MEJORES TECNICAS DISPONIBLES EN LA ESTABILIDAD QUIMICA EN EL CIERRE DE MINAS Osvaldo ADUVIRE (1), José QUINTEROS (2) (1) SVS Ingenieros S.A.C.; email: [email protected] (2) Golder Associates Perú S.A.; email: [email protected] 1. INTRODUCCIÓN. En la actualidad se están imponiendo procesos de cierre innovadores que permiten considerar a los residuos mineros como recursos potenciales a través de programas de valorización y aprovechamiento de subproductos. Este planteamiento fomenta el uso racional de los recursos naturales mediante técnicas más eficientes que incrementan el número 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, además de constituir una vía a la reducción 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 volúmenes de almacenamiento final, controlar las emisiones contaminantes y reducir los costos de cierre. Para asegurar la viabilidad técnica, económica y medioambiental de los planes de cierre, éstos deben realizarse con las mejores técnicas disponibles (MTD), empleando tecnología limpias con materiales del lugar, y deben ejecutarse en lo posible conjuntamente con el proyecto de explotación y su costo debe incorporarse en el estudio de rentabilidad económica y repercutirse durante la vida de la mina. La aplicación de estas tecnologías limpias (biotecnología) en el cierre de minas, permite remediar y estabilizar áreas degradadas, controlar la erosión y la recuperación del paisaje, inmovilizar metales a formas menos biodisponibles o transformarlos a sustancias más estables mediante procesos físicos, químicos y biológicos como los que se fomentan en los sistemas de tratamiento pasivo, a fin de desarrollar un minería sostenida y de conservación de los ecosistemas y paisajes de entornos mineros (Fig.1).

Figura 1. El inventario ambiental permite recuperar los terrenos ocupados temporalmente por la minería. 2. ESTABILIDAD BIOGEOQUIMICA EN EL CIERRE. La efectividad de la estabilidad y eliminación de contaminantes esta en función al grado de accesibilidad del compuesto para ser asimilado por los seres vivos (biodisponibilidad). En el caso de una sustancia tóxica, 1

cuanto más biodisponible se encuentre mayor será la probabilidad de movilización por los seres vivos. La biodisponibilidad está determinada por las propiedades fisicoquímicas del compuesto, principalmente por su solubilidad en líquidos, o su capacidad para adsorberse a sustancias sólidas o para volatilizarse. Tal es así, que las sustancias volátiles o fuertemente adsorbidas a partículas sólidas no van a estar al alcance de muchos seres vivos, lo que reduce su potencial de toxicidad. Además la biodisponibilidad de una sustancia tóxica en el ambiente suele disminuir con el tiempo (envejecimiento). 2.1. Evaluación de generación ácida en los planes de cierre. Teniendo en cuenta que con el tiempo algunos minerales se comportan como ácido productores y otros como generadores de alcalinidad que neutralizan la acidez, conociendo esta característica se puede predecir la calidad de los drenajes de mina cuando se produzca la alteración de los materiales excavados. Para ello se recurre al empleo de uno o varios ensayos estáticos en el que se determina el potencial ácido/base de los materiales, así como al empleo de ensayos cinéticos (principalmente métodos de lixiviación) insitu o en laboratorio en los que se reproducen las condiciones ambientales de campo (físicas, químicas y biológicas). También se puede utilizar otras técnicas que incluyen procedimientos geofísicos y/o geoquímicos. Los ensayos estáticos, se basan en la evaluación del balance entre el potencial de generación ácida AP (oxidación de minerales sulfurosos) y la capacidad de neutralización ácida NP (disolución de carbonatos y otros minerales que aportan alcalinidad). Entre las técnicas de análisis estático de mayor aplicación tenemos la relación ácido/base (NP/AP) y Contenido de Azufre (Fig. 2), el ensayo de generación ácida neta (NAG) con la medida de conductividad (EC) y pH en pasta, entre otros.

Figura 2. Relación de los potenciales de generar y consumir acidez y el contenido de azufre para determinar la generación ácida de residuos mineros. 2.2. Biotecnología en la remediación de residuos mineros sólidos y líquidos. En minería las principales técnicas de remediación de residuos sólidos y líquidos aplicables en los planes de cierre son la biorremediación, la fitorremediación y el biotratamiento, que utilizan procesos naturales de degradación 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 última de su destrucción o biodegradación debido a su naturaleza química. La biotecnología aporta posibilidades para inmovilizar los metales en formas no biodisponibles, para concentrar los metales diluidos utilizando una biomasa diseñada con ese fin, para convertir los iones metálicos tóxicos en formas químicas más inocuas. 2.2.1. Biorremediación de suelos.

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Como procesos de biorremediación de suelos contaminados se encuentran los tratamientos de landfarming, la utilización de biofiltros o biorreactores y empleo de técnicas de compostaje. En estos procesos la actividad biológica de los microorganismos es fundamental, además de las características fisicoquímicas y biológicas de los suelos a tratar, la naturaleza y concentración de los contaminantes, la dinámica de los contaminantes en el suelo, y los procesos de transformación de los contaminantes. Los factores que afectan a la biorremediación pueden ser: ambientales (temperatura, pH, nutrientes, oxígeno, la humedad, etc.) que proporcionan las condiciones óptimas para el crecimiento de los microorganismos; físicos como la disponibilidad del contaminante para los microorganismos y, químicos en donde se contempla la estructura molecular del contaminante y su capacidad para ser biodegradado. Las estrategias más viables de biorremediación son la bioestimulación que se consigue aumentando la velocidad de crecimiento de los microorganismos para potenciar la degradación de los contaminantes, y la bioaumentación o bioincremento que consiste en incrementar la comunidad bacteriana mediante la adición de cultivos especializados, desarrollados para mejorar la eficacia en la degradación de contaminantes. 2.2.2. Fitorremediación. Es un procedimiento que utiliza especies vegetales para contener, inmovilizar, remover o neutralizar compuestos orgánicos, elementos traza o elementos radiactivos que pueden ser tóxicos en aguas o suelos. Esta técnica incluye cualquier proceso biológico, físico o químico que realizan las plantas o microorganismos (rizosfera) para absorber, secuestrar y degradar contaminantes. Existen distintos tipos de fitorremediación en función de la forma y el lugar de actuación, destacan: la fitoestabilización (cuando se trata de evitar la dispersión de contaminantes y la erosión del suelo), la fitoextracción (su objetivo es trasladar los contaminantes desde el suelo a la parte aérea de las plantas), la fitodegradación (busca transformar los contaminantes en moléculas inocuas), o la rizofiltración (extracción de contaminantes de soluciones acuosas por acumulación en el sistema radicular de las plantas). La ventaja de esta técnica es su bajo costo en trabajos de estabilización del suelo y en la mejora del paisaje, así como en la reducción de la carga contaminante, aunque el tiempo requerido para llevar a cabo este tipo de remediación es más largo que el empleado por otras técnicas. Generalmente la fitorremediación se realiza por fitoextracción y fitoestabilización (fitorrestauración), que consisten en llevar a cabo inactivaciones insitu de los contaminantes por medio de la revegetación o la utilización de enmiendas con capacidad fijadora con los que se consigue inmovilizar algunos metales. En el proceso de fitoextracción las plantas hiperacumuladoras convierten los contaminantes que extraen del suelo a componentes inocuos o volátiles. Para ello se siembran las plantas con capacidad (natural o adquirida por ingeniería genética) de extracción del contaminante específico, 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 través 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 química de los contaminantes, disminuyendo su disponibilidad química o biológica y reduciendo el riesgo de contaminación. El uso de técnicas de fitorremediación incluye la utilización de aditivos que inmovilizan los metales en el suelo. Las plantas adecuadas para llevar a cabo acciones de este tipo deben cumplir algunas características como tolerancia al metal que haya que eliminar, que la acumulación se produzca fundamentalmente en la aparte aérea de la planta, que presenten rápido crecimiento y alta producción de biomasa en la parte aérea. Se conocen más de 400 especies de plantas con capacidad para hiperacumular selectivamente alguna sustancia, en la mayoría 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 bambú. 2.3. Biotratamiento de efluentes. Consiste en emplear microorganismos y plantas para eliminar (degradar) los contaminantes y/o transformarlos en otras especies químicas menos agresivas o inocuas. Cuando el contaminante no se puede

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biodegradar, como sucede con los metales pesados, una de las estrategias utilizada es la bioacumulación y posterior retirada del organismo que ha acumulado el contaminante, o la biotransformación del contaminante en otras sustancias más estables y menos tóxicas, como sucede con la formación de fases sólidas en los dispositivos de tratamiento pasivo. Cuando los drenajes que proceden de las instalaciones mineras tienen grandes caudales, con elevada carga metálica, conviene realizar primero la estabilización física de las estructuras, seguido de los trabajos de sellado y restauración para minimizar las descargas de efluentes y hacerlas aptas para su tratamiento en dispositivos pasivos (Fig. 3) o incluso inducir su remediación mediante procesos de atenuación natural.

Figura 3. Celdas de tratamiento pasivo de aguas ácidas de mina. La filosofía general de los tratamientos pasivos se basa en procesos físicos, químicos y biológicos que ayudan a cambiar las condiciones de Eh y pH de las aguas ácidas, de forma que se favorezca la formación de especies insolubles que precipiten como oxihidróxidos metálicos. Por lo general, en estos sistemas, se recurre al uso de material alcalino para neutralizar la acidez, así como al empleo de vegetación y/o microorganismos. En el caso de las bacterias catalizan las reacciones y aceleran los procesos que forman precipitados de baja solubilidad. Entre los métodos pasivos con mayor aplicación en el tratamiento de flujos superficiales (Fig. 4) destacan los de base química (abiótica) como los drenajes anóxicos calizos (ALD, Anoxic Limestone Drains), los canales óxicos calizos (OLC, Open Limestone Drains), las balsas o estanques calizos (LP, Limestone Pons), y los de base biológica como los humedales aerobios (Wetland), los humedales anaerobios o balsas orgánicas (Wetland Compost), los sistemas sucesivos de producción de alcalinidad (SAPS, Successive Alkalinity Producing Systems). En el caso de drenajes con flujos subsuperficiales y/o subterráneos se pueden remediar con algún tipo de barrera reactiva permeable (PRB, Permeable Reactive Barriers) y, para lagos mineros se están desarrollando con éxito sistemas basados en bioprocesos anaerobios (Pit Lake Remediation).

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

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En todos los casos el objetivo principal es la supresión de la acidez, la precipitación de los metales pesados y la eliminación de sustancias contaminantes. En la práctica estos métodos operan en condiciones aerobias o anóxicas 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 separación sólido-líquido. 2.3.1. De base química. Los sistemas de base química para flujos superficiales utilizan la caliza como agente principal de neutralización, cuyo objetivo principal es incrementar el pH y generar alcalinidad para disminuir la acidez del agua. Algunos funcionan en condiciones anóxicas (ALD), otros en atmósfera abierta como LP y OLC, en donde se producen procesos de neutralización, oxidación y precipitación. Entre los dispositivos más empleado de base química están los Drenajes Anóxicos Calizos (ALD), estos dispositivos consisten en una zanja de caliza enterrada a más de un metro de profundidad y sellada a techo por una capa de tierra arcillosa y una lámina sintética impermeable, generalmente de polietileno de alta densidad (PEAD) y protegido con un geotextil para evitar punzonamientos, con lo que se impide la entrada de oxígeno y se incrementa la presión parcial del CO2 para maximizar la disolución de la caliza. El agua ácida de mina circula por el interior de la zanja provocando la disolución de la caliza, lo que genera alcalinidad (HCO3+ OH-) y eleva el pH del agua. 2.3.2. De base biológica. En los sistemas de base biológica (wetlands y SAPS) están implicados diversos procesos mediados por microorganismos que catalizan las reacciones de oxidación e hidrólisis, además de la reducción bacteriana del sulfato. Para ello, generalmente se recurre al empleo combinado de substratos orgánicos y de materiales alcalinos. En el caso de los humedales (wetlands) además se incluyen plantas de rápido crecimiento y adaptadas a vivir en medios ácidos. El empleo de vegetación palustre emergente en los humedales, además de favorecer una integración natural con el entorno, tiene ventajas añadidas, como: • • •

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Las plantas ayudan a controlan la conductividad hidráulica del dispositivo, el crecimiento de raíces forma un substrato poroso e incrementa la circulación del agua por la rizosfera. La vegetación elimina algunos nutrientes por asimilación, intercambio iónico y adsorción. Las raíces emergentes introducen oxígeno al medio, creando una zona oxigenada en la rizosfera que favorece una serie de procesos de oxidación y formación de fases sólidas que precipitan y se depositan en el fondo o son arrastrados por el agua. Las plantas viejas y muertas favorecen la formación de materia orgánica en el dispositivo, lo que intensifica la actividad bacteriana e incrementa la eficacia de tratamiento biológico.

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Los tallos y las hojas de las plantas diversifican los flujos que atraviesan los humedales y evitan la formación de vías preferentes. El detritus orgánico y el carbono empleado por las plantas durante la función clorofílica proporciona alimento a los microorganismos presentes en los humedales.

Uno de los dispositivos de este tipo lo constituyen los Sistemas de Generación Sucesiva de Alcalinidad (SAPS) que trabajan en permanente inundación, el agua fluye por gravedad a través de un substrato orgánico 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 reducción anaerobia del sulfato y la disolución de la caliza (CaCO3). Para favorecer las condiciones anóxicas, deben funcionar con una altura de la lámina de agua mayor a 60 cm, esta lámina cubre un substrato permeable de un espesor de 30-60 cm formado mayoritariamente por material orgánico (70-90% de estiércol, compost, turba, heno, aserrín, etc.), que está dispuesto sobre una capa de caliza cuya disolución aporta alcalinidad al agua (Fig. 6). Para optimizar la reducción 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 través de las capas de materia orgánica y caliza, para finalmente drenarla desde la base y conducirla generalmente a una balsa de decantación para separar los precipitados. Entre los principales aspectos a tener en cuenta en el diseño de un SAPS tenemos: las características del agua a tratar, el área o superficie, la geometría del dispositivo, la profundidad de la celda de tratamiento, el tiempo de retención hidráulica, la composición de los substratos, además de las condiciones hidrológicas del lugar, los cambios de temperatura y el clima.

Figura 6. Disposición de las capas y líneas del flujo en un SAPS. REFERENCIAS. 1. Aduvire, O., Escribano, M., García-Bermudez, P., López-Jimeno, C., Mataix, C. y Vaquero, I. 2006. Manual de Construcción y Restauración 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.

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