Réutilisation des boues pour la prévention du DMA

L’utilisation des boues comme composante d’une barrière à l’oxygène d’une couverture avec effets de barrière capillaire pour prévenir le drainage minier acide lors de la restauration des sites miniers est l’une des dernières approches de valorisation des boues (Zink et al., 2010 ; Bouda et al., 2012 ; Demers et al., 2015a, b ; Mbonimpa et al., 2016 ; Demers et al., 2017).

Une couverture composée uniquement de boues n’est pas efficace à long terme pour réduire suffisamment la migration d’oxygène en raison de l’apparition de fentes de dessiccation qui constituent des chemins préférentiels de l’écoulement de l’eau vers les résidus, ce qui favorise l’oxydation des résidus (Zink et al., 2010). L’utilisation des boues nécessite une mobilité très réduite des métaux. Cependant, ce recouvrement n’aurait pas libéré suffisamment d’alcalinité pour atténuer le risque de remobilisation des métaux comme le Fe et le Zn (Zink et al., 2010). Selon Rakotonimaro et al. (2017), l’ajout d’une quantité d’eau ou d’un couvert végétal au-dessus des

boues pourrait être un moyen d’améliorer l’efficacité de cette technique, puisque selon Zink et Griffith (2013), la présence d’eau sur les boues peut réduire de 10% la mobilité des métaux. Des scénarios de mélanges de 2% de boues et de 98% de rejets de concentrateurs comme système de couverture pour prévenir le DMA ont été testés mais les résultats n’ont pas été probants concernant la valorisation des boues à ce niveau (Zink et al., 2010).

Demers et al. (2015a, b) ont étudié le potentiel de valorisation des boues comme matrice mélangée à des résidus miniers pour prévenir le DMA. Ces études ont été faites à l’échelle de laboratoire et sur le terrain. Des tests de lixiviation en colonnes de laboratoire ont été effectués pour évaluer la performance de ces mélanges à contrôler le DMA produit par des résidus (Demers et al., 2015a). Afin d’étudier aussi plus en détails ces scénarios dans des conditions climatiques plus réalistes, des cellules expérimentales instrumentées de terrain ont été installées sur place pour évaluer la performance des mélanges à contrôler la production de DMA en conditions naturelles (Demers et al. 2015b). Un mélange composé de 25% de boues et de 75% de rejets de concentrateurs peut diminuer la migration de l’oxygène vers les résidus générateurs d’acide, mais qu’un mélange composé de boues et de stériles miniers réduisait temporairement l’oxydation des effluents miniers ainsi que la concentration en métaux (Demers et al., 2015b). De plus, Demers et al. (2015b) ont montré qu’un mélange composé de résidus, de 10% en masse de boues et de 2% en masse de ciment pourrait être un matériau qui réduirait l’oxydation des sulfures. Cependant, des études géotechniques et géochimiques ainsi que la stabilité à long terme des cellules expérimentales restent nécessaires pour la validation du potentiel de valorisation des boues à ce niveau (Demers et al., 2015b).

Une évaluation préliminaire du potentiel d’utilisation d’un mélange de sols et de boues avec une teneur en boues (ici : masse de boues humides /masse de sol humide) de 10 à 25%) pour constituer une couche de rétention d’eau d’une couverture à effet de barrière capillaire a été réalisée (Bouda et al., 2012 ; Mbonimpa et al., 2016). Ces auteurs ont démontré qu’un mélange de boues et de silt avec une teneur en boues de 25% présentait des propriétés hydrogéotechniques requises pour une barrière à l’oxygène d’une CEBC (une conductivité hydraulique de l’ordre de 10-5 _{cm/s et une}

pression d’entrée d’air de 30 kPa).

En perspective à cette étude préliminaire, Demers et al. (2017) ont ensuite investigué l’efficacité de ce mélange optimal de silt et de boues à constituer une barrière efficace de recouvrement de

résidus miniers générateur d’acide. Ces auteurs ont testé, au laboratoire (pendant 500 jours) et sur le terrain (pendant 4 ans), un mélange composé de 25% de boues et 75% de silt comme barrière à l’oxygène placée sur des résidus générateurs de DMA. Cette étude dont l’objectif consistait à surveiller les paramètres géochimiques (pH, conductivité électrique, teneur en métaux et en sulfates) et hydrogéologiques (teneur en eau, succion, débit des effluents) a montré que ce mélange reste une barrière efficace contre la migration de l’oxygène vers les résidus générateurs d’acide. Selon Mbonimpa et al. (2016), le défi majeur d’une utilisation optimale et efficace des boues dans les mélanges sols-boues (MSBs) est la teneur en eau massique naturelle très élevée des boues décantées dans les bassins (entre 150% et 300% sur le site Mouska-Doyon-Westwood). Cependant, cette quantité de boues dans le mélange pourrait être augmentée si un moyen de réduction de la teneur en eau des boues est trouvé. Ces auteurs ont fourni des outils pour estimer l’augmentation de la quantité de boues dans les mélanges si la teneur en eu initiales des boues était réduite (équation 2.6). Mb = β 1+ β (1+ wm)DR−m (1+ em) ρwHA (2.6)

Cette équation permet d’estimer la masse de boues humides Mb qu’on pourra utiliser dans une

couche de rétention d’eau d’une CEBC pour restaurer un site d’une superficie A et d’une épaisseur H avec un mélange de sols-boues ayant une teneur en boues β, une teneur en eau (wm) et une densité

relative (DR-m) compacté jusqu’à un indice des vides em.

La teneur en eau (wm), la densité relative (DR-m) et l’indice des vides (em) du mélange sont

respectivement calculés à l’aide des équations (équations 2.7, 2.8 et 2.9) suivantes : w_m = wi−sol(1+ wi−boues)+ βwi−boues(1+ wi−sol)

1+ wi−boues+β(1+ wi−sol) (2.7)

où wi-sol et wi-boues sont les teneurs en eau initiales du sol et de la boue.

D_R−m = DR−solDR−boues[(1+ wi−boues)+ β(1+ wi−sol)]

(1+ wi−boues)DR−boues+ β(1+ wi−sol)Dr−sol (2.8)

avec DR-sol et DR-boues les densités relatives du sol et des boues.

em =

wmDR−m

Sr (2.9)

La figure 2-7 montre quantitativement l’augmentation de la masse de boues humides d’un mélange sols-boues si la teneur en eau initiale des boues est significativement réduite. Dans cet exemple, nous avons supposé une couche de rétention d’eau d’un hectare (104 m2) de superficie avec une épaisseur d’un mètre constituée d’un mélange de sol-boues avec β = 25% et une teneur en eau initiale du sol de 12,5%. La teneur en eau, la densité relative et l’indice des vides du mélange sont obtenus selon les équations 2.7, 2.8 et 2.9. Dans ces conditions et avec un degré de saturation de 90%, si la teneur en eau des boues passait de 200% à 75%, la masse de boues utilisée pour cette couche passerait de 3716 tonnes à 3937 tonnes (figure 2-7), soit une augmentation de 6%.

Figure 2-7: Variation de la masse de boues humides utilisées dans une couche de rétention d’eau d’une CEBC vs teneur en eau des boues pour β = 25%

Cette augmentation de la quantité de boues dans les MSBs pour la restauration des sites miniers permettra d’une part, de vider, en partie, les bassins pour libérer un volume d’entreposage de boues (au lieu de créer de nouveaux espaces) et, d’autre part, de réduire considérablement la quantité de matériaux naturels d’emprunt requis pour la restauration des sites miniers. Dans cette optique, ces auteurs ont pu quantifier le volume que cette réutilisation des boues permettrait de libérer dans les

3700 3750 3800 3850 3900 3950 0% 50% 100% 150% 200% 250% Ma ss e d e b o u es (t o n n e)

anciens bassins de sédimentation et qui pourrait servir au stockage de nouvelles boues (figure 2- 8).

Figure 2-8: Volume de boues humides libéré d’un bassin de sédimentation en fonction de la teneur en boues du mélange

Cette figure 2-8 montre l’avantage au niveau des quantités de boues réutilisables si la teneur en boues dans le mélange est augmentée. Par exemple, pour le même cas supposé précédemment, si la teneur en boues du mélange sol-boues passait de 25% à 40%, le volume de boues utilisable passerait de 2000 m3 _{à 2857 m}3_{; ce qui permettra de libérer de l’espace pour le stockage de}

nouvelles boues et de réduire leur impact environnemental.

Ces auteurs ont aussi proposé une équation permettant d’estimer la réduction de la quantité de matériaux d’emprunt (ou masse de sol préservé Msol-p) que cette réutilisation des boues permettrait

(équation 2.10).

M_sol−p = [(1+ wi−sol)Dr−sol (1+ esol) −

(1+ wm)Dr−m

(1+ β)(1+ em)] ρwHA (2.10)

où esol est l’indice des vides du sol et ρw la masse volumique de l’eau. Les autres paramètres ont

été définis précédemment (équation 2.6, 2.7, 2.8 et 2.9)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Volu m e d e b o u es (m 3)

La figure 2-9 nous montre aussi l’avantage de l’augmentation de la teneur en boues dans le mélange sur la quantité de matériaux d’emprunt qu’on pourrait ne pas excaver par rapport à une couverture faite uniquement à base du sol seul.

Figure 2-9: Masse de sol d’emprunt préservé en fonction de la teneur en boues du mélange Pour toute chose étant égale par ailleurs, si la teneur en boues d’un mélange sol-boues, utilisé comme barrière à l’oxygène d’une CEBC, passe de 25% à 40%, la restauration d’un site d’une superficie d’un hectare et d’une épaisseur d’un mètre permettrait de préserver 2471 tonnes de sol à ne pas excaver et d’économiser sur les coûts de transport des matériaux puisque les boues sont généralement situées à proximité du site.

Cette étude réalisée par Mbonimpa et al. (2016) était néanmoins préliminaire car elle était basée uniquement sur un seul type de sol (silt) et sur un seul type de boues provenant du site Mouska- Doyon-Westwood. Cependant, dans une perspective de valider cette approche de valorisation des boues et de diversifier l’utilisation des mélanges sols-boues lors de la restauration des sites miniers, ces auteurs ont recommandé une répétition des procédures d’essais sur d’autres types de sols (notamment les matériaux granulaires) et de boues, des études supplémentaires (pour évaluer la possibilité de réduction de la teneur en eau des mélanges sols-boues) ainsi que l’étude de la stabilité chimique à long terme de ces mélanges de sols et de boues.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Ma ss e d e sol (to n n e) Teneur en boues (%)