Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2000. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Les travaux de recherche de ce mémoire portent sur l'évaluation des performances de la méthode de la couverture saturée pour la prévention du drainage minier acide face aux conséquences anticipées des changements climatiques au Canada. Deux principaux impacts ont été étudiés dans le cadre de cette maîtrise, soit l'augmentation de la variabilité des régimes de précipitation et l'augmentation de la fréquence des cycles de gel et de dégel. Les conditions des essais encourus sont basées sur les caractéristiques physico-chimiques observées au site de Lower William Lake, en Ontario, qui a été restaurée au moyen de la méthode de la couverture saturée. Afin de valider l'hypothèse selon laquelle les changements climatiques pourraient nuire à la qualité des eaux de drainage sur les sites réhabilités par des recouvrements monocouches avec contrôle du niveau d'eau, deux différentes approches ont été utilisées pour quantifier les performances de la méthode de la couverture saturée. D'abord, l'impact de l'augmentation de la variabilité des régimes de précipitation sur la cinétique d'oxydation de résidus générateurs d'acide recouvert par une monocouche inerte a été étudiée en utilisant une approche géochimique, au moyen d'essais en colonnes de lixiviation. La composition chimique du lixiviat collecté et l'évaluation des caractéristiques physiques, chimiques et minéralogiques des résidus, mesurés avant et après l'essai, ont été utilisé comme indicateurs de performance. Ensuite, l'impact d'une hausse des cycles de gel-dégel sur le flux diffusif d'oxygène qui traverse un matériel de recouvrement inerte a été évalué en utilisant une approche physique, au moyen d'une cellule de diffusion à chambre double adaptée pour les températures de gel. L'efficacité du matériel de recouvrement à limiter la diffusion de l'oxygène a été quantifié en évaluant l'évolution du coefficient de diffusion de l'oxygène et des caractéristiques géotechniques du recouvrement en condition partiellement saturée en fonction du nombre de cycle de gel. / This thesis investigates the performances of saturated covers as a waste management strategy for the prevention of acid mine drainage in the context of climate change in Canada. Two anticipated impacts of climate change were studied, namely the increase in precipitation regime variability and the increase in freeze and thaw cycles frequency. It is believed that climate change could adversely impact water quality on sites rehabilitated with saturated covers. To validate this hypothesis, two different approaches were used. Testing conditions for the experiment described in this thesis were based on the physical and chemical characteristics historically measured at the Lower William Lake site in Ontario. First, the impact of an increased precipitation regime variability on the oxidating kinetic of acid generating tailings rehabilitated using the saturated cover method was investigated from a geochemical point of view, using trickle leach columns. The chemical composition of the leachate and the evaluation of the physical, chemical and mineralogical characteristics of the tailings, measured before and after the column study, were used as performance indicators. Secondly, the impact of an increase in freeze and thaw cycles on the diffusive flux of oxygen passing through an inert material cover was evaluated using a physical approach, using a double chamber diffusion cell adapted for freezing conditions. The efficiency of the cover material to prevent oxygen diffusion was quantified by evaluating the evolution of the oxygen diffusion coefficient and the geotechnical properties of the partially saturated cover material as a function of the number of freeze and thaw cycles applied.

Le drainage minier acide constitue un problème d'une importance majeure pour l'industrie minière. Au Canada, les exploitations minières sont maintenant tenues depuis quelques temps de restaurer et de réhabiliter les aires d'accumulation de résidus miniers et de stériles après cessation des activités. Actuellement, il existe très peu de solutions éprouvées en vue de prévenir et / ou de contrôler le drainage minier acide dans une halde à stériles. Cependant, il existe quelques méthodes prometteuses d’empilement des stériles avec des matériaux fins telles que la co-disposition, l’entremêlement par couches et l’encapsulation (couvertures supérieure et inférieure). Ces méthodes sont basées sur l’utilisation de matériaux fins disposés en couche jouant le rôle de barrières capillaires qui doivent demeurer saturées même en période de sécheresse, de manière à diminuer la diffusion de l'oxygène et ralentir le mouvement de convection thermique de l'air. Ces couches peuvent être constituées de résidus miniers, disponibles en grande quantité sur place. Ces résidus eux-mêmes générateurs d'acidité, pourraient être neutralisés par des résidus industriels fins et basiques tels que les poussières de four de cimenterie et des boues rouges d'aluminerie. Cette problématique générale a fait l’objet de nos travaux. Afin de vérifier l'efficacité de la technique de mélange proposée, des essais en conditions statiques (batch) et en conditions dynamiques (colonnes) ont été poursuivis en laboratoire. Les résultats obtenus en batch avec des résidus se voulant représentatifs ont mis en évidence le pourcentage minimum (10% en poids) requis en ajout alcalin pour obtenir une neutralisation efficace. Ils ont aussi permis de documenter les interactions chimiques entre les différents matériaux. Les essais en colonnes ont permis d’observer le comportement hydrogéochimique engendré par les différentes dispositions de matériaux fins et de stériles. Ainsi, une couche de matériaux fins disposée sous des stériles offrira une meilleure neutralisation à court terme, tandis qu’une couche disposée au-dessus offrira une meilleure neutralisation à long terme. La co-disposition des matériaux ne permet quant à elle qu’une neutralisation limitée dans le temps. Enfin, une extraction séquentielle a permis de s’assurer de la bonne fixation des métaux. / Acid mine drainage (AMD) is the most serious environmental problem facing the mining industry. AMD is formed when sulfide minerals in waste rock or tailings are oxidized in the presence of water and oxygen to form highly acidic, sulfate and metals-rich drainage. Some methods exist to reduce the formation of AMD in a waste rock pile: layered co-mingling, cover, liner and co-disposal of waste rock with fine materials to limit oxygen fluxes. These methods are based on the use of mine tailings. The aims are to limit the transfer of oxygen and water in a waste rock pile during its construction and reduce thermal gas convection. However, mine tailings can themselves generate AMD and need to be neutralized by the addition of alkaline material. The purpose of this study is to evaluate the capacity of alkaline industrial wastes to neutralize tailings. Alkaline industrial wastes which were selected are cement kiln dust (CKD) and red mud bauxite (RMB). These alkaline materials are used to keep neutral conditions even if water saturation is disrupted. A series of batch leaching tests and column leaching tests were conducted in order to investigate the long-term neutralization potential of alkaline materials and the quality of the drainage water. The batch leaching tests have indicated the minimum percentage (10%) of alkaline material required to keep neutral pH conditions, and to discern whether mineral solubility controls exist for particular elements. Column leaching tests have shown the hydrogeochemical behaviour of different dispositions of materials. When the fine-grained layer overlays reactive waste rock, a delay was observed before obtaining near neutral pH. In the cases where the fine-grained layer is below or mixed with the waste rock, the near neutral pH values are directly reached. The co-disposition offers short-term neutralisation only. Finally, a sequential extraction method was used to determine the degree of fixation of metals.

Thèse de doctorat : Dynamique et environnement sédimentaires : Lille 1 : 2001. / N° d'ordre (Lille) : 3051. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 219-228.

Les boues rouges sont des résidus alcalins du traitement de la bauxite pour produire de l'alumine dans les alumineries. Elles peuvent traiter de façon efficace les affluents acides produits par les exploitations minières. Le Bauxsol provient d'un procédé de traitement des boues rouges à l'eau de mer développé par la compagnie Virotec International Ltd. Le Bauxsor"^ peut être utilisé de diverses façons : par arrosage direct sur les piles de résidus ou de stériles miniers (traitement actif) ou par barrière perméable réactive (traitement passif). Pour ce mémoire, il sera question de l'évaluation de performance d'une barrière perméable réactive à base de divers mélanges de Bauxsor*^ avec du matériel commun. Des essais ont été menés en laboratoire avec un système de plusieurs colonnes de plexiglas pour bien simuler ce type de traitement passif L'ajout d'un matériel au média réactif s'est fait dans le but d'augmenter la porosité à l'intérieur des colonnes pour réduire ou même empêcher le colmatage de ces dernières par les dépôts. Les résultats de ces expérimentations ont démontré que le Bauxsol^*^ offre un très bon potentiel de traitement et qui est possible de réduire l'effet de colmatage à l'intérieur des colonnes en ajoutant un matériel poreux au Bauxsol^"^ et en réduisant le débit d'alimentation. / Red mud is an alkaline residue from the bauxite treatment to produce alumina in the aluminium smelters. The residue can effectively treat the acid effluents produced by mining operations. Bauxsol^'^ is produced form red mud using a seawater treatment developed by the company Virotec International Ltd. Bauxsol can be used in many ways: by direct vaporization of Bauxsol on mine tailings or waste piles (active treatment) or by permeable reactive barriers (passive treatment). In this thesis the performance of Bauxsol^'^ as a reactive material in permeable reactive barriers is evaluated using various mixes of BauxsoF"^ and inert materials. Laboratory tests have been carried out in several Plexiglas columns in order to better simulate this type of passive treatment. Inert materials were added to the reactive media (Bauxsol ^'^) in order to increase porosity and to reduce or prevent clogging inside columns. The results of these experiments showed that Bauxsol^"^ offers a very good treatment potential and that it is possible to reduce the clogging effect inside the columns by mixing BauxsoF*^ with a porous material and by reducing the leaching rates.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique et environnement sédimentaire : Lille 1 : 2001.

Le site minier Aldermac, générateur de drainage minier acide (DMA), entraîne de graves conséquences sur l'environnement et aucune méthode n'a permis jusqu'à maintenant de remédier complètement à la situation. Afin de mettre en place des méthodes de restauration efficaces, il est donc nécessaire d'acquérir des connaissances supplémentaires sur les associations plantes-microorganismes du site à DMA. Tout d'abord, les champignons (Eumycota) cultivables de quatre plantes pionnières présentes sur le site minier ont été énumérés par la méthode du nombre le plus probable (NPP). Puis, les ectomycorhizes et les endophytes racinaires cultivables sur milieu Melin-Norkrans modifié (MNM) ont été isolés et identifiés par biologie moléculaire. Ensuite, la teneur en minéraux du sol et de la biomasse des plantes a été quantifiée par spectrométrie afin de déterminer les principaux facteurs influençant la structure et la composition des champignons racinaires. Finalement, quelques isolats ont été caractérisés afin de déterminer leur production de sidérophores et leur profil métabolique. Les résultats suggèrent que les dénombrements fongiques dans la rhizosphère et le sol et les indices de diversité des champignons racinaires étaient généralement inférieurs sur le site minier comparativement à ceux du site témoin naturel, particulièrement en milieu humide, favorisant l'isolement des endophytes cloisonnés sombres (DSE). L'analyse des teneurs minérales a démontré que les genres fongiques Phialocephala, Cadophora et Mortierella étaient associés à certains minéraux. Les genres Trichoderma, Leptosphaeria, Mortierella, Mucor et Penicillium se sont démarqués par leur production rapide de sidérophores, tandis que les genres Mortierella, Galerina, Tetracladium et Phialocephala se sont démarqués par leur métabolisme du carbone élevé. Les genres Pochonia, Mollisia, Apiotrichum, Trichoderma et Pholiota possèdent un profil métabolique similaire à celui de la communauté fongique du résidu minier. En conclusion, certains isolats fongiques peuvent présenter un intérêt comme inoculant en milieu humide pour la bioremédiation du site minier Aldermac et des essais supplémentaires doivent être envisagés. / The Aldermac mine site, generator of acid mine drainage (AMD), has serious consequences on the environment and no method has so far been able to completely remedy the situation. In order to implement effective restoration methods, it is necessary to acquire additional knowledge on plant-microorganism associations from the AMD site. First, the cultivable fungi of four pioneer plants present on the mine site were enumerated by the most probable number (MPN) method and the ectomycorrhizae and root endophytes cultivable on modified Melin-Norkrans medium (MNM) were isolated and identified by molecular biology. Then, the mineral content of soil and plant biomass was quantified by spectrometry to determine the main factors influencing the structure and composition of root fungi. Finally, some isolates were characterized in order to determine their production of siderophores and their metabolic profile. The results suggest that the fungal counts in the rhizosphere and bulk soil and the indices of root fungal diversity were generally lower in wet environments at the mine site compared to those at the natural site, favoring the isolation of dark septate endophytes (DSE). Analysis of mineral contents showed that fungal genera Phialocephala, Cadophora and Mortierella were associated with certain minerals. Genera Trichoderma, Leptosphaeria, Mortierella, Mucor and Penicillium stood out for their rapid production of siderophores, while Mortierella, Galerina, Tetracladium and Phialocephala stood out for their high carbon metabolism. The genera Pochonia, Mollisia, Apiotrichum, Trichoderma and Pholiota have a metabolic profile similar to that of the fungal community in the mine tailings. In conclusion, some fungal isolates may be of interest as a wetland inoculant for Aldermac mine site bioremediation and further testing should be considered.

Cette étude visait à étudier la capacité d’un biodéchet calcitique seul ou en mélange avec de matériaux chimiques alcalins ainsi que l’efficacité du procédé d’électro-activation dans la neutralisation de l’acidité et le maintien de conditions alcalines dans un résidu minier sulfuré (RMS). Dans une première série d'expériences, l’évolution du pH du RMS traité avec divers amendements a été suivie en fonction de doses croissantes de coquilles d'œufs de poule (COP) ajoutées seules (2, 4, 6, 8 et 10%) ou en mélange avec 1 et 2% de ciment Portland, 1 et 2% d’oxyde de magnésium (MgO), 1 et 2% de chaux calcique et 1 et 2% de chaux dolomitique. La plus forte dose de COP (10 %) a augmenté la valeur de pH de 2,61 (sans ajout d’amendement) à 7,24. Cependant, les échantillons de RMS mélangés avec COP + ciment (1 – 2%) ou COP + MgO (1 – 2%) avaient un pH très élevé (≥ 8). Les résultats suggèrent que les composés de magnésium ou les produits calcaires riches en oxydes, en hydroxydes et en carbonates, présents dans les RMS chaulés, fournissent une protection à longue terme contre l’acidification anthropique des RMS chaulés. Dans une deuxième série d'expériences, plusieurs essais ont été effectués pour évaluer l’efficacité du procédé d’électro-activation utilisant deux compartiments, l’anode et la cathode, et certains paramètres géométriques, électriques, qualitatifs et quantitatifs, dans la neutralisation de l’acidité des suspensions de RMS introduites dans le compartiment cathodique. Tous les traitements ont influencé de façon significative les valeurs de pHcatholyte. Les résultats ont démontré que l’électro-activation permettait de neutraliser efficacement l’acidité du RMS seul ou en mélange avec COP et également d’obtenir des valeurs de pH fortement alcalines (pHcatholyte 8,0 – 10,0). En outre, l’électro-activation utilisant trois compartiments a permis d’éliminer 80% du fer ferreux d’une solution de FeSO4·7H2O. / This study aimed to investigate the capacity of a calcite biowaste alone or mixed with alkaline chemical materials and the efficiency of the electro-activation process in neutralizing acidity and maintaining alkaline conditions in a sulfide mine tailing (SMT). In a first set of experiments, chicken eggshell residue (CES) alone (2, 4, 6, 8 and 10%) or mixed with cement concrete (1 – 2%), MgO (1 – 2%), calcitic limestone (1 – 2%) or dolomitic limestone (1 – 2%) was used to neutralize sulfide mine tailing (SMT) acidity and to precipitate trace metallic elements. The highest rate of CES (10%) increased the initial tailing pH value from 2.61 (without amendment) to 7.24, indicating that CES had sufficient lime value to increase the pH of acid SMT. However, the SMT samples mixed with either CES + cement (1 – 2%) or CES + MgO (1 – 2%) had a high pH (≥ 8). The results suggested that magnesium compounds and calcareous products rich in hydroxides, oxides and carbonates present in limed SMT would provide long-term protection against acid deposition or re-acidification of limed SMT. In a second set of experiments, several trials were carried out to assess the effectiveness of electro-activation process composed by two compartments, anode and cathode, under different electric, geometrical, quantitative and qualitative parameters, in neutralizing acidity and maintaining alkaline conditions in a SMT alone or mixed with CES introduced into the cathode compartment. All treatments significantly influenced the pHcatholyte. The results demonstrated that electro-activation process is capable of neutralizing the acidity of RMS alone or mixed with COP and also to achieve alkaline pH conditions (pHcatholyte 8.0 – 10.0). In addition, the electro- activation process using three compartments can remove up to 80% of ferrous iron from an aqueous FeSO4·7H2O solution.

Le Brésil et le Canada sont deux pays dont l’activité minière joue un rôle économique très important. Dans ces pays, les investissements dans l’exploitation d’une ressource minérale sont souvent associés aux besoins des marchés nationaux et internationaux. En même temps, nous ne pouvons pas négliger les impacts sur l’environnement associés à cette activité. Au Brésil, l’ancienne mine d’uranium de l’INB est responsable des impacts majeurs sur l’environnement de la région de Caldas, à Minas Gerais. À part la problématique de la radioactivité inhérente à l’uranium, la présence de sulfures dans les roches stériles et dans les résidus miniers est la cause de la génération du drainage acide, lequel peut affecter les eaux de surface et souterraines. Malgré des instruments légaux brésiliens très pertinents, les démarches entreprises par cette compagnie minière sont encore plutôt palliatives et l’extension de la problématique du drainage acide ne cesse de s’accroître sur ce site. Cette problématique environnementale a été bien étudiée par le secteur minier canadien, dû à sa présence dans plusieurs sites miniers. Ainsi, nous sommes allés chercher l’expertise acquise dans la région uranifère d’Elliot Lake, en Ontario, et dans la région minière de l’Abitibi, au Québec. Les gouvernements et l’industrie minière canadienne se sont impliqués dans le développement de politiques et de programmes de recherche qui visent la compréhension et la minimisation de cette problématique. Des investissements majeurs ont été requis et plusieurs solutions technologiques ont été mises en place. Ces solutions ne sont pas encore efficaces à 100% et demandent un suivi à très long terme, cependant la problématique est significativement minimisée et la performance environnementale du secteur minier canadien est beaucoup en avance sur le secteur minier brésilien. Les démarches politiques et technologiques entreprises au Canada peuvent servir d’exemple au secteur minier brésilien, et plusieurs technologies environnementales peuvent ainsi être évaluées et adaptées par l’INB, à Poços de Caldas. Le développement de politiques environnementales de coopération internationale, en particulier entre le Brésil et le Canada, pourrait jouer un rôle important dans la minimisation des problématiques environnementales brésiliennes, pays moins développé et dont le pouvoir d’investir en technologie environnementale est limité. / Mining has been historically recognized as one of the most important sources of economic activity in the world. Environmental hazards are intrinsically related to this activity. New environmental policies and mining technologies are continually being discussed in many countries. Nowadays acid mine drainage and other waste streams are the biggest challenges for the worldwide mining industry. The generation of acid drainage at the uranium mine from the brazilian governmental company INB has been recognized as an environmental hazard to the Poços de Caldas region. Despite all the political and technological steps taken by this company, the environmental impacts are still a problem at the uranium mine. With the goal of solving the problems resulting from acid mine drainage in the mining sector, Canada has developed many policies and research programs. Some technological alternatives have been implemented and evaluated by the canadian government and mining companies. These alternatives are not yet 100% efficient and are not long-terme solutions. Monitoring for many years or centuries will be necessary. However, the environmental performance of the the canadian mining sector is notably better than brazilian mining sector. Consequently, all the steps realized by the canadian government and mining industry can be a good example to the brazilian mining sector. Some technological alternatives developed in Canada to minimize acid mine drainage generation can be evaluated by the brazilian government and applied to the environmental management of the INB uranium mine. The development of international environmental policies is also an important tool to minimize environmental problems in some countries whith limited capacity to invest in environmental technologies. / A antiga mina de urânio das Indústrias Nucleares do Brasil, situada no Complexo Mínero industrial de Poços de Caldas/CIPC, em Minas Gerais, no Brasil, cujas atividades de explotação mineral foram encerradas em 1995, é responsável pela geração de drenagem ácida. A drenagem ácida é decorrente da presença de sulfetos, mais especificamente a pirita, na jazida mineral, na rocha estéril et nos rejeitos da mineração. Constitui um impacto ambiental que pode contaminar as águas superficiais e o lençol freático. Consequentemente, a flora, a fauna, as atividades agro-pastoris e a saúde da população local podem ser afetadas. Apesar da existência de uma legislação ambiental brasileira abrangente e, inclusive, de uma Lei de Crimes Ambientais extremamente rigorosa, as medidas adotadas por essa empresa estatal com o intuito de minimizar os impactos e os riscos ambientais decorrentes da atividade mineral no CIPC, são extremamente pontuais e paliativas. Desta forma, a ocorrência de drenagem acida é frequentemente encontrada dentro dos limites deste complexo minero-industrial. No Canadá, diversas políticas governamentais e programas de pesquisa foram desenvolvidos em colaboração com a indústria mineral, afim de caracterizar e minimizar os impactos decorrentes da geração de drenagem ácida, problemática associada à diversas minas canadenses em explotação ou desativadas. Com o intuito de solucionar o problema ambiental encontrado no CIPC, as alternativas tecnológicas adotadas em diversos sítios minerais canadenses foram avaliadas. As pesquisas centrarem-se mais especificamente na regíão uranífera de Elliot Lake, em Ontario et na região mineira da Abitibi, em Quebéc. Apesar das alternativas adotadas no Canadá não serem consideradas 100% eficazes, e necessitarem de um monitoramento durante alguns séculos, os impactos e os riscos ambientais de maior magnitude foram minimizados. Consequentemente, as medidas políticas e técnicas adotadas no Canadá, constituem um exemplo a ser avaliado pelo governo brasileiro durante a elaboração de um plano de gestão ambiental adequado ao CIPC. Dentro deste contexto, o desenvolvimento de políticas ambientais de cooperação internacional, inclusive entre o Brasil e o Canadá, é considerado um instrumento extremamente importante a ser utilizado para a compreensão e minimização dos impactos e riscos ambientais relacionados às atividades de explotação mineral no Brasil.

L’exploitation minière d’un gisement contenant des minerais sulfurés peut mener à la production d’effluents acides. En effet, les stériles sulfures exposés aux éléments atmosphériques (air, eau) s’oxydent pour produire de l’acide sulfurique. Ce phénomène se nomme drainage minier acide (DMA). Outre le pH acide, ces effluents sont caractérisés par de fortes teneurs en métaux lourds et peuvent parcourir de grandes distances par la nappe phréatique. Le présent projet de recherche étudie l’utilisation d’une barrière perméable réactive (BPR) pour le traitement du DMA. Cette technique consiste à remplacer une partie du sol ceinturant le site problématique par un matériel ayant des propriétés détoxifiantes. Le matériel réactif évalué est un dérivé de boues rouges d’aluminerie, le BauxsolTM, développé par la compagnie Virotec International inc. La simulation des BPR est réalisée en utilisant cinq colonnes de Plexiglas contenant les mélanges réactifs à tester. L’effluent acide est pompé, selon différents débits, par le bas de la colonne et dix ports d’échantillonnages permettent d’étudier l’évolution des réactions. Les résultats démontrent que cette technique est efficace pour augmenter le pH et enlever les métaux de l’effluent. Ces derniers sont majoritairement adsorbés par les boulettes de BauxsolTM. En plus d’être intéressante économiquement, cette méthode s’inscrit dans un contexte de développement durable en revalorisant un déchet industriel. / Mining of sulphide ores can lead to the formation of acidic effluents. With the contact of air and water, the sulfide phase can be oxidized to produce sulfuric acid. This process is called acid mine drainage (AMD). These effluents are characterized by high concentrations of sulphate and metals, and a pH under 4. This project studies the use of permeable reactive barriers (PRB) to treat AMD. In a PRB, a reactive material is placed in the ground subsurface by excavating the aquifer material. The reactive material studied in these experiments was a pelletized form of alkaline residues from the aluminium extractive industry. The pellets, called BauxsolTM, were provided by Virotec International Inc. Results show that a PRB using BauxsolTM can treat acid mine effluents by removing heavy metals and increasing the pH. Metals are mainly trapped inside the pellets and the carbonates, that give the alkaline properties to BauxsolTM, are in a form that is slowly leachate. Therefore, a PRB using BauxsolTM present a feasible option using an industrial waste to treat another waste.