Évaluation de l'utilisation des mélanges till-boues de traitement du DMA comme couche de rétention d'humidité dans un recouvrement de type CEBC

Les sites miniers renfermant des rejets générateurs de drainage minier acide (DMA) doivent être restaurés afin de limiter leur impact à long terme sur l'environnement. Différentes techniques ont été conçues pour leur réhabilitation et qui visent à limiter le flux d'oxygène et/ou de l'eau vers les résidus réactifs. En climat humide, divers types de recouvrement peuvent être utilisés dans la restauration des parcs à résidus incluant les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC). Des matériaux qui composent ces recouvrements peuvent être d'origine naturel (sable, silts) ou recyclés (résidus et stériles miniers) et nécessitent l'utilisation d'un matériau fin pour la construction de la couche de rétention d'eau. Par ailleurs, la neutralisation des eaux minières acides par la chaux génère des quantités de boues considérables qui sont généralement entreposées dans des bassins de décantations. Dans une perspective de développement durable (réutilisation des rejets miniers) et lorsque les matériaux fins requis ne sont pas disponibles aux alentours des sites miniers à restaurer, des mélanges sols-boues (MSBs) pourraient être utilisés comme composantes d'une CEBC visant à contrôler la génération de DMA et permettraient de réduire les coûts associés au transport et au stockage des boues, ainsi que l'impact ces derniers sur l'environnement. L'objectif principal de ce projet est d'évaluer le potentiel de valorisation des boues solides de traitement du DMA pour produire des mélanges de sols granulaires (ex. tills) et de boues ayant les caractéristiques chimiques et hydrogéotechniques requises pour jouer le rôle d'une couche de rétention d'humidité d'une CEBC. Pour atteindre cet objectif, des sous-objectifs (SO) ont été identifiés et consistaient à : • SO 1 : étudier le potentiel de lixiviation des mélanges till-boues (MTBs) à l'aide des essais cinétiques de lixiviation en colonnes pendant une année. Au total six mélanges till-boues avec des teneurs en boues : β de 10, 20 et 30% (β correspond à la masse de boues humides/masse de sol humide) et trois matériaux témoins (till, boues Westwood (ww) et boues Waite-Amuet (wa)) ont été utilisés. Ces colonnes ont été soumises à des cycles de mouillage et de drainage et les lixiviats récupérées après chaque cycle ont suivis et analysés pour suivre l'évolution du comportement hydrogéochimique de ces matériaux (pH, conductivité électrique, potentiel redox Eh, acidité, alcalinité, métaux dissous et sulfates); • OS2 : évaluer l'efficacité des mélanges et tester leurs capacités à jouer le rôle d'une couche de rétention d'humidité à l'échelle du laboratoire. Dans ces essais, des colonnes instrumentées simulant des recouvrements multicouches (CEBC) ont été soumises à des cycles de mouillage et de drainage. Les lixiviats récoltés, sont analysés de point de vue physico-chimique. Également des mesures de succion, des teneurs en eau volumiques et des concentrations d'oxygène ont été réalisées. • OS3 : en utilisant la modélisation numérique par SEEP/W (Geoslope Ltd, 2019), différents configurations de recouvrements CEBC à base des MTBs ont été simulées. Les résultats de cette étude montrent que : - la prédiction du potentiel de génération d'acidité (PGA) montre que les matériaux de base et les MTBs sont non générateurs d'acidité ; - pour l'ensemble des colonnes, le pH est neutre autour de 8 et la conductivité électrique varie entre 2 et 4 mS/cm, ce qui prouve que les lixiviats sont moins à moyennement chargés en ions ; - la concentration de Zn, de Fe et de Cu dans les lixiviats des colonnes instrumentées tend à diminuer progressivement et restent sous la limite de la directive 019. Cependant, dans la colonne des résidus ww (témoin), le Zn et Cu augmentent d'une façon significative dès le deuxième cycle et dépassent la limite la directive 019 (˃0,5 mg/l pour Zn et ˃0,3 mg/l pour Cu) indiquant ainsi la génération du drainage neutre contaminé ; - suite à la modélisation thermodynamique par Visual Minteq, des familles de minéraux secondaires peuvent se précipiter à savoir les oxydes et les hydorxydes d'Al (boehmite, gibbsite et diaspore), les sulfates (alunite et barite) et les oxydes de Fe et Cu (hercynite et ténorite). - les caractéristiques hydrogéotechniques (courbe de rétention d'humidité CRH et conductivité hydraulique saturée ksat) des MTBs placées dans les recouvrements ont été mesurés au laboratoire. Les valeurs de la pression d'entré d'air (AEV : air entry value) ont été déterminées à partir des CRE. Elles correspondent à 58 kPa pour le till, 20 kPa pour les MTBs wa de 10 et 20% de β, 18 kPa pour le MTB wa à 30% de β et 1,4 kPa pour le sable. Pour les MTBs ww (10, 20 et 30% de β), les AEV mesurées correspondent à 19, 20 et 32 kPa respectivement ; - pour les MTBs, ksat est de l'ordre de 10-6 cm/s alors qu'elle est de 10-3 cm/s pour le sable ; - les teneurs en eau volumiques (w) et les succions ont été mesurées au niveau des couches de rétention d'eau. Les succions varient entre 5 à 13 kPa en bas des couches de rétention d'humudité (CRH) des MTB wa et entre 15 à 17 kPa en haut de la même couche. Pour les MTB ww, les succions mesurées se situent entre 10 à 15 kPa et entre 13 à 17 kPa respectivement en bas et en haut de CRH. Les succions mesurées sont demeurées en dessous des AEV indiquant ainsi le maintien des CRH à un haut degré de saturation en eau; - la performance des MTBs a été également évaluée à l'aide du flux d'O2. Pour la colonne témoin (résidus), le flux d'O2 diminue avec le temps, il passe de 70 à 36 mol/m3/an pendant une durée de suivi de 180 jours. Ce flux a été réduit à des valeurs inférieures à 1 mol/m3/an au centre et en bas des CRH ; - le comportement hydrique des recouvrements a été simulé par SEEP/W et les résultats indiquent que la CRH a été maintenue à un degré de saturation supérieur à ˃86% même pour des conditions sans réalimentation pendant 60 jours. Suite à ces résultats obtenus, les MTBs testés pourraient être utilisés comme couche de rétention d'eau dans un recouvrement de type CEBC. Cependant, il est recommandé de tester le comportement des mélanges dans les CEBC à l'échelle de terrain en prenant en considération les conditions climatiques afin d'évaluer leur performance.

Abstract

When mine sites containing tailings are considered as generating of acid mine drainage (AMD), these mines site must be restored in order to limit their impact on the environment. Different techniques for mine site reclamation were developed to limit oxygen and/or water infiltration to reactive tailings. In humid climates, various types of covers can be used including capillary barrier effect covers (CBEC). The materials that can be used in the cover construction are natural (sand, silts) or recycled (waste rock) and require the use of a finer material for the construction of the moisture-retaining layer. In addition, neutralization of acid mine water with lime generates a considerable quantity of sludge, which are generally stored in storage facilities (SF). In a sustainable development (Re-use of mining tailings), when the required finer materials are not available nearby the sites, soil-sludge mixtures (SSMs) could be used as a component of a CBEC to control the generation of AMD and reduce the costs associated with the transport and storage of sludge and its impact on the environment. The main objective of this project is to evaluate the potential of AMD treatment solids sludge to produce mixtures of granular soils (e.g. tills) and sludge (SSMs) with the chemical and hydrogeotechnical characteristics properties required for the MRL. To achieve this objective, sub-objectives were performed and corresponds to: 1) Study of the leaching potential of SSMs through small column using leach kinetic tests during one year. A total of six till-sludge mixtures with sludge contents of 10, 20 and 30% (β corresponds to wet sludge/wet soil mass) and three materials (till, Westwood sludge (ww) and Waite-Amulet sludge (wa)) were used. These columns were submitted to wetting and drying processes and leachates recovered after each cycle were analysed to with the objective to evaluate the hydrogeochemical behaviour of these materials (pH, electrical conductivity, Eh redox potential, acidity, alkalinity, dissolved metals and sulphates); 2) evaluate the efficiency of the mixtures and their capacity to act as a MRL on a laboratory scale through infiltration and drainage tests by using instrumented columns (measuring water content, suction and O2 flow) simulating multilayer covers (CBEC). The collected leachate is analyzed physically and chemically; 3) simulate different configurations of CBEC covers based on SSMs by using numerical modeling. In these simulations, SEEP/W code was used (Geoslope Ltd, 2020). The results of this study show that: - The prediction of the potential to generate acidity (PGA) shows that used materials (except tailings) and SSMs are non-acid generating ; - For all the columns, the pH is neutral (around 8) and the electrical conductivity varies between 2 and 4 mS/cm, proving that the leachates are less to moderately charged with ions; - The concentration of Zn, Fe and Cu in the leachates from the instrumented columns tends to decrease gradually and remains below the limit of Directive 019. On the other hand, in the tailings (control column), Zn and Cu increase significantly from the second cycle and exceed the limit of directive 019 (˃0,5 mg/l for Zn and ˃0,3 mg/l for Cu); - Based one thermodynamic modelling, secondary minerals can precipitate : oxides and hydorxides of aluminium (boehmite, gibbsite and diaspore), sulphates (alunite and barite) and oxides of iron and copper (hercynite and tenorite); - The hydrogeotechnical characteristics (CRW and ksat) of the SSM were measured in the laboratory and the air entry values (AEV) were determined with CRW. They correspond to 58 kPa for till, 20 kPa for wa SSM of 10 and 20% of β, 18 kPa for wa SSM wa at 30% of β and 1,4 kPa for sand. Thus, for ww SSM (10, 20 and 30% β), the measured AEV corresponds to 19, 20 and 32 kPa, respectively; - For all SSMs, ksat value is around 10-6 cm/s and equal 10-3 cm/s for sand; - The volumetric water contents (θw) and suctions were measured at the MRLs. The suctions vary between 5 to 13 kPa near the bottom of the MRL of wa SSM and between 15 to 17 kPa near the top of the same layer. For ww SSM, the suctions in the lower level vary between 10 to 15 kPa and between 13 to 17 kPa in the upper level. The saturation degree in the column of the ww SSM at 20% β is higher than 80%; - The performance of SSM was evaluated by O2 flux and numerical modelling. For the tailings control column, the O2 flux decreased with time from 70 to 36 mol/m3/year for a follow-up period of 180 days. However, the flux through the CBEC covers indicates values lower than 1 mol/m3/year; - The hydrogeological behaviour of the CCBE was simulated by SEEP/W; capillary phenomena are well created between MRLs and the sand layers. The MRL have a good capacity to retain water (Sr˃86%). According to these results, the SSM tested could be used as a MRL in a CCCBE. However, it is still recommended to further investigate the chemical stability of sludge and to test the behaviour of mixtures in CCBE at field scale by integrating mine site climatic conditions.