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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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Environnement et gestion des rejets miniers
Chaire industrielle CRSNG-Polytechnique-UQAT
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