La creciente necesidad de tratamientos eficientes para las aguas residuales ha impulsado investigaciones destinadas a incrementar el rendimiento de la digestión anaerobia, especialmente a bajas temperaturas, donde la actividad metabólica suele disminuir. Este estudio analiza el uso de un campo eléctrico controlado de baja magnitud como una modificación al proceso de digestión anaerobia (DA). Esta intervención permite operar de manera eficiente a temperaturas inferiores a 35°C, mejorando la eficiencia de la producción de biogás. Inicialmente, un lodo granular anaeróbico se estabilizó a temperatura ambiente (23 °C) en un reactor UASB y posteriormente se utilizó para analizar cada etapa de la digestión anaerobia (hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis) en cultivos discontinuos. Cada etapa de la DA se alimentó con una fuente de carbono específica: sacarosa, glucosa, una mezcla de ácidos grasos volátiles (AGVs) y acetato, respectivamente; con la finalidad de tener una caracterización que represente cada etapa. Las unidades experimentales consistieron en una celda de dos electrodos de RuO₂/Ti (titanio recubierto de óxido de rutenio), que se operaron con tiempos de reacción cortos para evitar la formación de la biopelícula y aislar el efecto del O2 generado electroquímicamente en la digestión anaerobia. Se probaron tres magnitudes de campo eléctrico: 1.21, 1.45 y 1.64 V/cm. Los resultados experimentales revelaron que el campo eléctrico aumentó el oxígeno disuelto en el medio, lo que modificó cada etapa de la digestión anaeróbica. Los resultados óptimos se obtuvieron a 1.21 V/cm, lo que resultó en una tasa de producción de oxígeno disuelto de 0.0753 mg O2/L⋅min, que fue consumida por la presencia de bacterias facultativas a una tasa de consumo de oxígeno disuelto de 0.484 ± 0.04 mg O2/L⋅min. Se observaron mejoras significativas en todas las etapas de la digestión anaeróbica. Por ejemplo, la eficiencia de la hidrólisis aumentó en un 52%, lo que se atribuyó a un aumento del 53% en la actividad enzimática extracelular después de tres horas de aplicación del campo eléctrico. La influencia del O2 se extendió a las etapas de la acidogénesis y acetogénesis, lo que activó el metabolismo oxidativo con un aumento en la producción de CO2 y una disminución en la formación de acetato. Un hallazgo notable que se observó fue el aumento del 34% en el consumo de AGVs durante la acetogénesis bajo la influencia del campo eléctrico, lo que mejoró la interacción sintrófica con la acidogénesis, que a menudo es la etapa desafiante por los desbalances que genera la presencia de los AGVs. La producción de metano (CH4) también experimentó un aumento sustancial, con una actividad metanogénica de 0.89 ± 0.02 g DQO-CH4/g SSV⋅d, lo que representa un aumento de 39% respecto al control. Sorpresivamente, la actividad metanogénica obtenida a temperatura ambiente estuvo muy cerca de los niveles que normalmente se alcanzan a 35 °C en reactores convencionales. Por otro lado, para analizar con mayor profundidad los efectos de la temperatura, la DA se estudió a 10, 18 y 35 °C, con el empleo de almidón de maíz como fuente de carbono (0.8 g DQO/L) y un campo eléctrico de 1.21 V/cm. Los resultados mostraron que, a 18 °C, la eficiencia de remoción de la DQO fue de 89 ± 1%, un porcentaje de eficiencia que se alcanzó a 35 °C en el estudio control sin campo eléctrico. El análisis del biogás reveló un cambio en su composición química cuando se aplicó el campo eléctrico, con un 2% de H2, lo que sugiere que el H2 generado electroquímicamente participó en la producción de CH4. Adicionalmente, se realizó un cultivo discontinuo para verificar si el lodo anaerobio tenía la capacidad metabólica para metanizar utilizando el H2 generado electroquímicamente. El estudio se realizó a 18 °C, 1.21 V/cm y un medio mineral libre de fuente de carbono. Los resultados revelaron una composición química del biogás de 95% CH4 y 5% H2 junto con un aumento en la producción de biogás de 2.6 veces en comparación con el control. Esto evidenció el impacto del campo eléctrico en la actividad hidrogenotrófica. Finalmente, el proceso se escaló utilizando dos reactores tipo UASB a nivel laboratorio. El reactor sin electrodos (RC) se empleó como control, mientras que el reactor experimental (RE) contenía los electrodos en la zona de lodos para evaluar la influencia del campo eléctrico en la digestión anaeróbica. Ambos reactores tuvieron un volumen de operación de 2 litros, se operaron a un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 12 horas, y se alimentaron con aguas residuales municipales suplementadas con 2 ± 0.1 g DQO/L. Al RE se le aplicó un campo eléctrico de 1.28 V/cm a través de electrodos de malla de titanio RuO2/Ti, los cuales fueron colocados estratégicamente en la zona de lodos para optimizar la transferencia de electrones. En el RE se observó un incremento de 86% en la producción de biogás y una composición en el biogás de 68% CH4, 21% CO2 y 11% H2, en comparación con el 78% CH4 y el 22% CO2 del control. El biogás del RE presentó un poder calorífico de un 23% más alto con respecto al control, y la producción de CH4 casi se duplicó. Los cambios morfológicos en el lodo granular expuesto al campo eléctrico mostraron una disminución del 17% en la velocidad de sedimentación y un aumento del 44% en el índice volumétrico del lodo (IVL). Las micrografías revelaron una estructura más compacta y una presencia significativa de microorganismos filamentosos. El contenido total de sustancias exopoliméricas extracelulares (SPE) en el lodo aumentó en un 52%, y la metanogénesis hidrogenotrófica se convirtió en la vía dominante, contribuyendo con un 65% en la producción de CH4, en contraste con el 35% generado mediante la vía acetoclástica. Estos hallazgos destacan el prometedor potencial de los campos eléctricos de baja magnitud para optimizar la digestión anaeróbica, especialmente en condiciones de baja temperatura. La tecnología demostró su capacidad para incrementar significativamente la eficiencia en la remoción de la DQO y la producción de metano, superando limitaciones tradicionales del proceso. Como resultado, esta innovación biotecnológica representa una solución viable y sostenible para mejorar el tratamiento de aguas residuales, ofreciendo un rendimiento eficiente en una amplia variedad de condiciones ambientales.
The growing need for efficient wastewater treatment has driven research to increase anaerobic digestion performance, particularly at low temperatures, where metabolic activity decreases. This study examines using a low magnitude controlled electric field to modify the anaerobic digestion (AD) process. This intervention enables efficient operation at temperatures below 35°C, improving the efficiency of biogas production. Anaerobic granular sludge was first stabilized at room temperature (23 °C) and subsequently utilized to study each phase of the anaerobic digestion process (i.e., hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis) in batch culture. Each stage was supplied with a specific carbon source, such as sucrose, glucose, a mixture of volatile fatty acids (VFAs), and acetate, respectively, to enable precise characterization. The experimental units consisted of a two-electrode RuO₂/Ti (ruthenium oxide-coated titanium) cell, which was operated with short reaction times to avoid biofilm formation, thus isolating the effect of electrochemically generated oxygen (O2) on anaerobic digestion. Three electric field magnitudes were tested: 1.21, 1.45, and 1.64 V/cm. The results showed that the application of the electric field increased dissolved oxygen levels in the medium, influencing each stage of the anaerobic digestion process. Optimal performance was achieved at 1.21 V/cm, with a dissolved oxygen production rate of 0.0753 mg O2/L⋅min. This oxygen was rapidly consumed by facultative bacteria, as evidenced by a dissolved oxygen consumption rate of 0.484 ± 0.04 mg O2/L⋅min. Notable improvements were observed across all stages of digestion, demonstrating the positive impact of the electric field on the overall process. Hydrolysis efficiency improved by 52%, driven by a 53% increase in extracellular enzyme activity observed after three hours of electric field application. The presence of O2 influenced the acidogenesis and acetogenesis stages, shifting metabolism toward oxidation. This resulted in increased carbon dioxide (CO2) production and reduced acetate formation. A significant observation was the 34% increase in volatile fatty acid (VFA) consumption during acetogenesis under the influence of the electric field. This improvement enhanced syntrophic interactions with acidogenesis, effectively addressing challenges often posed by VFA imbalances. Methane (CH4) production showed a significant increase, with methanogenic activity reaching 0.89 ± 0.02 g COD-CH4/g VSS⋅d, marking a 39% improvement compared to the control. Remarkably, this level of methanogenic activity at room temperature closely matched the performance typically observed at 35 °C in conventional reactors. To assess the effects of temperature, anaerobic digestion was evaluated at 10, 18, and 35 °C. Corn starch, serving as the carbon source, was provided at a concentration of 0.8 g chemical oxygen demand (COD)/L, with an electric field of 1.21 V/cm applied. The results demonstrated that at 18 °C, COD removal efficiency reached 89 ± 1%, a performance level typically achieved at 35 °C in the control setup. Biogas analysis revealed a compositional shift under the influence of the applied electric field, with the introduction of approximately 2% hydrogen (H2), indicating the role of electrochemically generated H2 in enhancing CH4 production. Further testing at 18 °C using a carbon-free mineral medium and an electric field of 1.21 V/cm showed a 2.6-fold increase in biogas production (95% CH4, 5% H2) compared to the control, highlighting the electric field's effect on hydrogenotrophic activity. Hydrogenotrophic activity was further examined by scaling the process using two bench-scale up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors. One reactor (RC) served as the control without electrodes, while the experimental reactor (ER) incorporated electrodes within the sludge blanket zone to evaluate the effect of the electric field on anaerobic digestion. Both reactors, with an operating volume of 2 liters and a hydraulic retention time (HRT) of 12 hours, were fed municipal wastewater supplemented to 2 ± 0.1 g COD/L. In the ER, an electric field of 1.28 V/cm was applied using RuO2/Ti titanium mesh electrodes strategically placed to optimize electron transfer with the biomass. The results from the scaled-up system revealed an 86% increase in biogas production in the experimental reactor (ER), with a biogas composition of 68% CH4, 21% CO2, and 11% H2, compared to 78% CH4 and 22% CO2 in the control. Additionally, the biogas from the ER exhibited a 23% higher calorific value, and CH4 yield nearly doubled. Morphological analysis of the granular sludge exposed to the electric field showed a 17% reduction in sedimentation velocity and a 44% increase in sludge volume index (SVI). Scanning electron microscopy (SEM) images revealed a more compact structure and a greater presence of filamentous microorganisms. The extracellular polymeric substances (EPS) content in the sludge increased by 52%, and hydrogenotrophic methanogenesis emerged as the dominant pathway, contributing to 65% of CH₄ production, with the remaining 35% attributed to the acetoclastic pathway. These findings highlight the potential of low-magnitude electric fields to enhance anaerobic digestion, particularly at low temperatures, by significantly improving both COD removal efficiency and methane yield. This approach offers a promising pathway toward more sustainable and efficient wastewater treatment across a range of environmental conditions.
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