Mécanismes d’enlèvement et la stabilité des solides du DNC-As dans les biofiltres passifs en climat froid

Mehdaoui, Hsan Youssef (2025). Mécanismes d’enlèvement et la stabilité des solides du DNC-As dans les biofiltres passifs en climat froid. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1685

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Résumé

RÉSUMÉ

Le drainage neutre contaminé (DNC) est une problématique environnementale récente, moins étudiée que le drainage minier acide (DMA), toutefois susceptible de causer des impacts considérables sur les milieux naturels. Le DNC est caractérisé par des concentrations faibles à modérées en contaminants dissous, tout en gardant un pH proche de la neutralité (6,5–9). Le traitement du DNC est complexe, pour certains contaminants en particulier (ex. As) et surtout sur les sites miniers fermés et abandonnés. Les résidus associés aux anciennes mines d’or et d’argent sont souvent enrichis en As entrainant la formation du DNC-As. La remobilisation de l'As en provenance des résidus est un risque potentiel qui demeure peu documenté dû au manque de connaissance sur la stabilité à long terme de l'As capturé au sein de ces résidus. Par conséquent, des solutions de traitement efficaces sont nécessaires pour gérer le DNC-As et limiter son impact sur les écosystèmes environnants. Les systèmes de traitement passifs, reconnues comme des technologies développées pour résoudre la problématique du DMA sur les sites miniers restaurés et abandonnés, ont montré une efficacité satisfaisante pour le traitement du DNC. Les biofiltres passifs, en particulier, ont prouvé leur efficacité pour traiter un DNC-As à l’échelle pilote et sur le terrain. Néanmoins, les biofiltres passifs génèrent des quantités considérables de résidus de post-traitement avec une stabilité chimique et environnementale variable. Pour mieux anticiper leur devenir en fin de cycle de vie et après excavation, une caractérisation au cas par cas de ces résidus de post-traitement est nécessaire afin de mieux comprendre leur comportement, sélectionner les voies de gestion adéquates et limiter le potentiel de lixiviation des contaminants.

Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse étaient comme suit : (1) évaluer et quantifier les mécanismes et les processus responsables de l’immobilisation de l’As dans les biofiltres passifs étudiés et identifier les principaux facteurs influençant cette immobilisation; (2) identifier les phases minérales porteuses d’As et étudier la stabilité des résidus de post-traitement passif contaminés en As; (3) évaluer l’influence de l’échelle du biofiltre sur la nature des phases minérales et les mécanismes d’enlèvement prépondérant de l’As. L’approche méthodologique consistait, dans un premier temps, à échantillonner les résidus de post-traitement du biofiltre passif de terrain Wood-Cadillac avant de réaliser des caractérisations physicochimiques et minéralogiques. Ensuite, des essais de lixiviations statiques ont été réalisés pour évaluer la mobilité potentielle des contaminants, en particulier de l’As, et statuer sur la stabilité des résidus de post-traitement. La deuxième étape consistait à échantillonner les résidus de post-traitement d’un biofiltre de laboratoire ainsi que deux biofiltres pilotes de terrain traitant le DNC-As. L’ensemble des échantillons a été soumis à des caractérisations physicochimiques, minéralogiques et environnementales pour déterminer les mécanismes de l’enlèvement de l’As et statuer sur la stabilité chimique des résidus.

L’analyse de la revue de littérature a révélé que, bien que plusieurs travaux de recherches portent sur le traitement passif du drainage minier acide (DMA) et la stabilité de ses résidus de post-traitement, peu d'études se sont spécifiquement intéressées au DNC. De plus, bien que quelques études aient porté sur le traitement du DNC-As, le potentiel de mobilité de l’As dans les résidus de post-traitement et l’effet d’échelle restent peu documentés. Il a été conclu que la stabilité des résidus de post-traitement est influencée entre autres par le type d’eau à traiter, la technologie de traitement et la charge des contaminants. Ainsi, il est nécessaire de transférer les connaissances actuelles sur les différentes méthodes de traitement du DMA et la stabilité des résidus de post-traitement vers le traitement passif du DNC, et plus particulièrement du DNC-As. Une combinaison des caractérisations physico-chimiques et minéralogiques combinées à des tests de lixiviation pourrait permettre de mieux prédire le comportement environnemental des résidus issus du traitement passif du DNC.

Dans ce contexte, la première étape consistait à échantillonner les résidus de post-traitement issus d’un biofiltre de terrain sur le site minier réclamé Wood-Cadillac, traitant un DNC-As efficacement depuis 1999. Une trentaine d’échantillons ont été collectés, à différentes profondeurs (0–30 cm, 30–60 cm, et 60–90 cm), et répartis sur cinq placettes distinctes couvrant les deux entrées et la sortie du biofiltre. Des caractérisations physico-chimiques et minéralogiques ont été réalisées afin d'élucider les mécanismes de rétention de l'As au sein du biofiltre. La mobilité potentielle des métaux a été évaluée à l’aide de tests de lixiviation statiques, notamment le TCLP (Toxicity Characteristic Leaching Procedure), le SPLP (Synthetic Precipitation Leaching Procedure) et le FLTm (Field Leach Test modified). Les résultats ont montré que les résidus étaient caractérisés par des concentrations élevées en métaux, atteignant jusqu’à 2,3 g/kg d’As, 41,1 g/kg de Fe et 19,5 g/kg d’Al, principalement accumulés dans les couches supérieures du biofiltre. Les métaux sont précipités sous forme d'oxyhydroxydes dans les couches supérieures et intermédiaires, tandis que des sulfures secondaires se sont formés au fond du biofiltre. L'enlèvement de l’As s'est produit majoritairement par adsorption sur les oxyhydroxydes de Fe et d'Al dans les couches supérieures. En revanche, les conditions réductrices présentes au fond du biofiltre ont favorisé la précipitation de sulfures d'arsenic amorphes (FeAsS et AsS). Les résultats des tests TCLP et SPLP ont révélé que les concentrations d’As lixiviées par les résidus étaient conformes aux directives de l'USEPA, permettant de classer ces résidus comme non dangereux et indiquant un faible risque de contamination des eaux souterraines. Toutefois, 66 % des concentrations d'As mesurées dans les tests TCLP et 20 % dans les tests SPLP ont dépassé la limite réglementaire de la directive D019 (0,1 mg/L) pour l’As dans les effluents miniers. De plus, les résultats du FLTm ont mis en évidence un potentiel de lixiviation élevé pour l’As, dépassant 1 mg/L. Par conséquent, il est recommandé d’éviter le broyage et le séchage de ces résidus avant leur disposition finale afin de limiter une potentielle mobilisation de l’As.

Dans la deuxième étape de ce projet de thèse, une caractérisation similaire à celle réalisée dans la première étape a été effectuée pour des échantillons de post-traitement provenant d’un biofiltre de laboratoire et deux biofiltres pilotes de terrain. Un intérêt particulier a été porté à l’influence de l’effet d’échelle entre les différents biofiltres sur les mécanismes d’enlèvement et la stabilité des résidus. Ainsi, vingt échantillons ont été prélevés sur les trois biofiltres, en ciblant quatre couches distinctes (I-1, A, B et I-2). Les mécanismes d'enlèvement de l'As ainsi que les phases porteuses d'As ont été analysés à travers des caractérisations physico-chimiques et minéralogiques. La stabilité des résidus post-traitement a été évaluée au moyen de tests de lixiviation statiques (TCLP, SPLP et FLT). Les résultats ont montré que les résidus contenaient des concentrations élevées en contaminants, notamment en As (de 1,2–3,5 g/kg pour les biofiltres pilotes et de 2–3,6 g/kg pour le biofiltre en laboratoire), en Fe (de 42,9–86,3 g/kg pour les biofiltres pilotes et de 58,4–66,9 g/kg pour le biofiltre de laboratoire), en Al (de 5,7–7,9 g/kg pour les biofiltres pilotes et de 4,9–6,1 g/kg pour le biofiltre de laboratoire) et en S (de 5,7–7,9 g/kg pour les biofiltres pilotes et de 1,7–2,4 g/kg pour le biofiltre de laboratoire), confirmant ainsi l'efficacité du procédé de traitement. Les phases dominantes dans les trois biofiltres étaient constituées d'oxyhydroxydes métalliques et de silicates. Les biofiltres pilote ont révélé la présence d'oxyhydroxydes d'aluminium, d'arsénopyrite (FeAsS), de sulfates ainsi que de traces de sulfures métalliques. Dans le biofiltre de laboratoire, la rétention de l’As s'est principalement produite par adsorption sur les oxyhydroxydes de Fe(III). En revanche, à l'échelle terrain, l'immobilisation de l’As a impliqué une précipitation sous forme de FeAsS et une coprécipitation avec les oxyhydroxydes de Fe(III) et Al, tandis que les mécanismes de sorption étaient dominants dans les couches supérieures. L'ensemble des résultats des tests de lixiviation statiques (TCLP, SPLP et FLT) a respecté les normes de l'USEPA, permettant de classer les résidus comme non dangereux, avec une possibilité de co-disposition avec les déchets municipaux. Les résultats du TCLP n’ont pas dépassé les recommandations de table T1-AII de la D019, classifiant les résidus à faible risque.

Le présent travail a permis d’approfondir les connaissances sur les mécanismes d’enlèvement de l'As dans les biofiltres passifs utilisés pour traiter le DNC-As, ainsi que d’étudier la mobilité potentielle de l’As à partir des résidus de post-traitement afin de statuer sur leur stabilité chimique. Les résultats obtenus ont également montré l’efficacité des biofiltres passifs pour le traitement du DNC-As. De plus, les méthodes mises en place dans le cadre de cette étude présentent un potentiel d’application pour l’analyse d’autres résidus post-traitement, permettant ainsi une meilleure évaluation de leur comportement à long terme en vue d’une gestion environnementale plus efficace.

ABSTRACT

Contaminated neutral mine drainage (CND) represent an emerging environmental issue that has received less attention compared to acid mine drainage (AMD), yet it can have significant impacts on natural ecosystems. CND is characterized by low to moderate concentrations of dissolved contaminants while maintaining a pseudo-neutral pH (6.5–9). CND treatment remains challenging for certain contaminants (e.g., As) particularly at closed and abandoned mining sites. Tailings from old gold and silver mines are often rich in arsenic (As) leading to the formation of As-CND. The remobilization of As from tailings is a potential risk that remains poorly understood due to a lack of knowledge about the long-term stability of As trapped in tailings. Therefore, efficient treatment solutions are essential to manage As-CND and mitigate its impact on surrounding ecosystems. Passive treatment systems, widely recognized as efficient technologies for addressing AMD on closed and abandoned mining sites, have shown promising results in CND treatment. Among these, passive biofilters have demonstrated their efficiency in treating As-CND at both pilot and field scales. However, passive biofilters generate significant quantities of post-treatment residues with variable chemical and environmental stability. At their end-of-life cycle, to better anticipate their fate after excavation, a case-by-case characterization of these residues is necessary to better understand their behavior, select appropriate management strategies and minimize potential risks of contaminant leaching.

In this context, the main objectives of the thesis were the following: (1) evaluate and characterize the mechanisms governing As immobilization within the studied passive biofilters while identifying the most dominant processes; (2) Identify the As-bearing mineral phases and assess the stability of As-contaminated post-treatment residues; (3) Assess the influence of the biofilter scale on the nature of mineral phases and the predominant As removal mechanisms. The methodological approach initially involved sampling the post-treatment residues from the Wood-Cadillac field passive biofilter before conducting physicochemical and mineralogical characterizations. Subsequently, static leaching tests were performed to assess the potential mobility of contaminants, particularly As, and to determine the stability of the post-treatment residues. The second step involved sampling the post-treatment residues from a laboratory biofilter as well as two field pilot-scale biofilters treating As-CND. All samples were subjected to physicochemical, mineralogical, and environmental characterizations to determine the mechanisms of As removal and access the chemical stability of the residues.

The literature review revealed that, although substantial research has been conducted on passive treatment of acid mine drainage (AMD) and the stability of its post-treatment residues, studies specifically addressing contaminated neutral mine drainage (CND) remain limited. Moreover, although some studies have focused on the treatment of As-CND, the potential mobility of As in post-treatment residues and the scale effect remain poorly documented. It was concluded that the stability of post-treatment residues is influenced, in most cases, by the type of water to be treated, the treatment technology, and the contaminant load. Thus, it is necessary to transfer current knowledge on various DMA treatment methods and the stability of post-treatment residues to the passive treatment of CND, particularly As-CND. A combination of physico-chemical and mineralogical characterizations, along with leaching tests, could improve the prediction of the environmental behavior of residues from the passive treatment of CND.

In this study, the first phase involved sampling post-treatment residues from a field-scale passive biofilter at the reclaimed Wood-Cadillac mine site, which has been effectively treating As-CND since 1999. Thirty samples were collected from different depths (0–30 cm, 30–60 cm, and 60–90 cm) at five distinct locations within the biofilter, including the two inlets and the outlet. Physicochemical and mineralogical characterizations were conducted to elucidate the removal mechanisms of As within the biofilter. The potential mobility of metals was assessed through static leaching tests, including the Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP), the Synthetic Precipitation Leaching Procedure (SPLP), and the modified Field Leach Test (FLTm). The results showed that the residues contained elevated metal concentrations, reaching up to 2.3 g/kg of As, 41.1 g/kg of Fe, and 19.5 g/kg of Al, primarily concentrated in the upper layers of the biofilter. Metals precipitated as oxyhydroxides in the upper and intermediate layers, while secondary sulfides were formed at the bottom of the biofilter. Removal of As occurred mainly via adsorption onto Fe and Al oxyhydroxides in the upper layers. In contrast, reducing conditions in the bottom layers favored the formation of amorphous As sulfide-bearing minerals, such as FeAsS and AsS. Leaching tests (TCLP and SPLP) showed that As concentrations released from the residues met USEPA guidelines, classifying them as non-hazardous with low risk for groundwater contamination. However, 66% of As concentrations in the TCLP tests and 20% in the SPLP tests exceeded the threshold set by the D019 guidelines (0.1 mg/L). Additionally, FLTm results indicated a high As leaching potential, exceeding 1 mg/L. It is therefore recommended to avoid grinding and drying the post-treatment residues prior to final disposal to limit potential As mobilization.

The second phase of this thesis project involved similar characterization of post-treatment residues from a laboratory biofilter and two pilot-scale field biofilters. In this phase, particular attention was given to the influence of scale effects on As removal mechanisms and residues stability. Thus, twenty samples were collected from the three biofilters, targeting four distinct layers targeting the bottom, middle and upper sections (I-1, A, B, and I-2). As removal mechanisms and As-bearing phases were analyzed through physicochemical and mineralogical characterizations, while the stability of the post-treatment residues was assessed using static leaching tests (TCLP, SPLP, and FLT). The results showed that the post-treatment residues contained high contaminant concentrations, notably As (ranging from 1.2–3.5 g/kg in field pilot biofilters and 2–3.6 g/kg in the laboratory biofilter), Fe (42.9–86.3 g/kg in pilots and 58.4–66.9 g/kg in the laboratory), Al (5.7–7.9 g/kg in pilots and 4.9–6.1 g/kg in the laboratory), and S (5.7–7.9 g/kg in pilots and 1.7–2.4 g/kg in the laboratory), confirming the effectiveness of the treatment process. The dominant phases in all three biofilters were composed of metal oxyhydroxides and silicates. Additionally, the pilot-scale biofilters revealed the presence of Al oxyhydroxides, arsenopyrite (FeAsS), sulfates, and traces of metallic sulfides. In the laboratory biofilter, As retention occurred mainly through adsorption onto Fe(III) oxyhydroxides, whereas, at the field scale, As removal involved precipitation as FeAsS, coprecipitation with Fe(III) and Al oxyhydroxides, and adsorption in the upper layers. Static leaching tests (TCLP, SPLP, and FLT) confirmed that most of the residues complied with USEPA regulations, classifying them as non-hazardous and suitable for co-disposal with municipal waste. Additionally, the TCLP results did not exceed the recommendations of Table T1-AII of D019, classifying the residues as low-risk.

This work has advanced knowledge on As removal mechanisms in passive biofilters used to treat As-CND, as well as examined the potential mobility of As from post-treatment residues to assess their chemical stability. The findings demonstrated the effectiveness of passive biofilters for As-CND treatment. In addition, the methods developed in this research hold promise for application in the analysis of other post-treatment residues, allowing for more accurate long-term predictions of their behavior and more effective environmental management strategies.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Jouini, Marouen et Benzaazoua, Mostafa et Pabst, Thomas
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal. // Cette thèse contient des articles publiés dans des revues. Voici les liens vers les versions officielles : l’article « Passive treatment residues of mine drainage: Mineralogical and environmental assessment, and management avenues » a été publié par Elsevier dans la revue « Minerals Engineering » en 2023 : https://doi.org/10.1016/j.mineng.2023.108362 ; l’article « Environmental Assessment of Post-treatment Residues from Contaminated Neutral Drainage: Field Case Study of Wood-Cadillac Biofilter, Quebec, Canada » a été publié par Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum dans « Proceedings of 13th International Conference on Acid Rock Drainage (ICARD) » en 2024 : https://www.inap.com.au/wp-content/uploads/2024_ICARD_Proceedings.pdf ; l’article « Geochemical stability of As-rich residues from a 20-year-old passive field biofilter used for neutral mine drainage treatment » a été publié par Elsevier dans la revue « Ecological Engineering » en 2025 : https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2025.107618 ; l’article « Stability of as-rich residues from pilot biofilters for passive treatment of neutral mine drainage: Laboratory vs field testing » a été soumis pour publication à la revue « Journal of Hazardous Materials » d’Elsevier en mars 2025.
Mots-clés libres:	drainage neutre contaminé, biofiltre passif, enlèvement d’arsenic, essais de lixiviation, stabilité des résidus post-traitement, contaminated neutral mine drainage, passive biofilter, arsenic removal, leaching tests, post-treatment residues stability
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	28 mai 2025 12:40
Dernière modification:	28 mai 2025 12:40
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1685

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