DRENAJE ACIDO DE MINA.docx

Huaraz, 25 de Agosto del 2010

DRENAJE ÁCIDO DE MINA

REYES AVENDAÑO Patricia -HUAYANEY MILLA Miguel - HUMBO SALAZAR Erick Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia Huaraz, 25 de Agosto del 2010

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 2 DRENAJE ÁCIDO DE MINA PROLOGO INTRODUCCION 1. CAPITULO I: DRENAJE ÁCIDO DE MINA 1.1. ASPECTOS GENERALES 1.1.1. Definición 1.1.2. Drenaje Ácido de Mina en el Perú 1.1.3. Características de los Drenajes Ácidos de Mina 1.1.4. Generación de DAM Etapa I Etapa II Etapa III 1.1.5. Aspectos microbiológicos 1.1.6. Aguas ácidas de minas Definición Formación Característica principal de las aguas acidas Reacciones por encima del nivel freático Reacciones por debajo del nivel freático Procesos que afectan al transporte de los contaminantes en el suelo a. Procesos mecánicos b. Procesos químicos 2. CAPITULO II: CONTROL DE DRENAJE ÁCIDO 2.1. Definición 2.2. Prevención

2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5.

Eliminacion de sulfuros Descarga subacuatica Cubiertas y sellos Aditivos básicos Acción bactericida

2.3. Abatimiento y mitigación

2.3.1. Sistemas activos  Neutralización  Disposicion de lodos 2.3.2. Sistema de tratamiento de cilindro rotatorio 2.3.3. Sistemas pasivos

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2.3.4. Mitigación de drenaje ácido en minas subterráneas del Perú aplicando fangos artificiales (caso mina Orcopampa) 2.4. Control Automático de Neutralización ANEXO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 4 DRENAJE ÁCIDO DE MINA PROLOGO

El presente trabajo tiene como objetivo fundamental de dar a conocer el proceso de neutralización de efluentes con (cal viva), como tratamiento para las aguas ácidas generadas por las operaciones en mina, con lo cual se espera asegurar un efluente que cumpla con los límites máximos permitidos LMP de la R.S. No 011-96-EM/VMM, y cumplir también con el compromiso ambiental del PAMA. El trabajo consiste básicamente en describir el proceso de neutralización de aguas ácidas de mina, que por su caudal y característica del agua ácida son tratadas en un sistema de neutralización, con adición de cal y reciclo de lodos. La adición de cal a los lodos contribuye al proceso de neutralización, convirtiendo los lodos en un material denso, granular, libre de drenaje con viscosidad relativamente baja. La generación de lodos densos asegura que el sistema genere un alto inventario de lodo que contribuye a la co-precipitación de metales para producir un efluente bajo en concentración de metales. Este tratamiento de efluentes es uno de los más económicos debido a su bajo costo y la simplicidad de su uso, en cuanto se refiere a mitigación de drenajes acidas de minas (DAM). Esta técnica nos va a permitir analizar y solucionar problemas relacionados directamente con el campo de la minería. Al elaborar el presente trabajo, también ponemos de conocimiento de los compañeros las relaciones socio-ambientales de las empresas mineras que en las décadas del ochenta no se aplicaban mucho sobre estas relaciones y recién en las décadas del noventa se empiezan a aplicar las relaciones sociales y ambientas con más fuerza por la influencia internacional. Las ventajas para la elaboración del presente trabajo fueron las diversas fuentes de información obtenidas y recopiladas del internet. La desventaja que se presentó, fue que no se cuenta con la bibliografía relacionada al tema en nuestra facultad. No queremos dejar de agradecer infinitamente el apoyo de nuestros padres, que ellos con sacrificio, nos brindan la ayuda económica y el impulso moral para seguir adelante y lograr nuestros objetivos y metas.

Los Alumnos

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 5 DRENAJE ÁCIDO DE MINA INTRODUCCION

La industria de explotación minera es una de las actividades más problemáticas en nuestro país y en todo el mundo. La extracción minera y su proceso son fuente de muchos contaminantes que están dispuestos en el ambiente, de ahí la contaminación del agua, el suelo y el aire. La exposición de los minerales sulfurosos al aire, agua, procesos microbianos y oxidación produce drenaje ácido de mina, caracterizado por su alta acidez y alta cantidad de metales pesados disueltos. Cuando esta agua contaminada alcanza los cuerpos del agua, las alteraciones del ecosistema de hecho ocurrirán. La flora y la fauna pueden ser afectadas y los recursos hídricos pueden tornarse dañinos para el consumo humano o los propósitos agrícolas e industriales. La infiltración del drenaje ácido de la mina también puede contaminar suelos y el agua subterránea. Las operaciones mineras causan impacto en el ambiente por la formación de aguas ácidas en el interior de la mina, en las canchas de desmontes y las canchas de relave. Los métodos de tratamiento activo se basan en los mismos principios físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en los fangos naturales (wetlands), en donde se mitigan las aguas contaminadas, consiguiendo la eliminación de metales y la neutralización del pH de los efluentes. El presente trabajo, se divide en dos capítulos, los cuales están correlacionados para lograr un buen entendimiento y buena compresión del tema. En el capitulo I, podemos encontrar todo el marco teórico relacionado a los Drenajes Ácidos, haciendo una descripción acerca de su definición, formación, características, etc. En el capitulo II, desarrollamos la teoría de la Neutralización de Efluentes con CaO, los procesos típicos de neutralización, los sistemas utilizado para la neutralización, control automático de la neutralización, etc. El trabajo se sintetiza al final con un número determinado de conclusiones. El método de investigación es Analítico-Sintético, la técnica de investigación empleada en la elaboración del trabajo es la descriptiva, pues se ha descrito los diferentes parámetros del trabajo El procedimiento seguido es el digital, pues toda la compilación de información, la hicimos tipeando. En lo relacionado a bibliografías consultadas, la mayoría de información fue obtenida del internet. En los alcances prácticos, podemos mencionar, que el presente trabajo está orientado principalmente a estudiantes de ingeniería de minas y ramas afines.

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CAPÍTULO I

1.1.

ASPECTOS GENERALES

1.1.1. Definición : Drenaje ácido de mina (DAM), se refiere a aquel drenaje contaminado que resulta de la oxidación de minerales sulfurados y lixiviación de metales asociados, provenientes de las rocas sulfurosas cuando son expuestas al aire y al agua. El desarrollo del DAM es un proceso dependiente del tiempo y que involucra procesos de oxidación tanto química como biológica y fenómenos físico-químicos asociados, incluyendo la precipitación y el encapsulamiento.

El fenómeno de drenaje ácido proveniente de minerales sulfurosos es un proceso que ocurre en forma natural. Hace cientos de años, se descubrieron muchos yacimientos minerales por la presencia de agua de drenaje rojiza, indicando la presencia de minerales sulfurosos.

Hace sólo alrededor de 20 años, se desarrolló una preocupación ambiental asociada con esta agua ácida, rica en metales disueltos. No obstante, el drenaje ácido no ocurre únicamente en las minas, por lo que el término "drenaje ácido de roca" o DAR también es usado comúnmente. Pueden pasar varios años antes de que se desencadene el Drenaje Ácido de mina. Una vez comenzado el proceso es casi imposible detenerlo. Éste puede ocurrir durante décadas e incluso siglos hasta que todo el material sulfúrico se haya disuelto por completo.

Hay minas en Suecia que fueron explotadas en el siglo XVIII y aún hoy continúan generando ácido. Este drenaje ácido tiene efectos nocivos, mortales para muchos organismos. En 1994 en Canadá había alrededor de 1,800 millones de toneladas de relaves y 700 millones de toneladas de escombros generando ácido y el costo total de remediación de todas las faenas mineras con Drenaje Ácido de mina fueron estimadas en $5,250 millones.

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1.1.2. Drenaje Ácido de Mina en el Perú: Como en la mayoría de países, no todas las minas en el Perú producen ácido. Existen tres factores principales que tienden a contribuir al potencial de generación de ácido y a la calidad del drenaje de las minas en el Perú:

 La compleja configuración geológica, principalmente, en lo referente a vetas;  La variada mineralogía con potencial para contribuir con diferentes contaminantes en el tiempo, y en diferentes lugares;  La asociación del mineral con la pirita como el principal mineral sulfurado.

De aproximadamente 180 minas operativas en el Perú (grande, mediana y pequeña minería) unas 25 a 30 presentan un declarado problema de drenaje ácido de mina. Es probable que existan otras concesiones que actualmente generen ácido pero no se posee información al respecto. Con frecuencia, éste es el caso de las áreas antiguas y abandonadas de las minas activas y también de las áreas mineras de larga explotación como Cerro de Pasco, Huancavelica y Ayacucho. Hay pocas minas operativas que tienen un potencial muy bajo de drenaje ácido debido tanto a la geología favorable como al hecho de que están localizadas en áreas con un balance neto de agua negativo. Para el remanente de las minas operativas, el potencial de generación ácida en el futuro no ha sido determinado.

1.1.3. Características de los Drenajes Ácidos de Mina: Por lo general, este drenaje contaminado puede incluir, pero sin limitarse a ello, lo siguiente:      

pH, acidez, alcalinidad; sulfatos; nutrientes; metales (disueltos o totales); sólidos disueltos totales (SDT); y sólidos suspendidos totales (SST).

Generalmente el DAM se caracteriza por:

    

valores de pH por debajo de 7 hasta 1.5 alcalinidad decreciente y acidez creciente concentraciones elevadas de sulfato concentraciones elevadas de metales (disueltos o totales) concentraciones elevadas de sólidos disueltos totales.

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 8 DRENAJE ÁCIDO DE MINA Con respecto al drenaje ácido de mina en el Perú, la preocupación fundamental sería los niveles elevados de acidez, sulfato, niveles de hierro y cobre y la lixiviación de otros metales asociados con el mineral sulfuroso. La preocupación ambiental generalmente es el impacto adverso de los contaminantes, particularmente los metales disueltos, en la vida acuática del medio receptor y en la calidad del agua para beber.

1.1.4. Generación del DAM: La generación de ácido es a través de la oxidación de minerales sulfurosos cuando son expuestos al aire y agua, lo cual da por resultado la producción de acidez, sulfatos y la disolución de metales. No todos los minerales sulfurosos son igualmente reactivos, ni la acidez se produce en igual proporción. Además, no todos los minerales sulfurosos o rocas con contenido de sulfuro son potencialmente generadores de ácido. La tendencia de una muestra particular de roca a generar acidez neta es una función del balance entre los minerales (sulfurosos) productores potenciales de ácido y los minerales (alcalinos) consumidores potenciales de ácido.

El proceso mediante el cual se consume ácido se denomina "neutralización". Teóricamente, cada vez que la capacidad consumidora de ácido de una roca ("potencial de neutralización") excede al potencial de generación de ácido, se consumirá toda la acidez y el agua que drene de la roca se encontrará en el nivel de pH neutro o cerca de él. El drenaje ácido generado por la oxidación de sulfuros puede neutralizarse por contacto con minerales consumidores de ácido. Como resultado de ello, el agua que drena de la roca puede tener un pH neutro y una acidez insignificante, a pesar de la continua oxidación de sulfuros. Con el tiempo, a medida que se agotan los minerales consumidores de ácido o se vuelve imposible acceder a ellos a causa de la formación de cubiertas de minerales secundarios, se puede generar agua ácida.

El desarrollo del drenaje ácido de roca es un proceso que depende del tiempo y comprende tanto reacciones químicas de oxidación como fenómenos físicos relacionados. En algunos asientos mineros, el drenaje ácido se detecta desde el principio de las operaciones. En otros, han pasado de 10 a 40 años antes de que se observe drenaje ácido. En estos sitios, las reacciones de oxidación de sulfuros y generación de ácido probablemente estuvieron ocurriendo durante el intervalo de retardación previo a la medición del agua de drenaje, pero en una baja proporción y con neutralización de los productos de oxidación.

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El desarrollo del DAM a través del tiempo, generalmente, se le observa como un proceso en tres etapas, definidas por el pH del agua en el microambiente de los minerales sulfurosos. Con frecuencia, las siguientes descripciones son usadas para comprender la naturaleza del DAM dependiente del tiempo y para la interpretación del DAM en el campo:

Etapa I: La acidez es generada y rápidamente neutralizada en las etapas iniciales cuando la roca que contiene minerales sulfurados es expuesta al oxígeno y al agua. El drenaje de agua es casi neutro. Mientras se produce la oxidación de los minerales sulfurosos, existe suficiente alcalinidad disponible como para neutralizar la acidez y precipitar el hierro en forma de hidróxido. Las reacciones de generación de ácido se expresan generalmente como la oxidación de la pirita, uno de los minerales sulfurosos más comunes. Inicialmente, los sulfuros reaccionan con oxígeno y el agua para formar sulfato (SO42-), hierro ferroso (Fe2+) e iones de hidrógeno (H+). Esta reacción total de generación de ácido, en la que se muestra la pirita siendo oxidada por el oxígeno, puede representarse por la siguiente ecuación:

4FeS2 + 14O2 + 4H2O ---> 4Fe2+ + 8SO42- + 8H+

Posteriormente, el hierro ferroso reacciona con el oxígeno para formar hierro férrico:

4Fe2+ + O2 + 4H+ ---> 4Fe3+ + 2H2O

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Como se muestra en la reacción, éste es fundamentalmente un período de oxidación química. El oxígeno es el oxidante principal, al producir sulfato y acidez a partir de la oxidación de los minerales sulfurosos. El problema ambiental derivado de estos procesos radica no solo en la liberación de cationes relativamente inocuos como Fe2+ o Fe3+, o en que aumente la acidez de las aguas. Aunque estos son dos problemas en sí, nos enfrentamos además a otro grave peligro para la salud humana y ambiental: el resto de los minerales sulfurados presentes en una escombrera o balsa de estériles también se oxidan, liberando metales pesados de altísima peligrosidad tales como (entre otros) el plomo (presente en galena, 1), el arsénico (presente en arsenopirita, 2 o enargita, 3), o el cadmio (presente en la fase de esfalerita, 4): 2 PbS + 4 Fe3+ +3 O2 + 2 H2O → 2 PbSO4 + 4 Fe2+ + 4 H+ 2 FeAsS + Fe2(SO4)3 → 2 H3AsO4 + 4 FeSO4 + H2SO4

(1) (2)

Cu3AsS4 + 5.5 Fe2(SO4)3 + 4 H2O → 3 CuSO4 + 11 FeSO4 + 4 S + H3AsO4 + 2.5 H2SO4 (3) Zn1-xCdxS + 8 Fe3+ + 4 H2O → 8 H+ + (1-x) Zn2+ + (x) Cd2+ + SO42- + 14 Fe2+ (4) Los minerales carbonatados, como la calcita (CaCO3) presente en la roca, neutralizan esta acidez y mantienen condiciones que van de neutras a alcalinas (pH>7) en el agua que fluye sobre la roca. También se podría detectar un contenido elevado de calcio (y magnesio u otros metales, dependiendo de las rocas consumidoras de ácido presentes), como resultado de la disolución de los minerales carbonatados, debido al consumo de ácido. Entonces la calcita (CaCO3), uno de los minerales comunes, consume acidez a través de la formación de bicarbonato (HCO3) o ácido carbónico (H2CO3):

CaCO3 + H+ ---> Ca2+ + HCO3

CaCO3 + 2H+ ---> Ca2+ + H2CO3

Los siguientes minerales que proporcionan alcalinidad, luego del consumo de los minerales carbonatados, generalmente son los hidróxidos, los cuales consumen acidez mediante la

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 11 DRENAJE ÁCIDO DE MINA formación de un ión libre más agua, como se muestra en la ecuación, por ejemplo, para Al (OH3):

Al (OH)3 + 3H+ ---> Al3+ + 3H2O

La oxidación de los minerales sulfurosos libera hierro ferroso en la solución. La oxidación química del hierro ferroso es rápida a un pH superior a 7 y el hierro férrico se precipita de la solución como un hidróxido:

Fe+3 + 3H2O ---> Fe (OH)3 + 3H+

Esto forma el precipitado rojo que se observa en la mayoría de minas que generan ácido. Durante esta reacción, se liberan iones de hidrógeno adicionales. De esta manera, la velocidad de oxidación química de la pirita es relativamente baja, comparada con las etapas posteriores de oxidación, ya que el fierro férrico no contribuye como oxidante.

En esta etapa, el agua de drenaje se caracteriza generalmente por niveles elevados de sulfato, con pH cercano al neutro. El ácido producido es neutralizado mientras que el hierro férrico se precipita en forma de hidróxido. Si existen minerales de zinc asociados con los sulfuros de hierro, también podrían detectarse concentraciones elevadas de zinc en la solución.

Etapa II: A medida que continúa la generación de ácido y se agotan o se vuelven inaccesibles los minerales carbonatados, el pH del agua disminuye y el proceso se encamina hacia su segunda etapa. Cuando el pH del microambiente disminuye hasta 4.5, ocurren reacciones de oxidación tanto química como biológica. A medida que la velocidad de generación de ácido se acelera en las etapas II y III, el pH disminuye progresiva y gradualmente. Los niveles de pH relativamente constantes representan la disolución de un mineral neutralizante que se vuelve soluble a ese nivel de pH. Si la oxidación continúa hasta que se haya agotado todo el potencial de neutralización, se presentarán valores de pH por debajo de 3.5. En esta etapa, el agua de drenaje está generalmente cerca al nivel neutro, con concentraciones elevadas de hierro ferroso y sulfato. Se observa una acidez relativamente alta, aún cuando las concentraciones de metales en la solución puedan ser bajas.

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Etapa III: A medida que los minerales alcalinos se consumen o recubren, o bien, se produce acidez a mayor velocidad que alcalinidad, el pH se vuelve ácido. Las reacciones dominantes se transforman de oxidación química a principalmente oxidación biológicamente catalizada. De las reacciones de oxidación sulfurosa, se produce hierro ferroso, que se oxida biológicamente y se convierte en hierro férrico. Este, a su vez, reemplaza el oxígeno como el oxidante principal y puede promover la oxidación química de los minerales sulfurosos. En el caso de la pirita, la reacción que ocurre es la siguiente:

FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O ---> 15Fe2+ + 16H+ + 2SO42-

En esta etapa, la velocidad de oxidación es considerablemente más rápida que en la Etapa I, el descenso del pH incrementa la velocidad de oxidación. No hay estudios científicos definitivos para cuantificar la aceleración de las velocidades de oxidación debido a la oxidación catalizada biológicamente; sin embargo, en la literatura existen informes sobre la observación del aumento de velocidades de 10 a un millón de veces más que aquéllas generadas por oxidación química. En esta etapa, el agua de drenaje es generalmente ácida, caracterizada por sulfatos y metales disueltos en concentraciones elevadas. El hierro disuelto se presenta como hierro ferroso y férrico.

1.1.5. Aspectos microbiológicos: No hay duda que el auge de las biotecnologías, a nivel mundial, ha contribuido al progreso en áreas tan diferentes como la medicina, la industria farmacéutica, la producción vegetal y animal, la producción de alimentos y la protección ambiental. La minería no ha quedado al margen de este importante avance tecnológico. Es así como las bacterias se están empleando en la disolución de metales a partir de minerales sulfurados. A este proceso se denomina lixiviación bacteriana o biolixiviación. Por otra parte, más recientemente se está empezando a aprovechar el proceso opuesto, o sea la insolubilización de los iones contaminantes con bacterias, con fines de descontaminación (biosorción). Sin embargo, estas bacterias también tienen su lado obscuro, que se manifiesta en la generación de ácido y la posterior lixiviación de metales tóxicos desde desechos y desmontes de procesos mineros. Ocurre frecuentemente a partir de desechos de minas abandonadas de carbón o de diferentes sulfuros metálicos y en el interior de los relaves.

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Se trata de una contaminación múltiple, ya que se producen drenajes fuertemente ácidos, con altas concentraciones de sulfato y de iones metálicos en solución y con precipitados de diferentes hidróxidos férricos. La formación de ácido ocurre cuando las bacterias oxidantes de sulfuros y de hierro transforman la pirita y otros sulfuros en ácido sulfúrico. A esto lo podemos llamar la “enfermedad bacteriana” de las minas y de los relaves abandonados. La “enfermedad” se inicia cuando se encuentran los tres principales agentes causantes: el aire, el agua y las bacterias ferrooxidantes. Thiobacillus ferrooxidans: Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género Thiobacillus, aunque no es la única. De las especies de Thiobacillus que se conocen la que más atención ha recibido es Thiobacillus ferrooxidans. A comienzos de los años 50, dos investigadores, Colmer y Hinkle, demostraron que el ácido y el fierro contenido en el drenaje de una minas de carbón era el resultado de la acción bacterial sobre los sulfuros de fierro en las vetas de carbón (reportaban altos contenidos de ácido y fierro), ellos llamaron a esta bacteria Thiobacillus ferrooxidans. T. ferrooxidans presenta forma bacilar, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferroso (Fe2+) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2, de manera similar a las plantas verdes (Ciclo de Calvin-Benson). Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (desarrolla en rangos de pH que varían entre 1.5 y 3.0), y a temperaturas que oscilan entre 25-35ºC. Es considerada como el mayor contribuyente en la producción de aguas ácidas que drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de fierro, generando soluciones ácidas de sulfato férrico.

Mecanismos de Lixiviación: Los principales mecanismos involucrados en el proceso de lixiviación bacteriana son: directa e indirecta. a. Lixiviación Indirecta : Dos reacciones importantes mediadas por T. ferrooxidans son:

FeS2 + 3.5 O2 + H2O  FeSO4 + H2SO4 ............... 1 2 FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4  Fe2(SO4)3 + H2O ............... 2 El sulfato férrico es un oxidante fuerte capaz de disolver una amplia variedad de minerales sulfurados. La lixiviación con Fe2(SO4)3 recibe el nombre de lixiviación indirecta porque se realiza en ausencia de oxígeno o de bacterias y, es responsable de la disolución o lixiviación de varios minerales sulfurados de cobre de importancia económica:

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 14 DRENAJE ÁCIDO DE MINA Chalcopirita CuFeS2+ 2 Fe2(SO4)3  Chalcocita Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 

CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 Sº ......... 3

2 CuSO4 + 4 FeSO4 + 2 Sº ....... 4

El mecanismo de lixiviación indirecta depende de la regeneración biológica del sulfato férrico (reacción 2). El azufre (Sº) generado en las reacciones 3 y 4 puede ser convertido en ácido sulfúrico (H2SO4) por T. ferrooxidans según:

2 Sº + 3 O2 + 2 H2O  2 H2SO4 ................. 5 Este ácido sulfúrico, así generado, mantiene el pH del sistema a niveles favorables para el desarrollo de la bacteria. b. Lixiviación Directa: Las bacterias ferrooxidantes también pueden lixiviar sulfuros metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico producido biológicamente. El proceso se describe en la siguiente reacción :

MS + 2 O2  MSO4 .................. 6 donde M representa un metal bivalente. La actividad de Thiobacillus sobre la superficie de la pirita se explica en las siguientes reacciones: bacteria

Pirita 2 FeS2 + H2O + 7.5 O2 

Fe2(SO4)3 + H2SO4 ...... 7

Mientras que la actividad quimiolitotrofica de Thiobacillus sobre la calcopirita se expresa: bacteria

Chalcopirita 2 CuFeS2 + 8.5 O2 + H2SO4 Ô 2CuSO4 + Fe2(SO4)3+ H2O ..8

Dado que el fierro siempre está presente en ambientes de lixiviación natural, es posible que tanto la lixiviación indirecta como la directa ocurran de manera simultánea.

Desarrollo Bacteriano:

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 15 DRENAJE ÁCIDO DE MINA El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y crecimiento de las bacterias juega un rol importante dentro del proceso de lixiviación bacteriana, es por ello de mucha importancia el control de factores, como el pH, la presencia de oxigeno, la temperatura, la influencia de la luz, los requerimientos nutricionales, tamaño de partícula, y el efecto de inhibidores, entre otros.  pH: En general los T. ferrooxidans, desarrollan bien en medios ácidos, siendo incapaces de desarrollar sobre Fe+2 a un pH mayor de 3.0. Normalmente los valores sobre el que los tiobacilos se desarrollan se ubican dentro del rango de 1.5 a 2.5.  Oxígeno y CO2: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la lixiviación de metales por bacterias. No se conoce otro oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en ambientes de lixiviación. El dióxido de carbono es utilizado como fuente de carbono para la fabricación de su arquitectura celular.  Nutrientes: Como todos los seres vivientes, T. ferrooxidans requiere de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo, entre las que tenemos fuente de N2 (amonio), de fosfato, de S, iones metálicos (como Mg+), etc. Magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo es requerido para el metabolismo energético.  Fuente de Energía: Los T. ferrooxidans utilizan como fuente primaria de energía los iones ferroso y azufre inorgánico.  Luz: La luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas especies de Thiobacillus, pero el fierro férrico ofrece alguna protección a los rayos visibles.  Temperatura: El rango sobre el cual se desarrollan se encuentran entre 25ºC y 35ºC.  Presencia de Inhibidores: En los procesos de molienda o por acción propia del agente lixiviante se liberan algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas para las bacterias ferrooxidantes afectando el desarrollo bacterial. La literatura señala que los niveles de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es Zn+2 = 15 -72 g/l; Ni+2 = 12 - 50 g/l; Cu+2 = 15 g/l; Ag+ = 1ppb; UO2+2 = 200 - 500 mg/l, entre otros. Otros microorganismos de importancia: Dentro de este grupo y estrechamente asociados a T. ferrooxidans encontramos a:  Thiobacillus thiooxidans: Se lo puede encontrar en depósitos de azufre y sulfurosos, desde donde es fácil aislarlos. Se caracteriza porque sólo es capaz de oxidar azufre. Desarrollan a temperatura entre 5ºC y 40ºC, a un pH en el rango de 0.6 a 6.0, siendo el óptimo 2.5. Son aerobios estrictos.  T. acidophilus: Fue aislado por primera vez por Markosyan en 1973 a partir de minerales, describiéndolo con el nombre de T. organoparus. Presentan forma bacilar, son aerobios estrictos, oxida azufre y utiliza compuestos orgánicos como parte de sus requerimientos nutricionales.  Tiobacilos semejantes a termófilos: Aunque no están bien estudiadas, es reconocida su importancia en los procesos hidrometalúrgicos. Muestran un activo crecimiento sobre medios conteniendo Fe+2 y sulfuros en presencia de extracto de levadura.  Leptospirillum ferrooxidans: Son vibriones en forma de espira, como pseudococos. Móviles por la presencia de un flagelo polar simple. Las colonias sobre silica gel son pequeñas y de color marrón rojizo debido a la formación de fierro férrico. Son aerobios estrictos y quimioautotróficos obligados. Utiliza Fe+2 y FeS2 como fuente energética.

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 16 DRENAJE ÁCIDO DE MINA  Sulfolobus: Son bacterias gram negativas, que se presentan como células esféricas, con lóbulos, inmóviles, y la ausencia de flagelos y endosporas. Su pared celular carece de mureina.

MICROORGANISMO

FUENTE ENERGÉTICA

pH

TEMPERATURA (ºC)

Thiobacillus ferrooxidans

Fe+2 , U+4 , Sº

1.5

25 - 35

Thiobacillus thiooxidans

Sº

2.0

25 - 35

Leptospirillum ferrooxidans

Fe+2

1.5

25 - 35

Sulfolobus

Sº , Fe+2 , C orgánico

2.0

> a 60

Acidiphilium cryptum

C orgánico

2.0

25 - 35

Th. intermedius

Sº, S-2, C orgánico

2.5

30

Th. napolitanus

Sº, S-2

2.8

30

Th. acidophilus

Sº, S-2

3.0

Th. thioparus

Sº. S-2

3.5

Thiobacillus TH2 y TH3

Fe+2, S-2

6.0

Metallogenium sp.

Fe+2

4.5

Heterótrofos

C orgánico

50

25 - 40

Bacterias asociadas a la Lixiviación de Minerales (Ref. 1 y 2)

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 17 DRENAJE ÁCIDO DE MINA

1.1.6. Aguas ácidas de Mina (1) Todas las actividades humanas de alguna manera interfieren con las aguas, y a explotación minera no es una excepción. Aunque comparándose con la mayoría de las actividades industriales y agrícolas, la explotación minera no es una gran consumidora de agua. Muchas veces el problema es el inverso y tiene que liberar grandes cantidades de agua no deseables. Este es el problema del drenaje de las minas: el de captar, transportar y eliminar al medio ambiente flujos de agua de manera que no ocasionen daños. El agua de lluvia o de infiltración en contacto con el mineral, con los estériles, con los desechos y con las áreas operativas se cargan muchas veces de substancias contaminantes, que sólo pueden ser liberadas mediante procedimientos adecuados. La mayor parte de las veces, las interferencias de la actividad minera en la hidrosfera tienen efectos locales. Esta interferencia se da de varias maneras, tanto en la cantidad como en la calidad de las aguas superficiales y subterráneas

A. Definición: Según, Guía Ambiental para el Manejo de Drenaje Acido de Minas del Perú dice: Cualquiera sea el término empleado -DAM o DAR- el drenaje ácido se refiere a: drenaje contaminado que resulta de la oxidación de minerales sulfurados y lixiviación de metales asociados, provenientes de las rocas sulfurosas cuando son expuestas al aire y al agua. El desarrollo del DAR es un proceso dependiente del tiempo y que involucra procesos de oxidación tanto química como biológica y fenómenos físico-químicos asociados, incluyendo la precipitación y el encapsulamiento. (2) Es importante reconocer que la definición se refiere al drenaje contaminado. El desarrollo del clásico DAR de pH bajo y rico en metales es un proceso que depende del tiempo, A lo largo del tiempo, la química del agua de drenaje cambiará, volviéndose gradualmente más ácida, con concentraciones crecientes de metales. Sin embargo, como se describe en la definición, el DAR se refiere a todo drenaje contaminado como resultado de los procesos de oxidación y lixiviación de los minerales sulfurosos. Con el tiempo las características del drenaje pueden cambiar, de ligeramente alcalino hasta casi neutro y finalmente ácido.

B. Formación(3) La formación de aguas ácidas constituye uno de los mayores problemas de impacto medioambiental al que tiene que enfrentarse la industria minera, ya que gran número de explotaciones van a tener esta problemática, tanto durante su período de actividad como una vez que la explotación ha cesado, dado que ésta puede seguir produciendo volúmenes importantes de aguas ácidas, con (1)

www.juntadeandalucia.es/medioambiente/revistama/revista_ma44/ma44_52.html :

(2)

Guía Ambiental Para El Manejo De Drenaje Acido De Minas - vol. V , lima Perú, 1997, p13

(3)

loc cit

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 18 DRENAJE ÁCIDO DE MINA contenidos en metales pesados y tóxicos superiores a los admisibles según la normativa vigente.

La explotación de los yacimientos mineros da lugar a la presencia de efluentes ácidos como consecuencia de la oxidación de los minerales sulfurosos contenidos en las rocas. Las soluciones para tratar estas aguas pasan por neutralizar el ácido añadiendo una base y precipitar los metales. El desarrollo del drenaje ácido es un proceso que depende del tiempo y comprende tanto reacciones químicas de oxidación como fenómenos físicos relacionados; en algunos asientos mineros, el drenaje ácido se detecta desde el principio de las operaciones, en otros, han de pasar de 10 a 40 años antes de que se observe drenaje ácido. En estos sitios, las reacciones de oxidación de sulfuros y generación de ácido probablemente estuvieron ocurriendo durante el intervalo de retardación previo a la medición de las aguas de drenaje, pero en una baja proporción y con neutralización de los productos de oxidación. VER ANEXO Nº1: GRAFICOS Nros: 1-2

C. Las Características Principales de las Aguas Acidas Son:    

Presencia de un exceso de sulfato, entre 1500 y 3200 mg/l. Presencia de metales pesados: Zn, Cd, Cu, Ni y Pb. Presencia de no metales como As y Sb. Acidez: pH en torno a valores de 2 a 5.

D. Reacciones Por Encima Del Nivel Freático(4): En medio acuoso oxidante la pirita y la pirrotita se oxidan produciéndose ácido sulfúrico (H+, SO42-) y Fe2+. Las reacciones son las siguientes:

(4)

Pirita:

FeS2 (s) + 7/2O2 (g) + H2O = Fe2+ + 2SO4 2-+ 4H+

Pirrotita:

Fe7S8 (s) + 31/2O2 (g) + H2O = 7Fe2+ + 8SO42- + 2H+

NIVEL FREÁTICO: ver anexo Nº2

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 19 DRENAJE ÁCIDO DE MINA

El ion Fe2+ sufre una oxidación adicional a Fe3+ y posterior hidrólisis de éste a Fe (OH)3(s), produciendo más iones H+ según las reacciones: 2Fe2+ + 1/2O2 (g) + 2H+ = 2Fe3+ + H2O Fe 3+ + 3H2O = Fe (OH)3 (s) + 3H+ Como consecuencia del bajo pH producido por estas reacciones, algunos metales presentes en los lodos como el Fe, Cu, Zn, Al y Mn se solubilizan dando lugar a lo que se conoce como aguas ácidas de mina (5)

E. Reacciones Por Debajo Del Nivel Freático: En este caso la oxidación se mantiene gracias al ion férrico formado durante la oxidación que ha tenido lugar por encima del nivel freático. La reacción puede expresarse como: 14Fe3+ + FeS2(s) + 8H2O = 15Fe 2+ + 2SO42- + 16H+ Atendiendo a estas reacciones, después de la deposición de los residuos hay que actuar rápida y eficazmente para evitar que el agua los oxide. Así no aumentaría la cantidad de ion férrico y el proceso de generación de ácidos se haría cada vez más lento. Tanto en el caso de balsas de estériles, donde se acumulan las aguas ácidas de minas con problemas de sellado, como en la acumulación de residuos en superficies en contacto con la atmósfera, con el tiempo se provoca un punto de generación continuo o discontinuo de contaminación que dará lugar a la creación de una pluma de contaminante. (6)

F. Procesos Que Afectan Al Transporte De Los Contaminantes En Suelo(7):

El

a) Procesos mecánicos:  Absorción: transporte por el flujo de un fluido.  Dispersión: transporte en otras direcciones debido a la tortuosidad.  Difusión: transporte debido al gradiente de concentraciones. b) Procesos químicos:  Adsorción / Absorción: retención en el suelo / pérdida de concentración.  Precipitación: retención debida a la pérdida de solubilidad.  Solubilización: aumento de la concentración de contaminante.  Reacción química: aumento, pérdida o modificación del contaminante.  Degradación biológica: disminución de contaminante.

(5)

Guía Ambiental Para El Manejo De Drenaje Acido De Minas - vol. V , lima Perú, 1997, p20 Loc Cit (7) Loc Cit (6)

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CAPÍTULO II

CONTROL DE DRENAJE ÁCIDO

2.1. Definición: El término "control" se utiliza para hacer referencia a las medidas tomadas para prevenir o limitar la generación o migración de drenaje contaminado que podría originar un impacto ambiental adverso.

Así como el proceso de formación, también las técnicas de abatimiento de drenaje ácido han sido objeto de intensa investigación desde la década del 80. Como en la mayoría de los otros problemas de contaminación, la mejor solución es la prevención. Para ello es preciso que la planificación de la mina tome en consideración este factor, de manera de incorporar soluciones desde la fase del proyecto. Las soluciones preventivas parten inicialmente de la identificación del potencial generador de drenaje ácido. Una buena investigación geológica asociada a pruebas hechas de antemano puede identificar sectores del macizo rocoso más favorables para la generación de ácidos -tal es el caso en yacimientos sedimentarios, donde determinadas capas pueden tener potencial de generación de ácidos y otras no. Si una situación como ésta se presenta, el proyecto de la mina podría contemplar la explotación selectiva y la disposición por separado de esos materiales, eventualmente una disposición confinada entre capas impermeables en los moldes de lo que se hace con residuos industriales. Entonces, en el control del DAM, se deben reconocer dos términos diferentes:

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 21 DRENAJE ÁCIDO DE MINA  Prevención, es decir, las medidas de control diseñadas e implementadas antes de la presencia del DAM. En este caso, el control de la calidad del agua es fundamentalmente el control de todo producto soluble y la prevención de oxidación y generación de ácido en el futuro.  Abatimiento y Mitigación, es decir, el control que se implementa después de la generación o liberación de contaminantes. En este caso, las medidas de control deberán referirse a la oxidación, pasada y futura, y a los productos solubles almacenados.

2.2 Prevención : La opción más conveniente es la prevención de las reacciones de oxidación, mediante la eliminación de uno o más de los componentes esenciales, o bien mediante el control del ambiente con el fin de limitar la velocidad de generación de ácido a un nivel insignificante. Sin embargo, en muchos asientos, el potencial del DAM no fue reconocido en un inicio.

Existen tres factores primarios claves que se requieren en las primeras etapas de la oxidación química: sulfuros reactivos, oxígeno y agua. Los factores secundarios que afectan la velocidad y extensión del DAM son las bacterias, la temperatura y el pH.El objetivo del control de la generación de ácido es evitar o reducir la formación de ácido en la fuente, mediante la inhibición de la oxidación de sulfuros. Ello podría lograrse mediante el control de uno de los factores primarios de la oxidación. El control de los factores secundarios puede utilizarse para limitar la velocidad o establecimiento del DAM.

En la mina Mount Milligan (Canadá), se recogieron más de 4000 muestras de roca durante la realización de sondeos de prospección con una malla de 100x100 m, o sea, los mismos datos levantados para cubicar el yacimiento son también empleados para el planeamiento ambiental. Además también se empleó un método estático para evaluar el potencial ácido. Junto con un intenso programa de análisis de muestras superficiales y subterráneas de agua (38.000 análisis), estos estudios indicaron la mejor forma de deposición de los estériles y de los desechos de manera de reducir la formación de ácidos (Robertson, 1994). Hoy en día ya existen softwares (sistemas especialistas) para la planificación del muestreo con la finalidad de estudiar el potencial de drenaje ácido.

Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Metalurgia 22 DRENAJE ÁCIDO DE MINA 2.2.1 Eliminación de sulfuros:

El objetivo es reducir el potencial ácido (PA) mediante la reducción del contenido sulfuroso. Esta medida ha sido considerada para algunos asientos con el fin de reducir el potencial de generación de ácido de los relaves, que se realiza por flotación de un concentrado de sulfuro (pirita). Posteriormente sería necesaria la descarga separada de este concentrado. En algunas minas, este concentrado se combina con cemento y se utiliza como relleno subterráneo. A pesar de que el cemento y la cal proporcionan una capacidad neutralizante, persiste un potencial limitado de oxidación y disolución de metales (especialmente de metales que son móviles en pH alcalino). Si la oxidación ocurre efectivamente, se puede reducir la estabilidad física del relleno, mediante la prueba de estabilidad física y química del mismo. También, se deberá determinar si hay suficiente capacidad subterránea para contener, a largo plazo, todo el relleno de pirita que se encuentra bajo el agua. Para la roca de mina, la eliminación o aislamiento de sulfuros es de utilidad sólo si existe una zona específica, geológicamente distinta de material sulfuroso. De otro modo, los operadores tendrán mucha dificultad para lograr exitosamente la identificación y el manejo del material generador de ácido. Se requeriría la disposición separada de este material; por lo general, colocado bajo el agua. 2.2.2

Descarga subacuática:

La disposición subacuática es una solución que viene siendo intensamente investigada. Canadá ya hay lugares experimentales en los que desechos sulfurados son dispuestos cuencas inundadas permanentemente, lo que impide la oxidación debido a la falta suministro de oxígeno del aire, o sea, el material que contiene sulfuros permanece condiciones anaerobias.

En en de en

Actualmente, la descarga subacuática es la medida más prometedora para el control de la generación de ácido. El objetivo de colocar roca o relaves potencialmente generadores de ácido bajo el agua es como se dijo excluir el oxígeno. La solubilidad del oxígeno en el agua es muy baja (