Ingénierie écologique appliquée à la gestion intégrée de stériles et drainages miniers acides riches en arsenic – IngECOST-DMA

L’étude des procédés aérobie et anaérobie est réalisée en réacteurs de laboratoire, alimentés en continu pendant quelques semaines à plusieurs mois avec de l’eau synthétique ou de l’eau du site. Un module aérobie original, spécialement dédié au projet, a été conçu, permettant le contrôle de paramètres susceptibles d’affecter les rendements tels que la température, la lumière, la hauteur d’eau au-dessus du biofilm, le temps de séjour et la nature du support solide. Des mesures de différents paramètres clés tels que l’oxygène sont réalisées à micro-échelle au niveau du biofilm. La structure des communautés bactériennes du biofilm est caractérisée pour différentes conditions expérimentales. Une caractérisation précise des processus impliqués dans la précipitation biologique sélective des métaux est réalisée dans des expériences en mode discontinu, en utilisant différents substrats énergétiques. Un suivi des différentes formes chimiques des métaux et de l’arsenic en solution et des minéraux constituant les biofilms est réalisé à l’aide de différentes techniques d’analyse chimique et minéralogique, permettant d’élucider les processus mis en jeu, de déterminer leur cinétique et d’identifier les facteurs limitant les rendements. Certaines fonctions clés telles que l’oxydation de l’arsenic et la réduction des sulfates, qui conditionnent l’efficacité du procédé, sont ciblées. Les boues issues des dispositifs de traitement et les déchets miniers « primaires » issus du traitement du minerai, entreposés sur le site minier sont caractérisés pour leur contenu en éléments potentiellement valorisables (Zn, Pb, Ag, Sb, Ge…). Des essais de tri physique des résidus de traitement devraient permettre d’affiner la comparaison des scénarios de gestion de site: retraitement des résidus miniers ou confinement avec suivi/monitoring. Des essais de stabilisation des boues arséniées (mélange avec des additifs et des agents de cémentation) seront réalisés à échelle réduite.

- Conception d’un pilote aérobie permettant de reproduire le mécanisme d’atténuation naturelle observé sur les sites miniers et d’en optimiser l’efficacité en modulant des facteurs clés
- Obtention de lois de vitesse utilisables pour la modélisation des processus responsables de l’élimination de l’arsenic dans le procédé aérobie, permettant à terme la prévision des performances du procédé dans différentes conditions
- Des consortia de bactéries sulfato-réductrices capables de se développer à faible pH ont été sélectionnés. Elles se développent en présence d’un cocktail de métaux caractéristique des exhaures de mines à Pb/Zn. Leur croissance est corrélée à la précipitation de l’arsenic et du zinc, mais pas à celle du fer. Ce processus biogéochimique pourrait être exploité pour séparer le fer des métaux et métalloïdes toxiques présents dans les DMA.
- Observation de minéraux atypiques, riches en soufre, arsenic, aluminium et phosphore, dans les solides du réacteur anaérobie.

Si les deux procédés aérobie et anaérobie s’avèrent efficaces en terme de pourcentage d’arsenic éliminé, les essais visant à améliorer les vitesses de réaction et la formation de phases minérales stables doivent être poursuivis. En cela, l’ajout de certains nutriments a récemment fourni des résultats particulièrement intéressants et constitue une piste de recherche qui sera explorée dans le cadre du projet. La sélectivité du procédé anaérobie vis-à-vis de la précipitation de différents sulfures métalliques doit également être améliorée. Le projet devrait permettre d’accéder à des données assez génériques de comparaison de scénarii de gestion de site à résidus miniers (retraitement complet et stockage ultime - confinement avec suivi/monitoring).

Les résultats du projet ont donné lieu à un rapport technique sur la conception d’un pilote de traitement aérobie permettant le contrôle de paramètres influençant l’efficacité du procédé, deux rapports de stage étudiant niveau Master 1 et Licence Pro, un résumé étendu au congrès SGA sur la méthodologie d’évaluation du potentiel en éléments valorisables d’un site minier, deux communications orales et quatre communications par affiche dans des congrès nationaux et internationaux (Workshop Environmental Impacts of Mining and Smelting, 8-9 janvier 2015, Orsay, France ; Goldschmidt Conference, août 2015, Prague, République Tchèque; AFEM, 4–6 novembre 2015, Anglet, France ; 13th SGA Biennial Meeting, 24-27 août 2015 - Nancy, France ; Journée des Doctorants, Institut Montpelliérain de l'Eau et de l'Environnement (IM2E), 20 mars 2015, Montpellier, France.)

Les opérations minières produisent des quantités considérables de déchets solides résultant du traitement des minerais. Ces déchets contiennent des éléments toxiques, néfastes pour l'environnement et la santé humaine. Ils sont également susceptibles de contenir des éléments de valeur (Zn, Ge, terres rares, …). Composés toxiques et éléments de valeur sont transférés des déchets miniers vers le milieu aquatique du fait de l'oxydation des sulfures. Ce processus, appelé drainage minier acide (DMA), conduit à la dissémination d’éléments toxiques, parmi lesquels l'arsenic est particulièrement préoccupant, ainsi qu’à une perte d’éléments de valeur. A ce jour, il n'existe pas de stratégie intégrée satisfaisante pour les sites miniers contaminés par de l’arsenic, qui considèrerait à la fois le traitement passif des DMA riches en arsenic et les réserves potentielles d’éléments valorisables dans les déchets miniers.
Le projet IngECOST-DMA propose une approche pluridisciplinaire associant des microbiologistes, des ingénieurs en génie des procédés, des géochimistes, des minéralogistes, et des ingénieurs en matériaux, au sein d’un partenariat associant instituts académiques (CNRS, université, BRGM) et entreprises privées (SolEnvironment, IRH), afin de développer une stratégie intégrée pour la gestion de DMA riches en arsenic et de déchets miniers, basée sur :
- une combinaison de modules innovants de biotraitements aérobies et anaérobies passifs permettant l’élimination de l'arsenic et des métaux, tout en précipitant sélectivement les éléments de valeur. Ces biotraitements utiliseront la capacité naturelle des micro-organismes colonisant les DMA à oxyder ou réduire les composés inorganiques tels que le fer et le sulfate. Ils seront tout d'abord étudiés séparément puis associés en série. Les processus biogéochimiques et les communautés microbiennes responsables de la remédiation dans ces systèmes seront étudiés en détail, afin d'améliorer leurs performances. Ces options de biotraitements seront étudiées en laboratoire, puis testées sur le site de la mine de Carnoulès.
- une stratégie de gestion optimisée pour les différents déchets solides générés sur les sites miniers contaminés par l’arsenic : (i) les stériles miniers issus du traitement du minerai, et (ii) les boues arséniées issues des procédés de biotraitement combinés aérobie/anaérobie appliqués aux DMA. Cette stratégie inclura la caractérisation des solides, la définition d’essais en laboratoire adaptés pour la récupération d’éléments précieux et des expériences de stabilisation.
Un objectif secondaire du projet est de promouvoir, auprès des étudiants de l’enseignement supérieur, la valorisation de l’héritage minier et les technologies de remédiation.

Le projet IngECOST-DMA est novateur sur les aspects suivants :
- l'interaction entre modélisation biogéochimique et expérimentation afin d’optimiser la configuration des procédés,
- la proposition de combiner traitements passifs et récupération d'éléments valorisables,
- la proposition d’une approche intégrée pour convertir un dépôt de déchets ayant des impacts négatifs sur l'environnement en une source d’éléments de valeur, tout en réduisant la dissémination de substances toxiques.