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Enlèvement des métaux des effluents miniers en climat froid par des processus biologiques et chimiques s’opérant dans des bioréacteurs semi‐passifs sulfato‐réducteurs.

Nielsen, Guillaume (2018). Enlèvement des métaux des effluents miniers en climat froid par des processus biologiques et chimiques s’opérant dans des bioréacteurs semi‐passifs sulfato‐réducteurs. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 216 p.

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Résumé

Les avancements technologiques et l’augmentation de la population mondiale font en sorte que les besoins en métaux et en minerais ne cessent de croître, conduisant à l’émergence de nombreuses mines dans le monde et dans le nord canadien. L’exploitation de ces mines implique une inévitable contamination en métaux lourds des sols et des eaux et une nouvelle gestion des drainages miniers contaminés est nécessaire. À l’heure actuelle, la grande majorité des systèmes de traitement mis en place sont des systèmes actifs, souvent coûteux et générant des boues dont la disposition s’avère problématique, surtout en climat nordique. L’application de systèmes passifs au traitement des drainages miniers représente une solution économique et écologique prometteuse. Les systèmes de traitement passif offrent une alternative prometteuse aux systèmes de traitement conventionnels. Parmi les systèmes de traitement passif, la bioremédiation, faisant appel à des microorganismes, notamment les bactéries sulfato-réductrices (BSR), est de plus en plus utilisée pour le traitement de drainages miniers. Même si plusieurs travaux de recherche traitent de ce sujet, peu d’études abordent l’application de traitements passifs en climat nordique, où les températures froides affectent la croissance et l’efficacité des plantes et des bactéries. Cependant, les réglementations de plus en plus strictes concernant les drainages miniers neutres et l’exploitation de nombreuses mines dans le Nord encouragent le développement de méthodes de traitement de ces drainages miniers neutres qui soient à la fois efficaces et simples d’opération. Ce projet de doctorat est basé sur l’hypothèse de recherche selon laquelle il est possible d’appliquer des traitements passifs faisant appel aux bactéries sulfato-réductrices aux drainages miniers neutres dans des régions subissant un climat nordique. Des essais réalisés en laboratoire à 5°C sur des périodes de 90 à 160 jours ont permis de mettre en évidence la présence de BSR indigènes dans l’effluent du site minier de Silver King situé au Yukon et en prise avec une contamination en zinc et en cadmium. ans les premiers travaux menés en laboratoire pendant 90 jours à 5°C (Chapitre 2), l'utilisation de différentes sources de carbone (mélasse, méthanol et un mélange de mélasse/méthanol) a nettement amélioré l'activité bactérienne et, par conséquent, la précipitation des métaux (Zn et Cd) sous forme de sulfures. En effet, avec le mélange mélasse/méthanol qui s’est avéré être légèrement plus efficace que la mélasse ou le méthanol seul, près de 94,8% du Zn et 99,4% du Cd initialement présents dans l’effluent minier ont été éliminés. Durant ces premiers essais en laboratoire, les sources de carbone utilisées l’ont été à deux concentrations différentes afin d’évaluer l’importance de la quantité de carbone disponible pour les BSR. Les concentrations en carbone étaient : C1 = 77 mg/L (soit 2 moles de carbone par mole de sulfate, considérée d’après la littérature comme la concentration minimale pour réduire les sulfates présents dans le drainage minier à l’étude) et C2 = 154 mg/L (soit 2 fois C1). Il a été montré qu’une augmentation significative de la quantité de carbone dans les bioréacteurs n'a pas généré d'amélioration significative des abattements en Zn ou en Cd, ce qui laisse à penser que BSR ne consomment pas plus carbone qu’elles n’en ont besoin. La deuxième série d’essais en batch menés en laboratoire pendant 160 jours à 5°C (Chapitre 3) visait à étudier spécifiquement la réduction des sulfates par les BSR sous l’influence de différentes sources de carbone (sources organiques complexes telles que l’huile de pomme de terre, les résidus de brasserie, la tourbe et la paille) et sources organiques simples telles que le méthanol et l’éthylène-glycol). L’abattement des concentrations en Zn et Cd a également été suivi. Ces essais ont montré que le méthanol et l'éthylène-glycol ont entraîné une diminution des concentrations en sulfates de 71,2% et 36,9%, respectivement, tandis que la diminution des concentrations en sulfates a atteint seulement 13,8% et 5,3%, respectivement, pour la tourbe et la paille. En ce qui concerne l’abattement des concentrations en Zn et Cd, il s’est avéré qu’avant que l'activité bactérienne ne soit observée par la consommation de carbone et de sulfate, la concentration des métaux a diminué. Pour cette raison, il n’a pas été possible de corréler la diminution des concentrations en sulfate avec l'élimination des métaux. L'adsorption sur les sources de carbone pourrait être à l'origine de la diminution rapide des concentrations de Cd et de Zn. Enfin, à la suite des travaux menés en laboratoires, des essais conduits à l’échelle pilote (Chapitre 4) ont permis l’étude de deux bioréacteurs sulfato-réducteurs sur une période de 14 mois dans le but de traiter le drainage minier neutre contaminé en Zn et en Cd du Silver King mine site situé au Yukon. Une caractérisation génomique des communautés microbiennes de chaque bioréacteur, ainsi que de l’effluent minier a été entreprise. Cette caractérisation a révélé la présence dans les bioréacteurs d’une population microbienne complexe, mais stable dans le temps, ainsi que des BSR potentielles (membres des classes Clostridia and Deltaproteobacteria). Durant les 14 mois qu’ont duré l’expérience pilote, une solution de mélasse a été injectée à une concentration constante (2 moles de carbone par mole de sulfate). Comme il l’avait été conclu lors des premiers essais laboratoires, cette étude pilote a démontré que les BSR, bien que touchées par des températures froides, peuvent être efficaces pour effectuer des procédés de réduction de sulfates entraînant ainsi la précipitation des métaux sous formes de sulfures en climat froid. L’efficacité des abattements en Zn a varié entre 11,5% en hiver et 95,5% en été. L’efficacité des abattements en Cd a varié entre 21,1% en hiver et 96,6% en été.

Abstract

Technological advances and the increase of world population mean that metals and minerals requirements continue to grow, leading to the emergence of mining companies across the world and in Northern Canada. Mining operations imply an ineviTable heavy metals contamination of soils and waters and an effective management of contaminated mining drainage is necessary. Nowadays, the vast majority of treatment systems are active systems which are expensive and generate problematic sludge, especially in northern climates. Using passive systems to mine drainage represents a promising solution in terms of both economic and ecological impacts. Passive treatment systems offer a potential alternative to conventional treatment systems. Among the passive treatment systems, bioremediation, using microorganisms, in particular sulfate-reducing bacteria, is increasingly used for the treatment of mining drainage. Although several researches have addressed this issue, only few studies have been done on the application of passive treatments in northern climates where cold temperatures affect the growth and effectiveness of plants and bacteria. However, increasingly stringent regulations on neutral mining drainage and the operation of many mines in the North encourage the development of efficient and easy to operate treating methods of these neutral mining drainage. This PhD project is based on the research hypothesis that it is possible to apply passive treatments using sulfate-reducing bacteria to treat neutral mine drainage in northern climate areas. Laboratory experiments conducted over 90 to 160 days at 5°C revealed the presence of native SRB in the effluent from the Silver King mine site located in the Yukon Territory struggling with Zinc and Cadmium contamination. In the first laboratory tests conducted for 90 days at 5°C (Chapter 2), the use of different carbon sources (molasses, methanol and a mixture of molasses/methanol) significantly improved bacterial activity and, consequently, the precipitation of metals (Cd and Zn) as metal sulfides. Indeed, with the mix molasses/methanol mixture which proved to be slightly more effective than molasses or methanol alone, up to 94.8% of Zn and 99.4% of Cd were removed after. During these first laboratory tests, the carbon sources used were used at 2 different concentrations to assess the amount of carbon available for SRB. Carbon concentrations were: C1 = 77 mg/L (ie, 2 moles of carbon per mole of sulfate, considered in the literature to be the minimum concentration to reduce the sulfates present in the mine drainage studied) and C2 = 154 mg/L (ie which is twice C1). It has been shown that a significant increase in the amount of carbon in the bioreactors did not result in any significant improvement in Zn or Cd removals, suggesting that SRB does not consume more carbon than what they need. The second laboratory batch tests was conducted for 160 days at 5°C (Chapter 3) and aimed specifically to study the reduction of sulfates by SRB using different carbon sources (complex organic sources (potato oil, brewery residues, peat and straw) and simple organic sources (methanol and ethylene glycol)). The removal of Zn and Cd was also studied. These batch tests showed that the use of methanol and ethylene glycol as carbon sources resulted in the decreases of sulfate concentrations of 71.2% and 36.9%, respectively, while decreases of sulfate concentrations were limited to 13.8% and 5.30% for peat and straw, respectively. With regard to the decrease in Zn and Cd concentrations, it was found that before bacterial activity was observed by the consumption of carbon and sulfate, the concentration of the metals decreased. For this reason, it was not possible to correlate the decrease in sulfate concentrations with metal removals. Adsorption on carbon sources could be the cause of the rapid decrease in Cd and Zn concentrations. Finally, following these laboratory work, a pilot scale experiment (Chapter 4) has been conducted to study the behavior of two pilot sulfate-reducing bioreactors over a 14-month period to treat the neutral mine drainage contaminated by Zn and Cd from the Silver King mine site, Yukon Territory. A genomic characterization of the microbial communities of each bioreactor as well as the mining effluent was performed. This characterization revealed the presence in the bioreactors of a complex but time-stable microbial population as well as potential SRB (members of Classes Clostridia and Deltaproteobacteria). During the 14-month pilot experiment, a molasses solution was injected at a constant concentration (2 moles of carbon per mole of sulfate). As it was concluded during the first laboratory experience, this pilot study demonstrated that SRB, although affected by cold temperatures, may be effective in performing sulfate reduction processes and thus precipitating metals as metal sulfides in a cold climate. The effectiveness of Zn removal varied between 11.5% in winter and 95.5% in summer. The effectiveness of Cd removal varied between 21.1% in winter and 96.6% in summer.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy; Janin, Amélie
Mots-clés libres: système de traitement passif in-situ; drainages miniers neutres; contamination; métaux; climat nordique; bactéries sulfato-réductrices
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 mars 2018 15:54
Dernière modification: 13 avr. 2018 13:26
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6843

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