Prétraitement et traitement passif du drainage minier acide ferrifère

Rakotonimaro, Tsiverihasina Vavaka (2017). Prétraitement et traitement passif du drainage minier acide ferrifère. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/725

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Résumé

La combinaison de plusieurs unités de traitement passif, dite connue comme filière de traitement passif, est présentement une technologie de plus en plus utilisée pour traiter le drainage minier acide (DMA) fortement contaminé, incluant le DMA riche en fer (>500 mg/L) ou le DMA ferrifère lors de la restauration des sites miniers abandonnés/fermés. Les technologies passives les plus fréquemment utilisées dans les filières sont les réacteurs passifs biochimiques (RPB) et les drains calcaires (oxique/anoxique). En général, les essais de laboratoire ont montré des résultats satisfaisants, à l’exception des problèmes d’écoulement en surface, qui surviennent sur le terrain (surtout dans le cas du traitement du DMA ferrifère), montrant qu’une recherche plus approfondie est nécessaire. L’utilisation de mélanges réactifs à haute porosité et à forte alcalinité, de type substrats alcalins dispersés (SAD), composés de copeaux de bois et d’agent neutralisant (p. ex. : CaCO3, MgO) est présentement l’alternative qui pourrait limiter les problèmes d’enrobage et de colmatage (problèmes hydrauliques) communément constatés dans les systèmes de traitements passifs. Dans ce contexte, les principaux objectifs de cette thèse sont les suivants : 1) évaluer l’efficacité des unités composées de mélanges à haute porosité et forte alcalinité sur le traitement du DMA ferrifère; 2) évaluer la performance à long terme d’une unité de prétraitement du Fe dans une filière; et 3) réaliser une étude comparative des résultats de laboratoire et sur le terrain, afin de proposer de nouveaux critères de design utiles pour construire une filière de traitement passif efficace du DMA ferrifère. Pour atteindre ces objectifs, des travaux de laboratoire (essais en batch- sans écoulement et en colonnes- avec écoulement) et de terrain ont été réalisés. Les travaux de terrain étaient réalisés sur le site Lorraine (pilote de terrain) pendant la période estivale de 20122016. L’approche méthodologique générale a été réalisée en trois étapes consécutives/complémentaires.

La première étape consistait à caractériser et à évaluer l’efficacité des mélanges de type SAD, afin d’en sélectionner le(s) mélange(s) le(s) plus efficace(s) pour le prétraitement du Fe dans le DMA ferrifère (pH 4, 2500 mg/L Fe et 5000 mg/L SO42-). Ainsi, trois types de SAD composés de matériaux alcalins naturels (cendres de bois, calcite, dolomite), à différentes proportions (20, 50% et 80% v/v) et des substrats à grande surface spécifique (copeaux de bois) ont été testés dans neuf réacteurs batch. Les essais ont été réalisés en duplicata pendant une période de 91 j. Les résultats ont montré que les mélanges composés de cendre de bois (CB-SAD) présentaient une surface spécifique 1760 fois supérieure aux mélanges composés de calcite ou de dolomite (calcite-SAD et dolomite-SAD, respectivement). De plus, tous les mélanges pouvaientenlever jusqu’à 99,9% de Fe et 40% de SO42-, tandis que la calcite-SAD et la dolomite- SAD avaient une efficacité comparable à long terme (1627% Fe et <10% SO42-). Le mélange avec 50% de cendre de bois (CB50) a été sélectionné en compromis, étant donné le contenu trop élevé en fines de CB80 (80% cendre de bois), et que l’efficacité de CB20 (20% cendre de bois) risquerait de diminuer rapidement. Les mélanges calcite-SAD et/ou dolomite-SAD étaient plutôt suggérés pour être utilisés dans des unités de polissage.

Par la suite, en deuxième étape, deux des mélanges les plus performants testés lors des essais batch, i.e., CB50 et C20 (20% calcite), ont été sélectionnés pour prétraiter le Fe dans des réacteurs de type colonne de 1,5 L. Un troisième mélange, composé de matériaux organiques (70%) et inorganiques (30%), a également été testé pour être utilisé dans un RPB, surtout pour traiter les SO42- en raison de l’efficacité limitée du traitement des SO42- par les mélanges SAD. L'efficacité et la performance hydraulique de ces trois mélanges, qui étaient exploités à différents temps de résidence hydraulique (TRH) (15 j), ont alors été évaluées. Les résultats ont montré qu’un TRH minimum de 2 j est nécessaire pour traiter un DMA ferrifère (pH 2−4, Fe 500−2500 mg/L et ~5000 mg/L SO42-). Les réacteurs CB50 ont montré une meilleure efficacité d’enlèvement du Fe et des SO42- (1762% et de 7,537%, respectivement) à un TRH de 5 j (CB50-5), tandis que les réacteurs C20 étaient efficaces seulement à très court terme (les premiers 7 j) à un TRH de 2 j. L’efficacité des RPB augmentait de 77% à 91% lorsque le TRH était doublé de 2,5 à 5 j. Cette partie de l’étude a aussi permis de trouver qu’une compétition potentielle entre les bactéries ferri-réductrices et les bactéries sulfato-réductrices a pu entraîner une diminution de l’enlèvement des SO42- de 91% à moins de 14% dans les RPB. L’évolution de la conductivité hydraulique (ksat) dans tous les réacteurs a montré des changements peu significatifs et qu’effectivement, le problème de colmatage était limité, même avec un TRH de 5 j.

Dans la troisième étape de l’étude, les résultats obtenus durant les essais batch et en petites colonnes ont été utilisés pour monter trois scénarios de filières de traitement du DMA ferrifère dans des réacteurs colonnes de 10,7 L. Cette dernière étape consistait à comparer la performance des filières de laboratoire et de la filière de terrain, afin d'évaluer l'effet d'échelle et d’identifier les facteurs et paramètres qui ont un impact sur la performance à long terme. Les résultats des études ont montré que les paramètres qui pourraient influencer la performance des expériences au laboratoire et sur le terrain, sont la conductivité électrique, le débit (Q), la conductivité hydraulique saturée (ksat) et la concentration en Fe et SO42-. Au laboratoire, une filière intégrant une unité de prétraitement du Fe et utilisant des mélanges SAD, pouvait enlever 5298% de Fe. Les meilleures performances ont été obtenues lorsque deux unités de prétraitement ont été utilisées. Les unités de prétraitement les plus efficaces étaient les deux CB50 avec, en moyenne, un enlèvement de 82% de Fe et 79% de SO42-. Par conséquent, le RPB qui les succédait, pouvait traiter, en moyenne, 86% de Fe et 98% de SO42-. Sur le terrain, l’efficacité d’une filière à base de RPB était d’environ 75%. Le prétraitement du Fe aamélioré la performance globale d’une filière de traitement passif du DMA ferrifère.

De plus, la comparaison des essais en laboratoire et sur le terrain a permis de déterminer que le débit Q est le paramètre qui affecte le plus la performance à long terme d'une filière de traitement du DMA ferrifère. Enfin, de nouveaux critères de design pour la conception d’une filière de traitement du DMA ferrifère ont été proposés et visent les concentrations du Fe et des SO42-, ainsi que le ksat. De plus, un RPB est plus efficace avec une charge en Fe <26 g/m3substrat/j et en SO42- <110 g/m3substrat/j. Cette partie de l’étude a également permis de suggérer l’utilisation d’un mélange avec un ksat >10- 3cm/s pour traiter un DMA ferrifère. Par ailleurs, un facteur de correction de 0,20,8 pourrait être pris en compte sur la valeur de Q et l’enlèvement du Fe, ainsi que 1/100 sur le ksat mesuré au laboratoire pour prédire la durabilité du traitement sur le terrain. Le présent projet a donc permis d’approfondir les connaissances liées au traitement du DMA ferrifère (Fe >500 mg/L) au moyen des filières de traitement passif. De plus, les cendres de bois, qui étaient utilisés comme substitution de matériaux moins coûteux dans la composition des SAD, se sont montrés aussi efficaces que les matériaux conventionnels (CaCO3, MgO) utilisés dans les SAD. Les nouveaux critères de design proposés dans cette étude constituent également un apport scientifique innovant. Enfin, les connaissances et les approches méthodologiques acquises durant cette étude pourront être applicables à d’autres qualités d’eau pour la restrauration d’autres sites miniers abandonnés ou fermés.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Bussière, Bruno et Zagury, Gérald J.
Mots-clés libres:	Drainage minier acide (DMA), Substrat alcalin dispersé (SAD), fer, traitement passif, filière, Réacteur passif biochimique (RPB), critères de design
Divisions:	Forêts > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt:	18 sept. 2017 15:00
Dernière modification:	18 sept. 2017 15:00
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/725

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