Environnement et gestion des rejets miniers. Chaire industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT. Séminaire Enviromine Jeudi 23 août 2007

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1 Environnement et gestion des rejets miniers Chaire de recherche du Canada Restauration des sites miniers abandonnés Chaire industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT Séminaire Enviromine Jeudi 23 août 2007 Traitement passif d effluents miniers contaminés par le drainage minier acide : évaluation de la performance de drains anoxiques calcaires au laboratoire Thomas Genty Pour le Diplôme d Ingénieur Chimiste de L École Nationale Supérieure de Chimie de Rennes

2 Sommaire Sommaire Introduction Matériels et méthodes Résultats et interprétations Conclusion

3 Sommaire Sommaire Introduction Problématique du DMA Le traitement de l eau Les drains calcaires anoxiques : Présentation Matériels et méthodes Résultats et interprétations Conclusion

4 Introduction La problématique des rejets miniers générateurs Exploitation d une mine rejets miniers (sulfures) Rejets Stockage de ces résidus (aire d entreposage) Oxygène + déchets (sulfures) + eau DMA (Lapointe, 2006) À ph neutre : FeS 2 + 7/2 O 2 + H 2 O Fe SO H + À ph < 4,5 : FeS Fe H 2 O 15Fe SO H + Composition de l eau Acide (ph<3) Métaux lourds dissous : Pb, Zn, Fe, SO en grande quantité Derycke, 2007

5 Introduction Le traitement des eaux contaminées Traitements «actifs» : chaux + coagulant + décantation + (Johnson et al, 2005) Chers, usines, boues, gros débit à traiter... Bussiere, 2007 Aubertin, Bernier, Bussiere, 2007

6 Introduction Le traitement des eaux contaminées Traitements «passifs» : DAC : drain anoxique calcaire DOC : drain oxique calcaire BPSR : Biofiltre passif sulfato-réducteur Précipitation des métaux en sulfures métalliques Développement durable, maintenance et coût faible

7 Introduction Principe d un Drain anoxique calcaire (DAC) Description végétation argile géomembrane Melanson, 2006 DMA in Calcaire DMA out Dans le drain : CaCO 3 + H + HCO Ca 2+ HCO 3- + H + H 2 CO 3 H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Augmentation du ph et de l alcalinité En sortie de drain Fe ,25O 2 + 1,5H 2 O FeOOH + 2H + Fe H 2 O Fe(OH) 3 + 3H + Fe HCO 3- Fe(OH) 3 (s) + 3CO 2 Précipitation aérateur-décanteur

8 Introduction Paramètres clés et Dimensionnement Hedin et Watlaff (1994 ) : empirique Débit. Densité. temps de rétention Débit. concentration alcalinité. temps de vie Masse de calcaire M = Q. ρ. t V v + Q. C T x b r. volume de vide pureté Et la pression partielle en CO2

9 Introduction État actuel de la recherche et but du projet Étudier pour des DMA faiblement contaminés Exemple des mines de charbon (Cravotta 2003, Cravotta et al. 1999, Hedin et al. 1994) Peu d informations pour des DMA très acides et chargés en métaux Évaluer l influence en laboratoire des propriétés physiques et chimiques des roches neutralisantes sur le traitement de DMA + ou - contaminés. Minéralogie Granulométrie Aération-décantation

10 Sommaire Sommaire Introduction Matériels et méthodes Les roches utilisées Le DMA utilisé Essais en batch et en colonne Résultats et interprétations Conclusion

11 Matériels et méthodes Les roches calcaires utilisées 2 minéraux : Calcite CaCO 3 et Dolomite CaMg(CO 3 ) 2 Granulométrie : Granulométrie des roches neutralisantes % cummulé 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,10 1,00 10,00 100,00 calcite moyenne dolomite moyenne calcite grossiere calcite fine diametre moyen en mm

12 Matériels et méthodes Les DMA utilisés Deux types : DMA de type Lorraine Fer(II) : mg/l SO 4 2- : mg/l ph : 3,5 DMA «allégé» Fer(II) : mg/l SO 4 2- : mg/l ph : 5,5 Genty, 2007

13 Matériels et méthodes Essais en batch Principe : Septum Couvercle Joint caoutchouc DMA + roche neutralisante Pot Mason Genty, 2007 Anoxie pendant 15 h, puis aération naturelle Rapides, peu coûteux, essai de préfaisabilité pour évaluer le potentiel de neutralisation d une roche Comparaison du potentiel de neutralisation entre une roche «fraîche» et une roche oxydée Mais pas représentatif, car le système est à l équilibre à tout instant

14 Matériels et méthodes Essais en colonnes Principe : Air DAC Genty, 2007 DMA Pompe 6mL/min : tr = 15 h Décanteur Rejet Comparaison des roches en régime dynamique Efficacité de l aération décantation Genty, 2007

15 Sommaire Sommaire Introduction Matériels et méthodes Résultats et interprétations Rôles de la granulométrie et de la minéralogie Rôles du DMA Efficacité du traitement Conclusion

16 Résultats et interprétation Résultats des essais en batch avec un DMA type Lorraine Evolution du ph Conductivité ph 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3, ANOXIE temps (h) AÉRATION Calcite Fine Cal. Moyenne Cal. Grossière Dolomite Moyenne m ic ro S / c m ANOXIE temps (h) AÉRATION mg/l en eq CaCO Alcalinité 0 15 temps (h) Calcite fine Calcite moyenne Calcite grossiere Dolomite moyenne Anoxie : CaCO 3 + H + HCO 3- + Ca 2+ Aération : Fe ,25O 2 + 1,5H 2 O FeOOH + 2H + Fe H 2 O Fe(OH) 3 + 3H +

17 Résultats et interprétation Résultats des essais en colonne avec un DMA de type Lorraine (1) 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 ph en sortie de colonne et decanteur temps (j) calcite fine 1 calcite moyenne 2 calcite grossiere 3 dolomite moyenne 5 DMA dec 1 dec 2 dec 3 dec 5

18 Résultats et interprétation Résultats des essais en colonne avec un DMA de type Lorraine (2) Alcalinité en m g/l CaCO3 concentration mg/l 300,00 250, ,00 160,00 140, ,00 150,00 100,00 50,00 0,00 calcite fine 173 calcite moyenne 80 calcite grossiere 38 dolomite moyenne 0 DMA 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 calcite fine calcite moyenne 52 calcite grossiere 25 dolomite moyenne Calcium Magnésium Et pas de diminution de la concentration en métaux en sortie de colonne

19 Résultats et interprétation Influence de la granulométrie de la roche Surface spécifique (sphère) = 6 / diamètre Mécanismes de neutralisation : (Morse et al, 2002) Ad/bsorption sur site actif Réaction Calcite la plus fine ph plus grand, alcalinité plus grande.

20 Résultats et interprétation Influence de la minéralogie Solubilité : (Stum et Morgan, 1996) Calcite : CaCO 3 log K = -8,48 Dolomite : CaMg(CO 3 ) 2 log K = -17,09 Réactivité : DMA Lorraine calcite fine calcite moyenne calcite grossière dolomite moyenne taux de produc. d'alcalinité mg CaCO3/j 2034, ,75 698,69 317,28 317,28 CaMg(CO 3 ) 2 moins réactif que CaCO 3 (facteur de plus de 4) pour une même granulométrie

21 Résultats et interprétation Influence du type de DMA ph ph Lorraine > ph allégé Consommation de CaCO 3 plus importante avec DMA de type Lorraine 6,40 5,90 5,40 4,90 4,40 3,90 3,40 2,90 6,0 6,2 5,9 6,1 6,1 5,7 calcite fine calcite moyenne calcite grossiere 5,2 5,8 dolomite moyenne Alcalinité mg/l CaCO3 3,0 4,8 DMA DMA Lorraine DMA allégé 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 DMA Lorraine DMA allégé 50,00 0,00 calcite fine calcite moyenne calcite grossiere dolomite moyenne DMA

22 Résultats et interprétation Influence de l enrobage de la roche (essai en batch avec DMA type Lorraine) Augmentation de ph (ph final-ph DMA) augmentation d'alcalinité (Alcalinité final - Alcalinité DMA) 3, ,5 2 1,5 1 0,5 Roche fraiche Roche altérée Roche fraiche roche altérée 0 calcite fine calcite moyenne calcite grossiere dolomite moyenne 0 calcite fine calcite moyenne calcite grossiere dolomite moyenne Genty, 2007 Pas de réelle influence de l oxydation de la roche sur l efficacité pour un «pore volume» de 100

23 Résultats et interprétation Efficacité du traitement par aération décantation Exemple de la calcite fine concentration concentraion moyenne métaux en mg/l métaux mg/l concentration concentraion moyenne en en métaux métaux mg/l mg/l 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0, S Fe Mg Mn Ca 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 11,7 10,4 7,0 6,4 3,1 1,0 1,3 0,4 0,1 0,1 Cd Pb Al Ni Zn DMA décanteur 1 bonne élimination du Pb, Cd et Al Mais pas pour le Fer, Mg, Zn, Mn, Ni. De plus, ph de sortie de décanteur trop bas (environ 3,5) et disparition de l alcalinité Aération par bullage d air non efficace

24 Sommaire Sommaire Introduction Matériels et méthodes Résultats et interprétations Conclusion

25 Conclusion Bilan La Calcite génère plus d alcalinité que la Dolomite Plus le DMA est acide, plus on consomme de la roche neutralisante, plus le taux de réaction de la roche est important Une granulométrie fine favorise la neutralisation du DMA L enrobage des roches a peu d influence dans notre essai (VP = 100) Ex. : drain Morrison (Hedin et al., 1994)

26 Conclusion Bilan La dolomite peut être utilisée dans le cas de DMA peu acides La calcite sera plus appropriée aux DMA très acides Les drains anoxiques jouent bien leur rôle d augmentation d alcalinité et du ph, mais ne servent pas à éliminer les métaux L étape d aération-décantation n est pas efficace pour précipiter les métaux dans nos essais en laboratoire

27 Conclusion Recommandations Remplacer les drains dolomitiques par des drains calciques si le DMA est très contaminé Envisager d autres traitements en plus du DAC : BPSR, marais épurateur, drain oxique, cascade pour aérer... en série. Genty, 2007 Champagne et al, 2005

28 Environnement et gestion des rejets miniers Chaire de recherche du Canada Restauration des sites miniers abandonnés Chaire industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT Merci de votre attention Remerciements : Bruno Bussiere Robin Potvin Tout le personnel de l URSTM