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Évaluation de la performance de réacteurs passifs biochimiques à échelle pilote de terrain pour le traitement du drainage minier à forte salinité et faible température

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El Kilani, Mohamed-Ali (2019). Évaluation de la performance de réacteurs passifs biochimiques à échelle pilote de terrain pour le traitement du drainage minier à forte salinité et faible température. Mémoire. Rouyn-Noranda, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Génie, 137 p.

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Résumé

Les problèmes de pollution associés à l’activité minière sont principalement liés à la contamination des effluents miniers. Dans une mine, l’eau qui s’accumule dans les fosses à ciel ouvert ou les galeries souterraines, l’eau qui s’écoule à l’exutoire du parc à résidus ou encore l’eau de ruissellement provenant des haldes à stériles peuvent être contaminées. La contamination des effluents miniers résulte principalement des processus biogéochimiques qui se produisent lorsque les rejets miniers solides (stériles miniers et rejets de concentrateurs) sont exposés à l’eau et à l’air et éventuellement à certains types de microorganismes. L’instabilité chimique des minéraux sulfureux qu’ils renferment peut générer, au contact de l’eau et de l’oxygène, de l’acidité et mobiliser les métaux/métalloïdes et les sulfates, générant ainsi des effluents miniers contaminés. Les eaux ainsi contaminées sont appelées drainage minier. Avant d’être rejeté dans l’environnement, le drainage minier généré sur un site minier doit être collecté et traité adéquatement dans le but de réduire les contaminants qu’il contient jusqu’à un niveau respectant les normes environnementales. Les systèmes de traitement tels que les Réacteurs Passifs Biochimiques (RPB) représentent une approche intéressante pour le traitement du drainage minier durant la phase post-fermeture d’une mine, notamment sur les plans économique et environnemental. Le mécanisme de traitement privilégié dans les RPB est la précipitation des métaux sous forme de sulfures métalliques, stables, suite à la réduction du sulfate en sulfure d’hydrogène sous l’action des Bactéries Sulfato- Réductrices (BSR). Les RPB, qui ont fait l’objet de nombreuses études ces dernières années, se sont révélés très prometteurs comme biotechnologie de traitement du drainage minier en climat tempéré ou semi-aride. En revanche, en région nordique, les connaissances quant à l’influence combinée des basses températures et de la salinité potentiellement élevée du drainage minier sur l'efficacité des RPB restent limitées. L’objectif principal de cette étude était d’évaluer l’efficacité des RPB pour le traitement du drainage minier en contexte minier nordique. Pour cela nous avons collaboré avec la mine Raglan (Glencore), située dans le grand nord québécois et dont les eaux de drainage des haldes à stériles et du parc à résidus (avant traitement) ont parfois des valeurs de pH ainsi que des concentrations en Ni, en Fe et en Cu qui ne respectent pas les normes environnementales gouvernementales. Au total, trois RPB à l’échelle pilote de terrain ont été construits, mis en opération et suivis sur différentes périodes sur le site de la mine Raglan. Le réacteur RPB-DMA était destiné au traitement d’un Drainage Minier Acide (DMA) et les réacteurs RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 au traitement d’un Drainage Neutre Contaminé (DNC). Le réacteur RPB-DMA a été suivi pendant 48 jours à l’été 2018. Il a été alimenté avec un DMA s’écoulant à l’exutoire du parc à résidus de la mine Raglan et présentant les paramètres physicochimiques moyens suivants : 27,6 mg/L Ni, 23,7 mg/L Fe, 2,4 mg/L Cu, 383 mV POR, 3 186 mg/L SO4 2- et pH = 3,7. Les réacteurs RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 ont été suivis pendant 94 jours et 44 jours, respectivement. Le réacteur RPB-DNC-1 a été suivi pendant 57 jours à l’été 2017, jusqu’au gel des eaux, puis le suivi a repris à l’été 2018 pendant 37 jours. Le réacteur RPBDNC- 2 a été suivi à l’été 2018. Les deux réacteurs ont été alimentés avec un DNC salin contaminé en Ni provenant des galeries souterraines de la mine. Le DNC présentait les paramètres physico-chimiques moyens suivants : 25,7 mg/L Ni, 456,0 mg/L SO4 2-, 234 mV POR et pH = 7,3 (à l’été 2017) et 22,5 mg/L Ni, 647,1 mg/L SO4 2-, 218 mV POR et pH = 7,1 (à l’été 2018). Le Temps de Résidence Hydraulique (TRH) dans le réacteur RPB-DMA était de 60 heures et le TRH dans les réacteurs RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 était de 24 heures. Durant les essais, les paramètres physico-chimiques des effluents à l’entrée et à la sortie des RPB ont été régulièrement contrôlés. Les résultats des essais ont montré que ni le réacteur RPB-DMA, ni les réacteurs RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 n’ont développé des conditions favorables à l’activité des BSR. L’absence d’enlèvement du SO4 2-, le maintien des conditions oxydantes des effluents, la non-détection de sulfures à la sortie des RPB et les faibles densités de BSR dans les échantillons de mélanges réactifs post-traitement suggèrent que le processus de sulfato-réduction dans les réacteurs RPBDMA, RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 n’a pas eu lieu ou du moins était négligeable. L’enlèvement des métaux sous forme de sulfures métalliques dans les trois RPB pilotes est donc peu probable. Les faibles températures enregistrées dans les RPB durant le suivi (5°C en moyenne) peuvent expliquer que les BSR ne se soient pas développées dans les réacteurs. Pour les réacteurs RPBDNC-1 et RPB-DNC-2, la forte salinité du DNC a pu également avoir un impact négatif sur les populations de BSR. Au niveau du réacteur RPB-DMA, un enlèvement du Ni (entre 93% et 95% au début puis entre 53% et 56% à la fin), du Fe (entre 96% et 99%) et du Cu (99%) a été observé. En l’absence de sulfato-réduction, les mécanismes majeurs régissant l’enlèvement des métaux dans le réacteur RPB-DMA sont : (1) la précipitation, sous forme d’oxy-hydroxydes et de carbonates hydratés, liée aux variations de pH, (2) la co-précipitation avec les oxy-hydroxydes et (3) la sorption sur la matière organique. Les mécanismes de sorption et de co-précipitation sont particulièrement importants pour le Ni, dont la précipitation sous forme d’oxy-hydroxydes n’est pas attendue à pH 7-8. L’efficacité d’enlèvement inférieure du Ni dans le réacteur RPB-DMA par rapport au Fe et au Cu peut être expliquée notamment par la compétition entre les ions Ca2+, le Fe, le Cu et le Ni pour les sites de sorption sur la matière organique. Les liens que forment le Cu et le Fe avec la matière organique sont plus solides que le Ni qui lui est plus mobile. L’enlèvement du Ni dans les réacteurs RPB-DNC-1 (99% à l’été 2017 puis 83% à la fin de l’été 2018) et RPB-DNC-2 (entre 95% et 99% au début du suivi puis entre 61% et 83% à la fin du suivi) est majoritairement régi par des mécanismes de sorption sur la matière organique et sur les cendres de bois du mélange réactif. La diminution dans le temps du taux d’enlèvement du Ni dans les réacteurs RPB-DMA, RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 peut être attribuée à la saturation progressive des sites actifs de sorption du mélange réactif. Les réacteurs RPB-DMA, RPB-DNC-1 et RPB-DNC-2 n’ont pas permis d’atteindre tous les objectifs de traitement du DMA et du DNC sur le site de la mine Raglan. Le sulfate n’a été enlevé dans aucun des trois réacteurs et les concentrations en Ni à la sortie des réacteurs RPBDNC-1 et RPB-DNC-2 ne respectaient pas les exigences de la directive 019 sur l’industrie minière pour ce métal. La performance limitée des réacteurs RPB-DMA, RPB-DNC-1 et RPBDNC-2 est associée à l’absence d’activité des BSR dans les réacteurs. Pour que les RPB soient prometteurs pour le traitement du drainage minier à la mine Raglan, il est nécessaire de favoriser l’établissement de conditions favorables à l’activité des BSR dans les réacteurs. Le recours à un inoculum de BSR natives, adaptées aux faibles températures et à la salinité élevée, dans les mélanges réactifs, pourrait favoriser le développement et l’activité des BSR dans les RPB et par conséquent accroître leur performance. Enfin, les résultats de ces travaux, combinés à des essais complémentaires, permettront d'optimiser les critères de dimensionnement de systèmes de traitement passif à grande échelle à la mine Raglan et sur d’autres sites miniers situés en région nordique.

Type de document: Thèse (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse: Neculita, Carmen Mihaela
Co-directeurs de mémoire/thèse: Courcelles, Benoît et Molson, John W.
Mots-clés libres: Évaluation de la performance, réacteurs passifs biochimiques, drainage minier
Divisions: Sciences appliquées > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt: 04 juin 2019 17:45
Dernière modification: 04 juin 2019 17:45
URI: http://depositum.uqat.ca/id/eprint/811

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