Traitement passif du DMA fortement contaminé

Traitement passif du DMA fortement contaminé

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 une concentration 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 de l’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 milieur éducteur) 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 .

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).
a) Les drains calcaires ( oxiques/anoxiques calcaires ou DOC/DAC) sont utilisés pour augmenter le pH et 1 ‘alcalinité du DMA (Eq. 2.2), et pour précipiter les métaux tels le Pb, Cd, Al (Hedin et al., 1994).
Le traitement consiste à permettre à 1 ‘eau contaminée d’être en contact ou de traverser un drain/tranchée (lit/canal) rempli de matériaux neutralisants. Les DAC peuvent traiter de l’eau contaminée avec une acidité <500 mg CaC03/L et un débit <20 Lis (Taylor et al., 2005). Toutefois, à partir d’une concentration de 270 mg/L Fe (et à plus de 1 mg/L d’Al), ils ne sont pratiquement plus efficaces (Watzlaf et al., 2004; Taylor et al., 2005). En effet, un DAC traitant une eau contenant 75 mg/L de Fe et 21 mg/L d’Al ne durerait que huit mois (Watzlaf et al., 2000), car les précipités secondaires enrobent les grains calcaires et entraînent le colmatage (Watzlaf et al., 1992; Ziemkiewicz et al., 1997).
Cependant, il a été démontré que les calcaires enrobés étaient seulement 2-45% moins efficaces que les calcaires non enrobés. Ces calcaires enrobés étaient reportés 90% autant performants que ceux non enrobés pour neutraliser le DMA (Ziemckiewicz et al., 1997; Genty et al., 2012a).
b) Le principe de fonctionnement d’un RPB est basé sur 1′ oxydation du carbone organique et la réduction des sulfates. Cette réaction d’oxydo-réduction est catalysée par les bactéries sulfata-réductrices (BSR) en conditions anaérobies, où le bicarbonate formé augmente le pH et l’alcalinité de l’eau (Éq. 2.3), alors que les sulfures solubles réagissent avec les ions métalliques et forment des sulfures métalliques peu solubles (Éq. 2.4) (Widdel, 1988; Hao et al., 1996).

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Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
RÉSUMÉ
ABSTRACT
CHAPITRE I INTRODUCTION
1.1 Contexte de 1′ 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
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
3 -Essais batch
4- Essais en petites colonnes
5- Filière
Dernières remarques
BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE
ANNEXE A COMPLÉMENTS DE DONNÉES SUR LES ESSAIS
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)o
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