Élimination efficace simultanée du carbone et de l'azote et récupération du phosphore dans un système intégré de bioréacteur à membrane aéré par intermittence

Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 16281 (2015) Citer cet article

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La récupération des nutriments, en particulier des ressources en phosphate, à partir des eaux usées a récemment suscité un intérêt croissant. Ici, un bioréacteur à membrane aérée par intermittence (MBR) avec un filtre à mailles a été développé pour la demande chimique simultanée en oxygène (DCO), l'azote total (TN) et l'élimination du phosphore, suivie de la récupération du phosphore à partir des boues riches en phosphore. Ce système intégré a montré des performances améliorées dans la nitrification et la dénitrification et l'élimination du phosphore sans rejet de boues en excès. L'élimination de la COD, du TN et du phosphore total (TP) dans un MBR modifié était en moyenne de 94,4 ± 2,5 %, 94,2 ± 5,7 % et 53,3 ± 29,7 %, respectivement. Le TP éliminé a été stocké dans la biomasse et 68,7 % du phosphore stocké dans les boues a pu être récupéré sous forme de solution concentrée de phosphate avec une concentration de phosphate supérieure à 350 mg/L. Les boues après la libération de phosphore pourraient être renvoyées au MBR pour l'absorption de phosphore et 83,8 % de sa capacité pourrait être récupérée.

Les rejets excessifs d'azote et de phosphore dans les masses d'eau entraînent une eutrophisation et une mauvaise qualité de l'eau1, menaçant la santé et le cadre de vie des êtres humains2. Alors qu'ironiquement, les ressources de ces nutriments essentiels, en particulier le phosphore exploitable, sont limitées et deviennent un matériau stratégique pour de nombreux pays3. Ainsi, l'élimination et la récupération de ces nutriments des eaux usées ont non seulement les avantages supplémentaires de minimiser l'eutrophisation des masses d'eau, mais également d'atténuer la crise potentielle du phosphore4,5. Pour ces raisons, le processus de récupération du phosphate devrait être intégré dans les usines de traitement des eaux usées existantes pour l'élimination des nutriments6,7.

Les approches biologiques ont été largement utilisées dans les usines de traitement des eaux usées pour l'élimination de l'azote et du phosphore8,9,10. En alternant les processus anaérobies-anoxiques-aérobies (A2O), en renvoyant les eaux usées et les boues et en évacuant les boues riches en phosphate du système sous forme de boues en excès, l'élimination simultanée de l'azote et du phosphore peut être obtenue11,12. Cependant, ces technologies conventionnelles de traitement des eaux usées présentent encore de graves limitations techniques, économiques et de durabilité causées par leur fonctionnement complexe et leur élimination des boues, leurs besoins énergétiques élevés, la mauvaise qualité des effluents et l'absence de processus de récupération du phosphore13.

Ces dernières années, le procédé MBR a gagné en application en raison de sa grande efficacité de traitement, de sa faible production de boues et de la bonne qualité de ses effluents14,15,16. Il a été rapporté qu'un MBR aéré peut être associé à des processus anaérobies et/ou anoxiques pour obtenir une élimination simultanée du carbone, de l'azote et du phosphore pendant le traitement des eaux usées17,18,19. Cependant, ces processus connectent simplement certains réacteurs individuels en séquences, ce qui augmente la complexité de l'opération. Ces dernières années, des MBR à aération intermittente ont été développés pour le traitement des eaux usées et l'effet du mode d'aération alternée marche/arrêt sur les performances du système a été étudié20,21,22. Dans notre étude précédente, un MBR aéré par intermittence utilisant un filtre à mailles en acier inoxydable a été développé pour éliminer simultanément la demande chimique en oxygène (DCO) et l'azote en mode flux continu sans aucun excès de boues rejetées23. Cependant, l'élimination du phosphore n'a pas été étudiée dans ce système. Pour rendre cette technologie plus viable dans la pratique, la configuration et le fonctionnement du système doivent être encore optimisés et l'élimination et la récupération du phosphore doivent être prises en compte. En fait, certaines stratégies de récupération du phosphore des eaux usées utilisant l'élimination biologique améliorée du phosphore24,25 ou la précipitation du phosphore induite biologiquement26 pourraient être utilisées à titre de référence dans le MBR aéré par intermittence.

Ici, un MBR aéré par intermittence a été conçu pour améliorer la récupération du phosphore des eaux usées dans ce travail. La présente étude a étudié le potentiel d'élimination simultanée de la DCO, du TN et du TP dans un seul réacteur sans rejet de boues en excès. De plus, la récupération du phosphore a été explorée. De plus, le mécanisme d'élimination du TN et du TP dans le MBR aéré par intermittence a été analysé.

Dans cette étude, un MBR à l'échelle du banc avec un filtre à mailles en acier inoxydable a été construit et la structure est illustrée à la Fig. 1. Le réacteur de type colonne se compose d'un réservoir d'aération et d'un module de filtre immergé. Le module de filtre tubulaire à mailles creuses a été immergé dans le réacteur pour former une configuration en boucle interne. Un tube d'aération micro-poreux est équipé au fond du réacteur pour fournir de fines bulles d'air, tandis qu'un mélangeur électrique est placé sous le module de filtre creux pour le mélange des fluides pendant les périodes sans aération.

(A) Schéma de principe et (B) photographie du système MBR.

Pendant le fonctionnement à long terme, la circonstance alternative aérobie/anoxique était assurée par l'arrêt périodique de l'aération. Différentes réactions biochimiques, telles que la biodégradation hétérotrophe de la DCO, la nitrification, la dénitrification et l'absorption et la libération de phosphore par les organismes accumulant des polyphosphates, se sont produites dans le cycle aérobie/anoxique alterné, entraînant des modifications de l'OD et du pH de la solution, qui sont illustrées à la Fig. éteint.

Profils de changement d'OD et de pH dans un cycle aérobie/anoxique typique.

Le pH a changé avec les cycles marche/arrêt de l'aération selon un schéma similaire aux changements d'OD, mais a été légèrement décalé (Fig. 2). Le changement de pH résultant de l'alternance des processus aérobies/anoxiques favoriserait la précipitation du phosphate dans les boues26,27,28. Les eaux usées ont été alimentées en continu dans le réacteur par une pompe péristaltique (Lange Co., Chine) à un débit constant (0,5 ou 0,67 L/h). Le temps de rétention hydraulique (HRT) correspondant était de 8 ou 6 h, respectivement. Les performances du système en termes de COD, TN et TP à différents HRT et concentrations d'influents sont illustrées à la Fig. 3. Et les efficacités d'élimination des nutriments ont également été résumées dans le tableau 1. Le système présente d'excellentes performances en termes d'élimination de COD et de TN pendant l'opération. Les concentrations de DCO et de TN dans l'effluent pendant toute la durée de l'expérience étaient en moyenne de 17,7 ± 8,3 mg/L et 1,5 ± 1,4 mg/L, respectivement. De manière correspondante, les efficacités d'élimination de COD et de TN étaient en moyenne de 94,4 ± 2,5 % et 94,2 ± 5,7 %, respectivement.

Performances de traitement du réacteur vis-à-vis de : (A) DCO ; (B) TN ; (C) Enlèvement de TP. (■) Concentration de l'influent, (▲) concentration de l'effluent et (○) efficacité d'élimination.

L'élimination de TP a été affectée par la concentration de phosphore dans l'influent, HRT ainsi que l'état de la biomasse. Une élimination moyenne de TP de 66,4 ± 19,2 % a été obtenue avec un faible apport de phosphore de 6,7 ± 1,1 mg/L dans l'essai 1. Lorsque le phosphore de l'influent a été augmenté à 12 mg/L dans l'essai 2, l'efficacité d'élimination du TP a chuté à 45,1 ± 11,5 %. Dans l'essai 3, l'efficacité d'élimination de TP s'est encore détériorée et la capacité d'absorption de phosphore de la boue activée a été presque perdue, indiquant la saturation de la boue activée pour l'absorption de phosphore. A la fin du run 3, les boues riches en phosphore sont sorties du réacteur pour le relargage du phosphore dans les boues. La capacité d'absorption du phosphore des boues activées a ensuite été partiellement récupérée et les performances du système d'élimination de la DCO et du TN étaient encore élevées après que les boues ont été réintroduites dans le MBR (Fig. 3). Ce résultat implique que les boues riches en phosphore dans un tel MBR aéré intermittent peuvent être recyclées.

Les changements de MLSS et de MLVSS dans le MBR ainsi que le TP dans la biomasse au fil du temps sont illustrés à la Fig. 3. La concentration initiale de MLSS et le rapport initial de MLVSS/MLSS étaient d'environ 7 g/L et 73 %, respectivement. Au cours de l'opération, la concentration en MLSS a augmenté lentement tandis que le rapport MLVSS/MLSS a légèrement diminué puis s'est maintenu à des niveaux relativement constants de 11 g/L et 68 %. Le MBR avait un taux de chargement moyen de DCO de 2,18 kg de DCO/m3/jour. Un faible rendement en boues de 0,0275 kg MLSS/kg DCO a été obtenu dans ce MBR aéré par intermittence.

Au cours de l'expérience, le gaspillage des boues n'a pas été effectué en raison du faible rendement en boues, en raison d'un SRT prolongé dans le MBR aéré par intermittence. Dans le même temps, l'excellente rétention des boues par la membrane a permis une concentration élevée des boues, ce qui a également contribué à l'efficacité de l'élimination des nutriments et à la production d'eaux effluentes de haute qualité.

Comme le montre la figure 4, le TP dans la biomasse a augmenté lentement au stade initial, puis a fluctué autour de 50 mg TP/g MLSS. Lorsque le phosphore dans les boues a été libéré, le TP dans la biomasse a diminué à environ 11 mg TP/g MLSS. Après que les boues aient été réintroduites dans le réacteur, elles ont augmenté jusqu'à environ 40 mg de TP/g de MLSS au cours de l'opération ultérieure.

Changements de MLSS, MLVSS et TP dans la biomasse dans le MBR dans les expériences.

La boue activée dans le MBR pourrait absorber le phosphore du surnageant et le stocker dans la biomasse. Afin de déterminer la capacité de libération de phosphore des organismes accumulateurs de polyphosphates (PAO) et les performances d'absorption de phosphore des boues activées après la libération de phosphore, les boues du MBR ont été retirées du réacteur au jour 43, puis mélangées à une source de carbone supplémentaire concentrée, l'acétate de sodium. Comme le montre la figure 5, le phosphore a été rapidement libéré dès que l'acétate a été ajouté dans les boues et la concentration d'orthoP dans le surnageant a augmenté à environ 364 mg/L. Cela implique qu'environ 70 % du phosphore dans la boue activée a été récupéré en comparant le phosphore total dans la biomasse avant le rejet.

Mesure du phosphate et de l'acétate lors de tests anaérobies par lots avec ajout d'acétate effectués au jour 43.

La faisabilité de l'enrichissement en phosphore et du recyclage des boues a été démontrée dans cette étude. Environ 68,7 % de phosphore pourraient être libérés des boues. Après la libération de phosphore, la biomasse a été ramenée au MBR et ses performances d'absorption de phosphore ont été évaluées (série 4). Comme le montrent la figure 3 et le tableau 1, les boues recyclées présentaient toujours d'excellentes performances d'élimination de la DCO et du TN. Dans le même temps, environ 58,3 ± 25,6 % du phosphore ont pu être éliminés. Après 15 jours de fonctionnement dans le cycle 4, la quantité totale de phosphore dans la biomasse a augmenté à 1,16 g, ce qui représente 69,5 % de la quantité de phosphore libéré. Ce résultat suggère que la majeure partie de la capacité d'absorption de phosphore des boues recyclées pourrait être récupérée.

Afin d'analyser le mécanisme d'élimination de l'azote et du phosphore dans le MBR aéré par intermittence, les bioactivités des boues pour l'élimination de la DCO, du TN et du TP ont été mesurées à la fin de l'exécution 3. Comme le montre la Fig. haute bioactivité des boues pour l'élimination de l'azote. Lorsque l'acétate a été consommé, le DNR a diminué à 0,94 mg N/g MLVSS/h, ce qui a été appelé taux de dénitrification endogène (EDNR). Les bioactivités élevées des boues pour l'élimination de l'azote et la concentration élevée de boues ainsi que l'abondance de nitrifiant et de dénitrifiant (Figure S1) dans le MBR par intermittence ont également contribué à l'élimination élevée de l'azote.

Les bioactivités des boues au jour 43 en termes de : (A) nitrification ; (B) dénitrification; (C) libération de phosphore anaérobie et (D) taux d'absorption de phosphore par dénitrification anoxique.

Dans ce MBR aéré par intermittence, les PAO, y compris les PAO dénitrifiantes, ont joué un rôle important dans l'élimination du phosphore. La figure 6C montre la courbe de libération de phosphore dans des conditions anaérobies. Le COD a été pris rapidement avec la sortie du PO43--P. L'échantillon de boue après libération de phosphate a ensuite été utilisé pour déterminer le taux d'absorption de phosphore par dénitrification anoxique des PAO. La figure 6D montre la variation des concentrations de PO43-P et NO3-N dans des conditions anoxiques. Les concentrations de PO43--P et de NO3--N ont diminué immédiatement dès que le nitrate a été ajouté, ce qui implique que l'absorption dénitrifiante du phosphore s'est produite dans des conditions anoxiques en utilisant le nitrate comme accepteur d'électrons au lieu de l'oxygène pour oxyder le poly-β-hydroxybutyrate. Ainsi, il y avait deux voies pour l'élimination du phosphore dans le MBR aéré par intermittence. En phase aérobie, le phosphore externe pourrait être assimilé par les PAO pour la récupération des polyphosphates. En phase anoxique, les DPAO avec une absorption de phosphore améliorée avec une économie importante de DCO contribueraient à la fois à l'élimination de l'azote et du phosphore. Des études antérieures ont rapporté que l'utilisation de nitrate au lieu d'oxygène comme accepteur d'électrons pour éliminer simultanément le phosphore et l'azote des eaux usées conduit à un rendement de boues inférieur ainsi qu'à l'élimination efficace de la DCO29,30.

La turbidité de l'effluent a été surveillée pendant la majeure partie de la période d'exploitation. La faible turbidité de l'effluent indique la bonne rétention de la biomasse par le filtre à mailles dans le réacteur (données non présentées). Dans ce filtre à mailles MBR, le processus de filtration était entraîné par gravité. Pendant la période d'exploitation, les flux de perméation du MBR ont été maintenus autour de 20 à 27 L/m2/h. Comme le montre la figure 7, le TMP a augmenté progressivement avec le développement lent du biofilm sur le treillis au cours de la période initiale. Cependant, après une opération de longue durée, le biofilm fixé sur le treillis métallique s'épaissit et le TMP augmente fortement. Lorsqu'il a atteint environ 1 kPa, un rétrolavage hors ligne a été effectué périodiquement pour éliminer le biofilm envahi et le TMP a chuté immédiatement après chaque rétrolavage. Après le nettoyage initial, le TMP a diminué principalement jusqu'à son niveau initial, cependant, un nettoyage plus fréquent des mailles était nécessaire à la dernière étape de l'opération, ce qui implique qu'un encrassement irréversible se produirait après un fonctionnement à long terme.

Variation de la chute de la hauteur d'eau pendant le fonctionnement à long terme.

L'élimination simultanée de la DCO, du TN et du TP dans un seul réacteur est favorable au traitement des eaux usées en raison de son avantage économique et de son respect de l'environnement31,32. Ici, un bioréacteur à membrane aérée par intermittence avec un filtre à mailles en acier inoxydable a été développé pour l'élimination simultanée des polluants et la récupération des nutriments, avec un accent particulier sur la récupération du phosphore des eaux usées. Le flux de phosphate concentré a été libéré des boues riches en phosphore en ajoutant quelques sources de carbone supplémentaires. Plus important encore, les boues ont été recyclées et aucun excès de boues n'a été rejeté pendant les expériences, ce qui signifie que le coût de l'élimination des boues a pu être économisé. De plus, l'opération d'aération intermittente est prometteuse pour réduire la consommation d'énergie dans les MBR. Dans cette étude, avec un rapport de temps d'activation/désactivation de l'aération de 25 min/20 min, environ 44 % d'énergie d'aération pourrait être réduite par rapport aux systèmes à aération continue.

Dans cette étude, le MBR aéré par intermittence a montré des efficacités d'élimination de COD, TN et TP supérieures à celles d'autres systèmes d'élimination des nutriments biologiques. Pour le processus d'élimination de l'azote, une nitrification complète a été obtenue pendant la plupart des périodes expérimentales, tandis que la dénitrification a été améliorée en insérant une phase anoxique dans le système. Pour le processus d'élimination du phosphore, le phosphore externe pourrait être assimilé par les PAO en phase aérobie, tandis que les PAO dénitrifiantes contribueraient à la fois à l'élimination de l'azote et du phosphore en phase anoxique. Le processus de dénitrification des PAO est capable d'effectuer simultanément une dénitrification et une absorption de phosphore anoxique et est avantageux pour économiser l'aération, réduire la demande de sources de carbone externes et minimiser le rendement en boues. Les résultats de nos expériences ont montré que l'absorption de phosphore dénitrifiant pouvait se produire en utilisant du nitrate comme accepteur d'électrons au lieu de l'oxygène dans le MBR par intermittence (Fig. 6D). La présence de PAO dominant la biomasse MBR aérée par intermittence a été confirmée par les images FISH (Figure S1), qui pourraient effectuer les activités de dénitrification33. Dans nos recherches futures, il est nécessaire d'étudier la contribution des PAO dénitrifiantes sur l'élimination des phosphates dans le MBR intermittent.

Les processus anoxiques/aérobies alternés dans le MBR aéré par intermittence ont entraîné des activités microbiennes élevées de bactéries nitrifiantes, de bactéries dénitrifiantes et de PAO dans le MBR. Les résultats suggèrent que la sélection métabolique via des processus anoxiques/aérobies alternés a le potentiel d'améliorer les bioactivités et donc d'améliorer l'élimination de l'azote et du phosphore dans le MBR aéré par intermittence. L'excellente rétention des boues par membrane a permis des concentrations élevées de boues, ce qui a également contribué à améliorer les micro-organismes à croissance lente et donc à améliorer les activités nitrifiantes et dénitrifiantes dans le MBR.

Tout comme nos précédents rapports34,35,36, l'utilisation de treillis en acier inoxydable bon marché dans cette étude, comme alternative à la membrane de microfiltration/ultrafiltration conventionnelle, peut réduire les coûts de construction du MBR, augmenter la viabilité économique et promouvoir l'application de tels procédés37,38. Dans ce filtre à mailles MBR, le processus de filtration était entraîné par gravité. La demande d'énergie pour le drainage de l'eau ainsi que l'encrassement des membranes dans le MBR modifié seront réduites par rapport au MBR39 conventionnel.

Le système MBR modifié intègre à la fois l'élimination des nutriments et la récupération du phosphore, ce qui présente un système prometteur pour le traitement des eaux usées et la récupération des ressources. Dans cette étude, l'élimination du phosphore total dans un MBR modifié était en moyenne de 53,3 ± 29,7 %. Le TP extrait des eaux usées était stocké dans la biomasse et 68,7 % du phosphore stocké dans les boues pouvait être récupéré sous forme de solution de phosphate hautement concentrée, dont la concentration était environ 30 fois supérieure à celle des eaux usées et suffisante pour la précipitation chimique40. Des concentrations plus élevées de phosphate entraîneraient une récupération plus efficace du phosphore, c'est-à-dire une utilisation directe comme engrais ou une précipitation sous forme de phosphate de magnésium et d'ammonium (struvite)41. Si une telle stratégie est adoptée pour une station d'épuration d'une capacité de 50 000 m3/jour et une concentration de phosphore dans l'influent de 10 mg/L, une quantité d'environ 267 kg/jour de phosphore pourrait être retirée de l'influent des eaux usées et près de 200 kg/jour de phosphore pourraient être enrichis sous forme de solution de phosphate concentrée, accompagnée d'une production d'eau récupérée de haute qualité. Dans cette étude, les performances du système ont été évaluées et le mécanisme d'élimination simultanée de l'azote et du phosphore a été étudié. Néanmoins, pour promouvoir l'application pratique de cette technologie, l'efficacité d'élimination du phosphore ainsi que la capacité de récupération du phosphore du système MBR doivent être encore améliorées.

Dans cette étude, un MBR à l'échelle du laboratoire avec filtre à mailles en acier inoxydable (Huayang Ironware Co., Chine) a été construit et la structure est illustrée à la Fig. 1. Le réacteur de type colonne a un volume de travail de 4 L et se compose d'un réservoir d'aération et d'un module de filtre immergé. Le module de filtre tubulaire à mailles creuses, avec une taille moyenne de pores de 53 μm et une surface de filtration efficace de 0,025 m2, a été immergé dans le réacteur pour former une configuration en boucle interne. Un tube d'aération micro-poreux est équipé au fond du réacteur pour fournir de fines bulles d'air, tandis qu'un mélangeur électrique est placé sous le module de filtre creux pour le mélange des fluides pendant les périodes sans aération.

Le bassin d'aération a été ensemencé avec des boues activées provenant d'un réacteur biologique amélioré d'élimination du phosphore. La concentration initiale des solides en suspension dans la liqueur mixte (MLSS) était de 7,85 g/L. Aucune boue en excès n'a été rejetée pendant toute la période expérimentale, sauf pour l'analyse des échantillons.

Des eaux usées synthétiques ont été utilisées, qui contenaient respectivement CH3COONa·3H2O, NH4Cl et K2HPO4·3H2O comme sources de carbone, d'azote et de phosphore. Les concentrations de DCO, NH4+-N et PO43-P dans l'influent au cours des expériences sont répertoriées dans le tableau 1. D'autres éléments traces ont été ajoutés dans les eaux usées synthétiques. La composition de la solution d'oligoéléments (en μg/L) était : EDTA, 50, ZnSO4·7H2O, 22, CaCl2·2H2O, 8,2, MnCl2·4H2O, 5,1, FeSO4·7H2O, 5,0, (NH4)6Mo7O24·4H2O, 1,1, CuSO4·5H2O, 1,8, CoCl2· 6H2O, 1,6. Les eaux usées ont été alimentées en continu dans le réacteur par une pompe péristaltique (Lange Co., Chine) à un débit constant (0,5 ou 0,67 L/h). Le temps de rétention hydraulique (HRT) correspondant était de 8 ou 6 h, respectivement. La température a été contrôlée à 25 ± 1 oC pendant l'expérience. La pression transmembranaire (TMP) à travers le maillage, reflétée par la chute de la hauteur d'eau, a été surveillée en ligne à l'aide d'un transmetteur de pression (LD187, Leide Electronic Ltd., Chine). Le TMP augmenterait lorsque le biofilm attaché au treillis deviendrait épais. Une fois que le TMP a atteint 1,0 kPa, un lavage à contre-courant hors ligne a été effectué pour éliminer le biofilm envahi. Une aération intermittente a été réalisée, avec un rapport de période aérobie/anoxique de 20 min/25 min, qui a été automatiquement contrôlé par un relais temporisé (Xinling Electrical Co., Ltd. Chine). Pendant l'anoxie, le réacteur a été continuellement agité à l'aide d'un mélangeur électrique.

La récupération du phosphore des boues et la capacité d'absorption du phosphore des boues recyclées au cours du temps ont été évaluées. Au jour 43, les boues du MBR ont toutes été retirées, lavées cinq fois à l'eau du robinet pour éliminer la DCO résiduelle, NH4+-N, NO3--N puis mélangées avec de l'acétate de sodium concentré et diluées à un volume de 4,6 L pour libérer le phosphore. Après 3 heures de mélange, la boue a été centrifugée à 7100 × g pendant 3 min pour éliminer le surnageant. La boue collectée après la libération du phosphore a été renvoyée au MBR pour l'élimination du phosphore.

Le MLSS, les solides en suspension volatils de la liqueur mixte (MLVSS), les concentrations de DCO, de TN, de TP et la turbidité ont été mesurés selon les méthodes standard42. Les mesures de NH4+-N, NO3--N, PO43--P ont été réalisées à l'aide d'un analyseur automatique de la qualité de l'eau (Aquakem 200, ThermoFisher, Finlande) selon les méthodes standards. La concentration en DO et le pH ont été surveillés avec un compteur DO (HQ 30d, Hach Co., USA) et un pH-mètre (PHS-3C, INESA Scientific Instrument Co., Led, Chine).

Les bioactivités des boues en termes de taux de nitrification spécifique (SNR), de taux de dénitrification spécifique (SDNR), de taux de libération de phosphore anaérobie et de taux d'absorption de phosphore dans des conditions anoxiques ont été étudiées. Les échantillons de boues activées ont été prélevés du MBR aéré par intermittence au jour 43 pour déterminer les bioactivités de nitrification, de dénitrification et de libération anaérobie de phosphore des boues. De l'azote gazeux a été purgé à travers chaque réacteur pour maintenir des conditions anaérobies ou anoxiques, si nécessaire.

Pour déterminer le SNR, l'échantillon de boue a été additionné de chlorure d'ammonium à une concentration d'environ 55 mg/L de NH4+-N. Au cours de cette expérience discontinue, le niveau d'OD a été contrôlé à environ 5 mg/L en allumant/éteignant la pompe d'aération. Pour mesurer l'activité de dénitrification des boues activées dans le système, le SDNR a été déterminé selon la méthode décrite dans une étude précédente43. Pour mesurer le taux de libération de phosphore anaérobie, l'acétate a été dosé dans le réacteur à une concentration finale équivalente de DCO de 350 mg/L au départ. Après libération complète du phosphate, la boue a été centrifugée et lavée pour éliminer la DCO et le phosphate résiduels. Ensuite, NaNO3 et K2HPO4·3H2O ont été ajoutés à l'échantillon de boue dans des conditions anoxiques pour déterminer le taux d'absorption de phosphore des organismes accumulant les polyphosphates dénitrifiants.

Comment citer cet article : Wang, Y.-K. et coll. Élimination efficace simultanée du carbone et de l'azote et récupération du phosphore dans un système intégré de bioréacteur à membrane à aération intermittente. Sci. Rep. 5, 16281; doi : 10.1038/srep16281 (2015).

Conley, DJ et al. Contrôler l'eutrophisation : azote et phosphore. Sciences 323, 1014-1015, (2009).

Article CAS Google Scholar

Carey, RO & Migliaccio, KW Contribution des effluents des usines de traitement des eaux usées à la dynamique des nutriments dans les systèmes aquatiques : une revue. Environ. Gérer. 44, 205-217, (2009).

Annonces d'article Google Scholar

Gilbert, N. Environnement : Le nutriment en voie de disparition. Nature 461, 716–718, (2009).

Article CAS Google Scholar

Huang, H., Xiao, D., Liu, J., Hou, L. & Ding, L. Récupération et élimination des nutriments des eaux usées de porc en utilisant un nouveau réacteur intégré pour la décomposition et le recyclage de la struvite. Sci. Rep. 5, 10183, (2015).

Article CAS ADS Google Scholar

Elser, J. & Bennett, E. Cycle du phosphore : un cycle biogéochimique interrompu. Nature 478, 29–31, (2011).

Article CAS ADS Google Scholar

Le Corre, KS, Valsami-Jones, E., Hobbs, P. & Parsons, SA Récupération du phosphore des eaux usées par cristallisation de la struvite : une revue. Crit. Rév. Environ. Sci. Technol. 39, 433–477, (2009).

Article CAS Google Scholar

Hao, X., Wang, C., van Loosdrecht, MC et Hu, Y. Au-delà de la struvite pour la récupération de P. Environ. Sci. Technol. 47, 4965–4966, (2013).

Article CAS ADS Google Scholar

Ahmed, Z. et al. Élimination biologique de l'azote et du phosphore et modifications de la structure de la communauté microbienne dans un bioréacteur à membrane : effet de différentes sources de carbone. Eau Rés. 42, 198-210, (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

Hano, T., Matsumoto, M., Kuribayashi, K. & Hatate, Y. Élimination biologique de l'azote dans une colonne à bulles avec un tube de tirage. Chim. Ing. Sci. 47, 3737–3744, (1992).

Article CAS Google Scholar

Martin, HG et al. Analyse métagénomique de deux communautés de boues à élimination biologique améliorée du phosphore (EBPR). Nat. Biotechnol. 24, 1263-1269, (2006).

Article CAS Google Scholar

Fu, ZM, Yang, FL, An, YY & Xue, Y. Nitrification et dénitrification simultanées couplées à l'élimination du phosphore dans un bioréacteur à membrane anoxique/oxique modifié (A/O-MBR). Biochimie. Ing. J. 43, 191–196, (2009).

Article CAS Google Scholar

Lesjean, B., Gnirss, R. & Adam, C. Configurations de processus adaptées aux bioréacteurs à membrane pour une meilleure élimination biologique du phosphore et de l'azote. Dessalement 149, 217–224, (2002).

Article CAS Google Scholar

Posadas, E. et al. Élimination du carbone et des nutriments des centrats et des eaux usées domestiques à l'aide de bioréacteurs à biofilm algo-bactérien. Bioressource. Technol. 139, 50–58, (2013).

Article CAS Google Scholar

Phattaranawik, J. & Leiknes, T. Bioréacteur à membrane biofilm aérée à double étage avec contrôle des boues pour le traitement des eaux usées municipales. AlChE J. 55, 1291–1297, (2009).

Article CAS Google Scholar

Skouteris, G., Hermosilla, D., Lopez, P., Negro, C. & Blanco, A. Bioréacteurs à membrane anaérobie pour le traitement des eaux usées : une revue. Chim. Ing. J. 198, 138–148, (2012).

Article Google Scholar

Huang, J. et al. Une nouvelle membrane de microfiltration conductrice composite et ses performances anti-encrassement avec un champ électrique externe dans les bioréacteurs à membrane. Sci. Rep. 5, 9268, (2015).

Article CAS Google Scholar

Yuan, ZH, Yang, XY, Hu, AY & Yu, CP Impacts à long terme des nanoparticules d'argent dans un système de bioréacteur à membrane anaérobie-anoxique-oxique. Chim. Ing. J. 276, 83–90, (2015).

Article CAS Google Scholar

Brown, P., Ong, SK & Lee, YW Influence du temps de rétention hydraulique anoxique et anaérobie sur l'élimination biologique de l'azote et du phosphore dans un bioréacteur à membrane. Dessalement 270, 227–232, (2011).

Article CAS Google Scholar

Liu, HB, Yang, CZ, Pu, WH & Zhang, JD Élimination de l'azote des eaux usées pour réutilisation dans l'eau d'alimentation de la chaudière par un bioréacteur anaérobie/aérobie/membrane. Chim. Ing. J. 140, 122–129, (2008).

Article CAS Google Scholar

Judd, S., Alvarez-Vazquez, H. & Jefferson, B. L'impact de l'aération intermittente sur le fonctionnement des bioréacteurs à membrane tubulaire à air comprimé dans des conditions sous-critiques. Sep. Sci. Technol. 41, 1293–1302, (2006).

Article CAS Google Scholar

Hong, SH et al. Les effets de l'aération intermittente sur les caractéristiques des couches de bio-gâteau dans un bioréacteur à membrane. Environ. Sci. Technol. 41, 6270–6276, (2007).

Article CAS ADS Google Scholar

Guglielmi, G. & Andreottola, G. Opération anoxique/aérobie alternée pour l'élimination de l'azote dans un bioréacteur à membrane pour le traitement des eaux usées municipales. Sci de l'eau. Technol. 64, 1730–1735, (2011).

Article CAS Google Scholar

Wang, YK et al. Éliminations simultanées de carbone et d'azote dans un bioréacteur à membrane avec filtre à mailles : une approche expérimentale et de modélisation. Chim. Ing. Sci. 95, 78–84, (2013).

Article CAS Google Scholar

Kodera, H. et al. Récupération du phosphate sous forme de solution concentrée à partir des eaux usées traitées par un réacteur à biofilm enrichi en PAO. Eau Rés. 47, 2025-2032, (2013).

Article CAS Google Scholar

Wong, PY, Cheng, KY, Kaksonen, AH, Sutton, DC & Ginige, MP Une nouvelle configuration de post-dénitrification pour la récupération du phosphore à l'aide d'organismes accumulant des polyphosphates. Eau Rés. 47, 6488–6495, (2013).

Article CAS Google Scholar

Mañas, A., Biscans, B. & Spérandio, M. Précipitation du phosphore induite biologiquement dans le processus de boues granulaires aérobies. Eau Rés. 45, 3776–3786, (2011).

Article Google Scholar

Wang, YY et al. Impact à long terme du temps de réaction anaérobie sur les performances et les caractéristiques granulaires des systèmes d'élimination biologique du phosphore par dénitrification granulaire. Eau Rés. 47, 5326–5337, (2013).

Article CAS Google Scholar

Saidou, H., Korchef, A., Ben Moussa, S. & Ben Amor, M. Précipitation de struvite par la technique de dégazage au CO2 dissous : Impact du débit d'air et du pH. Chemosphere 74, 338–343, (2009).

Article CAS ADS Google Scholar

Ahn, J., Daidou, T., Tsuneda, S. & Hirata, A. Caractérisation d'organismes dénitrifiants accumulant du phosphate cultivés dans différentes conditions d'accepteurs d'électrons à l'aide d'un test d'électrophorèse sur gel à gradient de réaction en chaîne par polymérase. Eau Rés. 36, 403–412, (2002).

Article CAS Google Scholar

Kuba, T., van Loosdrecht, MCM & Heijnen, JJ Élimination du phosphore et de l'azote avec un besoin minimal en DCO par intégration de la déphosphatation dénitrifiante et de la nitrification dans un système à deux boues. Eau Rés. 30, 1702–1710, (1996).

Article CAS Google Scholar

Sibag, M. & Kim, HS L'élimination biologique du phosphore améliorée par la nitrification et la dénitrification (NDEBPR) se produit dans un bioréacteur à membrane hypoxique/oxique alterné à l'échelle du laboratoire. Bioressource. Technol. 104, 173–180, (2012).

Article CAS Google Scholar

Mulkerrins, D., Dobson, ADW et Colleran, E. Paramètres affectant l'élimination biologique du phosphate des eaux usées. Environ. Int. 30, 249–259, (2004).

Article CAS Google Scholar

Zeng, RJ, Saunders, AM, Yuan, ZG, Blackall, LL et Keller, J. Identification et comparaison des organismes aérobies et dénitrifiants accumulant les polyphosphates. Biotechnol. Bioeng. 83, 140–148, (2003).

Article CAS Google Scholar

Wang, YZ et al. Hydrodynamique d'un bioréacteur à membrane électrochimique. Sci. Rep. 5, 10387 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Wang, YK, Sheng, GP, Shi, BJ, Li WW & Yu, HQ Un nouveau bioréacteur électrochimique à membrane en tant que producteur potentiel d'énergie nette pour le traitement durable des eaux usées. Sci. Rép. 3, 1864, (2013).

Article Google Scholar

Article CAS Google Scholar

Fan, B. & Huang, X. Caractéristiques d'une membrane dynamique autoformante couplée à un bioréacteur pour le traitement des eaux usées municipales. Environ. Sci. Technol. 36, 5245–5251, (2002).

Article CAS ADS Google Scholar

Okamura, D., Mori, Y., Hashimoto, T. & Hori, K. Effets de la dégradation microbienne des biosalissures sur les performances de la membrane de microfiltration dans un bioréacteur à membrane. Environ. Sci. Technol. 44, 8644–8648, (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Zhang, JS, Zhou, JT, Liu, Y. & Fane, AG Une comparaison de l'encrassement de la membrane sous des charges organiques constantes et variables dans des bioréacteurs à membrane submergés. Eau Rés. 44, 5407–5413, (2010).

Article CAS Google Scholar

Cornel, P. & Schaum, C. Récupération du phosphore des eaux usées : besoins, technologies et coûts. Sci de l'eau. Technol. 59, 1069-1076, (2009).

Article CAS Google Scholar

Jaffer, Y., Clark, TA, Pearce, P. et Parsons, SA Récupération potentielle du phosphore par la formation de struvite. Eau Rés. 36, 1834–1842 (2002).

Article CAS Google Scholar

Méthodes standard APHA pour l'examen de l'eau et des eaux usées. 20 éd., Association américaine de santé publique (1998).

Vocks, M., Adam, C., Lesjean, B., Gnirss, R. & Kraume, M. Post-dénitrification améliorée sans ajout d'une source de carbone externe dans les bioréacteurs à membrane. Eau Rés. 39, 3360–3368, (2005).

Article CAS Google Scholar

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Les auteurs tiennent à remercier le NSFC (51178443, 51322802), la Fok Ying Tong Education Foundation (142024), la China Postdoctoral Science Foundation (2015M570596), le Fundamental Research Funds of Shandong University (2015GN005), le Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University et le Fundamental Research Funds for the Central Universities pour le soutien partiel de ce étude.

Département de chimie, CAS Key Laboratory of Urban Pollutant Conversion, Université des sciences et technologies de Chine, Hefei, 230026, Chine

Yun-Kun Wang, Xin-Rong Pan, Yi-Kun Geng et Guo-Ping Sheng

École des sciences et de l'ingénierie de l'environnement, Université du Shandong, Jinan, 250100, Chine

Yun-Kun Wang

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YKW a conçu les expériences, réalisé les expériences, rédigé l'article ; XRP a réalisé les expériences ; YKG a réalisé les expériences; GPS a conçu les expériences, analysé les données et rédigé l'article.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

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Wang, YK., Pan, XR., Geng, YK. et coll. Élimination efficace simultanée du carbone et de l'azote et récupération du phosphore dans un système intégré de bioréacteur à membrane à aération intermittente. Sci Rep 5, 16281 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16281

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Reçu : 24 juin 2015

Accepté : 13 octobre 2015

Publié: 06 novembre 2015

DOI : https://doi.org/10.1038/srep16281

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