Tratamiento de jales y sedimentos contaminados con metales pesados mediante la aplicación de biosólidos

Abstract

RESUMEN El presente trabajo consistió en implementar una metodología de aplicación de biosólidos a sustratos de diferente origen y características (jales mineros y sedimentos de río), con la finalidad de disminuir la afectación de los metales presentes en estos sustratos hacia el ambiente. Para ello se realizó una caracterización fisicoquímica de jales del distrito minero de Guanajuato y sedimentos del río San Pedro en Aguascalientes, determinando los principales factores relacionados con la movilidad de metales. Se estudiaron las características mineralógicas de los jales en busca de minerales de tipo sulfuro, los cuales se asocian al Drenaje Ácido de Mina (DAM). Con el propósito de estimar la capacidad de generación de ácido de los jales, se determinó el potencial de neutralización (PN) y el potencial de acidez (PA). Se cuantificó el contenido total de metales en todos los sustratos: jales mineros, sedimentos y biosólidos. A fin de estudiar la influencia del pH sobre la movilidad de los metales, se realizaron ensayos de potencial de lixiviación utilizando soluciones extractantes con pH de 4, 5, 7 y 9. Se ensayó la aplicación de dos tipos de biosólidos sobre los sustratos en los cuales se encontró el fenómeno de lixiviación de metales. Finalmente se llevó a cabo una extracción secuencial para conocer el fraccionamiento de los metales y estimar su asociación con los distintos constituyentes de los jales y sedimentos. Los sedimentos del cauce del río San Pedro mostraron un carácter neutro (el 75% de los sitio presentaron un pH que oscila entre 6 y 8 unidades), fueron altamente salinos ya que el 75% de los sitios presentaron una conductividad superior a los 100 μs/cm, más del 50% de las muestras colectadas tuvieron un contenido medio de materia orgánica (1.5 y 3.6%), presentaron un carácter anaerobio con tendencias reductoras debido a que el potencial redox en el 90% de los sitios muestreados presentaron valores negativos cercanos a -400 mV. Las principales arcillas presentes fueron Esmectitas, Cloritas y Micas hidratadas. Con respecto al grado de intemperismo se considera que en el 90% de los sitios colectados estuvieron presentes minerales primarios intemperizables y hay una baja acumulación de minerales secundarios del grupo caolinítico y óxidos libres. En términos generales, estas condiciones fisicoquímicas no favorecen la movilidad de los metales. Los sedimentos mostraron cantidades importantes de metales, sin embargo, de los 38 sitios colectados inicialmente, sólo 15 presentaron valores de metales que los catalogaron como sitios moderada y altamente contaminados, de acuerdo con los Valores guía para la clasificación de la contaminación de sedimentos (mg/Kg) adaptados de USEPA (1977), considerando lo anterior, se tomaron estos sitio para llevar a cabo las pruebas de potencial de lixiviación. Los resultados obtenidos de las pruebas de potencial de lixiviación utilizando miniceldas de alteración realizadas a quince muestras de sedimentos del río San Pedro demostraron que no existió un fenómeno de lixiviación (porcentaje de lixiviación menor del 1%), debido al alto grado de estabilización que tienen los metales, provocado principalmente por el contenido de materia orgánica, así como por las condiciones neutras que disminuyen la solubilidad de los metales. Así mismo, se observó que aun cuando las condiciones del medio se modifican por el uso de soluciones extractantes con carácter ácido (pH 4), neutro (pH 7) y alcalino (pH 9), no hay una repercusión sobre la lixiviación de los metales. El fraccionamiento de las especies metálicas fue también, en términos generales, congruente con la casi inexistente movilidad de los metales, revelando su distribución mayoritaria en fracciones con poca movilidad, dado que el fraccionamiento de metales por medio de extracciones sucesivas aporta, en primera instancia, información pragmática sobre la estabilidad de las especies metálicas presentes en una matriz hacia la movilización, y es fundamentalmente con este propósito práctico que se aplicó en el presente trabajo. De acuerdo con la evidencia obtenida, los metales presentes en los sedimentos del cauce del río San Pedro no representan un riesgo ambiental, ya que los sedimentos estudiados presentan un alto grado de estabilidad derivado de condiciones fisicoquímicas poco favorables para la movilidad de metales y la distribución mayoritaria de las especies metálicas en fracciones con poca movilidad. Se realizó la caracterización de cuatro jales del distrito minero de Guanajuato: uno abandonado desde hace 75 años que se encuentra fuertemente erosionado con un avanzado estado de alteración superficial (Pozuelos), uno abandonado hace 20 años (Presa Abandonada), uno reciente (Presa en Operación) y un jal proveniente de la mezcla de diferentes compañías (Presa Mezcla). Los residuos de: Presa Abandonada, Presa en Operación y Presa Mezcla presentaron concentraciones significativas de Fe, Mn y Al, y en menor medida de Cr, 3 Cu, Ni, Pb y Zn. Sin embargo, el potencial de lixiviación en estos casos no fue relevante, incluso cuando se emplearon soluciones extractantes a pH de 4 (porcentajes de lixiviación menores al 1%). La elevada estabilidad de estos jales fue consistente con la presencia de condiciones fisicoquímicas poco favorables para la movilidad de los metales, principalmente un carácter alcalino (pH que oscilas entre 8 y 9), alto contenido de sales (superior a 100 μS/cm), condiciones aerobias con tendencias oxidantes (potencial redox por encima de las 12 mV), bajo contenido de humedad (inferior al 28%), muy baja capacidad de intercambio catiónico (por debajo de 0.6 Cmol/kg) y ausencia de materia orgánica. La importante presencia de calcita y el bajo contenido de sulfuros fue un factor primordial para explicar la elevada estabilidad de los residuos. El fraccionamiento de las especies metálicas fue también, en términos generales, congruente con la casi inexistente movilidad de los metales, revelando su distribución mayoritaria en fracciones con poca movilidad. Sin embargo, el factor fundamental que explica la baja movilidad de los metales en los tres residuos estudiados fue el alto potencial de neutralización (98 kgCaCO3/Ton para las presas Abandonada y en Operación y 94 kgCaCO3/Ton para la presa Mezcla). La evidencia sugiere que el efecto de dos décadas de intemperismo en estos residuos derivó en la transformación de las especies metálicas presentes hacia formas más estables. En el caso del jal Pozuelos se caracterizó por tener un carácter ácido (pH de 4.0), con un muy alto contenido de sales (386 μS/cm), ausencia de materia orgánica, bajo porcentaje de humedad y una CIC de 2.3 Cmol/kg. Se encontraron como principales minerales el Cuarzo-Qz, Pirita-Py, Arseniato de Plomo-AP (PbAs2O6) y Calcita. El Fe, Al y Pb son los metales presentes en mayor cantidad. También se encontró la presencia de Mn, Zn, Cu, estos metales representan un riesgo al ambiente dado que sí se presenta un fenómeno de lixiviación (Al 18.45%, Cu 28.35%, Fe 22.86%, Mn 90.36%, Pb 20.86%, Zn 97.77%), lo cual se corresponde con las condiciones de los factores fisicoquímicos que favorecen la movilidad de metales. Así mismo, al aumentar las condiciones de acidez se incrementa la movilidad, lo cual indica la importancia del pH sobre la movilidad de los metales presentes en jales de carácter ácido. Los ensayos de aplicación de biosólidos se llevaron a cabo en los jales de Pozuelos dado que únicamente en estos residuos se presentó la lixiviación de metales. Los ensayos indican que los biosólidos son capaces de estabilizar metales en 4 cantidades considerables y con eficiencias, dependiendo del metal, superiores al 60%. Lo cual indica que la aplicación de biosólidos disminuye significativamente la lixiviación de metales, principalmente cuando se utilizan biosólidos con mayor grado de tratamiento. La aplicación de biosólidos tiene una afectación directa sobre la distribución de metales de los jales de Pozuelos, se observa que los metales que se encontraban unidos a la fracción intercambiable o a los carbonatos tienden a migrar hacia la fracción constituida por la materia orgánica perteneciente a los biosólidos o a constituirse en la fracción residual, aumentando así su grado de estabilidad, dicho fenómeno ayuda a explicar el efecto causado por la aplicación de biosólidos al disminuir significativamente la lixiviación de metales. La aplicación de biosólidos composteados resulto ser significativamente más eficiente para inmovilizar los metales que la aplicación de biosólidos estabilizados, este fenómeno se puede explicar dado que los biosólidos composteados contienen una mayor porcentaje de materia orgánica (54.43%), aunado a ello hay una diferenciación en la naturaleza química y en los componentes moleculares del material húmico, como consecuencia del tratamiento de compostaje. En los biosólidos composteados los ácidos tienen mayor carácter aromático (policondensación aromática alta), presentan una mayor homogeneidad y poseen un grado mayor de humificación que los materiales húmicos de los biosólidos estabilizados, por lo cual se explica la relación directa con la capacidad de quelación y la adsorción de los metales presentes en los jales de residuos que tienen un carácter fuertemente ácido, un alto contenido salino, un porcentaje bajo de humedad de tipo aerobio con tendencias oxidantes, y una baja capacidad de intercambio catiónico.

ABSTRACT In this work, a methodology of biosolids application to substrates of different origin and characteristics (tailings and river sediments) were implemented, with the purpose of diminishing the affectation of the present metals in these substrates towards the environment. For it a physicochemical characterization was realized to tailings at Guanajuato's mining district and sediments of the river San Pedro in Aguascalientes, determining the principal factors related to the metal mobility. We studied the mineralogical characteristics of the tailings for minerals of sulfide type, which are associated with Acid Mine Drainage (AMD). In order to estimate the acid generating capacity of the tailings, we determined the neutralization potential (NP) and the potential acidity (PA). The total metal in tailings, sediments and biosolids were quantified. To study the influence of pH on the mobility metals, assays of potential for leaching using extractants solutions with pH 4, 5, 7 and 9.were performed. The application of two types of biosolids was tested in the substrates with potential for leaching. Finally, we conducted a sequential extraction to determine the fractionation of metals and to estimate its association with the various constituents of the tailings and sediments. The river San Pedro sediments showed a neutral character (75% of the site had a pH of between 6 and 8 units), were highly saline because 75% of sites had a conductivity greater than 100 ms/cm, more than 50% of the samples collected had an average content of organic matter (1.5 and 3.6%), had a anaerobic character and reductive tendencies because the redox potential in 90% of sites sampled showed negative values near to -400 mV. The main clays present were smectite, chlorite and hydrated miques. With regard to the weathering degree is considered that in the 90% of the sites collected weatherable primary minerals were present and there is a low accumulation of secondary minerals, caolinític group and free.oxides Overall, these physicochemical conditions do not favor the mobility of metals. The sediments showed significant amounts of metals, however, of the 38 sites initially collected, only 15 had metals values that categorized as moderately to highly contaminated sites, according to the values guide for the classification of contamination of sediments (mg / kg) adapted USEPA (1977), considering the above, this sites were taken to perform tests potential for leaching. The results of alteration miniceldas leaching tests made to fifteen sediment samples from the San Pedro River showed that there was no leaching phenomenon (leaching rate of less than 1%) due to the high metals stabilization degree mainly caused by the organic matter content, as well as neutral conditions which decrease the solubility of the metals. Also, we observed that even when environmental conditions are modified by the use of solutions with acidic extractants (pH 4), neutral (pH 7) and alkaline (pH 9), there is an effect on the leaching of metals. The fractionation of metal species was consistent with the immobilization of metals, showed its majority distribution in fractions with little mobility, the fractionation of metals by successive extractions gives in the first instance, pragmatic information about the stability of the metal species present in a substrate matrix and its mobilization, and fundamentally for this practical purpose is applied in this work According to the evidence obtained, the metals present in river San Pedro sediments don´t represent an environmental hazard, since the sediments studied show a high degree of stability resulting from unfavorable physicochemical conditions for metal mobility and distribution majority of the metallic species in fractions with low mobility. Characterization of different tailings from the mining district of Guanajuato, were carried out, including tailing from abandoned dams 20 and 75 years ago, a dam in operation and another coming from the mixture of different companies. The operation, abandoned and mixture dams tailings presented alkaline conditions, aerobic environment with oxidative tendency, low humidity, very low capacity of cationic exchange, and absence of organic matter. These conditions restrict the metal mobility. The mineralogical analysis showed that the tailings contained mainly quartz, calcite and covelite. Tailings coming from the mixture of different companies had greater total concentrations (mg/kg) of Mn (1042.8), Al (12919.8), Fe (23911.3), Cr (71.3), Pb (24.6) and Cu (19.8). The highest concentration of Zn was observed at the abandoned tailing (53.3 mg/kg). No significant concentrations of Cd and Hg were observed, although Pb (24.6 mg/kg) y Cr (71.4 mg/kg) was detected. Leaching tests indicated that metals cannot be leached in percentages higher than 0.1%, and so these tailings don´t represent an environmental risk. The low leaching of metals in the studied tailings was consistent with the mineralogical and physiochemical prevailing conditions, the low acid drainage generation potential and the high degree of stability observed in the tests of metals fractionation. In the case of Pozuelos tailing, was characterized by an acid character (pH 4.0), with a very high salt content (386 mS / cm), absence of organic matter, low humidity and a CIC of 2.3 cmol/kg. Were found as major minerals Quartz-Qz, Pyrite-Py, lead arsenate-AP (PbAs2O6) and Calcite. The Fe, Al and Pb are metals present in greater quantity. We also found the presence of Mn, Zn, Cu, these metals pose a risk to the environment due to presented as a phenomenon of leaching (Al 18.45%, 28.35% Cu, 22.86% Fe, Mn 90.36%, 20.86% Pb, Zn 97.77%), which corresponds to the conditions of the physicochemical factors that promote the mobility of metals. Likewise, increasing the acidic conditions is increased mobility, indicating the importance of pH on the mobility of the metals present in acidic tailings. The assays of biosolids application were carried out in the tailings of Pozuelos because it just these residues were presented metals leaching. Tests indicate that the biosolids are able to stabilize metals in substantial quantities and efficiencies, depending on the metal, above 60%. This indicates that biosolids application significantly reduces the leaching of metals, especially when using biosolids with higher degree of treatment. Biosolids application has a direct impact on the distribution of metals in Pozuelos tailings, was observed that the metals which were attached to the exchangeable fraction or coupled to carbonates tend to migrate to the fraction constituted by organic matter belonging to the biosolids or formed in the residual fraction, thus increasing their stability degree, this phenomenon helps explain the effect caused by the application of biosolids to reduce significantly the metals leaching. The application of composted biosolids turned out to be significantly more efficient to immobilize the metals; this phenomenon can be explained as composted biosolids contain a higher percentage of organic matter (54.43%), coupled with this there is a differentiation in the chemical nature and the molecular components of humic material, as a consequence of composting treatment. The composted biosolids humic acids are more aromatic character (high aromatic polycondensation), have a greater homogeneity and have a greater humification degree, which explains the direct relationship with the ability to chelation and adsorption of metals in tailings with a strongly acidic, high salt content, a low percentage of moisture, aerobic type with oxidants trends, and low cation exchange capacity.