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Performance des matériaux alcalins pour prévenir la génération d’acidité et la mobilisation des métaux retenus par de nouveaux biofiltres (semi-)passifs sulfato-réducteurs utilisés pour le traitement du drainage minier acide.

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Lounate, Khalifa (2019). Performance des matériaux alcalins pour prévenir la génération d’acidité et la mobilisation des métaux retenus par de nouveaux biofiltres (semi-)passifs sulfato-réducteurs utilisés pour le traitement du drainage minier acide. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 306 p.

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Résumé

L’industrie minière québécoise produit des quantités considérables de rejets solides pouvant contenir des minéraux sulfureux. Une fois en contact avec de l’eau et de l’oxygène, ces derniers peuvent générer des drainages miniers acides (DMA) avec des conséquences potentiellement néfastes pour l’environnement. Traditionnellement, l’industrie minière utilise des méthodes de traitement « actives » des DMA. Toutefois, ces dernières présentent certains inconvénients et sont généralement proscrites pour les sites miniers fermés et/ou abandonnés. Durant ces dernières années, plusieurs méthodes de traitement « passives » plus respectueuses de l’environnement et tout autant efficaces ont été développées. Parmi ces méthodes, nous pouvons citer les biofiltres passifs sulfato-réducteurs (BPSR). Ces derniers utilisent des matériaux naturels généralement disponibles localement et non-valorisés pour le traitement des DMA. Des travaux récents ont, cependant, démontré que pour des DMA fortement chargés en fer (> 500 mg/L) la performance de ces systèmes peut être remise en question (e.g., risque de colmatage lié à des précipités de fer). L’optimisation de ces systèmes pour des DMA fortement chargés et la recherche de mélanges réactifs, plus simples et moins coûteux à partir de nouveaux matériaux disponibles localement en grandes quantités, représentent toujours un important besoin de pousuivre les travaux de recherches. Une autre piste de recherche relativement récente concerne la gestion de ces BPSR après utilisation et leur stabilité à long terme. En effet, de nombreux travaux exposent la complexité associée à la gestion des mélanges réactifs post-démantèlement chargés en métaux. Par conséquent, les objectifs principaux de ce travail de recherche visent à investiguer : (i) de nouveaux systèmes de traitement semi-passif du DMA (typique de l’Abitibi-Témiscamingue) à partir de la valorisation de matériaux disponibles localement, ainsi que (ii) des approches de stabilisation des BPSR (après utilisation) à partir de la valorisation de résidus alcalins. Pour ce faire et afin de répondre à l’objectif (i), un biofiltre passif et un autre semi-passifs sulfato-réducteurs ont été testés en laboratoire. Un premier biofiltre passif (B1) inspiré de celui développé par Neculita (2008) a été testé pour traiter un DMA typique de l’Abitibi-Témiscamingue. Un second biofiltre semi-passif (B2), plus simple, constitué de 60% de copeaux grossiers, 20% de fumier et 20% de calcite, a été testé (avec ajout de lactate) pour traiter un DMA plus fortement contaminé en métaux. Le suivi physicochimique et microbiologique des effluents à la sortie du B1 a montré une amélioration du pH, une diminution du Eh, ainsi qu’une bonne efficacité à retenir (> 95%) les métaux à court terme, notamment grâce à la sulfato-réduction. Cependant, une plus faible capacité à enlever les SO₄²⁻ le Fe et le Mn a été constatée. De plus, un relargage en Fe, en SO₄²⁻ et en Mn à la fin des essais. Pour le B2, les résultats ont montré une meilleure capacité de traitement à moyen terme et aucun problème de relargage et/ou de colmatage n’a été mis en évidence pour traiter un DMA plus fortement contaminé. Afin de répondre à l’objectif (ii), des tests de lixiviation (Toxicity Characteristic Leaching Procedure - TCLP, Synthetic Precipitation Leaching Procedure - SPLP, Test à l’eau neutre - TE), ainsi que des essais cinétiques en mini-cellule d’altération (MCA) et en colonnes ont été réalisés en laboratoire sur les biofiltres B1 et B2 après utilisation. Ces essais ont été réalisés sans et avec amendement (Cendres de cogénération - CC, Boues rouges d’aluminerie - RMB, Poussières de four à chaux provenant de Marbelton - PFCM, Poussières de four à chaux provenant de Bedford - PFCB et Hydroxyapatite - HAP) afin d’étudier la stabilité des BPSR après utilisation à long terme. En plus de l’évaluation du potentiel de valorisation de résidus alcalins pour la stabilisation des BPSR, différentes configurations de stockage généralement appliquées en restauration minière (en conditions non-saturées, saturées et immergées) ont aussi été testées lors des essais en colonnes. Les principaux résultats ont montré que même si une certaine stabilité des métaux précipités et retenus lors du traitement du DMA est présente, les BPSR après utilisation (sans amendement) sont classifiés comme étant à risque élevé ou dangereux, sont générateurs d’acidité et peuvent donc libérer des métaux dans l’environnement (e.g., Cd, Fe, Mn, Ni, Zn). Seul l’ajout de RMB comme ammendement semble permettre d’améliorer la stabilité des BPSR/BSPBR à long terme. Le stockage des BPSR/BSPBR en conditions saturées (voire immergées) après utilisation semble également permettre d’améliorer leur stabilité sur le long terme. En définitive, la réalisation de ce projet de recherche a permis d’approfondir les connaissances concernant le traitement du DMA ferrifère typique de l’Abitibi-Témiscamingue à partir de nouveaux systèmes de traitement semi-passifs constitués de matériaux disponibles localement, en grandes quantités et non-valorisés. En outre, il a permis de mieux connaître les possibles risques environnementaux associés au stockage des BPSR après utilisation. En effet, les essais en colonnes ont permis d’observer le comportement géochimique des BPSR à long terme, avec ou sans amendement et dans différentes conditions de stockage. Ce projet a permis également de proposer une méthodologie de travail permettant de déterminer la meilleure approche à appliquer afin d’empêcher la remobilisation des métaux dans l’environnement et d’assurer la stabilité des BPSR contaminés à long terme.

Abstract

The mining industry in Quebec is producing considerable amounts of tailings that may contain sulfide minerals. Once subjected to water and oxygen, these can generate acid mine drainage (AMD) with potentially harmful consequences for the natural environment. Traditionally, the mining industry uses "active" systems to treat AMD. Despite its effectiveness, active systems have many drawbacks and are generally not authorized for closed and/or abandoned mining sites. In recent years, several "passive" treatment techniques that are both more effective and respectful for the environment have been developed. Among these techniques, passive sulfate-reducing bioreactors (PSRB) use natural materials generally available locally for the treatment of AMD. However, recent work has shown that for AMD with high iron concentration (> 500 mg/L), the performance of these systems is questionable (e.g., clogging risk). The optimization of these systems for AMDs with high iron concentrations and the development of simple and less expensive reactive mixtures, made from large quantities of locally available materials, represents a significant research challenge. Another recent area of research is the management of the contaminated spent PSRBs and their long-term stability. Indeed, many studies have exposed the complexity associated with the management of dismantled reactive mixtures with high metal and metalloid concentrations. Therefore, the main purposes of this research are to investigate: (i) new semi-passive AMD treatment systems (typical of those used in the region of Abitibi-Témiscamingue) using locally available materials, as well as (ii) the stabilization of spent PSRBs from the recovery of alkaline residues. In order to meet the first objective, two semi-passive sulfate-reducing biofilters were tested in the laboratory. A first bioreactor (B1) inspired by the one developed by Neculita (2008) was tested to treat AMD typical of the Abitibi-Témiscamingue region. A second simpler bioreactor (B2), consisting of 60% coarse chips, 20% manure and 20% calcite, was tested (with addition of lactate) to treat an AMD with high metal concentrations. The physico-chemical and microbiological monitoring of the effluents at the outlet of B1 showed an improvement in pH, a decrease in Eh, as well as the retention of > 95% of the metals in the short-term promoted by the sulfate reduction. However, a lower capacity to remove SO₄²⁻ Fe and Mn was found, in addition to the release of Fe, SO₄²⁻ and Mn at the end of the tests. For B2, the results showed an improved medium-term treatment capacity and no release and/or clogging was noted in the treatment of the more heavily contaminated AMD. In order to achieve the second objective, leaching tests (Toxicity Characteristic Leaching Procedure - TCLP, Synthetic Precipitation Leaching Procedure - SPLP and Neutral Water Test - TE) and kinetic tests (weathering cells - MCA and columns) were performed in the laboratory on the material from bioreactors B1 and B2 after their use. These tests were conducted with and without amendment (cogeneration ash - CC, red mud bauxite - RMB, Marbelton lime kiln dust - PFCM, Bedford lime kiln dust - PFCB and hydroxyapatite - HAP) to study the stability of the PSRBs after long-term use. In addition to evaluating the potential use of recovering alkaline residues to stabilize BPSRs, various storage configurations generally applied in mining restoration (under unsaturated, saturated and submerged conditions) were tested in column tests. The main findings show that, although some of metals precipitated and were retained during the treatment of the AMD, spent (unamended) PSRPs are classified as high risk or hazardous and acid generating, resulting in the potential for metal and metalloid (e.g, Al, Cd, Fe, Mn, Ni, Zn) release into the environment. The addition of RMB and the storage of saturated (or immerged) PSRBs improved their long-term stability. In conclusion, this research deepened the knowledge of the treatment of iron-rich AMD using novel semi-passive treatment systems made of locally available materials. In addition, a better understanding of environmental risks associated with the storage of spent PSRBs was achieved. Columns leaching tests highlighted the long-term geochemical behavior of PSRBs with and without amendment and under different storage conditions. Finally, this research presents a working methodology to determine the best approach to prevent the remobilization of metals and metalloids in the environment and to ensure the long-term stability of the contaminated PSRBs.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Mots-clés libres: drainage minier acide; métaux; biofiltres passifs sulfatoréducteurs; essais de lixiviation; stabilisation; résidus alcalins; essais statiques; essais cinétiques; acid mine drainage; metals; sulfate-reducing passive bioreactors; leaching tests; stabilization; alkaline residues; static tests; kinetic tests
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 08 nov. 2019 17:45
Dernière modification: 08 nov. 2019 17:45
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/9064

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