Traitement des composés azotés dans les effluents miniers : connaissances actuelles

Selon le type de composés azotés, ses concentrations, ses spéciations et les autres paramètres physico-chimiques (pH, température, etc.), il peut être nécessaire de prévoir une chaîne de traitement d’eau pour en assurer la conformité avant de la retourner à l’environnement. Au Québec, la directive 019 sur l’industrie minière a établi les exigences à atteindre au point de rejet de l’effluent final. Jusqu’à maintenant, aucun critère concernant directement les composés azotés n’a été adopté.

Les effluents miniers sont toutefois tenus d’être soumis à des tests de toxicité, notamment la toxicité aiguë, basés sur le taux de survie d’organismes témoins – truites arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) et daphnies (Daphnia magna) – à la suite d’une exposition à l’effluent minier pendant un certain temps. Ces tests permettent d’établir la toxicité de l’effluent pour le milieu récepteur. Certains composés azotés, seuls ou en combinaison, peuvent induire une toxicité. Une investigation méthodique est nécessaire pour les cibler et pour définir les conditions menant à leur toxicité.

Avant d’aller plus loin, il est important de définir les composés azotés dont il est question dans cet article. Ainsi, l’ammoniaque fait référence à sa forme aqueuse (NH₄⁺), aussi appelée ammonium; l’ammoniac à sa forme gazeuse (NH₃); et l'azote ammoniacal à la somme des formes aqueuses et gazeuses (NH₄⁺/NH₃).

Les explosifs du type ANFO (ammonium nitrate-fuel oil) à base de nitrate d’ammonium (NH₄NO₃) sont les plus utilisés dans l’industrie minière. La détonation des explosifs est rarement une réaction complète. En effet, on peut estimer que de 5 % à 30 % des explosifs n’ont pas réagi et se trouvent sur la surface du minerai (Water Conscious Mining, 2017).

L’ammonium (NH4⁺) et les nitrates (NO₃^-) provenant des explosifs qui n’ont pas réagi se lixivient dans les eaux de dénoyage. De la même façon, ces résidus d’explosifs peuvent se retrouver dans les aires d’entreposage du minerai et du matériel stérile et se lixivier lors de précipitations. La plupart des contaminants finissent leur parcours dans l’eau des parcs à résidus. Selon la concentration et la spéciation, l’azote ammoniacal est susceptible d’engendrer de la toxicité à l’effluent. Les nitrates, quant à eux, n’occasionnent habituellement pas de toxicité aux concentrations rencontrées dans les effluents miniers. Toutefois, les nitrates sont des nutriments et pourraient participer à accélérer l’eutrophisation du milieu récepteur.

Pour chaque opération minière, il est possible de minimiser l’ampleur de la contamination. Les pratiques d’entreposage des explosifs et les méthodes de dynamitage peuvent contribuer de façon notable à la contamination de l’eau. Les procédures de manipulation et d’utilisation établies par les fournisseurs d’explosifs devraient être respectées en tout temps. Une bonne pratique à adopter à la suite des opérations de dynamitage est de disposer adéquatement des résidus d’explosifs avant qu’ils ne soient lixiviés au contact de l’eau dans les galeries ou les fosses. Le type d’explosifs utilisé aura aussi une influence sur la présence de ces contaminants.

Dans les cas où la contamination devient critique, l’ANFO peut être substitué par des explosifs sous forme d’émulsions, lesquelles sont connues pour libérer moins d’azote ammoniacal. Ces explosifs sont en général plus coûteux et nécessitent une évaluation des risques et des bénéfices avant leur implantation. De plus, le personnel des groupes opérationnels doit être sensibilisé aux répercussions de leurs activités sur la contamination de l’eau, de façon à l’inciter à adopter ces bonnes pratiques.

Le cyanure est principalement utilisé pour l’extraction de l’or. En raison de sa grande toxicité, il est en général détruit à l’intérieur du procédé. Des agents oxydants, tels que le dioxyde de soufre, le peroxyde et l’acide de Caro, sont mis en contact avec la pulpe contenant le cyanure résiduel et d’autres complexes cyanurés formés pendant le procédé d’extraction. Selon la composition du minerai, ceux-ci seront oxydés pour donner des composés moins toxiques et dangereux pour la santé humaine, tels que les thiocyanates, les cyanates et l’azote ammoniacal. Bien que moins dangereux, ces composés peuvent induire de la toxicité à l’effluent selon leurs concentrations. Dans cette situation, des systèmes de traitement d’eau doivent être mis en place.

Il existe plusieurs types de traitement des composés azotés : chimique, physico-chimique, passif, biologique.

• Le traitement chimique implique souvent l’utilisation d’oxydants tels que le peroxyde, l’ozone et le chlore, qui forment la plupart du temps des nitrates qui, en général, n’engendrent pas de toxicité à l’effluent. Toutefois, ce type de traitement peut être coûteux en raison du prix des produits chimiques.
• La séparation membranaire (par osmose inverse), l’adsorption sur zéolithe, l’utilisation de résines échangeuses d’ions, l’acidification et la volatilisation de l’ammoniac non ionisé (NH₃) sont des exemples de traitements physico-chimiques, parfois moins coûteux que les traitements chimiques. En revanche, les contaminants ne sont pas dégradés, mais plutôt concentrés, et ils nécessitent éventuellement de gérer les résidus.
• Le traitement passif implique des processus naturels de biodégradation. Il ne nécessite pas le recours à un équipement mécanique ni l’utilisation de produits chimiques, ou très peu. L’un des systèmes passifs les plus utilisés est la dégradation dans des marais artificiels. L’effluent est envoyé dans un étang aménagé avec une végétation sélectionnée pour favoriser les réactions de biodégradation avec les micro-organismes présents dans le sol. Les composés azotés sont ultimement transformés en azote gazeux pour venir boucler le cycle naturel de l’azote. Bien que peu coûteux et n’exigeant que peu de main-d’œuvre, les systèmes passifs se prêtent difficilement au traitement de grands volumes d’eau issus des opérations minières ou requièrent une empreinte au sol trop importante. Ils sont plus souvent utilisés pour traiter les eaux lors de la fermeture d’un site minier.
• Le traitement biologique du type MBBR (moving bed biofilm reactor) est considéré comme la meilleure technologie disponible pour l’enlèvement de l’ammoniaque (Mine Environment Neutral Drainage Program, 2014), ainsi pour d’autres composés azotés tels que les thiocyanates (SCN^-), les cyanates (CNO^-), les nitrites (NO₂^-) et les nitrates (NO₃^-).
  
  Ce procédé est basé sur l’utilisation de micro-organismes pour dégrader les contaminants contenus dans l’effluent minier. Ces micro-organismes utilisent les contaminants comme source d’énergie en les dégradant en substances moins nocives, ce qui se traduit par l’élimination de la toxicité de l’effluent. De l’air peut être ajouté en fonction du type de bactéries que l’on souhaite voir proliférer et selon que l’on nitrifie l’eau (enlèvement de l’azote ammoniacal) ou qu’on la dénitrifie (enlèvement des nitrates).
  
  Dans un réacteur MBBR, l’effluent est mis en contact avec des supports mobiles, souvent faits de plastique, appelés médias. Ceux-ci offrent une grande surface de contact propice à la formation du biofilm bactérien. Au fur et à mesure que l’effluent traverse le bioréacteur, les bactéries qui meurent à la surface des médias sont remplacées par de nouvelles jusqu’à l’atteinte d’un équilibre.
  
  Le défi est de maintenir cet équilibre fragile pour assurer l’efficacité de ce type de traitement. Le pH, la température, l’alcalinité et la présence d’inhibiteurs comme des métaux sont des facteurs qui peuvent affecter le traitement. Comparativement au traitement chimique ou physique, le traitement biologique est souvent moins coûteux et ne nécessite pas de recourir à des produits chimiques corrosifs. Il peut cependant requérir un chauffage d’appoint pour augmenter l’activité microbienne qui permettra l’élimination de la charge de contaminants pouvant être traitée, surtout pendant les périodes où la température de l’eau est froide. Il demande aussi une période d’inoculation et d’adaptation de quelques mois avant d’atteindre ses pleines capacités.

Bien que le traitement biologique se démarque en raison de ses nombreux avantages, cela ne signifie pas qu’il constitue toujours la meilleure option à envisager. Chaque opération minière est différente et a sa propre réalité. Une analyse complète qui tient compte de cette réalité et des objectifs à atteindre est nécessaire afin de déterminer la solution optimale.

L’approche intégrée de BBA, qui implique le client à chaque étape du projet, est appliquée par ses professionnel·le·s en traitement des eaux, parmi lesquel·le·s on trouve des ingénieur·e·s, des chimistes, des biologistes et des géochimistes. Ayant exploité et dimensionné plusieurs systèmes de traitement de l’azote ammoniacal dans les secteurs minier et industriel, nos expert·e·s possèdent une vaste expérience dans le traitement des composés azotés et sauront vous accompagner adéquatement.

• Ritva Tuunila, Pertti Lamberg et Maria Sinche Gonzales (2017). Water Conscious Minning (Wascious).

• Mine Environment Neutral Drainage Program (2014). Study to Identify BATEA for Management and Control of Effluent Quality from Mines.