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Problématiques du DMA ferrifère
Le DMA ferrifère est non seulement riche en Fe, mais également en S042- et en plusieurs autres métaux selon la minéralisation du gisement. Puisque les sulfures métalliques les plus rencontrés sur les sites miniers abandonnés sont la pyrite (FeS2) et la pyrrhotite (Fe(l-x)S; x=0-0,2), la concentration du Fe dans le DMA est généralement plus élevée, pouvant atteindre jusqu’à 141 g/L (Hustwit et al., 1992; Nordstrom et al., 2000; Moncur et al., 2005). Dans le même temps, la concentration des autres métaux peut aller jusqu’à 6,68 g/L Al, 49 g/L Zn et 9,8 g/L Cu (Nordstrom et al., 1999; 2000).
Dans la plupart des sites miniers abandonnés/fermés au Canada, le DMA peut contenir uneconcentration en Fe jusqu’à 5 g/L et 12,5 g/L de S042-(Zinck et Griffith, 2013).
La forte concentration en métaux dans le DMA ferrifère est associée à l’oxydation suivie del’hydrolyse du Fe2+ en Fe3+, qui entraîne une augmentation de l’acidité (en l’absence ou insuffisance de matériaux neutralisants), favorisant une plus grande solubilité des éléments métalliques (Éq. 2.1) (King et al., 1993; Bernier, 2005).
Ainsi, le Fe contrôle souvent la concentration des autres éléments dans le DMA, représentant ainsi un important défi, tel que 1 ‘enlèvement du Mn (N ecu lita et Rosa, 2017).
Dans l’eau, l’état d’oxydation du Fe se présente sous deux formes : Fe2+ (soluble en milieu réducteur) et Fe3+ (insoluble en milieu oxydant Eh ?.0,77V) (USGS, 1962 ; Moore, 1991). Pour les animaux et les plantes, le Fe est considéré comme un élément trace essentiel. Toutefois, il peut être toxique pour la vie aquatique à certaines concentrations (Moore, 1991). Par exemple, la concentration létale du Fet (CL50) pour les poissons est de 0,3-10 mg/L, dépendamment des espèces et des conditions de tests (Tableau 2.1 ).
Traitement passif du DMA fortement contaminé
Le traitement passif est actuellement favorisé pour traiter le DMA (et/ou DNC) sur les sites miniers abandonnés ou sites orphelins, car il est économique et écologique. Il offre la possibilité de réutiliser des matériaux à faible coût (p. ex. : les déchets biologiques), consomme moins d’énergie, améliore la qualité de l’eau et produit des boues plus stables (Skousen et Ziemckiewicz, 2005; Zagury et al., 2007; Skousen et al., 2017).
En outre, il ne nécessite pas d’assistance mécanique comme le traitement actif, mais utilise plutôt l’écoulement gravitaire (Johnson et Hallberg, 2005a). Les technologies passives peuvent être divisées en deux catégories : a) chimiques, qui s’appuient sur l’utilisation du calcaire ; et b) biochimiques qui utilisent principalement des bactéries dans le processus (Neculita et al., 2007; USEPA, 2014; Skousen et al., 2017).
Différents types de traitement passif sont identifiés et décrits dans la littérature scientifique (Tableau 2.2) (Johnson et Hallberg, 2005a; Neculita et al., 2007; USEPA, 2014; Rakotonimaro et al., 2016a; Skousen et al., 2017).
Le choix des types à adopter, pour une situation donnée, est principalement basé sur la qualité de l’eau à traiter (teneur en Fe, Al, oxygène dissous- OD) (Fig. 2.2) (Hedin et al., 1994, 2013).
Les deux types de traitement passif les plus utilisés pour traiter le DMA ferrifère sont les drains calcaires (chimiques) et les RPB (biochimiques) (Neculita et al., 2008a, 2008b; Genty, 2012).
Dans les RPB, des mélanges réactifs composés de matière organique biodégradable (p. ex. : compost, champignons, fumiers, coquilles de moules/crabes) et de matériaux plus récalcitrants à la dégradation (p. ex. : tourbe, paille, sciure) sont utilisés pour traiter l’eau contaminée (Neculita et al., 2007; 2011; Song et al., 2012a, 2012b; Jeen et Mattson, 2016; Grembi et al., 2015; Diloreto et al., 2016; Clyde et al., 2016).
L’efficacité d’un RPB pour traiter le DMA ferrifère est limitée par sa forte concentration en Fe (et/ou la production excessive de H2S) qui peut inhiber les BSR. Une diminution de 1 ‘efficacité d’enlèvement des S04 2 – de 39-100% peut survenir car le dépôt de FeS peut entraver l’activité des cellules (Utgikar et al., 2002; Neculita et al., 2007; Zhang et al., 2009; Lewis, 2010), alors que le Fe3+ peut concurrencer les donneurs d’électrons (Lovley et Phillips, 1986; Van Bodegum et al., 2004).
Bien que les technologies passives aient des coûts d’exploitation inférieurs à ceux actives, la plupart d’entre elles sont soumises à des problèmes importants, tels que la passivation (enrobage) et/ou le colmatage, principalement lorsqu’elles sont utilisées en une seule unité pour traiter le DMA fortement contaminé (Neculita et al., 2008a; Skousen et al., 20 17). Différentes techniques ont été développées pour minimiser ces problèmes. Par exemple, le lavage du système (Hedin et al., 201 0; Skousen et al., 2017), le prétraitement (p. ex. : oxydation de Fe par lagune ou aération en cascade)
(Caraballo et al., 2009; Macias et al., 2012a) et l’utilisation de mélanges à haute porosité et à forte alcalinité pour améliorer la perméabilité et pour éliminer les éléments acidogènes (Fe et Al) avant d’autres métaux tels que les SAD (Rôtting et al., 2008a; Ayora et al., 2013). Le lavage a été trouvé coûteux (Hedin, 2010), tandis que le prétraitement du Fe et les systèmes à réacteurs SAD pourraient donner des résultats prometteurs (Caraballo et al., 2011; Ayora et al, 2013).
Ainsi, une amélioration des critères de design, indispensables pour concev01r un système de traitement passif efficace du DMA fortement contaminé, est nécessaire. La section suivante présente une revue des critères de design des traitements passifs conventionnels.
Critères de design de base des traitements passifs conventionnels
La construction d’un système de traitement passif s’appuie sur des critères de design en lien avec le temps de séjour et la charge d’acide (Tableau 2.3). Le concept de base de la technologie passive consiste à construire un système de traitement qui ne requiert pas l’utilisation d’électricité ou de produits chimiques et qui minimise les maintenances, tout en conservant une plus longue durée de vie. En général, la réhabilitation et la maintenance des systèmes de traitements passifs devraient se faire seulement 5-10 ans après sa construction (Skousen et al., 20 17).
Les traitements passifs sont souvent configurés en série (filière) suite à la performance limitée d’une seule unité. Ainsi, les critères de design d’une unité de traitement passif sont également adoptés comme paramètres et/ou facteurs de base pour construire une filière de traitement passif du DMA fortement contaminé.
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Table des matières
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUXLISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
RÉSUMÉ
ABSTRACT
CHAPITRE I INTRODUCTION
1.1 Contexte de l’étude
1.2 Hypothèses de recherche
1.3 Objectifs
1.4 Originalité de l’étude
1.5 Organisation de la thèse et principales contributions
CHAPITRE II REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Problématiques du DMA ferrifère
2.2 Traitement passif du DMA fortement contaminé
2.3 Critères de design de base des traitements passifs conventionnels
2.4 Filière de traitement passif du drainage minier acide fortement contaminé
2.5 Avantages et limites des filières à base de substrat alcalin dispersé dans le traitement du DMA fortement contaminé
2.6 Dernières remarques
CHAPITRE III EFFECTIVENESS OF V ARIOUS DISPERSED ALKALINE SUBSTRATES FOR THE PRE-TREATMENT OF FERRIFEROUS ACID MINE DRAINAGE
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Materials and methods
3 .4.1 Physicochemical characterization of materials composing the mixtures
3.4.2 Batch testing description
3.4.3 Sampling, analysis and geochemical modeling
3.4.4 Post testing mineralogy
3.5 Results and discussion
3. 5.1 Physicochemical characteristics of the substrates
3.5.2 Batch tests: Comparative efficiency of dispersed alkaline substrates
3.5.3 Removal of other metals
3.5.4 Post-testing mineralogy
3.5.5 Performance of wood ash type DAS: Iron removal within the first 12h .. 56
3.6 Conclusion
Acknowledgements
References
CHAPITRE IV COMPARATIVE COLUMN TES TING OF THREE REACTIVE MIXTURES FOR THE BIO-CHEMICAL TREATMENT OF IRON-RICH ACID MINE DRAINAGE
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Materials and methods
4.4.1 Column design, set-up, and operating conditions
4.4.2 Hydraulic parameters monitoring
4.4.3 Physicochemical, microbiological and geochemical mode ling
4.4.4 Post-testing mineralogical characterization
4.5 Results and discussion
4.5.1 Iron and sulfate remova1
4.5.2 Other metals removal
4.5.3 Hydraulic parameters evolution
4.5.4 Modeling
4.5.5 Post-testing mineralogical characterization
4.6 Conclusion
Acknowledgements
References
CHAPITRE V SCALE EFFECT ASSESSMENT OF PASSIVE MULTI-STEP SYSTEMS AND NEW DESIGN CRITERIA FOR THE TREATMENT OF IRON-RICH ACID MINE DRAINAGE
5.1 Résumé
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Materials and methods
5.4.1 Laboratory testing
5.4.2 Field-scale pilot experiment
5. 5 Assessment of sc ale effects
5. 5.1 Performance comparision of laboratory and field-scale tests
5.5.2 Identification of new design criteria
5.6 Results and discussion
5.6.1 Performance oflaboratory-scale vs field-scale pilot experiments
5.6.2 Identification of new design criteria
5.7 Conclusion
Acknowledgements
References
CHAPITRE VI DISCUSSION
6.1 Prétraitement du Fe
6.2 Effet d’échelle
CHAPITRE VII CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
Chapitre 3 -Essais batch
Chapitre 4- Essais en petites colonnes
Chapitre 5- Filière
Dernières remarques
BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE
ANNEXE A COMPLÉMENTS DE DONNÉES SUR LES ESSAIS BATCH
ANNEXEE COMPLÉMENTS DE DONNÉES SUR LES ESSAIS EN PETITES COLONNES
ANNEXEC COMPLÉMENTS DE DONNÉES SUR LES ESSAIS EN FILIÈRE ET LES TRAVAUX DE TERRAIN
ANNEXED ARTICLE DE REVUE SUR LE CHAPITRE 3 (ESSAIS BATCH)
ANNEXEE ARTICLE DE REVUE SUR LE CHAPITRE 4 (ESSAIS COLONNES)
ANNEXEF ARTICLE DE CONFÉRENCE (ENVIROMINE 2015, LIMA, PÉROU)
ANNEXEG PROTOCOLES, PHOTOS ET RÉSULTATS BRUTS DES ESSAIS DE LABORATOIRE
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