La déshydratation améliorée des boues par un amidon

Apr 28, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 402 (2023) Citer cet article

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La coagulation/floculation est l'une des méthodes de prétraitement les plus largement utilisées et les plus rentables pour améliorer la déshydratation des boues. Dans cette étude, un floculant à base d'amidon modifié cationique (St-CTA) en conjonction avec une argile populaire, l'attapulgite (ATP), a été utilisé pour le conditionnement des boues activées par les déchets. Les propriétés de déshydratation, y compris la teneur en humidité du gâteau de filtration, la résistance spécifique à la filtration, le temps d'aspiration capillaire, le taux de filtration et le coefficient de compressibilité, ont été mesurées et comparées en faisant varier les doses de St-CTA et d'ATP. En combinant la performance de déshydratation apparente et les changements dans le contenu et la distribution des fractions et composants de la substance polymère extracellulaire (EPS), des flocs de boues et des microstructures des gâteaux de boues, les mécanismes de déshydratation ont été discutés en détail. Le St-CTA en conjonction avec l'ATP peut présenter une déshydratation améliorée des boues et la teneur en eau dans le gâteau de boue final peut être réduite de manière stable en dessous de 80% en raison des effets synergiques du St-CTA et de l'ATP. En plus de la neutralisation efficace de la charge du St-CTA, l'ATP agit non seulement comme un constructeur de squelette dans le processus de déshydratation des boues, ce qui rend les flocs de boues plus compacts et améliore la filtrabilité et la perméabilité, mais interagit également étroitement avec les protéines dans l'EPS des boues, ce qui réduit la teneur en protéines et améliore encore l'effet de déshydratation. Cette étude fournit un moyen économique, écologique et efficace d'améliorer encore la déshydratation des boues.

Ces dernières années, avec l'amélioration constante de l'économie mondiale, l'ampleur du traitement de l'eau et des eaux usées a considérablement augmenté et, par conséquent, le rejet de boues en tant que sous-produit du traitement des eaux usées connaît une croissance constante1. Cependant, les boues brutes contiennent généralement plus de 95 % d'eau2, dont le volume important entraîne des coûts de transport et d'élimination élevés3. Il est donc primordial de réduire le volume des boues par les procédés de déshydratation pour leur traitement efficace4.

Les boues sont généralement conditionnées par des prétraitements avant le pressage mécanique pour séparer efficacement l'eau des boues5. Les prétraitements des boues, comprenant principalement la coagulation/floculation, l'oxydation, l'acidification, la construction du squelette, le conditionnement par micro-ondes et ultrasons, peuvent convertir l'eau adsorbée en surface et l'eau hydratée interne en eau libre, dans laquelle la coagulation/floculation est largement utilisée dans les stations d'épuration en raison de sa simplicité et de son efficacité6. Les coagulants et floculants traditionnels, tels que le chlorure de polyaluminium, le sulfate polyferrique et le polyacrylamide cationique (PAM), ont été largement utilisés car ils peuvent efficacement agréger les particules de boue et réaliser la séparation solide-liquide6. Cependant, les ions métalliques résiduels et les monomères hautement toxiques de ces coagulants et floculants traditionnels peuvent entraîner des risques environnementaux potentiels7. De plus, la coagulation/floculation traditionnelle est difficile à réaliser une déshydratation complète car les matières organiques hautement hydratées dans les boues telles que la substance polymère extracellulaire (EPS), liant de grandes quantités d'eau, étaient difficiles à détruire pour libérer complètement l'eau liée et intracellulaire8,9. En outre, les gâteaux de boues hautement compressibles se compacteraient complètement sous la pression mécanique élevée, entraînant la destruction des canaux de drainage, la réduction de la filtrabilité et l'empêchement de l'eau liée interne d'être complètement drainée6,10,11. Par conséquent, la coagulation/floculation utilisée seule est difficile à répondre aux exigences élevées de la déshydratation des boues, et un procédé de conditionnement combiné efficace et respectueux de l'environnement avec d'autres prétraitements peut notamment améliorer la déshydratation des boues1,6,12,13.

Les processus de conditionnement couramment combinés comprenaient l'acidification-coagulation12, l'oxydation-coagulation13 et le processus combiné de coagulation et de construction de squelette1. Parmi elles, l'acidification-coagulation et l'oxydation-coagulation peuvent effectivement détruire l'EPS et libérer l'eau intracellulaire mais ne peuvent pas améliorer la filtrabilité des gâteaux de boues14. Le procédé de combinaison de la coagulation et des constructeurs de squelette est basé sur la coagulation et l'ajout de certains constructeurs de squelette, en tant qu'auxiliaires de filtration, pour conditionner les boues5. Certains constructeurs de squelette, tels que la bentonite, les cendres volantes et les cendres de biomasse, sont largement disponibles et peu coûteux, en outre, contiennent des niveaux élevés de SiO2 avec une bonne résistance mécanique4,15,16,17. Avec l'appui des constructeurs de squelettes, le gâteau de boues contient une microstructure rigide et poreuse même sous une pression mécanique élevée, réduisant la compressibilité des boues, permettant à l'eau contenue dans les gâteaux de boues de s'écouler facilement, et améliorant ainsi la perméabilité et la résistance mécanique des boues pour atteindre une haute teneur en solides dans les boues (> 30 % de volume de boues sèches)4,15,16,17. Le procédé de combinaison de coagulation et de constructeur de squelette présente ainsi les avantages d'une performance à coût élevé et d'une facilité d'utilisation par l'ajout direct de floculants et de constructeurs de squelette sans aucun ajustement6,7 ; en outre, les structures poreuses et rigides des constructeurs de squelette peuvent facilement modifier la compressibilité des boues et améliorer encore les performances de déshydratation des boues grâce à ce processus de combinaison.

L'amidon fait partie des polysaccharides écologiques et peu coûteux18. Dans ce travail, un floculant à base d'amidon cationique éthérifié à haute densité de charge, à savoir le chlorure d'amidon-3-chloro-2-hydroxypropyltriméthylammonium (St-CTA), a été synthétisé19, sur lequel les groupements cationiques ammonium quaternaire peuvent également endommager efficacement les structures cellulaires et interagir avec l'EPS. Le St-CTA a ainsi montré un effet notable sur la déshydratation des boues selon des rapports antérieurs13,19. En outre, certaines argiles, telles que la montmorillonite et le kaolin, ont été confirmées comme des constructeurs de squelette efficaces en combinaison avec divers floculants pour un conditionnement efficace des boues17,20. L'attapulgite (ATP), une argile populaire en Chine, présente les caractéristiques d'une surface spécifique élevée, d'une structure rigide et poreuse et de bonnes propriétés d'adsorption sur de nombreuses matières organiques21,22. ATP, en tant que constructeur de squelettes, était donc ici en collaboration avec St-CTA. Les performances de déshydratation de leurs utilisations combinées pour les boues activées par les déchets avec différentes séquences de dosage et divers rapports de dosage ont été évaluées en termes de résistance spécifique de filtration (SRF), de teneur en humidité du gâteau de filtration (FCMC), de temps de filtration (TTF), de propriétés de floculation et de microstructures des gâteaux de boue. Les changements dans la distribution et la composition de l'EPS des boues conditionnées ont été étudiés par rapport à l'efficacité de déshydratation finale. Les mécanismes synergiques du St-CTA et de l'ATP ont également été discutés en détail. Ce travail propose donc une nouvelle méthode économique de conditionnement combiné pour la déshydratation des boues.

Avant l'expérience de déshydratation, les effets de trois séquences de dosage différentes utilisant de l'ATP broyé ou non broyé sur la déshydratation des boues, c'est-à-dire de l'ATP dosé avant, ensemble ou après St-CTA, ont été étudiés et comparés dans un premier temps, comme le montrent les informations complémentaires. S1, S2. Selon la Fig. S1, le FCMC et le SRF des boues après conditionnement par cette combinaison n'avaient aucune différence évidente sous les trois séquences de dosage différentes. Cependant, le St-CTA dosé avant l'ATP a montré des performances de déshydratation légèrement meilleures avec l'augmentation de la dose d'ATP, par laquelle le FCMC et le SRF optimaux étaient d'environ 79, 50% et 0, 30 × 1012 m / kg, respectivement, à la dose d'ATP d'environ 10, 00 kg / m3 (Fig. S1e – f). Cette découverte pourrait être due au fait que l'ATP pourrait facilement se combiner avec les flocs de boues primaires formés par le St-CTA précédemment alimenté pour améliorer la filtrabilité et la perméabilité des gâteaux de boues finaux. De même, les informations complémentaires Fig. S2 ne montrent aucun changement notable dans le FCMC et le SRF des boues en utilisant de l'ATP broyé ou non broyé avec une taille moyenne de particules d'environ 8,577 μm et 18,107 μm respectivement (Fig. S2g). Cependant, une légère meilleure performance de déshydratation a été obtenue en utilisant de l'ATP non broyé lorsque la dose d'ATP a augmenté à 10,00 kg/m3 (Fig. S2e–f). En conséquence, le processus de conditionnement de l'ATP non broyé alimenté après St-CTA était très efficace et pratique, qui a donc été appliqué dans les expériences de déshydratation suivantes.

Les différents procédés de conditionnement avec différentes doses de St-CTA et d'ATP, nommés CS-ATP1-CS-ATP19, ont été conduits sur les boues et leurs performances de déshydratation sont présentées dans les Fig. 1, 2, tableau 1 et informations complémentaires Figs. S3–S5. Selon les Fig. 1, 2, tableau 1 et informations complémentaires Figs. S3–S5, les performances de déshydratation des boues conditionnées avec du St-CTA individuellement se sont évidemment améliorées, en particulier à faible dose, mais ont atteint un plateau lorsque le St-CTA a été dosé à la dose optimale de 16,00 mg/gTSS ou même se sont détériorées après les doses optimales, en particulier, le FCMC est passé de 97,86 à 82,52 %, le SRF était de 4,10 × 1012 à 0,57 × 1012 m/kg , le CST était de 50,6 à 10,1 s, le TTF était de 320 à 53 s, les coefficients de compressibilité étaient de 1,26 à 1,02, le volume de filtrat était de 32,1 à 95,0 mL et le débit de filtration était de 0,2546 à 1,4218 m3/(m2 h) à la dose optimale. Cette découverte a confirmé que la naturalisation de la charge de St-CTA était cruciale pour le processus de conditionnement des boues et que les charges positives excessives pourraient conduire à la restabilisation des dispersions colloïdales des boues (CS-ATP5, CS-ATP10 et CS-ATP15, Fig. 3)6,23,24. En outre, le St-CTA, un matériau à base de polysaccharides avec une structure en chaîne rigide, pouvait encore agir comme un constructeur squelettique pour construire des canaux de drainage, ce qui était propice au ruissellement de l'eau et donc à l'amélioration de la déshydratation des boues6. Basé sur les Fig. 1, 2, tableau 1 et informations complémentaires Figs. S3–S5, les performances de déshydratation des boues conditionnées avec du St-CTA en conjonction avec diverses doses constantes d'ATP ont toutes été améliorées et ont montré des schémas similaires à ceux avec uniquement du St-CTA en raison des effets synergiques du St-CTA et de l'ATP.

Les performances de déshydratation des boues du St-CTA en conjonction avec l'ATP en utilisant différentes doses : (a) FCMC, (b) SRF, (c) CST et (d) TTF.

Les coefficients de compressibilité des boues conditionnées par le St-CTA en association avec l'ATP à différentes doses.

Les potentiels zêta des surnageants de boues conditionnés par le St-CTA en association avec l'ATP à différentes doses.

Figures 1, 2, tableau 1 et informations complémentaires Figs. S3 – S5 montrent que l'effet de conditionnement de l'ATP utilisé uniquement était assez limité (CS-ATP1 – CS-ATP4) en raison de l'ATP avec une charge de surface négative (Fig. 3), ce qui était cohérent avec les rapports précédents1,4. Cependant, l'ATP dosé après le St-CTA pourrait encore améliorer les performances de déshydratation du St-CTA, en particulier le FCMC réduit de 82,52 à 76,99 % et les coefficients de compressibilité de 1,02 à 0,79 conditionnés par 16,00 mg/g de TSS de St-CTA en conjonction avec une dose optimale d'ATP de 14,00 kg/m3 (CS-ATP14, Fig. 1, Tableau 1). Lorsque la dose d'ATP augmentait encore, l'amélioration des performances de déshydratation était assez limitée (Informations complémentaires Fig. S6), mais la masse de boue résultante augmentait en conséquence constamment. De plus, l'ATP dosé après le St-CTA pourrait aussi évidemment atténuer l'effet de restabilisation6,23,24. Lorsque St-CTA a été surdosé à la dose de 26,67 mg/gTSS, le FCMC s'est amélioré de 88,88 à 76,71 % à la dose d'ATP de 14,00 kg/m3 (CS-ATP19, Fig. 1 et Tableau 1). Les particules solides chargées négativement en surface de l'ATP pourraient agir comme un constructeur de squelette pour réduire la compressibilité des boues et améliorer encore le FCMC (Figs. 1a, 2), en outre, pourraient neutraliser et combiner les charges positives excessives de St-CTA surdosé et ainsi affaiblir l'effet de restabilisation6,23,24 (CS-ATP15, CS-ATP17 et CS-ATP 19, Fig. 3). Les composites formés de St-CTA et d'ATP peuvent provoquer des flocs rugueux et compacts (Informations complémentaires Fig. S7) en raison de la structure dense de l'ATP25. Cependant, l'ATP a eu moins d'amélioration dans certaines performances de déshydratation, en particulier pour le CST après la combinaison de St-CTA (Fig. 1c), probablement en raison de l'erreur dans la détermination du volume de filtration et du CST26 causée par la diminution du temps de filtration et la rupture rapide du gâteau de boue dans les processus de déshydratation favorisés après l'ajout d'ATP.

De plus, les performances de déshydratation de cette combinaison ont été comparées à celles d'un floculant commercial, le PAM, actuellement utilisé dans la station d'épuration de Nanjing (informations complémentaires Fig. S8). Selon la Fig. S8, la FCMC optimale obtenue par PAM était de 84,81 % et était bien supérieure à celle obtenue par la méthode de conditionnement combinée dans ce travail d'environ 76,99 % (CS-ATP14, Fig. 1 et Tableau 1), bien que la PAM ait une dose optimale inférieure de 5,33 mg/gTSS. La figure S8 indique toujours que le St-CTA associé à l'ATP a montré une fenêtre de déshydratation efficace plus large d'environ 5, 00 à 26, 00 mg / g de TSS que le PAM d'environ 3, 00 à 8, 00 mg / g de TSS. Le tableau 2 a ensuite comparé leur coût. En conséquence, le coût du processus de conditionnement optimal (CS-ATP14) n'était que de 14,55 USD/tTSS, ce qui était inférieur au PAM d'environ 21,32 USD/tTSS dans les plantes aquatiques. En plus du PAM, les performances de déshydratation de cette combinaison ont été grossièrement comparées à celles de certains coagulants traditionnels, tels que le FeCl3, le polychlorure d'aluminium (PAC) et le CaO, selon des rapports antérieurs19,27,28. Le FCMC optimal des boues conditionnées par FeCl3 ou PAC seul était d'environ 84 %19,27, ce qui était nettement plus élevé que par cette combinaison. CaO avait un bon effet de déshydratation, mais le pH résultant de la boue conditionnée était plus élevé et le traitement ultérieur était donc compliqué28.

En bref, le St-CTA suivi de l'ajout d'ATP présentait des performances de déshydratation meilleures et plus stables en raison de la neutralisation de la charge et des effets de pontage du St-CTA en conjonction avec l'effet constructeur de squelette de l'ATP, et les doses optimales de St-CTA et d'ATP ont été obtenues à environ 16,00 mg/gTSS et 14,00 kg/m3, respectivement.

Les tailles et les D2 des flocs de boues conditionnés avec différentes doses de St-CTA et d'ATP sont illustrés à la Fig. 4 sur la base de l'analyse d'image7,29 (Fig. 5 et informations complémentaires Fig. S9). La figure 4 montre que les tailles et les D2 des flocs de boues ont augmenté avec l'augmentation de la dose de St-CTA au début, mais ont ensuite diminué après avoir atteint les valeurs maximales à 16,00 mg de St-CTA/g de TSS, même en conjonction avec l'ATP, en raison de l'effet de restabilisation6,23,24, qui était entièrement cohérent avec les performances de déshydratation (Figs. 1,2, Tableau 1 et Informations complémentaires Figs. S3–S5). De plus, l'ajout de St-CTA a fait passer la surface des flocs de boues de relativement lisse à rugueuse et poreuse en raison de l'effet de coagulation efficace du St-CTA (Fig. 6c), ce qui a facilité l'agrégation et la compression lors de la déshydratation mécanique suivante pour éliminer davantage l'eau des boues. De plus, l'ajout d'ATP a provoqué beaucoup plus de petites particules solides incrustées dans les flocs de boues (Fig. 6b, d), en tant que constructeurs de squelette, pour éventuellement créer des canaux de drainage dans les gâteaux de boues formés par la suite et améliorer encore les performances de déshydratation des boues30.

Les propriétés des flocs de boues produits par le St-CTA en conjonction avec l'ATP à différentes doses : (a) Taille moyenne des flocs (l) et (b) Dimension fractale 2D (D2).

Images au microscope optique de flocs de boues : (a) boues brutes et conditionnées par (b) ATP, (c) St-CTA et (d) St-CTA en conjonction avec l'ATP à la dose optimale respective, c'est-à-dire que le St-CTA est de 16,00 mg/gTSS et l'ATP est de 14,00 kg/m3.

Images SEM de flocs de boues : (a) boues brutes et conditionnées par (b) ATP, (c) St-CTA et (d) St-CTA en conjonction avec l'ATP à la dose optimale respective, c'est-à-dire que le St-CTA est de 16,00 mg/gTSS et l'ATP est de 14,00 kg/m3.

Cependant, les tailles et les D2 des flocs de boues avaient une tendance de changement contraire avec l'augmentation des doses d'ATP après combinaison avec le St-CTA (Fig. 4). L'ajout d'ATP a réduit la taille des flocs était peut-être dû à deux faits. L'une était que les flocs de boues primaires seraient brisés par le second mélange rapide dans le conditionnement de l'ATP après le St-CTA ; L'autre était qu'une partie de l'ATP n'était pas combinée avec les flocs de boues et que l'ATP utilisé avait une taille moyenne de particules d'environ 18,107 μm, beaucoup plus petite que les flocs de boues primaires, ce qui a fait que la taille moyenne apparente des flocs de boues obtenue est devenue plus petite (Fig. 4). Cependant, la structure plus dense de l'ATP entraînait des structures internes plus compactes des flocs de boue et un D2s31 détecté plus élevé. De manière cohérente, l'ajout d'ATP après St-CTA pourrait bénéficier à l'amélioration des performances de déshydratation (Fig. 1, 2, Tableau 1 et Informations complémentaires Fig. S3 à S5), ce qui impliquait que les flocs de boues relativement petits mais compacts provoquaient une bonne propriété de déshydratation (Fig. 4).

Les flocs de boues ont ensuite été agrégés, comprimés et transformés en gâteaux de boues sous le pressage mécanique suivant. La figure 7 compare les morphologies de surface de gâteaux de boues obtenus sans et avec conditionnement sous différents traitements. La surface du gâteau de boue sans conditionnement était relativement lisse, plate et dépourvue de micropores (Fig. 7a). Après conditionnement par St-CTA, ATP et leur combinaison, respectivement, les surfaces des gâteaux de boue sont toutes devenues rugueuses et microporeuses, parmi lesquelles ce changement de morphologie de surface du gâteau de boue traité par la combinaison de St-CTA et d'ATP était plus évident (Fig. 7b – d). Cette structure vide et poreuse pourrait créer des canaux de drainage dans les gâteaux de boue et améliorer la filtrabilité et la perméabilité, ce qui était bénéfique pour évacuer davantage l'eau interne de la boue30,32. Les morphologies de surface observées des gâteaux de boues étaient parfaitement cohérentes avec leurs propriétés de floc de boue correspondantes (Fig. 4), les coefficients de compression (Fig. 2 et informations complémentaires Fig. S5 et les performances de déshydratation (Fig. 1, tableau 1 et informations complémentaires Fig. S3 – S4) Le St-CTA peut coaguler et agréger efficacement les boues principalement par neutralisation de la charge, et également le St-CTA partiel et l'ATP agissant comme des constructeurs de squelette peuvent réduire la compressibilité De plus, la performance de déshydratation supérieure de la combinaison de St-CTA et d'ATP a été attribuée à leurs effets synergiques.

Images SEM de gâteaux de boue : (a) boues brutes et conditionnées par (b) ATP, (c) St-CTA et (d) St-CTA en conjonction avec l'ATP à la dose optimale respective, c'est-à-dire que le St-CTA est de 16,00 mg/gTSS et l'ATP est de 14,00 kg/m3.

Selon de nombreux rapports dans la littérature33,34, l'EPS est l'un des principaux facteurs affectant l'efficacité de la déshydratation des boues, mais l'effet de l'ATP sur l'EPS n'a pas été systématiquement étudié. Les effets de l'ATP sur les fractions et les composants EPS ont été étudiés (Fig. 8). En ce qui concerne les boues conditionnées par l'ATP uniquement (CS-ATP2 et CS-ATP4) et St-CTA individuellement (CS-ATP10 et CS-ATP15), respectivement, les teneurs en COT dans trois factions EPS (S-, LB- et TB-EPS) ont presque diminué (Fig. 8a). Ces résultats ont indiqué que le St-CTA et l'ATP pouvaient tous deux inhiber l'EPS. Le S-EPS s'agrégerait et se déposerait tandis qu'une partie du LB-EPS serait convertie en TB-EPS en raison des effets de neutralisation de charge et de pontage de la floculation du St-CTA19 et des interactions possibles de l'ATP, telles que l'effet de chélation entre les ions métalliques sur l'ATP et ces matières organiques35,36, qui seront discutées en détail dans la section suivante. Cependant, la diminution supplémentaire de la teneur en TB-EPS pourrait être due au fait qu'ils étaient trop étroitement liés aux particules de boue pour être détectés par les méthodes de mesure actuellement utilisées7,37,38,39. En outre, la teneur en COT dans les EPS a ainsi été continuellement diminuée avec la dose d'ATP en raison de leurs interactions accrues (CS-ATP2/CS-ATP4, CS-ATP10/CS-ATP12/CS-ATP14 et CS-ATP15/CS-ATP17/CS-ATP19). Cependant, la teneur en COT dans trois factions EPS avait légèrement augmenté en raison de l'effet de restabilisation19,23,24, lorsque le St-CTA était surdosé (CS-ATP15).

Le contenu des différents composants EPS dans les boues conditionnées par St-CTA en conjonction avec l'ATP en utilisant différentes doses : (a) COT, (b) protéine (PN) et (c) polysaccharides (PS).

De plus, le St-CTA associé à l'ATP a entraîné une diminution supplémentaire de la teneur en COT dans ces trois factions d'EPS en raison de leur effet synergique, confirmant l'effet de déshydratation supérieur de cette technique combinée (Fig. 8a). Le procédé optimal, c'est-à-dire le CS-ATP14, a donc été obtenu, dans lequel les doses d'ATP et de St-CTA étaient respectivement de 14,00 kg/m3 et de 16,00 mg/g de TSS. Les modifications de la teneur en COT dans l'EPS avec les doses de St-CTA et d'ATP correspondaient parfaitement aux performances de déshydratation des boues (Figs. 1,2, Tableau 1 et Informations complémentaires Figs. S3 à S5). La diminution de la teneur en EPS s'est avérée bénéfique pour l'amélioration de la déshydratation des boues33,34.

Les compositions chimiques des EPS comprennent principalement PN, PS, acide humique, acide fulvique et acide nucléique, dans lesquels PN et PS sont deux éléments importants40. Les teneurs en PN et PS dans différentes fractions d'EPS de la boue conditionnée par différents processus CS-ATP ont été déterminées plus en détail sur les figures 8b, c. Les figures 8b, c montrent que les tendances de changement dans le contenu de PN et de PS étaient presque similaires à celles du COT dans trois fractions d'EPS avec les doses de St-CTA et d'ATP (Fig. 8a). Autrement, le contenu de PN dans les trois fractions d'EPS a évidemment diminué, mais celui de PS a été modifié de manière insignifiante après l'ajout d'ATP en présence et en l'absence de St-CTA (CS-ATP2/CS-ATP4, CS-ATP10/CS-ATP12/CS-ATP14 et CS-ATP15/CS-ATP17/CS-ATP19). Cette découverte indiquait que l'ATP agissait principalement sur le PN plutôt que sur le PS, car les fers métalliques sur l'ATP, tels que Al3+ et Fe3+ qui se lient initialement à l'ATP chargé négativement en surface, se chélateraient facilement avec les -NH2 et -COOH de PN, entraînant une agrégation et une précipitation supplémentaires de PN35,36. De plus, la PN dans le S-EPS était substantiellement inhibée dans le processus optimal, c'est-à-dire le CS-ATP14, confirmant les effets synergiques efficaces du St-CTA et de l'ATP.

En outre, les fortes corrélations de Pearson entre les teneurs en PN, PS et COT des différentes fractions d'EPS et le FCMC et le SRF des boues, comme indiqué dans le tableau 3, ont également indiqué que les teneurs en PN, PS et COT dans l'EPS étaient étroitement liées à la performance de déshydratation des boues41. En bref, le St-CTA en conjonction avec l'ATP pourrait inhiber efficacement l'EPS et ainsi améliorer efficacement la déshydratation des boues.

Comme mentionné précédemment, le PSE contient encore de nombreuses autres substances organiques en plus du PN et du PS. Les spectres 3D-EEM de différentes fractions d'EPS dans les boues avant et après conditionnement par St-CTA et ATP avec différentes doses ont également été mesurés (Informations complémentaires Figs. S10, S11). Selon la littérature antérieure42,43, le spectre 3D-EEM peut être principalement divisé en cinq régions représentant différentes substances, principalement les PN aromatiques (λex/em = 230/340 nm, Pic A), les PN de type tryptophane (λex/em = 280/350 nm, Pic B), l'acide fulvique (λex/em = 240/420 nm, Pic C) et les substances acides humiques (λex/em = 3 50/440 nm et 270/450 nm, pics D et E). En conséquence, la figure 6 et le tableau d'informations complémentaires S1 montrent le résumé des intensités de ces cinq pics caractéristiques dans différentes fractions d'EPS.

Selon la figure 9 et le tableau d'informations complémentaires S1, les tendances des changements d'intensité de ces cinq pics caractéristiques dans différentes fractions d'EPS avec les doses de St-CTA et d'ATP étaient apparemment similaires à celles du COT des trois fractions d'EPS (Fig. 8a). Plus en détail, les corrélations de Pearson entre les intensités des différents signaux fluorescents et la déshydratation des boues ont été présentées dans le tableau 3. Le tableau 3 indique que les substances de type protéine, y compris le PN aromatique (pic A) et le PN de type tryptophane (pic B) sont tous deux fortement liés à la performance de déshydratation des boues dans les trois fractions d'EPS ; cependant, les substances acides fulviques (pic C) et acides humiques (pics D et E) sont étroitement associées à la performance de déshydratation des boues uniquement dans le S-EPS. Combinaison de l'analyse de corrélation des teneurs en COT, PS et PN dans le tableau 3, le S-EPS est étroitement lié à la performance de déshydratation des boues19 et le PN dans l'EPS plutôt que l'acide humique et l'acide fulvique a un effet dominant44,45,46.

Les intensités de divers pics caractéristiques 3D-EEM de (a) S-EPS, (b) LB-EPS et (c) TB-EPS dans des boues conditionnées par St-CTA en conjonction avec de l'ATP à différentes doses.

Selon la discussion susmentionnée, les mécanismes de déshydratation des boues ont été décrits schématiquement sur la figure 10. Les particules de boue chargées négativement en surface combinées à l'EPS étaient initialement petites et dispersées, contenant une grande quantité d'eau. Lorsque le St-CTA chargé positivement était dosé, le St-CTA agglomérait les particules de boue et inhibait également efficacement l'EPS ensemble grâce à la neutralisation de la charge et aux effets de floculation pontante. L'ajout suivant d'ATP a non seulement agi comme un constructeur de squelette dans les gâteaux de boues agglomérées pour améliorer la perméabilité et la filtrabilité des boues, mais aussi chélate efficacement avec les substances PN hautement hydrophiles dans l'EPS des boues à travers les ions métalliques sur l'ATP, améliorant ainsi ensemble la déshydratation des boues38,40,47.

Schéma de principe des mécanismes de déshydratation des boues par l'association du St-CTA et de l'ATP.

En plus des effets synergiques susmentionnés du St-CTA et de l'ATP, qui entraînent une performance efficace dans la déshydratation des boues, le précurseur du St-CTA, c'est-à-dire l'amidon, et l'ATP sont tous deux des matériaux naturels avec les caractéristiques évidentes de respect de l'environnement, de large source et de faible coût. La combinaison de St-CTA et d'ATP a donc eu une performance de coût élevée dans la déshydratation des boues. Cependant, il existe encore des inconvénients et des défis dans cette méthode de conditionnement combiné dans la future application. L'ajout d'ATP augmenterait inévitablement la masse totale de boue résultante et augmenterait ainsi la difficulté du traitement ultérieur. En outre, le St-CTA et l'ATP ne pouvaient pas détruire de manière substantielle l'EPS dans les boues et libérer complètement l'eau liée, ce qui a eu pour effet d'améliorer encore plus difficilement les performances de déshydratation des boues. Pour réduire la dose de constructeur de squelette et la masse de boue qui en résulte, des floculants performants doivent être développés, qui sont intrinsèquement basés sur la relation structure-activité bien établie6,7. Les mécanismes de déshydratation doivent donc être étudiés en détail sur la base des caractéristiques structurales des floculants mais aussi des composants clés des boues, comme la structure secondaire des protéines dans l'EPS48. En outre, la méthode de pré-oxydation peut détruire complètement l'EPS dans les boues13, et donc le processus combiné avec la pré-oxydation était faisable pour améliorer encore les performances de déshydratation des boues.

Cette étude s'est principalement concentrée sur l'utilisation d'un floculant à base d'amidon modifié éthérifié cationique, le St-CTA, suivi d'un matériau argileux, l'ATP, pour conditionner les boues et améliorer la déshydratation des boues ; et les mécanismes synergiques de déshydratation ont été étudiés en détail. Les principaux résultats obtenus ont été résumés comme suit :

(1) Il a démontré que l'ATP alimenté après St-CTA montre une efficacité légèrement supérieure dans la déshydratation des boues que les deux autres séquences de dosage. Plus précisément, le processus de conditionnement des boues par 16,00 mg/g TSS de St-CTA en conjonction avec 14,00 kg/m3 d'ATP a une performance supérieure de déshydratation des boues et un faible coût d'environ 14,55 USD/tTSS, en outre, le FCMC a été réduit en conséquence de 97,86 à 76,99 % et les flocs de boues ont été compactés avec un D2 d'environ 1,933. L'utilisation de ce procédé de conditionnement combiné pour la déshydratation des boues présente donc un potentiel d'application prometteur.

(2) Sur la base de l'analyse de l'évolution des teneurs et des distributions des fractions et composants d'EPS dans les boues conditionnées par le St-CTA et l'ATP à différentes doses associées à l'analyse de corrélation de Pearson, le St-CTA et l'ATP pourraient tous deux inhiber l'EPS, et le S-EPS est étroitement lié aux performances de déshydratation des boues. En outre, la combinaison de St-CTA et d'ATP a réduit efficacement le PN dans les trois fractions d'EPS totalement de 6, 09 à 3, 01 mg / gTSS, qui présentaient tous des corrélations significatives (p <0, 05) avec les paramètres de déshydratation du SRF et du FCMC, et PN en EPS plutôt que l'acide humique et l'acide fulvique a donc un effet dominant sur la déshydratation des boues.

(3) La performance supérieure de déshydratation des boues de ce procédé combiné par St-CTA et ATP a été attribuée à leurs effets synergiques. Le St-CTA chargé positivement pourrait efficacement agréger et coaguler les particules de boue et également inhiber efficacement l'EPS ensemble grâce à la neutralisation de la charge et aux effets de floculation pontante. L'ajout suivant d'ATP a non seulement agi comme un constructeur de squelette dans les gâteaux de boues agglomérées pour améliorer sa perméabilité et sa filtrabilité, entraînant une réduction du coefficient de compression des gâteaux de boues de 1,26 à 0,79, mais également une chélation efficace avec les substances PN hautement hydrophiles dans l'EPS de la boue à travers les ions métalliques sur l'ATP, améliorant ainsi ensemble la déshydratation de la boue.

L'amidon (St, poids moléculaire moyen en poids ~ 1,5 × 105 g/mol) a été obtenu auprès de Binzhou Jinhui Corn Development Co., Ltd. Le chlorure de 3-chloro-2-hydroxypropyltriméthylamm-onium (CTA, 60 % en poids dans l'eau) a été acheté auprès d'Aladdin Industrial Corporation. St-CTA avec un rapport de masse d'alimentation St à CTA de 1: 1, 5 a été synthétisé, dont la densité de charge a été déterminée à environ 1, 875 mmol / g par titrage colloïdal 29, 49. L'ATP a été acheté auprès de MESB (Meishibo), Changzhou, avec une taille de particule moyenne [d (0,5)] d'environ 18,107 μm obtenue par un analyseur de taille de particules à diffraction laser (Mastersizer 2000, Malvern, Royaume-Uni). L'ATP a été entièrement séché dans un four avant utilisation, dont le potentiel zêta a été déterminé comme étant d'environ -9,08 ± 0,09 mV. Le PAM (poids moléculaire moyen en poids d'environ 1,0 × 107 g/mol et CD de 1,06 ± 0,13 mmol/g) a été obtenu auprès de Dongying Nuoer Chemical Co., Ltd.

Des échantillons de boues activées ont été prélevés dans une usine de traitement des eaux usées à Nanjing, qui traite les boues par le procédé des boues activées et des bioréacteurs à membrane. Les échantillons ont été stockés dans un réfrigérateur à 4 ° C et la même série d'expériences en utilisant la même boue a été réalisée en 7 jours. Toutes les propriétés physicochimiques des boues, y compris leurs méthodes de détermination détaillées, sont présentées dans le tableau d'informations complémentaires S2.

Les bocaux de 250 ml ont été réalisés pour le conditionnement de 100 ml de suspension de boues dans un modèle de mélangeur à palettes programmé à six places de TA6 (Wuhan Hengling Tech. Co. Ltd.) à température ambiante. Le processus de conditionnement détaillé était le suivant. Divers volumes de la solution de St-CTA fraîchement préparée (4,0 g/L) ont été ajoutés aux suspensions de boues ; le mélange a été agité rapidement à 250 tr/min pendant 1,0 min, suivi d'une agitation lente à 50 tr/min pendant 2,0 min ; puis différentes quantités d'ATP ont été ajoutées dans les mélanges de boues, qui ont été agités rapidement à 250 tr/min pendant 30 s, puis une agitation lente à 50 tr/min pendant 3,5 min. La boue conditionnée a été utilisée pour des expériences ultérieures afin de déterminer le FCMC, le SRF, le temps d'aspiration capillaire (CST), le coefficient de compression, les propriétés du floc, y compris la taille et la compacité du floc, les potentiels zêta et les fractions et composants des extractions d'EPS. Les méthodes de caractérisation susmentionnées sont décrites en détail dans le tableau d'informations complémentaires S2. Chaque expérience a été mesurée en triple, et les résultats finaux représentaient la moyenne des valeurs avec une erreur relative inférieure à 5 %.

FCMC et SRF sont deux paramètres importants pour évaluer les performances de déshydratation des boues, où SRF est la détermination de la résistance spécifique des boues en pompant les boues conditionnées à travers un entonnoir Brinell à pression de 0,05 MPa. Le filtrat extrait a été recueilli dans une éprouvette de mesure de 100 ml et la lecture de l'éprouvette a été enregistrée toutes les 5 s depuis le début du pompage jusqu'à ce que le gâteau de boue se brise ou jusqu'à ce qu'il atteigne 6,0 min. Le gâteau de boue a été séché dans un four à 105 °C et le FCMC a été déterminé selon le rapport précédent50. Le SRF des boues a été calculé comme suit7,49 :

où P (N/m2) représente la pression utilisée pour la filtration, Sa (m2) indique la surface du papier filtre utilisé pour l'extraction, b (s/m6) indique la pente de la courbe de décharge du filtrat ; μ est la viscosité cinétique et ω indique le poids sec par unité de volume de boue sur le milieu filtrat.

Le CST a été mesuré à l'aide d'un appareil CST (England Triton Electronics 304 m) pour indiquer la filtrabilité de l'eau libre dans les boues51. La performance de compression des boues est exprimée par le coefficient (s) de compression des boues, qui est obtenu en mesurant les résistances spécifiques des boues sous différentes pressions de pompage, soit 0,02, 0,03, 0,04 et 0,05 MPa selon l'Eq. (2)47,52 :

Le TTF désigne le temps nécessaire pour obtenir un volume de filtrat égal au demi-volume de boue sous la pression de 0,05 MPa5,53. Le volume de filtration fait référence au volume de filtrat dans l'éprouvette graduée à la fin de la filtration. Le taux de filtrat (q), qui indique le taux de filtration, est déterminé par la loi de Darcy selon l'Eq. (3):

où V est un volume de filtrat (m3) lu sur l'éprouvette graduée en fin de filtration, Sb est une surface de filtration (m2) et t est un temps de filtration (h)53.

Les propriétés du floc de la boue traitée, y compris la taille du floc (l) et la dimension fractale bidimensionnelle (D2) ont été déterminées pour étudier les changements microstructuraux dans la boue conditionnée. Les flocs de boues ont été photographiés avec un appareil photo numérique Pentax Model Km équipé d'un microscope optique (XTL-3400; Shanghai Caikon Optical Instrument Co., Ltd.) sous un grossissement fixe. l était la longueur caractéristique du floc de boue et la ligne la plus longue joignant deux points du contour de l'objet et passant par le centroïde. Comme mentionné dans l'étude précédente7,29, la longueur caractéristique projetée l et la surface projetée (A) du floc de boue ont été mesurées au moyen d'un logiciel d'analyse d'image (Image pro® Plus 6.0), et D2 a été ainsi obtenu par l'ajustement logarithmique de l'Eq. (4).

Les flocs de boues conditionnés et leurs gâteaux de boues formés après un essorage mécanique ultérieur ont été lyophilisés à - 60 °C pendant 72 h puis leurs morphologies de surface ont été directement observées à l'aide d'une microscopie électronique à balayage (MEB, FEI Quanta 250).

L'EPS dans les boues a été principalement classé en EPS soluble (S-EPS), EPS faiblement lié (LB-EPS) et EPS étroitement lié (TB-EPS)6, qui sont extraits par une méthode d'extraction thermique par ultrasons modifiée dans ce travail7,54. Les détails du mode opératoire sont les suivants : 10 mL de la boue ont été centrifugés dans un tube à 3000 tr/min pendant 10,0 min, le surnageant a été extrait et filtré à travers une membrane filtrante de 0,45 μm pour obtenir du S-EPS. La boue restante a été remise en suspension à 10 ml avec une solution de NaCl à 0, 05% de fraction massique, soniquée à 20 kHz pendant 2, 0 min puis secouée dans un agitateur à 150 tr / min pendant 10, 0 min, suivie d'une centrifugation à 5000 tr / min pendant 10, 0 min, le surnageant a été extrait et filtré à travers une membrane de 0, 45 μm pour obtenir LB-EPS. La boue restante a été remise en suspension dans une solution de fraction massique de NaCl à 0, 05% à 10 ml, soniquée à 20 kHz pendant 3, 0 min, chauffée dans un bain-marie à 60 ° C pendant 30, 0 min, puis centrifugée à 8 000 tr / min pendant 10, 0 min pour extraire le surnageant et filtré à travers une membrane de 0, 45 μm pour obtenir TB-EPS.

Le carbone organique total (COT) dans les fractions d'EPS a été mesuré par un analyseur de carbone organique total (Aurora 1030 W, USA) pour indiquer les matières organiques dissoutes dans les boues. Les teneurs en protéines (PN) ont été mesurées à l'aide d'un spectromètre UV-2600A (Unico USA) avec de l'albumine de sérum bovin (BSA) comme substance standard55,56. Les trois extraits d'EPS et la solution standard de BSA ont été colorés avec la solution préparée de Coomassie Brilliant Blue G-250 et l'absorbance de PN a été mesurée par UV à 595 nm après repos pendant 2,0 min. Les teneurs en polysaccharides (PS) ont été analysées par la méthode à l'anthrone57. Parce que PS peut réagir avec anthrone à une solution bleu-vert. L'EPS et les solutions étalons de glucose préparées peuvent être chauffées et mises à réagir avec de l'anthrone et l'absorbance mesurée par UV à 620 nm.

Les spectres tridimensionnels de la matrice d'émission d'excitation (3D-EEM) ont été mesurés par un spectrophotomètre à fluorescence F-7000 (Hitachi, Japon). Les conditions expérimentales spécifiques sont les suivantes : La longueur d'onde de la lumière émise est comprise entre 250 et 550 nm par pas de 1 nm et la plage de longueur d'onde de la lumière d'excitation est de 200 à 450 nm par pas de 5 nm. La vitesse de balayage est de 2400 nm/min et les largeurs de bande des fentes d'émission et d'excitation sont de 5 nm38.

L'analyse de corrélation a été effectuée via le module de calcul du coefficient de corrélation de Pearson d'IBM SPSS Statistics version 22.0 qui a été principalement utilisé pour quantifier la corrélation entre les valeurs FCMC ou SRF et différentes fractions dans les boues EPS58.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention n° 51978325).

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Shaohang Shen, Yu Pan, Pan Hu et Hu Yang

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HuaWei

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SHS a réalisé ces expériences, analysé les résultats et rédigé le manuscrit. HW, PH et YP ont réalisé ces expériences et rédigé le manuscrit. HY est l'auteur correspondant (Tél & Fax : 86-25-89681272, E-mail : [email protected]), a conçu les expériences, révisé et édité le manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit.

Correspondance avec Hu Yang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Shen, S., Wei, H., Pan, Y. et al. L'amélioration de la déshydratation des boues par un floculant à base d'amidon associé à l'attapulgite. Sci Rep 13, 402 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27749-3

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Reçu : 24 novembre 2022

Accepté : 06 janvier 2023

Publié: 09 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27749-3

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