Méthodologie

Cette partie de l'étude se concentrera sur la modélisation du transport réactif pour le traitement du DM dans les RPB. En effet, la modélisation de transport réactif est un outil puissant pour analyser une grande variété de problèmes impliquant l’écoulement des fluides à travers les matériaux du sol (Ridge et al., 2005). Cette approche met en évidence des zones d'incertitude au sein d'un modèle conceptuel, éclaire des processus importants qui seraient autrement négligés et fournit une évaluation quantitative des processus complexes du système dans un intervalle d'incertitude limité (Mayer et al., 2006). En outre, elle peut être utilisée pour étudier le traitement du DM à la fois au laboratoire et à l'échelle de terrain, ce qui permet d'optimiser la conception (en termes de volume, de pente, etc.) du système de traitement.

De nos jours, il existe de nombreux logiciels de modélisation de transport réactif tels que PHREEQC (Parkhurst et Appelo, 1999), MINTRAN/POLYMIN (Molson et al., 2005), MIN3P (Mayer et al., 2002), Hydrogeosphere (Therrien et Sudicky, 1996), Sulphidox (Linklater et al., 2005) et TOUGH-AMD (Lefebvre, 1994).

En général, la modélisation du transport réactif, comme son nom l'indique, se compose de deux cadres: physique et chimique qui englobent les processus de transport physiques au sein du réacteur ainsi que les réactions biochimiques. Une brève description des caractéristiques de la modélisation du traitement du DM par les réacteurs biochimiques est présentée dans ce qui suit.

5.2.1 Cadre chimique

Généralement, les modélisations ou les simulations sont basées sur un modèle conceptuel qui devrait inclure les réactions biochimiques pertinentes susceptibles d’avoir lieu au sein des RPB (Amos et al., 2004):

 Réaction de réduction microbienne du sulfate,

 Réactions de dissolution/précipitation minérale,

Réduction microbienne du sulfate

En général, le taux de réduction des sulfates (Éq. 5.1) dépend de la vitesse de décomposition du carbone organique et des concentrations en sulfate (Tarutis et Unz, 1994; Westrich et Berner, 1984). Ce paramètre cinétique peut être calculé selon l’équation 5.1 (Amos et al., 2004):

𝑅_𝑆𝑂4 = −1₂∑𝑁𝑜𝑟𝑔𝑘_𝑖𝐺_𝑖

𝑖=1 [

[𝑆𝑂4]

𝐾𝑠+[𝑆𝑂4]] (5.1)

avec Ks, ki, Gi et Norg représentant respectivement la constante de demi-saturation, la constante de

vitesse pour la désintégration de la fraction i de la matière organique, la concentration de la fraction i et le nombre des fractions de carbone organique avec des réactivités différentes.

Réactions de dissolution/précipitation minérale

Les réactions de dissolution et de précipitation minérale peuvent être simulées sous la forme de réactions réversibles contrôlées cinétiquement en utilisant une expression de vitesse simple de la forme suivante (Steefel et MacQuarrie, 1996; Steefel et Van Cappellen, 1990):

𝑅 = −𝐾_𝑒𝑓𝑓(1 −𝑃𝐴𝐼_𝐾 ) (5.2)

où Keff est la constante de vitesse effective pour la dissolution de la phase minérale, PAI est le

produit d'activité ionique et K est la constante d'équilibre. Les valeurs des constantes d'équilibre sont habituellement prises à partir de bases de données telles que WATEQ4F (Ball et Nordstrom, 1991) et MINTEQA2 (Allison et al., 1991). Les réactions les plus probables de dissolution/précipitation minérale dans les RPB sont (Amos et al., 2004; Mayer, 2006):

Mackinawite : 𝐹𝑒2++ 𝐻𝑆− → 𝐹𝑒𝑆 + 𝐻+ (5.3) Siderite : 𝐹𝑒2++ 𝐶𝑂₃2−→ 𝐹𝑒𝐶𝑂₃ (5.4) Calcite : 𝐶𝑎2++ 𝐶𝑂₃2− → 𝐶𝑎𝐶𝑂₃ (5.5) Gypsum : 𝐶𝑎2++ 𝑆𝑂₄2−+ 2𝐻₂𝑂 → 𝐶𝑎𝑆𝑂₄∙ 2𝐻₂𝑂 (5.6) Millerite : 𝑁𝑖2++ 𝐻𝑆− → 𝑁𝑖𝑆 + 𝐻+ (5.7) Covellite : 𝐶𝑢2++ 𝐻𝑆− → 𝐶𝑢𝑆 + 𝐻+ (5.8)

Disulfide/S0 : 𝐶𝐻₂𝑂(𝑠) +2 3𝑆𝑂42−+ 1 3𝐻+ → 𝐻𝐶𝑂3−+ 2 3𝑆0 + 2 3𝐻2𝑂 (5.9) Réactions de complexation aqueuse/hydrolyse

Les réactions de complexation aqueuse et d'hydrolyse peuvent être fortement dépendantes des conditions chimiques, en particulier du pH, de la concentration de ligands complexants (tels que les ions carbonates), du Eh, de la température et de la force ionique (Clark et al., 1995 ; Waite et al., 1994).

En utilisant une base de données thermodynamiques telles que WATEQ4F (Ball et Nordstrom, 1991) et MINTEQA2 (Allison et al., 1991), les espèces aqueuses peuvent être identifiées puis incluses dans le modèle pour déterminer avec précision leurs solubilités.

5.2.2 Cadre physique

Le cadre physique implique la modélisation du flux d'eau à travers les matériaux poreux contenus dans les RPB. Cette modélisation requiert la connaissance des propriétés hydrauliques des matériaux et des lois qui régissent le mouvement de l'eau. Cette partie de l'étude se concentrera uniquement sur les paramètres physiques de la modélisation. L’écoulement de l'eau à travers les matériaux poreux a été décrit dans le chapitre 2 (section 2.4). Cependant, pour les lecteurs intéressés par les lois de mouvement de l'eau, ils peuvent consulter Hillel (1998).

Généralement, les simulations sont basées sur un modèle conceptuel qui devrait inclure plusieurs données, telles que:

• Paramètres physiques

- La dimensionnalité spatiale: approche unidimensionnelle (1D) ou bidimensionnelle (2D) ou tridimensionnelle (3D)

- Caractéristiques d'écoulements: débit, régime stationnaire ou transitoire, saturé ou non-saturé - La conception du bioréacteur (diamètre, épaisseur, hauteur, système d'inclinaison, etc.) • Propriétés des matériaux

- Porosité

5.2.3 Exemples de modélisation et choix de MIN3P

Le modèle MIN3P, développé par Mayer (1999), a été utilisé dans cette étude pour simuler l’écoulement et le traitement du DM durant les essais en colonne.

Plusieurs études ont utilisé ce modèle afin de simuler le traitement du DM synthétique ou réel suivant différentes dimensions du système à travers des barrières perméables réactives (BPR). Comme exemple, MIN3P a été utilisé par Amos et al. (2004) pour évaluer le traitement d’un DMA synthétique dans des colonnes unidimensionnelles (1D) en utilisant une expression de type Monod pour la réduction des sulfates. Afin de décrire les réactions géochimiques avec précision, ainsi que de déterminer la solubilité des minéraux, plusieurs composantes et espèces aqueuses ont été incluses dans le modèle. La calibration du modèle a été réalisée suivant les résultats des expériences qui ont été effectuées pendant 14 mois environ. Les résultats obtenus de la modélisation ont montré que le taux d’enlèvement des sulfates ainsi que la réactivité de la matière organique ont diminué de manière non significative en raison de la courte durée des essais ainsi que la forte charge en carbone organique.

MIN3P a également été utilisé pour la simulation du traitement d’un DMA réel pour une période de 23 mois à l’échelle de terrain. Ce DMA est issu d’une mine de nickel à Sudbury, Ontario, Canada. L’utilisation de MIN3P a permis d’inclure l’étude de l’effet des basses températures (Mayer et al., 2006). Dans cette étude, le modèle a été appliqué dans un plan vertical bidimensionnel (2D), afin d’évaluer la longévité du BPR tout en tenant compte de l'influence de l'hétérogénéité spatiale et des fluctuations saisonnières du DM à traiter. Les résultats ont montré que contrairement à la partie supérieure et inférieure de la barrière, l’efficacité d’enlèvement des sulfates était plus importante dans la partie centrale et qu’elle dépendait de la saison (elle augmentait avec la température). Ces résultats ont été en accord avec ceux obtenus sur le terrain pour les différentes concentrations en métaux, mais avec un taux d’enlèvement des sulfates inférieur d’un facteur de 1,5 fois celui mesuré sur le terrain.

Récemment, des modifications ont été apportées à MIN3P pour lui permettre de mieux calculer, via les équations de Pitzer, les activités des différentes espèces présentes dans l’eau à forte salinité (Bea et al., 2016; Su et al., 2017). Malgré que ces équations n’aient pas été utilisées dans des modèles de traitement du DM, MIN3P présente une approche prometteuse, souple et

polyvalente pour aider à évaluer l'efficacité à long terme des bioréacteurs, dans des conditions de climat nordique (salinité élevée et basse température).

5.3 Développement du modèle conceptuel

MIN3P a été utilisé pour mieux comprendre les résultats obtenus suite aux essais en colonnes décrits dans le chapitre 4 pour le traitement du DMA et DMN. En effet, pour chaque qualité du DM à traiter, un modèle conceptuel a été défini en fonction des mécanismes de traitement impliqués. Dans ce qui suit, les domaines physiques et chimiques qui ont été considérés seront développés.

5.3.1 Domaine physique

Les simulations ont été réalisées pour un écoulement homogène du DM et un transport vertical ascendant des composés dissous. Les modèles conceptuels considèrent une colonne cylindrique à parois imperméables comme un système unidimensionnel vertical, avec la même superficie que celle des colonnes expérimentales (Figure 4.1). La colonne est fermée aux deux extrémités à l’aide d’un couvercle perforé permettant d’assurer l’entrée et la sortie du DM. Trois couches de matériaux, de la base au sommet, ont été définies comprenant 5 cm de sable, 65 cm de mélange réactif et 5 cm de sable.

5.3.2 Domaine chimique

La caractérisation post-traitement des mélanges réactifs utilisés lors des essais en colonnes a montré que les mécanismes de traitement des métaux et des sulfates diffèrent selon la qualité du DM à traiter ainsi que les conditions opératoires imposées (Ben Ali et al., 2019c). Pour cette raison, les domaines chimiques définis dans le modèle conceptuel ont été établis en fonction de la qualité du DM à traiter.

Cas du DMN

Les mécanismes d’enlèvement des métaux qui ont été considérés pour le modèle simulant la colonne de traitement du DMN sont :



Cas du DMA

La réduction des sulfates en sulfures et la formation des sulfures métalliques font partie des mécanismes les plus importants pour le traitement du DMA. Pour cela, les mécanismes suivants ont été considérés lors du traitement :

 Réduction microbiologique des sulfates en sulfures;

 La précipitation des métaux sous forme d’oxy-hydroxydes, de carbonates et de sulfures;

 La sorption des métaux sur les oxy-hydroxydes de fer.

Les réactions chimiques les plus probables pour les dissolutions/précipitations des minéraux, déjà présents dans les RPB ou néoformés, utilisées dans le modèle conceptuel sont décrites dans la section 5.4.