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Problématique du drainage minier acide Solutions usuelles et étude de cas
Par
Abdessadek Chtaini, géo., D.Sc.A., Ph.D.Chef de projets R&D
Structure cristalline de la pyrite
Réactions d'oxydation de la pyrite
-
a=5,42Aº
FeS2 (s) + 7/2 O2 + H2O ⇒ Fe2+ + 2 SO42- + 2H+
Fe2+ + 1/4 O2 + H+ ⇒ Fe3+ + 1/2 O2
14 Fe3+ + FeS2 (s) + 8 H2O ⇒ 15 Fe2+ + 2 SO42- + 16H+
Fe3+ + 3 H2O ⇒ Fe(OH)3 (s) + 3 H+
SFe
O2
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Minéral sulfureuxMinéral basique
Génération d'acide/neutralisation
durant la migrationGénération d'acide
à la source
Ruissellement
Infiltration des précipitations Oxygène de l'airO2
DMA - pH faible - métaux lourds - autres contaminants
Minéral sulfureux
Schéma illustrant le concept de génération de drainage minier acide et de sa migration
H2O
H2O
Solutions usuelles pour le contrôle du DMA
Objectif du contrôle Mesure du contrôle RéférencesAmélioration de la qualitédes lixiviats
- Traitement actif - RAO et al., 1994- KUYCAK et al., 1991- DROVAK et al., 1991
- Traitement passif - BRANT et al., 1994- BLOWS et al., 1995- MURDOCK et al., 1994
Prévention de l’oxydationde la pyrite
- Entreposage souterrain - RENAUD, 1995- RHEASUTH, 1994
- Dépôt subaquatique - ST-ARNAUD, 1994- DAVE, 1994
- Couverture et dispositif d’étanchéité
- AUBERTIN, 1991- YANFUL, 1993- NICHOLSON, 1989
- Couverture organique - TASSE et al., 1997- CABRAL et al., 1997
- Enrobage de la pyrite - FYTAS, 1996
Contrôle de l’actionbactérienne
- Bactéricides - SHAFA, 1960- SOBEK, 1987
Objectif général
Démonstration sur le terrain de techniques de stabilisation
des résidus miniers acides par l’incorporation et / ou
la couverture de ces résidus par les boues alcalines
des usines de pâtes à papiers
Objectifs spécifiques
Réduction de l’infiltration des eaux
Réduction de la diffusion de l’oxygène de l’air dans les résidus
miniers
Neutralisation durable des eaux de drainage minier acide
Réduction ou inhibition de l’activité catalytique bactérienne et
donc du taux d’oxydation des sulfures encore présents dans
les résidus miniers
Élaboration d’un concept de restauration du parc à résidus miniers
Localisation du site minier Ascot
143 East-Angus
Ascot-Corner
Lennoxville
Sherbrooke
Bromptonville
0 5 km
Échelle
N
143
216
216
108
112
108
55
Site minier Ascot
Vue aérienne du site minier Ascot
21-E-5 L8 1 : 5000 31 OCT.1988 Q88855 - 23
N
Site minier
Vers la rivièreSt-François
Localisation des tranchées d’observation et des forages de reconnaissance
0 100 m
F3 T3 F2 T2
F4 T4
F5 T5
F6 F1 T1
Schéma d'installation des piézomètres dans les six forages de reconnaissance
0
1
2
3
4
5
6
7
Sol n
atur
el
F1F2F3 F4 F5 F6
Bouchon de bentoniteLanterne de sable d'OttawaRésidus miniers
Rés
idus
min
iers
8m
Prof
onde
ur
Synthèse de la caractérisation du site
Surface 5 hectares
pH des eaux de ruissellement 2,32 à 2,90
Épaisseur des résidus 2 à 7 m
Épaisseur des résidus oxydés 30 à 60 cm
Pentes en périphérie 30 à 50 degrés
Masse volumique humide 1,6 Mg/m3
Précipitations moyennes 1000 mm/an
Profondeur de la nappe 2 à 4 m
Perméabilité 4 10-7 cm/s
Taux de production de H2SO4 277 à 731 mol/m2/an
SiltMoy. FinGros
SableMoy. FinGros
GravierMoy. FinGros
Argile
0102030405060708090
100
100 10 1 0,1 0,01 0,001(millimètres)
Pass
ant (
%)
Granulométrie des résidus miniers
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0024049
Spectre de diffraction aux rayons X du résidu non oxydé
♣♣
♣♣
ClinochlorePyrite Silice Muscovite
♣
Degré 2 θ
Inte
nsité
(CPS
)
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
043
692
Z08560.RAW
Spectre de diffraction aux rayons X du résidu oxydé
ClinochloreSilice Muscovite
Caractérisation des résidus miniers
Analyse chimique Fe > S > Al > Cu > Zn Mg > Ca > K > Na
DRX R. Ox. Silice, clinichlore, muscovite, illite R. n. ox. + pyrite, Chalcopyrite
Granulométrie Sable fin – Silt
Surface spécifique 1,2 à 4,6 m2/g
Densité des solides
≈ 2,9
Essai Proctor W opt 13 à 24 % ρ sèche 1,55 à 1,91 Mg/m3
Coefficient de perméabilité 7,6 10-5 à 4,2 10-6 cm/s
Principaux résultats des essais statiques
Profondeur(cm)
Soufre(%)
Productionthéorique
d’acide (PA)g CaCO3/kg
Potentiel deneutralisation
(PN)g CaCO3/kg
Potentiel degénération
d’acide (PGA)g CaCO3/kg
10 0,20 6,4 5,0 1,4
30 3,46 108,1 20,8 87,3
50 4,32 135,0 60,0 75,0
70 6,98 218,1 59,2 158,9
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
017
307 Calcite
Chaux Silice
Spectre de diffraction aux rayons Xde la boue de chaux
Degré 2 θ
Inte
nsité
(CPS
)
Spectre de l’analyse thermogravimétrique de la boue de chaux
40
55
70
85
100
TG (%
)DTA
(uV)
-45
-20
5
30
55
DTG
(%/m
in)
-27
-18
-9
0
9
-50 250 550 850 1150TEMP °C (Heating)
22.5%
0.3% (Ca(OH)2
29.4%
(H2O)
CaO + H2O)
CaCO3 CaO + CO2
Caractérisation de la boue de chaux
pH de la pâte ≈ 11,2
Analyse chimique
Ca > Na > Mg > Al > Fe > K
DRX 75 % Calcite 1% portlandite
Masse volumique sèche in situ 0,8 Mg/m3
Granulométrie Sable fin - Silt
Essai Proctor W opt 41,6 % ρ sèche 1,14 Mg/m3
Essai de perméabilité 8,4 10-5 cm/s
≈
Vb2Vb3
Va
Vb
Vc
Va2
Vb4
Vb1
Va1
20 cm de boues de
chaux
30 cm de résidus oxydés
50 cm de résidus non
oxydés
Colonne 1
40 cm de boues de
chaux
30 cm de résidus oxydés
50 cm de résidus
non oxydés
Va
Vb
Vc
Va1Va2
Vb4
Vb1Vb2Vb3
Colonne 2
20 cm de boues de
chaux
20 cm de résidus oxydés
50 cm de résidus
non oxydés
10 cm incorporés
VaVb
Vc
Vd
Vb1
Vc1Vc2Vc3Vc4
Colonne 3
10 cm incorporés
40 cm de boues de
chaux
20 cm de résidus oxydés
50 cm de
résidus non
oxydés
VaVb
Vc
Vd
Vc1Vc2Vc3Vc4
Vb1
Colonne 4
30 cm de résidus oxydés
50 cm de
résidus non
oxydés
Va
Vb
Colonne 5(Contrôle)
Schéma des colonnes de lixiviation
Profils du pH dans les colonnes d ’essai
Va
Va1
Va2
Vb
Vb1
Vb2
Vb3
Vb4
Vc
Valv
e
Va
Va1
Va2
Vb
Vb1
Vb2
Vb3
Vb4
Vc
Valv
e
Colonne 1
pH0 2 4 6 8 10 12 14
pH0 2 4 6 8 10 12 14
Colonne 2
Cycle 7Cycle 14Cycle 21Cycle 28
Boue de chaux
Résidu oxydé
Résidu non oxydé
Profils du pH dans les colonnes d ’essai (suite)
pH0 2 4 6 8 10 12 14
pH0 2 4 6 8 10 12 14
Va
Vb
Vb1
Vc
Vc1
Vc2
Vc3
Vc4
Vd
Valv
e
Va
Vb
Vb1
Vc
Vc1
Vc2
Vc3
Vc4
Vd
Valv
e
Colonne 3 Colonne 4
Boue de chauxIncorporationRésidu oxydéRésidu non oxydé
Cycle 7Cycle 14Cycle 21Cycle 28
Comparaison entre les lixiviats à la sortie des résidusoxydés et à la sortie de la zone incorporée
Col. 3 - Valve BCol. 4 - Valve BCol. 5 - Valve A
(Contrôle)
2 4 6 8 10 12 14
Cycle
2 4 6 8 10 12 14
Cycle
0
50
100
150
0
5
10
15Aluminium Cuivre
Col. 3 Col. 4
Vb VbVa
Col. 5 (Contrôle)
Col. 3 - Valve BCol. 4 - Valve BCol. 5 - Valve A
(Contrôle)
Comparaison entre les lixiviats à la sortie des résidusoxydés et à la sortie de la zone incorporée (suite)
0
10
20
2 4 6 8 10 12 14
Cycle
2 4 6 8 10 12 14
Cycle
0
50
100
150
200Zinc Fer
Col. 3 Col. 4
Vb VbVa
Col. 5 (Contrôle)
Comparaison entre la sortie des résidus oxydésdes 5 colonnes d ’essai
2 4 6 8 10 12 14
Cycle
2 4 6 8 10 12 14
Cycle
Col.1 - VbCol.2 - VbCol.3 - VcCol.4 - VcCol.5 - Va
0
5
10
15
Con
cent
ratio
n (p
pm)
0
5
10
15
Con
cent
ratio
n (p
pm)
Cuivre Aluminium
Coupe A-A' d'une cellule de démonstration type
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 141,60
1,20
0,80
0,40
0,00
0,40
0,80
(Mèt
res)
Thermocouples
Drain perforé enrobé (10,2 cm Ø)
Géomembrane (sur 3 côtés)
(Mètres)
H = 80 cm ou 0 cm (témoin)I = différents modes d ’incorporation
80 cmPente 2 : 1
Protection deséquipements
Tubes de collecte d ’O2
Sondes deconductivité
I
Sens de l'écoulement dans le drain
Vue en plan d'une cellule de démonstration
Thermocouples
Boue de chaux8 m
12 m
A'A
Drain uni (10,2 cm Ø)
Drain perforé enrobé10,2 cm Ø
Géomembranesur 3 côtés
Tubes de collecte d ’O2
Sondes de conductivité
Puits de captage (10,2 cm Ø)
Stratigraphie des cellules de démonstration
0102030405060708090
1020304050607080
CELLULE 1 CELLULE 2(Témoin)
CELLULE 3 CELLULE 4 CELLULE 5
Légende: Boue de chauxRésidus miniers
Incorporation résidus/boueIncorporation résidu/boue/chauxTube de collecte d'oxygèneThermocouple
surface des résidus miniers
Élév
atio
n (c
m)
Cen
timèt
res
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
pH2 4 6 8 10 12 14 16
Cellule 1
Cen
timèt
res
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
pH2 4 6 8 10 12 14 16
Cellule 3
Profils du pH dans les cellules de démonstration
pH à 1 anpH à 18 moispH à 34 moispH témoin
Boue de chaux
Incorporation boue
Résidu minier
Profils du pH dans les cellules de démonstration (suite)
pH2 4 6 8 10 12 14 16
Cen
timèt
res
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
pH2 4 6 8 10 12 14 16
Cen
timèt
res
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
Cellule 4 Cellule 5
pH à 1 anpH à 18 moispH à 34 moispH témoin
Boue de chaux
Incorporation boue
Incorp. Boue + chaux
Résidu minier
Profils du pH et du Eh dans les cellules de démonstration
Eh (Volts)-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
Cen
timèt
res
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
Cen
timèt
res
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
pH
Cellule 2 (contrôle)Cellule 1Cellule 3Cellule 4Cellule 5
2 4 6 8 10 12 14
Cellule 2
Cellule 1
Cellule 3
Cellule 4
Cellule 5
0
40
80
120
160
200
Con
cent
ratio
ns (p
pm)
Al Cu Fe S(SO4)
Zn
3503321 4790 912385
Teneur en Al, Cu, Fe, S (SO4) et Zn dans les 5 cellules
Étude microbiologique
Culture des bactéries neutrophiles2,25 g de résidu
3 g/l de phosphate de potassium0,4 g/l de sulfate d ’ammonium
Culture des bactéries acidophiles2,25 g de résidu
10 g/l de sulfate de fer0,4 g/l de sulfate d ’ammonium
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Mise en évidence des bactéries neutrophiles
pH
Temps (jour)
Soufre + nutrimentTémoin stérileRésidu + soufre + nutriment
2
4
6
8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20200
300
400
500
600
700
800 pH témoin stérilepH résidu oxydé
2.0
3.0
4.0
5.0pH
Temps (jour)
Mise en évidence des bactéries acidophiles
Incorporation 1 an stérileIncorporation 1 anRésidu oxydé
2
3
4
pH
Temps (jours)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Évolution du pH et du POR du résidu oxydé et du résidu incorporé
Évolution du pH et du POR du résidu à 20 cm sous la zone incorporée
Temps (jours)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
2
3
4pH
20 cm sous incorp. Stérile20 cm sous incorporationRésidu oxydé
Évolution du pH et du POR du résidu oxydéstérilisé et non stérilisé
Résidu oxydé stérileMilieu de cultureRésidu oxydé
Temps (jours)
2
3
4
pH
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Dénombrement bactérien 18 mois après la miseen place de la boue de chaux
Cellule Profondeur (cm) Nb de bactériesferrooxydantes/g
résidu
1 10 - 30 < 102
2 0 - 40 1,1 103 à 1,3 104
3 0 - 10 < 102
4 0 - 50 < 102
5 0 - 50 < 102
Estimation de la longévité de la barrière
Lixiviat saturé en calcite
1,00
m
1000 mm/an
ρh = 1 Mg/m3
calcite 75%solubilité 500 mg/l
Boue de chaux
Résidusminiers
Estimation de la longévité de la barrière
HYPOTHÈSES :
Les précipitations moyennes de la région sont de 1000 mm/an
Toute l’eau précipitée s’infiltre dans le sol
La solubilité de la calcite est de 500 mg/l
Temps de séjour de l’eau infiltrée suffisamment grand pour être saturée en calcite
La calcite représente 70% de la boue de chaux
La masse volumique humide de la boue de chaux est de 1000 kg/m3
L’épaisseur de la couverture de boue de chaux est de 1 m
Longévité (an) = Quantité disponible
Quantité dissoute / an= 1400 ans
15 cm5 cm
100 cm
30 cm
Pente 3:1 Fossé de drainage
Piézomètre
Tubes à oxygène
Thermocouples
Terre végétale
Résidus miniers
Incorporation
Boue de chaux
Concassé ou granulaire naturel
Concept de restauration proposé
Conclusions
Les pH mesurés sur le site confirment le caractère acidogène du parc
Le potentiel de neutralisation des résidus reste inférieur
au potentiel de génération acide
La caractérisation des produits initiaux a révélée que :
La pyrite est le sulfure dominant dans les résidus
La calcite est le constituant majeur de la boue de chaux
Les essais en laboratoire montrent que la dissolution de la boue de chaux entraîne une augmentation du pH et donc une précipitation des métaux
Les essais in situ ont montré que la mise en place de la boue entraîne :
Une diminution du taux d’oxydation de la pyrite
Une augmentation du pH des eaux de lixiviation
Une diminution du POR
Une importante réduction des éléments de forte toxicité
Une inhibition de l’activité catalytique bactérienne
La longévité de la barrière est supérieure à 1400 ans
Le coût de la restauration du site a été estimé à 1 200 000$
Conclusions (suite)
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