Chaire de recherche du CanadaRestauration des sites miniers abandonnés

Environnement et gestion des rejets miniers

Chaire industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT

Performances des Drains Anoxiques Calcaires :Influences de la minéralogie et de la

granulométrie

Thomas GentyIngénieur chimiste

Candidat au doctorat en science de l’environnement

Mercredi 21 novembre 2007

Sommaire

� Introduction� Problématique du DMA� Les drains calcaires anoxiques : Présentation

� Matériels et méthodes

� Résultats et interprétations

� Conclusion

Sommaire

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 SO42 - + 2H+

� À pH < 4,5 : FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O � 15Fe2+ + 2SO42 - + 16H+

� Composition de l’eau� Acide (pH<3)� Métaux lourds dissous : Pb, Zn, Fe, …� SO4

2 - en grande quantité

Introduction

Derycke, 2007

Principe d’un Drain anoxique calcaire (DAC)

� Description

Calcaire

végétationargile géomembrane

DMA in

DMA out

Introduction

� Dans le drain :� CaCO3 + H+ � HCO3- + Ca2+

� HCO3- + H+ � H2CO3

� H2CO3 � H2O + CO2

���� Augmentation du pH et de l’alcalinité

� 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

Melanson, 2006

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 char gés en métaux

� Évaluer l’influence en laboratoire des propriétés p hysiques et chimiques des roches neutralisantes sur le traiteme nt de DMA + ou -contaminés.

� Minéralogie

� Granulométrie

� Aération-décantation

Introduction

Sommaire

� Introduction

� Matériels et méthodes� Les roches utilisées� Le DMA utilisé� Essais en batch et en colonne

� Résultats et interprétations

� Conclusion

Sommaire

Les roches calcaires utilisées

� 2 minéraux : Calcite CaCO3 et Dolomite CaMg(CO3)2

� Granulométrie :

Matériels et méthodes

Granulométrie des roches neutralisantes

0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00

100,00

0,10 1,00 10,00 100,00

diametre moyen en mm

% c

umm

ulé calcite moyenne

dolomite moyenne

calcite grossiere

calcite fine

Les DMA utilisés

� Deux types :

� DMA de type Lorraine� Fer(II) : 6 900 mg/L� SO4

2- : 15 000 mg/L� pH : 3,5

� DMA « allégé »� Fer(II) : 1 600 mg/L� SO4

2- : 4 200 mg/L� pH : 5,5

Matériels et méthodes

Genty, 2007

Essais en batch

� Principe :

Matériels et méthodes

Couvercle

Joint caoutchouc

Pot MasonDMA + roche neutralisante

Septum

���� Anoxie pendant 15 h, puis aération naturelle

� Rapides, peu coûteux, essai de préfaisabilité pour é valuer le potentiel de neutralisation d’une roche

� Comparaison du potentiel de neutralisation entre un e roche « fraîche » et une roche oxydée

� Mais pas représentatif, car le système est à l’équil ibre à tout instant

Genty, 2007

Essais en colonnes

� Principe :

Matériels et méthodes

DAC

DMA DécanteurRejet

Air

Pompe6mL/min : tr = 15 h

� Comparaison des roches en régime dynamique

� Efficacité de l’aération décantation

Genty, 2007

Genty, 2007

Sommaire

� Introduction

� Matériels et méthodes

� Résultats et interprétations� Rôles de la granulométrie et de la minéralogie� Efficacité du traitement

� Conclusion

Sommaire

Résultats des essais en batch avec un DMA type Lorraine

Evolution du pH

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

temps (h)

pH

Résultats et interprétation

Conductivité

9000

10000

11000

12000

13000

14000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

temps (h)

mic

roS

/ c

m

Alcalinité

0

50

100

150

200

250

0 15

temps (h)

mg/

L e

n eq

CaC

O3

Calcite fine

Calcite moyenne

Calcite grossiere

Dolomite moyenne

ANOXIE AÉRATIONAÉRATION ANOXIE

Anoxie : CaCO3 + H+ � HCO3- + Ca2+

Aération : Fe2+ + 0,25O2 + 1,5H2O � FeOOH + 2H+

Fe3+ + 3H2O � Fe(OH)3 + 3H+

Calcite FineCal. MoyenneCal. GrossièreDolomite Moyenne

Résultats des essais en colonne avec un DMA de type Lorraine (1)

Résultats et interprétation

pH en sortie de colonne et decanteur

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0 10 20 30 40 50temps (j)

calcite fine 1

calcite moyenne 2

calcite grossiere 3

dolomite moyenne 5

DMA

dec 1

dec 2

dec 3

dec 5

Résultats des essais en colonne avec un DMA de type Lorraine (2)

Résultats et interprétation

Et pas de diminution de la concentration en métaux en sortie de

colonne

concentration mg/L

145

100

52

25

102 104 101

159

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

calcite fine calcitemoyenne

calcitegrossiere

dolomitemoyenne

Calcium

Magnésium

Alcalinité en mg/L CaCO3

255

173

80

38

00,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

calcite f ine calcitemoyenne

calcitegrossiere

dolomitemoyenne

DMA

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

Résultats et interprétation

DMA Lorraine calcite fine calcite moyenne calcite grossiè re dolomite moyenne

taux de produc. d'alcalinitémg CaCO3/j 2034,90 1462,75 698,69 317,28

� Solubilité : (Stumm et Morgan, 1996)� Calcite : CaCO3 log K = -8,48� Dolomite : CaMg(CO3)2 log K = -17,09

� Réactivité (cas du DMA Lorraine):

� CaMg(CO3)2 moins réactif que CaCO3 (facteur de plus de 4) pour une même granulométrie

DMA Lorraine calcite fine calcite moyenne calcite grossiè re dolomite moyenne

taux de produc. d'alcalinitémg CaCO3/j 2034,90 1462,75 698,69 317,28

Efficacité du traitement par aération décantation Exemple de la calcite fine

Résultats et interprétation

concentraion en métaux mg/L

1610

30122

1428

99

39

1428 1492

101 29

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

S Fe Mg Mn Ca

concentraion en métaux mg/L

3,1

0,41,3

7,0

11,7

1,00,1 0,1

6,4

10,4

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

Cd Pb Al Ni Zn

DMA

décanteur 1

� bonne élimination du Pb, Cd et Al

� Mais pas pour le Fer, Mg, Zn, Mn, Ni.

� Aération par bullage d’air non efficace

concentration moyenne en métaux mg/L concentration moyenne en métaux mg/L

� De plus, pH de sortie de décanteur trop bas (environ 3,5) et disparition de l’alcalinité

Sommaire

� Introduction

� Matériels et méthodes

� Résultats et interprétations

� Conclusion

Sommaire

Bilan

Conclusion

� 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 DM A

� Les drains anoxiques jouent bien leur rôle d’augmentat ion d’alcalinité et du pH, mais ne servent pas à éliminer l es métaux

� L’étape d’aération-décantation n’est pas efficace po ur précipiter les métaux dans nos essais en laboratoire

Recommandations

Conclusion

� 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

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Merci de votre attention

Influence de l’enrobage de la roche(essai en batch avec DMA type Lorraine)

Bonus 1

� Pas de réelle influence de l’oxydation de la

roche sur l’efficacité pour un « pore volume » de 100

Ex. : drain Morrison ( Hedin et al., 1994 )

augmentation d'alcalinité (Alcalinité final - Alcal inité DMA)

0

50

100

150

200

250

calcite fine calcite moyenne calcite grossiere dolomite moyenne

Roche fraiche

roche altérée

Augmentation de pH (pH final-pH DMA)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

calcite fine calcite moyenne calcite grossiere dolomite moyenne

Roche fraiche

Roche altérée

Genty, 2007

Influence du type de DMA

Bonus 2

∆pH Lorraine > ∆ pH allégé

� Consommation de CaCO3 plus importante avec DMA de type Lorraine

Alcalinité mg/L CaCO3

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

calcite fine calcitemoyenne

calcitegrossiere

dolomitemoyenne

DMA

DMA Lorraine

DMA allégé

pH

6,0 5,95,7

5,2

3,0

6,2 6,1 6,15,8

4,8

2,90

3,40

3,90

4,40

4,90

5,40

5,90

6,40

calcite fine calcitemoyenne

calcitegrossiere

dolomitemoyenne

DMA

DMA Lorraine

DMA allégé

La dolomite peut être utilisée dans le cas de DMA peu acides

La calcite sera plus appropriée aux DMA très acides