Processos físico-químics i biològics en el tractament d'aigües àcides de mina: Aplicació a barreres permeables reactives

• Autores: Oriol Gibert Agulló
• Directores de la Tesis: Joan de Pablo Ribas (dir. tes.), José Luis Cortina Pallás (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2005
• Idioma: catalán
• ISBN: 84-689-3155-1
• Depósito Legal: B.37096-2005
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • La contaminació de les aigües superficials i subterrànies representa el problema mediambiental més greu a què sha denfrontar la indústria minera, a causa de les denominades aigües àcides de mina (AAM), generades com a resultat de la lixiviació dels residus finals dipositats a les basses demmagatzematge.

    Els jaciments minerals que contenen sulfurs metàllics són una font potencial dAAM. Lexposició daquests materials als agents atmosfèrics, com loxigen i laigua, dóna lloc a la generació dun lixiviat fortament contaminat, amb una elevada acidesa (pH?4), alts continguts de SO42- (100-7000 mg dm-3) i quantitats variables de ions metàllics. En aquestes noves condicions dacidesa i doxidació-reducció, les AAM poden escórrer-se pel sòl i els elements químics poden viatjar amb les aigües subterrànies, amb les consegüents repercussions per a lecosistema aquàtic.

    El tractament de les aigües subterrànies ha generat un gran interès en el camp de la biotecnologia ambiental. La tècnica més recent és el tractament in situ del plomall contaminat mitjançant una barrera permeable reactiva (BPR), que consisteix en la installació dun material reactiu a laqüífer capaç dinduir processos fisicoquímics i biològics que eliminin els contaminants de laigua. La tecnologia de les BPR per al tractament dAAM és relativament moderna, sense precedents a Europa fins la installació, lany 2000, duna BPR a laqüífer del riu Agrio, fortament contaminat per AAM després del trencament de la bassa de residus de la mina dAznalcóllar. Lenfocament biològic per al tractament de les AAM mitjançant una BPR es basa en lús de bacteris sulfato-reductors (BSR), capaços de reduir SO42- a S2-, que precipiten en presència de metalls en forma de sulfurs metàllics.

    Lobjectiu primordial daquesta tesi és el destudiar, a escala de laboratori, els processos físico-químics i biològics involucrats en el tractament dAAM mitjançant una BPR com la installada a Aznalcóllar.

    Amb aquest propòsit, es va procedir a simular la barrera en experiments en columna, en què es va avaluar la capacitat de mescles reactives -a base de compost vegetal, calcita i puntualment Fe0- per al tractament duna AAM sintètica. Els resultats van mostrar que el compost utilitzat és una font de carboni massa poc biodegradable per promoure lactivitat dels BSR. Malgrat la falta de condicions sulfato-reductores, la majoria dels metalls fou eliminada de forma significativa, la qual cosa va suggerir lexistència de processos diferents de la precipitació de sulfurs. En experiments posteriors es va demostrar que la precipitació d(oxi)hidròxids i carbonats metàllics, la co-precipitació amb aquests, i ladsorció sobre el compost són responsables de la disminució de la concentració de metalls. Aquest darrer mecanisme va ser objecte dun estudi més exhaustiu, que va demostrar que els grups àcids presents a la superfície del compost poden adsorbir Zn i Cu. Posteriorment, i constatada la poca idoneïtat del compost per engegar un procés de sulfato-reducció bacteriana, lobjecte destudi es va orientar cap a la recerca daltres matèries orgàniques, i més concretament, duna metodologia per predir-ne la biodegradabilitat. Es va comparar, així, la composició química de quatre substrats orgànics (compost vegetal, fulles vegetals, i fems dovella i de cavall) amb la seva capacitat de promoure condicions sulfato-reductores. Els resultats van mostrar que la biodegradabilitat duna matèria orgànica està estretament relacionada amb el seu contingut de lignina, i que aquest pot ser utilitzat per a la predicció de la seva biodegradabilitat. Dels substrats orgànics assajats, la mostra de fems dovella va resultar ser la més favorable, per la qual cosa es va seleccionar per a experiments posteriors en el tractament dAAM. Els resultats daquests últims experiments van indicar que la presència de metalls a altes concentracions a laigua a tractar pot exercir efectes toxicològics als BSR i inhibir-ne el metabolisme.

    ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- RESUM ANGLES The contamination of surface and groundwater represents the most serious environmental concern associated with the mining industry around the world, owing to the so-called acid mine drainage (AMD), which is generated as the result of the leaching of the residual wastes disposed of in open-air impoundments.

    Mineral deposits containing metal sulphides represent a potential source of AMD. The exposition of these residues to the atmospheric agents, like oxygen and water, results in the generation of a heavily contaminated-leachate characterised by a high acidity (pH<4), high contents in SO42- (100-7000 mg dm-3) and variable amounts of metallic ions. In these new acidic and redox conditions, these acidic waters can drain through the soil and enter into the groundwater system, resulting in a potential risk to aquatic and terrestrial ecosystems.

    The treatment of such groundwaters has in the last decades drawn the attention in the field of environmental biotechnology. A recent economically attractive technology in the in-situ treatment of AMD are the permeable reactive barriers (PRB), which consist of the installation into the aquifer of an appropriate reactive material able to induce physico-chemical and biological processes that remedy contaminated groundwater that flows through it. The PRB technology has emerged as a cost-effective alternative, without any precedent in Europe until the installation, in 2000, of a PRB into the Agrio river aquifer, which was heavily contaminated by AMD after the break down of the tailing pond in the pyritic mine of Aznalcóllar. The biological approach of the AMD treatment by means of a PRB is based on the use of sulphate-reducing bacteria (BSR), able to reduce SO42- to S2-, which can precipitate in presence of metals as metal sulphides.

    The present Thesis forms part of the research work on the PRB in Aznalcóllar, and its aim is the study, at the laboratory-scale, of the physico-chemical and biological processes taking place in the PRB in Aznalcóllar.

    For this purpose, the PRB was simulated in column experiments, in which the capacity of reactive mixtures -based on vegetal compost, calcite, and occasionally Fe0- was evaluated in the treatment of a synthetic AMD. The results showed that the compost used in this study is a too poor biodegradable carbon source to promote the SRB activity. Despite the lack of sulpahte-reducing conditons, most of metals were significantly removed, suggesting the existence of other processes than the sulphide precipitation. In subsequent experiments, the metallic (oxy)hydroxide and carbonate precipitation, the co-precipitation with them, and sorption onto the compost were demonstrated to be responsible of the decrease of the metal concentration. This latter mechanism was object of a more exhaustive study, which demonstrated that acidic groups on the compost surface can sorb Zn and Cu present in the solution. Subsequently, and because compost was found to be not suitable in promoting the bacterial sulphate-reducing process, the object of the study was directed towards the research of other organic matters and, more specifically, of a methodology for predicting their biodegradabity. The chemical composition of four organic substrates (vegetal compost, vegetal leaves, and sheep and poultry manure) and their ability in promoting sulphate-reducing conditions in a metal-free medium were compared. Results showed that the biodegradability of an organic matter is closely linked to its lignin content, which can be used as a predictable parameter. Among the assessed organic substrates, sheep manure resulted to be the most favourable in terms of sulphate-reduction, and was selected for the treatment of AMD. Results of these further experiments indicated that the presence of metals at high concentrations in the water can exert toxicological effects to the SRB and inhibit their metabolism.