La oxidación biológica en continuo del ion ferroso en reactores de película bacteriana soportada

• Autores: Manuel José García Gómez
• Directores de la Tesis: Antonio Roselló Segado (dir. tes.), Francisco Carranza Mora (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 1992
• Idioma: español
• Número de páginas: 243
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  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • Los drenajes ácidos de las minas de carbón y de sulfuros metálicos, constituyen un importante foco de contaminación, donde el principal agente contaminante es el ion ferroso disuelto. A lo largo del tiempo este Fe(II) es oxidado hasta Fe(III), tanto por el O2 disuelto como por las bacterias ferrooxidantes suspendidas en estas aguas. Una vez producido por el ion férrico y dependiendo del pH del medio, tiene lugar una hidrólisis que produce ácido y aumenta la cantidad de sólidos en suspensión (coloides de oxihidróxidos férricos), influyendo estos dos factores en la destrucción de toda la fauna y flora existente en el medio.

    La solución a este problema, pasa por una oxidación previa del Fe(II) presente y la precipitación de los compuestos del Fe(III). Se han probado varios métodos químicos para la oxidación del ion ferroso, surgiendo recientemente como alternativa muy interesante, la oxidación biológica en modelos de película soportada, existiendo, en la actualidad varis plantas industriales en funcionamiento en Japón y EEUU, para el tratamiento de soluciones muy diluidas de Fe(II).

    La oxidación bacteriana se contempla como el paso previo en el tratamiento de estas aguas. Después de la etapa de oxidación, un aumento de pH facilita la precipitación de los compuestos producidos de Fe(III). Esto se puede conseguir añadiendo cal o caliza, la elección se basará fundamentalmente en el estudio económico del proyecto.

    Por otro lado, la minería española de sulfuros metálicos se encuentra en una situación de crisis permanente debido a las dos características esenciales de estos minerales: pobres y complejos, lo cual condiciona de forma notable las primeras etapas de su tratamiento. Actualmente solo se aplican procesos pirometalúrgicos para el beneficio de sulfuros de cobre, plomo y cinc, lo cuales exigen concentrados de alta ley y pureza. Este hecho obliga a la realización de una flotación diferencial para obtener concentrados individuales de los tres metales, lo que, desde el punto de vista conceptual es correcto; sin embargo, en la práctica esta solución no es satisfactoria, debido a los elevados costes de la flotación diferencial y a la mala calidad de los concentrados obtenidos que dificulta su acceso al mercado.

    Frente a la flotación diferencial, la flotación global presenta importantes ventajas, como son un menor consumo de agua y reactivos, una mayor eficiencia en la recuperación de metales y un menor coste en la etapa de molienda, ya que solo es preciso moler hasta el tamaño de liberación de la pirita, mucho mayor que el de los sulfuros metálicos no férreos. A pesar de estas ventajas, no se produce este concentrado global, ya que no existe un mercado para su venta debido a la falta de procesos tecnológicos adecuados para su beneficio. Es evidente que estos concentrados habrán de ser tratados vía hidrometalúrgica. En los momentos actuales, la principal dificultad se centra en la elección de un proceso de lixiviación que sea eficaz, barato y flexible. Y es aquí donde la biolixiviación puede considerarse como una alternativa interesante.

    Se puede afirmar que la biolixiviación es una alternativa barata y flexible, no obstante su eficacia está mediatizada por problemas de tipo cinético. La lenta cinética de este tipo de procesos obliga a operar con tiempo de reacción muy elevados. Esto condiciona en forma notable el dispositivo industrial a emplear y, a su vez, el tipo de mineral a tratar. Así, actualmente, solo se aplica al beneficio de minerales pobres o incluso marginales y de minerales refractarios, empleando instalaciones de lixiviación por percolación en terreros.

    La biolixiviación se basa en la utilización de bacterias quimiolitótrofas que obtienen la energía necesaria para su crecimiento a partir de la oxidación intracelular de sustancias inorgánicas, y puede tener lugar mediante dos mecanismos distintos, denominados de contacto indirecto y de contacto directo. Según el primero de ellos, el ion férrico oxida al sulfuro metálico, produciendo sulfato ferroso y azufre elemental que, a su vez, son oxidados por la bacteria regenerando el ion férrico. Según el mecanismo de contacto directo, la acción bacteriana es independiente de la presencia de ion férrico y solo requiere un íntimo contacto entre la bacteria y la superficie del mineral en condiciones aeróbicas para realizar, en la propia superficie del mineral, el proceso de lixiviación.

    La acción bacteriana se ve favorecida en el mecanismo de contacto indirecto, pero aún resulta lenta y esta es la causa que impide su utilización en el tratamiento de minerales ricos o concentrados de flotación. Sin embargo, es posible mejorar dicha cinética si se separan los dos efectos que, de forma simultánea tienen lugar en este proceso de lixiviación: el ataque químico al sulfuro metálico por parte del ion férrico y la oxidación bacteriana del ion ferroso producido.

    Con esta línea de actuación se pretende desarrollar una nueva tecnología para el aprovechamiento de sulfuros polimetálicos basada en la biotecnología, y más concretamente en el proceso I.B.E.S.

    En ambos casos es necesario optimizar el proceso de oxidación bacteriana del ion ferroso para alcanzar los objetivos perseguidos.

    Aunque la oxidación biológica del ion ferroso en disolución por la especie Thiobacillus Ferrooxidans es conocida desde mediados de siglo, la investigación en este campo no empezó a desarrollarse hasta la década de los 70 y ha tenido desde entonces un carácter fundamental básico. Los estudios acerca de este proceso en continuo que recoge la bibliografía son escasos y se refieren a dispositivos que tratan caudales pequeños y con concentraciones de Fe(II) anormalmente bajas, en general por debajo de las 500 ppm. Por esta razón, su grado de aplicabilidad industrial en la depuración de aguas de drenaje de minas de sulfuros y en la regeneración de ion férrico como agente lixiviante en procesos hidrometalúrgicos, en ambos casos con demandas de oxidación de Fe(II) muy superiores a las estudiadas, aún no ha sido totalmente establecida.

    A partir de las consideraciones anteriores, se han establecido como objetivos principales de este trabajo el analizar la cinética de este proceso en continuo en diversos reactores de película soportada, empleando elevadas concentraciones de ion férrico, establecer las ecuaciones de diseño correspondientes y estudiar su aplicabilidad, a escala semi-industrial, en los casos citados.

    Los principales apartados del plan de trabajo son los siguientes:

    - Revisión bibliográfica de los procesos de oxidación biológica del ion ferroso.

    - Obtención de cepas bacterianas de Thiobacillus Ferrooxidans adaptadas a la oxidación de Fe(II) en diferentes medios de cultivo.

    - Estudio de la oxidación en continuo de Fe(II) en Contactores Biológicos Rotatorios. Comprende el estudio del proceso de formación de película bacteriana sobre los discos, ensayos de oxidación de Fe(II) con diferentes condiciones de operación y diferentes medios, y el establecimiento de una ecuación cinética que refleje el comportamiento de estos reactores.

    - Estudio de la oxidación en continuo de Fe(II) en Columnas de Relleno, comprende el estudio del proceso de formación de película bacteriana sobre el material de relleno, ensayos con diferentes materiales de relleno y diferentes condiciones de operación, y el establecimiento de una ecuación cinética que refleje el comportamiento de este tipo de reactores.

    - Aplicación de este proceso a escala piloto y semi-industrial, en la depuración de aguas ácidas y en la regeneración de Fe(III) como agente lixiviante.

    CONCLUSIONES 1. La biooxidación del ion ferroso en reactores de película bacteriana soportada tiene una cinética mucho más rápida que la correspondiente al reactor tanque agitado de bacterias en suspensión.

    2. La capacidad oxidativa de una película bactriana recién formada, depende en gran medida de la historia de su formación. Por tal motivo, el estudio científico de este proceso requiere el establecimiento previo del método de formación de película. Desde este punto de vista, los métodos en etapas con recirculación del medio de cultivo, desarrollados en este trabajo han sido muy eficaces, tanto en la reproducibilidad de los resultados obtenidos como en el acortamiento del tiempo de formación.

    3. En este tipo de reactores de biooxidación, de funcionamiento continuo, la conversión disminuye a medida que aumenta el caudal de alimentación.

    4. En el contactor biológico rotatorio, el pH del licor de entrada puede influir de forma indirecta, aunque notable, en la cinética de la biooxidación. A valores cercanos o superiores a 2, tiene lugar la aparición de precipitados que hacen disminuir el tiempo medio de residencia.

    5. En el citado reactor, a medida que aumenta el caudal de entrada, aumenta la concentración de ion ferroso en estado estacionario. En un barrido creciente de caudales tienen lugar varios cambios en el control cinético del proceso, de forma que a abaja concentración de Fe(II) la velocidad del proceso está controlada por dicha concentración. Posteriores incrementos del caudal, que provocan aumentos en la concentración de ion ferroso, trasladan el control a la masa bacteriana disponible y finalmente a la concentración de oxígeno disuelto.

    6. El perfil de velocidad frente a concentración de Fe(II) sigue la expresión cinética de Michaelis-Menten para reacciones enzimáticas, hasta alcanzar un máximo de velocidad a partir del cual ésta disminuye debido al cambio de control.

    7. El contactor biológico rotatorio sigue un modelo de flujo de mezcla completa.

    8. El pH ejerce una gran influencia en la biooxidación del ion ferroso en columna de relleno. Los mejores rendimientos se obtienen a valores mínimos de pH, siempre que la acidez no inhiba el crecimiento bacteriano.

    9. De los tipos de relleno estudiados, el que proporciona mejores resultados cinéticos es el carbón activo. El mineral marginal y las arenas silíceas ofrecen resultados inferiores, aunque similares entre sí. No obstante, el relleno silíceo es el que presenta mayor dificultad para la formación de una película bacteriana estable.

    10. El proceso de biooxidación del ion ferroso en columnas de relleno sigue un modelo de flujo en pistón.

    11. La utilización combinada del contactor biológico rotatorio y de la columnas de relleno como reactores de biooxidación, ha proporcionado una elevada eficacia en la regeneración de Fe(III) como agente lixiviante en procesos hidrometalúrgicos. Ello ha permitido el desarrollo del proceso IBES, primero a escala planta piloto de laboratorio, y posteriormente planta piloto semi-industrial.

    12. Durante las pruebas en continuo, las películas bacterianas han mostrado una gran tolerancia a cambios bruscos en composición del licor de entrada, y a cambios en la climatología. No observándose en ningún caso procesos de envejecimiento o desactivación de las películas bacterianas.