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Digestione anaerobica potenziata biochimicamente delle acque reflue di birrifici a temperatura ambiente: prestazioni, resa di metano ed efficienza energetica

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DOI:

10.3791/70884

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31 luglio 2026

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

In questo articolo

Sommario

È stato sviluppato un sistema continuo di digestione anaerobica potenziata bioelettrochimicamente (BEAD) per il trattamento delle acque reflue dei birrifici, dimostrando un miglioramento della rimozione della domanda chimica di ossigeno, la degradazione degli acidi grassi volatili, la produzione di metano e l'efficienza energetica rispetto alla digestione anaerobica convenzionale sotto funzionamento a temperatura ambiente.

Abstract

La digestione anaerobica potenziata bioelettrochimicamente (BEAD) è emersa come un approccio promettente per migliorare la produzione di metano e la stabilità dei processi durante il trattamento delle acque reflue industriali ad alta resistenza. In questo studio, un reattore BEAD a flusso ascendente continuo è stato utilizzato per 365 giorni per valutarne le prestazioni nel trattamento delle vere acque reflue di birrificio a temperatura ambiente (22–24 °C). Gli effetti del tasso di carico organico (OLR; 1–7 g sCOD/L∙d), del tempo di ritenzione idraulica (HRT) e del potenziale applicato (1,2 V) sulla rimozione della materia organica, sulla degradazione degli acidi grassi volatili (VFA), sulla produzione di metano e sull'efficienza energetica sono stati sistematicamente indagati e confrontati con la digestione anaerobica convenzionale (AD). Il sistema BEAD ha raggiunto un'elevata efficienza di rimozione da domanda chimica di ossigeno (COD) (>92%) a OLR fino a 5 g sCOD/L∙d e ha dimostrato una degradazione superiore dei VFA complessi, in particolare degli acidi propionico e butirrico. La resa di metano è aumentata con l'aumento dell'OLR, raggiungendo un massimo di 0,35 LCH₄/g sCODrimosso con un OLR di 7 g sCOD/L∙d. Rispetto all'AD, il BEAD ha aumentato la produzione di metano del 16–30% a OLR più elevati mantenendo una qualità stabile del biogas (≈74–75% CH₄). Sebbene accorciare l'HRT con OLR elevati riducesse le prestazioni complessive, il BEAD ha costantemente superato l'AD. Il sistema ha mostrato un'elevata efficienza energetica (~1000%), suggerendo che potrebbe essere un candidato robusto e altamente efficiente dal punto di vista energetico per il trattamento delle acque reflue dei birrifici in regioni fredde.

Introduzione

L'inquinamento delle acque rimane una preoccupazione globale significativa, danneggiando la salute umana e disturbando gli ecosistemi. L'industria birrifica è tra i maggiori produttori industriali di acque reflue, producendo 3–10 L di acque reflue per litro dibirra 1,2. Il consumo globale di birra ha portato alla produzione di 188 Mm3 di birra nel 2023, classificandosi come la quinta bevanda più consumata al mondocon il 3,4. La birra è anche una bevanda popolare in Canada, come dimostra l'aumento del numero di birrifici da 1.120 nel 2019 a 1.210 nel 20205.

I birrifici gestiscono principalmente le acque reflue scaricandole nei sistemi fognari municipali, direttamente o dopo il pretrattamento. Tuttavia, gli impianti di trattamento delle acque reflue convenzionali (WWTP) spesso faticano con effluenti industriali ad alta resistenza, portando a limiti normativi in moltipaesi 2,6,7. In molti casi, i governi municipali possono imporre sovrapposizioni sugli effluenti ad alta resistenza per scoraggiarne tali scarichi, potenzialmente portando a costi operativi maggiori per ibirrifici 8. Pertanto, i birrifici devono adottare misure per gestire le acque reflue in modo più efficace e a costi inferiori. L'installazione di sistemi di trattamento in loco che non solo riducono i carichi di inquinanti, ma sfruttino anche il potenziale energetico dei composti organici nelle acque reflue del birrificio offre un'alternativavalida 9.

I processi anaerobici possono trattare efficacemente acque reflue ad alta resistenza con basso consumo energetico, convertendo i rifiuti in biogas, che può poi essere trasformato in elettricità, gas rinnovabile o energiatermica 10. La digestione anaerobica (DA) è un processo indiretto di trasferimento elettronico interspecie (IIET) in cui gli intermediari trasferiscono elettroni tra batteri acidogeni e archei metanogeni attraverso complesse reazionienzimatiche 11. Tuttavia, queste reazioni affrontano limitazioni termodinamiche che impediscono il trasferimento completo degli elettroni dai substrati iniziali al metano, causando notevoli perdite di elettroni e una riduzione della produzionedi metano 12. La stabilità AD è influenzata da questi meccanismi di trasferimento elettronico, e le interruzioni spesso portano all'accumulo di intermediari, come idrogeno o VFAs (acidi grassi volatili). Lo squilibrio tra batteri acidogeni e metanogeni è un fattore principale che contribuisce a questo accumulo. Alti tassi di carico organico (OLR) nelle acque reflue del birrificio possono aggravare questo squilibrio, superando la capacità dei metanogeni di utilizzare iVFAs 13 prodotti.

La digestione anaerobica potenziata bioelettrochimicamente (BEAD) utilizza il trasferimento diretto di elettroni interspecie (DIET) per trasferire elettroni direttamente dai substrati organici al metano, bypassando l'IIET più lento e meno efficiente nell'AD convenzionale. In DIET, gli elettroni vengono trasferiti direttamente tra specie microbiche tramite citocromi, pili conduttivi o aggregati multispecie senza la necessità di uno shuttle elettronicointermedio 12. I sistemi BEAD utilizzano correnti elettriche esterne per migliorare il degrado dei VFA a catena corta, come butirato e propionato, rendendo il processo più stabile rispetto al convenzionale AD 14,15,16. Inoltre, i sistemi BEAD promuovono le interazioni microfiche sintrofiche, che accelerano la produzione di metano grazie al miglioramento complessivo della degradazione complessivadella VFA 17. Gli studi hanno dimostrato che il BEAD può aumentare la produzione di metano rispetto all'AD convenzionale grazie a ulteriori vie di metanogenesi, come l'assorbimento diretto di elettroni dagli elettrodi (elettrometanogenesi)18,19.

La ricerca sulle acque reflue dei birrifici in BEAD è limitata, con la maggior parte degli studi condotta a temperature mesofile (30–35 °C) o utilizzando acque refluesintetiche 20,21,22,23,24,25. Sebbene le condizioni mesofile siano ideali per vari microrganismi, ottimizzare il sistema BEAD a temperatura ambiente (22–24 °C) è cruciale per applicazioni pratiche, in particolare in regioni fredde come il Canada. Inoltre, utilizzare acque reflue reali da birrificio offre una rappresentazione più accurata delle sfide riscontrate negli scenari reali. Questo studio mira a colmare le lacune chiave valutando parametri critici per il trattamento e la produzione di metano dalle vere acque reflue di birrificio in un reattore BEAD a temperatura ambiente.

Il tasso di carico organico (OLR) è un parametro operativo importante nei sistemi BEAD, riflettendo la capacità del sistema di elaborare efficacemente i composti organici. Un OLR alto può portare a un accumulo eccessivo di acidità, potenzialmente ostacolando la metanogenesi. Pertanto, è fondamentale gestire l'OLR per raggiungere un'efficienza ottimale del trattamento e una produzionedi metano 26,27. I ricercatori hanno principalmente studiato l'impatto dell'OLR sulle prestazioni del BEAD utilizzando una miscela sintetica di acidiorganici 28,29,30,31, fanghi attivati dai rifiuti (WAS)26, residui di piante dipomodoro 32, rifiutialimentari 33 e pasta dirifiuti 34. La maggior parte degli studi su BEAD con acque reflue di birrificio ha impiegato OLR bassi, e solo uno studio ha valutato l'impatto di diversi OLR sull'efficienza BEAD nel trattamento delle acque reflue dei birrifici. Pan et al.22 hanno riportato che la produzione di metano è aumentata gradualmente con l'OLR, raggiungendo 5,64 L/L∙d con un OLR di 20 g COD/L∙d, superando l'AD convenzionale in condizioni mesofile (35 °C). Inoltre, mentre le prestazioni AD diminuivano con OLR elevati, il sistema BEAD rimaneva stabile anche con OLR più alti. Per quanto ne sappiamo, nessuno studio ha mai esplorato l'impatto dell'OLR sulle prestazioni BEAD utilizzando vere acque reflue di birrificio a temperatura ambiente. Pertanto, questo studio mira a esaminare come diversi OLR influenzino la degradazione delle acque reflue reali dei birrifici e la successiva produzione di metano a temperatura ambiente.

La tensione applicata è un altro parametro operativo importante nei sistemi BEAD. La tensione applicata favorisce la crescita di metanogeni idrogenotrofi, aumentando così la stabilità del processo. Inoltre, la tensione fornita influisce sulla produzione di metano così come sulla resistenza interna all'interno delsistema 35,36,37. Solo un numero limitato di studi ha esplorato come l'assenza o la presenza di tensione influisca sulle prestazioni BEAD con le acque reflue deibirrifici 20,21,25. Ad esempio, Guo et al.21 hanno testato tre reattori BEAD con rapporti catodo-anodo variabili di 1, 2,5 e 4 cm2/cm 3 a 35 °C utilizzando acque reflue sintetiche di birrificio, rilevando che un sistema a circuito chiuso (0,9 V) aumentava rispettivamente la produzione di metano del 42%, 121% e 61%, rispetto a un circuito aperto (0 V). Tuttavia, la ricerca che utilizza acque reflue reali di birrificio a temperatura ambiente resta limitata, evidenziando la necessità di ulteriori indagini.

L'obiettivo principale di questo studio era indagare la fattibilità e le prestazioni di un sistema di digestione anaerobica (BEAD) potenziata bioelettrochimicamente per il trattamento delle acque reflue reali di birrificio a temperatura ambiente (22–24 °C). Rispetto ai precedenti studi BEAD condotti principalmente in condizioni mesofiliche, questo studio sottolinea il funzionamento a lungo termine del BEAD a temperatura ambiente, di particolare importanza ingegneristica perché evita la necessità di riscaldamento continuo del reattore e riduce la domanda di energia. In particolare, lo studio ha valutato gli effetti delle diverse velocità di carico organico (OLR) e l'impatto della tensione applicata sulla degradazione delle acque reflue, sulla stabilità del processo e sulla produzione di metano. Operando un reattore BEAD in condizioni controllate, questo studio ha mirato a identificare parametri operativi ottimali che migliorano la degradazione degli acidi grassi volatili (VFA) e la resa di metano mantenendo la stabilità del sistema. I risultati dovrebbero fornire approfondimenti pratici sull'applicazione della tecnologia BEAD per il trattamento delle acque reflue in loco nei birrifici.

Protocollo

Non era richiesta l'approvazione etica per questo studio, poiché non ha coinvolto partecipanti umani né soggetti animali. I campioni di acque reflue e fanghi sono stati raccolti e trattati secondo i protocolli standard di sicurezza di laboratorio.

Alimentazione e inoculo

Inizialmente, l'acetato di sodio veniva utilizzato come fonte supplementare di carbonio per avviare l'attività microbica nei reattori. Dopo l'avvio del reattore, le vere acque reflue dei birrifici provenienti dalla Dominion City Brewing Co., Ottawa, sono state introdotte gradualmente, sostituendo gradualmente l'acetato di sodio (circa 5 giorni). Le caratteristiche dei campioni di acque reflue del birrificio (Tabella 1) variavano con ogni lotto (17 lotti in totale), permettendo di valutare l'adattabilità del sistema alle condizioni reali. A Dominion City, solidi come luppolo e lievito vengono separati prima che le acque reflue vengano raccolte in due vasche finali. Campioni in lotto venivano prelevati da questi serbatoi, trasportati in laboratorio e centrifugati a 12.000 × g a temperatura ambiente (22 °C) per rimuovere i residui solidi. Il sovrantantante risultante veniva conservato a 4 °C fino all'uso. L'inoculo era un fango mesofilo digerito anaerobicamente raccolto dal Robert O. Pickard Environmental Centre (ROPEC) di Ottawa. Prima della sua introduzione, il fango è stato acclimatato con le acque reflue centrifugate del birrificio in bottiglie di vetro da 500 mL per 14 giorni a 480 × g a temperatura ambiente (22 °C).

Configurazione del reattore

Questo studio utilizzava un reattore BEAD a flusso ascendente a camera singola realizzato in vetro cilindrico (altezza 435 mm, diametro 54 mm), con un volume totale di 1 L e un volume di lavoro effettivo di 0,65 L. L'influente veniva alimentato nel reattore tramite una pompa peristaltica e controllato tramite un timer digitale per regolare la velocità di alimentazione. Per migliorare il mixaggio e il trasferimento di massa gas-liquido, un circuito di ricircolazione collegava la parte superiore e inferiore del reattore (Figura 1A), mantenuto a 70 mL/min tramite una seconda pompa peristaltica. Gli elettrodi consistevano in quadrati impilati di feltro di carbonio da 25 mm × 25 mm, per un'altezza totale di 130 mm (Figura 1B,C). Un separatore geotessile non conduttivo spesso 3 mm con perforazioni di 2 mm è stato posizionato tra anodo e catodo per evitare il contatto, risultando in una distanza tra elettrodi di 3 mm. L'anodo era posizionato sopra il catodo per impedire che il gas idrogeno fuoriesse nella sacca gassosa, data la bassa solubilità dell'idrogeno in acqua. Un filo di titanio spesso 1 mm rivestito con ossido metallico misto di iridio (Ir-MMO) fu inserito nel feltro di carbonio e fungeva da collettore di corrente per entrambi gli elettrodi. I collettori di corrente erano collegati a un potenziostato (AUTM101. S, Metrohm, Svizzera), che veniva utilizzata per applicare e mantenere un potenziale controllato attraverso gli elettrodi e monitorare continuamente la risposta elettrochimica del sistema. Una tensione applicata di 1,2 V è stata mantenuta tra anodo e catodo durante tutto il funzionamento del reattore. Il reattore AD, utilizzato come gruppo di controllo in questo studio, aveva la stessa configurazione del reattore BEAD ma operava senza un potenziale applicato.

Progettazione e procedura sperimentale

Lo studio è stato condotto in 365 giorni, comprendendo 17 fasi operative (ciascuna da 10 a 20 giorni) su tre fasi principali, ciascuna valutando le prestazioni del reattore BEAD in condizioni operative diverse. Prima della raccolta dei dati, ogni fase veniva utilizzata fino a raggiungere condizioni stabili. Questa durata estesa ha permesso la valutazione delle prestazioni e della stabilità a lungo termine dei BEAD, a differenza degli studi tipici a breve termine o in modalità batch. L'uso di più lotti di acque reflue reali da birrificio introdusse variabilità composizionale; tuttavia, le prestazioni del reattore sono state valutate in condizioni di stato stazionario all'interno di ogni fase, assicurando che i risultati riportati riflettano un comportamento stabile del sistema piuttosto che fluttuazioni a breve termine.

Fasi di avvio: avvio del reattore (impatto del rapporto influente VFA/sCOD)

Il reattore BEAD è stato inoculato con 350–400 mL di fanghi anaerobici pre-acclimatati. Inizialmente operato in modalità batch con acetato di sodio e un potenziale applicato di 1,2 V, il sistema manteneva un alto HRT di 16 giorni per supportare la crescita di microrganismi elettroattivi minimizzando il lavaggio della biomassa. Dopo due settimane, il reattore è passato al funzionamento a flusso continuo, utilizzando acetato di sodio a un OLR di 2 g sCOD/L∙d con una portata giornaliera di 120–130 mL, risultando in una HRT di 5 giorni. Una volta stabile, l'alimentazione veniva gradualmente sostituita con acque reflue di birrificio: prima al 70%/30% (acetato/acque reflue), poi al 50%/50% e infine all'80%/20% prima di raggiungere il 100% di acque reflue di birrificio (Tabella 2). Questa fase ha anche valutato l'impatto dei diversi rapporti influenti VFA/sCOD sulle prestazioni del BEAD, poiché l'acetato di sodio ha una composizione VFA più semplice rispetto ai più complessi VFA nelle acque reflue dei birrifici, che influenzano l'attività microbica e la produzione di metano. I risultati di questa fase sono stati discussi nel File Supplementare 1 (Figure Supplementari 1–5 e Tabella Supplementare 1)12,38,39,40,41,42.

Quando l'alimentazione è stata passata al 100% di acque reflue da birrificio con un OLR di 2 g sCOD/L∙d, la resa di metano è diminuita rispetto all'alimentazione solo a base di acetato. I test di inibizione, Fascicolo Supplementare 1 (Tabella Supplementare 2), hanno confermato che l'inibizione dalle acque reflue dei birrifici non era il problema principale. Pertanto, l'OLR è stato aumentato per stimolare l'attività microbica con una maggiore disponibilità di substrato. Il recupero del reattore e i test inibitori sono stati condotti durante un intervallo di tre mesi tra le fasi 5 e 6. Durante questo periodo, il reattore fu operato continuamente in condizioni controllate utilizzando acque reflue di birreria, mentre ulteriori esperimenti furono condotti per valutare potenziali composti inibitori, tra cui azoto ammoniacico totale (TAN), solfato, solforo, perossido di idrogeno (H₂O₂) e acido peracetico (PAA). I risultati hanno confermato che nessuno di questi composti era presente a concentrazioni inibitorie. Il reattore fu mantenuto in condizioni operative stabili fino al ripristino delle prestazioni in regime stazionario, come indicato dalla produzione costante di metano, dalla rimozione COD e dalla degradazione VFA. Le fasi sperimentali successive sono riprese solo dopo aver confermato che le prestazioni del reattore si erano stabilizzate e comparabili alle condizioni pre-gap. I dati di questo periodo di recupero e test sono stati omesos dall'analisi per garantire la coerenza tra le fasi operative definite.

Fase 1: Impatto dell'OLR

In questa fase, il reattore BEAD è stato alimentato esclusivamente con acque reflue del birrificio per esplorare l'effetto delle variabili OLR (1–7 g sCOD/L∙d) sotto un potenziale applicato di 1,2 V (Tabella 2). La variazione nei livelli di COD delle acque reflue dei birrifici ha portato anche a fluttuazioni nell'HRT, in particolare al più alto OLR (7* g sCOD/L∙d), dove gli esperimenti sono stati condotti sotto due HRT di 2 e 4 giorni (* indica una diversa HRT allo stesso OLR di 7 g sCOD/L∙d; 7 g sCOD/L∙d è HRT a 3–4 giorni, 7* g di sCOD/L∙d è HRT a 2 giorni). Ciò ha permesso di valutare come la HRT influenzasse la produzione di metano, la degradazione del substrato e l'efficienza complessiva del processo.

Fase 2: Impatto del potenziale applicato

Questa fase ha valutato l'effetto della presenza o assenza di potenziale applicato (1,2 V) sulle prestazioni del reattore e sulla produzione di metano utilizzando le acque reflue della birreria. Il reattore di controllo senza potenziale applicato (AD) e il reattore BEAD sono stati testati a OLR di 2, 3, 5 e 7 g sCOD/L∙d. Il controllo AD era operato come un reattore separato con la stessa configurazione del reattore BEAD, ma senza un potenziale applicato. Entrambi i reattori furono operati in parallelo in condizioni comparabili. Inoltre, con un OLR di 7* g sCOD/L∙d, l'HRT è stata ridotta da 4 a 2 giorni, permettendo di indagare sull'impatto del potenziale applicato con una HRT più breve (Tabella 2).

Metodi analitici

I solidi totali (TS) e i solidi volatili (VS) sono stati misurati utilizzando il Metodo Standard1684-43. La COD solubile (sCOD) è stata analizzata utilizzando il Metodo StandardCOD 44 con tubi di reagente. Prima dell'analisi, i campioni venivano filtrati utilizzando un filtro a vuoto dotato di una membrana di 0,45 μm delle dimensioni dei pori. La concentrazione di ammoniaca è stata determinata utilizzando il kit45 di reagenti ammoniacici. Il solfato è stato misurato utilizzando il kit46 per reagenti solfatati. Il solfuro è stato analizzato utilizzando il kit47 di reagenti solfosi. Tutte le analisi HACH sono state effettuate utilizzando lo spettrofotometro. Perossido di idrogeno e acido peracetico sono stati misurati utilizzando il kit per il test dell'acido peracetico tramite il metodo del contagocce. Il biogas veniva raccolto in una sacca di raccolta del gas e il suo volume veniva quantificato ogni giorno utilizzando una siringa ermetica, con tutte le misurazioni effettuate in triplicata. La composizione del biogas è stata analizzata utilizzando un microcromatografo a gas (GC), con argon come gas portatore, un rivelatore TCD e una temperatura di iniezione di 110 °C. I volumi di biogas sono stati misurati direttamente da sacchi di raccolta del gas e sono riportati come valori misurati in condizioni di laboratorio costanti. I volumi di gas sono riportati su base umida. Tutte le misurazioni del gas sono state effettuate in condizioni di pressione quasi atmosferica, mantenendo le connessioni ermetiche per minimizzare le perdite di gas. Il sistema veniva regolarmente controllato per garantire l'integrità della sigillatura durante tutto l'esperimento.

I VFA, inclusi acetato, propionato e butirrato, sono stati quantificati tramite cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) con una lunghezza d'onda di assorbimento di 210 nm. Le fasi mobili comprendevano il 100% acetonitrile e 2,5 mM di acido metanassolfonico, e l'analisi è stata effettuata utilizzando una colonna (5 μm, 4 mm × 150 mm) a 30 °C con portata costante di 1 mL/min per la fase mobile. Il pH e la temperatura del reattore venivano monitorati continuamente tramite un misuratore. Durante il funzionamento del reattore, il pH è stato mantenuto entro un intervallo tipico di 6,5–7,5, indicando condizioni operative stabili. La generazione attuale è stata registrata ogni 5 minuti usando un potenziostato, sotto un potenziale applicato fisso di 1,2 V.

Calcoli

L'efficienza e la velocità di rimozione del COD sono state determinate utilizzando le seguenti equazioni:

figure-protocol-1 Eq. 1

figure-protocol-2 Eq. 2

L'OLR di alimentazione è stato calcolato usando l'Equazione 3, come mostrato di seguito, dove la velocità di alimentazione è espressa in litri al giorno (L/g) e il volume del reattore in litri.

figure-protocol-3 Eq. 3

Le seguenti equazioni sono state utilizzate per calcolare la resa specifica di metano basandosi sulla COD rimossa (LCH 4/g sCODrimosso) e sulla COD aggiunta (LCH 4/g sCODaggiunta):

figure-protocol-4 Eq. 4

figure-protocol-5 Eq. 5

Dove è il volume di metano prodotto al giorno (LCH 4/d) e e sono rispettivamente la quantità di sCODrimossa al giorno (g sCODrimosso/d) e sCOD che entra nel reattore al giorno (g sCODaggiunto/d).

La densità di corrente veniva calcolata normalizzando la corrente misurata (I) in ampere (A) al volume di lavoro del reattore (V), espresso in metri cubi (m3). La densità di corrente è riportata in A/m 3 ed è descritta dalla seguente equazione:

figure-protocol-6 Eq. 6

L'efficienza coulombica (CE) è stata calcolata per valutare l'efficienza del recupero elettronico mentre la corrente dal CODè rimosso. È definito come il rapporto tra la carica totale (in coulomb) recuperata come corrente (QC) e la carica teorica che potrebbe essere recuperata sulla base della COD rimossa (QT). La carica totale recuperata (QC) è stata determinata integrando la corrente misurata nel tempo:

Qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t Eq.7

dove è la corrente misurata (A) in ogni intervallo di tempo, e Δt è l'intervallo di registrazione (s).

La carica teorica (QT) è stata calcolata sulla base della rimozione della COD, assumendo che 1 mol di elettroni venga trasferito per 8 g diCOD rimosso, secondo la legge di Faraday:

figure-protocol-7 Eq.8

dove F è la costante di Faraday (96.485 C/mol e⁻), ed è espressa in grammi.

Quindi, la CE è stata calcolata come:

figure-protocol-8 Eq. 9

L'efficienza energetica (ηE), definita qui come efficienza di conversione energetica da elettrico-metano, viene utilizzata per valutare l'efficacia della conversione dell'input elettrico in una produzione aggiuntiva di metano nel sistema BEAD. È definito come il rapporto tra l'energia prodotta sotto forma di metano e l'energia consumata dal sistema per mantenere i processi elettrochimici. Va notato che l'efficienza energetica riportata rappresenta un bilancio energetico parziale focalizzato sull'input elettrico e non tiene conto di altre richieste operative di energia (ad esempio, pompaggio e ricircicolazione). Pertanto, non dovrebbe essere interpretato come l'efficienza energetica complessiva del sistema. L'efficienza energetica è stata calcolata utilizzando la seguente formula:

figure-protocol-9 Eq. 10

ΔWCH4 = ΔV CH4 × LHV Equ. 11

WE = I × E × ∆t Equ. 12

dove:

ΔWCH4 rappresenta l'energia recuperata nel BEAD, la differenza di energia prodotta come metano tra il reattore BEAD e il reattore di controllo AD, misurata in watt-ora (Wh).

ΔVCH4 indica la differenza di volume di metano prodotto tra il reattore BEAD e il reattore di controllo AD, espressa in litri (L).

Il LHV è il valore termico inferiore del metano, circa 9,6 Wh/L.

WE è la quantità di energia elettrica consumata fornendo potenziale applicato, misurata in watt-ora (Wh), E è la tensione in volt (V) e Δt è il tempo intervalle (24 h).

Analisi statistica

I dati raccolti dagli esperimenti sono stati analizzati statisticamente utilizzando ANOVA (Analisi della Varianza) per valutare la significanza di parametri operativi come OLR, potenziale applicato e HRT su indicatori chiave di prestazione, tra cui la resa di metano, la rimozione del COD e il degrado della VFA. I punti dati stabili sono stati definiti come misurazioni consecutive ottenute in condizioni di stato stazionario, dove i parametri chiave hanno mostrato variazioni inferiori al ±5% nel tempo. Tre punti dati stabili di ogni fase, rappresentanti misurazioni seriali dallo stesso reattore in condizioni di stato stazionario, sono stati selezionati e mediati per rappresentare quella fase. Va notato che ogni fase includeva più lotti di acque reflue reali di birrificio con caratteristiche variabili (ad esempio, composizione sCOD e VFA). Queste variazioni erano intrinsecamente incorporate nell'analisi basata su fasi, permettendo la valutazione dell'adattabilità del sistema in condizioni realistiche. La deviazione standard è stata utilizzata come barra di errore nelle figure per riflettere la variabilità. Tutte le analisi statistiche sono state condotte utilizzando un foglio di calcolo. È stato adottato un livello di significatività statistica del 95%, indicando che i risultati con un p-valore inferiore a 0,05 sono considerati statisticamente significativi (p < 0,05).

Risultati

Effetto della Velocità di Carico Organica (OLR) sulle prestazioni BEAD - Fase 1:

Effetto dell'OLR sulle prestazioni di rimozione COD

Come mostrato nella Figura 2 e dettagliato nella Tabella 3, il sistema BEAD ha mantenuto elevate efficienze di rimozione COD anche con OLR elevati, raggiungendo 92,7 ± 0,6% di rimozione a un OLR elevato di 5 g sCOD/L∙d. Questa prestazione è particolarmente notevole se confrontata con altri studi BEAD condotti in condizioni controllate e OLR più bassi. Ad esempio, con OLR di 1 e 2 g sCOD/L∙d, il reattore ha raggiunto un'efficienza di rimozione COD del 96,2%, superando i risultati di Sangeetha et al.24 e Guo et al.21, che hanno riportato rimozioni massime COD rispettivamente del 90% e 80%, a 30–35 °C utilizzando acque reflue sintetiche da birrificio.

Riduzioni dell'HRT a OLR più elevati hanno portato a corrispondenti diminuzioni dell'efficienza nella rimozione della COD. Con la riduzione della HRT da 5,2 ± 0,1 giorni con un OLR di 5 g sCOD/L∙d a 4,4 ± 0,3 e 3,7 ± 0,1 giorni con OLR rispettivamente di 6 e 7 g sCOD/L∙d, le efficienze di rimozione della COD sono significativamente diminuite a 85,1 ± 1,7% e 79,2 ± 0,8% (p < 0,05). Un'ulteriore riduzione della HRT a 2,1 ± 0,2 giorni con un OLR di 7* g sCOD/L∙d ha ridotto la rimozione della COD a 64,6 ± 2,1% (p < 0,05). Questa tendenza indica che una breve HRT a un OLR alto può portare all'inibizione del substrato e allo svuotamento della biomassa, il che potrebbe limitare la capacità del sistema BEAD di mantenere potenziamenti bioelettrochimici, potenzialmente associati alla DIET, importanti per una degradazione efficiente dellaCOD 48. Questi risultati sono in linea con i risultati di Sangeetha et al.23, che hanno osservato una diminuzione della rimozione della COD in un BEAD che trattava le acque reflue di birrifici sintetiche, quando l'HRT è stata ridotta da 36 a 12 ore, mentre l'OLR aumentava da 1,5 a 4,4 g COD/L∙d. Nonostante queste difficoltà, il reattore BEAD in questo studio ha comunque dimostrato prestazioni eccellenti a OLR elevati rispetto ai tradizionali sistemi AD. Ad esempio, Xu et al.49 hanno riportato una rimozione dell'80% del COD con un OLR di 7,4 g COD/L∙d in condizioni ideali a 35 °C, un valore comparabile al nostro 79,2 ± 0,8% a 7 g sCOD/L∙d, raggiunto a temperatura ambiente (22 °C).

Rimozione VFA sotto diversi OLR

Come mostrato nella Figura 3A, l'aumento degli OLR non ostacolò la capacità del BEAD di migliorare la rimozione del VFA, poiché il BEAD gestiva carichi di VFA influenti più elevati mantenendo tassi relativamente stabili di VFA di effluente. Ad esempio, nonostante un aumento del tasso influente di VFA da 1,8 g sCOD/L∙d a un OLR di 6 a 2,9 g sCOD/L∙d a un OLR di 7, il tasso di VFA degli effluenti è rimasto stabile a 0,8 g sCOD/L∙d. Questa stabilità su tutti gli OLR dimostra l'efficacia del BEAD nel degradare i VFA e la sua capacità di prevenire l'accumulo di VFA, tipicamente responsabile dei cali di pH e dell'inibizione microbica nei sistemi ADtradizionali 50,51.

Inoltre, il sistema ha dimostrato una capacità eccezionale di degradare i difficili VFA, gli acidi propionico e butirrico, noti per i loro tassi di degradazione più lenti nei processianaerobici 51. Ad esempio, il BEAD ha ottenuto la rimozione del 100% dell'acido propionico agli OLR 5 e 7 g sCOD/L∙d e una sostanziale riduzione dell'acido butirrico da 1,2 a 0,3 g sCOD/L∙d con un OLR di 7 g sCOD/L∙d, come mostrato nella Figura 3B e nella Tabella 4. I risultati suggeriscono inoltre che mantenere una HRT ottimale è cruciale per una degradazione efficace della VFA nel BEAD, specialmente in OLR elevati, dove l'attività bioelettrochimica è intensificata. Sebbene il sistema abbia mostrato alti tassi di degrado VFA da OLR da 5 a 7 g sCOD/L∙d, anche con una diminuzione dell'HRT da 5,2 ± 0,1 a 3,7 ± 0,1 giorni, una ulteriore riduzione a 2,1 ± 0,0 giorni a un OLR di 7* g sCOD/L∙d ha portato a un notevole calo delle prestazioni. Ciò è stato evidente nell'aumento significativo del tasso di VFA degli effluenti da 0,8 a 2,4 g sCOD/L∙d. In particolare, il tasso di acido acetico effluente è aumentato bruscamente da 0,6 a 1,8 g di sCOD/L∙d, e l'acido propionico, completamente rimosso con un OLR di 7, è aumentato a 0,4 g di sCOD/L∙d. Anche la rimozione dell'acido butirrico è stata influenzata, seppur in misura minore.

Prestazioni di produzione delcapo 4 :

Resa CH4 (basata sulla rimozione COD) e produzione volumetrica CH4

OLR più elevati hanno significativamente aumentato la resa e il volume di metano nel BEAD, indicando i benefici di una maggiore disponibilità di substrati per la produzione di metano evitando al contempo il sovraccarico del sistema. Come mostrato nella Figura 4A, la resa di metano (basata sulla rimozione COD) ha raggiunto il picco di 0,35 ± 0,01LCH 4/g sCODrimosso (la resa teorica massima) con un OLR di 7 g sCOD/L∙d. Questa resa rappresentava un aumento statisticamente significativo (p < 0,05) del 10–400% rispetto agli OLR più bassi. Anche il volume di metano ha seguito questa tendenza, raggiungendo 1,93 ± 0,04 L/L∙d con un OLR di 7 g sCOD/L∙d, indicando aumenti del 18–2657% rispetto agli OLR inferiori, come mostrato nella Tabella 3.

Rispetto ad altri studi BEAD condotti in condizioni controllate, il sistema BEAD in questo studio ha dimostrato una produzione superiore di metano utilizzando acque reflue reali di birrificio a temperatura ambiente (22 °C). Ad esempio, mentre Sangeetha et al.24 hanno riportato una resa di metano di 0,143LCH 4/g COD e un volume di 0,367 L/L∙d a OLR di 1–2 g COD/L∙d utilizzando acque reflue sintetiche da birrificio a 30 °C, il nostro sistema ha ottenuto una resa di metano più elevata di 0,21 ± 0,01LCH 4/g sCODrimosso e un volume di 0,43 ± 0,03 L/L∙d con un OLR di 2 g sCOD/L∙d. Analogamente, Xu et al.25 hanno osservato un volume di metano di 1,16 L/L∙d con un OLR di 5,8 g COD/L∙d e 35°C, mentre il nostro sistema ha prodotto 1,64 ± 0,05 L/L∙d a un OLR comparabile di 6 g sCOD/L∙d. Sebbene la resa e il volume di metano siano rimasti stabili con la HRT che è diminuita da 5,2 ± 0,1 a 3,7 ± 0,1 giorni tra OLR 5 e 7 g sCOD/L∙d, un'ulteriore riduzione a 2,1 ± 0,2 giorni a un OLR di 7* g sCOD/L∙d ha portato a cali statisticamente significativi (p < 0,05). La resa di metano è diminuita del 21%, da 0,35 ± 0,01 a 0,28 ± 0,01 LCH4/g sCODrimossa, e il volume di metano è diminuito del 36%, da 1,93 ± 0,04 a 1,24 ± 0,02 L/L∙d. Queste riduzioni sono correlate con la diminuzione della COD e della rimozione della VFA già discussa, indicando che le brevi HRT limitano il tempo di contatto microbico e la conversione degli organici in metano. Pertanto, un tempo di ritenzione sufficiente è essenziale per mantenere un'efficienza bioelettrochimica ottimale sotto elevati carichi organici.

Resa del CH4 basata sul COD aggiunto

La resa di metano basata sull'aggiunta di COD è migliorata con l'aumento degli OLR, ma si è stabilizzata a OLR più elevate a causa delle limitazioni dell'HRT. Come mostrato nella Figura 4B, la resa di metano è aumentata significativamente (p < 0,05) da 0,07 ± 0,01 L LCH4/g sCODA a un OLR di 1 g sCOD/L∙d a 0,28 ± 0,01 LCH4/g sCODA a 5 g sCOD/L∙d. Tuttavia, da OLR 5 a 7 g sCOD/L∙d, la resa si è stabilizzata intorno a 0,28LCH 4/g sCODAdded, senza differenze significative (p > 0,05), indicando che ulteriori aumenti nella disponibilità del substrato non hanno portato a un'efficienza di conversione più elevata. Questo risultato è principalmente attribuito alla riduzione delle HRT a OLR più elevati, che ha limitato la conversione di composti organici non VFA in metano, nonostante una degradazione efficace del VFA. La Tabella 5 supporta questa osservazione, mostrando che i tassi di rimozione di questi altri composti organici non sono aumentati tra OLR 5 e 7 g sCOD/L∙d, con conseguente aumento dei loro tassi nell'effluente. Inoltre, un'ulteriore riduzione dell'HRT a OLR 7* g sCOD/L∙d ha causato una notevole diminuzione della resa di metano, illustrando una soglia critica oltre la quale anche i VFA non sono stati adeguatamente convertiti in metano a causa del tempo di ritenzione insufficiente.

Contenuto delcapo 4

Il contenuto di metano nel BEAD migliorò con l'aumento degli OLR, stabilizzandosi a carichi elevati. Come mostrato nella Figura 4C, il sistema ha raggiunto il suo massimo contenuto di metano di 75,0 ± 0,3% con un OLR di 6 g sCOD/L∙d, seguito da 74,3 ± 1,2% e 74,0 ± 0,8% a OLR rispettivamente di 7 e 5 g sCOD/L·d. In particolare, non sono state osservate differenze statistiche (p > 0,05) nel contenuto di metano tra questi OLR più alti, indicando una qualità stabile del biogas a questi alti tassi di carico. Inoltre, il sistema ha superato gli altri studi BEAD; ad esempio, Xu et al.25 hanno riportato un contenuto di metano del 62,3% a un OLR di 5,8 g COD/L∙d a temperatura controllata di 35°C e utilizzando acque reflue sintetiche, mentre il nostro reattore ha raggiunto il 75,0 ± 0,3% con un OLR di 6 g sCOD/L∙d utilizzando acque reflue reali a temperatura ambiente (22 °C).

A un OLR di 7* g sCOD/L∙d con una HRT ridotta di 2,1 ± 0,2 giorni, il contenuto di metano è leggermente diminuito a 72,7 ± 0,5%. Tuttavia, questo cambiamento non è stato statisticamente significativo (p > 0,05) rispetto al contenuto di metano a una HRT di 3,7 ± 0,1 giorni e a un OLR di 7 g sCOD/L∙d, indicando che il sistema ha mantenuto un contenuto efficace di metano anche con tempi di contatto ridotti.

Prestazioni elettrochimiche del sistema BEAD

Sia la densità di corrente che il CE sono migliorati significativamente con l'aumento degli OLR e hanno raggiunto i loro valori massimi a un OLR di 6 g sCOD/L·d, con picchi rispettivamente a 13,8 ± 0,3 A/m 3 e 1,97 ± 0,04%. Tuttavia, aumentando ulteriormente l'OLR a 7 g sCOD/L∙d ha portato a una significativa diminuzione delle prestazioni (p < 0,05), con densità di corrente e CE che sono scese a 6,2 ± 0,1 A/m 3 e 0,81 ± 0,01%, rispettivamente, come illustrato nelle Figure 5A e B. Il calo dei valori EC indica che la maggior parte degli elettroni viene indirizzata verso la produzione di metano piuttosto che essere recuperata come corrente elettrica, il che è coerente con la funzione primaria del sistema come processo di digestione anaerobica. Questo calo può essere attribuito a un sovraccarico di substrato o a squilibri di nutrienti a OLR elevati. Alte concentrazioni di substrato a OLR elevati possono intensificare la competizione tra esoelettrogeni e metanogeni all'anodo, spesso favorendo i metanogeni e riducendo così la generazioneattuale 52. Inoltre, la disponibilità limitata di nutrienti con OLR elevati può inibire la crescita e l'attività degli esoelettrogeni, riducendo così la produzione di corrente53.

Rispetto ad altri sistemi BEAD che utilizzano acque reflue sintetiche da birrificio, il nostro sistema ha mostrato una maggiore produzione di corrente con OLR più elevati ma prestazioni elettrochimiche inferiori a OLR più bassi, evidenziando l'influenza della complessità delle acque reflue. Ad esempio, con un OLR di 6 g sCOD/L∙d, il nostro sistema ha raggiunto una densità di corrente superiore a quella di soli 1,41 A/m 3riportata da Xu et al.25 con un OLR comparabile di 5,8 g COD/L∙d a 35 °C. Tuttavia, la nostra performance BEAD a un OLR di 2 g sCOD/L∙d, con una densità di corrente di 1,9 ± 0,1 A/m 3 e CE di 1,58 ± 0,14%, è stata inferiore a 14,3 A/m 3e al 15% osservati da Sangeetha et al.24. Questi risultati evidenziano che i substrati sintetici favoriscono il recupero degli elettroni grazie alla riduzione della competizione microbica, a differenza delle acque reflue reali, che contengono una comunità microbica più diversificata ecompetitiva 12,54.

Curiosamente, la produzione attuale è rimasta stabile nonostante le riduzioni dell'HRT. In particolare, ridurre l'HRT da 3,7 ± 0,1 giorni a 2,1 ± 0,2 giorni a un OLR di 7* g COD/L∙d non ha prodotto una variazione statisticamente significativa della densità di corrente (p > 0,05), che è rimasta stabile a 6,2 A/m 3. Questa coerenza suggerisce che le variazioni nella HRT non sono necessariamente correlate con variazioni nella densità attuale. Questa scoperta è fondamentale poiché indica che, nonostante una riduzione dell'efficienza di rimozione organica dovuta a un tempo di contatto più breve tra esoelettrogeni e substrati, la velocità di trasferimento di elettroni all'anodo rimaneva invariata. Questa osservazione è in linea con i risultati di Castellano-Hinojosa et al.55, che hanno anch'essi riportato una densità di corrente stabile nonostante significative riduzioni dell'HRT. Analogamente, Song et al.56 non hanno osservato variazioni nella densità attuale (rimanendo a 233 A/m 3), anche se lo sCOD degli effluenti è aumentato significativamente da 439,0 ± 129,8 a 749,0 ± 36 mg/L quando la HRT è stata ridotta da 10 a 5 giorni. Questi risultati suggeriscono che le interazioni bioelettrochimiche, potenzialmente associate alla DIET, potrebbero rimanere efficaci nel BEAD anche quando il tempo di ritenzione è ridotto.

Impatto del potenziale applicato sulle prestazioni BEAD - Fase 2:

Influenza del potenziale applicato sulla rimozione della COD

I risultati hanno mostrato che a OLR più alti, il potenziale applicato nel sistema BEAD migliorava l'efficienza di rimozione COD rispetto al sistema AD di controllo, ma aveva un effetto minimo a OLR più bassi, come dimostrato nella Figura 2 e nella Tabella 3. In particolare, con un OLR elevato di 5 g sCOD/L∙d, il BEAD ha raggiunto un'efficienza di rimozione del COD del 92,7 ± 0,6%, significativamente superiore (p < 0,05) rispetto all'85,3 ± 0,6% osservato nell'AD. Al contrario, a OLR più bassi di 2 e 3 g sCOD/L∙d, la differenza non è stata statisticamente significativa (p > 0,05), con entrambi i sistemi che hanno raggiunto efficienze altissime simili (96,2 ± 0,1% vs. 96,6 ± 0,3% a 2 g sCOD/L∙d e 94,1 ± 1,2% vs. 94,7 ± 0,8% a 3 g sCOD/L∙d). Questa tendenza è in linea con i risultati di Tartakovsky et al.57, che hanno anche riportato efficienze simili nella rimozione della COD a OLR più bassi in sistemi con e senza potenziale applicato, ma hanno osservato che l'applicazione del potenziale ha significativamente aumentato la rimozione della COD a OLR più elevati rispetto all'AD tradizionale. Queste osservazioni suggeriscono che il potenziale applicato potrebbe potenziare le interazioni microbiche e i processi di trasferimento elettronico, potenzialmente associati alla DIET, portando a una degradazione organica più efficace.

Al massimo OLR di 7* g sCOD/L∙d, dove la HRT è stata ridotta a 2 giorni, il potenziale applicato ha avuto un impatto limitato sull'efficienza della rimozione COD. Il BEAD ha raggiunto un'efficienza di rimozione COD del 64,6 ± 2,1%, leggermente superiore al 61,9 ± 1,5% osservato nella DA, ma la differenza non è stata statisticamente significativa (p > 0,05). Ciò suggerisce che, sebbene OLR più elevati possano dimostrare i potenziali benefici del potenziale applicato nel migliorare la rimozione della COD, la riduzione dell'HRT limita la capacità del sistema di sfruttare pienamente questi vantaggi bioelettrochimici. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che l'HRT accorciata non fornisce tempo sufficiente per l'attività microbica e i processi di trasferimento elettronico, potenzialmente associati alla DIET, evidenziando la necessità di una strategia operativa equilibrata che consideri sia i benefici del potenziale applicato sia le limitazioni imposte dalla riduzione del tempo di conservazione.

Effetto del potenziale applicato sulla rimozione della VFA

La Figura 6A–E e la Tabella 5 dimostrano che il BEAD ha superato significativamente l'AD nella degradazione dei VFA complessi. In particolare, con un OLR di 5 g sCOD/L∙d, la BEAD ha raggiunto la rimozione del 100% degli acidi propionico e butirrico, rispetto a soli 58,2% e 77,6% nella AD (Figura 6E). Ciò evidenzia l'efficacia del potenziale applicato nel potenziare i processi bioelettrochimici, che non solo accelerano la degradazione della VFA ma migliorano anche la cinetica dellametanogenesi 58,59. L'analisi della composizione degli effluenti in questo OLR conferma ulteriormente questa performance superiore: l'effluente BEAD era composto all'87% di acido acetico senza acidi propionici o butirici rilevabili, mentre l'effluente AD conteneva il 64% di acido acetico, con il 19% di acidi propionici e 17% butirici (Figura 6D).

Il BEAD ha mantenuto una rimozione superiore degli acidi propionico e butirico anche con una HRT accorciata. Con il OLR più alto di 7* g sCOD/L∙d con una riduzione dell'HRT di 2 giorni, il BEAD ha raggiunto una rimozione del 66,4% di acido butirico, significativamente superiore al 50,9% dell'AD. Per l'acido propionico, il BEAD ha rimosso il 33,2%, mentre l'AD ha mostrato un tasso di effluente superiore a quello influente, indicando una scarsa degradazione. Questa superiore prestazione del BEAD può essere attribuita a interazioni bioelettrochimiche potenziate, potenzialmente associate alla DIET, che potrebbero facilitare un trasferimento elettronico più efficace tra batteri e metanogeni ossidanti propionato e butirato rispetto al trasferimento interspecie di idrogeno (HIT) nella DA, riducendo così l'accumulo di VFA ad OLRelevati 15,16,60,61.

Effetto del potenziale applicato sulla produzione del CH4 :

Resa e produzione volumetrica CH4

Il BEAD ha dimostrato prestazioni superiori in termini di rese e volume di metano rispetto all'AD, in particolare a OLR di 3, 5 e 7* g sCOD/L∙d, dove la disponibilità del substrato ha supportato un'attività bioelettrochimica aumentata (Figura 4A, Tabella 3). In particolare, la differenza più significativa è stata osservata a un OLR di 5 g sCOD/L∙d, dove il BEAD ha raggiunto 0,30 ± 0,01 LCH4/gsCOD Removed, il 20% in più rispetto alla resa di AD di 0,25 ± 0,01 (p < 0,05). Il volume di metano ha seguito una tendenza simile, con il BEAD che ha superato l'AD del 30%, 20% e 16% a OLR rispettivamente di 5, 3 e 7* (p < 0,05). Questi vantaggi possono essere attribuiti ai meccanismi efficienti di trasferimento elettronico facilitati dal sistema a circuito chiuso, dove l'anodo funge da accettatore di elettroni affidabile, favorendo un maggiore flusso di elettroni verso il catodo62. Al contrario, il circuito aperto dell'AD probabilmente subisce maggiori perdite di elettroni, riducendo la sua efficienza produttiva di metano. Inoltre, il BEAD potrebbe beneficiare di interazioni bioelettrochimiche potenziate, potenzialmente associate alla DIET, che potrebbero fornire vie aggiuntive per la metanogenesi, consentendo una conversione più efficace di VFA complessi come propionato e butirato in metano. L'unica eccezione è stata osservata a 2 g sCOD/L·d, dove il BEAD non ha mostrato un vantaggio chiaro, probabilmente dovuto alla limitata disponibilità di carbonio e all'acclimatazione iniziale dei microrganismi elettroattivi.

Il potenziale applicato non solo migliorò la produzione di metano, ma anche la stabilità del processo, come mostrato nella Figura 7. A un OLR di 5 g sCOD/L∙d, il funzionamento BEAD in fase 11 ha mostrato una resa di metano relativamente stabile, con una media di 0,298 LCH₄/g sCODrimosso, una deviazione standard di 0,008 LCH₄/g sCODrimosso e un coefficiente di variazione (CV) del 2,81%. Al contrario, dopo il passaggio all'AD nella fase 12, la resa di metano ha mostrato fluttuazioni molto maggiori, diminuendo da 0,33 a 0,16 LCH₄/g sCODrimosso, con una deviazione standard superiore di 0,054 LCH₄/g sCODrimosso e una CV del 20,87%. Quando il sistema è stato riportato al BEAD nella fase 13, la produzione di metano si è rapidamente ripresa e è diventata più stabile, con una resa media di 0,312 LCH₄/g sCODrimossa e una riduzione della capacità di produzione del 6,23%. In particolare, durante il periodo successivo di stabilità della fase 13, il CV è ulteriormente diminuito all'1,95%, indicando che il funzionamento BEAD ha ripristinato la stabilità del processo dopo il disturbo causato dall'operazione AD. Questi risultati quantitativi dimostrano che il potenziale applicato ha contribuito non solo a una maggiore produzione di metano, ma anche a una minore variabilità operativa e a una stabilizzazione più rapida. Questi risultati sono in linea con quelli di Park et al.63, che hanno riferito che i sistemi BEAD aumentano i tassi di produzione di metano e accorciano i tempi di stabilizzazione facilitando una rapida ossidazione organica e metanogenesi, offrendo chiari vantaggi rispetto ai processi convenzionali AD.

Contenuto delcapo 4

Il BEAD aveva un contenuto di CH4 superiore rispetto all'AD con OLR più elevati, raggiungendo 74,0 ± 0,8% e 72,7 ± 0,5% rispetto al 71,0 ± dello 0,8% e 70,0 ± dello 0,5% (p < 0,05) a OLR rispettivamente di 5 e 7 g sCOD/L∙d, come mostrato nella Figura 7. Tuttavia, a OLR più bassi di 2 e 3 g di sCOD/L∙d, le differenze non erano statisticamente significative (p > 0,05). Probabilmente ciò accade perché una maggiore degradazione della VFA nel BEAD genera più anidride carbonica (CO2), parte della quale viene convertita in CH4 mentre il resto aumenta il sacchetto di gasCO2, lasciando il contenuto di CH4 invariato. Tendenze simili sono state osservate da altristudi 64,65,66, il che indica che i miglioramenti della percentuale e del volume di CH4 non avvengono necessariamente contemporaneamente. Aumentare la tensione applicata oltre 1,23 V potrebbe migliorare ulteriormente il contenuto di CH4 facilitando l'elettrolisi dell'acqua, produendo così idrogeno (H2) che può convertire ulteriore CO2 inmetano 57,66. Tuttavia, questo approccio potrebbe portare a problemi di potenziale eccessivo, potenzialmente con inefficienze energetiche e difficoltà operative. Pertanto, la regolazione della tensione deve essere ottimizzata con attenzione per bilanciare una maggiore produzione di metano con l'efficienza del sistema.

Efficienza energetica del sistema BEAD

La Figura 8 mostra che il BEAD ha mantenuto un'efficienza energetica costantemente elevata (~1000%) su tutti gli OLR. È importante notare che, anche con il OLR più alto di 7* g sCOD/L∙d con una HRT ridotta a 2 giorni, il sistema ha raggiunto un'elevata efficienza energetica grazie al basso consumo energetico di 0,03 ± 0,01 Wh/gsCOD Removed. Questo è molto inferiore al consumo energetico tipico di 0,7-2 Wh/g sCODrimosso nei processi convenzionali di fangoattivato 67. Inoltre, sebbene si sia osservato un leggero calo dell'efficienza energetica con l'aumento dell'OLR, la variazione è stata minima, indicando che il BEAD ha mantenuto prestazioni energetiche stabili anche con carichi organici aumentati e tempi di ritenzione idraulica ridotti. Questi risultati indicano che il BEAD può aumentare la produzione di metano con un'elevata efficienza energetica all'interno dell'ambito dell'input elettrico applicato. Tuttavia, va notato che l'attuale analisi energetica non tiene conto di altre esigenze energetiche operative, come il pompaggio dell'alimentazione e il ricircolazione. Pertanto, l'efficienza energetica riportata riflette un bilancio energetico parziale, e sono necessari ulteriori lavori per valutare le prestazioni energetiche complessive in condizioni operative su larga scala.

Prestazioni BEAD nelle acque reflue di birrifici a basso contenuto di nutrienti (alto C/N)

Nonostante l'alto rapporto C/N delle acque reflue del birrificio, il BEAD ha raggiunto prestazioni significative, inclusa l'efficienza nella rimozione del COD, il degrado del VFA e la produzione di metano. Le acque reflue dei birrifici sono tipicamente caratterizzate da un alto contenuto organico e basso contenuto di azoto, portando ad alti rapporti C/N 68,69,70,71. Questa interpretazione si basa sulle caratteristiche osservate dell'influente piuttosto che su un confronto controllato tra diversi rapporti C/N. Nel processo convenzionale AD, spesso è necessaria l'integrazione di nutrienti alle acque reflue dei birrifici per ridurre il rapporto C/N e sostenere la crescitamicrobica 69,70,71, ma in questo studio non sono stati aggiunti nutrienti aggiuntivi. La forte prestazione BEAD probabilmente deriva dal potenziale applicato, che aumenta l'attività microbica e la stabilità del reattore in condizioni di carenza dinutrienti 72,73. Ricerche limitate hanno indagato l'impatto dei rapporti C/N sulle prestazioni del BEAD, con la maggior parte degli studi che si concentra su rapporti C/N bassi o moderati (0,6–25)74,75,76. Come già accennato, gli studi specifici sui sistemi BEAD che trattano le acque reflue dei birrifici sono scarsi. Inoltre, in studi che utilizzano acque reflue sintetiche di birrificio, sono stati tipicamente aggiunti nutrienti per ottenere rapporti C/N ottimali a 40 21,23,24,25, mentre i soli due studi condotti su acque reflue reali dei birrifici non hanno misurato né considerato l'impatto del rapporto C/N sulle prestazioniBEAD 20,22. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche per esplorare il ruolo dei vari rapporti C/N (da basso a alto) nei sistemi BEAD che utilizzano vere acque reflue da birrificio.

DISPONIBILITÀ DEI DATI:

I dati rilevanti per lo studio sono inclusi nell'articolo e anche nel File Supplementare 2.

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Figura 1: Configurazione e configurazione operativa del sistema bioelettrochimico del reattore utilizzato in questo studio. (A) Illustrazione schematica della configurazione del reattore che mostra i principali componenti del sistema, inclusi l'anodo a letto compresso riempito con materiale conduttivo a base di carbonio, camera a catodo, separatore, linee di influente e di effluente, circuito interno di ricircolazione, porta di campionamento di gas, sacco di raccolta del gas e circuito elettrico esterno collegato al potenziostato per monitoraggio e controllo elettrochimico. Sono indicate anche le posizioni dei collettori di corrente, delle porte di campionamento, della pompa di alimentazione, della pompa di ricircolazione e del sistema di monitoraggio del pH. (B) Fotografia del reattore assemblato prima dell'operazione, che evidenzia il design verticale della colonna, la struttura dell'anodo compattato, lo strato separatore, la regione del catodo, la linea influente, la porta di campionamento e le connessioni di ricircolazione. (C) Fotografia del reattore durante il funzionamento, che mostra le prestazioni del reattore in condizioni di ricircolazione continua, inclusi i percorsi di flusso del liquido, la formazione di biofilm sulla superficie dell'elettrodo, le connessioni dei tubi esterni e il cablaggio elettrico collegato al potenziostato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

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Figura 2: Efficienza di rimozione COD sotto diversi OLR nel sistema BEAD e nel sistema AD convenzionale. La rimozione della COD (%) è stata valutata a OLR che variavano da 1 a 7 g sCOD/L·d, inclusa la condizione di sovraccarico (7*). La figura confronta le prestazioni di trattamento dei reattori BEAD e AD in condizioni di carico crescente del substrato. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

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3: Produzione e composizione di VFA sotto diversi OLR nel sistema BEAD. (A) Tassi totali di VFA influente ed effluente misurati agli OLR che variano da 1 a 7 g sCOD/L·d, mostrando l'effetto del carico del substrato sulle prestazioni di accumulo e rimozione di VFA. (B) Distribuzione dei principali VFA, inclusi acetato, propionato e butirato, nei flussi influenti ed effluenti sotto diverse condizioni OLR. Le linee verticali tratteggiate indicano transizioni di fase operative corrispondenti a cambiamenti nell'OLR. I tassi VFA sono espressi come g sCOD/L·d. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra. 

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Figura 4: Prestazioni di produzione di metano sotto diversi OLR nei sistemi BEAD e AD. (A) Resa di metano normalizzata alla rimozione del COD; (B) resa di metano normalizzata al COD aggiunto; e (C) contenuto di metano (%) nel biogas prodotto agli OLR che varia da 1 a 7 g sCOD/L·d, inclusa la condizione di sovraccarico (7*). La figura illustra l'influenza dell'aumento del carico di substrato sull'efficienza del recupero del metano e sulla qualità del biogas in entrambe le configurazioni dei reattori. La resa di metano è espressa come L CH₄/g COD. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 5: Prestazioni elettrochimiche del sistema BEAD sotto diversi OLR. (A) Densità di corrente generata agli OLR che varia da 1 a 7 g sCOD/L·d, dimostrando la relazione tra carico del substrato e attività bioelettrochimica. (B) Efficienza coulombica (%) sotto diverse condizioni OLR, che rappresenta la frazione di elettroni recuperati come corrente elettrica rispetto all'ossidazione totale del substrato. La densità di corrente è espressa come A/m 3. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

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Figura 6:. Effetto del potenziale applicato sulla dinamica del VFA e sulla composizione degli effluenti nei sistemi BEAD e AD. (A) Velocità totali di VFA sotto diverse condizioni di potenziale applicato e OLR; (B) tassi di produzione e rimozione dei propionati; (C) i tassi di produzione e rimozione del butirato; (D) composizione COD dell'influente e dell'effluente a OLR 5 g sCOD/L·d, mostrando la distribuzione relativa di acetato, propionato, butirato e altri composti; e (E) efficienza di rimozione del butirato (%) in diverse condizioni OLR. La figura dimostra l'influenza della stimolazione elettrochimica sui prodotti di fermentazione intermedia e sulle vie di conversione del substrato. I tassi VFA sono espressi come g sCOD/L·d. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate dove applicabile. n = 3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 7: Variazione temporale della resa di metano normalizzata alla COD rimossa durante il funzionamento a lungo termine del sistema di reattore BEAD. La resa di metano è stata monitorata per 365 giorni in diverse fasi operative e condizioni OLR. Le linee tratteggiate verticali indicano le transizioni tra le fasi operative, inclusa la fase di recupero dopo il sovraccarico del reattore. La resa di metano si esprime come L CH₄/g sCOD rimosso. La figura illustra la stabilità del reattore e le prestazioni di produzione di metano durante un funzionamento continuo prolungato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 8: Effetto del potenziale applicato sul recupero energetico e sull'efficienza energetica nel sistema BEAD sotto diversi OLR. La cifra confronta l'energia recuperata, l'energia elettrica consumata e l'efficienza energetica complessiva (%) a OLR di 3, 5 e 7* g sCOD/L·d. L'energia recuperata e l'energia consumata sono espresse come Wh/g sCOD rimosso. La figura dimostra le prestazioni energetiche del sistema BEAD sotto stimolazione elettrochimica e variazioni in condizioni di carico del substrato. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

ParametroValore
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
TAN (mg/L)5-5.2

Tabella 1: Caratteristiche delle acque reflue del birrificio utilizzate durante il funzionamento del reattore. La tabella riassume gli intervalli di rapporto sCOD, VFA/COD, TS, VS, VS/TS, PH e TAN misurati nelle acque reflue della birreria durante il periodo sperimentale. 

TeatroFaseDescrizioneSubstratoOLR
(g sCOD/L.d)		Potenziale applicato (1,2 V)HRT (giorno)
Fase 1: Impatto dell'OLR5Condizione OLR più bassaBirrificio WW2Sì4-5
6Fase condivisa (base per la Fase 2)Birrificio WW1Sì4-5
9Fase condivisaBirrificio WW3Sì4-5
10Aumento dell'OLRBirrificio WW4Sì4-5
11 & 13Fase ripetuta a OLR=5 per la verifica della stabilitàBirrificio WW5Sì4-5
14Aumento dell'OLRBirrificio WW6Sì4-5
15OLR altoBirrificio WW7Sì3-4
16Carico massimoBirrificio WW7*Sì2
Fase 2: Impatto del potenziale applicato5Stessa condizione della Fase 1Birrificio WW2Sì4-5
7Senza potenziale applicatoBirrificio WW2No4-5
9Uguale alla Fase 1Birrificio WW3Sì4-5
8Senza potenziale applicatoBirrificio WW3No4-5
11&13**Stessa fase ripetuta della Fase 1Birrificio WW5Sì4-5
12Senza potenziale applicatoBirrificio WW5No4-5
16Uguale alla Fase 1Birrificio WW7*Sì2
17Senza potenziale applicatoBirrificio WW7*No2

Tabella 2: Progettazione sperimentale e condizioni operative utilizzate per valutare gli effetti dell'OLR e il potenziale applicato sulle prestazioni del reattore. La tabella riassume le fasi operative, le condizioni del substrato, il potenziale applicato e l'HRT utilizzate durante lo studio. La condizione di sovraccarico (7*) rappresenta l'operazione allo stesso OLR con HRT ridotta.

OLR12345677*
ParametroPERLAPERLAADPERLAADPERLAPERLAADPERLAPERLAPERLAAD
Rimozione COD (%)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 Scavamento rimosso
(LCH4/g sCODRemoved)		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 Rendimento aggiunto
(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
Volume 4 del capo
(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-
Densità di corrente (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-
HRT (giorni)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

Tabella 3: Parametri di prestazione sotto diversi OLR nei sistemi BEAD e AD. La tabella riassume la rimozione del COD, la resa di CH₄, il volume di CH₄, il contenuto di CH₄, il CE, la densità di corrente e l'HRT in diverse condizioni operative. I valori sono presentati come media ± deviazione standard basati su misurazioni in stato stazionario durante ogni fase operativa. La condizione di sovraccarico (7*) rappresenta il funzionamento allo stesso OLR con HRT ridotta.

OLR12345677*
ParametroPERLAPERLAADPERLAADPERLAPERLAADPERLAPERLAPERLAAD
Acetato influente
(g sCOD/L.d)		0.030.060.080.080.130.090.30.460.340.90.380.21
Propionato influente
(g sCOD/L.d)		0000.1300.190.480.340.560.820.550.07
Butirrato influente
(g sCOD/L.d)		0.070.280.110.230.160.390.790.560.911.180.860.76
Acetato di effluente
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.260.320.480.530.561.781.44
Propionato di effluente
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.2100.140.1400.370.24
Butirrato di effluente
(g sCOD/L.d)		000000.0500.130.090.280.290.37

Tabella 4: Tassi VFA sotto diversi OLR nei sistemi BEAD e AD. La tabella riassume i tassi di acetato, propionato e butirato influenti e di effluenti espressi come g sCOD/L·d in diverse condizioni operative.

OLR12345677*
ParametroPERLAPERLAADPERLAADPERLAPERLAADPERLAPERLAPERLAAD
Causa di morte influente
(g sCOD/L.d)		1.12.11.933.132.914.045.115.115.916.926.966.97
VFA influente
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.440.290.671.561.361.812.891.791.04
Altri influenti**
(g sCOD/L.d)		11.761.742.692.623.373.553.754.14.035.175.93
COD degli effluenti
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.180.150.750.370.750.881.442.472.66
Effluente VFA
(g sCOD/L.d)		0000.060.050.520.320.750.760.842.442.05
Altro effluente
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.120.10.230.0500.120.60.030.61
Rimosso COD
(g sCOD/L.d)		1.062.021.862.952.763.294.744.365.035.484.494.31
Rimosso VFA
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.380.240.151.240.611.052.05--
Altri rimossi
(g sCOD/L.d)		0.961.681.672.572.523.143.53.753.983.435.145.32

Tabella 5: Distribuzione COD, tassi VFA e altri rimozioni di composti sotto diversi OLR nei sistemi BEAD e AD. La tabella riassume frazioni COD influenti, effluenti e rimosse, VFA e altri composti espressi come g sCOD/L·d in diverse condizioni operative del reattore. "Altro" rappresenta composti non VFA che contribuiscono alla COD.

Figura supplementare 1. Impatto del rapporto influente VFA/sCOD sull'efficienza di rimozione COD in BEAD. La figura confronta le prestazioni di rimozione COD del reattore BEAD con rapporti VFA/sCOD influenti decrescenti da 1 a 0,2. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 2. Impatto del rapporto influente VFA/sCOD sulla resa di CH4 (basato sulla COD rimossa) nel BEAD. La figura confronta la resa CH₄ del reattore BEAD con rapporti VFA/sCOD influenti decrescenti da 1 a 0,2. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 3. Impatto del rapporto influente VFA/sCOD sulla percentuale di CH4 nel BEAD. La figura confronta il contenuto di CH₄ nel reattore BEAD con rapporti VFA/sCOD influenti decrescenti da 1 a 0,2. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 4. Impatto del rapporto influente VFA/sCOD sulla densità di corrente in BEAD. La figura confronta la densità di corrente nel reattore BEAD con rapporti decrescenti VFA/sCOD influenti da 1 a 0,2. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 5. Impatto del rapporto influente VFA/sCOD sull'efficienza coulombica nel BEAD. La figura confronta l'efficienza coulombica nei reattori BEAD con rapporti VFA/sCOD influenti decrescenti da 1 a 0,2. Le barre di errore rappresentano deviazioni standard delle misurazioni replicate. n = 3. Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare 1. Parametri di prestazione in diverse composizioni di substrati. La tabella riassume la rimozione del COD, la resa di CH₄, il volume di CH₄, il contenuto di CH₄, il CE e la densità di corrente sotto diverse composizioni di substrato. I valori sono presentati come media ± deviazione standard basati su misurazioni in stato stazionario durante ogni fase operativa. Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare 2. Concentrazioni di composti inibitori in influenti ed effluenti. La tabella riassume i composti inibitori tra cui ammoniaca, solfato, solfuri,H2O2 e PAA in BEAD e AD influenti e effluenti sotto diverse condizioni OLR. I valori sono presentati come media ± deviazione standard basati su misurazioni in stato stazionario durante ogni fase operativa. La condizione di sovraccarico (7*) rappresenta l'operazione allo stesso OLR con HRT ridotta. Clicca qui per scaricare questo file.

Fascicolo supplementare 1. Impatto del rapporto influente VFA/sCOD sulle prestazioni del BEAD e sulla valutazione dei composti inibitori.Clicca qui per scaricare questo file.

Fascicolo supplementare 2. Dati grezzi.Clicca qui per scaricare questo file.

Discussione

Il BEAD ha costantemente superato l'AD convenzionale in termini di rimozione COD, degrado della VFA, resa di metano e stabilità del processo tra diversi OLR. Un vantaggio chiave del sistema era la sua capacità di degradare efficacemente i VFA complessi, come gli acidi propionico e butirrico, che sono tipicamente difficili da degradare in ambienti anaerobi. La resa di metano è aumentata con una maggiore disponibilità di substrato, raggiungendo una resa massima di metano di 0,35LCH 4/g sCODrimosso al massimo OLR testato di 7 g sCOD/L·d. La produzione di metano beneficiò del potenziale applicato, con il volume di metano nel BEAD superiore del 16–30% rispetto all'AD in vari OLR. Questo miglioramento può essere attribuito a processi di trasferimento elettronico migliorati. Nei sistemi AD convenzionali, il trasferimento elettronico è principalmente governato dall'IIET, che si basa su intermediari come idrogeno e formate, ed è spesso limitato da vincoli di diffusione e inefficienzetermodinamiche. Al contrario, l'applicazione di un potenziale esterno nel BEAD probabilmente favorisce la DIETA diretta, consentendo uno scambio di elettroni più efficiente tra batteri elettroattivi e metanogeni senza la necessità di mediatori solubili. Le interazioni bioelettrochimiche, potenzialmente associate al DIET e facilitate dal potenziale applicato, potrebbero portare a minori perdite di elettroni, una degradazione organica più efficace e una maggiore produzionedi metano 77. Questo passaggio da IIET a DIET potrebbe ridurre le perdite di elettroni, migliorare le interazioni sintrofiche e accelerare la degradazione dei substrati organici, contribuendo così a una migliore produzione di metano e stabilità del processo. Va notato che le acque reflue del birrificio utilizzate in questo studio sono state prelevate da un'unica fonte, e quindi le prestazioni osservate riflettono caratteristiche specifiche delle acque reflue specifiche per il sito. Pertanto, i risultati devono essere interpretati nel contesto delle condizioni testate e potrebbero non essere direttamente generalizzabili a tutti i sistemi di reflu dei birrifici.

Approcci alternativi e metodi complementari potrebbero aiutare ulteriormente a indagare i meccanismi responsabili dell'aumento della produzione di metano e del trasferimento di elettroni nei sistemi BEAD. Ad esempio, il sequenziamento del 16S rRNA o l'analisi metagenomica potrebbero identificare batteri elettroattivi e metanogeni associati alla DIET. Tecniche elettrochimiche come CV ed EIS potrebbero fornire ulteriori informazioni sul comportamento di trasferimento elettronico e sulla conduttività del biofilm. Inoltre, la microscopia SEM e la fluorescenza potrebbero essere utilizzate per studiare lo sviluppo di biofilm e le interazioni microbiche sulle superfici degli elettrodi. Questi approcci complementari fornirebbero una migliore comprensione dei meccanismi bioelettrochimici che regolano le prestazioni dei reattori.

Sebbene il BEAD gestisse efficacemente OLR elevati, ridurre l'HRT da 3,7 a 2,1 giorni ha portato a un calo nella rimozione del COD, nel degrado del VFA e nella produzione di metano, evidenziando l'importanza di una HRT sufficiente per la stabilità del processo sotto carichi organici elevati. I lavori futuri dovrebbero approfondire ulteriormente l'integrazione dei rifiuti solidi dei birrifici come co-alimentazione, l'ottimizzazione dei potenziali applicati e la valutazione sotto una gamma più ampia di composizioni di acque reflue e condizioni operative. Inoltre, studi che incorporano una replicazione statistica migliorata e un benchmarking più chiaro rispetto ai sistemi AD convenzionali aiuterebbero a valutare meglio le prestazioni relative del BEAD. Questi sforzi fornirebbero una comprensione più completa del sistema e aiuterebbero a chiarirne la potenziale applicabilità nel trattamento delle acque reflue industriali ad alta resistenza.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interessi.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada per il sostegno finanziario. Le indicazioni tecniche del Dr. Boris Tartkovsky e del Dr. Virender Singh sono debitamente riconosciute.

Fonte di finanziamento: Consiglio per la Ricerca nelle Scienze Naturali e l'Ingegneria del Canada

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
0.45 µm membrane filterMilliporeSigmaHAWP04700Utilizzato prima dell'analisi del COD solubile
Bottiglie di vetro da 500 mLFisherbrandBottiglia da 500 mL per mezzo di colturaUtilizzato per l'adattamento dell'inoculo
Colonna Acclaim OAThermo ScientificAcclaim OA, 5 µm, 4 × 150 mmColonna utilizzata per la quantificazione degli AVF
AcetonitrileFisher ScientificGrado HPLCFase mobile per l'analisi HPLC
Kit reagente ammoniacaHACHTNTplus 832Metodo HR Nitrato, Ammoniaca-Saliciltato 10205
Gas argon vettoreAir LiquideArgon ad altissima purezzaGas vettore per micro GC
Feltro di carbonioSGL CarbonSerie GFDMateriale per elettrodi tagliato in quadrati da 25 mm × 25 mm
CentrifugatriceEppendorf5810 RUtilizzata per centrifugare le acque reflue della birra a 12.000 × g
Tubi reagente CODSCP ScienceTubi reagente COD (compatibili con il metodo 8000)Utilizzati per l'analisi del COD solubile seguendo il metodo HACH 8000
Reattore in vetro cilindricoChemglass Life SciencesReattore in vetro personalizzatoReattore a flusso ascendente monocamera; volume totale di 1 L, volume di lavoro di 0,65 L
Timer digitaleIntermaticTN311Utilizzato per controllare i tempi di alimentazione
Spetttrofotometro DR 2800HACHDR 2800Utilizzato per le analisi di COD, ammoniaca, solfato e solfuro
Borsa per la raccolta del gasSKCBorsa di campionamento del gas TedlarUtilizzata per la raccolta del biogas
Siringa ermeticaHamiltonSiringa ermeticaUtilizzata per misurare il volume del biogas
Sistema HPLCThermo Scientific DionexUltiMate 3000Utilizzato per l'analisi degli acidi grassi volatili (AVF)
Kit di test perossido di idrogeno/acido peraceticoLaMotte7191-02Utilizzato per la misurazione di H2O2 e PAA
Filo di titanio rivestito con Ir-MMOBaoji Changli Special Metal Co., Ltd.Filo Ir-MMO/TiCollettore di corrente da 1 mm inserito nel feltro di carbonio
Frigorifero da laboratorioVWRFrigorifero da laboratorioUtilizzato per la conservazione delle acque reflue a 4 °C
Acido metilsolfonicoSigma-Aldrich≥99%Utilizzato a 2,5 mM come fase mobile HPLC
Micro gascromatografoAgilent Technologies490 Micro GCUtilizzato per l'analisi della composizione del biogas con rivelatore TCD
Separatore geotessile non conduttivoTenCate GeosyntheticsSerie MirafiSeparatore da 3 mm con perforazioni da 2 mm tra gli elettrodi
Pompa peristalticaCole-ParmerMasterflex L/SUtilizzata per l'alimentazione del flusso in ingresso e la ricircolazione
PotenziostatoMetrohm AutolabPGSTAT204Potenziostato utilizzato per il monitoraggio del potenziale applicato e della corrente
Tubi di siliconeCole-ParmerTubi di silicone MasterflexUtilizzati per le linee di ingresso, deflusso e ricircolazione
SpettrofotometroHACHDR 2800 Utilizzato per le misurazioni analitiche HACH
Foglio di calcoloMicrosoft ExcelUtilizzato per l'analisi statistica
Reagente solfatoHACHSulfaVer 4, Metodo 8051Utilizzato per la misurazione del solfato
Reagente solfuroHACHMetodo 8131Utilizzato per la misurazione del solfuro
Apparecchiatura di filtrazione sottovuotoMilliporeSigmaSupporto di filtrazione sottovuoto in vetroUtilizzato con filtri a membrana da 0,45 µm

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