Traitement de la salinité sulfatée et de la toxicité associée des effluents miniers au moyen de l'électrocoagulation

Les procédés bio-électrochimiques (e.g. électrocoagulation et pile à combustible microbienne (PCM)) représentent des alternatives prometteuses par rapport aux procédés conventionnels, pour le traitement des eaux usées en général et du drainage minier (DM) en particulier. Depuis plusieurs années, ces technologies visent de plus en plus à l'enlèvement des métaux (e.g. Fe, Cu, Zn, Pb, Cr, Al, Ni) et des sulfates. Néanmoins, leur applicabilité pour le traitement du DM fortement contaminé dépend fortement de la qualité de l'effluent à traiter, des objectifs d'enlèvement des métaux et des sulfates et des conditions opératoires utilisées. Selon la qualité du DM, les mécanismes d'enlèvement des sulfates, un des contaminants majeurs communs au DM, peuvent différer. En effet, pour le drainage minier acide (DMA), l'enlèvement peut s'effectuer soit par précipitation avec les cations présents dans la solution (e.g. ions métalliques) grâce à des forces électrostatiques, soit par coagulation, générée par la formation du coagulant dans la solution suite à la dissolution anodique. Pour un drainage minier neutre (DMN) ou drainage minier alcalin, les sulfates peuvent être adsorbés sur les hydroxydes métalliques amorphes néoformés, dépendamment de la charge de leurs surfaces. Quant aux métaux, ils sont enlevés par précipitation sous formes d'hydroxydes métalliques suite aux réactions d'oxydo-réduction qui se produisent de part et d'autre de l'anode et de la cathode. Un mécanisme de co-précipitation peut également être complémentaire à la précipitation pour assurer un meilleur enlèvement des métaux. Dans le cadre de ce projet, une évaluation approfondie de la performance de l'électrocoagulation pour le traitement du DM fortement contaminé en fer/et ou en sulfates ainsi que la toxicité associée à la salinité a été réalisé. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont les suivants : (1) la comparaison de l'efficacité de la PCM et de l'électrocoagulation pour le traitement des effluents miniers synthétiques fortement contaminés en fer; (2) l'évaluation de l'efficacité de l'électrocoagulation, identifiée comme procédé le plus performant, pour le traitement de la salinité sulfatée présente dans des effluents miniers synthétiques et réels de qualités variables; et (3) l'évaluation comparative de la toxicité de la salinité sulfatée contenue dans les DM fortement contaminés avant et après traitement par électrocoagulation sur deux espèces aquatiques, soit Daphnia magna (D. magna) et Daphnia pulex (D. pulex). Afin d'atteindre ces objectifs, l'approche méthodologique utilisée consistait à effectuer des essais de laboratoire (en mode batch), sans écoulement, en faisant varier plusieurs paramètres opératoires, puis à réaliser des essais de toxicité dans le laboratoire du Centre d'Expertise en Analyse Environnementale du Québec (CEAEQ) pour évaluer l'efficacité de l'électrocoagulation à traiter la toxicité. Dans la première partie du projet, des essais en mode batch ont été réalisés afin d'évaluer comparativement la performance de la PCM et de l'électrocoagulation pour le traitement d'un DMA fortement contaminé en fer (500 mg/L). Ces essais visaient à évaluer l'efficacité des deux procédés à neutraliser l'acidité et à enlever le fer ainsi qu'à estimer leur coût d'opération afin de sélectionner le procédé le plus performant pour les essais à venir. Dans ce contexte, des essais réalisés sur la PCM ont été comparés avec les essais de l'électrocoagulation qui ont été effectués dans un réacteur batch avec un volume de travail de 250 mL contenant un DMA synthétique (pH = 2,5 et [Fe] = 500 mg/L). Une évaluation de l'influence du matériau des électrodes (fer et aluminium), ainsi que du temps de réaction (15, 30, 45, 60 et 90 min) et de l'intensité de courant (100, 200, 300, 400 et 500 mA) sur l'efficacité d'enlèvement du fer par électrocoagulation a été effectuée. Les résultats ont montré que les deux technologies ont permis de neutraliser l'acidité et d'enlever > 99% du fer et ainsi de produire un effluent traité conforme aux exigences canadiennes en matière de rejets (pH 6,0-9,5; < 3 mg/L Fe). L'électrocoagulation dans ses conditions optimales (électrodes de Fe, 400 mA et 60 min) s'est avérée plus performante que la PCM en termes de temps de réaction (minutes vs. jours) et de coûts d'opération (0,58 vs 2 731 $/m3). Pour la suite du projet, des essais d'électrocoagulation ont été poursuivis pour le traitement d'un DMA fortement contaminé en fer et en sulfates (pH = 2 ; [Fe] = 500 mg/L et [SO42-] = 1 280 mg/L). Ces essais ont été réalisés dans les mêmes conditions opératoires que les essais précédents (mode batch avec un volume de travail de 0,25 L) afin d'évaluer l'influence des paramètres suivants: le matériau des électrodes (fer vs aluminium), la densité de courant (3,8-20 mA/cm2) et le temps de réaction (15-90 min). L'objectif était d'évaluer l'influence de la présence des ions sulfates dans le DM sur l'efficacité de l'électrocoagulation. Ainsi, une mise à l'échelle (volume de travail de 3,3 L)a été effectuée afin d'évaluer l'effet d'autres paramètres de fonctionnement comme le nombre des électrodes (2-10) et la distance inter-électrodes (0,5-4 cm) sur l'efficacité du traitement. Tous ces essais ont été effectués avec ajout de sel (NaCl : 13 à 182 g/L) afin de s'opposer à la résistance de la solution et ainsi de pouvoir ajuster la densité de courant désirée en fonction du voltage. Les résultats ont permis de montrer que l''utilisation de deux électrodes de Fe, séparées de 0,5 cm, respectent les normes canadiennes des rejets en termes de pH (pH 6,0-9,5). En effet, un pH final de 8,3 a été obtenu avec les électrodes de fer, quand seulement un pH de 4,3 a été atteint avec les électrodes d'aluminium. Quant à l'enlèvement des sulfates et du fer, les efficacités ont été similaires (96% et 100% avec des électrodes de fer, et 82% et 100% avec des électrodes d'aluminium pour l'enlèvement des sulfates et du fer, respectivement). Néanmoins, il est à noter que le temps de réaction avec les électrodes de fer était plus long (420 vs 120 min). Ces résultats ont servi aux expériences suivantes pour le traitement de différentes qualités de DM fortement contaminés pour une éventuelle évaluation de l'efficacité du système à traiter la salinité sulfatée et la toxicité qui lui est associée. La troisième partie du projet a été consacrée à l'évaluation de l'efficacité de l'électrocoagulation seule ou comme un système de polissage au traitement chimique pour le traitement de la salinité sulfatée à partir de DMA synthétique et DMN réel: E1 (pH = 6,9; [Fe] = 0,04 mg/L et [SO42-] = 1 280 mg/L) et E2 (pH = 7,5; [Fe] = 0,07 mg/L et [SO42-] = 2 870 mg/L). Les méthodes de traitement chimiques utilisées pour le traitement de DMA sont la chaux hydratée Ca(OH)2 et la boue haute densité (BHD) préparée au laboratoire. Les expériences ont été effectuées dans une cellule d'électrocoagulation avec un volume de travail de 1,5 L en utilisant les meilleures conditions opératoires sélectionnées à partir des essais précédents (2 électrodes de fer, densité de courant de 20 mA/cm2 et distance inter-électrodes de 0,5 cm) et ce, sans ajout de sel. Les résultats ont montré que l'enlèvement des sulfates présents dans du DMA synthétique de différentes qualités par électrocoagulation seulement était meilleur à des concentrations plus faibles (10% pour E1:1 280 mg/L vs 0% pour E2: 2 130 mg/L après 15 minutes de traitement). Les résultats ont été validés sur les effluents réels. En effet, une faible efficacité d'enlèvement des sulfates de 8 et 6% après 30 min de traitement par électrocoagulation a été obtenue pour E1 et E2, respectivement. Les résultats ont également montré que l'efficacité d'enlèvement des sulfates s'améliorait en utilisant l'électrocoagulation comme système de polissage, lors du traitement du DMA. De plus, la BHD s'est avérée la meilleure alternative de traitement, avec une meilleure efficacité (44,8% d'enlèvement de SO42- contre 16,6% avec un traitement par Ca(OH)2). L'utilisation de boues provenant de sites réels serait à privilégier pour plusieurs raisons, à savoir : (1) une meilleure gestion des boues industrielles proprement dites par réutilisation, (2) un gain d'enlèvement dû essentiellement à sa composition riche en éléments (ex. matériaux neutralisants) et (3) un gain en termes de réduction des coûts d'exploitation supplémentaires liés à l'utilisation de produits chimiques ajoutés. La dernière partie de cette thèse a été dédiée à l'évaluation de l'efficacité de l'électrocoagulation pour le traitement de la toxicité associée à la salinité sulfatée des effluents réels (E1 et E2) préalablement utilisés. Les essais ont été effectués en utilisant deux organismes aquatiques appartenant à la famille des daphnies (D. magna et D. pulex) et qui représentent les deux espèces les plus communément utilisées dans les essais de toxicité. L'évaluation comparative de la sensibilité de ces deux espèces au DMN avant et après traitement a été effectuée via des tests de toxicité aigüe (mortalité et immobilité) en utilisant cinq eaux de dilutions différentes (une eau synthétique de laboratoire et 4 eaux de surface des sites 1, 2, 3 et 4 provenant de différentes lithologies). Les résultats ont montré qu'une seule eau de surface (site 4) était toxique pour D. pulex (> 35% de mortalité et d'immobilité) alors que toutes les eaux de dilution étaient non toxiques pour D. magna. L'effluent E2, initialement plus contaminé que E1 ([SO42-] = 2 870 vs 1 280 mg/L), a montré un effluent final plus toxique que l'effluent initial, en particulier pour D. pulex (64% vs 31% d'immobilité et 41% vs 19% de mortalité, pour E2 non traité et traité, respectivement). La cause de cette toxicité reste inconnue. L'absence de toxicité de l'effluent E1 après traitement n'a été démontrée qu'avec de l'eau de dilution du site 1 pour D. pulex. Finalement, tous les tests de toxicité effectués dans cette étude ont montré que D. pulex est plus sensible que D. magna envers le même DMN fortement contaminé en sulfates (traité ou non traité), ainsi que pour les eaux de dilution. Le présent projet contribue à approfondir les connaissances sur l'efficacité de l'électrocoagulation pour le traitement du DM synthétique et réel contaminé en fer et/ou en sulfates. De plus, l'évaluation de la toxicité associée à la salinité sulfatée sur deux espèces de daphnies a permis de statuer sur l'efficacité de l'électrocoagulation pour le traitement du DM. Enfin, les connaissances acquises et l'approche méthodologique de cette étude pourraient permettre leur application sur d'autres qualités plus complexes de DM et sous d'autres conditions opératoires. Mots clés: drainage minier, électrocoagulation, traitement chimique, salinité sulfatée, Daphnia magna, Daphnia pulex.

Abstract

Bio-electrochemical processes (e.g. electrocoagulation and microbial fuel cells (MFCs)) represent promising alternatives to conventional processes, for wastewater treatment in general and mine drainage (MD) in particular. They expanded for several years for the removal of metals (Fe, Cu, Zn, Pb, Cr, Al, Ni) and sulfates. However, their applicability for the treatment of highly contaminated MD depends strongly on the quality of the effluent to be treated, the metal and sulfate removal objectives as well as the operating conditions used. Depending on the quality of MD, the mechanisms for removing sulfates, one of the major contaminants common to MD, may differ. Indeed, for acid mine drainage (AMD), removal can be carried out either by precipitation with the cations present in the solution (e.g. metal ions) using electrostatic forces, or by coagulation, following the formation of the coagulant in the solution following anodic dissolution. For neutral mine drainage (NMD) or alkaline mine drainage, sulfates can be adsorbed on neoformed amorphous metal hydroxides, depending on the charge of their surfaces. Metals are removed by precipitation in the form of metal hydroxides because of oxidation-reduction reactions occurring on both sides of the anode and cathode. A co-precipitation mechanism can also be complementary to precipitation to ensure better metal removal. As part of this project, an in-depth evaluation of the performance of electrocoagulation for the treatment of MD highly contaminated with iron and/or sulfates and the toxicity associated with salinity was carried out. In this context, the main objectives of the thesis are the following: (1) the comparison of the effectiveness of MFC and electrocoagulation for the treatment of synthetic mine effluents highly contaminated with iron; (2) the evaluation of the effectiveness of electrocoagulation, for the treatment of sulfated salinity present in synthetic and real mine effluents of variable qualities; and (3) the comparative evaluation of the toxicity of sulfated salinity contained in highly contaminated MD before and after electrocoagulation treatment on two aquatic species (Daphnia magna and Daphnia pulex). To achieve these objectives, the methodological approach used was to perform laboratory tests (in batch mode), without flow, by varying several operating parameters and then to perform toxicity tests in the laboratory of the Centre d'Expertise en Analyse Environnementale du Québec (CEAEQ) to evaluate the effectiveness of electrocoagulation in treating toxicity. In the first part of the project, batch tests were carried out to evaluate the comparative performance of MFC and electrocoagulation for the treatment of iron-rich AMD (500 mg/L). The purpose of these tests was to evaluate the efficiency of the two processes in neutralizing acidity and removing iron as well as to estimate their operating costs to select the most efficient process for future tests. In this context, MFC tests were compared with electrocoagulation tests performed in a batch reactor with a working volume of 0.25 L containing a synthetic AMD (pH = 2.5 and [Fe] = 500 mg/L). An evaluation of the influence of the electrode material (iron and aluminium the reaction time (15, 30, 45, 60 and 90 min) as well as the current intensity (100, 200, 300, 400 and 500 mA) on the removal efficiency of iron by electrocoagulation was performed. The results showed that both technologies neutralized acidity and removed >99% of the iron, producing a treated effluent that met Canadian discharge requirements (pH 6.0-9.5; < 3 mg/L Fe). Electrocoagulation under optimal conditions (Fe electrodes, 400 mA and 60 min) proved to be more efficient than MFC in terms of reaction time (minutes vs. days) and operating costs (0.58 vs. $2731/m3). Subsequently, electrocoagulation tests were continued for the treatment of AMD highly contaminated with iron and sulfates (pH = 2; [Fe] = 500 mg/L and [SO42-] = 1 280 mg/L). These tests were performed under the same operating conditions as the previous tests, including electrode material (iron vs. aluminum), current densities (3.8-20 mA/cm2) and reaction time (15-90 min) following small-scale batch tests (0.25 L of working volume). The objective was to evaluate the influence of the presence of sulfate ions in MD on the efficiency of electrocoagulation. Thus, a scaling-up (3.3 L of working volume) was performed to evaluate the effect of other operating parameters such as the number of electrodes (2-10) and the inter-electrode distance (0.5-4 cm) on the treatment efficiency. All these tests were carried out with the addition of salt to counter the resistance of the solution and to adjust the desired current density according to the voltage. The results showed that the use of two Fe electrodes, separated by 0.5 cm, meets Canadian discharge standards for pH (pH 6.0-9.5). Indeed, a final pH of 8.3 was obtained with iron electrodes, when only a pH of 4.3 was reached with aluminum electrodes. As for the removal, efficiencies have been similar (96% and 100% with iron electrodes, and 82% and 100% with aluminium electrodes for the removal of sulfates and iron, respectively). Nevertheless, it should be noted that the reaction time with iron electrodes was longer (420 vs 120 min). These results were used in the following experiments to treat different qualities of highly contaminated MD for a possible evaluation of system efficiency in treating sulfated salinity and associated toxicity. The third part of the project was devoted to evaluate the efficiency of electrocoagulation as a stand-alone process or as a polishing system for chemical treatment of sulfated salinity contained in synthetic and/or real MD: E1 (pH= 6.9; [Fe] = 0.04 mg/L and [SO42-] = 1 280 mg/L) and E2 (pH= 7.5; [Fe] = 0.07 mg/L and [SO42-]= 2 870 mg/L). The chemical treatment methods used are hydrated lime Ca(OH)2, and high density sludge (HDS). The experiments were performed in an electrocoagulation cell with a working volume of 1.5 L using the best operating conditions selected from the previous tests (2 iron electrodes, current density of 20 mA/cm2 and inter-electrode distance of 0.5 cm) and without adding salt. The results showed that the removal of sulfates by electrocoagulation alone for 15 minutes from synthetic AMD was better at lower concentrations (10% for 1 280 mg/L vs. 0% for 2 130 mg/L). The results were validated by the real effluents. Indeed, a low sulfate removal efficiency of 8% and 6% after 30 min of electrocoagulation treatment was obtained for E1 and E2, respectively. The results also showed that the removal efficiency of sulfates was improved by using electrocoagulation as a polishing system during the treatment of AMD. In addition, the HDS proved to be the best treatment alternative (44.8% of sulfate removal compared to 16.6% with Ca(OH)2 treatment). If HDS is produced industrially, the choice will be based on several reasons, including: (1) better management of industrial sludge itself through reuse, (2) a removal gain due mainly to its variable and element rich composition (e. g. neutralizing material) and (3) a gain in reducing the additional operating costs associated with the use of added chemicals. The last part of this thesis presents the evaluation of the efficiency of electrocoagulation for the treatment of toxicity associated with sulfated salinity of real effluents (E1 and E2) previously used. The tests were conducted using two aquatic organisms belonging to the daphnia family (Daphnia magna (D. magna) and Daphnia pulex (D. pulex)), which are the two most commonly used species in toxicity tests. The comparative evaluation of the sensitivity of these two species to NMD before and after treatment was carried out using acute (mortality) and sublethal (immobility) toxicity tests using five different dilution waters (one synthetic from the CEAEQ laboratory and 4 surface waters from site 1, 2, 3 and 4 from different lithologies). The results showed that only one surface water (site 4) was toxic for D. pulex (>35% mortality and immobility) while all dilution waters were nontoxic for D. magna. The E2 effluent, initially more contaminated than E1 ([SO42-] = 2 870 vs. 1 280 mg/L), showed a more toxic final effluent than the initial effluent, particularly for D. pulex (64% vs. 31% immobility and 41% vs. 19% mortality, for untreated and treated E2, respectively). The cause of this toxicity is still unknown. The absence of toxicity of the E1 effluent after treatment was demonstrated only with dilution water from Site 1 for D. pulex. Finally, all toxicological tests performed in this study showed that D. pulex is more sensitive than D. magna to the same NMD highly contaminated with sulfates (treated or untreated), as well as for dilution waters. This project contributes to improve the knowledge about the efficiency of electrocoagulation in treating synthetic and real MD that are highly contaminated with iron and/or sulfates. In addition, the evaluation of the toxicity associated with sulfated salinity on two daphnia species enabled to determine the efficiency of electrocoagulation for the treatment of MD. Finally, the knowledge acquired, and the methodological approach of this study could allow their application to other more complex qualities of MD and under other operating conditions. Keywords: mine drainage, electrocoagulation, chemical treatment, sulfated salinity, Daphnia magna, Daphnia pulex.