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Cours 2 • Traitement des déchets miniers
Traitement des déchets miniers Plan de l’exposé Définitions I - Caractérisation des déchets : terrils, stériles et résidus II - Traitement chimique II - Traitement physique IV- Traitement biologique
Définitions 1 «Inerte » est un matériau qui ne rejette pas de substances de l'INRP. 2. Un « minerai» est un dépôt minéral naturel dans lequel se trouve au moins un minerai dans des concentrations différentes pour rendre faisable l'exploitation minière du minerai d'un point de vue économique. 3. Les « morts-terrains meubles » représentent les matériaux non agglomérés recouvrant le dépôt de minerai [ou de bitume], notamment le sol, les dépôts glaciaires, le sable et les sédiments (adapté du Code de pratiques d'Environnement Canada relatif à l'extraction de minerais métalliques).
Définitions 4. Les «résidus miniers » sont les déchets qui peuvent ou ne peuvent pas être mélangés avec de l'eau et qui demeurent après le traitement de minerais, de concentré de minerai ou de matériaux miniers pour en extraire les composantes marchandes telles que les métaux, les minerais ou le bitume. Ceux-ci peuvent comprendre des roches broyées, du sable, de l'argile, des produits chimiques de traitement ou des matériaux résiduels, des minerais ou du bitume. 5. Un « stérile » est une roche qui est retirée au cours de l'exploitation minière pour pouvoir accéder aux minerais et il n'est pas traité davantage pendant l'année de déclaration. 6. les terrils,sont décrits comme étant un chaos de blocs de schiste, de grés, de résidus de charbon et de poussière extraits du ventre de la terre, du fond des fosses.
Introduction Le problème de la gestion des rejets miniers est un sujet d’actualité, puisque les conditions économiques ne permettent plus une gestion à long terme des parcs à résidus. En fin d’exploitation, les mines souhaitent s’affranchir de tout contrôle sur les dangers potentiels de leurs rejets tant du point de vue de la génération d’acide que des métaux lourds. La désulfuration environnementale offre cette possibilité en retirant les minéraux qui présentent une source du danger. Ces minéraux pourront être enfouis en profondeur comme remblais pour les cavités minières souterraines.
Caractérisation des déchets • Les déchets miniers peuvent être définis comme tout produit minéral, ou dépôt minéral résultant de la recherche et de l'exploitation minière ou du traitement du minerai. • Ces résidus peuvent être,bruts(stériles francs, produits minéralisés non exploitables), plus ou moins retravaillés, issus des phases de traitement et d'enrichissement du minerai (rejets de laverie), contenant d'éventuels additifs chimiques, minéraux ou organiques, ou artificiels, générés lors de procédés d'extraction de la substance utile lors d'une étape de calcination ou de fusion (cendres, scories).
Traitement du minerai Le minerai extrait de la mine subit ensuite un traitement qui permet d’en récupérer les minéraux de valeur. Normalement, le minerai renferme de petites quantités de minéraux utiles imbriqués dans des quantités beaucoup plus grandes de résidus minérauxsans valeur économique (gangue). La préparation du minerai consiste à séparer (ou libérer) les minéraux utiles de la gangue. Parmi les principales étapes du traitement du minerai, mentionnons le concassage et le broyage, la séparation chimique ou physique et l’égouttage.
Les Terrils • les terrils, ou " les terri"...avec le l muet comme le veut le parler picard. • On pourrait les décrire comme un chaos de blocs de schiste, de grés, de résidus de charbon et de poussière extraits du ventre de la terre, du fond des fosses. • Mais aussi comme un crassier, ou un tas de déchets. Et encore comme une chaîne de collines qui donne du relief au plat pays.
Terrils et stériles • Par ailleurs, les rejets solides amène à la constitution d’énormes terrils formés à partir des différentes substances stériles dont l’effet est la défiguration du paysage naturel. • À titre d’exemple, une tonne de cuivre donne lieu à 200 tonnes de stériles, et une tonne d’aluminium à 400 tonnes de stériles. • Les montagnes de déblais qui en résultent sont de nature à modifier complètement le paysage naturel.
Caractérisation des déchets : terrils, stériles, résidus. Résidus pétroliers Les sites pétroliers sont d'importants générateurs de déchets. Certains modes de gestion utilisés par le passé ont généralement entraîné la formation de lagunes remplies de déchets hydrocarburés, qui ont à leur tour contaminé le sol et parfois la nappe d'eau sous-jacente. Résidus pétroliers
Les remblais cimentés • Les remblais cimentés sont des mélanges de : • rejets miniers (résidus pour le remblai en pâte, et stérile pour le remblai rocheux), • liants hydrauliques pour assurer une certaine cohésion mécanique, • eau pour le gâchage du ciment et pour faciliter le transport du mélange. • Ces trois constituants jouent un rôle prépondérant, dans le conditionnement des performances des remblais cimentés.
Cas du Maroc • Ceci dit, la découverte et la mise en exploitation d’importants gisements au Maroc ont fait surgir du sol, des agglomérations jusque là inexistantes. • Ainsi par exemple, la région minière de l’Oriental (charbon, plomb, zinc) a vu la naissance de plusieurs centres, aujourd’hui de dimensions différentes (selon le recensement général de la population et de l’habitat de 2004) : Jerada 43916 habitants, Bouarfa 25947 habitants, Ganfouda 5748 habitants, Touissite 3429 habitants, Boubkere1942 habitants, et Oued Al Heimer 1997 habitants.
Terrils et excavation : le paysage défiguré de domaine phosphatier marocain • Les terrils sont ces montagnes de résidus et d’impuretés extraites du minerai brut qui jonchent les zones de production. • Les excavations sont les énormes trous causés au sol par l’exploitation à ciel ouvert. Ces deux aspects du paysage minier sont de loin les problèmes les plus sérieux posés à la gestion de l’environnement minier phosphatier au Maroc. • Les terrils ont un impact particulier sur le paysage des régions de production. Comme les usines de traitement, ils sont à l’origine des poussières qui sont transportées par les vents qui les déposent au voisinage, notamment sur les zones d’habitat. • Ces terrils posent un véritable problème de gestion de l’environnement à l’OCP qui semble ne pas savoir quoi en faire.
Conséquences • Les carrières et les affaissements sont, en définitive, une conséquence inévitable des travaux miniers. • Les affaissements sont fréquents dans la zone de Gantour où l’exploitation souterraine a toujours été importante. Ils peuvent avoir des conséquences graves sur les bâtiments, les canalisations et les moyens de communication, comme ils peuvent rendre les terrains stériles ou nécessiter des travaux de réaménagement spéciaux et coûteux. • Les excavations produites par l’exploitation à ciel ouvert sont encore plus dramatiques pour • l’environnement, car elle condamne à jamais la partie arable du sol.
les terrils abandonnés de l'ancienne mine de charbon de Jerada Ils ont fortement évolué, en particulier la pyrite contenue dans les terrils s'est oxydée. Les opérations suivantes : criblage, élutriation et flottation ont permis d'obtenir un produit marchand qui titre 35% en oxyde de fer utilisable en peinture, émaillage et bioconstruction.
Plan schématique d'un terril de résidus dans l'exploitation de potasse allemande
Fonctionnement • L'intérieur des terrils de résidus de potasse est imperméable à l'eau. L'eau et les solutions salines générées ne s'écoulent que dans une sphère extérieure autour de l'intérieur imperméable. Le pied des terrils à l'extérieur de la zone de noyau imperméable est étanchéisé avec soin et les solutions sont collectées. • Après collecte de la saumure dans le bassin de retenue pour stockage intermédiaire et selon la qualité de l'eau reçue, le liquide est pompé vers la rivière ou dans le sol (déversement en puits profond). • Étant donné que l'écoulement d'eau issu des précipitations descend du terril en dessous de la surface (voir flèches bleues sur la figure ci-dessus), il ne se produit pas d'érosion au niveau en surface. Si possible, le drainage salin à partir des terrils est maintenu séparément des eaux de ruissellement de surface. Ceci est une manière de minimiser la contamination du sol et des eaux souterraines par l'eau salée.
Stériles miniers • Produits constitués par les sols et roches excavés lors de l'exploitation d'une mine, après récupération de la partie commercialement valorisable qui constitue le minerai. Vue actuelle du site d’Enguialès (Aveyron), où jusqu'en 1979, date de la fermeture, les stériles ont été déversés à même la pente .
Résidus • Un résidu économiquement stérile peut, par contre, contenir des concentrations en éléments ou composés chimiques polluants (phases minérales naturelles, réactifs de traitement résiduels) élevées par rapport aux concentrations naturellement présentes dans les sols du site. Il peut aussi exister des résidus miniers dont la composition et la réactivité chimique diffèrent peu de celles des sols naturels : ce sont les stériles francs. Ainsi, en fonction de l'utilisation potentielle de stérile dans les infrastructures routières ou tout opération de travaux publics, la "valeur sémantique" du terme doit être jaugée au cas par cas par des essais environnementaux appropriés (études minéralogique, essais de lixiviation, analyse chimiques, comparaison avec des valeurs repères disponibles)
Cas du Maroc • Au Maroc, où l’exploitation de nombreuses ressources minières a donné naissance à des formes d’urbanisation originales, la gestion de l’environnement urbain pose de grands problèmes aux décideurs locaux. • En effet, les agglomérations minières sont les premières victimes du processus de dégradation de l’environnement à cause des rejets miniers solides, liquides et gazeux de la mine.
Cas du Maroc • Il est à noter que la ségrégation socio-spatiale qui caractérise les villes minières d’une manière générale, s’ajoute l’inégalité des habitants devant le risque environnemental. • Par ailleurs, l’industrie minière est, par définition, une activité extrêmement polluante de par les rejets solides, liquides et gazeux qu’elle génère, mais aussi à cause des destructions des terres arables et des écosystèmes qu’elle occasionne.
Législation minière marocaine • Il convient de noter que la législation minière en vigueur (notamment le dahir créant et organisant l’OCP) n’impose aucune contrainte aux activités minières en général, alors que dans d’autres pays existe le plus souvent l’obligation de rétablir le site après extraction, et même de le reboiser. • La législation marocaine semble, en effet, avoir privilégié le rendement au rétablissement de l’équilibre écologique qui imposerait aux entreprises minières d’investir dans l’environnement.
Rejets liquides • S’agissant des rejets liquides, il est admis aujourd’hui que l’OCP en tant que grand consommateur d’eau, notamment pour le lavage du phosphate, rejette des quantités liquides importantes composées de matériaux solides et de produits chimiques. • De nombreuses communes, notamment celles abritant des usines de lavage, sont victimes de ces rejets en l’absence de digues permettant de contenir ces déversements.
Rejets liquides • Plus grave encore, ces rejets suivent de petits cours se déversant dans l’Oum Ar Rbiaqui sépare le gisement de Khouribga de celui de Gantour. Ce fleuve reçoit en effet, d’importantes quantités de polluants organiques en plus des boues de lavage des phosphates, ce qui constitue un risque d’eutrophisation des retenues existantes ou programmées.
Altération de l’eau par l’activité phosphatière • la présence même du phosphate dans le sol et le sous-sol se traduit par des teneurs en fluorures des eaux des puits supérieures aux normes admissibles, ce qui détériorent les dents des habitants et du bétail consommateurs de ces eaux et peuvent provoquer de graves maladies chez les nourrissons. • Ces risques sanitaires s’ajoutent à ceux constitués par la présence de nitrates, également en teneurs excessives dans beaucoup de puits (engrais chimiques), dont certains sont en plus exposés à la pollution organique et microbienne découlant des rejets d’eaux usées des agglomérations amont (maladies hydriques) .
Altération du paysage par l’activité des phosphates • Il ressort donc de ce qui précède que l’espace minier phosphatier présente un paysage fortement altéré par une activité qui reste malgré ses retombées socio-économiques positives, grande dévoreuse d’espace et destructrice de l’environnement, car pratiquée essentiellement selon une idéologie uniquement productiviste héritée des temps de la colonisation.
Teneur de certains éléments traces dans la fraction dissoute (Diss), les matières en suspension (M.S) et les sédiments (Séd.) des échantillons de l‘Oued Moulouya, comparée à la norme française et celle de l’OMS. [1 mg = 1000 ug] (A. Bouabdli et al., 2005)
Gestion des résidus et des stériles Les possibilités de gestion des résidus et des stériles sont nombreuses. Les méthodes les plus courantes sont les suivantes: • rejet des boues dans des bassins, • remblayage de mines souterraines ou à ciel ouvert ou construction de digues de retenue avec les résidus ou stériles, • déchargement des résidus ou stériles plus ou moins secs sur des terrils ou à flanc de collines, • emploi des résidus ou stériles comme matériau destiné à l'aménagement des sols (agrégats, par exemple) ou pour la restauration, • stockage à sec des résidus épaissis, • rejet des résidus dans les eaux de surface (mer, lac, rivière, etc.) ou souterraines.
Méthodologie de gestion des résidus et/ou des stériles Le choix de la méthode de gestion des résidus et/ou des stériles à appliquer dépend principalement d'une évaluation de trois facteurs, à savoir : • le coût, • les performances environnementales, • le risque d'accident. La base d’une gestion réussie des résidus et des stériles est une caractérisation correcte de ces matériaux, y compris une prévision exacte de leur comportement à long terme, et un choix judicieux de l'emplacement du site.
Le Drainage Minier Acide (DMA) • Un drainage minier acide(DMA) ou encore « drainage rocheux acide » (DRA) est une solution minérale acide qui s'écoule régulièrement en conséquence d'une mine. • Le phénomène en cause est spontané sur les affleurements de minéraux sulfurés, naturellement sujets à une oxydation par contact avec l'air et l'eau : de manière lente, il y a production d'acide sulfurique ( H2SO4) et solubilisation des métaux présents. • Lors des travaux miniers (excavations et pompages), l'équilibre chimique de ces affleurements et des gisements profonds de sulfures métalliques est perturbé par des conditions oxydantes ; cette réaction prend une ampleur suffisante pour entraîner des écoulements importants.
Les écoulements acides se forment :par percolation d'eau sur les tas de solides excavés (المستخرجة) contenant des sulfures, et/ou dans les galeries en fonction du mouvement de la nappe phréatique.
l'oxydation du fer et du soufre de la pyrite • Les réactions chimiques principales qui donnent lieu à un DMA sont l'oxydation du fer et du soufre de la pyrite, le minéral sulfuré le plus commun. • Cette réaction a lieu en présence ou en l'absence de bactéries selon l'équation : pyrite Hydroxyle de fer acide sulfurique
Traitement chimique : l’oxydation des sulfures et les rejets miniers acides • Les rejets miniers acides (ou drainage minier acide) affectent de manière parfois spectaculaire (forte coloration orange des eaux et des sédiments), tous les sites miniers. • Ils sont le résultat de la transformation sous l'action de l'eau, des sulfures tels la pyrite (FeS2) ou l’arsénopyrite (FeAsS), en composés oxydés du fer : ils constituent la manifestation la plus connue de l’impact des activités minières.
Traitement chimique : l’oxydation des sulfures et les rejets miniers acides • Les réactions d'oxydation sont facilitées par les fissures des galeries et la faible granulométrie des matériaux au travers desquels percolent les eaux météoriques. • Les réactions qui affectent le sulfure le plus répandu, la pyrite, peuvent être écrites de la manière suivante : • FeS2 + 7/2 O2+ H2O Fe2+ + 2 SO42-+ 2H+ • FeS2+ 14 Fe3+ + 8 H2O 15 Fe2+ + 2 SO42-+ 16 H+
Principaux minéraux sulfureux susceptibles de se retrouver dans les rejets miniers (tiré d’Aubertin et al., 2002a)
Réactions d’oxydation par l’oxygène et par le fer ferrique pour les principaux minéraux sulfureux (adapté de Rimstidtet al., 1994) Réactions
Oxydation par l’oxygène Pyrrhotite Fe1-x S+(2-x/2)O2+xH2O→ (1-x)Fe2+ +SO42-+2xH+ Sphalérite ZnS+ 2O2→ Zn2+ + SO42- Chalcopyrite CuFeS2+4O2→ Cu2+ + Fe2+ +2SO42- Galène PbS + 2O2→ Pb2+ + SO42- Arsénopyrite 2 FeAsS + 13/2 O2+3 H2O →2 (SO4)2-+2 (AsO4)3-+6 H++2Fe2+
Oxydation indirecte par le fer ferrique Pyrrhotite Fe1-xS+(8-2x) Fe3++4H2O → (9-3x)Fe2++SO42-+ 8H+ Sphalérite ZnS+8 Fe3++4H2O → Zn2++8Fe2++SO42-+8H+ Chalcopyrite CuFeS2+16 Fe3++8H2O → Cu2++17Fe2++2SO42-+16H+ Galène PbS+8 Fe3++4H2O → Pb2++8Fe2++SO42-+8H+ Arsénopyrite FeAsS + 11 Fe3+ + 7 H2O→ H3AsO3 + SO42- + 11 H++ 12 Fe2+
Réaction générale de production du DMA – adaptation de Stumm et al. 1970. FeS2(s) + 7/2 O2(g)+ H2O(l) ==> Fe+2(aq)+ 2 SO4-2(aq)+ 2H+(aq) +énergie (1.1) 4 FeS2(s) + 14 O2(g)+ 4 H2O(l) ==> 4 FeSO4(aq) + 4H2SO4(aq)+ énergie (1.2) 4 FeSO4(aq)+ O2(g)+ 2 H2SO4(aq) ==> 2 Fe2(SO4)3(aq)+ 2 H2O(l) + énergie (1.3) FeS2(s)+ 14 Fe3++ 8 H2O(l) ==> 3 Fe2+(aq)+ 2 SO42-(aq)+ 16 H+ + énergie (1.4) Fe3+(aq)+ 3H2O(l) ==> Fe(OH)3(s) + 3H+(aq)(1.5) (Goethite) Fe3+(aq) + 2H2O(l) ==> FeOOH(s) + 3H+(aq)(1.6) (Goethite)
Effets nocifs des sulfates (SO42-) • Les sulfates peuvent nuire à la désinfection de l'eau en piégeant le chlore résiduel dans les réseaux de distribution. • La présence de sulfates (sels) dans l'eau pourrait favoriser la corrosion de l'acier doux dans les systèmes d'alimentation. • Les bactéries sulfato-réductrices peuvent jouer un rôle dans la tuberculisation des tuyaux métalliques. • Le sulfure d'hydrogène (H2S)produit par ces bactéries peut réduire la qualité esthétique de l'eau en lui donnant une odeur et un goût déplaisants, et accélérer la corrosion des tuyaux de métal et de béton.
