Évaluation comparative de procédés de traitement de résidus désulfurés et filtrés en vue de limiter la génération de drainage neutre contaminé en arsenic

RÉSUMÉ Ce projet s’inscrit au coeur des préoccupations environnementales du secteur minier, se concentrant sur la gestion des résidus contenant de l’arsenic et de l’antimoine issus de l’exploitation aurifère. Le drainage minier, même dans des conditions neutres, constitue un défi majeur pour l’industrie minière en raison de ses potentiels effets toxiques sur les écosystèmes. L’objectif général de cette thèse était de comparer différentes stratégies de gestion des résidus désulfurés et filtrés, dont des procédés de séparation (i.e., minéralurgie, hydrométallurgie) et de stabilisation (i.e., passivation, biocalcification) afin de mieux contrôler la lixiviation des contaminants et de proposer des solutions pratiques et écoconçues pour le secteur minier. Les stratégies de gestion intégrée des résidus, telles que la filtration et la désulfuration, permettent de diminuer les instabilités géotechniques et (bio)géochimiques associées aux résidus miniers. Les résidus désulfurés et filtrés (RDF) peuvent toutefois continuer de présenter une certaine instabilité (bio)géochimique à la source d’une libération de contaminants dans l’environnement. Cette instabilité (bio)géochimique résiduelle requiert l’implémentation de stratégies de traitement supplémentaires, telles que des procédés de séparation minéralurgique, hydrométallurgique ou de stabilisation (bio)chimique. L’efficacité de ces procédés varie toutefois en fonction des conditions environnementales locales et des propriétés intrinsèques aux résidus. Leur applicabilité aux RDF est notamment limitée par leur faible teneur en arsenic et antimoine, leur minéralogie non sulfureuse et leur granulométrie fine. De plus, la consommation d’énergie et de matériaux nécessaires à leur fonctionnement peut avoir des impacts environnementaux non-négligeables à l’échelle mondiale. Ce projet cherche donc à répondre à la question suivante : quel procédé de traitement des RDF pourrait permettre de limiter la lixiviation de l’arsenic et de l’antimoine tout en minimisant son empreinte environnementale ? L’intérêt scientifique de ce travail s’articule autour de trois objectifs spécifiques : (i) évaluer l’impact des propriétés des RDF sur la lixiviation de l’arsenic et l’antimoine ainsi que sur l’efficacité des procédés de séparation (e.g., minéralurgie, hydrométallurgie), (ii) comparer l’efficacité des traitements de stabilisation chimique et biochimique sur la stabilité à court- et moyen-terme des RDF et (iii) identifier le procédé de traitement le plus responsable à l’aide d’une analyse multicritère considérant l’atteinte des objectifs de traitement, les potentiels impacts environnementaux à l’échelle mondiale et les coûts opérationnels. En répondant à ces objectifs, ce projet vise à proposer de nouvelles pistes pour une écoconception des stratégies de gestion des résidus. La méthodologie du projet s’est articulée autour d’une démarche expérimentale et de modélisation. Des sous-échantillons de RDF ont été préparés en 2023 à partir de deux barils collectés à la sortie de l’usine de filtration des rejets de cyanuration désulfurés sur la mine aurifère Éléonore en 2021. Une caractérisation physicochimique et minéralogique des RDF a été effectuée pour identifier la source de la lixiviation de l’arsenic et de l’antimoine. Des essais de séparation gravitationnelle ou hydrométallurgique ont permis de produire un matériau appauvri en contaminants. La stabilité des rejets et concentrés de ces procédés a ensuite été évaluée afin de quantifier leur efficacité à limiter la contamination du DM. Deux procédés de stabilisation ont été appliqués aux RDF (i.e., passivation chimique, biocalcification) afin de déterminer leur efficacité à immobiliser les contaminants sur le court- et moyen-terme. La valorisation des communautés microbiennes indigènes pour initier la réaction de biocalcification a été explorée, en comparaison à l’utilisation plus courante de souches microbiennes commerciales. Lorsque cela a été possible, ces procédés ont été optimisés à l’échelle laboratoire suivant une approche statistique de plan d’expériences type Box-Behnken. La stabilité géochimique des RDF avant et après traitement, ainsi que celle des rejets secondaires, a été évaluée à l’aide d’une approche d’essais statiques et cinétiques complémentaires, dont des procédures réglementaires et des essais en mini-cellules d’altération. Une analyse du cycle de vie a permis de quantifier l’empreinte environnementale des procédés, en considérant leur consommation énergétique, en réactifs chimiques, les émissions du procédé et celles amont, ainsi que les potentiels effets (éco)toxiques de l’entreposage des RDF traités dans le parc à résidus (e.g., contamination des eaux, émissions de poussières). Les principaux résultats ont mis en évidence l’importance de la granulométrie des RDF sur la lixiviation de l’arsenic. Les particules fines de löllingite, représentant plus de 75 % de l’arsenic total, ont entraîné une augmentation de la concentration de ce contaminant dans les lixiviats par un facteur 4, comparativement aux particules plus grossières (i.e., de granulométrie supérieure à 20 μm). La séparation minéralurgique et hydrométallurgique de la fraction arsénifère a été limitée à des efficacités inférieures à 50 %, en raison de la concentration de l’arsenic dans la fraction fine et très cristalline. La stabilité géochimique du rejet appauvri en arsenic produit par ces procédés n’a pas été suffisamment améliorée pour atteindre les seuils de rejet réglementaires canadiens et québécois (i.e., 0,1 mg/L). La hausse du temps de contact et de la température du procédé hydrométallugrique a été bénéfique pour solubiliser davantage l’arsenic présent dans les RDF. Cependant, la lixiviation de l’As à moyen-terme a été sept fois plus élevée après le traitement, suggérant la présence d’acidité résiduelle dans l’eau des pores, et ce, malgré deux lavages à l’eau déionisée réalisés avec un rapport solide-liquide de 10 % (p/v). Quant à l’antimoine, sa solubilisation durant la séparation hydrométallurgique a été synonyme d’une diminution de 40 % de sa lixiviation à postériori à partir du RDF traité. Les eaux de procédés contaminées produites par la séparation hydrométallurgique ont été efficacement traitées par électrocoagulation, induisant un enlèvement de l’arsenic et de l’antimoine supérieur à 99 % après trente minutes de traitement à une densité de courant de 500 A/m2. Les boues ferriques ainsi produites étaient plus stables chimiquement que les RDF initiaux en conditions aérobies. Les procédés de stabilisation ont été davantage efficaces que ceux de séparation. Dans les conditions optimales identifiées par le plan d’expérience de type Box-Behnken (i.e., 3 mM d’agents de stabilisation, 0,3 à 2,4 heures de contact et 1,0 à 2,7 jours de séchage), la passivation chimique a permis de diminuer la lixiviation de l’arsenic et de l’antimoine de 75 et 84 % respectivement à moyen-terme. La concentration d’arsenic dans les lixiviats a atteint les seuils réglementaires (i.e., 0,1 mg/L) quatre fois plus rapidement qu’avant le traitement de passivation. Les agents inorganiques ont été plus efficaces que les agents organométalliques pour lesquels l’utilisation de pyrocatéchol a induit une libération des contaminants atténuée mais continue dans le temps, possiblement en raison de la formation de complexes arsenic-catéchol. La faible teneur et granulométrie des grains de löllingite ont rendu difficile l’identification des couches de passivation par MEB et TOF-SIMS. La présence de fer dans les agents de passivation semble toutefois avoir été essentielle à la diminution de mobilité des contaminants grâce à la formation d’(oxy)hydroxydes de fer secondaires, amorphes ou cristallins. La concentration, le temps de séchage et le temps de contact ont été des paramètres d’influence significatifs présentant des effets antagonistes vis-à-vis de la diminution de la mobilité de l’As. L’utilisation d’un algorithme d’optimisation numérique a ainsi permis d’identifier des conditions combinant les effets positifs et néfastes de la hausse de ces paramètres, tout en minimisant les potentiels impacts environnementaux globaux potentiels du procédé. La biocalcification a également permis de diminuer de 88 % la lixiviation de l’arsenic grâce à la précipitation de calcite et/ou de magnésite induite par l’activité enzymatique des microorganismes. L’approche de biostimulation, se reposant sur l’activité des communautés microbiennes indigènes, a été plus efficace que la bioaugmentation nécessitant l’utilisation d’une souche bactérienne commerciale (i.e., Sporosarcina pasteurii). La biostimulation a permis de maximiser l’hydrolyse de l’urée, nécessaire pour induire la réaction de biocalcification, ainsi que la précipitation des carbonates. L’arsenic y a également été davantage immobilisé, ce qui pourrait s’expliquer par les capacités potentielles de résistance au stress écotoxique de l’arsenic des bactéries présentes dans les RDF, qui incluent des bactéries possédant le gène nécessaire à la réaction de biocalcification (e.g., Sporosarcina soli, Bacillus aryabhattai, Halomonas alkaliphilia), et/ou par l’utilisation de voies métaboliques non-uréolytiques pour la diminution de mobilité des contaminants. Bien que l’influence des conditions opératoires n’ait pas été explorée en profondeur, la concentration en réactifs chimiques semble avoir eu un effet néfaste sur l’efficacité de la biocalcification par biostimulation, contrairement au traitement par bioaugmentation. Cela suggère que la modification des propriétés physicochimiques des RDF, notamment la hausse de l’alcalinité, ainsi que le contact avec des réactifs chimiques ont pu être néfastes pour l’activité des microorganismes indigènes. Cet effet s’est, par ailleurs, traduit par une mortalité plus élevée des communautés microbiennes lors de l’approche de biostimulation. L’analyse du cycle de vie a mis en évidence la potentielle importante em

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