PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS DE DRENAJE
DESCRIPCIÓN DE PROCESO
RESUMEN
El principal problema de una explotación minera nace con la acidificación de las aguas que entran en contacto con el terreno, arrastrando cantidades importantes de sólidos en suspensión y metales disueltos
En este caso se expone el suministro de una planta para el tratamiento del agua ácida proveniente de Fondo Mina, con un volumen almacenado de aproximadamente 1.000.000 de m3. Como principal requerimiento del agua tratada se ha solicitado un contenido de sulfatos y un valor de pH de acuerdo con la calidad de las aguas de Relaves, de modo que pueda destinarse su uso a procesos industriales dentro de la DCH.
Aunque existen diferentes tecnologías para tratar estas aguas, la selección de la más apropiada debe basarse en la combinación de consideraciones técnicas y económicas así como en los objetivos del tratamiento.
Se propone una planta basada en un proceso de lodos de alta densidad la cual se describe a continuación.
1 INTRODUCCIÓN
El drenaje ácido de mina (DAM) constituye la mayor fuente de contaminación por actividades mineras a nivel mundial (Johnson y Hallberg 2005; Sheoran et al., 2010).
Las principales características del DAM son, entre otros, pH bajos y elevadas concentraciones de sulfato, hierro, aluminio, zinc y manganeso.
El sulfato forma un amplio rango de sales metálicas y sus concentraciones pueden llegar a ser muy elevadas en las aguas de drenaje ácidos. En la actualidad existen diferentes tecnologías que permiten su remoción, basadas en procesos químicos, físicos y biológicos (Bowell, 2000; Johnson y Hallberg, 2005; Haksonen y Sahinkaya, 2012).
La precipitación es el proceso más común y dentro de todos, la neutralización con cal es el más desarrollado debido a su eficiencia en la remoción de los sulfatos junto con metales, y a los bajos costos de este material (Aubé et al. 2003; Aubé, 2004; Kuyucak 2006; Silverira et al. 2009).
En su variante convencional la neutralización con cal y precipitación produce lodos con bajo contenido de sólidos, difíciles de espesar y filtrar. Sin embargo, en su variante tecnológica de “Lodos de Alta Densidad” (HDS por sus siglas en inglés), la recirculación de los lodos provenientes del sedimentador proporciona núcleos de sedimentación que incrementan el tamaño de las partículas que se van formando y generan finalmente un lodo de mayor densidad y grado de compactación.
Basado en los datos proporcionados de calidad de agua, los requerimientos del efluente, y las experiencias consultadas en la literatura (Coulton, 2003; Aubé, 2003;
Suvio, 2001; Kuyucak, 2006; Kuyucak,et al., 2001, 2003), se ha propuesto un diseño
para la planta de tratamientos basado en un sistema de HDS en dos etapas de neutralización, el que consta de las siguientes etapas:
Mezcla Lodo + Afluente
Neutralización-precipitación
Floculación
Separación Sólido-Líquido
Recirculación de Lodos
Disposición de Lodos
En la proyección de la planta se ha previsto su capacidad de adaptación a condiciones variables del efluente y que ajuste su programa químico a dichas variaciones. Para su diseño se ha tenido en cuenta los datos de calidad del agua proporcionada por el mandante, sin considerarse pruebas pilotos o de banco. Algunos parámetros podrán ser modificados durante el comisionamiento de la planta con el objetivo de optimizar la eficiencia de tratamiento. Se ha considerado para su en su diseño una distribución modular que permita su instalación dentro del recinto propuesto en las bases.
Para conocer las cantidades de reactivos y volúmenes de lodos generados, consultar el documento de balance de masas.
2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
En el proceso HDS con dos etapas de neutralización, el pH del afluente se incrementa en el primer reactor mediante su mezcla con el lodo recirculado hasta alcanzar un valor de 4-5. En el segundo reactor se establece un pH óptimo para la precipitación de metales y se suministra aire con el objetivo de oxidar el hierro y lograr un lodo más estable. Este proceso ha sido implementado con éxito en sitios como la mina Geco en Ontario Canadá, en Kristineberg (Suecia), entre otros. (Kuyacak, 2006)
A continuación se ilustra el diagrama general del proceso propuesto (figura 1) y en los subsiguientes epígrafes se describen las etapas del mismo.
Figura 1. Diagrama general de proceso
2.1 MEZCLA LODO + AFLUENTE (L+A)
Aunque se han desarrollado varios tipos de procesos HDS, todos cuentan con etapas de neutralización y recirculación de una proporción del lodo. El lodo recirculado puede mezclarse ya sea con la cal antes de introducir el agua ácida, o con el agua ácida antes de añadir la cal (Coulton et al., 2003).
En este caso el diseño propuesto contempla la mezcla (L+A) ya que esto proporciona la ventaja de reducir el consumo de reactivo. El lodo por sí mismo incrementa el pH en el reactor de mezcla (L+A), al contener en su composición cal residual y cierta cantidad de carbonatos. También se ha demostrado que los metales pesados presentes en el agua ácida precipitan casi en su totalidad en esta primera etapa (cerca del 95%). Debido a que todas las reacciones ocurren sobre las partículas, estas tienden a crecer con cada subsiguiente contacto con el afluente, incrementando así su tamaño y densidad (Aubé, 2004).
Se instalará un sensor de pH que controle la adición de lodo fijándose el valor de corte en pH=4.5 aproximadamente. No obstante, una vez iniciada la operación de la planta este valor puede ajustarse a cifras superiores con el objetivo de disminuir el consumo de cal.
El efluente del tanque de mezcla (L+A) ingresa al tanque de neutralización- precipitación donde un incremento del pH dará lugar a la formación de hidróxidos metálicos conjuntamente con yeso.
2.2 NEUTRALIZACIÓN-PRECIPITACIÓN
La precipitación es un importante mecanismo para la remoción de sulfato del DAM. La misma depende del producto de solubilidad (Kps) de la sal de sulfato involucrada, el pH del medio, concentración de iones metálicos y aniones mayoritarios. Cuando el producto de las concentraciones de aniones y cationes excede su Kps, la precipitación tiene lugar. Éste constituye un método rápido y efectivo para remover altas concentraciones de sulfato, mediante la adición de compuestos de calcio o bario como la cal, caliza o cloruro de bario.
De modo general, la reacción principal del proceso de neutralización y precipitación con cal puede expresarse de la forma siguiente:
Ca(OH)2 (s) + Me2+/Me3+ (ac) + H2SO4 = Me(OH)2/Me(OH)3 + CaSO4 .2H2O
En su reacción con la cal, los sulfatos precipitan en forma de yeso (CaSO4.2H2O) y la disminución de su concentración en la solución está directamente relacionada con la solubilidad del yeso, la cual puede variar entre 1500 y 2000 mg/L dependiendo de la composición y fuerza iónica de la solución (Martínez, 2010; Santander et al, 2001). El lodo, que resulta de la mezcla del yeso e hidróxidos metálicos, contiene cantidades significativas de agua y está formado por partículas muy finas que presenta dificultades en la sedimentación.
El pH en este estanque de Neutralización-Precipitación se opera entre 9-9,5 ya que la mayoría de los metales precipitan a esta concentración de iones hidroxilos (SGS, 2008;
Kuyacak et al, 1999). La oxidación del Fe(II) a Fe(III) es más rápida a este valor de pH empleando oxígeno como agente oxidante. La eficiencia de oxidación es un aspecto importante a considerar, debido a que los lodos que contienen Fe(III) son químicamente más estables que los que contienen Fe(II). (Aubé, 2004).
2.3 FLOCULACIÓN
La floculación es una etapa usada en los procesos de tratamiento con el objetivo de agregar las partículas pequeñas en suspensión, formando un agregado o flóculo con características más adecuadas (tamaño, peso y forma) para la separación sólido- líquido. Normalmente se han utilizado polímeros orgánicos y su eficiencia debe ser estudiada para diferentes valores de pH. Los reactores convencionales de floculación, usados para la dispersión de los polímeros en la solución y para la colisión y crecimiento de los flóculos, son operados con agitadores mecánicos en régimen de mezcla completa aunque también se ha estudiado la floculación en línea mediante reactores generadores de flóculos (Carissimi y Rubio, 2005).
En el diseño de la planta se ha previsto la utilización de polímero floculante en polvo diluido en agua para flocular los sólidos suspendidos y producir aglomerados que sedimenten en el clarificador, generando un rebose clarificado. La agitación en esta etapa debe ser lenta para evitar la ruptura de los flóculos y debe proporcionarse un tiempo de mezcla adecuado (20 minutos aproximadamente) para facilitar la agregación de las partículas.
2.4 SEPARACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
La gran diferencia entre los distintos procesos de tratamiento que emplean cal como agente neutralizante es el método para separar los sólidos y lodos formados, por tanto el clarificador es el “corazón” de un sistema HDS. Su propósito es incrementar el contenido de los sólidos que se formaron en la etapa de precipitación y que posteriormente fueron sometidos a un proceso de floculación.
En el diseño se ha previsto un sedimentador de placas circular con fondo cónico y puente removedor de lodos de tracción central.
El precipitado estará compuesto fundamentalmente de yeso (CaSO4x2H2O), así como hidróxidos metálicos con una densidad en el rango de 15-30% de sólidos.
Una parte del lodo se reciclará hacia la cabecera del proceso y otra se dispondrá según los requerimientos.
2.5 LODOS
La cantidad de lodos generados no está influenciado por la operación de la planta, sino por la química de alimentación, especialmente por niveles de sulfato (AMEC, 2006). Para el cálculo se incluyó el ingreso de material inerte presente en la cal viva. Es importante tomar en cuenta, que este número es un estimado y que puede estar influenciado por cambios en los niveles de sulfato a lo largo del tiempo. No obstante se han tomado las situaciones extremas para diseñar en base a la máxima concentración de sulfatos que es el principal elemento cuyos niveles quieren reducirse.
2.5.1 Recirculación de lodos
La eficiencia de una planta de precipitación de metales y sulfatos puede mejorarse mediante la recirculación de los lodos, dando lugar a lodos de alta densidad. La recirculación favorece la nucleación haciendo que nuevas partículas precipiten sobre la superficie de otras formadas previamente hasta alcanzar diámetros de 2 a 3 micras.
La cantidad de lodo reciclado está controlado por la tasa de recirculación, definida como la razón de sólidos reciclados respecto a la cantidad de sólido nuevo precipitado y resulta típicamente entre 20 y 30 kg de sólido reciclado por Kg de nuevo
sólido precipitado (Bullen, 2006). El lodo reciclado sirve como reactivo alcalino adicional y como sitios para que las nuevas partículas se adhieran.
La optimización de la cantidad de lodo recirculado ayuda también a reducir el consumo de reactivo (maximizando el contacto entre reactivo sin reaccionar presente en el lodo y el agua ácida a tratar).
La tasa de recirculación se ha fijado en 95% para realizar los balances de masa, pero el valor final deberá ajustarse una vez iniciada la operación de la planta.
2.5.2 Deshidratación de Lodos (Disposición)
Aunque la precipitación alcalina es efectiva en la remoción de metales y sulfatos de la solución, el lodo resultante es gelatinoso y difícil de desaguar. Aquellos que provienen de un sedimentador convencional pueden alcanzar concentraciones entre un 2 y un 5% de sólidos e incrementarse hasta un 20-35% (w/w) mediante su deshidratación con filtro prensa.
2.6 PREPARACIÓN DE LA LECHADA DE CAL.
Para los grandes sistemas de tratamiento se usa la cal viva, la cual debe hidratarse (apagarse) antes de su introducción al proceso como lechada de cal. De esta forma, la cal hidratada o apagada se disuelve incrementando el pH mediante el aporte de iones hidroxilos.
La preparación de lechada de cal es un proceso crítico y no basta que el operador conozca como manipular el equipo y el proceso donde se va aplicar. El método y tipo de control utilizado para la preparación de ésta pueden afectar fuertemente la eficiencia del proceso posterior. (Coloma, 2008)
Las siguientes ecuaciones muestran las reacciones involucradas en el proceso de apagado y disolución de la cal.
CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2 (hidratación o apagado de la cal viva) Ca(OH)2 ⇒ Ca2+ + 2OH- (disolución de la cal hidratada o cal apagada) El fluido transportador es el agua, la cual al mezclarse con la cal genera la reacción de hidratación o apagado explicada anteriormente cambiando las condiciones del sólido de CaO, que pasa a ser Ca(OH)2 .
El transporte se puede realizar en forma gravitacional o en su defecto por bombeo, siendo muy importante destacar que la velocidad de flujo es crítica para evitar las incrustaciones o desgaste de las tuberías.
La alimentación de la lechada estará comandada por un sensor de pH instalado en el reactor de neutralización-precipitación.
A continuación se describe los aspectos básicos de la planta preparación de la lechada de cal.
2.6.1 Procesos Básicos de la planta 2.6.1.1 Descarga de Cal
La Cal ingresa a la planta a los silos de almacenamiento transportado mediante sistema neumático, provenientes de los camiones que suministran el producto.
2.6.1.2 Dosificación y trasporte de Cal
La Cal que es utilizada en el proceso de elaboración de la Lechada, es entregada por el dosificador válvula rotatoria que entrega al tornillo dispuesto después en los silos y el cual se encarga de entregar la cantidad necesaria de cal para la preparación de la lechada dentro de los parámetros necesarios de porcentaje de sólido. Este dosificador entrega la cantidad de cal de acuerdo al volumen de agua que ingresa en el Estanque de Preparación de Lechada, la cual es medida por un flujómetro que registra los caudales de agua de ingreso.
2.6.1.3 Estanque de Preparación y Almacenamiento de Lechada
Corresponden a cuatro estanques secuenciales que tienen por objetivo realizar la preparación de la lechada de Cal a la concentración deseada. Para lo cual, cuenta con un tornillo de dosificación de cal que dosifica la cantidad correcta a los estanques, manteniendo una temperatura y nivel de agitación adecuado para una buena mezcla.
Además reciben el agua desde una línea de alimentación comandada de forma automática con una válvula globo donde se regula la cantidad de agua que entra a la planta de acuerdo a la lectura del flujómetro situado en esta línea y las necesidades de consumo de lechada en las plantas. También se tiene en cuenta el nivel de los
estanques que es monitoreado por los sensores de nivel que comandan los niveles mínimo y máximo del setting que se encuentre programado en el Tablero de Control.
2.6.1.4 Bomba de Lechada
El bombeo de la lechada es efectuado en el frente de bombas que está formado por un circuito de dos bombas en paralelo encargadas de levantar la presión del fluido y hacerlo llegar al estanque de ajuste de pH con una inyección que dosifica de acuerdo a las necesidades de tratamiento.
