Aplicación de tratamientos pasivos en la remediación de efluentes de labores mineras abandonadas ubicadas a elevadas altitudes

Osvaldo Aduvire ^{1, 2*}
1.     Profesor de la Sección Minas de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP).
2.     Dr. Ing. de Minas. Consultor Principal del Área de Geoambiente. SRK Consulting Peru S.A.
eaduvire@pucp.pe
oaduvire@srk.com.pe

Resumen

En áreas de laboreo minero antiguo se encuentran emplazadas una serie de estructuras e instalaciones mineras en abandono, también conocidas como pasivos ambientales mineros (PAM), que en la actualidad constituyen fuentes de contaminación, principalmente por la movilización de carga metálica en sus drenajes ácidos producidos por la oxidación de sulfuros. Los mismos que impactan negativamente sobre el suelo, agua y flora circundante.

Los drenajes que se generan en estas instalaciones mineras abandonadas pueden generar una serie de alteraciones al medioambiente y principalmente en la calidad de las aguas superficiales y subterráneas. Esta problemática se agudiza más cuando estas instalaciones se encuentran ubicadas a cotas superiores a los 4000 metros de altitud, más aún si son zonas de recarga en la parte alta de las cuencas hidrográficas.

Para revertir esta problemática se hace imprescindible desarrollar metodologías que permitan remediar estos drenajes mediante técnicas de bajo consumo de reactivos y de energía como los sistemas de tratamiento pasivos.

En la actualidad Perú cuenta con legislación de cierre de pasivos ambientales mineros y con un inventario de más de 8000 PAM conformados por Bocaminas, Depósitos de Relaves, Depósitos de Desmonte de Mina, Restos de Instalaciones de Procesamiento y otros, que han sido generados por la antiguas explotaciones mineras cuya remediación en la actualidad está a cargo del estado.

En este trabajo se presenta una metodología para realizar una adecuada caracterización de estos drenajes, que permita elegir el sistema de tratamiento pasivo más apropiado para remediar los drenajes ácidos de dos Bocaminas del laboreo subterráneo que se encuentran abandonadas y que están ubicadas en la Sierra Central del País.

Para el dimensionado del sistema de tratamiento pasivo se tiene en cuenta principalmente el caudal y la caracterización geoquímica de los drenajes en función a la acidez protónica debido al pH y la acidez mineral debido a la carga metálica presente en el drenaje, además de los requerimientos normativos vigentes, como los Estándares de Calidad Ambiental (ECA) y los Límites Máximos Permisibles (LMP) exigibles por la legislación minero-ambiental en el caso de Perú.

Palabras Clave: Calidad del agua, tratamiento de efluentes, protección del medio ambiente, pasivos ambientales mineros.

Abstract

Drainage generated in these abandoned mining facilities can generate a series of environmental alterations, mainly in the quality of surface and groundwater. This problem is even more acute when these facilities are located at altitudes above 4000 meters, especially if they are recharge areas in the upper part of the river basins.

To reverse this problem, it is essential to develop methodologies to remediate these drains using low reagent and energy consumption techniques such as passive treatment systems.

Peru currently has legislation for the closure of mining environmental liabilities and an inventory of more than 8,000 PAM made up of tailings dams, tailings deposits, mine waste dumps, remains of processing facilities and others, which have been generated by former mining operations and whose remediation is currently the responsibility of the state.

This work presents a methodology to carry out an adequate characterization of these drainages, which allows choosing the most appropriate passive treatment system to remediate the acid drainages of two abandoned subway workings located in the Central Highlands of the country.

For the sizing of the passive treatment system, the flow and the geochemical characterization of the drainage are mainly taken into account in terms of proton acidity due to pH and mineral acidity due to the metallic load present in the drainage, in addition to the current regulatory requirements, such as the Environmental Quality Standards (EQS) and the Maximum Permissible Limits (MPL) required by the mining-environmental legislation in the case of Peru.

Key words: Water quality, effluent treatment, environmental protection, mining environmental liabilities.

En áreas de laboreo minero antiguo se encuentran emplazadas una serie de estructuras e instalaciones mineras en abandono, también conocidas como pasivos ambientales mineros (PAM), que en la actualidad constituyen fuentes de contaminación, principalmente por la movilización de carga metálica en sus drenajes ácidos producidos por la oxidación de sulfuros. Los mismos que impactan negativamente sobre el suelo, agua y flora circundante.

Los drenajes que se generan en estas instalaciones mineras abandonadas pueden generar una serie de alteraciones al medioambiente y principalmente en la calidad de las aguas superficiales y subterráneas. Esta problemática se agudiza más cuando estas instalaciones se encuentran ubicadas a cotas superiores a los 4000 metros de altitud, más aún si son zonas de recarga en la parte alta de las cuencas hidrográficas.

Para revertir esta problemática se hace imprescindible desarrollar metodologías que permitan remediar estos drenajes mediante técnicas de bajo consumo de reactivos y de energía como los sistemas de tratamiento pasivos.

En la actualidad Perú cuenta con legislación de cierre de pasivos ambientales mineros y con un inventario de más de 8000 PAM conformados por Bocaminas, Depósitos de Relaves, Depósitos de Desmonte de Mina, Restos de Instalaciones de Procesamiento y otros, que han sido generados por las antiguas explotaciones mineras cuya remediación en la actualidad está a cargo del estado.

En este trabajo se presenta una metodología para realizar una adecuada caracterización de estos drenajes, que permita elegir el sistema de tratamiento pasivo más apropiado para remediar los drenajes ácidos de dos Bocaminas del laboreo subterráneo que se encuentran abandonadas y que están ubicadas en la Sierra Central del País.

El desarrollo de un proyecto minero en el pasado solo atendía criterios técnico económicos y por lo general no tenían en cuanta el requerimiento de contar con una certificación ambiental de inicio y otra para finalizar la actividad minera una vez extraído todo el recurso mineral económico a explotable, esta forma de hacer minería ha generado una serie de instalaciones mineras abandonadas que representan riesgos a la salud de las personas y contaminación al ambiente, principalmente por las descargas que proceden del interior de estas labores mineras en abandono.

En la actualidad para poner en marcha un operación minera esta normado y es requisito contar con permisos, certificaciones y el compromiso de rehabilitar todo el espacio físico en donde se emplazaron los componentes mineros, para ello, una vez concluida la operación minera se pone en marcha el plan de rehabilitación que en algunos casos como Perú se denomina plan de cierre de mina, el mismo que se elabora bajo determinados criterios técnicos, ambientales, económicos, legales y sociales, que aseguran la recuperación y estabilización del medio físico. Además de asegurar que los drenajes residuales que se descargan a cuerpos receptores naturales no afecten la calidad de estos últimos.

Debido a estas formas de hacer minería, la sociedad ha empezado a exigir la recuperación de estas áreas con presencia de labores mineras abandonadas también denominadas pasivos ambientales mineros, que en caso de no identificar al responsable el estado asume los gastos de su rehabilitación. Estas circunstancias a generado la necesidad de buscar una alternativa para recuperar estas áreas contaminadas y buscar una solución para remediación los drenajes que proceden de los pasivos ambientales mineros.

2.      Aspectos teóricos de la formación de drenajes ácidos en laborales mineras activas y abandonadas.

La apertura de espacios por las excavaciones mineras y la colocación en superficie de residuos mineros como desmontes y relaves, facilita el contacto con oxígeno atmosférico y agua en épocas de lluvia de estas superficies y residuos mineros, con el tiempo inician una serie de procesos de transformación física, química y biológica de estos materiales, dando origen a descargas y drenajes 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 constituyen las principales fuentes de biodisponibilidad de elementos contaminantes, que degradan la calidad de las aguas superficiales y subterráneas. Esta problemática es potenciada en zonas de labores mineras abandonadas porque descargan efluentes ácidos con elevada carga metálica, al no tener medidas de control éste problema puede persistir durante décadas e incluso cientos de años después de finalizada la operación minera.

En 1981 Stumm y Morgan propusieron un modelo de oxidación de la pirita (Figura 1) 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⁺, 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.

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). En la Ec.4 el Fe³⁺ producido en la Ec.3 oxida a la pirita en ausencia de oxígeno forma 16 moles de acidez.

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 drenaje de aguas ácidas de mina comúnmente tienen una distribución de pH-Eh (Fig. 2).

En la Figura 2 también puede observarse otro aspecto de gran interés, sobre todo en aquellos ambientes en los que el nivel del agua es muy estacional y variable. En el diagrama aparece un dominio correspondiente al FeSO₄ que es justo la zona de formación de toda una serie de minerales que se forman rápidamente, como eflorescencias salinas una vez que la superficie húmeda queda expuesta al aire. Estos minerales, sulfatos e hidroxisulfatos de Fe con Al, Zn, Cu, Cd y otros, son conocidos como MGA (minerales generadores de acidez), acumulan acidez disponible en los períodos más secos para liberarlo bruscamente en cuanto sube el nivel del agua (períodos de lluvia o invierno). Ante una situación de incremento de caudal estos minerales altamente solubles se disuelven rápidamente y son arrastrados aguas abajo, haciendo que se liberen rápidamente al sistema o al medio toda la acidez acumulada.

Figura 2. Diagrama Eh-pH mostrando los dominios teóricos para el sistema Fe-O-H-S.

Las fronteras de las áreas de estabilidad entre fases sólidas (especies en negritas) y las fases disueltas (en cursiva) se han calculado para actividades de Fe= 2x10^-5 (mg/l) y S=2x10^-3 (300 mg/l), con pK=37.5 para Fe(OH)₃.

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⁺ + SO₄ ^2- + Fe(OH)₃ + 2H⁺         

ZnS + 8 Fe³⁺ + 4H₂O ® Zn²⁺ + SO₄ ^2- + 8 Fe²⁺ + 8H⁺.

Una alternativa a la remediación de los efluentes ácidos que descargan los PAM como los presentados en este estudio, es aplicar sistemas de tratamiento de bajo costo como los Sistemas de Tratamiento Pasivos, en cuyo dimensionado se tiene en cuenta la acidez total.

Fe³⁺+2H₂O ® FeOOH+3H⁺   

Al³⁺+3H₂O ® Al(OH)₃+3H⁺  

Mn²⁺+ ¼ O₂ + 3/2 H₂O  ®  MnOOH + 2H⁺

3.      Metodología

Previo a la elección de la técnica más apropiada para remediar los drenajes ácidos de los PAM se debe realizar una adecuada caracterización geoquímica de los drenajes procedentes de las antiguas instalaciones abandonadas como Bocaminas y debe estar basada sobre mediciones de parámetros como pH, Eh, OD, CE, TSS, caudal, sulfatos y análisis químico de los drenajes en concentraciones totales y disueltas, estos últimos tiene gran influencia sobre el consumo de reactivos en el tratamiento.

Una vez realizada la caracterización fisicoquímica de los drenajes se procede a seleccionar y dimensionar el sistema de tratamiento pasivo más adecuado, tanto de base química (abiótica) como de base biológica, como los humedales aerobios (AW, Aerobic Wetland), los humedales anaerobios (ANW, Anaerobic Wetland) o balsas orgánicas, los drenajes anóxicos calizos (ALD, Anoxic Limestone Drains) y los sistemas sucesivos de producción de alcalinidad (SAPS, Successive Alkalinity Producing Systems).

Considerando que los sistemas de tratamientos pasivos presentan limitaciones respecto a los flujos y sus concentraciones, se va a elaborado una matriz de consistencia para elegir los dispositivos más apropiados para tratar drenajes de Bocaminas abandonadas ubicadas a más de 4000 msnm, para ello se tendrá en cuenta la caracterización hidroquímica de los drenajes, el caudal a tratar y su variabilidad a lo largo de un año hidrológico, así como las condiciones climáticas y geográficas del lugar.

4.      Resultados

4.1.Caracterización de drenajes ácidos de labores mineras abandonadas.

Los drenajes considerados en el estudio proceden de dos Bocaminas B1 y B2 (Foto 1) que formaron parte de una antigua explotación minera subterránea actualmente en abandono y están ubicadas a 4000 y 4050 m.s.n.m., tienen bajo pH y contienen elevadas concentraciones de metales, los contenidos de Al, Fe, Mn, Cu, Pb y Zn superan valores LMP y ECA de agua contemplados en la legislación vigente, por lo que estos efluentes constituyen importantes fuentes de contaminación al ambiente y principalmente afectan la calidad de las aguas superficiales y subterráneas del entorno.

Foto 1.   Monitoreo en campo del drenaje ácido procedente en una de las Bocaminas estudiadas.

Tabla 1. Caracterización físico-química de los drenajes de las Bocaminas B1 y B2 estudiadas.

Revisando los valores de pH como las concentraciones totales y disueltas presentados en la Tabla 1, gran parte del Fe estaría en forma sólida por encontrarse en el rango de hidrólisis del Fe³⁺ que se produce fundamentalmente a pH 2.7 a 4.8, en cambio el Mn esta casi en su totalidad en fase disuelta porque la hidrólisis del manganeso se produce a pH superiores a 8. En el diagnóstico de la calidad de los drenajes que descargan las Bocaminas B1 y B2 podemos indicar que son ácidas con contenidos de carga metálica que superan los valores de referencias considerados en los LMP y como en los ECAs de agua.

4.2       Selección del sistema de tratamiento pasivo.

Los dispositivos de tratamiento pasivo que se han tenido en cuenta (AW, ANW, ALD, SAPS) en campo se aplican solos o combinados, cuyo objetivo principal es la supresión de la acidez y la eliminación de elementos y sustancias contaminantes, para ello, en algunos casos se recurre al empleo de vegetación y bacterias para catalizar las reacciones y aceleran los procesos que forman precipitados (biotratamiento), en otros casos los dispositivos de tratamiento pasivo no emplean vegetación pero sí requieren el empleo de material alcalino para neutralizar la acidez.

Debido a las condiciones particulares de los drenajes como la altitud de sus emplazamientos y los contenidos de carga metálica presente en los mismos, previo al dimensionado del sistema pasivo se ha preparado una matriz de consistencia (Tabla 2) basado en los requerimientos para el funcionamiento de estos dispositivos, como: contenido de oxígeno, empleo de vegetación, caudal a tratar y altitud geográfica, así como las características hidroquímicas de los drenajes. Para ello, en todas las variables de evaluación se ha considerado una escala de ponderación con los siguientes considerandos: Poco viable (1), Viable (2) y Muy viable 3).

Tabla 2. Matriz de consistencia para elegir los dispositivos de mayor aplicación.

Según los resultados de la Tabla 2 el dispositivo con mayor probabilidad de aplicación es un SAPS, seguido del Wetland Anaerobio (ANW), quedando con menores opciones los Drenajes Anóxicos Calizos (ALD) y los Wetland Aerobios (AW), principalmente por requerir algunas condiciones de anoxia y en otros el empleo de vegetación que a más 4000 m.s.n.m. es limitada, aunque se emplear una planta denominada totora (Schoenoplectus Californicus) que crece en medios relativamente ácidos y a grandes altitudes.

Por tanto, para las condiciones del lugar y las características de los efluentes de las Bocaminas B1 y B2, se han elegido como opciones viables el tratamiento pasivo mediante Wetland Anaerobio y Sistemas Sucesivos de Producción de alcalinidad.

Los SAPS trabajan en permanente inundación, el agua fluye por gravedad a través de un substrato orgánico en donde se produce la reducción anaerobia del sulfato y en la capa de material alcalino se produce la disolución de la caliza (CaCO₃) y aporta alcalinidad al medio. Para favorecer las condiciones anóxicas, deben funcionar con una altura de la lámina de agua mayor a 90 cm, esta capa de agua cubre un substrato permeable de un espesor de 60 cm formado mayoritariamente por material orgánico (70-90% de estiércol, compost, turba, heno, aserrín, etc.), que está dispuesto sobre una capa de caliza cuya disolución aporta alcalinidad al agua (Fig. 3). En el caso del Wetland Anaerobio incluyen vegetación de rápido crecimiento y adaptadas a vivir en medios ácidos como la totora, además de la adsorción de metales e intercambio iónico en el substrato orgánico, también se produce la bioacumulación de metales en las raíces y partes emergentes de las plantas.

El dimensionamiento de un SAPS se puede realizar en función a la carga diaria de acidez (caudal por acidez) y la eliminación teórica de la acidez equivalente de CaCO₃ por metro cuadrado y día, esto permite determinar la superficie del SAPS en forma muy similar al Wetland Anaerobio, aunque la Eliminación de Acidez (eAc) es distinta para cada dispositivo de tratamiento pasivo.

Eliminación de acidez (eAc) = 3.5-8.0 gr /m².día;      para Wetland Anaerobio

Eliminación de acidez (eAc) = 30-50 gr /m².día;        para SAPS

Figura 3.   Disposición de las capas y líneas del flujo en un SAPS.

En la Tabla 3 se presentan los requerimientos de áreas para construir los dispositivos de tratamiento pasivo teniendo en cuenta caudal, pH y acidez total de cada efluente, de donde se deduce que los SAPS son los dispositivos más adecuados para tratar los drenajes de las Bocaminas en estudio.

Tabla 3. Dimensionado del ANW y SAPS para tratar los drenajes de las Bocaminas B1 y B2.

5.      Conclusiones

El empleo de sistemas de tratamientos pasivos es una buena alternativa para remediar drenajes de labores mineras abandonadas ubicados en lugares remotos en donde no se cuenta con accesos ni la infraestructura para poner en marcha plantas de tratamiento dinámico.

En la elección del sistema de tratamiento pasivo es importante tener en cuenta las limitaciones operativas y de funcionamiento de estos dispositivos, como: las condiciones de anoxia, el empleo de vegetación, la altitud geográfica, además de las características fisicoquímica de los drenajes, los flujos de las descargas, la calidad de los cuerpos receptore del entono, la legislación vigente en el País y otros factores que influyen en la vida y en la eficiencia de los dispositivos.

Para el dimensionado del sistema de tratamiento pasivo es importante empezar con un estudio de evaluación del riesgo ambiental y generar una matriz de consistencia para identificar factores que limitan el funcionamiento de cada dispositivo y elegir el/los dispositivos de mayor aplicación en función al caudal de las descargas, la acidez total y las concentraciones presentes en los drenajes ácidos que proceden de las instalaciones mineras abandonadas.

En el caso estudiado y considerando los caudales y las características fisicoquímicas de los drenajes de las Bocaminas B1 y B2, tienen mayor probabilidad de aplicación los SAPS porque no emplean vegetación, pueden funcionar en cotas superiores de 4000 m.s.n.m. y ocupan áreas de menor tamaño, y en forma limitada los Wetlands Anaerobios, porque para ambos casos (B1 y B2) para remover elevados contenidos de carga metálica se requiere dispositivos que ocuparían grandes superficies de terreno.

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Artículo aceptado: 20.11.2023