Таҳқиқот ду ҷараёни оби партови душвортозашавандаро дар як ҳуҷайраи сӯзишвории микробӣ арзёбӣ мекунад: оби бозгашти гази сланецӣ (shale gas flowback wastewater, SGFW), ки бо шӯрии баланд ва биодеградатсияи паст пайваст аст, ва шираи кӯҳнашудаи партовгоҳи санитарӣ (aged landfill leachate, ALL), ки бо аммонийи баланд, тавозуни пасти карбон/нитроген ва биодеградатсияи заиф тавсиф мешавад. Ду оби партови воқеӣ дар ҳаҷмҳои баробар омехта шуда, дар ҳуҷайраи сӯзишвории микробии дукамерадор (microbial fuel cell, MFC) бо се сохтори гуногуни анод муқоиса шудаанд.

Анодҳои таҳқиқшуда матои карбонии бо NiCo₂O₄ тағйирдодашуда (NCOC), матои карбонии бо никел-фосфор пӯшонидашуда (NPC) ва матои карбонии тағйирдоданашуда (CC) мебошанд. Дар ҳамаи системаҳо ҳамчун катод матои карбонӣ истифода шудааст. Қавитарин самаранокии истеҳсоли барқ дар NPC-MFC ба даст омадааст: шиддати максималии баромад 643,3 mV, зичии максималии қувва 1412,9 mW/m² ва муқовимати дохилии зоҳирӣ 155 Ω чен карда шудааст. Дар ҳамон оби партови омехта NCOC-MFC шиддати максималии 398,2 mV, зичии максималии қувваи 196,2 mW/m² ва муқовимати дохилии зоҳирии 870 Ω нишон додааст; зичии максималии қувваи CC-MFC бошад 526,8 mW/m² шудааст.

Бартарии электрохимиявии аноди NPC-и бо Ni–P пӯшонидашуда танҳо дар каҷхаттаҳои қувва дида нашудааст. Дар ҳоле ки муқовимати интиқоли заряд барои NPC 7,9 Ω чен шудааст, барои CC-и бепӯшиш 75,7 Ω гузориш шудааст; зичии ҷараёни мубодилаи NPC бо 4,0×10⁻² mA/cm² ба тақрибан 26,7 баробари арзиши 1,5×10⁻³ mA/cm²-и CC расидааст. Муҳаққиқон ин натиҷаҳоро бо он шарҳ медиҳанд, ки пӯшиши Ni–P интиқоли электрони берунҳуҷайравиро дар интерфейси биофилм–электрод осон мекунад.

Бо вуҷуди ин, аноде, ки бештар барқ истеҳсол мекунад, аноде нест, ки бештар моддаи органикиро хориҷ мекунад. Хориҷшавии талаботи химиявии оксиген (COD) барои NCOC-MFC 1103,4±69,3 mg/L ва %42,88, барои NPC-MFC 931,9±34,6 mg/L ва %36,21, барои CC-MFC 980,9±103,9 mg/L ва %38,12 ҳисоб шудааст. Дар муқобил, самаранокии Coulomb дар NPC-MFC бо %38,0±1,4 аз арзишҳои %15,6±1,0-и NCOC-MFC ва %9,0±1,0-и CC-MFC баландтар монд. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки хориҷкунии моддаи органикӣ ва бозёфти электронҳо ба энергияи барқ як меъёри якхелаи самаранокӣ нестанд.

Фоидаи оби партови омехта низ ба маводи электрод вобаста аст. Дар ҳоле ки зичии максималии қувваи NPC-MFC дар оби партови омехта ба 1412,9 mW/m² мерасад, дар ALL танҳо 383,4 mW/m² ва дар SGFW 436,1 mW/m² дода шудааст. Баръакс, зичии максималии қувваи NCOC-MFC дар оби партови омехта 196,2 mW/m² буда, аз арзишҳои 649,8 mW/m² дар SGFW ва 502,9 mW/m² дар ALL пасттар аст. Аз ин рӯ, таҳқиқот хулосаи “омехта кардани обҳои партов ҳамаи MFC-ҳоро беҳтар мекунад”-ро дастгирӣ намекунад; таъсири тозакунии муштарак бо химияи сатҳи анод, биофилм ва интиқоли электрон якҷоя тағйир меёбад.

Дар таҳлили биофилми рӯи аноди NPC беш аз 30.000 пайдарпайии эътиборноки 16S rRNA ба даст омада, индекси фарогирӣ аз 0,99 болотар ёфт шудааст. Мувофиқи таснифи таксономии муҳаққиқон, фаровонии умумии филумҳое, ки бо микроорганизмҳои электроактивӣ пайваст карда шудаанд, %97,4 мебошад. Desulfobacterota бо %57,4 филуми ҳукмронтарин, Desulfuromonadia бо %57,14 синфи ҳукмронтарин ва Desulfuromonas бо %47,13 ҷинси ҳукмронтарин гузориш шудааст. Дар тасвирҳои SEM гузориш шудааст, ки сатҳи NPC бо биофилми зич ва пайваста пӯшонида шудааст ва микроорганизмҳои асошакл дар дарозои нахҳои карбон ҷойгир шудаанд.

Таҳқиқот ба MFC-ҳои дукамерадори 500 mL дар миқёси лабораторӣ асос ёфтааст. Иншооти пилотӣ ё пурмиқёси тозакунӣ, кори дарозмуддати пайвастағизодиҳӣ, баланси энергетикӣ, арзиши сармоягузорӣ, давраи ҳаёти пӯшиши никел/фосфор ё калонкунии миқёс дар майдони воқеӣ санҷида нашудааст. Аз ин рӯ, зичии қувваи 1412,9 mW/m² ё хориҷкунии COD-и гузоришшуда набояд ҳамчун арзиши мустақими самаранокии як иншооти саноатии тозакунӣ тафсир карда шавад.

Аз нигоҳи Türkiye, ин равиш аз ҷиҳати тозакунии муштараки обҳои партови саноатии баландшӯр ва шираҳои партовгоҳи санитарӣ ва бозёфти як миқдор энергияи барқ дар ҳамон раванд як усули биоэлектрохимиявии арзандаи таҳқиқ аст. Аммо таҳқиқот аз ду ҷараёни мушаххаси оби партови воқеӣ дар Чин истифода мекунад. Азбаски таркиби шираи партовгоҳҳои санитарии Türkiyedeki, профилҳои шӯрӣ ва металлҳои вазнини обҳои партови саноатӣ, ҳарорат, қонунгузорӣ, бори гидравликӣ ва эҳтиёҷоти пештозакунӣ метавонанд фарқ кунанд, арзишҳои самаранокӣ бе тавсифи маҳаллии оби партов ва тасдиқи миқёси пилотӣ мустақиман интиқол дода намешаванд.

Масъалаи асосии таҳқиқот чист?

Оби бозгашт, ки пас аз шикасти гидравликӣ дар истеҳсоли гази сланецӣ ба вуҷуд меояд, бо шӯрии баланд, биодеградатсияи паст ва устувории химиявӣ вобаста дониста мешавад, зеро дар он намакҳои формация ва компонентҳои аз захирагоҳ ҳалшуда мавҷуданд. Шираи кӯҳнашудаи партовгоҳи санитарӣ бошад, оби партови мураккабест, ки дар партовгоҳҳои дарозмуддат фаъолияткарда ба вуҷуд омада, метавонад хусусиятҳое монанди карбони органикии осонтаҷзияшавандаи нисбатан паст, аммонийи баланд ва таносуби номутаносиби карбон/нитроген дошта бошад.

Гипотезаи муҳаққиқон ин аст, ки якҷо кардани ин ду оби партови душвор дар таносубҳои муайян метавонад баъзе хусусиятҳои ингибитории ҳардуяшонро қисман мувозинат кунад. Суюл кардани шӯрии хеле баланди SGFW, паст кардани консентратсияи компонентҳои заҳрнок ё ингибиторӣ дар ду ҷараён ва саҳми компонентҳои гуногуни ғизоии ALL ба метаболизми микробӣ ҳамчун механизмҳои эҳтимолии синергия пешниҳод мешаванд.

Аммо ин танҳо масъалаи вобаста ба таркиби оби партов нест. Дар ҳуҷайраи сӯзишвории микробӣ электронҳои аз моддаи органикӣ озодшуда бояд ба электрод интиқол ёбанд; аз ин рӯ, мувофиқати сатҳи анод бо микроорганизмҳо ва имкон додани интиқоли электрони берунҳуҷайравӣ (extracellular electron transfer, EET) яке аз маҳдудкунандаҳои асосии самаранокӣ мебошад. Ба ҳамин сабаб таҳқиқот омехтаи оби партовро бо ду тағйирдиҳии гуногуни аноди никелӣ якҷоя омӯхтааст.

Обҳои партов аз куҷо гирифта шудаанд?

Шираи кӯҳнашудаи партовгоҳи санитарӣ аз партовгоҳи Changshengqiao дар Chongqing; оби партови бозгашти гази сланецӣ бошад, аз зарфи омехтакунии истгоҳи тозакунии майдони гази сланеции Xing'ao дар минтақаи Nanchuan-и Chongqing гирифта шудааст. Намунаҳо пеш аз таҷрибаҳо дар шароити сард нигоҳ дошта шудаанд.

Оби партови омехта бо якҷо кардани ҳаҷмҳои баробари SGFW ва ALL омода шудааст.

Манбаъ барои “оби партови омехта бо иловаи ғизо” арзиши COD ва pH-ро медиҳад, аммо дар ин матни асосӣ таркиби химиявӣ ва миқдори моддаҳои ғизоии иловашударо шарҳ намедиҳад. Ҳамчунин, гарчанде шӯрӣ дар гипотезаи омехтакунӣ тағйирёбандаи муҳим аст, дар Ҷадвал 1 арзиши ададии гузаронандагӣ ё шӯрӣ, консентратсияи аммоний, миқдори сулфат ё консентратсияҳои металлҳои вазнин дода нашудаанд. Аз ин рӯ, танҳо бо истифода аз ин манбаъ ҳисоб кардан мумкин нест, ки омехта компонентҳои химиявии ингибиториро бо кадом таносуби ададӣ кам кардааст.

Аноди NCOC-и бо NiCo₂O₄ пӯшонидашуда чӣ гуна омода шудааст?

Масоҳати фаъоли ҳамаи матоъҳои карбон 6 cm² аст. Барои электролити NiCo₂O₄, 1 mmol Ni(NO₃)₂·6H₂O ва 2 mmol Co(NO₃)₂·6H₂O дар 100 mL оби деионизатсияшуда ҳал карда шудааст.

Электродепозитсия дар тарҳи сеэлектродӣ иҷро шудааст. Матои карбонии пешакӣ коркардшуда ҳамчун электроди корӣ, Ag/AgCl ҳамчун электроди истинодӣ ва Pt ҳамчун электроди муқобил истифода шудааст. Зичии ҷараёни доимии −3 mA/cm² барои 900 сония татбиқ шудааст. Пас аз шустан ва хушк кардани электрод, он бо суръати гармкунии 1 °C/дақиқа то 300 °C расонида шуда, 2 соат дар кӯраи муфелӣ калсинатсия шудааст. Матои карбонии бо NiCo₂O₄ тағйирдодашудаи бадастомада NCOC номида шудааст.

Аноди NPC-и бо Ni–P пӯшонидашуда чӣ гуна омода шудааст?

Барои электролити Ni–P, 0,7 mmol NaH₂PO₂·H₂O, 0,2 mmol C₆H₅Na₃O₇·2H₂O ва 1,75 mmol NiSO₄·6H₂O дар 100 mL оби деионизатсияшуда ҳал карда шудааст.

Пӯшиши Ni–P бо электродепозитсияи асосёфта ба волтамметрияи даврӣ анҷом дода шудааст. Диапазони потенсиал −1,0–0 V, суръати скан 20 mV/s ва шумораи давр ду дода шудааст. Пас аз шустан ва хушккунӣ матои карбонии бо Ni–P пӯшонидашуда NPC номида шудааст.

Ҳуҷайраҳои сӯзишвории микробӣ чӣ гуна сохта шудаанд?

Ҳар система ҳуҷайраи сӯзишвории микробии H-навъи дукамерадори маъмулӣ аст ва ҳаҷми ҳар камера 500 mL мебошад. Камераҳои анод ва катод бо мембранаи мубодилаи протонии DuPont Nafion 117 ҷудо шудаанд. Дар пайвасти барқӣ симҳои титан истифода шуда, дар ҳамаи системаҳо ҳамчун электроди катод матои карбонии тағйирдоданашуда интихоб шудааст.

Се системаи таҷрибавӣ чунинанд:

• NCOC-MFC: аноди матои карбонии бо NiCo₂O₄ пӯшонидашуда + катоди матои карбонӣ.
• NPC-MFC: аноди матои карбонии бо Ni–P пӯшонидашуда + катоди матои карбонӣ.
• CC-MFC: аноди матои карбонии бепӯшиш + катоди матои карбонӣ.

Қадамҳои пешкоркарди мембранаи мубодилаи протонӣ ва парвариши микробӣ дар ин таҳқиқот ба таври муфассал такроран дода нашуда, ба кори қаблан нашршудаи муҳаққиқон ҳавола шудаанд. Ин ҳолат аз нигоҳи бозсозии пурраи таҷриба танҳо бо истифода аз матни асосии таҳқиқшуда як камбуди ҷузъиёти методӣ мебошад.

Истеҳсоли барқ чӣ гуна чен шудааст?

Шиддати баромад дар зери муқовимати берунии доимии 1000 Ω пайваста сабт шудааст. Зичии ҷараён ва зичии қувва бо дарназардошти масоҳати фаъоли анод ҳисоб шудаанд:

\[ I_v=\frac{U}{S R} \]

\[ P_v=\frac{U^2}{S R} \]

Дар ин ҷо \(U\) шиддат, \(S\) масоҳати фаъоли анод ва \(R\) муқовимати беруниро ифода мекунад.

NPC-MFC дар истеҳсоли шиддат чӣ гуна рафтор кардааст?

NPC-MFC ба шиддати максималии баромади 643,3 mV расидааст. Вақти расидан ба шиддати максималӣ танҳо 4,8 рӯз дода шудааст. Дар муқоиса, NCOC-MFC дар 25,1 рӯз ва CC-MFC дар 22,1 рӯз ба максимуми худ расидааст.

Шиддати максималии NCOC-MFC дар 398,2 mV мондааст, дар ҳоле ки CC-MFC қуллаи 614,7 mV нишон дода, баъдан шиддаташ тадриҷан паст шудааст. Системаи NPC бо ҳамон маҳлули реаксия то рӯзи 60-ум кор карда шудааст. Азбаски дар бахши натиҷа арзиши “steady-state operation time” барои NPC алоҳида 30 рӯз дода шудааст, вақти умумии 60-рӯзаи кор ва вақти кори устувори 30-рӯза набояд як мафҳум ҳисобида шаванд.

Бузургтарин фарқ дар зичии қувва чист?

Дар шароити оби партови омехта зичии максималии қувваи NPC-MFC 1412,9 mW/m² аст. Ҳамин арзиш барои NCOC-MFC 196,2 mW/m² ва барои CC-MFC 526,8 mW/m² мебошад. Муҳаққиқон арзиши NPC-ро тақрибан 7,2 баробари NCOC ва тақрибан 2,7 баробари CC гузориш мекунанд.

Шиддатҳои занҷири кушода хеле наздиктаранд: NPC-MFC 739,7 mV, NCOC-MFC 722,2 mV ва CC-MFC 726,8 mV. Ин ҳолат нишон медиҳад, ки фарқи калон дар зичии максималии қувва танҳо бо шиддати занҷири кушода шарҳ дода намешавад; поляризатсия ва муқовиматҳои интиқоли электрон дар дохили система аҳамият доранд.

Натиҷаҳои муқовимати дохилии зоҳирӣ чиро нишон додаанд?

Муқовимати дохилии зоҳирии 155 Ω-и NPC-MFC пасттарин арзиш миёни се система мебошад. Ҳангоми арзёбӣ бо графикҳои зичии қувва/поляризатсия, ин натиҷа нишон медиҳад, ки дар системаи дорои аноди NPC талафоти умумии маҳдудкунандаи ҷараёни электрон пасттаранд.

Таҳлили EIS дар бораи интерфейси анод–биофилм чиро нишон додааст?

Спектроскопияи импеданси электрохимиявӣ (EIS) дар диапазони басомади 0,01 Hz–100 kHz ва бо амплитудаи 5 mV анҷом дода шуда, додаҳо бо ZView тавассути занҷири эквивалентӣ мутобиқ карда шудаанд.

Муқовиматҳои омӣ барои се электрод ба ҳам наздиканд: NCOC 2,7 Ω, NPC 2,4 Ω ва CC 3,0 Ω. Дар муқобил, дар муқовимати интиқоли заряд фарқи калон дида мешавад. Барои NPC 7,9 Ω ва барои CC 75,7 Ω гузориш шудааст. Муқовимати интиқоли заряди NCOC дар оби партови омехта бошад 129,4 Ω дода шудааст.

Дар графики Nyquist-и CC-и бепӯшиш ду раванди релаксатсионии нимдоирашакл дида мешавад, аммо дар NPC ва NCOC ҳамин хусусият равшан нест. Муҳаққиқон компоненти басомади баландро дар CC бо интиқоли заряди электрод–биофилм, компоненти басомади миёна/пастро бошад бо ҳаракати ионҳо дар дохили биофилм, иқтидори тақсимшуда ва интиқоли масса пайваст мекунанд.

Нимдоираи хурд дар NPC ҳамчун интиқоли тезтари заряд тафсир шудааст. Муқовимати калон дар NCOC бошад бо механизмҳои эҳтимолӣ, аз қабили қисман пӯшидани сатҳ аз ҷониби зарраҳои органикӣ/ғайриорганикӣ дар оби партови омехта ва имкони ташаккули таҳшинҳои гидроксид/карбонати металл дар шароити суст ишқорӣ, шарҳ дода мешавад. Инҳо тафсирҳои механизми муҳаққиқонанд; миқдори таҳшин дар дохили ин таҳқиқот бо таҳлили алоҳидаи массаи сатҳ ба таври ададӣ дода нашудааст.

Оё таҳлили Tafel бартарии аноди Ni–P-ро дастгирӣ мекунад?

Зичии ҷараёни мубодилаи NPC тақрибан 26,7 баробари CC мебошад. Муҳаққиқон инро ҳамчун нишондиҳандаи интерфейси мусоидтар барои интиқоли электрон байни биофилм ва электрод ва фаъолнокии баландтари биоэлектрокаталитикӣ тафсир мекунанд.

Оё беҳтарин истеҳсоли барқ маънои беҳтарин хориҷкунии COD-ро дорад?

Не. Яке аз нуқтаҳои муҳими натиҷаҳо он аст, ки бозёфти энергия ва хориҷкунии моддаи органикӣ бо як тартиб ҳаракат намекунанд.

NCOC-MFC дар ҳоле ки баландтарин хориҷкунии COD-ро таъмин кардааст, системаест, ки пасттарин зичии максималии қувваро истеҳсол кардааст. Муҳаққиқон пешниҳод мекунанд, ки сатҳи ноҳамвортари NCOC метавонад барои микроорганизмҳои гуногуни табдилдиҳандаи моддаи органикӣ ҷойҳои бештар барои часпидан фароҳам кунад.

NPC-MFC бошад, бо вуҷуди хориҷкунии камтари COD, самаранокии хеле баландтари Coulomb нишон додааст. Самаранокии Coulomb нишон медиҳад, ки аз электронҳое, ки аз моддаи органикии истеъмолшуда назариявӣ озод шуда метавонанд, чӣ қадар ба заряди барқии ченшаванда дар занҷири беруна табдил ёфтааст. Аз ин рӯ, равона шудани қисми калонтарини бори органикии истеъмолшуда ба истеҳсоли барқ дар NPC аз ҷониби таҳқиқот яке аз бартариҳои асосӣ арзёбӣ мешавад.

Оё омехта кардани обҳои партов воқеан синергия ба вуҷуд овардааст?

Ба натиҷа танҳо бо нишон додани маводи анод ҷавоб додан мумкин аст.

Аз нигоҳи NPC, оби партови омехта таъсири мусбати қавӣ нишон додааст. Зичии максималии қувва нисбат ба ALL тақрибан 3,7 баробар ва нисбат ба SGFW тақрибан 3,2 баробар афзудааст. Муқовимати дохилӣ низ аз арзишҳои 583,3 ва 396,7 Ω дар обҳои партови ҷудогона ба 155 Ω дар системаи омехта паст шудааст.

Барои CC-и бепӯшиш оби партови омехта зичии максималии қувваро нисбат ба SGFW аз 55,7 то 526,8 mW/m² баланд кардааст; муҳаққиқон инро ҳамчун афзоиши тақрибан 9,5 баробар ифода кардаанд. Бо вуҷуди ин, самаранокии Coulomb-и CC дар системаи омехта аз арзиши %15,1 дар ALL нагузашта, дар %9,0 мондааст.

Барои NCOC натиҷа баръакс аст. Дар оби партови омехта хориҷкунии COD бо 1103,4±69,3 mg/L боло рафтааст, аммо зичии максималии қувва ба 196,2 mW/m² паст шудааст. Аз ин рӯ, қобилияти NCOC барои табдилдиҳии моддаи органикӣ дар муҳити омехта ба истеҳсоли барқ ба ҳамон андоза инъикос наёфтааст.

Аз ин рӯ, натиҷаи “синергия”-и таҳқиқот на ҳамчун беҳтар шудани ҳамзамони ҳамаи метрикҳои самаранокӣ, балки ҳамчун бартарии тозакунии муштараки вобаста ба электрод хонда шавад.

Биофилми рӯи NPC чиро нишон медиҳад?

Пас аз таҳқиқот аноди NPC бо микроскопи электронии сканерӣ таҳқиқ шудааст. Дар тасвирҳои SEM гузориш шудааст, ки сатҳ бо биофилми зич ва компакт пӯшонида шуда, минтақаҳои кушода маҳдуданд ва ҷамъшавии зарраҳои сахт кам ба назар мерасад.

Дар калонкуниҳои баландтар дида шудааст, ки шумораи зиёди микроорганизмҳои асошакл дар дарозои нахҳои карбон ба ҳам пайваста ҷойгир шудаанд. Муҳаққиқон тафсир мекунанд, ки сатҳи ноҳамвортари ба воситаи пӯшиши Ni–P ҳосилшуда часпиши микробиро дастгирӣ мекунад ва ба истифодаи муассири минтақаҳои электроактивӣ аз ҷониби биофилм мусоидат мекунад.

Ҷомеаи микробӣ чӣ гуна таҳлил шудааст?

Ҷомеаи биофилм дар платформаи Illumina MiSeq PE300 бо пайдарпайкунии баландсамар таҳқиқ шудааст. Барои афзоиш додани минтақаи бактериявии 16S rRNA праймерҳои 338F ва 806R истифода шудаанд.

Аз намунаи аноди NPC беш аз 30.000 секанси эътиборнок ба даст омада, индекси фарогирӣ аз 0,99 баландтар гузориш шудааст.

Дар сатҳи филум кадом микроорганизмҳо ҳукмронанд?

Муҳаққиқон фаровонии умумии филумҳоеро, ки бо микроорганизмҳои электроактивӣ пайваст кардаанд, %97,4 ҳисоб кардаанд. Ин арзиши %97,4 ба таснифи фаровонии таксономӣ дар додаҳои пайдарпайкунӣ бо дониши функсионалии адабиёт асос меёбад; он ченкунии мустақими электрохимиявии фаъолияти интиқоли электрони ҳар як ҳуҷайра нест.

Ҷомеаи ҳукмрон дар сатҳи синф ва ҷинс чист?

Дар сатҳи синф Desulfuromonadia бо %57,14 ҳукмрон аст. Gammaproteobacteria %17,02, Clostridia %8,58, Bacteroidia %8,23 ва Bacilli %5,48 дода шудаанд.

Дар сатҳи ҷинс гурӯҳи ҳукмронтарин Desulfuromonas %47,13 аст. Пас аз он Marinospirillum %8,58, Geoalkalibacter %6,86, Alkalibacter %5,29 ва Acholeplasma %5,05 меоянд.

Муҳаққиқон қобилияти интиқоли электрони берунҳуҷайравии Desulfuromonas-ро бо истеҳсоли баланди барқи NPC-MFC пайваст мекунанд. Хусусиятҳои галофилӣ ё ба намак тобовари Marinospirillum бошад ҳамчун интихоби ҷомеа, ки бо муҳити шӯрии баланди SGFW мувофиқ аст, тафсир мешаванд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Дар оби партови омехтаи таҳқиқшуда аноди NPC-и бо Ni–P пӯшонидашуда нисбат ба NCOC ва CC-и бепӯшиш баландтарин зичии максималии қувваро истеҳсол кардааст.
• Зичии максималии қувваи NPC-MFC 1412,9 mW/m² ва шиддати максималии баромадаш 643,3 mV аст.
• Муқовимати дохилии зоҳирии NPC-MFC бо 155 Ω пасттарин арзиш дар байни се системаи оби партови омехта мебошад.
• Муқовимати интиқоли заряди аноди NPC 7,9 Ω ва зичии ҷараёни мубодила 4,0×10⁻² mA/cm² чен шудааст.
• Самаранокии Coulomb-и NPC бо %38,0±1,4 аз ду MFC-и дигари оби партови омехта, ки муқоиса шудаанд, баландтар аст.
• NCOC-MFC бо 1103,4±69,3 mg/L баландтарин миқдори хориҷкунии COD-ро дар байни се системаи оби партови омехта нишон додааст.
• Таъсири якҷо кардани обҳои партов вобаста ба маводи анод тағйир кардааст; беҳтаршавии универсалӣ дар ҳамаи метрикҳо дида нашудааст.
• Дар биофилми NPC Desulfobacterota, Desulfuromonadia ва Desulfuromonas фаровонии нисбии баланд нишон додаанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Натиҷаҳои лабораторӣ исбот намекунанд, ки дар иншооти пурмиқёси тозакунии оби партов ҳамон самаранокӣ ба даст меояд.
• Зичии қувваи 1412,9 mW/m² маънои истеҳсоли холиси барқ ё изофаи энергия дар як иншоотро надорад.
• Баланси холиси энергия бо дарназардошти масрафи энергия барои насос, омехтакунӣ, истеҳсоли электрод ва дигар системаҳои ёрирасон ҳисоб нашудааст.
• Талафи дарозмуддати маводи электроди Ni–P, ихроҷи никел ё устувории давраҳои хеле дароз арзёбӣ нашудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки омехтаи оби партов дар ҳамаи таркибҳои SGFW ва ALL ҳамон синергияро ба вуҷуд меорад.
• Азбаски дар манбаъ профилҳои ададии шӯрӣ, аммоний ва металлҳои вазнин пурра дода нашудаанд, ҳамаи қадамҳои химиявии механизми пешниҳодшудаи суюлкунӣ ба таври ададӣ тасдиқ нашудаанд.
• Фаровонии таксономии %97,4 ченкунии функсионалии якҳуҷайравӣ нест, ки нишон диҳад ҳамаи ин ҳуҷайраҳо ҳамзамон барқ истеҳсол мекунанд.
• Физибилити иқтисодӣ, миқёси пилотӣ ва татбиқи воқеии саҳроӣ дар ин таҳқиқот тасдиқ нашудаанд.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Параметрҳои асосии системаи таҷрибавӣ

Параметрҳои омодасозии электрод

Натиҷаҳои асосии электроэлектрикӣ дар оби партови омехта

Муомилаи байни истеҳсоли барқ ва хориҷкунии ифлоскунанда

Таҳқиқот равшан нишон медиҳад, ки MFC-ро танҳо бо нигоҳ ба зичии максималии қувва ҳамчун “беҳтарин тозакунанда” интихоб кардан мумкин нест. Дар ҳоле ки муқовимати пасти интиқоли заряд ва зичии баланди ҷараёни мубодилаи аноди NPC дар интиқоли электронҳо ба занҷири беруна бартарӣ медиҳад, пешниҳод мешавад, ки дар сатҳи NCOC микроорганизмҳои гуногуни табдилдиҳандаи моддаи органикӣ ҷойҳои бештар дошта метавонанд ва ин метавонад хориҷкунии COD-ро зиёд кунад.

Аз ин рӯ, NPC бештар дар самти бозёфти электрон ва истеҳсоли барқ, NCOC бошад дар таҷрибаи мавҷуда дар самти хориҷкунии умумии COD бартарӣ нишон додааст. Ин ду ҳадаф бояд дар тарҳи раванд алоҳида арзёбӣ шаванд.

Робитаи натиҷаҳои микробӣ бо механизм

Самаранокии баланди Coulomb-и NPC ва фаровонии баланди Desulfuromonadia ва Desulfuromonas дар ҳамон система мушоҳида шудаанд. Муҳаққиқон ин сохтори ҷомеаро аз нигоҳи интиқоли электрони берунҳуҷайравӣ муфид арзёбӣ мекунанд.

Бо вуҷуди ин, таҳқиқот таҷрибаи назоратшудаи колонизатсия анҷом надодааст, ки исбот кунад пӯшиши Ni–P як намудро мустақиман дар сатҳи молекулавӣ интихоб мекунад. Ҷомеаи мушоҳидашуда натиҷаи якҷояи сатҳи электрод ва матритсаи оби партови омехта, шӯрӣ, сулфат ва дигар фишорҳои интихоби муҳитӣ мебошад.

Нуқтаҳои нокифоя аз ҷиҳати бозтавлидшавӣ

Гарчанде таҳқиқот параметрҳои синтези электродро муфассал медиҳад, баъзе ҷузъиёти кори биологии MFC дар матни асосӣ ба таҳқиқоти қаблӣ ҳавола шудаанд. Пешкоркарди мембрана ва протоколи парвариши микробӣ дар ин ҷо пурра такрор нашудааст.

Илова бар ин, дар бахши методи ин версия шарҳ дода нашудааст, ки ба намунаи “combined wastewater with nutrients” кадом ғизоҳо дар кадом консентратсия илова шудаанд.

Ҳарчанд натиҷаҳои COD ва самаранокии Coulomb бо арзишҳои ± дода шудаанд, дар матни асосии таҳқиқшуда шумораи такрорҳои таҷрибавӣ, муқоисаҳои омории ба p-арзиш асосёфта ё ҳадди аҳамиятнокии пешакӣ муайяншуда равшан гузориш нашудааст. Аз ин рӯ, фарқҳои ададии байни гурӯҳҳо бояд ҳамон тавре ки дар манбаъ нишон дода шудаанд, пешниҳод шаванд ва даъвои иловагии аҳамиятнокии оморӣ, ки гузориш нашудааст, сохта нашавад.

Аз ҷиҳати калонкунии миқёс чӣ маълум нест?

Ҳуҷайраҳои таҷрибавӣ аз камераҳои 500 mL иборатанд. Таҳқиқот реактори пилотии ҷараёни пайваста, стеки бисёрҳуҷайравии модулии MFC ё системаи тозакунии миқёси метри мукааб насохтааст.

Дар татбиқи воқеӣ параметрҳо монанди арзиши электрод, устувории пӯшиши Ni–P, ифлосшавии мембрана, вақти нигоҳдории гидравликӣ, энергияи насос ва омехтакунӣ, давраи ивазкунии электрод, пайдоиши лойи партов ва сифати оби баромади ниҳоӣ бояд алоҳида арзёбӣ шаванд.

Муҳаққиқон низ равшан қайд мекунанд, ки барои калонкунии миқёс ва татбиқи амалии MFC-ҳои бо NPC тағйирдодашуда дар тозакунии оби партови омехта таҳқиқоти бештар лозим аст.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи кори аслӣ: Synergistic performance of nickel-based anode microbial fuel cells for the treatment of shale gas flowback wastewater and aged landfill leachate

Муаллифон ва тартиб дар версияи таҳқиқшуда: Yi Xiao; Zhengxin Yang; Suli Zou; Yu Hao; Longjun Xu; Chenglun Liu.

Ҳамсаҳмӣ/муаллифи якуми баробар: Дар версияи таҳқиқшуда изҳороти муаллифи якуми баробар ё ҳамсаҳмӣ вуҷуд надорад.

Муаллифони масъул: Longjun Xu ва Chenglun Liu.

Почтаҳои электронии муаллифони масъул: Longjun Xu — xulj@cqu.edu.cn; Chenglun Liu — xlclj@cqu.edu.cn.

Муассисаҳо: State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; Science and Technology Department, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China; College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 401331, China.

Навъи манбаи таҳқиқшуда: Preprint-и таҳқиқоти таҷрибавии миқёси лабораторӣ, ки бо истифода аз намунаҳои воқеии SGFW ва ALL дар ҳуҷайраҳои сӯзишвории микробии дорои анодҳои никелӣ истеҳсоли барқ, хориҷкунии оби партов, рафтори электрохимиявӣ ва ҷомеаи микробиро меомӯзад.

Ҳолати рецензия: Версияи SSRN 6934127-и таҳқиқшуда preprint-и аз рецензия нагузашта мебошад. Версияи баъдии рецензияшудаи таҳқиқот дар маҷаллаи Bioelectrochemistry нашр шудааст. Маълумоти илмӣ дар ин мақолаи Додаҳоanla аз версияи preprint-и боршуда гирифта шудааст; ҷузъиёти илмии ду версия бе дидани матни пурраи рецензияшуда якҷоя карда нашудаанд.

Платформаи preprint-и таҳқиқшуда: SSRN.

Рақами сабти SSRN-и таҳқиқшуда: 6934127.

DOI-и preprint-и таҳқиқшуда: 10.2139/ssrn.6934127.

Санаи нашри версияи SSRN-и таҳқиқшуда: 13 июн 2026.

Пайванди расмии preprint:SSRN 6934127

Версияи кӯҳнатари preprint: Дар SSRN барои ҳамин таҳқиқот версияи 30-саҳифагии SSRN 6136206 аз 26 январ 2026 низ мавҷуд аст; DOI-и он 10.2139/ssrn.6136206 мебошад.

Нашри рецензияшуда: Bioelectrochemistry, Volume 173, 2027, Article 109401; санаи нашри онлайн 22 июл 2026.

DOI-и нашри рецензияшуда: 10.1016/j.bioelechem.2026.109401.

Ношири нашри рецензияшуда: Elsevier.

Пайванди расмии версияи рецензияшуда:10.1016/j.bioelechem.2026.109401

Номувофиқии метамаълумоти библиографӣ: Дар манбаи 37-саҳифагии боршуда муаллифи сеюм Suli Zou мебошад. Дар метамаълумоти вебии SSRN 6934127 майдони муаллифи сеюм ҳамчун “Xiaoxuan Liu” намоён аст, дар ҳоле ки сабти кӯҳнатари SSRN 6136206 ва таҳқиқоти боршуда Suli Zou-ро нишон медиҳанд. Аз ин рӯ, номи Suli Zou дар ҳуҷҷати манбаъ нигоҳ дошта шудааст ва фарқи метамаълумот хомӯшона якҷоя карда нашудааст.

Манбаъҳои оби партов: ALL — Changshengqiao landfill, Chongqing; SGFW — Xing'ao shale gas field treatment station mixing tank, Nanchuan, Chongqing.

Сохтори таҷриба: MFC-и H-навъи дукамерадор бо ҳаҷми 500 mL/камера, мембранаи мубодилаи протонии Nafion 117, масоҳати фаъоли анод 6 cm², катоди матои карбонӣ; муқоисаи анодҳои NCOC, NPC ва CC.

Бозёфти асосии калидӣ: Дар шароити омехтаи SGFW+ALL, NPC-MFC шиддати максималии баромади 643,3 mV, зичии максималии қувваи 1412,9 mW/m², муқовимати дохилии зоҳирии 155 Ω ва самаранокии Coulomb-и %38,0±1,4 нишон додааст. Баландтарин хориҷкунии COD бошад дар NCOC-MFC бо 1103,4±69,3 mg/L чен шудааст.

Сарҳади тафсири синергия: Тозакунии муштараки обҳои партов дар ҳамаи анодҳо ва ҳамаи метрикҳои самаранокӣ беҳтаршавии универсалӣ ба вуҷуд наовардааст. Истеҳсоли барқ ва самаранокии Coulomb-и NPC ба таври равшан беҳтар шуд, аммо истеҳсоли барқи NCOC дар оби партови омехта нисбат ба шароити обҳои партови ҷудогона паст шуд, дар ҳоле ки хориҷкунии COD боло рафт.

Таҳлили микробӣ: Барои биофилми NPC пайдарпайкунии баландсамари 16S rRNA анҷом дода шуда, беш аз 30.000 секанси эътиборнок ва >0,99 coverage гузориш шудааст. Дар сатҳи филум Desulfobacterota бо %57,4, дар сатҳи синф Desulfuromonadia бо %57,14 ва дар сатҳи ҷинс Desulfuromonas бо %47,13 ҳамчун ҳукмрон гузориш шудаанд.

Маълумоти методии нокифоя: Пешкоркарди мембранаи мубодилаи протон ва тартиби парвариши микробӣ ба таҳқиқоти қаблӣ ҳавола шудааст. Барои “оби партови омехта бо иловаи ғизо” таркиб ва миқдори ғизоҳо дар ин матни асосӣ дода нашудааст. Ҳамчунин ҷадвали оби партов арзишҳои ададии шӯрӣ, аммоний, сулфат ва металлҳои вазнинро дар бар намегирад.

Сарҳади гузориши оморӣ: Баъзе додаҳои COD ва CE дар шакли миёна±паҳншавӣ пешниҳод шудаанд, аммо дар матни асосӣ шумораи такрорҳои таҷрибавӣ ва p-арзиш/ҳадди аҳамиятнокии равшан барои инференси байни гурӯҳҳо гузориш нашудааст. Аз ин рӯ, дар ин ҷо даъвои аҳамиятнокии оморӣ, ки дар манбаъ нест, сохта нашудааст.

Маблағгузорӣ: National Natural Science Foundation of China, Grant No. 52174157; Chongqing Municipal Primary and Secondary School Innovative Talent Cultivation Project Program, CY250115.

Саҳмҳои муаллифон тибқи CRediT: Yi Xiao — Investigation, Writing-original draft; Zhengxin Yang — Investigation, Formal analysis; Suli Zou — Visualization, Data Curation; Yu Hao — Data curation, Validation; Longjun Xu — Supervision, Writing-review & editing, Funding acquisition; Chenglun Liu — Resources, Funding acquisition.

Ихтилофи манфиатҳо: Дар версияи таҳқиқшуда изҳороти алоҳида ва равшани ихтилофи манфиатҳо ошкор нашудааст.

Дастрасии додаҳо: Дар версияи таҳқиқшуда изҳороти алоҳидаи дастрасии додаҳо ошкор нашудааст.

Литсензия: Дар версияи таҳқиқшуда литсензияи кушоди Creative Commons ё баробар барои истифодаи такрорӣ ошкор нашудааст. Аз ин рӯ, тасвирҳои SEM ва графикҳои аслӣ дар ин ҷо айнан бознашр нашуда, додаҳои илмӣ бо ҷадвалҳои бозсохташуда пешниҳод шудаанд.

Сарҳади миқёс: Бозёфтҳо ба MFC-ҳои дукамерадори 500 mL дар миқёси лабораторӣ тааллуқ доранд. Иншооти пилотӣ, тозакунии пайвастаи пурмиқёс, баланси холиси энергия, физибилити иқтисодӣ ва устувории дарозмуддати мавод дар ин таҳқиқот тасдиқ нашудаанд.

Принсипи муҳтавои илмӣ: Шароитҳои таҷрибавӣ, арзишҳои электрохимиявӣ, натиҷаҳои COD, самаранокиҳои Coulomb, бозёфтҳои биофилм ва ҷомеаи микробӣ дар ин матни Додаҳоanla ба версияи 37-саҳифагии SSRN 6934127-и боршуда асос меёбанд. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи ҳувияти библиографӣ, таърихи версияҳо ва нашри баъдии рецензияшуда истифода шудаанд.