Towards a passive treatment of arsenic-rich acid mine drainage (AMD) by biological iron and arsenic oxidation

Les déchets sulfurés issus de l’extraction des minerais métalliques génèrent des drainages miniers acides (DMA) contenant des éléments toxiques tels que l’arsenic. Les procédés de traitement passifs basés sur l’oxydation bactérienne du fer et de l’arsenic, en favorisant la précipitation de ces éléments sous une forme stable, pourraient représenter une solution efficace et économique pour traiter cette pollution. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs environnementaux et opérationnels qui contrôlent l’efficacité d’élimination de l’arsenic. Une approche en pilote à flux continu a été mise en oeuvre afin de se rapprocher des conditions réelles d’un traitement. L’étude a été conduite d’abord à l’échelle d’un bioréacteur de paillasse en conditions contrôlées (température, lumière, débit, temps de séjour et hauteur d’eau), puis dans un dispositif de taille supérieure, fonctionnant de manière totalement passive et in situ. Ces dispositifs ont été alimentés avec de l’eau d’un DMA riche en arsenic, issue de l’ancien site minier de Carnoulès, dans le Gard. Les caractéristiques de l’eau et des bioprécipités au sein de ces pilotes, en particulier le rédox du fer et de l’arsenic, ont été suivis dans différentes conditions environnementales et d’opération par des méthodes de spéciation liquide et solide (HPLC-ICP-MS, EXAFS, XANES), des analyses minéralogiques (DRX) et des analyses microbiologiques (ARISA, séquençage haut débit du gène de l'ARNr 16S, quantification du gène aioA). Les résultats issus des expériences en laboratoire ont mis en évidence l’effet de différents paramètres opérationnels (hauteur d’eau, temps de rétention hydraulique, et présence/absence d’une pellicule flottante) sur les performances du traitement, ainsi que sur la microbiologie et la minéralogie des bioprécipités formés. Le dispositif de terrain a permis de tester les performances du procédé dans des conditions environnementales fluctuantes (variabilité de la physico-chimie de l’eau d’entrée et de la température) et d’acquérir des connaissances nouvelles sur l’évolution des bioprécipités au cours de six mois de traitement. Les connaissances acquises dans cette thèse pourront servir de base à la conception d’une étape d’élimination de l’arsenic dans les processus de traitement des DMA.Acid mine drainage (AMD) are produced by sulfuric tailings from mining of metal ores. They are characterized by high contents of toxic elements like arsenic. One efficient and economical solution for the treatment of As in these tailings could be the use of a passive method based on iron and arsenic bacterial oxidation, and the subsequent precipitation of these elements in a stable form. In this context, the objective of this PhD thesis was to better understand the environmental and operational factors controlling the efficiency of As removal processes. A continuous-flow pilot approach was implemented in order to better reproduce the real treatment conditions. This study was first performed in a bench-scale bioreactor with controlled conditions (temperature, light, flow, residence time and water height). Then, it was performed in a field-scale bioreactor installed in situ, reproducing a passive treatment in real conditions. These devices were fed with As-rich AMD waters from the ancient mine of Carnoulès (Gard, France). Water and bioprecipitate properties were monitored in both devices, specially the redox speciation of iron and arsenic. This monitoring was held for different environmental and operational conditions. Iron and arsenic speciation in liquid and solid phases was measured by different analytical techniques such as HPLC-ICP-MS, EXAFS and XANES. Mineral identification was made by XRD analysis, while microbiological characterization was made by ARISA, high-throughput sequencing of 16S rRNA gene, and aioA gene quantification. Results from the lab-scale experiments evidenced the effects of the different operational parameters (water height, hydraulic retention time and the presence/absence of a floating film) on the treatment performance, as well as on the microbiology and mineralogy of the produced bioprecipitates. The field device was used to test the treatment performance under fluctuating environmental conditions (variability of the physico-chemistry of the feed water and of the temperature) and to gain new knowledge about the evolution of the bioprecipitates during six months of treatment. All the knowledge acquired in this PhD thesis could serve as a basis for the design of an arsenic removal stage in DMA treatment processes