Traitement passif du drainage minier à faible température et forte salinité

Les réacteurs passifs biochimiques (RPB) représentent une technologie efficace et prometteuse pour le traitement du drainage minier (DM) dans les climats tempérés et/ou semi-arides. Néanmoins, la performance de tels systèmes est peu connue en climats nordiques, caractérisés par de faibles températures (< 5ºC) et, souvent, par des salinités élevées (jusqu'à 25 g/L), en plus d'une qualité très variable du DM. Ce projet de doctorat consiste en une étude approfondie de l'efficacité des RPB dans de tels climats. Il vise à évaluer l'influence simultanée de la faible température et de la forte salinité sur l'enlèvement des métaux et des sulfates. Selon la qualité du DM, les mécanismes d'enlèvement peuvent différer. Le traitement du drainage minier acide (DMA) repose sur l'augmentation du pH et la précipitation/co-précipitation des métaux et des métalloïdes, tandis que pour le drainage minier neutre (DMN), la sorption est le principal mécanisme d'enlèvement des métaux et des métalloïdes. Les sulfates sont enlevés, dans le DMA et le DMN, par les même processus, et ce par précipitation, réduction et/ou sorption. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont les suivants : (1) l'évaluation de l'efficacité de plusieurs mélanges réactifs pour le traitement du DM par un RPB à basse température et à forte salinité; (2) l'évaluation de la performance et de la stabilité des RPB en fonction de la qualité du DM à traiter et dans les conditions opératoires imposées (température, salinité et temps de rétention hydraulique (TRH)); et (3) la prédiction de l'influence du climat sur l'efficacité à long terme du traitement passif du DM. Afin d'atteindre ces objectifs, l'approche méthodologique utilisée consistait à effectuer des essais de laboratoire (en mode batch, sans écoulement, et en mode continu, avec écoulement) puis à réaliser une simulation numérique pour prédire le comportement du système à long terme. Le modèle utilisé dans cette étude est MIN3P. Dans la première partie du projet, des essais en mode batch ont été réalisés afin d'évaluer la performance du système en mode discontinu et l'effet simultané de la faible température et de la forte salinité. Ces essais visaient à évaluer les performances de plusieurs compositions de mélanges réactifs afin de mieux s'approcher de la meilleure composition à utiliser ensuite en mode continu. Dans ce contexte, 20 réacteurs ont été utilisés et trois mélanges ont été testés pour chaque qualité de DM (DMN ou DMA). Les essais ont été réalisés durant 57 jours, à deux températures (5 et 22°C) et deux salinités (0 et 25 g/L). Les résultats ont montré que les mélanges qui permettent un meilleur traitement du DMN et du DMA contenaient au moins 30% de matières cellulosiques. Ces mélanges, qui étaient composés (en % de masse sèche) de boues (2%), de cendres (2-10%), de copeaux et sciures de bois (33%) et de sable (66-58%), ont été sélectionnés pour leur meilleure efficacité. En effet, > 87% d'enlèvement des métaux (Fe, Ni et Cu) et 100% d'enlèvement des sulfates ont été trouvés à 22°C pour le DM (acide ou neutre) non salin. Cependant, suite à une augmentation de la salinité de 0 à 25 g/L, une diminution de l'efficacité à < 9% et < 5% pour l'enlèvement des métaux dans le DMN et le DMA, respectivement, a été trouvée. Pour les sulfates, une diminution d'enlèvement de plus de 54% a été trouvée pour le DMA. Contrairement à la salinité, la faible température a affecté l'enlèvement des sulfates (diminution de 93%). L'effet simultané des deux paramètres (faible température et forte salinité) a réduit davantage les performances du système de traitement et a été plus prononcé pour le DMA. Pour la suite du projet, des essais en colonnes ont été réalisés afin de confirmer les résultats obtenus lors des essais en batch, et de statuer ainsi sur l'évolution de la conductivité hydraulique en fonction du TRH et de la qualité du DM à traiter. Pour ce faire, 8 colonnes de 11 L ont été installées (4 pour chaque type de DM) et évaluées pendant 8 mois. Les trois premiers mois les essais ont été réalisés à température ambiante puis ensuite à 5°C. Deux TRH ont également été testés pour chaque type de DM (0,5 et 1 jour, pour le DMN, et 2,5 et 5 jours, pour le DMA). Les résultats obtenus ont montré une meilleure efficacité avec les TRH les plus élevés (1 et 5 jours). À température ambiante, l'enlèvement des métaux et des sulfates a été supérieur pour le DMN et DMA non salin. Cependant, à faible température, l'efficacité de traitement a diminué pour les deux qualités (DMN et DMA) surtout pour l'enlèvement du Ni. L'effet simultané de la faible température et de la forte salinité a réduit davantage les performances du RPB. Bien que les TRH les plus élevés présentent de meilleures efficacités de traitement, les résultats ont montré qu'ils pouvaient être à l'origine d'une diminution de la conductivité hydraulique du mélange réactif, entraînant ainsi une réduction du traitement des RPB à long terme. La dernière partie de cette thèse a été consacrée à la modélisation, qui pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes d'enlèvement des métaux et des sulfates et de prédire l'efficacité du système à long terme (plus de 3 ans). Une simulation numérique a été effectuée en utilisant le code MIN3P et dont l'objectif était de reproduire les résultats obtenus lors des essais en colonnes pour le traitement du DMA et du DMN et de prédire l'évolution de leur l'efficacité à long terme. Les résultats de la modélisation ont montré de manière générale une forte concordance avec les résultats expérimentaux. Ils ont également permis de déduire que le système utilisé peut être efficace à plus long terme (730 jours) surtout lors de l'enlèvement des métaux à partir du DMN. Le présent projet a contribué à approfondir les connaissances quant à l'effet simultané des faibles températures et des fortes salinités sur l'efficacité des RPB en climat nordique. De plus, les modélisations ont permis d'anticiper la longévité du système de traitement et de mieux comprendre les mécanismes impliqués pour l'enlèvement des métaux et des sulfates. Enfin, les connaissances acquises et l'approche méthodologique de cette étude pourraient permettre leur application sur d'autres sites miniers sous d'autres conditions climatiques. Mots clés: Drainage minier acide, Drainage minier neutre, Réacteur passif biochimique, Faible température, Forte salinité, Modélisation.

Abstract

Passive Biochemical Reactors (PBRs) represent an effective and promising passive technology for the treatment of mine drainage (MD), in temperate and/or semi-arid climates. Nevertheless, the performance of such systems is not well known in northern climates, characterized by low temperatures (<5ºC) and, often, high salinities (up to 25 g/L), in addition to a highly variable quality of MD. This project is an in-depth study on the effectiveness of PBRs in such climates, evaluating the simultaneous effect of low temperature and high salinity on metal and sulfate removal. Depending on the quality of the MD, the removal mechanisms may differ. Indeed, the treatment of acid mine drainage (AMD) is essentially based on pH increase and precipitation/co-precipitation of metals and metalloids, while for neutral mine drainage (NMD), sorption is the main mechanism. However, sulfates are removed in the same way, regardless of the quality of the treated effluent, by precipitation, reduction and/or sorption. In this context, the main objectives of the thesis are: (1) to evaluate the effectiveness of several reactive mixtures used in the PBR for the treatment of MD at low temperature and high salinity; (2) to evaluate the performance and stability of PBRs according to the quality of the MD to be treated and the operating conditions imposed (temperature, salinity and hydraulic retention time (HRT); and (3) to predict the influence of climate on the long-term effectiveness of passive MD treatment. In order to achieve these objectives, a methodological approach was used, which consisted of performing laboratory tests (in batch mode - without flow and in continuous mode - with flow) and then performing numerical simulations to predict the long-term behaviour of the system. The model used in this study is MIN3P. In the first part of the project, batch tests were carried out to evaluate the performance of the batch system while studying the simultaneous effect of low temperature and high salinity. It aims, first of all, to evaluate the performance of several reactive mixture compositions in order to find the best composition to be used later in a continuous mode-flow. In this context, 20 reactors were used and three mixtures were tested for each MD quality (NMD and AMD). The tests were carried out over 57 days at two temperatures (5 and 22°C) and two salinities (0 and 25 g/L). The results showed that mixtures that allow better treatment of NMD and AMD contain at least 30% cellulosic material. These mixtures are composed (in % of dry mass) of sludge (2%), ash (2- 10%), wood chips and sawdust (33%) and sand (66-58%), which were selected because of their better efficiency. Indeed >87% of metal removal (Fe, Ni and Cu) and 100% of sulfate removal were observed at 22°C for non-saline MD (acidic and neutral). Nevertheless, when the salinity increased from 0 to 25 g/L, a decrease in efficiency to <9% and <5% for metal removal in NMD and AMD, respectively, was observed; for sulfates, only a decrease of more than 54% for AMD was obtained. Unlike salinity, low temperature mainly affected sulfate removal (93% decrease). The simultaneous effect of the two parameters (low temperature and high salinity) further reduced the performance of the treatment system and was more pronounced for AMD. In the second part of the project, column tests were carried out to confirm the results obtained during the batch tests, and to decide on the evolution of the hydraulic conductivity as a function of the HRT and the quality of the MD to be treated. For this purpose, 8 columns of 11 L were installed (4 for each type of MD) and evaluated for 8 months. The first three months were tested at room temperature while the last five months were tested at 5°C. Two HRTs were also tested for each type of MD (0.5 and 1 day for NMD and 2.5 and 5 days for AMD). The results obtained showed better efficiency with the highest HRTs (1 and 5 days). At room temperature, metal and sulfate removal was higher for non-saline NMD and AMD than for saline drainage. However, at low temperature, treatment efficiency decreased in both qualities (AMD and NMD), especially for Ni. The simultaneous effect of low temperature and high salinity further reduced the performance of the PBR. Although the higher HRTs have the highest treatment efficiency, the results showed that they can cause a decrease in the hydraulic conductivity of the reactive mixture, resulting in long-term inhibition of PBR treatment. The last part of this thesis was devoted to modelling, which was used to provide a better understanding of the mechanisms of metals and sulfate removal and to predict the long-term efficiency of the system (more than 3 years). A numerical simulation was carried out using the MIN3P model with the objective of reproducing the results obtained during the column tests for AMD and NMD treatment and predicting the long-term evolution of their effectiveness. The results obtained from the model generally showed a good agreement with the experimental results obtained in the laboratory. They also suggest that the system used can be effective in the longer term (730 days), especially for removing metals from the NMD. This project contributed to a better understanding of the simultaneous effect of low temperatures and high salinity on the effectiveness of RPBs in northern climates. In addition, the modelling has made it possible to anticipate the longevity of the treatment system and to better understand the involved mechanisms for metals and sulfates removal. Finally, the knowledge acquired and the methodological approach of this study could allow their application to other mining sites under different climatic conditions. Keywords: Acid mine drainage, Neutral mine drainage, Passive biochemical reactor, Low temperature, High salinity, Numerical modelling