Effets du pH sur l'élimination simultanée de l'azote et du manganèse dans le MBBR
Impact du pH sur les performances du MBBR
Le pH joue un rôle essentiel dans l’efficacité des réacteurs à biofilm à lit mobile (MBBR) en influençant directement l’activité microbienne et les taux de réaction biochimique. En tant que facteur environnemental clé, les variations de pH affectent :
- Structure de la communauté des biofilms- Les changements de pH modifient la dominance des bactéries nitrifiantes/dénitrifiantes et des micro-organismes oxydants du manganèse-.
- Activité enzymatique- Les plages de pH optimales régissent les performances de la nitrite oxydoréductase (pH 7-8) et de la manganèse oxydase (pH 6-7).
- Cinétique de réaction redox- Le pH détermine l'équilibre entre les transformations Mn²⁺/Mn⁴⁺ et les voies de conversion de l'azote.
- Potentiel de précipitations - Higher pH (>8) favorise l'oxydation du Mn²⁺ et la précipitation des phosphates, tandis que les conditions acides (pH<6) may inhibit these processes.
Le système démontre une adaptabilité remarquable, certaines populations microbiennes conservant leur fonctionnalité sur de larges plages de pH (5-9), bien que des efficacités d'élimination optimales pour différents contaminants se produisent à des niveaux de pH spécifiques.
Performance du MBBR dans différentes conditions de pH
Une étude récente menée par une université chinoise a étudié les performances des systèmes de réacteur à biofilm à lit mobile (MBBR) dans diverses conditions de pH (pH 5-9), ainsi que dans des conditions d'une concentration de Mn²⁺ dans l'influent de 10 mg·L⁻¹. Les concentrations d'influent et d'effluent de NH₄⁺-N, TN, TP, DCO, Mn²⁺, NO₂⁻-N et NO₃⁻-N pendant les phases opérationnelles IV sont résumées ci-dessous.
(1)NH₄⁺-Efficacité d'élimination de N
The MBBR demonstrated consistently high NH₄⁺-N removal across all pH levels, with average efficiencies of 96.22% (pH 5), 98.89% (pH 6), 98.70% (pH 7), 98.65% (pH 8), and 96.69% (pH 9). These results indicate robust nitrification performance (>96% d'efficacité) quelle que soit la variation du pH. Alors que l'efficacité d'élimination a initialement augmenté de pH 5 à 6 (avec un pic à 98,89 %) avant de diminuer progressivement à des niveaux de pH plus élevés, l'impact global du pH sur l'élimination de NH₄⁺-N était minime. Cela suggère une forte adaptabilité des bactéries nitrifiantes au sein du biofilm aux fluctuations de pH.
(2) Efficacité de suppression du TN
L’élimination totale de l’azote présentait une dépendance significative au pH :
- pH5 : 40,13%
- pH6 : 42,66%
- pH7 : 49,20%
- pH8 : 52,74%
- pH9 :69.79%(performances maximales)
L'amélioration de 29,66 % du pH 5 à 9 met en évidence une activité microbienne dénitrifiante accrue dans des conditions alcalines.
(3)Efficacité d'élimination de la DCO
L'élimination de la DCO a suivi une courbe en forme de cloche- :
- pH neutre optimal: 94,27% à pH 7
- Déclin aux extrêmes:
- pH 5 : 90,85 %
- pH 9 : 53,81 %
The sharp drop at pH>7 suggère une inhibition des bactéries hétérotrophes dans les environnements alcalins.
(4) Efficacité d'élimination du Mn²⁺
L'élimination du Mn²⁺ était plus efficace à un pH proche de-neutre :
- pH 6: 95,74% (optimal pour l'oxydation Mn²⁺→MnOx)
- pH 5/9: <60% efficiency
Cela est en corrélation avec les tendances de l'activité microbienne oxydante du manganèse.
(5) Efficacité de suppression des TP
L’élimination du phosphore s’améliore linéairement avec le pH :
- pH 5 : 20,70% → pH 9 :51.76%
Le TP de l'effluent le plus bas (2,80 mg/L à pH 9) indique une activité alcaline-favorisée des PAO.
(6)NO₃⁻-N & NO₂⁻-N Dynamique
- NO₃⁻-N minimisation à pH 9: 5,89 mg/L (vs. 11.63 mg/L à pH 5)
- Accumulation stable de NO₂⁻-N (0,16 à 0,19 mg/L) dans toutes les phases
Cela confirme la nitrification synergique-dénitrification à pH alcalin.
Conclusion
Dans des conditions de concentration de Mn²⁺ dans l'influent de 10 mg·L⁻¹, cette étude a étudié plus en détail l'impact des différents niveaux de pH sur les performances du MBBR pour le traitement des eaux usées. Les résultats ont démontré que lorsque le pH de l'influent était augmenté à 9, les efficacités moyennes d'élimination de NH₄⁺-N, TN et TP atteignaient96,69 %, 69,79 % et 51,76 %, respectivement. Par rapport à la phase I (pH 5), les efficacités d'élimination du TN et du TP ont augmenté de manière significative de29,66% et 31,06%, respectivement.
Principales conclusions
1. Performance optimale à pH 9
- Suppression N&P la plus élevée: Le MBBR a exposé son meilleurdénitrification et élimination du phosphorecapacités dans des conditions alcalines (pH 9), avec une génération minimale de NO₃⁻-N et une conversion presque-complète de NH₄⁺-N.
- Activité microbienne améliorée : leSuperficie Totale Effective (ETSA)du biofilm a augmenté proportionnellement avec le pH (7-9), avec un pic à pH 9, indiquant une activité métabolique supérieure dans des conditions alcalines. Cela est probablement dû à l'abondance d'ions hydroxydes libres (OH⁻), qui améliorentefficacité de la nitrification simultanée-dénitrification (SND).
2. Mécanisme d’élimination du Mn²⁺
- Dominance d'adsorption extracellulaire : Sur toutes les phases (I-V), sur75% de Mn²⁺ éliminationa été obtenu via l’adsorption extracellulaire par des micro-organismes du biofilm.
3. Dynamique de la communauté microbienne
- Alcalins-Dénitrifiants préférés: Les genres dénitrifiants clés tels que Comamonas et Hyphomicrobium ont montré une abondance relative accrue à des niveaux de pH plus élevés, confirmant leur adaptation aux environnements alcalins.
- Comamonas Aquatica LNL3 a démontré une polyvalence métabolique exceptionnelle, convertissant à la fois NH₄⁺-N → NO₂⁻-N et NH₄⁺-N → N₂.
- Biodiversité améliorée à pH 9: Les unités taxonomiques opérationnelles (OTU) uniques sont passées de2 (pH 5) à 13 (pH 9), reflétant une plus grande richesse microbienne dans des conditions alcalines.
4. Implications fonctionnelles
- Élimination synergique des nutriments: Le pH alcalin (9) favorise l'activité depolyphosphate-organismes accumulateurs (PAO)etbactéries dénitrifiantes(par exemple, Acinetobacter), optimisant l'élimination simultanée du N-P.
- Stabilité du processus: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75 %) quels que soient les changements de pH, ce qui met en évidence la résilience du système.
Implications pratiques
- pH opérationnel recommandé : 8,5 à 9,0pour une suppression maximale de TN/TP dans les systèmes MBBR modifiés Mn²⁺-.
- Gestion microbienne: La bioaugmentation avec des souches Comamonas ou Hyphomicrobium pourrait encore améliorer la dénitrification dans les réacteurs alcalins.