Procédés actuels

Pour répondre aux exigences de rejet environnementaux, les solutions mises en place sont divisées en deux grandes catégories prenant en compte la taille et la densité des milieux urbains, la nature des eaux (domestiques, urbaines ou industrielles) ou encore l’état du milieu récepteur. En effet, pour les grandes villes ou certaines industries, les stations d’épuration font souvent appel à des procédés physico-chimiques; dans ce cas, l’enlèvement des composés azotés demeure limité ou encore fonction de la nature des eaux et des formes d’azote présente. Pour d’autres cas, et fréquemment pour les localités de moindre taille, les stations d’épurations sont de type biologique, avec enlèvement ou non des composés azotés. Dans tous les cas, les solutions adoptées engendrent un coût important qui se répercute sur le budget de la collectivité (ou des industries) et, par conséquent, sur la facture d’eau des contribuables.

De plus, en raison des coûts d’investissement et d’entretien, les collectivités de petites tailles (ex. : régions éloignées) n’y ont le plus souvent pas accès. L’électrochimie s’annonce depuis quelques années comme étant une solution prometteuse pour l’élimination des polluants azotés en raison des nombreux avantages qu’elle présente. En effet, grâce à un courant électrique qui traverse un jeu d’électrodes (plaques métalliques : fer, aluminium, titane, ou alliage, acier, cuivre-nickel, acier inoxydable, etc.) plongées dans une solution électrolytique contenant des polluants azotés, des réactions d’oxydoréduction ont lieu au niveau des anodes et des cathodes permettant ainsi la réduction ou la conversion des polluants azotés en azote gazeux. Ce procédé est simple à mettre en œuvre et ne requiert pas de post-traitement ou de surveillance en continu comme dans le cas des techniques biologique. Plusieurs travaux de recherches ont abordé l’électroréduction ou l’électroconversion des produits azotés, en particulier les nitrates, dans le but d’améliorer les performances de la méthode.

Les travaux de recherche ont généralement porté sur la nature des matériaux utilisés, les conditions opératoires (potentiel électrique imposé, distance entre les électrodes, etc.), la consommation d’énergie et la corrosion des électrodes. Cependant, peu de chercheurs se sont intéressés à l’enlèvement électrochimique de l’azote ammoniacal. (Gerischer et Mauerer, 1970) ont été les premiers à étudier l’enlèvement de l’azote ammoniacal par électrochimie en fournissant les mécanismes de transformation du NHସା en Nଶ. Quelques décennies plus tard, des chercheurs (Huang et al., 2014; Lahav et al., 2013) se sont intéressés à l’étude de l’enlèvement de NHସା en combinant deux méthodes physico-chimiques, en l’occurrence l’échange ionique et l’électrochimie. Ce concept combine l’avantage des deux méthodes d’enlèvement du NHସା. D’une part, une résine permet de fixer le NHସା par échange d’ions et, d’autre part, l’électrochimie assure la conversion du NHସା en Nଶ. Les résultats obtenus s’avèrent probants, cependant, cette approche combinée requière l’utilisation des réactifs pour régénérer la résine, ou une utilisation limitée de la solution permettant la régénération de la résine (Rahmani et al., 2004; Wang et al., 2016; Widiastuti et al., 2011).

Objectif général et structure de la thèse

L’objectif général de la thèse consiste à développer et tester une approche novatrice d’enlèvement des polluants azotés (NOଷ ି, NHସା), soit l’électroconversion en présence ou non de catalyseurs. Dans le cas des polluants NOଷ ି, l’objectif principal, est l’évaluation de la réduction électrochimique des ions nitrates avec des électrodes en acier doux en régime statique, puis en régime dynamique. Dans le cas de NHସା, l’objectif principal est l’évaluation de l’enlèvement de ce dernier en utilisant des aluminosilicates comme catalyseurs, et plus particulièrement la zéolite clinoptilolite en raison de ses caractéristiques physicochimiques particulières. Le présent projet est divisé en deux grands volets : l’électroréduction des nitrates et l’électroconversion de l’azote ammoniacal. Cette thèse se divise en six chapitres (Figure 0.1). Le premier chapitre présente une revue bibliographique des principales notions reliées aux polluants azotés (nitrates et azote ammoniacal) et à leurs cycles naturels. L’origine entropique de ces polluants est également présentée de même que leurs effets sur l’environnement et la santé humaine. Les mécanismes par lesquels ceux-ci polluent sont exposés ainsi que les différentes techniques de traitement de ces polluants et les travaux jugés pertinents pour la présente étude.

Cette étude bibliographique a été effectuée en tenant compte de la particularité de traitement des deux polluants principaux : les nitrates et l’azote ammoniacal. Le positionnement de la recherche est finalement exposé en fin de chapitre, c’est-à-dire le problème de recherche, les hypothèses de recherche, ainsi que l’objectif général et les objectifs spécifiques. Le deuxième chapitre détaille les approches méthodologiques expérimentales ainsi que les techniques d’étude employées durant les différentes expériences de traitement des nitrates et de l’azote ammoniacal par voie électrochimique. Les trois chapitres suivants sont dédiés aux articles scientifiques publiés en cours de thèse (ou en voie de publication). Le troisième chapitre (Article 1) de ce projet est consacré à l’évaluation de l’efficacité de la réduction des nitrates dans l’eau en y ajoutant différents agents additifs lors du processus électrochimique, dont les sels de chlorures, les acides et les aluminosilicates (argiles). Des essais ont été réalisés en fonction de différents paramètres, dont le potentiel, les différentes concentrations des accélérateurs et des aluminosilicates, et plus particulièrement les concentrations initiales en nitrates. L’aspect chimique de ce thème est abordé dans le but de comprendre les mécanismes de transformation des nitrates NOଷ ି jusqu’à l’obtention d’un gaz inoffensif Nଶ.

De plus, l’influence des aluminosilicates sur l’amélioration de l’abattement des nitrates et sur la sélectivité de l’azote Nଶ est étudiée selon une approche basée sur l’analyse de l’alcalinité. Le quatrième chapitre (Article 2) est dédié à l’étude et l’évaluation de l’efficacité d’une nouvelle approche de traitement électrochimique de l’azote ammoniacal. Ce procédé combine la méthode d’échange ionique par le biais de la zéolite et le procédé électrochimique grâce à5 l’utilisation d’électrodes métalliques. L’azote ammoniacal est d’abord fixé sur un réservoir solide (la zéolite) afin de le concentrer pour ensuite subir une électroconversion (transformation électrochimique) en un gaz inoffensif Nଶ. Différents agents additifs (sels et acides) ont été ajoutés à la solution expérimentale lors du processus électrochimique. Les résultats obtenus sont comparés entre eux sur la base de l’abattement de l’azote ammoniacal. De la même manière que pour les nitrates, l’étude chimique de la transformation du NHସା en azote Nଶ est effectuée dans le but de comprendre les mécanismes présents et l’influence de la zéolite et des additifs, en particulier, les chlorures. Plusieurs études ont traité de l’électroréduction des nitrates en mode statique, mais peu de travaux se sont intéressés au mode dynamique et à ses effets sur les performances.

Cycle de l’azote

L’azote circule selon un cycle biogéochimique au cours duquel il subit des transformations en diverses formes chimiques (organiques et minérales). L’atmosphère terrestre représente le plus grand réservoir d’azote avec 78 % de sa composition (Brimblecombe, 1996). Cependant, la forme chimique de l’azote atmosphérique Nଶ le rend moins disponible biologiquement pour la majorité des espèces à l’exception de quelques types de bactéries telles que les cyanobactéries qui se trouvent principalement dans le sol. Ces microorganismes assurent les échanges de l’azote entre les trois principaux réservoirs, soit l’atmosphère, le sol et les hydrosystèmes. Trois processus de base sont impliqués dans le cycle de l’azote : la fixation de l’azote gazeux N2, la nitrification et la dénitrification (Figure 1.1).