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Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 11675 (2015) Citer cet article

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Lors de la digestion anaérobie des boues déshydratées, le polyacrylamide (PAM), un conditionneur chimique, peut généralement être consommé comme source de carbone et d'azote avec d'autres matières organiques (par exemple, les protéines et les glucides présents dans les boues). Cependant, une accumulation significative de monomères d'acrylamide (AM) a été observée au cours du processus de biodégradation du PAM. Pour améliorer l'hydrolyse anaérobie du PAM, en particulier le processus d'hydrolyse de l'amide et pour éviter la génération du produit intermédiaire AM, une nouvelle stratégie est rapportée ici qui utilise un pH initial de 9, 200 mg DCO/L de PAM et un temps de fermentation de 17 j. Tout d’abord, la méthodologie de surface de réponse (RSM) a été appliquée pour optimiser l’élimination des PAM lors de la digestion anaérobie des boues. L'hydrolyse biologique du PAM a atteint 86,64 % dans les conditions optimales obtenues à partir du RSM. Ensuite, les mécanismes permettant d'optimiser les paramètres améliorant significativement l'hydrolyse biologique du PAM ont été étudiés par l'effet synergique des principaux composés organiques présents dans les boues, la distribution de la taille des flocs et les activités enzymatiques. Enfin, des expériences en flux semi-continu pour une étude de la communauté microbienne ont été étudiées sur la base de la détermination des micro-organismes clés impliqués dans l'hydrolyse biologique du PAM.

Le polyacrylamide (PAM), un composé polymère linéaire soluble dans l'eau avec un poids moléculaire élevé, est largement utilisé dans les processus de traitement des eaux usées1,2, la fabrication du papier3, l'amendement des sols4,5, les produits anticorrosifs pour sillons d'irrigation6 et la production pétrolière7. Bien que le PAM soit généralement accepté comme une substance non toxique8, les produits intermédiaires incomplètement biodégradés, en particulier le monomère acrylamide (AM), sont dangereux pour les nerfs périphériques. La production et l'utilisation massives de PAM libèrent une quantité importante de cette matière dans l'environnement et présentent des risques potentiels pour les humains et d'autres organismes. L'utilisation croissante du PAM, principalement dans les industries, l'introduit dans les stations d'épuration des eaux usées (STEP), qui constituent les dernières barrières avant le rejet du PAM dans l'environnement. Dans les STEP, la technologie des boues activées est une méthode biologique de traitement des eaux usées largement utilisée ; cependant, de grandes quantités de boues activées résiduaires (WAS) sont produites au cours de ce processus. Heureusement, une technique de digestion anaérobie a été appliquée pour réduire le volume des boues et produire du biogaz énergétique via des microbes anaérobies9,10,11. De plus, le nouveau procédé de digestion anaérobie à haute teneur en solides, qui utilise un volume de réacteur plus petit et une consommation d'énergie moindre12, pourrait progressivement remplacer les procédés traditionnels de digestion anaérobie à faible teneur en solides. Cependant, de grandes quantités de conditionneurs chimiques tels que le PAM (par exemple, 2 à 5 grammes par kilogramme de matières solides totales présentes) sont ajoutées pour améliorer le taux de déshydratation des boues au cours de ce processus. Par conséquent, le PAM est présent dans les boues et doit être dégradé le plus complètement possible. Une méthode qui pourrait être utilisée pour améliorer la biodégradation du PAM consiste à biodégrader simultanément le PAM et les boues dans un système de fermentation anaérobie ; cela est possible car les PAM et les boues peuvent être consommés comme sources de carbone13.

Des études récentes concernant la biodégradation du PAM se sont principalement concentrées sur le taux d'hydrolyse limité dû à l'agrégation des particules14,15. Par exemple, les PAM provenant du sol ou des eaux usées des champs pétrolifères peuvent être hydrolysés sous forme de source d'azote (c'est-à-dire hydrolyse d'amide) ou de carbone (c'est-à-dire hydrolyse de chaîne carbonée) au cours d'un processus aérobie ou anaérobie. De même, Haveroen et al.16, El-Mamouni et al.17 et Nakamiya et al.18 ont rapporté que les PAM provenant des boues d'épuration pouvaient être hydrolysées en tant que source de carbone ou d'azote au cours d'un processus anaérobie ou aérobie (tableau S1, informations supplémentaires). Cependant, plusieurs études ont révélé que les PAM provenant des boues d’épuration ou des boues des lits de rivières pourraient être difficiles à hydrolyser au cours d’un processus anaérobie ou aérobie15,19. Ces résultats indiquent que différents types de PAM provenant de différents substrats pourraient présenter des comportements de biodégradation différents au cours d'un processus anaérobie ou aérobie ; cependant, une accumulation significative de MA (par exemple, environ 500 milligrammes par kilogramme du total des solides présents) a été observée au cours du processus de biodégradation du PAM. En conséquence, une nouvelle stratégie devrait être développée pour améliorer l’hydrolyse anaérobie du PAM, notamment en accélérant le processus d’hydrolyse de l’amide, afin d’éviter la génération du produit intermédiaire AM.