El documento describe la tecnología de humedales para el tratamiento de aguas ácidas de minas. Existen dos tipos de sistemas de humedales artificiales que utilizan procesos físicos, químicos y biológicos similares a los humedales naturales para tratar el agua contaminada con metales pesados y baja en pH. Los humedales aerobios y anaerobios, así como los drenajes anóxicos en caliza, ayudan a elevar el pH y remover contaminantes del agua de manera pasiva y de b

1. Tecnología de Humedales en el Tratamiento
de Aguas Ácidas de Mina
Arístides Sotomayor Cabrera, PhD
asotomayor@imaitec.com
Resumen
Los drenajes ácidos de antiguas explotaciones mineras (minas
metálicas, de carbón y canteras a cielo abierto) y de aquellas en
explotación, son las principales fuentes de contaminación de
aguas superficiales y subterráneas, ya que las aguas ácidas tienen
efectos negativos en los ríos y lagos y destruyen los cultivos y
riveras, produciendo en muchos casos la mortalidad de peces y
ganados, afectando asimismo a la salud humana.
La tecnología de humedales para el tratamiento pasivo de
aguas ácidas está siendo utilizada con éxito en los países
industrializados como alternativa a los tratamientos
convencionales de drenajes ácidos de minas (uso de aditivos
químicos como CaO, Ca(OH)2, NaOH, CaCO3, Na2CO3) debido a
su bajo costo de inversión tanto en la fase de construcción, como
de operación y mantenimiento, en consumo de energía.
Asimismo, proporciona un hábitat de calidad para la flora y la
fauna en armonía con el paisaje.
Existen dos tipos de sistemas de humedales artificiales, el
sistema de flujo libre de agua (FWS) y el sistema de flujo
subsuperficial (SFS), ambos se basan en los mismos procesos
físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en los humedales
naturales. En estos procesos se destacan los humedales aerobios,
anaerobios o balsas orgánicas y los drenajes anóxicos en caliza
(ALD, anoxi limestone drains), además de los sistemas sucesivos
de producción de alcalinidad (SAPS, successive alkalinity
producing systems) y las barreras reactivas permeables en aguas
subterráneas (PRB, permeable reactive barries).
Los componentes principales en la construcción de
humedales son el agua, aire, vegetación y substrato (nutrientes),
además de otros factores condicionantes como la topografía,
propiedades físicas y químicas del efluente, concentración y
variedad del metal, tiempo de retención, precipitaciones y
escorrentía, infiltración, evapotranspiración y valores ecológicos,
entre otros. Las plantas emergentes (espadañas, carrizos y juncos)
contribuyen a la estabilización del substrato y regulan la
velocidad y canalización del flujo facilitando la transferencia de
oxígeno a las raíces, tallos, hojas y rizomas. Los substratos en los
humedales incluyen suelo, roca, arena, grava y materiales
orgánicos (compost) y son los que realizan la remoción de
contaminantes del nitrógeno, fósforo y metales.
Introducción
Los humedales constituyen ecosistemas de gran interés y son
reconocidos por la comunidad científica y los organismos
internacionales como una tecnología natural para la protección y
conservación del medio ambiente. La aplicación de esta
tecnología en la explotación integral de los recursos mineros
puede representar grandes ventajas económicas, técnicas y
medioambientales, ya que el control eficiente de los efluentes
líquidos se puede llevar a cabo mediante la construcción de
humedales artificiales (wetlands) en función del entorno natural.
Las pilas de estériles y residuos se consideran como los
lugares potenciales para la generación de drenajes ácidos, por
presentar gran permeabilidad debido a su poca compactación
facilitando la percolación del agua, así como la entrada de aire a
las labores mineras lo cual favorece al proceso de oxidación de
los sulfuros. Las aguas ácidas tienen efectos negativos en los ríos
y lagos y destruyen los cultivos y riveras, produciendo en muchos
casos la mortalidad de peces y ganados, afectando asimismo a la
salud humana.
Por lo general, en una mina en operación (minas metálicas,
de carbón y canteras a cielo abierto) o en abandono siempre habrá
presencia de aguas ácidas con una gran cantidad de sólidos en
suspensión y un elevado contenido de metales pesados, tales
como el hierro, aluminio, manganesio, cinc, cobre, plomo y
molibdeno, entre otros. El diseño y construcción de humedales se
compone de unos input y unos output, donde los elementos
contaminantes son fijados en la superficie del suelo y la materia
orgánica por intermedio de los microorganismos. En la figura 1 se
puede apreciar el esquema idealizado de la formación de las aguas
ácidas de mina en operación o abandono.
Figura 1. Idea de formación y tratamiento por humedales de aguas ácidas
Proceso de formación de aguas ácidas
Las actividades extractivas (minas en operación o en abandono)
ocasionan la contaminación del agua y suelo, debido a que los
drenajes de aguas con un pH entre 2 y 4, son ácidos por la
presencia de minerales oxidados con azufre, sobre todo si existen
sulfuros de hierro. Los drenajes ácidos se caracterizan por una
coloración ocre amarillenta con un incremento en la turbiedad del
Fuente
(formación de
aguas ácidas)
MINA
(en Operación
o Abandono)
Efluente
Depurado
Efluente
Contaminante
(agua ácida)
Planta de Tratamiento
(Humedal Artificial
Humedal Natural)
Viento
Agua
Oxígeno
Temperatura
Tiempo
Reutilización
Medio
Ambiente
Vertido
Agentes
Exteriores

2. agua, que tiene efectos negativos en los ríos, lagos, destrucción de
cultivos y riveras, produciendo en muchos casos la mortalidad de
peces y ganados, así como la afección a la salud humana.
Las pilas de estériles y residuos se consideran como los
lugares potenciales para la generación de drenajes ácidos; estas
pilas presentan gran permeabilidad por su poca compactación, lo
que facilita la percolación del agua de lluvia o aguas de
escorrentía. Asimismo, la entrada de aire a las labores mineras
son los factores que favorecen el proceso de oxidación de los
sulfuros. El proceso de oxidación de la pirita puede ser
representada por las siguientes ecuaciones típicas.
+−+
++→++ HSOFOHOFeS 222/7 2
4
2
222 (1)
OHFHOFe 2
3
2
2
2/14/1 +→++ +++
(2)
++
+→+ HHOFeOHFe 3)(3 32
3
(3)
+−++
++→++ HSOFOHFeFeS 16215814 2
4
2
2
3
2 (4)
En la ecuación (1) la oxidación de la pirita se produce por la
presencia de agua o de aire, que acaba con el hierro liberado
provocando un incremento de los sólidos disueltos y un aumento
de la acidez asociado a una disminución del pH. Si la capacidad
de neutralización continua hasta alcanzar un pH 3 el ión férrico
precipita mediante hidrólisis como hidróxido (ecua. 3) y al
alcanzar el valor 3,5 deja de formarse el hidróxido y la actividad
del Fe3+
en solución se incrementa. En general, la geoquímica de
los drenajes ácidos es un fenómeno muy complejo debido a la
producción, movilidad, volumen, concentración, tamaño de grano
y distribución de la pirita por un lado y por otro a los diversos
procesos físicos, químicos y biológicos, que contribuyen en su
conjunto en la geoquímica de las aguas ácidas de mina.
Tipos de sistemas de humedales artificiales
Los tipos de tecnologías pasivas para el tratamiento de drenajes
ácidos de mina, están diseñados para facilitar la aireación y
oxidación bacteriana del hierro y de otros metales pesados que
tienen un potencial contaminante. Existen dos tipos de sistemas
de humedales artificiales, sistema de flujo libre de agua (FWS) y
sistema de flujo subsuperficial (SFS), ambos se basan en los
mismos procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar
en los humedales naturales. En estos procesos principalmente se
destacan los humedales aerobios, anaerobios o balsas orgánicas y
los drenajes anóxicos en caliza (ALD, anoxi limestone drains),
además de los sistemas sucesivos de producción de alcalinidad
(SAPS, successive alkalinity producing systems) y las barreras
reactivas permeables en aguas subterráneas (PRB, permeable
reactive barries). La aplicación de los diferentes tipos de
humedales artificiales dependerá de las características del drenaje
ácido y de los requerimientos de tratamiento.
Los humedales aerobios artificiales son canales o balsas
compuestos de fondos impermeables, material orgánico u otro
tipo de material adecuado para fijar la vegetación y el agua fluye
sobre la superficie del suelo, como se puede apreciar en la figura
2. Los humedales aerobios se aplican principalmente para el
tratamiento de aguas alcalinas con el fin de promover la oxidación
del hierro ferroso en el agua aireada y la precipitación de los
flóculos de hidróxidos férricos resultantes de la suspensión. La
absorción de los metales e intercambio iónico se produce por
bioacumulación en las raíces y partes emergentes de las plantas. A
contacto entre el agua contaminada y el aire atmosférico a través
de las plantas acuáticas estas liberan oxígeno por sus raíces, es
decir el sustrato oxigenado del humedal propicia la formación de
un hábitat para que se desarrollen ciertas colonias de bacterias que
actúan como catalizadoras en la reacción de oxidación de los
contaminantes. Por otro lado, la baja profundidad del suelo (10 a
50 cm), la velocidad controlada del flujo, la presencia de tallos de
plantas acuáticas (carrizo, juncos, tipha, entre otras), material
orgánico y comunidades de organismos (algas, bacterias, musgos,
protozoos, etc.) participan en la depuración del agua y regulan el
flujo del agua a través del “wetland”. Los sistemas aeróbicos se
componen de una o varias celdas conectadas por las que circula el
agua lentamente por gravedad formando un flujo horizontal
superficial para hacer más eficiente el tratamiento.
Figura 2. Tipo de humedal aeróbico en sistema FWS y SFS
Los humedales anaerobios o balsas orgánicas son
generalmente utilizados para el tratamiento de agua de mina con
alto contenido de oxígeno disuelto, Fe3+
, metales pesados y alta
concentración de acidez, a través de la combinación de la
actividad bacteriana y la disolución de la caliza, en este caso la
bacteria reductora de sulfato requiere de un substrato rico en
materia orgánica, como puede ser el compost, estiércol, hongos
podridos, turba, heno, aserrín, etc, (ver la figura 3). La finalidad
del substrato orgánico es eliminar el oxígeno disuelto, reducir el
Fe3+
a Fe2+
, generar alcalinidad mediante procesos químicos o con
intervención de microorganismos y desarrollar la vegetación
emergente característica del humedal artificial. La cinética de
reducción del sulfato esta fuertemente relacionada con el periodo
de estación, a menor temperatura disminuye el rendimiento del
sistema. Asimismo, la actividad de las bacterias sulfato reductoras
es máxima a un pH entre 6 y 9, inhibiéndose a un pH inferior a 5
y pudiendo desaparecer si en el sistema ingresa un caudal muy
ácido. El proceso de reducción bacteriana del sulfato reduce la
acidez del mineral de hierro precipitando en forma de sulfuro
metálico y el medio reductor que impera en el substrato mantiene
al hierro en su estado reducido Fe2+
impidiendo la formación de
hidróxido férrico muy insoluble a pH neutro. Por lo tanto, en los
sistemas anaeróbicos los procesos de reducción de sulfatos se dan
únicamente en un entorno donde hay ausencia de oxígeno y
presencia suficiente de carbono orgánico y sulfato.
El sistema de drenaje anóxico en caliza (ALD) tiene como
finalidad convertir aguas con acidez neta en aguas con un exceso
de alcalinidad y el agua tratada pasa a continuación a una balsa de
precipitación u otro sistema aerobio favoreciendo la oxidación,
hidrólisis y precipitación de los oxihidróxidos metálicos. Los
ALD tienen rendimientos eficientes en el tratamiento de drenajes
ácidos de mina con escaso oxígeno disuelto (DO < 2mg/l) y
contenidos de Fe3+
y Al3+
inferiores a 1mg/l y estos valores sólo
se encuentran en aguas provenientes de minas subterráneas. Si los
valores están por encima de los límites indicados puede inutilizar
el funcionamiento eficiente del sistema por el recubrimiento de la
Vegetación (a)
Sistema de Flujo
Libre - FWS
(b)
Sistema de Flujo
Subsuperficial - FWS
Entrada
Descarga
Material
Suelo
Suelo, grava, arena o materia
AguaAgua

3. grava de caliza y por la disminución de la porosidad a causa de
los precipitados. La aplicación del sistema ALD es recomendable
como pretratamiento de las aguas ácidas y los factores que afectan
a la disolución de la caliza son el pH y la presión parcial de
dióxido de carbono (pCO2), ya que el aumento de la pCO2
provoca el descenso del pH, como se aprecia en la figura 3. El
sistema ALD consiste en una zanja rellena con gravas de caliza a
una profundidad de 1 a 2m para mantener las condiciones
anóxicas y el drenaje ácido se hace circular por el interior de la
zanja provocando la disolución de la caliza lo que genera
alcalinidad (HCO-
3 + OH-
) y eleva el pH del agua. En términos
generales, los sistemas de humedales artificiales son considerados
como reactores biológicos, ya que generan entre otros la remoción
de la demanda biológica de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos,
nitrógeno y fósforo, metales y colifornes fecales, teniendo en
cuenta las consideraciones de tipo hidráulico y térmico.
Figura 3. Sistemas de tratamiento de drenajes anóxicos en caliza
Tecnologías aplicadas en la construcción de humedales
La tecnología de los humedales artificiales se compone de unos
input y de unos output, que consiste en un colector de entrada y
un conducto de salida compuesto por una tubería perforada que va
colocada al final de la celda y en el fondo del lecho o por una
estructura de concreto para sistemas grandes, y en muchos casos,
se realiza una zanja poco profunda rellena con material rocoso
extendida a lo ancho de toda la celda y por debajo del fondo de la
celda del humedal para asegurar un drenaje complejo. Los
componentes principales en la construcción de humedales son el
agua, aire, vegetación y substrato (nutrientes), además de otros
factores condicionantes como la topografía, una adecuada
selección de las características del suelo, propiedades físicas y
químicas del efluente, concentración y variedad del metal, tiempo
de retención, precipitaciones y escorrentía, infiltración,
evapotranspiración y valores ecológicos, entre otros.
Al objeto de lograr el máximo rendimiento en el uso de los
humedales, la impermeabilización es otro de los factores
importantes en la construcción de humedales y consiste en colocar
una barrera impermeable (capa de arcilla, bentonita, asfalto,
membranas o algún tipo de fibra sintética, etc.) para aislar la
contaminación del suelo y de aguas subterráneas (acuíferos). El
fondo del humedal deberá ser compactado y nivelado con una
ligera pendiente para asegurar el drenaje, además de poseer las
condiciones hidráulicas necesarias para el flujo del sistema y el
material impermeable quedará colocado en toda la longitud y
ancho del lecho. El material granular (piedra, grava, arena, etc)
deberá ser lavado para evitar la segregación de finos que pueden
ocasionar atascamiento durante la operación del humedal.
La vegetación utilizada en los humedales artificiales facilita
la transferencia de oxigeno a las raíces, tallos, hojas y rizomas y
su penetración al substrato da lugar al crecimiento de una película
microbiana fija que es la responsable en gran medida del
tratamiento que ocurre. Las plantas emergentes contribuyen a la
estabilización del substrato y regulan la velocidad y canalización
del flujo así como incrementan los valores ecológicos del hábitat;
en la mayoría de los humedales artificiales, las especies más
utilizadas para el tratamiento de los drenajes ácidos son las
espadañas, carrizos y juncos. En los Estados Unidos las plantas
dominantes son los juncos y las espadañas, y en Europa las
especies acuáticas emergentes más extendidas son los carrizos.
Por otro lado, los microorganismos y su metabolismo incluyen
bacterias, levaduras, hongos y protozoarios que son capaces de
funcionar bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
Los substratos en los humedales incluyen suelo, roca, arena,
grava y materiales orgánicos (compost), además de sedimentos y
restos de vegetación que se acumulan en el humedal debido a la
baja velocidad del agua y la alta productividad que tiene lugar
dentro de los substratos, lo cual será importante para la remoción
de contaminantes como el nitrógeno y metales. Por otra parte, la
cantidad de material retenida a lo largo del tiempo puede estar
sujeta a pérdidas o eliminaciones a causa de diversos factores
como la vegetación, acción del agua o a ciertas transformaciones
químicas o biológicas.
Rendimiento de los humedales artificiales
La eficiencia de tratamiento (Er) de concentración de
contaminantes en los humedales artificiales (input y output) se
calcula mediante la relación Er = (Cin – Cout / Cin ) 100% y el
almacenamiento (ALx) de masa o balance hídrico en el humedal
viene dado por la diferencia de los aportes en el caudal de entrada
(Qin), precipitaciones (P), escorrentía (Es), y las pérdidas en el
caudal de salida (Qout), evaporación (Ev), evapotranspiración (Et),
infiltración (If).
ALx = (Qin + P + Es) – (Qout + Ev + Et + If).
El rendimiento del sistema o reacción cinética de eliminación de
primer orden (first order remove) para flujos controlados viene
dado por las siguientes ecuaciones:
(Cin – Cout)/Cin = 1 – eKt T
mQ
hpwl
T =
2
inout
m
QQ
Q
+
=
Cin = concentración de contaminantes en la entrada mg/l
Cout = concentración de contaminantes en la salida mg/l
l = longitud del humedal, m
w = ancho del humedal, m
h = altura de la lámina del agua o profundidad de la celda, m
p = porosidad del lecho o espacio disponible para flujo de agua %
Qm = caudal medio que pasa a través del humedal m3
/día
T = tiempo de retención o resistencia en el humedal, días
Kt = constante de reacción de primer orden dependiente de la
temperatura por día
Para calcular el área superficial de un humedal de flujo libre
se hace uso de la ecuación (a) y si el régimen de flujo del humedal
es subsuperficial la ley de Darcy puede dar una aproximación
para calcular el área transversal, ecuación (b).
phK
CCQ
A
t
outinm
s
)/(ln
= (a) )/( lhAKQ spsm = (b)
As = área superficial del humedal, m2
Asp = área transversal del humedal, m2
(h/l) = gradiente hidráulico o pendiente en el sistema (m/m)
Ks = conductividad hidráulica
Entrada
Suelo o materia
Caliza
Agua
Vegetación
Descarga

4. Los humedales están siempre expuestos a la intemperie y
como medida de seguridad es recomendable que en el diseño y
construcción del humedal, el caudal máximo se calcula
reduciendo a un tercio de su valor la conductividad hidráulica y
considerando un gradiente hidráulico 10 veces menor. Por lo
tanto, la aplicación tecnológica en los humedales artificiales
permite fijar físicamente los contaminantes en la superficie del
suelo y la materia orgánica, transformar los elementos pesados
por intermedio de los microorganismos y lograr niveles de
tratamiento con un bajo consumo de energía y con bajos costos de
mantenimiento.
Operación y mantenimiento de humedales
Los tratamientos pasivos pueden tratar con efectividad la
demanda bioquímica de oxigeno (DBO), sólidos suspendidos,
nitrógeno, fósforo, metales, trazas orgánicas y patógenas entre
otros. Para su funcionamiento eficiente el humedal debe ser
controlado periódicamente con el fin de asegurar el flujo del agua
por todas las partes del humedal, así como evitar el atascamiento
de los caminos por el aumento de los residuos. Asimismo, deben
verificarse los niveles después de subidas importantes del caudal
o de la formación de hielo de agua, ya que pueden afectar el
substrato y las estructuras de salida. El control del nivel del agua
será clave para el éxito de la vegetación porque los cambios
temporales en la profundidad del agua pueden afectar a las plantas
emergentes durante los meses fríos incrementando el tiempo de
retención. Asimismo, la vegetación invasora debe ser retirada ya
que puede afectar el rendimiento de las plantas emergentes y las
ratas y otros roedores también pueden dañar los diques y la
impermeabilización por lo que se deben tomar las medidas
necesarias.
El control depende del tamaño y la complejidad de los
sistemas de humedales y permite identificar los problemas con el
fin de aplicar las medidas correctoras; mediante el control se
verifican los parámetros tales como la carga hidráulica, los
volúmenes y la variación de calidad de agua de entrada y salida,
la efectividad de la remoción de contaminantes, así como los
factores de interés para indicar su integridad biológica.
Costos de humedales
Los costos de tratamientos de aguas ácidas de mina mediante
humedales artificiales dependen de una serie de factores, pero en
este caso se hace referencia a modo orientativo, según la United
Status Environmental Protección Agency (USEPA- 1996) a la
construcción del sistema de humedales aerobios para los drenajes
de minas de carbón cuyos costos oscilan entre 4 $/m2
y 32 $/m2
;
por su parte el Bureau of Mines estima en unos 10 $/m2
. En la
construcción de humedales anaerobios la USEPA estima el costo
de referencia en unos 91 $/m2
para un sistema Anoxic Limestone
Drains (ALD) construido en Colorado en el año 1994 para un
periodo de vida de 30 años; asimismo, cuatro Successive
Alkalinity Producing Systems (SAPS) construidos en
Pennsylvania entre 1991 y 1996 alcanzaron valores entre 17000 $
y 72000 $ para un periodo de 20 a 30 años.
Conclusiones
El uso de humedales artificiales es una tecnología viable
desde un punto de vista técnico, económico y ambiental para el
tratamiento de drenajes ácidos de mina y su aplicación tiene una
gran perspectiva en los países en vías de desarrollo por sus bajos
costos en la etapa de instalación, operación y mantenimiento.
Los humedales aerobios se aplican para el tratamiento de
aguas alcalinas a fin de promover la oxidación del hierro ferroso
en el agua aireada y la precipitación de los flóculos de hidróxidos
férricos resultantes de la suspensión. Los humedales anaerobios
son utilizados en aguas de mina con altos contenidos de oxígeno
disuelto, Fe3+
, metales pesados y alta concentración de acidez, a
través de la combinación de la actividad bacteriana y la disolución
de la caliza.
Los métodos de tratamiento pasivo facilitan el reciclaje y
reutilización del agua y proporcionan un hábitat de calidad para la
vida salvaje, en armonía con el paisaje. Las limitaciones de los
humedales se encuentran en las grandes extensiones de terreno
disponibles que están siempre expuestos a la intemperie, lo que
afecta al rendimiento del sistema por las aportaciones de
precipitaciones y de aguas de escorrentía, entre otros.
Las pilas de estériles y residuos se consideran como los
lugares potenciales para la generación de drenajes ácidos, por
presentar gran permeabilidad debido a su poca compactación
facilitando la percolación del agua, así como la entrada de aire a
las labores mineras lo cual favorece al proceso de oxidación de
los sulfuros. Las aguas ácidas tienen efectos negativos en los ríos
y lagos y destruyen los cultivos y riveras, produciendo en muchos
casos la mortalidad de peces y ganados, afectando asimismo a la
salud humana.
Las plantas emergentes (espadañas, carrizos y juncos)
contribuyen a la estabilización del substrato y regulan la
velocidad y canalización del flujo facilitando la transferencia de
oxigeno a las raíces, tallos, hojas y rizomas. Los substratos en los
humedales incluyen suelo, roca, arena, grava y materiales
orgánicos (compost) y son los que realizan la remoción de
contaminantes del nitrógeno, fósforo y metales. Por otra parte, la
cantidad de material retenida a lo largo del tiempo puede estar
sujeta a pérdidas o eliminaciones o a ciertas transformaciones
químicas o biológicas.
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