1

MEJORES TECNICAS DISPONIBLES EN LA ESTABILIDAD QUIMICA EN EL CIERRE DE MINAS

Osvaldo ADUVIRE (1), Jos QUINTEROS (2)

(1) SVS Ingenieros S.A.C.; email: oaduvire@yahoo.es

(2) Golder Associates Per S.A.; email: jquinteros@golder.com.pe

1. INTRODUCCIN. En la actualidad se estn imponiendo procesos de cierre innovadores que permiten considerar a los residuos mineros como recursos potenciales a travs de programas de valorizacin y aprovechamiento de subproductos. Este planteamiento fomenta el uso racional de los recursos naturales mediante tcnicas ms eficientes que incrementan el nmero de aplicaciones de los recursos y reducen el volumen final de residuos, al mismo tiempo estas actuaciones constituyen una oportunidad de negocio de subproductos y materiales secundarios, adems de constituir una va a la reduccin de los costos de tratamiento y de clausura. Por tanto, en las propuestas de planes de cierre deben contemplarse el reciclado y el aprovechamiento eficiente de los materiales, recursos e instalaciones, a fin de minimizar los volmenes de almacenamiento final, controlar las emisiones contaminantes y reducir los costos de cierre. Para asegurar la viabilidad tcnica, econmica y medioambiental de los planes de cierre, stos deben realizarse con las mejores tcnicas disponibles (MTD), empleando tecnologa limpias con materiales del lugar, y deben ejecutarse en lo posible conjuntamente con el proyecto de explotacin y su costo debe incorporarse en el estudio de rentabilidad econmica y repercutirse durante la vida de la mina. La aplicacin de estas tecnologas limpias (biotecnologa) en el cierre de minas, permite remediar y estabilizar reas degradadas, controlar la erosin y la recuperacin del paisaje, inmovilizar metales a formas menos biodisponibles o transformarlos a sustancias ms estables mediante procesos fsicos, qumicos y biolgicos como los que se fomentan en los sistemas de tratamiento pasivo, a fin de desarrollar un minera sostenida y de conservacin de los ecosistemas y paisajes de entornos mineros (Fig.1).

Figura 1. El inventario ambiental permite recuperar los terrenos ocupados temporalmente por la minera.

2. ESTABILIDAD BIOGEOQUIMICA EN EL CIERRE. La efectividad de la estabilidad y eliminacin de contaminantes esta en funcin al grado de accesibilidad del compuesto para ser asimilado por los seres vivos (biodisponibilidad). En el caso de una sustancia txica,

2

cuanto ms biodisponible se encuentre mayor ser la probabilidad de movilizacin por los seres vivos. La biodisponibilidad est determinada por las propiedades fisicoqumicas del compuesto, principalmente por su solubilidad en lquidos, o su capacidad para adsorberse a sustancias slidas o para volatilizarse. Tal es as, que las sustancias voltiles o fuertemente adsorbidas a partculas slidas no van a estar al alcance de muchos seres vivos, lo que reduce su potencial de toxicidad. Adems la biodisponibilidad de una sustancia txica en el ambiente suele disminuir con el tiempo (envejecimiento). 2.1. Evaluacin de generacin cida en los planes de cierre. Teniendo en cuenta que con el tiempo algunos minerales se comportan como cido productores y otros como generadores de alcalinidad que neutralizan la acidez, conociendo esta caracterstica se puede predecir la calidad de los drenajes de mina cuando se produzca la alteracin de los materiales excavados. Para ello se recurre al empleo de uno o varios ensayos estticos en el que se determina el potencial cido/base de los materiales, as como al empleo de ensayos cinticos (principalmente mtodos de lixiviacin) insitu o en laboratorio en los que se reproducen las condiciones ambientales de campo (fsicas, qumicas y biolgicas). Tambin se puede utilizar otras tcnicas que incluyen procedimientos geofsicos y/o geoqumicos. Los ensayos estticos, se basan en la evaluacin del balance entre el potencial de generacin cida AP (oxidacin de minerales sulfurosos) y la capacidad de neutralizacin cida NP (disolucin de carbonatos y otros minerales que aportan alcalinidad). Entre las tcnicas de anlisis esttico de mayor aplicacin tenemos la relacin cido/base (NP/AP) y Contenido de Azufre (Fig. 2), el ensayo de generacin cida neta (NAG) con la medida de conductividad (EC) y pH en pasta, entre otros.

Figura 2. Relacin de los potenciales de generar y consumir acidez y el contenido de azufre para determinar

la generacin cida de residuos mineros. 2.2. Biotecnologa en la remediacin de residuos mineros slidos y lquidos. En minera las principales tcnicas de remediacin de residuos slidos y lquidos aplicables en los planes de cierre son la biorremediacin, la fitorremediacin y el biotratamiento, que utilizan procesos naturales de degradacin y organismos vivos, y se aplican solos o combinados. A diferencia de otros tipos de compuestos que contaminan el medio, la dificultad para eliminar los metales pesados de lugares contaminados, estriba en la imposibilidad ltima de su destruccin o biodegradacin debido a su naturaleza qumica. La biotecnologa aporta posibilidades para inmovilizar los metales en formas no biodisponibles, para concentrar los metales diluidos utilizando una biomasa diseada con ese fin, para convertir los iones metlicos txicos en formas qumicas ms inocuas. 2.2.1. Biorremediacin de suelos.

3

Como procesos de biorremediacin de suelos contaminados se encuentran los tratamientos de landfarming, la utilizacin de biofiltros o biorreactores y empleo de tcnicas de compostaje. En estos procesos la actividad biolgica de los microorganismos es fundamental, adems de las caractersticas fisicoqumicas y biolgicas de los suelos a tratar, la naturaleza y concentracin de los contaminantes, la dinmica de los contaminantes en el suelo, y los procesos de transformacin de los contaminantes. Los factores que afectan a la biorremediacin pueden ser: ambientales (temperatura, pH, nutrientes, oxgeno, la humedad, etc.) que proporcionan las condiciones ptimas para el crecimiento de los microorganismos; fsicos como la disponibilidad del contaminante para los microorganismos y, qumicos en donde se contempla la estructura molecular del contaminante y su capacidad para ser biodegradado. Las estrategias ms viables de biorremediacin son la bioestimulacin que se consigue aumentando la velocidad de crecimiento de los microorganismos para potenciar la degradacin de los contaminantes, y la bioaumentacin o bioincremento que consiste en incrementar la comunidad bacteriana mediante la adicin de cultivos especializados, desarrollados para mejorar la eficacia en la degradacin de contaminantes. 2.2.2. Fitorremediacin. Es un procedimiento que utiliza especies vegetales para contener, inmovilizar, remover o neutralizar compuestos orgnicos, elementos traza o elementos radiactivos que pueden ser txicos en aguas o suelos. Esta tcnica incluye cualquier proceso biolgico, fsico o qumico que realizan las plantas o microorganismos (rizosfera) para absorber, secuestrar y degradar contaminantes. Existen distintos tipos de fitorremediacin en funcin de la forma y el lugar de actuacin, destacan: la fitoestabilizacin (cuando se trata de evitar la dispersin de contaminantes y la erosin del suelo), la fitoextraccin (su objetivo es trasladar los contaminantes desde el suelo a la parte area de las plantas), la fitodegradacin (busca transformar los contaminantes en molculas inocuas), o la rizofiltracin (extraccin de contaminantes de soluciones acuosas por acumulacin en el sistema radicular de las plantas). La ventaja de esta tcnica es su bajo costo en trabajos de estabilizacin del suelo y en la mejora del paisaje, as como en la reduccin de la carga contaminante, aunque el tiempo requerido para llevar a cabo este tipo de remediacin es ms largo que el empleado por otras tcnicas. Generalmente la fitorremediacin se realiza por fitoextraccin y fitoestabilizacin (fitorrestauracin), que consisten en llevar a cabo inactivaciones insitu de los contaminantes por medio de la revegetacin o la utilizacin de enmiendas con capacidad fijadora con los que se consigue inmovilizar algunos metales. En el proceso de fitoextraccin las plantas hiperacumuladoras convierten los contaminantes que extraen del suelo a componentes inocuos o voltiles. Para ello se siembran las plantas con capacidad (natural o adquirida por ingeniera gentica) de extraccin del contaminante especfico, luego de un tiempo determinado se cosecha la biomasa y se incinera, seguido de un vertido o un tratamiento de las cenizas dependiendo del contaminante. De esta forma, los contaminantes acumulados en las plantas no se transmiten a travs de las redes alimentarias a otros organismos. Tanto las plantas como las enmiendas que se aplican al suelo, se utilizan para extraer o cambiar la forma qumica de los contaminantes, disminuyendo su disponibilidad qumica o biolgica y reduciendo el riesgo de contaminacin. El uso de tcnicas de fitorremediacin incluye la utilizacin de aditivos que inmovilizan los metales en el suelo. Las plantas adecuadas para llevar a cabo acciones de este tipo deben cumplir algunas caractersticas como tolerancia al metal que haya que eliminar, que la acumulacin se produzca fundamentalmente en la aparte area de la planta, que presenten rpido crecimiento y alta produccin de biomasa en la parte area. Se conocen ms de 400 especies de plantas con capacidad para hiperacumular selectivamente alguna sustancia, en la mayora de los casos no se trata de especies raras sino de cultivos conocidos, como el girasol, la alfalfa, la mostaza, el tomate, la calabaza, el esparto, el sauce y el bamb. 2.3. Biotratamiento de efluentes. Consiste en emplear microorganismos y plantas para eliminar (degradar) los contaminantes y/o transformarlos en otras especies qumicas menos agresivas o inocuas. Cuando el contaminante no se puede

4

biodegradar, como sucede con los metales pesados, una de las estrategias utilizada es la bioacumulacin y posterior retirada del organismo que ha acumulado el contaminante, o la biotransformacin del contaminante en otras sustancias ms estables y menos txicas, como sucede con la formacin de fases slidas en los dispositivos de tratamiento pasivo. Cuando los drenajes que proceden de las instalaciones mineras tienen grandes caudales, con elevada carga metlica, conviene realizar primero la estabilizacin fsica de las estructuras, seguido de los trabajos de sellado y restauracin para minimizar las descargas de efluentes y hacerlas aptas para su tratamiento en dispositivos pasivos (Fig. 3) o incluso inducir su remediacin mediante procesos de atenuacin natural.

Figura 3. Celdas de tratamiento pasivo de aguas cidas de mina.

La filosofa general de los tratamientos pasivos se basa en procesos fsicos, qumicos y biolgicos que ayudan a cambiar las condiciones de Eh y pH de las aguas cidas, de forma que se favorezca la formacin de especies insolubles que precipiten como oxihidrxidos metlicos. Por lo general, en estos sistemas, se recurre al uso de material alcalino para neutralizar la acidez, as como al empleo de vegetacin y/o microorganismos. En el caso de las bacterias catalizan las reacciones y aceleran los procesos que forman precipitados de baja solubilidad. Entre los mtodos pasivos con mayor aplicacin en el tratamiento de flujos superficiales (Fig. 4) destacan los de base qumica (abitica) como los drenajes anxicos calizos (ALD, Anoxic Limestone Drains), los canales xicos calizos (OLC, Open Limestone Drains), las balsas o estanques calizos (LP, Limestone Pons), y los de base biolgica como los humedales aerobios (Wetland), los humedales anaerobios o balsas orgnicas (Wetland Compost), los sistemas sucesivos de produccin de alcalinidad (SAPS, Successive Alkalinity Producing Systems). En el caso de drenajes con flujos subsuperficiales y/o subterrneos se pueden remediar con algn tipo de barrera reactiva permeable (PRB, Permeable Reactive Barriers) y, para lagos mineros se estn desarrollando con xito sistemas basados en bioprocesos anaerobios (Pit Lake Remediation).

Figura 4.Alternativas de tratamiento pasivo para efluentes de mina.

5

En todos los casos el objetivo principal es la supresin de la acidez, la precipitacin de los metales pesados y la eliminacin de sustancias contaminantes. En la prctica estos mtodos operan en condiciones aerobias o anxicas y se emplean solos o combinados, dependiendo del tipo de drenaje y de los requerimientos de tratamiento (Fig. 5).

Figura 5. Sistema de Humedales (Wetlands) y dispositivos de separacin slido-lquido.

2.3.1. De base qumica. Los sistemas de base qumica para flujos superficiales utilizan la caliza como agente principal de neutralizacin, cuyo objetivo principal es incrementar el pH y generar alcalinidad para disminuir la acidez del agua. Algunos funcionan en condiciones anxicas (ALD), otros en atmsfera abierta como LP y OLC, en donde se producen procesos de neutralizacin, oxidacin y precipitacin. Entre los dispositivos ms empleado de base qumica estn los Drenajes Anxicos Calizos (ALD), estos dispositivos consisten en una zanja de caliza enterrada a ms de un metro de profundidad y sellada a techo por una capa de tierra arcillosa y una lmina sinttica impermeable, generalmente de polietileno de alta densidad (PEAD) y protegido con un geotextil para evitar punzonamientos, con lo que se impide la entrada de oxgeno y se incrementa la presin parcial del CO2 para maximizar la disolucin de la caliza. El agua cida de mina circula por el interior de la zanja provocando la disolucin de la caliza, lo que genera alcalinidad (HCO3- + OH-) y eleva el pH del agua. 2.3.2. De base biolgica. En los sistemas de base biolgica (wetlands y SAPS) estn implicados diversos procesos mediados por microorganismos que catalizan las reacciones de oxidacin e hidrlisis, adems de la reduccin bacteriana del sulfato. Para ello, generalmente se recurre al empleo combinado de substratos orgnicos y de materiales alcalinos. En el caso de los humedales (wetlands) adems se incluyen plantas de rpido crecimiento y adaptadas a vivir en medios cidos. El empleo de vegetacin palustre emergente en los humedales, adems de favorecer una integracin natural con el entorno, tiene ventajas aadidas, como:

Las plantas ayudan a controlan la conductividad hidrulica del dispositivo, el crecimiento de races forma un substrato poroso e incrementa la circulacin del agua por la rizosfera.

La vegetacin elimina algunos nutrientes por asimilacin, intercambio inico y adsorcin.

Las races emergentes introducen oxgeno al medio, creando una zona oxigenada en la rizosfera que favorece una serie de procesos de oxidacin y formacin de fases slidas que precipitan y se depositan en el fondo o son arrastrados por el agua.

Las plantas viejas y muertas favorecen la formacin de materia orgnica en el dispositivo, lo que intensifica la actividad bacteriana e incrementa la eficacia de tratamiento biolgico.

6

Los tallos y las hojas de las plantas diversifican los flujos que atraviesan los humedales y evitan la formacin de vas preferentes.

El detritus orgnico y el carbono empleado por las plantas durante la funcin cloroflica proporciona alimento a los microorganismos presentes en los humedales.

Uno de los dispositivos de este tipo lo constituyen los Sistemas de Generacin Sucesiva de Alcalinidad (SAPS) que trabajan en permanente inundacin, el agua fluye por gravedad a travs de un substrato orgnico y otro de material alcalino. 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 reduccin anaerobia del sulfato y la disolucin de la caliza (CaCO3). Para favorecer las condiciones anxicas, deben funcionar con una altura de la lmina de agua mayor a 60 cm, esta lmina cubre un substrato permeable de un espesor de 30-60 cm formado mayoritariamente por material orgnico (70-90% de estircol, compost, turba, heno, aserrn, etc.), que est dispuesto sobre una capa de caliza cuya disolucin aporta alcalinidad al agua (Fig. 6). Para optimizar la reduccin del sulfato y el incremento del pH en el sistema, el agua que entra por la parte superior se embalsa para conseguir condiciones de anoxia en las capas inferiores, y se fuerza a un flujo vertical a travs de las capas de materia orgnica y caliza, para finalmente drenarla desde la base y conducirla generalmente a una balsa de decantacin para separar los precipitados. Entre los principales aspectos a tener en cuenta en el diseo de un SAPS tenemos: las caractersticas del agua a tratar, el rea o superficie, la geometra del dispositivo, la profundidad de la celda de tratamiento, el tiempo de retencin hidrulica, la composicin de los substratos, adems de las condiciones hidrolgicas del lugar, los cambios de temperatura y el clima.

Figura 6. Disposicin de las capas y lneas del flujo en un SAPS.

REFERENCIAS. 1. Aduvire, O., Escribano, M., Garca-Bermudez, P., Lpez-Jimeno, C., Mataix, C. y Vaquero, I. 2006. Manual de Construccin y Restauracin de Escombreras. Ed. ETSIM-UPM. 633pp. ISBN: 84-96140-20-2. 2. Alpers, C. y Blowes, D. (1992). Environmental geoche-mistry of sulfide oxidation. National Meeting of the American Chemical Society. Washington, DC. 325-342. 3. Brix, H. 1994. Use of constructed wetlands in water pollution control: historical development, present status, and future perspectives. Water, Science and Technology, 30, (8), 209-223. 4. Ross, B. 1990. The diversion capacity of capillary barriers, Water Resources Research, 26, 625-2629. 5. Wates, J.A., Rykaart, E.M. 1999. The Performance of Natural Soil Covers in Rehabilitating Opencast Mines and Waste Dumps in South Africa. Water Research Commission Report 575/1/99, ISBN No. 1868456139. 6. Zayed, A., Gowthaman, S. y Terry, N. 1998. Phytoaccumulation of trace elements by wetland plants. Journal of Environmental Quality, 27, (3), 715-721. 7. Zehner, W.B., Cornelius, J.M. y Besson, D.L. 1997. Acid/base account and minesoils: a review. 14th Annual National Meeting of the American Society for Surface Mining and Reclamation. Autin, Texas, May, 404-409. 8. Ziemkiewicz, P.F. y Brant, D.L. 1997. The Casselman river restoration project. 19th Annual Conference of the National Association of Abandoned Mine Lands Programs. Davis, West Virginia, August, 9 pp.