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REUTILIZACIÓN DE LODOS FILTRADOS PARA REDUCIR AGUA ÁCIDA DE TRATAMIENTO

Por: Ing. Robinson Paredes, Ing. Robert Montes Quispe, Ing. David Ulloa Trejo e Ing. Cesar Castañeda, Minera La Zanja.

Introducción 

El sector minero tiene la firme tarea de desarrollar sus actividades con responsabilidad social y ambiental, ambos inherentes a las operaciones. El primero por agrupar a un gran número de trabajadores y por desarrollarse en zonas alto andinas pobladas. El segundo, por las disturbaciones del área geográfica en la que se desarrolla, así como los agentes químicos que se utilizan para los procesos metalúrgicos.

Las disturbaciones geográficas generan un agente contaminador conocido como agua ácida por su alta concentración de metales como Al, Fe y Mn, principalmente, conocido como metales pesados. La tabla periódica incluye unos 70 elementos metálicos, y de ellos 59 pueden ser considerados metales pesados, que son aquellos con peso atómico mayor que el del hierro (55.85 g/mol). Con esta precisión se excluirían metales con pesos atómicos menores que el del Fe y que con frecuencia pueden ser metales contaminantes, como el V (50.95), Mn (54.44), Cr (52.01) y a otros que realmente no son metales como As, F y P (Galán & Romero, 2008, p. 2).

Compañía de Minas Buenaventura opera Minera La Zanja, ubicada en el caserío La Zanja (también denominado La Redonda), en el distrito de Pulán, provincia de Santa Cruz de Succhabamba, departamento de Cajamarca. El área del proyecto comprende las zonas altas de este distrito, a una altitud que varía entre los 2,800 y 3,811 m y la zona limítrofe con los distritos de Catache de la misma provincia de Santa Cruz de Succhabamba y Calquis, Tongod de la provincia de San Miguel de Pallaques.

Planta de Beneficio

La planta de beneficio La Zanja actualmente trata mineral oxidado a razón de 36,000 TMSD procedentes de los tajos San Pedro Sur y Pampa Verde con un tamaño máximo de partícula de 10" (ROM) que es transportado hacia las áreas del pad de lixiviación, donde la altura de capa típica es de 16 m.

Minera La Zanja utiliza actualmente el proceso de lixiviación en pilas y recuperación de valores a través de dos plantas de procesos: planta de adsorción en carbón activado con una capacidad de tratamiento de 900 m3/h y planta de procesos Merril Crowe con una capacidad de 600 m3/h, haciendo un total de 1,500 m3/h. Los productos de ambas, carbón activado y precipitado de zinc, respectivamente, son transportados hacia Minera Yanacocha para el proceso final de barras dore.

Planta tratamiento de aguas ácidas

Minera La Zanja opera dos plantas de tratamiento con el proceso High Density Sludge (HDS). El total de flujo de tratamiento es de 550 m3/h captado de pozas de colección de mina y depósitos de material estéril o desmonte. Desde estas pozas se impulsa la solución a la planta de tratamiento directamente al primer tanque de precipitación de aluminio.

En el tanque reactor se mezcla la pulpa de lechada de cal proveniente del tanque de almacenamiento correspondiente. Toda esta mezcla es agitada para impedir que la cal se sedimente. A niveles de pH 7 y condiciones oxidantes, el hierro férrico, aluminio y otros metales pesados en solución precipitan como óxidos e hidróxidos con ayuda de floculante. La separación sólido–líquido se realiza en un clarificador de donde se obtiene dos productos: lodo que se descarga hacia un tanque holding y agua clarificada que es enviada hacía la planta de manganeso en donde el pH se eleva hasta 11 con adición de lechada de cal. 

La separación solido–líquido se hace en otro clarificador de donde se obtienen dos productos: agua clarificada que se acondiciona para liberarla hacia el medio ambiente y lodo que va al tanque holding.

Los lodos producidos durante el tratamiento de las aguas ácidas en las dos etapas serán acondicionados en el tanque de lodos y tienen un sistema de agitación para mantener la densidad de la pulpa uniforme para ser secada en un filtro prensa del cual se obtiene agua y un queque con 33% de humedad. El lodo se dispone hacia zonas definidas en el tajo. 

Caracterización agua

Se identifica altos contenidos en fierro y aluminio que han ido incrementando con el avance de la operación de minado.

Objetivos

ν Demostrar a través de pruebas metalúrgicas las propiedades de adsorción que tienen los lodos filtrados, obtenidos después del proceso de precipitación de metales.

ν Demostrar que disponer los lodos de una manera adecuada en las áreas autorizadas en mina puede generar un valor agregado y no un gasto como lo son actualmente.

ν Proponer una variación al circuito actual de tratamiento de aguas ácidas provenientes de áreas disturbadas del tajo y/o depósitos de material estéril o DME.

ν Reducir el ratio de consumo de óxido de calcio en el tratamiento de agua ácida. 

Fundamento Conceptual

Generación de drenaje ácido 

“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 y Ni), del orden de varios cientos de miligramos por litro. Estos elementos 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” (Aduviri, 2006, p. 1).

Nordstrom y Alpers (1998) definen que la pirita es el principal responsable de la formación de aguas ácidas, al entrar en contacto con el oxígeno presente en el aire. También afirman que los procesos físicos, químicos y biológicos tienen gran influencia en la generación, movilidad y atenuación de la contaminación ácida de las aguas, y los factores que más afectan a la generación ácida son el volumen, la concentración, el tamaño de grano y la distribución de la pirita.

Reacciones que caracterizan la oxidación de un sulfuro en la generación de agua ácida.

Proceso de neutralización para manejo de drenaje ácido

Se requiere infraestructura conformada por tanques con sus respectivos agitadores, clarificadores, tanques de paso y filtros de los que se obtiene un lodo con aproximadamente 30% de humedad. El proceso consta de la adición de sustancias alcalinas para subir el pH, aproximadamente en 5.5 se precipita el Al continuando con la precipitación de manganeso a pH 8.5. Es importante tener un buen control de la escala de pH, a condiciones mayores a 9.5 se puede dar la redisolución de Al y la solubilidad de plomo y zinc. Los metales presentes en el agua ácida precipitan en forma de lodos de hidróxidos.

Tratamiento con óxido de calcio

El óxido de calcio es el principal reactivo utilizado para neutralizar el agua ácida por su bajo costo, la aplicación generalmente requiere de una planta de preparación de lechada de cal. “Los lodos que se obtienen presentan gran cantidad de sulfato cálcico” (Medina, 2018, p. 29).

Tratamiento con caliza

La caliza o CaCO3 es otra opción para el tratamiento de aguas ácidas, cuya única ventaja es el costo bajo, pero presenta cinética de reacción lenta, grandes cantidades para el tratamiento y baja solubilidad.

Metodología del trabajo

La metodología comprende la obtención de resultados a nivel laboratorio en columnas de 1.2 m con capacidad de 30 kg de mineral, continuando con pruebas a nivel piloto en plataforma de capacidad de 1.8 kg. En ambas etapas se evalúa el agua de descarga o drenaje por ICP principalmente en Fe, Al y Mn.

Se realizan también ensayos de geoquímica (ABA y SPLP) y permeabilidad.

Diseño del trabajo

Se simuló la conformación de las áreas de disposición final de material estéril y lodo filtrado y la propuesta de una pre-etapa del agua ácida antes de ingresar a la planta de tratamiento correspondiente.

Pruebas nivel laboratorio

Se realiza en una columna de 6” de diámetro y 1.2 m de alto con capacidad para 30 kilos a las siguientes condiciones:

ν Mineral generador 100% m-1” = 15 kg.

ν Lodo prensado = 15 kg.

ν Riego con agua ácida de mina, ratio de riego 8 lh/m2.

ν Cosecha de solución cada 24 horas para análisis por ICP.

Pruebas nivel piloto

Se realiza en una celda de 1.05 m3 con capacidad para 1,800 kg a las siguientes condiciones:

ν Mineral generador 80% m≤3” = 1,500 kg.

ν Lodo filtrado = 300 kg.

ν Riego con agua ácida de mina, ratio de riego 8 lh/m2.

ν Cosecha de solución cada 24 horas para análisis por ICP.

Teniendo en cuenta que para este trabajo, el agente principal para precipitar metales pesados es el lodo prensado obtenido de la filtración, se vio por conveniente revisar lo siguiente:

Determinaciones previas

Coeficiente de permeabilidad

Se relaciona al concepto de permeabilidad que no es más que la capacidad que tiene un cuerpo para ser atravesado por un fluido. El coeficiente de permeabilidad, “es una característica de los suelos, específicamente está ligado a la ley de Darcy que se refiere al flujo de fluidos a través de los suelos” (Jaimes, 2008, p. 40). El coeficiente K puede variar desde 1,000 m/s si se trata de un material de grano grueso y menor si fuese una arcilla.

Se aplicó al lodo filtrado para verificar si el agua ácida transitará a través del volumen sin problemas. El grado de permeabilidad se ubicó en “Media” en un suelo tipo arena limosa.

Ensayos geoquímicos

El objetivo de las pruebas geoquímicas es medir el potencial para la generación de drenaje ácido. Se solicitó a SGS Minerals Services ensayos a muestra de mineral generador y lodo prensado; los ensayos fueron:

Ensayo ABA 

El ensayo Acid-Base Accounting (ABA) permite determinar el balance entre los componentes de un material (roca, mineral de descarte o residuo minero) que generan y que consumen ácido. En este método el potencial de generación ácida (AP) se calcula considerando que todo el contenido de azufre sulfurado se oxida a sulfato, generando ácido sulfúrico en una proporción de 2 moles de H+ por cada mol de azufre sulfuro contenido en la muestra.

El potencial de neutralización (NP) se determina tratando una muestra con exceso de ácido clorhídrico estandarizado. Existen diferentes criterios para la interpretación de pruebas ABA estáticas. Realizando una simple comparación de los potenciales AP y NP se tiene una medida de si la muestra puede ser generadora o consumidora de ácido. El potencial neto, (NNP) correspondiente a la diferencia NP – AP, se utiliza como un indicador general de la capacidad de consumo o generación de ácido por la roca. 

En términos simples un valor negativo del NP neto indica una muestra con tendencia a formar ácido, mientras que un valor positivo advierte que prevalecen los factores neutralizantes. Una pauta de interpretación conservadora sugerida por SGS Minerals define los siguientes límites del valor NP neto para clasificar los materiales:

ν Si el NNP es mayor que +20, el material se considera como no productor de ácido;

ν Si el NNP está entre –20 y +20, el material se considera incierto con respecto a su potencial de generación o de neutralización de ácido; y, 

ν Si el NNP es menor que –20, el material se considera productor de ácido. 

Por otra parte SGS también usa el índice de NP/AP como una pauta interpretativa, donde: 

ν Si NP/AP > 3, el material se considera no productor de ácido; 

ν Si 1 < NP/AP < 3, el material se considera incierto con respecto a su potencial de generación o de neutralización de ácido; y, 

ν Si NP/AP < 1, el material se considera productor de ácido.

Para el caso de la Tabla 4, los resultados están expresados en toneladas equivalentes de CaCO3/1000 tonelada de material, y las muestras con un valor de % de sulfuro de < 0.01 se calcularán utilizando un valor de 0.01.

Lixiviación de Precipitación Sintética (SPLP)

El principal objetivo del método 1312 de la EPA, procedimiento de percolación por precipitación sintética, es determinar la movilidad de productos inorgánicos presentes en materiales de desecho bajo la influencia de la lluvia ácida. El fluido de extracción de pH ajustado, se hace mezclando una solución 60/40 en peso de ácidos sulfúrico y nítrico con agua grado 1. El pH es ajustado a un nivel considerado comparable con la lluvia ácida esperada en áreas de alta industrialización (fluido de extracción #1, pH = 4.2). 

La prueba consiste en contactar el mineral con la solución ácida indicada durante 18 horas, para luego ser filtrada (0.45um) y analizada por As, Ba, Cd, Cr, Pb, Hg, Se y Ag. La norma fija las concentraciones máximas permisibles de esto elementos, descritos en la Tabla 6.

Los resultados de las pruebas SPLP detallan que, la disolución de los metales en las muestras se encuentra debajo de los límites máximos permisibles.

Caracterización química

Se aplican solo a las muestras de lodos San Pedro y Pampa Verde.

Análisis mineralógico por difracción de rayos X

ν Muestra San Pedro: está compuesta en su gran mayoría por sulfato de calcio (97%), la diferencia está conformada por bajas cantidades de calcita y cuarzo.

ν Muestra Pampa Verde: compuesta en su gran mayoría por diferentes especies de sulfatos de calcio (alrededor del 80%), la diferencia está conformada por especies de carbonatos como calcita y vaterita.

En la identificación de especies se ha obtenido resultados variables dentro de los compuestos de característica higroscópica como la etringita y mineral portlandita (CaOH)2, son minerales inestables, que se alteran bajo ciertas condiciones atmosféricas de temperatura y humedad. Las condiciones exactas bajo las cuales estos minerales son estables no podríamos indicarlas.

Resultados

En las Figuras 5 a la 8 se muestran los resultados de la cosecha diaria de la solución filtrada en la columna de 1.2 m. La solución drenada se analiza por ICP encontrando notable incidencia en la reducción de concentración de Fe y Al, no siendo igual para el Mn y Cu.

Se observa también que después de los 23 días de riego con solución ácida la brecha en concentraciones del agua de riego y el agua de drenaje se aproxima más, donde finalmente ambas se igualan. Para la celda piloto está brecha se origina a los 60 días.

Los resultados ICP del agua de drenaje nos lleva a la siguiente interrogante: ¿Cuánto es el ratio de consumo de óxido de calcio para las condiciones del agua de drenaje? Si, la concentración de metales como Fe y Mn son menores que la cabeza inicial.

Comparativo de ratio de consumo de CaO

Se compara el ratio necesario para alcalinizar agua proveniente del tajo y el agua de drenaje de la columna de prueba y la celda piloto.

Los ensayos se hacen en un Jar Test obteniendo los resultados mostrados en la Figura 9 y la Tabla 9.

Propuesta técnica

Se mencionó en un inicio que los lodos son dispuestos en áreas de mina, para lo cual hay un costo de carguío y acarreo por un material que no genera ningún valor económico que, por el contrario, incrementa el presupuesto mensual por los equipos y personal invertido.

Se propone hacer una variación en el Flow Sheet, por la cual el agua ácida que alimenta a la planta pase primero por las áreas de disposición final en mina y el drenaje sea enviado hacia la planta de tratamiento, bajo las siguientes condiciones:

ν El lodo generado después de la precipitación de metales debe disponerse de manera ordenada en la plataforma de depósito de estéril.

ν Tender un sistema de riego sobre las plataformas conformadas (lodo + material estéril).

ν Bombear el agua ácida hacia las plataformas de riego a manera que percole por las plataformas de lodo y estéril.

ν Colectar el agua de drenaje para enviar a las plantas de tratamiento.

ν Cerrar las plataformas de riego cuando el material se sature y la entrada y salida de agua se igualen en concentración, continuar con encimar nuevas plataformas.

El sustento para esta propuesta es la siguiente: en 7 meses de lluvia se trata un total de 560,000 m3 (80,000 m3/mes).

En suministros, el costo en un sistema convencional es de 0.98 $/m3 y con el sistema propuesto es de 0.42 $/m3, incluyendo los demás componentes del centro de costo, se tiene que un sistema convencional, el costo es de 1.2 $/m3 y con la propuesta es de 0.64 $/m3.

Conclusiones

1. En pruebas de laboratorio (columna 1.2. m) y en piloto (celda 1.05 m3) se verifica la reducción en la concentración de metales, específicamente en Fe y Al.

2. Los resultados de las pruebas geoquímicas indican que el lodo prensado es un material sin potencial para la generación de acidez. Asimismo, no presentan riesgo de elementos que superen los límites máximos permisibles establecidos por la Norma EPA 1312 y el DS010-2010- MINAM.

3. La determinación del coeficiente “k” indica que el lodo prensado es permeable, lo que asegura la percolación del agua ácida, permitiendo la precipitación de Fe y Al a su paso.

4. Según los resultados de la difracción de rayos X realizada por SGS Minerals Services, el lodo prensado resultante de la precipitación de metales con óxido de calcio, contiene sulfatos de calcio con 97% y 80%, respectivamente, además se registra la presencia de distintos compuestos con carbonato, entre ellos, caliza.

Los compuestos presentes por su naturaleza incorporan el Fe y el Al a su estructura, precipitando y reduciendo su concentración en el agua de drenaje.

5. Con el tiempo los compuestos comienzan a saturarse de metales (Fe y Al) dejándolos pasar, es por eso que a los 23 días en el caso de las columnas y 60 días para la celda piloto, el agua de riego (cabeza) y el agua de drenaje igualan su concentración.

Para la propuesta técnica ya a nivel industrial, esto significa comenzar otra área de riego, es decir encimar otro volumen de mineral generador y lodo prensado.

6. La propuesta técnica impacta directamente en la partida “suministros”, la misma que contempla el óxido de calcio; el ratio de consumo disminuye considerablemente por la reducción de metales pesados al percolar el agua ácida por el volumen de lodo prensado.

Bibliografía

Diario El Comercio. 2019. SNMPE: Inversión minera será el principal motor de crecimiento en el 2019. Recuperado de https://elcomercio.pe/economia/peru/snmpeinversion-minera-sera-principal-motor-crecimiento-2019-noticia-600884

Galán, E. & Romero, A. 2008. Contaminación de Suelos por Metales Pesados.

Recuperado de: http://www.ehu.eus/sem/macla_pdf/macla10/Macla10_48.pdf

Jaimes, F 2008. Comparación del coeficiente de permeabilidad obtenido en laboratorio con el calculado a partir de las fórmulas de Allen Hazen, Schlichter y Terzaghi para arenas de quebrada Aranzoque. Recuperado de: https://repository.upb.edu.co/bitstream/hanle/20.500.11912/721/digital_17358.pdf?seq uence=1

Medina, R 2018. Diseño y operatividad de la planta de neutralización de aguas ácidas de Mina Paragsha Cerro de Pasco en Minera Volcan S.A.A. Recuperado de: https://alicia.concytec.gob.pe/vufind/Record/UNSA_c00bd6933fffc084bf78160bf1022523/Details

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