Effets des gradients de concentration en Mn²⁺ sur les performances du MBBR

Effets des gradients de concentration en Mn²⁺ sur les performances du MBBR

Application du manganèse dans les déchets azotés et phosphorésTraitement de l'eau

Le manganèse (Mn), oligo-élément essentiel, joue un rôle vital dans les processus biogéochimiques et est le deuxième métal de transition le plus abondant dans la croûte terrestre (0,1 %) après le fer. Réacteur à biofilmDans les MBBR (réseaux à base de manganèse), le cycle redox médié par le manganèse s'est avéré efficace pour éliminer les micropolluants, notamment les antibiotiques et les antidépresseurs. Le couplage de la dénitrification mixotrophique induite par le manganèse avec la dégradation organique a suscité une attention particulière pour l'élimination de l'azote.

La transition redox entre Mn²⁺ et Mn⁴⁺ favorise l'enrichissement des bactéries dénitrifiantes et des gènes fonctionnels, améliorant ainsi l'élimination des polluants. L'intégration du MBBR au cycle du manganèse permet d'atteindre Efficacité d'élimination de l'azote total (AT) de 84,7 %, tout en modifiant significativement les communautés microbiennes pour faciliter la dégradation simultanée de l'azote et de la matière organique. Des études montrent que les oxydes de manganèse (MnOx) et Mn²⁺ participent à la transformation de l'azote, où MnOx peut oxyder NH₄⁺-N à NO₃⁻-N.

Mécanismes d'élimination de l'azote médiée par le manganèse

1. Nitrification et réduction du manganèse

• La réduction de MnOx couplée à la nitrification, médiée par des bactéries réductrices de Mn, donne NO₃⁻-N et NO₂⁻-Ncomme produits finis.
• Contrairement à la nitrification conventionnelle, oxydation anaérobie de l'ammonium(anammox) convertit directement NH₄⁺-N à N₂dans des conditions anoxiques en utilisant MnOx comme accepteur d'électrons.

2. Dénitrification et couplage redox du manganèse

• NO₃⁻-N et NO₂⁻-N provenant de la nitrification peuvent se coupler avec réoxydation du MnOx réduit, améliorant l'élimination du TN.
• Mn²⁺ et ses sous-produits d'oxydationservent de donneurs d'électrons pour la dénitrification, éliminant simultanément le Mn²⁺ des eaux usées.

3. Oxydation microbienne du Mn²⁺

• L'oxydation microbienne du Mn²⁺ en MnOx biogénique (BioMnOx) est provoquée par bactéries hétérotrophes et autotrophes oxydant le manganèse, avec des hétérotrophes (par exemple, Cupriavidus sp. HY129) jouant un rôle dominant.
• Des enzymes telles que oxydases multicuivre (MCO)et hèmes peroxydases animales (AHP)catalyser l'oxydation du Mn²⁺.
• BioMnOx présente une capacité oxydative supérieure à celle du MnOx naturel, dégradant efficacement les antibiotiques (par exemple, la tétracycline, la ciprofloxacine, le sulfaméthoxazole).

Élimination du phosphore par le manganèse

Contrairement à l’azote, le phosphore ne peut pas être converti en formes gazeuses et est principalement éliminé par immobilisation.

• Adsorption de MnOx:MnOx agit comme un adsorbant puissant pour le phosphate (PO₄³⁻).
• Précipitation de Mn²⁺-phosphate:Lors de la réduction de MnOx, le Mn²⁺ libéré réagit avec le phosphate pour former des composés insolubles Mn₃(PO₄)₂.
• Régénération BioMnOx: Dans MBBR anaérobies-aérobiesLe BioMnOx régénéré à partir de l'oxydation du Mn²⁺ présente une capacité d'adsorption améliorée pour les micropolluants.

Principales conclusions et applications

• Concentration optimale en Mn²⁺: Cupriavidus sp. HY129 réalise 8 % d'élimination de NO₃⁻-N et 87,2 % de Mn²⁺, mais un excès de Mn²⁺ peut provoquer Accumulation de NO₂⁻-N.
• Élimination robuste du Mn²⁺ dans le MBBR: Le BioMnOx généré dans le MBBR adsorbe en continu le Mn²⁺, sans être affecté par les chocs initiaux de Mn²⁺.
• Élimination améliorée des polluants: L'ajout de Mn²⁺ au MBBR améliore élimination simultanée de NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, DCO et TP, ce qui en fait une stratégie prometteuse pour le traitement des eaux usées.

Effets de la concentration en Mn²⁺ sur l'élimination simultanée de l'azote et du manganèse dans les systèmes MBBR

Le système MBBR, associé au cycle redox du manganèse, démontre une élimination efficace des nutriments (azote et phosphore) grâce à des réactions redox à médiation biologique. Comme le montrent les figures ci-dessous, le système a maintenu des performances stables dans le traitement de NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, NO₂⁻-N, TN, TP, DCO et Mn²⁺ au cours de quatre phases opérationnelles.

Principales conclusions

1. Efficacité d'élimination du NH₄⁺-N

• À des concentrations de Mn²⁺ de 0, 2, 5 et 10 mg/L, les efficacités moyennes d'élimination de NH₄⁺-N étaient 85 %, 75,92 %, 75,27 % et 80,21 %, respectivement.
• Performances optimalesa été observé à 10 mg/L Mn²⁺, avec un Taux d'élimination de 21 %(augmentation de 7,36 % par rapport au groupe témoin).
• Les résultats confirment que Mn²⁺ améliore l’efficacité de la nitrification dans les biofilms MBBR.

2. Efficacité d'élimination du TN

• Taux d'élimination du TN : 53 % (0 mg/L), 37,58 % (2 mg/L), 45,87 % (5 mg/L) et 47,42 % (10 mg/L).
• Efficacité maximale (47,42 %)s'est produit à 10 mg/L Mn²⁺, indiquant une dénitrification améliorée.

3. Efficacité d'élimination de la DCO

• Sans Mn²⁺ : 77% d'élimination(344,87 → 119,13 mg/L).
• Avec Mn²⁺ : 96 % (2 mg/L), 70,51 % (5 mg/L) et 80,95 % (10 mg/L).
• Ajout de Mn²⁺ augmente considérablement la dégradation de la DCO.

4. Efficacité d'élimination du Mn²⁺

• Élimination quasi complète : 97,76 % (2 mg/L), 99,42 % (5 mg/L), 99,68 % (10 mg/L).
• La formation de BioMnOx permet adsorption continue de Mn²⁺, même sous des charges de choc.

5. Efficacité de l'élimination du papier toilette

• TP d'effluent le plus bas (5,62 mg/L)à 10 mg/L Mn²⁺, suggérant activité PAO améliorée.

6. Dynamique du NO₃⁻-N et du NO₂⁻-N

• Accumulation de NO₃⁻-Naugmenté avec le dosage de Mn²⁺ (probablement en raison de stimulation de la nitrification).
• Niveaux de NO₂⁻-Nest resté faible (0,02–1,13 mg/L), indiquant dénitrification partielle stable.

Conclusions

• Dosage optimal de Mn²⁺ : 10 mg/L, maximisant Élimination de TN (47,42 %), NH₄⁺-N (80,21 %) et DCO (80,95 %)tout en minimisant le TP.
• Mécanismes:
• La conversion Mn²⁺ → BioMnOx améliore élimination de l'azoteet adsorption de métaux lourds.
• Le cycle redox du manganèse favorise dégradation synergique de NH₄⁺-N et de DCO.
• Robustesse: Le MBBR résiste aux fluctuations du Mn²⁺ sans inhibition des performances.