Araştırma makalesi

Biyoelektrokimyasal Olarak Geliştirilmiş Bira Fabrikası Atık Sularının Ortam Sıcaklığında Anaerobik Sindirimi: Performans, Metan Verimi ve Enerji Verimliliği

106 görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/70884

⸱

31 Temmuz 2026

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

Bu makalede

Özet

Bira fabrikası atık su arıtımı için sürekli biyoelektrokimyasal olarak geliştirilmiş anaerobik sindirim (BEAD) sistemi geliştirildi ve çevresel sıcaklıkta geleneksel anaerobik sindirime kıyasla kimyasal oksijen ihtiyacının giderilmesi, uçucu yağ asitleri ayrışması, metan üretimi ve enerji verimliliğinde daha iyi bir kimyasal oksijen giderilmesi, uçucu yağ asitleri ayrımını, metan üretimi ve enerji verimliliğini gösterdi.

Özet

Biyoelektrokimyasal olarak geliştirilmiş anaerobik sindirim (BEAD), yüksek dayanıklılığa sahip endüstriyel atık suyun arıtılması sırasında metan üretimini ve süreç kararlılığını artırmak için umut vadeden bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada, gerçek bira fabrikası atık suyunun ortam sıcaklığında (22–24 °C) arıtma performansını değerlendirmek için 365 gün boyunca sürekli yukarı akışlı bir BEAD reaktörü çalıştırıldı. Organik yükleme oranının (OLR; 1–7 g sCOD/L∙d), hidrolik tutma süresi (HRT) ve uygulanan potansiyelin (1,2 V) organik madde uzaklaştırılması, uçucu yağ asidi (VFA) bozunması, metan üretimi ve enerji verimliliği üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenerek geleneksel anaerobik sindirim (AD) ile karşılaştırıldı. BEAD sistemi, OLR'lerde 5 g sCOD/L∙d'ye kadar yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) çıkarma verimliliği (%>92) sağlamış ve özellikle propionik ve butirik asitler olmak üzere karmaşık VFA'larda üstün bir bozulma göstermiştir. OLR arttıkça metan verimi arttı ve OLR 7 g sCOD/L∙dile çıkarılan maksimum 0,35 LCH₄/g sCOD oldu. AD ile karşılaştırıldığında, BEAD daha yüksek OLR'larda metan üretimini %16–30 artırdı ve stabilize biyogaz kalitesini (≈%74–75 CH₄) korudu. Yüksek OLR'larda HRT'nin kısaltılması genel performansı azaltsa da, BEAD sürekli olarak AD'yi geride bıraktı. Sistem, yüksek enerji verimliliği (~%1000) sergiledi; bu da soğuk bölgelerde bira fabrikası atık su arıtımı için sağlam ve yüksek enerji verimli bir aday olabileceğini düşündürdü.

Giriş

Su kirliliği, insan sağlığına zarar vererek ekosistemleri bozan önemli bir küresel sorun olmaya devam ediyor. Bira üretimi sektörü, 1,2 bira litresi başına 3–10 L atık su üreten en büyük endüstriyel atık su jeneratörleri arasında yer alır. Küresel bira tüketimi, 2023 yılında 188 Mm3 bira üretimine yol açtı ve dünya çapında en çok tüketilenbeşinci içecek 3,4 oldu. Bira ayrıca Kanada'da popüler bir içecek; bu, 2019'da 1.120'den 2020'de 1.210'a yükselen birafabrikası sayısının artışıyla kanıtlanmaktadır 5.

Bira fabrikaları, atık sularını doğrudan veya ön arıtmadan sonra belediye kanalizasyon sistemlerine boşaltarak yönetir. Ancak, geleneksel atık su arıtma tesisleri (WWTP) genellikle yüksek güçlü endüstriyel atık sularla mücadele eder ve bu da birçok ülkede düzenleyici sınırlamalara yolaçar 2,6,7. Birçok durumda, belediye yönetimleri, yüksek güçlü atık sulara bu tür boşaltmaları caydırmak için ek ücret uygulayabilir ve bu da bira fabrikalarının işletme maliyetlerinin artmasına yolaçabilir 8. Bu nedenle, bira fabrikaları atık sularını daha etkili ve daha düşük maliyetle yönetmek için önlemler almalıdır. Sadece kirletici yükleri azaltmakla kalmayıp, aynı zamanda bira fabrikası atık suyundaki organik bileşiklerin enerji potansiyelinden yararlanan yerinde arıtma sistemleri kurulması, uygulanabilir bir alternatifsunar 9.

Anaerobik süreçler, düşük enerji tüketimiyle yüksek dayanıklılığa sahip atık suyu etkili bir şekilde işleyebilir ve atıkları biyogaza dönüştürür; biyogaz daha sonra elektrik, yenilenebilir gaz veya termal enerjiyedönüştürülebilir. Anaerobik sindirim (AD), karmaşık enzimatik reaksiyonlar yoluyla asidozen bakteriler ile metanojen arkeolar arasında elektronları ara maddeler aktardığı dolaylı bir türler arası elektron transferi (IIET)sürecidir 11. Ancak, bu reaksiyonlar, elektronların başlangıç alt tabakalarından metana tam transferini engelleyen termodinamik sınırlamalarla karşı karşıyadır; bu da belirgin elektron kayıplarına ve metan üretiminin azalmasına yolaçar 12. AD kararlılığı bu elektron transfer mekanizmalarından etkilenir ve bozulmalar genellikle hidrojen veya VFA'lar (uçucu yağ asitleri) gibi ara maddelerin birikmesine yol açar. Asidozen bakteriler ile metanotenler arasındaki dengesizlik, bu birikimine katkıda bulunan birincil faktörlerden biridir. Bira fabrikası atık suyunda yüksek organik yükleme oranları (OLR) bu dengesizliği daha da kötüleştirebilir ve metanojenlerin üretilen VFA'larıkullanma kapasitesini aşabilir 13.

Biyoelektrokimyasal olarak geliştirilmiş anaerobik sindirim (BEAD), elektronları organik substratlardan doğrudan metana aktarmak için doğrudan türler arası elektron transferi (DIET) kullanır ve geleneksel AD'deki daha yavaş ve daha az verimli IIET'i atlarak. DIET'te, elektronlar doğrudan mikrobiyal türler arasında sitokromlar, iletken pililer veya çok türlü agregalar aracılığıyla arada bir elektronmekiğine 12 ihtiyaç duymadan aktarılır. BEAD sistemleri, bütirat ve propionat gibi kısa zincirli VFA'ların bozulmasını artırmak için harici elektrik akımları kullanır; bu da süreci geleneksel AD 14,15,16'ya göre daha kararlı hale getirir. Ayrıca, BEAD sistemleri mikrobiyal sintrofik etkileşimleri teşvik eder; bu da genel VFA ayrışmasının iyileştirilmesiyle metan üretiminihızlandırır. Çalışmalar, BEAD'in, elektrotlardan doğrudan elektron alımı (elektrometanogenez) gibi ek metanogenez yolları sayesinde geleneksel AD'ye göre metan verimini artırabildiğini göstermiştir18,19.

BEAD'de bira fabrikası atık suyu üzerine araştırmalar sınırlıdır; çoğu çalışma mezofilik sıcaklıklarda (30–35 °C) veya sentetik atıksu kullanılarak 20,21,22,23,24,25 olarak yapılır. Mezofilik koşullar çeşitli mikroorganizmalar için ideal olsa da, BEAD sisteminin oda sıcaklığında (22–24 °C) optimize edilmesi, özellikle Kanada gibi soğuk bölgelerde pratik uygulamalar için çok önemlidir. Ayrıca, gerçek bira fabrikası atık suyunun kullanılması, gerçek dünya senaryolarında karşılaşılan zorlukların daha doğru bir şekilde temsil edilmesini sağlar. Bu çalışma, oda sıcaklığında bir BEAD reaktöründe gerçek bira fabrikası atık suyundan arıtma ve metan üretimi için kritik parametreleri değerlendirerek önemli boşlukları doldurmayı amaçlamaktadır.

Organik yükleme hızı (OLR), BEAD sistemlerinde önemli bir operasyonel parametredir ve sistemin organik bileşikleri etkili şekilde işleme kapasitesini yansıtır. Yüksek OLR aşırı asit birikimine yol açabilir ve bu da metanogenezi engelleyebilir. Bu nedenle, OLR'nin optimal işlem verimliliği ve metan üretimi için yönetilmesikritik öneme sahiptir 26,27. Araştırmacılar çoğunlukla OLR'nin BONCUK performansı üzerindeki etkisini, organikasitler 28,29,30,31, atıkla aktiflenmiş çamur (WAS)26, domates bitkisi kalıntıları 32, gıda atıkları 33 ve çöp bulamaç(34) içeren sentetik bir karışım kullanarak araştırdılar. Bira fabrikası atık sularıyla yapılan BEAD üzerine yapılan çoğu çalışma, düşük OLR'ler kullanmış ve sadece bir çalışma, farklı OLR'lerin bira atık suyunun BEAD verimliliği arıtılması üzerindeki etkisini değerlendirmiştir. Pan ve ark.22, metan üretiminin OLR ile kademeli olarak arttığını, OLR 20 g COD/L∙d ile 5.64 L/L∙d'ye ulaştığını ve mezofilik koşullarda (35 °C) geleneksel AD'yi geride bıraktığını bildirdi. Ayrıca, yüksek OLR'larda AD performansı düşerken, BEAD sistemi yüksek OLR'larda bile stabil kaldı. Bildiğimiz kadarıyla, gerçek bira fabrikası atık suyu kullanılarak OLR'nin BEAD performansı üzerindeki etkisini oda sıcaklığında incelememiştir. Bu nedenle, bu çalışma farklı OLR'lerin gerçek bira fabrikası atık suyunun parçalanmasını ve ardından oda sıcaklığında metan üretimini nasıl etkilediğini incelemeyi amaçlamaktadır.

Uygulanan voltaj, BEAD sistemlerinde önemli bir diğer operasyonel parametredir. Uygulanan voltaj, hidrogenotrofik metanojenlerin büyümesini teşvik eder ve böylece süreç kararlılığını artırır. Ayrıca, sağlanan voltaj metan üretimini ve sistem içindeki iç direncietkiler 35,36,37. Sadece sınırlı sayıda çalışma, voltajın yokluğu/varlığının bira fabrikası atık sularında BEAD performansını nasıl etkilediğiniincelemiştir 20,21,25. Örneğin, Guo ve ark.21, sentetik bira fabrikası atık suyu kullanarak 35 °C'de değişen katod-anot oranlarına sahip üç BEAD reaktörünü test etmiş ve kapalı devre (0,9 V) bir sistemin metan üretimini sırasıyla %42, %121 ve %61 oranında artırdığını bulmuştur; bu oran açık devre (0 V) ile karşılaştırılmıştır. Ancak, oda sıcaklığında gerçek bira fabrikası atık suyunu kullanan araştırmalar sınırlı olmaya devam ediyor ve bu da daha fazla araştırma ihtiyacını ortaya koymaktadır.

Bu çalışmanın temel amacı, gerçek bira fabrikası atık suyunun oda sıcaklığında (22–24 °C) arıtılması için biyoelektrokimyasal olarak geliştirilmiş anaerobik sindirim (BEAD) sisteminin fizibilitesini ve performansını incelemekti. Mezofilik koşullarda yapılan önceki BEAD çalışmalarına kıyasla, bu çalışma BEAD'in ortam sıcaklığında uzun vadeli çalışmasını vurgulamaktadır; bu da mühendislik açısından özellikle önemlidir çünkü sürekli reaktör ısıtması ihtiyacını ortadan kaldırır ve enerji talebini azaltır. Özellikle, çalışmada farklı organik yükleme oranlarının (OLR) etkileri ve uygulanan voltajın atık su bozulması, süreç kararlılığı ve metan üretimi üzerindeki etkisi değerlendirildi. Kontrollü koşullarda bir BEAD reaktörünü çalıştırarak, bu çalışma uçucu yağ asidi (VFA) parçalanmasını ve metan verimini artıran ve sistem kararlılığını koruyan optimal operasyonel parametreleri belirlemeyi amaçladı. Bulguların, yerinde bira fabrikasında atık su arıtımı için BEAD teknolojisinin uygulanmasına dair pratik bilgiler sağlaması bekleniyor.

Protokol

Bu çalışma için etik onay gerekmedi çünkü insan katılımcılar veya hayvan denekler dahil edilmedi. Atık su ve çamur örnekleri standart laboratuvar güvenlik protokollerine uygun olarak toplanıp işlendi.

Beslenme ve aşı

Başlangıçta, sodyum asetat reaktörlerde mikrobiyal aktiviteyi başlatmak için ek karbon kaynağı olarak kullanıldı. Reaktör çalıştırıldıktan sonra, Ottawa'daki Dominion City Brewing Co.'dan elde edilen gerçek bira fabrikası atık suyu kademeli olarak sodyum asetatın yerini kademeli olarak (yaklaşık 5 gün sürede) yerine getirdi. Bira fabrikası atık su örneklerinin özellikleri (Tablo 1) her partide (toplamda 17 parti) değişiyordu; bu da sistemin gerçek dünya koşullarına uyum sağlayabiliyi değerlendirmesine olanak sağladı. Dominion City'de, şerbetçiotu ve maya gibi katı maddeler, atık su iki son tanka toplanmadan önce ayrılır. Bu tanklardan parti örnekleri alındı, laboratuvara taşındı ve oda sıcaklığında (22 °C) 12.000 × g sıcaklıkta santrifüjlenerek kalan katı maddeler çıkarıldı. Ortaya çıkan süpernatant, kullanılana kadar 4 °C sıcaklıkta saklandı. Aşı, Ottawa'daki Robert O. Pickard Çevre Merkezi'nden (ROPEC) toplanan mezofilik anaerobik sindirilmiş çamurdu. Sludge tanıtılmadan önce, oda sıcaklığında (22 °C) 480 × g altında 500 mL cam şişelerde santrifüjlenmiş bira fabrikası atık sularıyla 14 gün boyunca aklimatize edildi.

Reaktör konfigürasyonu

Bu çalışma, silindirik camdan (435 mm yükseklik, 54 mm çap) yapılmış tek odalı yukarı akışlı BEAD reaktörünü kullandı; toplam hacmi 1 L ve etkili çalışma hacmi 0,65 L idi. Akış cihazı, peristaltik pompa kullanılarak reaktöre beslenir ve besleme hızını kontrol etmek için dijital zamanlayıcı ile kontrol edilirdi. Karıştırma ve gaz-sıvı kütle transferini artırmak için, reaktörün üst ve alt kısmını (Şekil 1A) birbirine bağlayan bir yeniden döngü döngüsü ikinci bir peristaltik pompa kullanılarak 70 mL/dakika olarak tutuluyordu. Elektrotlar, üst üste yığılmış 25 mm × 25 mm karbon keçe karelerden oluşuyordu ve toplam yüksekliği 130 mm idi (Şekil 1B,C). Teması önlemek için anot ile katot arasına 2 mm delikli 3 mm kalınlığında iletken olmayan bir jeotekstil ayırıcısı yerleştirildi ve elektrot aralığı 3 mm oldu. Anot, hidrojenin sudaki düşük çözünürlüğü nedeniyle hidrojen gazının gaz torbasına kaçmasını önlemek için katodun üzerinde konumlandırılmıştır. İridyum karışımı metal oksit (Ir-MMO) ile kaplanmış 1 mm kalınlığında titanyum tel, karbon keçeye yerleştirildi ve her iki elektrot için akım toplayıcı olarak hizmet verdi. Akım toplayıcıları bir potensiyostata (AUTM101. S, Metrohm, İsviçre) ve elektrotlar arasında kontrollü bir potansiyel uygulamak ve korumak için kullanıldı ve sistemin elektrokimyasal tepkisini sürekli izledi. Reaktör çalışması boyunca anod ile katot arasında uygulanan 1.2 V voltaj korundu. Bu çalışmada kontrol grubu olarak kullanılan AD reaktörü, BEAD reaktörle aynı konfigürasyona sahipti ancak uygulanan bir potansiyel olmadan çalıştırıldı.

Deneysel tasarım ve prosedür

Çalışma, üç ana aşamada 17 operasyonel aşama (her biri 10–20 gün) dahil olmak üzere 365 gün boyunca yürütüldü; her biri farklı operasyonel koşullarda BEAD reaktörünün performansını değerlendirdi. Veri toplamadan önce, her aşama istikrarlı koşullar sağlanana kadar işletildi. Bu uzatılmış süre, tipik kısa vadeli veya toplu mod çalışmaların aksine, BEAD'in uzun vadeli performansı ve kararlılığının değerlendirilmesini sağladı. Gerçek bira fabrikası atık suyunun birden fazla partisinin kullanılması, bileşimsel değişkenlik getirdi; Ancak, reaktör performansı her faz içinde sabit durum koşullarında değerlendirildi ve bildirilen sonuçların kısa vadeli dalgalanmalar yerine kararlı sistem davranışını yansıtmasını sağladı.

Başlangıç aşamaları: Reaktör başlatma (etkili VFA/sCOD oranının etkisi)

BEAD reaktörü, 350–400 mL önceden aklimatize edilmiş anaerobik çamur ile aşılandı. Başlangıçta sodyum asetat ile parti modunda ve 1.2 V uygulanan potansiyelle çalışan sistem, elektroaktif mikroorganizmaların büyümesini desteklemek ve biyokütle akıntısını en aza indirmek için 16 günlük yüksek HRT sürdü. İki hafta sonra, reaktör sürekli akış çalışmasına geçti; OLR oranı 2 g sCOD/L∙d ile günlük 120–130 mL akış oranıyla sodyum asetat kullanıldı; bu da 5 günlük HRT sonuçlandı. Stabil hale geldikten sonra, yem kademeli olarak bira fabrikası atık suyu ile değiştirildi: önce %70/%30 (asetat/atık su), sonra %50/%50 ve son olarak %80/%20 ile %100 bira fabrikası atık suyuna ulaştı (Tablo 2). Bu aşama ayrıca, farklı etkili VFA/sCOD oranlarının BEAD performansı üzerindeki etkisini değerlendirdi; çünkü sodyum asetat, bira fabrikası atık suyundaki daha karmaşık VFA'lara göre daha basit bir VFA bileşimine sahiptir ve bu VFA'lar mikrobiyal aktivite ve metan üretimini etkiler. Bu aşamanın sonuçları, Ek Dosya 1'de (Ek Şekiller 1–5 ve Ek Tablo 1)12,38,39,40,41,42'de tartışılmıştır.

Yem, 2 g sCOD/L∙d OLR ile %100 bira fabrikası atık suyuna geçtiğinde, metan verimi sadece asetat içeren yemlere kıyasla düştü. Inhibitisyon testleri, Ek Dosya 1 (Ek Tablo 2), bira fabrikası atık suyundan gelen inhibisyonun birincil sorun olmadığını doğruladı. Bu nedenle, OLR mikrobiyal aktiviteyi uyarık ve daha yüksek substrat kullanılabilirliği sağlamak için artırıldı. Reaktör kurtarma ve inhibitör testler, 5. ve 6. aşamalar arasındaki üç aylık bir boşluk içinde gerçekleştirildi. Bu dönemde, reaktör kontrollü koşullarda bira fabrikası atık suyu kullanılarak sürekli çalıştırıldı; ayrıca toplam amonyak azotu (TAN), sülfat, sülfür, hidrojen peroksit (H₂O₂) ve perasetik asit (PAA) gibi potansiyel inhibitör bileşiklerin değerlendirilmesi için ek deneyler yapıldı. Sonuçlar, bu bileşiklerin hiçbirinin inhibitör konsantrasyonlarda bulunmadığını doğruladı. Reaktör, tutarlı metan üretimi, COD çıkarımı ve VFA bozulması ile gösterdiği gibi, sabit durum performansı yeniden sağlanana kadar stabil çalışma koşullarında korundu. Sonraki deneysel aşamalar, reaktör performansının stabil hale geldiği ve boşluk öncesi koşullarla karşılaştırılabilir olduğu doğrulandıktan sonra yeniden başlatıldı. Bu kurtarma ve test dönemine ait veriler, tanımlanmış operasyonel aşamalar arasında tutarlılık sağlamak için analizden çıkarılmıştır.

Aşama 1: OLR'nin Etkisi

Bu aşamada, BEAD reaktörü yalnızca bira fabrikası atık suyla beslenerek 1.2 V uygulanan potansiyel altında değişen OLR'lerin (1–7 g sCOD/L∙d) etkisini araştırdı (Tablo 2). Bira fabrikası atık su COD seviyelerindeki değişim, özellikle en yüksek OLR (7* g sCOD/L∙d) seviyesinde HRT'de dalgalanmalara yol açtı; burada deneyler 2 ve 4 günlük iki HRT altında yapıldı (*, aynı OLR'de farklı HRT olan 7 g sCOD/L∙d; 7 g sCOD/L∙d, 3–4 günde HRT'dir, 7* g sCOD/L∙d 2 günde HRT'dir). Bu sayede HRT'nin metan üretimini, substrat bozulmasını ve sürecin genel verimliliğini nasıl etkilediği değerlendirildi.

Aşama 2: Uygulanan potansiyelin etkisi

Bu aşama, uygulanan potansiyelin (1.2 V) varlığı veya yokluğunun reaktör performansı ve bira fabrikası atık suyu kullanılarak metan üretimi üzerindeki etkisini değerlendirdi. Uygulanan potansiyel (AD) olmayan kontrol reaktörü ve BEAD reaktörü, OLR'larda 2, 3, 5 ve 7 g sCOD/L∙d olarak test edildi. AD kontrolü, BEAD reaktörüyle aynı konfigürasyona sahip ayrı bir reaktör olarak işletiliyordu ancak uygulanan bir potansiyel bulunmadan. Her iki reaktör de benzer koşullarda paralel olarak çalışıyordu. Ayrıca, OLR 7* g sCOD/L∙d olduğunda, HRT 4 günden 2 güne düşürülmüş, bu da daha kısa bir HRT altında uygulanan potansiyelin etkisinin araştırılmasına olanak tanıyor (Tablo 2).

Analitik yöntemler

Toplam Katı (TS) ve Uçucu Katı (VS) Standart Yöntem 168443 kullanılarak ölçüldü. Çözünür COD (sCOD), reaktif tüpleriyle COD StandartYöntem 44 kullanılarak analiz edildi. Analizden önce, örnekler 0,45 μm gözenek boyutunda bir membranla donatılmış vakum filtresi kullanılarak filtrelendi. Amonyak konsantrasyonu, amonyak reaktifkiti 45 kullanılarak belirlendi. Sülfat, sülfat reaktifkiti 46 kullanılarak ölçüldü. Sülfür, sülfür reaktif kiti47 kullanılarak analiz edildi. Tüm HACH analizleri spektrofotometre kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Hidrojen peroksit ve perasetik asit, perasetik asit test kiti kullanılarak damlacı şişe yöntemiyle ölçüldü. Biyogaz, gaz toplama torbasında toplandı ve hacmi her gün gaz geçirmez bir şırınga kullanılarak ölçüldü; tüm ölçümler üçlü olarak gerçekleştirildi. Biyogaz bileşimi, taşıyıcı gaz olarak argon, TCD dedektörü ve enjeksiyon sıcaklığı 110 °C ile mikro gaz kromatografi (GC) kullanılarak analiz edildi. Biyogaz hacimleri doğrudan gaz toplama torbalarından ölçülmüş ve tutarlı laboratuvar koşullarında ölçülme değerleri olarak rapor edilmiştir. Gaz hacimleri ıslak bazda rapor edilir. Tüm gaz ölçümleri neredeyse atmosfer basıncı koşullarında yapıldı ve gaz sızıntısını en aza indirmek için hava geçirmez bağlantılar sağlandı. Sistem, deney boyunca mühür sağlamlığının sağlanması için düzenli olarak kontrol edildi.

Asetat, propionat ve bütirat dahil VFA'lar, 210 nm emilim dalga boyuna sahip yüksek performanslı sıvı kromatografi (HPLC) kullanılarak nicelendirildi. Hareketli fazlar %100 asetonitril ve 2,5 mM metansülfonik asitten oluşuyordu ve analiz, hareketli faz için sabit 1 mL/dakika akış hızıyla 30 °C'de bir kolon (5 μm, 4 mm × 150 mm) kullanılarak gerçekleştirildi. Reaktörün pH ve sıcaklığı sürekli olarak bir sayaç kullanılarak izlendi. Reaktör çalışması sırasında, pH tipik olarak 6,5–7,5 aralığında tutulur, bu da stabil çalışma koşullarını gösterir. Mevcut nesil her 5 dakikada bir potansiyostat kullanılarak ve sabit uygulanan 1.2 V potansiyel altında kaydedildi.

Hesaplamalar

COD kaldırma verimliliği ve oranı aşağıdaki denklemlerle belirlenmiştir:

figure-protocol-1 Eq. 1

figure-protocol-2 Eşitlik 2

Besleme OLR, aşağıda gösterildiği gibi Denklem 3 kullanılarak hesaplandı; burada besleme hızı günde litre (L/d) ve reaktör hacmi litre cinsinden ifade edilir.

figure-protocol-3 Eşitleme 3

Aşağıdaki denklemler, çıkarılan COD (LCH4/g sCODKaldırıldı) ve COD'a (LCH4/gsCOD Eklendi) dayalı spesifik metan verimi hesaplamak için kullanıldı:

figure-protocol-4 Eq. 4

figure-protocol-5 Eşitlik 5

Burada günde üretilen metan hacmi (LCH4/d) ve ve sırasıyla günde çıkarılansCOD miktarı (g sCODKaldırıldı/d) ve reaktöre günlük giriş miktarı (g sCODEklendi/d).

Akım yoğunluğu, ölçülen akımın (I) amper (A) ile reaktörün çalışma hacmi (V) ile normalleştirilmesiyle hesaplandı; bu hacm, metreküp cinsinden (m3) olarak ifade edildi. Akım yoğunluğu A/m3'te bildirilir ve aşağıdaki denklekle tanımlanır:

figure-protocol-6 Eşitlik 6

Coulombic verimlilik (CE), elektron geri kazanımın CODKaldırılan akım olarak verimliliğini değerlendirmek için hesaplandı. Bu, akım olarak geri kazanılan toplam yükün (QC) ileCOD'un (Q T) çıkarılmasına (Q T) göre geri kazanılabilen teorik yüke oranı olarak tanımlanır. Toplam geri kazanılan yük (QC), ölçülen akımın zaman içinde entegre edilmesiyle belirlendi:

qc = ∫I(t)dt ≈ ∑Ii × ∆t Eq.7

burada her zaman aralığında ölçülen akım (A) ve Δt kayıt aralığı(s)'dır.

Teorik yük (QT), COD'un kaldırılmasına dayanarak hesaplandı; Faraday yasasına göre her 8 gCOD Removed'ta 1 mol elektron aktarıldığı varsayılırdı:

figure-protocol-7 Eq.8

burada F, Faraday sabitidir (96.485 C/mol e⁻) ve gram cinsinden ifade edilir.

Böylece, CE şu şekilde hesaplandı:

figure-protocol-8 Eşitlik 9

Burada elektrikten metana enerji dönüşümü verimliliği olarak tanımlanan enerji verimliliği (η E), BEAD sisteminde elektrik girdisinin ek metan üretimine dönüştürülmesinin etkinliğini değerlendirmek için kullanılır. Metan şeklinde üretilen enerjinin elektrokimyasal süreçleri sürdürmek için sistemin tükettiği enerjiye oranı olarak tanımlanır. Bildirilen enerji verimliliğinin, elektrik girdisine odaklanan kısmi bir enerji dengesini temsil ettiğini ve diğer operasyonel enerji taleplerini (örneğin pompalama ve devrim sistemi) hesaba katmadığını belirtmek gerekir. Bu nedenle, genel sistem enerji verimliliği olarak yorumlanmamalıdır. Enerji verimliliği aşağıdaki formülle hesaplandı:

figure-protocol-9 Eşitlik 10

ΔWCH4 = ΔVCH4 × LHV Eq. 11

WE = I × E × ∆t Eq. 12

burada:

ΔWCH4, BEAD'de geri kazanılan enerjiyi temsil eder; BEAD reaktörü ile AD kontrol reaktörü arasında metan olarak üretilen enerji farkını, watt-saat (Wh) cinsinden ölçülür.

ΔVCH4, BEAD reaktörü ile AD kontrol reaktörü arasında üretilen metan hacmindeki farkı litre (L) cinsinden ifade eder.

LHV, metanın daha düşük ısıtma değeridir, yaklaşık 9,6 Wh/L.

W E, uygulanan potansiyel sağlanırken tüketilen elektrik enerjisi miktarıdır ve watt-saat (Wh) cinsinden ölçülür, E voltaj (V) cinsinden ve Δt aralık süresidir (24 saat).

İstatistiksel analiz

Deneylerden toplanan veriler, OLR, uygulanan potansiyel ve HRT gibi operasyonel parametrelerin metan verimi, COD ortadan kaldırılması ve VFA bozulması gibi temel performans göstergeleri üzerindeki önemini değerlendirmek için ANOVA (Varyans Analizi) kullanılarak istatistiksel olarak analiz edildi. Kararlı veri noktaları, temel parametrelerin zaman içinde %±5'ten az değişimler gösterdiği sabit durum koşullarında elde edilen ardışık ölçümler olarak tanımlanmıştır. Her aşamadan üç kararlı veri noktası, aynı reaktörden sabit durum koşullarında yapılan seri ölçümleri temsil ederek, o fazı temsil etmek için seçildi ve ortalamaya alındı. Her aşamada, farklı özelliklere (örneğin, sCOD ve VFA bileşimi) sahip birden fazla gerçek bira fabrikası atık suyu partisi içerdiği belirtilmelidir. Bu varyasyonlar, faz tabanlı analize doğal olarak dahil edilmiş ve gerçekçi koşullarda sistem uyum sağlama yeteneğinin değerlendirilmesine olanak sağlamıştır. Değişkenliği yansıtmak için şekillerde hata çubuğu olarak standart sapma kullanılmıştır. Tüm istatistiksel analizler bir tablo kullanılarak gerçekleştirildi. %95 istatistiksel anlamlılık seviyesi benimsenmiş, bu da p-değeri 0,05'ten küçük olan sonuçların istatistiksel olarak anlamlı kabul edildiğini göstermektedir (p < 0,05).

Sonuçlar

Organik Yükleme Oranının (OLR) BONCUK Performansı Üzerindeki Etkisi - Aşama 1:

OLR'nin COD Kaldırma Performansına Etkisi

Şekil 2'de gösterildiği ve Tablo 3'te detaylandırıldığı üzere, BEAD sistemi yüksek OLR'larda bile yüksek COD kaldırma verimliliğini korudu ve 5 g sCOD/L∙d yüksek OLR'da %92,7 ± %0,6 çıkarma elde etti. Bu performans, kontrollü koşullar ve daha düşük OLR'lar altında yürütülen diğer BEAD çalışmalarıyla karşılaştırıldığında özellikle dikkat çekicidir. Örneğin, 1 ve 2 g sCOD/L∙d OLR'larda, reaktör %96,2 COD çıkarma etkinliğine ulaştı; bu da Sangeetha ve ark.24 ve Guo ve ark.21'in sonuçlarını geride bıraktı; bu sonuçlar sentetik bira fabrikası atık suyu kullanılarak sırasıyla %90 ve %80 maksimum COD uzaklaştırmalarını %90 ve %80 olarak bildirdi.

Daha yüksek OLR'larda HRT'deki azalmalar, COD kaldırma etkinliğinde buna karşılık gelen azalmalara yol açtı. HRT, OLR 5 g sCOD/L∙d ile 5,2 ± 0,1 gün olan OLR'da sırasıyla 6 ve 7 g sCOD/L∙d OLR'larda 4,4 ±0,3 ve 3,7 ± 0,1 güne düştükçe, COD kaldırma verimliliği önemli ölçüde azalarak 85,1 ± %1,7 ve 79,2 ± %0,8'e (p < 0,05) düştü. HRT'nin 7* g sCOD/L∙d OLR'da 0,2 gün ± 2,1'e düşürülmesi, COD kaldırılmasını %2,1± 64,6'ya düşürdü (p < 0,05). Bu eğilim, yüksek OLR'de kısa bir HRT'nin substrat inhibisyonuna ve biyokütle yalanmasına yol açabileceğini göstermektedir; bu da BEAD sisteminin DIET ile ilişkili olabilecek ve verimli COD bozulması için önemli olan biyoelektrokimyasal iyileştirmeleri sürdürme yeteneğinisınırlayabilir. Bu sonuçlar, Sangeetha ve ark. 23'ün bulgularıyla örtüşüyor; bu bulgular, OLR 1,5 g'den 4,4 g COD/L∙d'ye yükseldiğinde HRT 36 saatten 12 saate düşürüldüğünde sentetik bira fabrikası atık suyunu arıtılan bir BEAD'de COD çıkarımı azaldığını gözlemlemiştir. Bu zorluklara rağmen, bu çalışmadaki BEAD reaktörü geleneksel AD sistemlerine kıyasla yüksek OLR'larda mükemmel performans göstermiştir. Örneğin, Xu ve ark.49 , ideal koşullarda 35 °C'de 7,4 g COD/L∙d OLR'da %80 COD çıkarımı bildirdi; bu, oda sıcaklığında (22 °C) elde edilen 7 g sCOD/L∙d'de elde edilen 79,2 ±% 0,8 değerimizle karşılaştırılabilir bir değerdir.

Farklı OLR'lar altında VFA Kaldırma

Şekil 3A'da gösterildiği gibi, OLR'lerin artırılması, BEAD'in VFA kaldırma kapasitesini engellemedi; çünkü BEAD, nispeten stabil atık su VFA oranlarını korurken daha yüksek etkili VFA yüklerini yönetti. Örneğin, etkili VFA oranının OLR 6 ile 1.8 g sCOD/L∙d'den OLR 7'de 2.9 g sCOD/L∙d'ye yükselmesine rağmen, atık sıvı VFA oranı 0.8 g sCOD/L∙d seviyesinde sabit kaldı. Tüm OLR'lerde bu stabilite, BEAD'in VFA'ları bozmadaki etkinliğini ve geleneksel AD sistemlerinde pH düşüşleri ve mikrobiyal inhibisyondan sorumlu VFA birikimini önlemeyeteneğini gösterir 50,51.

Ayrıca, sistem, anaerobik süreçlerde daha yavaş bozunma oranlarıyla bilinen zorlu VFA'ları, propionik ve butirik asitleri ayrıştırma konusunda olağanüstü bir yetenekgöstermiştir 51. Örneğin, BEAD, OLRs 5 ve 7 g sCOD/L∙d'de propionik asidin %100 azalmasını ve 7 g sCOD/L∙d OLR'da 1,2 g sCOD/L∙d'de butirik asidi önemli ölçüde azaltmayı başardı; bu, Şekil 3B ve Tablo 4'te gösterildiği gibi. Sonuçlar ayrıca, özellikle biyoelektrokimyasal aktivitenin yoğunlaştığı yüksek OLR'larda, BEAD'de etkili VFA bozulması için optimal bir HRT'nin korunmasının kritik olduğunu göstermektedir. Sistem, OLR'lerden 5 ila 7 g sCOD/L∙d arasında yüksek VFA bozulma oranları gösterse de, HRT 5.2 ± 0.1'den 0.1 gün ± 3.7'ye düşse bile, 7* g sCOD/L∙d OLR'da 2.1 ± 0.0 güne düşmek performansta belirgin bir düşüşe yol açtı. Bu, atık sıvı VFA oranının 0,8 g'den 2,4 g sCOD/L∙d'ye önemli ölçüde artmasıyla açıkça görüldü. Özellikle, atık asetik asit oranı 0,6 g'dan 1,8 g sCOD/L∙d'ye keskin bir şekilde arttı ve OLR 7 ile tamamen çıkarılan propionik asit 0,4 g sCOD/L∙d'ye yükseldi. Bütirik asit çıkarımı da etkilendi, ancak daha az derecede.

CH4 Prodüksiyon Performansı:

CH4 Verimi (COD kaldırılmasına dayanarak) ve hacimsel CH4 Üretimi

Daha yüksek OLR'ler, BEAD'de metan verimini ve hacmini önemli ölçüde artırdı; bu da metan üretimi için artan substrat kullanılabilirliğinin faydalarını gösterirken sistem aşırı yüklenmesini önledi. Şekil 4A'da gösterildiği gibi, metan verimi (COD çıkarmaya dayanarak) 0.35 ± 0.01 LCH4/gsCOD Removed (maksimum teorik verim) ile 7 g sCOD/L∙d OLR'da zirve noktasına ulaşmıştır. Bu verim, düşük OLR'lere göre istatistiksel olarak anlamlı bir artışı (p < 0.05) temsil ediyordu. Metan hacmi de bu eğilimi takip etti; OLR 7 g sCOD/L∙d ile 1,93 ± 0,04 L∙d'ye ulaştı; bu, Tablo 3'te gösterildiği gibi daha düşük OLR'lere göre %18–2657 artışı gösteriyor.

Kontrollü koşullarda yapılan diğer BEAD çalışmalarına kıyasla, bu çalışmadaki BEAD sistemi, oda sıcaklığında (22 °C) gerçek bira fabrikası atık suyu kullanarak üstün metan üretimi göstermiştir. Örneğin, Sangeetha ve ark.24 , 30 °C'de sentetik bira fabrikası atık suyu kullanılarak OLR'larda 1–2 g COD/L∙d OLR'larda 0,143 LCH4/g COD ve 0,367 L/L∙d hacim raporlarken, sistemimiz 0,21 ± 0,01 LCH4/g sCODRemoved ile daha yüksek metan verimi ve 2 g sCOD/L∙d OLR'da 0,43 ± 0,03 L/L∙d hacmi elde etti. Benzer şekilde, Xu ve ark.25 , OLR değerinde 5.8 g COD/L∙d ve 35°C olan bir metan hacmi 1.16 L/L∙d olarak gözlemlenmişken, bizim sistemimiz 6 g sCOD/L∙d OLR'da 1.64 ± 0.05 L/L∙d üretmiştir. Metan verimi ve hacmi sabit kalsa da, HRT OLR'ler 5 ile 7 g sCOD/L∙d arasında 0,1 gün ± 0,1 gün ± 0,1'den 3,7'ye düştüğünde metanlı kaldı; ancak OLR 7* g sCOD/L∙d ile 0,2 gün ± 2,1'e düştü istatistiksel olarak anlamlı düşüşlere yol açtı (p < 0,05). Metan verimi %21 azalarak 0,35 ± 0,01'den 0,28'e düştü ± 0,01 LCH4/gsCOD kaldırıldı, metan hacmi ise %36 azalarak 1,93 ± 0,04 ± 0,02 L/L∙d'ye düştü. Bu azalmalar, daha önce bahsedilen azalmış COD ve VFA çıkarımı ile korelasyondur; kısa HRT'lerin mikrobiyal temas süresini ve organik maddelerin metana dönüşümünü sınırladığını gösterir. Bu nedenle, yüksek organik yükleme altında optimal biyoelektrokimyasal verimliliği korumak için yeterli tutma süresi gereklidir.

CH4 verimi COD Eklenmesine göre

COD'ye dayalı metan verimi OLR'lerin artmasıyla iyileşti ancak HRT sınırlamaları nedeniyle daha yüksek OLR'larda stabil oldu. Şekil 4B'de gösterildiği gibi, metan verimi (p < 0.05) 0.07'den 0.01 L LCH4/g sCODA'ya 1 g sCOD/L∙d OLR'da 0.28'e ± 0.01 LCH 4/g sCODAdded ile 5 g sCOD/L∙d'de önemli ölçüde arttı ± 0.01 LCH4/g sCODA'ya ulaştı. Ancak, OLR 5'ten 7 g sCOD/L∙d'ye kadar verim yaklaşık 0,28 LCH4/g sCODAdded civarında stabil oldu ve anlamlı bir fark olmadı (p > 0,05), bu da substrat kullanılabilirliğindeki ek artışların daha yüksek dönüşüm verimliliğine yol açmadığını gösteriyor. Bu bulgu, etkili VFA bozulmasına rağmen VFA dışı organik bileşiklerin metana dönüşümünü sınırlayan yüksek OLR'larda azalan HRT'ye bağlanmıştır. Tablo 5 bu gözlemi desteklemekte olup, bu diğer organik bileşiklerin çıkarılma oranlarının OLRs 5 ile 7 g sCOD/L∙d arasında artmadığını, bu da atık sudaki oranlarının artmasına yol açtığını göstermektedir. Ayrıca, OLR 7* g sCOD/L∙d'de HRT değerinde daha fazla azalma metan veriminde belirgin bir düşüşe yol açtı; bu, VFA'ların bile yeterli şekilde metana dönüştürülmediği kritik bir eşik olduğunu gösteriyor; çünkü yeterli tutma süresi olmadı.

CH4 içeriği

BEAD'deki metan içeriği, OLR'lerin artmasıyla arttı ve yüksek yüklerde stabil oldu. Şekil 4C'de gösterildiği gibi, sistem 6 g sCOD/L∙d OLR'da %0,3 ± 75,0 %0,3 en yüksek metan içeriğine ulaşmış, ardından sırasıyla 7 g sCOD/L·d OLR'larda %1,2 ± 74,0 ve %74,0 ± %0,8 ile takip edilmiştir. Özellikle, bu yüksek OLR'lar arasında metan içeriğinde istatistiksel farklar (p > 0.05) gözlemlenmemiştir; bu da yüksek yükleme hızlarında kararlı bir biyogaz kalitesi olduğunu göstermektedir. Ayrıca, sistem diğer BEAD çalışmalarından daha iyi performans gösterdi; örneğin, Xu ve ark.25 , 35°C kontrollü sıcaklıkta ve sentetik atık su kullanarak OLR 5.8 g COD/L∙d OLR'da %62.3 metan içeriği bildirdi; bizim reaktörümüz ise gerçek atık suyu oda sıcaklığında (22 °C) kullanarak 6 g sCOD/L∙d OLR'da %75,0 ± %0,3 elde etti.

OLR 7* g sCOD/L∙d ve 0,2 gün ± 2,1 azalmış HRT ile metan içeriği hafifçe azalarak %0,5 ± 72,7'ye düştü. Ancak, bu değişim, HRT'nin 3,7 ± 0,1 gün ve OLR 7 g sCOD/L∙d ile karşılaştırıldığında istatistiksel olarak anlamlı değildi (p >0,05), bu da sistemin azalmış temas sürelerinde bile etkili metan içeriğini koruduğunu göstermektedir.

BEAD Sisteminin Elektrokimyasal Performansı

Hem akım yoğunluğu hem de CE, OLR'lerin artmasıyla önemli ölçüde iyileşti ve maksimum değerlerine 6 g sCOD/L·d olan OLR ile ulaştı; sırasıyla 13,8 ± 0,3 A/m 3 ve 1,97 ± %0,04'e ulaştı. Ancak, OLR'nin 7 g sCOD/L∙d'ye daha da artırılması, performansta önemli bir düşüşe yol açtı (p < 0.05), akım yoğunluğu ve CE sırasıyla 6.±2'ye düştü; 0.1 A/m 3 ve 0.81 ± %0.01'e düştü; bu, Şekiller 5A ve B'de gösterildiği gibi. EC değerlerindeki düşüş, elektronların çoğunun elektrik akımı olarak geri kazanılmak yerine metan üretimine yöneltildiğini gösterir; bu da sistemin ana işlevi olan anaerobik sindirim süreciyle uyumludur. Bu düşüş, yüksek OLR'lerde substrat aşırı yüklenmesi veya besin dengesizliklerine bağlanabilir. Yüksek OLR'lerde yüksek substrat konsantrasyonları, anottaki ekzoelektrojenler ile metanojenler arasındaki rekabeti yoğunlaştırabilir; bu da genellikle metanojenleri kayırarak mevcutnesil 52'yi azaltır. Ayrıca, yüksek OLR'lerde sınırlı besin bulunabilirliği ekzoelektrojenlerin büyümesini ve aktivitesini engelleyebilir, böylece mevcutüretimi azaltabilir.

Sentetik bira fabrikası atık suyu kullanan diğer BEAD sistemleriyle karşılaştırıldığında, sistemimiz daha yüksek OLR'lerde daha yüksek akım üretimi, düşük OLR'larda daha düşük elektrokimyasal performans gösterdi ve bu da atık su karmaşıklığının etkisini ortaya koydu. Örneğin, 6 g sCOD/L∙d OLR'de, sistemimiz Xu ve ark.25 tarafından bildirilen sadece 1.41 A/m 3ile karşılaştırılabilir OLR olan 5.8 g COD/L∙d 35 °C'de daha yüksek bir akım yoğunluğu elde etti. Ancak, OLR değeri 2 g sCOD/L∙d, akım yoğunluğu 1,9 ± 0,1 A/m3 ve CE 1,58 ± %0,14, Sangeetha ve ark.24 tarafından gözlemlenen 14,3 A/m3ve %15'ten daha düşüktü. Bu bulgular, sentetik substratların mikrobiyal rekabetin azalması nedeniyle elektron geri kazanımını artırdığını vurgulamaktadır; gerçek atık suyun ise daha çeşitli ve rekabetçi bir mikrobiyal topluluğubarındırdığı için 12,54.

İlginç bir şekilde, HRT'deki azalmalara rağmen mevcut üretim istikrarlı kaldı. Özellikle, HRT'nin 3.7 ± 0.1 günden 2.1 ± 0.2 güne düşürülmesi, OLR 7* g COD/L∙d ile mevcut yoğunlukta istatistiksel olarak anlamlı bir değişim yaratmadı (p > 0.05), bu da 6.2 A/m 3'te sabit kaldı. Bu tutarlılık, HRT'deki varyasyonların akım yoğunluğundaki değişikliklerle mutlaka ilişkili olmadığını gösterir. Bu bulgu kritiktir çünkü ekzoelektrojenler ile substratlar arasındaki temas süresinin kısaması nedeniyle organik çıkarma verimliliğinin azalmasına rağmen, anoda elektron transfer hızının etkilenmediğini göstermektedir. Bu gözlem, HRT'de önemli azalmalara rağmen sabit bir akım yoğunluğu bildiren Castellano-Hinojosa ve ark.55'in bulgularıyla örtüşmektedir. Benzer şekilde, Song ve ark.56 , HRT 10 günden 5 güne düşürüldüğünde atık su yoğunluğu 439.0 ± 129.8'den 749.0'a ± 36 mg/L'ye anlamlı şekilde artmasına rağmen, akım yoğunluğunda hiçbir değişiklik gözlemlememiştir (233 A/m 3'te kalmıştır). Bu bulgular, DIET ile potansiyel olarak ilişkili olan biyoelektrokimyasal etkileşimlerin, tutma süresi kısaltıldığında bile BEAD'de etkili kalabileceğini göstermektedir.

Uygulamalı Potansiyelin BEAD Performansı Üzerindeki Etkisi - Aşama 2:

Uygulanan Potansiyelin COD Kaldırılması üzerindeki Etkisi

Sonuçlar, daha yüksek OLR'larda, BEAD sistemindeki uygulanan potansiyelin kontrol AD sistemine kıyasla COD kaldırma verimliliğini artırdığını, ancak Şekil 2 ve Tablo 3'te gösterildiği gibi daha düşük OLR'larda minimum etki yarattığını gösterdi. Özellikle, 5 g sCOD/L∙d yüksek OLR ile BEAD, AD'de gözlemlenen %85,3 ± %0,6'dan çok daha yüksek olan COD kaldırma etkinliği %92,7 ±% %0,6 %< ulaşmıştır. Buna karşılık, 2 ve 3 g sCOD/L∙d gibi düşük OLR'larda fark istatistiksel olarak anlamlı değildi (p 0,05> her iki sistem de benzer yüksek verimlilikler elde etti (96,2 ± %0,1 vs. 96,6 ± 2 g sCOD/L∙d'de %0,3 ve 94,1 ± %1,2 vs. 94,7 ± 3 g sCOD/L∙d'de %0,8). Bu eğilim, Tartakovsky ve ark.57'nin bulgularıyla örtüşmektedir; onlar da uygulanan potansiyeli olan ve olmayan sistemlerde düşük OLR'larda benzer COD kaldırma verimlilikleri bildirmiş, ancak potansiyel uygulamanın geleneksel AD'ye kıyasla daha yüksek OLR'larda COD kaldırılmasını önemli ölçüde artırdığını belirtmiştir. Bu gözlemler, uygulanan potansiyelin DIET ile ilişkili olabilecek mikrobiyal etkileşimleri ve elektron transfer süreçlerini artırabileceğini, böylece daha etkili organik bozulmaya yol açabileceğini göstermektedir.

HRT 2 güne indirildiğinde, en yüksek OLR olan 7* g sCOD/L∙d olduğunda, uygulanan potansiyel COD kaldırma etkinliğinde sınırlı etkiye sahip oldu. BEAD, AD'de gözlemlenen %61,9 ± %1,5'ten biraz daha yüksek olan %64,6 ± %2,1 COD kaldırma etkinliği elde etmiş, ancak bu fark istatistiksel olarak anlamlı değildi (p > 0,05). Bu, daha yüksek OLR'lerin COD kaldırılmasını artırmada uygulanan potansiyelin potansiyel faydalarını gösterebileceğini gösterirken, azaltılmış HRT'nin sistemin bu biyoelektrokimyasal avantajları tam olarak kullanma yeteneğini sınırladığını gösterir. Bunun nedeni, kısaltılmış HRT'nin mikrobiyal aktivite ve elektron transfer süreçleri için yeterli zaman sağlamamasından kaynaklanabilir; bu da potansiyel olarak DIET ile ilişkilendirilebilir ve hem uygulanan potansiyelin faydalarını hem de azalan tutma süresinin getirdiği sınırlamaları dikkate alan dengeli bir operasyonel stratejiye ihtiyaç olduğunu ortaya koymaktadır.

Uygulanan Potansiyelin VFA Kaldırımı Üzerindeki Etkisi

Şekil 6A–E ve Tablo 5, BEAD'in karmaşık VFA'ların bozulmasında AD'den önemli ölçüde üstün olduğunu göstermektedir. Dikkat çekici olarak, OLR 5 g sCOD/L∙d olduğunda, BEAD propionik ve butirik asitlerin %100 uzaklaştırılmasına karşın, AD'de sadece %58,2 ve %77,6 giderme sağlanmıştır (Şekil 6E). Bu, uygulamalı potansiyelin biyoelektrokimyasal süreçleri geliştirmedeki etkinliğini vurgular; bu süreç sadece VFA ayrışmasını hızlandırmakla kalmaz, aynı zamanda metanogenez kinetiklerinide iyileştirir 58,59. Bu OLR'deki atık su bileşimi analizi bu üstün performansı daha da doğruluyor: BONCUK atık suyu %87 asetik asitten oluşuyordu ve tespit edilebilir propionik veya butirik asit içermeden, AD atık suyu %64 asetik asit, %19 propionik ve %17 butirik asit içeriyordu (Şekil 6D).

BEAD, kısaltılmış HRT'de bile propionik ve butirik asitlerin üstün çıkarılmasını sağladı. En yüksek OLR olan 7* g sCOD/L∙d ile 2 günlük azalmış HRT ile BEAD, BEAD'de butirik asit %66,4 azaldı, bu da AD'nin %50,9'undan önemli ölçüde daha yüksekti. Propionik asit için BEAD %33,2 çıkarmış, AD ise influent'i aşan atık su oranı göstermiştir ve bu da zayıf bir bozulma göstermektedir. BEAD'in bu üstün performansı, potansiyel olarak DIET ile ilişkili olan gelişmiş biyoelektrokimyasal etkileşimlere bağlanabilir; bu etkileşim, AD'deki hidrojen türler arası transfere (HIT) kıyasla asetojenik propionat ve bütirat oksitleyici bakteriler ile metanojenler arasında daha etkili elektron transferini kolaylaştırabilir ve böylece yüksekOLR'larda VFA birikimini azaltabilir 15,16,60,61.

Uygulamalı Potansiyelin CH4 Üretimi üzerindeki Etkisi:

CH4 Verim ve hacimsel CH4 Üretimi

BEAD, özellikle 3, 5 ve 7* g sCOD/L∙d OLR'larda, substrat bulunabilirliğinin gelişmiş biyoelektrokimyasal aktiviteyi desteklediği durumlarda, AD'ye göre metan verimi ve hacminde üstün bir performans göstermiştir (Şekil 4A, Tablo 3). Dikkat çekici olarak, en anlamlı fark 5 g sCOD/L∙d OLR'da gözlemlendi; burada BEAD 0.30 ± 0.01 LCH4/g sCODRemoved'a ulaştı; bu, AD'nin 0.25 ± 0.01 veriminden %20 daha yüksek (p < 0.05). Metan hacmi benzer bir eğilim izledi; BEAD AD'yi %30, %20 ve %16 oranında geçerek OLR'ler sırasıyla 5, 3 ve 7* (p < 0,05). Bu avantajlar, kapalı devre sisteminin kolaylaştırdığı verimli elektron transfer mekanizmalarına bağlanabilir; burada anot, güvenilir bir elektron alıcısı olarak hizmet vererek katot62'ye elektron akışını artırıyor. Buna karşılık, AD'nin açık devresi muhtemelen daha fazla elektron kaybı yaşar ve bu da metan üretim verimliliğini azaltır. Ayrıca, BEAD, metanogenez için ek yollar sağlayarak propionat ve bütirat gibi karmaşık VFA'ların metana dönüşümünü daha etkili hale getirebilen DIET ile ilişkili olabilecek gelişmiş biyoelektrokimyasal etkileşimlerden faydalanabilir. Tek istisna, 2 g sCOD/L·d'de gözlemlendi; burada BEAD, muhtemelen sınırlı karbon bulunabilirliği ve elektroaktif mikroorganizmaların ilk aklimatizasyonu nedeniyle net bir avantaj göstermedi.

Uygulanan potansiyel sadece metan üretimini iyileştirmekle kalmadı, aynı zamanda süreç kararlılığını da artırdı, Şekil 7'de gösterildiği gibi. 5 g sCOD/L∙d OLR ile BEAD işlemi faz 11'de nispeten stabil metan verimi gösterdi; ortalama 0,298 LCH₄/g sCODRemoved, 0,008 LCH₄/g sCODRemoved standart sapma ve varyasyon katsayısı (CV) %2,81 oldu. Buna karşılık, faz 12'de AD'ye geçtikten sonra metan verimi çok daha büyük dalgalanmalar gösterdi; 0.33'ten 0.16 LCH₄/g sCODKaldırıldı, standart sapma 0.054 LCH₄/g sCODKaldırıldı ve CV %20.87 oldu. Sistem faz 13'te tekrar BEAD'e geçtiğinde, metan üretimi hızla toparlandı ve daha istikrarlı hale geldi; ortalama 0,312 LCH₄/g sCODKaldırıldı ve CV %6,23 azaldı. Özellikle, 13. fazın sonraki stabil döneminde CV %1,95'e düştü; bu da BEAD operasyonunun AD operasyonundan kaynaklanan rahatsızlıktan sonra süreç kararlılığını geri getirdiğini gösteriyor. Bu nicel sonuçlar, uygulanan potansiyelin sadece daha yüksek metan üretimine değil, aynı zamanda daha düşük operasyonel değişkenlik ve daha hızlı stabilizasyona katkıda bulunduğunu göstermektedir. Bu bulgular, BEAD sistemlerinin metan üretim oranlarını artırdığını ve hızlı organik oksidasyon ve metanogenezi kolaylaştırarak stabilizasyon süresini kısalttığını bildiren Park ve ark.63'ün bulgularıyla örtüşüyor; bu bulgular geleneksel AD süreçlerine kıyasla açık avantajlar sunmaktadır.

CH4 İçeriği

BEAD, daha yüksek OLR'larda AD'den daha yüksek CH4 içeriğine sahipti; %0,8 ± 72,7 %± %0,5'e ulaştı; AD ise %0,8 ± 71,0 ± %0,5 ile 70,0 % %0,5 ile Şekil 7'de gösterildiği gibi OLR'larda %0,8 ve 70,0 % %0,5 ile %0,05'e ulaştı; OLR'larda sırasıyla 5 ve 7 g sCOD/L∙d oranlarında %0,0 < %0,05'e ulaştı. Ancak, 2 ve 3 g sCOD/L∙d OLR'lerinin düşük seviyelerinde farklar istatistiksel olarak anlamlı değildi (p > 0.05). Bunun nedeni, BEAD'deki daha yüksek VFA ayrışmasının daha fazla karbondioksit (CO2) üretmesi; bunun bir kısmı CH4'e dönüştürülürken, geri kalan kısmı gaz torbasıCO2'sini artırır ve CH4 içeriği değişmemiştir. Benzer eğilimler diğer çalışmalarda da görülmüştür 64,65,66; bu da CH 4 yüzdesi ve hacmindeki artışların mutlaka eşzamanlı gerçekleşmediğini göstermektedir. Uygulanan voltajın 1.23 V'un üzerine çıkarılması, su elektrolizini kolaylaştırarak CH4 içeriğini daha da artırabilir ve böylece ekCO2'yi metan 57,66'ya dönüştürebilen hidrojen (H2) üretebilir. Ancak bu yaklaşım, enerji verimsizliği ve operasyonel zorluklara yol açabilecek aşırı potansiyel sorunlarına yol açabilir. Bu nedenle, artan metan üretimi ile sistem verimliliği arasında denge sağlamak için voltaj ayarı dikkatlice optimize edilmelidir.

BEAD Sisteminin Enerji Verimliliği

Şekil 8, BEAD'in tüm OLR'lerde tutarlı bir şekilde yüksek enerji verimliliği (~%1000) sürdürdüğünü göstermektedir. Özellikle, en yüksek OLR olan 7* g sCOD/L∙d ile 2 günlük kısaltılmış HRT ile bile, sistem 0.03 düşük enerji tüketimi ± 0.01 Wh/g sCODRemoved sayesinde yüksek enerji verimliliği sağlamıştır. Bu, geleneksel aktif çamursüreçlerinde çıkarılan 0.7 ila 2 Wh/g sCOD tipik enerji tüketimindençok daha düşüktür. Ayrıca, OLR arttıkça enerji verimliliğinde hafif bir düşüş gözlemlenmiş olsa da, bu değişim minimaldi; bu da BEAD'in artan organik yük ve azaltılmış hidrolik tutma süresi altında bile stabil enerji performansını koruduğunu gösteriyordu. Bu bulgular, BEAD'in uygulanan elektrik girdisi kapsamında yüksek enerji verimliliğiyle metan üretimini artırabileceğini göstermektedir. Ancak, mevcut enerji analizinin yem pompalama ve dolanım gibi diğer operasyonel enerji taleplerini hesaba katmadığı belirtilmelidir. Bu nedenle, bildirilen enerji verimliliği kısmi bir enerji dengesini yansıtmakta ve tam ölçekli operasyonel koşullarda genel enerji performansını değerlendirmek için daha fazla çalışma gereklidir.

Besin Sınırlı (Yüksek C/N) Bira Fabrikası Atık Sularında BEAD Performansı

Bira fabrikası atık suyunun yüksek C/N oranına rağmen, BEAD etkili COD kaldırma, VFA bozulması ve metan üretimi dahil olmak üzere önemli performans sağladı. Bira fabrikası atık suyu genellikle yüksek organik ve düşük azot içeriğiyle karakterize edilir ve bu da yüksek C/Noranları olan 68,69,70,71'e yol açar. Bu yorum, farklı C/N oranları arasında kontrollü bir karşılaştırma yerine etkili olanın gözlemlenen özelliklerine dayanır. Geleneksel AD sürecinde, C/N oranını düşürmek ve mikrobiyalbüyümeyi desteklemek için genellikle bira fabrikası atık suyuna besin takviyesi gerekmektedir (69,70,71), ancak bu çalışmada ek besin eklenmemiştir. Güçlü BEAD performansı, besin eksikliği koşullarında mikrobiyal aktivite ve reaktör kararlılığını artıran uygulanan potansiyeldenkaynaklanıyor 72,73. Sınırlı araştırmalar, C/N oranlarının BEAD performansı üzerindeki etkisini araştırmıştır; çoğu çalışma düşük ve orta C/N oranlarına (0.6–25) odaklanmıştır. Daha önce belirtildiği gibi, bira fabrikası atık suyunu arıtan BEAD sistemleri üzerine yapılan özel çalışmalar azdır. Ayrıca, sentetik bira fabrikası atık suyu kullanılarak yapılan çalışmalarda, optimal C/N oranlarını 4021,23,24,25 elde etmek için genellikle besinler eklenmiştir; oysa gerçek bira fabrikası atık suyu üzerinde yapılan tek iki çalışma, C/N oranının BEAD performansı üzerindekietkisini ölçmemiş veya dikkate almamıştır 20,22. Bu nedenle, gerçek bira fabrikası atık suyu kullanan BEAD sistemlerinde değişken C/N oranlarının (düşükten yükseke) rolünü incelemek için daha fazla araştırma gereklidir.

VERİ ERIŞILEBILIRLIĞI:

Çalışmayla ilgili veriler makalede ve ayrıca Ek Dosya 2'de yer almaktadır.

figure-results-1
Şekil 1: Bu çalışmada kullanılan biyoelektrokimyasal reaktör sisteminin konfigürasyonu ve operasyonel kurulumu. (A) Karbon bazlı iletken malzemeyle doldurulmuş paketlenmiş yataklı anot, katod odası, ayırıcı, su ve atık hatları, iç dolanım döngüsü, gaz örnekleme portu, gaz toplama torbası ve potensiostata bağlı harici elektrik devresi dahil olmak üzere ana sistem bileşenlerini gösteren reaktör konfigürasyonunun şematik çizimidir. elektrokimyasal izleme ve kontrol. Akım toplayıcıların, örnekleme portlarının, besleme pompasının, sirkülasyon pompasının ve pH izleme sisteminin konumları da gösterilmiştir. (B) Montaj edilen reaktörün operasyondan önce fotoğrafı; dikey kolon tasarımı, paketlenmiş anot yapısı, ayırıcı katman, katot bölgesi, etkin hattı, örnekleme portu ve yeniden sirkülasyon bağlantılarını vurgular. (C) Reaktörün çalışma sırasında fotoğrafı; sürekli tekrar döngü koşullarında reaktör performansını gösterir; sıvı akış yolları, elektrot yüzeyinde biyofilm oluşumu, harici boru bağlantıları ve potansiyostata bağlı elektrik kabloları dahil. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. 

figure-results-2
Şekil 2: BEAD sistemi ve geleneksel AD sisteminde farklı OLR'larda COD kaldırma verimliliği. COD çıkarılması (%) 1 ila 7 g sCOD/L·d arasında değişen OLR'larda, aşırı yüklenme durumu (7*) dahil olmak üzere değerlendirildi. Şekil, artan substrat yükleme koşulları altında BEAD ve AD reaktörlerinin tedavi performansını karşılaştırmaktadır. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. 

figure-results-3
BEAD sisteminde farklı OLR'lar altında 3:VFA üretimi ve bileşimi. (A) OLR'lerde ölçülen toplam sCOD/L·d arasında toplam etkili ve atık VFA oranları, substrat yükünün VFA birikimi ve çıkarma performansı üzerindeki etkisini gösterir. (B) Asetat, propionat ve bütirat dahil başlıca VFA'ların farklı OLR koşulları altında etkili ve atık akışlarda dağılımı. Kesik dikey çizgiler, OLR'deki değişikliklere karşılık gelen operasyonel faz geçişlerini gösterir. VFA oranları g sCOD/L·d olarak ifade edilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. 

figure-results-4
Şekil 4: BEAD ve AD sistemlerinde farklı OLR'lar altında metan üretim performansı. (A) COD'un kaldırılmasıyla normalize edilmiş metan verimi; (B) metan verimi normalize edilip COD eklendi; ve (C) OLR'lerde üretilen biyogazda metan içeriği (%) 1 ila 7 g sCOD/L·d arasında, aşırı yüklenme durumu (7*) dahil olmak üzere. Şekil, her iki reaktör konfigürasyonunda metan geri kazanım verimliliği ve biyogaz kalitesi üzerindeki artan substrat yükünün etkisini göstermektedir. Metan verimi L CH₄/g COD olarak ifade edilir. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-5
Şekil 5: BEAD sisteminin farklı OLR'ler altında elektrokimyasal performansı. (A) OLR'lerde 1 ila 7 g sCOD/L·d arasında üretilen akım yoğunluğu, substrat yükü ile biyoelektrokimyasal aktivite arasındaki ilişkiyi gösterir. (B) Farklı OLR koşullarında Coulombic verimliliği (%) bu, toplam alt tabaka oksidasyonuna göre elektrik akımı olarak geri kazanılan elektronların oranını temsil eder. Akım yoğunluğu A/m3 olarak ifade edilir. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın. 

figure-results-6
Şekil 6:. Uygulanan potansiyelin BEAD ve AD sistemlerinde VFA dinamikleri ve atık su bileşimi üzerindeki etkisi. (A) Farklı uygulanan potansiyel ve OLR koşullarında toplam VFA oranları; (B) propionat üretim ve çıkarma oranları; (C) bütirat üretim ve çıkarma oranları; (D) OLR 5 g sCOD/L·d seviyesinde etkili ve atık COD bileşimi, asetat, propionat, bütirat ve diğer bileşiklerin göreli dağılımını gösterir; ve (E) farklı OLR koşullarında bütirat çıkarma verimliliği (%) ile karşılaştırılabilir. Şekil, elektrokimyasal uyarılmanın ara fermantasyon ürünleri ve substrat dönüşüm yolları üzerindeki etkisini göstermektedir. VFA oranları g sCOD/L·d olarak ifade edilir. Hata çubukları, uygun olduğunda tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-7
Şekil 7: BEAD reaktör sisteminin uzun süreli çalışması sırasında kaldırılan COD'ya normalize edilen metan veriminin zamansal varyasyonu. Metan verimi farklı operasyonel aşamalar ve OLR koşullarında 365 gün boyunca izlendi. Dikey kesik çizgiler, reaktör aşırı yüklenmesinden sonra kurtarma aşaması da dahil olmak üzere operasyonel aşamalar arasında geçişleri gösterir. Metan verimi, L CH₄/g sCOD olarak çıkarılmış olarak ifade edilir. Şekil, uzun süreli sürekli çalışma sırasında reaktör stabilitesini ve metan üretim performansını göstermektedir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-8
Şekil 8: Farklı OLR'ler altında BEAD sisteminde uygulanan potansiyelin enerji geri kazanımı ve enerji verimliliği üzerindeki etkisi. Şekil, OLR'larda 3, 5 ve 7* g sCOD/L·d oranlarında geri kazanılan enerji, tüketilen elektrik enerjisi ve toplam enerji verimliliği (%) karşılaştırılır. Geri kazanılan ve tüketilen enerji Wh/g sCOD (Wh/g sCOD gideri) olarak ifade edilir. Şekil, BEAD sisteminin elektrokimyasal uyarım ve değişken alt yükleme koşulları altında enerjik performansını göstermektedir. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

ParametreDeğer
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

Tablo 1: Reaktör çalışması sırasında kullanılan bira fabrikası atık suyunun özellikleri. Tablo, deneysel dönem boyunca bira fabrikası atık suyunda ölçülen sCOD, VFA/sCOD, TS, VS, VS/TS oranı, pH ve TAN aralıklarını özetlemektedir. 

SahneFazTanımSubstratOLR
(g sCOD/L.d)		Uygulamalı Potansiyel (1.2 V)HRT (Günler)
Aşama-1: OLR'nin Etkisi5En düşük OLR koşuluBira Fabrikası WW2Evet4-5
6Paylaşılan faz (Evre-2 için temel çizgi)Bira Fabrikası WW1Evet4-5
9Paylaşılan fazBira Fabrikası WW3Evet4-5
10Artan OLRBira Fabrikası WW4Evet4-5
11 ve 13Stabilite doğrulaması için OLR=5 olarak tekrarlanan fazBira Fabrikası WW5Evet4-5
14Artan OLRBira Fabrikası WW6Evet4-5
15Yüksek OLRBira Fabrikası WW7Evet3-4
16Maksimum yüklemeBira Fabrikası WW7*Evet2
Aşama-2: Uygulamalı Potansiyelin Etkisi5Aşama-1 ile aynı durumBira Fabrikası WW2Evet4-5
7Uygulanan potansiyel olmadanBira Fabrikası WW2Hayır4-5
9Stage-1 ile aynıBira Fabrikası WW3Evet4-5
8Uygulanan potansiyel olmadanBira Fabrikası WW3Hayır4-5
11&13**Aşama-1 ile aynı tekrarlanan aşamaBira Fabrikası WW5Evet4-5
12Uygulanan potansiyel olmadanBira Fabrikası WW5Hayır4-5
16Stage-1 ile aynıBira Fabrikası WW7*Evet2
17Uygulanan potansiyel olmadanBira Fabrikası WW7*Hayır2

Tablo 2: OLR'nin ve uygulanan potansiyelin reaktör performansı üzerindeki etkilerini değerlendirmek için kullanılan deneysel tasarım ve operasyonel koşullar. Tablo, çalışma boyunca kullanılan operasyonel aşamaları, substrat koşullarını, uygulanan potansiyeli ve HRT'yi özetlemektedir. Aşırı yüklenme durumu (7*), aynı OLR'de düşük HRT ile çalışmayı temsil eder.

OLR12345677*
ParametreBONCUKBONCUKADBONCUKADBONCUKBONCUKADBONCUKBONCUKBONCUKAD
COD Kaldırılması (%)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 Verimi Kaldırıldı
(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 Verimi Eklendi
(LCH4/g sCODAdd)		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
CH4 Cilt
(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
BÖLÜM4 (%)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-
Akım Yoğunluğu (A/m3)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 (günler)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

Tablo 3: BEAD ve AD sistemlerinde farklı OLR'ler altında performans parametreleri. Tablo, farklı operasyonel koşullarda COD kaldırma, CH₄ verimi, CH₄ hacmi, CH₄ içeriği, CE, akım yoğunluğu ve HRT'yi özetlemektedir. Değerler, her operasyonel aşamada yapılan sabit durum ölçümlerine dayalı ortalama ± standart sapma olarak sunulur. Aşırı yüklenme durumu (7*), aynı OLR'de azaltılmış HRT ile çalışmayı temsil eder.

OLR12345677*
ParametreBONCUKBONCUKADBONCUKADBONCUKBONCUKADBONCUKBONCUKBONCUKAD
Etkili Asetat
(g sCOD/L.d)		0.030.060.080.080.130.090.30.460.340.90.380.21
Etkili Propionat
(g sCOD/L.d)		0000.1300.190.480.340.560.820.550.07
Etkili Butyrate
(g sCOD/L.d)		0.070.280.110.230.160.390.790.560.911.180.860.76
Atık Asetat
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.260.320.480.530.561.781.44
Atık Propionat
(g sCOD/L.d)		0000.030.030.2100.140.1400.370.24
Atık Su Butiratı
(g sCOD/L.d)		000000.0500.130.090.280.290.37

Tablo 4: BEAD ve AD sistemlerinde farklı OLR'lar altında VFA oranları. Tablo, farklı operasyonel koşullarda g sCOD/L·d olarak ifade edilen etkili ve atık sıvı asetat, propionat ve bütirat oranlarını özetlemektedir.

OLR12345677*
ParametreBONCUKBONCUKADBONCUKADBONCUKBONCUKADBONCUKBONCUKBONCUKAD
Etkili COD
(g sCOD/L.d)		1.12.11.933.132.914.045.115.115.916.926.966.97
Etkili VFA
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.440.290.671.561.361.812.891.791.04
Etkili Diğer**
(g sCOD/L.d)		11.761.742.692.623.373.553.754.14.035.175.93
Atık Su COD
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.180.150.750.370.750.881.442.472.66
Atık VFA
(g sCOD/L.d)		0000.060.050.520.320.750.760.842.442.05
Atık Diğer
(g sCOD/L.d)		0.040.080.070.120.10.230.0500.120.60.030.61
Kaldırılmış COD
(g sCOD/L.d)		1.062.021.862.952.763.294.744.365.035.484.494.31
VFA kaldırıldı
(g sCOD/L.d)		0.10.340.190.380.240.151.240.611.052.05--
Diğer Görevlerden Çıkarıldı
(g sCOD/L.d)		0.961.681.672.572.523.143.53.753.983.435.145.32

Tablo 5: COD dağılımı (COD dağılımı), VFA oranları ve BEAD ve AD sistemlerinde farklı OLR'lar altında diğer bileşik çıkarma. Tablo, farklı reaktör çalışma koşullarında g sCOD/L·d olarak ifade edilen etkisi, atık ve çıkarılan COD fraksiyonları, VFA'lar ve diğer bileşikleri özetlemektedir. "Other" sözi, COD'a katkıda bulunan VFA dışı bileşikleri temsil eder.

Ek Şekil 1. BEAD'de etkili VFA/sCOD oranının COD kaldırma verimliliği üzerindeki etkisi. Şekil, BEAD reaktörünün COD kaldırma performansını, etkili VFA/sCOD oranlarının azalması altında 1'den 0,2'ye karşılaştırmaktadır. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 2. BEAD'de etkili VFA/sCOD oranının CH4 verimine (çıkarılan COD'a dayanarak) etkisi. Şekil, BEAD reaktörünün CH₄ verimini azalan etkili VFA/sCOD oranları altında 1'den 0,2'ye karşılaştırmaktadır. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 3. Etkili VFA/sCOD oranının BEAD'de CH4 yüzdesi üzerindeki etkisi. Şekil, BEAD reaktöründeki CH₄ içeriğini, etkili VFA/sCOD oranlarının 1'den 0.2'ye düşürülmesiyle karşılaştırmaktadır. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 4. BEAD'de etkili VFA/sCOD oranının akım yoğunluğuna etkisi. Şekil, BEAD reaktöründeki akım yoğunluğunu etkisiz VFA/sCOD oranlarının 1'den 0.2'ye düşürülmesiyle karşılaştırmaktadır. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 5. BEAD'de etkili VFA/sCOD oranının kulonik verimlilik üzerindeki etkisi. Şekil, BEAD reaktöründeki kulonbik verimliliği azalan etkili VFA/sCOD oranları altında 1'den 0,2'ye karşılaştırmaktadır. Hata çubukları, tekrarlanan ölçümlerin standart sapmalarını temsil eder. n = 3. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Tablo 1. Farklı substrat bileşimlerinde performans parametreleri. Tablo, farklı alt bileşimleri altında COD çıkarma, CH₄ verimi, CH₄ hacmi, CH₄ içeriği, CE ve akım yoğunluğunu özetlemektedir. Değerler, her operasyonel aşamada yapılan sabit durum ölçümlerine dayalı ortalama ± standart sapma olarak sunulur. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Tablo 2. Influent ve atık sudaki inhibitör bileşiklerin konsantrasyonları. Tablo, farklı OLR koşullarında BEAD ve AD etkisi ve atık sularında amonyak, sülfat, sülfür,H2O2 ve PAA gibi inhibitör bileşikleri özetlemektedir. Değerler, her operasyonel aşamada yapılan sabit durum ölçümlerine dayalı ortalama ± standart sapma olarak sunulur. Aşırı yüklenme durumu (7*), aynı OLR'de düşük HRT ile çalışmayı temsil eder. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 1. Etkili VFA/sCOD oranının BEAD performansı ve inhibitör bileşik değerlendirmesi üzerindeki etkisi.Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 2. Ham veri.Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

BEAD, COD kaldırma, VFA bozulması, metan verimi ve süreç kararlılığı açısından çeşitli OLR'lerde geleneksel AD'yi sürekli geride bırakmıştır. Sistemin önemli avantajlarından biri, anaerobik ortamlarda parçalanması genellikle zor olan propionik ve butirik asitler gibi karmaşık VFA'ları verimli bir şekilde parçalayabilme yeteneğiydi. Metan verimi daha yüksek substrat kullanılabilirliğiyle arttı ve en yüksek OLR testinde 7 g sCOD/L·d olarak 0,35 LCH4/gsCOD olarak en yüksek metan verimine ulaştı. Metan üretimi, uygulanan potansiyelden faydalandı; çeşitli OLR'lerde BEAD'deki metan hacmi, AD'ye göre %16–30 daha yüksekti. Bu gelişme, gelişmiş elektron transfer süreçlerine bağlanabilir. Geleneksel AD sistemlerinde, elektron transferi öncelikle IIET tarafından yönetilir; IIET hidrojen ve format gibi ara maddelere dayanır ve genellikle difüzyon kısıtlamaları ile termodinamik verimsizliklerle sınırlanır77. Buna karşılık, BEAD'de harici bir potansiyel uygulaması muhtemelen doğrudan DIET'i teşvik eder ve çözünür aracılara ihtiyaç olmadan elektroaktif bakteriler ile metanojenler arasında daha verimli elektron alışverişini sağlar. DIET ile potansiyel olarak ilişkili olan ve uygulanan potansiyel sayesinde kolaylaştırılan biyoelektrokimyasal etkileşimler, daha düşük elektron kayıplarına, daha etkili organik bozulmaya ve daha yüksek metanüretimine yol açabilir 77. IIET'den DIET'ye geçiş, elektron kayıplarını azaltabilir, sentrofik etkileşimleri artırabilir ve organik substratların bozulmasını hızlandırabilir, böylece metan üretimi ve süreç kararlılığının artmasına katkıda bulunabilir. Bu çalışmada kullanılan bira fabrikası atık suyunun tek bir kaynaktan elde edildiği ve bu nedenle gözlemlenen performansın sahaya özgü atık su özelliklerini yansıttığı belirtilmelidir. Bu nedenle, bulgular test edilen koşullar bağlamında yorumlanmalı ve tüm bira fabrikası atık su sistemlerine doğrudan genelleştirilemeyebilir.

Alternatif yaklaşımlar ve tamamlayıcı yöntemler, BEAD sistemlerinde artan metan üretimi ve elektron transferinden sorumlu mekanizmaların araştırılmasına daha da yardımcı olabilir. Örneğin, 16S rRNA dizileme veya metagenomik analiz, DIET ile ilişkili elektroaktif bakteri ve metanojenleri tespit edebilir. CV ve EIS gibi elektrokimyasal teknikler, elektron transfer davranışı ve biyofilm iletkenliği hakkında ek bilgiler sağlayabilir. Buna ek olarak, elektrot yüzeylerinde biyofilm gelişimi ve mikrobiyal etkileşimleri incelemek için SEM ve floresan mikroskopi kullanılabiliyor. Bu tamamlayıcı yaklaşımlar, reaktör performansını yöneten biyoelektrokimyasal mekanizmaların daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.

BEAD yüksek OLR'leri etkili bir şekilde yönetse de, HRT'nin 3,7 günden 2,1 güne düşürülmesi, COD kaldırma, VFA bozulması ve metan üretiminde azalmaya yol açtı; bu da yüksek organik yükler altında süreç stabilitesi için yeterli HRT'nin önemini vurguladı. Gelecekteki çalışmalar, bira fabrikası katı atıklarının ortak besleme olarak entegrasyonunu, uygulanan potansiyellerin optimize edilmesini ve daha geniş atık su bileşimleri ve operasyonel koşullar kapsamında değerlendirmeyi daha da araştırmalıdır. Ayrıca, geliştirilmiş istatistiksel tekrarlama ve geleneksel AD sistemlerine karşı daha net kıyaslama içeren çalışmalar, BEAD'in göreceli performansını daha iyi değerlendirmeye yardımcı olacaktır. Bu çabalar, sistemin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlayacak ve yüksek güçlü endüstriyel atık suların arıtılması için potansiyel uygulanabilirliğini netleştirmeye yardımcı olacaktır.

Açıklamalar

Yazarların çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Yazarlar, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi'ne maddi destek için teşekkür ediyor. Dr. Boris Tartkovsky ve Dr. Virender Singh'in teknik rehberliği uygun şekilde kabul edilir.

Fonlama Kaynağı: Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
0.45 µm membran filtresiMilliporeSigmaHAWP04700Çözünür COD analizinden önce kullanılır
500 mL cam şişelerFisherbrand500 mL ortam şişesiİnokuluma alıştırma için kullanılır
Acclaim OA kolonuThermo ScientificAcclaim OA, 5 µm, 4 × 150 mmVFA kantitatif analizi için kullanılan kolon
AsetonitrilFisher ScientificHPLC sınıfıHPLC analizi için mobil faz
Amonyak reaktif kitiHACHTNTplus 832Azot, Amonyak-Salisilat HR Yöntemi 10205
Argon taşıyıcı gazAir LiquideUltra yüksek saflıkta argonMikro GC için taşıyıcı gaz
Karbon keçeSGL CarbonGFD serisiElektrot malzemesi 25 mm × 25 mm karelere kesilmiş
SantrifüjEppendorf5810 RBira atık suyunu 12.000 × g'de santrifüj yapmak için kullanılır
COD reaktif tüpleriSCP ScienceCOD reaktif tüpleri (Yöntem 8000 uyumlu)HACH Yöntemi 8000'i takip eden çözünür COD analizi için kullanılır
Silindirik cam reaktörChemglass Life SciencesÖzel cam reaktörTek hazneli yukarı akış reaktörü; 1 L toplam hacim, 0.65 L çalışma hacmi
Dijital zamanlayıcıIntermaticTN311Besleme hızı zamanlamasını kontrol etmek için kullanılır
DR 2800 spektrofotometreHACHDR 2800COD, amonyak, sülfat ve sülfür analizleri için kullanılır
Gaz toplama torbasıSKCTedlar gaz örnekleme torbasıBiyogaz toplama için kullanılır
Gaz geçirmez şırıngaHamiltonGaz geçirmez şırıngaBiyogaz hacmini ölçmek için kullanılır
HPLC sistemiThermo Scientific DionexUltiMate 3000Uçucu yağ asidi (VFA) analizi için kullanılır
Hidrojen peroksit/perasetik asit test kitiLaMotte7191-02H2O2 ve PAA ölçümü için kullanılır
Ir-MMO kaplı titanyum telBaoji Changli Special Metal Co., Ltd.Ir-MMO/Ti telKarbon keçeye yerleştirilen 1 mm akım toplayıcı
Laboratuvar buzdolabıVWRLaboratuvar buzdolabıAtık suyu 4 °C'de depolamak için kullanılır
Metansülfonik asitSigma-Aldrich≥99%HPLC mobil fazı olarak 2.5 mM'de kullanılır
Mikro gaz kromatografisiAgilent Technologies490 Micro GCTCD dedektörü ile biyogaz bileşim analizi için kullanılır
İletken olmayan geotekstil ayırıcıTenCate GeosyntheticsMirafi serisiElektrotlar arasında 2 mm delinmeli 3 mm ayırıcı
Peristaltik pompaCole-ParmerMasterflex L/SGiriş beslemesi ve geri sirkülasyon için kullanılır
PotansiyostatMetrohm AutolabPGSTAT204Uygulanan potansiyel ve akım izleme için kullanılan potansiyostat
Silikon hortumCole-ParmerMasterflex silikon hortumGiriş, çıkış ve geri sirkülasyon hatları için kullanılır
SpektrofotometreHACHDR 2800 HACH analitik ölçümleri için kullanılır
Elektronik tabloMicrosoft Excelİstatistiksel analiz için kullanılır
Sülfat reaktifiHACHSulfaVer 4, Yöntem 8051Sülfat ölçümü için kullanılır
Sülfit reaktifiHACHYöntem 8131Sülfit ölçümü için kullanılır
Vakuum filtrasyon aparatıMilliporeSigmaCam vakum filtrasyon taşıyıcısı0.45 µm membran filtreleri ile kullanılır

Kaynaklar

  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.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

MühendislikSayı 233Sayı -446Boş DeğerSayıBiyoelektrokimyasal olarak geliştirilmiş anaerobik sindirim (BEAD)organik yükleme hızıhidrolik bekletme süresimetan üretimi
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.