Traitement passif du drainage neutre contaminé à l'arsenic au moyen de matériaux organiques naturels et inorganiques résiduels en climat froid

Thevenot, Xavier Marc (2025). Traitement passif du drainage neutre contaminé à l'arsenic au moyen de matériaux organiques naturels et inorganiques résiduels en climat froid. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1859

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Résumé

RÉSUMÉ

La fermeture des sites miniers, et ceux abandonnés sans mesures de restauration, constitue un passif environnemental majeur à l’échelle mondiale. Historiquement, le traitement des eaux minières a été conçu pour le drainage minier acide (DMA ; pH < 6), issu de l’oxydation de minéraux sulfurés et caractérisés par une forte teneur en métaux dissous, sulfates et métalloïdes. Les procédés actifs (neutralisation, précipitation chimique) sont efficaces pour diminuer les concentrations en contaminants, mais impliquent des coûts élevés (réactifs, entretien des infrastructures, consommation énergétique), difficilement soutenables après fermeture. Au Québec, Canada, les principaux minéraux porteurs d'As (pyrite arsénienne (Fe(S,As)2), löllingite (FeAs2) et réalgar (As4S4)) sont couramment présents dans les résidus et les stériles des mines d'or. Alors que l'oxydation de ces minéraux génère de l'acidité, la présence de carbonates coexistants (calcite (CaCO3), dolomite (CaMg(CO3)2)) et d'aluminosilicates neutralise le pH, générant un drainage minier neutre contaminé à l’As (DNC-As). Le DNC-As se caractérise par un pH neutre (6–9) avec des concentrations en As dépassant les limites recommandées par la Directive 019 du Québec (< 0,1 mg As/L; provincial) et imposées par la Réglementation sur les effluents des mines de métaux et des mines de diamants (REMMMD) du Canada (< 0,3 mg As/L; fédéral). Le DNC-As repose principalement sur des mécanismes de sorption (vs. précipitation DMA) pour l’immobilisation de l’As. Ainsi, la mise en place de biofiltres passifs, constitués de matériaux organiques naturels et inorganiques résiduels, offrent une alternative à faible coût, bien que leurs performances à long terme et processus sous-jacents dans l’immobilisation de l’As restent peu documentés, particulièrement en climat froid.

Dans ce contexte, cette thèse vise à combler ces lacunes en poursuivant les objectifs suivants : (1) évaluer comparativement l'efficacité d'un matériau/mélange de matériaux à immobiliser l’As dans le DNC-As ; (2) identifier et quantifier les processus géochimiques et biochimiques impliqués dans l’immobilisation de l’As présent dans des DNC-As ; (3) réaliser une étude comparative des résultats obtenus en laboratoire et sur le terrain (objectif 1 et 2) afin de déterminer les critères de conception adaptés au développement de nouveaux systèmes de traitement passif au DNC-As en contexte nordique. L’approche méthodologique reposait sur une combinaison d’expérimentations multi-échelles (cm3, dm3, m3, milliers de m3) et de caractérisations complémentaires (physico-chimiques, microbiologiques, isotopiques) en conditions contrôlées de laboratoire et réelles sur deux sites miniers. La première phase, à l’échelle du laboratoire, a consisté à réaliser une série d’essais en lots (cm3) pour identifier le mélange de matériaux le plus performant et définir un temps de rétention hydraulique (TRH) optimal. Ces résultats ont ensuite été utilisés pour concevoir un biofiltre de laboratoire (dm3), opéré en flux continu. Dans une deuxième phase, des biofiltres pilotes à plus grande échelle (m3) ont été installés et suivis sur le site minier Dhilmar Éléonore afin d’évaluer leur efficacité à moyen terme. Enfin, une analyse rétrospective a été menée sur le site restauré de Wood-Cadillac, où un biofiltre passif (milliers de m3) à base de copeaux de bois est en fonctionnement depuis plus de vingt ans, afin de mieux comprendre les mécanismes d’immobilisation de l’As à long terme.

L’analyse de la littérature a révélé que les tourbières naturelles constituent une approche pertinente pour le traitement du DNC-As en contexte nordique. Riches en matière organique, elles immobilisent naturellement les métaux et métalloïdes (As, Fe, Al) par sorption et complexation, un processus facilité par les communautés microbiennes impliquées dans les cycles biogéochimiques (As, Fe, et S). Toutefois, leur faible conductivité hydraulique implique des TRH élevés (jours à semaines), une large emprise au sol, et favorise la réduction d’As(V) en As(III), plus mobile et toxique. Ces limites restreignent leur applicabilité. Les biofiltres artificiels, conçus pour reproduire ces fonctions biogéochimiques, répondent mieux aux contraintes techniques, spatiales et économiques. Les biofiltres uniquement organiques montrent une efficacité limitée, alors que l’ajout de résidus inorganiques riches en Fe améliore significativement la capacité d’immobilisation de l’As. Le mélange de tourbe (abondante au Québec) et de boues de géotube riches en Fe (déchet industriel), constitue une stratégie prometteuse pour renforcer l’efficacité d’immobilisation de l’As et le développement d’un support microbien actif. À ce jour, aucune étude n’a évalué cette combinaison pour le traitement du DNC-As, soulignant la pertinence de cette thèse. Par ailleurs, bien que l’immobilisation de l’As par le Fe soit largement reconnue comme mécanisme dominant à pH neutre, la stabilité à long terme de l’As immobilisé, les interactions avec les communautés microbiennes impliquées dans les cycles biogéochimiques (As, Fe, et S), ainsi que l’influence des gradients redox sur la spéciation de l’As en profondeur demeurent insuffisamment documentées. Ces incertitudes justifient une approche intégrée visant à évaluer, à différentes échelles et dans des conditions réalistes, l’efficacité et les mécanismes des biofiltres appliqués au traitement passif du DNC-As.

Ces considérations ont motivé une première étude expérimentale au laboratoire visant à tester l’efficacité d’un biofiltre passif combinant tourbes et boues pour le traitement du DNC-As. En lots (cm3), divers ratios ont été testés, et le mélange 50/50 (en masse sèche) s’est révélé le plus performant. Des essais en lots à 5°C vs. 22°C, réalisés avec un DNC-As synthétique (2,0 mg As/L, pH 7,16) vs. réel (0,91 mg As/L, pH 7,63), ont montré des rendements d’enlèvement plus élevés pour le DNC-As synthétique (jusqu’à 88%) que pour le DNC-As réel (jusqu’à 77%), la différence étant attribuée à la salinité résiduelle. La température ayant un impact modéré après 4 h de temps de contact. L’As était majoritairement immobilisé par chimisorption (R2 = 0,99). Ce mélange a ensuite été utilisé dans un biofiltre de laboratoire en flux continu ascendant durant 3 mois (22°C ; TRH = 1 j), atteignant 98% d’enlèvement la première semaine, suivie d’un relargage d’As après 27 j. L’analyse des communautés microbiennes a révélé la présence de réducteurs de Fe (11%), d’oxydants du soufre (6,1%), de réducteurs de sulfate (6,0%) et de procaryotes métabolisant l’As (3,5%), soulignant le rôle potentiel des microorganismes dans le cycle de l’As. Ces résultats confirment le potentiel de la combinaison tourbe/boues pour un traitement efficace du DNC-As à court terme, mais mettent en évidence la nécessité d’évaluer la stabilité d’immobilisation de l’As à plus long terme en conditions réelles.

Deux biofiltres pilotes (1 m3), constitués d’un mélange tourbe/boues (50/50) et graviers, ont été installés sur un site minier actif du nord du Québec (Canada) afin de traiter un DNC-As réel. Exploités pendant trois mois, TRH = 1 j, ces systèmes ont atteint une efficacité d’enlèvement de 96 ± 2,9%, avec des concentrations finales conformes à la réglementation (< 0,05 mg As/L). Un lessivage initial des métaux(oïdes) (As, Fe) et du carbone organique dissous (COD) a été observé, suivi d’une stabilisation rapide des performances après 5–10 j. L’As était principalement immobilisé par sorption sur les (oxy)hydroxydes de Fe et la matière organique. Les analyses microbiennes ont révélé la présence de procaryotes neutrophiles associés aux transformations du soufre et de l’As, incluant des oxydants du soufre (dominés par Thiobacillus), des réducteurs de sulfate, et des micro-organismes métabolisant l’As, témoignant d’un cycle biogéochimique actif à pH neutre. Ces résultats confirment l’efficacité du couplage tourbe/boues en conditions réelles, mais soulignent la nécessité de caractériser les performances à long terme face aux fluctuations de température, à la réduction de la conductivité hydraulique et à la stabilité des phases minérales.

À grande échelle (2850 m3), le biofiltre de Wood-Cadillac (Québec) offre un retour unique sur les performances à long terme d’un traitement passif au DNC-As. Exploité en continu depuis plus de 22 ans, ce biofiltre (57 m x 50 m x 1 m) composé de copeaux de bois a maintenu une efficacité d’enlèvement atteignant 80%, avec des concentrations finales conformes à la réglementation (< 0,1 mg As/L). L’analyse de la spéciation de l’As a révélé des transformations redox selon la profondeur, avec la prédominance d’As(V) en surface et l’accumulation de formes réduites et méthylées (As(III), MMA(V), DMA(V)) en profondeur. Les profils isotopiques du soufre (δ34S) et les concentrations en SO42⁻ suggèrent l’existence de micro-niches anoxiques favorables à la réduction microbienne des sulfates, soutenue par un enrichissement isotopique (> +12‰). Ces zones coïncidaient avec une abondance élevée de bactéries sulfato-réductrices (BSR), et la formation de complexes As–S et de précipités FeAsS/AsS. La diversité α des communautés microbiennes s’est révélée stable, mais la β-diversité variait significativement avec la profondeur chez les procaryotes champignons. La distribution verticale des taxons fonctionnels liés aux cycles du S, Fe et As reflétait des conditions redox stratifiées et une interaction soutenue entre processus microbiens et géochimiques, essentielle au maintien de l’efficacité du traitement. Ces résultats confirment le potentiel durable des biofiltres organiques pour le traitement passif du DNC-As, même après plusieurs décennies de fonctionnement en climat nordique.

Ces conclusions ouvrent des nouvelles perspectives pour la conception de biofiltres passifs adaptés à la réhabilitation de sites miniers fermés ou abandonnés, en valorisant des matériaux disponibles localement, à faible coût et à faible impact environnemental. Ils offrent également un cadre de référence pour les instances réglementaires et les gestionnaires de sites dans l’élaboration de stratégies de traitement durable. Au-delà des aspects techniques, ce travail s’inscrit dans une réflexion plus large sur le rôle des technologies environnementales dans la transition socioécologique. L’intégration de solutions fondées sur des matériaux naturels ou résiduels dans des territoires affectés par l’héritage minier peut contribuer à restaurer le lien entre les milieux contaminés et les communautés riveraines, en favorisant la participation citoyenne, la transparence des actions de réhabilitation et la réappropriation des paysages dégradés.

ABSTRACT

The closure of mine sites, particularly those abandoned without remediation, constitutes a major environmental liability worldwide. Historically, mine water treatment has focused on acid mine drainage (AMD; pH < 6), generated by the oxidation of sulfide minerals and characterized by high concentrations of dissolved metal(oid)s and sulfates. While active treatment technologies (e.g., neutralization, chemical precipitation) are effective in reducing contaminant levels, they involve high costs (chemical reagents, infrastructure maintenance, energy), which are difficult to sustain after mine closure. In Québec (Canada), arsenic-bearing minerals such as arsenian pyrite (Fe(S,As)2), löllingite (FeAs2), and realgar (As4S4) are commonly found in tailings and waste rock at gold mine sites. Although the oxidation of these minerals releases acidity, the co-occurrence of carbonate phases (calcite, CaCO3; dolomite, CaMg(CO3)2) and aluminosilicates buffers the pH, leading to the formation of neutral mine drainage contaminated with arsenic (As-NMD). The As-NMD is characterized by near-neutral pH (6–9) and arsenic concentrations that exceed the thresholds set by Québec’s Directive 019 (< 0.1 mg As/L) and Canada’s Metal and Diamond Mining Effluent Regulations (MDMER; < 0.3 mg As/L). In contrast to AMD, As-NMD treatment relies mainly on sorption mechanisms rather than precipitation. Passive biofilters composed of natural organic matter and residual Fe-rich inorganic materials represent a cost-effective alternative, though their long-term performance and the mechanisms governing arsenic retention remain poorly documented, especially under cold-climate conditions.

In this context, this thesis aims to address these knowledge gaps by pursuing the following objectives: (1) evaluate and compare the As retention capacity of individual materials and material mixtures; (2) identify and quantify the geochemical and microbial processes involved in As immobilization in As-NMD; and (3) compare laboratory and field results (objectives 1 and 2) to define design criteria for the development of passive As-NMD treatment systems adapted to northern environments. The methodology combined multiscale experiments (cm3, dm3, m3, and thousands of m3) and complementary analyses (physicochemical, microbiological, isotopic), conducted under controlled laboratory conditions and in situ at two mining sites.

In the first phase, laboratory-scale batch tests (cm3) were used to determine the most effective material mixture and optimum hydraulic retention time (HRT). A 50/50 (dry w/w) peat–Fe-rich sludge (AMD-S) mixture demonstrated the highest As removal efficiency. Experiments with synthetic As-NMD (2.0 mg As/L, pH 7.16) and real As-NMD (0.91 mg As/L, pH 7.63) at 5°C and 22°C showed higher removal efficiencies for synthetic (up to 88%) than real As-NMD (up to 77%), attributed to residual salinity. The impact of temperature was limited after 4 hours of contact. Arsenic was primarily retained through chemisorption (R2 = 0.99). The 50/50 mixture was then tested in an upflow laboratory-scale biofilter (dm3) operated at 22°C for 3 months (HRT = 1 d). The system reached 98% removal during the first week, followed by As release after 27 d. Microbial community analysis identified Fe-reducers (11%), S-oxidizers (6.1%), sulfate reducers (6.0%), and As-metabolizing prokaryotes (3.5%), indicating potential contributions of microbial processes to As cycling.

In the second phase, 1 m3 pilot-scale biofilters in duplicate with a 50/50 (w/w) peat–AMD-S–gravel filling mixture were installed at the Dhilmar Éléonore active mine site in northern Québec to treat real As-NMD. Operated for three months with an HRT of 1 d, these systems achieved average As removal efficiencies of 96 ± 2.9%, with final concentrations below 0.05 mg As/L, according to Canada’s Metal and Diamond Mining Effluent Regulations (0.3 mg As/L; MDMER) and Québec guideline (0.10 mg As/L; D019). An initial leaching phase of As, Fe, and dissolved organic carbon was observed, followed by stabilization within 5–10 d. Arsenic was mainly retained by sorption onto Fe-(oxy)hydroxides and organic matter. Microbial analysis revealed neutrophilic prokaryotes involved in S and As transformations, including S-oxidizers (mainly Thiobacillus spp.), sulfate reducers, and As-metabolizing microorganisms, demonstrating active biogeochemical cycling at neutral pH.

Finally, at the field scale (2850 m3), the Wood-Cadillac passive biofilter in Québec provides a unique long-term case study. Operated continuously for over 22 years and composed solely with yellow birch woodchips, it maintained As removal efficiencies of ~80%, with final concentrations consistently below 0.1 mg As/L. Arsenic speciation varied with depth, showing redox-driven gradients: As(V) dominated at the surface, while reduced and methylated forms (As(III), MMA(V), DMA(V)) accumulated at depth. Sulfur isotope data (δ34SSO4 2− > +12‰) and sulfate depletion indicated the presence of anoxic microzones supporting microbial sulfate reduction, confirmed by the detection of sulfate-reducing bacteria and the co-occurrence of As–S complexes or FeAsS/AsS precipitates. While prokaryotic α-diversity was stable, β-diversity varied markedly with depth for both prokaryotic and fungal communities. Functional taxa involved in S, Fe, and As cycling also showed vertical structuring, consistent with redox stratification and sustained microbial–mineral interactions, which underpin the system’s long-term treatment capacity.

These findings highlight the long-term potential of organic-based passive biofilters for As-NMD remediation in cold climates. They support the development of sustainable treatment systems using low-cost, locally sourced materials and provide a reference framework for regulators and site managers. Beyond technical performance, this work contributes to a broader reflection on the role of environmental technologies in socioecological transitions. Integrating natural or residual materials into passive treatment designs may help restore degraded mining landscapes and foster stronger connections between contaminated environments and nearby communities through transparency, citizen engagement, and landscape reappropriation.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Rosa, Éric et Coudert, Lucie
Informations complémentaires:	Doctorat en sciences de l’environnement : secteur mines.
Mots-clés libres:	drainage neutre contaminé à l’As, biofiltres passifs, multi échelles, tourbe, boues riches en Fe, diversité microbienne, as-rich neutral mine drainage, passive treatment, multiscale experiments, peat, Fe-rich sludge, microbial diversity
Divisions:	Forêts > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt:	09 juill. 2026 12:55
Dernière modification:	09 juill. 2026 12:55
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1859

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