Traitement de polissage par marais épurateur du drainage minier

L’UQAT, l’université au cœur des
mines
Traitement de polissage par marais
épurateur du drainage minier acide
Karine Dufresne
Étudiante à la maîtrise en génie minéral
Directrice: Carmen Mihaela Neculita
Co-directeurs: Jacques Brisson, Thomas Genty
Mars 2014
PLAN DE LA PRÉSENTATION
Mise en contexte

Objectifs

Matériels et méthodes

Résultats et interprétations

Conclusions partielles

2
LE DRAINAGE MINIER ACIDE
Le drainage minier est l’ensemble des eaux circulant à travers les
différentes composantes d’une mine.
Le DMA est produit lorsque des minéraux
sulfureux (plus souvent: pyrite/pyrrhotite)
contenus dans la roche entrent en contact
avec l’eau et l’air, provoquant leur oxydation
ce qui génère de l’acide sulfurique.
Métaux + Sulfates + Acidité
Akcil et Kodas, 2006
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PHASE DE FORMATION DU DMA
Oxydation
directe
Catalyse bactérienne
de cette réaction = 20
à 1000 fois plus rapide
Oxydation
indirecte
GNM 1017 notes de cours , 2013
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TRAITEMENT DU DMA ET MARAIS ÉPURATEURS
Les marais filtrants artificiels permettent de recréer les
processus naturels mettant à profit les interactions
entre le sol, les microorganismes et les plantes.
Comparativement aux systèmes actifs, les marais
filtrants ont:
• Un faible coût d’installation et d’exploitation;
• Nécessitent aucun ajout de produit chimique et
peu ou pas d’énergie;
• Offrent un habitat pour la faune et bénéficient
d’une grande acceptabilité sociale.
Cristina et al. 2007
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LES MARAIS ÉPURATEURS ET LES MÉCANISMES
DE TRAITEMENT DU DMA
Dans le traitement du DMA, un
marais filtrant:
1. Augmente le pH et l’alcalinité;
2. Enlève le fer dissous et les autres
métaux;
3. Réduit la concentration en
sulfates.
Le traitement de l'eau serait accompli par une
variété de processus physiques, chimiques et
biologiques.
Goulet, 2001
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Décantation
Adsorption
Oxydation/réduction
Précipitation et coprécipitation
Hydrolyse
Biologique
Sédimentation
Chimique
Physique
LES MARAIS ÉPURATEURS ET LES MÉCANISMES
DE TRAITEMENT DU DMA
Métabolisme
bactérien
Métabolisme
des plantes
Les mécanismes d’enlèvement des métaux changent
dans le temps et avec les saisons
Sheoran et Sheoran, 2006
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LES MARAIS ÉPURATEURS ET LES MÉCANISMES
DE TRAITEMENT DU DMA
Assimilation métaux par les plantes
Oxydation-hydrolyse
Oxydation Fe et
S par
Acidithiobacillus
sp
Précipitation
Biosorption
Adsorption
sur matière
organique
Sédimentation
Bactéries sulfato-réductrices
2 CH2O + SO42- → 2 HCO3- + H2S
Neutralisation et précipitations des métaux
(carbonates, sulfures métalliques)
Walter H. Eifert, 2000
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OBJECTIFS
Général:
Le but principal de ces travaux est le
mettre en application un marais pouvant
être employé à l’étape de polissage dans
le cadre d’une filière de traitement passif
d’un DMA.
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OBJECTIFS
Spécifiques :
1. Déterminer les espèces de plantes susceptibles de croître
dans des conditions de pollutions retrouvées sur des aires
contaminées par du DMA en Abitibi-Témiscamingue.
2. Développer et évaluer un système de traitement passif
permettant la croissance des plantes et le traitement
efficace d’un DMA chargé en Fe, Mn, Ni et Zn.
3. Évaluer les mécanismes de rétention de métaux dans de
sol/substrat et dans les plantes.
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MATÉRIELS ET MÉTHODES
Étape I: Présélection des plantes
1. Des sites miniers contaminés par le DMA ont été visités (ex:
Wood Cadillac, site Lorraine, East Sullivan, Aldermac, Manitou,
Casa Berardi ).
2. Les plantes marécageuses ayant la capacité de survivre dans
ces conditions de pollutions ont été dénombrées et identifiées à
l’espèce.
3. Des échantillons d’eau ont été prélevés sur le terrain pour y
faire une analyse du contenu en métaux (ex. Fe, Mn, Ni, Zn).
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Wood Cadillac, Cadillac
East Sullivan, Val D’Or
Lorraine, Latulipe
Manitou, Val D’Or
Aldermac, RouynNoranda
Casa Berardi, La Sarre
Photos: Thomas Genty, CTRI
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Étape II: Développer un système de
traitement passif
Objectif: Cette étape permet d’optimiser le substrat utilisé pour faire
pousser les plantes et pour obtenir une efficacité de
traitement maximale des métaux, des sulfates et de l’acidité.
2 substrats ont été mis à l’essai
Substrat 1: Gravier, Calcite, Tourbe, Engrais (N:P:K 24-8-16)
Substrat 2: Sable, Chaux Dolomitique, Tourbe, Fumier
2 configurations ont été testés (Temps de résidence hydraulique
– TRH de 5 jours)
écoulement Vertical (avec sol 1)
écoulement Horizontal (avec sol 2)
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Étape II: Préparation du substrat
Substrat 1 porosité 50%
Substrat 2 porosité 50%
Gravier + Pierre calcaire + Engrais + Tourbe
Sable, Chaux Dolomitique + Fumier + Tourbe
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Étape II: Plantation des quenouilles
Plantes: 45 quenouilles par marais
Période d’acclimatation: 3 semaines
Alimentation: seulement d’eau
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Étape II: Configuration des marais
Débit et qualité du DMA à traiter
Débit
ml/min
pH
Fe
mg/l
Mn
mg/l
Ni
mg/l
Zn
mg/l
1,5
4,2
38,1
2,6
0,4
9,0
TRH 5
jours
TRH 5
jours
DMA
DMA
Écoulement vertical durée de l’essai: 98 jours
Écoulement horizontal durée de l’essai: 70 jours
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Étape II: Suivi des essais
Paramètres
pH
Eh
Analyses des métaux
entrée
Analyses des métaux
sortie
Périodicité
Hebdomadaire
Hebdomadaire
Hebdomadaire
Bimensuel
Entrée DMA
Sortie
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Étape III: Évaluer les mécanismes de rétention
MATÉRIEL
de métaux dans
le sol ET MÉTHODE
Objectif: Cette étape permet d’évaluer la répartition et
la spéciation chimique des métaux dans le sol
composant les marais. Ceci sera nécessaire
notamment
à
la
compréhension
des
mécanismes de rétention des métaux dans le
sol/substrat.
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Étape III: Évaluer les mécanismes de rétention
MATÉRIEL
MÉTHODE
de métaux dans
le sol: ET
Extraction
séquentielle
L’extraction séquentielle consiste en la mise en solution
des espèces chimiques présentes dans un échantillon
de sol sous l’action de plusieurs réactifs qui sont ajoutés
successivement au même aliquote de sol.
Elle permet d’évaluer la spéciation des métaux lourds
dans le sol/substrat des marais artificiels par exemple.
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Extraction séquentielle en 6 étapes
1er étape: Extraction de la fraction soluble (métaux libres)
2e étape: Extraction de la fraction dite échangeable (échange
cationique)
3e étape: Extraction de la fraction liée aux carbonates (solution acide
permet la dissolution des carbonates liés au métal)
4e étape: Liée aux oxydes Fe, Mn, Al (réduction des oxydes et libération
des métaux liés)
5e étape: Liée à la matière organique ou aux sulfures (réactif qui permet
de détruire la MO (réaction d’oxydation) et donc de relarguer les métaux
fixés.
6e étape: Résiduelle
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RÉSULTATS
Étape I: Présélection des plantes
Typha latifolia est une espèce tolérante, c’est-à-dire, qui
a l’habilité de survivre dans un sol qui est toxique pour les
autres végétaux.
Ce type de macrophytes a été répertorié dans des
conditions de pollution importante.
Manitou: pH 3,9; Fe 55 ppm;, Cu 20 ppm; Zn 20 ppm.
Aldermac: pH 3,0; Fe 72 ppm.
Thomas Genty, 2012
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Étape II: Développer un système de
traitement passif
Évolution du pH et de la concentration en SO42- dans les marais à
écoulement vertical et horizontal avec et sans plantes.
• Augmentation du pH (4,2 en moyenne à l’entrée)
• Diminution des sulfates dans le temps.
• La concentration est plus élevée que dans le DMA (libération des sulfates
dans le matériau).
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Étape II: Développer un système de
traitement passif
Tableau 1: Pourcentage d’enlèvement du Fe, Mn, Ni et du Zn à la sortie des
marais à écoulement vertical et horizontal avec et sans plantes.
•
Configuration
des marais
Fe
Mn
Ni
Zn
Vertical avec
plantes
98,6
75,5
88,5
96,7
Vertical sans
plantes
92,7
23,1
46,4
95,7
Horizontal sans
plantes
89,8
-20,3
58,1
96,3
Horizontal
86,9
-6,0 traitement91,2
Diminution
de la concentration
de -35,2
tous les métaux après
avec plantes
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Étape II: Développer un système de
traitement passif
Tableau 2: Taux de traitement (mg/j/m2)en à écoulement vertical et
horizontal avec et sans plantes
DMA métaux
Fe
Mn
Ni
Zn
Taux de traitement avec
plantes (mg/j/m2)
368,5
35,4
5,4
77,4
Taux de traitement sans
plantes (mg/j/m2)
346,5
10,8
2,8
76,6
Taux de traitement avec
plantes (mg/j/m2)
335,3
-9,5
3,5
77,0
Taux de traitement sans
plantes (mg/j/m2)
324,8
-16,5
-0,3
73,0
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Étape III: Évaluer les mécanismes de rétention
de métaux dans le sol: Extraction séquentielle
Oxydes FeMn
Carbonates
Oxydes FeMn
Carbonates
Figure 1: Spéciation des métaux (Fe, Zn, Mn, Ni) dans le sol/substrat des marais
verticaux avec et sans quenouilles utilisant une procédure d’extraction séquentiel (SEP).
Les métaux se trouve sous une forme non mobile, stable, ils ne sont pas biodisponibles.
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Étape III: Évaluer les mécanismes de rétention
de métaux dans le sol: Extraction séquentielle
Résiduelle
Résiduelle
MO/Sulfures
Oxydes FeMn
Résiduelle
Résiduelle
Carbonates
MO/Sulfures
Carbonates
Figure 1: Spéciation des métaux (Fe, Zn, Mn, Ni) dans le sol/substrat des marais
horizontaux avec et sans quenouilles utilisant une procédure d’extraction séquentiel
(SEP).
Les métaux se trouve sous une forme non mobile, stable, ils ne sont pas biodisponibles.
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CONCLUSIONS PARTIELLES
• Les marais à écoulement vertical et horizontal se
sont avérés efficaces dans l’augmentation du pH.
• Le taux de traitement des marais est considérable
pour le Fe et ce, indépendamment du sens
d’écoulement et de l’absence ou de la présence
de macrophytes.
• Les métaux se trouve sous une forme stable et non
biodisponible à l’intérieur du système de traitement
passif.
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MERCI DE VOTRE ATTENTION!
QUESTIONS?
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