Évaluation comparative de procédés de traitement de résidus désulfurés et filtrés en vue de limiter la génération de drainage neutre contaminé en arsenic

Lagae, Eléonore (2025). Évaluation comparative de procédés de traitement de résidus désulfurés et filtrés en vue de limiter la génération de drainage neutre contaminé en arsenic. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1741

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Résumé

RÉSUMÉ

Ce projet s’inscrit au coeur des préoccupations environnementales du secteur minier, se concentrant sur la gestion des résidus contenant de l’arsenic et de l’antimoine issus de l’exploitation aurifère. Le drainage minier, même dans des conditions neutres, constitue un défi majeur pour l’industrie minière en raison de ses potentiels effets toxiques sur les écosystèmes. L’objectif général de cette thèse était de comparer différentes stratégies de gestion des résidus désulfurés et filtrés, dont des procédés de séparation (i.e., minéralurgie, hydrométallurgie) et de stabilisation (i.e., passivation, biocalcification) afin de mieux contrôler la lixiviation des contaminants et de proposer des solutions pratiques et écoconçues pour le secteur minier.

Les stratégies de gestion intégrée des résidus, telles que la filtration et la désulfuration, permettent de diminuer les instabilités géotechniques et (bio)géochimiques associées aux résidus miniers. Les résidus désulfurés et filtrés (RDF) peuvent toutefois continuer de présenter une certaine instabilité (bio)géochimique à la source d’une libération de contaminants dans l’environnement. Cette instabilité (bio)géochimique résiduelle requiert l’implémentation de stratégies de traitement supplémentaires, telles que des procédés de séparation minéralurgique, hydrométallurgique ou de stabilisation (bio)chimique. L’efficacité de ces procédés varie toutefois en fonction des conditions environnementales locales et des propriétés intrinsèques aux résidus. Leur applicabilité aux RDF est notamment limitée par leur faible teneur en arsenic et antimoine, leur minéralogie non sulfureuse et leur granulométrie fine. De plus, la consommation d’énergie et de matériaux nécessaires à leur fonctionnement peut avoir des impacts environnementaux non-négligeables à l’échelle mondiale. Ce projet cherche donc à répondre à la question suivante : quel procédé de traitement des RDF pourrait permettre de limiter la lixiviation de l’arsenic et de l’antimoine tout en minimisant son empreinte environnementale ?

L’intérêt scientifique de ce travail s’articule autour de trois objectifs spécifiques : (i) évaluer l’impact des propriétés des RDF sur la lixiviation de l’arsenic et l’antimoine ainsi que sur l’efficacité des procédés de séparation (e.g., minéralurgie, hydrométallurgie), (ii) comparer l’efficacité des traitements de stabilisation chimique et biochimique sur la stabilité à court- et moyen-terme des RDF et (iii) identifier le procédé de traitement le plus responsable à l’aide d’une analyse multicritère considérant l’atteinte des objectifs de traitement, les potentiels impacts environnementaux à l’échelle mondiale et les coûts opérationnels. En répondant à ces objectifs, ce projet vise à proposer de nouvelles pistes pour une écoconception des stratégies de gestion des résidus.

La méthodologie du projet s’est articulée autour d’une démarche expérimentale et de modélisation. Des sous-échantillons de RDF ont été préparés en 2023 à partir de deux barils collectés à la sortie de l’usine de filtration des rejets de cyanuration désulfurés sur la mine aurifère Éléonore en 2021. Une caractérisation physicochimique et minéralogique des RDF a été effectuée pour identifier la source de la lixiviation de l’arsenic et de l’antimoine. Des essais de séparation gravitationnelle ou hydrométallurgique ont permis de produire un matériau appauvri en contaminants. La stabilité des rejets et concentrés de ces procédés a ensuite été évaluée afin de quantifier leur efficacité à limiter la contamination du DM. Deux procédés de stabilisation ont été appliqués aux RDF (i.e., passivation chimique, biocalcification) afin de déterminer leur efficacité à immobiliser les contaminants sur le court- et moyen-terme. La valorisation des communautés microbiennes indigènes pour initier la réaction de biocalcification a été explorée, en comparaison à l’utilisation plus courante de souches microbiennes commerciales. Lorsque cela a été possible, ces procédés ont été optimisés à l’échelle laboratoire suivant une approche statistique de plan d’expériences type Box-Behnken. La stabilité géochimique des RDF avant et après traitement, ainsi que celle des rejets secondaires, a été évaluée à l’aide d’une approche d’essais statiques et cinétiques complémentaires, dont des procédures réglementaires et des essais en mini-cellules d’altération. Une analyse du cycle de vie a permis de quantifier l’empreinte environnementale des procédés, en considérant leur consommation énergétique, en réactifs chimiques, les émissions du procédé et celles amont, ainsi que les potentiels effets (éco)toxiques de l’entreposage des RDF traités dans le parc à résidus (e.g., contamination des eaux, émissions de poussières).

Les principaux résultats ont mis en évidence l’importance de la granulométrie des RDF sur la lixiviation de l’arsenic. Les particules fines de löllingite, représentant plus de 75 % de l’arsenic total, ont entraîné une augmentation de la concentration de ce contaminant dans les lixiviats par un facteur 4, comparativement aux particules plus grossières (i.e., de granulométrie supérieure à 20 μm). La séparation minéralurgique et hydrométallurgique de la fraction arsénifère a été limitée à des efficacités inférieures à 50 %, en raison de la concentration de l’arsenic dans la fraction fine et très cristalline. La stabilité géochimique du rejet appauvri en arsenic produit par ces procédés n’a pas été suffisamment améliorée pour atteindre les seuils de rejet réglementaires canadiens et québécois (i.e., 0,1 mg/L). La hausse du temps de contact et de la température du procédé hydrométallugrique a été bénéfique pour solubiliser davantage l’arsenic présent dans les RDF. Cependant, la lixiviation de l’As à moyen-terme a été sept fois plus élevée après le traitement, suggérant la présence d’acidité résiduelle dans l’eau des pores, et ce, malgré deux lavages à l’eau déionisée réalisés avec un rapport solide-liquide de 10 % (p/v). Quant à l’antimoine, sa solubilisation durant la séparation hydrométallurgique a été synonyme d’une diminution de 40 % de sa lixiviation à postériori à partir du RDF traité. Les eaux de procédés contaminées produites par la séparation hydrométallurgique ont été efficacement traitées par électrocoagulation, induisant un enlèvement de l’arsenic et de l’antimoine supérieur à 99 % après trente minutes de traitement à une densité de courant de 500 A/m2. Les boues ferriques ainsi produites étaient plus stables chimiquement que les RDF initiaux en conditions aérobies.

Les procédés de stabilisation ont été davantage efficaces que ceux de séparation. Dans les conditions optimales identifiées par le plan d’expérience de type Box-Behnken (i.e., 3 mM d’agents de stabilisation, 0,3 à 2,4 heures de contact et 1,0 à 2,7 jours de séchage), la passivation chimique a permis de diminuer la lixiviation de l’arsenic et de l’antimoine de 75 et 84 % respectivement à moyen-terme. La concentration d’arsenic dans les lixiviats a atteint les seuils réglementaires (i.e., 0,1 mg/L) quatre fois plus rapidement qu’avant le traitement de passivation. Les agents inorganiques ont été plus efficaces que les agents organométalliques pour lesquels l’utilisation de pyrocatéchol a induit une libération des contaminants atténuée mais continue dans le temps, possiblement en raison de la formation de complexes arsenic-catéchol. La faible teneur et granulométrie des grains de löllingite ont rendu difficile l’identification des couches de passivation par MEB et TOF-SIMS. La présence de fer dans les agents de passivation semble toutefois avoir été essentielle à la diminution de mobilité des contaminants grâce à la formation d’(oxy)hydroxydes de fer secondaires, amorphes ou cristallins. La concentration, le temps de séchage et le temps de contact ont été des paramètres d’influence significatifs présentant des effets antagonistes vis-à-vis de la diminution de la mobilité de l’As. L’utilisation d’un algorithme d’optimisation numérique a ainsi permis d’identifier des conditions combinant les effets positifs et néfastes de la hausse de ces paramètres, tout en minimisant les potentiels impacts environnementaux globaux potentiels du procédé.

La biocalcification a également permis de diminuer de 88 % la lixiviation de l’arsenic grâce à la précipitation de calcite et/ou de magnésite induite par l’activité enzymatique des microorganismes. L’approche de biostimulation, se reposant sur l’activité des communautés microbiennes indigènes, a été plus efficace que la bioaugmentation nécessitant l’utilisation d’une souche bactérienne commerciale (i.e., Sporosarcina pasteurii). La biostimulation a permis de maximiser l’hydrolyse de l’urée, nécessaire pour induire la réaction de biocalcification, ainsi que la précipitation des carbonates. L’arsenic y a également été davantage immobilisé, ce qui pourrait s’expliquer par les capacités potentielles de résistance au stress écotoxique de l’arsenic des bactéries présentes dans les RDF, qui incluent des bactéries possédant le gène nécessaire à la réaction de biocalcification (e.g., Sporosarcina soli, Bacillus aryabhattai, Halomonas alkaliphilia), et/ou par l’utilisation de voies métaboliques non-uréolytiques pour la diminution de mobilité des contaminants. Bien que l’influence des conditions opératoires n’ait pas été explorée en profondeur, la concentration en réactifs chimiques semble avoir eu un effet néfaste sur l’efficacité de la biocalcification par biostimulation, contrairement au traitement par bioaugmentation. Cela suggère que la modification des propriétés physicochimiques des RDF, notamment la hausse de l’alcalinité, ainsi que le contact avec des réactifs chimiques ont pu être néfastes pour l’activité des microorganismes indigènes. Cet effet s’est, par ailleurs, traduit par une mortalité plus élevée des communautés microbiennes lors de l’approche de biostimulation.

L’analyse du cycle de vie a mis en évidence la potentielle importante empreinte environnementale à l’échelle mondiale des procédés de passivation organométallique et de biocalcification, principalement due à la consommation de réactifs chimiques organiques (e.g., pyrocatéchol, urée, extraits de levures). Ces réactifs chimiques ont également engendré des coûts opérationnels élevés, estimés entre 0,06 et 0,24 CAD/kg de RDF traité, soit dix fois supérieurs aux autres procédés pour la biocalcification. La passivation inorganique a été le procédé présentant l’empreinte environnementale et économique la plus faible, tout en induisant des bénéfices locaux maximaux grâce à la diminution des potentiels effets (éco)toxiques potentiels de l’entreposage des RDF après traitement. Des pistes d’écoconception des procédés ont été identifiées en se basant sur l’état actuel de leur art. L’utilisation de matières résiduelles et la réutilisation des réactifs lorsque cela est possible semblent être les principaux leviers d’action de l’industrie minière.

La discussion de ce document présente les limites du projet, associées aux propriétés des RDF et aux domaines expérimentaux et de modélisation choisis. Parmi les limites identifiées peuvent être citées, (i) la difficile caractérisation minéralogique des RDF avant et après traitement, (ii) les incertitudes quant à l’interprétation des résultats de stabilité expérimentaux et de modélisation à moyen- et long-terme, ainsi que (iii) l’omission de certains paramètres dans l’évaluation comparative de l’empreinte environnementale des procédés de traitement par rapport au scénario actuel d’entreposage, notamment la durée du traitement passif requis lors de la restauration du site minier. La qualité des eaux de procédé et des lixiviats après traitement est présentée afin d’éclairer sur de potentielles contaminations secondaires. À titre d’exemple, la présence d’azote ammoniacal à 27 g/L, de carbone organique dissout à 37 mg/L, ainsi que la hausse de la salinité (i.e., 13 à 19 mg/L de sodium et jusqu’à 20 mg/L de chlore) dans les eaux des procédés de biocalcification et de passivation organométallique pourraient représenter un frein à leur application industrielle. Ces contaminants ont pu également être quantifiés à postériori dans les lixiviats, ce qui peut être une source de toxicité secondaire dans le drainage minier et diminuer l’efficacité des traitements.

L’approche transverse proposée par ce projet visait à contribuer à l’identification de stratégies de gestion intégrée des RDF permettant de diminuer la lixiviation de l’arsenic et, dans une moindre mesure, de l’antimoine dans les eaux minières, d’améliorer la qualité du drainage et de minimiser les impacts industriels. L’intégration de différents critères opérationnels, environnementaux et économiques a mis en évidence que la passivation inorganique et la biocalcification offraient les meilleures opportunités de traitement des RDF tout en minimisant les effets (éco)toxiques locaux du parc à résidus et en maximisant le potentiel d’écoconception. Les recommandations de ce projet portent sur (i) le renforcement des protocoles de passivation et biocalcification, (ii) la poursuite des essais expérimentaux de stabilité (bio)géochimique dans des conditions environnementales pertinentes sur le long-terme, (iii) l’intégration d’autres critères d’intérêt (e.g., géotechnique, acceptabilité sociale), ainsi que (iv) l’utilisation des outils d’analyse du cycle de vie tôt dans les plans de gestion afin d’aider les acteurs publics et privés des exploitations minières dans leur prise de décision.

ABSTRACT

This project addresses key environmental issues in the mining sector by focusing on the management of arsenic- and antimony-bearing tailings from gold mining. Mine drainage poses a major challenge for the mining industry due to its toxic effects on ecosystems, even under neutral conditions. This thesis aimed to compare various tailings management strategies, including separation (i.e., (hydro)metallurgy) and stabilization processes (i.e., passivation, biocalcification), to decrease contaminant leaching and propose practical, ecodesigned solutions for the mining sector.

Integrated tailings management strategies, such as filtration and desulfurization, can mitigate the geotechnical and (bio)geochemical instabilities associated with tailings. However, low sulfide filtered tailings (LFT) may still exhibit (bio)geochemical instability, which can result in contaminants being released into the environment. Persistent (bio)geochemical instability requires the implementation of additional reprocessing strategies, such as metallurgical, hydrometallurgical, or (bio)chemical stabilization processes. The effectiveness of these processes varies depending on local environmental conditions and the intrinsic properties of the tailings. These processes are particularly limited in their applicability to LFT due to their low arsenic and antimony content, low sulfide mineralogy and fine particle size. Furthermore, the energy and materials required to implement these processes can have significant environmental impacts on a global scale. The aim of this research project is therefore to answer the following question: which LFT reprocessing strategy can limit the leaching of arsenic and antimony responsible of As-contaminated mine drainage while minimizing its overall environmental footprint?

This work is of scientific interest because it addresses three specific objectives: (i) assess the impact of the intrinsic properties of LFT on the leaching of arsenic and antimony, as well as on the effectiveness of separation processes (e.g. mineral processing and hydrometallurgy); (ii) compare the effectiveness of chemical and biochemical stabilization processes on the short- and mid-term stability of LFT; and (iii) identify the most responsible process using a multi-criteria analysis that considers reprocessing objective achievement, global environmental impacts, and operating costs. By meeting these objectives, the project will propose new approaches to ecodesign strategies for responsible tailings management.

The project methodology was based on an experimental and modelling approach. LFT samples were prepared in 2023 based on materials collected on the mine site in 2021. They were physico-chemically and mineralogically characterized to identify the source of arsenic and antimony leaching. Gravimetric or hydrometallurgical separation tests were then used to produce a contaminant-depleted material. The stability of the tails and concentrates was then evaluated to quantify the effectiveness of these processes. Two stabilization processes (i.e. chemical encapsulation and microbially induced calcite precipitation – MICP) were applied to LFT to determine their effectiveness in immobilizing contaminants in short- and mid-term. The use of indigenous microbial communities was explored during MICP process as an alternative to the more common use of commercial microbial strains. Where possible, these processes were optimized at laboratory scale using a statistical approach based on a Box–Behnken design. The geochemical stability of LFT before and after reprocessing, as well as that of secondary wastes (i.e., metallurgical concentrates, sludge), was assessed using a static and kinetic testing approach that included regulatory procedures and weathering cell tests. Life cycle analysis was employed to quantify the environmental impact of the processes, considering their energy and chemical reagent consumption, process and upstream emissions, as well as the potential (eco)toxic effects of LFT in the tailings storage facility (e.g. water contamination and dust emissions).

The main results emphasized the impact of LFT particle size on arsenic leaching. Fine loellingite particles, which account for over 75% of total arsenic, increased the concentration of this contaminant in leachates fourfold compared to coarser particles (i.e. those with a size greater than 20 μm). The (hydro)metallurgical separation of the arsenic fraction was limited to an efficiency of less than 50%, due to the challenges associates to its concentration in the fine, highly crystalline fraction. The geochemical stability of the arsenic-depleted discharge produced by these processes did not sufficiently improve to meet Canadian and Quebec regulatory discharge thresholds (i.e., 0.1 mg/L). Increasing the contact time and temperature of the hydrometallurgical process was beneficial to improve the solubilization of arsenic from LFT. However, mid-term arsenic leaching was seven times higher after reprocessing, suggesting residual acidity in the pore water despite two washing steps with deionized water at a solid-liquid ratio of 10% (w/v). As for antimony, its solubilization during hydrometallurgical separation decreased its subsequent leaching by 40%. Contaminated process water produced during this process was effectively treated by electrocoagulation, with more than 99% of arsenic and antimony removed after thirty minutes at a current density of 500 A/m². The resulting ferric sludge was more stable than initial LFT in aerobic conditions.

The stabilization processes were more effective to decrease arsenic leaching from LFT than separation ones. Under the optimal conditions identified by the experimental design – 3 mM stabilizing agents, 0.3 to 2.4 hours of contact, and 1.0 to 2.7 days of drying – chemical encapsulation decreased the mid-term leaching of arsenic and antimony by 75% and 84%, respectively. The concentration of arsenic in leachates from weathering cells reached regulatory thresholds four times faster than before reprocessing. Inorganic reagents were more effective than organometallic reagents; the use of pyrocatechol induced a decreased but continuous release of arsenic over time, possibly due to the formation of soluble arsenic-catechol complexes. The low content and small size of loellingite grains made identifying the encapsulation layers by SEM and TOF-SIMS difficult. However, the presence of iron in the encapsulating agents appears to have been essential for immobilizing the contaminants, due to the formation of amorphous or crystalline secondary iron (oxy)hydroxides. Concentration, drying time and contact time were significant influencing parameters that acted in a synergistic and antagonistic manner. Using a numerical optimization algorithm enabled us to identify conditions that combined the positive and negative effects of increasing these parameters while minimizing the process's overall environmental impact.

MICP decreased arsenic leaching by 88% through the precipitation of calcite and/or magnesite, which was produced by the enzymatic activity of microorganisms. The biostimulation approach, which is based on the activity of indigenous microbial communities, was more effective than the bioaugmentation approach, which requires the use of a commercial bacterial strain. Biostimulation maximized both urea hydrolysis, which is necessary to induce MICP reaction, and carbonate precipitation. Arsenic was also more effectively immobilized, which could be explained by pre-adapted capacities of bacteria present in LFT to withstand ecotoxic stress from this metalloid. These bacteria include those that possess the gene necessary for urea hydrolysis, such as Sporosarcina soli, Bacillus aryabhattai and Halomonas alkaliphilia, as well as those that may use non-ureolytic metabolic pathways for contaminants immobilization. While the influence of operating conditions was not thoroughly investigated, the concentration of chemical reagents was found to negatively impact the effectiveness of biostimulation-based MICP, in contrast to bioaugmentation. This suggests that changes in the physicochemical properties of LFT, particularly increased alkalinity, as well as contact with chemical reagents, may have hindered the activity of indigenous microorganisms.

The life cycle assessment revealed that the organometallic encapsulation and MICP processes had a significant overall environmental footprint, primarily due to the consumption of organic chemical reagents (e.g. pyrocatechol, urea and yeast extracts), which accounts for over 90% of the process's environmental impact. The use of these reagents also incurred high operationg costs, estimated at CAD 0.06 and CAD 0.24 per kg of reprocessed LFT, up to ten times higher than for other processes. Inorganic passivation had the lowest environmental and economic footprint of all the processes, while providing maximum local benefits by decreasing the potential (eco)toxic effects of LFT in the tailings storage facility after reprocessing. Areas for ecodesign of processes were identified based on the current state of the art. Using residual materials and reusing reagents where possible appeared to be the main levers for action in the mining industry.

This document discusses the limitations of the project relating to the intrinsic properties of LFT and the chosen experimental and modelling domains. In particular, it covers (i) the challenging mineralogical characterization of LFT before and after reprocessing, (ii) the uncertainty in interpreting experimental and modelling results regarding mid- and long-term stability, and (iii) the omission of certain parameters when comparing the environmental footprint of reprocessing strategies with the current storage scenario. The global quality of process waters and leachates after reprocessing was examined to shed light on the risk of secondary contamination. For instance, the presence of ammoniacal nitrogen at 27 g/L, dissolved organic carbon at 37 mg/L and increased salinity (i.e. 13 to 19 mg/L sodium and up to 20 mg/L chlorine) in water used for MICP and organometallic encapsulation processes could hinder their industrial application. These contaminants were also quantified retrospectively in the leachates, decreasing the global quality of the drainage.

This project proposed a cross-cutting approach to contribute to the identification of LFT management strategies that could decrease the leaching of arsenic and antimony into water, improve drainage quality overall, and minimize industrial impact. Integrating various operational, environmental, and economic criteria revealed that inorganic passivation and biocalcification were the most promising strategies for reprocessing LFT, as they minimize the potential local (eco)toxic effects of the tailings storage facility and maximize the possibilities for ecodesign. This project's recommendations focus on strengthening encapsulation and MICP protocols, conducting further stability tests under relevant long-term environmental conditions, incorporating additional relevant criteria (e.g. geotechnical and social acceptability) and integrating life cycle analysis tools into management plans at an early stage to support decision-making by public and private stakeholders.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Coudert, Lucie
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Neculita, Carmen M. et Demers, Isabelle
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Séparation gravimétrique, extraction, microencapsulation, biocimentation, modélisation environnementale, métalloides, rejets miniers, stabilité géochimique, gravitational separation, acid washing, passivation, biocalcification, environmental assessment, metalloids, mine tailings, geochemical stability
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	29 janv. 2026 17:07
Dernière modification:	29 janv. 2026 17:07
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1741

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