Mines de métaux de base (CU-PB-ZN)

Maintenant que le concept de toxicité a été défini, la présente section va s’attarder principalement à présenter la problématique environnementale liée aux mines de métaux de base. Dans un premier temps, il sera traité du minerai et de son traitement. Par la suite, les impacts sur l’environnement de l’usinage de ce type de gîte seront étudiés. Finalement, les méthodes de traitement traditionnelle et biologique des effluents miniers seront vues.

Caractéristiques de la mine 

L’expression «mines de métaux de base (base metal deposits) » désigne les gîtes économiques pouvant contenir du cuivre, du plomb et ou du zinc. Il existe des gîtes de plomb et zinc et des gîtes de cuivre et zinc. Les principaux minéraux économiques des gîtes de plomb-zinc sont la galène (PbS) et la sphalérite (ZnS). Les autres métaux associés sont le cuivre, le fer, le mercure, l’arsénic, le cadmium, l’argent et l’or. La quantité de ces différents métaux à l’intérieur des gisements est extrêmement variable, et elle dépend de la nature de ces derniers (U.S. Environmental Protection Agency, 1994a). Après son extraction d’une mine souterraine ou de surface, le minerai est traité afin de séparer les minéraux contenant les métaux économiques de la gangue. Cette opération d’enrichissement de minerai ou encore de concentration comprend le concassage, le broyage, la classification et la séparation proprement dite (Ripley et al., 1996).

Le minerai est d’abord concassé et broyé afin d’être amené à une granulométrie où les minéraux économiques pourront être séparés de la gangue. Lors de cette étape, différents procédés peuvent être utilisés, mais une grande partie des exploitations de métaux de base nord-américaines emploient la flottation (Ripley et al., 1996). À la fin du processus, des concentrés sont obtenus, à partir desquels devront être extraits les métaux économiques. Les résidus (ou rejets de flottation) seront, quant à eux, acheminés dans des aires d’entreposage en surface spécialement conçus à cet effet (e.g. Vick, 1990; Aubertin et al., 2002) ou encore retournés sous terre sous forme de remblais ( e.g. Benzaazoua et Belem, 2002).

Effets sur l’environnement 

Comme il a été précisé précédemment, il existe plusieurs sources potentielles de contamination des eaux sur un site minier. Les eaux de pompage de la mine et les eaux percolant à travers les empilements de stériles et de minerais peuvent être contaminées par les résidus d’explosifs (composés azotés) ainsi que des huiles et des graisses. Les boues et les eaux de traitement du minerai contiennent différents réactifs ayant servi lors de la flottation ainsi que des traces de graisse et d’huile provenant des équipements ( e.g. U.S. Environmental Protection Agency, 1994a). Toutes les eaux énumérées sont acheminées dans un bassin endigué avec les résidus de traitement. Habituellement, il n’y a donc qu’un effluent à traiter pour un site minier donné (U.S. Environmental Protection Agency, 1994a ).

Réactifs de flottation 

Après que les minéraux d’intérêt soient séparés de la gangue lors de la flottation, les résidus contenant de 20 à 50 % de solide sont éliminés. En plus des minéraux de la gangue, on y retrouve de faibles concentrations de minéraux économiques. La partie liquide est, quant à elle, composée d’eau, de solides dissous ainsi que de faibles quantités des réactifs non consommés lors du processus de flottation (U.S. Bureau of Mines, 1984).

Différents auteurs se sont intéressés à la toxicité des différents réactifs utilisés lors de la flottation des minerais de métaux de base. L’étude la plus exhaustive est celle effectuée par Hawley (1972). L’auteur s’est intéressé à la toxicité létale de la plupart des réactifs utilisés lors de la flottation. Il ressort de cette étude que tous les réactifs utilisés amènent une mort chez 50 % des individus de différentes espèces de poissons et d’organismes aquatiques à des concentrations variant entre 0.05 et 10 000 ppm (TLso). Les composés les plus toxiques sont le cyanure de sodium (TL50 de 0,05 à 10 ppm) ainsi que les xanthates (TL50 de 0,18 à 1,8 ppm pour Na isopropyl xanthate chez la truite arc-en-ciel) et les dithiophosphates (TL50 de 0,1 à 1,0 ppm pour le Na diisopropyl dithiophosphate chez Daphnia magna).  L’information apportée par ces tests de toxicité doit être analysée en tenant compte des conditions rencontrées dans l’industrie minière. Les résultats de ce type d’étude doivent donc être analysés en tenant compte des dosages et des concentrations résiduelles avant de poser un jugement (Ritcey, 1989). Ainsi, les concentrations de réactifs habituellement rencontrées dans les effluents miniers sont inférieures à 2 mg/1, et elles n’excèdent que rarement 4 mg/1 (Hawley, 1972). C’est pourquoi les études effectuées par la suite ne se sont intéressées qu’aux composés chimiques les plus toxiques soit les xanthates et certains agents moussants tels l’alcohol pentyl, le propylène glycol, l’huile de pin et l’acide cresylic (e.g. Webb et al., 1976; Leduc et al., 1976). Les résultats de ces études démontrent que les concentrations toxiques sont nettement supérieures aux concentrations rencontrées dans les eaux résiduelles des usines de traitement de métaux communs, s’oit 2 mg/1 (Hawley, 1972; Webb et al., 1976).

D’ailleurs, aucune mine de métaux de base ne semble traiter ses eaux pour détruire les différents réactifs présents dans les eaux de traitement. Les concentrations rencontrées sont faibles, et l ‘oxydation directe et microbienne de ces composés organiques permet une détoxication de l’eau à un niveau acceptable (Ritcey, 1989 ; Ministère de l ‘Environnement et de la Faune, 1998).

Méthodes de traitement biologique du DMA

Les systèmes de traitement biologique sont complexes, et différents mécanismes sont impliqués dans la réduction de la concentration en métaux et la neutralisation de l’acidité provenant du DMA. Les mécanismes les plus souvent impliqués sont (Gusek, 2001) : i) précipitation de sulfures et de carbonates catalysés par des bactéries sulfato-réductrices dans la zone anaérobie; ii) précipitation d’hydroxydes et d’oxydes catalysées par des bactéries dans la zone aérobie; iii) filtration des matériaux en suspension; iv) emprisonnement des métaux à l’intérieur des tissus des plantes vivantes et v) adsorption et échanges avec les matériaux biologiques.

Biofiltres passifs sulfata-réducteurs (BPSR)

Les biofiltres passifs sulfato-réducteurs (BPSR) sont des systèmes anaérobies passifs utilisant un substrat organique pour traiter le DMA. Lors de leur respiration anaérobie, les bactéries sulfato-réductrices (BSR) oxydent la matière organique. Il y aura production d’ions de sulfure d’hydrogène (HS-) et bicarbonate (HC03) lors de ce processus d’oxydation. En présence de ces ions, les métaux dissous précipiteront sous la forme de sulfures, de carbonates ou d’hydroxydes. Il peut également y avoir complexation et échange ionique des métaux avec le substrat organique ( e.g. Mclntire et Edenbom, 1990 et Hammack et al., 1994).

Les BSR produisent donc de l’alcalinité et des sulfures lors de l’oxydation de composés organiques simples en milieu anaérobie, acide et riche en métaux. Ces deux processus sont prépondérants dans le traitement du DMA par les BSR, mais d’autres phénomènes peuvent se produire à la surface et à l’intérieur des BSR. La biosorption des métaux est un de ces phénomènes. Ce processus est impliqué dans la précipitation et le piégeage du cuivre et du cadmium dans les réacteurs utilisant un biofilm de BSR (Gadd, 2000). Il s’agit d’un processus jugé très efficace pour les systèmes de traitement impliquant d’autres types de bactéries que les BSR ainsi que les algues et les champignons (Gadd, 2000). Par contre, nous n’avons trouvé aucune mention de l’ efficacité relative de ce processus par rapport à la précipitation des sulfures et la génération d’alcalinité dans les systèmes de traitement utilisant les BSR.

Traitement marécageux

Le traitement marécageux consiste à utiliser les propriétés de rétention des métaux par les marécages pour atteindre les normes environnementales. Les marécages aménagés sont des systèmes écologiques conçus pour optimiser divers processus naturels tant physiques, que chimiques, microbiens ou à médiation végétale. Dans le système construit, l’effluent de DMA s’écoule par gravité dans le marécage, et l’atténuation des teneurs en métaux et la neutralisation sont progressives. Les concentrations en métaux sont abaissées par précipitation, chélation et échanges, alors que la neutralisation est surtout le résultat de l’augmentation de l’alcalinité attribuable aux réactions chimiques et à l’action microbienne, y compris la dissolution du calcaire pour certaines variantes de ce type de traitement (e.g. Kalin, 1993; Goulet et Pick, 2001).