Caractérisation et traitement des contaminants émergeants dans les effluents miniers

Ryskie, Sébastien (2023). Caractérisation et traitement des contaminants émergeants dans les effluents miniers. (Thèse de doctorat). Polytechnique Montréal. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1485

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Résumé

Les compagnies minières doivent mettre en priorité la vision du développement durable afin de diminuer leur emprunte environnementale tout en optimisant leurs opérations. Une saine gestion de l’eau est primordiale afin de respecter les normes environnementales telles la Directive 019 au Québec et le Règlement sur les effluents de mines de métaux et diamant au Canada ainsi que pour maintenir leur image face aux investisseurs et communautés environnantes. La présence de contaminants d’intérêt émergeant (CEC) pose son lot de défi quant à la caractérisation et au traitement des différents effluents seuls et en mélanges sur les sites miniers, dépendamment de la méthode de gestion de l’eau. Les CEC dans les effluents miniers, lesquelles ont vu leur intérêt augmenter suite au resserrement de la règlementation dans l’industrie minière, peuvent être classifiés dans les quatre groupes suivants : 1) les nouveaux contaminants d’intérêt (Mn, Se, xanthates, éléments de terres rares); 2) les contaminants communs ayant des concentrations cibles de traitement faibles en environnement sensible (As, Cu, Zn); 3) les contaminants difficiles à traiter (thiosels, salinité) et 4) les composés azotés (N-NH3, NO2-, NO3-, CNO-, SCN-). Des méthodes de traitements conventionnelles augmentant la salinité résiduelle comportent des limites au niveau de l’efficacité de traitement. Ces dernières sont aussi souvent affectées par la température de l’eau pouvant être limitées en climat froid. Cette problématique peut être adressée par l’utilisation de méthodes de traitement par oxydation avancée ou de filtration membranaire. La prédiction de la qualité de l’eau à l’aide de la modélisation numérique est aussi très importante afin d’aider les opérateurs miniers à minimiser les risques environnementaux.

L’objectif principal de cette étude était de prédire la spéciation des CEC à l’aide du modèle PHREEQC ainsi que d’évaluer l’effet sur la toxicité aquatique sur le crustacé Daphnia magna avant et après traitement d’effluents seuls et en mélanges au moyen de l’ozonation en microbulles. Les objectifs spécifiques étaient de : 1) Réaliser une revue de littérature sur les CEC en milieu minier afin d’identifier ceux d’intérêt pour cette étude; 2) Prédire, par modélisation géochimique à l’aide du modèle PHREEQC, la concentration et la spéciation des CEC ciblés dans les mélanges d’effluents miniers avec un facteur de confiance de plus de 80%; 3) Augmenter l’efficacité de traitement des CEC ciblés par rapport aux méthodes conventionnelles par l’utilisation d’un procédé d’ozonation par microbulles.

La première partie de ce projet consistait à réaliser une revue de littérature sur les CEC en parallèle des campagnes d’échantillonnage et de la compilation des données historiques du site minier à l’étude. Les différents CEC du site ont été identifiés afin de choisir la méthode de traitement adaptée mais aussi de bien choisir la base de données thermodynamique en vue de la modélisation numérique des mélanges à l’aide de PHREEQC. La revue a aussi permis d’identifier les défis et opportunités en lien avec les CEC dans les eaux minières en concentrant sur les procédés d’oxydation avancée et de filtration membranaire.

La deuxième partie du projet s’est concentrée sur la modélisation numérique des différents mélanges d’effluents à l’aide de PHREEQC afin d’identifier les mécanismes de mobilisation des différents CEC. Pour ce faire, des échantillons de terrain ont été prélevés pour caractériser les effluents en amont et en aval des différents points de mélange. Des essais contrôlés de mélange en laboratoire ont ensuite été réalisés avec des effluents réels. Les paramètres physico-chimiques in situ, les concentrations des ions majeurs et éléments mineurs dissous et des isotopes stables de la molécule d'eau ont été analysés. Des analyses minéralogiques ont également été effectuées sur les précipités des mélanges de laboratoire. Les données ont été utilisées pour effectuer des analyses statistiques et pour modéliser l'évolution géochimique des effluents à l'aide du modèle PHREEQC avec la base de données wateq4f.dat. Les résultats suggèrent que la formation de minéraux secondaires tels que la schwertmannite, la goethite et la jarosite a un impact significatif sur l'évolution géochimique des effluents. La précipitation des minéraux secondaires a été identifiée comme un processus d'immobilisation des éléments traces par des processus de coprécipitation et de sorption. Les principales limites identifiées concernant l'utilisation de PHREEQC pour la modélisation des mélanges d'effluents miniers concernent l'évaluation du bilan ionique pour les échantillons à faible pH avec des concentrations élevées en Fe et Al et l'omission des processus biologiques. Néanmoins, l'approche de caractérisation et de modélisation développée ici fournit des informations utiles sur l'évolution géochimique des effluents miniers et pourrait être adaptée à plusieurs sites miniers.

La troisième étape du projet a évalué l'efficacité de l’oxydation avancée à l’aide d'ozone en microbulles combinées à la précipitation chimique des métaux utilisant de la chaux sur l'élimination des contaminants et son impact sur la toxicité pour D. magna avec cinq mélanges d'effluents miniers différents provenant du site à l’étude. Pour les mélanges non acides, deux scénarios ont été testés : premièrement, un prétraitement des métaux par précipitation à la chaux et ajout d’un floculant a été effectué avant l'ozonation; et deuxièmement, l'ozonation a été effectuée avant le post-traitement des métaux en utilisant la même technique de précipitation et de floculation. Les résultats ont montré que l'efficacité d'élimination de N-NH3 variait de 90% pour les concentrations faibles (1,1 mg/L) à plus de 99% pour les concentrations plus élevées (58,4 mg/L). De plus, l'ozonation sans prétraitement des métaux a amélioré l'efficacité du traitement N-NH3 en termes de cinétique mais a entraîné des problèmes de toxicité anormale. Les résultats des bioessais effectués sur l'eau avec prétraitement des métaux n'ont montré aucun événement de toxicité, mais ont montré des schémas de toxicité anormaux sur les mélanges traités sans prétraitement des métaux (les effluents dilués étaient toxiques, tandis que ceux non dilués ne l'étaient pas). À 50% de dilution, l'eau était toxique, probablement en raison de la présence potentielle de nanoparticules d'oxydes métalliques.

Cette étude a permis d’approfondir les connaissances au niveau de l’évolution géochimique des CEC en contexte minier à l’aide d’outil de modélisation tout en validant avec des échantillons réels. Les limites de l’applicabilité de cette méthode ont aussi été identifiées tout en proposant des pistes de solution afin d’améliorer la précision de la prédiction de la qualité de l’eau et de l’effet sur la toxicité aquatique. Enfin, les connaissances acquises durant ce projet pourront potentiellement être utilisées par l’opérateur du site à l’étude mais aussi par les autres compagnies minières afin d’améliorer leur gestion de l’eau.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Rosa, Eric et Couture, Patrice
Informations complémentaires:	Institution en extension : Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue et Université de Montréal
Mots-clés libres:	Contaminants émergeants, effluents miniers, procédés d'oxydation avancée, mélanges, géochimie
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	09 août 2023 13:32
Dernière modification:	11 août 2023 12:55
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1485

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