DISEO DE SISTEMAS DETRATAMIENTO PASIVO PARA AGUAS ACIDAS DE MINAMgt. Ing. Carlos R. FRANCO MNDEZ

EFLUENTES DE MINAEFLUENTES:

FUENTES DE CONTAMINACION DE AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRANEAS

DESCARGA DE EFLUENTES DEINSTALACIONES MINERAS

OPERACIONABANDONO

EFLUENTES DE MINA CALIDAD DE EFLUENTESFLUJOS DE AGUASCARACTER. F.Q. MIN - ROCACONTACTOPARA PREDECIR LA MOVILIZACION DEMETALESPRODUCTOS DE REAACION EN LOS EFLU.SE TOMARA EN CUENTACOMPOSICION QUIMICA DEL MACISO ROCOSO EXCAVADOCOMPOSICION QUIMICA: ESCOMBRERAS RELAVERAS AGUA INSTERST. PRESENT EN LAS ESTRUCTURAS.

EFLUENTES DE MINAQUE INFLUYE EN LA DISOLUCION Y MOVILIZACION DE ELEMENTOS CONTAMINANTES ?EL DESCENSO DEL pH : mayor acidez.SIN EMBARGO:ALGUNOS METALES PUEDEN MOBILIZARSE: A pH NEUTROS O ALCALINOS: BAJO DETERMINADAS CONDICIONES QUIMICAS.

DE QUE DEPENDE QUE UN AGUA DE MINA LLEVE > o < CARGA CONTAMINANTE ?

VELOCIDAD DE REACCION DE LOS MATERIALRES EXCAVADOS.CAPACIDAD ACIDO-BASE DE LOS MINERALES Y ESTERILES.TAMAO Y SOLUBILIDAD DE LOS MATERIALES.CAPACIDAD DE NEUTRALIZACION DE LAS AGUAS.TRANSPORTE DE OXIGENO.

EFLUENTES DE MINADE QUE DEPENDE QUE UN AGUA DE MINA LLEVE > o < CARGA CONTAMINANTE ?

MOVILIDAD DEL AGUA INTERSTICIALPERMEABILIDAD DEL MEDIOCLIMA Y TEMPERATURAEVAPORACION E INFILTRACIONACCION CATALIZADORA DE LAS BACTERIASADSORCION MICROBIANA DE LOS METALESPRECIPITACION Y DISOLUCION DE LOS METALES DURANTE EL TRANSPORTEDETERMINADOS PROCESOS MICROAMBIENTALESOTROS.

CLASIFICACION DE DEDRENAJES DE MINASEGN WHITE:CLASE ALTAMENTE ACIDAS : pH: 1.5 a 4BLANDAS LIGERAM. C. pH: 5 a 7DURAS, NEUTRAS A ALCALINAS. pH: 7 a 8.5 BLANDAS, ALCALINAS. pH: 7.5 A 11MUY SALINAS pH : 6 A 9BLANDAS ACIDASpH: 3.5 a 5.5

CLASIFICACION DE DEDRENAJES DE MINASEGN SKOUSEN Y ZIEMKIEWICS. TIPO IpH: < 4.5 ALTA CONCENTRACION DE : Fe, Al, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb, otros metales.MUY ACIDO: Llamado Drenaje Acido de Mina. TIPO IIpH: < 6.0Alta cantidad de slidos disueltosAlta concentracin de in ferroso (Fe2+) y Mn.Bajo contenido de oxgeno.Por oxidacin de sulfuros, el pH del agua baja drsticamente hasta convertirse en tipo I.

CLASIFICACION DE DEDRENAJES DE MINASEGN SKOUSEN Y ZIEMKIEWICS.TIPO IIIpH > 6.0Moderada a alta cantidad de slidos disueltosBajo a moderado contenido de in ferroso ( Fe2+) y Mn.Bajo contenido de oxgenoAlta alcalinidad : llamado drenaje alcalino de mina.La acidez generada por oxidacin de metales es neutralizada por la alcalinidad presente en el agua.

CLASIFICACION DE DEDRENAJES DE MINASEGN SKOUSEN Y ZIEMKIEWICS.

TIPO IVpH: > 6.0Alta cantidad de partculas disueltas Drenaje neutralizado, pero todaba no se han fijado los hidrxidos presentes en el agua.A mayor tiempo de residencia mayor fijacin de partculas y el agua puede llegar a ser similar al de tipo V. TIPO VpH: > 6.0Agua del drenaje es neutralizadoAlta cantidad de slidos disueltosGran cantidad de hidrxidos precipitados y fijados en el fondo.Cationes restantes son disueltos por Ca y Mn.Oxi aniones solubles como bicarbonato y sulfato quedan en la solucin.

GENERACION DE AGUAS ACIDAS:LA ACTIVIDAD MINERA (AM):

EXPLORACIONEXTRACCIONBENEFICIO

GENERAN RESIDUOS

RECURSOS MINERALESMateriales de recubrimientoRoca estril de las labores minerasMineral en cantidades pequeasRelaves de la planta concentradoraBotaderos de desmonteMinas abandonadas GENERAN AGUAS ACIDAS

PROCESO DE GENERACION DE A. ACIDAS:Los residuos y materialesEn contacto con agua y aire

Acelerada en muchos casos por la accin bacteriana

Generando Aguas cidasCONTENIDO GNERAL DE LAS A. ACIDAS:

Cationes Aniones Inician un complejo mecanismo de oxidacinEn disolucinFe, Al, Mn, Cu, Pb, Zn, Cd, As, SO4

MECANISMOS DE FORMACION DE AGUAS ACIDASNORDSTROM Y ALPERS: SOSTIENEN:

PRINCIPAL RESPONSABLE DE LA FORMACION DE A.AC.

ESTAS REACCIONES GEOQUIMICAS SE ACELERAN EN AREAS MINERAS DEBIDO: PROCESO DE OXIDACIN DE LA PIRITACONTACTO:AIRE-SULFUROS: + fcil:Por las labores de acceso Por la porosidad creada en las pilas de residuos y estriles.Cambio de comp. Qum.Incremento superf. contac

MECANISMOS DE FORMACION DE AGUAS ACIDASNORDSTROM Y ALPERS: SOSTIENEN:LOS PROCESOS FISICOS, QUMICOS BILGICOS. INFLUYEN:

LOS FACTORES QUE + AFECTAN A LA GENERAC. CIDA: GENERACINMOVILIDADATENUACIONDE LA CONTAM. CIDA DE LAS AGUASEL VOLUMENLA CONCENTRACINTAMAO DE GRANODISTRIBUCIN ESPACIAL DE LA PIRITA.

MECANISMOS DE FORMACION DE AGUAS ACIDASMODELO DE OXIDACION DE LA PIRITA: STUMM Y MORGAN:ECUACION GENERAL: EC. 1:

FeS2 + 3.75 O2 + 3.5 H2O Fe(OH)3 + 2SO42- + 4H+

PASOS Y REACIONES: Reacciones tpicas: Ec 2-5(a) FeS2 + 3.5 O2 + H2O Fe2+ + 2SO42- + 2H+ Ec.2

(b) Fe2+ + 0.25 O2 + H+ Fe3+ + 0.5 H2O Ec.3

Bact.

MODELO DE OXIDACION DE LA PIRITA: STUMM Y MORGAN:

(c) FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O 15 Fe2+ + 2SO42- + 16H+ Ec.4

(d) Fe3+ + 3 H2O Fe(OH)3 + 3H+ Ec.5

LOS PASOS d y d corresponden a la fomacin de minerales de hierro-sulfato como la jarosita (d) y otros:

(d) 2 Fe3+ + Fe2+ + 4SO42- + 14 H2O FeII Fe2III(SO4)4 14 H2O

(d) 3 Fe3+ + k+ + 2SO42- + 6 H2O k Fe3III(SO4)2(OH)5 + 6H+

MODELO DE OXIDACION DE LA PIRITA: STUMM Y MORGAN:La Ec.6 se produce en la superficie del sulfuro: FeS2 + 6 Fe3+ + 3 H2O 7Fe2+ + S2O32 + 6H+ Ec.6 La Ec.7 se produce en la solucin: S2O32 + 8 Fe3+ + 5 H2O 8Fe2+ + 2SO42- + 10H+ Ec.7

Si la reaccin de la pirita a azufre es dominante: FeS2 + 2 Fe3+ 3Fe2+ 2So Ec.8

La acidez es generada por la oxidacin del azufre: So + 1.5 02 + H2O SO42- + 2H+ Ec.9

MODELO DE OXIDACION DE LA PIRITA: STUMM Y MORGAN:Pueden generar acidez tambin algunos minerales con iones metlicos divalentes como:

CalcopiritaEsfaleritaGalenaOtros

ZnS + 2 O2 Zn2+ +SO42-

Que ContienenFe, Cu, As, Pb, Sb, Bi, Zn, Hg, Cd, Mo, y que se ajustan a la frmula MS (ZnS, PbS, CuS) en cuya oxidacin con oxgeno no generan acidez:

Pero pueden ser oxidados por el Fe3+ y generar acidez, como en el caso de la oxidacin de la calcopirita por oxgeno y la esfalerita por Fe3+ , correspondindoles las siguientes reacciones:

CuFeS2 +4.25 O2+2.5 H2O Cu2++ SO42- + Fe(OH)3 + 2H+

ZnS + 8Fe3+ +4 H2O Zn2+ SO42- + 8Fe2+ + 8H+

CARACTERIZACION HIDROGEOQUIMICA DE AGUAS ACIDAS:ACIDEZ Y ALCALINIDAD EN AGUAS DE MINA:La acidez de los drenajes de mina se debe a los protones libres (H+) ms la acidez mineral debido la disolucin de Fe, Mn y Al.

Estos metales son considerados cidos generadores porque:Mediante la oxidacin y la hidrlisis pueden producir (H+)

CARACTERIZACION HIDROGEOQUIMICA DE AGUAS ACIDAS:PARAMETROS FISICO QUIMICOS:Oxgeno Disuelto:Por lo general los drenajes cidos de mina (AMD) que proceden del interior de las escombreras y labores subterrneas son:ZONAS ANOXICASTIENEN POCO OXIGENO Y PREDOMINIO DE Fe Ferroso

Oxgeno Disuelto:Una vez que los AMD entran en contacto con el aire en superficie:

A corta distancia de su recorrido aguas abajo se oxigenan. Si el ambiente circundante es suficientemente oxidante:

Muchos de los iones ferrosos se oxidarn a iones frricos.

Haciendo que el proceso consuma acidez

Lo que implica un incremento de pH y

Un descenso en la conductividad en el drenaje.

Eh- pH.En los AMD el potencial redox indica:El grado de oxidacin de los sulfuros, por tanto:Da una medida del grado de estabilidad yDe la generacin de acidez:De un drenaje de minaConcentraciones elevadas:Pueden degradar irreversiblemente ecosistemas completos

Especiacin Hidrogeoqumica en aguas de Mina.No es suficiente saber cuanto: Fe, Al, Hg, Pb o S contiene un agua.Es necesario saber en qu forma qumica se encuentran en esa agua.Entonces se hace necesario: estudios de especiacin de cada elemento:

Ejs: Metales PesadosCromo: Cr6+ : es de alta toxicidad. Mercurio: Complejos organolpticos: alta toxicidad: metil y dimetil mercurio. Hierro: en forma ferrosa (Fe2+) es inestable y en contacto con la atmsfera se oxida a la forma frrica (Fe3+) .

Fases Minearalgicas en AMD.En Funcin:Del pHDel EhDel contenido de oxgeno.

Las fases hidroqumicas predominantes en los drenajes de mina son:

Fase ferrosa:

Fase frrica:

Fase Alumnica:

FASE FERROSApH: 1.4 a 3.8Eh: 400 a 650 mV.OD: 0 a 40 %Color del agua: verdeFe2+ + 0.25 O2 + H+ Fe3+ + 0.5 H2O

FASE FERRICAPh: 2 a 3.5Eh: 650 a 800 mVOD: 70 a 100 %Color del agua: ocre-amarilloFe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+

pH: 3.8 a 5.2Eh: 500 mV.OD: saturado de Oxgeno.Color del agua: blancoAl3+ + 3H2O Al(OH)3 + 3 H+FASE ALUMNICA

TRATAMIENTO PASIVO PARA AGUAS ACIDAS DE MINA

ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO PARA AGUAS ACIDAS DE MINA:Humedales AerobiosHumedales Anaerobios (balsas orgnicas)Barreras Reactivas PermiablesSistemas de Produccin d Alcalinidad:sapsBioreactores para Reduccin de Sulfato Aireacin y Adicin Cal Drenaje anxico calizoSistemas PasivosSist. ActivoSist. ActivoSist.PasivoABIOTICASBIOLOGICAS

ESTAS TECNOLOGAS DE TRATAMIENTOTienen como Objetivo Principal:La supresin de la acidez yLa eliminacin de sustancias contaminantes (metales pesados)

Empleando:Plantas y Microorganismos Material alcalino: para neutralizar la acidezLos metales pesados: difcil de eliminar o biodegradarMediante el tratamiento pasivo (biotecnologa):Se puede inmovilizar los metales en formas no biodisponiblesConcentrando los metales disueltos en una biomasa yConvirtiendo los iones metlicos txicos a formas qumicas ms inocuas y estables

para catalizar las reacciones y para acelerar los procesos que forman precipitados

TRATAMIENTO DE AGUAS ACIDAS POR METODOS PASIVOS:Se basa en procesos: Fsicos, qumicos y biolgicos que ayudan a cambiar las condiciones de pH de las aguas acidas, De forma que se favorezca la formacin de especies insolubles que precipiten como oxihidrxidos metlicos. Se recurre al uso de: material alcalino para neutralizar la acidez vegetacin y/o microorganismos (bacterias). Tienen mayor eficacia en el tratamiento de pequeos caudales.

UNA VEZ RECOGIDO LOS DRENAJES Acs.:CARACTERIZAR LA GEOQUIMICA:pH, oxgeno disuelto, conductividad, contenido de metales y otros Adems de poner especial atencin a las condiciones hdricas y climticas del lugar.REQUISITOS BSICOS ANTES DE AFRONTAR EL DISEO:El caudal del agua tratar, Su variabilidad a lo largo de un ao hidrolgico (como mnimo) y Las concentraciones de Fe, Al, Mn, Mg, Cu, Zn, Cd, sulfato y otros. Adems de las variables que condicionan las posibilidades de tratamiento, como pH, redox, conductividad, alcalinidad, oxgeno disuelto y acidez.

CLASIFICACION DE LOS DRENAJES DE MINA

SUB-CATEGORIASDESCRIPCIONRANGO DE ACIDEZ O ALCALINIDAD1Muy cidoAcidez Neta > 300 mg/l como Ca CO32Moderadamente cido100 Acidez Neta 300 mg/l comoCaCO33Dbilmente cido0 Acidez Neta

Principales parmetros de diseo a considerar en el dimensionado de dispositivos de tratamiento pasivo: Las caractersticas del agua El rea o superficie La geometra del dispositivo La profundidad de las celdas El tiempo de retencin hidrulica y la composicin de los substratos. Para lograr un funcionamiento eficaz del sistema conviene utilizar una combinacin de distintos dispositivos de tratamiento, dispuestos en forma secuencial, incluyendo unidades de pre-tratamiento, tratamiento y post-tratamiento.

HUMEDALES AEROBIOS:Es un dispositivo de base biolgica.Estos dispositivos:Ocupan una gran superficie y Tienen una somera lmina de agua: Para favorecer el contacto entre el agua contaminada y el aire atmosfrico Emplean plantas acuticas (Tipha, Equisetum, carrizo, juncos, etc.): Que liberan oxgeno por sus races y rizomas. Para que la vegetacin emergente acte de este modo el espesor de la lmina de agua no debe superar los 30 cm.

El substrato oxigenado del humedal propicia:

La formacin de un habitat para que:

Se desarrollen ciertas colonias de bacterias que actan como:

Catalizadoras en la reaccin de oxidacin de los contaminantes presentes en el humedal,

Transformando en el caso del hierro el Fe2+ a Fe3+, el cual finalmente precipita en forma de hidrxido.

Conformacin del sistema aerobio:

Por una o varias celdas conectadas: Por las que circula el agua lentamente por gravedad,Establecindose un flujo horizontal superficial. Para favorecer la oxigenacin del agua y mejorar la eficiencia en el tratamiento: Se disean sistemas que incluyan: Cascadas, Lechos serpenteantes y Balsas de grandes superficies con poca profundidad que albergan plantas hidrfitas que cubren entre el 40 a 60 % de la superficie del humedal.

La densidad de plantas (Typh) en un humedal suele ser: De 10 plantas/m2, Para mantener esta poblacin es conveniente aadir fertilizantes en el humedal ya que las aguas de mina no llevan los nutrientes necesarios. En estos dispositivos se pueden tratar aguas con pH>4,5. El crecimiento natural de algas en los humedales favorecen: La bioacumulacin de metales pesados,Especialmente Fe y Mn que son utilizados como macronutrientes.

Procesos que se dan en un humedal aerobio:La oxidacin de metales, Precipitacin y coprecipitacin, La filtracin de la materia en suspensin, La adsorcin de metales Intercambio inico en los materiales del substrato,La bioacumulacin de metales en las races y partes emergentes de las plantas.

Las bacterias presentes en la columna de agua, substrato y rizsfera (zona de races) pueden:catalizar la oxidacin de metales, particularmente la oxidacin de Fe2+ a Fe3+ y en menor medida el Mn, segn las siguientes reacciones:

Fe2+ +0,25O2 + H+ Fe3+ + 0,5H2O

Mn2+ +0,5O2 + 2H+ Mn4+ + H20

Las reacciones de oxidacin son: Los mecanismos dominantes en la remocin de metales, Que precipitan como: xidos, hidrxidos y oxihidrxidos debido a la hidrlisis de Fe3+, Al3+ y Mn4+ principalmente Fe3+ + 3H20 Fe(OH)3+3H+Fe3+ + 2H20 Fe(OOH) + 3H+AI3+ + 3H20 AI(OH)3 + 3H+Mn4+ + 2H20 Mn02 + 4H+La eliminacin de acidez mineral del agua:Incrementa el pH y fomenta la formacin de minerales de Al (pH 4,5 a 5) como: hydrobasaluminita y aluminita, que precipitan y eliminan elementos trazas como Zn, Pb, Cd, Cu, Ni y otros.

Dimensionamiento del Humedal:

Considerar la carga metlica (q) que lleva el agua de mina, q es determinada en funcin: del caudal a tratar (Q) y las concentraciones de Fe y Mn (Cm),

mediante la siguiente expresin:

q(g/da) = Q(l/min)xCm(mg/l)x(1g/103mg)(1440min/ 1da) = 1,44xQxCm

La superficie mnima del humedal, se estima en funcin:

A la eliminacin de hierro y manganeso por unidad de superficie y da, que se consigue en estos dispositivos:

Eliminacin de hierro (eFe) = 10 a 20 g/m2.daEliminacin de manganeso (eMn) = 0,5 a 1,0 g/m2.da

Para eliminar el Mn se necesita una superficie mucho mayor que para eliminar el Fe, ya que la velocidad de oxidacin e hidrlisis del Mn es de entre 20 y 40 veces ms lenta que la del Fe.

Adems, la eliminacin de estos dos metales en los humedales se produce de forma secuencial y no simultnea, si el humedal se construye con el objetivo de eliminar Fe y Mn. Para que sea efectiva su superficie total, sta debe ser igual a la suma de las superficies parciales necesarias para eliminar cada uno de ellos:

Superficie (m2)=(gFe/da)/(eFe)+(gMn/da)/(eMn)

Adicional al diseo del humedal es recomendable:

Que el agua a tratar tenga un pretratamiento en una balsa de sedimentacin en donde se eliminaran las partculas slidas: En el dimensionado de esta balsa se tendr en cuenta: la velocidad de sedimentacin y su capacidad debe albergar los mximos caudales de recurrencia o disponer de un canal de desviacin para eventos de avenidas.

Adicional al diseo del humedal es recomendable:

Del mismo modo a la salida del humedal y para separar los slidos formados durante el tratamiento se requiere de una balsa de precipitacin-decantacin:

El agua que se obtiene puede: recirculase al sistema, pasar a otra etapa de tratamiento o incluso puede ser vertida directamente en un cauce de aguas limpias.

CASO APLICATIVO:Calcular la carga diaria de entrada en el humedal, para tratar un agua de mina cuyo caudal es 10 l/min y sus concentraciones de Fe y Mn son: Fe = 40 mg/l y Mn = 8mg/I.

Reemplazando datos, en la frmula antes tratada tenemos:Carga Fe = 10 l/min x 40 mg/l x (1g/103 mg) (1440 min/1dia) = 576 g.Fe/dia Carga Mn = 10 l/min x 8 mg/l x (1g/103 mg) (1440 min/1dia) = 115.2 g Mn/dia

El rea que debe tener el humedal aerobio para los datos anteriores es:

Superficie (m2) = (576g Fe/ dia)/(10 m2/g/dia) + (115.2 g Mn/dia)/(0.5 m2/g/dia)Superficie = 288 m2

Para medir el rendimiento de un humedal se considera que es necesario tener en cuenta posibles diluciones en el sistema. Establecen un factor de dilucin (DF) como el cociente Mgout/Mgin; eligen este elemento por ser el ms conservativo qumica y biolgicamente en el sistema. La reduccin de la concentracin del Fe corregida por efectos de dilucin vendra dada por Fe = Fein - (Feout/DF), y El rendimiento del humedal expresado como gramos de Fe retenidos por metro cuadrado y da, se calcula mediante la siguiente expresin:

Ferem = (Fe x Qin x 1.44)/AFerem = rendimiento del humedal A = Area del humedal en m2 Qin = Caudal en el influente (l/min) 1.44 = factor de conversion de minutos a dia y de miligramos a gramos.

Donde :

Para calcular el rendimiento de un humedal aerobio de 300 m2 en el que trata 20 l/min de un agua de mina, cuyos datos en la entrada y salida son los siguientes:

ENTRADASALIDAMg125105Fe25020Mn2015

Primero se calcula la dilucin tomando como elemento referencia el Magnesio:DF = Mgout / Mgin = (105 mg/l)/ 125 mg/l) = 0.84Ajustamos las concentraciones de Fe y Mn en funcin del factor de dilucin y las concentraciones de entrada y salida del humedal: FeDA = Fein (Feout/DF) FeDA = 250 mg/l (20mg/l)/0.84) = 226 mg/l Fe MnDA = 20 mg/l (15 mg/l)/0.84) = 2 mg/l Mn

Luego : calculamos el rendimiento del humedal, teniendo en cuenta su superficie y el caudal tratado: Ferem = ( FeDA x Qin x 1.44)/Area humedal = g/m2/diaFerem = (226 mg/l) (20 l/min)/3000 m2 x (1g/103 mg)(1440 min/1dia)

Ferem = 2.2 g Fe/m2/dia Ferem = (2 mg/l) (20 l/min)/3000 m2 x (1g/103 mg)(1440 min/1dia)

Ferem = 0.02 g Mn/m2/dia

En casos prcticos se han obtenido costos unitarios de construccin de humedales aerobios: desde 10 hasta 30$/m2 .