líquido, un bucle de recirculación conectaba la parte superior e inferior del reactor (Figura 1A), mantenido a 70 mL/min mediante una segunda bomba peristáltica. Los electrodos consistían en cuadrados apilados de fieltro carbono de 25 mm × 25 mm, con una altura total de 130 mm (Figura 1B,C). Se colocó un separador geotextil no conductor de 3 mm de grosor con perforaciones de 2 mm entre el ánodo y el cátodo para evitar el contacto, resultando en un espaciado de 3 mm entre los electrodos. El ánodo se posicionaba sobre el cátodo para evitar que el hidrógeno se escapara a la bolsa de gas, dada la baja solubilidad del hidrógeno en agua. Se insertó un hilo de titanio de 1 mm de grosor recubierto con óxido metálico mezclado de iridio (Ir-MMO) en el fieltro de carbono y sirvió como colector de corriente para ambos electrodos. Los colectores de corriente estaban conectados a un potenciostat (AUTM101. S, Metrohm, Suiza), que se utilizó para aplicar y mantener un potencial controlado a través de los electrodos y monitorizar continuamente la respuesta electroquímica del sistema. Se mantuvo un voltaje aplicado de 1,2 V entre el ánodo y el cátodo durante toda la operación del reactor. El reactor AD, utilizado como grupo de control en este estudio, tenía la misma configuración que el reactor BEAD pero funcionaba sin un potencial aplicado.

Diseño experimental y procedimiento

El estudio se llevó a cabo durante 365 días, incluyendo 17 fases operativas (de 10 a 20 días cada una) en tres etapas principales, cada una evaluando el rendimiento del reactor BEAD bajo diferentes condiciones operativas. Antes de la recogida de datos, cada fase se operaba hasta alcanzar condiciones estables. Esta duración prolongada permitió evaluar el rendimiento y la estabilidad a largo plazo de los BEAD, en contraste con los estudios típicos a corto plazo o en modo batch. El uso de múltiples lotes de aguas residuales reales de cervecería introdujo variabilidad compositiva; sin embargo, el rendimiento del reactor se evaluó bajo condiciones de estado estacionario dentro de cada fase, asegurando que los resultados reportados reflejen un comportamiento estable del sistema y no fluctuaciones a corto plazo.

Fases de arranque: Arranque del reactor (impacto de la relación influyente entre VFA/sCOD)

El reactor BEAD fue inoculado con 350–400 mL de lodos anaeróbicos preaclimatados. Inicialmente operado en modo lote con acetato de sodio y un potencial aplicado de 1,2 V, el sistema mantuvo una HRT alta de 16 días para apoyar el crecimiento de microorganismos electroactivos minimizando el lavado de biomasa. Tras dos semanas, el reactor pasó a operación de flujo continuo, utilizando acetato de sodio a un OLR de 2 g sCOD/L∙d con un caudal diario de 120–130 mL, resultando en una HRT de 5 días. Una vez estable, el alimento fue reemplazado gradualmente por aguas residuales de cervecería: primero al 70%/30% (acetato/aguas residuales), luego al 50%/50% y finalmente al 80%/20% antes de alcanzar el 100% de aguas residuales de cervecería (Tabla 2). Esta etapa también evaluó el impacto de diferentes relaciones influyentes entre VFA/sCOD en el rendimiento de los BEAD, ya que el acetato de sodio tiene una composición de AFV más simple que los AGV más complejos en aguas residuales de cervecería, que influyen en la actividad microbiana y la producción de metano. Los resultados de esta etapa se han discutido en el Archivo Suplementario 1 (Figuras Suplementarias 1–5 y Tabla Suplementaria 1)12,38,39,40,41,42.

Cuando el alimento se cambió a aguas residuales de 100% cervecería con un OLR de 2 g sCOD/L∙d, el rendimiento de metano disminuyó en comparación con el suministro solo de acetato. Las pruebas de inhibición, Archivo Suplementario 1 (Tabla Suplementaria 2), confirmaron que la inhibición por aguas residuales de cervecería no era el problema principal. Por ello, la LR se incrementó para estimular la actividad microbiana con una mayor disponibilidad de sustrato. Durante un intervalo de tres meses entre las fases 5 y 6 se realizaron pruebas de recuperación del reactor y de inhibición. Durante este periodo, el reactor operó de forma continua bajo condiciones controladas utilizando aguas residuales de la cervecería, mientras se realizaban experimentos adicionales para evaluar posibles compuestos inhibitorios, incluyendo nitrógeno total de amoníaco (TAN), sulfato, sulfuro, peróxido de hidrógeno (H₂O₂) y ácido peracético (PAA). Los resultados confirmaron que ninguno de estos compuestos estaba presente en concentraciones inhibitorias. El reactor se mantuvo bajo condiciones de funcionamiento estables hasta que se restableció el rendimiento en estado estacionario, como lo indican la producción constante de metano, la eliminación de COD y la degradación del VFA. Las fases experimentales posteriores se reanudaron solo tras confirmar que el rendimiento del reactor se había estabilizado y era comparable a las condiciones previas a la brecha. Los datos de este periodo de recuperación y pruebas se omitieron del análisis para garantizar la consistencia entre las fases operativas definidas.

Fase 1: Impacto de la OLR

En esta etapa, el reactor BEAD se alimentó exclusivamente con aguas residuales de la cervecería para explorar el efecto de los OLRs variables (1–7 g sCOD/L∙d) bajo un potencial aplicado de 1,2 V (Tabla 2). La variación en los niveles de COD de aguas residuales cerveceras también provocó fluctuaciones en la HRT, especialmente en el OLR más alto (7* g sCOD/L∙d), donde los experimentos se realizaron bajo dos HRT de 2 y 4 días (* indica diferentes HRT con el mismo OLR de 7 g sCOD/L∙d; 7 g sCOD/L∙d es HRT a 3–4 días, 7* g de sCOD/L∙d es la THS a los 2 días). Esto permitió evaluar cómo la THS influía en la producción de metano, la degradación del sustrato y la eficiencia general del proceso.

Etapa 2: Impacto del potencial aplicado

Esta etapa evaluó el efecto de la presencia o ausencia de potencial aplicado (1,2 V) sobre el rendimiento del reactor y la producción de metano utilizando aguas residuales de la cervecería. El reactor de control sin potencial aplicado (AD) y el reactor BEAD se probaron en OLRs de 2, 3, 5 y 7 g sCOD/L∙d. El control AD se operaba como un reactor separado con la misma configuración que el reactor BEAD, pero sin un potencial aplicado. Ambos reactores operaron en paralelo bajo condiciones comparables. Además, con un OLR de 7* g sCOD/L∙d, la HRT se redujo de 4 días a 2 días, permitiendo investigar el impacto del potencial aplicado bajo una HRT más corta (Tabla 2).

Métodos analíticos

Se midieron sólidos totales (TS) y sólidos volátiles (VS) utilizando el Método Estándar 168443. La COD soluble (sCOD) se analizó utilizando el Método Estándar deDCO 44 con tubos de reactivos. Antes del análisis, las muestras se filtraban utilizando un filtro de vacío equipado con una membrana de 0,45 μm del tamaño de un poro. La concentración de amoníaco se determinó utilizando el kit de reactivosde amoníaco 45. El sulfato se midió utilizando el kit de reactivosde sulfato 46. El sulfuro se analizó utilizando el kit de reactivosde sulfuro 47. Todos los análisis HACH se realizaron utilizando el espectrofotómetro. El peróxido de hidrógeno y el ácido peracético se midieron utilizando el kit de prueba de ácido peracético mediante el método del frasco cuentagotas. El biogás se recogía en una bolsa de gas y su volumen se cuantificaba cada día con una jeringuilla hermética, realizándose todas las mediciones en triplicado. La composición del biogás se analizó utilizando un microcromatógrafo de gases (GC), con argón como gas portador, un detector TCD y una temperatura de inyección de 110 °C. Los volúmenes de biogás se midieron directamente de bolsas de recogida de gas y se informan como valores medidos bajo condiciones de laboratorio consistentes. Los volúmenes de gas se informan de forma húmeda. Todas las mediciones de gas se realizaron bajo condiciones de presión cercanas a la atmosférica, y se mantuvieron conexiones herméticas para minimizar las fugas de gas. El sistema se revisaba regularmente para asegurar la integridad del sellado durante todo el experimento.

Los VFA, incluyendo acetato, propionato y butirato, se cuantificaron mediante cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) con una longitud de onda de absorción de 210 nm. Las fases móviles consistían en 100% acetonitrilo y 2,5 mM de ácido metanosulfónico, y el análisis se realizó utilizando una columna (5 μm, 4 mm × 150 mm) a 30 °C con un caudal constante de 1 mL/min para la fase móvil. El pH y la temperatura del reactor se monitorizaban continuamente mediante un medidor. Durante la operación del reactor, el pH se mantuvo dentro de un rango típico de 6,5–7,5, lo que indica condiciones de funcionamiento estables. La generación actual se registró cada 5 minutos usando un potenciostato, bajo un potencial aplicado fijo de 1,2 V.

Cálculos

La eficiencia y tasa de eliminación de COD se determinaron utilizando las siguientes ecuaciones:

figure-protocol-1 Ecuación 1

figure-protocol-2 Ecuación 2

El OLR de alimentación se calculó usando la Ecuación 3, como se muestra a continuación, donde la velocidad de avance se expresa en litros por día (L/d) y el volumen del reactor en litros.

figure-protocol-3 Ecuación 3

Las siguientes ecuaciones se utilizaron para calcular el rendimiento específico de metano basándose en la COD eliminada (LCH 4/g sCODeliminado) y la COD añadida (LCH 4/g sCODañadido):

figure-protocol-4 Ecuación 4

figure-protocol-5 Ecuación 5

Donde es el volumen de metano producido por día (LCH 4/día) y y son la cantidad de sCODeliminada por día (g sCODeliminado/d) y sCOD que entra en el reactor por día (g sCODañadido/d), respectivamente.

La densidad de corriente se calculaba normalizando la corriente medida (I) en amperios (A) al volumen de trabajo del reactor (V), expresado en metros cúbicos (m3). La densidad de corriente se indica en A/m 3 y se describe mediante la siguiente ecuación:

figure-protocol-6 Ecuación 6

La eficiencia coulombiana (CE) se calculó para evaluar la eficiencia de la recuperación de electrones como corriente del CODeliminado. Se define como la relación entre la carga total (en coulombs) recuperada como corriente (QC) y la carga teórica que podría recuperarse basándose en la COD eliminada (QT). La carga total recuperada (QC) se determinó integrando la corriente medida a lo largo del tiempo:

Qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t Eq.7

donde es la corriente medida (A) en cada intervalo de tiempo, y Δt es el intervalo de registro (s).

La carga teórica (QT) se calculó en base a la eliminación de COD, asumiendo que se transfiere 1 mol de electrones por cada 8 g deCOD eliminado, según la ley de Faraday:

figure-protocol-7 Ecuación.8

donde F es la constante de Faraday (96.485 C/mol e⁻), y se expresa en gramos.

Así, la CE se calculó como:

figure-protocol-8 Ecuación 9

La eficiencia energética (ηE), definida aquí como la eficiencia de conversión energética de electricidad a metano, se utiliza para evaluar la eficacia de convertir la entrada eléctrica en una producción adicional de metano en el sistema BEAD. Se define como la relación entre la energía producida en forma de metano y la energía consumida por el sistema para mantener los procesos electroquímicos. Cabe señalar que la eficiencia energética reportada representa un balance energético parcial centrado en la entrada eléctrica y no tiene en cuenta otras demandas energéticas operativas (por ejemplo, bombeo y recirculación). Por lo tanto, no debe interpretarse como la eficiencia energética global del sistema. La eficiencia energética se calculó usando la siguiente fórmula:

figure-protocol-9 Ecuación 10

ΔW CH4 = ΔV CH4 × LHV Ecuación 11

WE = I × E × ∆t Ecuación 12

donde:

ΔWCH4 representa la energía recuperada en el BEAD, la diferencia de energía producida como metano entre el reactor BEAD y el reactor de control AD, medida en vatios-hora (Wh).

ΔV CH4 denota la diferencia en el volumen de metano producido entre el reactor BEAD y el reactor de control AD, expresada en litros (L).

El LHV es el menor valor calorífico del metano, aproximadamente 9,6 Wh/L.

WE es la cantidad de energía eléctrica consumida proporcionando potencial aplicado, medida en vatios-hora (Wh), E es el voltaje en voltios (V) y Δt es el tiempo de intervalo (24 h).

Análisis estadístico

Los datos recogidos de los experimentos se analizaron estadísticamente utilizando ANOVA (Análisis de Varianza) para evaluar la importancia de parámetros operativos como la LR, el potencial aplicado y la TRH en indicadores clave de rendimiento, incluyendo el rendimiento de metano, la eliminación de la COD y la degradación de la AGV. Los puntos de datos estables se definieron como mediciones consecutivas obtenidas bajo condiciones de estado estacionario, donde los parámetros clave mostraron variaciones inferiores al ±5% a lo largo del tiempo. Se seleccionaron y promediaron tres puntos de datos estables de cada fase, que representan mediciones en serie del mismo reactor bajo condiciones de estado estacionario, para representar esa fase. Cabe señalar que cada fase incluía múltiples lotes de aguas residuales reales de cervecería con características variables (por ejemplo, composición sCOD y VFA). Estas variaciones se incorporaron inherentemente al análisis basado en fases, permitiendo evaluar la adaptabilidad del sistema bajo condiciones realistas. La desviación estándar se utilizó como barra de error en las cifras para reflejar la variabilidad. Todos los análisis estadísticos se realizaron utilizando una hoja de cálculo. Se adoptó un nivel de significación estadística del 95%, lo que indica que los resultados con un valor p inferior a 0,05 se consideran estadísticamente significativos (p < 0,05).

Resultados

Efecto de la Tasa de Carga Orgánica (OLR) en el rendimiento del BEAD - Etapa 1:

Efecto del OLR en el rendimiento de eliminación de COD

Como se muestra en la Figura 2 y detallado en la Tabla 3, el sistema BEAD mantuvo altas eficiencias de eliminación de COD incluso con OLRs altos, logrando 92,7 ± 0,6% de eliminación con un OLR alto de 5 g sCOD/L∙d. Este rendimiento es especialmente notable en comparación con otros estudios BEAD realizados en condiciones controladas y con OLRs más bajos. Por ejemplo, en OLRs de 1 y 2 g sCOD/L∙d, el reactor logró una eficiencia de eliminación de COD del 96,2%, superando los resultados de Sangeetha et al.24 y Guo et al.21, quienes reportaron eliminaciones máximas de COD del 90% y 80%, respectivamente, a 30–35 °C utilizando aguas residuales sintéticas de cervecería.

Las reducciones en la THS con OLRs más altos condujeron a disminuciones correspondientes en la eficiencia de eliminación de COD. A medida que la TRH disminuyó de 5,2 ± 0,1 días con un OLR de 5 g de sCOD/L∙d a 4,4 ± 0,3 y 3,7 ± 0,1 días con OLRs de 6 y 7 g de sCOD/L∙d, respectivamente, las eficiencias de eliminación de la COD disminuyeron significativamente hasta 85,1 ± 1,7% y 79,2 ± 0,8% (p < 0,05). Una reducción adicional de la THS a 2,1 ± 0,2 días con un OLR de 7* g sCOD/L∙d redujo la eliminación de la COD a 64,6 ± 2,1% (p < 0,05). Esta tendencia indica que una THS corta con una OLR alta puede provocar inhibición del sustrato y lavado de biomasa, lo que podría limitar la capacidad del sistema BEAD para mantener mejoras bioelectroquímicas, potencialmente asociadas con la DIET, que son importantes para una degradación eficiente de laCOD 48. Estos resultados coinciden con los hallazgos de Sangeetha et al.23, quienes observaron una disminución en la eliminación de la COD en un BEAD que trataba aguas residuales de cervecería sintéticas cuando la HRT se redujo de 36 a 12 horas, mientras que la OLR aumentaba de 1,5 a 4,4 g de COD/L∙d. A pesar de estos desafíos, el reactor BEAD en este estudio demostró un rendimiento excelente a OLRs altos en comparación con los sistemas AD tradicionales. Por ejemplo, Xu et al.49 reportaron una eliminación del 80% de COD con una OLR de 7,4 g COD/L∙d bajo condiciones ideales a 35 °C, un valor comparable a nuestro 79,2 ± 0,8% a 7 g de sCOD/L∙d, logrado a temperatura ambiente (22 °C).

Eliminación de VFA bajo diferentes OLR

Como se muestra en la Figura 3A, el aumento de las OLR no dificultó la capacidad de BEAD para mejorar la eliminación de VFA, ya que BEAD gestionó cargas de VFA influyentes más altas manteniendo tasas relativamente estables de VFA en efluentes. Por ejemplo, a pesar de un aumento en la tasa de AFV influyente de 1,8 g de sCOD/L∙d con una OLR de 6 a 2,9 g de sCOD/L∙d y una OLR de 7, la tasa de AFV de efluentes se mantuvo estable en 0,8 g sCOD/L∙d. Esta estabilidad en todas las OLR demuestra la eficacia de BEAD para degradar los AGV y su capacidad para prevenir la acumulación de AGV que normalmente es responsable de las caídas de pH y la inhibición microbiana en sistemas tradicionales de AD50,51.

Además, el sistema demostró una capacidad excepcional para degradar los complejos AGV, ácidos propiónico y butírico, conocidos por sus tasas de degradación más lentas en procesosanaeróbicos. Por ejemplo, el BEAD logró la eliminación del 100% de ácido propiónico en los OLRs 5 y 7 g de sCOD/L∙d y una reducción sustancial del ácido butírico de 1,2 a 0,3 g de sCOD/L∙d con un OLR de 7 g de sCOD/L∙d, como se muestra en la Figura 3B y la Tabla 4. Los resultados también sugieren que mantener una THS óptima es crucial para una degradación efectiva del AFV en el BEAD, especialmente en OLRs altos, donde la actividad bioelectroquímica se intensifica. Aunque el sistema mostró altas tasas de degradación de la VFA de OLRs de 5 a 7 g sCOD/L∙d, incluso con la disminución de la HRT de 5,2 ± 0,1 a 3,7 ± 0,1 días, una reducción adicional a 2,1 ± 0,0 días con un OLR de 7* g sCOD/L∙d resultó en un descenso notable en el rendimiento. Esto fue evidente en el aumento significativo de la tasa de AGV de efluentes de 0,8 a 2,4 g de sCOD/L∙d. En particular, la tasa de ácido acético del efluente aumentó bruscamente de 0,6 a 1,8 g de sCOD/L∙d, y el ácido propiónico, completamente eliminado con una OLR de 7, aumentó a 0,4 g de sCOD/L∙d. También se vio afectada la eliminación del ácido butírico, aunque en menor medida.

Rendimiento en la producción del capítulo4 :

Rendimiento de CH4 (basado en la eliminación de COD) y producción volumétrica de CH4

Mayores OLRs aumentaron significativamente el rendimiento y el volumen de metano en el BEAD, lo que indica los beneficios de una mayor disponibilidad de sustratos para la producción de metano, evitando la sobrecarga del sistema. Como se muestra en la Figura 4A, el rendimiento de metano (basado en la eliminación de COD) alcanzó su máximo de 0,35 ± 0,01LCH 4/g sCODeliminado (el rendimiento teórico máximo) a un OLR de 7 g sCOD/L∙d. Este rendimiento representó un aumento estadísticamente significativo (p < 0,05) del 10–400% respecto a los OLR más bajos. El volumen de metano también siguió esta tendencia, alcanzando 1,93 ± 0,04 L/L∙d con un OLR de 7 g sCOD/L∙d, lo que indica aumentos del 18–2657% respecto a OLRs inferiores, como se muestra en la Tabla 3.

En comparación con otros estudios BEAD realizados en condiciones controladas, el sistema BEAD en este estudio demostró una producción superior de metano utilizando aguas residuales reales de cervecería a temperatura ambiente (22 °C). Por ejemplo, mientras que Sangeetha et al.24 reportaron un rendimiento de metano de 0,143LCH 4/g COD y un volumen de 0,367 L/L∙d en OLRs de 1–2 g COD/L∙d usando aguas residuales sintéticas de cervecería a 30 °C, nuestro sistema logró un rendimiento de metano mayor de 0,21 ± 0,01LCH 4/g sCODeliminado y un volumen de 0,43 ± 0,03 L/L∙d a un OLR de 2 g sCOD/L∙d. De manera similar, Xu et al.25 observaron un volumen de metano de 1,16 L/L∙d con un OLR de 5,8 g COD/L∙d y 35°C, mientras que nuestro sistema produjo 1,64 ± 0,05 L/L∙d con un OLR comparable de 6 g sCOD/L∙d. Aunque el rendimiento y volumen de metano se mantuvieron estables a medida que la TRH disminuyó de 5,2 ± 0,1 a 3,7 ± 0,1 días entre los OLRs 5 y 7 g de sCOD/L∙d, una reducción adicional a 2,1 ± 0,2 días con un OLR de 7* g sCOD/L∙d resultó en descensos estadísticamente significativos (p < 0,05). El rendimiento de metano disminuyó un 21%, de 0,35 ± 0,01 a 0,28 ± 0,01 LCH4/g de sCODeliminado, y el volumen de metano disminuyó un 36%, de 1,93 ± 0,04 a 1,24 ± 0,02 L/L∙d. Estas reducciones se correlacionan con la disminución de la MCO y la eliminación de la AGV discutidas anteriormente, lo que indica que las THS cortas limitan el tiempo de contacto microbiano y la conversión de orgánicos en metano. Por tanto, es esencial un tiempo de retención suficiente para mantener una eficiencia bioelectroquímica óptima bajo altas cargas orgánicas.

Rendimiento del CH4 basado en la causa de descenso añadida

El rendimiento de metano basado en la COD añadida mejoró con el aumento de las OLR, pero se estabilizó en OLRs más altas debido a las limitaciones de la HRT. Como se muestra en la Figura 4B, el rendimiento del metano aumentó significativamente (p < 0,05) de 0,07 ± 0,01 L LCH4/g sCODA a un OLR de 1 g sCOD/L∙d a 0,28 ± 0,01 LCH4/g sCODA a 5 g sCOD/L∙d. Sin embargo, de OLR 5 a 7 g sCOD/L∙d, el rendimiento se estabilizó alrededor de 0,28LCH 4/g sCODAdded, sin diferencias significativas (p > 0,05), lo que indica que aumentos adicionales en la disponibilidad de sustrato no condujeron a una mayor eficiencia de conversión. Este hallazgo se atribuye principalmente a la reducción de las THS con OLRs más altos, que limitaron la conversión de compuestos orgánicos no relacionados con el AFV en metano, a pesar de la degradación efectiva del AFV. La Tabla 5 respalda esta observación, mostrando que las tasas de eliminación de estos otros compuestos orgánicos no aumentaron entre los OLRs 5 y 7 g sCOD/L∙d, lo que resultó en un aumento en el efluente. Además, una reducción adicional de HRT en OLR 7* g sCOD/L∙d provocó una notable caída en el rendimiento de metano, lo que ilustra un umbral crítico más allá del cual ni siquiera los VFAs se convirtieron adecuadamente en metano debido a un tiempo de retención insuficiente.

Contenido del capítulo4

El contenido de metano en el BEAD mejoró con el aumento de los OLR, estabilizándose a altas cargas. Como se muestra en la Figura 4C, el sistema alcanzó su contenido máximo de metano de 75,0 ± 0,3% con un OLR de 6 g sCOD/L∙d, seguido de 74,3 ± 1,2% y 74,0 ± 0,8% en OLRs de 7 y 5 g sCOD/L·d, respectivamente. Cabe destacar que no se observaron diferencias estadísticas (p > 0,05) en el contenido de metano entre estos OLR más altos, lo que indica una calidad de biogás estable a estas altas tasas de carga. Además, el sistema superó a otros estudios de BEAD; por ejemplo, Xu et al.25 reportaron un contenido de metano del 62,3% a un OLR de 5,8 g COD/L∙d bajo temperatura controlada de 35°C y utilizando aguas residuales sintéticas, mientras que nuestro reactor logró un 75,0 ± 0,3% con un OLR de 6 g sCOD/L∙d usando aguas residuales reales a temperatura ambiente (22 °C).

Con un OLR de 7* g de sCOD/L∙d y una THS reducida de 2,1 ± 0,2 días, el contenido de metano disminuyó ligeramente hasta 72,7 ± 0,5%. Sin embargo, este cambio no fue estadísticamente significativo (p > 0,05) en comparación con el contenido de metano en una HRT de 3,7 ± 0,1 días y una OLR de 7 g sCOD/L∙d, lo que indica que el sistema mantuvo el contenido efectivo de metano incluso bajo tiempos de contacto reducidos.

Rendimiento electroquímico del sistema BEAD

Tanto la densidad de corriente como la CE mejoraron significativamente con el aumento de los OLRs y alcanzaron sus valores máximos en un OLR de 6 g sCOD/L·d, alcanzando un máximo de 13,8 ± 0,3 A/m 3 y 1,97 ± 0,04%, respectivamente. Sin embargo, aumentar aún más el OLR a 7 g sCOD/L∙d resultó en una disminución significativa del rendimiento (p < 0,05), con la densidad de corriente y el CE descendiendo a 6,2 ± 0,1 A/m 3 y 0,81 ± 0,01%, respectivamente, como se ilustra en las Figuras 5A y B. La disminución de los valores de CE indica que la mayoría de los electrones se dirigen a la producción de metano en lugar de recuperarse como corriente eléctrica, lo cual es coherente con la función principal del sistema como proceso de digestión anaeróbia. Este descenso puede atribuirse a la sobrecarga de sustratos o a desequilibrios de nutrientes en OLRs altos. Altas concentraciones de sustratos con OLRs altos pueden intensificar la competencia entre exoelectrogénicos y metanógenos en el ánodo, favoreciendo a menudo los metanógenos y reduciendo así la generación52 actual. Además, la disponibilidad limitada de nutrientes con OLRs altos puede inhibir el crecimiento y la actividad de los exoelectrógenos, reduciendo así la producción de corriente53.

En comparación con otros sistemas BEAD que utilizan aguas residuales sintéticas de cervecería, nuestro sistema demostró una mayor producción de corriente con OLRs más altos pero un rendimiento electroquímico menor con OLRs más bajos, lo que pone de manifiesto la influencia de la complejidad de aguas residuales. Por ejemplo, con un OLR de 6 g sCOD/L∙d, nuestro sistema alcanzó una densidad de corriente mayor que la de solo 1,41 A/m 3reportada por Xu et al.25 con un OLR comparable de 5,8 g COD/L∙d a 35 °C. Sin embargo, nuestro rendimiento en BEAD a un OLR de 2 g sCOD/L∙d, con una densidad de corriente de 1,9 ± 0,1 A/m 3 y CE de 1,58 ± 0,14%, fue inferior a 14,3 A/m 3y 15% observados por Sangeetha et al.24. Estos hallazgos destacan que los sustratos sintéticos mejoran la recuperación de electrones debido a la reducción de la competencia microbiana, a diferencia de las aguas residuales reales, que contienen una comunidad microbiana más diversa ycompetitiva 12,54.

Curiosamente, la producción actual se mantuvo estable a pesar de las reducciones en la THS. Específicamente, reducir la TRH de 3,7 ± 0,1 días a 2,1 días ± 0,2 días con una OLR de 7* g COD/L∙d no resultó en un cambio estadísticamente significativo en la densidad de corriente (p > 0,05), que se mantuvo estable en 6,2 A/m 3. Esta consistencia sugiere que las variaciones en la TRH no necesariamente se correlacionan con cambios en la densidad actual. Este hallazgo es fundamental porque indica que, a pesar de una reducción en la eficiencia de eliminación de orgánicos debido a un menor tiempo de contacto entre exoelectrogénios y sustratos, la tasa de transferencia de electrones al ánodo permaneció sin afectar. Esta observación coincide con los hallazgos de Castellano-Hinojosa et al.55, quienes también informaron de una densidad de corriente estable a pesar de reducciones significativas en la THS. De manera similar, Song et al.56 no observaron cambios en la densidad actual (permaneciendo en 233 A/m 3), aunque la efluente sCOD aumentó significativamente de 439,0 ± 129,8 a 749,0 ± 36 mg/L cuando la TRH se redujo de 10 a 5 días. Estos hallazgos sugieren que las interacciones bioelectroquímicas, potencialmente asociadas con la DIET, pueden seguir siendo efectivas en el BEAD incluso cuando el tiempo de retención se acorta.

Impacto del potencial aplicado en el rendimiento de BEAD - Etapa 2:

Influencia del potencial aplicado en la eliminación de COD

Los resultados mostraron que en OLRs más altos, el potencial aplicado en el sistema BEAD mejoraba la eficiencia de eliminación de COD en comparación con el sistema AD de control, pero tenía un efecto mínimo en OLRs más bajos, como se demuestra en la Figura 2 y la Tabla 3. Específicamente, con un OLR alto de 5 g sCOD/L∙d, BEAD logró una eficiencia de eliminación de COD del 92,7 ± 0,6%, significativamente superior (p < 0,05) que el 85,3 ± 0,6% observado en la DA. En contraste, a OLRs más bajos de 2 y 3 g de sCOD/L∙d, la diferencia no fue estadísticamente significativa (p > 0,05), con ambos sistemas logrando eficiencias similares de alta eficiencia (96,2 ± 0,1% frente a 96,6 ± 0,3% a 2 g de sCOD/L∙d y 94,1 ± 1,2% frente a 94,7 ± 0,8% a 3 g de sCOD/L∙d). Esta tendencia coincide con los hallazgos de Tartakovsky et al.57, quienes también reportaron eficiencias similares en la eliminación de COD en OLRs más bajos en sistemas con y sin potencial aplicado, pero señalaron que la aplicación del potencial mejoró significativamente la eliminación de COD en OLRs más altos en comparación con el AD tradicional. Estas observaciones sugieren que el potencial aplicado puede potenciar las interacciones microbianas y los procesos de transferencia de electrones, potencialmente asociados con la DIET, conduciendo a una degradación orgánica más eficaz.

En el OLR más alto de 7* g sCOD/L∙d, donde la HRT se redujo a 2 días, el potencial aplicado tuvo un impacto limitado en la eficiencia de eliminación de COD. BEAD logró una eficiencia de eliminación de la MCO de 64,6 ± 2,1%, ligeramente superior al 61,9 ± 1,5% observado en la EA, pero la diferencia no fue estadísticamente significativa (p > 0,05). Esto sugiere que, aunque OLRs más altos podrían demostrar los beneficios potenciales del potencial aplicado para mejorar la eliminación de la DCO, la reducción de la HRT limita la capacidad del sistema para aprovechar plenamente estas ventajas bioelectroquímicas. Esto puede deberse a que la THS acortada no proporciona tiempo suficiente para la actividad microbiana y los procesos de transferencia de electrones, potencialmente asociados con la DIET, lo que pone de manifiesto la necesidad de una estrategia operativa equilibrada que considere tanto los beneficios del potencial aplicado como las limitaciones impuestas por la reducción del tiempo de retención.

Efecto del potencial aplicado en la eliminación del AFV

La Figura 6A–E y la Tabla 5 demuestran que el BEAD superó significativamente a la EA en la degradación de los AGV complejos. Cabe destacar que, con una OLR de 5 g de sCOD/L∙d, la BEAD logró una eliminación del 100% de ácidos propiónico y butírico, en comparación con solo el 58,2% y el 77,6% en la AD (Figura 6E). Esto resalta la eficacia del potencial aplicado para potenciar los procesos bioelectroquímicos, que no solo aceleran la degradación de la VFA, sino que también mejoran la cinética de lametanogénesis 58,59. El análisis de composición del efluente en este OLR confirma además este desempeño superior: el efluente BEAD consistía en un 87% de ácido acético sin ácidos propiónicos ni butíricos detectables, mientras que el efluente DA contenía un 64% de ácido acético, con un 19% de ácido propiónico y un 17% de ácido butírico (Figura 6D).

BEAD mantuvo una eliminación superior de ácidos propiónico y butírico incluso con una THS acortada. Con el OLR más alto de 7* g de sCOD/L∙d y una THS reducida de 2 días, el BEAD logró una eliminación del 66,4% de ácido butírico, significativamente superior al 50,9% del AD. Para el ácido propiónico, el BEAD eliminó el 33,2%, mientras que el AD mostró una tasa de efluente superior a la del influente, indicando una degradación pobre. Este rendimiento superior de BEAD puede atribuirse a interacciones bioelectroquímicas mejoradas, potencialmente asociadas con DIET, que podrían facilitar una transferencia electrónica más eficaz entre bacterias oxidadoras de propionato y butirato acetogénicas y metanógenos en comparación con la transferencia interespecies de hidrógeno (HIT) en la DA, reduciendo así la acumulación de AGV en OLRsaltos 15,16,60,61.

Efecto del potencial aplicado en la producción del CH4 :

Rendimiento y producción volumétrica de CH4

El BEAD demostró un rendimiento superior en rendimientos y volumen de metano en comparación con el AD, especialmente en OLRs de 3, 5 y 7* g sCOD/L∙d, donde la disponibilidad de sustratos apoyó una mayor actividad bioelectroquímica (Figura 4A, Tabla 3). Cabe destacar que la diferencia más significativa se observó en un OLR de 5 g sCOD/L∙d, donde el BEAD alcanzó 0,30 ± 0,01LCH 4/gsCOD removido, un 20% superior al rendimiento de AD de 0,25 ± 0,01 (p < 0,05). El volumen de metano siguió una tendencia similar, con BEAD superando a AD en un 30%, 20% y 16% en OLRs de 5, 3 y 7*, respectivamente (p < 0,05). Estas ventajas se deben a los eficientes mecanismos de transferencia de electrones facilitados por el sistema de circuito cerrado, donde el ánodo actúa como un aceptor de electrones fiable, promoviendo un mayor flujo de electrones hacia el cátodo62. En cambio, el circuito abierto de AD probablemente experimenta mayores pérdidas de electrones, lo que reduce su eficiencia en la producción de metano. Además, el BEAD podría beneficiarse de interacciones bioelectroquímicas mejoradas, potencialmente asociadas con la DIET, que podrían proporcionar vías adicionales para la metanogénesis, permitiendo una conversión más eficaz de AGV complejos como el propionato y el butirato en metano. La única excepción se observó en 2 g sCOD/L·d, donde el BEAD no mostró una ventaja clara, posiblemente debido a la limitada disponibilidad de carbono y la aclimatación inicial de microorganismos electroactivos.

El potencial aplicado no solo mejoró la producción de metano, sino también mejoró la estabilidad del proceso, como se muestra en la Figura 7. Con un OLR de 5 g sCOD/L∙d, la operación BEAD en fase 11 mostró un rendimiento de metano relativamente estable, con un promedio de 0,298 LCH₄/g sCODeliminado, una desviación estándar de 0,008 LCH₄/g sCODeliminado y un coeficiente de variación (CV) del 2,81%. En cambio, tras cambiar a AD en la fase 12, el rendimiento de metano mostró fluctuaciones mucho mayores, disminuyendo de 0,33 a 0,16 LCH₄/g sCODeliminado, con una desviación estándar mayor de 0,054 LCH₄/g sCODeliminado y una CV del 20,87%. Cuando el sistema volvió a BEAD en la fase 13, la producción de metano se recuperó rápidamente y se volvió más estable, con un rendimiento medio de 0,312 LCH₄/g sCODeliminado y una reducción de la CV del 6,23%. Cabe destacar que, durante el periodo estable tardío de la fase 13, el CV disminuyó aún más hasta el 1,95%, lo que indica que la operación BEAD restauró la estabilidad del proceso tras la perturbación causada por la operación AD. Estos resultados cuantitativos demuestran que el potencial aplicado contribuyó no solo a una mayor producción de metano, sino también a una menor variabilidad operativa y una estabilización más rápida. Estos hallazgos coinciden con los de Park et al.63, quienes informaron que los sistemas BEAD mejoran las tasas de producción de metano y acortan el tiempo de estabilización al facilitar la oxidación orgánica rápida y la metanogénesis, ofreciendo claras ventajas sobre los procesos convencionales de AD.

Contenido del capítulo4

BEAD tenía un contenido de CH4 más alto que AD con OLRs más altos, alcanzando 74,0 ± 0,8% y 72,7 ± 0,5%, frente al 71,0 ± 0,8% y 70,0 ± 0,5% (p < 0,05) en OLRs de 5 y 7 g sCOD/L∙d, respectivamente, como se muestra en la Figura 7. Sin embargo, a OLRs más bajas de 2 y 3 g de sCOD/L∙d, las diferencias no fueron estadísticamente significativas (p > 0,05). Esto probablemente se deba a que una mayor degradación de la VFA en el BEAD genera más dióxido de carbono (CO2), parte del cual se convierte en CH4 mientras que el resto aumenta elCO2 de la bolsa de gas, dejando el contenido de CH4 sin cambios. Tendencias similares fueron observadas por otrosestudios 64,65,66, lo que indica que las mejoras en el porcentaje y volumen de CH4 no necesariamente ocurren simultáneamente. Aumentar el voltaje aplicado por encima de 1,23 V podría mejorar aún más el contenido de CH4 facilitando la electrólisis del agua, produciendo así hidrógeno (H2) que puede convertir CO2 adicional enmetano 57,66. Sin embargo, este enfoque podría derivar en problemas de exceso potencial, lo que podría derivar en ineficiencias energéticas y desafíos operativos. Por ello, el ajuste de voltaje debe optimizarse cuidadosamente para equilibrar una mayor producción de metano con la eficiencia del sistema.

Eficiencia energética del sistema BEAD

La Figura 8 muestra que BEAD mantuvo una eficiencia energética consistentemente alta (~1000%) en todos los OLR. Cabe destacar que, incluso con el OLR más alto de 7* g sCOD/L∙d con una HRT reducida de 2 días, el sistema logró una alta eficiencia energética debido al bajo consumo energético de 0,03 ± 0,01 Wh/g sCODeliminado. Esto es mucho menor que el consumo energético típico de 0,7 a 2 Wh/gsCOD eliminado en procesos convencionales de lodoactivado 67. Además, aunque se observó un ligero descenso en la eficiencia energética con el aumento del OLR, la variación fue mínima, lo que indica que el BEAD mantuvo un rendimiento energético estable incluso bajo mayor carga orgánica y reducción del tiempo de retención hidráulica. Estos hallazgos indican que el BEAD puede aumentar la producción de metano con una alta eficiencia energética dentro del alcance de la entrada eléctrica aplicada. Sin embargo, debe señalarse que el análisis energético actual no tiene en cuenta otras demandas energéticas operativas, como el bombeo de alimentación y la recirculación. Por lo tanto, la eficiencia energética reportada refleja un balance energético parcial, y se necesita más trabajo para evaluar el rendimiento energético global bajo condiciones operativas a escala real.

Rendimiento BEAD en aguas residuales cerveceras con Límites de Nutrientes (Alto C/N)

A pesar de la alta proporción C/N de las aguas residuales de la cervecería, el BEAD logró un rendimiento significativo, incluyendo una eliminación eficiente de COD, degradación de la VFA y producción de metano. Las aguas residuales de las cervecerías suelen caracterizarse por un alto contenido orgánico y bajo contenido de nitrógeno, lo que conduce a altos ratios C/N 68,69,70,71. Esta interpretación se basa en las características observadas del influyente en lugar de una comparación controlada entre diferentes proporciones C/N. En el proceso convencional de AD, a menudo se requiere suplementación con nutrientes en aguas residuales de cervecería para reducir la proporción C/N y apoyar el crecimientomicrobiano 69,70,71, pero en este estudio no se añadieron nutrientes adicionales. El fuerte rendimiento de BEAD probablemente se debe al potencial aplicado, que mejora la actividad microbiana y la estabilidad del reactor bajo condiciones de deficiencia denutrientes 72,73. Investigaciones limitadas han investigado el impacto de las relaciones C/N en el rendimiento de los BEAD, con la mayoría de los estudios centrados en las relaciones C/N bajas a moderadas (0,6–25)74,75,76. Como se mencionó anteriormente, los estudios específicos sobre sistemas BEAD que tratan aguas residuales de cervecería son escasos. Además, en estudios con aguas residuales sintéticas de cervecería, se añadieron típicamente nutrientes para lograr proporciones óptimas C/N a 40 21,23,24,25, mientras que los dos únicos estudios realizados con aguas residuales reales de cervecería no midieron ni consideraron el impacto de la relación C/N en el rendimiento del BEAD 20,22. Por ello, se necesita más investigación para explorar el papel de las diferentes proporciones C/N (bajas a altas) en los sistemas BEAD que utilizan aguas residuales reales de cervecería.

DISPONIBILIDAD DE DATOS:

Los datos relevantes para el estudio se incluyen en el artículo y también en el Archivo Suplementario 2.

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Figura 1: Configuración y configuración operativa del sistema bioelectroquímico del reactor utilizado en este estudio. (A) Ilustración esquemática de la configuración del reactor mostrando los principales componentes del sistema, incluyendo el ánodo de lecho empaquetado lleno de material conductor a base de carbono, cámara de cátodo, separador, líneas de influyente y efluente, bucle interno de recirculación, puerto de muestreo de gas, bolsa de recogida de gas y circuito eléctrico externo conectado al potenciostato. monitorización y control electroquímico. También se indican las posiciones de los colectores de corriente, los puertos de muestreo, la bomba de alimentación, la bomba de recirculación y el sistema de monitorización de pH. (B) Fotografía del reactor ensamblado antes de la operación, destacando el diseño vertical de la columna, la estructura del ánodo empaquetado, la capa separadora, la región del cátodo, la línea de influencia, el puerto de muestreo y las conexiones de recirculación. (C) Fotografía del reactor durante la operación, mostrando el rendimiento del reactor bajo condiciones de recirculación continua, incluyendo vías de flujo líquido, formación de biofilm en la superficie del electrodo, conexiones externas de tubos y cableado eléctrico conectado al potenciostato. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura. 

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Figura 2: Eficiencia de eliminación de COD bajo diferentes OLRs en sistemas BEAD y sistemas AD convencionales. La eliminación de la COD (%) se evaluó en OLRs que iban de 1 a 7 g de sCOD/L·d, incluyendo la condición de sobrecarga (7*). La figura compara el rendimiento de tratamiento de los reactores BEAD y AD bajo condiciones crecientes de carga de sustrato. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura. 

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3: Producción y composición de VFA bajo diferentes OLRs en el sistema BEAD. (A) Tasas totales de VFA influyentes y de efluentes medidas en OLRs que van de 1 a 7 g sCOD/L·d, mostrando el efecto de la carga de sustrato en el rendimiento de acumulación y eliminación de VFA. (B) Distribución de los principales AFV, incluyendo acetato, propionato y butirato, en corrientes influyentes y de efluentes bajo diferentes condiciones de OLR. Las líneas verticales discontinuas indican transiciones de fase operativas correspondientes a cambios en el OLR. Las tasas VFA se expresan como g sCOD/L·d. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta cifra. 

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Figura 4: Rendimiento de producción de metano bajo diferentes OLRs en los sistemas BEAD y AD. (A) Rendimiento de metano normalizado para eliminar COD; (B) el rendimiento de metano normalizado a la causa de la muerte añadida; y (C) contenido de metano (%) en el biogás producido en OLRs que oscila entre 1 y 7 g sCOD/L·d, incluyendo la condición de sobrecarga (7*). La figura ilustra la influencia del aumento de la carga de sustratos en la eficiencia de recuperación de metano y la calidad del biogás en ambas configuraciones de reactores. El rendimiento de metano se expresa como L CH₄/g COD. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 5: Rendimiento electroquímico del sistema BEAD bajo diferentes OLR. (A) Densidad de corriente generada en OLRs que oscila entre 1 y 7 g sCOD/L·d, demostrando la relación entre la carga del sustrato y la actividad bioelectroquímica. (B) Eficiencia coulombica (%) bajo diferentes condiciones de OLR, que representa la fracción de electrones recuperados como corriente eléctrica relativa a la oxidación total del sustrato. La densidad de corriente se expresa como A/m 3. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura. 

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Figura 6:. Efecto del potencial aplicado sobre la dinámica de la VFA y la composición del efluente en los sistemas BEAD y AD. (A) Tasas totales de VFA bajo diferentes condiciones de potencial aplicado y OLR; (B) tasas de producción y extracción de propionato; (C) tasas de producción y extracción de butirato; (D) composición del COD del influyente y efluente en OLR 5 g sCOD/L·d, mostrando la distribución relativa de acetato, propionato, butirato y otros compuestos; y (E) eficiencia de eliminación de butiratos (%) bajo diferentes condiciones OLR. La figura demuestra la influencia de la estimulación electroquímica sobre los productos de fermentación intermedia y las vías de conversión de sustratos. Las tasas VFA se expresan como g sCOD/L·d. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas cuando corresponde. n = 3. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 7: Variación temporal del rendimiento de metano normalizada a COD eliminada durante la operación a largo plazo del sistema de reactor BEAD. El rendimiento de metano se monitorizó durante 365 días bajo diferentes fases operativas y condiciones de OLR. Las líneas verticales discontinuas indican transiciones entre fases operativas, incluida la etapa de recuperación tras la sobrecarga del reactor. El rendimiento de metano se expresa como L CH₄/g sCOD eliminado. La figura ilustra la estabilidad del reactor y el rendimiento de producción de metano durante una operación continua prolongada. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 8: Efecto del potencial aplicado en la recuperación de energía y la eficiencia energética en el sistema BEAD bajo diferentes OLRs. La cifra compara la energía recuperada, la energía eléctrica consumida y la eficiencia energética general (%) en OLRs de 3, 5 y 7* g sCOD/L·d. La energía recuperada y la energía consumida se expresan como Wh/g sCOD eliminado. La figura muestra el rendimiento energético del sistema BEAD bajo estimulación electroquímica y condiciones variables de carga del sustrato. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

ParámetroValor
sCOD (mg/L)8,000-30,343
VFA/sCOD0.1-0.4
TS (%)0.85-1.4
VS (%)0.6-1.3
VS/TS0.7-0.93
pH5.2-6
BRONCEADO (mg/L)5-5.2

Tabla 1: Características de las aguas residuales de la cervecería utilizadas durante el funcionamiento del reactor. La tabla resume los rangos de sCOD, VFA/COD, TS, VS, VS/TS ratio, pH y TAN medidos en las aguas residuales de la cervecería durante el periodo experimental. 

EscenarioFaseDescripciónSustratoOLR
(g sCOD/L.d)		Potencial aplicado (1,2 V)HRT (días)
Etapa 1: Impacto de la OLR5Condición OLR más bajaCervecería WW2Sí4-5
6Fase compartida (línea base para la Etapa 2)Cervecería WW1Sí4-5
9Fase compartidaCervecería WW3Sí4-5
10Aumento de la OLRCervecería WW4Sí4-5
11 y 13Fase repetida en OLR=5 para verificación de estabilidadCervecería WW5Sí4-5
14Aumento de la OLRCervecería WW6Sí4-5
15OLR altoCervecería WW7Sí3-4
16Carga máximaCervecería WW7*Sí2
Etapa 2: Impacto del potencial aplicado5Mismo estado que la Etapa 1Cervecería WW2Sí4-5
7Sin potencial aplicadoCervecería WW2No4-5
9Igual que en la Etapa 1Cervecería WW3Sí4-5
8Sin potencial aplicadoCervecería WW3No4-5
11&13**Misma fase repetida que la Etapa-1Cervecería WW5Sí4-5
12Sin potencial aplicadoCervecería WW5No4-5
16Igual que en la Etapa 1Cervecería WW7*Sí2
17Sin potencial aplicadoCervecería WW7*No2

Tabla 2: Diseño experimental y condiciones operativas utilizadas para evaluar los efectos de la OLR y el potencial aplicado en el rendimiento del reactor. La tabla resume las fases operativas, las condiciones del sustrato, el potencial aplicado y la THS utilizadas a lo largo del estudio. La condición de sobrecarga (7*) representa la operación en el mismo OLR con HRT reducida.

OLR12345677*
ParámetroCUENTACUENTAD.C.CUENTAD.C.CUENTACUENTAD.C.CUENTACUENTACUENTAD.C.
Eliminación de la causa de muerte (%)96.2 ± 1.096,2 ± 0,196,6 ± 0,394.1 ± 1.294,7 ± 0,881,6 ± 1,192,7 ± 0,685,3 ± 0,685,1 ± 1,779,2 ± 0,864.6 ± 2.161,9 ± 1,5
CH4 Eliminación del fluvio
(LCH4/g sCODRemotivo)		0,07 ± 0,010,21 ± 0,010,25 ± 0,010,26 ± 0,010,23 ± 0,010,29 ± 0,010,30 ± 0,010,25 ± 0,010,33 ± 0,010,35 ± 0,010,28 ± 0,010,25 ± 0,01
CH4 Añado de rendimiento
(LCH4/g sCODAdde)		0,07± 0,010,20 ± 0,010,24 ± 0,010,25 ± 0,010,22 ± 0,010,24 ± 0,010,28 ± 0,010,21 ± 0,010,28 ± 0,010,28 ± 0,010,18 ± 0,010,15 ± 0,01
Volumen 4 del capítulo
(L/L.d)		0,07 ± 0,020,43 ± 0,030,46 ± 0,020,77 ± 0,010,64 ± 0,020,96 ± 0,041.42 ± 0.071.09 ± 0.081,64 ± 0,051,93 ± 0,041,24 ± 0,021.07 ± 0.01
CH4 (%)43,0 ± 1,469.0 ± 1.671,0 ± 0,870,3 ± 0,968.0 ± 2.170,7 ± 0,574,0 ± 0,871,0 ± 0,875.0 ± 0.374,3 ± 1,272,7 ± 0,570,0 ± 0,5
CE (%)1,58 ± 0,140,69 ± 0,07-0,93 ± 0,14-0,89 ± 0,101,64 ± 0,10-1,97 ± 0,040,81 ± 0,010,98 ± 0,03-
Densidad de corriente (A/m 3)2.3 ± 0.11.9 ± 0.1-3,8 ± 0,6-4.1 ± 0.410,8 ± 0,2-13,8 ± 0,36.2 ± 0.16,2 ± 0,2-
TRH (días)5.3 ± 0.25,5 ± 0,35.3 ± 0.14.6 ± 0.15.3 ± 0.13.6 ± 0.15.2 ± 0.14.1 ± 0.14.4 ± 0.33.7 ± 0.12.1 ± 0.22.0 ± 0.1

Tabla 3: Parámetros de rendimiento bajo diferentes OLRs en los sistemas BEAD y AD. La tabla resume la eliminación de COD, el rendimiento de CH₄, el volumen de CH₄, el contenido de CH₄, CE, la densidad de corriente y la HRT bajo diferentes condiciones operativas. Los valores se presentan como media ± desviación estándar basándose en mediciones en estado estacionario durante cada fase operativa. La condición de sobrecarga (7*) representa la operación en el mismo OLR con HRT reducida.

OLR12345677*
ParámetroCUENTACUENTAD.C.CUENTAD.C.CUENTACUENTAD.C.CUENTACUENTACUENTAD.C.
Acetato influente
(g sCOD/L.d)		0.030.060.080.080.130.090.30.460.340.90.380.21
Propionato influyente
(g sCOD/L.d)		0000.1300.190.480.340.560.820.550.07
Butirrato influyente
(g sCOD/L.d)		0.070.280.110.230.160.390.790.560.911.180.860.76
Acetato de efluentes
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.260.320.480.530.561.781.44
Propionato de efluentes
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.2100.140.1400.370.24
Butírato de efluentes
(g sCOD/L.d)		000000.0500.130.090.280.290.37

Tabla 4: Tasas VFA bajo diferentes OLR en los sistemas BEAD y AD. La tabla resume las tasas de acetato, propionato y butirato de influyentes y efluentes expresadas como g sCOD/L·d bajo diferentes condiciones operativas.

OLR12345677*
ParámetroCUENTACUENTAD.C.CUENTAD.C.CUENTACUENTAD.C.CUENTACUENTACUENTAD.C.
Causa de muerte influyente
(g sCOD/L.d)		1.12.11.933.132.914.045.115.115.916.926.966.97
VFA influyente
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.440.290.671.561.361.812.891.791.04
Otros influyentes**
(g sCOD/L.d)		11.761.742.692.623.373.553.754.14.035.175.93
COD de efluentes
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.180.150.750.370.750.881.442.472.66
AFV de efluentes
(g sCOD/L.d)		0000.060.050.520.320.750.760.842.442.05
Efluentes Otros
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.120.10.230.0500.120.60.030.61
Eliminación de la causa de muerte
(g sCOD/L.d)		1.062.021.862.952.763.294.744.365.035.484.494.31
Eliminación del VFA
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.380.240.151.240.611.052.05--
Otros eliminados
(g sCOD/L.d)		0.961.681.672.572.523.143.53.753.983.435.145.32

Tabla 5: Distribución de COD, tasas VFA y otros compuestos eliminados bajo diferentes OLRs en los sistemas BEAD y AD. La tabla resume las fracciones de COD influentes, efluentes y eliminadas, VFAs y otros compuestos expresados como g sCOD/L·d bajo diferentes condiciones de funcionamiento del reactor. "Otro" representa compuestos no relacionados con el AFV que contribuyen a la causa de la muerte (COD).

Figura suplementaria 1. Impacto de la relación influyente VFA/sCOD en la eficiencia de eliminación de COD en BEAD. La figura compara el rendimiento de eliminación de COD del reactor BEAD bajo proporciones decrecientes de VFA/sCOD influyentes de 1 a 0,2. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 2. Impacto de la relación influyente VFA/sCOD en el rendimiento de CH4 (basado en la COD eliminada) en BEAD. La figura compara el rendimiento de CH₄ del reactor BEAD bajo las proporciones decrecientes de VFA/sCOD influyente de 1 a 0,2. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 3. Impacto de la relación VFA/sCOD influyente en el porcentaje de CH4 en BEAD. La cifra compara el contenido de CH₄ en el reactor BEAD bajo proporciones decreciente de VFA/sCOD influyente de 1 a 0,2. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 4. Impacto de la relación VFA/sCOD influyente en la densidad de corriente en BEAD. La figura compara la densidad de corriente en el reactor BEAD bajo proporciones decrecientes de VFA/sCOD influyentes de 1 a 0,2. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Figura suplementaria 5. Impacto de la relación influyente entre VFA/sCOD en la eficiencia coulombiana en BEAD. La figura compara la eficiencia coulombica en el reactor BEAD bajo las proporciones decreciente de VFA/sCOD influyente de 1 a 0,2. Las barras de error representan desviaciones estándar de mediciones replicadas. n = 3. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Tabla suplementaria 1. Parámetros de rendimiento en diferentes composiciones de sustratos. La tabla resume la eliminación de COD, el rendimiento de CH₄, el volumen de CH₄, el contenido de CH₄, la CE y la densidad de corriente bajo diferentes composiciones de sustratos. Los valores se presentan como media ± desviación estándar basándose en mediciones en estado estacionario durante cada fase operativa. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Tabla suplementaria 2. Concentraciones de compuestos inhibidores en influyentes y efluentes. La tabla resume compuestos inhibitorios como amoníaco, sulfato, sulfuro,H2O2 y PAA en el influenciante de BEAD y AD y el efluente bajo diferentes condiciones de OLR. Los valores se presentan como media ± desviación estándar basándose en mediciones en estado estacionario durante cada fase operativa. La condición de sobrecarga (7*) representa la operación en el mismo OLR con HRT reducida. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 1. Impacto de la relación influyente entre VFA/sCOD en el rendimiento de los BEADS y la evaluación de compuestos inhibitorios.Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 2. Datos en bruto.Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

El BEAD superó consistentemente al AD convencional en términos de eliminación de COD, degradación de la VFA, rendimiento de metano y estabilidad de procesos a través de diferentes OLRs. Una ventaja clave del sistema era su capacidad para degradar eficientemente los AGV complejos, como los ácidos propiónico y butírico, que suelen ser difíciles de descomponer en ambientes anaeróbicos. El rendimiento de metano aumentó con mayor disponibilidad de sustrato, alcanzando un rendimiento máximo de metano de 0,35LCH 4/g sCODeliminado al máximo OLR probado de 7 g sCOD/L·d. La producción de metano se benefició del potencial aplicado, con un volumen de metano en BEAD entre un 16 y un 30% superior al de AD en varios OLRs. Esta mejora puede atribuirse a la mejora de los procesos de transferencia de electrones. En los sistemas AD convencionales, la transferencia de electrones está regida principalmente por la IIET, que se basa en intermediarios como el hidrógeno y el formiato, y a menudo está limitada por limitaciones de difusión e ineficienciastermodinámicas 77. En cambio, la aplicación de un potencial externo en el BEAD probablemente promueve la DIETA directa, permitiendo un intercambio de electrones más eficiente entre bacterias electroactivas y metanógenos sin necesidad de mediadores solubles. Las interacciones bioelectroquímicas, potencialmente asociadas con DIET y facilitadas por el potencial aplicado, podrían resultar en menores pérdidas de electrones, una degradación orgánica más eficaz y una mayor producción demetano 77. Este cambio de IIET a DIET podría reducir las pérdidas de electrones, mejorar las interacciones sintróficas y acelerar la degradación de sustratos orgánicos, contribuyendo así a una mejor producción de metano y estabilidad del proceso. Cabe señalar que las aguas residuales de la cervecería utilizadas en este estudio se obtuvieron de una única fuente, por lo que el rendimiento observado refleja características específicas de las aguas residuales del lugar. Por lo tanto, los resultados deben interpretarse en el contexto de las condiciones probadas y pueden no ser directamente generalizables a todos los sistemas de aguas residuales de cervecería.

Enfoques alternativos y métodos complementarios podrían ayudar a investigar aún más los mecanismos responsables de la mejora de la producción de metano y la transferencia de electrones en los sistemas BEAD. Por ejemplo, la secuenciación del ARNr 16S o el análisis metagenómico podrían identificar bacterias electroactivas y metanógenos asociados a la DIET. Técnicas electroquímicas como la CV y la EIS podrían aportar información adicional sobre el comportamiento de transferencia de electrones y la conductividad del biofilm. Además, se podrían utilizar microscopías de SEM y fluorescencia para investigar el desarrollo de biopelículas e interacciones microbianas en superficies de electrodos. Estos enfoques complementarios proporcionarían una mejor comprensión de los mecanismos bioelectroquímicos que rigen el rendimiento de los reactores.

Aunque BEAD manejó eficazmente OLRs altos, reducir la HRT de 3,7 a 2,1 días provocó disminuciones en la eliminación de COD, degradación de VFA y producción de metano, lo que pone de manifiesto la importancia de contar con HRT suficiente para la estabilidad del proceso bajo altas cargas orgánicas. Futuros trabajos deberían investigar más a fondo la integración de residuos sólidos de la cervecería como coalimentación, la optimización de los potenciales aplicados y la evaluación bajo una gama más amplia de composiciones de aguas residuales y condiciones operativas. Además, los estudios que incorporen una mejor replicación estadística y una comparación más clara frente a los sistemas AD convencionales ayudarían a evaluar mejor el rendimiento relativo de BEAD. Estos esfuerzos proporcionarían una comprensión más completa del sistema y ayudarían a clarificar su posible aplicabilidad para el tratamiento de aguas residuales industriales de alta resistencia.

Divulgaciones

Los autores no tienen conflicto de intereses.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá por su apoyo financiero. Se reconoce debidamente la orientación técnica del Dr. Boris Tartkovsky y el Dr. Virender Singh.

Fuente de financiación: Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
0.45 µm filtro de membranaMilliporeSigmaHAWP04700Usado antes del análisis de COD soluble
Botellas de vidrio de 500 mLFisherbrandBotella de medio de 500 mLUsado para la aclimatación del inóculo
Columna Acclaim OAThermo ScientificAcclaim OA, 5 µm, 4 × 150 mmColumna usada para la cuantificación de AGV
AcetonitrileFisher ScientificHPLC gradoFase móvil para análisis de HPLC
Kit de reactivo de amoníacoHACHTNTplus 832Nitrógeno, Método de Amoníaco-Salicilato HR 10205
Gas portador de argónAir LiquideArgón ultrapuroGas portador para micro GC
Fieltro de carbonoSGL CarbonSerie GFDMaterial de electrodo cortado en cuadrados de 25 mm × 25 mm
CentrífugaEppendorf5810 RUsada para centrifugar aguas residuales de cervecería a 12,000 × g
Tubos de reactivo de CODSCP ScienceTubos de reactivo de COD (compatible con el Método 8000)Usado para el análisis de COD soluble siguiendo el Método 8000 de HACH
Reactor de vidrio cilíndricoChemglass Life SciencesReactor de vidrio personalizadoReactor de flujo ascendente de cámara única; 1 L de volumen total, 0.65 L de volumen de trabajo
Temporizador digitalIntermaticTN311Usado para controlar el tiempo de alimentación
Espectofotómetro DR 2800HACHDR 2800Usado para análisis de COD, amoníaco, sulfato y sulfuro
Bolsa de recolección de gasSKCBolsa de muestreo de gas TedlarUsada para la recolección de biogás
Jeringa herméticaHamiltonJeringa herméticaUsada para medir el volumen de biogás
Sistema HPLCThermo Scientific DionexUltiMate 3000Usado para el análisis de ácido graso volátil (AGV)
Kit de prueba de peróxido de hidrógeno/ácido peracéticoLaMotte7191-02Usado para la medición de H2O2 y PAA
Alambre de titanio recubierto de Ir-MMOBaoji Changli Special Metal Co., Ltd.Ir-MMO/Ti alambreColector de corriente de 1 mm insertado en fieltro de carbono
Refrigerador de laboratorioVWRRefrigerador de laboratorioUsado para el almacenamiento de aguas residuales a 4 °C
Ácido metanosulfonicoSigma-Aldrich≥99%Usado a 2.5 mM como fase móvil de HPLC
Micro gas cromatógrafoAgilent Technologies490 Micro GCUsado para el análisis de composición de biogás con detector TCD
Separador de geotextil no conductorTenCate GeosyntheticsSerie MirafiSeparador de 3 mm con perforaciones de 2 mm entre electrodos
Bomba peristálticaCole-ParmerMasterflex L/SUsada para alimentación de influente y recirculación
PotenciostatoMetrohm AutolabPGSTAT204Potenciostato usado para el monitoreo de potencial aplicado y corriente
Tubo de siliconaCole-ParmerTubo de silicona MasterflexUsado para las líneas de influente, efluente y recirculación
EspectofotómetroHACHDR 2800 Usado para mediciones analíticas de HACH
Hoja de cálculoMicrosoft ExcelUsada para análisis estadístico
Reactivo de sulfatoHACHSulfaVer 4, Método 8051Usado para la medición de sulfato
Reactivo de sulfuroHACHMétodo 8131Usado para la medición de sulfuro
Aparato de filtración al vacíoMilliporeSigmaSoporte de filtración al vacío de vidrioUsado con filtros de membrana de 0.45 µm

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