Traitement des effluents industriels par des procédés électrochimiques couplés aux procédés biologiques conventionnels

Abstract

De nombreux antibiotiques sont rejetés dans l'environnement avec les eaux usées de l'industrie pharmaceutique ; l'accumulation de ces molécules dans les ressources en eau a de nombreux effets nocifs sur l'environnement et la santé humaine. Leur élimination incomplète par les méthodes traditionnelles de traitement des eaux usées a nécessité le recours et au développement de méthodes alternatives adaptées. Dans cette recherche, l’élimination de l'antibiotique métronidazole (MTZ) a été étudiée par un procédé Bio-Electro-Fenton (BioEF), une technologie hybride innovante qui combine un traitement biologique avec des processus d'oxydation avancés. L'optimisation a été réalisée grâce à la méthodologie de surface de réponse (MSR), utilisant un plan composite central (PCC) à trois facteurs pour optimiser les paramètres de fonctionnement clés : le débit d'oxygène, l'intensité du courant et la concentration en Fe2+. Les modèles quadratiques ont démontré une grande fiabilité avec une valeur R2 de 0,936 pour le Bio-EF (CEM-EF). Dans des conditions optimales (0,264 L/min O2, 0,312 A, 0,589 mmol/L Fe2+), le Bio-EF a atteint une efficacité d'élimination du MTZ de 85,678 % en 1 h avec une consommation d'énergie de 0,1872 kWh/m³. Afin de démontrer les performances améliorées du procédé Bio-EF (CEM-EF), une étude comparative utilisant le procédé Electro-Fenton (EF) a été menée. Dans des conditions d'élimination optimales (0,282 L/min O2, 0,213 A, 0,408 mmol/L Fe2+), l'EF a permis d'éliminer 87,429 % de MTZ en 1 h, mais a nécessité une consommation énergétique nettement supérieure, soit 9,585 kWh/m³. Cette comparaison a mis en évidence la performance énergétique supérieure du Bio-EF (CEM-EF), qui consomme 98,05 % d'énergie en moins tout en conservant une efficacité de dégradation comparable. La pile à combustible microbienne intégrée au procédé EF (PCM-EF) a montré que les conditions optimales pour l'élimination du MTZ étaient une concentration de Fe2+ de 0,8 mmol/L, une concentration de [MTZ]0 de 100 mg/L et une quantité de boues de 30 % pour atteindre un taux d'élimination maximal du MTZ de 92,644 %, la valeur R2 élevée de l'équation du modèle (0,9721) démontre sa pertinence. L'analyse des voies de dégradation par la simulation (DFT) a révélé une minéralisation complète du MTZ en CO2 et H2O et HNO3. Ces résultats montrent que les systèmes Bio-EF sont économes en énergie et respectueuse de l'environnement pour le traitement des eaux usées pharmaceutiques.