Dénitrification améliorée obtenue grâce à un substrat innovant à base de biocharbon dans des conditions à faible teneur en carbone/azote

Une étude menée par des chercheurs de l’Institut de technologie de Harbin a dévoilé un développement substantiel dans la technologie de traitement des eaux usées. Publié dans Ingénieriela recherche introduit une approche innovante pour améliorer la dénitrification dans les zones humides artificielles (CW) en utilisant un nouveau substrat à base de biocharbon, connu sous le nom de biocharbon fonctionnalisé par la β-cyclodextrine (BC@β-CD). Cette avancée majeure répond à un défi crucial dans le traitement des eaux usées : optimiser l’élimination de l’azote dans des conditions où les méthodes traditionnelles échouent en raison de faibles ratios carbone/azote (C/N).

Les zones humides artificielles sont reconnues pour leur potentiel de traitement des effluents des stations d’épuration des eaux usées (STEP), mais leur efficacité est souvent entravée par de faibles rapports C/N dans les affluents, conduisant à une dénitrification sous-optimale et à une élimination insuffisante de l’azote. L’étude, dirigée par Xiao-Chi Feng et Nan-Qi Ren, fournit de nouvelles perspectives pour surmonter ces limitations grâce à la science avancée des matériaux et à l’ingénierie biochimique.

L’équipe de recherche a comparé trois systèmes CW différents : traditionnel (contrôle), biochar (BC) et β-cyclodextrine (BC@β-CD). L’étude visait à évaluer leurs performances dans le traitement des eaux usées avec de faibles ratios C/N, en particulier des ratios diminués de 4 à 2.

Les résultats révèlent que le système BC@β-CD a surpassé les autres configurations, démontrant un taux d’élimination de l’azote 45,89 % et 42,48 % plus élevé que le système traditionnel. De plus, les émissions d’oxyde nitreux (N2O), un puissant gaz à effet de serre, ont été réduites respectivement de 70,57 % et 85,45 %.

Les chercheurs ont utilisé une gamme de techniques analytiques, notamment la métagénomique et les analyses enzymatiques, pour comprendre comment BC@β-CD améliore la dénitrification. Ces analyses ont montré que BC@β-CD favorise le métabolisme du carbone et augmente les activités enzymatiques de dénitrification sans altérer la diversité microbienne au sein des CW.

Il a notamment été constaté que BC@β-CD améliore la génération et le transport d’électrons, essentiels à une dénitrification efficace, en augmentant les activités de la nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) déshydrogénase et du système de transfert d’électrons (ETS).

Une enquête plus approfondie utilisant la modélisation d’équations structurelles a confirmé que le principal avantage de BC@β-CD réside dans sa capacité à réaffecter davantage de flux de métabolisme carboné vers la dénitrification. Cette réallocation stratégique soutient les processus de dénitrification même lorsque les sources de carbone sont limitées, améliorant ainsi l’élimination de l’azote dans des conditions de faible rapport C/N.

Les résultats de l’étude mettent en évidence le potentiel transformateur de BC@β-CD dans le traitement des eaux usées. En optimisant l’allocation du métabolisme du carbone, ce substrat à base de biochar améliore non seulement l’efficacité de l’élimination de l’azote, mais réduit également les émissions de gaz à effet de serre. Cette avancée offre une solution pratique à un problème répandu dans le traitement des eaux usées, offrant une approche plus durable de la gestion des influents à faible teneur en carbone.

Les chercheurs soulignent que l’application réussie de BC@β-CD dans les CW représente une avancée significative dans le domaine de l’ingénierie environnementale. Il offre une voie prometteuse pour développer des technologies de traitement des eaux usées plus efficaces et plus respectueuses de l’environnement.

Les recherches futures se concentreront sur la mise à l’échelle de cette technologie et sur l’exploration de son application dans divers scénarios de traitement des eaux usées. Alors que le monde recherche des solutions environnementales plus durables, cette étude offre une voie prometteuse vers une gestion des eaux usées plus propre et plus efficace.

L’article a été rédigé par Hong-Tao Shi, Xiao-Chi Feng, Zi-Jie Xiao, Chen-Yi Jiang, Wen-Qian Wang, Qin-Yao Zeng, Bo-Wen Yang, Qi-Shi Si, Qing-Lian Wu, Nan-Qi Ren.