Tratamiento Químico: Químico: Aguas Acidas Acidas .
Tratamiento de Aguas Ácidas. Prevención y Reduc Reducción ción de la Contaminación Un agua es ácida cuando su pH<7. No Obstante, ello no exige que deje de ser potable o resulte nociva hasta alcanzar niveles bastante inferiores (por Ejemplo, deja de ser potable para pH< 5.5). A no ser por causas antrópicas, resultan muy raros de encontrar pH<3.5 ó pH>10.5, existiendo una tendencia natural a su neutralización (por saturación, precipitación, dilución, etc.), resultando estas anomalías las más agresivas La solubilidad de rocas y minerales, se ve fuertemente afectada por el pH del medio, de forma que, un agua ácida suele, además de ser nociva por su pH, ir acompañada de numerosos metales en disolución, que aportan una importante toxicidad al efluente
Tratamiento de Aguas cidas. Prevención y Reducción de la Contaminación
Las aguas ácidas (Fig 1) se pueden formar tanto en el interior como en la superficie, por oxidación de la pirita (FeS2 u otros sulfuros) en presencia de humedad, expuesta a las condiciones atmosféricas, pudiendo acceder al sistema hidráulico subterráneo, contaminando acuíferos, o surgir como efluentes que vierten en cursos de agua superficial. Fig. 1: Problemática ambiental de las aguas ácidas. (a) Efluente de agua ácida cargada en metales pesados (cobre), en la Mina de Sossego (Carajás, Brasil); (b) Efluentes ácidos en área minera abandonada de São Domingos (Portugal); (c) Río Odiel.
Son aguas que se producen como resultado de la oxidación química y biológica de sulfuros metálicos, especialmente pirita o pirrotita, que se pueden encontrar presentes o formando parte de botaderos, relaves, basuras municipales, etc.
La oxidación se produce cuando las rocas conteniendo sulfuros son expuestas al aire y al agua
Valores
de pH por debajo de 7 hasta 1.5 € decreciente y Alcalinidad acidez creciente Concentraciones elevadas € de sulfato Concentraciones elevadas € de metales (disueltos o totales) Concentraciones elevadas € de sólidos disueltos totales
Drenaje Acido de Roca Durante las operaciones mineras y metalúrgicas pueden generarse efluentes como agua de relave, drenaje ácido de mina y filtraciones o derrames de aguas ácidas. Dependiendo del tipo de mineral y del proceso metalúrgico, los efluentes pueden contener contaminantes tóxicos en alta concentración, como acidez o alcalinidad, cianuro, amoniaco, nitrato, metales pesados, sulfato, sólidos en suspensión, requiriendo tratamiento antes de su descarga al ambiente o ser reciclado al proceso. La oxidación natural de los sulfuros contenidos en residuos mineros puede generar drenaje ácido de mina que se caracteriza por alta acidez, y contenido de metales pesados y sulfato. Fuente: Selecting Suitable Methods for Treating Mining Effluents Papers , N Kuyucak
Drenaje Acido de Roca Cuando no se puede prevenir o controlar la generación de DAR se requiere recolectar y tratar prara su neutralización y reducción de los metales y sólidos en suspensión a fin de cumplir con los estándares de calidad. Algunos de estos contaminantes pueden persistir en efluentes de la unidad minera después del cese de operaciones. El tratamiento de estos efluentes comprende procesos físicos, químicos y/o biológicos. Los métodos de tratamiento pueden ser en plantas construidas o mediante tratamientos pasivos.
Drenaje Acido de Roca La neutralización y precipitación con cal es el método más usado para este fin. Para reducir los problemas de disposición a largo plazo de los lodos generados en la neutralización, se usa el proceso de Lodos de Alta Densidad (HDS). También puede considerarse el uso de otros reactivos químicos o residuos o subproductos de otras industrias y métodos de reducción biológica de sulfato, de acuerdo a las condiciones específicas de cada lugar.
Drenaje acido de roca La
presencia de sulfuros en residuos mineros y la consiguiente formación de drenaje ácido de mina, es uno de los grandes problemas ambientales en muchas regiones mineras de todo el mundo.
La
necesidad de prevenir la formación de drenajes ácidos ha promovido el desarrollo de numerosas investigaciones sobre los mecanismos de oxidación y su prevención.
La
oxidación de los sulfuros es compleja y sus efectos pueden variar enormemente entre distintos lugares y condiciones, por lo que el adecuado manejo de los drenajes ácidos de mina requiere la comprensión de los procesos que controlan las variaciones espaciotemporales de su calidad.
Cuando
las aguas neutras entran en contacto con material piritoso, se producen aguas ácidas dañinas para la salud y el ambiente.
Drenaje acido de roca Principios de la generación del DAR Los sulfuros (pirita y otros) en las minas, desmonte y relave en contacto con aire y agua generan DAR (aguas ácidas con sulfatos metálicos) que va a los ríos o lagunas. Sulfuro Reacciones: Oxidación: FeS2 +3.5O2 + H2O FeSO4 + H2SO4 CuFeS2 + 4 O2 CuSO4 +FeSO4
Neutralización: H2SO4 +CaCO3
CaSO4 +H2O +CO2 O2
DAR Agua
Botaderos de material estéril (<0.2% Cu) Botaderos de sulfuros de baja ley ( 0,2-0,4% Cu) € Relaves € y eventuales derrames de concentrados.
€ Grandes tajos de
la minería a cielo abierto.
Zonas fracturadas (cráter) en superficies de minas subterráneas
Drenaje acido de roca Factores que favorecen el DAR: 1. Compleja geología y mineralogía:
Tipos de formaciones geológicas, tipos de yacimientos, sinclinales, anticlinales, fallas y fracturas.
Gran variedad de asociaciones mineralógicas de sulfuros, sulfosales y neutralizantes.
Molienda fina en la concentración de minerales
Ubicación en zonas sísmicas.
Drenaje ácido de roca 2. Influencia
del clima
En zonas lluviosas: Infiltración de agua en labores mineras. 3. Minas abandonadas Sin plan de cierre, principalmente de pequeña y mediana minería. Vida de una mina: varios años a décadas DAR de mina inactiva: perpetua.
Efecto de la temperatura en la velocidad de oxidación química y biológica de pirita 1.0 0.8 _ 0.6 0.4 0.2 0 0
I
I
10
20
I
I
30 40 TEMPERATURA
Efecto del pH en la velocidad de oxidación química y biológica de pirita 1.0 0.8 _ 0.6 0.4 0.2 0 0
I
I
I
I
I
1
2
3
4
5 PH
Reacciones de neutralización Preparación de lechada de cal: CaO + H2O = Ca(OH)2 Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH-
Reacciones de neutralización con formación de hidróxidos: Al3+ + 3OH- = Al(OH)3 Co2+ + 2OH- = Co(OH)2 Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2 Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3 Ni2+ + 2OH- = Ni(OH)2 Pb2+ + 2OH- = Pb(OH)2 Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2
Aireación / Oxidación El ion ferroso (Fe2+) al neutralizarse da hidróxido ferroso, que es poco estable. Por eso, se aplica aireación para oxidar el hierro a férrico que es la forma más estable, según la reacción: Fe(OH)2 + ½ H2O + ¼ O2 = Fe(OH)3 El hidróxido ferroso no sedimenta como el hidróxido férrico porque genera un lodo muy viscoso.
Ventajas de oxidar el hierro:
Estabilidad del lodo Eficiencia de tratamiento Viscosidad del lodo. En proceso LDS se requiere elevar más el pH porque el Fe2+ precipita a mayor pH. • • •
Región de pH de formación de hidróxidos pH 0 Fe(OH)3 Al (OH)3 Zn(OH)2 Fe(OH)2 Cd (OH)2 Ni (OH)2 AgOH Pb(OH)2 HgO Mn (OH)2 Mg (OH)2 Ca O
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Hidrólisis de Metales (según Aubé y Zinck, 2003)
Diagrama Eh-pH Muestra los campos de estabilidad de los minerales de hierro. La actividad total del carbonato disuelto 1M, del azufre disuelto 10 -6 M. Los límites sólidos representan al hierro de 10-6 M; y las líneas entre-cortadas al hierro de 10-4 M.
Metales tóxicos El drenaje ácido de mina también disuelve metales tóxicos, tales como Cu, Al, Cd, As, Pb y Hg de la roca del entorno. Estos metales, en especial el hierro, pueden recubrir el fondo del río con lamas de color anaranjado a rojo. Estos metales aún en cantidades pequeñas pueden ser tóxicos para la vida salvaje y el hombre. Metales llevados por el agua pueden ir lejos, contaminando cursos de agua y agua subterránea a grandes distancias. Impactos en la vida acuática: desde muerte inmediata de peces a subletal, se afecta su crecimiento, su habilidad de reproducción. El problema de los metales se debe a que no se destruyen en el ambiente. Se sedimentan en el fondo y persisten, constituyendo una fuente de contaminación por largo tiempo para los insectos acuáticos y a los peces que se alimentan de éstos.
Contaminación perpetua El drenaje ácido de mina (DAM) es peligroso porque continúa causando daño mucho tiempo después del fin de la actividad minera. Debido a la severidad de los impactos del DAM en la calidad del agua, muchas minas requieren tratamiento de agua a perpetuidad o miles de años. El tratamiento de agua puede ser una carga económica significativa para la empresa. Aun con la tecnología existente, el DAM es imposible de parar una vez que la reacción comienza. Dejar un DAM significa que las generaciones futuras deben tomar la responsabilidad que requiera ser manejada posiblemente por cientos de años. Las predicciones sobre el éxito de dicho manejo a largo plazo son especulativas.
Control de la Contaminación del Agua: Tratamiento Activo Antes de controlar contaminantes, reducir al mínimo el consumo de agua, optimizar su recuperación y recirculación. Métodos de tratamiento general:
Homogenización: minimizar fluctuaciones
Neutralización: ajustar pH
Precipitación: por reacción con Sustancias químicas
Coagulación y floculación: aglomeración
Clarificación: por sedimentación
Control de la Contaminación del Agua: Tratamiento Activo
Minas inactivas:
1. Prevención de la generación de DAR:
Aislamiento de sulfuros con coberturas y sellos
Exclusión del aire con coberturas y sellos
Inundación por taponeo de bocaminas
Deposición subacuática (permanente y estable)
Segregación o mezcla de desmontes generadores y neutralizantes de DAR.
Control de la Contaminación del Agua: Tratamiento Activo 2. Control de la migración del DAR:
Canales de derivación
Cubiertas y vegetación contra infiltración
Interceptar flujos de agua subterránea
Diques y muros de contención para impedir derrame de sedimentos contaminados.
Control de la Contaminación del Agua: Tratamiento Activo 3. Tratamiento del efluente contaminado Colección y tratamiento químico en plantas. Debe permitir cumplir con los LMP de la descarga. Es de alto costo, genera residuos secundarios, requiere supervisión y mantenimiento permanentes. Debe usarse sólo si las medidas de prevención y mitigación no son factibles o confiables.
Control de la contaminación Tratamiento Pasivo : - Sistema de tratamiento biológico y/o químico de drenaje
de mina, no requiere control ni mantenimiento rutinario. - Aplicable a pequeño flujo y baja concentración de
metales, o como afine. Pantanos naturales y construidos; Cunetas alcalinas y drenes anóxicos de caliza, Cascadas de aireación y pozas de sedimentación. Caso Yanamate: laguna en lecho de roca calcárea permeable.
Prevención de contaminación del drenaje de relaveras Para superar las condiciones del relave, la vegetación debe:
Ser de rápido crecimiento y desarrollo
Soportar suelos pobres en nutrientes
Resistir el frío y acidez
Ser preferentemente verde permanente.
Tratamiento del agua de drenaje:
Similar al agua de mina, y
En la misma planta de tratamiento.
Tratamiento Activo del DAR Neutralización para precipitar metales pesados disueltos.
Neutralizantes: Cal, soda cáustica y caliza.
Cuando hay Fe2+: oxidar con aire o bacterias
Cuando hay 2 clases de metales: precipitar en 2 etapas: 1° pH bajo, y 2° pH alto.
Después de neutralización a pH alto: bajar pH
El reciclaje de precipitado reduce volumen de precipitado.
pH mínimo para precipitación de iones para cumplir con estándares Ion Fe3+ Cr3+ Cu2+ Zn2+ Fe2+ Pb2+ Mn2+ Cd2+ * mg/l
pH 2.84 5.60 6.77 7.87 8.41 9.47 9.52 10.20
Agua Tratada * 10 0.5 3 5 10 0.1 10 0.1
Diagrama de flujo del tratamiento de agua de mina Agua cruda
Cal
NEUTRALIZACION .OXIDACION
Aire Floculante
PRECIPITACION Y NEUTRALIZACION
Agua decantada
Precipitado TRATAMIENTO DE PRECIPITADO
Sedimentos
Río
Proceso HDS de Neutralización en Etapas Agua ácida
Aire
Lechada de cal
Polímero
||
pH 4
CLARIFICADOR
pH 7 Agua tratada
pH 8.5 Reciclaje de lodo
pH 9.5
Descarga de lodo
Proceso HDS La optimización de la densidad y estabilidad de lodos fue el motivo para el desarrollo de una nueva variedad de precipitación de hidróxidos, en la que la reacción es controlada y cada partícula de hidróxido de hierro es abrigada por una capa de sílice. Tras ensayos a escala piloto, este método esta ya en marcha a escala real en Venn Quarry (una mina a cielo abierto para agregados en Devon, Inglaterra, que tiene un problema de drenaje ácido), aunque no se ha perfeccionado esta aplicación todavía.
Manejo de Efluentes en una Concentradora
Se puede minimizar el impacto a los recursos de agua mediante la reducción del consumo de agua dulce (mediante reciclaje), reducción del volumen de efluente a descargar y tratamiento de éste. 1. Separación de efluentes de diferente calidad, porque unos pueden requerir tratamientos más complicados y caros que otros. 2. Reciclaje y reutilización de agua: Reduce el requerimiento de agua dulce del proceso y el volumen descargado al ambiente. Puede ser directo, o con previo represamiento en una poza, o previo tratamiento
Manejo de Efluentes de Concentradora
Residuos sólidos, como envases de reactivos, pueden tener restos de reactivos que podrían ser disueltos y llevados por escorrentías.
Deben ser reunidos lejos de vías de drenaje y ser cubiertos.
Manejo de agua en concentradora Mineral Agua Fresca
PLANTA CONCENTRADORA Relave Concentrado
ESPESADOR
DEPOSITO DE RELAVE
a d a l c a i u c g e A R
Tratamiento de Efluente
Descarga
Efluente Tratado
PLANTA CONC.
NH3 Fe(CN)3-2 SCN CNO
NH3 CO2 H2O Oxidación del Agua radical libre CO2 Reciclada Rayos HCN UV Volatilización Relave
Volatilización Biodegradación Disociación RIO
Filtración
Cu(CN)3-2 SCN NH3
Adsorción Precipitación Acomplejamiento
Agua Subterránea
Lecho de Roca
Comportamiento del cianuro en relavera
Prevención de contaminación del drenaje de relaveras
Medida: controlar caudal de infiltración
Obras de drenaje externo, interno y canales de emergencia
Cobertura de tierra y vegetación: - controla erosión acuática de taludes - reduce caudal drenaje y mejora calidad agua - Evita erosión eólica del relave - Armonía de paisaje con vegetación en relavera
Unidades de tratamiento pasivo Unidad
Descripción
Función
Adición de alcalinidad; La anoxia limita la Dren Agua fluye a través del canal oxidación y la hidrólisis de Fe 2+ y previene el anóxico de de caliza en condiciones recubrimiento . La precipitación de metales caliza (ALD) anóxicas. se realiza en un humedal aeróbico. Adición de alcalinidad. Canal Agua ácida fluye sobre la abierto de caliza o en otro agente La precipitación de Al, Fe, Mn como óxidos se caliza (OLC) alcalino. realiza en una poza de sedimentación. Incluye a las cuencas de sedimentación, Pozas y De poca profundidad, flujo pozas de oxidación principalmente usadas humedales superficial, humedales con para las reacciones de oxidación y precipiaeróbicos vegetación emergente. tación y como biofiltros o unidades de pulido. Humedal anaeróbico (de compost)
Flujo sub-superficial, el substrato anóxico de abono Adición de alcalinidad, reducción de sulfato y está aislado de la atmósfera precipitación de sulfuros de metales; sorción por una columna de agua, o o respuesta de la vegetación. cubierto por un material.
Unidades de tratamiento pasivo Flujo vertical que drena Sistema de a través de capas de producción de materia orgánica alcalinidad y anaeróbica y caliza en reducción (RAPS) gravas.
Sistema de producción de alcalinidad sucesiva (SAPS)
Adición de alcalinidad, reducción de sulfato (SO42- a H2S) y metales (Fe3+ a Fe2+). La precipitación de metales se realiza en un humedal aeróbico.
En sus inicios, el RAPS, se denominó SAPS para Tiene el mismo comportamiento físico, indicar que más de una químico y biológico que el RAPS. unidad sería usada para tratar aguas muy ácidas.
Intercepta flujos subterrá Adición de alcalinidad, reducción de Barrera reactiva neos a través de barreras sulfato y precipitación de metal; permeable (PRB) permeables que contienen sorción. materiales reactivos.
Tratamientos Pasivos Sistema Dren calcáreo anóxico (ALD)
Wetland aeróbico de flujo horizontal .
Características Lecho de caliza enterrado Aumenta alcalinidad El efluente se trata en wetland aeróbico de flujo horizontal
Drenaje Tratado Solución ácida neta Fe3+ <1mg/l Al3+ <1mg/l .
Pantano poco profundo o poza de Soluc. alcalina neta. sedimentación. Oxidación de Fe2+ Hidrólisis Al3+, Fe3+ Flujo horizontal de agua. Wetland Pantano poco profundo con Solución Ligeram. compuesto de flujo substrato orgánico Ácida o alcalina horizontal . Dren inferior calcáreo Aumenta alcalinidad Flujo horizontal de agua en Elimina Al3+ y Fe3+ ambas capas hidrólisis
Tratamientos Pasivos ...
Sistema Reactores de flujo vertical
Sistemas pasivos combinados
Características Capas superpuestas de agua, orgánico + caliza, y caliza Flujo de agua hacia abajo Efluente se trata en wetland aeróbico o poza de sedimentación
Drenaje tratado Soluc. ácida neta Elimina O2 disuelto y da alcalinidad Fe se retiene en agua Al se acumula en caliza
Serie de algunos de los sistemas anteriores. Tiene las ventajas de c/u
Remoción sucesiva de diferentes contaminantes
MECANISMOS DE TRATAMIENTOS PASIVOS
Tratamiento Pasivo DAM
pH = 1-4 Metales disueltos
• Precipitan hidróxidos • Precipitan Sulfuros • Filtración de sólidos en
suspensión • Asimilación de metales por las raíces, • Neutralización y precipitación por generación de amonio • Adsorción de metales por intercambio con las plantas, suelos y otros materiales orgánicos.
Agua Tratada pH =7 – 9 Metales disueltos = Despreciable
• Pre Tratamiento: Dren anóxico calcáreo aumenta alcalinidad y “buffer” H+ + CaCO3 -- Ca2+ + HCO3 • REACCION AEROBIA: Precipitación de hidróxidos catalizada por bacterias Fe 3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ (pH >5) • REACCION ANAEROBIA: Precipitación de Sulfuros catalizada por bacterias sulfatoreductoras. SO42- + 2CH2O + 2H+ H2S + 2 H2O + 2 CO2 Zn2+ + H2S ZnS + 2 H+
Drenes Calcáreos Anóxicos (ALDs)* Tratan
aguas ácidas con o sin contenido de metales pasando por una zanja subterránea llena de roca calcárea chancada. Los ALD descargan en una poza de sedimentación o un pantano para que los metales precipiten y sedimenten.
Un
problema de los ALDs es que se forma una cubierta fuertemente adherida sobre la caliza que la inactiva y puede atorar el dren. Para superar este problema las concentraciones de O2 disuelto, Fe+3 y Al+3 deber ser <1 mg/L; algunos autores sugieren que Fe +3 y Al+3 pueden estar entre 1 y 5 mg/L, que son límites bajos.
Cuando
junto a la caliza se añade arenisca chancada, la mayoría de óxidos metálicos precipita sobre la arenisca. En condiciones anóxicas debe mejorar su rendimiento.
* Anoxic Limestone Drains (ALDs)
Drenaje Anóxico Calcáreo Sección Transversal
Superficie vegetada
Membrana impermeable
Suelo arcilloso
Caliza (90% CaCO3)
Pantanos Aeróbicos Mayormente son usados para aguas netamente alcalinas, se favorece la infiltración de oxígeno, y los metales precipitan como oxihidróxidos, hidróxidos y carbonatos.
Humedal anaerobio
Principales bacterias anaerobias sulfato reductoras: Desulfomaculum (Gram-positiva) y Desulfovibrio, que utilizan como fuente de energía para su metabolismo las reacciones que ocurren en la materia orgánica del substrato (CH2O) y el sulfato disuelto en el agua intersticial.
La reducción biológica del sulfato (SBR) consume acidez (H+) y reduce el sulfato a sulfuro metálico insoluble como parte de la actividad metabólica de las bacterias, la precipitación de estos sulfuros remueve metales del agua dando como resultado la neutralización del medio, tal como se observa en las siguientes reacciones: 2 CH2O + SO4= + H+ → H2S + 2 HCO3Me2+ + H2S → MeS↓ + 2 H+
Tratamiento pasivo WETLAND AEROBIO
2.5-7.5 cm agua 30-90 cm Mat. orgánica
SAPS
90-180 cm agua 15-30 cm Mat. Orgánica 30-60 cm caliza y sistema de drenaje
WETLAND ANAEROBIO
2.5-7.5 cm agua 30-60 cm Mat. Orgánica 15-30 cm caliza
Selección de sistemas de tratamiento pasivo , a t e l n / z g e m d i c A
0
d a d i a n t i l e a n c l A
O2 disuelto mg/l 1
5
Alcalinidad neta
Alcalinidad neta
Alcalinidad neta
Dren anóxico calcáreo
Wetland aerobio
Poza de sedimentación
1
Fe+3,
50
Al+3
M P G , o 50 j u l F
Biorreactores Son
zanjas o pozos forrados que pueden contener materiales como cantos rodados, compost, otra materia orgánica, y/o un reactivo alcalino.
También
pueden contener materiales filtrantes como los usados en el tratamiento de aguas residuales municipales, que promueven el establecimiento de microorganismos que precipitan metales.
El
término “biorreactor ” puede incluir PRB, SAPS y pantanos ya que utilizan reacciones biológicas para tratar aguas. La distinción entre ellas proviene de la literatura.
Un
reto de estos sistemas es lograr una condición de abandono simple.
Biorreactores
Biorreactores
.
Sistema de Producción Sucesiva de Alcalinidad (SAPS)
El substrato inferior es de caliza (0,5 a 1 m de espesor) y sirve para generar alcalinidad y neutralizar el pH del influente. La capa superior es de material orgánico (0,1 a 0,5 m de espesor) y es donde se elimina el oxígeno disuelto del agua, se reduce el sulfato y se transforma el Fe3+ en Fe2+, evitándose la precipitación del hidróxido de Fe3+ sobre la capa de caliza.
Esquema de un Sistema de Producción Sucesiva de Alcalinidad (SAPS) Celda SAPS Agua Materia Orgánica Caliza
Aliviadero
Poza de Sedimentación
Consiste en un estanque en cuyo interior se deposita bajo agua dos substratos, uno de caliza y otro de materia orgánica, inundados a una profundidad de entre 1 y 3 m.
El agua atraviesa los substratos y drena por la parte inferior por un conjunto de tubos perforados. Un SAPS puede tratar aguas con pH <4,5.
Construcción y operación de un SAPS
Principales reacciones
Pantano Aerobio
Cuando las aguas son ácidas debe elevarse el pH a una condición alcalina. Si Al y Fe son los principales contaminantes se usa la adición alcalina seguida de una poza aeróbica de sedimentación para precipitar los metales.
15 45 cm –
Humedal anaerobio Este sistema opera en permanente inundación, el agua fluye por gravedad a través de un substrato orgánico y otro alcalino, incrementándose el pH hasta niveles cercanos al neutro debido a la alcalinidad de los bicarbonatos que se generan en el sistema a partir de la reducción anaerobia del sulfato y la disolución de la caliza.
>0.3 m 0.3-0.6 m
Humedal anaerobio
Celda Nº 1 de Humedal, UNASAM, Mesapata, Ancash
