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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
“DISEÑO DE TRATAMIENTO PASIVO DESPUÉS DEL PLAN
DE CIERRE DE MINA”
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO SANITARIO
PRESENTADO POR:
RENATO CARLO VILLANUEVA ALVAREZ FERNANDO RODRIGO SÁNCHEZ PINTO
LIMA - PERÚ
2013
II
DEDICATORIA
De Renato
A mi Niño Kunkish, hacedor de mis venturas.
A Hildebrando, mi padre, y su incomparable vida.
A Lely, mi madre, el amor lleva su nombre.
De Fernando
Le dedico este trabajo, a la única mujer que he amado y que amaré siempre, a
mi engreída Giuliana Ortega, porque desde que estamos juntos desperté y
conocí el amor, por darme a mi hijita Mariah Fernanda, y por darle sentido a mi
vida.
III
AGRADECIMIENTOS
De Renato
Al Niño Kunkish, compañero y amigo, origen y camino de mi existir.
A mis padres Hildebrando y Lely por su incansable dedicación y valentía para
convertirme en ingeniero.
A mis hermanos: Hilde, Armando, Lely, Horacio antes mágicos, ahora eternos.
A mis amigos de Sedapal: Gerardo Almeyda, Jorge Cornejo, Ricardo Chimoy,
Martín Quevedo porque sus palabras me ayudaron a ser mejor.
A Rafael Winchez, el Hacedor te dio inteligencia y bondad en tu corazón.
A Carlos Vidal, Dios no te dio cabello pero sí un inmenso corazón.
De Fernando
A Jehová mi Dios, por darme ese curioso don.
A mi amorcita, por empujarme a esas noches de estudio y trabajo.
A mi abuelita Josefina, por engreírme y defenderme.
A mi hermano Nicolás, por creer en mi loca idea de ser Ingeniero.
A mi madre, por apoyarme cuando todos me dieron la espalda.
IV
RESUMEN
La presente tesis tiene por finalidad la evaluación cualitativa y cuantitativa,
mediante drenes de caliza el proceso de neutralización del drenaje ácido de
minas (DAR), principal producto de las operaciones mineras después del cierre
de la mina. La generación de aguas ácidas constituye un efecto ambiental
importante por su bajo pH y su alto contenido de metales pesados y partículas
en suspensión originando impactos negativos en el medio ambiente.
El diseño y la construcción de sistemas de tratamiento pasivo sigue siendo una
tecnología en proceso de desarrollo, es por aquello que esta investigación
evalúa el tratamiento pasivo para la neutralización de las aguas ácidas mediante
los drenes de caliza, determinando la tasa de tratamiento de agua ácida por
medio de trabajos experimentales de campo y laboratorio, teniendo en cuenta las
diferentes modificaciones durante la etapa de diseño y monitoreo de variables
como dimensionamiento del canal, caudal de diseño (Q), perímetro mojado (PM),
radio hidráulico (R), tirante (y), caudal por Manning (Q’), potencial de hidrógeno
(pH ), tiempo de contacto (Tc), volumen de agua tratada (Vt), pendiente (S),
velocidad para finalmente determinar la tasa de Tasa de Tratamiento de (Ta) en
litros/m2/s.
Es indispensable que el efluente cumpla con los límites máximos permitidos en
la DS 010-2010-EM/VMM, con los estándares de calidad establecidos en la ley
General de Aguas en el cuerpo receptor, asimismo con el Programa de
Adecuación y Manejo Ambiental (PAMA).
Dentro del Plan de Cierre de Mina, las alternativas de tratamiento pasivo para su
implementación en área de cierre son favorables, los sistemas pasivos incluyen
poco mantenimiento a largo plazo, por lo tanto cumplen con el objetivo de cierre
de tipo abandono que el tratamiento de lodo de alta densidad o las formas
alternativas de tratamiento activo.
V
En los casos de las minas peruanas, ubicadas en los andes y la selva alta,
podría resultar muy difícil, adoptar un abandono simple, si no se considera
realizar operaciones de mantenimiento después del mismo, a menos que se
preste una cuidadosa atención a la planificación del cierre. Es difícil lograr la
estabilidad química de los depósitos de desmonte, pilas de lixiviación, depósitos
de relaves y paredes rocosas de las minas, su mantenimiento es costoso por
tratarse de climas húmedos.
VI
ÍNDICE GENERAL 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 14
1.1. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 14 1.1.1. Área de Estudio .................................................................................................. 15 1.1.2. Ubicación de la Unidad Minera Julcani ............................................................... 15
1.2. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 20 1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................. 21
1.3.1. Definición de Términos ....................................................................................... 22 1.3.2. Descripción del Problema ................................................................................... 25
2. OBJETIVOS ................................................................................................................... 27
2.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................................ 27 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................................... 27
3. MARCO TEÓRICO ....................................................................................................... 28
3.1. EL CICLO DE VIDA DE UNA MINA ............................................................................... 28 3.2. DRENAJE ÁCIDO DE MINA ........................................................................................ 30
3.2.1. Clases de Drenaje de Minas............................................................................... 31 3.3. PROCESO DE GENERACIÓN DE ACIDEZ ..................................................................... 36
3.3.1. Reacciones químicas y biológicas relacionadas con la Generación Ácida. ........ 42 3.3.2. Etapas en el desarrollo del DAR ......................................................................... 44 3.3.3. Desplazamiento de los drenajes ácidos en los depósitos mineros. .................... 46 3.3.4. Metodología para predecir la Generación Ácida................................................. 49
3.4. CONTROL DE LOS DRENAJES ÁCIDOS. ....................................................................... 52 3.4.1. Prevención y Control del Proceso de Generación de Aguas Ácidas. ................. 53 3.4.2. Control de la Migración de las Aguas Ácidas. .................................................... 62
3.5. SISTEMAS DISPONIBLES PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS ÁCIDAS. ............................ 62
3.5.1. Tratamiento Químico Activo de Drenajes Ácidos. ............................................. 64 3.5.2. Tratamiento Químico Convencional de Drenajes Ácidos. ................................. 67 3.5.3. Tratamiento tipo de Aguas Ácidas en una Planta Convencional. ..................... 70 3.5.4. Tratamiento de Aguas Ácidas en una Planta HDS. ............................................ 72 3.5.5. Tratamiento de Aguas Ácidas mediante el Proceso NCD. ................................ 73
3.5.6. Tratamiento de Aguas Ácidas mediante el Proceso BIOTEQ............................. 74 3.5.7. Tratamiento por Métodos Pasivos de Drenajes Ácidos. ..................................... 76
4. INUNDACIÓN DE LA MINA COMO RESPUESTA GEOQUÍMICA FRENTE AL
CIERRE .......................................................................................................................... 85
VII
4.1. FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE LA INUNDACIÓN DE LA MINA. (CONSULTANTS, 2006) . 85 4.2. QUÍMICA DE GENERACIÓN DE DAR EN LAS LABORES DE JULCANI. ............................... 86
4.2.1. Oxidación de sulfuros ......................................................................................... 86
4.2.2. Controles Secundarios ....................................................................................... 86 4.3. SITUACIÓN ACTUAL DE LA INUNDACIÓN DE LA MINA. .................................................... 90 4.4. ASPECTOS GEOQUÍMICOS ORIGINADOS DESPUÉS DE LA INUNDACIÓN DE MINA .............. 90
4.4.1. Geología ambiental. ........................................................................................... 90
4.4.2. Evolución de la calidad del agua. ....................................................................... 91
5. NORMA PARA CONTAMINANTES FÍSICOS Y QUÍMICOS ................................. 94
5.1. MARCO LEGAL. ....................................................................................................... 94 5.1.1. Constitución Política del Perú (Año 1993) .......................................................... 94
5.1.2. Ley General del Ambiente (N° 28611). ............................................................... 94 5.1.3. Ley Marco para el Crecimiento de la Inversión Privada (Decreto Legislativo Nº
757 Art. Nº 50). ................................................................................................... 95 5.2. GUÍA PARA LA ELABORACIÓN DE PLANES DE CIERRE DE MINA. ..................................... 95
5.3. LEY GENERAL DE MINERÍA (Nº 014-92-EM). ............................................................. 96 5.4. LEY DE CIERRE DE MINAS (Nº 28090-03). ................................................................. 96
5.4.1. Ley que Regula el Cierre de Minas (Nº 28507-05). ............................................ 97 5.4.2. Reglamento Para el Cierre de Minas. ................................................................. 97
5.4.3. Estándares de protección ambiental aplicables a las actividades minero
metalúrgicos. ...................................................................................................... 98
6. HIPÓTESIS .................................................................................................................. 101
7. VARIABLES................................................................................................................. 102
7.1. DETERMINACIÓN DE VARIABLES ..............................................................................102 7.2. OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES ................................................................102
8. METODOLOGÍA Y MATERIALES .......................................................................... 103
8.1. TOMA DE MUESTRAS Y OBTENCIÓN DE LA CALIZA ......................................................103
8.2. MÉTODOS ANALÍTICOS ............................................................................................103 8.3. DETERMINACIÓN DEL PH INICIAL ..............................................................................104 8.4. MANIPULACIÓN, ALMACENAMIENTO, TRANSPORTE DE MUESTRAS. ..............................105 8.5. DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL DE CALIZA ..............................................................106
8.6. ANÁLISIS CUALITATIVO DEL AGUA ÁCIDA ..................................................................106 8.7. Determinación del Caudal Óptimo (Q)..................................................................107 8.8. Determinación de la Tasa de Tratamiento (Ta) ....................................................107 8.9. Aplicación de la Tasa de Tratamiento. .................................................................107
VIII
9. PROCEDIMIENTO ..................................................................................................... 108
9.1. Dimensiones del canal de caliza ..........................................................................108 9.2. Análisis Cualitativo del Agua Ácida ......................................................................111
9.2.1. Determinación cualitativa para neutralizar la muestra del agua ácida por acción
de la reacción del ácido con el carbonato de calcio contenido en la roca caliza.
111 9.3. Determinación cuantitativa para neutralizar la muestra del agua ácida por medio
de la caliza.........................................................................................................112 9.3.1. Determinación de la Pendiente (S) ....................................................................112 9.3.2. Determinación del Caudal Óptimo (Q) ...............................................................118 9.3.3. Determinación de la Tasa de Tratamiento (Ta) .................................................134
9.3.4. Aplicación de la Tasa de Tratamiento. ..............................................................136 9.3.5. Costos del diseño propuesto .............................................................................139
10. RESULTADOS ............................................................................................................. 141
10.1. Dimensiones del canal de caliza .......................................................................141
10.2. Análisis Cualitativo del Agua Ácida ...................................................................141 10.3. Determinación cuantitativa para neutralizar la muestra del agua ácida por
medio de la caliza. .............................................................................................141 10.3.1. Determinación de la Pendiente (S) ................................................................141
10.3.2. Determinación del Caudal Óptimo (Q) ...........................................................142 10.3.3. Determinación de la Tasa de Tratamiento (Ta) ..............................................143 10.3.4. Aplicación de la Tasa de Tratamiento. ...........................................................143 10.3.5. Costos del diseño propuesto ..........................................................................143
CONCLUSIONES ................................................................................................................... 144
11. RECOMENDACIONES. .............................................................................................. 147
12. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 148
13. MULTIMEDIA ............................................................................................................. 150
14. ANEXOS ........................................................... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.
14.1. PANEL FOTOGRÁFICO .............................................. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 14.2. INFORME DE ANÁLISIS Nº 199 – 2012- LIA-FIA ......... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 14.3. PLANO DE UBICACIÓN DEL SECTOR HERMINIA DE LA UNIDAD MINERA JULCANI ... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.
IX
X
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 - Clasificación de Aguas Residuales (White) .......................................... 32 Tabla 2 - Clasificación de Drenajes de Mina (Morin & Hutt, 2001) ...................... 32 Tabla 3 - Tipos de drenajes de mina (Skousen, Simmons, McDonald, & Ziemkiewicz, 2002) ............................................................................................... 35 Tabla 4 - Fuentes de información de la generación del potencial ácido en minas nuevas y en operación. (Robertson y Broughton, 1991) ..................................... 51 Tabla 5 - Técnicas Preventivas para el Control de Aguas Ácidas ....................... 54 Tabla 6 - Agentes de Precipitación; Ventajas; Inconvenientes ............................ 67 Tabla 7 - Capacidad de Buffering y velocidad de reactividad para los minerales de ganga comunes................................................................................................ 89 Tabla 8 - Guía Ambiental ...................................................................................... 96 Tabla 9- Valores de "n" para ser usado en la fórmula de Manning, tomado de HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS, Ven Te Chow, Pág. 108 .................. 113
XI
ÌNDICE DE FIGURAS Figura 1- Revegetación de escombreras. ............................................................ 55 Figura 2 - Colocación selectiva de materiales contaminantes por encapsulamiento. .................................................................................................. 56 Figura 3 - Sedimentares para clarificar las Aguas Tratadas ................................ 68 Figura 4 - Esquema de una planta de tratamiento convencional para Aguas Ácidas .................................................................................................................... 72 Figura 5 - Planta de tratamiento de aguas ácidas por el proceso HDS. ............. 73 Figura 6 - Planta de tratamiento de aguas ácidas por el proceso Bioteq mediante la reducción del sulfato y recuperación de metales. ............................................ 76 Figura 7 - Disposición de las celdas y circulación del agua en un Humedal Aerobio .................................................................................................................. 80
XII
ÌNDICE DE REACCIONES
Reacción 1 - Formación de Aguas Ácidas de Mina ............................................ 37 Reacción 2 - Oxidación de un Sulfuro en la generación de Aguas Ácidas ........ 39 Reacción 3 - Proceso de Formación de Aguas Ácidas ....................................... 46
XIII
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1: Vista donde se aprecia el sector Herminia de la Unidad Minera Julcani. .................................................................................................................. 18 Fotografía 2 - Vista donde se aprecia el cierre progresivo de la Unidad Minera Julcani - Sector Herminia ...................................................................................... 19 Fotografía 3 - Vista donde se aprecia el taponeo hidráulico con lo cual se inunda las labores controlando las reacciones geoquímicas y mejorando la calidad de agua ....................................................................................................................... 19 Fotografía 4 – Vista donde se aprecia el suelo en algunas partes de la Unidad Minera Julcani (Herminia) luego del cierre progresivo ......................................... 25 Fotografía 5 - Vista donde se aprecia el momento de la toma de muestra por parte de los tesistas en el Sector Herminia de la Unidad Productiva Julcani ... 104 Fotografía 6 - Vista donde se aprecia el momento de la toma de muestra por parte del tesista en el Sector Herminia de la Unidad Productiva Julcani .......... 105 Fotografía 7 - Muestras en el Laboratorio de la FIA -UNI .................................. 105 Fotografía 8 - Vista donde se aprecia a los tesistas con las muestras de caliza traídas de la cantera Villa Progreso en Lircay - Huancavelica .......................... 106 Fotografía 9 - Vista donde se aprecia a los tesistas mostrando la caliza adquirida en la cantera Villa Progreso Lircay – Huancavelica. .......................................... 109 Fotografía 10 - Vista donde se aprecia las placas de caliza cortadas, listas para iniciar el proceso constructivo del canal. ............................................................ 109 Fotografía 11 - Vista donde se aprecia el inicio del proceso constructivo del canal. ................................................................................................................... 110 Fotografía 12 - Vista donde se aprecia el procedimiento constructivo del canal de caliza ejecutado por los tesistas ......................................................................... 110 Fotografía 13 - Vista donde se aprecia el principio teórico del sifón ................ 120 Fotografía 14 - Vista donse se aprecia al tesista durante mediciones preliminares para la utilización del sifón en pruebas piloto..................................................... 121 Fotografía 15 - Vista donde se aprecia los ensayos piloto con el sifón. ............ 123
14
1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes Los sistemas de tratamientos pasivos para tratar el agua ácida como
consecuencia de la explotación minera en yacimientos tiene una bibliografía muy
poco difundida en nuestro país; en España mediante una tesis doctoral en la
Universidad de Oviedo, la Ma Almudena Ordóñez Alonso presentó “Sistemas de
tratamiento pasivo para agua ácidas de mina. Experiencias de laboratorio,
diseño y ejecución” en las cuales detalla teóricamente y experimentalmente
mostrando los procesos mediante los que se producen este tipo de aguas y las
alternativas para su tratamiento, centrándose en los sistemas pasivos como
procedimientos adecuados para su remediación. Los sistemas de tratamiento
pasivo combinan procesos naturales de tipo físico, químico y biológico, que
pueden ser satisfactoriamente aplicados al agua de mina con reducidos costos
de ejecución y mantenimiento.
Sin embargo en la referida tesis para el tema de la caliza y su aporte en el
tratamiento de aguas ácidas no se ahonda en el Drenaje Abierto de Caliza
(OLD), se da importancia a lo que el Drenaje Anóxico de caliza (ALD) y a los
Sistemas de Producción Sucesiva de Alcalinidad (SAPS) puedan aportar al
tratamiento pasivo de aguas ácidas.
La Pontificia Universidad Católica del Perú en el año 2006 mediante un Curso de
Especialización en Cierre de Minas y Pasivos Ambientales recrea el desarrollo
de la minería en el Perú, las consideraciones técnicas – administrativas de
gestión durante el diseño para el cierre de una mina y el tratamiento de los
pasivos ambientales.
En nuestro país la presentación de tesis universitarias sobre el tratamiento
pasivo de aguas ácidas es muy reducida, en nuestra alma mater la Bach. Gloria
Ratto Vergaray mediante informe de suficiencia para optar el título profesional de
Ing. Químico presentó “Procedimiento para la Selección Preliminar de
Tecnologías de Tratamiento de Aguas Residuales Ácidas de Minería” donde
15
indican las diversas tecnologías existentes para el tratamiento de efluentes
ácidos.
Sin embargo el Dr. Ing. de Minas Osvaldo Aduvire mediante publicaciones en
revistas, cursos de actualización y docencia en el Instituto Geológico y Minero de
España repasa sobre la generación ácida, su prevención y tecnologías de
tratamiento. Describe pero no ahonda sobre los sistemas pasivos para el
tratamiento de aguas ácidas. Tomando como punto de partida sobre los primeros
estudios realizados sobre el tratamiento pasivo de aguas ácidas “Drenaje Abierto
de Caliza (OLD) “continuamos investigando sobre la caliza como medio de
tratamiento pasivo, qué tan efectiva podría ser la neutralización del agua ácida
mediante la construcción con los drenes de caliza, qué tanto podríamos
investigar para hallar una tasa de tratamiento con la caliza, debíamos diseñar
una canal para corregir la acidez protónica (pH). Estamos seguros que nuestro
aporte como estudiantes de ingeniería al tratamiento pasivo de aguas ácidas
será provechoso para investigaciones posteriores a la nuestra.
1.1.1. Área de Estudio
Sector Herminia de la Unidad Minera Julcani
1.1.2. Ubicación de la Unidad Minera Julcani
La Unidad Minera Julcani se encuentra ubicada en el distrito de Santiago Apóstol
de Ccochaccasa, provincia de Angaraes, departamento de Huancavelica a 64
Km. al sur este de Huancavelica. La altitud promedio de la mina es 4,216
m.s.n.m. La actividad minera en Julcani se viene desarrollando desde la época
de la colonización española, con intermitencias repetidas por abandono y
reapertura. Los trabajos más o menos continuos datan del año 1907, con la
formación de la “Sociedad Angaraes” que luego continuó con una explotación a
escala mayor con las empresas; “Sociedad Minera Suizo - Peruana en los años
1936 - 1945, Cerro de Pasco Corporation” en los años 1945 - 1951 y finalmente
la Cía. de Minas Buenaventura S.A.A. desde 1953 a la fecha. (Consultants,
2006)
16
1.1.2.1. Emplazamiento regional
El área de operaciones de la unidad minera de Julcani se encuentra ubicada en
un circo glacial donde nacen quebradas afluentes del río Opamayo. El suelo está
constituido por un terreno aluvial y coluvial, producto de la erosión, y el relieve es
accidentado en rocas volcánicas terciarias
Las cumbres llegan hasta 4,800 m.s.n.m. confundiéndose con la superficie puna.
La topografía es el resultado de la glaciación andina que ha formado circos
glaciales, la erosión fluvial ha formado valles profundos que llegan a los 3,200
m.s.n.m. El drenaje es dendrítico siendo el principal colector el río Opamayo,
afluente del río Lircay. El clima de la mina es frío y en los valles existe agricultura
incipiente. (Consultants, 2006)
1.1.2.2. Geología y sismicidad
El yacimiento de Julcani es un sistema de vetas polimetálicas de alta
sulfidización, alojado en un complejo volcánico terciario que se extiende sobre
una secuencia de rocas sedimentarias y metamórficas devónicas a cretácicas.
La mineralización polimetálica (Ag-Pb-Bi-Cu-W) existente en Julcani ocurrió en
forma simultánea a la actividad eruptiva y subvolcánica durante la evolución del
CVJ. La mineralización está principalmente confinada a la secuencia volcánica
miocena. Sin embargo, la asociación Pb-Zn-Ag también ocurre en el grupo
Pucará subyacente y en las rocas del grupo Excélsior. (Consultants, 2006)
Más del 80% de la mineralización económica de Julcani ocurre a lo largo de
cuatro lineamientos estructurales principales, con orientación NO-SE:
- Mimosa - Tentadora - Herminia.
- Estela Serranita - María.
- Jimena - Mery - Margarita.
- Manto - Rita.
17
Según el mapa de regionalización sismotectónica, (E. Deza, 1978), el área se
localiza en zona 4, en la cual se registran posibles intensidades de VIII MM, esta
zona tiene actividad sísmica actual con profundidades mayores a 60 Km.
1.1.2.3. Agua superficial
La mayor parte de la descarga desde la propiedad minera Julcani desemboca
finalmente al río Opamayo, que fluye hacia el este aproximadamente 15 km. al
sur del área del campamento minero. En el área de la mina se ha identificado 5
subcuencas de drenaje: Palcas, Huaccya, Moyopampa, Toldo Pampa y
Pongoshuaycco. (Consultants, 2006)
Las características geoquímicas de las rocas tienden a presentar en forma
natural drenajes ácidos.
1.1.2.4. Agua subterránea
El régimen natural de las aguas subterráneas en el sitio de Julcani no se
encuentra bien caracterizado, debido a la falta de datos confiables para el
período anterior a la minería. El nivel de las aguas subterráneas en las áreas de
las subcuencas ha sido perturbado indiscutiblemente por el desarrollo de la mina
subterránea y las actividades de desagüe asociadas, traduciéndose en la
depresión de la superficie freática del área de la mina en varios cientos de
metros. Sin embargo, como consecuencia del taponeo de galerías hasta el nivel
420, el nivel freático se ha recuperado. En las condiciones existentes, es posible
identificar las siguientes características de descarga de agua de la mina:
1.1.2.5. Aspectos biológicos
El tipo de vegetación predominante en las partes altas y en los flancos de las
montañas del asiento minero, sea tipo graminal formado por los pajonales,
compuestos de "ichu" (Stipa spp., Festuca spp., Calamagrostis spp.), notándose
verde en la época de lluvias y cerros áridos en la época de estiaje. (Consultants,
2006)
Altitudinalmente se encuentra ubicada entre 4000-4300 m.s.n.m., ocupando el
flanco oriental de la cordillera occidental, ofrece condiciones ecológicas
18
favorables para el desarrollo de la ganadería de camélidos americanos, los
mismos que pueden encontrar pastos todo el año en los ocasionales, bofedales
o turberas de Distichia muscoides (Juncaceae). En la zona de estudio destacan
los bofedales de la zona del tajo San José y de la desmontera de Chuno China.
1.1.2.6. Aspectos socio-económicos
Las estadísticas y los registros oficiales demuestran que el entorno social que
corresponde a la UEA Julcani es muy pobre, según la escala de pobreza.
Económicamente se trata de una población campesina que se encuentra
sobreviviendo. (Consultants, 2006)
Según el Instituto Nacional de Estadística e Informática, el distrito de
Ccochaccasa donde se emplaza el yacimiento es mayoritariamente rural, tiene
una población de 4,499 habitantes, de los cuales el 31.40% se ubican en la zona
urbana y el 68.6% en la zona rural.
El centro poblado de Ccochaccasa constituye un polo de desarrollo y atracción,
debido a la presencia de la mina y la concentración de los servicios básicos, así
como también expulsora de emigrantes a los distritos más próximos como,
Lircay, Huancavelica y otros departamentos como Huancayo (Junín), Ayacucho y
Lima.
Fotografía 1: Vista donde se aprecia el sector Herminia de la Unidad Minera Julcani.
19
Fotografía 2 - Vista donde se aprecia el cierre progresivo de la Unidad Minera Julcani - Sector Herminia
Fotografía 3 - Vista donde se aprecia el taponeo hidráulico con lo cual se inunda las labores controlando las reacciones geoquímicas y mejorando la calidad de agua
20
1.2. Justificación
Controlar la contaminación física y química en el cuerpo receptor por la
presencia del agua de mina después del cierre de mina, esto para asegurar el
cumplimiento normativo y la protección del medio ambiente.
21
1.3. Planteamiento del Problema
En las plantas de tratamiento de aguas acidas de alta densidad, la operación se
realiza por mecánica, energía y mano de obra calificada dentro de sus
instalaciones. Cuando la mina entra al plan de cierre este componente se tiene
que desmantelar para retirar todo los equipos y materiales que componen el
sistema de tratamiento, por lo que se tiene que proyectar e implementar un
sistema de tratamiento pasivo (Walk away) para sostener a largo plazo las
descargas de agua de la mina.
22
1.3.1. Definición de Términos
• ALD: Drenaje Anóxico de caliza
• Botadero: Lugares especialmente destinados para recibir el material estéril
de la mina a rajo abierto y los ripios que se obtienen al desarmar pilas de
lixiviación.
• Compuesto Químico: Sustancia formada por dos o más elementos que se
combinan en proporción invariable.
• Contaminación: Cualquier actividad realizada por el ser humano que afecta
al medio en el cual se desarrolla.
• Cuidado Activo: Requiere el mantenimiento y el monitoreo continuos para
garantizar la integridad y tratamiento del drenaje ácido de mina.
• Cuidado Pasivo: Necesidad permanente de monitoreo ocasional y
mantenimiento poco frecuente.
• Drenaje: Evacuación de exceso de aguas superficiales y subterráneas de
una región.
• Drenaje Ácido: Aguas contaminadas que resultan de la oxidación de
minerales sulfurados y lixiviación de metales asociados, provenientes de las
rocas sulfurosas cuando son expuestas al aire y al agua.
• DAR (Drenaje Ácido de Minas): Es un proceso dependiente del tiempo y
que involucra procesos de oxidación tanto químicos como biológicos.
• Depósito: Parte o fracción de la corteza terrestre donde a través de
procesos geológicos se formaron, forman o acumulan, sustancias minerales
útiles que pueden ser explotadas con beneficio económico, con los medios
técnicos disponibles.
• Elemento Químico: Sustancia que no puede separarse en sustancias más
sencillas utilizando métodos químicos.
• Estándar de Calidad Ambiental (ECA): Concentración o grado de
elementos, sustancias o parámetros físicos, químicos y biológicos en el aire,
agua o suelo en su condición de cuerpo receptor, que no representa riesgo
significativo para la salud de las personas ni del ambiente.
• Ganga: Minerales sin valor económico y que acompañan a los que
contienen los elementos metálicos que se recuperan en el proceso
industrial. Ocupan entre el 90 y 95 % del volumen total de la roca.
23
• Ley de Mineral: Se refiere a la concentración de oro, plata, cobre, estaño,
etc. Presente en las rocas y en el material mineralizado de un yacimiento.
• Límites Máximos Permisibles: Concentración o grado de elementos,
sustancias o parámetros físicos, químicos y biológicos, que caracterizan a
un efluente o a una emisión, que al ser excedido causa o puede causar
daños a la salud, bienestar humano y al ambiente. Su cumplimiento es
exigible legalmente.
• Lixiviación: Proceso hidrometalúrgico mediante el cual se provoca la
disolución de un elemento desde el mineral que lo contiene para ser
recuperado en etapas posteriores mediante electrólisis.
• Mena: Minerales de valor económico, los cuales constituyen entre un 5 y 10
% del volumen total de roca.
• Metal: Sustancia que tiene un lustre específico y que es buen conductor del
calor y de la electricidad y que se puede golpear y moldear en varias formas.
• mg/l – mg/L: mg de compuestos por litro de muestra. Es la unidad en la que
se expresan muchos de los parámetros establecidos.
• OLD: Drenaje Abierto de Caliza
• Potencial Rédox (Eh): Es una medida de la actividad de los electrones.
Está relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH
ya que el pH mide la actividad de los protones y el potencial rédox (Eh) de
los e- . Se calcula Eh: 1.234-0.058pH + 0.0145 log (10) Po, donde Po es la
presión parcial del oxígeno en atm.
• Pilas de Lixiviación: Son las acumulaciones de material mineralizado que
se realiza en forma mecanizada, formando una especie de torta o terraplén
continuo de 6 a 8 metros de altura, levemente inclinada para permitir el
escurrimiento y la captación de las soluciones, sobre las que se riega una
solución ácida o básica para extraer el cobre de los minerales oxidados.
• Relave: Corresponde al residuo, mezcla de mineral molido con agua y otros
compuestos, que queda como resultado de haber extraído los minerales en
el proceso de flotación. Este residuo, también conocido como cola, es
transportado mediante canaletas o cañerías hasta lugares especialmente
habilitados o tranques, donde el agua es recuperada o evaporada para
24
quedar dispuesto finalmente como un depósito estratificado de materiales
finos (Arenas y limos).
• Ripios: Se refiere al material que queda como residuo del mineral una vez
que todo el cobre ha sido lixiviado, el cual es desechado en áreas
especiales o botaderos de ripio.
• SAPS: Sistemas de Producción Sucesiva de Alcalinidad.
• Walk away : Ningún monitoreo o mantenimiento adicionales luego del
término de los trabajos de rehabilitación
25
1.3.2. Descripción del Problema Un centro minero es una instalación para el manejo de residuos, los cuales tiene
un tiempo limitado de operación, pero requiere cuidados a perpetuidad. En los
últimos años las operaciones mineras aumentaron su capacidad de operación, el
movimiento de tierras fue mayor. Los principales materiales de residuo son roca
de desmonte y materiales de desbroce, relaves (residuos de la operación de
procesamiento de minerales), agua de drenaje de mina y residuos especiales.
Los drenajes ácidos de la minería metálica son una de las principales fuentes de
contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. Debido a que este
problema puede persistir durante décadas una vez finalizado el ciclo productivo,
existe la necesidad de prevenir su formación y aplicar el tratamiento adecuado
cuando se ha formado.
El reconocimiento de los signos de drenaje ácido de roca generalmente se da
por reducción de pH, presencia de hidróxidos y sulfatos visibles como manchas
rojo-naranjas, blancas y verdes, vegetación y fauna muerta, vapor que emana de
estructura de contención de residuos (reacciones de oxidación exotérmica),
Fotografía 4 – Vista donde se aprecia el suelo en algunas partes de la
Unidad Minera Julcani (Herminia) luego del cierre progresivo
26
precipitados de color en las orillas o en la base de los cuerpos de agua,
incremento de la acidez mineral o contenido de sulfato en el agua, incremento de
la conductividad específica (mayor cantidad de constituyentes disueltos en
agua).
Se pueden observar estos indicadores al pie de la pila de desmonte o presa de
relaves, agua de decantación de relaves, pozas superficiales de agua,
escorrentía superficial, infiltraciones, pozos de monitoreo de agua subterránea,
pozos de agua potable, lagunas y quebradas cercanas.
Fotografía 5 – Vista donde se aprecia contenido de sulfuros en los desmontes determina la oxidación de ellos por exposición al aire. El agua infiltrada procede de las escorrentías estacionales, cursos de agua superficiales y deshielos.
27
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
Evaluar el análisis hidrogeológico y geoquímico con respecto a las probables
condiciones posteriores al cierre después de la inundación de la mina
subterránea y de las desmonteras y presas, tomando como indicadores las
filtraciones de las soluciones.
2.2. Objetivos Específicos
• Evaluar cualitativa y cuantitativamente el tratamiento de las aguas ácidas
mediante drenes de caliza
• Determinar la tasa de tratamiento del agua ácida tratada.
.
28
3. MARCO TEÓRICO 3.1. El Ciclo de Vida de una Mina Desde la década de 1940, las operaciones mineras han aumentado en tamaño,
principalmente debido al uso de equipos de movimiento de tierras a gran escala
que han permitido que las minas a tajo abierto de gran tamaño sean rentables. El
tamaño de las operaciones mineras generalmente se refiere a la capacidad
diaria de las plantas de procesamiento de minerales. La minería es vista como la
gestión de residuos a gran escala. En general, los productos minerales
representan menos del 5 % de los materiales extraídos. Los principales
materiales de residuo son roca de desmonte y materiales de desbroce, relaves
(residuos de la operación de procesamiento de minerales), agua de drenaje de
mina y residuos especiales. Las variaciones en las prácticas ambientales
empezaron para la industria a comienzos de la década de 1960. En los últimos
40 años se ha logrado un significativo progreso en nuestra capacidad para
predecir los impactos ambientales durante la operación y después del cierre de
las actividades mineras. Actualmente las prácticas de gestión ambiental están
generalmente integradas con las prácticas de gestión para reducir los pasivos
ambientales a largo plazo, para esto se requiere un plan de cierre y post-cierre.
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2006)
Suspensión Término
Exploración 1-10 años
Investigación Del Sitio y
Diseño Cierre
Construcción
1-3 años
Operación 2-100 años Rehabilitación
Progresiva
Suspensión Término
Ciclo de Vida de la Mina en los años 60
29
El plan de cierre forma parte del proceso de otorgamiento de licencias para una
nueva mina en casi todas las jurisdicciones mineras. El mismo que es revisado
regularmente a través del ciclo de vida de la mina. Ahora el cierre progresivo de
un lugar en la mina puede ser posible en el periodo de operación.
Las actividades mineras modifican el medio ambiente, a suelos y los cursos de
agua, no solo pueden afectar el medio ambiente en la actualidad, sino que sus
efectos pueden aparecer en tiempos futuros y su ocurrencia puede ser muy
prolongada. Los residuos mineros contienen concentraciones importantes de
minerales: pirita, caliza, etc. Y cantidades importantes de elementos metálicos
como Pb, Cu, Zn, Ag, Cr, Mn, As, etc. Estos elementos en altas concentraciones
son nocivos para la actividad biológica, contaminan los cursos de agua y pueden
llegar a causar daños a las estructuras construidas por el hombre.
Los desmontes y desechos sólidos comúnmente son depositados formando
grandes pilas que en conjunto constituyen la zona de botaderos de una mina,
Suspensión Término
Exploración
1-10 años
Investigación Del Sitio y
Diseño Cierre
Construcción
1-3 años
Operación 2-100 años Rehabilitación
Progresiva
Cierre Final
1-5 años
Post Cierre
Permanente
Cierre Temporal
Suspensión Término
Ciclo de Vida de la Mina en la Actualidad
30
uno de los principales constituyentes de estos desmontes son los minerales
sulfurosos.
Los minerales sulfurosos son capaces de reaccionar con el oxígeno y el agua del
ambiente y producir ácido sulfúrico. Es común la presencia de concentraciones
elevadas de diferentes iones metálicos en el agua de drenaje, esto se debe a
que muchos minerales sulfurosos están asociados a metales pesados cuya
solubilidad aumenta con decrementos del pH y ocurre su respectiva precipitación
si el pH aumenta.
La pirita es uno de los principales minerales sulfurosos presentes en los
yacimientos de sulfuros de la minería peruana.
3.2. Drenaje Ácido de Mina
El desarrollo del drenaje ácido de rocas (DAR) o drenaje ácido de minas (DAM)
es un proceso dependiente del tiempo y que involucra procesos de oxidación
tanto químico como biológico y fenómenos físico – químicos asociados,
incluyendo la precipitación con el tiempo, las características del drenaje pueden
cambiar, de ligeramente alcalino hasta casi neutro y finalmente ácido. (Aduvire,
2006)
Los drenajes ácidos de la minería metálica son una de las principales fuentes de
contaminación de las aguas superficiales y subterráneas en el mundo. Debido a
que este problema puede persistir durante décadas una vez finalizado el ciclo
productivo, existe la necesidad de prevenir su formación y aplicar el tratamiento
adecuado cuando se ha formado.
Estos drenajes son dañinos en diverso grado para el hombre, la fauna y la
vegetación, contienen metales disueltos y constituyentes orgánicos soluble e
insolubles, que generalmente proceden de labores mineras, procesos de
concentración de minerales, presas de residuos y escombreras de mina.
31
Una alternativa al tratamiento convencional de los drenajes ácidos tanto si las
instalaciones se encuentran en operación o en abandono, lo constituyen los
métodos de tratamiento pasivo, debido a su bajo costo, fácil operación y
mantenimiento, y gran eficiencia en el tratamiento de aguas ácidas. Los métodos
de tratamiento pasivo van desde humedales construidos, balsas orgánicas,
sistemas de producción alcalina hasta barreras reactivas permeables, en donde
el objetivo principal es la supresión de la acidez, la precipitación de los metales
pesados y la eliminación de sustancias contaminantes como los sólidos en
suspensión, antimoniatos, arseniatos y otros. (Aduvire, 2006)
Los tratamientos pasivos consisten en cambiar las condiciones de Eh y pH del
influente de forma que se favorezca la formación de especies insolubles que
precipiten como oxihidróxidos metálicos. Por lo general, en estos sistemas, se
recurren al empleo de bacterias para catalizar las reacciones y acelerar los
procesos que forman precipitados, así como al uso de material alcalino para
neutralizar la acidez (subir el pH). En el caso de humedales (wetlands) para
aumentar el contacto entre el agua de mina y el oxígeno atmosférico, se diseñan
sistemas de incluyan cascadas, lechos serpenteantes y balsas de grandes
superficies y poca profundidad. (Aduvire, 2006)
Para elegir el tipo de sistema pasivo se debe poner especial atención a las
condiciones hidrológicas del lugar, al pH del influente, y al contenido de metales
y sólidos en suspensión del drenaje. El diseño y la configuración del dispositivo
de tratamiento deben asegurar una buena circulación y distribución del influente
dentro del sistema, con el fin de maximizar el tiempo de contacto entre el flujo de
agua y los substratos reactivos. Entre los principales parámetros a tener en
cuenta en el diseño de un humedal, tenemos: el área o superficie, la geometría,
la profundidad de las celdas, el tiempo de retención hidráulica y la composición
del substrato. (Aduvire, 2006)
3.2.1. Clases de Drenaje de Minas
Para determinar el tipo de drenaje es necesario hacer un estudio detallado de las
condiciones físicas del medio, el clima de lugar y una caracterización de los
32
efluentes de mina, para ello, se realizan muestreos de agua y sedimentos para
su análisis en laboratorio y determinar las concentraciones metálicas presentes,
también se recurre a la medición in-situ de parámetros como: pH, contenido de
oxígeno, potencial rédox, conductividad, temperatura, Fe, acidez/alcalinidad,
turbidez y otros.
Independientemente de la fuente que da origen a los drenajes de mina, éstos se
pueden subdividir en dos grandes grupos:
- Drenajes alcalinos o aguas residuales con bajo potencial de solubilización.
- Drenajes ácidos o aguas residuales con alto potencial de solubilización.
En 1968 White hace una clasificación de las aguas residuales de mina en
función al pH y los agrupa en 6 categorías:
Tabla 1 - Clasificación de Aguas Residuales (White)
CLASE pH
Altamente Ácidas Blandas ácidas Blandas, ligeramente ácidas Duras, neutras a alcalinas Blandas, alcalinas Muy Salinas
1,5 a 4,5 3,5 a 5,5 5,0 a 7,0 7,0 a 8,5
7,5 a 11,0 6,0 a 9,0
Teniendo en cuenta el pH del drenaje y los contenidos de metales o especies
minerales presentes en el mismo, este puede agruparse en cuatro tipo:
Tabla 2 - Clasificación de Drenajes de Mina (Morin & Hutt, 2001)
Tipo
pH
Descripción
Ácido < 6
Acidez generada por oxidación de minerales, particularmente de sulfuros. - Nivel de metales disueltos es mayor que en drenajes casi neutros. - Asociado a minas metálicas, carbón y piritas.
Alcalino
> 9 ó 10
- Alta alcalinidad generada por disolución de minerales básicos, particularmente óxidos, hidróxidos y algunos silicatos. - Niveles de algunos metales como el Al son mayores que en los drenajes casi neutros.
33
- Asociado con minería de diamantes, molienda de bauxita, cenizas de combustión de carbón.
Casi Neutro 6-9 ó 10
- Dependiendo de la abundancia de los minerales, en determinados períodos pueden ser ácidos o alcalinos. - Concentración de metales disueltos algunas veces puede exceder niveles tóxicos.
Otros Irrelevante - Puede afectar la concentración de metales. - Asociado a minería no metálica como: potasa, sales, boratos, bentonitas, gravas, arcillas, etc.
El drenaje ácido de mina (AMD) es la consecuencia de la oxidación de algunos
sulfuros minerales (pirita, pirrotita, marcasita, etc.) en contacto con el oxígeno del
aire y agua:
Sulfuro mineral + Oxígeno + Agua = Sulfato + Acidez + Metal
También otros oxidantes como hierro férrico pueden reemplazar al oxígeno del
aire en la reacción y en algunos casos al oxígeno del agua:
Sulfuro mineral + Hierro férrico + Agua = Sulfato + Acidez + Metal
Sucede lo contrario en los drenajes alcalinos de mina (LMD) ya que es el
resultado de la disolución de óxidos, hidróxidos y silicatos minerales:
Oxido/hidróxido mineral + Agua = Alcalinidad + Metal Silicato
Mineral + Agua = Alcalinidad + Metal + Sílice acuosa
3.2.1.1. Drenaje Alcalino.
Las aguas alcalinas en las explotaciones mineras se producen cuando las
filtraciones desde superficie o desde acuíferos suprayacentes circulan a través
de materiales calizos y dolomíticos. La disolución del carbonato cálcico tiene
lugar debido a la presencia de anhídrido carbónico en el agua y da lugar a la
siguiente reacción:
CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + 2HCO-3
34
El contenido en ion bicarbonato en las aguas es el que marca la alcalinidad de
éstas, la alcalinidad total se mide en mg/l y se puede estimar mediante la
siguiente expresión:
100[(HCO-3) + 2(CO32-) + (OH-)]
3.2.1.2. Drenaje Ácido.
Durante la explotación de determinados yacimientos (carbón, sulfuros metálicos,
hierro, uranio y otros) quedan expuestos a la meteorización grandes cantidades
de minerales sulfurosos que pueden llegar a formar drenajes ácidos. Para que
esto tenga lugar son necesarias unas condiciones aerobias, es decir la
existencia de cantidades suficientes de agua, oxígeno y simultáneamente la
acción catalizadora de bacterias.
Nordstrom y Alpers (1998) describen el proceso de oxidación de la pirita como
principal responsable de la formación de aguas ácidas y, afirman que estas
reacciones geoquímicas se aceleran en áreas mineras debido a que el aire entra
en contacto con mayor facilidad con los sulfuros a través de las labores de
acceso y la porosidad creada en las pilas de estériles y residuos, unido a ello el
cambio de composición química y el incremento de la superficie de contacto de
las partículas. También afirman que los procesos físicos, químicos y biológicos
tienen gran influencia en la generación, movilidad y atenuación de la
contaminación ácida de las aguas, y los factores que más afectan a la
generación ácida son el volumen, la concentración, el tamaño de grano y la
distribución de la pirita. Skousen et al. (1994 y 1998) y Ziemkiewics et al. (1997)
a partir del pH y el contenido de oxígeno y metales pesados hacen una
clasificación de los drenajes de mina y lo agrupan en 5 tipos.
Por tanto, los drenajes de entornos mineros pueden ser ácidos o alcalinos,
pueden degradar el hábitat acuático y cambiar la calidad de las aguas debido a
su toxicidad, corrosión y otros efectos producidos por la disolución de sus
constituyentes. Por lo general tienen unos valores de pH entre 2 a 9, contienen
cationes y aniones en disolución (de <1 a 100.000 mg/l), predominando elevadas
35
concentraciones de SO4, Fe, Mn y Al, y en menor proporción Ca, Na, K, Mg y
otros elementos.
Un drenaje es ácido cuando los minerales ácidos exceden a los alcalinos, puede
contener elevadas concentraciones de SO4, Fe, Mn, Al y otros iones, puede
tener o no bajo pH, pero la presencia de Fe, Al y Mn disueltos pueden generar
iones H+ por hidrólisis (alta concentración iones H+) y bajar el pH. En cambio en
los drenajes de mina neutros o alcalinos (alcalinidad igual o mayor que acidez)
también pueden tener elevadas concentraciones de SO4, Fe, Mn y otros solutos,
pero la disolución de los minerales carbonatados neutralizan la acidez y
remueven Fe, Al y otros iones metálicos, y sin embargo no afecta
significativamente la concentración de SO4.
En drenajes ácidos el anión principal es el SO4 y los cationes mayoritarios son
Fe, Mn y Al. En cambio en drenajes alcalinos el HCO3 es más significativo que el
SO4 y los contenidos de Ca, Mg y Na son más elevados que los de Fe y Al.
(Skousen, Simmons, McDonald, & Ziemkiewicz, 2002)
Tabla 3 - Tipos de drenajes de mina (Skousen, Simmons, McDonald, &
Ziemkiewicz, 2002)
Tipo
pH
Descripción
I < 4,5
- Alta concentración de Fe, Al, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb, y otros metales.
- Alto contenido de oxígeno. - Muy ácido (llamado Drenaje Ácido de Mina)
II < 6,0
- Alta cantidad de sólidos disueltos. - Alta concentración de ión ferroso (Fe2+) y Mn.
Bajo contenido de oxígeno. - Por oxidación, el pH del agua baja
drásticamente hasta convertirse en Tipo I.
III > 6,0
- Moderada a alta cantidad de sólidos disueltos. - Bajo a moderado contenido de ion ferroso
(Fe2+) y Mn. Bajo contenido de oxígeno. - Alta alcalinidad (llamado Drenaje Alcalino de
Mina). - Por oxidación de metales la acidez generada
es neutralizada por la alcalinidad presente en el agua.
IV > 6,0 - Alta cantidad de partículas disueltas. - Drenaje neutralizado, pero todavía no se han
fijado los hidróxidos en el agua.
36
- A mayor tiempo de residencia en las balsas mayor fijación de partículas y el agua puede llegar a ser similar al de Tipo V.
V > 6,0
- Agua del drenaje es neutralizado. - Alta cantidad de sólidos disueltos. - Gran cantidad de hidróxidos precipitados y
fijados en las balsas. Cationes restantes son disueltos por Ca y Mn.
- Oxi-aniones solubles como bicarbonato y sulfato quedan en la solución.
3.3. Proceso de Generación de Acidez La formación de aguas ácidas tiene lugar a partir de la oxidación química de los
sulfuros, acelerada en muchos casos por la acción bacteriana. Los principales
elementos que intervienen son: los sulfuros reactivos, el oxígeno y el agua
(vapor o líquida), y como elemento catalizador las bacterias (Reacción 1).
La velocidad de reacción es una variable muy importante, pues si el proceso
ocurre muy lentamente el efecto sobre el medio puede ser despreciable. Sin
embargo, si la generación de aguas ácidas es rápida el problema se agrava, ya
que se producirá la contaminación del entorno.
Aunque la velocidad de reacción depende de numerosos factores como
temperatura, cantidad de sulfuros, granulometría, presencia de agua, aire y
bacterias. Ciertas especies mineralógicas son más reactivas que otras; por
ejemplo, la marcasita, que tiene la misma fórmula química que la pirita, es muy
inestable y puede generar rápidamente aguas ácidas. (Aduvire, 2006)
Los sulfuros de otros metales (plomo, cinc o cobre) son generalmente menos
reactivos que los de hierro. En parte, debido a la mayor estabilidad de su
estructura cristalina y también porque forman minerales menos solubles que
recubren la superficie de los propios sulfuros impidiendo que progrese su
oxidación
37
La cantidad y el tamaño de los granos del mineral influyen en la velocidad de
reacción. Las texturas finas con variedades mal cristalizadas se oxidan más
rápidamente que los granos cristalinos gruesos. Por ejemplo, una forma de pirita
desarrollada en condiciones de baja temperatura puede producir mucho más
rápidamente acidez que una gran masa de sulfuros formada a alta temperatura,
debido a la menor relación de superficie/volumen. (Aduvire, 2006)
Como el agua y el oxígeno son dos componentes esenciales en la reacción, la
exclusión de cualquiera de ellos paralizará el proceso de formación de aguas
ácidas. Sin embargo, se precisan grandes cantidades de oxígeno en relación con
el volumen de agua necesario. Por ejemplo, sumergiendo los sulfuros en agua
se suele parar la reacción, debido a la baja difusión del oxígeno en el agua. Sin
embargo, la presencia de aire conteniendo una pequeña cantidad de humedad
induce la oxidación. La temperatura también ejerce un efecto de control
importante, pues en ambientes fríos la velocidad de reacción disminuye.
La producción de nuevos compuestos por la reacción de los sulfuros puede
cambiar la velocidad del proceso de generación de aguas ácidas. En el caso del
Reacción 1 - Formación de Aguas Ácidas de Mina
38
sulfuro de hierro meteorizado, los productos pueden reaccionar posteriormente
con la pirita, acelerando el mecanismo de oxidación. Por otro lado, los productos
de la reacción pueden recubrir los sulfuros, previniendo su alteración. Las
propiedades químicas de las aguas determinarán si los nuevos compuestos
formados precipitarán o se mantendrán en disolución.
Por otro lado, ciertas bacterias actúan como catalizadoras de las reacciones. Su
importancia depende intensamente de las condiciones de pH y temperatura, así
como de la existencia de concentraciones críticas de elementos como el
molibdeno que puede ser tóxico para las bacterias.
También, hay que tener presente que muchas rocas contienen minerales que
consumen de forma natural los ácidos producidos en la oxidación de los sulfuros.
Este proceso de neutralización natural es intenso cuando existe carbonato
cálcico (principal constituyente de las calizas), pero también son neutralizantes
los carbonatos de hierro y magnesio, y los hidróxidos de hierro y aluminio, que
pueden ayudar a elevar el pH hasta niveles aceptables. (López, Aduvire, &
Barettino, 2002)
La cantidad relativa de esas rocas, respecto a la cantidad de sulfuros, determina
la acidificación de las aguas. Si existe bastante caliza y dolomía, los productos
de reacción como el yeso o las sales de hierro podrán revestir las partículas de
sulfuros y disminuir la velocidad de reacción. Si, por el contrario, la cantidad de
sulfuros es grande, una vez consumidos los materiales neutralizantes los
drenajes volverán a ser ácidos.
La consecuencia directa de la actividad minera al llevar a cabo la explotación de
un yacimiento es la geodisponibilidad de materiales hacia el medioambiente, al
dejar disponibles ciertos elementos que antes no lo estaban, o lo estaban de
forma mucho más limitada. Cabe destacar no obstante, que muchos yacimientos
minerales, particularmente los de menas sulfuradas, son en sí fuentes naturales
de contaminación ambiental. Esto depende en gran medida de si son o no
aflorantes, de su ubicación respecto al nivel freático, de su composición
39
mineralógica, de la superficie descubierta, de los factores climáticos y de otros
aspectos, que van a producir la alteración y disolución de estos materiales.
Estas transformaciones físicas, químicas y biológicas, dan origen a unos
drenajes de mina que por lo general son ácidos y contienen elevadas
concentraciones de Fe, Al, SO4, además de Zn, Mn, Mg, Cu, Cd, Pb y As, que
provienen de la disolución de sulfuros y otros minerales asociados. Estos
efluentes son una de las principales fuentes potenciales de biodisponibilidad de
elementos contaminantes, que degradan la calidad de las aguas superficiales y
subterráneas. Dado que éste problema puede persistir durante décadas e
incluso cientos de años una vez finalizada la vida de la explotación, es
conveniente estudiar su generación y realizar un inventario de los puntos de
descarga, así como determinar sus características principales. (Werner Stumm &
Morgan, 1981)
Reacción 2 - Oxidación de un Sulfuro en la generación de Aguas Ácidas
40
En 1981 Stumm y Morgan propusieron un modelo de oxidación de la pirita en
donde hacen corresponder los pasos a, b, c y d con las reacciones típicas 2 a 5
del proceso global de formación de aguas ácidas, y los pasos d´ y d”
corresponden a la formación de minerales de hierro-sulfato como la jarosita (d”).
La presencia de hierro ferroso (Fe2+) en los drenajes de mina indica que las
reacciones químicas están en un nivel intermedio dentro de una serie de
reacciones que en conjunto están representadas en la reacción general (Ec.1) y
que corresponde a la oxidación de la pirita.
En la reacción 2 (Ec.2) la pirita es oxidada por oxígeno y genera 2 moles de
acidez por cada mol de pirita, el azufre es oxidado a sulfato y se libera Fe2+. La
Ec.3 puede ser guiada por varias especies de bacterias oxidantes de Fe y S
(Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans y otras), que convierten el
Fe2+ a Fe3+ (Fig.25), esta reacción se produce a pH bajos y consume un mol de
acidez. Las bacterias del género Acidothiobacillus (previamente conocidas como
Thiobacillus) requieren CO2 disuelto, O2, una forma reducida de Fe o de S, N y P
para su metabolismo, para ello, producen enzimas que catalizan las reacciones
de oxidación y usan la energía liberada para transformar carbono inorgánico en
materia celular. (Werner Stumm & Morgan, 1981)
La hidrólisis del Fe3+ se produce fundamentalmente a pH 2,7 y precipita en forma
de hidróxido férrico, generando 3 moles de acidez (Ec.5). A pH bajo el ratio de
oxidación de la pirita es controlado por la concentración de Fe3+ porque
interactúa con las superficies reactivas de los sulfuros con mayor eficacia que el
oxígeno, por tanto, en la Ec.4 el Fe3+ producido en la Ec.3 oxida a la pirita en
ausencia de oxígeno y forma 16 moles de acidez.
Esta reacción describe la estequiometría total de la disolución por oxidación,
pero no describe los pasos individuales que ocurren en la oxidación del sulfuro a
sulfato, ni refleja las especies intermedias como azufre elemental o los
compuestos de azufre-oxígeno, que juegan un papel importante en la reacción
general.
La oxidación secuencial del átomo de azufre se inicia con la formación del anión
tiosulfato que es liberado en la solución junto con Fe2+ y finaliza en la oxidación a
41
sulfato por el Fe3+, esto se refleja en la Ec. 6 y 7 en vez de la Ec. 4 (la Ec. 6 se
produce en la superficie del sulfuro y la Ec. 7 en la solución):
FeS2 + 6Fe3++ 3H2O→ 7Fe2++ S2O3
2- + 6H+ (Ec. 6)
S2O32- + 8Fe3++ 5H2O → 8Fe2+ +2SO4
2 -+10H+ (Ec. 7)
Los cambios químicos que ocurren en la superficie del sulfuro (Ec. 6) son
importantes al menos por dos aspectos: uno, la formación de minerales
secundarios pueden formar una capa que cubra la superficie de los sulfuros,
inhibiendo la difusión de oxidantes hacia la superficie de contacto y reduciendo la
disolución del sulfuro; otro, la producción intermedia del azufre que se genera en
la superficie puede ser utilizada como una fuente de energía por algunos
microorganismos, lo que promueve la reactivación de la formación de acidez
en el medio.
Si la reacción de pirita a azufre es dominante y el azufre acumulado no limita el
ratio de oxidación en la superficie del sulfuro, la reacción de la pirita puede
escribirse así:
FeS2+ 2Fe3+ → 3Fe2+ + 2So (Ec. 8)
En este caso, 1 mol de pirita oxidada consume solo 2 moles de Fe3+ comparado
con los 14 que requiere en la Ec. 4, esto es importante porque el ratio de
oxidación de la pirita está controlado por la presencia de Fe3+. Además, en la Ec.
8 hay ausencia de iones H+ comparado con los 16 de la Ec. 4, por tanto, en este
caso la acidez es generada por la oxidación del azufre (Ec. 9):
So + 1,5O2 +H2O → SO42-+ 2H+ (Ec. 9)
También pueden generar acidez los minerales con iones metálicos divalentes,
como: calcopirita, esfalerita, galena y otros, que contienen Fe, Cu, As, Pb, Sb, Bi,
Zn, Hg, Cd, Mo. En el caso de la oxidación de la calcopirita por oxígeno y la
esfalerita por Fe3+ les corresponden las siguientes reacciones:
CuFeS2 + 4,25 O2 + 2,5H2O →Cu2+ + SO42- + Fe(OH)3 + 2H+
42
ZnS + 8Fe3+ + 4H2O →Zn2+ + SO42- + 8Fe2+ + 8H+
Los estudios de cinética muestran que a pH ácidos, las velocidades de oxidación
de la pirita por el Fe3+ son mucho más rápidas que la oxidación por O2 Aunque,
en entornos generadores de acidez estables, la secuencia típica es la oxidación
de la pirita por Fe3+ para producir Fe2+, como sucede en la reacción 4 (Ec.4). El
O2 que no es consumido directamente en éste paso de oxidación de la pirita, sí
es necesario para la regeneración del Fe3+ a partir del Fe2+ y para continuar con
el ciclo de oxidación de la pirita.
Como paso final, una parte del Fe puede precipitar como ferrihidrita Fe(OH)3 o
minerales vinculados (según reacción 5). Este hidróxido es el precursor de una
serie de minerales típicos del ambiente oxido-reductor de menas sulfuradas, que
otorgan un color amarillento-rojizo al medio circundante. El mineral más común
de este grupo llamado genéricamente limonitas es la goetita. Por la relativa
insolubilidad del Fe3+, la mayor parte del Fe disuelto en soluciones con pH mayor
de 3,5 aparece como Fe2+. Las disoluciones de drenajes o descargas de aguas
ácidas de mina, comúnmente tienen una distribución de pH-Eh cercano al límite
de Fe2+- Fe(OH)3
3.3.1. Reacciones químicas y biológicas relacionadas con la Generación Ácida. La generación ácida así como su consumo (por neutralización), es el resultado
de un gran número de reacciones químicas interrelacionadas. Los elementos
fundamentales que intervienen la generación ácida son:
- Minerales sulfurosos.
- Bacterias y temperatura.
- Agua o humedad de la atmósfera.
- Un oxidante, particularmente oxígeno proveniente del aire o de
procedencia química.
La total exclusión de la humedad o del oxidante detendrá la generación ácida. En
la mayoría de los casos, la actividad bacteriana juega un papel importante en la
43
aceleración de la velocidad de generación ácida, la inhibición de éstas disminuirá
la velocidad de formación de efluentes ácidos.
Nordstrom y Alpers 1998, Skousen et al. 1998 y la EPA (2000) explican las
reacciones que se producen en la generación ácida a partir de la oxidación de la
pirita (FeS2), por ser uno de los sulfuros minerales más comunes que
acompañan a las menas de interés económico. Estas reacciones son:
FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+
En ésta primera reacción debido a la oxidación del sulfuro mineral se forma
hierro (ión ferroso), sulfato e hidrógeno.
Los compuestos disueltos Fe2+, SO42- e H+ representan un incremento en el total
de sólidos disueltos y de la acidez del agua, a menos que sea neutralizado el
incremento de la acidez estará asociado con una disminución del pH.
Si el ambiente circundante es suficientemente oxidante, mucho de los iones
ferrosos se oxidarán a iones férricos.
Fe2+ + 1/4 O2 + H+ → Fe3+ + 1/2 H2O
A valores de pH entre 3,5 a 4,5 el ion férrico es catalizado por la bacteria
Metallogenium y a pH por debajo de 3,5 la reacción es catalizada por la bacteria
Thiobacillus ferrooxidans. Por lo general, a pH entre 2,3 a 3,5 el ion férrico por
hidrólisis precipita como hidróxido Fe (OH)3 (sólidos de color amarillo, naranja o
rojo), lo que provoca un descenso del pH. (Nordstrom & Alpers, 1999)
Fe3+ + 3 H2O → Fe (OH)3 (sólido) + 3 H+
Algunos cationes férricos (Fe3+) que no precipitan en la solución, pueden seguir
oxidando adicionalmente a la pirita (catálisis) y formar nuevamente iones
ferrosos, sulfato e hidrógeno.
44
FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 SO42- + 16 H+
Basados en estas reacciones básicas simplificadas, la generación ácida que
produce el hierro de la pirita el cual eventualmente precipita como Fe(OH)3
puede ser representada por la siguiente reacción:
FeS2 + 15/4 O2 + 7/2 H2O → Fe(OH)3 + 2 SO42- + 4 H+
Por lo tanto, la reacción final para estabilizar el ion férrico formado a partir de la
oxidación de la pirita, sería:
FeS2+15/8 O2 +13/2 Fe3+ + 17/4 H2O → 15/2 Fe2+ + 2 SO42- + 17/2 H+
Otros minerales sulfurosos, tales como la calcosina (Cu2S) que tiene diferente
relación de oxidación, reacciona de forma diferente a la pirita, marcasita y
pirrotina (sulfuros con cristalización framboidal) que son fáciles de oxidarse, por
lo tanto, tienen diferentes caminos de reacción estequiométrica y velocidades de
reacción.
3.3.2. Etapas en el desarrollo del DAR Los drenajes de minas en operación o abandono generan problemas de
contaminación y degradación de los ecosistemas, pudiendo llegar a extinguir la
vida acuática. También imposibilita el uso de estas aguas para consumo
humano, debido a su acidez y elevada concentración de metales disueltos como
hierro, manganeso, aluminio, arsénico, selenio, cinc, níquel, y otros.
Por otro lado, genera daños a las estructuras metálicas y de hormigón, así como
la destrucción o desaparición de la vegetación y la fauna de los cauces
naturales.
Una forma de evitar la formación de aguas ácidas es la neutralización de las
mismas, en este sentido la oxidación de una tonelada de pirita produce casi una
tonelada de hidróxido férrico y cerca de tonelada y media de ácido sulfúrico.
El proceso de formación de aguas ácidas, en su conjunto, también se puede
explicar en tres etapas, como se observa en la reacción 3 (Aduvire, 2006)
45
Etapa I. La oxidación de minerales sulfurosos libera hierro ferroso que bajo
condiciones neutras se oxida químicamente y se transforma a hierro férrico que
precipita como hidróxido y aporta acidez al medio. En esta etapa del proceso la
velocidad de oxidación es baja en los dos mecanismos de generación ácida
(directa e indirecta) y la formación de aguas ácidas por oxidación debida al aire y
a las bacterias (fundamentalmente Thiobacillus ferrooxidans) se producen a un
ritmo semejante. Por lo general, la alcalinidad disponible en el medio es
suficiente para neutralizar parcialmente la acidez que se ha producido
lentamente.
Etapa II. La acidez acumulada supera la capacidad de neutralización del medio y
el pH desciende y predomina la oxidación de la pirita por la acción bacteriana. En
la reacción se produce el sulfato ferroso que al ser oxidado nuevamente se
transforma en sulfato férrico, y éste a su vez en contacto con el agua da lugar al
ácido sulfúrico y al hidróxido férrico, que es insoluble y es el que provoca la
coloración amarilla de las aguas. En esta etapa disminuye la eficacia del
mecanismo directo (oxidación por el aire) y aumenta mucho la del indirecto.
Etapa III. Cuando el pH desciende por debajo de 3 en la proximidad de los
granos de pirita (aproximadamente 4,5 en el agua), el ion férrico se ve afectado
por las reacciones de oxidación-reducción y la acción bacteriana puede lixiviar el
sulfuro de hierro directamente a sulfato. En esta etapa varía la generación de
ácido al aumentar la solubilidad del hierro y disminuye la precipitación de
hidróxido férrico. En resumen el Thiobacillus ferrooxidans oxida el ion ferroso a
férrico que a su vez oxida a los sulfuros (pirita) produciendo más ácido. En este
momento se producen grandes cantidades de ácido y se deben tener en cuenta
los siguientes puntos:
- El mecanismo más importante es el indirecto, ya que es el que se
autocataliza (si se inhibe la bacteria Thiobacillus ferrooxidans la producción
de ácido se reduce al menos en un 75%).
- Si el pH del agua sube por encima de 5, igualmente se inhibe la oxidación.
46
- Si el pH del agua desciende por debajo de 4,5 debe esperarse que todo el
sulfuro de hierro termine oxidándose.
- Si el pH desciende por debajo de 2,5 se establece un equilibrio en el que la
actividad bacteriana se estabiliza, ya que habrá alcanzado su óptimo de
desarrollo (la velocidad de reacción se habrá incrementado entre 105 y 106
veces respecto al mecanismo directo).
3.3.3. Desplazamiento de los drenajes ácidos en los depósitos mineros. A lo largo de los caminos que sigue el agua ocurren una serie de reacciones que
modifican la cantidad y calidad de los drenajes. La movilización de los metales
pesados y la clase de productos de reacción generados, está controlada
principalmente por la composición geoquímica de los materiales presentes
(macizo rocoso de mina, estériles de escombreras y residuos de las presas) y el
agua intersticial. (Aduvire, 2006)
Los procesos de generación ácida cambian la composición de los drenajes,
reducen o bajan el pH del agua y son capaces de disolver metales pesados
contenidos en los mismos. Cuando estos drenajes migran desde los lugares de
Reacción 3 - Proceso de Formación de Aguas Ácidas
47
generación e ingresan al medio receptor, aportan una alta carga de metales
pesados que son dañinos para el medio ambiente.
Una serie de reacciones ocurren a lo largo del curso de éstas aguas a medida
que migran desde la fuente hasta el medio receptor. La clase de agua resultante
será determinada por los siguientes factores:
- Naturaleza de los sulfuros
- Disponibilidad y tipo de constituyentes solubles
- Naturaleza del reactante alcalino
- Propiedades físicas del medio y de los residuos.
Las propiedades físicas, químicas y biológicas de los residuos mineros afectan a
la solubilidad de los metales, así como a la migración de los contaminantes. La
movilización de los metales disueltos está controlada principalmente por factores
químicos, mientras que los procesos que ocurren a lo largo del camino de la
migración están controlados por factores físicos, químicos y biológicos.
Por lo general, las propiedades que influyen en la solubilidad de los metales
principalmente son: el tamaño y la forma de las partículas, la temperatura y la
presión de gases de los poros. Aunque, las propiedades químicas predominan
sobre las propiedades físicas, en los procesos de movilización de los metales,
éstas últimas tienen mayor importancia sobre la velocidad de la migración del
drenaje ácido, así como en las reacciones que ocurren a lo largo del curso de
migración.
Entre los principales aspectos que influyen en la migración ácida, podemos
considerar a los siguientes:
- Condiciones climáticas
- Permeabilidad del medio o de los materiales - Disponibilidad de poros de
agua
- Presión del agua intersticial
- Mecánica de la evacuación, ya sea por flujos de corriente o difusión.
Estos factores controlan la velocidad de avance del frente contaminante e
influyen sobre la cantidad de dilución y grado de mezcla que ocurre cuando el
agua ácida se mueve desde la fuente al medio ambiente receptor. Por otro lado,
48
las propiedades físicas del subsuelo son diferentes a las de los residuos
generadores de efluentes ácidos, por tanto, cada flujo contaminante desarrollará
diferentes velocidades de migración.
Respecto a la migración a través de escombreras y presas de residuos, el flujo
superficial tiene mayor movilidad que la infiltración subterránea, debido entre
otros aspectos al elevado volumen de poros en los materiales depositados en
estas estructuras y a la solubilidad de los metales presentes en los drenajes. En
estos casos la solubilidad de los metales va a estar determinada generalmente
por el pH y Eh del drenaje, la capacidad de neutralización del material alcalino
del medio, así como por las características de adsorción y la composición
química del drenaje. Un cambio de estas condiciones químicas puede
incrementar la movilización de los metales o la precipitación de los mismos.
La actividad biológica bacteriana que se produce durante la migración del
drenaje también puede influir en la disolución de los metales. Aunque ciertas
especies biológicas pueden atenuar la movilidad de metales por absorción y
precipitación.
Algunas propiedades de los residuos de una presa, tales como permeabilidad,
cantidad de agua intersticial, presión de poro y mecanismos de circulación,
controlan la velocidad de migración y reacción de las fuentes contaminantes, así
como el grado de dilución que se produce desde la fuente originaria hasta que
los drenajes alcanzan el medio receptor.
La actividad biológica, distinta a la de las bacterias oxidantes, influye también en
la calidad de las aguas a lo largo de las rutas de migración. Determinadas
especies biológicas pueden atenuar la concentración de metales por absorción o
quizás por precipitación, especialmente si las aguas ácidas circulan a través de
zonas encharcadas o anaeróbicas.
El medio natural que rodea a una estructura contaminante (como puede ser una
presa de residuos o una escombrera de estériles de mina), tiene una cierta
capacidad natural de corrección de las aguas ácidas, bien sea por neutralización,
49
por dilución o por mecanismos biológicos. Aunque esta capacidad natural de
regeneración generalmente es muy limitada.
3.3.4. Metodología para predecir la Generación Ácida. El potencial ácido generador de los residuos de mina está en función al tipo de
material movido en las actividades mineras, tales como: mineral gastado de las
pilas de lixiviación, residuos y rechazos de la planta de beneficio, estériles de las
escombreras y de las labores de desarrollo. También hay que tener en cuenta la
generación ácida producida por las superficies descubiertas tanto en minería a
cielo abierto (taludes, bancos, etc.) como en minados subterráneos (galerías,
chimeneas, pozos, etc.). De igual forma influyen en la formación de aguas ácidas
el tamaño de las partículas, la variedad mineralógica, la calidad del agua de los
drenajes, ciertas características físico-químicas del entorno y las condiciones
climáticas del lugar. (Aduvire, López - Jimeno, & Aduvire, 2000)
El objetivo de la predicción ácida es determinar, por un lado si el volumen de los
residuos de mina pueden o no generar acidez mediante la aplicación de una
serie de ensayos analíticos, y por otro estimar la calidad de los drenajes en
función a su cinética de formación ácida aplicando el modelo más apropiado.
Ambos aspectos se ven muy influenciados por la rigurosidad de los ensayos
analíticos. Por lo tanto, una vez realizado el muestreo la estrategia principal será
seleccionar el método de análisis más adecuado, teniendo en cuenta ciertos
factores que afectan al muestreo y al método de análisis, como el conocimiento
de la geología, los costes y el tiempo de realización del ensayo.
Estos métodos de predicción de la generación ácida se basan principalmente en
ensayos analíticos de tipo estático y cinético, en algunos casos se recurre a la
estimación mediante programas informáticos. Para evaluar el potencial
generador de las aguas ácidas de mina es necesario conocer al menos lo
siguiente:
a. Para estimar el máximo volumen total de aguas ácidas que se pueden
generar
- Cantidad de materiales ácidos generadores (sulfuros)
50
- Cantidad de materiales ácidos neutralizantes (carbonatos y otros)
- Composición del material potencialmente generador de aguas ácidas
- Aporte de agua al sistema
b. Para estimar el rendimiento de la producción de aguas ácidas (cinética)
- Medidas in situ sobre la generación actual de aguas ácidas
c. Para estimar los posibles cambios en la cinética de producción aguas
ácidas
- Para cambios puntuales, en cortos períodos de tiempo:
o Régimen de lluvias
o Variación de temperaturas
- Para cambios bruscos de largo alcance:
o Capacidad amortiguadora del medio y su evolución
o
Además de determinados componentes que afectan al grado o la relación de
generación ácida y que están caracterizados por:
- Tipo de sulfuro mineral
- Tipo de mineral carbonatado
- Área superficial del mineral disponible para la reacción:
o Ocurrencia de los granos del mineral en el residuo
o Tamaño de partículas en el residuo
- Disponibilidad de agua y oxígeno
- Presencia de bacterias
Los ensayos estáticos determinan la generación total ácida y la neutralización
potencial del ácido en la muestra y, la capacidad de generación ácida de un
drenaje es calculada como la diferencia de éstos valores. Estos ensayos no
predicen el rango de generación ácida, solo indican el potencial de generación
ácida. Comparado con los ensayos cinéticos, son más rápidos y menos
costosos.
En los ensayos cinéticos se trata de reproducir los procesos y las condiciones de
los lugares de mina que pueden generar acidez. Estos ensayos requieren de
mayor tiempo y son más costosos que los estáticos.
51
Los datos obtenidos en los ensayos estáticos y cinéticos se utilizan para hacer
una clasificación de los materiales y residuos de mina, también permiten
determinar el potencial ácido generador de los mismos. Esta información puede
ser obtenida y evaluada desde el estudio económico de la mina en su fase de
exploración, durante su ciclo productivo y en la fase de clausura.
Según la California Mining Association (1991) y la British Columbia AMD (1989)
los pasos para realizar la predicción del potencial ácido generador, son:
- Definición de las unidades geológicas (geología y mineralogía)
- Desarrollo de un plan de muestreo geológico del macizo rocoso
circundante
- Selección de los ensayos estáticos y cinéticos para evaluar el potencial
de la generación ácida
- Evaluación de los criterios de muestreo y la forma de realizar los ensayos
cinéticos
- Desarrollo de un modelo apropiado para la predicción ácida
- Elaboración de una clasificación de las unidades geológicas (basado en
los resultados) en función a su capacidad de formación o no de acidez.
Tabla 4 - Fuentes de información de la generación del potencial ácido en minas nuevas y en operación. (Robertson y Broughton, 1991)
Tipo de
Información
Mina Nueva Mina en Operación
Clasificación del macizo
rocoso
- Afloramientos. - Secciones Geológicas - Ensayos de resistencia. - Perforaciones de
producción
- Afloramientos y excavaciones. - Testigos de afloración. - Muestras de producción. - Ensayos de resistencia. - Muestreos específicos en las
áreas de trabajo y almacenamiento
Distribución del macizo
rocoso
- Planificación.
- Planificación. - Reporte de producción - Planes de desarrollo (cielo
abierto y subterránea) - Inspecciones a pilas de mineral - Muestreos a detritos de
perforación. Generación - Ensayos estáticos. - Observación de antiguos
52
3.4. Control de los drenajes ácidos. Por lo general el control de los drenajes ácidos comprende dos conjuntos de
actuaciones, unas de tipo preventivo y otras de carácter correctivo. Las
preventivas se refieren a la adopción de medidas antes del comienzo de las
labores extractivas y que son programadas en función al conocimiento del
potencial contaminante que poseen los materiales a tratar. Mientras las
correctoras son todas aquellas actuaciones que se llevan a cabo en el momento
en que se comprueba que las medidas preventivas no han tenido el efecto
deseado y existe la posibilidad de que se generen aguas ácidas. (Aduvire O. ,
2006)
El objetivo principal de las medidas de control de aguas ácidas es el de
satisfacer unos criterios de calidad medioambiental en el entorno donde se
desarrolla la actividad minera, empleando para ello las técnicas más efectivas de
mitigación de la generación ácida.
En la actualidad las medidas de control de la generación ácida se agrupan en
tres niveles de actuación:
- Prevención y control del proceso de generación de las aguas ácidas
- Control de la migración de las aguas ácidas
- Recogida y tratamiento de las aguas ácidas.
Para minimizar los costes de tratamiento y lograr un control efectivo del drenaje
ácido, así como para reducir el riesgo de contaminación por aguas ácidas, se
recurre a la aplicación de alguna medida de control con el fin de eliminar o
excluir alguno de los factores que participan en la generación ácida.
Ácida Potencial de Lixiviación
- Mineralogía - Formación de lixiviados
a corto plazo. - Comparación con otros
lugares similares.
testigos. - Muestreos de suelos. - Ensayos estáticos en diferentes
áreas de trabajo.
Calidad del Agua de los
Drenajes
- Ensayos cinéticos - Estándares de calidad
de agua
- Seguimiento y control rutinario. - Inspecciones a filtraciones. - Ensayos cinéticos. - Formación de lixiviados.
53
3.4.1. Prevención y Control del Proceso de Generación de Aguas Ácidas. Una forma efectiva de evitar la generación ácida es mediante el control y la
eliminación de los parámetros y las condiciones que favorecen la formación de
aguas ácidas, mediante la aplicación de las siguientes medidas:
- Restringiendo el ingreso del agua en los residuos expuestos a la
meteorización.
- Minimizando la penetración de oxígeno a través del aire o del agua,
mediante el empleo de materiales impermeabilizantes.
- Aislando los minerales sulfurosos, mediante flotación u otro tratamiento
previo al vertido
- Controlando el pH del medio, mediante la adición de materiales alcalinos
- Empleando bactericidas para inhibir la acción bacteriana a los minerales
sulfurosos
Con este tipo de medidas se pretende limitar la formación de aguas ácidas
mediante la supresión de los mecanismos de oxidación de los elementos
contaminantes contenidos en los efluentes. Esto se puede conseguir mediante la
exclusión de uno o varios de los elementos protagonistas de las reacciones de
oxidación y reducción de los sulfuros, o controlando el medio en el que se
encuentran estos sulfuros. (López, Aduvire, & Barettino, 2002)
Los métodos y las técnicas de control de la generación ácida de mina más
utilizadas se resumen en la Tabla 5. Estas técnicas se basan en la adopción de
medidas dirigidas a prevenir las reacciones generadoras de aguas ácidas
mediante la eliminación de alguno o varios de los elementos que intervienen en
ella. (López, Aduvire, & Barettino, 2002)
Entre las técnicas preventivas para el control de la formación de aguas ácidas se
pueden clasificar en tres grupos de métodos: los métodos de barrera, tienen
como objetivo el aislar los sulfuros de los elementos meteorizantes o del sistema
de transporte hidrológico; los métodos químicos, modifican la composición de las
soluciones del agua que entra en contacto con los materiales rocosos y limitan
54
las posibilidades de reacción, y los métodos de inhibición bacteriana, que
rompen el proceso de oxidación cíclico catalizado biológicamente.
Tabla 5 - Técnicas Preventivas para el Control de Aguas Ácidas
MÉTODO OBJETIVO MEDIDA DE CONTROL
Barrera
Eliminación o aislamiento de los
sulfuros
Acondicionamiento, impermeabilización y depósito selectivo de estériles y residuos. Microencapsulado Retirada física de los sulfuros. Revegetación de los terrenos.
Exclusión del agua Cunetas de desvío de agua. Remodelado de la superficie. Recubrimiento y sellado.
Exclusión del oxígeno
Depósitos subacuáticos (inundación) Recubrimiento y sellado.
Químico Control del pH
Adición de materiales alcalinos y fosfatos. Empleo de dispositivos rellenos con material carbonatado
Mezcla de los materiales acido/base y vertido selectivo
Inhibición Bacteriana
Control y supresión de la acción bacteriana
Aplicación de bactericidas.
Adición de fosfatos.
3.4.1.1. Métodos de Barrera.
La prevención es el tratamiento más eficaz al problema de la generación de
aguas ácidas, para ello se recurre al empleo de métodos físicos que actúan
como barreras que impiden la mezcla y dilución de los distintos efluentes o
reducen el potencial ácido generador de los mismos. Entre las principales
actuaciones de este tipo podemos considerar las técnicas de revegetación de los
terrenos y el aislamiento del agua y oxígeno.
a. Revegetación de los terrenos.
Con las operaciones de explanación y revegetación de los terrenos se produce la
compactación de los materiales y la reducción de espacios vacíos, lo que evita el
ingreso y la circulación de agua y oxígeno a través de los estériles y residuos
55
que contienen sulfuros. La cubrición de los estériles con suelos y vegetación
incrementa también la evapotranspiración y restringen la migración del agua y
posiblemente del oxígeno hacia los estériles y residuos contaminantes.
El recubrimiento y sellado dan muy buenos resultados al reducir la infiltración del
agua y, en particular, las cubiertas de suelo son adecuadas para los fines de
restauración de los terrenos. La revegetación es una técnica que coadyuva al
control de formación de aguas ácidas, llegando en algunos casos a reducir en un
50 % el potencial ácido generador. Por otro lado, el oxígeno también es
evacuado por las raíces de las plantas, la respiración microbiana y la
descomposición de la materia orgánica. (Aduvire O. , 2006)
b. Acondicionamiento y depósito selectivo de materiales.
Esta técnica consiste en separar el material potencialmente ácido generador y se
evite o minimice su contacto con el oxígeno y el agua.
En minas abandonadas la aplicación de esta técnica de control puede ser
bastante complicada y costosa, ya que requiere la realización de grandes
movimientos de tierras, y presenta la dificultad añadida de la separación de los
materiales reactivos de los no reactivos. Pero, en minas activas su realización no
Figura 1- Revegetación de escombreras.
56
necesariamente debe presenta dificultades, ni suponer un coste adicional,
siempre y cuando la separación y depósito selectivo de los materiales reactivos
se incluya en el diseño del proyecto de explotación como una operación más.
c. Encapsulado. El almacenamiento de los estériles y residuos en depósitos impermeables es una
de las técnicas de tipo barrera que impide el contacto con el agua o la zona
saturada, se basa en un vertido selectivo que en algunos se aprovecha los
huecos de la explotación.
Una variante del vertido selectivo se ve en el esquema de la Fig. 2, que consiste
en colocar una capa de material permeable y alcalino sobre el fondo o sobre la
cota del nivel freático previsto después de la restauración, encima de la cual se
colocan los estériles y residuos contaminantes, para después cubrirlos con una
capa impermeable y a continuación con otros materiales inertes o alcalinos.
d. Aislamiento del agua. Este tipo de tratamiento está orientado a la construcción de barreras físicas que
impiden el contacto entre los estériles y residuos contaminantes con el agua,
evitando de esta forma las reacciones de formación ácida y el transporte de los
productos. También se recurre al desvío de las aguas superficiales para evitar el
mezclado con las aguas de mina y lixiviados de escombreras y presa de
residuos, así como al drenaje y bombeo por separado de las aguas limpias y
contaminadas de las labores subterráneas.
Figura 2 - Colocación selectiva de materiales contaminantes por encapsulamiento.
57
Cuando la técnica de vertido selectivo no sea viable por la escasez de materiales
impermeables o alcalinos, o una gran parte de ellos son potencialmente ácidos.
Se recurre a la impermeabilización superficial de los depósitos de estériles y
residuos con arcillas y tierra vegetal, con lo que se evita la infiltración del agua y
la difusión del aire hacia los materiales contaminantes. Si además, sobre esta
capa impermeable se coloca una cubierta vegetal u otro material aislante, se
logrará impedir el paso del agua y reducir la erosión eólica e hídrica en la
superficie del vertedero.
Otra forma del empleo de barreras impermeables es la colocación de sellos de
arcilla en los frentes descubiertos de mineral o en huecos de antiguas labores de
mina antes de proceder al autorrelleno de los mismos. De igual forma se recurre
la impermeabilización con materiales sintéticos, para impedir que el agua entre
en contacto con los estériles y residuos almacenados.
Aunque el sellado con arcillas requiere un mayor tiempo de consolidación y
compactación, se puede mejorar bastante su efectividad en el cierre si su
empleo es combinado con bentonita o lechadas de cemento. Por lo general el
coeficiente de permeabilidad de las arcillas es menor a 10-9 m/s, lo que la hace
ideal para cierres impermeables que evitan el ingreso del agua al interior de los
materiales contaminantes. (Aduvire O. , 2006)
e. Aislamiento del oxígeno. El oxígeno es el responsable directo de la oxidación de los sulfuros
(transformación del ión ferroso a férrico) y es necesario para la actividad
bacteriana. Por lo que, cualquier medida de control o exclusión del oxígeno
tendrá gran influencia en la reducción del potencial generador de aguas ácidas.
Aún cuando es posible que se formen ácidos bajo condiciones anaerobias, este
no mantendrá un valor significativo en la generación de aguas ácidas.
En el caso de labores subterráneas, el método de aislamiento del aire más
empleado es el de inundación de las labores, tanto a cielo abierto como en
minería de interior, siendo en esta última donde se empezó a aplicar en la
década de los años 60. La exclusión del oxígeno por medio de una lámina de
58
agua, bien sea por inundación o por vertido subacuático, resulta efectiva siempre
que se evalúe y garantice que no se producirán alteraciones ambientales debido
a estas actuaciones.
f. Depósitos subacuáticos.
Esta técnica consiste en inundar los materiales reactivos para limitar la
generación de agua ácida por exclusión del oxígeno, ya que el coeficiente de
difusión de este elemento en el agua, 2x10-6 cm2/segundo, es unas 10.000 veces
inferior al de la atmósfera. Una vez que el oxígeno disponible en el agua es
consumido, la velocidad de la reacción de oxidación decrece significativamente,
por la baja velocidad de reemplazo del oxígeno. (Aduvire O. , 2006)
El utilizar labores abandonadas para el depósito de los materiales reactivos,
aunque en principio es una buena solución, no siempre da los resultados
esperados cuando las aguas de inundación son ácidas, ya que el hierro férrico,
uno de los principales agentes oxidantes de los sulfuros junto con el oxígeno,
puede seguir provocando la oxidación de los sulfuros, y con ello la acidificación
de las aguas.
g. Recubrimiento y sellado.
Es otro método de la exclusión del oxígeno en escombreras de estériles consiste
en la colocación de una capa de material impermeable o materiales
consumidores de oxígeno como compost sobre la superficie de esta. Al contrario
de lo que sucede en las escombreras y debido a la granulometría de los
materiales depositados, en las presas de residuos la presencia de oxígeno se
limita a los niveles más superficiales, ya que en esta zona la difusión del oxígeno
es menor y gran parte de éste es consumido en la oxidación de los sulfuros y por
las bacterias existentes.
Las cubiertas y sellados actúan limitando la entrada de oxígeno y agua hacia los
minerales reactivos. Para ello puede utilizarse una gran variedad de materiales
que, por su capacidad de compactación y su baja permeabilidad, constituyen una
barrera que frena la difusión del agua y el oxígeno. Actualmente existen en el
mercado multitud de productos de impermeabilización y sellado, inicialmente
59
desarrollado para vertederos y para la construcción de balsas y canales, que
pueden utilizarse en escombreras de materiales piríticos.
3.4.1.2. Métodos Químicos.
Una forma de inhibir la generación ácida es manteniendo el pH de los efluentes
de mina dentro de un rango alcalino, esto se consigue en algunos casos
añadiendo a las soluciones ácidas materiales alcalinos como roca caliza en
polvo, cal, fosfatos y otros.
a. Adición de materiales alcalinos.
La adición de sustancias alcalinas o rocas básicas es una medida de control
adecuada a corto plazo, aunque en algunos casos su efectividad puede notarse
incluso a largo plazo, dependiendo de la cantidad, tipo y grado de reacción de
los minerales sulfurosos. De igual forma los estériles y residuos potencialmente
ácido generadores pueden mezclarse con otros materiales alcalinos de
recubrimiento del propio depósito y efectuar el vertido en la escombrera de
manera controlada.
El objetivo de mezclar o añadir material alcalino es controlar el pH en el rango
cercano al neutro, limitando así la oxidación química de los sulfuros y la actividad
bacteriana. Se puede añadir material alcalino o neutralizante a los residuos,
como piedra caliza, cal e hidróxido de sodio, durante el procesamiento; o bien se
puede colocar estos materiales en capas dentro de la roca que genera ácido,
durante la acumulación. Los aditivos básicos, como la piedra caliza finamente
molida que se mezcla íntimamente con la roca, pueden ser adecuados en un
corto plazo, dependiendo de la cantidad, tipo y reactividad de los minerales
sulfuros.
Las sustancias más utilizadas suelen ser: hidróxido sódico o sosa cáustica
(NaOH), calcita o caliza (CaCO3), cal (CaO, Ca(OH)2), hidróxido de aluminio
(Al(OH)3) y carbonato sódico (Na2CO3). La adición de estas sustancias, además
de producir la neutralización de las aguas ácidas, crea un ambiente desfavorable
para la oxidación de los materiales sulfurosos. Primero, porque las bacterias que
60
participan en el proceso de oxidación del hierro requieren un medio ácido para
que su actividad sea óptima y, segundo, porque con pH cercanos al neutro el
hidróxido férrico precipita y tiende a depositarse sobre la superficie de los
sulfuros, recubriéndolos y rompiendo el mecanismo de oxidación.
La efectividad de la mezcla depende principalmente de la minuciosidad del
mezclado, del movimiento del agua a través del sistema, la naturaleza del
contacto de la roca o agua ácida con los aditivos neutralizantes o agua, la
proporción de material neutro en exceso y, finalmente, el tipo y pureza del aditivo
neutralizante. Por lo común, se requiere de exhaustivas pruebas de laboratorio
con el objeto de demostrar la efectividad de la mezcla; además, se podría
requerir otras medidas de control suplementarias. En los asientos con
grandes cantidades de roca generadora de ácido, los requerimientos adicionales
para el manejo del material podrían hacer inviable esta opción para el control de
la generación de ácido.
Por otro lado no es raro que una roca contenga minerales sulfurosos y minerales
ácidos consumidores a la vez. El balance entre los dos tipos de minerales
determinará si la roca producirá condiciones ácidas o no en el agua, a su vez
este balance determinará el tipo de procedimiento experimental a emplear en los
ensayos estáticos. Una vez que entren en contacto los minerales sulfurosos con
los minerales ácidos consumidores la neutralización resultante removerá una
parte de la acidez y el hierro de la solución y, a su vez cambiará el pH del medio.
El mineral ácido consumidor más común es la calcita (CaCO3), que consume
acidez a través de la formación de HCO3- o H2CO3:
CaCO3 + H+ → Ca2+ + HCO3-
CaCO3 + 2H+ → Ca2+ + H2CO3
De igual forma actúan otros minerales ácidos consumidores, como el hidróxido
de aluminio:
Al(OH)3 + 3H+ → Al3+ + 3H2O
61
b. Adición de fosfatos.
La adición de fosfatos a los estériles y residuos de mina ralentiza la oxidación de
los sulfuros, debido a la formación de fosfatos de hierro insolubles como
Fe3(PO4)2 y FePO4 que hacen disminuir la concentración de hierro férrico
disponible para la reacción con los sulfuros como la pirita.
3.4.1.3. Métodos de Inhibición Bacteriana.
La presencia de bacterias como el Thiobacillus ferrooxidans y otras que
contribuye a la oxidación del hierro influyen fuertemente en la generación ácida,
pero, si se logra eliminar estos microorganismos se puede llegar a reducir hasta
en un 50 % el proceso de acidificación. Entre los bactericidas de mayor
efectividad para inhibir la bacteria Thiobacillus ferrooxidans, se encuentran los
surfactantes aniónicos y los ácidos orgánicos. (López, Aduvire, & Barettino,
2002)
El detergente aniónico más eficaz y económico utilizado es el sodio lauril sulfato
(SLS), que se aplica sobre la superficie de la escombrera en forma de solución
diluida en unas concentraciones del orden de 25 ppm, con la que se saturan los
primeros 20 o 30 cm de profundidad que es la zona de oxidación de los sulfuros
almacenados en la escombrera. (López, Aduvire, & Barettino, 2002)
Este tratamiento es muy efectivo durante unos meses cuando los estériles son
propensos a formar aguas ácidas antes de la vegetación, debiendo aplicarse
mediante riego por aspersión durante la nivelación de los estériles y antes del
extendido del suelo vegetal.
El empleo de bactericidas puede ser interesante como medida a corto plazo. Los
bactericidas tienen una vida limitada y hay dificultad a la hora de aplicar de
manera efectiva. Además, no debe olvidarse que actúan únicamente sobre los
procesos de oxidación biológicos pero no sobre la oxidación química de los
sulfuros. Por lo que, es aconsejable aplicar siempre medidas complementarias
para neutralizar los efluentes ácidos generados por vía química.
62
3.4.2. Control de la Migración de las Aguas Ácidas.
Cuando la generación ácida no ha podido ser evitada, el siguiente grupo de
medidas es el constituido por aquellas que intentan impedir la llegada de los
efluentes ácidos al medio natural. En este caso es preciso impedir la entrada del
agua a las fuentes de contaminación y evitar la circulación de los elementos
contaminantes. Entre las medidas de este tipo de control que suelen tomarse,
tenemos las siguientes:
Desviación del agua de escorrentía alejándola de la fuente de acidez. Para
ello se construyen canales perimetrales o diques de interceptación que impiden
la entrada del agua a las labores de explotación o el contacto con los estériles de
las escombreras. A largo plazo es tal vez la medida más efectiva.
Prevención sobre la entrada de aguas subterráneas a la fuente de acidez. En el caso de explotaciones en operación podrá realizarse mediante labores de
drenaje desde pozos o sondeos, creación de muros pantalla, instalación de
cierres impermeables temporales y otros, que solo son de utilidad durante la fase
de funcionamiento.
Prevención de la infiltración de las precipitaciones sobre la fuente contaminante. Esto se consigue mediante el empleo de cubiertas o sellados por
medio de suelos naturales o materiales sintéticos, o una combinación de ambos.
El sellado con geomembranas es más eficaz pero también su coste es más
elevado. Las cubiertas de suelos, aunque no evitan la infiltración totalmente,
constituyen un soporte para la vegetación, por lo que deberán contemplarse en
los planes de actuación.
Localización controlada de las estructuras de estériles generadores de aguas ácidas. La ubicación adecuada de esos materiales debe contemplarse
siempre junto a otras medidas complementarias.
3.5. Sistemas disponibles para el Tratamiento de Aguas Ácidas.
Los sistemas de recogida dependen de si las aguas ácidas son superficiales o
subterráneas. En las primeras se utilizan cunetas, diques y pequeños embalses
63
en los fondos de las explotaciones, mientras que para las segundas se recurre a
zanjas de drenaje, muros de intercepción, pozos, galerías y otros. La mayoría de
estos sistemas requieren de un cierto mantenimiento a largo plazo para
garantizar su funcionamiento.
Generalmente los procesos de tratamientos de drenajes ácidos se basan en la
eliminación y el aislamiento de metales y aniones metálicos de las aguas.
Algunos de ellos incluyen las técnicas de precipitación que suelen ser bastante
efectivas para conseguir la calidad deseada de los efluentes. Sin embargo, si
existen metales pesados disueltos en la solución en forma de complejos
orgánicos, su retirada mediante precipitación directa resulta muy difícil sino
imposible. En estos casos, el complejo debería descomponerse antes de añadir
el agente precipitante.
Otras técnicas son las de oxidación clásica, ozonización y oxidación bacteriana,
aunque previamente a realizar cualquier tipo de tratamiento es siempre
recomendable determinar cuáles son los metales y su estado químico en los
efluentes. Cualquier tipo de vertido de efluentes de mina debe garantizar que
éstos sean estables, que no reaccionarán ni química ni biológicamente con los
elementos naturales del entorno y que no producirán daños al medio ambiente.
Por lo general los métodos de tratamiento de aguas ácidas de mina se clasifican
en dos grandes grupos:
Métodos activos, que precisan de una operación continuada, como sucede en
una planta química de tratamiento de aguas ácidas.
El tratamiento de aguas de mina utilizando métodos químicos mediante la
adición de sustancias alcalinas, tiene un coste elevado sobre todo cuando se
trata de grandes volúmenes. Además requiere un control y mantenimiento de las
instalaciones de aireación y mezclado, así como de un almacenamiento
adecuado de los lodos con carga metálica.
Métodos pasivos, en los que la intervención del hombre es mínima, tal como
sucede con los humedales, drenajes anóxicos calizos, sistemas de producción
de alcalinidad y otros.
64
3.5.1. Tratamiento Químico Activo de Drenajes Ácidos.
Se basan en la adición de sustancias alcalinas, generalmente cal, cal
hidratada, caliza triturada, sosa cáustica, carbonato sódico o amoniaco, con
el fin de conseguir la neutralización del ácido y alcanzar las condiciones
adecuadas para la precipitación de los metales pesados. Estos metales
precipitan como hidróxidos insolubles en un intervalo de pH que suele estar
comprendido entre 8,5 a 10. El hierro ferroso se convierte en hidróxido
ferroso a pH superior a 8,5 y el manganeso se transforma en insoluble
cuando el pH es superior a 9,5. El aluminio precipita en el agua a un pH de
5,5 pero se vuelve otra vez soluble a pH superior a 8,5. (López, Aduvire, &
Barettino, 2002)
Por estas razones, dependiendo de la clase de metales y su concentración
en las aguas ácidas se elegirá el método de tratamiento químico más
apropiado. En muchas instalaciones se suele trabajar elevando el pH hasta
aproximadamente 9,0 en términos medios, pues en condiciones de mayor
basicidad también aumenta la solubilidad del plomo y el cinc.
La mayoría de sistemas de tratamiento activo para aguas ácidas de mina
están basados en la precipitación de hidróxidos, que se realiza en un
proceso de tres pasos:
1. Oxidación (para convertir Fe2+ en Fe3+)
2. Dosis con álcalis, especialmente Ca(OH)2 pero también con Na(OH)2,
NaHCO3 y otras sustancias.
3. Sedimentación.
Cada paso en este proceso ofrece una oportunidad para la intensificación,
por la cual se puede mejorar la eficiencia del proceso en su totalidad por
ejemplo:
I. La oxidación se realiza tradicionalmente por una cascada de aireación.
Sin embargo, en circunstancias apropiadas el proceso de oxidación puede
intensificarse por la aplicación de otros enfoques mecánicos, o por el uso de
65
reactivos químicos (especialmente peróxido de hidrógeno (H2O2)).
II. En cuanto al proceso de dosis con álcalis, cada reactivo tiene sus propias
ventajas e inconvenientes. Generalmente el reactivo más económico es la
cal apagada (Ca(OH)2). Sin embargo, donde se precisa precipitar altas
concentraciones de Mn, Zn y/o Cd, la sosa cáustica suele resultar más
barata todavía. Donde el espacio disponible para una planta de tratamiento
es muy pequeño, se puede usar amoníaco (en forma de gas).
Los tratamientos químicos más comunes utilizados en instalaciones para
tratar aguas ácidas de mina, son los siguientes (Alonso, 1999):
a. Tratamiento con cal
Se suele utilizar cal hidratada Ca(OH)2 que es particularmente útil para
tratar grandes caudales en condiciones de alta acidez. Como la cal
hidratada es hidrófoba, para conseguir una buena mezcla con el agua, se
precisa de un dispositivo de agitación. Cuando se pretende eliminar el
hierro, en el propio proceso de agitación se incorpora la aireación necesaria
para lograr la oxidación del hierro ferroso hasta transformarse en hierro
férrico y conseguir la mayor eliminación de éste.
Los lodos que se obtienen presentan una gran cantidad de sulfato cálcico,
que desde los decantadores pueden bombearse a una balsa de
almacenamiento o en algunos casos, escurrir el agua en filtros prensa para
una manipulación más cómoda de los sólidos. Esta técnica tiene una
limitación cuando se requiere alcanzar un pH muy alto para precipitar
metales como el manganeso.
b. Tratamiento con caliza/cal
La caliza CaCO3 es un material más barato que la cal y más fácil de manipular
que otros productos químicos. Se suele utilizar para elevar el pH hasta 4 ó 4,5 en
una primera etapa de tratamiento y a continuación seguir con el proceso
empleando cal.
66
Si se opta por éste tipo de tratamiento combinado, hay tener en cuenta que la
caliza tiene una baja solubilidad y, además, existe el inconveniente de recubrirse
de precipitados de sales o sulfatos formados a partir de los metales disueltos en
el agua.
Así por ejemplo, si la concentración de hierro es superior a 5 mg/l, la caliza
perderá su efectividad al cabo de muy poco tiempo debido al citado
recubrimiento de las partículas.
Respecto al empleo de caliza en las plantas convencionales, en lugar de cal,
ésta tiene algunas ventajas entre las que destacan: es un producto barato,
abundante y poco peligroso; no se requiere un control muy estricto en su
alimentación y los lodos que se producen son mucho más densos y más fáciles
de manejar.
Por el contrario, los inconvenientes que plantea son: el requerimiento de
cantidades muy grandes de este material, y el largo tiempo de retención que se
precisa para la neutralización (sobre todo cuando contienen cierta cantidad de
dolomía), ya que la velocidad de oxidación del hierro es muy lenta (10 a 25
ppm/min) en el intervalo de pH (6,8 a 8,0) en el que se opera en este
tratamiento.
c. Tratamiento con sosa cáustica
Este método se ha utilizado en algunas ocasiones para pequeños caudales de
drenajes de mina. El hidróxido sódico es muy soluble y eleva el pH de una forma
muy rápida. Los principales inconvenientes de este tipo de tratamiento son su
alto coste y el peligro de su manipulación.
d. Tratamiento con carbonato sódico
Se ha utilizado sólo para drenajes de mina con pequeños caudales y muy bajas
concentraciones de hierro. Su empleo es en forma de briquetas, que se colocan
en unos canales, a través de los cuales se hace pasar los efluentes ácidos.
67
Tabla 6 - Agentes de Precipitación; Ventajas; Inconvenientes
3.5.2. Tratamiento Químico Convencional de Drenajes Ácidos.
La alteración más significativa sobre las aguas que produce la actividad minera
es la polución con partículas en suspensión y la acidificación de las mismas, esto
incide directamente sobre la calidad de las aguas y el aprovechamiento del
suelo. Por lo que, se requiere un control de los parámetros físico-químicos y un
adecuado tratamiento de los efluentes, que por lo general se realiza en dos
fases:
a. Eliminación de sólidos en suspensión por decantación
Los sólidos en suspensión constituyen una de las fuentes más frecuentes de
contaminación física de las aguas. Esta se produce por la fuerza erosiva del
agua que provoca en su circulación superficial el arrastre de partículas sólidas.
Agente de precipitación Ventajas Inconvenientes
Hidróxido de calcio Bajo costo. Impurezas, proceso lento, precipita H2SO4, CaCO3
Carbonato sódico Soluble, rápido Costo alto
Hidróxido sódico Limpio, rápido. Costo relativamente alto.
Amoniaco Soluble, rápido Formación de complejos, nitrato amónico residual.
Sulfuro sódico Productos muy insolubles. Desprende H2S
Ácido sulfúrico Rápido, bajo costo Precipita Ca SO4
Ácido clorhídrico Rápido, limpio Costo relativamente alto.
Dióxido de carbono Disponible gases combustibles
68
El tratamiento más común consiste en retener las aguas en unas balsas o
reposadores durante un tiempo suficiente para que se produzca la decantación
de los sólidos. Si el agua clarificada no está contaminada químicamente y
cumple los estándares de calidad requeridos, el agua puede verterse
directamente a un cauce público o reutilizarse en las operaciones de la
explotación minera, caso contrario, debe procederse a su tratamiento en una
instalación mediante un proceso químico.
b. Neutralización química de las aguas ácidas
El proceso de neutralización de las aguas ácidas mediante la adición de
sustancias alcalinas es el que actualmente se lleva a cabo en la mayoría de las
minas que generan efluentes de este tipo.
El tratamiento en las plantas convencionales se realiza en tres etapas:
neutralización, oxidación y precipitación. Las reacciones principales que tienen
lugar según el tipo de agente alcalino que se utilice son:
Figura 3 - Sedimentares para clarificar las Aguas Tratadas
69
1º. Neutralización del ácido con una base.
Con cal:
H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2H2O
Con caliza:
H2SO4 + CaCO3 → CaSO4 + 2H2O + CO2
2º. Oxidación del hierro ferroso o férrico.
Se lleva a cabo tomando oxígeno de la atmósfera mediante la agitación de las
aguas en unos tanques. Con esto se consigue modificar el estado del hierro
haciéndolo insoluble.
3º. Precipitación de los hidróxidos de hierro.
Los hidróxidos se forman al reaccionar el sulfato férrico con los agentes
alcalinos.
Con cal:
Fe2(SO4)3 + Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaSO4
Con caliza:
Fe2(SO4 )3 + 3CaCO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 3CO2
La separación de los sólidos insolubles se realiza en decantadores circulares o
rectangulares, ayudada por la acción de floculantes. La filtración en las diversas
variantes puede emplearse como sistema complementario.
Los agentes alcalinos a emplear son muchos: cal rápida, cal hidratada, roca
caliza, caliza en polvo, magnesita, dolomía, sosa cáustica, cenizas de sosa e
hidróxido de amonio. Pero, en la práctica los más usados son: la cal, la cal
hidratada y la caliza.
La concentración de metales pesados en el efluente puede reducirse por
precipitación como hidróxidos a distintos valores de pH, por ejemplo el pH
mínimo para el Pb+2 es 6,3. (Aduvire O. , 2006)
70
3.5.3. Tratamiento tipo de Aguas Ácidas en una Planta Convencional.
El proceso de tratamiento más común utilizado en el tratamiento de aguas ácidas
es el que emplea cal, en cuya etapa inicial se produce la neutralización de la
acidez y finaliza con la oxidación del hierro ferroso para formar hidróxido férrico
que es insoluble y precipita.
El proceso comienza con la entrada del agua ácida a la planta, a través de un
canal donde se mide el caudal y el pH, pasa seguidamente a las cubas de
neutralización donde se adiciona la lechada de cal hasta alcanzar un valor del
pH entre 10 y 10,5; con el que se consigue que se formen los hidróxidos de
hierro y manganeso. Estas cubas disponen de unos agitadores que garantizan
una mezcla homogénea, transcurrido cierto tiempo.
En un depósito más pequeño se recogen las aguas de recirculación de los
fangos del decantador y las aguas sucias procedentes del lavado de los filtros.
Seguidamente el agua pasa por gravedad a los tanques de aireación, donde el
oxígeno atmosférico se incorpora al agua mediante unas turbinas de agitación y
se consigue la oxidación del hierro ferroso y el manganeso.
En el canal de rebose de los tanques de aireación se añade policloruro de
aluminio, que es un floculante primario. El agua entra a continuación en los
decantadores-floculadores o clarificadores, transportando ya los pequeños
flóculos de los precipitados coloidales y materiales en suspensión.
Para producir el encadenamiento de dichos flóculos y posterior decantación se
dosifica sobre una campana de reacción un polielectrolito aniónico, que es un
compuesto polímero. El lecho de fangos que se forma en el fondo del decantador
se barre hacia el centro mediante un rastrillo giratorio y su purga se efectúa
desde la arqueta central inferior.
El agua clarificada que sale del decantador pasa a unas centrifugadoras o a
unos filtros de arena distribuyéndose por medio de unos canales longitudinales.
El material del lecho de filtrado suele ser arena silícea, que es soportada por un
falso fondo constituido por losas prefabricadas de hormigón armado, que
disponen de unas boquillas que sirven para colectar de forma uniforme el agua
71
filtrada y distribuir el agua y el aire de lavado necesario para la limpieza del filtro,
que son apartados por un canal longitudinal situado en la parte inferior. La
selección del tamaño del clarificador o sedimentador se puede realizar en
función al caudal de tratamiento y la densidad de los lodos producidos (Fig. 53).
De la batería de filtros y antes de su vertido a los causes públicos, el agua pasa
a un depósito de ajuste de pH, por lo general las plantas disponen de sistemas
automáticos de control de pH, por lo que a la salida de los citados filtros se
adiciona una pequeña cantidad de ácido sulfúrico si se necesita bajar la
alcalinidad, consiguiéndose la mezcla y homogeneización mediante un agitador
rápido del tipo turbina con paletas.
En otros casos se emplea dióxido de carbono (procedente de la combustión
sumergida de propano en un pequeño tanque de reacción) como alternativa más
económica, si existe una limitación en la cantidad de sulfatos en el agua de
salida del proceso. También suele existir al final del proceso otro pH-metro que
realiza el ajuste fino y que va provisto de alarma que en caso de anormalidad
cierra la entrada de agua a la planta depuradora.
En cuanto a los fangos producidos, se envían directamente a unas balsas de
almacenamiento donde una vez secados se extraen y se vierten en las
escombreras mezclados con los estériles rocosos de mina, en algunos casos
también se aprovecha parte de estos fangos en los trabajos de revegetación
Estas plantas depuradoras exigen bastante servidumbre durante la operación,
así como el empleo de productos químicos. De igual forma requieren un
mantenimiento continuo de los equipos y estructuras.
72
3.5.4. Tratamiento de Aguas Ácidas en una Planta HDS.
El paso de la sedimentación frecuentemente ofrece las oportunidades más
importantes para intensificación del proceso de tratamiento en su totalidad. Eso
es porque el proceso de sedimentación gobierna la densidad del lodo de
hidróxidos producido, que a su vez controla el volumen de residuos que se
precisa recoger. La sedimentación en un estanque clarificador de una planta
convencional suele dar lodos con un contenido en sólidos de no mayor del 5%
(en peso).
Un enfoque sencillo de tratamiento de aguas ácidas lo constituye el proceso
HDS (highdensity sludge). En este proceso se recircula mediante bombeo un
porcentaje (≤ 80%) del lodo final del estanque de sedimentación hasta el punto
de arranque de la planta. Las partículas de lodo presentan núcleos para la
precipitación de nuevos hidróxidos, y se obtiene una precipitación final de lodo
con un 20% de sólidos en peso. La densidad puede aumentarse más por
aplicación de filtros, prensas, etc.
La optimización de la densidad y estabilidad de lodos basado en 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, es la
principal incorporación en este sistema.
Figura 4 - Esquema de una planta de tratamiento convencional para Aguas Ácidas
73
Figura 5 - Planta de tratamiento de aguas ácidas por el proceso HDS.
3.5.5. Tratamiento de Aguas Ácidas mediante el Proceso NCD. El procedimiento aprovecha la característica coloidal de los precipitados
obtenidos al neutralizar aguas ácidas de minas y la energía cinética que el
efluente genera durante su conducción por canal o tubería. El agente
neutralizante se añade al canal de conducción, en forma soluble o finamente
dividido en una pulpa, a una distancia aguas arriba del punto de descarga
suficiente para proporcionar el tiempo de contacto requerido para completar las
reacciones de neutralización y precipitación de metales disueltos. La velocidad
del efluente supera largamente la velocidad crítica de los precipitados generados
y del agente neutralizante no consumido, debido a su granulometría fina. La
separación sólido-líquido del efluente neutralizado se logra mezclando
rápidamente con residuos (relaves) mineros, cuarzo, magnetita, caliza, suelos,
escoria, u otro material sólido de carácter granular, que coagula los precipitados
coloidales sobre su superficie, reduce su volumen y sedimenta rápidamente. El
material coagulante puede ser separado y recirculado con relativa facilidad. El
procedimiento tiene aplicación en el tratamiento de efluentes ácidos, neutros o
alcalinos en el sector minero, metalúrgico e industrial, si se adecua las
características del agente neutralizante y/o precipitante a la naturaleza química
del efluente.
74
El procedimiento puede ser empleado asimismo para la clarificación de efluentes
de mina o industriales que contienen sólidos en suspensión de naturaleza
coloidal en cuyo caso solo se aplica la etapa de coagulación con un material
granular de la presente Invención.
Los sedimentos obtenidos son mucho más densos que los obtenidos
convencionalmente, y el volumen final del sedimento es similar al volumen del
agente coagulante empleado. Los sedimentos obtenidos pueden filtrarse
fácilmente y obtener un depósito compacto y estable de la mezcla coagulante-
precipitado que reduce notablemente el espacio requerido.
El procedimiento contempla la opción del uso directo del agente neutralizante
sobre el efluente ácido a lo largo de su canal de conducción, produciendo
resultados similares a los obtenidos con la neutralización en tanques reactores
de gran dimensión y que consumen una cantidad importante de energía. La
aplicación de residuos de planta de beneficio u otro material sólido granular
como medio coagulante de los precipitados coloidales complementa el
tratamiento y hace innecesario la compleja y costosa recirculación de lodos
neutralizados para obtener precipitados densos, que caracteriza la tecnología
más moderna de las plantas HDS. Esta aplicación reduce también en forma
notable la dimensión del sedimentador requerido para la separación sólido-
líquido.
Finalmente el hecho de emplear residuos de la planta de beneficio reduce
significativamente el costo e impacto ambiental al entorno que involucra la
construcción y operación de un depósito para los lodos de neutralización, pues
se aprovecha el mismo depósito de residuos sin afectar la capacidad original de
este.
3.5.6. Tratamiento de Aguas Ácidas mediante el Proceso BIOTEQ. En la actualidad también existen en el mercado procesos como los de Bioteq
basados en la reducción de azufre y sulfato, para el tratamiento de aguas ácidas
en el que además de obtener un agua limpia se obtiene un producto concentrado
con posibilidades de aprovechamiento para la recuperación de metales. Uno de
75
estos procesos se basa en la reducción del azufre (BioSulphide®) que tiene dos
etapas: química y biológica.
En la etapa química los metales son removidos del agua mediante precipitación
con sulfuro biogénico producido en la etapa biológica. Los metales como cobre,
zinc o níquel pueden ser precipitados de manera separada en forma de
concentrados. El sulfuro puede ser producido ya sea por reducción biológica de
azufre elemental o de sulfato, utilizando cultivos de bacterias reductoras.
El drenaje ácido de mina ingresa al mezclador o contactor, gas-líquido el cual
consiste en un tanque agitador en el que se introduce gas de sulfuro de
hidrógeno proveniente del birreactor. La precipitación de metales se representa
mediante la siguiente reacción:
Cu2+ + S2- → CuS
El sulfuro de hidrógeno es producido en un bioreactor en el cual un cultivo
bacterial anaeróbico mezclado reduce azufre elemental, con la adición de un
donante de electrones y otros nutrientes:
So + 2e- → S2-
El gas del contactor, conteniendo principalmente N2 y CO2, es reciclado al
bioreactor donde es usado para extraer H2S del licor del bioreactor hacia la fase
de gas. El H2S y el CO2 son consumidos por el proceso y el N2 es reciclado como
gas portante.
Como producto se obtiene por precipitación un producto con alto contenido
metálico (Cu, Zn), generalmente mayor a 50%. Otros metales pueden ser
recuperados de manera separada como sulfuros de alta ley, aunque en ese caso
podría requerirse un álcali más fuente para la precipitación. Los concentrados de
metal precipitado son recuperados en un clarificador y luego espesados usando
una prensa filtrante para alcanzar los requerimientos de humedad de la
fundición. En algunos casos, el efluente de la planta proveniente del clarificador
puede ser descargado directamente al medio ambiente o recircularse al proceso.
76
En el caso del proceso basado en reducción biológica de sulfato puede
representarse mediante la siguiente reacción:
SO42- + 8e- → S2- + 2 equivalentes de alcalinidad
.
3.5.7. Tratamiento por Métodos Pasivos de Drenajes Ácidos.
Considerando que los sistemas pasivos tienen mayor eficacia en el tratamiento
de pequeños caudales, como los que se generan en minas abandonadas,
conviene realizar primero la estabilización física y geotécnica de las estructuras
mineras a clausurar, seguido de los trabajos de sellado y restauración para
minimizar las descargas de efluentes.
Una vez recogido los drenajes residuales y antes de elegir el sistema de
tratamiento, se debe proceder a su caracterización geoquímica (pH, oxígeno
disuelto, conductividad, contenido de metales y otros), y poner especial atención
a las condiciones hidrológicas del lugar, así como a los cambios de temperatura
y clima. Entre los principales aspectos a tener en cuenta en el diseño de un
Figura 6 - Planta de tratamiento de aguas ácidas por el proceso Bioteq mediante la reducción del sulfato y recuperación de metales.
77
sistema pasivo, tenemos: las características del agua a tratar, el área o
superficie, la geometría del dispositivo, la profundidad de las celdas, el tiempo de
retención hidráulica y la composición del substrato.
Teniendo en cuenta que los métodos de tratamiento convencional de las aguas
ácidas tienen costos elevados y que no pueden ser mantenidos por períodos
prolongados una vez finalizada la vida de la mina, es necesario buscar la
viabilidad de aplicar otros métodos de tratamiento como los sistemas pasivos.
Entre los métodos de tratamiento pasivo que podrían aplicarse, para flujos
superficiales tenemos los humedales artificiales, drenajes anóxicos, balsas
orgánicas y sistemas de producción alcalina; para flujos subterráneos las
barreras reactivas permeables (PRB, Permeable Reactive Barriers), y
para lagos mineros los bioprocesos anaerobios. El objetivo principal es la
supresión de la acidez, la precipitación de los metales pesados y la eliminación
de sustancias contaminantes.
3.5.7.1. Sistema de tratamiento para Flujos Superficiales.
La filosofía general de los tratamientos pasivos se basa en procesos físicos,
químicos y biológicos que ayudan a cambiar las condiciones del Potencial Rédox
(Eh) y el Potencial de Hidrógeno (pH) de las aguas ácidas de mina, de forma que
se favorezca la formación de especies insolubles que precipiten como
oxihidróxidos metálicos. Por lo general, en estos sistemas, se recurre al empleo
de bacterias para catalizar las reacciones y acelerar los procesos que forman
precipitados, así como al uso de material alcalino para neutralizar la acidez.
Entre los métodos pasivos que más se han utilizado destacan los humedales
aerobios, los humedales anaerobios o balsas orgánicas, los drenajes anóxicos
calizos (ALD, Anoxic Limestone Drains), los canales óxicos calizos (OLC, Open
Limestone Drains), los sistemas sucesivos de producción de alcalinidad (SAPS,
Successive Alkalinity Producing Systems). En la práctica estos métodos operan
en condiciones aerobias o anaerobias y se emplean solos o combinados,
dependiendo del tipo de drenaje ácido y de los requerimientos de tratamiento.
(Aduvire O. , 2006)
78
3.5.7.1.1. Humedales Aerobios.
En los humedales aerobios artificiales se pretende reproducir los fenómenos y
procesos de los humedales naturales (pantanos, marismas, turberas, etc.),
creando un ambiente propicio para el desarrollo de ciertas plantas (Tipha,
Equisetum, carrizo, juncos, etc.), comunidades de organismos (algas, protozoos
y bacterias) y musgos (Sphagnum), los cuales participan en la depuración del
agua (Kadlec y Knight, 1996). Estos humedales ocupan una gran superficie y
tienen una somera lámina de agua que inunda el substrato sobre el que se
desarrolla la vegetación. El lento fluir del agua en el humedal permite alcanzar el
tiempo de retención necesario para que tengan lugar los lentos procesos
depuradores del agua.
Estos sistemas favorecen el contacto entre el agua contaminada y el aire
atmosférico mediante el empleo de plantas acuáticas, al liberar éstas oxígeno
por sus raíces y rizomas; para que la vegetación emergente actúe de este modo
el espesor de la lámina de agua no debe superar los 30 cm. El substrato
oxigenado del humedal propicia la formación de un hábitat para que se
desarrollen ciertas colonias de bacterias que actúan como catalizadoras en la
reacción de oxidación de los contaminantes presentes en el humedal,
transformando en el caso del hierro el Fe2+ a Fe3+, el cual finalmente precipita en
forma de hidróxido.
Un sistema aerobio suele consistir en una o varias celdas conectadas por las
que circula el agua lentamente por gravedad, estableciéndose un flujo horizontal
superficial. Para favorecer la oxigenación del agua y mejorar la eficiencia en el
tratamiento se diseñan sistemas que incluyan cascadas, lechos serpenteantes y
balsas de grandes superficies con poca profundidad en donde se implante
entramados de plantas hidrófitas que cubran cerca del 40% de la superficie del
humedal. Las plantas emergentes que se emplean en los humedales pueden
transferir hasta unos 45 g O2/m2/día a través de sus raíces y crear una zona
aerobia en el substrato del humedal en donde se produce la oxidación y
precipitación de metales.
79
La densidad de plantas (Typha) en un humedal suele ser de 10 plantas/m2, para
mantener esta población es conveniente fertilizantes en el humedal ya que las
aguas de mina no llevan los nutrientes necesarios.
El crecimiento natural de algas en los humedales favores la bioacumulación de
metales pesados, especialmente Fe y Mn que son utilizados como
macronutrientes.
Entre los numerosos procesos que se dan en un humedal aerobio, tenemos: la
oxidación de metales, precipitación y co-precipitación, además de la filtración de
la materia en suspensión, la adsorción de metales e intercambio iónico en los
materiales del substrato, la bioacumulación de metales en las raíces y partes
emergentes de las plantas.
Las bacterias presentes en la columna de agua, substrato y rizósfera (zona de
raíces) pueden catalizar la oxidación de metales, particularmente la oxidación de
Fe2+ a Fe3+ y en menor medida el Mn, según las siguientes reacciones:
Fe2+ + 0,25 O2 + H+ → Fe3+ + 0,5 H2O
Mn2+ + 0,5 O2 + 2 H+ → Mn4+ + H2O
Aunque la cinética de remoción de hierro y manganeso en los humedales es
diferente, en la práctica se ha comprobado que la remoción de Mn se paraliza
cuando la concentración de Fe2+ es menor a 1 mg/l. Esto se atribuye a la
reducción y resolubilidad de los óxidos de Mn por el Fe ferroso, según la
siguiente reacción:
MnO2 + Fe2+ + 2 H2O → 2 FeOOH + Mn2+ + 2 H+
En los humedales aerobios las reacciones de oxidación son los mecanismos
dominantes en la remoción de metales, que precipitan como óxidos, hidróxidos y
oxihidróxidos debido a la hidrólisis de Fe3+, Al3+ y Mn4+ principalmente, aunque
estas reacciones también generan acidez y se desarrollan a pH bajos.
80
3.5.7.1.2. Humedales Anaerobios o Balsas Orgánicas. En este tipo de humedal el agua de mina fluye por gravedad y el incremento del
pH hasta niveles cercanos al neutro se debe 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 (CaCO3), para evitar que se produzcan procesos aerobios
que desencadenen la generación de acidez metálica a través de la hidrólisis de
algunos metales se recurre al pre-tratamiento del agua ácida con caliza en
condiciones atmosféricas.
Para favorecer las condiciones anóxicas que se requieren para su correcto
funcionamiento, la altura de la lámina de agua ha de superar los 30 cm. Esta
lámina cubre un substrato permeable de un espesor de 30-60 cm formado
mayoritariamente por material orgánico (70-90% de estiércol, compost, turba,
heno, aserrín, etc.), que está entremezclado o bien dispuesto sobre una capa de
caliza La finalidad del substrato orgánico es eliminar el oxígeno disuelto, reducir
el Fe3+ a Fe2+, y generar alcalinidad mediante procesos químicos o con
intervención de microorganismos. Sobre el conjunto de este substrato se
desarrolla la vegetación emergente característica de los humedales, la cual
ayuda a estabilizar el substrato además de aportar materia orgánica
adicional.
Figura 7 - Disposición de las celdas y circulación del agua en un Humedal Aerobio
81
Los elementos principales de un humedal anaerobio son:
- Vegetación emergente de alta productividad para reponer la materia orgánica
consumida. La plantas en el humedal ayudan a precipitar y filtrar elementos en
suspensión, transfieren oxígeno a través de sus raíces a la zona anaerobia del
substrato (rizósfera) para oxidar metales tóxicos como el Pb que precipitan
dentro del substrato y evitar su adsorción por las plantas, facilitar reacciones
microbianas que incluyen oxigenación y nitrificación / desnitrificación
Indispensables para la vida de las plantas.
- Sustrato rico en materia orgánica descompuesta (compost, turba, estiércol,
mulch, otros) para iniciar y mantener los procesos de reducción del sulfato y
eliminar el oxígeno disuelto en el agua. Además, la materia orgánica es una
importante fuente de energía para el metabolismo microbiano.
- Altura de agua y régimen de caudales necesarios para mantener las
condiciones anaerobias y facilitar el hábitat de las bacterias sulfato-reductoras.
- Disponer de un substrato en el lecho de humedal que aporte alcalinidad al
medio (caliza machacada) y ayude a neutralizar el pH.
3.5.7.1.3. Drenaje Anóxico Calizo (ALD).
Este sistema consiste en una zanja rellena con caliza o material calcáreo sellada
a techo por una capa de tierra arcillosa y una geomembrana impermeable para
mantener unas condiciones anóxicas, con lo que se consigue incrementar la
presión parcial del CO2 para maximizar la disolución de la caliza El agua ácida
de mina se hace circular por el interior de la zanja provocando la disolución de la
caliza, lo que genera alcalinidad (HCO3- + OH-) y eleva el pH del agua.
El ratio de disolución de la caliza está en función del flujo y pH del agua, así
como del contenido de Ca y tamaño de partícula de la caliza. (Morin & Hutt,
2001) En presencia de acidez la generación de alcalinidad en un ALD se inicia a
través de las siguientes reacciones:
82
CaCO3 + H+ → Ca2+ + CO2 + H2O
CaCO3 + SO42- + H2O → Ca2+ + OH- + S0 + HCO3
-
CaO + 2 H+ → Ca2+ + H2O
Si el pH se incrementa a valores superiores a 6,5 el carbonato producirá H2CO3
antes que CO2, este último requiere una neutralización adicional para convertirse
en HCO3- :
CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + HCO3-
La acidez metálica en ALD es insignificante y se verifica mediante las siguientes
reacciones (Hedin y Watzlaf, 1994):
3 CaCO3 + 2 Fe3+ + 6 H2O → 3 Ca2+ + 2 Fe(OH)3 + 2 H2CO3
3 CaCO3 + 2 Al3+ + 6 H2O → 3 Ca2+ + 2 Fe(OH)3 + 2 H2CO3
CaCO3 + Fe2+ → Ca2+ + FeCO3
CaCO3 + Mn2+ → Ca2+ + MnCO3
La precipitación de hidróxidos de Fe y Al puede ocurrir por disolución de Fe3+ y
Al3+ presente en el ALD, también el Fe2+ y Mn2+ pueden formar carbonatos y
precipitar, en algunos casos cuando la concentración del sulfato supera los 2000
mg/l se puede acumular yeso dentro del ALD.
Debido a las condiciones anóxicas del sistema es necesario evitar la
precipitación de hidróxidos y carbonatos dentro del ALD, de este modo no se
produce el recubrimiento de la grava caliza, manteniéndose su eficacia como
fuente generadora de alcalinidad. La única finalidad de un ALD es convertir
aguas netamente ácidas en aguas con un exceso de alcalinidad. Por lo general
el agua ácida tratada en un ALD pasa a continuación a una balsa de
83
precipitación u otro sistema aerobio, lo que favorece la oxidación, hidrólisis y
precipitación de los oxihidróxidos metálicos (Brodie et al., 1993; Watzlaf e
Hyman, 1995; Fripp et al., 2000).
La alcalinidad adquirida en el ALD debe ser suficiente para contrarrestar la
acidificación asociada a la hidrólisis en esta etapa del tratamiento. Los sistemas
ALD son apropiados para tratar drenajes ácidos de mina con escaso oxígeno
disuelto (DO < 2 mg/l) y contenidos de Fe3+ y Al3+ inferiores a 1 mg/l (Hedin,
1997; Skousen et al., 1994).
M = Masa de Caliza (Ton) Q = Flujo (m3/día) Pb = Densidad de la Caliza (T/m3) Td = Tiempo de retención (días) Vv = Espacios vacíos C = Alcalinidad del Flujo (T/m3) T = Vida de diseño (días) α = Contenido de Caliza CaCO3 %
Los drenes de caliza anóxicos (ALD) son un componente más de un sistema de
tratamiento pasivo. Cuando el ALD opera idealmente, su único efecto sobre la
química del agua de mina es elevar el pH a valores próximos al neutro y elevar
las concentraciones de calcio y alcalinidad. El hierro y manganeso disueltos
permanecerían inafectados durante su circulación a través del sistema.
El sistema ALD debe continuar con un sistema de humedal en el que tendrán
lugar la oxidación, hidrólisis y precipitación de metales. El tipo de tratamiento que
se debe de dar al agua pre-tratada con ALD, dependerá de la acidez del agua de
mina y de la cantidad de alcalinidad generada por el ALD. Si el ALD genera
84
suficiente alcalinidad para transformar el drenaje ácido de mina en alcalino,
entonces el efluente del ALD puede ser tratado con una balsa de recogida y un
humedal aerobio. En lo posible el agua debe ser aireada tan pronto como sea
posible y enviada a la balsa de recogida. El tamaño del sistema de post-
tratamiento de las aguas dependerá de la alcalinidad alcanzada en el ALD. En
general, para aguas de mina con acidez inferior a 150 mg/l puede ser suficiente
un pre-tratamiento con ALD seguido de un humedal aerobio.
3.5.7.1.4. Canal o Drenaje Óxico Calizo (OLC ó OLD).
Es un canal cuyo lecho esta rellenado de caliza por el que fluye el agua a tratar,
cuyo objetivo es incrementar el pH y la alcalinidad para disminuir la acidez. El
elevado contenido de oxígeno, produce la oxidación e hidrólisis del Fe y Al
disueltos, que precipitan como oxihidróxidos.
85
4. INUNDACIÓN DE LA MINA COMO RESPUESTA GEOQUÍMICA FRENTE AL CIERRE
4.1. Fundamentos del proceso de la inundación de la mina. (Consultants, 2006) Un objetivo fundamental de la estrategia de inundación de la mina es el control a
largo plazo del drenaje ácido de rocas (DAR) asociado a la oxidación de las
rocas de caja expuestas que contienen sulfuros. Se prevé que la instalación de
tapones en los principales puntos de descarga de la mina logrará dicho control a
través de dos mecanismos principales.
- La inhibición de la generación de DAR mediante la sumersión de la roca
de caja reactiva en un ambiente acuoso anaeróbico.
- La reducción de la descarga de agua subterránea contaminada de la
mina a los cursos de agua superficiales tales como la Q. Las Palcas y Q.
Acchilla.
La sección siguiente evalúa la extensión a través de la cual la estrategia de
taponamiento propuesta podría inducir dichos efectos, suponiendo que existirá el
escenario de recuperación de los niveles de las aguas subterráneas. El análisis
se funda en:
- Las modificaciones de los procesos geoquímicos que probablemente
ocurrían en la mina inundada.
- La geología ambiental de la mina y los puntos de generación de DAR
existentes.
- La probable evolución química a largo plazo de las aguas de la mina
subterránea.
- La magnitud y las ubicaciones previstas de la descarga superficial desde
las labores.
86
4.2. Química de generación de DAR en las labores de Julcani.
4.2.1. Oxidación de sulfuros
Las aguas de baja calidad química (bajo pH y altas concentraciones de metales)
de las labores de la mina Julcani se forman casi exclusivamente por la
interacción entre el agua que se infiltra localmente y los sulfuros expuestos en la
roca de caja. La oxidación de la pirita y otros sulfuros se produce por efecto de la
reacción con H2O y el O2. En el caso de la pirita este proceso está mediado
inicialmente por el O2 de acuerdo con la reacción siguiente:
FeS2 + 3.5 O2 + H2O → Fe2++ 2SO4 + 2H+
El proceso anterior genera dos protones por cada mol de pirita oxidada. También
se produce Fe ferroso. La hidrólisis y oxidación del Fe2+ da como resultado la
generación de protones adicional y produce Fe férrico, que cataliza la
consecuente reacción de oxidación de la pirita.
FeS2 + 14 Fe3++ 8 H2O → 15 Fe2+ + 2SO4+ 16 H+
La oxidación de la pirita por el Fe3+ ocurre generalmente bajo condiciones de pH
< 4, a una velocidad aproximadamente 2 órdenes de magnitud mayor que la de
la oxidación directa de O2. La producción de protones por cada mol de la pirita
oxidad es 8 veces mayor que la de la oxidación directa O2.
4.2.2. Controles Secundarios
4.2.2.1. Mineralogía de los sulfuros
Es probable que las variaciones espaciales del pH del agua de la mina y la
química de los solutos de las labores de Julcani reflejen un complejo rango de
controles de los procesos, de los cuales a continuación se describen sólo los
más críticos. Una amplia diversidad de asociaciones de sulfuros de metales base
se encuentran expuestas en las rocas de caja de la mina. En todos los casos, el
87
FeS2 constituye la principal fuente de protones, por lo cual en todas las labores el
pH del agua de contacto mostrará una estrecha correlación con el porcentaje de
pirita. El pH final de las aguas de contacto podría sin embargo, verse influido por
reacciones de oxidación que involucran otras fases. Datos de monitoreo
disponibles indican que agua menos ácidas predominan en áreas dístales a los
centros de circulación hidrotermal del CVJ, donde las asociaciones alojan una
mayor proporción de sulfuro de estequiometría MS por el O2 no genera protones,
en tanto que la oxidación de sulfuros tipo M2S es una reacción consumidora de
ácidos
4.2.2.2. Disolución de los sulfosales
En toda área del yacimiento de Julcani existen minerales de sulfato, ya sea como
fases hidrotermales primarias, como la alunita, o como productos de alteración
derivados de la oxidación de los sulfuros.
La oxidación de la pirita rara vez induce la liberación directa de todos los
protones generados. Más comúnmente, la acidez se almacena mediante la
precipitación in situ de los sulfatos secundarios, tales como la jarosita:
3 FeS2 + 9 O2 + 15/2 H2O + K+ → KFe3 (SO4) 2(OH) 6 + 4 SO42- + 9 H+
La disolución de la jarosita, la melantería y otros sulfatos que ocurren
comúnmente en el ambiente de la roca de caja de Julcani podrían constituir un
importante control de la química del agua de la mina durante los episodios de
lavado de las labores mineras superiores (por ejemplo, después de eventos de
precipitación-infiltración importantes) Esto refleja la alta solubilidad de dichos
minerales y su resultante capacidad de movilizar una considerada acidez al
momento de contacto inicial entro los sólidos y la solución. A continuación, se
ejemplifica una reacción típica con respecto a la jarosita.
KFe3 (SO4) 2(OH) 6+ 3 H2O → K + 3 Fe (OH) 3 + 2 SO42-+ 3 H+
88
4.2.2.3. Reactividad de la siderita
La presencia de siderita como un mineral de ganga común en los conjuntos de
roca de caja de Julcani puede ser localmente influyente con respecto a la
evolución del agua de la mina. La siderita se discrimina de otros carbonatos por
su capacidad de generar acidez en disolución:
FeCO3 + 0.25 O2 + 2.5 H2O → Fe (OH)3 + H+ + HCO3
4.2.2.4. Buffering de los minerales de ganga
Las asociaciones de minerales de ganga de Julcani presentan generalmente un
bajo potencial de neutralización neto, pero están sujetas a considerable
variabilidad espacial. Para cualquier concentración dada de sulfuro reactivo, las
variaciones de la capacidad de buffering de los minerales de ganga podrían
influir significativamente en el pH y la carga de metales disueltos de las aguas en
contacto con la roca de caja. Esto es más significativo en las zonas
mineralizadas de menor temperatura del área del yacimiento donde las rocas de
caja propilitizadas contienen una relativa abundancia de carbonato.
A continuación, se ejemplifica una reacción genérica simplificada del buffering
del carbonato. Se presenta una reacción subsiguiente para demostrar el
consumo de H2SO4 por la calcita.
MCO3 + H+ → M+2 + HCO3
8 CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2O + CO2
Las fases adicionales de la ganga podrían controlar el pH final de las aguas de
contacto con la roca de caja, incluyendo los aluminosilicatos y los hidróxidos. Sin
embargo, las velocidades y rangos de buffering dentro de los cuales reaccionan
los minerales de ganga virtualmente no carbonatados para neutralizar la acidez
son considerablemente menos favorables que las de carbonatos, tales como la
calcita y la dragonita, como se observa en el resumen presentado en la Tabla.
89
Tabla 7 - Capacidad de Buffering y velocidad de reactividad para los minerales de ganga comunes
Grupo Minerales Buffering
pH PN Tasa de
reactividad
1: Disolvente Calcita, Dragonita, Dolomita 6 -11 7 - 10 1
2: Rápido Anorita, Olivino, Wollastonita 5.5 - 11 3 - 6 0.6
3: Medio Epidota, Clorita, Biotita 4.8 - 7.3 1.5 - 5 0.4
4:Lento Albita, Vesiculita, Goethita 2.4 - 5.1 0.5 - 3 0.02
5: Muy lento Moscovita, Ferrhydrita 2.2 - 4.1 0.2 – 1 0.01 6: Inerte Cuarzo 3.3 - 3.5 0.01 0.004
Nota: PN= potencial de neutralización, expresado en relación con la calcita. Las velocidades de reactividad para todos los minerales se expresan en relación con la calcita. 4.2.2.5. Principios de control del DAR mediante la inundación
El principio de control del DAR mediante la inundación de una mina comprende
el uso de una cubierta acuosa permanente para inhibir tanto el O2 como el Fe3+
inducidos por la oxidación de sulfuros. Esto puede ocurrir debido a lo siguiente.
- La sumersión de las rocas de cajas reactivas en agua con un caudal
característicamente bajo y un tiempo de residencia prolongada da
como resultado el agotamiento progresivo del O2 de la columna de
agua.
- Durante un período de inundación de varios meses a unos pocos
años, el régimen de Eh puede estabilizarse dentro del campo de
estabilidad termodinámicamente del FeS2 y otros sulfuros.
- La generación de un ambiente de bajo Eh induce la reducción del
Fe3+ acuoso de Fe2+, inhibiendo así la oxidación de los sulfuros por el
Fe férrico.
- La reducción progresiva de las velocidades de oxidación de los
sulfuros facilita la evolución de un pH de las aguas subterráneas que
es lo suficientemente elevado (>3) como para limitar la solubilidad del
Fe férrico acuoso, independientemente del régimen de Eh.
90
Sin embargo, la utilización exitosa de la inundación como un mecanismo de
control del DAR depende de una diversidad de condiciones de conductividad
específicas al sitio.
Éstas incluyen las siguientes:
- La ausencia de rutas alternativas de descarga del agua subterránea
(sistemas de fallas y fracturas)
- El establecimiento de largos tiempos de residencia de las aguas
subterráneas en el ambiente de roca de caja potencialmente reactivo
(generando así un ambiente de bajo O2 disuelto)
- Las condiciones hidráulicas que permitan la inundación total de todas
las unidades de roca de caja reactiva después del aumento del nivel
de las aguas subterráneas.
Se ha realizado un análisis de la medida en la cual se cumplen las condiciones
anteriores en Julcani integrando los resultados del modelo hidrogeológico de
recuperación de los niveles presentado párrafos anteriores con una
conceptualización geológica ambiental simple de la distribución de la roca de
caja generadora de DAR en la mina, como se describirá más adelante.
4.3. Situación actual de la inundación de la mina.
El cierre de la mina contempla la construcción de muros en las bocaminas de
ingreso a las galerías que se encuentren por encima del nivel potencial de
inundación máximo y que no tienen flujos de agua significativos. Todas las
chimeneas mantenidas abiertas por razones de ventilación deben ser cerradas
con el objetivo la entrada de personas y animales a las labores subterráneas y
así asegurar su seguridad.
4.4. Aspectos geoquímicos originados después de la inundación de mina
4.4.1. Geología ambiental.
Se ha desarrollado un modelo conceptual geológico ambiental para Julcani en
base a los daros mineralógicos (principalmente la abundancia de pirita)
relacionados con la estimación del potencial de DAR y la calidad de las
91
soluciones contaminadas para cada uno de los sistemas de vetas. A pesar de
que la pirita constituyó una fase siempre presente en la secuencia paragenética,
existe una clara tendencia a la generación de agua de mina de la peor calidad
(es decir, de más bajo pH) en las áreas de contacto de la roca de caja con
asociaciones mineralizadas depositadas durante las primeras etapas de la
deposición del mineral. Éstas generalmente ocurren cerca de centros de
circulación de fluidos hidrotermales y comúnmente gradan a asociaciones de las
etapas posteriores, con una distancia lateral a lo largo de las vetas individuales.
Las primeras asociaciones paragenéticas se caracterizan por una ganga de
pirita cuarcífera y suelen estar alojadas por zonas inundadas de sílice y con un
alto contenido de alumnita. Por lo tanto, la capacidad de buffering es
extremadamente baja. Las asociaciones de las etapas posteriores tienen, en
base a su mineralogía, un menor potencial de generación neta de ácidos.
Algunas están alojadas en rocas de caja localmente propilitizadas, con una
ganga de cuarzo-barita-siderita-pirita. Sin embargo estas asociaciones plantean
efectivamente un riesgo adicional debido a su enriquecimiento característico con
As y Sb.
4.4.2. Evolución de la calidad del agua.
El escenario de respuesta de las aguas subterráneas planteado para las labores
de Julcani, visualizado en conjunto con el modelo conceptual geológico
ambiental anterior, indica que la oxidación de los sulfuros en los sectores
superiores del sistema no se verá inhibida por el programa de taponamiento de
la mina propuesto. Las consecuencias de esto en el contexto de la planificación
del cierre y la definición de la responsabilidad ambiental a largo plazo en Julcani
son las siguientes.
- La continua infiltración de la precipitación local movilizará los productos
de la oxidación de los sulfuro desde las zonas permanente y/o
estacionalmente no saturadas hacia la superficie freática.
92
- Las aguas subterráneas presentes en las proximidades de las labores de
la mina podrían continuar exhibiendo una calidad variablemente baja.
- Cualquier filtración o descarga superficial continua desde las labores de
la mima podría tener un bajo pH, con elevadas cargas de metales
disueltos.
La mitigación eficaz de los riesgos ambientales asociados a las condiciones
anteriores debe estar precedida de una definición de los controles que regirán la
evolución química de las aguas de la mina después del cierre. Después de eso
será posible la regulación de los procesos claves que afectarán adversamente la
calidad del agua de la mina a través de la modificación sensata de la estrategia
de cierre.
Modelo de la evolución del agua de la mina con posterioridad al cierre.
En ausencia de la segregación de los flujos de recarga mediante la instalación
de tapones internos a través de ingeniería, es probable que exista un cuerpo de
agua subterránea continuo desde el punto de vista hidráulico. Éste será
sostenido por recarga por dos fuentes:
- Agua que se infiltra localmente proveniente de la zona no saturada (Ri)
- Recarga regional transmitida principalmente al interior de la secuencia
pre-terciaria (Ru)
Se ha pronosticado las probables tendencias de la evolución de las aguas
subterráneas en las labores de Julcani con posterioridad al cierre, asignando una
química a cada fuente de recarga y aplicando el código PHREEQC de equilibrio
termodinámico para determinar la composición acuosa derivada de la mezcla de
esta agua. La principal limitación de la ejecución de este ejercicio fue la falta de
datos hidroquímicos disponibles para caracterizar las dos fuentes de recarga.
93
Se recomienda resolver esta falencia en los datos a través de un programa de
muestreo hidroquímico de las aguas de la mina (particularmente en los niveles
superiores de las labores de Julcani- Herminia), posiblemente complementado
por ensayos de lixiviación a corto plazo.
Para efectos de la modelación preliminar se asignó químicas temporalmente
constantes a Ri y Ru en base a lo siguiente:
- El uso de los datos químicos para las aguas del Pique 067 como
substituto de Ru. Se aplicó un pH máximo de 7.5, con Fe en 0.0001
mg/l, Cu 0.13mg/l y Zn en 2.8 mg/l. Se supuso que las concentraciones
de cationes APRA las cuales no existían datos empíricos (por ejemplo
Ca, Na, Mg, K, Al ) estaban en equilibrio con respecto a las fases
minerales consideradas, en base a la mineralogía de las menas y
gangas del yacimiento de Julcani para construir sus controles de
solución más probables.
94
5. NORMA PARA CONTAMINANTES FÍSICOS Y QUÍMICOS
5.1. Marco Legal.
5.1.1. Constitución Política del Perú (Año 1993)
El título primero de la Constitución Política del Perú, en su primer capítulo y
segundo artículo menciona entre los derechos esenciales de la persona humana,
el derecho a gozar de un ambiente equilibrado y adecuado al desarrollo de la
vida.
Así mismo, el título tercero de la Constitución Política del Perú, señala en su
capítulo segundo las bases respecto del tratamiento del Medio Ambiente y los
Recursos Naturales, definiendo en sus artículos 66 y 67 el tratamiento de los
recursos naturales de la Nación:
Artículo N° 66
- Los recursos naturales, renovables y no renovables, son patrimonio de la
Nación. El Estado es soberano en su aprovechamiento.
- Por ley orgánica se fijan las condiciones de su utilización y de su
otorgamiento a particulares. La concesión otorga a su titular un derecho
real, sujeto a dicha norma legal.
Artículo N° 67
- El Estado determina la política nacional del ambiente. Promueve el uso
sostenible de sus recursos naturales.
5.1.2. Ley General del Ambiente (N° 28611).
La presente Ley es la norma ordenadora del marco normativo legal para la
gestión ambiental en el Perú. Establece los principios y normas básicas para
asegurar el efectivo ejercicio del derecho a un ambiente saludable, equilibrado y
95
adecuado para el pleno desarrollo de la vida, así como el cumplimiento del deber
de contribuir a una efectiva gestión ambiental y de proteger el ambiente, así
como sus componentes, con el objetivo de mejorar la calidad de vida de la
población y lograr el desarrollo sostenible del país.
5.1.3. Ley Marco para el Crecimiento de la Inversión Privada (Decreto
Legislativo Nº 757 Art. Nº 50).
La Ley Marco para el Crecimiento de la Inversión Privada establece que las
autoridades sectoriales competentes para conocer sobre los asuntos
relacionados con la aplicación de las disposiciones de la Ley General del
Ambiente son los Ministerios o los Órganos de Fiscalización, según sea el caso,
de los sectores correspondientes a las actividades que desarrolla la empresa. En
caso que la empresa desarrolle dos o más actividades de competencia de
distintos sectores, será competente aquella que corresponda a la actividad que
genera mayores ingresos.
Como consecuencia de la norma antes indicada, el Ministerio de Energía y
Minas, es la principal autoridad competente que regula y supervisa las
actividades relacionadas con la U.E.A. Julcani, y en consecuencia, coordinará
directamente con otras autoridades los temas específicos dentro de sus
respectivas competencias.
5.2. Guía para la elaboración de planes de cierre de mina.
El MEM, a través de su subsecretaría, la Dirección General de Asuntos
Ambientales (DGAA), entrega guías ambientales para todas las actividades del
sector de los minerales. En la Tabla se presentan las guías ambientales
seleccionadas de la DGAA de importancia para las actividades de cierre de
minas.
96
Tabla 8 - Guía Ambiental
Guía Referencia de la aprobación.
Guía de Plan de Cierre de Minas. R.D.Nº 130-2006-MEM-AAM (24.ABR.2006)
Guía para la elaboración y revisión de planes de cierre de minas.
R.D. Nº002-96-EM/DGAA (08.FEB.1996)
Protocolo de Monitoreo de Calidad de Agua. R.D. Nº004-94-EM/DGAA (02.MAR.1994)
5.3. Ley General de Minería (Nº 014-92-EM).
El Texto Único Ordenado de la Ley General de Minería, aprobado por Decreto
Supremo No. 014-92-EM (4 de junio de 1992) constituye la norma principal que
rige las actividades mineras, incluyendo la prospección, exploración, explotación
(tanto subterránea como superficial, incluyendo canteras y operaciones de
dragado), procesamiento de minerales, metalurgia extractiva, transporte de
minerales por medios continuos y comercialización de minerales, disponiéndose
esta como el marco de definición de las actividades del cierre.
De conformidad con el Artículo 1 del Decreto de Urgencia Nº 125-2000,
publicado el 30.DIC.2000, se precisa Ley Nº 27341 que modifica los Artículos 38,
39, 40, 57 y 84 del Texto Único Ordenado de la Ley General de Minería,
aprobado por Decreto Supremo Nº 014-92-EM
5.4. Ley de cierre de minas (Nº 28090-03).
La ley Nº 28090 tiene por objeto regular las obligaciones y procedimientos que
deben cumplir los titulares de la actividad minera para la elaboración,
presentación e implementación del Plan de Cierre de Minas y la constitución de
las garantías ambientales correspondientes, que aseguren el cumplimiento de
las inversiones que comprende, con sujeción a los principios de protección,
preservación y recuperación del medio ambiente y con la finalidad de mitigar sus
impactos negativos a la salud de la población, el ecosistema circundante y la
propiedad. Asimismo, este cuerpo legal define el ámbito de acción y tareas para
su reglamento.
97
5.4.1. Ley que Regula el Cierre de Minas (Nº 28507-05).
Este cuerpo legal modifica la Ley Nº 28090-03 de Cierre de Minas, en sus
disposiciones complementarias relacionadas con los plazos de presentación del
plan de cierre de minas, así como la presentación del reglamento de cierre de
minas.
5.4.2. Reglamento Para el Cierre de Minas.
El Objetivo del DS 033-05, Reglamento Para el Cierre de Minas, así como de la
Ley Nº 28090 que le origina, es la prevención, minimización y el control de los
riesgos y efectos sobre la salud, la seguridad de las personas, el ambiente, el
ecosistema circundante y la propiedad, que pudieran derivarse del cese de las
operaciones de una unidad minera.
Su ámbito de aplicación se encuentra definido por las actividades señaladas en
el artículo 2º de la Ley Nº 28090 así como en el numeral VI del Título Preliminar
del Texto Único Ordenado de la Ley General de Minería, aprobado por Decreto
Supremo Nº 014-92-EM:
“Son actividades de la industria minera, las siguientes: cateo, prospección,
exploración, explotación, labor general, beneficio, comercialización y
transporte minero.”
El 24 de abril de 2006, por Resolución Directoral Nº 130-2006 del MEM se
aprueba la Guía de Plan de Cierre de Minas, de conformidad con la segunda
disposición complementaria del DS Nº 033-05, Reglamento para el Cierre de
Minas.
98
5.4.3. Estándares de protección ambiental aplicables a las actividades minero
metalúrgicos.
De conformidad con la legislación peruana y las prácticas internacionalmente
aceptadas, las compañías mineras son responsables del control de las
emisiones al aire, las descargas de efluentes, el desecho de productos
secundarios resultantes de sus operaciones y el control de las sustancias que
pueden resultar peligrosas debido a las concentraciones excesivas o a su
exposición prolongada. Tanto las normas emitidas por el Ministerio de Energía y
Minas como las emitidas por el Ministerio de Salud tratan estos tópicos.
De acuerdo con las normas antes mencionadas los titulares de actividades
mineras están obligados a mantener sistemas de prevención y control ambiental.
Tales sistemas incluyen la inspección regular de las actividades de operación y
de infraestructura, el muestreo regular y la evaluación de efluentes, emisiones y
niveles de ruido y un reporte regular de los resultados del muestreo al Ministerio
de Energía y Minas.
5.4.3.1. Emisiones de gases y partículas.
Con el fin de controlar las emisiones producto de las actividades mineras y de
contribuir efectivamente a la protección ambiental, se obliga a las unidades
mineras a cumplir con los niveles máximos permisibles (NMP) de emisión
establecidos por el Ministerio de Energía y Minas. Estos NMP han sido
aprobados para el Anhídrido Sulfuroso, Partículas, Plomo y Arsénico presente en
emisiones gaseosas provenientes de Unidades Minero Metalúrgicas, por
Resolución Ministerial N° 315-96-EM/VMM, el 19 de julio de 1996.
Según dicha resolución, el NMP de emisión de partículas al cual se sujetarán las
unidades minero-metalúrgicas será de 100 mg/m3, medido en cualquier
momento en el punto o puntos de control.
5.4.3.2. Estándares de calidad ambiental del aire.
El 24.JUN.2001, se publicó el Decreto Supremo N° 074-2001-PCM, Reglamento
de Estándares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire. Esta norma establece
los estándares de calidad ambiental de aire para proteger la salud de las
99
personas. En esta norma, el estándar para material particulado menor a 10
micras (PM10) es de 50 µg/m3 como media aritmética anual y de 150 µg/m3
valor que no debe ser excedido más de 3 veces al año.
Que, tomando en consideración las nuevas evidencias halladas por la
Organización Mundial de la Salud, resultó necesario aprobar nuevos
Estándares de Calidad Ambiental de Aire para el Dióxido de Azufre, el mismo
que entró en vigencia a partir del primero de enero del 2009, así como se
estableció Estándares Ambientales de Calidad de Aire para Benceno,
Hidrocarburos Totales, Material Particulado con diámetro menor a 2.5 micras e
Hidrógeno Sulfurado.
Por lo que de conformidad con lo establecido en Ley Nº 28611 – Ley General del
Ambiente y Decreto Legislativo Nº 1013 que aprobó la Ley de Creación,
Organización y Funciones del Ministerio del Ambiente; se decretó mediante
Decreto Supremo Nº 003-2008-MINAM aprobar los Estándares de Calidad
Ambiental para Aire
5.4.3.3. Vertimiento de efluentes líquidos. Mediante Resolución Ministerial Nº 011-96-EMVMM, se aprobaron los niveles
máximos permisibles para efluentes líquidos mineros – metalúrgicos.
Sin embargo con el conocimiento de las condiciones de biodisponibilidad y
biotoxicidad de los elementos que contiene los efluentes líquidos descargados al
ambiente por acción antrópica y la forma en la que éstos pueden afectar los
ecosistemas y la salud humana, concluyeron que es necesario que los LMP se
actualicen para las Actividades Minero – Metalúrgicas, a efecto que cumplan con
los objetivos de protección ambiental.
Por lo que mediante Decreto Supremo Nº 010-2010-MINAM se aprobaron los
Límites Máximo Permisibles –LMP para la descarga de efluentes líquidos de
Actividades Minero – Metalúrgicas, aplicable a todas las actividades minero –
metalúrgicas que se desarrollen dentro del territorio nacional.
100
5.4.3.3.1. Calidad del agua.
De conformidad con lo dispuesto en la Ley Nº 28611- Ley General del Ambiente,
Ley Nº 29338 – Ley de Recursos Hídricos, el Decreto Legislativo Nº 1013 y el
Decreto Supremo Nº 002-2008-MINAM, se aprueba mediante Decreto Supremo
Nº 023-2009-MINAM las disposiciones para la Implementación de los Estándares
Nacionales de Calidad Ambiental (ECA) para Agua.
Para la implementación del Decreto Supremo Nº 002-2008-MINAM y del Decreto
Supremo Nº 023-2009-MINAM, se deberá tener en consideración las siguientes
precisiones de las Categorías de los ECA para Agua
- Categoría 1: Poblacional y Recreacional;
- Categoría 2: Actividades Marino Costeras;
- Categoría 3: Riego de Vegetales y bebida de animales;
- Categoría 4: Conservación del ambiente acuático;
5.4.3.3.2. Ley General de Residuos Sólidos
La Ley General de Residuos Sólidos, Ley N° 27314, y su reglamento, aprobado
por D.S. N°057-2004-PCM, establecen los derechos, obligaciones, atribuciones y
responsabilidades de la sociedad en su conjunto, para asegurar una gestión y
manejo de los residuos sólidos, sanitaria y ambientalmente adecuada, con
sujeción a los principios de minimización, prevención de riesgos ambientales y
protección de la salud y el bienestar de la persona humana. Así mismo, se
establece que el manejo de residuos sólidos realizado por toda persona natural o
jurídica deberá ser sanitaria y ambientalmente adecuado, con sujeción a los
principios de prevención de impactos negativos y protección de la salud.
Se indica que el manejo de residuos sólidos es parte integrante de la Evaluación
de Impacto Ambiental y que los EIAs serán formulados con observancia de las
disposiciones reglamentarias de la presente Ley, en particular en los siguientes
aspectos:
- Prevención y control de riesgos sanitarios y ambientales.
- Criterios adoptados y características de las operaciones o procesos de
manejo.
101
6. HIPÓTESIS
H1: La acidez protónica del agua ácida es corregida mediante drenes abiertos
de caliza (OLD).
H2: El potencial de hidrógeno (pH) de la muestra de agua ácida, tomada de la
Unidad Minera Julcani (Herminia), puede aumentar debido a un diseño
químico e hidráulico de un canal de caliza abierto (OLD).
102
7. VARIABLES
7.1. Determinación de Variables
Variable dependiente:
Nivel de riesgo de la contaminación del agua, flora y fauna, en la zona
donde existe drenaje de aguas ácidas.
Variable independiente:
Presencia de la caliza
7.2. Operacionalización de las Variables
Variable Tipo de Variable
Escala de Medición Indicador Fuente de
Verificación
Codificación (acidez
protónica)
Caliza Cuantitativa Razón Kg Zonas aledañas
a la Unidad Minera Julcani
Ácida : pH<7 Neutra : pH=7 Ácida : pH>7
103
8. METODOLOGÍA Y MATERIALES
8.1. Toma de muestras y obtención de la Caliza
Las actividades de toma de muestras de agua ácidas se llevaron a cabo en el
Sector Herminia, de la Unidad Productiva Julcani, el 11.JUL.2012 por los tesistas
Renato Carlo Villanueva Alvarez y Fernando Rodrigo Sánchez Pinto, lugar donde
se elaboraron evaluaciones preliminares de medición del potencial de hidrógeno
a las muestras recogidas mediante cinta indicadora de pH (MERCK)
Durante el recojo de muestras se evaluó visualmente las pozas superficiales de
agua, la escorrentía que brotaba de las Bocaminas taponeadas de la zona, las
pilas de desmonte acumulado, así como las aguas de lluvia recolectadas en los
canales de coronación.
Además de ello, durante el día 12.JUL.2012, los tesistas obtuvieron muestras
especiales de caliza en la cantera Villa Progreso Lircay, ubicada en la zona de
Lircay, en razón a que dicha cantera se encuentra en una zona próxima al Sector
Herminia de la Unidad Productiva Julcani.
Estas muestras, tienen las siguientes características, dadas a conocer por el
personal de la misma cantera:
Dimensiones: Valor unidad
Ley (% CaCo3) 69.42 %
Densidad 2,700 Kg./m3
Precio 0.29 S/. / Kg.
8.2. Métodos Analíticos
El procedimiento para efectuar el análisis y evaluaciones preliminares de las
muestras se ha tomado en cuenta los MÉTODOS NORMALIZADOS PARA EL
ANÁLISIS DE AGUAS POTABLES Y RESIDUALES APHA – AWWA-WPCF 19
EDICIÓN.
104
8.3. Determinación del pH inicial
Las muestras fueron tomadas en recipientes de plástico, utilizando para su
evaluación cualitativa preliminar, una cinta indicadora de pH, mostrando un color
aproximado que indicaba un pH = 3.0, lo cual fue confirmado en el laboratorio de
la Facultad de Ingeniería Ambiental mediante el Informe de Análisis Nº 199-
2012-LIA-FIA, el mismo que indicaba un pH = 2.74. Igualmente, la determinación
del pH fue realizado mediante un equipo electrónico, que consta de un electrodo
de vidrio con lectura digital de pH, que tiene un rango de 0 a 14 unidades de pH
y una precisión de 0.001 unidades de pH.
Fotografía 5 - Vista donde se aprecia el momento de la toma de muestra por parte de los tesistas en el Sector Herminia de la Unidad Productiva Julcani
105
8.4. Manipulación, almacenamiento, transporte de muestras.
Las muestras fueron tomadas en diferentes recipientes de plástico, luego de su
evaluación preliminar cualitativa con una cinta indicadora de pH, fue cerrada
herméticamente y llevada al laboratorio de la Facultad de Ingeniería Ambiental
de la Universidad Nacional de Ingeniería.
Fotografía 6 - Vista donde se aprecia el momento de la toma de muestra por parte del tesista en el Sector Herminia de la Unidad Productiva Julcani
Fotografía 7 - Muestras en el Laboratorio de la FIA -UNI
106
8.5. Dimensionamiento del Canal de Caliza
Para determinar las dimensiones del canal, se ha tenido en cuenta la cantidad
disponible de roca caliza traída de la cantera Villa el Progreso Lircay, y las
limitaciones del equipo de corte para su fraccionamiento, considerando además
que se quiere construir un canal de fondo y paredes de caliza.
8.6. Análisis Cualitativo del Agua Ácida
En este punto nuestro objetivo es determinar si las aguas ácidas traídas de la
zona de Herminia, reaccionan con las paredes de la roca caliza; para lo cual
haremos pasar un flujo constante por dicho canal, midiendo el pH inicial y final
con el fin de comprobar si ocurre la reacción de neutralización. De producirse la
reacción, estableceremos a qué pendiente se logra un pH final cercano al neutro,
esto es, a 7.0.
Para la determinación del pH se utilizará papel indicador de pH, el cual tiene un
rango de 0 a 14, con precisión de 1 unidad de pH.
Fotografía 8 - Vista donde se aprecia a los tesistas con las muestras de caliza traídas de la cantera Villa Progreso en Lircay - Huancavelica
107
8.7. Determinación del Caudal Óptimo (Q)
El caudal óptimo será determinado cuantitativamente, haciendo circular
diferentes caudales constantes, de agua ácida, por el canal de caliza;
registrando aquel valor que permita un pH final lo más cercano a 7.0.
Para la determinación del pH se utilizará un equipo electrónico medidor de pH, el
cual tiene un rango de 0 a 14, con precisión de 0.001 unidades de pH.
Asimismo, a efectos de obtener un caudal constante, se utilizará el principio de
Torricelli, y una disposición hidráulica de tubos para lograr este objetivo.
8.8. Determinación de la Tasa de Tratamiento (Ta)
Llegado a este punto, habiendo superado satisfactoriamente los ensayos
anteriores, conoceríamos las dimensiones del canal de caliza, la pendiente (S), y
el caudal óptimo de neutralización, resultando que podemos hallar el tiempo de
contacto (Tc), el volumen de agua tratada (Vt), el área de contacto (Ac), y
finalmente; la tasa de tratamiento (Ta), el cual se define como la gradiente o
velocidad con la cual se produce la neutralización.
8.9. Aplicación de la Tasa de Tratamiento.
Finalmente, conocida la tasa de tratamiento, o la velocidad con la cual, nuestro
diseño particular, permite la neutralización de las aguas ácidas de mina del
sector Herminia; se podrá extender este resultado al tratamiento de un caudal
promedio constante ácido, preferentemente proveniente de la zona de Herminia,
mediante un canal de caliza que sea construido con la roca obtenida en la
cantera de Villa Progreso en Lircay; con lo cual se obtendrían similares
condiciones a la encontradas en el laboratorio.
108
9. PROCEDIMIENTO
9.1. Dimensiones del canal de caliza
Teniendo en cuenta la cantidad de roca caliza traída de la cantera Villa el
Progreso en Lircay – Huancavelica, y a las limitaciones del equipo de corte,
conformado por un disco de diamantina se construyó un canal con las siguientes
dimensiones:
Dimensiones: Valor unidad
Largo (L) 0.330 m.
Ancho (a) 0.040 m.
Alto (h) 0.040 m.
Espesor de pared (e) 0.007 m.
Espesor de piso (e) 0.007 m.
Masa de caliza(m) 0.680 Kg.
h= 0.04 m.
e= 0.007 m.
h= 0.04 m.
S=desconocida
L= 0.33 m.
e= 0.007 m.
a= 0.05 m.
a= 0.04 m.
L= 0.33 m.
109
Fotografía 10 - Vista donde se aprecia las placas de caliza cortadas, listas para iniciar el proceso constructivo del canal.
Fotografía 9 - Vista donde se aprecia a los tesistas mostrando la caliza adquirida en la cantera Villa Progreso Lircay – Huancavelica.
110
Fotografía 11 - Vista donde se aprecia el inicio del proceso constructivo del canal.
Fotografía 12 - Vista donde se aprecia el procedimiento constructivo del canal de caliza ejecutado por los tesistas
111
9.2. Análisis Cualitativo del Agua Ácida
9.2.1. Determinación cualitativa para neutralizar la muestra del agua ácida por
acción de la reacción del ácido con el carbonato de calcio contenido en la
roca caliza.
a) Inicialmente se midió el pH con una cinta indicadora de pH (MERCK), el
cual nos indicó un pH=3.
b) Posteriormente, se lijó y limpió la superficie del canal y se le hizo fluir
agua destilada por 5 min., a efectos de evitar que existan restos del
proceso constructivo del canal que pudieran interferir con los resultados.
112
c) Finalmente, hacemos fluir el agua ácida por el canal y la recolectamos al
final a efectos de medir el pH final. Este procedimiento se realizó por
quintuplicado comprobando que el pH de la muestra de agua ácida
recolectada tenía un valor aproximado de 8.0; lo que demuestra
experimentalmente que sí se produce la reacción de neutralización entre
el carbonato de calcio contenido en la caliza y el agua ácida.
9.3. Determinación cuantitativa para neutralizar la muestra del agua ácida por
medio de la caliza.
9.3.1. Determinación de la Pendiente (S) 9.3.1.1. Datos Iniciales del Canal de Caliza
Parámetro Valor unidad Criterio
Largo (L) 0.330 m. Diseño del canal
Ancho (a) 0.040 m. Diseño del canal
Alto (h) 0.040 m. Diseño del canal
Espesor de pared (e) 0.007 m. Diseño del canal
Espesor de piso (e) 0.007 m. Diseño del canal
Masa de Caliza (m) 0.680 Kg. Diseño del canal
Ley 69.42 % De la cantera
Densidad 2,700 Kg./m3 De la cantera
Precio 0.29 S/. / Kg. De la cantera
113
9.3.1.2. Fórmula de Manning a utilizar durante el Diseño Hidráulico Donde:
V: Velocidad del fluido en el canal (m/s)
n: Coeficiente de Rugosidad de Manning (sin unidad)
R: Radio Hidráulico (m)
S: Pendiente del canal (m/m)
A: Área transversal (m2)
PM: Perímetro mojado (m)
El Coeficiente de Rugosidad de Manning (n) denota la rugosidad del material lo
cual influirá en el flujo sobre todo en la perdida de energía, por eso es de vital
importancia en los cálculos hidráulicos
Los valores de “n” para ser usados en las fórmulas de Manning y Kutter: Se
recomiendan en la siguiente tabla:
Tabla 9- Valores de "n" para ser usado en la fórmula de Manning, tomado de HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS, Ven Te Chow, Pág. 108
114
9.3.1.3. Ensayo Experimental Nº 01 para determinar la pendiente (S)
En este ensayo se dispondrá el canal de caliza a una pendiente de 40% y se
hará pasar por él agua ácida de mina, determinando el pH inicial y final, a
efectos de verificar si esta pendiente concede el tiempo de contacto necesario
para que reaccione el agua ácida con las moléculas de CaCO3 presentes en la
caliza.
.
Parámetro Valor unidad Criterio
Pendiente tentativa (S) 0.4 m/m Redondeo
Coeficiente de Manning (n) 0.017 - Piedra en mortero
Tirante (y) 0.0015 m Medido en Lab.
Área Transversal (A) 0.0001 m2 A=a.y
Perímetro mojado (PM) 0.0430 m PM=2y + a
Radio Hidráulico (R) 0.0014 m R=A/PM
Velocidad (v) 0.46 m/s V=( R 2/3. S1/2 ) / n
Análisis Experimental Nº 01: Podemos concluir que, la pendiente S=40% no es
adecuada para la neutralización, en virtud a que el pH inicial y final son los
mismos, debido a que no permite un suficiente contacto del agua ácida con las
paredes y fondo del canal.
pH=3.00
S= 40.0%pH=3.00
Q=cte.
115
9.3.1.4. Ensayo Experimental Nº 02 para determinar la pendiente (S)
En este ensayo se dispondrá el canal de caliza a una pendiente de 30% y se
hará pasar por él agua ácida de mina, determinando el pH inicial y final, a
efectos de verificar si esta pendiente concede el tiempo de contacto necesario
para que reaccione el agua ácida con las moléculas de CaCO3 presentes en la
caliza.
Parámetro Valor unidad Criterio
Pendiente ajustada (S´) 0.3 m/m Redondeo
Coeficiente de Manning (n) 0.017 - Piedra en mortero
Tirante (y) 0.0015 m Medido en Lab.
Área Transversal (A) 0.0001 m2 A=a.y
Perímetro mojado (PM) 0.0430 m PM=2y + a
Radio Hidráulico (R) 0.0014 m R=A/PM
Velocidad (v) 0.40 m/s V=(R 2/3. S1/2 ) / n
Análisis Experimental Nº 02: Podemos concluir que, la pendiente S=30% no es
adecuada para la neutralización, en virtud a que el pH inicial y final son los
mismos, debido a que no permite un suficiente contacto del agua ácida con las
paredes y fondo del canal.
pH=3.00
S= 30.0% pH=3.00
116
9.3.1.5. Ensayo Experimental Nº 03 para determinar la pendiente (S) En este ensayo se dispondrá el canal de caliza a una pendiente de 20% y se
hará pasar por él agua ácida de mina, determinando el pH inicial y final, a
efectos de verificar si esta pendiente concede el tiempo de contacto necesario
para que reaccione el agua ácida con las moléculas de CaCO3 presentes en la
caliza.
Parámetro Valor unidad Criterio
Pendiente tentativa (S) 0.2 m/m Redondeo
Coeficiente de Manning (n) 0.0170 - Piedra en mortero
Tirante (y) 0.0015 m Medido en Lab.
Área Transversal (A) 0.0001 m2 A=a.y
Perímetro mojado (PM) 0.0430 m PM=2y + a
Radio Hidráulico (R) 0.0014 m R=A/PM
Velocidad (v) 0.33 m/s V=( R 2/3. S1/2 ) / n
Análisis Experimental Nº 03: Podemos concluir que, la pendiente S=20% resulta
favorable para la neutralización, en virtud al aumento del pH respecto al inicial,
con lo cual concluimos que esta pendiente permite un mejor contacto del agua
ácida con las paredes y fondo del canal.
pH=3.00
S= 20.0% pH=4.00
117
9.3.1.6. Ensayo Experimental Nº 04 para determinar la pendiente (S) En este ensayo se dispondrá el canal de caliza a una pendiente de 10% y se
hará pasar por él agua ácida de mina, determinando el pH inicial y final, a
efectos de verificar si esta pendiente concede el tiempo de contacto necesario
para que reaccione el agua ácida con las moléculas de CaCO3 presentes en la
caliza.
Parámetro Valor unidad Criterio
Pendiente ajustada (S´) 0.1 m/m Redondeo
Coeficiente de Manning (n) 0.017 - Piedra en mortero
Tirante (y) 0.0015 m Medido en Lab.
Área Transversal (A) 0.0001 m2 A=a.y
Perímetro mojado (PM) 0.0430 m PM=2y + a
Radio Hidráulico (R) 0.0014 m R=A/PM
Velocidad (v) 0.23 m/s V=(R 2/3. S1/2 ) / n
pH=3.00
S= 10.0% pH=8.0
Análisis Experimental Nº 04: La pendiente S=10% resulta adecuada para la
neutralización, debido a que el tiempo de contacto fue suficiente para promover
la reacción del agua ácida con las moléculas de CaCO3 presentes en la caliza,
siendo que el pH final se elevó a un valor de 8.0, medido con papel de Tornasol.
118
Por lo tanto, experimentalmente se concluye que; teniendo en cuenta las
condiciones de diseño preliminares del canal de caliza, el cual tiene un contenido
de CaCO3 al 69.42%, la pendiente debe mantener un valor del 10% para
fomentar la reacción de neutralización.
9.3.2. Determinación del Caudal Óptimo (Q)
El caudal óptimo es el valor por el cual, al paso del flujo del agua ácida por el
canal de caliza, dispuesto con S=10%, ocurre una reacción de neutralización y el
pH final es el más cercano a 7.0.
Para determinar este caudal óptimo (Q), es necesario realizar una serie de
ensayos con diferentes caudales, los cuales deben ser constantes; y a efectos
de lograr esta última condición, se ha recurrido al Teorema de Torricelli.
9.3.2.1. Teorema de Torricelli
El teorema de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el
flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio,
bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular
el caudal de salida de un líquido por un orificio. "La velocidad de un líquido en
una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera,
cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de
gravedad del orificio".
Donde:
V: Velocidad de salida del flujo (m/s).
g: Aceleración de la gravedad (m/s2).
h: Altura del nivel de fluido (m).
h
𝑉 = 2𝑔ℎ
119
Sin embargo, las condiciones expuestas resultan aplicables a una condición
ideal, donde el fluido no presenta viscosidad y el orificio de salida del flujo tiene
un perfil de tal forma que se adapta a los bordes de las líneas de corriente.
En ese sentido, a efectos de determinar el valor real de la velocidad de salida del
fluido, es necesario añadir a la fórmula de Torricelli unas constantes cuyos
valores dependen del tipo de líquido y de la forma del orificio de salida.
En ese orden de ideas, teniendo en cuenta que el líquido de nuestros ensayos
es “Agua” y que la forma del orificio de salida es de “Pico prolongado
internamente”; se establecen las siguientes constantes y sus respectivos valores:
• Cv: Constante de velocidad, su valor es de 0.95 por tratarse del agua.
• Cc: Constante de contracción, su valor es de 0.50 por tratarse de un
orificio de tipo pico prolongado internamente.
Por lo tanto, teniendo en cuenta que el área del orificio de salida tiene un valor
de “S”, quedaría la fórmula de Torricelli modificada según se muestra a
continuación:
Donde:
Q= Caudal de salida de agua (m3/s)
Cv: Constante de velocidad.
Cc: Constante de contracción.
S: Área del orificio de salida (m2)
g: Aceleración de la gravedad (m/s2).
h: Altura del nivel de agua (m).
h𝑉 = 2𝑔ℎ
𝑄 = 𝐶𝑣. 𝐶𝑐.𝑆. 2𝑔ℎ
120
9.3.2.2. Consideraciones para el Diseño
De lo expuesto en el ítem anterior tenemos que, el caudal de salida del agua
contenida en un depósito por un pequeño orificio, es función del área del orificio
(S), y de la altura del nivel del agua en el depósito (h), en razón a que los demás
valores son constantes. Sin embargo, teniendo en cuenta que siempre se
trabajará con el mismo dispositivo, resulta que el área del orificio también es
constante, y por lo tanto; el caudal es únicamente función de la altura del nivel de
agua.
En ese sentido tenemos que, mientras el agua del depósito se vaya
consumiendo, su altura va a disminuir, y por lo tanto el valor del caudal también.
Ante ello, se ha recurrido al concepto del sifón, el cual permite mantener una
altura de nivel de agua constante durante la dinámica del fluido.
El sifón está compuesto por un tubo de vidrio y una manguera de polietileno
ambos de 6.0 mm. de diámetro nominal (4.0 mm de diámetro interno), sujetos a
un flotador de tecnopor, el cual permitirá mantener el tubo de vidrio sumergido
siempre a la misma profundidad.
Fotografía 13 - Vista donde se aprecia el principio teórico del sifón
121
Para poder quitar el aire atrapado en la manguera del sifón se empleará una
jeringa hipodérmica, garantizando así una continuidad en el flujo durante la toma
de muestra.
En ese sentido, bastaría sólo con medir la longitud desde la base del tecnopor
hasta el centro del pico del tubo de vidrio; para conocer el valor de “h” constante.
Fotografía 14 - Vista donse se aprecia al tesista durante la determinación de la altura “h” correspondiente a la carga de agua
122
9.3.2.3. Ensayo Experimental Nº 01 para determinar el caudal óptimo (Q) Para este primer ensayo se ajustará la altura “h” a 10 y 20 cm., obteniendo (02)
valores de caudales constantes:
Resumen:
Altura de Agua (cm.) Caudal (l/s)
10.0 0.0084
20.0 0.0118
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 20.00 cm. Diseño
0.200 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.981 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000012 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0118 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 10.00 cm. Diseño
0.100 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.401 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000008 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0084 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
123
Teniendo los valores de los caudales constantes, se procedió a hacerlos fluir por
el canal de caliza, tomando lecturas del pH inicial y final, según se muestra a
continuación:
Gráfico 1 01.AGO.2012 09:30 a.m.pH inicial: 2.74
Altura (cm) 10.0 20.0Caudal (l/seg.) 0.0084 0.0118
pH 6.847 3.598
6.847
3.598
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
0.008 0.009 0.009 0.010 0.010 0.011 0.011 0.012 0.012
pH
Caudal (l/s)
pH Vs Caudal
Fotografía 15 - Vista donde se aprecia los ensayos piloto con el sifón.
124
Análisis Experimental Nº 01: En este ensayo nuestro propósito inmediato fue
hallar el caudal que nos otorgue un resultado de pH final cercano al valor 7.0.
Notamos que con alturas de 10 y 20 cm., el pH final de la muestra subió
considerablemente. En los próximos ensayos interpolaremos las alturas. 9.3.2.4. Ensayo Experimental Nº 02 para determinar el caudal óptimo (Q) Para este segundo ensayo se ajustará la altura “h” a 5, 10, 15 y 20 cm.,
obteniendo (04) valores de caudales constantes:
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 5.00 cm. Diseño
0.050 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 0.990 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000006 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0059 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 10.00 cm. Diseño
0.100 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.401 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000008 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0084 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
125
Resumen:
Altura de Agua (cm.) Caudal (l/s)
5.0 0.0059
10.0 0.0084
15.0 0.0102
20.0 0.0118
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 15.00 cm. Diseño
0.150 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.716 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000010 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0102 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 20.00 cm. Diseño
0.200 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.981 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000012 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0118 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
126
Teniendo los valores de los caudales constantes, se procedió a hacerlos fluir por
el canal de caliza, tomando lecturas del pH inicial y final, según se muestra a
continuación:
Gráfico 2 02.AGO.2012 11:00 a.m.pH inicial: 2.74
Altura (cm) 5.0 10.0 15.0 20.0Caudal (l/seg.) 0.0059 0.0084 0.0102 0.0118
pH 8.457 7.125 7.018 4.050
8.457
7.125
7.018
4.050
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010 0.011 0.012 0.013
pH
Caudal (l/s)
pH Vs Caudal
Análisis Experimental Nº 02: Continuando con nuestro propósito de hallar el
caudal óptimo de diseño mediante iteraciones con la altura. Notamos que con
alturas entre [5-15] cm el pH se hace neutro y alcalino, dichas alturas nos
proporcionaron caudales entre 0.005 y 0.011 l/s respectivamente, los próximos
ensayos interpolaremos más alturas.
9.3.2.5. Ensayo Experimental Nº 03 para determinar el caudal óptimo (Q) Para este tercer ensayo se ajustará la altura “h” a 10, 12, 14 y 16 cm.,
obteniendo (04) valores de caudales constantes:
127
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 10.00 cm. Diseño
0.100 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.401 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000008 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0084 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 12.00 cm. Diseño
0.120 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.534 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000009 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0092 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Q= 0.0084 Lt/seg.
h= 10.00 cm.
DN= 6 mm.
128
Resumen:
Altura de Agua (cm.) Caudal (l/s)
10.0 0.0084
12.0 0.0092
14.0 0.0099
16.0 0.0106
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 14.00 cm. Diseño
0.140 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.657 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000010 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0099 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 16.00 cm. Diseño
0.160 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.772 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000011 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0106 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
129
Gráfico 3 03.AGO.2012 09:30 a.m.pH inicial: 2.74
Altura (cm) 10.0 12.0 14.0 16.0Caudal (l/seg.) 0.0084 0.0092 0.0099 0.0106
pH 7.165 6.991 7.466 6.170
7.1656.991
7.466
6.170
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
0.008 0.009 0.009 0.010 0.010 0.011 0.011
pH
Caudal (l/s)
pH Vs Caudal
Análisis Experimental Nº 03: Continuando con nuestro propósito de hallar el
caudal óptimo de diseño mediante iteraciones con la altura, notamos que con
alturas entre [10-14] cm el pH de la muestra se muestra cercano al neutro,
dichas alturas nos proporcionaron caudales entre 0.0084 y 0.010 l/s
respectivamente, estamos próximos a averiguar la altura y caudal óptimo de
diseño.
9.3.2.6. Ensayo Experimental Nº 04 para determinar el caudal óptimo (Q) Para este cuarto ensayo se ajustará la altura “h” a 10, 11, 12, 13, 14 y 15 cm.,
obteniendo (06) valores de caudales constantes:
130
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 10.00 cm. Diseño
0.100 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.401 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000008 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0084 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 11.00 cm. Diseño
0.110 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.469 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000009 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0088 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Q= 0.0088 Lt/seg.
h= 11.00 cm.
DN= 6 mm.
131
Q= 0.0092 Lt/seg.
h= 12.00 cm.
DN= 6 mm.
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 12.00 cm. Diseño
0.120 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.534 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000009 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0092 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 13.00 cm. Diseño
0.130 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.597 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000010 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0095 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
132
Q= 0.0095 Lt/seg.
h= 13.00 cm.
DN= 6 mm.
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 14.00 cm. Diseño
0.140 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.657 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000010 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0099 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
Descripción Valor Unidad CriterioAltura de Agua (h) 15.00 cm. Diseño
0.150 m. Cambio unidadGravedad (g) 9.810 m/s2 NewtonVelocidad (v) 1.716 m/s
Diámetro Nominal (DN) 6 mm. ProveedorEspesor del Tubo (e) 1 mm ProveedorDiámetro interno (d) 0.004 m. d=DN-2eÁrea (S) 0.000013 m2 S= π x d2/4Coeficiente de Velocidad (Cv) 0.95 - Por ser aguaCoeficiente de Contracción (Cc) 0.50 - Pico prolongadoCaudal (Q) 0.000010 m3/s Q=Cv.Cc.S.V
0.0102 L/s Cambio unidad
𝑉 = 2𝑔ℎ
133
Resumen: Altura de
Agua (cm.) Caudal (l/s)
10.0 0.0084 11.0 0.0088 12.0 0.0092 13.0 0.0095 14.0 0.0099 15.0 0.0102
Para este cuarto ensayo, teniendo en cuenta que estamos próximos a encontrar
el caudal óptimo, se tomará (03) lecturas de pH para cada caudal, y se graficará
el promedio de dichos valores, el cual resultará definitivo para encontrar el
caudal que produzca la elevación del pH hasta el más cercano al valor neutro.
7.255
7.133
6.866
7.050
7.490
6.901
6.8
6.9
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
0.0080 0.0085 0.0090 0.0095 0.0100 0.0105
pH
Caudal (l/s)
pH Vs Caudal
Gráfico 4 06.AGO.2012 11:00 a.m.pH inicial: 2.74
Altura (cm) 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0Caudal (l/seg.) 0.0084 0.0088 0.0092 0.0095 0.0099 0.0102
pH1 7.223 7.169 6.967 7.003 7.539 6.957pH2 7.178 7.264 6.969 7.046 7.432 6.634pH3 7.365 6.966 6.662 7.101 7.500 7.111
Promedio pH 7.255 7.133 6.866 7.050 7.490 6.901
134
Análisis Experimental Nº 04: Continuando con nuestro propósito de hallar el
caudal óptimo de diseño, notamos que con una altura de [13] cm el pH de la
muestra se muestra neutro, dicha altura nos proporciona un caudal de 0.0095 l/s,
por consiguiente, éste representa nuestro caudal óptimo, ajustado a las
dimensiones de nuestro canal, las características químicas de la caliza trabajada
y la muestra de agua ácida provenientes del sector Herminia de la Unidad
Minera Julcani.
9.3.3. Determinación de la Tasa de Tratamiento (Ta)
Teniendo en cuenta que conocemos las dimensiones del canal piloto, la
pendiente (S), el porcentaje de CaCO3 en la caliza, la densidad, el caudal óptimo
de neutralización, podemos hallar el tiempo de contacto (Tc), el volumen de agua
tratada (Vt), el área de contacto (Ac), y finalmente la tasa de tratamiento (Ta), el
cual se define como la gradiente o velocidad con la cual se produce la
neutralización.
9.3.3.1. Datos Generales
Parámetro: Valor unidad Criterio
Largo (L) 0.330 m Diseño del canal
Ancho (a) 0.040 m Diseño del canal
Alto (h) 0.040 m Diseño del canal
Espesor de pared (e) 0.007 m Diseño del canal
Espesor de piso (e) 0.007 m Diseño del canal
Masa de caliza (m) 0.680 Kg Calculado
Pendiente (S) 0.100 m./m. Calculado
Ley 69.42 % De la cantera
Densidad (ρ) 2,700 Kg./m3 De la cantera
Precio 0.29 S/. / Kg. De la cantera
Caudal de diseño (Q) 0.0095 l/s Calculado
135
9.3.3.2. Cálculo del Tirante (y) Inicialmente debemos verificar que las condiciones que establece la fórmula de
Manning se cumplan para todos los valores ya obtenidos, y para dicho efecto,
ajustaremos el valor del Tirante, por aproximaciones sucesivas, hasta que se
cumpla con la siguiente ecuación:
Donde:
Q: Caudal (m3/s)
n: Coeficiente de Rugosidad de Manning (sin unidad)
R: Radio Hidráulico (m)
S: Pendiente del canal (m/m)
A: Área transversal (m2)
PM: Perímetro mojado (m)
Reemplazando:
Parámetro: Valor unidad Criterio Coeficiente de Manning (n) 0.017 - Piedra en mortero Tirante(y) 0.00119 m. Aprox. Sucesivas
Área Transversal (A) 0.00005 m2 A=a.y Perímetro mojado (PM) 0.04237 m PM=2y + a
Radio Hidráulico (R) 0.00112 m R=A/PM Caudal de diseño (Q) 0.0000095 m3/s Cambio de unidad
Caudal por Manning (Q´) 0.0000095 m3/s Q=(AR2/3S1/2)/n Del cuadro anterior se puede extraer que, las condiciones establecidas en la
fórmula de Manning se cumplen cuando el Tirante del caudal óptimo tiene un
valor de 0.0012 m., o 1.2 mm.
136
9.3.3.3. Cálculo de la Tasa de Tratamiento (Ta) Teniendo en cuenta que conocemos todas las dimensiones físicas del canal de
caliza piloto, así como su pendiente, tirante y caudal óptimo; procederemos a
calcular la velocidad, tiempo de contacto, el volumen de agua que se trata en
dicho periodo, el área de contacto y finalmente la Tasa de tratamiento;
Parámetro: Valor unidad Criterio
Velocidad (v) 0.20 m/s V=Q/A
Tiempo de contacto (Tc) 1.65 s Tc=L/v
Volumen de agua tratada (Vt) 0.016 l Vt=Q x Tc
Área de contacto (Ac) 0.014 m2 Ac=PM x L
Tasa de tratamiento (Ta) 0.68 l/m2/s Ta=Vt / Ac / Tc Del cuadro anterior podemos concluir que, cuando discurre el caudal óptimo por
el canal de caliza piloto, éste lo hace a una velocidad de 0.20 m/s, con un tiempo
de contacto de 1.65 segundos, en dicho periodo se trata un volumen de 0.016
litros cuando entra en contacto con 0.014 m2 de piedra caliza, resultando que; el
canal de caliza piloto tiene capacidad para neutralizar 0.68 litros en un metro
cuadrado en un segundo.
Conocer la tasa de tratamiento es importante porque nos permite conocer la
capacidad de tratamiento que tiene el canal de caliza piloto, el cual podemos
extender para el tratamiento de un efluente ácido de mina con caudal conocido.
Téngase en cuenta que si se quiere extender los resultados obtenidos en este
estudio, de preferencia a efluentes ácidos del sector de Herminia, se deberá
utilizar la piedra caliza de la cantera Villa Progreso Lircay, solicitando la que
tenga Ley 69.42%, mantener la pendiente en S=10% y utilizando una tasa de
tratamiento o neutralización de 0.68 l/m2/s.
9.3.4. Aplicación de la Tasa de Tratamiento.
Para la aplicación de la tasa de tratamiento, se asumirá un efluente de agua
ácida de mina del sector de Herminia, con un caudal promedio de 5.5 l/s.
137
Asimismo, se diseñará un canal de caliza obtenida en la cantera Villa Progreso
Lircay, con Ley 69.42%, y se asumirá S=10% y Tasa de Tratamiento Ta=0.68
l/m2/s.
Igualmente, respecto a las dimensiones iniciales del canal, se asumirá solamente
el ancho del canal, toda vez que de requerir mayor o menor área de contacto
para lograr la neutralización del caudal en estudio, se tendrá como valor variable
a la longitud del referido canal. Cabe mencionar que el ancho del canal debe ser
asumido con el criterio del área disponible que se tenga para la construcción del
canal. Con esas condiciones se tiene el siguiente cuadro:
Parámetro: Valor unidad Criterio
Ancho (a) 1.000 m. Asumido
Alto de pared (h) 0.100 m. Asumido
Espesor de pared (e) 0.030 m. Diseño del canal
Espesor de piso (e) 0.030 m. Diseño del canal
Pendiente (S) 0.100 m./m. Calculado
Ley 69.42 % De la cantera
Densidad (ρ) 2,700 Kg./m3 De la cantera
Precio 0.29 S/. / Kg. De la cantera
Caudal de diseño (Q) 5.50 l/s Herminia
Tasa de tratamiento (Ta) 0.68 l/m2/s Ta=Vt / Ac / Tc
En este extremo se debe verificar si los valores propuestos cumplen con la
ecuación de Manning, que se muestra a continuación:
Donde:
Q: Caudal (m3/s)
n: Coeficiente de Rugosidad de Manning (sin unidad)
R: Radio Hidráulico (m)
S: Pendiente del canal (m/m)
A: Área transversal (m2)
PM: Perímetro mojado (m)
138
Reemplazando:
Parámetro: Valor unidad Criterio
Coeficiente de Manning (n) 0.017 - Piedra en mortero
Tirante (y) 0.008 m. Aprox. Sucesivas
Área Transversal (A) 0.008 m2 A=a.y
Perímetro mojado (PM) 1.015 m. PM=2y + a
Radio Hidráulico (R) 0.008 m. R=A/PM
Caudal de diseño (Q) 0.0055 m3/s Cambio de unidad
Caudal por Manning (Q´) 0.0055 m3/s Q=(AR2/3S1/2)/n
Del cuadro anterior se desprende que, las condiciones que establece la ecuación
de Manning se cumplen cuando, al pasar por el canal el caudal de 5.5 l/s., se
produce un tirante de 0.008 m., ó 8.0 mm.
Asimismo se debe precisar que, difícilmente se encontrarán condiciones iguales
de pH y contenido de CaCO3 en la caliza, a las obtenidas por los tesistas en las
tomas de muestras del presente estudio, razón por la cual resulta necesario
incorporar un coeficiente de eficiencia, que permita ajustar el valor de la Tasa de
Tratamiento (Ta), a efectos que sea de aplicación para condiciones similares. En
ese sentido, se ha escogido el valor de 0.85 para tal efecto.
Por lo expuesto, conociendo las condiciones físicas del canal proyectado, el
caudal de diseño y la tasa de tratamiento; procederemos a calcular la longitud
del referido canal;
Parámetro: Valor unidad Criterio
Velocidad (v) 0.72 m/s V=Q/A
Tiempo de contacto (Tc) 13.09 s Tc=A / (PM x 0.85Ta)
Volumen de agua tratada (Vt) 0.07 m3 Vt=QxTc
Área de contacto (Ac) 9.52 m2 Ac=PM x (Vt / A)
Longitud del canal (Lc) 9.38 m. Lc = Vt / A
139
Del cuadro anterior se desprende que, para las condiciones de pendiente
(S=10%), Tasa de Tratamiento (Ta=0.58 l/m2/s., el cual está afectado por el
coeficiente 0.85) y caudal de diseño (5.5 l/s), se tendrá que la velocidad de paso
del agua será de 0.72 m/s., en un tiempo de contacto de 13.09 segundos, en
cuyo lapso se tratará 0.07 m3 de agua ácida al estar en contacto con 9.52 m2,
condiciones que obligarán a que la longitud del canal sea de aproximadamente
9.40 m.
Debe tenerse en cuenta que, el cálculo anterior corresponde a una aplicación de
la Tasa de Tratamiento calculada con el estudio del canal de caliza piloto,
asumiendo un caudal de diseño de 5.5 l/s., y un ancho de canal de 1.00 m.;
resultando que para la neutralización del agua ácida, era necesaria una longitud
de casi 9.40 m. Sin embargo, este escenario puede variar según las condiciones
reales del caudal a tratar y la disponibilidad del terreno, dado que si hubiéramos
asumido un ancho de canal mayor a 1.00 m., hubiera resultado una longitud
menor a 9.40 m.
9.3.5. Costos del diseño propuesto
A continuación se muestran los costos al 31.MAR.2013 de la mano de obra,
materiales e insumos que se requieren para la construcción del canal de caliza:
Costo unitario por m: 924.02
Rendimiento: m/día MO. 2.50 EQ. 2.50
Descripción Recurso Unidad Cuadrilla Cantidad Precio S/. Parcial S/.Mano de ObraPeón hh 2.00 6.40 14.56 93.18Operario hh 1.00 3.20 17.92 57.34Capataz hh 0.10 0.32 19.20 6.14
156.66MaterialesCemento Portland tipo V bls. 0.91 24.50 22.30Madera Tornillo para encofrados p2 111.07 3.15 349.87Roca Caliza (Ley 68.00 %) Kg. 96.97 0.30 29.09
401.26EquiposEquipo de corte diamantina hm 1.00 3.20 110.00 352.00Herramientas manuales (% MO) %MO 3.00 4.70 14.10
366.10
CONSTRUCCIÓN DE CANAL DE CALIZA (pH=3, %CaCo3=68%, Q=5.5 l/s)
140
Del análisis de los precios unitarios presentado en el cuadro anterior, se
desprende que el costo directo por metro de canal de caliza, resulta ser la suma
de S/. 924.02 (novecientos veinticuatro con 02/100 Nuevos Soles) sin incluir IGV.
En ese sentido, teniendo en cuenta que el canal proyectado tiene una longitud
de 9.40 m., resultaría una inversión de S/. 8,685.79 (ocho mil seiscientos
ochenta y cinco con 79/100 Nuevos Soles) sin incluir IGV., el cual representa un
costo inferior si es comparado con los costos de plantas patentadas para el
tratamiento de aguas ácidas de mina.
Cabe mencionar que, dado que se trata de una tecnología poco estudiada, no se
conoce experiencias pasadas respecto a cómo será su funcionamiento a largo
plazo, razón por la que no se ha podido determinar el periodo de diseño del
canal de caliza. No obstante, se propone realizar una medición anual del pH a la
salida del canal, a efectos de determinar al cabo de cuántos años se produce
una disminución de la capacidad de neutralización de la caliza, y proceder con
su reemplazo.
En ese orden de ideas, se tiene que el costo de puesta en marcha y operación
del canal de caliza es de S/. 0.00 (cero con 00/100 Nuevos Soles), por cuanto se
trata de un tratamiento pasivo, y el costo de mantenimiento, asociado a la prueba
anual que se propone, realizado por un trabajador con el empleo de papel
tornasol; implicaría una inversión que no superará los S/. 25.00 (veinticinco con
00/100 Nuevos Soles) anuales.
141
10. RESULTADOS 10.1. Dimensiones del canal de caliza
Dimensiones: Valor unidad
Largo (L) 0.330 m.
Ancho (a) 0.040 m.
Alto (h) 0.040 m.
Espesor de pared (e) 0.007 m.
Espesor de piso (e) 0.007 m.
Masa de caliza(m) 0.680 Kg.
10.2. Análisis Cualitativo del Agua Ácida
Ensayo N° pH inicial Canal de Caliza pH final
1 3.0 8.0
2 3.0 9.0
3 3.0 7.0
4 3.0 8.0
5 3.0 8.0
10.3. Determinación cuantitativa para neutralizar la muestra del agua ácida por
medio de la caliza.
10.3.1. Determinación de la Pendiente (S) Análisis Experimental Nº 01: De este ensayo se concluyó que, la pendiente
S=40% no es adecuada para la neutralización, en virtud a que el pH inicial y final
son los mismos, debido a que no permite un suficiente contacto del agua ácida
con las paredes y fondo del canal.
Análisis Experimental Nº 02: De este ensayo se concluyó que, la pendiente
S=30% no es adecuada para la neutralización, en virtud a que el pH inicial y final
son los mismos, debido a que no permite un suficiente contacto del agua ácida
con las paredes y fondo del canal.
142
Análisis Experimental Nº 03: De este ensayo se concluyó que, la pendiente
S=20% resulta favorable para la neutralización, en virtud al aumento del pH
respecto al inicial, con lo cual concluimos que esta pendiente permite un mejor
contacto del agua ácida con las paredes y fondo del canal.
Análisis Experimental Nº 04: De este ensayo se concluyó que, la pendiente S=10% resulta adecuada para la neutralización, debido a que el tiempo de
contacto fue suficiente para promover la reacción del agua ácida con las
moléculas de CaCO3 presentes en la caliza, siendo que el pH final se elevó a un
valor de 8.0, medido con papel de Tornasol.
10.3.2. Determinación del Caudal Óptimo (Q)
Análisis Experimental Nº 01: En este ensayo se trabajó con una carga de agua
ácida (h) de entre [10-20] cm., resultando que al pasar el agua ácida por el canal
de caliza se logró un pH final de 6.8 y 3.6 respectivamente. Análisis Experimental Nº 02: En este ensayo se trabajó con alturas de 5, 10, 15
y 20 cm., resultando que al pasar el agua ácida por el canal de caliza se logró un
pH final de 8.5, 7.1, 7.0 y 4.0 respectivamente.
Análisis Experimental Nº 03: En este ensayo se trabajó con alturas de 10, 12,
14 y 16 cm., resultando que al pasar el agua ácida por el canal de caliza se logró
un pH final de 7.2, 6.9, 7.5 y 6.2 respectivamente.
Análisis Experimental Nº 04: En este ensayo se trabajó con alturas de 10, 11,
12, 13, 14 y 15 cm., resultando que al pasar el agua ácida por el canal de caliza
se logró un pH final de 7.26, 7.13, 6.87, 7.05, 7.49 y 6.90 respectivamente;
concluyendo que la altura 13 cm., que proporciona un caudal de 0.0095 l/s.,
logra un pH muy cercano al neutro.
143
10.3.3. Determinación de la Tasa de Tratamiento (Ta)
Parámetro: Valor unidad Criterio
Velocidad (v) 0.20 m/s V=Q/A
Tiempo de contacto (Tc) 1.65 s Tc=L/v
Volumen de agua tratada (Vt) 0.016 l Vt=Q x Tc
Área de contacto (Ac) 0.014 m2 Ac=PM x L
Tasa de tratamiento (Ta) 0.68 l/m2/s Ta=Vt / Ac / Tc 10.3.4. Aplicación de la Tasa de Tratamiento.
Parámetro: Valor unidad Criterio
Coeficiente de Manning (n) 0.017 - Piedra en mortero
Tirante (y) 0.008 m. Aprox. Sucesivas Área Transversal (A) 0.008 m2 A=a.y
Perímetro mojado (PM) 1.015 m. PM=2y + a Radio Hidráulico (R) 0.008 m. R=A/PM
Caudal de diseño (Q) 0.0055 m3/s Cambio de unidad Caudal por Manning (Q´) 0.0055 m3/s Q=(AR2/3S1/2)/n
Velocidad (v) 0.72 m/s V=Q/A Tiempo de contacto (Tc) 13.09 s Tc=A / (PM x 0.85Ta)
Volumen de agua tratada (Vt) 0.07 m3 Vt=QxTc Área de contacto (Ac) 9.52 m2 Ac=PM x (Vt / A)
Longitud del canal (Lc) 9.38 m. Lc = Vt / A 10.3.5. Costos del diseño propuesto
El costo del diseño propuesto, teniendo en cuenta que el canal proyectado tiene
una longitud de 9.40 m., resultaría de S/. 8,685.79 (ocho mil seiscientos ochenta
y cinco con 79/100 Nuevos Soles) sin incluir IGV., el cual representa un costo
inferior si es comparado con los costos de plantas patentadas para el tratamiento
de aguas ácidas de mina.
144
CONCLUSIONES
- La acidez protónica del agua ácida es corregida mediante drenes abiertos
de caliza (OLD), confirmando la Hipótesis Nº 01
- El potencial de hidrógeno (pH) de la muestra de agua ácida, tomada de la
Unidad Minera Julcani (Herminia), puede aumentar debido a un diseño
químico e hidráulico de un canal de caliza abierto (OLD) , confirmando la
Hipótesis Nº 02
- Se ha comprobado que, la caliza obtenida en la cantera Villa Progreso
Lircay, cuyo porcentaje de CaCO3 es de 69.42%, puede neutralizar la
acidez protónica del agua de mina del Sector Herminia de la Unidad
Productiva Julcani. Dichas comprobaciones fueron realizadas cualitativa y
cuantitativamente a través de ensayos experimentales.
- Se diseñó un canal de caliza con dimensiones ajustadas a la cantidad de
caliza disponible y a las limitaciones del equipo de corte; calculando que
una pendiente de 10% es adecuada para propiciar a la reacción de
neutralización.
- Se realizaron varios ensayos de laboratorio y se determinó que el caudal
óptimo que permita a las moléculas del CaCO3, presentes en la caliza,
reaccionar con el agua ácida, elevando el pH inicial hasta un valor
cercano al neutro (pH=7.0); es de 0.0095 l/s.
- El tiempo de contacto (Tc) del agua ácida en el canal de caliza fue 1.65 s.
- La tasa de tratamiento (Ta) calculada fue de 0.68 l/m2/s., vale decir que,
el canal de caliza piloto tiene capacidad para neutralizar 0.68 litros en un
metro cuadrado por segundo.
- Se ha supuesto la extensión de los resultados obtenidos en el laboratorio,
en el escenario de requerir tratar un caudal ácido de 5.5 l/s., proveniente
del sector de Herminia, y utilizando la piedra caliza de la cantera Villa
Progreso Lircay, así como manteniendo la pendiente en S=10%.
145
- De esta evaluación realizada, se ha encontrado que se requiere de un
canal de 1.00 m de ancho y 9.40 m., de largo, el cual supone una
inversión ascendente a S/. 8,685.79 (ocho mil seiscientos ochenta y cinco
con 79/100 Nuevos Soles) sin incluir IGV.
- El resultado de esta investigación nos da la información necesaria para
que comprobemos la función neutralizadora de la caliza y la capacidad de
tratamiento de la misma, en función de las variables que se estuvo
manejando durante el proceso de realizar los ensayos experimentales.
- Sin embargo se advierte que la tasa de tratamiento (Ta) obtenida podría
verse modificada si las condiciones de pH inicial y del contenido de
carbonato de calcio en la caliza, son diferentes a las consideradas en la
presente evaluación.
- Los tesistas con el fin de que la investigación sea lo más real posible
tomaron las muestras de caliza de la Cantera Villa Progreso Lircay en
razón a que ésta se encuentra en la carretera Lircay, muy próximo al
Sector Herminia de la Unidad Productiva Julcani, por lo tanto los costos
de habilitación y transporte son menores.
- El diseño y la construcción de sistemas de tratamiento pasivo sigue
siendo una tecnología en proceso de desarrollo, es por ello que esta
investigación evaluó el tratamiento pasivo para la neutralización de las
aguas ácidas mediante los drenes de caliza, determinando la tasa de
tratamiento de agua ácida por medio de trabajos experimentales de
campo y laboratorio, teniendo en cuenta las diferentes modificaciones
durante la etapa de diseño y monitoreo de variables como caudal de
diseño (Q), perímetro mojado (PM), radio hidráulico (R), tirante (y), caudal
por Manning (Q’), potencial de hidrógeno (pH ), tiempo de contacto (Tc),
volumen de agua tratada (Vt), pendiente (S), velocidad para finalmente
determinar la tasa de Tasa de Tratamiento de (Ta) en l/m2/s.
146
- Debido a que el área de operaciones de la unidad minera de Julcani se
encuentra ubicada en un terreno accidentado de tipo aluvial y coluvial, se
hace más propenso que durante la época de lluvias se generen mayor
cantidad de aguas ácidas.
- La implementación de un sistema de tratamiento pasivo, sería a través de
un drenaje anóxico de caliza (ALD), teniendo como base las
investigaciones realizadas en el presente trabajo, pues habría un punto
de partida que es la tasa de tratamiento del agua ácida que se genera en
dicha zona.
- El tratamiento del agua ácida por medio de la caliza tiene un bajo costo,
comparado con los costos de una planta compacta, y no tiene mayor
complicación técnica, dado que el proceso es natural. La dificultad mayor
encontrada sería la topografía de la zona y la disponibilidad del terreno.
147
11. RECOMENDACIONES.
- CON RESPECTO A LOS RESULTADOS OBTENIDOS; La tasa de
tratamiento podría mejorar si el porcentaje de CaCO3 en la caliza hubiera
sido mayor, por lo que si se encontrara un cantera con mayor pureza de
CaCO3 sería de mucha utilidad, los trabajos de esta investigación fueron
realizados con un porcentaje de pureza del 69.42 %
Debido a que las aguas ácidas de la Unidad Minera Julcani contienen
aniones en disolución predominado por el SO4, Fe, Mn, Al, Cu, Pb, Zn
pueden degradar los ecosistemas acuáticos y cambiar la calidad de las
aguas debido a su toxicidad el sistema de tratamiento recomendable es un
tratamiento mixto: es decir un tratamiento primario para bajar la acidez
(OLD ó ALD) y un tratamiento secundario a través de un un sistema de
biológico en el que tendría lugar la oxidación, hidrólisis y precipitación de
metales.
- CON RESPECTO A LAS FUTURAS INVESTIGACIONES; Esperamos que
esta investigación sea el inicio de otras en nuestra facultad sobre el
tratamiento pasivo de aguas ácidas. Hace 60 años no hubo prácticas de
gestión ambiental para reducir los pasivos ambientales, no era como en la
actualidad que se requiere de un plan de cierre conceptual como parte del
proceso de otorgamiento de licencias para una nueva mina. El pasado
espera con atención nuevos tratamientos que no sean costosos para el
Estado pero sí de mucha utilidad para la comunidad.
148
12. BIBLIOGRAFÍA
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