Application d'un réseau neuronal artificiel et de modèles d'adsorption dynamique pour prédire l'extraction de substances humiques à partir du lixiviat de déchets solides municipaux

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12421 (2023) Citer cet article

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La gestion durable des lixiviats de déchets solides municipaux (MSWL) nécessite un changement de paradigme, passant de l'élimination des contaminants à une récupération efficace des ressources et à une réduction simultanée des contaminants. Dans cette étude, deux types de substances humiques, l'acide fulvique (FA) et l'acide humique (HA), ont été extraits du MSWL. L'HA a été extrait à l'aide d'une solution de HCl et de NaOH, suivi de l'AF à l'aide d'un lit de colonne selon des opérations diversifiées telles que le débit, la concentration d'entrée et la hauteur du lit. En outre, ce travail vise à évaluer l'efficacité des modèles de réseau neuronal artificiel (ANN) et d'adsorption dynamique dans la prédiction de l'AF. Avec un débit de 0,3 mL/min, une hauteur de lit de 15,5 cm et une concentration d’entrée de 4,27 g/mL, la capacité maximale de FA a été obtenue à 23,03 mg/g. L'analyse FTIR dans HA et FA a révélé plusieurs groupes fonctionnels contenant de l'oxygène, notamment carboxylique, phénolique, aliphatique et cétone. La valeur élevée du coefficient de corrélation (R2) et une valeur d'erreur quadratique moyenne (MSE) inférieure ont été obtenues à l'aide de l'ANN, indiquant la capacité supérieure de l'ANN à prédire la capacité d'adsorption par rapport à la modélisation traditionnelle.

Le lixiviat produit dans les décharges municipales de déchets solides (MSWL) est un sous-produit de la décomposition des déchets biodégradables1. Chaque année, les décharges de déchets solides municipaux (DSM) produisent des centaines de milliers de mètres cubes de lixiviats à haute teneur organique2. Actuellement, le mouvement vers une économie circulaire se concentre sur la réutilisation de matériaux autrefois considérés comme des déchets en ressources précieuses3.

La récupération réussie des produits à valeur ajoutée des MSWL nécessite l'utilisation de technologies efficaces4. Le traitement conventionnel des LCM est souvent compliqué, ce qui entraîne des conséquences environnementales néfastes et des coûts de mise en œuvre5. Les MSWL peuvent être une ressource potentielle pour valoriser des produits à forte valeur ajoutée6,7. Parmi les nombreuses substances pouvant être récupérées efficacement à partir des MSWL, la substance humique (HS) est la plus importante en raison de ses actions multidirectionnelles et de ses applications étendues8,9,10.

HS est une combinaison d'acides polymères, aromatiques et aliphatiques produits par la décomposition microbienne des déchets animaux et végétaux. Selon la solubilité du HS dans l'eau à différentes valeurs de pH, ils peuvent être divisés opérationnellement en trois parties : l'acide fulvique (FA), l'acide humique (HA) et les humines (Hu)11,12,13. En raison de leur structure et de leurs capacités, les HS améliorent le conditionnement du sol, le développement des racines, l’absorption des nutriments et la croissance des plantes14. Récemment, ces substances ont été reconnues comme traitant les polluants organiques (antibiotiques, herbicides, fongicides et autres composés phénoliques) et les métaux lourds15,16,17. Il est donc nécessaire de trouver des moyens d’extraire le HS avec une grande efficacité. De nombreuses techniques d’extraction de HS ont été développées, notamment l’adsorption sur résine non ionique ou ionique, le filtrage sur membrane, etc.18,19. Les techniques d’adsorption de résine sont l’une des approches les plus populaires pour l’extraction de FA en raison de leur simplicité, de leur conception facile, de leur prix abordable et de leur faible consommation d’énergie.

L'AF peut être extrait par adsorption de résine, recommandée par l'International Humic Substances Society, en différents groupes chimiques en fonction de son hydrophobie. La résine la plus couramment utilisée est Suplite DAX-8 (anciennement connue sous le nom de XAD-8). Plusieurs études ont utilisé la résine DAX-8 pour extraire le FA du MSWL. Baccot et al.20 Extrait de HS du MSWL comme amendement organique pour améliorer la structure du sol. Des procédures similaires ont également été utilisées pour extraire HA, FA et d’autres matières organiques à l’aide de colonnes DAX-821.

Les expériences d'adsorption dynamique peuvent prédire et modéliser les courbes de rupture (BTC). Ils peuvent également être facilement étendus pour être utilisés dans l’industrie, ce qui en fait un pont entre les expériences à l’échelle du laboratoire et les applications du monde réel. De plus, comme ils peuvent gérer de nombreuses solutions, ils sont plus précis pour identifier les paramètres de conception dans des utilisations pratiques22,23. Plusieurs modèles mathématiques traditionnels ont émergé pour les BTC à lit fixe, notamment les modèles Thomas, Yoon-Nelson et Bed Depth Service Time (BDST)24. Ces modèles prédisent une efficacité d’adsorption réaliste sans nécessiter de configuration expérimentale. De plus, ils donnent des informations pratiques sur la conception des colonnes25. Cependant, il y a un manque d'informations sur l'application de ces modèles dans l'extraction de FA à partir de MSWL à l'aide d'un lit fixe.