Enlèvement des métaux des effluents miniers en climat froid par des
\nprocessus biologiques et chimiques s’opérant dans des bioréacteurs
\nsemi‐passifs sulfato‐réducteurs.

Les avancements technologiques et l’augmentation de la population mondiale font en sorte que les \nbesoins en métaux et en minerais ne cessent de croître, conduisant à l’émergence de nombreuses mines \ndans le monde et dans le nord canadien. L’exploitation de ces mines implique une \ninévitable contamination en métaux lourds des sols et des eaux et une nouvelle gestion des drainages \nminiers contaminés est nécessaire. \nÀ l’heure actuelle, la grande majorité des systèmes de traitement mis en place sont des systèmes actifs, \nsouvent coûteux et générant des boues dont la disposition s’avère problématique, surtout en climat \nnordique. L’application de systèmes passifs au traitement des drainages miniers représente une solution \néconomique et écologique prometteuse. Les systèmes de traitement passif offrent une alternative \nprometteuse aux systèmes de traitement conventionnels. Parmi les systèmes de traitement passif, la \nbioremédiation, faisant appel à des microorganismes, notamment les bactéries sulfato-réductrices (BSR), \nest de plus en plus utilisée pour le traitement de drainages miniers. \nMême si plusieurs travaux de recherche traitent de ce sujet, peu d’études abordent l’application de \ntraitements passifs en climat nordique, où les températures froides affectent la croissance et l’efficacité \ndes plantes et des bactéries. Cependant, les réglementations de plus en plus strictes concernant les \ndrainages miniers neutres et l’exploitation de nombreuses mines dans le Nord encouragent le \ndéveloppement de méthodes de traitement de ces drainages miniers neutres qui soient à la fois efficaces \net simples d’opération. \nCe projet de doctorat est basé sur l’hypothèse de recherche selon laquelle il est possible d’appliquer des \ntraitements passifs faisant appel aux bactéries sulfato-réductrices aux drainages miniers neutres dans \ndes régions subissant un climat nordique. \nDes essais réalisés en laboratoire à 5°C sur des périodes de 90 à 160 jours ont permis de mettre en \névidence la présence de BSR indigènes dans l’effluent du site minier de Silver King situé au Yukon et en \nprise avec une contamination en zinc et en cadmium. ans les premiers travaux menés en laboratoire pendant 90 jours à 5°C (Chapitre 2), l'utilisation de \ndifférentes sources de carbone (mélasse, méthanol et un mélange de mélasse/méthanol) a nettement \namélioré l'activité bactérienne et, par conséquent, la précipitation des métaux (Zn et Cd) sous forme de \nsulfures. En effet, avec le mélange mélasse/méthanol qui s’est avéré être légèrement plus efficace que la \nmélasse ou le méthanol seul, près de 94,8% du Zn et 99,4% du Cd initialement présents dans l’effluent \nminier ont été éliminés. Durant ces premiers essais en laboratoire, les sources de carbone utilisées l’ont \nété à deux concentrations différentes afin d’évaluer l’importance de la quantité de carbone disponible \npour les BSR. Les concentrations en carbone étaient : C1 = 77 mg/L (soit 2 moles de carbone par mole \nde sulfate, considérée d’après la littérature comme la concentration minimale pour réduire les sulfates \nprésents dans le drainage minier à l’étude) et C2 = 154 mg/L (soit 2 fois C1). Il a été montré qu’une \naugmentation significative de la quantité de carbone dans les bioréacteurs n'a pas généré d'amélioration \nsignificative des abattements en Zn ou en Cd, ce qui laisse à penser que BSR ne consomment pas plus \ncarbone qu’elles n’en ont besoin. \nLa deuxième série d’essais en batch menés en laboratoire pendant 160 jours à 5°C (Chapitre 3) visait à \nétudier spécifiquement la réduction des sulfates par les BSR sous l’influence de différentes sources de \ncarbone (sources organiques complexes telles que l’huile de pomme de terre, les résidus de brasserie, la \ntourbe et la paille) et sources organiques simples telles que le méthanol et l’éthylène-glycol). \nL’abattement des concentrations en Zn et Cd a également été suivi. Ces essais ont montré que le \nméthanol et l'éthylène-glycol ont entraîné une diminution des concentrations en sulfates de 71,2% et \n36,9%, respectivement, tandis que la diminution des concentrations en sulfates a atteint seulement \n13,8% et 5,3%, respectivement, pour la tourbe et la paille. En ce qui concerne l’abattement des \nconcentrations en Zn et Cd, il s’est avéré qu’avant que l'activité bactérienne ne soit observée par la \nconsommation de carbone et de sulfate, la concentration des métaux a diminué. Pour cette raison, il n’a \npas été possible de corréler la diminution des concentrations en sulfate avec l'élimination des métaux. \nL'adsorption sur les sources de carbone pourrait être à l'origine de la diminution rapide des \nconcentrations de Cd et de Zn. \nEnfin, à la suite des travaux menés en laboratoires, des essais conduits à l’échelle pilote (Chapitre 4) ont \npermis l’étude de deux bioréacteurs sulfato-réducteurs sur une période de 14 mois dans le but de traiter le drainage minier neutre contaminé en Zn et en Cd du Silver King mine site situé au Yukon. Une \ncaractérisation génomique des communautés microbiennes de chaque bioréacteur, ainsi que de l’effluent \nminier a été entreprise. Cette caractérisation a révélé la présence dans les bioréacteurs d’une population \nmicrobienne complexe, mais stable dans le temps, ainsi que des BSR potentielles (membres des classes \nClostridia and Deltaproteobacteria). Durant les 14 mois qu’ont duré l’expérience pilote, une solution de \nmélasse a été injectée à une concentration constante (2 moles de carbone par mole de sulfate). Comme \nil l’avait été conclu lors des premiers essais laboratoires, cette étude pilote a démontré que les BSR, bien \nque touchées par des températures froides, peuvent être efficaces pour effectuer des procédés de \nréduction de sulfates entraînant ainsi la précipitation des métaux sous formes de sulfures en climat froid. \nL’efficacité des abattements en Zn a varié entre 11,5% en hiver et 95,5% en été. L’efficacité des \nabattements en Cd a varié entre 21,1% en hiver et 96,6% en été. Technological advances and the increase of world population mean that metals and minerals \nrequirements continue to grow, leading to the emergence of mining companies across the world and in \nNorthern Canada. Mining operations imply an ineviTable heavy metals contamination of soils and waters \nand an effective management of contaminated mining drainage is necessary. \nNowadays, the vast majority of treatment systems are active systems which are expensive and generate \nproblematic sludge, especially in northern climates. Using passive systems to mine drainage represents a \npromising solution in terms of both economic and ecological impacts. Passive treatment systems offer a \npotential alternative to conventional treatment systems. Among the passive treatment systems, \nbioremediation, using microorganisms, in particular sulfate-reducing bacteria, is increasingly used for the \ntreatment of mining drainage. \nAlthough several researches have addressed this issue, only few studies have been done on the \napplication of passive treatments in northern climates where cold temperatures affect the growth and \neffectiveness of plants and bacteria. However, increasingly stringent regulations on neutral mining \ndrainage and the operation of many mines in the North encourage the development of efficient and easy \nto operate treating methods of these neutral mining drainage. \nThis PhD project is based on the research hypothesis that it is possible to apply passive treatments using \nsulfate-reducing bacteria to treat neutral mine drainage in northern climate areas. \nLaboratory experiments conducted over 90 to 160 days at 5°C revealed the presence of native SRB in \nthe effluent from the Silver King mine site located in the Yukon Territory struggling with Zinc and \nCadmium contamination. \nIn the first laboratory tests conducted for 90 days at 5°C (Chapter 2), the use of different carbon sources \n(molasses, methanol and a mixture of molasses/methanol) significantly improved bacterial activity and, \nconsequently, the precipitation of metals (Cd and Zn) as metal sulfides. Indeed, with the mix \nmolasses/methanol mixture which proved to be slightly more effective than molasses or methanol alone, \nup to 94.8% of Zn and 99.4% of Cd were removed after. During these first laboratory tests, the carbon sources used were used at 2 different concentrations to assess the amount of carbon available for SRB. \nCarbon concentrations were: C1 = 77 mg/L (ie, 2 moles of carbon per mole of sulfate, considered in the \nliterature to be the minimum concentration to reduce the sulfates present in the mine drainage studied) \nand C2 = 154 mg/L (ie which is twice C1). It has been shown that a significant increase in the amount of \ncarbon in the bioreactors did not result in any significant improvement in Zn or Cd removals, suggesting \nthat SRB does not consume more carbon than what they need. \nThe second laboratory batch tests was conducted for 160 days at 5°C (Chapter 3) and aimed specifically \nto study the reduction of sulfates by SRB using different carbon sources (complex organic sources (potato \noil, brewery residues, peat and straw) and simple organic sources (methanol and ethylene glycol)). The \nremoval of Zn and Cd was also studied. These batch tests showed that the use of methanol and ethylene \nglycol as carbon sources resulted in the decreases of sulfate concentrations of 71.2% and 36.9%, \nrespectively, while decreases of sulfate concentrations were limited to 13.8% and 5.30% for p

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