Recepción: 20 Diciembre 2019
Aprobación: 26 Febrero 2020
Resumen: El objetivo de la investigación fue reducir los contaminantes presentes en la cancha de relave de la planta concentradora Santa Rosa de Jangas, a fin de determinar el procedimiento adecuado de remediación y cumplir con los límites máximos permisibles para ser vertido al Rio Santa. El muestreo se realizó en la cancha de relave de la Planta en estudio. Se diseñó el equipo de lixiviabilidad de generación de drenaje ácido a nivel de laboratorio, para obtener elementos metálicos disueltos según el método estándar para la examinación de agua y aguas residuales (APHA), obteniéndose datos por encima de los límites máximos permisibles (Al = 0.290, As = 7.210, Cd < 0.002, Fe = 2.390, Hg < 0.025, Pb < 0.010) mg/l, con un pH = 6.91, oxígeno disuelto 3.80 mg/l y conductividad 10925 uScmˉ¹, lo que constituye un alto riesgo ambiental, sobre el Rio Santa, Cuenca hidrográfica de importancia para Perú y su entorno. Se aplicó la metodología de remediación del drenaje ácido del relave en pilas en laboratorio utilizando materiales e como la caliza, aserrín y estiércol de corral (cuy); dando como resultado la obtención de un fluido con límites por debajo de los Límites máximos permitidos; los metales disueltos llegaron a (Al < 0.020, As < 0.010, Cd < 0.002, Fe < 0.005, Hg < 0.025, Pb < 0.010) mg/l con pH = 8.5, oxígeno disuelto 1.89 mg/l, conductividad 5040 uScmˉ¹, lo cual indica que el diseño del equipo y el proceso para la remediación del drenaje ácido a nivel de laboratorio funciona eficientemente.
Palabras clave: drenaje ácido de minas, remediación, remoción de metales pesados, Impacto ambiental.
Abstract: The objective of the investigation was to reduce the contaminants present in the tailings pond at the Santa Rosa de Jangas concentrator plant, in order to determine the appropriate remediation procedure and comply with the maximum permissible limits for discharge into the Santa River. The sampling was done in the tailing field of the plant under study. The leachability equipment for acid drainage generation was designed at laboratory level, to obtain dissolved metallic elements according to the standard method for water and wastewater examination (APHA), obtaining data above the maximum permissible limits (Al = 0.290, As = 7.210, Cd < 0.002, Fe = 2.390, Hg < 0.025, Pb < 0.010) mg/l, with a pH = 6.91, dissolved oxygen 3.80 mg/l and conductivity 10925 uScmˉ¹, which constitutes a high environmental risk, on the Rio Santa, a watershed of importance for Peru and its environment. The methodology for remediation of acidic tailings drainage in piles was applied in the laboratory using materials such as limestone, sawdust and guinea pig manure, resulting in a fluid with limits below the maximum permitted limits; dissolved metals reached (Al < 0.020, As < 0.010, Cd < 0.002, Fe < 0.005, Hg < 0.025, Pb < 0.010) mg/l. with pH = 8.5, dissolved oxygen 1.89 mg/l , conductivity 5040 uScmˉ¹, which indicates that the equipment and process design for the remediation of acid drainage at the laboratory level works efficiently.
Keywords: acid mine drainage, remediation, heavy metal removal, environmental impact.
INTRODUCCIÓN
La larga tradición minera de Perú y su contribución del equilibrio macroeconómico hacen que este sector sea calificado y considerado por la sociedad como el motor del crecimiento de la economía peruana (Glave, 2007).
El drenaje ácido de roca o drenaje ácido de minas (DAR) es un fenómeno natural que resulta de la oxidación de minerales sulfurosos, como la pirita, por contacto con bacterias acidófilas durante la catálisis de procesos redox. Esto produce aguas de drenaje rojizas y la lixiviación de altas concentraciones de metales, por lo cual se considera a estos drenajes como una forma de contaminación severa (Drury, 1999, Hesketh et al., 2010).
Los lixiviados ácidos contaminados no solo se limitan a los relaves, pues también son generados por rocas de desecho y escombros subterráneos excavados en túneles que contienen minerales, que se conocen libremente como drenaje ácido de mina (DAR) (Tatsuhara et al., 2012).
En el caso de los drenajes ácidos provocados por la actividad minera (drenajes ácidos de mina – DAM), la preocupación principal son los niveles elevados de acidez, sulfatos, niveles de hierro y cobre, así como la lixiviación de otros metales asociados con el mineral sulfuroso; y cómo estas características causan un impacto adverso en la vida acuática y en la calidad de agua para consumo humano. No todos los minerales sulfurosos o rocas con contenido de sulfuro son potencialmente generadores de ácido, ni igualmente reactivos (MINEM, 2015).
Según Aduvire (2006) los drenajes ácidos de mina además de un bajo pH contienen una gran cantidad de sólidos en suspensión con un alto contenido en sulfato y metales (Fe, Al, Mn, Zn, Cu, Pb, Hg, Cd, Ni), del orden de varios cientos de miligramos por litro, los cuales en altas concentraciones son nocivos para la actividad biológica, contaminan los cursos de aguas y pueden llegar a causar daños a las estructuras construidas por el hombre. Debido al elevado coste que representa el tratamiento en depuradoras convencionales, es necesario buscar una solución a este problema
Las aguas del río Santa constituyen una importante cuenca hidrográfica de nuestro país, es un elemento significativo del medio ambiente y turístico de la región, además de otorgar sus aguas a la población para fines de higiene, agrícolas, mineros y consumo humano en general (Graza & Quispe, 2015).
La minería en Perú presenta deficiencias en el control de sus impactos negativos en el desarrollo de sus actividades desde la parte extractiva hasta la comercialización, durante su extracción y procesamiento, al recuperar los minerales valiosos quedan los desmontes y relaves los cuales generan drenajes ácidos y que en muchas oportunidades son descargadas a los cuerpos receptores (ríos) sin tratamiento alguno contaminando así al recurso hídrico, en particular en la Planta concentradora de Minerales Santa Rosa de Jangas, Perú que descarga al Rio Santa; los relaves aun presentan cantidades considerables de minerales de Esfalerita (ZnS), Galena (PbS), Calcopirita (CuFeS₂), Cerusita (Pb CO₃), Pirita (FeS2.), Arsenopirita (FeAsS), Marcasita (FeS₂), Magnetita (Fe₃O₄), Hematita (Fe₂O₃), Goethita (HFeO₂) los cuales generan drenaje ácido (MINEM 2015).
El objetivo del presente estudio fue obtener un método de remediación adecuada para tratar el drenaje ácido producido por el relave y que se encuentren por debajo de los límites máximos permisibles (LMP), a fin de ser vertidos al Rio Santa y/o utilizados en el campo industrial y agrícola.
MATERIALES Y MÉTODOS
Muestreo y preparación de relave
El muestreo se realizó en la cancha de relave de la Planta concentradora Santa Rosa de Jangas, Perú, ubicada en Distrito de Jangas, Provincia de Huaraz, Región Ancash (Tabla 1).
Se realizaron 3 calicatas (Ø = 1.20 x altura = 2 m) en forma de cruz para realizar el muestreo en las paredes internas. La muestra extraída fue aproximadamente de 200 Kg, posteriormente se secó y mediante homogenización y cuarteo sucesivo se redujo a 60 Kg, aproximadamente.
De la muestra obtenida se envió 2 kg de relave a la ciudad de Lima al Laboratorio del Ing. Pedro Miguel Gagliuffi Espinoza – Geólogo consultor con la finalidad de obtener los resultados mineralógicos por el método de Análisis mineralógico de una muestra sobre una Sección Pulida.
Prueba de lixiviación del relave
Se agregaron en 3 tubos transparentes 300 g de arena gruesa hasta una altura de 7 cm, posteriormente se agregaron 2800 g de relave hasta una altura de 53 cm y por último se completó con agua destilada hasta la altura de 60 cm.
Se inició el proceso de lixiviación de los relaves con una dosificación de alimentación de 14 gt/mi, de agua destilada llegando a saturar y llenar a una altura de 65 cm, en 48 hr, se usaron 800 ml de agua destilada. Se continuó alimentando agua destilada en una cantidad de 14 gt/mi, de igual manera se realizó la descarga de la solución lixiviada con una continuidad de 14 gt/mi, previo filtrado y control de pH = 7, cortando el ingreso de agua destilada en 6 días (144 hr) y dejando descargar por un tiempo de 2 días (48 hr) obteniendo una solución lixiviada de 3.5 l/ tubo en 8 días ( 196 hr), se acumuló 10.50 l, de drenaje ácido del relave, de ello se separó 1.50 l para ser analizado en él, quedando 9 l, para ser utilizado en el proceso de la remediación de drenaje ácido
Proceso de remediación de drenaje ácido
Para el proceso de remediación de drenaje ácido se usaron 12 Kg de Carbonato de Calcio (CaCo3) de 12.70 mm 5 Kg de aserrín, 6 Kg de arena gruesa y 2 Kg de estiércol de cuy.
Se utilizaron los mismos equipos de la lixiviación del relave, tomando 2 tubos transparentes de prueba, se llenaron con 300 g de arena gruesa desde la base hasta una altura de 7 cm; luego se agregaron 1500 g de piedra caliza de 12.70 mm hasta una altura de 32 cm; se agregaron 120 g de aserrín a una altura de12 cm; a continuación se llenaron con 375 g de piedra caliza de 12.70 mm (8 cm); sobre ello se llenaron con 200 g de estiércol de cuy de corral (10 cm) como fuente principal de sulfato al drenaje ácido de mina, como donador de electrones, fuente de carbono y de energía, por último se cubrieron con 30 g de aserrín (4 cm), en total los tubos se llenaron con 2525 g hasta la altura de 73 cm, con 2 cm de espacio vacío.
Luego de preparar los tubos para el proceso de remediación se llenaron 2 envases con 4 l de drenaje ácido obtenido de la lixiviación del relave, con la finalidad de alimentar a los tubos con carga de insumos.
Se inició la remediación del drenaje ácido con una dosificación de alimentación de 14 gt/mi, llenándose el tubo en 36 hrs (3 días).
Inmediatamente se descargó controlando el caudal de 14 gt/mi, del drenaje ácido tratado previo filtrado y pH = 8, obteniéndose de esta manera 3.5 l de solución remediada de cada equipo de prueba para ser trasladada al laboratorio de la Facultad de Ciencias del Ambiente de la UNASAM para su análisis correspondiente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis mineralógico de muestras de relave
El análisis realizado sobre la muestra de relave permitió determinar sus constituyentes mineralógicos, las distribuciones volumétricas de aquellos minerales que han intervenido en el análisis modal, sus respectivos grados de liberación e interpretación (Tabla 2, Figura 1).
Leyenda: ef=Partículas libres de esfalerita, gn= de galena, py=de pirita, GGs= de gangas (ef+gn+cp). 200X = partícula entrelazada de esfalerita con la galena y con la calcopirita
La distribución volumétrica se obtuvo en término porcentual y analizando los grados de liberación; los cuales se proporcionaron para todos los minerales que han intervenido en el análisis modal. Según los resultados del análisis modal los tres minerales más abundantes fueron La pirita y La esfalerita con 75.60, 12.09 y 7.29 % respectivamente (Tabla 3), la presencia de pirita demuestra que este tipo de mineral sulfuroso (más abundante) se oxida cuando está expuesto, lo cual genera drenaje ácido de roca (DAR) (Chaparro 2015; Parada et al., 2018).
Según Kefeni et al. (2017) la principal fuente de drenaje ácido de minas es la oxidación de los minerales sulfurados, que inicialmente están expuestos al medio ambiente por las actividades mineras intensivas.
Prueba de lixiviación del relave
Según los resultados obtenidos, los metales disueltos tóxicos fueron neutralizados y precipitados en forma de hidróxidos estables, los cuales quedaron en la pila de lixiviación solo descargándose el agua remediada, lo que puede ser descargada al cuerpo receptor (Rio Santa), cumpliendo con los parámetros establecidos de Límite Máximo Permisible (LMPs) de efluente establecidos por el Ministerio de Energía y Minas (MEM) y aprobados mediante R.M. Nº 011-96-EM/VMM (Tabla 4). Las descargas de efluentes que se refleja provienen de cualquier labor, excavación o trabajo efectuado en el terreno, o de cualquier planta de tratamiento de aguas residuales asociadas con labores, excavaciones o trabajos efectuados dentro de los linderos de la Unidad Minera.
En la prueba de lixiviación del relave se obtuvo un adecuado drenaje ácido, con valores de pH de 6.91, oxígeno disuelto de 3.80 mg/l, conductividad en 10925 uS.cmˉ¹, observándose además que los metales alcanzaron valores de (Al = 0.290, As = 7.210 mg/l, Cd < 0.002, Fe = 2.390, Hg < 0.025, Pb < 0.010) mg/l, lo que demuestra que el relave de la Planta Concentradora Santa Rosa de Jangas constituye un alto potencial de contaminación (Tabla 5).
Proceso de remediación del drenaje ácido en pilas
En la Tabla 6 se muestran los resultados de la remediación del drenaje ácido en pilas del efluente obtenido a través de la prueba de lixiviado.
Los resultados obtenidos durante la prueba experimental de lixiviación del relave (drenaje ácido), cumplieron las expectativas esperadas, con valores de pH de 6.91, oxígeno disuelto 3.80 mg/l y una conductividad de 10925 uS.cm¯¹, demostrándose que se han lixiviado muchos minerales.
Los principios de tratamiento activos y pasivos en ambos son bastante parecidos. Se reconocen varios enfoques distintos para convertir metales en formas menos móviles en sistemas aerobios.
Casi todos los metales nocivos son susceptibles de formar sólidos hidróxidos (ejemplo: Fe (OH)3, Al (OH)3, Zn (OH)2, etc.), las reacciones típicas de precipitación de hidróxidos son las siguientes:
Fe3++ 3H2O Fe (OH)3 + 3 H+ (1)
Al3++ 3H2O Al (OH)3 + 3 H+ (2)
Se nota que ambas reacciones producen acidez, con la liberación de tres protones (H+) para cada mol de metal hidrolizado. Esta acidez precisa neutralización en el proceso de tratamiento completo y generalmente esta demanda para agentes neutralizantes es mucho más grande que la demanda ejercida por el pH ambiente del agua subterránea en su punta de salida. Aunque la precipitación de hidróxidos se practica para remover los metales tóxicos en solución, los hidróxidos mismos tienen propiedades muy favorables a la absorción de otros contaminantes.
Entre los metales se obtuvieron aluminio (Al) con 0.290 mg/l encontrándose en el rango de límites máximos permitidos según la Resolución del Ministerio de Energía y Minas del Perú, 1996 (LMP), el Arsénico (As) con 7.210 mg/l, que supera en más de 7 unidades el LMP, el cadmio Cd < 0.002 mg/l, el cual se encuentra dentro de los LMP, el hierro (Fe) con 2.390 mg/l, superando los LMP, el mercurio Hg < 0.025 mg/l, dentro de los LMP y el plomo (Pb) < 0.010 mg/l, con valores dentro de los parámetros de LMP; por lo que se puede decir que el relave de la Planta concentradora Santa Rosa de Jangas, Perú presenta un alto potencial de riesgo ambiental.
Este resultado demuestra que la principal fuente de contaminación de los relaves mineros es el drenaje ácido de mina si no es controlado apropiadamente, debido a que este se forma a partir de relaves con alto contenido de minerales sulfurados.
Después de la remediación de 48 horas realizada mediante el uso de piedra caliza, aserrín y abono orgánico (estiércol de Cuy) cargados en las tuberías transparentes con el drenaje ácido se obtuvo un lixiviado de pH 8.5, lo que demuestra que estos materiales actúan efectivamente sobre este parámetro, el oxígeno disuelto alcanzo 1.89 mg/l, lo cual favorece la presencia de la flora y fauna presentes en la zona, la conductividad 5040 uS.cmˉ¹, valores que cumplen con los parámetros permitidos por la ley Peruana.
Los metales disueltos dieron valores de (Al < 0.020, As < 0.010, Cd < 0.002, Fe < 0.005, Hg < 0.025, Pb < 0.010) mg/l, los cuales se encuentran por debajo de los LMP de efluentes mineros, lo que indica que el diseño del equipo y el proceso para la remediación de drenaje ácido fue exitoso.
Los resultados obtenidos por medio de la remediación con tratamiento activo (adición de la caliza) y pasivo (compost en este caso aserrín y estiércol de corral (cuy) biorreactores) para tratar aguas ácidas de minas como tratamiento biológico, permite que los microbios faciliten la alcalinidad del agua al inmovilizar los metales disueltos precipitándolos como Sulfuros metálicos.
Los metales se eliminan principalmente por mecanismos tales como la precipitación de sulfuro, la adsorción y precipitaciones como carbonatos e hidróxidos. Bacterias extremadamente acidófilas, oxidantes del hierro y del azufre formando un importante de estos sistemas de tratamiento eliminar el hierro y el exceso de sulfatos. El desarrollo de un sistema biológico integrado que utiliza poblaciones de SRB acidófilas y tolerantes a los ácidos puede demostrarse que es una herramienta eficaz y una porción sostenible para el tratamiento de aguas residuales ácidas ricas en metales.
(Alcántara, 2015), indica que es posible recuperar los suelos de relaves para destinarlos a otras actividades, pero a largo plazo, previa estabilización física, química y biológica, a un costo relativamente bajo. Con la aplicación del 5 % de humus mejora el porcentaje de materia orgánica a 0.88 % y con 10 % de humus se eleva al 1.09 %, en este caso usando estiércol de corral (cuy).
Según Moodley et al. (2018) muchos de los métodos utilizados para remediar los drenajes ácidos de minas son limitados en su aplicación debido a un rendimiento deficiente, inexactitudes en el diseño, una comprensión difícil de la funcionalidad, costos elevados, uso de productos químicos peligrosos, generando un agotamiento de los recursos naturales y la generación de más residuos, por lo que estos resultados permiten conocer el uso de estiércol de corral (cuy) como producto de desecho orgánico y su capacidad para reducir la acidez y concentraciones de iones de metales pesados en DAM a bajo costo.
Plaster (2000) manifiesta que el estiércol contiene tanto sólidos como líquidos, que en su mayor parte son heces y orina del animal. La mayor parte del contenido de potasa se encuentra en la parte liquida. La orina contiene aproximadamente la mitad del nitrógeno del estiércol, principalmente en forma de urea y compuestos similares. El resto del nitrógeno se encuentra en las heces.
Según Schuldt (2008) el aserrín o viruta es una materia orgánica que se presta para ser combinada con estiércoles diversos, particularmente con aquellos de baja relación C/N como es el caso de los de cerdos y aves. Ideal compostar la mezcla del estiércol con el aserrín o viruta. Hasta ahora, se ha comprobado que el biocarbón, los materiales a base de P como el estiércol de animales y el compost tienen grandes efectos sobre la inmovilización de metales pesados cuando se usan solos o en combinación con otros materiales (Agegnehu et al., 2016; Meng et al., 2018).
El uso de este tipo de métodos de tratamiento primario para tratar drenajes ácidos de minas es de creciente interés debido a su rentabilidad (Jones & Cetin, 2017).
CONCLUSIONES
El drenaje ácido generado por el relave requiere la aplicación de métodos adecuados a fin de ser tratados y evacuados al cuerpo receptor (Río Santa).
Se establece que los relaves depositados en las canchas de la planta concentradora se lixivian a la presencia de las precipitaciones fluviales, generando drenaje ácido con valores metálicos disueltos mayores a los LMP, lo que constituye la contaminación del Río Santa.
Los materiales e insumos utilizados en la remediación del drenaje ácido se encuentran en la zona en grandes proporciones y a bajos costos, por lo que es posible su aplicación industrial a los efluentes del relave y descargar al Río Santa.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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