Исследовательская статья

Биоэлектрохимически усиленное анаэробное переваривание сточных вод пивоварни при окружающей температуре: производительность, выход метана и энергоэффективность

106 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/70884

⸱

31 июля 2026 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Была разработана система непрерывного биоэлектрохимически усиленного анаэробного расщепления (BEAD) для очистки сточных сточных вод на пивоварнях, демонстрирующая улучшение химического удаления потребности в кислороде, деградацию летучих жирных кислот, выработку метана и энергоэффективность по сравнению с традиционным анаэробным расщеплением при работе при окружающей температуре.

Аннотация

Биоэлектрохимически усиленное анаэробное расщепление (BEAD) стало перспективным подходом для улучшения производства метана и стабильности процессов при очистке высокопрочных промышленных сточных вод. В этом исследовании непрерывный восходящий реактор BEAD работал в течение 365 дней для оценки его эффективности очистки реальных сточных вод пивоварни при температуре окружающей среды (22–24 °C). Влияние скорости органической нагрузки (OLR; 1–7 г sCOD/L∙d), времени гидравлического удержания (HRT) и прикладного потенциала (1,2 V) на удаление органических веществ, деградацию летучих жирных кислот (VFA), выработку метана и энергоэффективность были систематически исследованы и сравнивались с традиционным анаэробным расщеплением (AD). Система BEAD достигла высокой эффективности удаления химического потребления кислорода (COD) (>92%) при OLR до 5 г sCOD/L∙d и продемонстрировала превосходное разложение сложных ВФА, особенно пропионной и масляной кислот. Выход метана увеличивался с увеличением OLR, достигнув максимума 0,35 LCH₄/г sCODпри OLR 7 г sCOD/L∙d. По сравнению с AD, BEAD увеличил выработку метана на 16–30% при более высоких OLR, сохраняя стабильное качество биогаза (≈74–75% CH₄). Хотя сокращение ЗГТ при высоких OLR снижало общую производительность, BEAD стабильно превосходил AD. Система проявила высокую энергоэффективность (~1000%), что позволяет ей служить надёжным и высокоэффективным кандидатом для очистки сточных вод в холодных регионах.

Введение

Загрязнение воды остаётся значительной глобальной проблемой, нанося ущерб здоровью человека и нарушая экосистемы. Пивоварная промышленность входит в число крупнейших промышленных производителей сточных вод, производя 3–10 л сточных вод на литрпива 1,2. Мировое потребление пива привело к производству 188мм 3 пива в 2023 году, что стало пятым по величине потребляемого напитка в мире— 3,4. Пиво также является популярным напитком в Канаде, что подтверждается увеличением числа пивоварен с 1 120 в 2019 году до 1 210 в 2020году.

Пивоварни в основном управляют сточные воды, сбрасывая их в муниципальные канализационные системы — либо напрямую, либо после предварительной очистки. Однако традиционные очистные сооружения (WWTP) часто испытывают трудности с высокопрочными промышленными сточными водами, что приводит к нормативным ограничениям во многихстранах 2,6,7. Во многих случаях муниципальные власти могут взимать надбавки на высокопрочные сточные воды, чтобы предотвратить такие сбросы, что может привести к увеличению эксплуатационных расходов пивоварен8. Поэтому пивоварням необходимо принимать меры для более эффективного и более низкого управления сточные воды. Установка систем очистки на месте, которые не только снижают нагрузку загрязняющих веществ, но и используют энергетический потенциал органических соединений в сточных водах пивоварни, предлагает жизнеспособнуюальтернативу 9.

Анаэробные процессы эффективно очищают высокопрочные сточные воды с низким энергопотреблением, превращая отходы в биогаз, который затем может быть преобразован в электроэнергию, возобновляемый газ или тепловуюэнергию. Анаэробное расщепление (АД) — это косвенный процесс межвидового электронного переноса (IIET), при котором промежуточные средства передают электроны между ацидогенными бактериями и метаногенными археями посредством сложных ферментативныхреакций 11. Однако эти реакции сталкиваются с термодинамическими ограничениями, которые препятствуют полному переносу электронов с исходных субстратов в метан, что приводит к заметным потерям электронов и снижению выработкиметана 12. Стабильность AD зависит от этих механизмов переноса электронов, и нарушения часто приводят к накоплению промежуточных продуктов, таких как водород или VFAs (летучие жирные кислоты). Дисбаланс между ацидогенными бактериями и метаногенами является основным фактором, способствующим накоплению. Высокие темпы нагрузки органических органических веществ (OLR) в сточных водах пивоварни могут усугублять этот дисбаланс, превышая способность метаногенов использовать произведённыеVFAs 13.

Биоэлектрохимически усиленное анаэробное расщепление (BEAD) использует прямой межвидовый электронный перенос (DIET) для прямого переноса электронов с органических субстратов в метан, обходя более медленный и менее эффективный IIET в традиционной AD. В DIET электроны передаются непосредственно между микробными видами через цитохромы, проводящие пили или многовидовые агрегаты без необходимости в промежуточном электронномшаттле 12. Системы BEAD используют внешние электрические токи для усиления деградации короткоцепочечных VFA, таких как бутират и пропионат, что делает процесс более стабильным, чем в традиционных14, 15 и 16 годах н.э. Кроме того, системы BEAD способствуют микробным синтрофным взаимодействиям, которые ускоряют выработку метана за счёт улучшенного общего расщепления VFA17. Исследования показали, что BEAD может увеличивать выбросы метана по сравнению с обычным AD благодаря дополнительным путям метаногенеза, таким как прямое поглощение электронов электродами (электрометаногенез)18,19.

Исследования сточных вод пивоваренных заводов в BEAD ограничены: большинство исследований проводятся при мезофильных температурах (30–35 °C) или с использованием синтетических сточных вод20, 21, 22, 23, 24, 25. Хотя мезофильные условия идеально подходят для различных микроорганизмов, оптимизация системы BEAD при комнатной температуре (22–24 °C) крайне важна для практических применений, особенно в холодных регионах, таких как Канада. Кроме того, использование настоящих сточных вод пивоварни даёт более точное представление о трудностях, возникающих в реальных ситуациях. Данное исследование направлено на устранение ключевых пробелов путём оценки критических параметров для очистки и производства метана из реальных сточных вод пивоварни в реакторе BEAD при комнатной температуре.

Скорость органической нагрузки (OLR) — важный операционный параметр в системах BEAD, отражающий способность системы эффективно перерабатывать органические соединения. Высокий OLR может привести к чрезмерному накоплению кислоты, что потенциально замедляет метаногенез. Поэтому крайне важно управлять OLR для достижения оптимальной эффективности обработки и выработкиметана 26,27. Исследователи в основном изучали влияние OLR на эффективность BEAD с использованием синтетической смеси органических кислот28, 29, 30, 31, активируемого отходами шлада (WAS)26, остатков томатныхрастений 32, пищевыхотходов 33 и мусорной шлами34. Большинство исследований по BEAD с использованием сточных вод пивоварни использовали низкие OLR, и только одно исследование оценивало влияние различных OLR на эффективность очистки сточных вод пивоваренных заводов. Пан и др.22 сообщили, что выработка метана постепенно увеличивалась с OLR, достигая 5,64 л/л∙d при OLR 20 г COD/L∙d, что превосходит обычный AD при мезофильных условиях (35 °C). Кроме того, хотя производительность AD снижалась при повышенных OLR, система BEAD оставалась стабильной даже при более высоких OLR. Насколько нам известно, ни одно исследование не изучало влияние OLR на эффективность BEAD при использовании реальных сточных вод пивоварни при комнатной температуре. Поэтому данное исследование направлено на изучение того, как различные OLR влияют на разрушение реальных сточных сточных вод пивоварни и последующее образование метана при комнатной температуре.

Прикладное напряжение — ещё один важный операционный параметр в системах BEAD. Приложенное напряжение способствует росту гидрогенотрофных метаногенов, тем самым повышая стабильность процесса. Кроме того, подаваемое напряжение влияет на выработку метана, а также на внутреннее сопротивление внутрисистемы 35,36,37. Лишь ограниченное число исследований изучало, как отсутствие/наличие напряжения влияет на работу BEAD при очистке сточных водпивоварни 20,21,25. Например, Го и др.21 протестировали три реактора BEAD с изменяющимися соотношением катод к аноду 1, 2,5 и 4см 2/см3 при 35 °C с использованием синтетических сточных вод пивоварного завода, выяснив, что замкнутая система (0,9 В) увеличивает выработку метана на 42%, 121% и 61% соответственно по сравнению с открытым контуром (0 В). Однако исследования с использованием настоящих сточных вод пивоварни при комнатной температуре остаются ограниченными, что подчёркивает необходимость дальнейших исследований.

Основной целью данного исследования было изучение возможности и эффективности биоэлектрохимически усиленной системы анаэробного расщепления (BEAD) для очистки реальных сточных вод пивоварни при комнатной температуре (22–24 °C). По сравнению с предыдущими исследованиями BEAD, проводившимися преимущественно в мезофильных условиях, это исследование акцентирует внимание на долгосрочной работе BEAD при температуре окружающей среды, что имеет особое инженерное значение, поскольку позволяет избежать постоянного нагрева реактора и снижать энергопотребление. В частности, исследование оценивало влияние различных скоростей органической нагрузки (OLR) и влияние приложенного напряжения на деградацию сточных вод, стабильность процесса и производство метана. При работе реактора BEAD в контролируемых условиях это исследование было направлено на выявление оптимальных рабочих параметров, способствующих разрушению летучих жирных кислот (VFA) и выходу метана при сохранении стабильности системы. Ожидается, что результаты дадут практическое понимание применения технологии BEAD для очистки сточных вод на месте пивоварни.

Протокол

Для этого исследования не требовалось этическое одобрение, так как оно не включало участников человека или животных. Образцы сточных вод и осадков были собраны и обработаны в соответствии со стандартными лабораторными протоколами безопасности.

Корм и инокуляр

Изначально ацетат натрия использовался как дополнительный источник углерода для запуска микробной активности в реакторах. После запуска реактора постепенно вводились настоящие пивоварные сточные воды, полученные от Dominion City Brewing Co. в Оттаве, постепенно заменяя ацетат натрия (примерно 5 дней). Характеристики образцов сточных вод пивоварни (Таблица 1) варьировались с каждой партией (всего 17 партий), что позволяло оценить адаптивность системы к реальным условиям. В Доминион-Сити твердые частицы, такие как хмель и дрожжи, отделяются перед сбором сточных свод в два последних резервуара. Партийные образцы брались из этих резервуаров, транспортировались в лабораторию и центрифугированы при 12 000 × г при комнатной температуре (22 °C) для удаления остаточных твердых веществ. Полученный супернатант хранился при 4 °C до использования. Инокулюм представлял собой мезофильный анаэробный шлам, собранный в Экологическом центре Роберта О. Пикарда (ROPEC) в Оттаве. До запуска шлам акклиматизировали с центрифугированными сточными водами пивоварни в стеклянных бутылках объёмом 500 мл в течение 14 дней при температуре 480 × г при комнатной температуре (22 °C).

Конфигурация реактора

В этом исследовании использовался однокамерный реактор с восходящим потоком BEAD, изготовленный из цилиндрического стекла (высота 435 мм, диаметр 54 мм), с общим объёмом 1 л и эффективным рабочим объёмом 0,65 л. Впуск подался в реактор с помощью перистальтического насоса и управлялся с помощью цифрового таймера для управления скоростью подачи. Для усиления смешивания и газожидкого массового обмена реактор соединял рециркуляционный контур (рисунок 1A), поддерживаемый при 70 мл/мин с помощью второго перистальтического насоса. Электроды состояли из сложенных 25 мм × 25 мм углеродных войлочных квадратов, общей высоты 130 мм (рисунок 1B,C). Между анодом и катодом был помещён непроводящий геотекстильный сепаратор толщиной 3 мм с перфорацией 2 мм для предотвращения контакта, что привело к расстоянию между электродами 3 мм. Анод располагался над катодом, чтобы предотвратить попадание водорода в газовый мешок из-за низкой растворимости водорода в воде. Титановая проволока толщиной 1 мм, покрытая оксидом иридия (Ir-MMO), была вставлена в углеродный фетр и служила током-коллектором для обоих электродов. Коллекторы тока были подключены к потенциостату (AUTM101. S, Metrohm, Швейцария), которая использовалась для подачи и поддержания контролируемого потенциала через электроды и непрерывного мониторинга электрохимической реакции системы. Приложенное напряжение 1,2 В поддерживалось между анодом и катодом на протяжении всей работы реактора. Реактор AD, использовавшийся в качестве контрольной группы в этом исследовании, имел ту же конфигурацию, что и реактор BEAD, но работал без применения потенциала.

Экспериментальное проектирование и процедура

Исследование проводилось в течение 365 дней, включая 17 рабочих этапов (по 10–20 дней каждая) на трёх основных ступенях, каждая из которых оценивала работу реактора BEAD в различных условиях эксплуатации. До начала сбора данных каждая фаза эксплуатировалась до достижения стабильных условий. Этот длительный срок позволил оценить долгосрочную эффективность и стабильность BEAD, в отличие от типичных краткосрочных или пакетных исследований. Использование нескольких партий настоящих пивоваренных сточных вод ввело изменчивость состава; однако производительность реактора оценивалась в условиях устойчивого состояния в каждой фазе, что гарантирует, что результаты отражают стабильное поведение системы, а не краткосрочные колебания.

Этапы запуска: запуск реактора (влияние влияния соотношения VFA/sCOD)

Реактор BEAD был инокулен 350–400 мл предварительно акклиматизированного анаэробного ола. Изначально система работала в пакетном режиме с ацетатом натрия и приложенным потенциалом 1,2 В, поддерживала высокий уровень гормональной терапии — 16 дней для поддержки роста электроактивных микроорганизмов при минимизации вымыва биомассы. Через две недели реактор перешёл на работу с непрерывным потоком, используя ацетат натрия при OLR 2 г sCOD/L∙d с суточным расходом 120–130 мл, что приводило к ЗГТ в 5 дней. После стабилизации корм постепенно заменялся сточные воды пивоварни: сначала на 70%/30% (ацетат/сточные воды), затем на 50%/50%, и наконец на 80%/20%, прежде чем достигнуть 100% сточных свод пивоварни (Таблица 2). На этом этапе также оценивалось влияние различных влияющих соотношений VFA/sCOD на производительность BEAD, поскольку ацетат натрия имеет более простой состав VFA, чем более сложные VFA в сточных водах пивоварен, которые влияют на микробную активность и выработку метана. Результаты этого этапа были рассмотрены в Дополнительном файле 1 (Дополнительные рисунки 1–5 и Дополнительная таблица 1)12,38,39,40,41,42.

При переключении на 100% пивоварные сточные воды при OLR 2 г sCOD/L∙d, выход метана снижался по сравнению с подачей только на ацетате. Тесты на тормоз, Дополнительный файл 1 (Дополнительная таблица 2), подтвердили, что ингибирование от сточных вод пивоварни не является основной проблемой. Поэтому OLR был увеличен для стимуляции микробной активности с более высокой доступностью субстрата. Восстановление реактора и тормозные испытания проводились в течение трёхмесячного перерыва между фазами 5 и 6. В этот период реактор непрерывно эксплуатировался в контролируемых условиях с использованием сточных вод пивоварни, а также проводились дополнительные эксперименты для оценки потенциальных ингибирующих соединений, включая общий аммиачный азот (TAN), сульфат, сульфид, перекись водорода (H₂O₂) и перуксусную кислоту (PAA). Результаты подтвердили, что ни одно из этих соединений не присутствует в ингибирующих концентрациях. Реактор поддерживался в стабильных условиях до восстановления стабильной работы, что подтверждается регулярным выбросом метана, удалением COD и деградацией VFA. Последующие экспериментальные фазы были возобновлены только после подтверждения стабилизации работы реактора и сопоставимости с условиями до зазора. Данные этого периода восстановления и тестирования были исключены из анализа для обеспечения согласованности между определёнными операционными фазами.

Этап 1: Влияние OLR

На этом этапе реактор BEAD питался исключительно сточными водами пивоварни для изучения влияния изменяющихся OLR (1–7 г sCOD/L∙d) при приложенном потенциале 1,2 В (Таблица 2). Вариации уровней COD в пивоваренных сточных водах также приводили к колебаниям ЗГТ, особенно при наибольшем OLR (7* г sCOD/L∙d), где проводились эксперименты в рамках двух гормональных терактов по 2 и 4 дня (* указывает на разные ЗГТ при одном и том же OLR 7 г sCOD/L∙d; 7 г sCOD/L∙d — это ЗГТ на 3–4 дня, 7* г sCOD/L∙d — это гормональная терапия через 2 дня). Это позволило оценить, как ЗГТ влияет на производство метана, деградацию субстрата и общую эффективность процесса.

Этап 2: Влияние приложенного потенциала

На этом этапе оценивалось влияние присутствия или отсутствия приложенного потенциала (1,2 В) на работу реактора и выработку метана с использованием сточных вод пивоварни. Управляющий реактор без приложенного потенциала (AD) и реактор BEAD были испытаны при OLR 2, 3, 5 и 7 g sCOD/L∙d. Управление AD эксплуатировалось как отдельный реактор с той же конфигурацией, что и реактор BEAD, но без приложенного потенциала. Оба реактора работали параллельно при сопоставимых условиях. Кроме того, при OLR 7* г sCOD/L∙d ЗГТ была сокращена с 4 дней до 2 дней, что позволило исследовать влияние приложенного потенциала при более короткой гормональной терапии (Таблица 2).

Аналитические методы

Общие твердые частицы (TS) и летучие вещества (VS) измерялись по стандартному методу 168443. Растворимый COD (sCOD) анализировался с использованием стандартного методаCOD 44 с реагентными трубками. Перед анализом образцы фильтровались с помощью вакуумного фильтра, оснащённого поровой мембраной размером 0,45 мкм. Концентрация аммиака была определена с помощью набора аммиака45. Сульфат измерялся с помощью комплекта сульфатногореагента No46. Сульфид был проанализирован с помощью комплекта сульфидногореагента No47. Все анализы HACH проводились с использованием спектрофотометра. Перекись водорода и переуксусная кислота измерялись с помощью тест-набора переуксусной кислоты с помощью метода с пипеткой. Биогаз собирался в газосборном мешке, а его объём измерялся с помощью газонепроницаемого шприца ежедневно, при этом все измерения проводились в тройном экземпляре. Состав биогаза был проанализирован с помощью микрогазового хроматографа (GC), с аргоном в качестве носителя газа, детектора TCD и температуры впрыска 110 °C. Объёмы биогаза измерялись непосредственно из газовых мешков и отображаются как измеренные значения при согласованных лабораторных условиях. Объёмы газа сообщаются на влажной основе. Все измерения газа проводились при условиях, близких к атмосфере, а герметичные соединения поддерживались для минимизации утечек газа. Система регулярно проверялась для обеспечения целостности герметизации на протяжении всего эксперимента.

ВФА, включая ацетат, пропионат и бутират, были количественно измерены с помощью высокопроизводительной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с длиной волны поглощения 210 нм. Подвижные фазы состояли из 100% ацетонитрила и 2,5 мМ метансульфоновой кислоты, а анализ проводился с использованием колонки (5 мкм, 4 мм × 150 мм) при 30 °C с постоянным расходом 1 мл/мин для подвижной фазы. pH и температура реактора постоянно контролировались с помощью прибора. Во время работы реактора pH поддерживался в типичном диапазоне 6,5–7,5, что свидетельствует о стабильных условиях работы. Текущая генерация фиксировалась каждые 5 минут с помощью потенциостата при фиксированном приложенном потенциале 1,2 В.

Расчёты

Эффективность и скорость удаления COD определялись с помощью следующих уравнений:

figure-protocol-1 Экв. 1

figure-protocol-2 Экв. 2

OLR подачи был рассчитан по уравнению 3, как показано ниже, где скорость подачи выражается в литрах в сутки (L/d), а объём реактора — в литрах.

figure-protocol-3 Уравнение 3

Для расчёта удельного выхода метана были использованы следующие уравнения на основе удаленного COD (удаленного LCH4/г sCOD) и добавленного COD (добавленного LCH4/гsCOD):

figure-protocol-4 Экв. 4

figure-protocol-5 Экв. 5

где — объём метана, производимого за сутки (LCH4/d), а и — количество sCOD,удаляемого в сутки (gsCOD Removed/d) и sCOD, поступающих в реактор в сутки (gsCOD Added/d) соответственно.

Плотность тока рассчитывалась путём нормализации измеренного тока (I) в амперах (A) к рабочему объёму реактора (V), выраженного в кубических метрах (м3). Плотность тока сообщается в A/m 3 и описывается следующим уравнением:

figure-protocol-6 Экв. 6

Кулоновская эффективность (CE) была рассчитана для оценки эффективности восстановления электронов в виде тока отCOD Removed. Он определяется как отношение общего заряда (в Кулоне), восстановленного в виде тока (QC), к теоретическому заряду, который можно восстановить на основе удаленного COD (QT). Общий восстановленный заряд (QC) определялся путём интегрирования измеряемого тока во времени:

Qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t Eq.7

где — измеряемый ток (A) на каждом временном интервале, а Δt — интервал записи (s).

Теоретический заряд (QT) рассчитывался на основе удаления COD, при условии, что на каждые 8 г удаленного COD передаётся 1 мольэлектронов, согласно закону Фарадея:

figure-protocol-7 Экв.8

где F — постоянная Фарадея (96 485 C/mol e⁻), а выражается в граммах.

Таким образом, CE рассчитывался следующим образом:

figure-protocol-8 Экв. 9

Энергоэффективность (ηE), определяемая здесь как эффективность преобразования энергии из электричества в метан, используется для оценки эффективности преобразования электроэнергии в дополнительное производство метана в системе BEAD. Он определяется как отношение энергии, производимой в виде метана, к энергии, потребляемой системой для поддержания электрохимических процессов. Следует отметить, что сообщаемая энергоэффективность представляет собой частичный энергетический баланс, ориентированный на электроэнергию, и не учитывает другие эксплуатационные энергетические потребности (например, перекачку и рециркуляцию). Поэтому его не следует трактовать как общую энергоэффективность системы. Энергоэффективность рассчитывалась по следующей формуле:

figure-protocol-9 Экв. 10

ΔWCH4 = ΔVCH4 × LHV уравнения 11

WE = I × E × ∆t Уравнение 12

где:

ΔWCH4 представляет собой энергию, восстанавливаемую в BEAD, то есть разницу энергии, вырабатываемой в метане между реактором BEAD и реактором управления AD, измеряемую в ватт-часах (Wh).

ΔVCH4 обозначает разницу в объёме метана, произведённого между реактором BEAD и реактором управления AD, выраженную в литрах (L).

LHV — это более низкое нагревающее значение метана, примерно 9,6 Вт/л.

WE — это количество электрической энергии, потребляемой при подаче приложенного потенциала, измеряемое в ватт-часах (Вт), E — напряжение в вольтах (В), а Δt — интервал времени (24 часа).

Статистический анализ

Данные, собранные в ходе экспериментов, были статистически проанализированы с помощью ANOVA (Analysis of Variance) для оценки значимости операционных параметров, таких как OLR, прикладной потенциал и HRT, по ключевым показателям эффективности, включая выход метана, удаление COD и деградацию VFA. Стабильные точки данных определялись как последовательные измерения, полученные при стационарных условиях, где ключевые параметры показывали изменения менее ±5% со временем. Были выбраны и усреднены три стабильных точки данных из каждой фазы, представляющие последовательные измерения с одного и того же реактора при стационарных условиях, чтобы представить эту фазу. Следует отметить, что каждая фаза включала несколько партий настоящих стоков пивоварни с разными характеристиками (например, состав sCOD и VFA). Эти вариации были встроены в фазовый анализ, позволяя оценивать адаптивность системы в реальных условиях. Стандартное отклонение использовалось в качестве шкалы ошибки на рисунках для отражения вариабельности. Все статистические анализы проводились с использованием таблицы. Был принят статистический уровень значимости 95%, что указывает на то, что результаты с p-значением менее 0,05 считаются статистически значимыми (p < 0,05).

Результаты

Влияние органической нагрузки (OLR) на производительность BEAD — этап 1:

Влияние OLR на эффективность удаления COD

Как показано на рисунке 2 и подробно описано в таблице 3, система BEAD поддерживала высокую эффективность удаления COD даже при высоких OLR, достигая удаления 92,7 ± 0,6% при высоком OLR 5 g sCOD/L∙d. Эти показатели особенно заметны по сравнению с другими исследованиями BEAD, проводимыми в контролируемых условиях и с более низким OLR. Например, при OLR 1 и 2 г sCOD/L∙d реактор достиг эффективности удаления COD 96,2%, превзойдя результаты Sangeetha et al.24 и Guo et al.21, которые сообщили о максимальном удалении COD 90% и 80% соответственно при 30–35 °C с использованием синтетических сточных вод пивоварни.

Снижение ЗГТ при более высоких OLR приводило к соответствующему снижению эффективности удаления COD. По мере снижения ЗГТ с 5,2 ± 0,1 дня при OLR 5 г sCOD/L∙d до 4,4 ± 0,3 и 3,7 ± 0,1 дня при OLR 6 и 7 г sCOD/L∙d соответственно, эффективность удаления COD значительно снизилась до 85,1 ± 1,7% и 79,2 ± 0,8% (p < 0,05). Дальнейшее снижение ЗГТ до 2,1 ± 0,2 дня при OLR 7* г sCOD/L∙d уменьшило удаление COD до 64,6 ± 2,1% (p < 0,05). Эта тенденция указывает на то, что короткая гормональная терапия при высоком OLR может привести к ингибированию субстрата и вымыву биомассы, что может ограничить способность системы BEAD поддерживать биоэлектрохимические улучшения, потенциально связанные с DIET, которые важны для эффективного разложенияCOD 48. Эти результаты совпадают с данными Sangeetha et al.23, которые наблюдали снижение удаления COD в BEAD, обрабатывающей синтетические сточные воды пивоварни, при снижении ГГТ с 36 до 12 часов, а OLR увеличился с 1,5 до 4,4 г COD/L∙d. Несмотря на эти трудности, реактор BEAD в данном исследовании всё же показал отличную работу при высоких OLR по сравнению с традиционными системами AD. Например, Сюй и др.49 сообщили о 80% удалении COD при OLR 7,4 г COD/L∙d при идеальных условиях при 35 °C, что сопоставимо с нашими 79,2 ± 0,8% при 7 г sCOD/L∙d, достигнутым при комнатной температуре (22 °C).

Удаление VFA при разных OLR

Как показано на рисунке 3A, увеличение OLR не мешало способности BEAD улучшать удаление VFA, поскольку BEAD справлялся с более высокими нагрузками VFA, сохраняя при этом относительно стабильные показатели VFA. Например, несмотря на повышение влиятельной частоты VFA с 1,8 г sCOD/L∙d при OLR 6 до 2,9 г sCOD/L∙d при OLR 7, скорость ВФА осталась стабильной на уровне 0,8 г sCOD/L∙d. Такая стабильность во всех OLR демонстрирует эффективность BEAD в разрушении VFA и его способность предотвращать накопление VFA, обычно ответственное за падение pH и ингибирование микроорганизмов в традиционных системах AD50,51.

Кроме того, система продемонстрировала исключительную способность разлагать сложные VFA, пропионовую и масляную кислоты, известные более медленными темпами разложения в анаэробныхпроцессах 51. Например, BEAD достиг 100% удаления пропионовой кислоты при OLR 5 и 7 г sCOD/L∙d и значительного снижения масляной кислоты с 1,2 до 0,3 г sCOD/L∙d при OLR 7 г sCOD/L∙d, как показано на рисунке 3B и таблице 4. Результаты также свидетельствуют о том, что поддержание оптимальной ЗГТ крайне важно для эффективного разложения VFA в BEAD, особенно при высоких OLR, где интенсивная биоэлектрохимическая активность. Хотя система демонстрировала высокие темпы деградации VFA с OLR от 5 до 7 г sCOD/L∙d, даже при снижении гормональной терапии с 5,2 ± 0,1 до 3,7 ± 0,1 дней, дальнейшее снижение до 2,1 ± 0,0 дней при OLR 7* г sCOD/L∙d привело к заметному снижению эффективности. Это проявилось в значительном увеличении скорости ВФА в стоках с 0,8 до 2,4 г sCOD/L∙d. В частности, скорость уксусной кислоты резко выросла с 0,6 до 1,8 г sCOD/L∙d, а пропионовая кислота, полностью удаленная при OLR 7, увеличилась до 0,4 г sCOD/L∙d. Удаление бутирической кислоты также было затронуто, хотя и в меньшей степени.

Производительность производства CH4 :

Урожайность CH4 (на основе удаления COD) и объемное производство CH4

Более высокие OLR значительно увеличили выход и объём метана в BEAD, что свидетельствует о преимуществах увеличения доступности субстрата для выработки метана при предотвращении перегрузки системы. Как показано на рисунке 4A, выход метана (на основе удаления COD) достиг пика 0,35 ± 0,01LCH 4/г sCODУдалено (максимальный теоретический выход) при OLR 7 г sCOD/L∙d. Эта доходность представляла статистически значимое увеличение (p < 0,05) на 10–400% по сравнению с более низкими OLR. Объём метана также следовал этой тенденции, достигнув 1,93 ± 0,04 л/л∙с при OLR 7 г sCOD/L∙d, что указывает на увеличение на 18–2657% по сравнению с более низкими OLR, как показано в Таблице 3.

По сравнению с другими исследованиями BEAD, проведёнными в контролируемых условиях, система BEAD в данном исследовании показала превосходное выработку метана с использованием реальных сточных сточных вод пивоварни при комнатной температуре (22 °C). Например, в то время как Sangeetha и др.24 сообщили о выходе метана 0,143LCH 4/г COD и объёме 0,367 л/л∙d при OLR 1–2 г COD/L∙d при использовании синтетических сточных сточных стоков пивоварни при 30 °C, наша система достигла более высокого выхода метана — 0,21 ± 0,01LCH 4/г sCODудалено и объёма 0,43 ± 0,03 л/л∙∙d при OLR 2 г sCOD/L∙d. Аналогично, Сюй и др.25 наблюдали объём метана 1,16 л/л∙/д при OLR 5,8 г COD/L∙d и 35°C, тогда как наша система производила 1,64 ± 0,05 л/л∙∙d при сопоставимой OLR 6 g sCOD/L∙d. Хотя выход и объём метана оставались стабильными при снижении ГГТ с 5,2 ± 0,1 до 3,7 ± 0,1 дня между OLR 5 и 7 г sCOD/L∙d, дальнейшее снижение до 2,1 ± 0,2 дня при OLR 7* г sCOD/L∙d привело к статистически значимым снижениям (p < 0,05). Выход метана снизился на 21% с 0,35 ± 0,01 до 0,28 ± 0,01LCH 4/гsCOD Удалено, а объём метана снизился на 36%, с 1,93 ± 0,04 до 1,24 ± 0,02 л/л∙/день. Эти сокращения коррелируют с уменьшением COD и удаления VFA, обсуждавшимися ранее, что указывает на то, что короткие гормональные терапии ограничивают время контакта с микробами и преобразование органических веществ в метан. Таким образом, достаточное время удержания необходимо для поддержания оптимальной биоэлектрохимической эффективности при высокой органической нагрузке.

Доходность CH4 на основе добавленного COD

Выход метана на основе добавленного COD улучшался с увеличением OLR, но стабилизировался при более высоких OLR из-за ограничений гормональной терапии. Как показано на рисунке 4B, выход метана значительно увеличился (p < 0,05) с 0,07 ± 0,01 лLCH 4/г sCODAdded при OLR 1 г sCOD/L∙d до 0,28 ± 0,01LCH 4/g sCODA при 5 г sCOD/L∙d. Однако с OLR 5 до 7 г sCOD/L∙d выход стабилизировался около 0,28LCH 4/g sCODAdded, без значимых различий (p > 0,05), что указывает на то, что дальнейшее увеличение доступности субстрата не привело к более высокой эффективности преобразования. Этот результат в первую очередь связан с снижением ЗГТ при более высоких OLR, что ограничивало превращение органических соединений без VFA в метан, несмотря на эффективную деградацию VFA. Таблица 5 подтверждает это наблюдение, показывая, что скорость удаления этих других органических соединений не увеличивалась между OLR 5 и 7 г sCOD/L∙d, что приводило к увеличению их скоростей в сточных водах. Кроме того, дальнейшее снижение ЗГТ при OLR 7* g sCOD/L∙d вызвало заметное снижение выброса метана, что иллюстрирует критический порог, за который даже VFA не были адекватно преобразованы в метан из-за недостаточного времени удержания.

СодержаниеCH 4

Содержание метана в BEAD улучшалось с увеличением OLR, стабилизируясь при высоких нагрузках. Как показано на рисунке 4C, система достигла пика метана в 75,0 ± 0,3% при OLR 6 г sCOD/L∙d, за которой следовали 74,3 ± 1,2% и 74,0 ± 0,8% при OLR 7 и 5 г sCOD/L·d соответственно. В частности, статистические различия (p > 0,05) в содержании метана среди этих более высоких OLR не наблюдалось, что свидетельствует о стабильном качестве биогаза при таких высоких скоростях нагрузки. Кроме того, система превосходила другие исследования BEAD; например, Сюй и др.25 сообщили о содержании метана 62,3% при OLR 5,8 г COD/L∙d при контролируемой температуре 35°C и с использованием синтетических сточных вод, тогда как наш реактор достиг 75,0 ± 0,3% при OLR 6 г sCOD/L∙d при использовании реальных сточных вод при комнатной температуре (22 °C).

При OLR 7* г sCOD/L∙d при снижении ЗГТ на 2,1 ± 0,2 дня содержание метана немного снизилось до 72,7 ± 0,5%. Однако это изменение не было статистически значимым (p > 0,05) по сравнению с содержанием метана при ЗГТ 3,7 ± 0,1 дня и OLR 7 г sCOD/L∙d, что свидетельствует о сохранении эффективного содержания метана даже при сокращённом времени контакта.

Электрохимические характеристики системы BEAD

Плотность тока и CE значительно улучшились с увеличением OLR и достигли максимальных значений при OLR 6 г sCOD/L·d, достигнув пика 13,8 ± 0,3 A/m 3 и 1,97 ± 0,04% соответственно. Однако дальнейшее увеличение OLR до 7 g sCOD/L∙d привело к значительному снижению производительности (p < 0,05), при этом плотность тока и CE снизились до 6,2 ± 0,1 A/m 3 и 0,81 ± 0,01% соответственно, как показано на рисунках 5A и B. Снижение значений EC указывает на то, что большинство электронов направляются на производство метана, а не восстанавливаются в виде электрического тока, что соответствует основной функции системы как анаэробного процесса расщепления. Это снижение может быть связано с перегрузкой субстрата или дисбалансом питательных веществ при высоких OLR. Высокая концентрация субстрата при высоких OLR может усилить конкуренцию между экзоэлектрогенами и метаногенами на аноде, часто способствуя метаногенам и тем самым снижая генерациютока 52. Кроме того, ограниченная доступность питательных веществ при высоких OLR может подавлять рост и активность экзоэлектрогенов, тем самым снижая выработкутока 53.

По сравнению с другими системами BEAD, использующими синтетические пивоварные сточные воды, наша система демонстрировала более высокую производительность тока при более высоких OLR, но более низкую электрохимическую эффективность при низких OLR, что подчёркивает влияние сложности сточных вод. Например, при OLR 6 g sCOD/L∙d наша система достигла более высокой плотности тока, чем всего 1,41 A/m3, описанной Сюй и др.25, при сопоставимой OLR 5,8 г COD/L∙d при 35 °C. Однако наши показатели BEAD при OLR 2 g sCOD/L∙d, с плотностью тока 1,9 ± 0,1 A/m 3 и CE 1,58 ± 0,14%, были ниже 14,3 A/m 3и 15%, наблюдаемых Sangeetha и др.24. Эти результаты подчёркивают, что синтетические субстраты улучшают восстановление электронов за счёт снижения микробной конкуренции, в отличие от реальных сточных вод, которые содержат более разнообразное и конкурентное микробноесообщество 12,54.

Интересно, что текущее производство остаётся стабильным, несмотря на сокращение HRT. В частности, снижение ГЗТ с 3,7 ± 0,1 дня до 2,1 ± 0,2 дня при OLR 7* г COD/L∙d не привело к статистически значимому изменению плотности тока (p > 0,05), который оставался стабильным на уровне 6,2 A/m 3. Эта согласованность говорит о том, что вариации ЗГТ не обязательно коррелируют с изменениями плотности тока. Это открытие имеет решающее значение, поскольку свидетельствует о том, что несмотря на снижение эффективности органического удаления из-за сокращения времени контакта между экзоэлектрогенами и субстратами, скорость переноса электронов на анод оставалась неизменной. Это наблюдение совпадает с выводами Castellano-Hinojosa и др.55, которые также сообщили о стабильной плотности тока, несмотря на значительное снижение ЗГТ. Аналогично, Сонг и др.56 не зафиксировали изменения плотности тока (оставаясь на уровне 233 A/m3), несмотря на значительный рост sCOD сточных вод с 439,0 ± 129,8 до 749,0 ± 36 мг/л при снижении гормональной терапии с 10 до 5 дней. Эти результаты свидетельствуют о том, что биоэлектрохимические взаимодействия, потенциально связанные с DIET, могут оставаться эффективными в BEAD даже при сокращении времени удержания.

Влияние прикладного потенциала на производительность BEAD — этап 2:

Влияние прикладного потенциала на удаление COD

Результаты показали, что при более высоких OLR приложенный потенциал в системе BEAD повышает эффективность удаления COD по сравнению с контрольной системой AD, но оказывает минимальное влияние при более низких OLR, как показано на рисунке 2 и таблице 3. В частности, при высоком OLR 5 g sCOD/L∙d BEAD достиг эффективности удаления COD 92,7 ± 0,6%, что значительно выше (p < 0,05), чем 85,3 ± 0,6% при AD. Для сравнения, при более низких OLR 2 и 3 г sCOD/L∙d разница не была статистически значимой (p > 0,05), при этом обе системы достигли схожих высоких эффективностей (96,2 ± 0,1% против 96,6% ± 0,3% при 2 г sCOD/L∙d и 94,1 ± 1,2% против 94,7 ± 0,8% при 3 г sCOD/L∙d). Эта тенденция совпадает с выводами Тартаковского и др.57, которые также сообщили о схожих показателях удаления COD при более низких OLR в системах с прикладным потенциалом и без него, но отметили, что применение потенциала значительно повышает удаление COD при более высоких OLR по сравнению с традиционным AD. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что применяемый потенциал может усиливать микробные взаимодействия и процессы переноса электронов, потенциально связанные с DIET, что приводит к более эффективной органической деградации.

При максимальном OLR 7* г sCOD/L∙d, где ЗГТ снижалась до 2 дней, применяемый потенциал оказывал ограниченное влияние на эффективность удаления COD. BEAD достиг эффективности удаления COD 64,6 ± 2,1%, что немного выше 61,9 ± 1,5%, наблюдавшихся при AD, но разница не была статистически значимой (p > 0,05). Это говорит о том, что хотя более высокие OLR могут демонстрировать потенциальные преимущества приложенного потенциала для улучшения удаления COD, снижение ЗГТ ограничивает способность системы полностью использовать эти биоэлектрохимические преимущества. Это может быть связано с тем, что сокращенная гормональная терапия не обеспечивает достаточного времени для микробной активности и процессов переноса электронов, потенциально связанных с DIET, что подчёркивает необходимость сбалансированной операционной стратегии, учитывающей как преимущества приложенного потенциала, так и ограничения, навязанные сокращением времени удержания.

Влияние приложенного потенциала на удаление VFA

Рисунок 6A–E и таблица 5 демонстрируют, что BEAD значительно превосходил AD по деградации сложных VFA. Примечательно, что при OLR 5 г sCOD/L∙d BEAD достиг 100% удаления пропионной и масляной кислот, по сравнению с лишь 58,2% и 77,6% при удалении AD (рисунок 6E). Это подчёркивает эффективность прикладного потенциала в усилении биоэлектрохимических процессов, что не только ускоряет деградацию VFA, но и улучшает кинетикуметаногенеза 58,59. Анализ состава сточных отходов на этом OLR дополнительно подтверждает это превосходство: сток BEAD состоял из 87% уксусной кислоты без обнаружения пропионной или масляной кислот, тогда как сточные воды AD содержали 64% уксусной кислоты, 19% пропионовой и 17% масляной кислот (рисунок 6D).

BEAD сохранял превосходное удаление пропионовой и масляной кислот даже при сокращённой гормональной терапии. При максимальном OLR 7* г sCOD/L∙d при снижении гормональной терапии на 2 дня BEAD достиг удаления масляной кислоты на 66,4%, что значительно выше, чем у AD — 50,9%. Для пропионовой кислоты BEAD удалил 33,2%, тогда как AD показал скорость стока, превышающую влиятельную, что указывает на слабое разложение. Это превосходное качество BEAD можно объяснить усилением биоэлектрохимических взаимодействий, потенциально связанных с DIET, что может способствовать более эффективному переносу электронов между ацетогенными пропионат- и бутират-окисляющими бактериями и метаногенами по сравнению с межвидовым переносом водорода (HIT) при AD, тем самым снижая накопление VFA при высоких OLR 15,16,60,61.

Влияние приложенного потенциала на производство CH4 :

CH4 Урожайность и объемное производство CH4

BEAD продемонстрировал превосходные показатели по выходам и объёму метана по сравнению с AD, особенно при OLR 3, 5 и 7* г sCOD/L∙d, где доступность субстрата поддерживала повышенную биоэлектрохимическую активность (рисунок 4A, Таблица 3). Примечательно, что наиболее значимая разница наблюдалась при OLR 5 г sCOD/L∙d, где BEAD достиг 0,30 ± 0,01LCH 4/gsCOD Removed, что на 20% выше выхода AD 0,25 ± 0,01 (p < 0,05). Объем метана следовал аналогичной тенденции: BEAD превысил AD на 30%, 20% и 16% при OLR 5, 3 и 7* соответственно (p < 0,05). Эти преимущества можно объяснить эффективными механизмами переноса электронов, обеспечиваемых системой замкнутого контура, где анод служит надёжным акцептором электронов, способствуя усиленному потоку электронов ккатоду 62. В отличие от этого, разомкнутая цепь AD, вероятно, испытывает большие электронные потери, что снижает эффективность производства метана. Кроме того, BEAD может получить выгоду от усиленных биоэлектрохимических взаимодействий, потенциально связанных с DIET, которые могут предоставить дополнительные пути метаногенеза, обеспечивая более эффективное преобразование сложных ВФА, таких как пропионат и бутират, в метан. Единственное исключение наблюдалось при 2 g sCOD/L·d, где BEAD не показал явного преимущества, возможно, из-за ограниченной доступности углерода и первоначальной акклиматизации электроактивных микроорганизмов.

Применяемый потенциал не только улучшил выработку метана, но и повысил стабильность процесса, как показано на рисунке 7. При OLR 5 г sCOD/L∙d работа BEAD на 11-й фазе показала относительно стабильный выход метана: в среднем 0,298 LCH₄/гsCOD удалено, стандартное отклонение 0,008 LCH₄/гsCOD Удалено и коэффициент вариации (CV) 2,81%. В отличие от этого, после перехода на AD в фазе 12 выход метана показал значительно более сильные колебания, снизившись с 0,33 до 0,16 LCH₄/г удаленногоsCOD, с более высоким стандартным отклонением 0,054 LCH₄/гудаленного sCOD и CV 20,87%. Когда система была возвращена на BEAD на 13-й фазе, производство метана быстро восстановилось и стало более стабильным, со средней выходностью 0,312 LCH₄/гsCOD (удалено ) и сниженным CV на 6,23%. Примечательно, что в более позднем стабильном периоде фазы 13 CV ещё больше снизился до 1,95%, что указывает на восстановление стабильности процесса после возмущения, вызванного работой AD. Эти количественные результаты показывают, что приложенный потенциал способствовал не только увеличению выработки метана, но и снижению вариабельности эксплуатации и более быстрой стабилизации. Эти выводы совпадают с данными Парка и др. 63, которые сообщили, что системы BEAD повышают скорость выработки метана и сокращают время стабилизации, способствуя быстрому органическому окислению и метаногенезу, что даёт явные преимущества по сравнению с традиционными процессами АД.

Содержание CH4

BEAD имел более высокое содержание CH4, чем AD при более высоких OLR, достигая 74,0 ± 0,8% и 72,7 ± 0,5% по сравнению с AD 71,0 ± 0,8% и 70,0 ± 0,5% (p < 0,05) при OLR 5 и 7 г sCOD/L∙d соответственно, как показано на рисунке 7. Однако при более низких OLR 2 и 3 г sCOD/L∙d различия не были статистически значимы (p > 0,05). Вероятно, это связано с тем, что более высокая деградация VFA в BEAD приводит к увеличению количества углекислого газа (CO2), часть которого превращается вCH4, а остальная часть увеличиваетCO2 газового пакета, оставляя содержаниеCH 4 без изменений. Аналогичные тенденции были отмечены в другихисследованиях 64, 65, 66, что указывает на то, что улучшенияпроцента и объёма CH 4 не обязательно происходят одновременно. Повышение приложенного напряжения выше 1,23 В могло бы дополнительно улучшить содержание CH4, облегчая электролиз воды, образуя водород (H2), способный превращать дополнительныйCO2 вметан 57,66. Однако такой подход может привести к проблемам с чрезмерным потенциалом, что может привести к энергетической неэффективности и эксплуатационным проблемам. Поэтому регулировка напряжения должна быть тщательно оптимизирована для баланса между увеличенным выработкой метана и эффективностью системы.

Энергоэффективность системы BEAD

Рисунок 8 показывает, что BEAD поддерживал стабильно высокую энергоэффективность (~1000%) по всем OLR. Примечательно, что даже при максимальном OLR 7* г sCOD/L∙d с сокращённой HRT на 2 дня система достигла высокой энергоэффективности благодаря низкому энергопотреблению 0,03 ± 0,01 Wh/g sCOD Removed. Это значительно ниже, чем типичное энергопотребление от 0,7 до 2 Вт·ч/г sCODпри традиционных процессах активированногоолай 67. Более того, хотя при увеличении OLR наблюдалось небольшое снижение энергоэффективности, вариации были минимальными, что свидетельствует о стабильной энергетической работе BEAD даже при увеличении органической нагрузки и сокращении времени гидравлического удержания. Эти результаты свидетельствуют о том, что BEAD может повысить выработку метана с высокой энергоэффективностью в рамках применения электроэнергии. Однако следует отметить, что текущий энергетический анализ не учитывает другие эксплуатационные энергетические потребности, такие как перекачка и рециркуляция. Таким образом, сообщаемая энергоэффективность отражает частичное энергетическое баланс, и необходима дальнейшая работа по оценке общей энергетической эффективности в условиях полномасштабной эксплуатации.

Эффективность BEAD в сточных водах пивоварни с ограниченным содержанием питательных веществ (High C/N)

Несмотря на высокое соотношение C/N сточных вод пивоварни, BEAD достигла значительных результатов, включая эффективное удаление COD, деградацию VFA и выработку метана. Сточные своды пивоваренных заводов обычно характеризуются высоким содержанием органики и низким содержанием азота, что приводит к высоким соотношениям C/N 68,69,70,71. Эта интерпретация основана на наблюдаемых характеристиках влияющего объекта, а не на контролируемом сравнении между разными отношениями C/N. В традиционном процессе AD часто требуется добавление питательных веществ в сточные воды пивоварни для снижения соотношения C/N и поддержки ростамикроорганизмов 69,70,71, но в этом исследовании дополнительных питательных веществ не было добавлено. Высокая производительность BEAD, вероятно, обусловлена применённым потенциалом, который повышает микробную активность и стабильность реакторов в условиях дефицитапитательных веществ 72,73. Ограниченные исследования изучали влияние соотношения C/N на эффективность BEAD, при этом большинство исследований сосредоточены на низких и умеренных коэффициентах C/N (0,6–25)74,75,76. Как уже упоминалось, конкретных исследований по системам BEAD для очистки сточных вод пивоварни мало. Кроме того, в исследованиях с использованием синтетических сточных вод пивоваренных заводов обычно добавляли питательные вещества для достижения оптимального соотношения C/N до40 21,23,24,25, тогда как единственные два исследования, проведённые на реальных сточных водах пивоварен, не измеряли и не учитывали влияние отношения C/N на эффективностьBEAD 20,22. Поэтому необходимы дальнейшие исследования для изучения роли различных соотношений C/N (от низкого к высокому) в системах BEAD с использованием реальных сточных вод пивоварни.

ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:

Данные, относящиеся к исследованию, включены в статью, а также в Дополнительный файл 2.

figure-results-1
Рисунок 1: Конфигурация и эксплуатационная установка биоэлектрохимической реакторной системы, использованной в данном исследовании. (A) Схематическая иллюстрация конфигурации реактора, показывающая основные компоненты системы, включая анод с упакованным слоем, заполненный углеродным проводящим материалом, катодную камеру, сепаратор, линии впуска и сточных каналов, внутренний контур рециркуляции, порт для отбора проб газа, мешок для сбора газа и внешнюю электрическую цепь, подключённую к потенциостату для Электрохимический мониторинг и контроль. Также указаны положения токосборщиков, отборочных портов, подающего насоса, насоса рециркуляции и системы мониторинга pH. (B) Фотография собранного реактора перед началом работы, с акцентом на вертикальную конструкцию колонны, структуру анодного отсека, слой сепаратора, катодную область, впускную линию, порт отбора проб и рециркуляционные соединения. (C) Фотография реактора во время работы, показывающая работу реактора при условиях непрерывной рециркуляции, включая пути потока жидкости, образование биопленки на поверхности электрода, внешние соединения труб и электрическую проводку, подключённую к потенциостату. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры. 

figure-results-2
Рисунок 2: Эффективность удаления COD при различных OLR в системе BEAD и традиционной системе AD. Удаление COD (%) оценивалось при OLR в диапазоне от 1 до 7 г sCOD/L·d, включая состояние перегрузки (7*). На рисунке сравниваются характеристики очистки реакторов BEAD и AD при возрастающих условиях нагрузки на подложку. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры. 

figure-results-3
3: Производство и состав VFA при различных OLR в системе BEAD. (A) Общие показатели влиятельных и сточных ВФА, измеренные при OLR от 1 до 7 г sCOD/L·d, показывающие влияние нагрузки на субстрат на эффективность накопления и удаления VFA. (B) Распределение основных ВФА, включая ацетат, пропионат и бутират, в влитых и сточных потоках при различных условиях OLR. Пунктирные вертикальные линии обозначают фазовые переходы операционной фазы, соответствующие изменениям в OLR. Ставки VFA выражаются как g sCOD/L·d. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4: Производительность метана при различных OLR в системах BEAD и AD. (A) Выброс метана нормализован до COD удален; (B) выброс метана нормализован с добавлением COD; и (C) содержание метана (%) в произведённом биогазе при OLR от 1 до 7 г sCOD/L·d, включая состояние перегрузки (7*). Рисунок иллюстрирует влияние увеличения нагрузки на субстрат на эффективность извлечения метана и качество биогаза в обеих конфигурациях реакторов. Выход метана выражается как L CH₄/g COD. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-5
Рисунок 5: Электрохимические характеристики системы BEAD при различных OLR. (A) Плотность тока, генерируемая при OLR, варьируется от 1 до 7 г sCOD/L·d, демонстрируя связь между нагрузкой на подложку и биоэлектрохимической активностью. (B) кулоновская эффективность (%) при различных условиях OLR, представляющая долю электронов, восвлекаемых в виде электрического тока относительно полного окисления подложки. Плотность тока выражается как A/m 3. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры. 

figure-results-6
Рисунок 6:. Влияние приложенного потенциала на динамику VFA и состав сточных стоков в системах BEAD и AD. (A) Общие скорости VFA при различных условиях прикладного потенциала и OLR; (B) скорости производства и удаления пропионата; (C) скорости производства и удаления бутирата; (D) состав влиятельного и сточного COD при OLR 5 г sCOD/L·d, показывающий относительное распределение ацетата, пропионата, бутира и других соединений; и (E) эффективность удаления бутирата (%) при различных условиях OLR. На рисунке демонстрируется влияние электрохимической стимуляции на промежуточные продукты ферментации и пути превращения субстрата. Частоты VFA выражаются как g sCOD/L·d. Индикаторы ошибки представляют собой стандартные отклонения повторных измерений, где это применимо. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-7
Рисунок 7: Временное изменение выхода метана, нормализованное до COD, устранённое в ходе длительной работы системы реактора BEAD. Выход метана контролировался в течение 365 дней в различных операционных фазах и условиях OLR. Вертикальные пунктирные линии обозначают переходы между операционными фазами, включая этап восстановления после перегрузки реактора. Выброс метана выражается как L CH₄/г удаленного sCOD. На рисунке показана устойчивость реактора и производительность метана при длительной непрерывной эксплуатации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-8
Рисунок 8: Влияние приложенного потенциала на восстановление энергии и энергоэффективность в системе BEAD при различных OLR . На рисунке сравнивается восстановленная энергия, потребленная электрическая энергия и общая энергоэффективность (%) при OLR 3, 5 и 7* g sCOD/L·d. Восстановленная и потраченная энергия выражается как Wh/g sCOD, удалённый. На рисунке демонстрируется энергетическая эффективность системы BEAD при электрохимической стимуляции и изменяющихся условиях нагрузки на подложку. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

ПараметрЦенность
sCOD (мг/л)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 (мг/л)5-5.2

Таблица 1: Характеристики сточных вод пивоварни, используемых во время работы реактора. Таблица суммирует диапазоны соотношения sCOD, VFA/sCOD, TS, VS, VS/TS, PH и TAN, измеренные в сточных водах пивоварни в течение экспериментального периода. 

СценаФазаОписаниеСубстратOLR
(g sCOD/L.d)		Прикладной потенциал (1,2 В)ГЗТ (дни)
Этап-1: Влияние OLR5Состояние наименьшего OLRПивоварня WW2Да4-5
6Общая фаза (базовый уровень для Этапа-2)Пивоварня WW1Да4-5
9Общая фазаПивоварня WW3Да4-5
10Повышенный OLRПивоварня WW4Да4-5
11 и 13 летПовторяющаяся фаза при OLR=5 для проверки стабильностиПивоварня WW5Да4-5
14Повышенный OLRПивоварня WW6Да4-5
15Высокий OLRПивоварня WW7Да3-4
16Максимальная нагрузкаПивоварня WW7*Да2
Этап 2: Влияние приложенного потенциала5Такое же состояние, как у Стадии-1Пивоварня WW2Да4-5
7Без применённого потенциалаПивоварня WW2Нет4-5
9То же самое, что и Этап-1Пивоварня WW3Да4-5
8Без применённого потенциалаПивоварня WW3Нет4-5
11 и 13**Та же повторяющаяся фаза, что и на этапе-1Пивоварня WW5Да4-5
12Без применённого потенциалаПивоварня WW5Нет4-5
16То же самое, что и Этап-1Пивоварня WW7*Да2
17Без применённого потенциалаПивоварня WW7*Нет2

Таблица 2: Экспериментальное проектирование и эксплуатационные условия, используемые для оценки влияния OLR и приложенного потенциала на производительность реакторов. Таблица обобщает операционные фазы, условия подложки, прикладной потенциал и ГЗТ, используемые в ходе исследования. Состояние перегрузки (7*) означает работу на той же OLR с уменьшенной HRT.

OLR12345677*
ПараметрБУСИНАБУСИНАADБУСИНАADБУСИНАБУСИНАADБУСИНАБУСИНАБУСИНАAD
Удаление 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
Выход CH4 снят
(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
Добавленная доходность CH 4
(LCH4/g скодировано)		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
Том CH4
(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-
Плотность тока (А/м 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-
ГЗТ (дни)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

Таблица 3: Параметры производительности при различных OLR в системах BEAD и AD. Таблица суммирует удаление COD, выход CH₄, объём CH₄, содержание CH₄, CE, плотность тока и HRT при различных операционных условиях. Значения представлены как средние ± стандартном отклонении на основе измерений в стационарном состоянии на каждой рабочей фазе. Условие перегрузки (7*) представляет собой работу на том же OLR с уменьшенной HRT.

OLR12345677*
ПараметрБУСИНАБУСИНАADБУСИНАADБУСИНАБУСИНАADБУСИНАБУСИНАБУСИНАAD
Влиятельный ацетат
(g sCOD/L.d)		0.030.060.080.080.130.090.30.460.340.90.380.21
Влиятельный пропионат
(g sCOD/L.d)		0000.1300.190.480.340.560.820.550.07
Влиятельный бутират
(g sCOD/L.d)		0.070.280.110.230.160.390.790.560.911.180.860.76
Сточные ацетат
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.260.320.480.530.561.781.44
Пропионат сточных вод
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.2100.140.1400.370.24
Сточные бутираты
(g sCOD/L.d)		000000.0500.130.090.280.290.37

Таблица 4: Показатели VFA при различных OLR в системах BEAD и AD. В таблице приведены резюмированные показатели влиятельного и сточного ацетата, пропионата и бутирата, выраженные как g sCOD/L·d при различных операционных условиях.

OLR12345677*
ПараметрБУСИНАБУСИНАADБУСИНАADБУСИНАБУСИНАADБУСИНАБУСИНАБУСИНАAD
Влиятельный COD
(g sCOD/L.d)		1.12.11.933.132.914.045.115.115.916.926.966.97
Влиятельные VFA
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.440.290.671.561.361.812.891.791.04
Влиятельный Другой**
(g sCOD/L.d)		11.761.742.692.623.373.553.754.14.035.175.93
Причина стока
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.180.150.750.370.750.881.442.472.66
Сточные воды VFA
(g sCOD/L.d)		0000.060.050.520.320.750.760.842.442.05
Сточные воды
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.120.10.230.0500.120.60.030.61
Удален COD
(g sCOD/L.d)		1.062.021.862.952.763.294.744.365.035.484.494.31
Удален VFA
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.380.240.151.240.611.052.05--
Удалено Другое
(g sCOD/L.d)		0.961.681.672.572.523.143.53.753.983.435.145.32

Таблица 5: распределение COD, скорости VFA и другие соединения при различных OLR в системах BEAD и AD. Таблица суммирует влияющие, сточные и удаленные COD фракции, VFAs и другие соединения, выраженные как g sCOD/L·d при различных условиях работы реактора. «Другое» означает соединения, не входящие в VFA, которые вносят вклад в COD.

Дополнительный рисунок 1. Влияние влияния соотношения VFA/sCOD на эффективность удаления COD в BEAD. На рисунке сравнивается эффективность удаления COD реактора BEAD при снижении влиятельных соотношений VFA/sCOD с 1 до 0,2. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 2. Влияние влияния соотношения VFA/sCOD на выходCH 4 (на основе удаленного COD) в BEAD. На рисунке сравнивается выход CH₄ реактора BEAD при снижении влияющих соотношений VFA/sCOD с 1 до 0,2. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 3. Влияние влияния соотношения VFA/sCOD на процентCH4 в BEAD. На рисунке сравнивается содержание CH₄ в реакторе BEAD при снижении влиятельных соотношений VFA/sCOD с 1 до 0,2. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 4. Влияние влияния соотношения VFA/sCOD на плотность тока в BEAD. На рисунке сравнивается плотность тока в реакторе BEAD при снижении влиятельных соотношений VFA/sCOD с 1 до 0,2. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 5. Влияние влияния соотношения VFA/sCOD на кулоновую эффективность в BEAD. На рисунке показана кулоновская эффективность реактора BEAD при снижении влиятельных соотношений VFA/sCOD с 1 до 0,2. Полоски ошибок представляют собой стандартные отклонения повторных измерений. n = 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительная таблица 1. Параметры производительности в различных составах субстратов. Таблица суммирует удаление COD, выход CH₄, объём CH₄, содержание CH₄, CE и плотность тока при различных составах подложки. Значения представлены как средние ± стандартном отклонении на основе измерений в стационарном состоянии на каждой рабочей фазе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительная таблица 2. Концентрации ингибирующих соединений в влиятельных и сточных водах. В таблице приведены ингибирующие соединения, включая аммиак, сульфат, сульфид,H2,O2 и PAA в BEAD и AD, влияющих и вытокивающих при различных условиях OLR. Значения представлены как средние ± стандартном отклонении на основе измерений в стационарном состоянии на каждой рабочей фазе. Состояние перегрузки (7*) означает работу на той же OLR с уменьшенной HRT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 1. Влияние влиятельного отношения VFA/sCOD на эффективность BEAD и оценку ингибирующих соединений.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 2. Исходные данные.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Обсуждение

BEAD стабильно превосходил традиционный AD по удалению COD, деградации VFA, выходу метана и стабильности процесса при различных OLR. Ключевым преимуществом системы была способность эффективно разлагать сложные ВФА, такие как пропионовая и масляная кислоты, которые обычно трудно разлагать в анаэробных условиях. Выход метана увеличивался при увеличении доступности субстрата, достигнув пика выброса метана 0,35LCH 4/гsCOD. Удалено при максимальном испытанном OLR 7 г sCOD/L·d. Добыча метана выиграла от приложенного потенциала: объём метана в BEAD был на 16–30% выше, чем в AD по различным OLR. Это усиление можно объяснить улучшением процессов переноса электронов. В традиционных системах AD перенос электронов в первую очередь регулируется IIET, который опирается на промежуточные продукты, такие как водород и формиат, и часто ограничен диффузионными ограничениями и термодинамическиминеэффективностями 77. В отличие от этого, применение внешнего потенциала в BEAD, вероятно, способствует прямому DIET, обеспечивая более эффективный обмен электронами между электроактивными бактериями и метаногенами без необходимости растворимых медиаторов. Биоэлектрохимические взаимодействия, потенциально связанные с DIET и облегчённые применённым потенциалом, могут привести к снижению потерь электронов, более эффективному органическому разложению и увеличению выработкиметана 77. Этот переход от IIET к DIET может снизить потери электронов, усилить синтрофные взаимодействия и ускорить деградацию органических субстратов, тем самым способствуя улучшению производства метана и стабильности процесса. Следует отметить, что сточные воды пивоварни, использованные в этом исследовании, были получены из одного источника, поэтому наблюдаемая эффективность отражает специфические характеристики сточных вод для конкретного участка. Поэтому результаты следует интерпретировать в контексте проверенных условий и не могут быть напрямую обобщаемы для всех систем сточных вод пивоварни.

Альтернативные подходы и дополняющие методы могут дополнительно исследовать механизмы, ответственные за усиление производства метана и переноса электронов в системах BEAD. Например, секвенирование 16S рРНК или метагеномный анализ могут выявить электроактивные бактерии и метаногены, связанные с DIET. Электрохимические методы, такие как CV и EIS, могут дать дополнительное понимание поведения переноса электронов и проводимости биопленки. Кроме того, SEM и флуоресцентная микроскопия могут использоваться для изучения развития биопленки и микробных взаимодействий на поверхностях электродов. Эти взаимодополняющие подходы обеспечат лучшее понимание биоэлектрохимических механизмов, регулирующих работу реакторов.

Хотя BEAD эффективно справлялся с высокими OLR, снижение ЗГТ с 3,7 до 2,1 дней привело к снижению удаления COD, деградации VFA и выработки метана, что подчёркивает важность достаточного количества ЗГТ для стабильности процесса при высоких органических нагрузках. Будущие исследования должны дополнительно исследовать интеграцию твердых отходов пивоваренных заводов в качестве совместного подачи, оптимизацию прикладных потенциалов и оценку в более широком спектре составов сточных вод и эксплуатационных условий. Кроме того, исследования, включающие улучшенную статистическую репликацию и более чёткий бенчмаркинг по сравнению с традиционными системами AD, помогут лучше оценить относительную эффективность BEAD. Эти усилия обеспечат более полное понимание системы и помогут прояснить её потенциальную применимость для очистки высокопрочных промышленных сточных вод.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Совету по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады за финансовую поддержку. Техническое руководство доктора Бориса Тартковского и доктора Вирендера Сингха должным образом признано.

Источник финансирования: Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
0,45 мкм мембранный фильтрMilliporeSigmaHAWP04700Используется перед анализом растворимого COD
Стеклянные бутылки 500 млFisherbrandБутылка для среды 500 млИспользуется для акклиматизации инокулюма
Колонка Acclaim OAThermo ScientificAcclaim OA, 5 мкм, 4 × 150 ммКолонка, используемая для определения VFA
АцетонитрилFisher ScientificГрадуированный для HPLCМобильная фаза для анализа HPLC
Набор реагентов для аммиакаHACHTNTplus 832Азот, аммиак-салициловая HR Метод 10205
Аргоновый носительAir LiquideАргоновый носитель свысокой степенью чистотыНоситель для микро-ГХ
Углеродное волокноSGL CarbonСерия GFDЭлектродный материал, нарезанный на квадраты 25 мм × 25 мм
ЦентрифугаEppendorf5810 RИспользуется для центрифугирования пивоваренных сточных вод при 12 000 × g
Пробирки с реактивом CODSCP ScienceПробирки с реактивом COD (совместимы с методом 8000)Используется для анализа растворимого COD по методу HACH 8000
Цилиндрический стеклянный реакторChemglass Life SciencesИндивидуальный стеклянный реакторРеактор с однокамерным вертикальным потоком; общий объем 1 л, рабочий объем 0,65 л
Цифровой таймерIntermaticTN311Используется для контроля времени подачи
Спектрофотометр DR 2800HACHDR 2800Используется для анализа COD, аммиака, сульфата и сульфида
Мешок для сбора газаSKCГазосборник TedlarИспользуется для сбора биогаза
Герметичная шприцевая игольчатая канюляHamiltonГерметичная шприцевая игольчатая канюляИспользуется для измерения объема биогаза
Система ВЭЖХThermo Scientific DionexUltiMate 3000Используется для анализа летучих жирных кислот (VFA)
Набор для определения перекиси водорода/пероцтовой кислотыLaMotte7191-02Используется для измерения H2O2 и PAA
Титановое покрытое проводом с оксидом иридия-марганцаBaoji Changli Special Metal Co., Ltd.Провод Ir-MMO/TiТокосборник 1 мм вставленный в углеродное волокно
Лабораторный холодильникVWRЛабораторный холодильникИспользуется для хранения сточных вод при 4 °C
МетансульфокислотаSigma-Aldrich≥99%Используется в концентрации 2,5 мМ в качестве мобильной фазы для HPLC
МикрогазхроматографAgilent Technologies490 Micro GCИспользуется для анализа состава биогаза с детектором ТПД
Непроводящая геотекстильная перегородкаTenCate GeosyntheticsСерия MirafiПерегородка 3 мм с 2 мм перфорацией между электродами
Перистальтический насосCole-ParmerMasterflex L/SИспользуется для подачи поступающей жидкости и рециркуляции
ПотенциостатMetrohm AutolabPGSTAT204Потенциостат, используемый для контроля приложенного потенциала и тока
Силиконовая трубкаCole-ParmerСиликоновая трубка MasterflexИспользуется для линий подачи, отвода и рециркуляции
СпектрофотометрHACHDR 2800Используется для аналитических измерений HACH
Электронная таблицаMicrosoft ExcelИспользуется для статистического анализа
Реагент для сульфатаHACHSulfaVer 4, метод 8051Используется для определения сульфата
Реагент для сульфидаHACHМетод 8131Используется для определения сульфида
Аппарат для вакуум-фильтрацииMilliporeSigmaСтеклянный вакуум-фильтрационный держательИспользуется с мембранными фильтрами с размером пор 0,45 мкм

Ссылки

  1. Kumar JA et al. A comprehensive review on bio-hydrogen production from brewery industrial wastewater and its treatment methodologies. Fuel. 2022;319:123594.
  2. Simate GS et al. The treatment of brewery wastewater for reuse: State of the art. Desalination. 2011;273(2):235-47.
  3. Statista Inc. Beer production worldwide from 1998 to 2023. 2024. Available from: https://www.statista.com/statistics/270275/worldwide-beer-production/
  4. 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.
  5. Beer Canada. National overview. 2021. Available from: https://industry.beercanada.com/national-overview
  6. Goldammer T. The brewer’s handbook: the complete book to brewing beer. 2nd ed. Apex Publishers; 2009.
  7. Huige NJ. Brewery by-products and effluents. In: Handbook of Brewing. 2nd ed. CRC Press; 2006. p. 60.
  8. 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
  9. Swain K, Abbassi B, Kinsley C. Combined electrocoagulation and chemical coagulation in treating brewery wastewater. Water. 2020;12(3):3.
  10. Hao X et al. Environmental impacts of resource recovery from wastewater treatment plants. Water Res. 2019;160:268-77.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. Luo L et al. Evaluation of methanogenic microbial electrolysis cells under closed/open circuit operations. Environ Technol. 2018;39(6):739-48.
  16. 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.
  17. Liu Q et al. Multiple syntrophic interactions drive biohythane production from waste sludge in microbial electrolysis cells. Biotechnol Biofuels. 2016;9(1):162.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. Pan H et al. Influence of organic loading rate on methane production from brewery wastewater in bioelectrochemical anaerobic digestion. Fermentation. 2023;9(11):11.
  23. 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.
  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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Clauwaert P et al. Combining biocatalyzed electrolysis with anaerobic digestion. Water Sci Technol. 2008;57(4):575-9.
  29. 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.
  30. 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.
  31. 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.
  32. 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.
  33. 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.
  34. Sasaki K et al. Bioelectrochemical system stabilizes methane fermentation from garbage slurry. Bioresour Technol. 2010;101(10):3415-22.
  35. Choi KS, Kondaveeti S, Min B. Bioelectrochemical methane production in anaerobic digestion at different supplemental voltages. Bioresour Technol. 2017;245:826-32.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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.
  39. Duan H et al. Metabolic regulation of mesophilic Methanosarcina barkeri to ammonium inhibition. Environ Sci Technol. 2022;56(12):8897-907.
  40. Jiang Y et al. Ammonia inhibition and toxicity in anaerobic digestion: a critical review. J Water Process Eng. 2019;32:100899.
  41. Chen Y, Cheng JJ, Creamer KS. Inhibition of anaerobic digestion process: a review. Bioresour Technol. 2008;99(10):4044-64.
  42. 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.
  43. EPA. Method 1684: Total, Fixed, and Volatile Solids in Water, Solid, and Biosolids Draft 20. 2001.
  44. HACH. DR 2800 Spectrophotometer Procedures Manual. 2007.
  45. HACH. Nitrogen, Ammonia-Salicylate HR Method 10205, TNTplus 832. 2007.
  46. HACH. Sulfate Method 8051, SulfaVer 4 method, powder pillows or AccuVac ampuls, range: 2-70 mg/L. 2007.
  47. HACH. Sulfide, Methylene Blue Method 8131. 2007.
  48. 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.
  49. 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.
  50. Buyukkamaci N, Filibeli A. Volatile fatty acid formation in an anaerobic hybrid reactor. Process Biochem. 2004;39(11):1491-4.
  51. 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.
  52. 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.
  53. 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.
  54. 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.
  55. 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.
  56. 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.
  57. Tartakovsky B, Mehta P, Bourque JS, Guiot SR. Electrolysis-enhanced anaerobic digestion of wastewater. Bioresour Technol. 2011;102(10):5685-91.
  58. He W et al. Enhanced methanogenesis of waste-activated sludge in a continuous stirring tank reactor with stealth electrodes. Fermentation. 2024;10(3):3.
  59. 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.
  60. 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.
  61. 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.
  62. 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.
  63. 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.
  64. 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.
  65. 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.
  66. 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.
  67. 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.
  68. Chen H et al. Brewery wastewater treatment using an anaerobic membrane bioreactor. Biochem Eng J. 2016;105:321-31.
  69. 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.
  70. 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.
  71. Yu H, Gu G. Biomethanation of brewery wastewater using an anaerobic upflow blanket filter. J Clean Prod. 1996;4(3):219-23.
  72. Alonso RM, Escapa A, Sotres A, Morán A. Integrating microbial electrochemical technologies with anaerobic digestion to accelerate propionate degradation. Fuel. 2020;267:117158.
  73. 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.
  74. 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.
  75. Feng H et al. The effect of carbon sources on nitrogen removal performance in bioelectrochemical systems. Bioresour Technol. 2013;128:565-70.
  76. Huang B et al. The effect of C/N ratio on nitrogen removal in a bioelectrochemical system. Bioresour Technol. 2013;132:91-8.
  77. 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.

Перепечатки и разрешения

Теги

ИнженерияВыпуск 233Выпуск -446Пустое значениеВыпускбиоэлектрохимически усиленное анаэробное сбраживание (BEAD)скорость органической нагрузкигидравлическое время удерживаниявыработка метана
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.