Évaluation à différentes échelles de la performance de systèmes de traitement passif pour des effluents fortement contaminés par le drainage minier acide

Les résidus miniers contenant des minéraux sulfureux peuvent produire du drainage minier acide (DMA) lorsqu'ils sont en contact avec l'oxygène de l'air et l'eau et que le potentiel de neutralisation des ces résidus est épuisé. Afin de respecter les normes environnementales, le traitement chimique du DMA est monnaie courante durant l'opération d'une ruine. Cependant, la mise en place d'une usine de traitement chimique est coûteuse et les frais d'opération sont non négligeables. L'autre option disponible pour le traitement des effluents est le traitement passif. Les systèmes de traitement passif font intervenir des processus d'élimination chimique, biologique et physique, qui existent souvent à l'état naturel dans l'environnement, afin de modifier les propriétés de l'affluent contaminé. Les systèmes de traitement passif du DMA nécessitent une moins grande surveillance et les coûts d'opération qui y sont associés sont moins importants que ceux des systèmes actifs. Jusqu'à présent, les études concernant le traitement passif visaient à évaluer la possibilité d'utiliser ces méthodes comme solution unique de traitement du DMA. En raison des charges importantes en métaux et des débits de crue significatifs dans les climats humides, les approches passives ne parviennent habituellement pas à atteindre les critères environnementaux des réglementations provinciales et fédérales. Cette recherche vise à étudier comment les traitements passifs pourraient être intégrés à la restauration des sites abandonnés en les combinant à des méthodes de contrôle du DMA telles les couvertures avec effets de barrière capillaire. L'objectif ultime du projet est donc de développer une approche qui permettra aux personnes responsables de projets de traitement de DMA fortement contaminés de faire un design approprié d'un système de traitement passif et d'intégrer celui-ci à la restauration globale du site. Pour atteindre cet objectif, les objectifs spécifiques suivants ont été retenus dans le cadre de cette thèse: 1) mieux comprendre les phénomènes géochimiques fondamentaux qui se produisent dans les systèmes de traitement passif de type drain calcaire ou biofiltre passif sulfatoréducteur (BPSR); 2) développer un modèle à l'échelle intermédiaire au laboratoire pour se rapprocher davantage des conditions de terrain (par rapport aux essais en batch et en colonne); 3) comparer les échelles de traitement du laboratoire: de l'essai en batch à l'échelle intermédiaire (environ 2 000 1); 4) faire les liens entre les observations de laboratoire et celles effectuées sur le terrain pour un cas de traitement passif à l'aide de drains calcaires et 5) proposer une méthodologie de design des systèmes de traitement passif pour le cas particulier du traitement de DMA fortement contaminé. Afin de répondre à l'objectif principal et aux objectifs spécifiques, différents travaux de terrain et de laboratoire ont été effectués. L'interprétation des résultats du suivi géochimique des trois drains dolomitiques du site Lorraine (Chapitre 4) a permis de quantifier l'efficacité des systèmes de traitement et de mieux comprendre les processus géochimiques impliqués dans le traitement du DMA. Afin de comparer les effluents au DMA initial, l'eau provenant d'un puits d'observation situé en amont des drains. Les données de 2004 de ce puits montrent que le DMA est caractérisé par un pH faible de 3,57, une acidité forte (9 502 rng/1) et un Eh élevé ( 474 rn V). Les concentrations en Fe total (6 904 rng/1) et en S total ( 4 254 rng/1) de ce DMA sont très élevées. Pour la période s'étendant de 1999 à 2004, le pH moyen à la sortie du Dol-1, le drain le plus efficace, se situe entre 6 et 6,5, alors que l'acidité est nulle. En 2004, 89% du Fe total et 77% du S total étaient retenus. De plus, pour la même année, les pourcentages de rétention de 100% Al, 89% Cd, 59% Co, 91%Cr, 96% Ni, 95% Pb et 85% Zn ont été observés. L'ensemble de ces observations démontre que le Dol-1 du site Lorraine est relativement efficace dans le traitement du DMA fortement contaminé, même s'il ne permet pas d'atteindre les critères de la Directive 019. Les performances du Dol-2 sont quant à elles plus faibles. Ce drain montre une moins grande capacité de traitement de l'acidité et des métaux que le Dol-1. Les très faibles débits mesurés à la sortie du Dol-3 depuis 2002 ainsi que la présence d'une mare de DMA à son sommet suggèrent que ce drain est bouché. La caractérisation minéralogique et chimique des échantillons prélevés lors de travaux d'excavation et d'échantillonnage a démontré que le précipité rougeâtre qui recouvre la pierre dolomitique est composé en grande partie de gypse, de lépidocrocite et de goethite. La présence de ces trois minéraux indique que les principaux processus responsables de l'atténuation des concentrations en S et en Fe sont la précipitation, à l'intérieur du drain, de ces minéraux. L'ensemble des données des trois drains dolomitiques du site Lorraine démontrent que ce type de système de traitement peut générer assez d'alcalinité pour neutraliser la forte acidité d'un DMA typique des mines de métaux communs et que la précipitation de certains minéraux à l'intérieur des drains permet l'atténuation des concentrations en sulfates et en métaux. Cependant, même si les drains sont constitués du même matériau et qu'ils ont été construits en même temps, leur différence au niveau géométrique entraine des performances de traitement différentes. Afin de mieux comprendre les phénomènes fondamentaux impliqués dans le traitement passif du DMA à l'aide des drains dolomitiques du site Lorraine, un modèle physique instrumenté de moyenne dimension a été conçu et construit. Ce modèle de plus de 2 000 1 a été utilisé en laboratoire afin de simuler un DAC et un DOC. Ces essais ont permis d'évaluer l'efficacité du DAC pour différents temps de résidence hydraulique et en différents points à l'intérieur du système de traitement. Un DMA synthétique reproduisant la composition de celui du P0-6 du site Lorraine, pour l'année 2004, a été utilisé. L'effluent des deux essais montre des pH légèrement supérieurs à 5 alors qu'il se situait au départ à 2,85. L'acidité demeure quant à elle très élevée, soit entre 10 000 et 12 000 mg/1 équivalent CaC03 . Ces dernières valeurs sont du même ordre de grandeur que celles mesurées dans le DMA. Le Fe et le S sont peu retenus dans le DAC et le DOC. Ainsi, pour l'essai DAC, les pourcentages de rétention suivants sont observés :Al de 85% à 100%, Cd de 3% à 64 %, Cr de 100%, Ni de 3% à -38%, Pb de 32% à 100% et Zn de 53% à -22%. Ces données montrent que le DAC laboratoire a une faible capacité de neutralisation et qu'il atténue peu les concentrations en S, en Fe et en certains autres métaux. La caractérisation de ces matériaux prélevés à la fin des essais a démontré que la mince couche de précipité rougeâtre recouvrant les fragments de pierre dolomitique est composée de goethite, lépidocrocite, gypse et plus rarement de jarosite. L'efficacité des DAC et DOC simulés en laboratoire est nettement inférieure à celle du drain Dol-1 du site Lorraine. La plus grande capacité de traitement du Dol-1 pourrait être attribuée à la configuration de ce dernier. Le fait que ce drain soit incliné et qu'il ne soit pas en charge permet à l’oxygène de l'air d'entrer en contact avec le DMA et ainsi favoriser l'oxydation du fer et la précipitation de goethite et lépidocrocite. Le comportement du drain dolomitique à Lorraine aurait donc un comportement hybride entre le drain anoxique calcaire (DAC), le drain oxique calcaire (DOC) et de la tranchée oxique calcaire (TOC). Le modèle physique instrumenté de moyenne dimension développé dans le cadre de la thèse a également servi à la simulation d'un biofiltre passif sulfatoréducteur en laboratoire. Cet essai visait à en évaluer l'efficacité et à mieux comprendre les processus impliqués dans un tel système de traitement, pour le cas particulier d'un DMA fortement contaminé. La composition des deux DMA synthétiques utilisés s'inspirait de celle étudiée en colonne (10 cm de diamètre sur 1 mètre de longueur) par Néculita (2008). Les concentrations en Fe utilisées étaient de 1 257 mg/1 pour le DMA-1 et de 276 mg/1 pour le DMA-2. Notons que ces concentrations en Fe sont inférieures à celle du P0-6 (6 904 mg/1) du site Lorraine, mais peuvent tout de même être considérés comme un DMA fortement contaminé. L'effluent de l'essai BPSR montre des pH avoisinant 6 et des alcalinités positives (>180 mg/1 équivalent CaC03), alors que valeurs de Eh mesurées sont nettement négatives (-100 à -200 mV). Les concentrations en S total passent de 1 266 à 477-736 mg/1 ( 49% de rétention) pour le DMA-1 et de 1 330 mg/1 à 523-883 mg/1 pour le DMA-2 (41% de rétention). Le Fe total a quant à lui été retenu à 76,4% pour le premier DMA et à 68,9% pour le deuxième. À l'exception du Mn (57% et 39%), les autres métaux ont été fortement retenus dans le BPSR. Les pourcentages moyens de rétention sont de plus de 96% pour Al , de 100% pour le Cd, de plus de 94% pour Co, de plus de 72% pour Cr, de 99% pour Ni et Pb et de 100% pour le Zn. La caractérisation post démantèlement du mélange réactif utilisé pour l'essai indique la présence de sulfures de fer, de sulfates ainsi que de goethite et lépidocrocite. La modélisation géochimique des indices de saturation minéralogique indique que des hydroxydes d'aluminium et des sulfures de Cd, Ni, Ph et Zn pourraient précipiter pour les conditions rencontrées dans le BPSR. L'efficacité du BPSR simulé en laboratoire est nettement supérieure à celle de l'essai DAC (et DOC) présentée précédemment. Dans le BPSR, il y a eu production d'alcalinité nette et une forte rétention de plusieurs métaux, ce qui n'était pas le cas du DAC. L'objectif ultime du projet était de développer une approche permettant d'effectuer le design approprié d'un système de traitement passif et d'intégrer celui-ci à la restauration globale d'un site. Par l'étude des drains dolomitiques du site Lorraine et les essais DAC-DOC et BPSR en laboratoire, le projet a permis de démontrer qu'il est difficile d'utiliser l'un ou l'autre des systèmes de traitement comme solution unique et ce, même pour un site restauré à la suite de l'installation d'une CEBC comme c'est le cas de l'ancienne mine Lorraine. Dans la discussion, nous avons donc proposé une combinaison du traitement chimique et biologique du DMA où les drains calcaires permettraient d'augmenter le pH et diminuer l'acidité du DMA, alors que le BPSR permettrait d'amener les concentrations en métaux à des valeurs permettant de respecter les normes environnementales de la Direction 019 du Ministère de l'environnement du Québec.