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

Problématique du Drainage Minier Acide

(DMA)

Formation d’un parc à résidus miniers

Digue primaireDépôt des résidus

Spigot

Sol naturel

Aspect stratifié du dépôt des résidus miniers

Génération du DMA

Sulfure

Oxygène Eau

Acidité

Métaux Sulfates

Oxydation

(T. ferrooxidans)

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

Étude de casRestauration du Site Ascot

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

CARACTÉRISATION DU SITE

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

Vue générale du site

Localisation des tranchées d’observation et des forages de reconnaissance

0 100 m

F3 T3 F2 T2

F4 T4

F5 T5

F6 F1 T1

Levé stratigraphique des résidus miniers

Réalisation des forages et installation des piézomètres

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

Caractérisation des résidus miniers

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

Photo du MEB du résidu minier

Pyrite

Silice

Chalcopyrite

Dépôt de sulfates de fer

Silicoaluminate

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

Caractérisation des boues de chaux

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

Aspect général de la boue de chaux au MEB

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

≈

STABILISATION DES RÉSIDUS MINIERS EN LABORATOIRE

Les 5 colonnes de lixiviation

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

ÉTUDE EN CHANTIER

Localisation des cellules de démonstration

C-3 C-2

C-4

C-5

C-1

0 100 m

T3 T2

T4

T5

T1

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)

Installation d’une membrane imperméableautour d ’une cellule

Installation des drains

Installation du puits de captage

Incorporation de la boue de chaux à l’aide d’un rotoculteur

Incorporation de la boue de chaux à l’aided’une herse à dents

Incorporation de la chaux à l’aide d’un rotoculteur

Mise en place de la couverture de boue de chaux

Importance du ravinement de la couverture de boue de chaux

Couverture de la cellule 3 par la terre végétale

Lecture des instruments de mesure

RÉSULTATS DU SUIVI

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)

Questions ?