פותחה מערכת עיכול אנאירובית ביואלקטרוכימית משופרת (BEAD) רציפה לטיפול במי שפכים במבשלת בירה, והדגימה שיפור בהסרת דרישת החמצן הכימית, פירוק חומצות שומן נדיפות, ייצור מתאן ויעילות אנרגטית בהשוואה לעיכול אנאירובי קונבנציונלי בהפעלה בטמפרטורת הסביבה.
מאמר מחקר
עיכול אנאירובי משופר ביואלקטרוכימית של מי שפכים במבשלה בטמפרטורת הסביבה: ביצועים, תפוקת מתאן ויעילות אנרגטית
במאמר זה
סיכום
תקציר
עיכול אנאירובי מחוזק ביואלקטרוכימית (BEAD) הפך לגישה מבטיחה לשיפור ייצור המתאן ויציבות התהליך במהלך טיפול במי שפכים תעשייתיים בעלי חוזק גבוה. במחקר זה, כור BEAD בזרם עולה רציף הופעל במשך 365 ימים כדי להעריך את ביצועיו בטיפול במי שפכים אמיתיים במבשלה בטמפרטורת סביבה (22–24 מעלות צלזיוס). השפעות קצב העמסה אורגנית (OLR; 1–7 גרם sCOD/L∙d), זמן החזקת הידראוליקה (HRT) והפוטנציאל המופעל (1.2 וולט) על הסרת חומר אורגני, פירוק חומצות שומן נדיפות (VFA), ייצור מתאן ויעילות אנרגטית נחקרו באופן שיטתי והושוו לעיכול אנאירובי קונבנציונלי (AD). מערכת BEAD השיגה יעילות הסרת חמצן כימי גבוה (>92%) ב-OLRs עד 5 גרם sCOD/L∙d והפגינה פירוק מעולה של VFAs מורכבים, במיוחד חומצות פרופיון ובוטיריות. תפוקת המתאן עלתה עם עלייה ב-OLR, והגיעה למקסימום של 0.35 LCH₄/g sCODמוסר ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d. בהשוואה ל-AD, BEAD שיפר את ייצור המתאן ב-16–30% ב-OLRs גבוהים תוך שמירה על איכות ביוגז יציבה (≈74–75% CH₄). למרות שקיצור טיפול הורמונלי ב-OLR גבוה הפחית את הביצועים הכוללים, BEAD בעקביות עקף את ה-AD. המערכת הציגה יעילות אנרגטית גבוהה (~1000%), מה שמרמז שהיא יכולה לשמש כמועמד חזק ויעיל באנרגיה לטיפול בשפכים במבשלות באזורים קרים.
מבוא
זיהום מים נותר דאגה עולמית משמעותית, הפוגעת בבריאות האדם ומפריעה למערכות אקולוגיות. תעשיית הבירה מדורגת בין יצרני השפכים התעשייתיים הגדולים ביותר, ומייצרת 3–10 ליטר שפכים לליטר בירה. הצריכה העולמית של בירה הביאה לייצור של 188 מ"מ 3 בירה בשנת 2023, מה שדורג כמשקה החמישי בגודלו בעולם 3,4. בירה היא גם משקה פופולרי בקנדה, כפי שניתן לראות בעלייה במספר המבשלות מ-1,120 בשנת 2019 ל-1,210 בשנת 2020.
מבשלות הבירה מנהלות בעיקר את מי השפכים שלהן על ידי השלכתם למערכות ביוב עירוניות, ישירות או לאחר טיפול מוקדם. עם זאת, מתקני טיהור שפכים קונבנציונליים (WWTPs) מתקשים לעיתים קרובות עם שפכים תעשייתיים בעלי חוזק גבוה, מה שמוביל למגבלות רגולטוריות במדינות רבות 2,6,7. במקרים רבים, ממשלות עירוניות עשויות להטיל תשלומים נוספים על שפכים בעלי עוצמה גבוהה כדי למנוע פליטות כאלה, מה שעלול להוביל לעלייה בעלויות התפעול של מבשלות8. לכן, מבשלות בירה חייבות לנקוט צעדים לניהול מי השפכים שלהן בצורה יעילה יותר ובעלות נמוכה יותר. התקנת מערכות טיפול באתר שמפחיתות לא רק עומסי מזהמים אלא גם מנצלות את פוטנציאל האנרגיה של תרכובות אורגניות במי השפכים של המבשלה מציעה אלטרנטיבה ישימה9.
תהליכים אנאירוביים יכולים לטפל ביעילות בשפכים בעלי עוצמה גבוהה עם צריכת אנרגיה נמוכה, תוך המרת פסולת לביוגז, שניתן להפוך לחשמל, גז מתחדשאו אנרגיה תרמית. עיכול אנאירובי (AD) הוא תהליך עקיף של העברת אלקטרונים בין-מינים (IIET) שבו מתווכים מעבירים אלקטרונים בין חיידקים חומציים לבין ארכאות מתאנוגניות דרך תגובות אנזימטיות מורכבות11. עם זאת, תגובות אלו מתמודדות עם מגבלות תרמודינמיות שמונעות מעבר מלא של אלקטרונים מהתת-קרקע הראשוני למתאן, מה שמוביל לאובדן אלקטרונים משמעותי ולהפחתת ייצור מתאן12. יציבות אלהארט מושפעת ממנגנוני העברת האלקטרונים הללו, והפרעות לעיתים קרובות מובילות להצטברות של מתווכים, כגון מימן או VFAs (חומצות שומן נדיפות). חוסר האיזון בין חיידקים חומציים למתאנגנים הוא גורם מרכזי התורם להצטברות זו. שיעורי טעינה אורגניים גבוהים (OLRs) במי השפכים של המבשלה עלולים להחמיר את חוסר האיזון הזה, ולעלים על יכולת המתאנוגנים לנצל את ה-VFAs המיוצרים13.
עיכול אנאירובי ביואלקטרוכימי משופר (BEAD) משתמש בהעברת אלקטרונים ישירה בין-מינים (DIET) להעברת אלקטרונים ישירות מתאבקים אורגניים למתאן, תוך עקיפת ה-IIET האיטי והפחות יעיל ב-AD קונבנציונלי. ב-DIET, אלקטרונים מועברים ישירות בין מינים מיקרוביאליים באמצעות ציטוכרומים, פילי מוליך או אגרגטים רב-מיניים, ללא צורך בשאטל אלקטרונים12 מתווך. מערכות BEAD משתמשות בזרמים חשמליים חיצוניים כדי לשפר את התדרדרות ה-VFAs קצרי שרשרת, כגון בוטיראט ופרופיונאט, מה שהופך את התהליך ליציב יותר מאשר AD 14,15,16 הקונבנציונלי. בנוסף, מערכות BEAD מעודדות אינטראקציות מיקרוביאליות סינתרופיות, שמאיצות את ייצור המתאן בעקבות פירוק VFA כולל משופר17. מחקרים הראו כי BEAD יכול להגדיל את תפוקת המתאן בהשוואה ל-AD קונבנציונליים בשל מסלולי מתאנוגנזה נוספים, כגון קליטת אלקטרונים ישירה מהאלקטרודות (אלקטרומתנוגנזה)18,19.
המחקר על שפכים במבשלת הבירה ב-BEAD מוגבל, כאשר רוב המחקרים נערכים בטמפרטורות מזופיליות (30–35 מעלות צלזיוס) או באמצעות שפכים סינתטיים 20,21,22,23,24,25. בעוד שתנאים מזופיליים אידיאליים למיקרואורגניזמים שונים, אופטימיזציה של מערכת BEAD בטמפרטורת החדר (22–24 מעלות צלזיוס) היא קריטית ליישומים מעשיים, במיוחד באזורים קרים כמו קנדה. יתרה מזאת, שימוש במי שפכים אמיתיים של מבשלה מספק ייצוג מדויק יותר של האתגרים שנמצאים בתרחישים בעולם האמיתי. מחקר זה שואף למלא פערים מרכזיים על ידי הערכת פרמטרים קריטיים לטיפול וייצור מתאן משפכים אמיתיים של מבשלה בכור BEAD בטמפרטורת החדר.
קצב העומס האורגני (OLR) הוא פרמטר תפעולי חשוב במערכות BEAD, המשקף את יכולת המערכת לעבד תרכובות אורגניות ביעילות. OLR גבוה עלול לגרום להצטברות חומצה מופרזת, מה שעלול להקשות על מתנוגנזה. לכן, חשוב לנהל את ה-OLR כדי להשיג יעילות טיפול מיטבית וייצור מתאן26,27. החוקרים חקרו בעיקר את השפעת OLR על ביצועי BEAD באמצעות תערובת סינתטית של חומצות אורגניות 28,29,30,31, בוץ מופעל על ידי פסולת (WAS)26, שאריות צמחי עגבניות32, פסולת מזון33, ותערובת אשפה34. רוב המחקרים על BEAD עם שפכים במבשלה השתמשו ב-OLRs נמוכים, ורק מחקר אחד העריך את השפעת OLRs שונים על יעילות BEAD בטיפול במי שפכים במבשלת. פאן ואח' דיווחו כי ייצור המתאן עלה בהדרגה עם OLR, והגיע ל-5.64 ליטר ל-L∙d ב-OLR של 20 גרם COD/L∙d, מה שעלה על ה-AD הקונבנציונלי בתנאים מזופיליים (35 מעלות צלזיוס). בנוסף, בעוד שביצועי AD ירדו ב-OLRs גבוהים, מערכת BEAD נשארה יציבה גם ב-OLRs גבוהים יותר. למיטב ידיעתנו, אף מחקר לא בחן את השפעת OLR על ביצועי BEAD באמצעות מי שפכים אמיתיים במבשלה בטמפרטורת החדר. לכן, מחקר זה נועד לבחון כיצד OLRs שונים משפיעים על פירוק מי שפכים אמיתיים במבשלה וייצור מתאן בטמפרטורת החדר.
מתח מיושם הוא פרמטר תפעולי חשוב נוסף במערכות BEAD. המתח המופעל מקדם את צמיחת המתאנוגנים ההידרוגנוטרופיים, ובכך מעלה את יציבות התהליך. יתרה מזאת, המתח המסופק משפיע על ייצור המתאן וכן על ההתנגדות הפנימית במערכת 35,36,37. רק מספר מוגבל של מחקרים בחנו כיצד היעדרות/נוכחות המתח משפיעה על ביצועי BEAD עם שפכים במבשלה 20,21,25. לדוגמה, Guo ואח' בדקו שלושה כורי BEAD עם יחס קתודה לאנודה משתנה של 1, 2.5 ו-4 ס"מ2/ס"מ 3 בטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס, תוך שימוש במי שפכים סינתטיים במבשלה, ומצאו כי מערכת מעגל סגור (0.9 וולט) הגדילה את ייצור המתאן ב-42%, 121% ו-61%, בהתאמה, לעומת מעגל פתוח (0 וולט). עם זאת, מחקר המשתמש במי שפכים אמיתיים במבשלה בטמפרטורת החדר נותר מוגבל, מה שמדגיש את הצורך בחקירה נוספת.
המטרה העיקרית של מחקר זה הייתה לבחון את ההיתכנות והביצועים של מערכת עיכול אנאירובית ביואלקטרוכימית משופרת (BEAD) לטיפול במי שפכים אמיתיים במבשלה בטמפרטורת החדר (22–24 מעלות צלזיוס). בהשוואה למחקרי BEAD קודמים שנערכו בעיקר בתנאים מזופיליים, מחקר זה מדגיש את ההפעלה ארוכת הטווח של BEAD בטמפרטורת הסביבה, דבר בעל חשיבות הנדסית מיוחדת כי הוא מונע את הצורך בחימום רציף של כורים ומפחית את הצורך באנרגיה. באופן ספציפי, המחקר העריך את השפעות קצבי העומס האורגניים (OLRs) השונה ואת השפעת המתח המופעל על התדרדרות שפכים, יציבות התהליך וייצור מתאן. על ידי הפעלת כור BEAD בתנאים מבוקרים, מחקר זה נועד לזהות פרמטרים אופטימליים שמגבירים את פירוק חומצות השומן הנדיפות (VFA) ואת תפוקת המתאן תוך שמירה על יציבות המערכת. הממצאים צפויים לספק תובנות מעשיות לגבי יישום טכנולוגיית BEAD לטיפול בשפכים במבשלת בירה.
פרוטוקול
לא נדרש אישור אתי למחקר זה, שכן הוא לא כלל משתתפים אנושיים או נבדקים של בעלי חיים. דגימות השפכים והבוץ נאספו וטופלו בהתאם לפרוטוקולי בטיחות סטנדרטיים במעבדה.
מזון וחיסון
בתחילה, אצטט נתרן שימש כמקור פחמן משלים להתחלת פעילות מיקרוביאלית בכורים. לאחר הפעלת הכור, הוכנסו בהדרגה, מי שפכים אמיתיים שהתקבלו מחברת Dominion City Brewing Co., אוטווה, תוך החלפת הנתרן אצטט בהדרגה (כ-5 ימים). מאפייני דגימות מי השפכים של המבשלה (טבלה 1) השתנו בכל אצווה (17 אצווה בסך הכל), מה שאפשר הערכת יכולת ההתאמה של המערכת לתנאים אמיתיים. בדומיניון סיטי, מוצקים כמו כשות ושמרים מופרדים לפני שהמיכלים נאספים לשני מיכלים סופיים. דגימות אצווה נלקחו מהמכלים הללו, הועברו למעבדה, וצונו בצנטריפוגה בטמפרטורה של 12,000 × גרם בטמפרטורת החדר (22 מעלות צלזיוס) להסרת שאריות מוצקים. הסופרנטנט שהתקבל נשמר בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס עד לשימוש. האינוקולום היה בוץ מזופילי שנעכל אנאירובית, שנאסף ממרכז הסביבה רוברט או. פיקרד (ROPEC) באוטווה. לפני הכנסתה, הבוץ הורגל למי השפכים של המבשלה בצנטריפוגה בבקבוקי זכוכית בנפח 500 מ"ל למשך 14 ימים בטמפרטורה של 480 × גרם בטמפרטורת החדר (22 מעלות צלזיוס).
תצורת הכור
מחקר זה השתמש בכור BEAD חד-תאי עם זרימה מעלה העשוי מזכוכית גלילית (גובה 435 מ"מ, קוטר 54 מ"מ), בנפח כולל של 1 ליטר ונפח עבודה אפקטיבי של 0.65 ליטר. המשפיע הוזן אל הכור באמצעות משאבה פריסטלטית ונשלט באמצעות טיימר דיגיטלי לשליטה בקצב ההזנה. כדי לשפר את הערבוב והעברת המסה של גז-נוזל, לולאת סירקולציה חיברה את החלק העליון והתחתון של הכור (איור 1A), שנשמרה על 70 מ"ל לדקה באמצעות משאבה פריסטלטית שנייה. האלקטרודות כללו ריבועי פחמן לבד בקוטר 25 מ"מ × 25 מ"מ, לגובה כולל של 130 מ"מ (איור 1B,C). מפריד גאוטקסטיל לא מוליך בעובי 3 מ"מ עם חורים של 2 מ"מ הונח בין האנודה לקתודה כדי למנוע מגע, מה שגרם למרווח אלקטרודות של 3 מ"מ. האנודה הוצבה מעל הקתודה כדי למנוע מגז מימן לברוח לשקית הגז, בהתחשב במסיסות נמוכה של מימן במים. חוט טיטניום בעובי 1 מ"מ מצופה בתחמוצת מתכת מעורבבת אירידיום (Ir-MMO) הוכנס ללבד הפחמן ושימש כאספן זרם לשתי האלקטרודות. האוספים הנוכחיים היו מחוברים לפוטנציוסטט (AUTM101. S, Metrohm, שווייץ), ששימש ליישום ושמירה על פוטנציאל מבוקר על פני האלקטרודות ולניטור רציף של התגובה האלקטרוכימית של המערכת. מתח מופעל של 1.2 וולט נשמר בין האנודה לקתודה לאורך כל פעולת הכור. כור AD, ששימש כקבוצת ביקורת במחקר זה, היה בעל אותה תצורה כמו כור BEAD אך הופעל ללא פוטנציאל מופעל.
תכנון וניסוי ונהלים
המחקר נערך במשך 365 ימים, כולל 17 שלבים תפעוליים (10–20 ימים כל אחד) בשלושה שלבים עיקריים, שכל אחד מהם העריך את ביצועי כור BEAD בתנאים תפעוליים שונים. לפני איסוף הנתונים, כל שלב הופעל עד שהושגו תנאים יציבים. משך זמן זה אפשר הערכת ביצועים ויציבות ארוכת טווח של BEAD, בניגוד למחקרים קצרי טווח או במצב אצווה. השימוש במספר מנות של שפכים אמיתיים במבשלה יצר שונות בהרכב; עם זאת, ביצועי הכור הוערכו בתנאי מצב יציב בכל שלב, כדי להבטיח שהתוצאות המדווחות משקפות התנהגות מערכת יציבה ולא תנודות קצרות טווח.
שלבי הפעלה: הפעלת כור (השפעת יחס VFA/sCOD משפיע)
כור ה-BEAD הוחסן ב-350–400 מ"ל של בוץ אנאירובי טרום הסתגלות. בתחילה הופעלה במצב אצווה עם נתרן אצטט ופוטנציאל של 1.2 וולט, והמערכת שמרה על HRT גבוה של 16 ימים כדי לתמוך בצמיחת מיקרואורגניזמים אלקטרואקטיביים תוך מזעור שטיפת ביומסה. לאחר שבועיים, הכור עבר לפעולה בזרימה רציפה, תוך שימוש באצטט נתרן ב-OLR של 2 גרם sCOD/L∙d עם קצב זרימה יומי של 120–130 מ"ל, מה שהוביל ל-HRT של 5 ימים. לאחר שהתייצב, המזון הוחלף בהדרגה במי שפכים של המבשלה: תחילה ב-70%/30% (אצטט/שפכים), אחר כך ב-50%/50%, ולבסוף ב-80%/20% לפני שהגיעו ל-100% שפכים במבשלה (טבלה 2). שלב זה גם העריך את ההשפעה של יחסי VFA/sCOD משפיעים שונים על ביצועי BEAD, שכן לאצטט נתרן יש הרכב VFA פשוט יותר מאשר VFAs מורכבים יותר במי שפכים של מבשלת בירה, המשפיעים על פעילות מיקרוביאלית וייצור מתאן. תוצאות שלב זה נדונו בתיק המשלים 1 (איורים משלימים 1–5 וטבלה משלימה 1)12,38,39,40,41,42.
כאשר ההזנה הועברה ל-100% שפכים במבשלה ב-OLR של 2 גרם sCOD/L∙d, תפוקת המתאן ירדה לעומת המזון עם אצטט בלבד. בדיקות עיכוב, קובץ משלים 1 (טבלה משלימה 2), אישרו כי עיכוב משפכי המבשלה אינו הבעיה העיקרית. לכן, ה-OLR הוגדל כדי לעודד פעילות מיקרוביאלית עם זמינות סובסטרטית גבוהה יותר. בדיקות חילוץ ועיכוב של כורים בוצעו במהלך פער של שלושה חודשים בין שלבים 5 ו-6. במהלך תקופה זו, הכור הופעל ברציפות בתנאים מבוקרים באמצעות שפכים של המבשלה, בעוד שנערכו ניסויים נוספים להערכת תרכובות מעכבות פוטנציאליות, כולל חנקן אמוניה כולל (TAN), סולפט, גופרית, מי חמצן (H₂O₂) וחומצה פראצטית (PAA). התוצאות אישרו כי אף אחת מהתרכובות הללו לא הייתה קיימת בריכוזים מעכבים. הכור נשמר בתנאי תפעול יציבים עד שהביצועים במצב יציב הוחזרו, כפי שמעידים ייצור מתאן עקבי, הסרת COD ופירוק VFA. שלבי הניסוי הבאים חודשו רק לאחר שאושרו כי ביצועי הכור התייצבו והיו דומים לתנאים שלפני הפער. נתונים מתקופת השיקום והבדיקה הזו הושמטו מהניתוח כדי להבטיח עקביות בין שלבי תפעול מוגדרים.
שלב 1: השפעת OLR
בשלב זה, כור ה-BEAD מוזן אך ורק ממי שפכים של המבשלה כדי לבדוק את השפעת OLRs משתנה (1–7 גרם sCOD/L∙d) תחת פוטנציאל של 1.2 וולט (טבלה 2). השונות ברמות COD בשפכים במבשלה הובילה גם לתנודות ב-HRT, במיוחד ב-OLR הגבוה ביותר (7* גרם sCOD/L∙d), שם נערכו ניסויים תחת שני HRT של 2 ו-4 ימים (* מציין HRT שונה באותו OLR של 7 גרם sCOD/L∙d; 7 גרם sCOD/L∙d הוא HRT ב-3–4 ימים, 7 גרם scod/L∙d הוא טיפול הורמונלי אחרי יומיים). דבר זה אפשר להעריך כיצד HRT השפיע על ייצור המתאן, פירוק המצע והיעילות הכוללת של התהליך.
שלב 2: השפעת הפוטנציאל המיושם
שלב זה העריך את השפעת נוכחות או היעדר הפוטנציאל המופעל (1.2 וולט) על ביצועי הכור וייצור מתאן באמצעות מי שפכים של המבשלה. כור הבקרה ללא פוטנציאל מופעל (AD) וכור BEAD נבדקו ב-OLRs של 2, 3, 5 ו-7 גרם sCOD/L∙d. בקרת ההגנה האווירית הופעלה ככור נפרד עם אותה תצורה כמו כור BEAD, אך ללא פוטנציאל מופעל. שני הכורים הופעלו במקביל בתנאים דומים. יתרה מזאת, ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d, ה-HRT הופחת מ-4 ימים ל-2 ימים, מה שאפשר חקירה של השפעת הפוטנציאל המופעל תחת HRT קצר יותר (טבלה 2).
שיטות אנליטיות
סך המוצקים (TS) ומוצקים נדיפים (VS) נמדדו באמצעות שיטה סטנדרטית 168443. COD מסיס (sCOD) נותח באמצעות שיטת CODסטנדרטית 44 עם צינורות תגובה. לפני הניתוח, הדגימות סיננו באמצעות מסנן ואקום המצויד בממברנה בגודל נקבוביות של 0.45 מיקרון. ריכוז האמוניה נקבע באמצעות ערכת המגיב של אמוניה45. סולפט נמדד באמצעות ערכת התגובה של סולפט46. סולפיד נותח באמצעות ערכת הגופרית47. כל ניתוחי HACH בוצעו באמצעות הספקטרופוטומטר. מי חמצן וחומצה פראצטית נמדדו באמצעות ערכת בדיקת חומצה פראצטית באמצעות בקבוק הטפטפת. הביוגז נאסף בשקית איסוף גז, ונפחו נמדד מדי יום באמצעות מזרק אטום לגז, כאשר כל המדידות בוצעו בשלוש עותקים. הרכב הביוגז נותח באמצעות מיקרו-גז כרומטוגרף (GC), עם ארגון כגז הנשא, גלאי TCD וטמפרטורת הזרקה של 110 מעלות צלזיוס. נפחי הביוגז נמדדו ישירות משקיות איסוף גז ומדווחים כערכים שנמדדו בתנאי מעבדה עקביים. נפחי הדלק מדווחים על בסיס רטוב. כל מדידות הגז בוצעו בתנאי לחץ אטמוספרי קרוב, וחיבורים אטומים נשמרו כדי למזער דליפת גז. המערכת נבדקה באופן קבוע כדי להבטיח את שלמות האיטום לאורך כל הניסוי.
VFAs, כולל אצטט, פרופיונאט ובוטיראט, נמדדו באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC) עם אורך גל ספיגה של 210 ננומטר. הפאזות הניידות כללו 100% אצטוניטריל ו-2.5 מ"מ חומצה מתאנסולפונית, והניתוח בוצע באמצעות עמודה (5 מיקרון, 4 מ"מ × 150 מ"מ) בטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס עם קצב זרימה קבוע של 1 מ"ל לדקה עבור הפאזה הניידת. ה-pH והטמפרטורה של הכור נמדדו באופן רציף באמצעות מד. במהלך הפעלת הכור, ה-pH נשמר בטווח טיפוסי של 6.5–7.5, מה שמעיד על תנאי פעולה יציבים. הדור הנוכחי נרשם כל 5 דקות באמצעות פוטנציוסטט, תחת פוטנציאל קבוע של 1.2 וולט.
חישובים
יעילות וקצב הסרת COD נקבעו באמצעות המשוואות הבאות:
משוואה 1
השוואה 2
קצב ההזנה (OLR) חושב באמצעות משוואה 3, כפי שמוצג למטה, שבה קצב ההזנה מבוטא בליטר ליום (L/d) ונפח הכור בליטרים.
משוואה 3
המשוואות הבאות שימשו לחישוב תפוקת מתאן ספציפית בהתבסס על COD שהוסר (LCH4/g sCODהוסר), ו-COD נוסף (LCH4/g sCODנוסף):
משוואה 4
השוואות 5
כאשר הוא נפח המתאן המיוצר ביום (LCH4/d) ו- ו- הם כמות ה-sCODשהוסר ביום (g sCODהוסר/יום) ו-sCOD הנכנס לכור ביום (g sCODנוסף/יום), בהתאמה.
צפיפות הזרם חושבה על ידי נרמול הזרם הנמדד (I) באמפר (A) לנפח העבודה של הכור (V), המובע במטרים מעוקבים (m3). צפיפות הזרם מדווחת ב-A/m3 ומתוארת במשוואה הבאה:
השוואות 6
היעילות הקולומבית (CE) חושבה כדי להעריך את יעילות שחזור האלקטרונים כאשר זרם מה-CODהוסר. הוא מוגדר כיחס בין המטען הכולל (בקולומבס) שהוחזר כזרם (QC) לבין המטען התיאורטי שניתן לשחזר בהתבסס על COD שהוסר (QT). המטען הכולל שהתאושש (QC) נקבע על ידי אינטגרציה של הזרם הנמדד לאורך זמן:
Qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t Eq.7
כאשר הוא הזרם הנמדד (A) בכל מרווח זמן, ו-Δt הוא מרווח ההקלטה (שניות).
המטען התיאורטי (QT) חושב בהתבסס על הסרת COD, בהנחה שמועבר 1 מול אלקטרונים לכל 8 גרם של CODשהוסר, לפי חוק פאראדיי:
משוואה 8
כאשר F הוא קבוע פאראדיי (96,485 C/mol e⁻), והוא מבוטא בגרמים.
לכן, CE חושב כך:
השוואה 9
יעילות אנרגטית (ηE), המוגדרת כאן כיעילות המרת אנרגיה מחשמל למתאן, משמשת להערכת היעילות של המרת קלט חשמלי לייצור מתאן נוסף במערכת BEAD. הוא מוגדר כיחס בין האנרגיה המופקת בצורת מתאן לאנרגיה הנצרכת על ידי המערכת לשימור תהליכים אלקטרוכימיים. יש לציין כי יעילות האנרגיה המדווחת מייצגת איזון אנרגיה חלקי המתמקד בקלט חשמלי, ואינה מתחשבת בדרישות אנרגיה תפעוליות אחרות (למשל, שאיבה ומחזור). לכן, אין לפרש זאת כיעילות אנרגטית כוללת של המערכת. יעילות האנרגיה חושבה באמצעות הנוסחה הבאה:
השווה 10
ΔWCHCH4 = ΔVCH4 × LHV משוואה 11
WE = I × E × ∆t משוואה 12
כאשר:
ΔWCHCH4 מייצג את האנרגיה המתקבלת ב-BEAD, ההפרש באנרגיה המופקת כמתאן בין כור BEAD לכור בקרת AD, הנמדד בוואט-שעות (Wh).
ΔVCHCH4 מציין את ההבדל בנפח המתאן שנוצר בין כור BEAD לכור בקרת AD, המובע בליטר (L).
LHV הוא ערך החימום הנמוך ביותר של מתאן, כ-9.6 Wh/L.
WE היא כמות האנרגיה החשמלית הנצרכת על ידי מתן פוטנציאל מיושם, הנמדדת בוואט-שעה (Wh), E הוא מתח בוולט (V), ו-Δt הוא זמן האינטרוול (24 שעות).
ניתוח סטטיסטי
הנתונים שנאספו מהניסויים נותחו סטטיסטית באמצעות ANOVA (ניתוח שונות) כדי להעריך את המשמעות של פרמטרים תפעוליים כמו OLR, פוטנציאל יישומי וטיפול הורמונלי על מדדי ביצועים מרכזיים, כולל תפוקת מתאן, הסרת COD ופירוק VFA. נקודות נתונים יציבות הוגדרו כמדידות עוקבות שהושגו בתנאי מצב יציב, כאשר פרמטרים מרכזיים הראו שינויים של פחות מ-±5% לאורך זמן. שלוש נקודות נתונים יציבות מכל פאזה, המייצגות מדידות סדרתיות מאותו כור בתנאי מצב יציב, נבחרו וממוצעו לייצוג אותה פאזה. יש לציין שכל שלב כלל מספר אצולות של שפכים אמיתיים במבשלה עם מאפיינים שונים (למשל, הרכב sCOD ו-VFA). וריאציות אלו שולבו באופן מובנה בניתוח מבוסס פאזה, מה שאפשר הערכת גמישות המערכת בתנאים ריאליסטיים. סטיית תקן שימשה כסרגל השגיאה בנתונים כדי לשקף שונות. כל הניתוחים הסטטיסטיים בוצעו באמצעות גיליון אלקטרוני. אומצה רמת מובהקות סטטיסטית של 95%, המצביעה על כך שתוצאות עם ערך p נמוך מ-0.05 נחשבות למובקות סטטיסטית (p < 0.05).
תוצאות
השפעת קצב העומס האורגני (OLR) על ביצועי BEAD - שלב 1:
השפעת OLR על ביצועי הסרת COD
כפי שמוצג באיור 2 ומפורט בטבלה 3, מערכת BEAD שמרה על יעילות גבוהה בהסרת COD גם ב-OLRs גבוהים, והשיגה הסרה של 92.7 ± 0.6% ב-OLR גבוה של 5 גרם sCOD/L∙d. ביצועים אלו בולטים במיוחד בהשוואה למחקרי BEAD אחרים שנעשו בתנאים מבוקרים וב-OLR נמוכים יותר. לדוגמה, ב-OLRs של 1 ו-2 גרם sCOD/L∙d, הכור השיג יעילות הסרת COD של 96.2%, לעומת תוצאות של Sangeetha ואח' ו-Guo ואח' 21, שדיווחו על הסרות מקסימליות של 90% ו-80% בהתאמה, בטמפרטורה של 30–35 מעלות צלזיוס באמצעות שפכים סינתטיים במבשלה.
הפחתות בטיפול הורמונלי ב-OLR גבוה הובילו לירידה מקבילה ביעילות הסרת COD. מכיוון ש-HRT ירד מ-5.2 ±-0.1 ימים ב-OLR של 5 גרם sCOD/L∙d ל-4.4 ± 0.3 ו-3.7 ± 0.1 ימים ב-OLR של 6 ו-7 גרם sCOD/L∙d, בהתאמה, יעילות הסרת COD ירדה באופן משמעותי ל-85.1 ± 1.7% ו-79.2 ± 0.8% (p < 0.05). הפחתה נוספת בטיפול הורמונלי ל-2.1 ± 0.2 ימים ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d הפחיתה את הסרת COD ל-64.6 ± 2.1% (p < 0.05). מגמה זו מצביעה על כך שטיפול הורמונלי קצר ב-OLR גבוה עלול להוביל לעיכוב הסובסטרט ולשטיפה של ביומסה, מה שעלול להגביל את יכולת מערכת BEAD לשמור על שיפורים ביואלקטרוכימיים, שעשויות להיות קשורים ל-DIET, החשובים לפירוק COD יעיל48. תוצאות אלו תואמות את ממצאי סנגיטה ואח' 23, שהבחינו בירידה בהסרת COD במי שפכים סינתטיים שטיפלו במבשלה BEAD כאשר טיפול הורמונלי ירד מ-36 ל-12 שעות כאשר OLR עלה מ-1.5 ל-4.4 גרם COD/L∙d. למרות האתגרים הללו, כור ה-BEAD במחקר זה עדיין הראה ביצועים מצוינים ב-OLR גבוה בהשוואה למערכות AD מסורתיות. לדוגמה, Xu ואח' דיווחו על 80% הסרת COD ב-OLR של 7.4 גרם COD/L∙d בתנאים אידיאליים ב-35 מעלות צלזיוס, ערך השווה ל-79.2 ± 0.8% שלנו ב-7 גרם sCOD/L∙d, שהושג בטמפרטורת החדר (22 מעלות צלזיוס).
הסרת VFA תחת OLRs שונים
כפי שמוצג באיור 3A, עלייה ב-OLRs לא פגעה ביכולת של BEAD לשפר את הסרת VFA, שכן BEAD ניהלה עומסי VFA חזקים יותר תוך שמירה על קצב VFA יציב יחסית. לדוגמה, למרות עלייה בקצב ה-VFA המשפיע מ-1.8 גרם sCOD/L∙d ב-OLR של 6 ל-2.9 גרם sCOD/L∙d ב-OLR של 7, קצב ה-VFA של השפכים נשאר יציב ב-0.8 גרם sCOD/L∙d. יציבות זו בכל ה-OLRs מדגימה את יעילותו של BEAD בפירוק VFAs ואת יכולתו למנוע הצטברות VFA, שבדרך כלל אחראית לירידות pH ולעיכוב מיקרוביאלי במערכות ADמסורתיות 50,51.
יתרה מזאת, המערכת הראתה יכולת יוצאת דופן לפרק VFAs, חומצות פרופיון ובוטיריות מאתגרות, הידועות בקצב ההתדרדרות האיטי שלהןבתהליכים אנאירוביים. לדוגמה, BEAD השיג הסרה של 100% חומצה פרופיונית ב-OLRs 5 ו-7 גרם sCOD/L∙d והפחתה משמעותית בחומצה בוטירית מ-1.2 ל-0.3 גרם sCOD/L∙d ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d, כפי שמוצג באיור 3B ובטבלה 4. התוצאות גם מצביעות על כך ששמירה על HRT אופטימלי היא קריטית לפירוק VFA יעיל ב-BEAD, במיוחד ב-OLRs גבוהים, שם הפעילות הביואלקטרוכימית מוגברת. למרות שהמערכת הציגה שיעורי ירידה גבוהים ב-VFA מ-OLRs של 5 עד 7 גרם sCOD/L∙d, גם עם ירידה ב-HRT מ-5.2 ± 0.1 ל-3.7 ± 0.1 ימים, ירידה נוספת ל-2.1 ± 0.0 ימים ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d הביאה לירידה ניכרת בביצועים. דבר זה היה ברור בעלייה המשמעותית בקצב ה-VFA של שפכים מ-0.8 ל-2.4 גרם sCOD/L∙d. במיוחד, קצב החומצה האצטית השפכה עלה בחדות מ-0.6 ל-1.8 גרם sCOD/L∙d, וחומצה פרופיונית, שהוסרה לחלוטין ב-OLR של 7, עלתה ל-0.4 גרם sCOD/L∙d. הסרת חומצה בוטירית הושפעה גם היא, אם כי במידה פחותה.
ביצועי הפקה בפרק4 :
תפוקת CH4 (בהתבסס על הסרת COD) וייצור נפחי של CH4
רמות OLR גבוהות הגבירו משמעותית את תפוקת ונפח המתאן ב-BEAD, מה שמעיד על היתרונות של זמינות מוגברת של מצע לייצור מתאן תוך הימנעות מעומס מערכת. כפי שמוצג באיור 4A, תפוקת המתאן (המבוססת על הסרת COD) הגיעה לשיא של 0.35 ± 0.01 LCH4/g sCODמוסר (התפוקה התיאורטית המקסימלית) ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d. תשואה זו ייצגה עלייה מובהקת סטטיסטית (p < 0.05) של 10–400% לעומת OLRים נמוכים יותר. נפח המתאן גם הוא עקב אחרי מגמה זו, והגיע ל-1.93 ± 0.04 ליטר/ליטר ליום ביחס OLR של 7 גרם sCOD/L∙d, מה שמעיד על עלייה של 18–2657% לעומת OLRs נמוכים יותר, כפי שמוצג בטבלה 3.
בהשוואה למחקרי BEAD אחרים שנערכו בתנאים מבוקרים, מערכת ה-BEAD במחקר זה הראתה ייצור מתאן טוב יותר באמצעות שפכים אמיתיים במבשלה בטמפרטורת החדר (22 מעלות צלזיוס). לדוגמה, בעוד ש-Sangeetha ואח' דיווחו על תפוקת מתאן של 0.143 LCH4/גרם COD ונפח של 0.367 L/L∙d ב-OLRs של 1–2 גרם COD/L∙d באמצעות שפכים סינתטיים במבשלה ב-30°C, המערכת שלנו השיגה תפוקת מתאן גבוהה יותר של 0.21 ± 0.01 LCH4/גרם sCODמוסר ונפח של 0.43 ± 0.03 L/L∙d ביחס OLR של 2 גרם sCOD/L∙d. באופן דומה, Xu ואחרים הבחינו בנפח מתאן של 1.16 L/L∙d ב-OLR של 5.8 גרם COD/L∙d ו-35°C, בעוד שהמערכת שלנו ייצרה 1.64 ± 0.05 L/L∙d ב-OLR דומה של 6 גרם sCOD/L∙d. למרות שהתפוקה והנפח של המתאן נשארו יציבים כאשר ה-HRT ירד מ-5.2 ± 0.1 ל-3.7 ± 0.1 ימים בין OLRs 5 ל-7 גרם sCOD/L∙d, ירידה נוספת ל-2.1 ± 0.2 ימים ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d הביאה לירידות מובהקות סטטיסטית (p < 0.05). תפוקת המתאן ירדה ב-21%, מ-0.35 ± 0.01 ל-0.28 ± 0.01 LCH4/גרם sCODשהוסרה, ונפח המתאן ירד ב-36%, מ-1.93 ± 0.04 ל-1.24 ± 0.02 ליטר/ליטר∙יום. הפחתות אלו מתואמות עם הירידה בהסרת COD ו-VFA שנדונה קודם, מה שמעיד כי HRTs קצרים מגבילים את זמן המגע המיקרובי ואת המרת אורגניים למתאן. לכן, זמן שמירה מספק הוא חיוני לשמירה על יעילות ביואלקטרוכימית מיטבית תחת עומס אורגני גבוה.
תשואת CH4 מבוססת COD נוסף
תפוקת המתאן המבוססת על COD השתפרה עם עלייה ב-OLR אך התייצבה ברמות גבוהות יותר עקב מגבלות טיפול הורמונלי. כפי שמוצג באיור 4B, תפוקת המתאן עלתה משמעותית (p < 0.05) מ-0.07 ± 0.01 ליטר LCH4/גרם sCODA ב-OLR של 1 גרם sCOD/L∙d ל-0.28 ± 0.01 LCH4/g sCODA ב-5 גרם sCOD/L∙dd. עם זאת, מ-OLR 5 ל-7 גרם sCOD/L∙d, התפוקה התייצבה סביב 0.28 LCH4/g sCODAdded, ללא הבדלים משמעותיים (p > 0.05), מה שמעיד כי עלייה נוספת בזמינות המצע לא הובילה ליעילות המרה גבוהה יותר. ממצא זה מיוחס בעיקר לירידה ב-HRT ברמות OLR גבוהות, מה שהגביל את ההמרה של תרכובות אורגניות שאינן VFA למתאן, למרות התדרדרות יעילה של VFA. טבלה 5 תומכת בתצפית זו, ומראה כי שיעורי ההסרה של תרכובות אורגניות אחרות לא עלו בין OLRs 5 ל-7 גרם sCOD/L∙d, מה שהוביל לעלייה בקצב השפכים. בנוסף, הפחתה נוספת ב-HRT ב-OLR 7 גרם sCOD/L∙d גרמה לירידה ניכרת בתפוקת המתאן, מה שממחיש סף קריטי שמעבר לו אפילו VFAs לא הומרו כראוי למתאן עקב זמן אחסון לא מספק.
תוכן פרק4
תכולת המתאן ב-BEAD השתפרה עם עלייה ב-OLRs, והתייצבה בעומסים גבוהים. כפי שמוצג באיור 4C, המערכת הגיעה לשיא תכולת המתאן שלה של 75.0 ± 0.3% ב-OLR של 6 גרם sCOD/L∙d, אחריו 74.3 ± 1.2% ו-74.0 ± 0.8% ב-OLRs של 7 ו-5 גרם sCOD/L·d, בהתאמה. ראוי לציין שלא נצפו הבדלים סטטיסטיים (p > 0.05) בתכולת המתאן בקרב ה-OLR הגבוהים הללו, מה שמעיד על איכות ביוגז יציבה בקצבי טעינה גבוהים אלה. יתרה מזאת, המערכת עקפה מחקרי BEAD אחרים; לדוגמה, Xu ואח' דיווחו על תכולת מתאן של 62.3% ב-OLR של 5.8 גרם COD/L∙d בטמפרטורה מבוקרת של 35°C ובשימוש בשפכים סינתטיים, בעוד שהכור שלנו השיג 75.0 ± 0.3% ב-OLR של 6 גרם sCOD/L∙d באמצעות שפכים אמיתיים בטמפרטורת החדר (22 מעלות צלזיוס).
ב-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d עם HRT מופחת של 2.1 ± 0.2 ימים, תכולת המתאן ירדה מעט ל-72.7 ± 0.5%. עם זאת, שינוי זה לא היה מובהק סטטיסטית (p > 0.05) בהשוואה לתכולת המתאן בטיפול הורמונלי של 3.7 ± 0.1 ימים ו-OLR של 7 גרם sCOD/L∙d, מה שמעיד שהמערכת שמרה על תכולת מתאן אפקטיבית גם בזמני מגע מופחתים.
ביצועים אלקטרוכימיים של מערכת BEAD
גם צפיפות הזרם וגם CE השתפרו משמעותית עם עליית OLR והגיעו לערכים המקסימליים שלהם ב-OLR של 6 גרם sCOD/L·d, עם שיא של 13.8 ± 0.3 A/m3 ו-1.97 ± 0.04%, בהתאמה. עם זאת, העלאת ה-OLR ל-7 גרם sCOD/L∙d הביאה לירידה משמעותית בביצועים (p < 0.05), כאשר צפיפות הזרם וה-CE ירדו ל-6.2 ± 0.1 A/m3 ו-0.81 ± 0.01%, בהתאמה, כפי שמודגם באיורים 5A ו-B. הירידה בערכי ה-EC מצביעה על כך שרוב האלקטרונים מכוונים לייצור מתאן ולא להישחזר כזרם חשמלי, דבר התואם את התפקיד העיקרי של המערכת כתהליך עיכול אנאירובי. ירידה זו עשויה להיות מיוחסת לעומס יתר של הסובסטרטים או לאי-איזון תזונתי ב-OLRs גבוהים. ריכוזי סובסטרט גבוהים ב-OLRs גבוהים יכולים להגביר את התחרות בין אקסואלקטרוגנים למתאנגנים באנודה, לעיתים להעדיף מתאנוגנים ובכך להפחית את דור52 הנוכחי. בנוסף, זמינות מוגבלת של חומרים מזינים ב-OLR גבוה עלולה לעכב את צמיחת ופעילות האקסואלקטרגנים החיצוניים, ובכך להפחית את הייצור הנוכחי53.
בהשוואה למערכות BEAD אחרות המשתמשות במי שפכים סינתטיים במבשלת בירה, המערכת שלנו הראתה ייצור זרם גבוה יותר ב-OLR גבוה יותר אך ביצועים אלקטרוכימיים נמוכים יותר ב-OLRs נמוכים, מה שמדגיש את השפעת מורכבות מי השפכים. לדוגמה, ב-OLR של 6 גרם sCOD/L∙d, המערכת שלנו השיגה צפיפות זרם גבוהה יותר מזו של 1.41 A/m3בלבד כפי שדווח על ידי Xu ואחרים, ב-OLR דומה של 5.8 גרם COD/L∙d ב-35 °C. עם זאת, ביצועי ה-BEAD שלנו ב-OLR של 2 גרם sCOD/L∙d, עם צפיפות זרם של 1.9 ± 0.1 A/m3 ו-CE של 1.58 ± 0.14%, היו נמוכים מ-14.3 A/m3ו-15% שנצפו על ידי Sangeetha ואחרים. ממצאים אלו מדגישים כי תת-קרקעי סינתטיים משפרים את התאוששות האלקטרונים בשל ירידה בתחרות המיקרוביאלית, בניגוד למי שפכים אמיתיים, המכילים קהילה מיקרוביאלית מגוונת ותחרותית יותר12.54.
מעניין לציין שהייצור הנוכחי נותר יציב למרות קיצוצים ב-HRT. במיוחד, הפחתת הטיפול ההורמונלי מ-3.7 ± 0.1 ימים ל-2.1 ± 0.2 ימים ב-OLR של 7 גרם COD/L∙d לא הביאה לשינוי מובהק סטטיסטית בצפיפות הזרם (p > 0.05), שנשארה יציבה על 6.2 A/m3. עקביות זו מרמזת כי שינויים בטיפול הורמונלי אינם בהכרח קשורים לשינויים בצפיפות הזרם. ממצא זה קריטי, שכן הוא מצביע על כך שלמרות ירידה ביעילות ההסרה האורגנית עקב זמן מגע קצר יותר בין אקזואלקטרוגנים למצעים, קצב העברת האלקטרונים לאנודה נותר ללא פגע. תצפית זו תואמת את ממצאי Castellano-Hinojosa ואח' 55, שדיווחו גם הם על צפיפות זרם יציבה למרות ירידות משמעותיות בטיפול הורמונלי. באופן דומה, סונג ואח' 56 לא הבחינו בשינוי בצפיפות הזרם (נשאר על 233 אמפר/מ'3), אף על פי ש-sCOD שפכים עלה משמעותית מ-439.0 ± 129.8 ל-749.0 ±-36 מ"ג/ליטר כאשר הורמונלי הורמונלי ירד מ-10 ל-5 ימים. ממצאים אלו מצביעים על כך שאינטראקציות ביואלקטרוכימיות, שעשויות להיות קשורות ל-DIET, עשויות להישאר יעילות ב-BEAD גם כאשר זמן השימור מתקצר.
השפעת הפוטנציאל המיושמי על ביצועי BEAD - שלב 2:
השפעת הפוטנציאל המיושם על הסרת COD
התוצאות הראו שב-OLRים גבוהים יותר, הפוטנציאל המופעל במערכת BEAD שיפר את יעילות הסרת COD בהשוואה למערכת AD הביקורתית, אך היה לו השפעה מינימלית ב-OLRs נמוכים יותר, כפי שמודגם באיור 2 ובטבלה 3. בפרט, ב-OLR גבוה של 5 גרם sCOD/L∙d, BEAD השיגה יעילות הסרת COD של 92.7 ± 0.6%, גבוהה משמעותית (p < 0.05) לעומת 85.3 ± 0.6% שנצפו ב-AD. לעומת זאת, ב-OLR נמוכים יותר של 2 ו-3 גרם sCOD/L∙d, ההבדל לא היה מובהק סטטיסטית (p > 0.05), כאשר שתי המערכות השיגו יעילות גבוהה דומה (96.2 ± 0.1% לעומת 96.6 ± 0.3% ב-2 גרם sCOD/L∙d ו-94.1 ± 1.2% לעומת 94.7 ± 0.8% ב-3 גרם sCOD/L∙d). מגמה זו תואמת את ממצאי טרטקובסקי ואחרים, 57, שדיווחו גם על יעילות דומה בהסרת COD ב-OLRs נמוכים במערכות עם וללא פוטנציאל מיושם, אך ציינו כי יישום פוטנציאל מוגבר משמעותית בהסרת COD ב-OLRs גבוהים יותר בהשוואה ל-AD המסורתי. תצפיות אלו מצביעות על כך שהפוטנציאל המופעל עשוי לשפר אינטראקציות מיקרוביאליות ותהליכי העברת אלקטרונים, שעשויים להיות קשורים ל-DIET, ולהוביל לפירוק אורגני יעיל יותר.
ב-OLR הגבוה ביותר של 7 גרם sCOD/L∙d, כאשר HRT הופחת ל-2 ימים, הפוטנציאל המופעל השפיע באופן מוגבל על יעילות הסרת COD. BEAD השיג יעילות הסרת COD של 64.6 ± 2.1%, מעט גבוה מה-61.9 ±-1.5% שנצפו ב-AD, אך ההבדל לא היה מובהק סטטיסטית (p > 0.05). דבר זה מרמז שבעוד ש-OLR גבוה יותר עשוי להראות את היתרונות הפוטנציאליים של פוטנציאל יישומי בשיפור הסרת COD, ה-HRT המופחת מגבילה את יכולת המערכת לנצל במלואו את היתרונות הביואלקטרוכימיים הללו. ייתכן שהסיבה לכך היא שה-HRT המקוצר אינו מספק מספיק זמן לפעילות מיקרוביאלית ותהליכי העברת אלקטרונים, שעשויים להיות קשורים ל-DIET, מה שמדגיש את הצורך באסטרטגיה תפעולית מאוזנת המתחשבת הן ביתרונות הפוטנציאל המופעל והן במגבלות שמוטלות על ידי קיצור זמן השימור.
השפעת הפוטנציאל המיושם על הסרת VFA
איור 6A–E וטבלה 5 מראים כי BEAD התעלה משמעותית על AD בפירוק VFAs מורכבים. ראוי לציין כי ב-OLR של 5 גרם sCOD/L∙d, BEAD השיג 100% הסרה של חומצות פרופיון ובוטיריות, לעומת רק 58.2% ו-77.6% הסרה ב-AD (איור 6E). דבר זה מדגיש את יעילות הפוטנציאל המיושם בשיפור תהליכים ביואלקטרוכימיים, אשר לא רק מאיצים את פירוק VFA אלא גם משפרים את הקינטיקה של מתנוגנזה58,59. ניתוח הרכב השפכים ב-OLR זה מאשר עוד יותר את הביצועים המעולים הללו: שפכת BEAD כללה 87% חומצה אצטית ללא חומצות פרופיונית או בוטיריות ניתנות לזיהוי, בעוד שפליטת AD הכילה 64% חומצה אצטית, עם 19% חומצה פרופיונית ו-17% בוטירית (איור 6D).
BEAD שמרה על הסרה טובה יותר של חומצות פרופיונית ובוטיריות גם בטיפול הורמונלי מקוצר. ב-OLR הגבוה ביותר של 7* גרם sCOD/L∙d עם HRT מופחת של יומיים, BEAD השיגה 66.4% הסרה של חומצה בוטירית, גבוהה משמעותית מ-50.9% של AD. עבור חומצה פרופיונית, BEAD הסירה 33.2%, בעוד ש-AD הראה קצב שפכים גבוה מהמשפיע, מה שמעיד על פירוק ירוד. ביצועים מעולים אלה של BEAD עשויים להיות מיוחסים לאינטראקציות ביואלקטרוכימיות מוגברות, שעשויות להיות קשורות ל-DIET, שיכולות להקל על העברת אלקטרונים יעילה יותר בין חיידקים מחמצנים פרופיונאט ובוטיראט לבין מתאנגנים לעומת העברת מימן בין-מיני (HIT) ב-AD, ובכך להפחית את הצטברות VFA ב-OLRs גבוהים 15,16,60,61.
השפעת הפוטנציאל המופעל על ייצור CH4 :
תפוקת CH4 וייצור נפחי של CH4
BEAD הראתה ביצועים טובים יותר בתפוקות ונפח מתאן בהשוואה ל-AD, במיוחד ב-OLRs של 3, 5 ו-7 גרם sCOD/L∙d, כאשר זמינות הסובסטרט תמכה בפעילות ביואלקטרוכימית מוגברת (איור 4A, טבלה 3). ראוי לציין כי ההבדל המשמעותי ביותר נצפה ב-OLR של 5 גרם sCOD/L∙d, שם BEAD השיג 0.30 ±0.01 LCH 4/g sCODRemoved, גבוה ב-20% מהתפוקה של AD של 0.25 ± 0.01 (p < 0.05). נפח המתאן עקב אחרי מגמה דומה, כאשר BEAD עלה על AD ב-30%, 20% ו-16% ב-OLRs של 5, 3 ו-7*, בהתאמה (p < 0.05). יתרונות אלו נובעים ממנגנוני העברת אלקטרונים יעילים שמופעלים על ידי מערכת המעגל הסגור, שבה האנודה משמשת כמקבל אלקטרונים אמין, ומקדם זרימת אלקטרונים מוגברת לקתודה62. לעומת זאת, המעגל הפתוח של AD ככל הנראה חווה אובדן אלקטרונים גדול יותר, מה שמפחית את יעילות ייצור המתאן שלו. יתרה מזאת, BEAD עשוי להפיק תועלת מאינטראקציות ביואלקטרוכימיות מוגברות, שעשויות להיות קשורות ל-DIET, שיכולות לספק מסלולים נוספים למתנוגנזה, ולאפשר המרה יעילה יותר של VFAs מורכבים כמו פרופיונאט ובוטיראט למתאן. היוצא מן הכלל היחיד נצפה ב-2 גרם sCOD/L·d, שם BEAD לא הראה יתרון ברור, ייתכן בשל זמינות פחמנית מוגבלת והסתגלות ראשונית של מיקרואורגניזמים אלקטרואקטיביים.
הפוטנציאל המיושם לא רק שיפר את ייצור המתאן אלא גם שיפר את יציבות התהליך, כפי שמוצג באיור 7. ב-OLR של 5 גרם sCOD/L∙d, פעולת BEAD בשלב 11 הראתה תפוקת מתאן יציבה יחסית, עם ממוצע של 0.298 LCH₄/g sCODהוסר, סטיית תקן של 0.008 LCH₄/g sCODהוסר, ומקדם שונות (CV) של 2.81%. לעומת זאת, לאחר המעבר ל-AD בשלב 12, תפוקת המתאן הראתה תנודות גדולות בהרבה, ירדה מ-0.33 ל-0.16 LCH₄/g sCODהוסר, עם סטיית תקן גבוהה יותר של 0.054 LCH₄/g sCODמוסר ו-CV של 20.87%. כאשר המערכת הוחזרה ל-BEAD בשלב 13, ייצור המתאן התאושש במהירות והפך ליציב יותר, עם תפוקה ממוצעת של 0.312 LCH₄/g sCODהוסר ו-CV מופחת של 6.23%. ראוי לציין שבמהלך התקופה היציבה המאוחרת של שלב 13, ה-CV ירד עוד יותר ל-1.95%, מה שמעיד כי פעולת BEAD החזירה את יציבות התהליך לאחר ההפרעה שנגרמה על ידי פעולת AD. תוצאות כמותיות אלו מראות שהפוטנציאל המופעל תרם לא רק לייצור מתאן גבוה יותר אלא גם לשונות תפעולית נמוכה יותר ולייצוב מהיר יותר. ממצאים אלו תואמים את אלו של פארק ואח' 63, שדיווחו שמערכות BEAD מגבירות את קצב ייצור המתאן ומקצרות את זמן הייצוב על ידי קידום חמצון אורגני מהיר ומתנוגנזה, ומציעות יתרונות ברורים על פני תהליכי AD קונבנציונליים.
תוכן פרק4
ל-BEAD היה תוכן CH4 גבוה יותר מאשר AD ב-OLRs גבוהים יותר, והגיע ל-74.0 ± 0.8% ו-72.7 ±-0.5% לעומת 71.0 ± 0.8% ו-70.0 ± 0.5% (p < 0.05) ב-OLRs של 5 ו-7 גרם sCOD/L∙d, בהתאמה, כפי שמוצג באיור 7. עם זאת, ב-OLR נמוכים יותר של 2 ו-3 גרם sCOD/L∙d, ההבדלים לא היו מובהקים סטטיסטית (p > 0.05). סביר להניח שזה נובע מכך שהתדרדרות VFA גבוהה יותר ב-BEAD מייצרת יותר פחמן דו-חמצני (CO2), שחלקו מומר ל-CH4 בעוד שהשאר מעלה את רמתCO2 של שקית הגז, ומשאיר את תכולת CH4 ללא שינוי. מגמות דומות צוינו במחקרים אחרים 64,65,66, מה שמצביע על כך ששיפורים באחוזCH 4 ובנפח אינם בהכרח מתרחשים במקביל. העלאת המתח המופעל מעל 1.23 וולט יכולה לשפר עוד יותר את תכולת CH4 על ידי הקלה על אלקטרוליזה של מים, וכך לייצר מימן (H2) שיכול להמירCO2 נוסף למתאן57,66. עם זאת, גישה זו עלולה להוביל לבעיות פוטנציאל יתר, שעלולות להוביל לחוסר יעילות אנרגטית ואתגרים תפעוליים. לכן, יש לאופטם בקפידה את התאמת המתח כדי לאזן בין ייצור מתאן מוגבר לבין יעילות המערכת.
יעילות אנרגטית של מערכת BEAD
איור 8 מראה ש-BEAD שמרה על יעילות אנרגטית גבוהה ועקבית (~1000%) בכל ה-OLRs. ראוי לציין שגם ב-OLR הגבוה ביותר של 7 גרם sCOD/L∙d עם HRT מקוצר של יומיים, המערכת השיגה יעילות אנרגטית גבוהה בשל צריכת אנרגיה נמוכה של 0.03 ± 0.01 Wh/g sCODשהוסר. זה נמוך בהרבה מצריכת האנרגיה הטיפוסית של 0.7 עד 2 Wh/g sCODשהוסר בתהליכי בוץ מופעל קונבנציונליים67. יתרה מזאת, אף שנצפתה ירידה קלה ביעילות האנרגטית עם עלייה ב-OLR, השונות הייתה מינימלית, מה שמעיד ש-BEAD שמר על ביצועים אנרגטיים יציבים גם תחת עומס אורגני מוגבר וזמן שמירה הידראולי מופחתת. ממצאים אלו מצביעים על כך ש-BEAD יכול לשפר את ייצור המתאן עם יעילות אנרגטית גבוהה במסגרת הקלט החשמלי המיושם. עם זאת, יש לציין כי ניתוח האנרגיה הנוכחי אינו מתחשב בדרישות אנרגיה תפעוליות אחרות, כגון שאיבת מזון ומחזור חוזר. לכן, יעילות האנרגיה המדווחת משקפת איזון אנרגיה חלקי, ונדרשת עבודה נוספת להערכת ביצועי האנרגיה הכוללים בתנאי תפעול מלאים.
ביצועי BEAD במי שפכים במבשלה ב-Nutrient-Limited (High C/N)
למרות יחס ה-C/N הגבוה של מי השפכים של המבשלה, BEAD השיגה ביצועים משמעותיים, כולל הסרת COD יעילה, התדרדרות VFA וייצור מתאן. שפכי המבשלה מאופיינים בדרך כלל בתכולת אורגנית גבוהה וחנקן נמוכה, מה שמוביל ליחס C/N גבוהשל 68,69,70,71. פרשנות זו מבוססת על המאפיינים הנצפים של המשפיע ולא על השוואה מבוקרת בין יחסי C/N שונים. בתהליך ה-AD הקונבנציונלי, לעיתים נדרשת תוספת חומרים מזינים לשפכי המבשלה כדי להוריד את יחס C/N ולתמוך בצמיחת המיקרואורגניזמים 69,70,71, אך לא נוספו חומרים מזינים נוספים במחקר זה. הביצועים החזקים של BEAD ככל הנראה נובעים מהפוטנציאל המיושם, שמגביר את הפעילות המיקרוביאלית ואת יציבות הכור בתנאים של מחסור בחומרים מזינים72,73. מחקרים מוגבלים חקרו את השפעת יחס C/N על ביצועי BEAD, כאשר רוב המחקרים מתמקדים ביחס C/N נמוך עד בינוני (0.6–25)74,75,76. כפי שצוין קודם, מחקרים ספציפיים על מערכות BEAD המטפלות במי שפכים במבשלה נדירים. יתרה מזאת, במחקרים שהשתמשו במי שפכים סינתטיים במבשלה, נוספו בדרך כלל חומרים מזינים להשגת יחס C/N מיטבי ל-40 21,23,24,25, בעוד ששני המחקרים היחידים שנערכו על שפכים אמיתיים במבשלה לא מדדו או התחשבו בהשפעת יחס C/N על ביצועי BEAD 20,22. לכן, נדרש מחקר נוסף כדי לבחון את תפקידם של יחסי C/N משתנים (נמוך לגבוה) במערכות BEAD המשתמשות במי שפכים אמיתיים של מבשלת בירה.
זמינות נתונים:
הנתונים הרלוונטיים למחקר כלולים במאמר וגם בתיק המשלים 2.
איור 1: תצורה והקמה תפעולית של מערכת הכור הביואלקטרוכימי ששימשה במחקר זה. (א) איור סכמטי של תצורת הכור המציג את רכיבי המערכת העיקריים, כולל האנודה עם מיטת הארוז המלאה בחומר מוליך מבוסס פחמן, תא הקתודה, מפריד, קווי השפעה ופליטה, לולאת סירקולציה פנימית, פתח דגימת גז, שקית איסוף גז ומעגל חשמלי חיצוני המחובר לפוטנציוסטט עבור ניטור ושליטה אלקטרוכימית. מיקומי אוספי הזרם, פתחי דגימה, משאבת הזנה, משאבת מחזור ומערכת ניטור pH מצוינים גם הם. (ב) צילום של הכור המורכב לפני ההפעלה, המדגישה את עיצוב העמוד האנכי, מבנה האנודה הדחוסה, שכבת הפרידה, אזור הקתודה, קו השפעה, פתח הדגימה וחיבורי סירקולציה. (ג) צילום של הכור במהלך ההפעלה, המראה את ביצועי הכור בתנאי סירקולציה רציפה, כולל מסלולי זרימת נוזלים, יצירת ביופילם על פני האלקטרודה, חיבורי צינורות חיצוניים וחיווט חשמלי המחוברים לפוטנציוסטט. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 2: יעילות הסרת COD במערכות OLR שונות במערכת BEAD ובמערכת AD קונבנציונלית. הסרת COD (%) הוערכה ב-OLRs בטווח של 1 עד 7 גרם sCOD/L·d, כולל מצב עומס יתר (7*). התרשים משווה את ביצועי הטיפול של כורי BEAD ו-AD בתנאי עומס מצע הולכים וגדלים. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
3: ייצור והרכב VFA תחת OLRs שונים במערכת BEAD. (A) קצב VFA כולל של השפעה ופליטה שנמדדו ב-OLRs בטווח של 1 עד 7 גרם sCOD/L·d, המראה את השפעת עומס הסובסטרט על הצטברות וביצועי ההסרה של VFA. (ב) התפלגות של VFAs עיקריים, כולל אצטט, פרופיונאט ובוטיראט, בזרמי השפעה ופליטה בתנאי OLR שונים. קווים אנכיים מקווקו מציינים מעברי פאזה תפעוליים התואמים לשינויים ב-OLR. שיעורי VFA מבוטאים כ-g sCOD/L·d. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של הנתון.
איור 4: ביצועי ייצור מתאן תחת OLRs שונים במערכות BEAD ו-AD. (A) תפוקת מתאן מנורמלת ל-COD שהוסרה; (B) תפוקת מתאן מנורמלת ל-COD נוסף; ו-(C) תכולת המתאן (%) בביוגז המיוצר ב-OLRs בטווח של 1 עד 7 גרם sCOD/L·d, כולל תנאי עומס יתר (7*). התרשים ממחיש את ההשפעה של העלייה בעומס המצע על יעילות הפקת מתאן ואיכות הביוגז בשתי תצורות הכור. תפוקת המתאן מבוטאת כ-L CH₄/g COD. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 5: ביצועים אלקטרוכימיים של מערכת BEAD תחת OLRs שונים. (א) צפיפות הזרם הנוצרת ב-OLRs בטווח של 1 עד 7 גרם sCOD/L·d, המדגימה את הקשר בין עומס המצע לפעילות ביואלקטרוכימית. (B) יעילות קולומבית (%) בתנאי OLR שונים, המייצגת את חלק האלקטרונים שהוחזרו כזרם חשמלי ביחס לחמצון המצע הכולל. צפיפות הזרם מבוטאת כ-A/m3. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 6:. השפעת הפוטנציאל המופעל על דינמיקת VFA והרכב שפכים במערכות BEAD ו-AD. (א) קצבי VFA כוללים בתנאי פוטנציאל ו-OLR שונים; (ב) שיעורי ייצור והסרה של פרופיונאט; (ג) שיעורי ייצור והסרת בוטיראט; (D) הרכב COD משפיע ונוזל ב-OLR 5 גרם sCOD/L·d, המראה את התפלגות היחסית של אצטט, פרופיונאט, בוטיראט ותרכובות אחרות; ו-(E) יעילות הסרת בוטיראט (%) בתנאי OLR שונים. האיור מדגים את השפעת הגירוי האלקטרוכימי על תוצרי תסיסה ביניים ועל מסלולי המרת המצע. שיעורי VFA מבוטאים כ-g sCOD/L·d. פסי השגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות כאשר הדבר רלוונטי. n = 3. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 7: שינוי זמני בתפוקת המתאן המנורמל ל-COD שהוסר במהלך הפעלה ארוכת טווח של מערכת כור BEAD. תפוקת המתאן נמדדה במשך 365 ימים בשלבים שונים של תפעול ותנאי OLR. קווים מקווקו אנכיים מציינים מעברים בין שלבי תפעול, כולל שלב ההתאוששות לאחר עומס יתר של הכור. תפוקת המתאן מבוטאת כ-L CH₄/g sCOD שהוסר. התרשים ממחיש יציבות הכור וביצועי ייצור המתאן במהלך הפעלה רציפה ממושכת. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 8: השפעת הפוטנציאל המופעל על התאוששות אנרגטית ויעילות אנרגטית במערכת BEAD תחת OLRs שונים. התרשים משווה בין אנרגיה שהוחזרה, אנרגיה חשמלית שנצרכה, ויעילות אנרגטית כוללת (%) ב-OLR של 3, 5 ו-7 גרם sCOD/L·d. האנרגיה שהוחזרה והאנרגיה הנצרכת מבוטאות כ-Wh/g sCOD שהוסר. האיור מדגים את הביצועים האנרגטיים של מערכת BEAD תחת גירוי אלקטרוכימי ותנאי עומס משתנים על המצע. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
| פרמטר | ערך |
| sCOD (mg/L) | 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 |
| pH | 5.2-6 |
| TAN (mg/L) | 5-5.2 |
טבלה 1: מאפייני מי השפכים של המבשלה המשמשים במהלך הפעלת הכור. הטבלה מסכמת את טווחי היחס sCOD, VFA/sCod, TS, VS, לעומת יחס בין TS, pH ו-TAN שנמדדו במי השפכים של המבשלה לאורך תקופת הניסוי.
| במה | שלב | תיאור | מצע | OLR (g sCOD/L.D) | פוטנציאל יישומי (1.2 וולט) | HRT (ימים) |
| שלב 1: השפעת OLR | 5 | תנאי OLR הנמוך ביותר | מבשלת הבירה WW | 2 | כן | 4-5 |
| 6 | שלב משותף (קו בסיס לשלב 2) | מבשלת הבירה WW | 1 | כן | 4-5 | |
| 9 | שלב משותף | מבשלת הבירה WW | 3 | כן | 4-5 | |
| 10 | עלייה ב-OLR | מבשלת הבירה WW | 4 | כן | 4-5 | |
| 11 & 13 | פאזה חוזרת ב-OLR=5 לאימות יציבות | מבשלת הבירה WW | 5 | כן | 4-5 | |
| 14 | עלייה ב-OLR | מבשלת הבירה WW | 6 | כן | 4-5 | |
| 15 | OLR גבוה | מבשלת הבירה WW | 7 | כן | 3-4 | |
| 16 | עומס מקסימלי | מבשלת הבירה WW | 7* | כן | 2 | |
| שלב 2: השפעת הפוטנציאל המיושמי | 5 | אותו מצב כמו שלב 1 | מבשלת הבירה WW | 2 | כן | 4-5 |
| 7 | ללא פוטנציאל מיושם | מבשלת הבירה WW | 2 | לא | 4-5 | |
| 9 | כמו בשלב 1 | מבשלת הבירה WW | 3 | כן | 4-5 | |
| 8 | ללא פוטנציאל מיושם | מבשלת הבירה WW | 3 | לא | 4-5 | |
| 11&13** | אותו שלב חוזר כמו שלב 1 | מבשלת הבירה WW | 5 | כן | 4-5 | |
| 12 | ללא פוטנציאל מיושם | מבשלת הבירה WW | 5 | לא | 4-5 | |
| 16 | כמו בשלב 1 | מבשלת הבירה WW | 7* | כן | 2 | |
| 17 | ללא פוטנציאל מיושם | מבשלת הבירה WW | 7* | לא | 2 |
טבלה 2: תכנון ניסויי ותנאי תפעול המשמשים להערכת השפעות OLR והפוטנציאל המיושם על ביצועי הכור. הטבלה מסכמת את שלבי התפעול, תנאי המצע, הפוטנציאל המיושם והטיפול ההורמונלי ששימש לאורך המחקר. מצב העומס (7*) מייצג פעולה באותו OLR עם HRT מופחתת.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| פרמטר | חרוז | חרוז | לספירה | חרוז | לספירה | חרוז | חרוז | לספירה | חרוז | חרוז | חרוז | לספירה |
| הסרת 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 |
| הסרת תפוקת פרק4 (LCH4/g sCODRהועבר) | 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 |
| תפוקת CH4 נוספה (LCH4/g מקודד) | 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 |
| כרך פרק4 (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 |
| פרק4 (%) | 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 | - |
| צפיפות זרם (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 | - |
| טיפול הורמונלי (ימים) | 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 |
טבלה 3: פרמטרי ביצועים תחת OLRs שונים במערכות BEAD ו-AD. הטבלה מסכמת הסרת COD, תפוקת CH₄, נפח CH₄, תכולת CH₄, CE, צפיפות זרם ו-HRT בתנאים תפעוליים שונים. הערכים מוצגים כסטיית תקן ממוצעת ± בהתבסס על מדידות מצב יציב בכל שלב תפעולי. מצב העומס (7*) מייצג פעולה באותו OLR עם HRT מופחתת.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| פרמטר | חרוז | חרוז | לספירה | חרוז | לספירה | חרוז | חרוז | לספירה | חרוז | חרוז | חרוז | לספירה |
| אצטט משפיע (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 |
| פרופיונאט משפיע (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0.13 | 0 | 0.19 | 0.48 | 0.34 | 0.56 | 0.82 | 0.55 | 0.07 |
| בוטיראט משפיע (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 |
| אצטט שפכים (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 |
| פרופיונאט שפכים (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0.03 | 0.03 | 0.21 | 0 | 0.14 | 0.14 | 0 | 0.37 | 0.24 |
| בוטיראט שפוז (g sCOD/L.D) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.05 | 0 | 0.13 | 0.09 | 0.28 | 0.29 | 0.37 |
טבלה 4: שיעורי VFA תחת OLRs שונים במערכות BEAD ו-AD. הטבלה מסכמת שיעורי אצטט, פרופיונאט ובוטיראט בהשפעה ובשפליטות, המובעים כ-g sCOD/L·d בתנאי פעולה שונים.
| OLR | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 7* | ||||
| פרמטר | חרוז | חרוז | לספירה | חרוז | לספירה | חרוז | חרוז | לספירה | חרוז | חרוז | חרוז | לספירה |
| COD משפיע (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 משפיע (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 |
| אחר משפיע** (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 שפכים (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 |
| VFA של שפכים (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 |
| שפוך אחר (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 |
| COD הוסר (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 |
| VFA שהוסר (g sCOD/L.D) | 0.1 | 0.34 | 0.19 | 0.38 | 0.24 | 0.15 | 1.24 | 0.61 | 1.05 | 2.05 | - | - |
| הוסרו אחרים (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 |
טבלה 5: התפלגות COD, קצבי VFA, והסרת תרכובות אחרות תחת OLRs שונים במערכות BEAD ו-AD. הטבלה מסכמת שברי COD משפיעים, שפכים ומוסרים, VFAs ותרכובות נוספות המובעות כ-g sCOD/L·d בתנאי הפעלה שונים של כורים. "אחר" מייצג תרכובות שאינן VFA התורמות ל-COD.
איור משלים 1. השפעת יחס VFA/sCOD משפיע על יעילות הסרת COD ב-BEAD. התרשים משווה את ביצועי הסרת COD של כור BEAD תחת יחסי VFA/sCOD פוחתים מ-1 ל-0.2. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
איור משלים 2. השפעת יחס VFA/sCOD משפיע על תפוקת CH4 (בהתבסס על COD שהוסר) ב-BEAD. התרשים משווה את תפוקת CH₄ של כור BEAD תחת יחס VFA/sCOD פוחת מ-1 ל-0.2. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
איור משלים 3. השפעת יחס VFA/sCOD משפיע על CH4 % ב-BEAD. התרשים משווה את תכולת CH₄ בכור BEAD ביחס VFA/sCOD פוחת מ-1 ל-0.2. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
איור משלים 4. השפעת יחס VFA/sCOD משפיע על צפיפות הזרם ב-BEAD. התרשים משווה את צפיפות הזרם בכור BEAD תחת יחס VFA/sCOD פוחת מ-1 ל-0.2. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
איור משלים 5. השפעת יחס VFA/sCOD משפיע על יעילות קולומבית ב-BEAD. התרשים משווה את היעילות הקולומבית בכור BEAD תחת ירידה ביחס VFA/sCOD מ-1 ל-0.2. פסי שגיאה מייצגים סטיות תקן של מדידות משוכפלות. n = 3. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
טבלה משלימה 1. פרמטרי ביצועים בהרכבי מצע שונים. הטבלה מסכמת הסרת COD, תפוקת CH₄, נפח CH₄, תכולת CH₄, CE וצפיפות זרם תחת הרכבי מצע שונים. הערכים מוצגים כסטיית תקן ממוצעת ± בהתבסס על מדידות מצב יציב בכל שלב תפעולי. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
טבלה משלימה 2. ריכוזי תרכובות מעכבות בנוזלים ובשפכים. הטבלה מסכמת תרכובות מעכבות כולל אמוניה, סולפט, סולפיד, H2,O 2 ו-PAA ב-BEAD ו-AD משפיעים ושפכים בתנאי OLR שונים. הערכים מוצגים כסטיית תקן ממוצעת ± בהתבסס על מדידות מצב יציב בכל שלב תפעולי. מצב העומס (7*) מייצג פעולה באותו OLR עם HRT מופחתת. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
קובץ משלים 1. השפעת יחס VFA/sCOD משפיע על ביצועי BEAD והערכת תרכובות מעכבות.אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
קובץ משלים 2. נתונים גולמיים.אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
דיון
BEAD הצטיין בעקביות על AD קונבנציונלי מבחינת הסרת COD, התדרדרות VFA, תפוקת מתאן ויציבות תהליך ב-OLRs משתנים. יתרון מרכזי של המערכת היה יכולתה לפרק ביעילות VFAs מורכבים, כגון חומצות פרופיונית ובוטיריות, שלרוב קשה לפירוק בסביבות אנאירוביות. תפוקת המתאן עלתה עם זמינות סובסטרט גבוהה יותר, והגיעה לשיא תפוקת מתאן של 0.35 LCH4/גרם sCODשהוסר ב-OLR הגבוה ביותר שנבדק של 7 גרם sCOD/L·d. ייצור המתאן נהנה מהפוטנציאל המיושם, כאשר נפח המתאן ב-BEAD היה גבוה ב-16–30% מאשר ב-AD במספר OLRs. שיפור זה ניתן לייחס לשיפור בתהליכי העברת אלקטרונים. במערכות AD קונבנציונליות, העברת האלקטרונים נשלטת בעיקר על ידי IIET, שמסתמך על ביניים כמו מימן ופורמט, ולעיתים מוגבל על ידי מגבלות דיפוזיה ואי-יעילות תרמודינמית77. לעומת זאת, יישום פוטנציאל חיצוני ב-BEAD ככל הנראה מקדם DIET ישיר, ומאפשר חילוף אלקטרונים יעיל יותר בין חיידקים אלקטרואקטיביים למתאנגנים ללא צורך במתווכים מסיסים. האינטראקציות הביואלקטרוכימיות, שעשויות להיות קשורות ל-DIET ומופעלות על ידי הפוטנציאל המופעל, עשויות להוביל לאובדן אלקטרונים נמוך יותר, פירוק אורגני יעיל יותר וייצור מתאן גבוהיותר. מעבר זה מ-IIET ל-DIET יכול להפחית אובדן אלקטרונים, לשפר אינטראקציות סינטרופיות ולהאיץ את התדרדרות הסובסטרטים האורגניים, ובכך לתרום לשיפור ייצור המתאן ויציבות התהליך. יש לציין כי מי השפכים של המבשלה ששימשו במחקר זה התקבלו ממקור יחיד, ולכן הביצועים שנצפו משקפים מאפייני מי שפכים ספציפיים למקום. לכן, יש לפרש את הממצאים בהקשר של התנאים שנבדקו, וייתכן שלא ניתן להכליל אותם ישירות לכל מערכות השפכים של המבשלים.
גישות חלופיות ושיטות משלימות עשויות לסייע בחקירה נוספת של המנגנונים האחראים להגברת ייצור מתאן והעברת אלקטרונים במערכות BEAD. לדוגמה, ריצוף 16S rRNA או ניתוח מטגנומי יכולים לזהות חיידקים אלקטרואקטיביים ומתאנוגנים הקשורים ל-DIET. טכניקות אלקטרוכימיות כמו CV ו-EIS עשויות לספק תובנות נוספות לגבי התנהגות העברת אלקטרונים ומוליכות ביופילם. בנוסף, מיקרוסקופיה SEM ופלואורסצנציה יכולה לשמש לחקר התפתחות ביופילם ואינטראקציות מיקרוביאליות על פני אלקטרודות. גישות משלימות אלו יספקו הבנה טובה יותר של המנגנונים הביואלקטרוכימיים השולטים בביצועי הכור.
למרות ש-BEAD טיפל ביעילות ב-OLRs גבוהים, הפחתת ה-HRT מ-3.7 ל-2.1 ימים הובילה לירידה בהסרת COD, התדרדרות VFA וייצור מתאן, מה שמדגיש את חשיבות טיפול הורמונלי מספק ליציבות התהליך תחת עומסים אורגניים גבוהים. עבודות עתידיות אמורות לחקור לעומק את שילוב פסולת מוצקה של מבשלה כמזון משותף, אופטימיזציה של פוטנציאלים מיושמים והערכה תחת טווח רחב יותר של הרכבי שפכים ותנאי תפעול. בנוסף, מחקרים המשלבים שיפור בשכפול סטטיסטי ובנצ'מרקינג ברור יותר מול מערכות AD קונבנציונליות יסייעו להעריך טוב יותר את הביצועים היחסיים של BEAD. מאמצים אלו יספקו הבנה מקיפה יותר של המערכת ויסייעו להבהיר את היישום הפוטנציאלי שלה לטיפול בשפכים תעשייתיים בעלי עוצמה גבוהה.
גילויים
למחברים אין ניגוד עניינים.
תודות
המחברים מודים למועצה למחקר מדעי הטבע וההנדסה של קנדה על התמיכה הכספית. ההכוונה הטכנית של ד"ר בוריס טרטקובסקי וד"ר וירנדר סינג מוכרת כראוי.
מקור מימון: מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 0.45 µm מסנן קרום | MilliporeSigma | HAWP04700 | משמש לפני ניתוח COD מסיס |
| 500 מ"ל בקבוקי זכוכית | Fisherbrand | 500 מ"ל בקבוק מדיה | משמש להתאקלמות חיסון |
| עמודת Acclaim OA | Thermo Scientific | Acclaim OA, 5 µm, 4 × 150 מ"מ | עמודה המשמשת לכימות VFA |
| אצטוניטריל | Fisher Scientific | HPLC grade | פאזה ניידת לניתוח HPLC |
| ערכת מגיב אמוניה | HACH | TNTplus 832 | חנקן, שיטת סליצילט-אמוניה HR Method 10205 |
| גז נשא ארגון | Air Liquide | ארגון בטוהר גבוה במיוחד | גז נשא עבור micro GC |
| לבד פחמן | SGL Carbon | סדרת GFD | חומר אלקטרודה חתוך לריבועים של 25 מ"מ × 25 מ"מ |
| צנטריפוגה | Eppendorf | 5810 R | משמש לצנטריפוגה של מי שפכים מבשלה ב-12,000 × g |
| צינורות מגיב COD | SCP Science | צינורות מגיב COD (תואמים לשיטת 8000) | משמשים לניתוח COD מסיס בעקבות שיטת HACH 8000 |
| כור זכוכית גלילי | Chemglass Life Sciences | כור זכוכית מותאם אישית | כור זרימה חד-תאי; נפח כולל 1 ליטר, נפח עבודה 0.65 ליטר |
| טיימר דיגיטלי | Intermatic | TN311 | משמש לבקרת תזמון קצב האכלה |
| ספקטרופוטומטר DR 2800 | HACH | DR 2800 | משמש לניתוח COD, אמוניה, סולפט וגופריתית |
| שקית איסוף גז | SKC | שקית דגימת גז Tedlar | משמשת לאיסוף ביוגז |
| מזרק אטום לגז | Hamilton | מזרק Gastight | משמש למדידת נפח הביוגז |
| מערכת HPLC | Thermo Scientific Dionex | UltiMate 3000 | משמשת לניתוח חומצה שומנית נדיפה (VFA) |
| ערכת בדיקת מימן חמצני/חומצה פר-אצטית | LaMotte | 7191-02 | משמשת למדידת H2O2 ו-PAA |
| חוט טיטניום מצופה Ir-MMO | Baoji Changli Special Metal Co., Ltd. | חוט Ir-MMO/Ti | קולט זרם 1 מ"מ מוחדר ללבד פחמן |
| מקרר מעבדה | VWR | מקרר מעבדה | משמש לאחסון מי שפכים ב-4 °C |
| חומצה מתאנוסולפונית | Sigma-Aldrich | ≥99% | משמשת ב-2.5 מ"מ כפאזה ניידת HPLC |
| גזוכרומטוגרף מיקרו | Agilent Technologies | 490 Micro GC | משמש לניתוח הרכב ביוגז עם גלאי TCD |
| מפריד גאוטקסטיל לא מוליך | TenCate Geosynthetics | סדרת Mirafi | מפריד 3 מ"מ עם נקבים של 2 מ"מ בין האלקטרודות |
| משאבת פרסטלטית | Cole-Parmer | Masterflex L/S | משמשת להזנה והזרמה מחדש של מים מזינים |
| פוטנציוסטט | Metrohm Autolab | PGSTAT204 | פוטנציוסטט המשמש לניטור פוטנציאל מופעל וזרם |
| צינור סיליקון | Cole-Parmer | צינור סיליקון Masterflex | משמש לקווי מים מזינים, מי שופכים והזרמה מחדש |
| ספקטרופוטומטר | HACH | DR 2800 | משמש למדידות אנליטיות של HACH |
| גיליון אלקטרוני | Microsoft Excel | משמש לניתוח סטטיסטי | |
| מגיב סולפט | HACH | SulfaVer 4, Method 8051 | משמש למדידת סולפט |
| מגיב גופריתית | HACH | Method 8131 | משמש למדידת גופריתית |
| מנגנון סינון ואקום | MilliporeSigma | מחזיק סינון ואקום מזכוכית | משמש עם מסנני קרום 0.45 µm |
מקורות
- 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.