Potentiel de réhabilitation des secteurs minier, agro-alimentaire

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12120 (2023) Citer cet article

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Le drainage minier acide (DMA) a de graves conséquences sur la santé humaine et les écosystèmes. De nouvelles stratégies pour son traitement impliquent l'utilisation de déchets. Cet article évalue le potentiel d'assainissement des déchets provenant des activités urbaines, minières et agro-industrielles pour lutter contre l'acidité et les concentrations élevées d'éléments potentiellement toxiques (PTE) dans la DMA. Des échantillons de ces déchets ont été enrichis avec un AMD préparé artificiellement, puis le pH, la conductivité électrique (CE) et les concentrations de PTE dans les lixiviats ont été mesurés. La DMLA artificielle obtenue par oxydation des résidus d'Aznalcóllar a montré un caractère ultra-acide (pH − 2,89 ± 0,03) et une conductivité électrique extrêmement élevée (EC − 3,76 ± 0,14 dS m−1). De plus, la plupart des PTE dépassaient les niveaux maximaux réglementaires dans les eaux naturelles et d’irrigation. Les déchets étudiés avaient une très grande capacité de neutralisation des acides, ainsi qu’une forte capacité à immobiliser les PTE. Les déchets inorganiques, ainsi que le lombricompost provenant de la taille, ont réduit la plupart des concentrations de PTE de plus de 95 %, tandis que les déchets organiques en ont retenu entre 50 et 95 %. Ainsi, un large éventail de déchets urbains, miniers et agro-industriels ont un fort potentiel pour être utilisés dans le traitement de la DMA. Cette étude apporte une contribution précieuse au développement de nouvelles écotechnologies basées sur la combinaison de déchets (par exemple Technosols, barrières réactives perméables) pour assainir les environnements dégradés.

L’exploitation minière est une industrie cruciale à l’échelle mondiale en raison de son importance économique et sociale, car elle fournit un grand nombre de ressources importantes. Au cours des dernières décennies, le nombre de mines en activité a considérablement augmenté en raison du besoin d'éléments stratégiques (par exemple, métaux critiques, éléments de terres rares, éléments du groupe du platine, éléments technologiques critiques), soulevant des préoccupations en matière de santé et d'environnement1,2,3. Les sulfures sont le principal fournisseur d'une large gamme de métaux (loïdes), qui peuvent être considérés comme des éléments potentiellement toxiques (PTE), et leur exploitation constitue l'une des activités minières les plus importantes au monde4. L’exposition de ces sulfures (minerai de pyrite [FeS2] principalement), ou de leurs déchets, à des conditions oxydantes et pluviométriques conduit à la génération de drainage minier acide (DMA), qui est communément associé à de graves problèmes environnementaux dans le monde entier5 ; en particulier, dans les mines abandonnées ou actives sans concessions légales (c'est-à-dire les zones d'extraction sans gestion environnementale du drainage et des déchets). Le drainage minier acide est problématique en raison de son ampleur, à la fois dans l’espace et dans le temps, car il peut affecter à la fois les zones minières et leurs environs sur de longs kilomètres pendant des décennies, voire des siècles6. En outre, la DMLA entraîne de graves conséquences sur la santé humaine (par exemple, dommages au système nerveux, cancers, retard mental chez les enfants) et sur les écosystèmes (par exemple, pollution des eaux souterraines, phytotoxicité et inhibition de la photosynthèse, mortalité des poissons)7,8,9,10. Un bon exemple de cette préoccupation peut être trouvé dans la ceinture de pyrite ibérique (sud-est du Portugal et sud-ouest de l'Espagne), l'une des plus grandes réserves de sulfures massifs au monde, où les activités minières à grande échelle remontent au XIXe siècle et les premières activités au XIXe siècle. 3ème millénaire avant JC11. Dans cette région, le DMA est un héritage de mines abandonnées et de décharges de résidus associées, notamment d’énormes tas de stériles sulfurés, de résidus et de fosses inondées, ainsi que de déchets produits par les mines en exploitation12,13. Ainsi, cette région constitue une source potentielle de pollution par le DMA (Fig. S1) et est représentative des autres mines de sulfures situées partout dans le monde. Le rejet de DMA non traité exerce des effets négatifs sur l'environnement. Dans les écosystèmes aquatiques, il est responsable de l'entrée de PTE dans ces milieux, de l'altération de la chimie de l'eau et des cycles des nutriments, de la diminution de la quantité d'oxygène disponible pour les organismes et de la précipitation de métaux (hydroxydes de Fe et Al), entre autres. . En général, la qualité de l'eau est affectée, provoquant une toxicité directe pour les organismes et la rendant impropre aux usages domestiques, agricoles et industriels9,14,15. Dans les écosystèmes terrestres, les rejets de DMA non traités peuvent entraîner une pollution des sols et, par conséquent, accélérer la perte de biodiversité et la dégradation des sols9. De plus, la DMA générée à la fois dans les zones minières actives et abandonnées peut avoir plusieurs impacts sur la santé de l’environnement et des organismes vivants (y compris les humains) en polluant les eaux de surface, les eaux souterraines et les sols agricoles8.

90%) and very high EC (> 1 dS m−1). Gypsum spoil (GS) had moderate to low values in total iron (~ 1%), moderately high CaCO3 content (~ 23%) and very high EC (> 2.9 dS m−1). The only inorganic waste that showed an assimilable phosphorus content (PA ~ 470 mg kg-1) above detection limits was CW./p> 7 dS m-1) for the rest; and CaCO3 was also detected in all cases, ranging from 7.7% in BM to 24.9% in VC. Basal respiration (BR) presented a wide range of values without significant differences between inorganic and organic wastes, with maximum of 124 µg CO2 day−1 kg−1 in CW and minimum of 14 in WS µg CO2 day−1 kg−1./p> Hg2+ > Cd2+ > Fe2+ > Pb2+ > Ni2+ > Co2+ > Mn2+ > Zn2+ > As5+ > As3+53,54. Thus, organic matter together with total humic extract and humic and fulvic acids provide an important content of reactive colloidal fractions that allow the complexation of the different chemical forms of PTE55,56. Carbonates also exert a strong control over pH, which is considered a key property in controlling the immobilisation of most PTE because of its influence on the electrical charge of colloidal components57. In addition, it is a key component to neutralise acid solutions40. Likewise, iron oxyhydroxides content is another constituent to consider for the retention of some PTE, especially As, for which they exert a strong control on speciation and bioavailability58,59. In fact, the results of AMD treatment test indicate that many of the wastes tested show considerable acid neutralisation and PTE immobilisation capacity./p> CW ≥ MS ≥ VC > GS > OW > OL > WS > GW > BM; where wastes rich in iron oxyhydroxides and carbonates are more effective in the retention of PTE than wastes rich in organic matter. The removal rates for wastes dominated by carbonates (CW and MS) or iron oxyhydroxides (IO) are above 95% for most PTE present in AMD, while for organic wastes the removal rate was below 95% in most cases, with values as low as 15% in the case of bio-stabilised material of municipal solid wastes (BM). In other studies, for similar wastes the removal rates achieved were similar or even lower. For example, water filters partly made of iron-rich materials achieved removal rates of 50% for As66. However, other studies that also explore As retention capacity of water filters with iron oxide-rich materials reached rates of 90%67 and 99%68. The latter study concerned not only filters made from iron-rich waste, but also marble slurry filters for which As removal rate is 95%68. Furthermore, the success of these materials is not limited to As; for example, along with near 100% As retention in groundwater affected by an abandoned gold mine when treated with various mixtures composed of organic carbon, zero-valent iron and limestone, a strong decrease in the concentration of Al, Cd, Co, Cu and Ni has been demonstrated69; although the concentrations of these elements in the groundwaters are much lower than in our study. On the other hand, although less studied, the capacity of some organic wastes has also been assessed; for example, it has been reported a 70% reduction of some PTE (Al, As, Cd, Cu, Fe, Ni, Mn, Pb, and Zn) present in sulfide mine leachates by the addition of aqueous organic wastes from domestic wastewater16. Agricultural wastes have also been used to remove pollutants; for example, solid-olive mill by-products have a great capacity to remove Cr, Mn, Cu, Zn, Ni, and Pb from mining wastewater70. Similarly, there is an extensive list of agricultural waste (agave, bananas, wheat, rice, citrus fruits) that have been used for the immobilisation of different PTE (Cd, Pb, Zn) with uncertain results71. Particularly noteworthy is the case of vermicompost (VC), which shows retention rates of PTE close to those of carbonated and iron-rich wastes. This may be due to the higher content of calcium carbonate and total iron compared to other organic wastes, and, to a lesser extent, its considerable high OC content. In this sense, vermicompost can be a very effective material for the treatment of AMD. A similar study for the treatment of AMD72 using vermicompost and other agricultural by-products (sheep, cow, and rabbit manure) reported retention rates of 90% for As, Cd, Cu, and Zn in AMD. Similarly, gypsum spoil (GS) also has a high retention capacity for PTE similar to that of the other inorganic wastes, although for some, such as Ni and Co, was very low. The high retention capacity of GS is related to high CaCO3 and FeT contents./p> CW ≥ MS ≥ VC > GS > OW > OL > WS > GW > BM. Thus, a wide range of mining, urban, and agro-industrial wastes could be recovered for use in the treatment of AMD. The use of these wastes as AMD treatment technique showed promising results to be applied in the decontamination of polluted waters and as a control technique on tailing deposits to prevent the AMD generation. This study is the first step in the development of green technologies based on the different combinations of wastes with contrasting characteristics, to create solution (e.g.: Technosols, permeable reactive barriers, etc.) with a higher capacity to retain a greater variety of PTE and reduce acidity in polluted environments. The use of waste to remediate AMD will decrease the cost of the water treatment. This is especially relevant for the rehabilitation of areas with historical or abandoned mines, where the decrease in cost by replacing commonly used and expensive reagents for worthless waste will increase the affordability of water treatments. Nevertheless, additional site-specific studies should be conducted to include the cost of waste transport, as well as to evaluate the in-situ effectiveness of waste combinations under real field conditions./p>