Soutenance mémoire
Principaux facteurs d’influence
L’objectif premier d’un recouvrement en eau est de constituer une barrière à l’oxygène et à cet effet, cette technique a fait ses preuves. Cependant, l’efficacité d’un recouvrement en eau ne dépend pas uniquement de sa capacité à limiter la diffusion moléculaire de l’oxygène (Aubertin, Bussière et Bernier, 2002). En effet, un système de recouvrement en eau interagit avec l’ environnement et est de ce fait soumis à différents facteurs qui peuvent influencer son efficacité et par conséquent la qualité de l’eau de recouvrement. Sans inclure les apports et les pertes d’eau qui contrôlent l’épaisseur du recouvrement d’eau, les facteurs principaux sont les suivants :
le transport de l’oxygène;
l’érosion et de remise en suspension des particules;
le relargage des métaux dissous.
Transport de l’oxygène dans un recouvrement en eau
Sources de l’oxygène
L’oxygène dissous dans les eaux du recouvrement peut provenir : du transport de l’oxygène à travers les entrées (précipitations, ruissellement et infiltration des eaux souterraines) et les sorties d’eau (exfiltration des eaux souterraines), du transfert d’oxygène à l’interface air-eau, du transport vertical de l’oxygène à travers la colonne d’eau.
L’oxygène dissous dans les eaux du recouvrement peut être transporté vers l’eau interstitielle des résidus à l’interface eau-résidus.
Lorsqu’il existe une différence de concentration d’oxygène dissous entre l’eau de l’entrée et l’eau de recouvrement ainsi que l’eau du recouvrement et l’eau de sortie, les entrées et sorties d’eau peuvent affecter la concentration en oxygène de la couverture d’eau (Li, Aubé et St-Amaud, 1997). Néanmoins, l’effet des entrées et sorties d’eau dans les systèmes de recouvrement en eau est généralement négligeable (Li, Aubé et St-Amaud, 1997).Le transfert d’oxygène à l’interface air-eau est fonction du gradient de concentration de l’oxygène entre les phases air et eau, de la température, de la turbulence (le brassage de l ‘eau attribuable à l’effet des vents), et du coefficient de transfert de l’oxygène entre l’air et l’eau (Liss, 1973; Li, Aubé et St-Arnaud, 1997; Lee, 2002; Schladow et al., 2002; Molder, Mashirin et Tenno, 2005). Ce coefficient dépend de la vitesse, de la durée et de la fréquence des vents (Li, Aubé et St-Arnaud, 1997). Des travaux ont été réalisés pour étudier le transport de l’oxygène à l’interface air-eau (Schladow et al., 2002; Lee, 2002; Molder, Mashirin et Tenno, 2005).
Érosion et remise en suspension des particules dans un recouvrement en eau
Dans un système de recouvrement en eau, la couverture d’eau ne demeure pas toujours stagnante. Comme elle est exposée à l’atmosphère, elle subit tous ses aléas, notamment l’effet des vents. Ceux-ci provoquent des vagues et courants qui induisent des contraintes de cisaillement à l’interface eau-résidus. Lorsque ces contraintes deviennent plus grandes qu’une valeur seuil de contrainte de cisaillement spécifique aux résidus en place, appelée contrainte de cisaillement critique elles peuvent éroder et remettre en suspension des résidus miniers (Adu-Wusu, Yanful et Mian, 2001; Catalan et Yanful, 2002; Mian et Yanful, 2004). Ces contraintes sont décrites en détail plus bas. Lorsqu’il y a érosion et remise en suspension des résidus, les courants associés aux vagues peuvent transporter les particules remises en suspension vers l’effluent final. Au Québec, la Directive 019 sur l’industrie minière recommande des concentrations de matière en suspension moyenne mensuelle et maximale respectives de 15 mg/L et 30 mg/L à l’effluent final.
De plus, parce que la concentration d’oxygène dissous est plus élevée dans la couverture d’eau au-dessus des résidus que dans les eaux interstitielles des résidus, les particules remises en suspension peuvent s’oxyder plus facilement. Cela peut conduire à une légère augmentation de l’acidité de l’eau de la couverture et à la libération des métaux (Catalan et Yanful, 2002). De ce fait, les critères peuvent être compromis (cas de la Directive 019 sur l’industrie minière au Québec). Ce phénomène de l’érosion et de la remise en suspension est beaucoup plus accentué dans les zones où la couverture d’eau au-dessus des résidus n’est pas suffisamment profonde (moins de 1m) (Catalan et Yanful, 2002).
Contraintes de cisaillement critique
Mesures expérimentales au laboratoire
La contrainte de cisaillement critique peut être mesurée à l’aide de plusieurs techniques. On peut citer, entre autres, le canal circulaire tournant (rotating circular fiume, RCF) de la National Water Research Institute de Burlington en Ontario (Krisnappan, 1993; Krisnappan et Marsalek, 2002; Davé et al., 2003), le canal d’onde (wave fiume) du Centre d’hydraulique canadien à Ottawa en Ontario (Davé et al., 2003) et la colonne de plexiglas étalonnée au moyen d’un vélocirnètre Doppler (Mian, 2004; Mian, Y anful et Martinuzzi, 2007).
Le RCF est composé d’un canal circulaire de m de diamètre moyen, de 30 cm de largeur et de 30 cm de profondeur. Il repose sur une plate-forme tournante de 7 m de diamètre. Il comporte également une plaque de recouvrement annulaire (ring), attachée à une table tournante supérieure, qui s’adapte au canal circulaire. Le RCF est équipé d’un granulomètre et d’un vélocimètre laser Doppler, qui sont utilisés pour mesurer respectivement la distribution de la taille de particules et la composante tangentielle de la vitesse appliquée pendant que le canal fonctionne. Pour mesurer les caractéristiques d’érosion avec un canal circulaire (Davé et al., 2003), un lit uniforme de résidus, d’approximativement 3 cm d’épaisseur, a été placé sous l’eau du procédé dans le canal et laissé pour décantation. Avant de laisser décanter la pulpe, le canal circulaire et la plaque de recouvrement ont été mis en marche dans la même direction, à des vitesses maximales de 2 et 2,5 RPM pour environ 20 minutes. Ils ont ensuite été arrêtés progressivement jusqu’à atteindre zéro.
Relargage des métaux dissous et géochimie des eaux d’un recouvrement en eau
L’oxydation des minéraux sulfureux contenus dans les résidus miniers par l’oxygène dissous et l’augmentation de l’acidité peuvent entraîner la dissolution des métaux dans la couverture aqueuse. Ces métaux sont soit sous forme d’ions, soit sous forme de précipités en fonction de la qualité géochimique de l’eau de la couverture. Le relargage des métaux dans la couverture d’eau se produit suivant trois mécanismes : la diffusion moléculaire, la remontée de l’eau interstitielle (infiltration ascendante), et la remise en suspension des résidus (Li, Aubé et St-Arnaud, 1997). La diffusion moléculaire est le phénomène par lequel les métaux se déplacent du milieu où leurs concentrations sont élevées, vers le milieu où les concentrations sont plus faibles ou inexistantes. C’est en général un processus lent. La remontée de l’eau interstitielle ou l’infiltration ascendante a lieu s’il y a un gradient ascendant comme une infiltration des eaux souterraines. Ce facteur dépend de la stratigraphie et de la perméabilité du milieu.
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Table des matières
CHAPITRE I :INTRODUCTION
1.1 Généralités
1.2 État de connaissances et besoin d’étude
1.3 Objectif du projet
1.4 Avancement et contributions scientifiques anticipées
1.5 Structure de la thèse
1.6 Références
CHAPITRE II :REVUE DE LA LITTÉRATURE : FACTEURS D’INFLUENCE SUR L’ EFFICACITÉ DE RECOUVREMENTS EN EAU
2.1 Principaux facteurs d’influence
2.2 Transport de l’oxygène dans un recouvrement en eau
2.2.1 Sources de l’oxygène
2.2.2 Travaux de laboratoire
2.2.3 Travaux de terrain
2.2.4 Modélisations mathématiques
2.3 Érosion et remise en suspension des particules dans un recouvrement en eau
2.3.1 Contrainte de cisaillement total
2.3.2 Contraintes de cisaillement critique
2.3.2.1 Mesures expérimentales au laboratoire
2.3.2.2 Modèles semi-empiriques
2.3.3 Épaisseur du recouvrement
2.4 Relargage des métaux dissous et géochimie des eaux d’un recouvrement en eau
2.4.1 Mesures physiques au laboratoire
2.4.2 Mesure de terrain
2.4.3 Modélisation géochimique
2. 5 Besoin en recherche
2. 6 Références
CHAPITRE III :DETERMINATION OF THE REACTION RATE COEFFICIENT OF SULPHIDE MINE TAILINGS DEPOSITED UNDER WATER
ABSTRACT
3.1 Introduction
3.2 Equations for DO diffusion in flooded sulphide tailings
3.3 Materials and methods
3.3.1 Materials properties
3.3.2 Testing procedure proposed to evaluate Kr
3.3.3 Interpretation procedure of the test results
3.4 Results
3.4.1 Measured vertical DO profiles
3.4.2 Test results interpretation
3.5 Discussion
3. 5.1 Comparis on with ba teh reac tor ( shake-flask) test results
3.5.2 Steady-state DO flux consumed by tailings
3.6 Conclusions
3.7 Acknowledgements
3. 8 References
CHAPITRE IV : LABORATORY STUDY OF HIGHLY SULPHIDE-RICH TAILINGS SUBMERGED BENEATH A WATER COVER UND ERVARIOUS HYDRODYNAMIC CONDITIONS
ABSTRACT
4.1 Introduction
4.2 Materials and methods
4.2.1 Tailings characteristics
4.2.2 Laboratory column tests
4.2.2.1 Column testsetup
4.2.2.2 Water sampling and analysis
4.2.3 Post-testing analysis
4.3 Results
4.3.1 Vertical DO profiles in the water cover
4.3.2 Variations of pH
4.3.3 Sulphates and dissolved metals
4.3.4 Comparison of sulphate and dissolved metals in cover and pore waters
4.3.5 Vertical pH, sulphate, and Zn profiles
4.3.6 Properties of suspended tailings in column 3
4.3.7 Post-testing mineralogy analysis oftailings
4.4 Discussion
4.4.1 Rate of sulphate loading in the water cover
4.4.2 Oxidation-neutralization curves in the water cover
4.4.3 Geochemical mode ling results
4.5 Conclusions
4.6 Acknowledgements
4.7 References
CHAPITRE V :FIELD STUDY OF THE CHEMICAL AND PHYSICAL STABILITY OF HIGHLY SULPHIDE-RICH TAILINGS STORED UNDERA SHALLOWWATERCOVER
ABSTRACT
5.1 Introduction
5.2 History and description of the study site
5.3 Materials and methods
5.3.1 Tailings sampling and characterization
5.3.2 Water sampling and analysis
5.3.3 Wind speed and direction measurement
5.3.4 Measurement of suspended solid sediment concentration (SSC)
5.3.4.1 SSC using filtration
5.3.4.2 Continuo us SSC measurement
5.4 Results and interpretation
5.4.1 Tailings characterization
5.4.2 Quality of the final effluent and cover waters
5.4.2.1 Temperature (T) and dissolved oxygen (DO) profiles in the shallow water cover
5.4.2.2 Physicochemical and chemical results
5.4.3 Characteristics of the groundwater around the Don Rouyn site
5.4.3.1 Well water levels
5.4.3.2 Physicochemical and geochemical properties
5.4.4 Water geochemical facies
5.4.5 Suspended sediment concentration (SSC)
5.4.5.1 SSC measurement by filtration
5.4.2.2 Continuo us SSC measurements
5.5 Discussion
5.5.1Hydrodynamic conditions for tailings resuspension
5.5.2 Comparison of Don Rouyn SSC with other sites
5.6 Conclusion
5.7 Acknowledgements
5.8 References
CHAPITRE VI :CONCLUSIONS ET RECOMMANDATION
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