Les eaux usées minières: vers la récupération des métaux précieux

L’exploitation d’une mine est intimement liée à une utilisation importante de l’eau. Les eaux utilisées dans le secteur minier proviennent de plusieurs tâches ; notons parmi elles les eaux de procédés, les eaux de refroidissement et les eaux de nettoyage. En 2009, Statistique Canada à révélé que les eaux de procédés représentaient la grande majorité des eaux utilisées dans le domaine minier, soit 72,5% d'entres elles. Ce fort pourcentage s'explique par le fait que les eaux de procédés sont liées à différentes utilisations telles les technologies de séparation, les technologies de retrait des métaux et le contrôle des poussières.

Avant d’aller plus loin, voici une courte vidéo qui aborde sensiblement le même sujet, mais d’un angle différent. 

 

Divers types de traitement

Dans les mines, les technologies de traitement des eaux sont très diversifiées et nécessitent souvent plusieurs étapes avant d’atteindre la qualité souhaitée. La première étape du traitement de l'eau dans le secteur minier consiste en le retrait du plus de solides possible. Pour ce faire, l’utilisation de tamis à barreaux, de différentes technologies de filtration, de bassins de sédimentation ou de tout autre type de séparation chimique ou physique peut être requise. En ce qui a trait aux séparations types de séparation physico-chimique, on retrouve la coagulation, la floculation, la décantation, et bien d’autres.

 

Coagulation et Floculation

Ces techniques de séparation physico-chimique sont très efficaces contre l’élimination des matières en suspension (MES), des matières dissoutes et des colloïdes.

La coagulation-floculation consiste en un procédé dans lequel les particules colloïdales s’agglomèrent à d’autres particules en suspension afin d’augmenter leur taille et leur masse dans le but qu’elles soient séparées ultérieurement grâce à la filtration ou à toute autre méthode de séparation. Pour être entamée, la coagulation-floculation nécessite l’ajout de produits chimiques (coagulants ou floculants).

Les coagulants cationiques fournissent une charge positive électrostatique permettant la diminution des charges négatives électrostatiques, et ainsi forcent les particules colloïdales à se rapprocher pour créer des particules plus massives. Les coagulants anioniques assurent le même transfert électrostatique, mais d'un point de vue opposé aux coagulations cationiques. Pour maximiser l’impact des coagulants et des floculants ajoutés, l’eau doit être secouée vivement en vue d’assurer une dispersion uniforme des produits chimiques. L’ajout d’une trop grande quantité de coagulants anioniques ou cationiques peut mener à l’inversement électrostatique complète de la masse d’eau et ainsi, ramener les particules colloïdales à leur état orignal. En revanche, un dosage trop élevé de floculants n’aura pas d’impact négatif sur le traitement.

Souvent présentées comme étant un seul et même procédé, la coagulation et la floculation comportent quelques différences. Bien que ces procédés soient très semblables, la coagulation affecte les matières dissoutes (MDT, matières dissoutes totales ou TDS, Total dissolved solid) tandis que la floculation s’attaque aux matières en suspension (MES). Autrement dit, l’ajout d’un coagulant agglomérera une partie des matières dissoutes totales en plus grosses particule qui seront ensuite catégorisées comme étant des matières en suspension. Une fois les matières dissoutes transformées en MES, le floculant viendra agglomérer toutes les MES présentes dans l’eau, et ce, incluant les MDT transformés.

 

Bassins de sédimentation

La sédimentation est une étape permettant la diminution de la turbidité de l’eau. Il est reconnu qu’une entrée d’eau à faible turbidité, soit moins de 10 NTU, ne nécessite pas de bassin de sédimentation puisque la faible présence de MES pourra être soustraite par la filtration. Bref, les bassins de sédimentation sont généralement installés en amont des étapes de coagulation/floculation. Toutefois, la sédimentation peut être effectuée de façon naturelle, donc sans coagulation/floculation.

Ces bassins sont séparés en 4 sections : l’entrée d’eau (influent), la zone de décantation, la zone des boues et la sortie d’eau (effluent). Afin de diminuer turbidité de l’eau entrante, la sédimentation diminue drastiquement la vélocité de celle-ci, à un point tel où les matières en suspension commencent leur descente vers le fond du bassin, où se trouve la zone des boues. L’accumulation du floc dans la zone des boues est constamment retirée du bassin et les eaux traitées peuvent quitter ce dernier vers une prochaine étape de traitement.

 

Autres traitements

En fonction des besoins et attentes de la mine, plusieurs types de traitement peuvent être ajoutés. Parmi eux, on retrouve les différents types de filtration, les adoucisseurs d’eau, divers médias filtrants et tout type de désinfection. L’instauration de ces technologies peut être imposée par des normes gouvernementales en ce qui a trait aux effluents déversés, au traitement des bassins d’eaux usées (tailings) ou à des procédés particuliers en fonction du type de mine exploitée.

La gestion responsable des résidus miniers est un enjeu de taille pour toute organisation puisque ces résidus, si mal gérés, peuvent représenter un risque pour la santé et la sécurité du public, de l’environnement et des infrastructures adjacentes. Pour plus d’information sur les bonnes pratiques de gestion des résidus miniers, nous vous invitons à vous fier au protocole de gestion des résidus miniers de l’Association minière du Canada (AMC).

 

Que retrouve-t-on dans les eaux minières?

La gestion des eaux usées dans le secteur minier présente plusieurs défis puisque les paramètres de l’eau sont extrêmement différents d’un endroit à l’autre. On peut penser à la grande diversification des contaminants, aux différentes concentrations en pH et à toutes les variables devant être prises en compte (température, coûts, coût énergétique, emplacement géographique, réglementation gouvernementale, etc.).

Un des fléaux très répandus est le drainages miniers acides (DMA). Il s'agit d'un écoulement d’eau acide contenant des métaux lourds dissous. Bien qu’il puisse provenir d'une source naturelle, l’exploitation minière accélère sa création et sa concentration. Généralement caractérisés par un taux d’acidité élevé, une haute conductivité, la présence d’un acide minéral, une forte concentration en fer, en aluminium et en manganèse, et finalement, une présence de métaux lourds comme le cuivre ou le zinc, les DMA sont un fléau dangereux pour la faune, la flore et la santé humaine en périphérie.

Les résidus miniers ou tailings, constituent l’ensemble des eaux, boues et minéraux laissés derrière après l’extraction des minéraux économiquement viables. Ces résidus sont problématiques à plusieurs égards. Les bassins d’eaux usées peuvent être composés de plusieurs contaminants. La présence de ces contaminants est susceptible de rendre ces eaux usées particulièrement néfastes pour l’environnement, la faune et la flore. Parmi les contaminants fréquemment retrouvés dans les eaux usées minières, on retrouve les suivants :

  • Cuivre
  • Zinc
  • Phosphore
  • Manganèse
  • Cobalt
  • Nickel
  • Antimoine
  • Arsenic
  • Plomb
  • Sélénium
  • Mercure
  • Cadmium

Cette liste sommaire n'est pas exhaustive, par exemple, les eaux usées des mines de sables bitumineux sont très souvent contaminées par des acides naphténiques, des hydrocarbures aromatiques polycycliques, des composés phénoliques, de l’ammoniac et bien d’autres métaux.

Vous vous doutez que parmi ces contaminants, certains d’entre eux ont de la valeur. Alors, pensez-vous que l’extraction des contaminants est possible et si oui, est-elle rentable?

Aujourd’hui, la question n’est plus de savoir si c’est possible de récupérer les minéraux offrant un bon retour sur investissement, mais plutôt de savoir quelle technologie est la plus avantageuse en fonction de chaque situation.


L’intervention gouvernementale

Que l’on pense aux DMA, ou aux tailings, au Canada, des normes sont édictées et doivent être respectées sous peine de sanctions très sévères. Prenons l’exemple de Syncrude qui a dû payer 3 millions de dollars pour la mort de 1 600 canards dans un de ses bassins d’eaux usées en 2008.

Pour assurer le respect des normes, le gouvernement fédéral assure une surveillance des résidus miniers lorsqu’ils sont en contact avec :

En plus des ministères et organismes gouvernementaux fédéraux, certaines provinces ont des pouvoirs à l’égard des mines. On peut citer l'exemple du Québec qui a édicté la Directive 19 visant à définir les exigences d’attribution des permis à l’égard des projets miniers quelconques.


Efficacité des différentes technologies

Puisque la floculation-coagulation et la sédimentation ont déjà été abordées, nous rappellerons seulement que ces techniques de séparation sont efficaces pour diminuer la turbidité de l’eau.

 

Filtration

Que l’on parle de microfiltration (MF), ultrafiltration (UF) ou de nanofiltration (NF), le principe reste le même à tout coup. L’eau doit passer au travers d’une membrane qui filtrera les différentes particules en fonction de leurs tailles.

Les membranes de microfiltration possèdent des pores permettant la filtration des particules variant entre 100 et 10nm et nécessite une pression variant de 0,1 à 2,5 bar. Grâce à cette combinaison, ce type de filtration peut retirer les particules non dissoutes présentes dans l’eau ainsi que la présence de certaines bactéries. Puisqu’elle offre une filtration très sommaire, la microfiltration est souvent utilisée durant le procédé de préfiltration. Il est important de rappeler que l’importance d’une préfiltration de qualité réside dans l’efficacité et la constance d’opération des différents traitements subséquents à la préfiltration.

En ce qui a trait à l’ultrafiltration, les membranes sont constituées de pores variant entre 0,1 et 0,01 micron. Pour qu'elle fonctionne, une pression constante entre 0,5 et 2,5 bar est nécessaire. Une fois l’ultrafiltration activée, les particules non dissoutes et les substances ayant une masse moléculaire élevée seront filtrées par la membrane. Parmi les molécules, on peut penser au cuivre, au nickel et au cobalt.

Ensuite, la nanofiltration possède des pores d’une taille moindre, soit de 10 nm à 1 nm et nécessite une pression de 5 à 15 bar pour être efficace. Souvent utilisée comme alternative à l’osmose inversée puisqu’elle offre un pourcentage plus élevé de flux, la nanofiltration est efficace contre les micro-contaminants et les ions polyvalents. Autrement dit, les membranes NF peuvent retirer des eaux la présence des sulfates, du chlore, du calcium, du magnésium et bien d’autres.

De loin la technologie la plus polyvalente, l’osmose inversée fonctionne selon le même principe que la filtration, mais avec une membrane semi-perméable. Avec des pores d’une taille inférieure à 1nm, l’osmose inversée est capable de séparer les sels, l’ammoniac, le nitrate, l’arsenic, le lithium et bien d’autres contaminants présents dans l’eau !

 

Autres technologies

L’échange ionique est une technologie opérant à l’aide d’une résine chargée en cations et en anions. Aussi connu sous le nom d’adoucisseur d’eau, l’échange d’ions peut agir, grâce à différents types de résine, comme réducteur d’oxydation. C’est grâce à cette capacité que les échangeurs ioniques sont en mesure de réduire la présence d’ions métalliques en solution (Fe, Ni, Co, Cu, etc.).

En ce qui a trait aux types de désinfection, on peut penser à la chloration qui s’est taillée une place importante dans l’extraction des métaux non-ferreux. Les divers agents chloreux pouvant être utilisés sont très variés. Le chlore gazeux, l’acide hydrochlorique, le tétrachlorure de carbone et quelques chlores alcalins sont très répandus dans le domaine minier.

Ensuite, l’ozonation possède des propriétés chimiques uniques lui permettant d’accélérer l’oxydation des minéraux réfractaires et de supprimer la présence de cyanure dans les effluents.

Enfin, le charbon actif est connu pour retirer les impuretés organiques présentes dans l’eau ainsi que les résidus chimiques. En plus de sa capacité d’adsorption très élevée, le charbon actif permet le retrait de plusieurs contaminants tel le trihalométhane, un contaminant résultant d’une désinfection au chlore.

Il est évident que chaque technologie abordée ci-haut présente des avantages variés à l’égard des différents contaminants. Malheureusement, il n’existe pas de formule magique. En revanche, cette grande variété de technologies et une bonne combinaison de celles-ci assure l’atteinte des objectifs, et ce, peu importe la situation.


Que se cache-t-il dans votre eau ?

Selon vous, quels sont les minéraux ou contaminants présents dans l’eau pouvant présenter un avantage lorsqu’on les retire? Évidemment, l’or est un minerai qui est très intéressant, mais les éléments de terres rares (ETR) sont aussi très intéressants!

Les ETR sont 15 éléments de la famille des lanthanides, soit les nombres atomiques compris entre 57 et 71 dans le tableau périodique, incluant le scandium et l’yttrium. La valeur de ces minéraux est justifiée par leur utilisation dans la fabrication de nombreux appareils électroniques, ou encore d’aimants, de catalyseurs et de batteries. Actuellement, la Chine en est le plus grand exportateur de ETR, mais le Canada possède certaines des plus grandes réserves d’ETR au monde. Avez-vous des ETR dans vos bassins d’eaux usées? Si oui, quelle quantité?

Il est difficile d’en estimer les quantités présente, mais logiquement, on peut penser que les quantités de minéraux pouvant être extraites des eaux usées sont relativement faibles. Afin de mettre les choses en perspective, voici les quantités retirées des eaux usées d’une mine d’or et de cuivre situé à Mount Polley appartenant à l’Imperial Metals Corps. En excluant les milliers de tonnes de cuivre, de zinc, de phosphore et de manganèse, voici quelques quantités :

  • 138 t de cobalt
  • 71 t de nickel
  • 6 t d’antimoine
  • 84, 831 kg d’arséniques
  • 38,218 kg de plombs
  • 8,695 kg de sélénium
  • 562 kg de mercure
  • 995 kg de cadmium

Idéale pour l’environnement, la récupération de ces contaminants présents dans les eaux usées minières peut offrir un retour sur investissement très intéressant pour l’entreprise. Malheureusement, puisqu’il n’y a aucune donnée disponible sur les quantités d’or pouvant être extraites des eaux minières, nous vous laissons y rêver!

Promouvoir l’environnement et votre entreprise

Bref, que l’on parle de drainages miniers acides ou d’eaux résiduelles minières, les variations de contaminant, de température, d’acidité et de tout autres paramètres affectent les types de traitement pouvant être efficaces en vue de récupérer des éléments présents dans les eaux. L’important est de savoir que la solution existe et qu’il ne suffit que de quelques tests pour arriver à identifier la bonne technologie pour répondre aux besoins variables.

Sources

Les types de filtres: cartouche vs média vs amf vs disques vs tamis