Étude de l’électro-conversion d’azote ammoniacal par voie électrochimique

Le développement économique et la croissance de la population dans le monde ont contribué à la détérioration de la qualité de l’eau. Ceci est principalement dû aux rejets d’effluents industriels et domestiques ainsi qu’aux apports agricoles contenant des charges polluantes de nature organique ou inorganique dans l’environnement. Parmi les polluants transportés par ces rejets, une place privilégiée revient à l’azote ammoniacal. Ce dernier peut se trouver sous deux formes, l’une non ionisée (NH3) et l’autre ionisée (NH4 + ). Les deux formes sont considérées comme étant polluantes à cause de leurs impacts négatifs directs et indirects sur la faune et la flore aquatique ainsi que sur la santé humaine. La présence d’azote ammoniacal dans les eaux peut conduire à la production de nitrites et de nitrates grâce à une oxydation par voie biologique. Ce processus appelé nitrification entraîne une consommation de l’oxygène dans le plan ou le cours d’eau, au détriment des espèces présentes et de la biodiversité.

Le développement de procédés de traitement est nécessaire pour réduire la présence en excès d’azote ammoniacal dans les eaux usées. Plusieurs procédés peuvent être utilisés pour réduire la teneur en azote ammoniacal des eaux, et le choix d’un procédé spécifique dépend, entre autres, des conditions environnementales, de la sensibilité du milieu où est rejeté l’effluent et des contraintes technico-économiques. Ces procédés peuvent être classés en deux catégories ou voies de traitement : physicochimiques et biologiques. Le principal inconvénient de ces procédés réside soit de leurs faibles efficacités et rentabilité ou de leur forte sensibilité a plusieurs paramètres physico-chimiques. La lenteur du processus de traitement (notamment en eau froide), le transfert de polluant dans d’autres cas ou le coût élevé d’opération constituent souvent un frein à l’utilisation d’une voie ou l’autre de traitement. Ceci impose la conception de voies plus judicieuses pour assurer un enlèvement efficace de l’azote ammoniacal, et ce, à moindre coût.

Azote ammoniacal 

L’azote ammoniacal se retrouve dans les eaux principalement sous deux formes qui sont en équilibre chimique : l’ammoniac (NH3), qui est la forme non-ionisé et l’ion ammonium (NH4 + ) qui constitue l’ammoniaque (NH4OH). Dans la nature, l’azote ammoniacal est principalement produit par la dégradation bactérienne de l’azote organique. D’autres formes d’azote peuvent être présentes dans l’eau sous forme de nitrates et nitrites, qui contribuent aussi à ce que l’on appelle communément l’azote total (NT).

Dans l’environnement, il est important de connaître la part d’azote ammoniacal non ionisé puisque plusieurs espèces aquatiques comme les poissons y sont sensibles (Person-Le Ruyet et Bœuf, 1998). Les différentes études rendent aussi compte de la difficulté de quantifier séparément les formes ionisées et non ionisées. Ainsi, l’azote ammoniacal peut s’exprimer en concentration totale d’ion (NH4 + ). La concentration de la forme non ionisée peut être obtenue par calcul  en tenant compte de la température et du pH (Chen, Ling et Blancheton, 2006). La concentration moyenne en azote total dans les eaux usées domestiques est d’environ 45 mg/L (Gálvez et al., 2003).

Problématique des rejets d’azote ammoniacal 

L’intensification continue de l’utilisation des engrais dans l’agriculture moderne, les rejets industries agroalimentaires et les industries chimiques (détergents) résultent d’un ensemble d’activités humaines qui entrainent la pollution des eaux souterraines et de surface par les composés azotés.

L’azote peut diffuser à travers les membranes épithéliales des organismes aquatiques beaucoup plus facilement que l’ion ammonium. L’excès de l’ammoniac bloque le transfert de l’oxygène dans les branchies des poissons. Les poissons qui souffrent d’un empoisonnement à l’ammoniac deviennent faibles et se déplacent à la surface de l’eau pour s’oxygéner. Dans les espaces marins, le niveau d’ammoniac est inférieur à 1 mg/L (Udeh, 2004).

La détermination de la concentration d’azote ammoniacal non ionisé est importante, puisque cette forme d’azote est responsable des problèmes de toxicité de la vie aquatique. La toxicité globale d’azote ammoniacal dans un milieu se définit sous deux formes, soit la toxicité aigüe et la toxicité chronique. Des concentrations au-dessus de valeurs seuils chroniques peuvent causer une diminution de la capacité de diffusion de l’oxygène du système respiratoire des poissons. Au-dessus de valeurs seuils aigües, des troubles neurologiques et un épaississement de la membrane des branchies peuvent être constatés (Environnement Canada, 2003).

L’un des aspects majeurs de la problématique d’azote ammoniacal est sa transformation dans la nature en nitrite et en nitrate sous l’effet de processus oxydatifs divers. Cet aspect une contribution significative à la problématique de l’eutrophisation de l’eau. Celle-ci est devenue un problème environnemental mondial au cours des dernières décennies. La présence dans la nature des minéraux tels les aluminosilicates est probablement la principale cause de ces processus oxydatifs. Une étude littérature de spécialité a déjà montré que les argiles des sols ou en turbidité dans les eaux peuvent catalyser l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite et nitrates, parmi les principaux agents eutrophiant. L’excès d’azote en présence de phosphore peut provoquer une suralimentation de la croissance des plantes aquatiques et des algues (Bergeron, Corbeil et Arsenault, 2002). La croissance excessive de ces organismes, à son tour, peut obstruer les prises d’eau, consommer l’oxygène dissous et affecter la vie aquatique.

Technologies potentielles pour l’enlèvement de l’azote ammoniacal 

Plusieurs méthodes biologiques et physico-chimiques ont été utilisées pour éliminer l’azote ammoniacal dans les eaux usées. Le choix d’un procédé ou l’autre dépend de plusieurs facteurs, notamment (Ordre des chimistes du Québec, 2012) :
• la composition chimique de l’effluent;
• la concentration d’azote ammoniacal;
• la nature et la concentration des autres contaminants;
• la quantité d’effluent à traiter;
• le milieu de déversement.

Traitement biologique 

Les méthodes biologiques par voie de nitrification-dénitrification naturelle par les microorganismes sont couramment utilisées pour éliminer ce polluant. Ce type d’approche implique la dénitrification biologique des eaux usées pour convertir les nitrates produits en azote gazeux avec l’utilisation de bactéries (Crab et al., 2009). Les technologies sont généralement les moins coûteuses et sont variées. On peut citer comme exemples les procédés à cultures libres (boues activées) ou à cultures fixées (biofiltration et disques rotatifs).

Les procédés biologiques (hors nitrification-dénitrification) sont considérés parmi les traitements les plus répandus au Québec et sont utilisés dans près de 90 % des stations d’épurations municipales (Deronzier et al., 2001). L’efficacité d’un procédé de nitrificationdénitrification reste limitée par un processus de bioconversion lent à cause de plusieurs facteurs, dont des conditions climatiques particulières à chaque région, le pH, la présence de composés traces, de l’oxygène dissous et surtout aux fluctuations significatives de teneurs en azote ammoniacal dans le temps et l’espace (Wett et Rauch, 2003).