44ConferenciaTratamiento de Aguas Ácidas. Prevención y Reducción de la Contaminación

Conferencia invitada: Baquero et al., Macla 10 (2008) 44-47

Tratamiento de Aguas Ácidas.Prevención y Reducción de laContaminación/ JUAN CARLOS BAQUERO ÚBEDA (1,2) / RAFAEL FERNÁNDEZ RUBIO (2,3) / JULIO VERDEJO SERRANO (3)/ DAVID LORCA FERNÁNDEZ (3)

ANTECEDENTES

Un agua es ácida cuando su pH<7. Noobstante, ello no exige que deje de serpotable o resulte nociva hasta alcanzarniveles bastante inferiores (por ejem-plo, deja de ser potable para pH< 5.5).

A no ser por causas antrópicas, resultanmuy raros de encontrar pH<3.5 ópH>10.5, existiendo una tendencia natu-ral a su neutralización (por saturación,

precipitación, dilución, etc.), resultandoestas anomalías las más agresivas.

La solubilidad de rocas y minerales, seve fuertemente afectada por el pH delmedio, de forma que, un agua ácidasuele, además de ser nociva por su pH,ir acompañada de numerosos metalesen disolución, que aportan una impor-tante toxicidad al efluente.

Las aguas ácidas (Fig 1) se pueden formar

tanto en el interior como en la superficie,por oxidación de la pirita (FeS2 u otros sul-furos) en presencia de humedad, expues-ta a las condiciones atmosféricas, pudien-do acceder al sistema hidráulico subterrá-neo, contaminando acuíferos, o surgircomo efluentes que vierten en cursos deagua superficial.

El presente artículo se refiere únicamentea la prevención y minimización de aguasácidas, en su generación, sin entrar en la

(1) Cobre Las Cruces, S.A. Avda. 1º de Mayo, 46. 41860 Gerena (Sevilla); (2) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas. Universidad Politécnica de Madrid.C/ Ríos Rosas, 21. 28003 Madrid; (3) FRASA Ingenieros Consultores. C/ Luna 45, 28120 Ciudad Santo Domingo (Madrid)

palabras clave: Aguas ácidas, factores generadores, control yminimización, tratamientos preventivos.

key words: Acidic waters, generation factors, minimization andcontrol, preventive treatments.

*corresponding author: juancarlos.baquero@cobrelascruces.com

fig 1. Problemática ambiental de las aguas ácidas. (a) Efluente de agua ácida cargada en metales pesados (cobre), en la Mina de Sossego (Carajás, Brasil); (b) Efluentes ácidos en áreaminera abandonada de São Domingos (Portugal); (c) Río Odiel.

El presente artículo se refiere únicamente a la prevención y minimización de aguas ácidas, en su generación, sin entrar en la descripciónde tratamientos activos, pasivos o mixtos de dichas aguas. Cuando existe riesgo de generación de aguas ácidas, con el fin de eliminar o,al menos, minimizar su aparición, deberían tenerse en cuenta criterios de diseño y gestión del riesgo. La prevención de la contaminaciónderivada de las actividades mineras se relaciona, estrechamente, con los métodos de explotación, el aporte de aguas (superficiales y sub-terráneas) y el tratamiento de las mismas.Con respecto a las formas de actuar, cabe distinguir aquellas acciones que se orientan haciael objetivo de reducir la formación de contaminantes, y aquellas otras que implican el tratamiento de las aguas contaminadas. En general,la actuación no se ciñe a un sólo procedimiento, sino que es combinación de varios, y se acomete en función del problema específico aresolver, ya que su eficiencia puede ser muy diferente de unos casos a otros.Los métodos preventivos se basan en la eliminación de algu-no de los elementos esenciales en la generación de aguas ácidas (sulfuro, oxígeno, humedad o bacterias catalizadoras).La elección entreuno u otro método, depende de las condiciones (origen, desagüe, grado de actividad, etc.), características (físicas y químicas) y carácter(permanente y temporal) del efluente, así como espacio disponible. Los tratamientos aquí expuestos, son tanto in situ, como confinadosen espacios inundados o bajo lámina de agua, en huecos mineros superficiales aislados del agua, o eliminando la humedad medianteprocesos de evaporatranspiración.

This article refers solely to the prevention and minimization of acid water when generated, without including any description of active, pas-sive or mixed treatments for such water. When there is a risk of acid water being generated, design criteria and risk management shouldbe taken into account for eliminating or at least minimizing it. Prevention of the contamination caused by mining is closely related to miningmethods, the abundance of water (both surface and underground) and water treatment. With regard to the different approaches, a distinc-tion must be made between actions aimed at reducing the formation of contaminating substances, and others involving the treatment ofthe contaminated water. In general, the measures taken are not limited to just one procedure, but are rather a combination of several dif-ferent ones, and are undertaken according to the specific problem to be resolved, since their effectiveness may vary considerably in thedifferent cases. Preventive methods are based on the elimination of one of the fundamental elements required for generation of acid water(sulphur, oxygen, humidity or catalyzing bacteria).Choosing one method or another depends on the conditions (origin, drainage, degree ofactivity, etc.), characteristics (physical and chemical) and nature (permanent or temporary) of the effluent, and on the available space. Thetreatments set our here are both on site and confined in flooded areas or under a sheet of water, in surface mines isolated from water, orby eliminating humidity using evapotranspiration processes.

c)b)a)

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descripción de tratamientos activos, pasi-vos o mixtos de dichas aguas.

Producción de aguas ácidas

La producción de aguas ácidas, estácontrolada por los siguientes factores:• disponibilidad de pirita• presencia de oxígeno• existencia de humedad en la atmósfera• disponibilidad de agua para transportar

los productos de oxidación• características de la mina o de los

depósitos estériles

La velocidad de reacción depende denumerosas variables, como:• pH y temperatura, del agua y ambiente• tipo de mineral sulfuroso y superficie

expuesta• concentración de oxígeno• agentes catalíticos y actividad química

del hierro férrico• energía de actuación química requeri-

da para que se inicie la reacción• presencia de Thiobacillus ferrooxidans

u otras bacterias, que actúan comocatalizadoras

Sobre algunas de estas variables sepuede actuar, para reducir dichas aguasácidas. El problema se plantea, muchasveces, cuando sobre una explotaciónminera subterránea se implanta una acielo abierto, que es colectora de aguasde escorrentía, las cuales se introdu-cen en la mina; este ha sido el caso,por ejemplo, de la Corta del Zanjón, enla mina de Reocín en Cantabria.

En ocasiones, la generación de aguasácidas muestran fluctuaciones estrecha-mente ligadas a los ciclos de lluvias (Fig2), como ha sido puesto de manifiesto enla mina de cobalto cuprífero de Black Bird(Idaho, USA), donde, por término medio,cerca del 75% de la descarga de metalespesados, tiene lugar en los meses deAbril y Mayo.

La acidez, con el descenso del pH delagua, tiene las siguientes consecuen-cias principales:• el agua se hace fuertemente corrosiva• la solubilidad de muchos metales

pesados aumenta, con lo que las

aguas llegan a ser tóxicas• el ecosistema fluvial se degrada,

hasta ser incapaz de mantenermuchas formas de vida acuática, y lossistemas acuíferos se contaminan

Cuando, por causas naturales o provo-cadas, se eleva el pH del agua comien-za la precipitación de metales pesados.En este sentido puede decirse que cadametal disuelto precipita a un determina-do pH (el manganeso es de los querequiere pH alcalinos más elevadospara su precipitación).

GESTIÓN PREVENTIVA DE AGUAS ÁCIDAS

Cuando existe riesgo de generación deaguas ácidas, con el fin de eliminar o,al menos, minimizar su aparición, debe-rían tenerse en cuenta los siguientescriterios de diseño y gestión del riesgo:1. Prevenir y minimizar la generación de

aguas ácidas: Planificar adecuada-mente la actividad y su entorno,caracterizando los posibles efluentes(sistemáticos o accidentales), asícomo sus efectos sobre el medio.

2. Detectar y caracterizar (caudales yconcentraciones), tanto posiblesfocos generadores de contaminación(equipos o actividades), como puntosde vertido (continuo o accidental)

3. Actuar con rapidez y eficacia en laconstrucción de barreras.

3. Concentrar los efluentes y aislarlosdel entorno.

4. Controlar la red hidráulica del entor-no de forma continua, espacio-tem-poral, de acuerdo con valores guía.

5. Realizar el tratamiento de las aguasácidas (caso de producirse).

6. Regenerar el medio.7. Cuantificar los efectos.

La prevención de la contaminación deri-vada de las actividades mineras se rela-ciona, estrechamente, con los métodosde explotación, el aporte de aguas(superficiales y subterráneas) y el trata-miento de las mismas.

Con respecto a las formas de actuar,cabe distinguir aquellas acciones quese orientan hacia el objetivo de reducirla formación de contaminantes, y aque-llas otras que implican el tratamientode las aguas contaminadas.

En general, la actuación no se ciñe a unsólo procedimiento, sino que es combi-nación de varios, y se acomete en fun-ción del problema específico a resolver,ya que su eficiencia puede ser muy dife-rente de unos casos a otros.

Los métodos preventivos (Fig 3) se basanen la eliminación de alguno de los ele-mentos esenciales en la generación deaguas ácidas (sulfuro, oxígeno, humedad

o bacterias catalizadoras), tales como:• impermeabilización de escombreras,

cauces y áreas de riesgo potencial• construcción de socavones de desagüe

y canales perimetrales• retirada, segregación y depósito

selectivo de los materiales potencial-mente acidificadores

• sellado de comunicaciones con elsubsuelo

• depósitos subacuaticos e inunda-ción,

• enmienda con materiales neutraliza-dores

• adición de bactericidas (sulfato delauril sodio, benzoato de potasio,etc.) y enmiendas.

La elección entre uno u otro método,depende de las condiciones (origen,desagüe, grado de actividad, etc.),características (físicas y químicas) ycarácter (permanente y temporal) delefluente, así como espacio disponible.

Donde es imposible evitar la oxidación delos sulfuros, la estrategia preferible es ais-lar los materiales que entrañan mayor ries-go y retener los productos de la oxidaciónpara minimizar el daño ambiental. Laopción menos deseable es tratar los dre-najes ácidos resultantes y corregir losimpactos que éstos generen.

Sea como fuere, es muy importante plani-ficar las operaciones de prevención efecti-va de la contaminación, desde el inicio de

fig 2. Muestreo hidroquímico en arroyos del entorno aLousal (Portugal).

fig 3. Tratamientos preventivos para la restauración minera.(a) Sellado de galerías mineras (Aljustrel, Portugal); (b)Sellado de pozos y galerías en Colliery, Shortwood (Bristol,Reino Unido).

b)

a)

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Conferencia Invitada

la investigación minera, hasta el abandonode la explotación y, para ello, se requiereun conocimiento profundo de la hidrogeo-logía del sector afectado, para prever losmecanismos de transferencia de los con-taminantes hasta el sistema acuífero.

Pero no se puede perder de vista que,con respecto a la prevención de la conta-minación, sólo se ha tomado concienciaen los últimos años, y que, con anteriori-dad, la minería se ceñía a conseguir lamáxima recuperación económica delmineral, sin prestar mucha atención a lacontaminación misma.

Esta pre-planificación permite evitar, o almenos minimizar, la contaminación, siésta se produce. Existen en la actualidadtécnicas adecuadas para la manipulacióno el tratamiento corrector de dichasaguas, aunque a menudo dichas solucio-nes son complejas de aplicar, que precisade asesoramiento experto en la materia.

Tratamiento in situ

Lo ideal podría ser proceder a la estabi-lización, impermeabilización y rehabili-tación in situ, de los depósitos suscep-tibles de causar estos efluentes (Fig 4),ya que: se evitaría su manipulación; nose requeriría transporte; no se afectaríaambientalmente a otras áreas; se recu-perarían áreas degradadas; etc.

La valoración de esta opción requiere:• definir cartográficamente las superfi-

cies afectadas por cada uno de losdepósitos de estériles,

• analizar la posibilidad de reducirestas superficies, apilando sobredepósitos existentes los residuos de

poco espesor,• estudiar la estabilidad geotécnica de

los apiles, especialmente frente adeslizamientos,

• analizar la integración morfológica enel paisaje y, caso necesario, planifi-car su remodelación,

• calcular los volúmenes de materialesde baja permeabilidad y no reactivos,necesarios para encapsular los depó-sitos con un recubrimiento

• localizar áreas que pudieran aportarmateriales litológicos de las calida-des requeridas

• estudiar, como alternativa, el empleode geomembranas de recubrimiento,con una cobertera de materiales iner-tes

• estudiar y definir la cobertera vegetaladecuada, para estabilización, luchacontra la erosión, e integración paisa-jística.

La secuencia típica de operaciones,para restituir la salida de efluentes áci-dos de un depósito de estériles suscep-tible de generarlos, es la siguiente:• Explanar y remodelar la superficie, de

modo que el drenaje se produzca desdeel centro hacia la periferia, de maneraque no queden pendientes superioresal 15%. Se construirán canales periféri-cos, para desviar el agua de escorrentíaque pudiera infiltrarse o acceder a losmateriales apilados.

• Compactar la superficie del apile, deforma que se reduzca su permeabili-dad y porosidad, y se mejoren suscaracterísticas geotécnicas.

• Extender un material impermeablede cobertera.

• Colocar una capa drenante, para faci-litar la circulación del agua, evitandosu tendencia a infiltrarse.

• Extender una capa de tierra vegetal omezcla, de materiales capaces desostener una cubierta vegetal.

Un paso previo, a la resolución de los múl-tiples problemas que plantean las aguasácidas, desde la óptica preventiva, pasapor reducir al máximo sus caudales, paratener que tratar menores volúmenes.

Este estudio, debe plantearse a nivel deanteproyecto, al objeto de tener no sólouna valoración técnica, sino también eco-nómica, que permita definir su viabilidad,bien para la totalidad de los depósitos deestériles, bien para parte de ellos. (Fig 5)

Almacenamiento en minas subterráneasinundadas o bajo lámina de agua

La mejor forma de evitar la oxidación de losmateriales piríticos es su almacenamientoen condiciones anóxicas, es decir: bajoagua (al menos a 1.20 m de profundidad).

Para ello se requiere conocer el volu-

men disponible en cada embalse, pordebajo de la cota máxima de aguaadmisible, información que podrá con-seguirse mediante batimetría. En todocaso, hay que tener en cuenta si exis-te algún problema geotécnico de esta-bilidad y de evacuación de máximaslluvias (balance hídrico), que deberáser resueltos previamente.

Un procedimiento de actuación, quepodría evitar problemas de estos depó-sitos de estériles (generación de aguasácidas, degradación super ficial delsuelo, e impacto paisajístico), consisteen su reintroducción en las minas sub-terráneas, y su posterior inundacióncontrolada.

Para analizar las posibilidades que ofre-ce esta opción será necesario determi-nar los emplazamientos, en la mineríasubterránea, que pudieran reunir condi-ciones adecuadas para este almacena-miento, en minas que esté previsto suabandono definitivo e inundación. Estoshuecos mineros existentes deberáncubicarse, al tiempo que tendrá que seranalizada la viabilidad técnica de rein-troducción de los estériles.

El aire no debe acceder al hueco mine-ro, con lo cual cesa la producción deagua ácida, al evitarse la oxidación dela pirita.

Hay que tener en cuenta que si los has-tiales de cualquier galería subterráneacontienen sulfuros, se produce la oxida-ción directa, durante la explotación, poracción conjunta del aire y el agua. Losproductos que se forman son ácido sul-fúrico y depósitos metálicos solubles,que dan lugar a costras y sedimentosde vivos colores. Esta oxidación puedepenetrar profundamente en la roca, através de las fracturas mineralizadas.Cuando la mina se inunda, los produc-tos de oxidación pueden afectar al aguaallí almacenada.

Esto explica que la calidad de losefluentes de una mina inundada mejore

fig 4. Tratamiento activo de aguas ácidad de mina. (a)Balsas de concentración y evaporación de aguas ácidas, enAlgares (Aljustrel, Portugal); (b) Cubrición y revegetación detaludes en escombreras activas (Carajás, Brasil).

fig 5. Proyecto de restauración del área minera de Algares(Aljustrel, Portugal).

b)

a)

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muy lentamente, ya que el agua queproduce la mina no será de buena cali-dad hasta que no haya sido desalojadatodo el agua contaminada contenida enella, y ello requiere, normalmente, unperíodo de muchos años.Aunque la inundación reducirá la poste-rior oxidación de los sulfuros, puedecontribuir a la contaminación, en algu-nos casos, al incorporar a mineralesoxidados previamente, o al producirseun aporte de aguas ya mineralizadasque fluyan hacia los acuíferos, o a laescorrentía superficial.

Almacenamiento en huecos minerosde superficie

Una opción, que debe ser analizada paraconfinar, al menos, una parte de losdepósitos de estériles reactivos, es lareferente a la utilización de excavacionesrealizadas en superficie para la explota-ción minera o para extraer materiales derelleno para la minería subterránea.

Los aportes de agua a los huecos mine-ros tienen una clara dependencia de lasaguas superficiales. En estas condicio-nes es indudablemente que la mejorforma de reducir el aporte de aguas áci-das, a las labores mineras, consiste endisminuir el acceso de aguas superfi-ciales a favor de las vías de circulación,que básicamente son las propias labo-res mineras y las fallas subverticales.Se requiere para ello:• cubicar estos huecos hasta alcanzar

una morfología superficial adecuada• estudiar las características hidrogeo-

lógicas del entorno• analizar la integración morfológica en

el paisaje• calcular los volúmenes de materiales

de baja permeabilidad y no reactivos,necesarios para recubrir a los estéri-les aquí apilados

• localizar áreas que puedan aportarmateriales litológicos de recubrimien-to de las calidades requeridas

• estudiar, como alternativa, el empleode geomembranas de recubrimiento,cubiertas por materiales inertes

• estudiar y definir la cobertera vege-tal adecuada, para estabilización,lucha contra la erosión, e integraciónpaisajística.

Por supuesto toda posibilidad de actua-ción tiene que tener en cuenta los nuevosvolúmenes de estériles que proporcionarála reanudación de la actividad minera,caso de que así se decida y, en cualquiercaso, tiene que evitar invalidar cualquieropción de actividad minera futura.

Eliminación por evaporación

Las aguas ácidas almacenadas en bal-sas, están sujetas a los procesos natu-

rales de precipitación-evaporación, ensuperficie libre de agua. En todo caso,y a efectos de establecer balanceshídricos, conviene cuantificarla (median-te pluviómetro y tanque evaporimétrico,con la precaución de que el agua colo-cada en este equipamiento sea seme-jante al agua embalsada, ya que la tasade evaporación depende de la salinidadtotal del agua).

Además de esta evaporación, en embal-ses, los volúmenes evaporados se pue-den incrementar mediante aspersores,que micronicen el agua en pequeñasgotas en contacto con el aire.

En la ubicación de estas áreas de eva-poración intensa, hay que tener encuenta que el fenómeno de la evapora-ción está muy relacionado con el viento(oreo), por lo que estos aspersoresdeben situarse, siempre que sea posi-ble, en superficies abiertas, dondecorra el viento sin obstáculos, cuidandoque no se produzcan aportes no desea-bles hacia el entorno.

Eliminación por evapotranspiración

Una forma de reducir los flujos sub-superficiales, hacia los materiales reac-tivos, es mediante una evapotranspira-ción forzada, conseguida medianteplantas freatofitas que sean compati-bles con la calidad de las aguas.

En este sentido es necesario estudiar laposibilidad, en ciertos entornos, de sem-brar plantas adecuadas que, cubriendo elobjetivo de producir una evapotranspira-ción intensa, puedan convivir con lasaguas ácidas. Las mejores experienciasse tienen con plantaciones de eucaliptos,que son verdaderos “árboles pozo” (porlos volúmenes que son capaces de eva-potranspirar), y que soportan acidez rela-tivamente elevada.

En todo caso hay que realizar un estudiode las condiciones locales de suelos,clima, calidad de las aguas, y vegetaciónnatural existente, para seleccionar lasplantas más adecuadas.Una vez realiza-da esta selección deberá experimentar-se en parcelas piloto, previamente a laadopción de la especie o especies ade-cuadas para estas plantaciones.

Hay que tener en cuenta que las freatofitaspueden tener interés tanto para reducir elagua, que accede por infiltración directa oescorrentía superficial a las masas deestériles o rocas reactivas, como parareducir el volumen de efluentes.

Programa de Vigilancia y Control

Puede entenderse como tal todo programade auscultación continua, que permita

definir, en cualquier momento, las causasde los cambios de calidad de las aguas,las fuentes de contaminación existentes opotenciales, y la predicción de la naturale-za de los futuros cambios de calidad.

Desgraciadamente, tal control sólo inclu-ye con frecuencia el muestreo de pozos omanantiales, y así se incluye como únicapráctica a realizar en muchos programasde auscultación. Sin embargo, estemuestreo puede ser minimizado si seidentifican las causas motivadoras de lacontaminación y sus mecanismos detransporte, para permitir una predicciónanticipada de los posibles cambios decalidad de las aguas.

Los principales controles a desarrollarson los siguientes (si es posible, a dife-rentes profundidades):• determinaciones in situ, de temperatu-

ra (aire y agua), pH, Eh y conductividad• control de caudales, tanto en bombe-

os, como en manantiales como encauces superficiales

• muestreo físico-químico del agua(determinación de la concentración enmetales pesados y elementos tóxicos,nocivos o peligrosos)

• control de nivel piezométrico• controles geofísicos eléctricos de

resistividad, basados en el incrementode conductividad de las aguas ácidas

• control de tanques de almacenamien-to y conducciones

• balance hídrico (precipitación y evapo-transpiración), cuantitativo y cualitativo

• muestreo físico-químico de suelospotencialmente contaminantes (deter-minación de su cubicación, emplaza-miento, valoración del riesgo, composi-ción y potencial de acidificación).

Referencias

Fernández Rubio, R, Baquero Úbeda, J.C.Lorca Fernández, D. & Verdejo Serrano, J.(2002): Tratamientos pasivos en humedales,de aguas ácidas con carga en metales pesa-dos. V Congreso Nacional del Agua y elMedio Ambiente.

_ , R, León Fábregas, A. & Baquero Úbeda,J.C. (2005): Impacto de las actividadesmineras sobre la calidad de las aguas.Medidas de prevención.

Ford, K.L. (2003): Passive treatment systemsfor acid mine drainage. Technical Note 409,Bureau of Land Management, 13 pp.

Skousen, J. (2000): Overview of passivesystems for treating acid mine drainage. InReclamation of Drastically Disturbed Lands(eds. Barnhisel R.I., Darmody R.G., andDaniels W.L.), American Society of Agronomy.