Modélisation des Interactions eau-roche et gestion de drainage minier acide avec PHREEQC

Les études d'interactions fluide-roche ont pour but de décrire, quantifier et prédire les changements de compositions chimiques et minéralogiques des phases solides et liquides dans des systèmes naturels au cours du temps. Ces études ont pris une importance croissante durant ces dernières années, tant du point de vue de la compréhension théorique des systèmes naturels, que par les applications très concrètes qui en résultent. Les grandes directions de  ces développements sont l'exploitation des ressources énergétiques et des matières premières de la croûte terrestre, ainsi que les aspects liés à la qualité des milieux naturels. Par exemple: l'exploitation des ressources géothermiques de basse et haute  enthalpie, les réservoirs de type "hot dry rock", le stockage et l'exploitation des hydrocarbures, les études des gisements métallifères et des fluides minéralisateurs, l'extraction des métaux (ou du sel, depuis déjà fort longtemps) par des fluides, les polluants organiques et inorganiques des aquifères (mobilité, dégradation,...), le stockage des déchets spéciaux et radioactifs, l'acidification des bassins versants (pluies acides) et l'impact sur l'environnement de produits anthropogènes (mobilité du plomb), l'étude des processus érosifs et leur quantification, l'assainissement d'eaux naturellement toxiques: les eaux acides des roches sulfurées ou les empoisonnements causés par l'arsenic [8].

Dans les différents projets miniers auxquels il participe, le géologue doit être attentif aux problèmes de migration des contaminants et aux contrôles hydrogéologiques appropriés dans le cas des rejets miniers entreposés et des  lixiviats générés. C’est ainsi que dans  les  projets  d’entreposage  de  rejets  miniers, en plus de la stabilité géotechnique des ouvrages de surface construits pour l’entreposage et le confinement des rejets solides et liquides, d’autres préoccupations existent comme la prédiction, la prévention et le contrôle du drainage minier acide (DMa) associé à l’oxydation des minéraux sulfureux, tels la pyrites et la pyrrhotite. Lorsqu’ exposés aux conditions de surface, ces minéraux peuvent réagir avec l’eau et l’oxygène atmosphérique pour former un lixiviat acide favorisant la dissolution des métaux et autres  contaminants  susceptibles d’engendrer des  impacts défavorables  sur l’environnement. Le principal défi environnemental auquel doit faire face l’industrie minière est le contrôle de ces eaux acides, qui contiennent souvent une forte concentration de métaux lourds potentiellement toxiques. Dans ces cas particuliers, il faut mettre en place des méthodes de contrôle qui seront efficaces à long terme (ex : système de traitements passifs du drainage minier acide, recouvrements multicouches, géomembranes, etc.) [3].

Les méthodes de prédictions du drainage minier acide comme  les essais statiques  (titrage  acide base),  les  essais  cinétiques  (essais  en  cellules d’humidité,  essais  en colonnes etc.) et la modélisation hydrogéochimique se sont beaucoup raffnés au fil des ans et font partie des outils utilisés par le géologue spécialisé dans le domaine de l’environnement minier.  Ces  outils  nécessitent  de  solides  connaissances  en  minéralogie,  géochimie, thermodynamique, hydrogéochimie, hydrogéologie, informatique et mathématique. PHREEQC est un programme puissant pour la modélisation hydrogéochimique de la spéciation chimique en solution aqueuse. Il est aussi utilisé pour déterminer les équilibres de charge et les états de saturation des phases minérales [11]. Le but de cette note est de présenter l’application du logiciel PHREEQC dans la modélisation des interactions eaux–roches ainsi que dans la gestion de drainage minier acide.

Le drainage minier acide  résulte de  la  circulation d’eaux  acides produites par  l’oxydation de  sulfures dans divers matériaux miniers  (parc à  résidus, haldes de stériles, minerais, galerie de mine, fosse, etc.). Ces eaux de drainage minier acide sont caractérisées par un bas pH et des concentrations élevées en métaux  et  sulfates.  les  eaux  contaminées du drainage minier acide proviennent de diverses exploitation  (métaux  précieux  et  de  base,  charbon  et  d’uranium).  L’acidité  produite  peut par  contre  être  neutralisée  par  la  dissolution  de  certains minéraux  ayant  un  potentiel  de neutralisation  comme  les  carbonates,  l’olivine magnésienne,  la  chlorite,  la  serpentine  etc. [5]. la neutralisation du drainage minier acide par les minéraux ayant un pouvoir de neutralisation entraîne  la  formation  de  minéraux  secondaires  (gypse,  jarosite,  hexahydrite,  copiapite, ferrohexahydrite,  lépidocrosite,  goethite,  alunogène,  etc…)  qui  peuvent  incorporer  des métaux lourds et de l’acidité et former des horizons indurés dans les parcs à résidus miniers en cours d’oxydation. Il  existe  toutefois  d’autres  types  de  drainages  miniers  pouvant  présenter  une  situation environnementale problématique (alcalins, neutre, eaux saumâtres etc..) [3].   

Des études ont démontrées que les décharges de drainage minier acide causent une pollution environnementale dans des nombreux pays qui ont des industries minières. Ainsi, les eaux de drainage minier acide doivent être préalablement traitées avant leur entreposage. Les processus de traitement utilisés sont différents d’un site à l’autre et dépendent de la qualité de l’eau et de sa composition. Cependant, les études montrent que la combinaison de traitement par des processus chimiques est la technique la plus effective pour le traitement de drainage minier acide. Cette technique permet d’extraire les métaux de l’eau et de neutraliser le pH. Etant donné que les techniques de traitements différents d’un site à l’autre, les investigations pour le processus de traitement doivent être menées pour chaque site de manière particulière. L’usage du logiciel PHREEQC développé par l’US Géologique Survey (USGS) en 1999 est désigné pour réaliser une très grande variété des calculs géochimique en solution aqueuse: calcul de la spéciation chimique et des indices de saturation par exemple. Le model issus de PHREEQC peut être utilisé pour estimer l’efficience et la quantité chimiques nécessaires pour des processus de traitement. Ceci aide pour le support de décision prise pour la sélection de processus de traitement [10].

Nantaporn N., Vineeth V. et Khokiat K. (2014), ont développé une méthode permettant d’appréhender le processus de traitement des drainages miniers acides. Pour ce faire, ils ont fait usage de la modélisation hydrogéochimique avec PHREEQC pour évaluer la performance de processus de traitement de drainage minier acide sélectionné. En effet, le logiciel PHREEQC a été utilisé pour calculer les réactions géochimiques à l’équilibre en se basant sur les bases de données disponibles faisant usage des activités et équation d’action de masse.  La précipitation des phases solides nouvellement formées peuvent contrôler le sort de contaminants de drainage minier acide dans les réactions de neutralisation. Ce processus peut être prédit à partir de solution par des modèles thermodynamiques et doit être corroboré par la caractérisation des produits solides finals. Le logiciel PHREEQC avec la base de donnée pour le model de spéciation MINTEQ a été appliquée pour déterminer la spéciation chimique en solution aqueuse et les indices de saturation des phases solides [(SI=log(IAP/KS), avec SI est l’indice de saturation, IAP est le produit d’activité ionique et KS est le produit de solubilité]. Les valeurs de SI correspondant à zéro, valeur négative ou positive  indiquent respectivement que la solution est en équilibre, sousaturée ou sursaturée par rapport à la phase solide (minéral). Pour un état de sous saturation, la dissolution de la phase solide est espérée et une sursaturation indique une précipitation.

Ayant sélectionné un système de traitement de drainage minier acide, ils ont montré que le model issus de PHREEQC permet d’estimer les quantités chimiques nécessaires pour traiter les décharges. La composition de l’effluent final a aussi été déterminée pour atteindre le critère de qualité de l’eau de décharge. le logiciel PHREEQC a été utilisé pour calculer les précipitations et les dissolutions qui peuvent avoir lieu après que les venues d’eau ont été mélangées; pour déterminer le changement de la chimie de l’eau dans un environnement réducteur où a lieu la réduction des ions Fe³⁺ en Fe²⁺, S⁶⁺ en S^2- , ce qui favorise la précipitation des métaux sulfurés (C’est ainsi que le calcul des phases réduits et la précipitation de métaux sulfurés et des autres a été réalisée); pour estimer la quantité de chaux nécessaire pour neutraliser l’acidité et pour calculer la quantité de soude caustique nécessaire pour élever le pH jusqu’à 9.5 quant a lieu la précipitation de Mn.

Pour plus d’information

[1] Akcila, A. and Koldas, S.( 2006) Acid mine drainage (AMD): causes, treatment and case studies. Journal of Cleaner Production. 2006, 14, 1139-1145.

[2] Aubertin  M,  Bussiere  B,  Bernier  l.r.  (2002)  Environnement  et  gestion  des  rejets  miniers.   CD-rOM, Presses Internationales Polytechnique, Montréal

[3] Bernier l. r., L’environnement et la gestion des rejets miniers :  le rôle du géologue, Ordre de geologue du Quebec

[4] Bernier l. r., aubertin M, Dagenais aM, Bussiere B, Bienvenu l, et Cyr J (2001) Limestone drain design  criteria  in AMD  passive  treatment  :  theory,  practice  and hydrogeochemistry monitoring at  Lorraine Mine  Site,  Temiscamingue.  CIM Minespace  2001  annual meeting  proceedings technical paper 48. 9p, CIM, Quebec.

[5] Bernier l.r., (2005). The potential use of serpentinite in the passive treatment of acid mine drainage: batch experiments. environmental geology, vol 47, no 5, pp 670-684.

[6] Bernier l.r., Bédard, C., lemieux  J., et latour F. (2005). Plan de  fermeture et  restauration du parc à résidus miniers de la mine Bouchard-Hébert. Symposium 2005 sur l’environnement et les mines. rouyn Noranda.

[7]  Johnson, D. B. and Hallberg, K. B. (2005) Acid mine drainage remediation options: a review. Science of the Total Environment. 2005, 338, 3-14.

[8] Marc-Henri Derron(2000), Geochimie des eaux de sources et interactions eau-roche dans les alpes. Résume du cours donné dans le cadre du module "Altération et minéralogie industrielle" du Dr. Ph. Thélin, avril 2000, pour les étudiants de géologie des universités de Lausanne et Genève.www.quanterra.org  

[9]  McCauley, C. A., O'Sullivan, A. D., Milke, M.W., Weber, P. A., and Trumm, D. A. (2009) Sulfate and metal removal in bioreactors treating acid mine  drainage dominated with iron and aluminum. Water Research. 2009, 43, 961-970.

[10] Nantaporn Noosai, Vineeth Vijayan, Khokiat Kengskool. (2014) Model application for acid mine drainage treatment processes. International Energy & Environment Foundation. Volume 5, Issue 6, 2014  pp. 693-700

[11]  Parkhurst, D.L., Appelo C.A.J. (1999) User's Guide to PHREEQC (Version 2) A Computer Program for Speciation, Batch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse Geochemical Calculations, USGS Water-Resources Investigations, Denver, Colorado, 1999.