Traitement de l'azote ammoniacal dans les effluents miniers et valorisation des solides résiduels contaminés en végétalisation

Saint-Aimé, Ricot (2023). Traitement de l'azote ammoniacal dans les effluents miniers et valorisation des solides résiduels contaminés en végétalisation. (Mémoire de maîtrise). Polytechnique Montréal. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1488

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Résumé

L’azote ammoniacal (N-NH3) est l’un des contaminants qui se retrouvent dans les effluents miniers, après l’utilisation des explosifs à base d’azote, mais aussi des procédés de cyanuration dans l’extraction des métaux précieux tels que l’or et l’argent. En raison de la toxicité aquatique, surtout de la forme non-ionisée de ce contaminant, ce dernier est normé au Canada. En ce sens, plusieurs méthodes de traitement géochimique, comme l’utilisation des zéolites, ou biologique, comme l’utilisation d’un réacteur de biofilm à lit mobile (MBBR) sont utilisées dans le traitement de N-NH3. Bien qu’efficaces, ces traitements génèrent des matières résiduelles riches en azote telles que la biomasse MBBR ou une zéolite saturée qui doivent être entreposées de manière sécuritaire.

Parallèlement, la réglementation québécoise exige que les sites miniers soient remis dans un état satisfaisant, ce qui inclut la végétalisation de ces derniers. L’un des facteurs limitants lors de la végétalisation de sites miniers est la faible quantité d’azote présent dans les rejets miniers à végétaliser. Ainsi, un apport d’azote sous forme d’engrais est souvent nécessaire pour permettre le succès de la végétalisation. Dans ce contexte, une substitution des engrais commerciaux par des matières résiduelles riches en azote déjà présentes sur les sites miniers pourrait s’intégrer dans une approche d’économie circulaire. Les zéolites sont surtout connues pour la stabilisation des métaux dans les résidus miniers grâce à leur capacité de fixation des cations, ou utilisées en agriculture lorsqu’elles sont riches en azote. Au niveau des sites miniers, des biosolides municipaux ont déjà été utilisés. L’objectif de cette étude a été d’évaluer l’efficacité d’une zéolite dans le traitement de N-NH3 des effluents miniers par sorption, puis de valoriser les solides résiduels chargés en azote dans la végétalisation de résidus miniers. Pour ce faire, une approche combinant à la fois le traitement en batch de N-NH3 de deux effluents miniers (synthétique et réel), et la récupération de biomasse MBBR provenant d’un traitement biologique a été menée en laboratoire.

Afin d’optimiser la sorption de N-NH3 sur la zéolite, plusieurs essais préliminaires avec des concentrations de 50 à 280 mg/L de N-NH3 ont été conduits sur des effluents synthétiques non salins puis salins. Ces essais de traitement géochimique ont montré qu’une augmentation de concentration en N-NH3 de 50 à 280 mg/L dans le milieu favorisait une augmentation de sa sorption sur la zéolite (1,5 mg de N/g à 6,7 mg de N/g de zéolite) mais aussi du temps de traitement d’une demi-heure à 48 h. De plus, l’ajout de 3% de NaCl pour reproduire la salinité de l’effluent réel a entrainé une augmentation du temps de traitement (de 2 jours à 7 jours) et une diminution de 50% de la capacité de sorption de la zéolite (6,2 à 3,2 mg/g). Le traitement des deux effluents, un effluent synthétique salin (41,3 mS/cm) contenant 250 mg/L de N-NH3 et un effluent réel salin (57,4 mS/cm) contenant 280 mg/L de N-NH3, ainsi que la récupération par filtration sous vide de biomasse MBBR provenant d’un effluent du traitement biologique d’une usine de traitement d'eau minière, a permis de produire les matières résiduelles riches en azote pour des essais de végétalisation.

Ces essais ont été conduits en pot avec des plantes herbacées agronomiques, une Fabacée, et quatre Poacées. Les matières résiduelles riches en azote ont été utilisées comme amendements sur des résidus miniers non générateurs d’acide afin d’évaluer le potentiel de valorisation de ces matières dans la végétalisation des sites miniers. Ces essais ont été menés pendant 3 mois et une dose équivalente à 100 kg/ha d’azote total a été utilisée pour les différents traitements. Des résidus non amendés, des résidus amendés avec un engrais minéral NPK et un terreau commercial ont été choisis comme témoins pour comparaison avec les trois amendements de matières résiduelles riches en azote. Les critères de comparaison retenus étaient la production de biomasse aérienne et souterraine, la surface foliaire, la longueur et le diamètre des racines, et la concentration en macroéléments NPK des feuilles. Le transfert potentiel de contaminants vers les feuilles et l’eau de ruissellement a aussi été évalué.

Les résultats de ces essais ont montré de faibles biomasses pour les amendements avec les zéolites riches en azote. Cette biomasse tant aérienne que souterraine était comparable au témoin sans amendement (résidus non amendés). Tandis que les plantes qui avaient poussé sur les résidus amendés avec la biomasse MBBR avaient des biomasses similaires à celles des résidus amendés avec l’engrais minéral NPK et le terreau commercial. Malgré cette différence de biomasse, les concentrations en azote foliaire dans tous les traitements amendés étaient plus élevées comparativement au témoin sans amendement. Une concentration 6 à 9 fois plus élevée en sodium a été observée au niveau des feuilles pour les plantes dans les traitements avec les zéolites par rapport aux autres traitements. Un transfert du chrome vers les feuilles des plantes a été constaté pour tous les traitements sur résidus, ces derniers présentant des concentrations totales élevées de ce métal, alors qu’une concentration importante en sélénium a été mesurée au niveau foliaire sur les traitements avec la biomasse MBBR.

L’analyse des eaux de ruissellement à 14, 28 et 90 jours ne montre pas de problème de contamination en lien avec les métaux. À noter que des concentrations élevées en N-NO3 ont été retrouvées dans les eaux issues des amendements avec les zéolites où la forme initiale était le N-NH3 (NH4+). Cette observation suggère que le N-NH3 s’est oxydé au cours de la période précédant les mesures.

Les résultats de ces essais ont permis de développer des connaissances sur le traitement des effluents salins riches en N-NH3 et la valorisation de biomasse MBBR. Ils ont aussi permis l’évaluation du potentiel de ces matières résiduelles riches en azote comme amendements de résidus miniers non générateurs d’acide. Cette évaluation a permis de confirmer le potentiel de valorisation de la biomasse MBBR en végétalisation minière, matériau qui jusqu’à présent n’avait pas été valorisé comme amendement, sur le modèle des biosolides municipaux, ce qui constitue l’un des éléments originaux de ce projet. Des recommandations sont faites en vue de l’évaluation à plus long terme des concentrations foliaires en Cr et en Se. Enfin, du point de vue développement durable et dans la perspective d'une économie circulaire, ce projet a exploré l'utilisation potentielle de deux matières résiduelles contaminées par l'azote comme matériaux d’intérêt pour la végétalisation des sites miniers.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur de mémoire/thèse:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Guittonny, Marie
Informations complémentaires:	Institutions en extension : Université de Montréal et Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue
Mots-clés libres:	azote ammoniacal, zéolite, biomasse MBBR, traitement des eaux minières, graminées et légumineuses agronomiques, fertilisation azotée
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	11 août 2023 13:23
Dernière modification:	11 août 2023 13:23
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1488

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