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

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.

Abstract

Ammoniacal nitrogen (NH3-N) is one of the contaminants found in the final effluent after the use of nitrogen-based explosives, but also from cyanidation processes used in the extraction of precious metals such as gold and silver. Due to the aquatic toxicity of the un-ionized form of this contaminant, it is regulated in Canada. In this sense, several treatment options, including geochemical such as the use of zeolite, or biological such as the use of a moving bed biofilm reactor (MBBR) are used in the treatment of NH3-N. Although effective, these treatment approaches generate N-rich residual materials such as MBBR biomass or saturated/spent zeolite that must be stored safely. At the same time, Quebec regulations require that mine sites be returned to a satisfactory state, which includes revegetation. One of the limiting factors when revegetating mine sites is the low amount of nitrogen present in the mine waste to be revegetated. Thus, adding nitrogen in the form of fertilizer is often necessary to allow the success of the vegetation. In this context, a substitution of commercial fertilizers by N-rich residual materials already present on the mining sites could be integrated within a circular economy approach. Zeolites are mostly known for metal stabilization in mine tailings due to their ability to fix cations, or used in agriculture when they are rich in nitrogen. Municipal biosolids have already been used at mine sites. The objective of the present study was to evaluate the efficiency of a zeolite in the treatment of NH3-N from mine effluents by sorption on a zeolite and then to valorize nitrogen rich residual solids in the vegetation of mine tailings. For this purpose, an approach combining both the batch treatment of NH3-N from two mine effluents (synthetic and real) and the recovery of MBBR biomass from a biological treatment was conducted in the laboratory. To optimize the sorption of NH3-N on zeolite, several preliminary tests with concentrations of 50 to 280 mg/L of NH3-N were performed on non-saline and then saline synthetic effluents. These tests showed that an increase in NH3-N concentration from 50 to 280 mg/L in contaminated water favored an increase in its sorption on the zeolite (1.5 mg N/g to 6.7 mg N/g zeolite) but also in the treatment time from 30 min to 48 h. The addition of 3% NaCl to reproduce the salinity of the real effluent resulted in an increase in treatment time (from 2 days to 7 days) and a 50 % decrease in the sorption capacity of the zeolite (6.2 to 3.2 mg/g). The treatment of two effluents, a synthetic saline effluent (41,3 mS/cm) containing 250 mg/L NH3-N and a real saline effluent (57,4 mS/cm) containing 280 mg/L NH3-N, and the recovery of MBBR biomass by vacuum filtration from effluent resulting from the biological treatment of a mining water treatment plant, produced the N-rich residual materials for revegetation trials. These trials were conducted in pots with agronomic herbaceous plants including one Fabaceae and four Poaceae. The N-rich residual materials were used as amendments on non-acid generating mine tailings to evaluate the potential of these materials to be used for vegetation on mine sites. These trials were conducted for 3 months and a dose equivalent to 100 kg/ha of total N was used for the different treatments. Unamended tailings, tailings amended with a mineral NPK fertilizer, and a commercial topsoil were chosen as controls for comparison with the three N-rich amended tailings. The comparison criteria used were above-ground and below-ground biomass production, leaf area, root length and diameter, and leaf NPK macroelement concentration. The potential transfer of contaminants to leaves and runoff was also assessed. The results showed low biomass with the N-rich zeolite amendments. Both above-ground and below-ground biomass were comparable to the unamended control (unamended tailings). While the plants that grew on the tailings amended with the MBBR biomass had similar biomass to the tailings amended with the NPK mineral fertilizer and commercial topsoil. Despite this difference in biomass, leaf nitrogen concentrations in all amended treatments were higher compared to the unamended control. A concentration 6 to 9 times higher in sodium was observed in the leaves of plants in the zeolite treatments compared to the other treatments. The transfer of Cr from the already high-concentration tailings to the plants was observed as well as a high concentration of selenium at the plant level in the MBBR biomass treatments. The analysis of surface runoff at 14, 28, and 90 days did not show any metal contamination problems. Surprisingly, high concentrations of NO3-N were found in the water from the zeolite amendments where the primary form was NH3-N (NH4+). This observation suggests that NH3-N was oxidized during the period preceding the measurements. The results of these trials have allowed the development of knowledge on the treatment of saline effluents rich in N-NH3 and the valorization of MBBR biomass. They also allowed the evaluation of the potential of these nitrogen-rich residual materials as amendments to non-acid-generating mine tailings. This evaluation confirmed the potential of MBBR biomass valorization in mine revegetation, a material that until now had not been valorized as an amendment, to the model of municipal biosolids, which is one of the original elements of this project. Recommendations are made for evaluation for a more long-term assessment of foliar Cr and Se concentrations. Finally, from sustainability and circular economy perspective, this project explored the potential use of two residual materials contaminated by nitrogen as materials of interest for the vegetation of mine.