Le contenu élevé en eau des boues augmente les coûts de traitement ultérieurs ainsi que les risques environnementaux. Un processus innovant de faible température combiné avec du polyacrylamide (PAM) dans des conditions presque neutres (heat-PAM) a été proposé pour améliorer le déshydratation des boues de manière simple et pratique. À un pH de 6,0 et une température de 85°C, avec un dosage de PAM de 10,0 mg/g de matière sèche (MS), la teneur en eau et le temps de succion capillaire (CST) des boues traitées ont diminué respectivement de 76,8 % et 27,5 s à 68,9 % et 16,6 s. Le pH presque neutre est propice à une utilisation ultérieure des ressources des boues. Ce traitement heat-PAM a permis la transformation de la fraction hydrophile au sein des substances polymériques extracellulaires fortement liées (TB-EPS) en EPS solubles (S-EPS), la lyse des cellules de boues et la libération de l'eau liée. La teneur en eau liée a été réduite de 2,4 g/g MS à 0,8 g/g MS. De plus, les caractérisations moléculaires des EPS par spectrométrie de photoélectrons X (XPS) ont clarifié la décomposition des groupes fonctionnels hydrophiles par le traitement heat-PAM. Le potentiel zêta et la taille des particules ont indiqué que le PAM a provoqué une re-floculation. Les changements dans la distribution de la communauté microbienne au sein des boues traitées ont entraîné une diminution de la proportion de certains gènes de résistance aux antibiotiques (ARGs). Pendant ce temps, les teneurs en métaux lourds typiques (Cr, Cu, Zn) dans les boues conditionnées ont diminué de manière significative. Cette étude présente une technologie simple et efficace pour améliorer le déshydratation des boues et éliminer les polluants des boues.

Les boues activées usées sont un sous-produit du traitement des eaux usées avec une teneur en eau extrêmement élevée (généralement > 99 %), ce qui limite leur traitement et leur élimination ultérieurs [1], [2]. Le coût du traitement des boues représente une part substantielle des dépenses globales des stations d'épuration des eaux usées (STEP) [3]. Il est connu que les boues contiennent de nombreuses substances nocives, telles que des métaux lourds et des gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) [4], [5]. La teneur en antibiotiques dans les boues d'égout varie considérablement, allant de μg/kg à mg/kg [4]. Cela représente une menace potentielle pour la santé humaine et limite considérablement l'utilisation des ressources des boues résiduelles. Par conséquent, il est nécessaire d'éliminer ces substances nocives lors du déshydratation des boues.

Les substances polymériques extracellulaires (EPS) sont des polymères hydrophiles chargés négativement que l'on trouve dans les boues et qui déterminent la performance de déshydratation des boues [3]. Les EPS sont principalement composées de protéines (PN) et de polysaccharides (PS), en plus des substances humiques et des acides nucléiques [6]. Selon le degré de liaison cellulaire, les EPS peuvent être classées en EPS solubles (S-EPS), EPS faiblement liées (LB-EPS) et EPS fortement liées (TB-EPS) [7], [8]. L'hydrophilie des EPS leur permet de se lier à de grandes quantités d'eau, tandis que l'électronegativité des EPS permet une dispersion stable des boues dans les systèmes d'eaux usées [9]. La structure lâche du floc de boues rend difficile l'évacuation de l'eau attachée, ce qui entraîne une teneur en eau plus élevée des boues. Par conséquent, les boues sont généralement prétraitées avant la déshydratation pour obtenir de meilleures performances de déshydratation [10].

La température est un facteur principal affectant la performance de déshydratation des boues. Des études ont montré que des améliorations significatives de la capacité de déshydratation des boues ne sont observées que lorsque les températures dépassent 180°C [11]. Cependant, le traitement à haute température libère de la matière organique des boues dans le filtrat. Cela réduit non seulement la valeur d'utilisation du gâteau de boues déshydratées, mais entraîne également des concentrations extrêmement élevées de demande chimique en oxygène soluble (SCOD) et d'azote ammoniacal dans le filtrat. Par conséquent, le processus de traitement ultérieur devient plus complexe [12]. De plus, les exigences élevées en matière d'équipement et la forte consommation d'énergie augmentent le coût de traitement [12], [13]. Il est donc nécessaire de développer une technologie de traitement des boues à basse température pour réduire les coûts. Le traitement thermique à basse température peut rompre la structure des flocs de boues et décomposer les EPS. Cependant, cela peut augmenter la surface des boues, détériorant ainsi la déshydratabilité des boues [9]. Des études antérieures ont exploré la combinaison de basses températures et d'oxydants pour améliorer de manière synergique la performance de déshydratation des boues. Il a été rapporté que le persulfate de sodium peut réduire la teneur en eau des boues de 12,2 % à 80℃ [14]. Le peroxyde de calcium combiné à une basse température peut réduire la teneur en eau de 79,9 % à 69,2 % dans des conditions acides [9]. Cependant, il existe des risques potentiels associés au stockage et à l'utilisation des oxydants, et une manipulation incorrecte de ceux-ci peut causer des dommages importants à la santé humaine et à l'environnement. De plus, l'activation des oxydants nécessite généralement des conditions acides ou implique des composés intrinsèquement acides, entraînant un filtrat très acide après traitement. Ce filtrat acide non seulement cause des dangers de corrosion pour l'équipement de traitement, mais nécessite également un dosage d'alcali pour la neutralisation, augmentant ainsi les coûts de traitement en aval. Par conséquent, la manière d'améliorer la déshydratation des boues par traitement à basse température sans utiliser d'oxydants mérite d'être examinée.

Les floculants cationiques peuvent éliminer la répulsion électrostatique entre les particules de boue et détruire le système de suspension de la boue, améliorant ainsi le déshydratation de la boue [3]. Le polyacrylamide (PAM), un floculant cationique couramment utilisé, est largement appliqué dans les stations d'épuration des eaux usées (WWTP) en raison de son faible coût et de sa forte floculation [15]. Au cours du processus de floculation de la boue, le PAM agit comme un pont de connexion entre les petits et grands flocs de boue grâce à la neutralisation de charge et au pontage, augmentant ainsi le taux de filtration de la boue [16], [17]. Cependant, si seul le PAM est utilisé, la structure de l'EPS ne sera pas détruite et l'eau liée restera dans la boue, entraînant un taux d'humidité constamment élevé [18].

La combinaison de PAM et de basse température peut compenser les lacunes du traitement à basse température et du PAM dans le renforcement du déshydratation des boues. La technologie combinée évite également l'utilisation d'oxydants, minimisant ainsi les risques environnementaux associés à l'utilisation de produits chimiques. De plus, le traitement thermique peut détruire les cellules de boue et modifier la structure de la communauté microbienne, ce qui a le potentiel d'éliminer les ARG des boues [11]. Cependant, il reste un vide de recherche sur l'élimination des ARG par traitement thermique combiné avec PAM dans le processus de déshydratation améliorée des boues.

Cette étude vise à explorer l'amélioration potentielle de la déshydratation des boues en utilisant un PAM combiné à basse température dans des conditions presque neutres (heat-PAM). Le temps de succion capillaire (CST) et la teneur en eau ont été utilisés comme paramètres pour évaluer la performance de déshydratation. Les objectifs principaux de cette étude sont les suivants : (1) étudier l'effet du processus heat-PAM sur la déshydratabilité des boues ; (2) évaluer les variations des teneurs en métaux lourds typiques et l'abondance relative de certains ARG dans les boues après conditionnement combiné ; (3) explorer les mécanismes pertinents d'amélioration de la performance de déshydratation des boues et évaluer les modifications de la structure de la communauté microbienne pour révéler les mécanismes potentiels d'élimination des ARG des boues.