Escalamiento de un proceso para biocolmatar un medio poroso expuesto a aguas de la barrera hidráulica de un tranque de relaves

Abstract

La aparición de filtraciones en la base impermeable de los tranques de relaves, por un mal manejo del tranque o movimientos sísmicos que afecten la distribución del material impermeable, presenta un potencial impacto medioambiental importante. Los relaves presentan una alta concentración de sulfato, que tiene diversos efectos en el medio ambiente en el caso de la ocurrencia de filtraciones que puedan contaminar aguas subterráneas, como la producción de ácido sulfhídrico y la eutroficación, debido a la actividad de bacterias reductoras de sulfato. En el caso del consumo humano, tiene un efecto laxante, provocando diarrea y deshidratación, la que puede ser grave en el caso de niños y adultos mayores. Se han propuesto distintas alternativas para sellar filtraciones en tranques de relave, tales como inyecciones de soluciones de cemento o polímeros. Sin embargo, ellas presentan distintas dificultades, como la posibilidad de contaminar aguas subterráneas con parte de estas soluciones y la dificultad de acceder al lugar exacto de la filtración. Por esto en esta tesis se ha propuesto la utilización de un proceso de organomineralización para producir colmatación del medio poroso, deteniendo el avance de las aguas contaminadas en zonas posteriores al muro de contención del tranque. En este sentido, una posibilidad interesante es la utilización de bacterias reductoras de sulfato para provocar organomineralización, aprovechando su capacidad de tener actividad en condiciones anaeróbicas, facilitar la organomineralización y provocar la disminución de los niveles de sulfato de las aguas contaminadas. En esta tesis se escaló, en dos etapas, un proceso de organomineralización mediante el uso de bacterias reductoras de sulfato estudiado previamente en el Laboratorio de Biotecnología, a partir de columnas de 9 cm de alto y 2,5 cm de diámetro, a mayor escala. Primero, a una columna exploratoria de 1,10 m de alto y 11 cm de diámetro y, posteriormente, a columnas definitivas de 1,40 m de alto y 25 cm de diámetro, las que se rellenaron con arena de cuarzo. La columna exploratoria y una columna definitiva (columna L.S.) se inocularon con un consorcio de bacterias reductoras de sulfato y fueron alimentadas con medio de cultivo, además se trabajó con una columna alimentada solo con agua de la estación de monitoreo del tranque de relaves (columna control sin biocida) y una columna con presencia de sulfato de cadmio, para evitar la actividad microbiana (columna control con biocida). Durante su funcionamiento, se determinó el consumo de sulfato, disminución de DQO y la generación de H2S para verificar el estado del metabolismo reductor de sulfato y la reducción de la conductividad hidráulica, para estudiar el proceso de colmatación, comparando con los controles. Posteriormente, se tomaron muestras desde el interior de las columnas para verificar la presencia de carbonato de calcio. Durante el funcionamiento de la columna exploratoria se observó desarrollo de metabolismo reductor de sulfato, evidenciado por el consumo de sulfato, producción de ácido sulfhídrico y disminución del potencial de óxido-reducción. Sin embargo, el pH no alcanzó niveles óptimos para la organomineralización y los piezómetros utilizados no permitieron analizar el proceso de colmatación. En el transcurso del funcionamiento de las columnas definitivas se observó desarrollo del metabolismo reductor del sulfato en la columna inoculada con microorganismos (columna L.S.), en relación a los controles, así como una mayor abundancia relativa de OTUs asociados a bacterias con este metabolismo. Si bien el pH obtenido no alcanzó niveles óptimos para la organomineralización, se observó el doble de colmatación en la columna L.S. y en el control sin biocida, no observándose esto en la columna control con biocida. En cuanto a la precipitación de carbonato de calcio al interior de las columnas, se encontró tanto en la columna L.S. como en el control sin biocida en pequeñas cantidades, siendo el mineral en el primer caso identificado como calcita. Como conclusión, se pudo escalar el proceso de organomineralización y biocolmatación mediante el uso de bacterias reductoras de sulfato, la colmatación observada pudo ser causada por la precipitación de carbonato de calcio, acumulación de biomasa o una combinación de ambos procesos

The occurrence of leaks in the impermeable base of tailing dams, caused by misoperation of the dam or seismic movements, represents an important potential environmental impact. Tailings have a high sulfate concentration, which has diverse effects on the environment in the ocurrence of leaks that pollute underground water, like sulfide acid production and eutrophication, trough sulfate reducing bacteria activity. Sulfate has a laxative effect, causing diarrhea and dehydration in the case of human consumption, which can be severe in children and elderly. Because of technical issues to stop leaks in structures like tailing dams, like the chance of water contamination with polymers and cement and the difficulty to access the exact spot of the leaking, the use of an organomineralization process to provoke the clogging of the porous medium has been proposed. This process may stop the advance of polluted waters in zones after the tailings dam contention wall. In this sense, the use of sulfate-reducing bacteria to cause organomineralization is an interesting possibility, taking advantage of their ability to be active in anaerobic conditions, to help the organomineralization process and diminish the sulfate levels in contaminated waters. In this thesis, an organomineralization process through the use of sulfate-reducing bacteria, previously studied in the Laboratorio de Biotecnología, was upscaled, in two phases, from 9 cm high and 2,5 cm diameter columns to a higher scale. First, to a 1,10 m high and 11 cm diameter experimental column and, later, to 1,40 m high and 25 cm diameter definitive columns, all of which were packed with quartz sand. These columns were inoculated with a sulfate-reducing bacteria consortium and fed with culture media, in the exploratory column and one definite column ("column L.S."), besides a column with the presence of the bacteria present in the tailings dam monitoring station water (control column without biocide) and one column with cadmium sulfate as biocide to avoid microbial activity (control column with biocide). During their operation, sulfate consumption, oxygen chemical demand decrease and H2S was monitored to verify the state of the sulfate-reducing metabolism and decrease in hydraulic conductivity to study the clogging process, comparing with the controls. Later, samples from the interior of the columns were taken in order to verify the presence of calcium carbonate. During the operation of the exploratory column development of the sulfate-reducing metabolism was observed, evidenced by sulfate consumption, sulfide acid production and oxidoreduction potential decrease. Nevertheless, pH did not reach optimal levels for organomineralization and the instrument used did not allow to analyze the clogging process. During the operation of the definitive columns, better development of the sulfate-reducing metabolism in the microorganism inoculated column (column L.S.) was observed in relation to the controls, as well as a higher relative abundance of sulfate-reducing bacteria associated OTUs. Even though the pH levels obtained, in the "column L.S." and control column without biocide, were not optimal for organomineralization, the clogging observed was twice as much as in the column without microbial activity. In regards to the calcium carbonate precipitation in the columns, the mineral was found in both the column L.S. and the control without a biocide in low amounts, being the mineral identified as calcite in the first case. To conclude, the organomineralization and bioclogging process through the use of sulfate-reducing bacteria could be scaled, the clogging observed could be caused by the precipitation of calcium carbonate, biomass accumulation or a combination of both processes