Traitement des contaminants azotés dans les effluents miniers

Grimault, Arnaud (2025). Traitement des contaminants azotés dans les effluents miniers. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1727

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Résumé

RÉSUMÉ

Bien que l’industrie minière joue un rôle essentiel dans l’économie canadienne, elle génère des effluents souvent fortement concentrés en contaminants azotés tels que le thiocyanate (SCN⁻), l’azote ammoniacal (N-NH3), les nitrites (NO2-) et les nitrates (NO3-). Ces polluants, principalement issus de l’utilisation d’explosifs au nitrate d’ammonium et de la cyanuration, présentent des risques écotoxicologiques importants. Leur traitement est d’autant plus complexe que la forte concentration en solides totaux dissouts des effluents miniers limite l’efficacité des méthodes conventionnelles, notamment les procédés membranaires, souvent sujets au colmatage.

Ce mémoire propose une évaluation comparative de trois stratégies de traitement des contaminants azotés présents dans des effluents miniers à forte concentration en SDT (solides totaux dissouts) : l’ozonation à microbulles (approche active), le réacteur biologique à lit mobile MBBR (Moving Bed BiofilmReactor, une approche biologique) et la promotion de l’atténuation naturelle (approche semi-passive).

L’ozonation à microbulles a permis une oxydation rapide et très efficace du SCN⁻ et du N-NH₃, avec plus de 99 % d’oxydation en 1,5 à 2,5 heures de temps de résidence hydraulique (TRH) selon la charge initiale en contaminants. Par exemple, un effluent contenant 100 mg/L de N-NH₃ a été complètement traité en deux heures. Un probable effet catalytique des ions chlorure, par formation de (per)chlorate, est mentionné dans la littérature. Les résultats n’ont pas confirmé la formation de ces éléments, invalidant cette hypothèse. La consommation moyenne d’ozone variait entre 10 et 25 g-O₃ par g de N-NH₃ traité, avec une efficacité améliorée pour des concentrations initiales élevées. Toutefois, le procédé a entraîné une accumulation importante de nitrates, dépassant parfois 1 g/L, pouvant nécessiter une étape de dénitrification complémentaire.

Le système MBBR a atteint au moins 80 % d’enlèvement de l’azote sur une période de neuf mois. Les vitesses maximales d’enlèvement surfacique, à température ambiante (≈ 22 °C), ont atteint 3,3 g-N/m²/jour pour le SCN⁻ dans le premier réacteur et 1,7 g-N/m²/jour pour les NO₃⁻ dans l’étape de dénitrification. Des accumulations ponctuelles de nitrites ou d’azote ammoniacal ont alors pu survenir. L’usage du saccharose, du fait des doses élevées requises, figure parmi les causes majeures possibles. Cela souligne l’importance du choix de la source de carbone organique et du contrôle du rapport C:N. Les tests écotoxicologiques ont confirmé que l’effluent traité n’était généralement pas toxique, à l’exception de deux cas isolés, probablement liés à une demande chimique en oxygène (DCO) excessive ou à un pic de nitrites.

L’approche semi-passive par atténuation naturelle, testée en chambre de culture et en conditions réelles, a permis une réduction modérée mais constante des contaminants, notamment du N-NH₃, à condition que l’alcalinité initiale soit suffisante (≈ 80 mg-CaCO3/L). L’assimilation biologique par les microalgues a été identifiée comme mécanisme principal, comme le confirment les analyses isotopiques (δ¹⁵N, δ¹⁸O) et les dénombrements biologiques. Toutefois, lors des phases de mortalité de la biomasse, une remobilisation des contaminants a été observée, représentant jusqu’à 30 % du N-NH₃ précédemment éliminé, dans des essais menés à 4 °C sur cinq mois. Ce phénomène peut être efficacement atténué grâce à la récupération de la biomasse par coagulation-floculation. Les coagulants métalliques (sulfate ferrique, PAC) associés à un polymère ionique, ainsi qu’un polymère naturel (chitosane), ont permis une récupération de plus de 90 % de la biomasse en suspension.

Ces résultats soulignent que chaque méthode de traitement présente des avantages et des limites spécifiques, selon les caractéristiques de l’effluent, sa charge polluante et les contraintes opérationnelles. L’ozonation convient particulièrement aux effluents fortement chargés nécessitant un traitement rapide, le MBBR assure des performances durables en conditions maîtrisées, et l’atténuation naturelle représente une option économique intéressante pour des sites isolés ou en fermeture. Le mémoire conclut en proposant un ensemble de critères décisionnels pour guider le choix de la stratégie de traitement des contaminants azotés dans les eaux minières.

ABSTRACT

Although the mining industry plays a vital role in the Canadian economy, it generates effluents often highly concentrated with nitrogen-based contaminants such as thiocyanate (SCN⁻), ammonia nitrogen (N-NH₃), nitrites (NO₂⁻), and nitrates (NO₃⁻). These pollutants, primarily resulting from the use of ammonium nitrate explosives and cyanidation processes, pose significant ecotoxicological risks. Their treatment is particularly challenging due to the high total dissolved solids (TDS) content in mining effluents, which limits the effectiveness of conventional methods, especially membrane processes, which are prone to fouling.

This thesis presents a comparative evaluation of three treatment strategies for nitrogen contaminants in mining effluents with high TDS concentrations: microbubble ozonation (an active approach), the Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR, a biological approach), and the promotion of natural attenuation (a semi-passive approach).

Microbubble ozonation enabled rapid and highly efficient oxidation of SCN⁻ and N-NH₃, with more than 99% oxidation achieved within 1.5 to 2.5 hours of hydraulic retention time (HRT), depending on the initial contaminant load. For instance, an effluent containing 100 mg/L of N-NH₃ was fully treated within two hours. A possible catalytic effect of chloride ions, via the formation of (per)chlorates, has been reported in the literature. However, the results did not confirm the formation of such compounds, thus invalidating this hypothesis. Average ozone consumption ranged from 10 to 25 g-O₃ per g of N-NH₃ treated, with improved efficiency at higher initial concentrations. Nevertheless, the process led to significant accumulation of nitrates, sometimes exceeding 1 g/L, potentially requiring a complementary denitrification step.

The MBBR system achieved at least 80% nitrogen removal over a nine-month period. Maximum surface removal rates at ambient temperature (≈ 22 °C) reached 3.3 g-N/m²/day for SCN⁻ in the first reactor and 1.7 g-N/m²/day for NO₃⁻ in the denitrification step. Occasional accumulations of nitrites or ammonia nitrogen were observed, potentially linked to the use of sucrose and the high dosage it required. This highlights the importance of selecting an appropriate organic carbon source and carefully controlling the C:N ratio. Ecotoxicological tests confirmed that the treated effluent was generally non-toxic, except for two isolated cases, likely due to excessive chemical oxygen demand (COD) or nitrite spikes.

The semi-passive natural attenuation approach, tested both in growth chambers and under real conditions, allowed for moderate but consistent reduction of contaminants, particularly N-NH₃, provided that initial alkalinity was sufficient (≈ 80 mg-CaCO₃/L). Biological assimilation by microalgae was identified as the main mechanism, as confirmed by isotopic analyses (δ¹⁵N, δ¹⁸O) and biological counts. However, during biomass die-off phases, remobilization of contaminants was observed, accounting for up to 30% of the previously eliminated N-NH₃, in tests conducted at 4 °C over five months. This phenomenon can be effectively mitigated through biomass recovery via coagulation-flocculation. Metallic coagulants (ferric sulfate, PAC) combined with an ionic polymer, as well as a natural polymer (chitosan), enabled recovery of over 90% of the suspended biomass.

These results highlight that each treatment method presents specific advantages and limitations depending on effluent characteristics, pollutant loads, and operational constraints. Ozonation is particularly suited for highly loaded effluents requiring rapid treatment; the MBBR offers sustained performance under controlled conditions; and natural attenuation represents a cost-effective option for remote or decommissioning sites. The thesis concludes with a proposed set of decision-making criteria to guide the selection of appropriate nitrogen contaminant treatment strategies for mining waters.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Rosa, Éric et Genty, Thomas
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal
Mots-clés libres:	Contaminants azotés, Nitrogen contaminants, Effluents miniers, Mining effluents, Ozonation à microbulles, Microbubble ozonation, MBBR (réacteur biologique à lit mobile), MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), Atténuation naturelle, Natural attenuation, Azote ammoniacal (N-NH₃), Ammoniacal nitrogen (N-NH₃), Dénitrification (NO₃⁻ / NO₂⁻), Nitrate and nitrite removal, Denitrification
Divisions:	Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	28 nov. 2025 13:35
Dernière modification:	28 nov. 2025 13:35
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1727

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