Traitement passif du drainage minier acide en bioréacteur: mécanismes d enld enlèvement des métaux, spéciation et toxicité Carmen-Mihaela Caras-Neculita, étudiante Ph.D. Directeur: Professeur Gérald J. ZAGURY Co-Directeur: Professeur Bruno BUSSIERE 1
Plan de la présentation 1. Problématique 2. Objectifs 3. Matériel et méthodesm 4. Résultats R et interprétations tations 5. Suite des travaux de laboratoire 6. Retombées es de la recherche 2
1. Problématique. Drainage Minier Acide Génération: exposition prolongée e des rejets miniers sulfurés à l eau et à l air, en l absence l des minéraux neutralisants Sulfures (pyrite, FeS Catalyse bactérienne (H +, SO 2-4, Me 2+ FeS et/ou pyrrhotite, Fe 1-x S) stériles et résidusr + Eau (H 2 O) précipitations + Oxygène (O 2 ) l air et l eaul + réaction = Drainage Minier Acide 2+, solides dissous et/ou en suspension) 3
1. Problématique. Bioréacteur passif sulfato-réducteur Concept de bioréacteur passif sulfato-réducteur ducteur: : modèles Recouvrement multi-couches (CEBC) ou organique II: Écoulement horizontal Résidus miniers DMA I: Écoulement vertical Effluent traité (Zaluski et al., 2003) La composition du mélange réactif (proportions et type de substrat) est cruciale pour l efficacité du traitement. 4
Principe de fonctionnement bas BSR) sulfato-réductrices (BSR basé sur l activitl activité des bactéries microorganismes organismes anaérobies, capables de transformer le SO 2-4 en S 2 -, en présence d une d source de C organique disponible et d un d environnement géochimique g favorable (ex. ph > 5, POR < -100 mv etc.) Mélange réactif r = milieu de remplissage source BSR (sédiment de ruisseau, fumier) source matière organique (m.o.) (carbone organique disponible) nutriments (N, P) 1. Problématique. Bioréacteur passif sulfato-réducteur agent structurant pour fixation des BSR et précipitation des sulfures (sable, sédiment s de ruisseau) agent neutralisant (chaux) 5
Génération du DMA: MeS 1. Problématique. Bioréacteur passif sulfato-réducteur + H 2 O + O 2 DMA (H +, SO 2-4, Me 2+ Traitement du DMA au moyen d un d bioréacteur passif (renversement des réactions r se produisant durant la formation du DMA): 2+ ) Augmentation du ph SO 4 2- + 2C organique disponible + BSR H 2 S (aq) + 2 HCO 3 - Me 2+ + H 2 S (aq) MeS + 2H + + sorption, précipitation hydroxydes, carbonates. Précipitation des sulfures métalliquesm 6
1. Problématique. Bioréacteur passif sulfato-réducteur Pourquoi les sulfures sont préférables rables pour enlever les métaux m du DMA? forme originelle des métaux m dans les gisements stabilité supérieure à d autres formes de précipitation des métaux m (ex. hydroxydes) Solubilité et stabilité des hydroxydes Solubilité et stabilité des sulfures 10 3 mg/l = 1 g/l Zn à ph 6 10-4 mg/l = 10-7 g/l Zn à ph 6 7
1. Problématique. Bioréacteur passif sulfato-réducteur Utilisation: traitement effluents de surface Problèmes potentiels: Stabilité et efficacité du traitement à long terme incertaines Manque de carbone disponible aux BSR Compréhension incomplète des mécanismes m d enld enlèvement des métauxm Efficacité à long terme dépend de: activité des BSR,, contrôlée e par la composition du mélange m réactifr dont la m.o. est le composant limitant TRH influencé par changements de caractéristiques ristiques hydrodynamiques (porosité n - conductivité hydraulique k) stabilité des boues mécanismes d enld enlèvement des métaux m et spéciation des métauxm toxicité de l eau l traitée 8
Matière organique et carbone disponible aux BSR a) Meilleures sources de m.o. pour BSR: : composés s organiques simples lactate, méthanol, m éthanol Inconvénients: nients: 1. Problématique. Bioréacteur passif sulfato-réducteur prix élevé trop facilement biodégradable épuisement trop rapide b) Sources alternatives de m.o. - fournir C organique disponible aux BSR composés s organiques complexes contenus par plusieurs déchets organiques (fumier, compost) et cellulosiques (foin, luzerne, bran de scie, copeaux de bois) meilleures efficacités - mélange de plusieurs sources dont déchets d organiques (C organique accessible à court terme) et cellulosiques (C organique accessible à long terme) (Waybrant et al., 1998 et 2002) déchets de feuillus préférables rables aux déchets d de résineux r (relâchement des composés s phénoliques) 9
2. Objectifs 1. Caractériser riser diverses sources naturelles de matière organique (4) afin de trouver un paramètre reliant la composition d un d matériel organique à sa biodégradabilit gradabilité 2. Tester différents (3) mélanges m réactifs r (essais en batch) afin de choisir le plus efficace 3. Étudier les performances à long terme d un d bioréacteur passif (essais en colonnes): caractéristiques ristiques hydrodynamiques (changements de porosité et de perméabilit abilité), stabilité des boues (mécanismes d enld enlèvement des métaux m et spéciation des métaux) et toxicité de l eau l traitée 10
3. Matériel et méthodesm 3.1 Caractérisation risation physico-chimique chimique et microbiologique de 4 sources de m.o. (copeaux et sciure de bois d éd érable, fumier de volaille et compost de feuilles) 3.2 Essais batch - tester 3 mélanges m réactifs r (n=3) afin de choisir le plus efficace Déchets cellulosiques Déchets organiques Composition mélanges m réactifs r testés Composants Mélange réactif r #1 (Cocos, 2001) Mélange réactif r # 2 (Kulnieks,, 2005) Copeaux bois érable 3% 2% Sciure bois érable 0% Fumier volaille 20% Compost feuilles 30% 0% 18% 30% Mélange réactif r # 3 (Présent projet) 10% 20% 10% 20% Sable 5% 30% 20% Sédiment ruisseau 37% 15% 15% Chaux 2% 2% 2% Urée 3% 3% 3% 11
4. Résultats R et interprétations tations 4.1 Caractérisations risations physico-chimique chimique et microbiologique de 4 sources de m.o. Matériel ph SV (%) CT (%) COT (%) N (%) Paramètres S (%) COT (mg/l) COD (mg/l) Hétérotrophes totaux (no. bactéries/100ml) BSR (no. bactéries/100ml) Copeaux de bois d érable Sciure de bois d érable Fumier de volaille Compost de feuilles Sédiment de ruisseau 5,75±0,10 94,4±0,1 47,7 44,0 0,005 0,07 367 305 5,0 x 10 5 < 2 5,32±0,01 96,6±0,1 47,9 45,3 ND 0,02 892 692 3,3 x 10 4 < 2 7,91±0,03 71,8±3,1 28,2 25,7 1,3 1,02 198 139 > 1,6 x 10 7 5,0 x 10 4 9,32±0,42 22,5±0,7 15,6 1,3 0,7 0,47 66 53 > 1,6 x 10 7 5,0 x 10 4 7,74 NA NA NA NA 0,14 NA NA NA 8,0 x 10 2 SV Solides Volatiles à 550 C CT Carbone Total (dans le solide) COT Carbone Organique Total (dans le solide) NA Non Analysé N Azote P Phosphore COT Carbone Organique Total (dans l eau) COD Carbone Organique Dissous (dans l eau) 12
4. Résultats R et interprétations tations 4.2 Essais batch - Mélange réactif r #3 était le plus efficace 10 6000 9 5000 ph 8 7 6 DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D (mg/l) SO 4 2-4000 3000 2000 1000 acclimatation DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D 5 0 20 40 60 80 100 120 time (days) 0 0 20 40 60 80 100 120 time (days) Stabilisation du ph à des valeurs de 8 à 9 après 24-32 jours Enlèvement des SO 4 2- après 40-56 jours (plus de SO 4 2- à 120j dans R3 et R3D) 13
4. Résultats R et interprétations tations 4.2 Essais batch les trois mélanges m réactifs r étaient efficaces 1800 20 1500 16 Fe (mg/l) 1200 900 600 300 DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D Mn (mg/l) 12 8 4 DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D spike 0 0 30 60 90 120 time (days) 0 0 30 60 90 120 time (days) 14 18 20 Cd (mg/l) 12 10 8 6 4 2 DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D Ni (mg/l) 15 12 9 6 3 DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D spike Zn (mg/l) 15 10 5 DMA R1 R1D R2 R2D R3 R3D 0 0 30 60 90 120 time (days) 0 0 30 60 90 120 time (days) 0 0 30 60 90 120 time (days) Tous les métaux ont été enlevés pendant les premiers 24 à 32 jours 14
5. Suite des travaux de laboratoire Montage de 6 colonnes (juin 2006) volume: 3,5 L milieu de remplissage: mélange réactif r #3 (le plus efficace) deux TRH: 2,5 et 5 j (MeS ont besoin de 3-53 5 j pour précipiter) suivi: au moins 9 mois évaluation des caractéristiques ristiques hydrodynamiques du mélange, m analyses (physico-chimiques, chimiques, microbiologiques et de toxicité) de l effluent traité pendant la période p d opd opération analyses des boues à la fin du traitement - étudier la forme des métaux dans les précipit cipités 15
6. Retombées es de la recherche Avancement de l él état de connaissance d un d système de traitement du DMA qui comporte de nombreux avantages: Gestion post-fermeture et risques environnementaux réduitsr Faible dépense d en énergie et en apport de réactifr Utilisation des matériaux naturels/ résiduels r au lieu de réactifsr Efficacité comparable, en terme de concentrations résiduelles, r au meilleur procédé chimique existant Diminution des quantités s de boues généréesg Aspect esthétique tique plus satisfaisant. 16
Participants à la Chaire 2001-2006 2006-2011 17