Traitement de l’azote ammoniacal par ozonation en microbulles dans les effluents miniers salins

Ben Ammar, Samia (2026). Traitement de l’azote ammoniacal par ozonation en microbulles dans les effluents miniers salins. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1891

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Résumé

RÉSUMÉ

L’azote ammoniacal (N-NH3) constitue un contaminant présent dans les effluents miniers canadiens, soumis à une limite de 0,5 mg/L selon le règlement sur les effluents des mines de métaux et des mines de diamants (REMMD). Dans les régions nordiques, ces effluents sont caractérisés par des matrices anioniques complexes dominées par des Cl- (jusqu’à 63 g/L) et des SO42- (jusqu’à 3 g/L), dont l’effet sur l’efficacité du traitement par ozonation à microbulles reste insuffisamment documenté. Ce mémoire évalue expérimentalement l’effet de la salinité sur le traitement du N-NH3 par ozonation à microbulles (pH 9, 20 °C, débit O3 = 16 g/h). Des essais en mode semi-batch ont été conduits sur 21 effluents synthétiques (S0-S20) et deux effluents miniers réels (R1 et R2). Pour les Cl-, trois régimes conditionnés par le ratio massique Cl-/N-NH3 ont été identifiés : une zone favorable (ratio ≤ 10) où les anions Cl- améliorent le transfert de masse sans affecter les •OH ; une zone de transition (10 ≤ ratio ≤ 500) où les espèces chlorées réactives (ECR) ralentissent la cinétique tout en maintenant un enlèvement ≥ 99,7%; et une zone d’inhibition (rapport ≈ 600, 30 g/L Cl-) où l’efficacité plafonne à 32,8%, le seuil d’inhibition se situant entre 25 et 30 g/L Cl-. Pour les SO42-, aucune inhibition majeure n’est observée (enlèvement > 99,6% pour 0,1-2,5 g/L SO42-), en raison de la faible formation de SO4•- dans les conditions d’ozonation à microbulles, maintenant ainsi la disponibilité des •OH pour le traitement du N-NH3. L’étude des effluents combinés révèle trois régimes d’interaction: positif à faibles concentrations, additif modéré à concentrations intermédiaires, et positif inattendu à forte concentration en Cl-, les SO42- atténuant l’inhibition via l’amélioration du transfert de masse. Les essais réalisés sur des effluents réels valident les tendances observées: R1 (62,5 g/L Cl-, N-NH3 = 431 mg/L, zone de transition) atteint 100% d’enlèvement en 270 min avec 40% de l’azote converti en N2 via les ECR; R2 (2,9 g/L SO42-, N-NH3 = 133,6 mg/L, zone favorable) atteint 99,9% d’enlèvement en 180 min avec une conversion totale en NO3-. L’analyse cinétique révèle une progression cohérente des ordres de réaction : ordre 0 en zone favorable, ordre 1 en zone de transition et pour les effluents sulfatés, combinés et réels, et ordre 2 en zone d’inhibition. Ces résultats confirment que l’ozonation à microbulles constitue un procédé efficace pour le traitement du N-NH3 présent dans les effluents miniers salins jusqu’à 62,5 g/L Cl-, à condition que le ratio massique Cl-/N-NH3 et la composition anionique de la matrice soient pris en compte dans le dimensionnement du procédé.
Mots-clés : azote ammoniacal, ozonation, microbulles, effluents miniers, salinité, chlorures, sulfates, espèces chlorées réactives, cinétique, ratio Cl-/N-NH3.

ABSTRACT

Ammoniacal nitrogen (N-NH3) is a contaminant commonly found in Canadian mining effluents and is subject to a regulatory limit of 0.5 mg/L under the Metal and Diamond Mining Effluent Regulations (MDMER). In northern regions, these effluents are characterized by complex anionic matrices dominated by Cl- (up to 63 g/L) and SO42- (up to 3 g/L), whose effects on the performance of microbubble ozonation remain insufficiently documented. This study evaluated the effect of salinity on N-NH3 treatment by microbubble ozonation (pH 9, 20 °C, O3 flow rate = 16 g/h). Semi-batch experiments were conducted using 21 synthetic effluents (S0-S20) and two real mining effluents (R1 and R2). For chloride (Cl-), three regimes governed by the Cl-/N-NH3 mass ratio were identified: a favorable zone (ratio ≤ 10), where Cl- enhances mass transfer without affecting •OH radicals; a transition zone (10 ≤ ratio ≤ 500), where reactive chlorine species (RCS) slow down the reaction kinetics while maintaining N-NH3 removal efficiencies (≥ 99.7%); and an inhibition zone (ratio ≈ 600, corresponding to 30 g/L Cl-), where removal efficiency is limited to 32.8%, with the inhibition threshold occurring between 25 and 30 g/L Cl-. For sulfate (SO42-), no significant inhibition was observed (removal > 99.6% for 0.1-2.5 g/L SO42-), due to the limited formation of SO4•- radicals under microbubble ozonation conditions, thereby preserving •OH availability for N-NH3 oxidation. The investigation of combined chloride-sulfate effluents revealed three interaction regimes: positive at low concentrations, moderately additive at intermediate concentrations, and unexpectedly positive at high chloride concentrations, where SO42- mitigated inhibition through enhanced mass transfer. Experiments conducted with real mining effluents validated the trends observed in synthetic matrices. Effluent R1 (62.5 g/L Cl-, N-NH3 = 431 mg/L, transition zone) achieved 100% removal within 270 min, with 40% of nitrogen converted to N2 through RCS pathways. Effluent R2 (2.9 g/L SO42-, N-NH3 = 133.6 mg/L, favorable zone) achieved 99.9% removal within 180 min, with complete conversion to NO3-. Kinetic analysis revealed a consistent progression of reaction orders: zero-order kinetics in the favorable zone, first-order kinetics in the transition zone as well as in sulfate-containing, combined, and real effluents, and second-order kinetics in the inhibition zone. These results show that microbubble ozonation is effective process for N-NH3 treatment in saline mining effluents containing up to 62.5 g/L Cl-, provided that the Cl-/N-NH3 mass ratio and the anionic composition of the matrix are considered during process design.
Keywords: ammoniacal nitrogen, ozonation, microbubbles, mining effluents, salinity, chlorides, sulfates, reactive chlorine species, kinetics, Cl-/N-NH3 ratio.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Hermassi, Mehrez et Coudert, Lucie
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Ozonation; microbulles; azote ammoniacal; salinité; effluents miniers; traitement des eaux; climat froid; Ozonation; microbubbles; ammonia nitrogen; salinity; mining effluents; water treatment; cold climate.
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	01 oct. 2026 15:30
Dernière modification:	01 oct. 2026 15:30
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1891

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