Resumen—. El presente artículo describe los drenajes ácidos de mina o de roca como una de las principales problemáticas ambientales que generan los trabajos mineros en los ámbitos nacional e internacional, donde se da a conocer diariamente, su formación, sus principales impactos y el manejo adecuado que se debe hacer de ellos para evitar su generación o para efectuar su remediación y tratamiento en los casos donde ya existen. Adicionalmente se enuncian algunas posibilidades económicas que pueden tener los subproductos del tratamiento de los DAM para intentar transformar un pasivo ambiental en una oportunidad económica, en las situaciones donde problema es irreversible
Palabras clave: drenajes, roca, medio ambiente, explotación minera.
Abstract—. This article describes the acid mine drainage or rock as a major environmental problems generated by the mining works at national and international levels, where it is provided daily, its formation, its main impacts and appropriate management that must make them to prevent generation or to effect remediation and treatment in cases where they already exist. Additionally some economic possibilities that can be byproducts of the treatment of DAM to try to transform an environmental liability into an economic opportunity, in situations where problem is irreversible enunciated.
Index Terms— drainage, rock, environment, mining
I. INTRODUCCIÓN
Los trabajos de explotación minera realizados en el ámbito mundial para la obtención de diferentes materiales de interés económico como el oro, la plata, el hierro, el cobre, el carbón, entre otros, han venido generando desde hace siglos, enormes impactos ambientales, que solo hasta hace un poco más de tres décadas comenzaron a ser estudiados y considerados con mayor seriedad [1]. Uno de los principales impactos generados en la minería de metales y carbón, son los Drenajes Ácidos de Mina (DAM), que se generan a partir
de la oxidación de sulfuros metálicos, especialmente los de hierro como la pirita (FeS2), en presencia de oxígeno atmosférico y agua [2].
La importancia en el estudio de sus impactos sobre el medio ambiente radica en que los drenajes ácidos son efluentes de trabajos mineros que contaminan fuentes hídricas superficiales y cuerpos de agua subterráneos porque presentan valores de pH entre 1,5 y 6, aportan una gran cantidad de acidez debida a la formación de ácido sulfúrico y elevadas concentraciones de metales pesados como el cobre, plomo, arsénico, entre otros; que son solubles a valores de pH bajos. Adicionalmente, los DAM generan sedimentos de color rojo – naranja debido a precipitados de hierro y de sulfatos que ocupan los espacios para el desove de los peces, se introducen entre sus branquias y cubren los detritos que sirven como alimento [3]. Por otra parte, la vegetación terrestre que pueda estar en contacto con los DAM también se ve ampliamente afectada ya que la acidez y concentración de iones como sulfatos y cloruros impide su normal crecimiento [3].
Finalmente una de las características más importantes de los DAM en cuanto a impactos de la minería, radica en que una vez han sido generados, el proceso de formación es cíclico e irreversible y perdura por años o décadas hasta tanto no sea eliminado uno de los principales agentes que lo causan.
II. FORMACIÓN
El proceso de formación de los Drenajes Ácidos de Mina, inicia cuando los minerales sulfurados como la pirita se exponen a los efectos del oxígeno y el agua. Esto sucede cuando se hace remoción de material como apertura de tajos, túneles, se acopian estériles de mina, se disponen los relaves sin ningún tipo de control civil. En la reacción (1) se muestra el proceso de oxidación de la pirita, en este paso el oxígeno actúa como agente oxidante principal y los sulfuros se oxidan a sulfatos [2].
Drenajes Ácidos de Mina
Formación y Manejo
Laura Teresa Chaparro Leal, [email protected]. Estudiante posgrado en la Université du Québec à Montréal UQÀM. Québec-Canadá
Recibido 2014/09/19 Revisado 2014/12/18 Aprobado 2015/02/17
Para citar este artículo se recomienda: L.T. Chaparro, Drenajes Ácidos de mina. Formación y manejo. Revista ESAICA, Vol.1 n°1, pp. 53-57, junio 2015.
FeS2 (s) + 7/2O2 + H2O –> Fe+2 + 2SO4-2 + 2H+ (1)
En esta etapa el pH aún permanece a valores por encima de 4,5. Posteriormente el hierro en estado ferroso es oxidado
a hierro férrico en presencia de oxígeno atmosférico. En la ecuación (2) se observa la reacción de oxidación del Fe. Fe+2 + 1/4 O2 + H+ –> Fe+3 + 1/2H2O (2)
El Fe+2 puede sufrir dos procesos dependiendo del pH del agua , si el pH se encuentra por encima de 4,5 el proceso que sucede se describe en la ecuación (3) en donde el hierro ferroso se oxida e hidroliza para formar hidróxidos que son precipitados de color rojo- naranja muy característicos de los DAM.
Fe+2 + 1/4O2 + 21/2H2O <–> Fe(OH)3 (s) + 2H+ (3)
Si el pH del agua se encuentra a valores de 4,5 o menores el proceso que sucederá mayoritariamente será la oxidación del hierro ferroso a férrico y este último actuará como el agente oxidante principal de la pirita reemplazando al oxígeno atmosférico y generándose mayor acidez tal como se muestra en la reacción (4).
14Fe+3 + FeS2 (s) + 8H2O –> 2SO4 -2 + 15Fe+2 + 16H+ (4) En general los minerales sulfurados que pueden ser potenciales generadores de acidez se caracterizan por tener una relación metal/azufre inferior a 1 como por ejemplo la pirita FeS2 cuya relación es 1/2, sin embargo cuando el drenaje se encuentra en una fase de acidificación avanzada en la que la reacción 4 ya ha tenido lugar, los demás sulfuros metálicos son susceptibles de ser oxidados por la acción del hierro férrico.
Cuando el drenaje de mina o de roca se encuentra en un estado de acidificación avanzada, el proceso fisicoquímico de oxidación de los sulfuros de hierro como la pirita pasa a un segundo plano pues es desplazado por la oxidación microbiológica; donde participan varios grupos de bacterias acidófilas y quimiolitótrofas, como las Acidithiobacillus ferrooxidans, que obtienen su energía de la oxidación del hierro; de hecho, se ha comprobado que estas pueden incrementar la velocidad de reacción hasta en un facto de 106 veces[4].
III. MANEJO
El manejo de los drenajes ácidos de mina se enfoca de manera general en tres tópicos fundamentales, el primero es la predicción de los potenciales recursos generadores de acidez, el segundo la prevención de la formación de drenajes
ácidos, y el tercero el tratamiento de los mismos cuando estos ya se han generado [5].
A. Predicción
La predicción como parte del manejo de los drenajes ácidos, está enfocada en la determinación de los posibles recursos de una mina que sean capaces de generar acidez. Para esto se hace uso de diferentes test a escala de laboratorio que están divididos entre test estáticos y test cinéticos. Los primeros están enfocados a determinar si son fuentes importantes de minerales capaces de generar acidez como la pirita, la determinación de sulfuros capaces de oxidarse a sulfatos y por ende generar ácido sulfúrico, el pH pasta de los minerales de estudio, los metales presentes, entre otros, uno de los principales test estáticos es el ABA (Acid-Base-Account) el potencial de generación de ácido neto, y el potencial de generación de base neto [6].
Por otro lado, se encuentran los test cinéticos, que permiten modelar como se comportaría un mineral capaz de generar acidez en el tiempo, a través de estos, se puede conocer en cuanto tiempo se acidificaría un drenaje, a que valores de pH lograría llegar, si los microorganismos son capaces de proliferar en el material de estudio, y que metales presentes en la roca podrían lixiviar; entre los test estáticos más comunes se encuentran las celdas húmedas, las columnas de lixiviación, y el test de British Columbia para determinación de crecimiento bacteriano.
Adicionalmente, se han venido implementado test a escala de campo para le predicción de los materiales generadores de acidez, ya que estos arrojan resultados más reales porque tienen en cuenta el régimen climático (periodos de verano e invierno), el tamaño del mineral es el proveniente de la mina, con lo cual se minimizan errores por disminución de tamaño en la trituración necesaria para los test de laboratorio en donde se aumenta la superficie de contacto entre la muestra y el agua, la temperatura es la del sitio donde se desarrolla la mina, ya que se ha visto que a temperaturas controladas de laboratorio (220C), que generalmente son mayores a las in-situ, se incrementa la velocidad de oxidación de los sulfuros [7].
B. Prevención
Toda vez que se han realizado los estudios de predicción, y se ha determinado que existen minerales potenciales generadores de acidez dentro de la mina, se proceden a realizar los diferentes trabajos de prevención para evitar la generación de DAM. Estos últimos permitirán ahorrar recursos a las compañías en tratamientos innecesarios si los drenajes ácidos se pueden evitar a tiempo.
Las técnicas de prevención de DAM son muy amplias varían dependiendo del sitio, de las condiciones climáticas y del tipo de explotación que se haya realizado (minería a cielo abierto o subterránea). De manera muy general las técnicas de prevención se clasifican en métodos especiales de manejo, uso de cubiertas secas y cubiertas húmedas.
Métodos especiales de manejo: entre las estrategias más utilizadas se encuentra la mezcla con materia orgánica que permite la reducción de sulfatos a sulfuros y la consecuente precipitación de metales pesados, reduciéndose así su biodisponibilidad, uso de enmienda como el mezclado con piedra caliza, uso de bactericidas para evitar proliferación de microorganismos aceleradores del proceso de acidificación, desulfurización de colas de beneficio, uso de sellos para evitar el ingreso de agua subterránea hacia el interior de túneles, ejecución de obras civiles como canales perimetrales, zanjas de coronación para evitar el contacto de las aguas lluvia con los minerales en tajos abiertos, relaves, sitios de acopio temporal de mineral, botaderos de estériles, entre otras [2].
Cubiertas Secas: las cubiertas secas están diseñadas para prevenir la generación de drenajes ácidos a partir los sitios de acopio de mineral, de estériles, de colas procedentes del beneficio de minerales, del llenado de tajos y en algunos casos del llenado de trabajos subterráneos. Entre las más utilizadas se encuentran las cubiertas naturales como el uso de suelo, el mismo material estéril no reactivo, y el uso de
vegetación, y las sintéticas que están hechas a base de polímeros de alta densidad resistentes a los cambios climáticos del sitio donde se encuentran[8]. Las cubiertas secas constituyen uno de los principales desafíos de la minería y esta lleva un poco más de 3 décadas en desarrollo, su importancia radica en que estas permiten el control de la erosión, minimizan el ingreso de la humedad y el oxígeno atmosférico hacia los minerales reactivos, lo cual previene la formación de DAM y si se realizan y operan adecuadamente permiten la recuperación de algunas funciones ecosistémicas [9].
Cubiertas Húmedas: las cubiertas húmedas tienen el mismo propósito que las secas, minimizar el ingreso de oxígeno atmosférico hacia los minerales sulfurados reactivos, esto se logra debido a que el oxígeno disuelto en el agua es inferior al contenido en el aire. Las cubiertas húmedas han venido siendo masificadas en los trabajos mineros a cielo abierto, ya que se conforman lagos meromíticos que permiten el desarrollo de vida acuática [10]. Las cubiertas húmedas son muy utilizadas en minas cercanas al mar o a ríos acaudalados que facilitan el llenado de los tajos; uno de los casos más exitosos de recuperación de un tajo a cielo abierto convertido en lago es la mina Island Copper Mine en Canadá [11].
C. Tratamiento
Debido a que el problema de los drenajes ácidos de mina solo comenzó a ser estudiado hace poco tiempo y a que los trabajos mineros existen hace más de un siglo, los DAM o DAR han contaminado grandes extensiones de cuerpos hídricos en países como Estados Unidos, Australia, Canadá, entre otros y por ende han tenido que ser investigados y tratados.
En la actualidad se cuenta con una gran variedad de técnicas para tratar los drenajes ácidos y neutros de mina, a manera general los sistemas de tratamiento para DAM se dividen en dos grandes grupos: activos y pasivos.
Métodos Activos: los métodos de tratamiento activos son aquellos que requieren de una supervisión constate del sistema, de electricidad, insumos químicos, remoción de subproductos, entre otros. La forma más generalizada para el tratamiento de un DAM consta de una fase previa de oxidación del hierro ferroso al estado férrico, a través de aireación natural o mecánica para disminuir la cantidad de insumos químicos a aplicar, posteriormente se adiciona un agente neutralizante como el carbonato de calcio, cal hidratada, soda caustica, entre otros, la adición de la base tiene una doble función ya que ajusta el pH a valores permisibles para descarga y precipita metales que se hacen
insolubles a valores de pH neutros como el hierro, cobre, cadmio, plomo, entre otros, posteriormente se adiciona un agente floculante para remover los sólidos suspendidos remanentes en el agua, en la figura 1 se observa el esquema general de tratamiento de un DAM [2].
Figura 1. Esquema general de un tratamiento activo de DAM
Fuente: GESTIÓN EN CIERRE DE MINAS. Perú. Cámara Minera del Perú.
Posteriormente si el drenaje presenta elevadas concentraciones de sulfatos y cloruros se debe hacer una remoción de los mismos ya que las bases no los remueven eficientemente, para ello se utilizan resinas de intercambio iónico, sistemas de membranas, adición de reactivos como el hidróxido de aluminio, o la remoción por vía biológica a través de la reducción de sulfatos a sulfuros. En la figura 2 se muestra el tratamiento de sulfatos por vía biológica [12].
Figura 2 Remoción Biológica de Sulfatos delos DAM Fuente: GESTIÓN EN CIERRE DE MINAS. Perú. Cámara
Minera del Perú
Sin embargo, existen métodos de tratamiento para los drenajes de mina, que no necesariamente requieren la adición de una base, ya que son drenajes neutros de mina a los que se les puede aplicar un agente coagulante para remover algunos metales, sulfatos y cloruros presentes, adicionalmente hoy en día ya se conocen técnicas diferentes a la adición de reactivos químicos como la electrocoagulación, que permiten la remoción de metales y el ajuste del pH con el uso exclusivo de la electricidad [13]. Tratamiento pasivo
Los sistemas de tratamiento pasivos constituyen una de las herramientas más atractivas para las empresas mineras, especialmente en la fase de abandono y desmonte ya que estos requieren un mínimo de intervención humana, rara vez requieren manejo de subproductos y no es necesario el uso de electricidad y reactivos químicos. Entre los sistemas más comunes e importantes se encuentra el uso de humedales, canales de caliza abiertos y cerrados, barreras reactivas permeables, entre otros. Por otro lado los canales de caliza abiertos y cerrados están diseñados para efluentes con bajas concentraciones de hierro y metales, ya que la precipitación de costras de Fe(OH)3 pueden cubrir la piedra caliza y disminuir su capacidad de neutralización [15].
Finalmente las barreras reactivas constituyen uno de los principales métodos alternativos a los humedales ya que estos requieren grandes extensiones de tierra para que puedan funcionar y no así las barreras; estas contienen una capa de agua, otra de materia orgánica y finalmente una de caliza, en donde el DAM entra, la materia orgánica y los microorganismos presentes en ella reducen los sulfatos y precipitan los metales, y para concluir, se corrige el pH del drenaje con el lecho de caliza. En la figura 3 se muestra un sistema de barreras permeables reactivas [2].
Figura 3. Sistema de tratamiento pasivo de Barreras Reactivas
Fuente: GESTIÓN EN CIERRE DE MINAS. Perú. Cámara Minera del Perú
D. Subproductos de tratamiento
Los subproductos de tratamiento de los drenajes ácidos de mina, constituyen uno de los principales desafíos de la minería hoy en día, pues de los métodos activos se generan principalmente lodos neutros con altos contenidos de ferrihidrita, metales precipitados y en algunos casos sulfato de calcio, que en la actualidad no están siendo aprovechados para usos comerciales, y solo en la codisposición con minerales generadores de acidez. De ellos se podrían obtener pigmentos, materiales para construcción y otra serie de aplicaciones que vale la pena investigar para generar fuentes de ingreso alternativas en los lugares en donde los DAM afectan las comunidades [16].
IV. CONCLUSIONES
Los drenajes ácidos y neutros de mina, constituyen uno de los principales pasivos de la industria de la minería, y generan impactos ambientales y sociales, con el agravante de que pueden ser irreversibles.
El manejo integral de los drenajes ácidos y neutros de mina, involucra a casi todas las ramas del conocimiento como las ingenierías y las ciencias básicas, por ende es de gran importancia que las instituciones educativas involucren los temas relacionados con los pasivos ambientales mineros para poder prevenir su formación y dar un adecuado manejo de ellos. Si se hace un adecuado cierre y manejo de los trabajos mineros donde existen recursos potenciales generadores de acidez, se pueden recuperar parte de los atributos y funciones de un ecosistema, aunque no se retorne exactamente al que existía originalmente.
Es necesario desarrollar más investigación acerca del estudio de los pasivos ambientales como las DAM, y del potencial económico que podría significar su remediación y el uso de sus subproductos de tratamiento.
REFERENCIAS
[1] AKCIL, Ata; KOLDAS, Soner. Acid Mine Drainage, Causes, Treatment and Case of Studies. En: Journal of Cleaner Production. 2006. Vol 14, p 1139- 1145.
[2] International Network for Acid Prevention. The GARD Guide. <http://www.gardguide.com/index.php/>. [Citado en 03 de septiembre de 2014]
[3] Reclamation Research Group. Acide Mine Drainaje and Effects on Fish Health and Ecology: A Review. Anchorage, Alaska. Junio, 2008. 99501 [4] Natarajan, K.A. Microbial Aspects of Acide Mine Drainage and its Bioremediation. En: Transaction of Nonferrus Metals Society of China. Noviembre 2008. Vol 18, p 1352 – 1360.
[5] Bell, F.G., et al. Environmental impacts associated with an abandoned mine in the Witbank Coalfield, South Africa. En: International Journal of Coal Geology. 2001. Vol 45, p 195 – 216.
[6] Price A, William. Prediction Manual for Drainage Chemistry from Sulphidic Geologic Materials. Canadá. Diciembre, 2009, total version. British Columbia, Canadá. Diciembre 2009. Reporte 1.20.1.
[7] Plante, B; et al. Lab To fiel Scale Effects on Contaminated Neutral Drainage Prediction from the Tio Mine Waste Rocks. En: Journal of Geochemical Exploration. November, 2013. Vol 137, p 37- 47.
[8] Sung Ahn, Joo et al. An engineered cover system for mine tailings using a hardpan layer: A solidification/stabilization method for layer and field performance evaluation. En: Journal of Hazardous Materials. Septiembre 2011. Vol. 197, p 153-160.
[9] Instituto Tecnológico Geominero de España. Manual de Restauración de Terrenos y Evaluación de Impactos Ambientales en Minería. España. 2004, p 112-116.
[10] Vigneault, Bernad et al. Geochemical Changes in Sulfidic Mine Tailings Stored Under a Shallow Water Cover. En: Elsevier. Junio 2000. Vol. 35, p 1066-1076
[11] Poling George Wesley. Under Water Tailing Placement at Island Copper Mine: a success story. 2002. Canada.
[12] Cámara Minera del Perú. Gestión en Cierre de Minas. Perú. 2013 [diapositivas]
[13] Oncel, M.C., et al. A Comparative Study of Chemical Precipitation and Electrocoagulation for Treatment of Coal Acid Drainage Wastewater. En: journal of Environmental Chemical Engineering. Agosto 2013. Vol. 1, p 989-995.
[14] Watten, Barnaby et al. Acid Neutralization Within Limestone Sand Reactors Receiving Coal Mine Drainage. En: Environmental Pollution. Junio, 2005. Vol 137, p 295-304.
[15] Matthies, Romy et al. Performanse of a Pasive Treatment System for Net Acidic Coal Mine Drainage over Five Years of Operation. En: Science of the Total Environment. Julio 2010. Vol. 408, p 4877-4885.
[16] Chaparro Leal, Laura Teresa. Descripción del Manejo Integral de Drenajes Ácidos de Mina a Nivel Internacional. Trabajo de monografía para optar por el título de especialista en Preservación y Conservación de los Recursos Naturales. Universidad Pontificia Bolivariana. Bucaramanga, 2014.
