Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales e instalación correspondiente.

Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales e instalación correspondiente.

El procedimiento de la invención comprende las etapas de: oxidación y precipitación de hierro, arsénico, molibdeno y vanadio, en un ambiente ácido; generación de alcalinidad y precipitación de los metales trivalentes en un ambiente neutro, la oxidación y precipitación de los metales trivalentes residuales, la generación de alcalinidad en un ambiente básico y precipitación de los metales divalentes, y neutralización del agua mediante el equilibrio natural con la atmósfera que permita el vertido a un cauce receptor. Dicho procedimiento se ejecuta mediante una instalación que comprende una laguna (1) receptora de las aguas contaminadas o efluente contaminado (7), un tanque de precipitación (2) con material reactivo y permeable que genera ambiente en condiciones neutras; una balsa de precipitación-decantación (4), un tanque de precipitación (5) que genera condiciones básicas, una laguna de neutralización (15) y unas cascadas de aireación (3, 6, 13), así como canales abiertos (8 y 8') para el trasiego de las aguas.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, tales como las aguas ácidas de mina, así como a la instalación para la puesta en práctica del procedimiento en cuestión.

El objeto de la invención es conseguir aguas con valores de pH neutro, para poderlas 15 descargar en el exterior (cauce natural o arroyo).

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las actividades industríales suelen caracterizarse por una inevitable y continua 20 generación de residuos. Dentro de este ámbito, muestran una especial importancia los problemas ambientales generados por la gestión de residuos de naturaleza inorgánica (entre ellos los que contienen metales y metaloides). A diferencia de los residuos de naturaleza orgánica, que pueden ser destruidos en una gran extensión mediante procesos de incineración, los residuos inorgánicos necesitan del uso de agentes 25 químicos para su remoción e inertización; convirtiéndose en residuos persistentes en el medio si su gestión no es la adecuada. Tanto en los propios residuos inorgánicos como en los suelos y sedimentos contaminados por ellos, existen especies químicas fácilmente lixiviables, las cuales son potenciales fuentes de contaminación de aguas. En la mayoría de casos, los fenómenos naturales que podrían favorecer la inmovilización de este tipo 30 de especies (a través de la formación de fases sólidas insolubles o a través de procesos de adsorción) muestran una eficiencia muy limitada. Por otra parte, las alternativas encaminadas al aislamiento y extracción de las aguas contaminadas para su posterior tratamiento en plantas de depuración alejadas del foco contaminante son procesos de un elevado coste económico. Convencionalmente, el tratamiento de este tipo de aguas

contaminadas "ex situ" suele realizarse de forma "activa". Este tipo de tratamiento conlleva un enorme uso de energía eléctrica así como una continua adición de reactivos químicos, lo cual hace que sea insostenible tanto económica como medioambientalmente.

Una alternativa a esta situación, es la utilización de tecnologías de tratamiento "pasivo", que utilizan el flujo natural del agua y que permiten la estabilización de contaminantes "in situ", para así evitar su migración a lo largo de los cursos de agua. Este tratamiento requiere que los materiales utilizados sean al mismo tiempo: 1) permeables, de manera 10 que dejen pasar el agua a su través, actuando como filtros; y 2) reactivos, es decir, capaces de fijar el contaminante durante el tiempo de tránsito del agua por el filtro. Otras características interesantes es que estos materiales sean 3) baratos, dados los grandes volúmenes a utilizar, y 4) sostenibles, es decir, que funcionen de manera natural mediante el flujo del agua por gravedad y gracias a simples reacciones biogeoquímicas, 15 y además sin necesidad de cuidado o supervisión continuos.

Estos sistemas han sido ampliamente desarrollados para efluentes contaminados donde las concentraciones totales de metales son, con carácter general, inferiores a los 50-100 mg/L de metales en solución. Un típico caso de este tipo de aguas lo conforman las 20 aguas resultantes de la minería del carbón (Younger et al., 2002; Watzlaf et al., 2004). Cuando estos sistemas se enfrentan a concentraciones de metales superiores, del orden de miles de mg/L de metales en solución, sufren un rápido colapso físico y químico que los inhabilita para tal fin (Cravotta, 2003).

La patente US2012160751 (KOREA INST GEOSCIENCE & MINERA) divulga una instalación para el tratamiento de drenajes ácidos que se descargan de una mina abandonada. Comprende un estanque de entrada en el que se introduce drenaje de la mina; un estanque de retención con un agente de neutralización y una salida del agua tratada. En el estanque de retención el hierro se oxida y precipita por acción del agente 30 de neutralización, que es una masa de caliza que aumenta el pH del agua y acelera la reacción de precipitación del hierro.

Por su parte, la patente WO2012156198 (DOW CORNING) describe un proceso similar para eliminar metales pesados de aguas ácidas (hierro, manganeso, cromo, cobre, cinc,

cadmio y plomo y sus mezclas), según el cual el material alcallnizante es un gel que se dispone en el interior de una balsa por la que se hace pasar el agua de drenaje.

La publicación científica "Field multi-step limestone and MgO passive system to treat acid mine drainage with high metal concentrations" (Caraballo, M.A. et al., applied geochemistry 24 (2009) 2301-2311) divulga el uso de sustratos reactivos de calcita y de magnesia en sistemas pasivos de tratamiento de aguas ácidas. Divulga un sistema de tanques y cascadas formado por: varios tanques de precipitación de los metales trivalentes que contienen un sustrato reactivo calizo; un tanque de precipitación de los metales divalentes que contiene un sustrato reactivo de magnesia cáustica; unas balsas de decantación y unas cascadas de oxigenación.

En la publicación "From highly polluted Zn-rich acid mine drainage to non-metallic waters: Implementation of a multi-step alkaline passive treatment system to remediate metal pollution" (Macías, F. et al.; Science of the Total Environment 433 (2012) 323-330), se describe un sistema para eliminar los metales de aguas ácidas de mina que consta de varias etapas. Una etapa inicial en la que se eliminan los metales trivalentes para la cual se utiliza un primer reactor con un sustrato reactivo calizo, seguido de dos balsas de decantación y un segundo reactor con idéntico relleno seguido de otras dos balsas de decantación y una etapa subsiguiente en la que, mediante un tercer reactor relleno con un sustrato reactivo de magnesia caústica dispersa en una matriz de virutas de madera, se consigue la precipitación de los metales divalentes.

Los procedimientos mencionados resuelven en parte el problema enunciado de la estabilización de contaminantes "in situ", para asi evitar su migración a lo largo de los cursos de agua, si bien resultan excesivamente complejos, implican numerosas etapas secuenciales de tratamiento, precisan tiempos de retención hidráulica muy elevados, y por ende, grandes necesidades de terreno.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con el fin de solventar los problemas mencionados, se ha ideado el procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, así como una instalación para la

puesta en práctica de dicho procedimiento, tal y como se recogen en las reivindicaciones anexas.

De acuerdo con la invención, el procedimiento para la depuración de aguas 5 contaminadas por metales, en particular aguas ácidas procedentes de minas, que como efluente contaminante contienen hierro, aluminio, cromo, arsénico, molibdeno, vanadio, zinc, manganeso, cobre, cadmio, cobalto y níquel así como otros metales en pequeñas cantidades, comprende las siguientes fases o etapas:

a) La oxidación y precipitación de hierro, arsénico, molibdeno y vanadio mediante procesos biogeoquímicos espontáneos y naturales en el propio ambiente ácido del efluente contaminado.

b) La generación de alcalinidad por disolución de material permeable y reactivo que genera un ambiente cercano a neutro, bajo el cual el hierro trivalente, el cromo y el aluminio precipitan arrastrando con ellos el arsénico, el vanadio, el molibdeno y pequeñas cantidades de otros metales.

c) El consumo de la alcalinidad generada en la etapa previa mediante la oxidación natural del hierro residual, y su precipitación y sedimentación en balsas de decantación.

d) La generación de alcalinidad por disolución de material permeable y reactivo que genere un ambiente netamente básico, bajo el cual los metales divalentes contenidos en la solución se vuelvan insolubles (principalmente zinc, manganeso, cobre, cadmio, cobalto y níquel) y por lo tanto precipiten, y

e) La neutralización del agua depurada y libre de metales mediante el equilibrio químico natural con la atmósfera y la precipitación de carbonates.

Mediante este procedimiento se generan unos precipitados inertes ricos en metales que, previa caracterización, podrían ser depositados en vertederos autorizados.

Para la puesta en práctica del procedimiento mencionado, la invención contempla la utilización de una instalación compuesta por una laguna receptora del efluente contaminado por metales, un tanque de precipitación relleno con material permeable y reactivo que genere condiciones cercanas a neutras, unas cascadas de oxidación unidas a una balsa de precipitación-decantación, un tanque de precipitación relleno con material

permeable y reactivo que genere condiciones básicas, seguido de unas lagunas de neutralización... [Seguir leyendo]

1.- Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, en particular aguas ácidas procedentes de minas, que como efluente contaminante contienen hierro, aluminio, cromo, arsénico, molibdeno, vanadio, zinc, manganeso, cobre, cadmio, cobalto y níquel así como otros metales en pequeñas cantidades, caracterizado porque comprende las siguientes fases operativas:

a) La oxidación y precipitación de hierro, arsénico, molibdeno y vanadio mediante procesos biogeoquímicos espontáneos y naturales en el propio ambiente ácido del efluente contaminado.

b) La generación de alcalinidad por disolución de material permeable y reactivo que genera un ambiente cercano a neutro, bajo el cual el hierro trivalente, el cromo y el aluminio precipitan arrastrando con ellos el arsénico, el vanadio, el molibdeno y pequeñas cantidades de otros metales.

c) El consumo de la alcalinidad generada en la etapa previa mediante la oxidación natural del hierro residual, y su precipitación y sedimentación.

d) La generación de alcalinidad por disolución de material permeable y reactivo que genere un ambiente netamente básico, bajo el cual los metales divalentes contenidos en la solución se vuelvan insolubles (principalmente zinc, manganeso, cobre, cadmio, cobalto y níquel) y por lo tanto precipiten, y

e) La neutralización del agua depurada y libre de metales mediante el equilibrio químico natural con la atmósfera y la precipitación de carbonates.

caracterizado porque las fases operativas a) - e) señaladas tienen lugar de forma secuencial en el orden indicado y porque cada una de las fases se realiza en una única etapa de tratamiento.

2.- Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, según reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de oxidación y precipitación de hierro, arsénico, molibdeno y vanadio, tiene lugar en una laguna (1).

3.- Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, según reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de la generación de alcalinidad por

disolución de material permeable y reactivo que genera un ambiente cercano a neutro, bajo el cual el hierro trivalente, el cromo y el aluminio precipitan arrastrando con ellos el arsénico, el vanadio, el molibdeno y pequeñas cantidades de otros metales, tiene lugar en un tanque de precipitación (2).

4.- Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, según reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de consumo de la alcalinidad generada en la etapa previa, tiene lugar mediante la oxidación natural del hierro residual en unas cascadas de oxidación (3), y su precipitación y sedimentación, tiene lugar en una balsa de precipitación-decantación (4).

5.- Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, según reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de la generación de alcalinidad por disolución de material permeable y reactivo que genere un ambiente netamente básico, bajo el cual los metales divalentes contenidos en la solución se vuelvan insolubles (principalmente zinc, manganeso, cobre, cadmio, cobalto y níquel) y por lo tanto precipiten, tiene lugar en un tanque de precipitación (5).

6.- Procedimiento para la depuración de aguas contaminadas por metales, según reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de neutralización del agua depurada y libre de metales mediante el equilibrio químico natural con la atmósfera y la precipitación de carbonates, tiene lugar en unas lagunas de neutralización (15) con cascadas de aireación intermedias (13).

7.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, en particular aguas ácidas procedentes de minas, que como efluente contaminante contienen hierro, aluminio, cromo, arsénico, molibdeno, vanadio, zinc, manganeso, cobre, cadmio, cobalto y níquel, así como otros metales en pequeñas cantidades, caracterizada porque comprende:

- una laguna (1) receptora del efluente contaminado por metales

- un tanque de precipitación (2) relleno con material permeable y reactivo (9) que genere condiciones cercanas a neutras

- unas cascadas de oxidación (3) unidas a una balsa de precipitación-decantación (4)

- un tanque de precipitación (5) relleno con material permeable y reactivo (12) que

genere condiciones básicas

- una laguna de neutralización (15) que puede estar dividida en dos sub-lagunas (15,15) conectadas con unas cascadas de aireación intermedias (13) un conjunto de canales abiertos (8, 8, 14) que comunican cada una de las partes de 5 la instalación.

8.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tiempo de residencia hidráulico del agua en la laguna (1) será de aproximadamente 24 - 32 horas.

9.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque la profundidad del agua en la laguna (1) será inferior a 1 m.

10.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el fondo de la laguna (1) mantiene las irregularidades del terreno natural.

11.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque la laguna (1) se construye sobre el propio terreno

natural simplemente mediante el levantamiento de un dique.

12.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque a la salida de la laguna (1) se ha previsto un canal

abierto (8) a través del cual el agua fluye desde dicha laguna (1) al tanque de precipitación (2).

13.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque la superficie del tanque de precipitación (2) se

dimensiona en función de la tasa de retención metálica por unidad de superficie.

14.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tiempo de residencia hidráulico del agua en el tanque de precipitación (2) será superior a 36 horas.

15.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según reivindicación 7, caracterizada porque en el tanque de precipitación (2) está relleno con una mezcla reactiva y permeable (9) para metales trivalentes compuesta por un material

inerte grueso (por ejemplo virutas de madera) mezclado con un reactivo alcalino que genere un ambiente cercano a neutro con tamaño de grano arena, el cual estará disperso en el material inerte.

16.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según 10 reivindicación 7, caracterizada porque en el tanque de precipitación (2) está relleno con

una mezcla reactiva y permeable (9) compuesta en una proporción de un 80% de material inerte y un 20% de material reactivo, de forma que se garantiza aproximadamente un 50% de porosidad en el conjunto.

17.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el reactivo alcalino que se emplea en el tanque de precipitación (2) presenta una granulometría entre 1 - 5 mm.

18- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque en el fondo del tanque de precipitación (2) se ha previsto una capa drenante (10) por la que el agua pasa hacia una arqueta de salida

OD

IO.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 18, caracterizada porque la capa drenante (10) no tendrá una altura superior al 20% de la altura de la mezcla reactiva y permeable (9) y estará formada por un material inerte al contacto con el agua.

20.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque la altura del agua sobrenadante en el tanque de

precipitación (2) no debe ser superior al 25% de la altura de la mezcla reactiva y permeable (9).

21.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tanque de precipitación (2) tiene una altura de pared libre encima del sobrenadante igual o superior al 25% de la altura de la mezcla reactiva y permeable (9).

22.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizado porque entre el tanque de precipitación (2) y la balsa decantadora (4) se ha previsto una cascada de oxidación (3), configurada a partir de un canal abierto escalonado en contacto con la atmósfera.

23.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tiempo de residencia hidráulico del agua en la balsa decantadora (4) será de aproximadamente 24h.

24.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el fondo y las paredes de la balsa decantadora (4)

presentan una superficie irregular.

25.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque a la salida de la balsa decantadora (4) se ha

previsto un canal abierto (8) a través del cual el agua fluye desde dicha balsa decantadora (4) al tanque de precipitación (5).

26.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque la superficie del tanque de precipitación (5) se

dimensiona en función de la tasa de retención metálica por unidad de superficie.

27.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tiempo de residencia hidráulico del agua en el tanque de precipitación (5) está entre las 12 - 72 horas.

28.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque en el tanque de precipitación (5) está relleno con una mezcla reactiva y permeable (12) para metales divalentes compuesta por un material inerte grueso (por ejemplo virutas de madera) mezclado con un reactivo alcalino que

genere un ambiente básico con tamaño de grano polvo, ei cual estará disperso en el material inerte.

29.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque en el tanque de precipitación (5) está relleno con

una mezcla reactiva y permeable (12) compuesta en una proporción de un 80% de material inerte y un 20% de material reactivo, de forma que se garantiza aproximadamente un 50% de porosidad en el conjunto.

30.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el reactivo alcalino que se emplea en el tanque de precipitación (5) presenta una granulometría entre 0,1 - 0,2 mm.

31.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque en el fondo del tanque de precipitación (5) se ha

previsto una capa drenante (10) por la que el agua pasa hacia una arqueta de salida

(11).

32.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 31, caracterizada porque la capa drenante (10) no tendrá una altura

superior al 20% de la altura de la mezcla reactiva y permeable (12) y estará formada por un material inerte al contacto con el agua.

33.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque la altura del agua sobrenadante en el tanque de

precipitación (5) no debe ser superior al 25% de la altura de la mezcla reactiva y permeable (12).

34.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tanque de precipitación (5) tiene una altura de

pared libre encima del sobrenadante igual o superior al 25% de la altura de la mezcla reactiva y permeable (12).

35.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizado porque entre el tanque de precipitación (5) y la laguna de neutralización (15) se ha previsto una cascada de oxidación (6), configurada a partir de un canal abierto escalonado en contacto con la atmósfera.

36.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizada porque el tiempo de residencia hidráulico del agua en la laguna de neutralización (15) es superior a 8 horas.

37.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según 10 reivindicación 7, caracterizado porque la laguna de neutralización (15) está dividida en dos sub-lagunas (15,15) conectadas con cascadas (13) del mismo ancho que la laguna, creando una diferencia de altura entre ambas sub-lagunas de aproximadamente un metro.

38.- Instalación para la depuración de aguas contaminadas por metales, según

reivindicación 7, caracterizado porque entre la laguna de neutralización (15) y el cauce receptor se ha previsto un canal abierto (14).