Traitement passif d`effluents miniers contaminés par le drainage

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
Sommaire
Sommaire
Introduction
Matériels et méthodes
Résultats et interprétations
Conclusion
Sommaire
Sommaire
Introduction
Problématique du DMA
Le traitement de l’eau
Les drains calcaires anoxiques : Présentation
Matériels et méthodes
Résultats et interprétations
Conclusion
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 : FeS2 + 7/2 O2 + H2O Fe2+ + 2 SO4 2 - + 2H+
À pH < 4,5 : FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O 15Fe2+ + 2SO4 2 - + 16H+
Composition de l’eau
Acide (pH<3)
Métaux lourds dissous : Pb, Zn, Fe, …
SO4 2 - en grande quantité
Derycke, 2007
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
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…
Introduction
Principe d’un Drain anoxique calcaire
(DAC)
Description
végétation
DMA
in
argile
géomembrane
Calcaire
Dans le drain :
CaCO3 + H+ HCO3- + Ca2+
HCO3- + H+ H2CO3
H2CO3 H2O + CO2
Augmentation du pH et de l’alcalinité
Melanson, 2006
DMA
out
En sortie de drain
Fe2+ + 0,25O2 + 1,5H2O FeOOH + 2H+
Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+
Fe3+ + 3HCO3- Fe(OH)3 (s) + 3CO2
Précipitation aérateur-décanteur
Introduction
Paramètres clés et Dimensionnement
Hedin et Watlaff (1994 ) : empirique
Débit . Densité . temps de rétention
Masse
de calcaire
Débit . concentration alcalinité . temps de vie
Q.ρ b .t r Q.C.T
M =
+
Vv
x
volume de vide
Et la pression partielle en CO2
pureté
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
Sommaire
Sommaire
Introduction
Matériels et méthodes
Les roches utilisées
Le DMA utilisé
Essais en batch et en colonne
Résultats et interprétations
Conclusion
Matériels et méthodes
Les roches calcaires utilisées
2 minéraux : Calcite CaCO3 et Dolomite CaMg(CO3)2
Granulométrie :
% cummulé
Granulométrie des roches neutralisantes
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0,10
calcite moyenne
dolomite moyenne
calcite grossiere
calcite fine
1,00
10,00
diametre moyen en mm
100,00
Matériels et méthodes
Les DMA utilisés
Deux types :
DMA de type Lorraine
Fer(II) : 6 900 mg/L
SO42- : 15 000 mg/L
pH : 3,5
DMA « allégé »
Fer(II) : 1 600 mg/L
SO42- : 4 200 mg/L
pH : 5,5
Genty, 2007
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
Matériels et méthodes
Essais en colonnes
Principe :
Air
Genty, 2007
DAC
DMA
Décanteur
Rejet
Pompe
6mL/min : tr = 15 h
Comparaison des roches en régime dynamique
Efficacité de l’aération décantation
Genty, 2007
Sommaire
Sommaire
Introduction
Matériels et méthodes
Résultats et interprétations
Rôles de la granulométrie et de la minéralogie
Rôles du DMA
Efficacité du traitement
Conclusion
Résultats et interprétation
Résultats des essais en batch avec un
DMA type Lorraine
Evolution du pH
Conductivité
6,5
14000
pH
5,5
Calcite Fine
Cal. Moyenne
Cal. Grossière
Dolomite
Moyenne
5
4,5
4
3,5
3
13000
12000
11000
10000
9000
0
5
10
15
20
ANOXIE
25
30
35
40
45
AÉRATION
temps (h)
Alcalinité
0
5
10
ANOXIE
15
20
25
temps (h)
30
35
40
AÉRATION
200
Calcite fine
150
Calcite moyenne
Calcite grossiere
100
Dolomite moyenne
Aération : Fe2+ + 0,25O2 + 1,5H2O
FeOOH + 2H+
50
0
0
15
tem ps (h)
45
Anoxie : CaCO3 + H+ HCO3- + Ca2+
250
mg/L en eq CaCO 3
m ic ro S / c m
6
Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+
Résultats et interprétation
Résultats des essais en colonne avec un
DMA de type Lorraine (1)
pH en sortie de colonne et decanteur
calcite fine 1
6,5
calcite moyenne 2
6
calcite grossiere 3
5,5
dolomite moyenne 5
5
4,5
DMA
4
dec 1
3,5
dec 2
3
dec 3
2,5
0
10
20
30
tem ps (j)
40
50
dec 5
Résultats et interprétation
Résultats des essais en colonne avec un
DMA de type Lorraine (2)
concentration mg/L
Alcalinité en m g/L CaCO3
300,00
180,00
255
160,00
250,00
159
145
140,00
120,00
173
200,00
102
100 104
101
100,00
150,00
Calcium
80,00
80
100,00
38
50,00
40,00
0
0,00
calcite fine
calcite
moyenne
calcite
grossiere
Magnésium
52
60,00
dolomite
moyenne
DMA
25
20,00
0,00
calcite fine
calcite
moyenne
calcite
grossiere
Et pas de diminution de la
concentration en métaux en sortie de
colonne
dolomite
moyenne
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.
Résultats et interprétation
Influence de la minéralogie
Solubilité : (Stum et Morgan, 1996)
Calcite : CaCO3
log K = -8,48
Dolomite : CaMg(CO3)2
log K = -17,09
Réactivité :
DMA Lorraine
taux de produc.
d'alcalinité
mg CaCO3/j
calcite fine
2034,90
2034,90
calcite moyenne
1462,75
1462,75
calcite grossière dolomite moyenne
698,69
698,69
317,28
317,28
CaMg(CO3)2 moins réactif que CaCO3 (facteur de plus de 4)
pour une même granulométrie
Résultats et interprétation
Influence du type de DMA
pH
6,40
6,0 6,2
5,9 6,1
5,90
∆pH Lorraine > ∆ pH allégé
Consommation de
CaCO3 plus importante
avec DMA de type
Lorraine
6,1
5,8
5,7
5,2
5,40
4,8
4,90
4,40
DMA Lorraine
DMA allégé
3,90
3,40
3,0
2,90
calcite fine
calcite
moyenne
calcite
grossiere
dolomite
moyenne
DMA
Alcalinité mg/L CaCO3
300,00
250,00
200,00
DMA Lorraine
150,00
DMA allégé
100,00
50,00
0,00
calcite fine
calcite
moyenne
calcite
grossiere
dolomite
moyenne
DMA
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
250
3
200
2,5
2
Roche fraiche
1,5
Roche altérée
150
Roche fraiche
roche altérée
100
1
50
0,5
0
0
calcite fine
calcite moyenne
calcite grossiere dolomite moyenne
Genty, 2007
calcite fine
calcite moyenne
calcite grossiere dolomite moyenne
Pas de réelle influence
de l’oxydation de la
roche sur l’efficacité pour
un « pore volume » de 100
Résultats et interprétation
Efficacité du traitement par aération
décantation Exemple de la calcite fine
concentraionmoyenne
en métaux en
mg/L
concentration
métaux mg/L
1600,0
concentraion
enen
métaux
mg/L mg/L
concentration
moyenne
métaux
1610
1428
1428
11,7
12,0
1492
1400,0
10,4
10,0
1200,0
8,0
1000,0
600,0
4,0
400,0
99
101
200,0
30
29
DMA
122
2,0
décanteur 1
3,1
1,0
39
0,0
1,3
0,4 0,1
0,1
0,0
S
6,4
6,0
800,0
7,0
Fe
Mg
bonne élimination du Pb, Cd
et Al
Mais pas pour le Fer, Mg,
Zn, Mn, Ni.
Mn
Ca
Cd
Pb
De plus, pH de sortie de
décanteur trop bas (environ
3,5) et disparition de
l’alcalinité
Al
Ni
Zn
Aération par
bullage d’air non
efficace
Sommaire
Sommaire
Introduction
Matériels et méthodes
Résultats et interprétations
Conclusion
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)
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
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
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