1

Traitement biologique passif du Traitement biologique passif du drainage minier acide: sources de drainage minier acide: sources de

carbone, mcarbone, m éécanismes dcanismes d ’’enlenl èèvement vement des mdes m éétaux et taux et éécotoxicitcotoxicit éé

Carmen-Mihaela Neculita, Étudiante PhD

Directeur: Professeur Gérald J. ZAGURY

Co-directeur: Professeur Bruno BUSSIERE

21 Novembre, 2007

2

ObjectivesObjectives

Sources de carboneSources de carboneCaractCaract éérisation prisation p hysicochimique et microbiologiquehysicochimique et microbiologique

Essais en biorEssais en bior ééacteur batch (120acteur batch (120 --152 jours)152 jours)

Essais en biorEssais en bior ééacteur colonne (11acteur colonne (11 --15 mois)15 mois)

MMéécanismes dcanismes d ’’enlenl èèvement des mvement des m éétauxtauxÉÉvaluer le fractionnement des mvaluer le fractionnement des m éétaux (PES, MEStaux (PES, MES --SVA) et la SVA) et la minmin ééralogie des prralogie des pr éécipitcipit éés (MEBs (MEB --rayons X, ATGrayons X, ATG --ATD, DRX) ATD, DRX) dans les mdans les m éélanges rlanges r ééactifs actifs àà la fin des tests en colonnela fin des tests en colonne

ÉÉcotoxicitcotoxicit ééÉÉvaluer la toxicitvaluer la toxicit éé aaïïgue et chronique de lgue et chronique de l ’’effluent traiteffluent trait éé

3

EfficacitEfficacit éé de trois mde trois m éélanges rlanges r ééactifs actifs constituconstitu éés de matis de mati èères organiques res organiques

pour le traitement de DMApour le traitement de DMA

Carmen-Mihaela Neculita, Étudiante PhD

Directeur: Professeur Gérald J. ZAGURY

Co-directeur: Professeur Bruno BUSSIERE

4

PlanPlan

IntroductionIntroductionDrainage Minier AcideDrainage Minier Acide

BiorBior ééacteur Passif acteur Passif SulfatoSulfato --RRééducteurducteur

ObjectivesObjectives

MatMatéériel et mriel et m ééthodesthodes

RRéésultats et interprsultats et interpr éétationstations

ConclusionsConclusions

Travaux en coursTravaux en cours

5

Drainage Minier AcideDrainage Minier Acide

GGéénnéérationration :: exposition prolongexposition prolong éée des rejets miniers sulfure des rejets miniers sulfur éés s àà ll ’’eau et eau et ààll ’’air, en lair, en l ’’absence des minabsence des min ééraux neutralisantsraux neutralisants

SulfuresSulfures (pyrite, (pyrite, FeSFeS andand/or/or pyrrhotite, Fepyrrhotite, Fe11--xxSS) ) –– ststéériles et rriles et réésidussidus

++LL’’eaueau (H(H22O) O) –– prpréécipitationcipitation

++LL’’oxygoxyg èènene (O(O22) ) –– ll’’eau et leau et l’’airair

++rrééactionaction

= = Drainage Minier Acide (DMA)Drainage Minier Acide (DMA)

= L= L’’eau contamineau contamin ééee ((HH++, SO, SO4422--, Me, Me2+2+, , solides dissous etsolides dissous et/ou en suspension/ou en suspension))

Catalyse Catalyse

bactbact éériennerienne

6

Traitement du DMA en BPSR: bactTraitement du DMA en BPSR: bact éériesries sulfatosulfato --rrééductrices (ductrices ( BBSR)SR)microorganismes anaérobies, capables de, capables de rrééduire le SOduire le SO 44

22-- en Sen S22-- et et dd’’oxyder du oxyder du carbone organique en bicarbonatescarbone organique en bicarbonates en pren préésence dsence d’’un un environnement genvironnement g ééochimique ochimique favorablefavorable (pH (pH > 5, POR < > 5, POR < --100mV etc.)100mV etc.)

ProblProbl èèmes potentiels:mes potentiels:LL’’efficacitefficacit éé et la stabilitet la stabilit éé àà long terme long terme –– incertainesincertaines

Limitation du carbone organique disponible pour les BSR

Carbone organique disponible pour les BSR:Carbone organique disponible pour les BSR:

meilleurs sources: lactate, méthanol, éthanol (dispendieuses et rapidement épuisées)

sources alternatives (relâchement progressif du carbone organique): mélanges de déchets organiques (fumier, compost) (C organique disponible à court) et cellulosiques (foin, copeaux de bois et bran de scie) (C organique disponible à long terme) (Waybrant et al., 1998; Cocos et al., 2002; Zagury et al., 2006)

BiorBior ééacteur Passif acteur Passif SulfatoSulfato --RRééducteur ducteur (BPSR)(BPSR)

7

Comment le meilleur mélange est constitué?

Tester des mélanges de déchets organiques/cellulosiq ues en BPSR batch et colonne.

Paramètres pour relier la composition du matériel o rganique à sa biodégradabilité?

Toujours à trouver.

Paramètres suggérés:

I. COD (Carbone Organique Dissous) – plus élevée, meilleure efficacité

- problème : fumier de volaille – COD très élevé, faible réactivité (Zagury et al., 2006)

II. rapport C/N ≈ 10 – biodégradation efficace des substrats complexes

- problème : C/N pris seul – pas un bon indicateur (Zagury et al., 2006)

III. 0.67 ≤ rapport DCO (Demande Chimique en Oxygène)/SO42- ≤1.5 – efficace pour le

traitement des eaux usées en bioréacteurs sulfato-réducteurs

- problème : DCO n’évalue pas la disponibilité du C organique pour les bactéries anaérobies

BiorBior ééacteur Passif acteur Passif SulfatoSulfato --RRééducteur ducteur (BPSR)(BPSR)

8

ObjectivesObjectives

CaractCaract éériser quatre sources naturelles de carbone riser quatre sources naturelles de carbone organique afin de trouver les paramorganique afin de trouver les param èètres qui tres qui relient la composition drelient la composition d ’’un matun mat éériel organique riel organique ààsa biodsa biod éégradabilitgradabilit éé en conditions anaen conditions ana éérobies.robies.

Tester trois diffTester trois diff éérents mrents m éélanges rlanges r ééactifs en actifs en biorbior ééacteur batch (150 jours), choisir le macteur batch (150 jours), choisir le m éélange lange rrééactif le plus efficace et le tester en bioractif le plus efficace et le tester en bior ééacteur acteur colonne.colonne.

9

Déchets cellulosiques

3.1 Caract3.1 Caract éérisation physicorisation physico --chimique et microbiologique de 4 sources de m.o.chimique et microbiologique de 4 sources de m.o.(copeaux et sciure de bois d(copeaux et sciure de bois d ’é’érable, fumier de volaille et compost de feuilles)rable, fumier de volaille et compost de feuilles)

3.2 Essais batch 3.2 Essais batch -- tester 3 mtester 3 m éélanges rlanges r ééactifs afin de choisir le plus efficaceactifs afin de choisir le plus efficace

MatMatéériel et mriel et m ééthodesthodes

3%3%3%3%3%3%UrUrééee

2%2%2%2%2%2%ChauxChaux

15%15%15%15%37%37%SSéédiment ruisseaudiment ruisseau

20%20%30%30%5%5%SableSable

20%20%30%30%30%30%Compost feuillesCompost feuilles

10%10%18%18%20%20%Fumier volailleFumier volaille

20%20%0%0%0%0%Bran scie Bran scie éérablerable

10%10%2%2%3%3%Copeaux bois Copeaux bois éérablerable

MMéélange rlange r ééactif actif ## 33(Pr(Préésent projet)sent projet)

MMéélange rlange r ééactif actif ## 22((KulnieksKulnieks , 2005), 2005)

MMéélange rlange r ééactif actif ##11(Cocos, 2001)(Cocos, 2001)

ComposantsComposants

Composition mComposition m éélanges rlanges r ééactifs testactifs test ééss

Déchets organiques

10

CaSOCaSO44 ·· 2H2H22OO487.8487.8±±10.510.5CaCa2+2+

NaNa22SOSO4487.187.1±±1.71.7NaNa++

KK22SOSO4467.167.1±±1.41.4KK++

MgSOMgSO4498.998.9±±5.05.0MgMg2+2+

ZnSOZnSO44 ·· 7H7H22OO18.918.9±±1.11.1ZnZn2+2+

NiSONiSO44 ·· 6H6H22OO16.816.8±±1.81.8NiNi2+2+

CdSOCdSO44 ·· 8/3H8/3H22OO12.612.6±±0.90.9CdCd2+2+

MnSOMnSO44 ·· HH22OO13.513.5±±1.21.2MnMn2+2+

FeSOFeSO44 ·· 7H7H22OO16701670±±6666FeFe2+2+

nana55005500±±250250SOSO4422--

nana5.455.45--5.515.51pHpH

SourceSourceConcentration (mg/L)Concentration (mg/L)ComposantComposant

Composition du DMA traitComposition du DMA trait éé en bioren bior ééacteurs batchacteurs batch

MatMatéérielriel et met m ééthodesthodes

11

CaractCaract éérisation physicorisation physico --chimique et microbiologique des matchimique et microbiologique des mat éériauxriaux

RRéésultats and interprsultats and interpr éétationstations

SV – Solides Volatiles à 550°C

CT – Carbone Total (solide)

COT – Carbone Organique Total (solide)

NA – Non Analysé

8,0 x 102NANANA0,14NANANANA7,74Sédiment de rivière

5,0 x 104

5,0 x 104

> 1,6 x 107

> 1,6 x 107

13953

19866

1,020,47

1,30,7

25,71,3

28,2 15,6

71,8±3,122,5±0,7

7,91±0,039,32±0,42

Déchets organiquesFumier volailleCompost feuilles

< 2

< 2

5,0 x 105

3,3 x 104

305692

367892

0,02

0,02

0,005

ND

44,0

45,3

47,7 47,9

94,4±0,196,6±0,1

5,75±0,105,32±0,01

Déchets cellulosiquesCopeaux bois érableBran scie érable

BSR(no. bactéries/

100mL)

BHTA(no. bactéries/

100mL)

COD(mg/L)

COT(mg/L)

S(%)

N(%)

COT(%)

CT(%)

SV(%)

pH

ParamParam èètrestresMatMatéérielriel

N – Nitrogène

P – Phosphore

COT – Carbone Organique Total (l’eau)

COD – Carbone Organique Dissous (l’eau)

TAHB – Bactéries Hétérotrophes Totaux Anaérobies

BSR – Bactéries Sulfato-Réductrices

12

Augmentation du pH et lAugmentation du pH et l ’’enlenl èèvement de SOvement de SO 4422--:: mméélange rlange r ééactif actif #3 #3 éétait le plus efficacetait le plus efficace

Phase I (début-32j): pH – augmentation rapide à 8-9, SO42- - variation autour de 5000mg/L

Phase II (32-80j): pH – relativement stable , SO42- - légère augmentation/diminution

Phase III (80j-fin): pH – stable , SO42- - diminution à < 1mg/L (le jour 120 dans le R3)

time (days)

SO

42-(m

g/L)

0 30 60 90 120 1500

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000 AMDR1R2R3

time (days)

pH

0 30 60 90 120 1505

6

7

8

9

10 AMDR1R2R3

RRéésultats and interprsultats and interpr éétationstations

13

EnlEnl èèvement mvement m éétaux:taux: les 3 mles 3 m éélanges langes éétaient efficacestaient efficaces (avant et apr(avant et apr èès le s le spikespike , au jour 74), au jour 74)

Tous les métaux étaient enlevés dans la Phase I (début-32j) ou dans une semaine après le spike

time (days)

Fe

(mg/

L)

0 30 60 90 120 1500

300

600

900

1200

1500

1800

AMDR1R2R3

time (days)

Cd

(mg/

L)

0 30 60 90 120 1500

2

4

6

8

10

12

14

AMDR1R2R3

time (days)

Mn

(mg/

L)

0 30 60 90 120 1500

5

10

15

20

AMDR1R2R3

time (days)

Ni(

mg/

L)

0 30 60 90 120 1500

3

6

9

12

15

18

AMDR1R2R3

time (days)

Zn

(mg/

L)

0 30 60 90 120 1500

5

10

15

20

AMDR1R2R3

spike

spike spikespike

spike

RRéésultats and interprsultats and interpr éétationstations

14

Rapports DCO/SORapports DCO/SO 4422-- et COD/SOet COD/SO44

22--:: plus plus éélevlevéés, corrs, corr éélléés s àà des meilleures des meilleures conditions conditions sulfatosulfato --rrééductricesductrices

time (days)

DO

C/S

O42

-

0 30 60 90 120 1500

1

2

R1R2R3

time (days)

CO

D/S

O42-

0 30 60 90 120 1500

1

2

3

4

R1R2R3

Cependant, COD est plus facilement et plus précisément mesuré dans des BPSR (systèmes très complexes – interférences importantes)

Donc, les rapports COD/SOCOD/SO4422-- et C/N et C/N –– paramparam èètres cltres cl éés (relient la composition du s (relient la composition du

matmat éériel organique riel organique àà sa biodsa biod éégradabilitgradabilit éé))

RRéésultats et interprsultats et interpr éétationstations

15

Les trois mLes trois m éélanges rlanges r ééactifs testactifs test éés ont s ont ééttéé efficaces pour efficaces pour ll ’’enlenl èèvement du sulfate et des mvement du sulfate et des m éétaux (91.8taux (91.8 --99.8%)99.8%)

Des efficacitDes efficacit éés plus s plus éélevlev éées ont es ont ééttéé observobserv éées dans le res dans le r ééacteur #3 acteur #3 rempli de proportions rempli de proportions éégales (30%, p/p) de dgales (30%, p/p) de d ééchets organique chets organique (fumier de volaille et compost de feuilles)(fumier de volaille et compost de feuilles) et cellulosiques et cellulosiques (copeaux et (copeaux et sciure de bois dsciure de bois d ’é’érable)rable)

Une pUne p éériode de latence driode de latence d ’’environ 80 jours a environ 80 jours a ééttéé observobserv éée e ––ddéésavantage des tests en batch savantage des tests en batch àà court terme pour la scourt terme pour la s éélection du lection du mméélange rlange r ééactifactif

Rapports C/N et COD/SORapports C/N et COD/SO 4422-- –– paramparam èètres cltres cl éés qui relient la s qui relient la

composition dcomposition d ’’un matun mat éériel organique riel organique àà sa biodsa biod éégradabilitgradabilit éé en en conditions anaconditions ana éérobiesrobies

ConclusionsConclusions

16

3.5L bior3.5L bior ééacteurs colonnes acteurs colonnes sulfatosulfato --rrééducteurs pour:ducteurs pour:

traitement dtraitement d’’un DMA trun DMA trèès contamins contaminéé en systen systèème continume continu

éévaluer la stabilitvaluer la stabilitéé et let l’’efficacitefficacitéé àà long terme (plus de 1 an) long terme (plus de 1 an) àà 7,3j et 10j TRT7,3j et 10j TRT

éévaluer la spvaluer la spééciation des mciation des méétaux dans ltaux dans l’’effluent traiteffluent traitéé (filtration/ ultrafiltration, (filtration/ ultrafiltration, modmodéélisation glisation gééochimique)ochimique)

éévaluer la toxicitvaluer la toxicitéé de lde l’’effluent traiteffluent traitéé ((La toxicitLa toxicitéé du DMA adu DMA a--tt--elle elle ééttéé ééliminliminéée?e?))

corrcorrééler la spler la spééciation ciation àà la toxicitla toxicitéé de lde l’’effluent traiteffluent traitéé

éévaluer le fractionnement des mvaluer le fractionnement des méétaux (PEStaux (PES--Procédure d’Extraction Séquentielle, Métaux Extraits Simultanément et SVA-Sulfures Volatiles en milieu Acide) dans les mdans les méélanges rlanges rééactifs actifs àà la la fin des testsfin des tests

éévaluer la minvaluer la minééralogie des prralogie des préécipitcipitéés dans les ms dans les méélanges rlanges rééactifs ractifs réécupcupéérréés s àà la fin des la fin des tests (tests (ATG-Analyse Thermo Gravimétrique, MEB-Microscope Électronique à Balayage)

Travaux en cours. BiorTravaux en cours. Bior ééacteurs colonnesacteurs colonnes

17

BiorBior ééacteurs colonnes. Composition du acteurs colonnes. Composition du DMADMA

na4051±212SO42-

CaSO4 · 2H2O372±75Ca2+

na2.89-5.69pH

NiSO4 · 6H2O13.7±1.0Ni2+

ZnSO4 · 7H2O14.5±2.1Zn2+

CdSO4 · 8/3H2O9.8±1.8Cd2+

K2SO466.3±40.0K+

MgSO485.8±10.5Mg2+

625±231Na+ (sem: 13-42)Na2SO4

135±46Na+ (sem: 0-12)

MnSO4 · H2O10.1±2.6Mn2+

504±83Fe2+ (sem: 13-42)FeSO4 · 7H2O

1066±78Fe2+ (sem: 0-12)

SourceConcentration (mg/L)

Composant

CaSOCaSO44 ·· 2H2H22OO487.8487.8±±10.510.5CaCa2+2+

NaNa22SOSO4487.187.1±±1.71.7NaNa++

KK22SOSO4467.167.1±±1.41.4KK++

MgSOMgSO4498.998.9±±5.05.0MgMg2+2+

ZnSOZnSO44 ·· 7H7H22OO18.918.9±±1.11.1ZnZn2+2+

NiSONiSO44 ·· 6H6H22OO16.816.8±±1.81.8NiNi2+2+

CdSOCdSO44 ·· 8/3H8/3H22OO12.612.6±±0.90.9CdCd2+2+

MnSOMnSO44 ·· HH22OO13.513.5±±1.21.2MnMn2+2+

FeSOFeSO44 ·· 7H7H22OO16701670±±6666FeFe2+2+

na55005500±±250250SOSO4422--

na5.455.45--5.515.51pHpH

SourceSourceConcentrationConcentration(mg/L)(mg/L)

ComposantComposant

Bioréacteurs batch Bioréacteurs colonnes

18

Avant la semaine 13: variations très importantes

Après la semaine 14: efficacité et stabilité

BiorBior ééacteurs colonnes. acteurs colonnes. RRéésultatssultats

time (weeks)

Alk

alin

ity(m

g/L

CaC

O3)

0 11 22 33 44

102

103

104

10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

SO

42-(m

g/L

)

0 11 22 33 442000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500AMD10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

Fe

2+

(mg/

L)

0 11 22 33 440

300

600

900

1200

1500

AMD10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

pH

0 11 22 33 443

4

5

6

7

8

9

10

AMD10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

OR

P(m

V)

0 11 22 33 44-400

-200

0

200

400

AMD10d HRT7.3d HRT

19

Avant la semaine 13: variations importantes

Après la semaine 14: efficacité et stabilité, à l’exception du Mn

Cadmium

affluent (DMA): 9.8±1.8 mg/L

effluent: < LDM (0.03 mg/L)time (weeks)

Fe

(mg/

L)

0 11 22 33 440

200

400

600

800

1000

1200

AMD10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

Mn

(mg/

L)

0 11 22 33 440

5

10

15

20

25

30

AMD10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

Ni(

mg/

L)

0 11 22 33 440

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

10d HRT7.3d HRT

time (weeks)

Zn

(mg/

L)

0 11 22 33 440

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

10d HRT7.3d HRT

BiorBior ééacteurs colonnes. Racteurs colonnes. R éésultatssultats

20

ÉÉvaluation de la toxicitvaluation de la toxicit éé de lde l ’’effluent et de la speffluent et de la sp ééciation des mciation des m éétauxtaux

ToxicitToxicit éé aaïïguegue�� ll ’’effluent effluent àà 10j TRT passait l10j TRT passait l ’’exigence de la lexigence de la l éégislation minigislation mini èère canadienne relativement re canadienne relativement ààll ’’absence de la toxicitabsence de la toxicit éé aaïïgue sur la truite gue sur la truite O. O. mykissmykiss

�� la toxicitla toxicit éé du DMA sur du DMA sur D. magnaD. magna nn’é’était pas tait pas ééliminlimin éée durant le traitement aux deux TRH teste durant le traitement aux deux TRH test éés s (7,3j et 10j); (7,3j et 10j); cependantcependant , une simple , une simple aaéérationration pendant pendant 2h 2h ééliminaitliminait la toxicitla toxicit éé de lde l ’’effluent effluent àà 10j TRH10j TRH

ToxicitToxicit éé chroniquechronique�� moindre inhibition de la croissance de lmoindre inhibition de la croissance de l ’’algue algue P. P. subcapitatasubcapitata et de la plant et de la plant L. L. minorminor pour pour ll ’’effluent effluent àà 10d TRH que pour l10d TRH que pour l ’’effluent effluent àà 7,3j TRT7,3j TRT

ProcProc éédure ddure d ’é’évaluation et dvaluation et d ’’ identification de la source de toxicitidentification de la source de toxicit éé ((ToxicityToxicityIdentification Identification EvaluationEvaluation , TIE), TIE)�� durant TIE la toxicitdurant TIE la toxicit éé sur sur D. magnaD. magna éétait tait ééliminlimin éée et le Fe confirme et le Fe confirm éé comme source de toxicitcomme source de toxicit éé

SpSpééciation des mciation des m éétauxtaux�� utile pour relier le Fe utile pour relier le Fe àà la toxicitla toxicit éé et pour expliquer les transformations dans let pour expliquer les transformations dans l ’’effluent durant effluent durant son ason a éérationration

BiorBior ééacteurs colonnes. Racteurs colonnes. R éésultatssultats

21

Conclusions partiellesConclusions partielles

Les biorLes biorééacteurs ont acteurs ont ééttéé efficaces pour lefficaces pour l’’augmentation du pH et de augmentation du pH et de ll’’alcalinitalcalinitéé de lde l’’eau contamineau contaminéée et pour le et pour l’’enlenlèèvement des mvement des méétaux taux (Cd, Ni et (Cd, Ni et Zn et non pas Mn)Zn et non pas Mn) et des sulfates et des sulfates (partiellement)(partiellement)

10j TRH donnait de meilleurs r10j TRH donnait de meilleurs réésultats comparsultats comparéé àà 7,3j TRH7,3j TRH

LL’’effluent effluent àà 10j TRH passait l10j TRH passait l’’exigence de la lexigence de la léégislation minigislation minièère re canadienne relativement canadienne relativement àà ll’’absence de la toxicitabsence de la toxicitéé aaïïgue sur la truite gue sur la truite O. O. mykissmykiss, de même que sur, de même que sur D. magnaD. magna (apr(aprèès 2h ds 2h d’’aaéération de lration de l’’effluent)effluent)

La procLa procéédure TIE identifidure TIE identifiéé le Fe rle Fe réésiduel dans lsiduel dans l’’effluent traiteffluent traitéé comme comme source de toxicitsource de toxicitéé pour pour D. magnaD. magna

la spla spééciation des mciation des méétaux taux éétait utile pour relier le Fe tait utile pour relier le Fe àà la toxicitla toxicitéé et pour et pour expliquer les transformations dans lexpliquer les transformations dans l’’effluent durant son aeffluent durant son aéérationration

22

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