Trabajo ganador del área de Procesamiento de Minerales y Metalurgia Extractiva en el Foro TIS de PERUMIN 36.Por: Wilder Sanchez, Jacob Croall y Jonathan Bishop, Newmont.ResumenEl presente trabajo logra demostrar que los efluentes ácidos mineros se pueden tratar directamente a través de membranas de Ósmosis Inversa (OI), logrando cumplir con los más altos estándares, tanto nacionales como internacionales, de calidad de agua. Este es un uso innovador de la tecnología de membranas para el tratamiento de aguas ácidas de minería.Newmont considera que el acceso al agua limpia y segura es un derecho humano, y los suministros de agua confiables son vitales para la higiene, el saneamiento, los medios de subsistencia, la salud y el medio ambiente. Debido a que el agua es fundamental también para las operaciones mineras, reconoce la necesidad de usarla de manera eficiente, proteger los recursos hídricos y colaborar con los diferentes usuarios en la cuenca donde operamos para administrar de manera efectiva este recurso compartido. La necesidad de desarrollar procesos de tratamiento para aguas ácidas nace a partir de que las opciones tecnológicas actualmente existentes para reducir los sulfatos (SO4) en este tipo de aguas son limitadas, los efluentes mineros pueden llegar a tener varios miles de miligramos por litro (mg/L) de sulfatos, los cuales requieren ser tratados y reducidos a un rango entre 250 a 1,000 mg/L para que puedan ser descargados hacia el medio ambiente. Es bajo este marco y comprometidos con el desarrollo tecnológico que a través del departamento corporativo de Manejo y Tratamiento de Agua, se realizaron pruebas tanto de laboratorio como piloto para el desarrollo de este proceso de tratamiento de aguas ácidas directamente a través de membranas de OI logrando reducir los sulfatos a valores dentro del rango requerido de descarga.Normalmente las aguas ácidas de mina tienen una primera etapa de precipitación de sulfatos con lechada de cal (hidróxido de calcio) previas a ser tratadas por Ósmosis Inversa (OI), esta primera etapa genera sulfato de calcio (CaSO4) también conocido comúnmente como yeso, el que genera incrustaciones en las membranas de OI y reduce la eficiencia del proceso. El presente artículo demuestra que tomando ventaja de la alta solubilidad de los metales y sulfatos en aguas ácidas, es que pueden tratarse de manera confiable y estable por membranas de OI, evitando así tener problemas de fallas de membranas de OI por incrustaciones de yeso. La metodología usada para demostrar la viabilidad de este proceso fue la instalación una planta piloto en la unidad minera de Newmont Yanacocha con una capacidad de 5 m3/h, la cual operó por dos años, donde se trataron directamente los efluentes ácidos a través de membranas de OI, logrando mantener una operación constante sin incrustaciones por yeso, alcanzando una alta eficiencia de tratamiento.Dentro del arreglo tecnológico de todo el proceso de tratamiento de agua, la Ósmosis Inversa (OI) se considera como el proceso central, el cual está acompañado de los procesos de Ultrafiltración (UF), Alta Densidad de Lodos (HDS – High Density Sludge) y Filtros de Arena (SF – Sand Filters).Las tres principales consideraciones para la viabilidad del proceso son:ν Mantener en todo momento un pH menor a 3 en la solución de alimento, para evitar la precipitación de hierro tanto en la membrana de UF con en OI, lo cual se logra con la adición de ácido sulfúrico de ser requerido.ν Asegurar no tener metales contenidos en las tuberías que pudieran precipitar al interactuar con la solución con alto pH, esto antes de realizar un lavado alcalino de membranas, lo cual se logra con un adecuado enjuague con solución ácida permeada antes de esta etapa de lavado.ν Asegurar no tener metales contenidos en las tuberías que pudieran precipitar al interactuar con el oxígeno contenido producto de la inyección de aire durante el ciclo de lavado, lo cual se logra con un adecuado enjuague con solución ácida permeada antes de esta etapa de lavado.Las limitaciones de este proceso están asociadas a la relación entre las concentraciones de sulfatos y calcio que pudiera requerir reducir la recuperación de las membranas de OI, lo cual durante las pruebas se mantuvo en el rango de 70 a 75%, con máximos de 80%.Este desarrollo tecnológico innovador permite a Newmont tener una alternativa más de tratamiento de agua para implementarla dentro de sus operaciones donde sea requerida y también que otras operaciones mineras adopten este tratamiento de ser requerido.Introducción Newmont es una empresa minera aurífera, con más de 100 años de historia en la industria minera, fundada en 1921, líder en producción de oro a nivel mundial, productora también de cobre, plata, zinc y plomo, actualmente opera en cuatro regiones con 12 operaciones ubicadas en ocho países.La compañía es líder en la industria en la creación de valor, soportada por sólidos estándares de seguridad, prácticas ambientales sociales y de gobernanza interna, cuenta con un equipo técnico calificado que busca innovar y desarrollar nuevas tecnologías con el fin de optimizar los procesos operativos en el circuito de producción.El tratamiento de agua es un proceso clave durante la etapa operativa de producción, y que continua aún durante la fase de cierre de las operaciones, actualmente en la mayoría de las doce unidades mencionadas en la Tabla 1 se tienen procesos de tratamiento de agua tanto para uso interno como para descarga hacia el medio ambiente. El sulfato es uno de los parámetros que representa un reto en el tratamiento del agua, estos son producidos normalmente por la generación de acidez producto de la presencia de azufre como sulfuro asociado a algún mineral y su oxidación al interactuar con el oxígeno u otro agente oxidante como el ion férrico (Fe3+), los valores de sulfatos en las aguas de mina pueden contener valores mucho mayores a los 1,000 mg/L, inclusive de cientos de miles y que requieren ser tratados y reducidos a valores que, dependiendo de su uso, deben estar en el rango entre los 250 a 1,000 mg/L. Como referencia de acuerdo a la normativa peruana se requiere tener valores menores a 1,000 mg/L (ECA 3 – D1 y D2) para riego de vegetales y consumo de animales, menor 500 mg/L (ECA 1-A2) para aguas que pueden ser potabilizadas con tratamiento convencional y menor a 250 mg/L (ECA 1 – A1) para aguas que pueden ser potabilizadas con desinfección.La pirita (FeS2) es principalmente el mineral asociado a la generación de sulfatos y acidez en el agua según las reacciones químicas mostradas en la Figura 2.El proceso comúnmente adoptado en minería para reducir los sulfatos es la precipitación química de sulfatos con cal hidratada, el cual produce como residuo yeso, el cual tiene un alto potencial de formación de incrustaciones al precipitarse, formando fácilmente una capa dura de incrustaciones en tuberías y equipos, la solución obtenida producto de la precipitación tiene entre 1,800 a 2,400 mg/L de sulfatos, valores muy superiores a los límites de descarga requeridos (250 a 1,000 mg/L), por lo que luego esta solución es tratada a través de membranas de OI donde se produce una solución permeada de bajos sulfatos con valores menores a 100 mg/L y una solución concentrada que requiere ser tratada nuevamente, el principal problema en este proceso es que las incrustaciones que genera el yeso en las membranas de OI disminuyen la eficiencia de producción del permeado e incrementan los costos operativos ya que se requiere de la adición de antiincrustantes, frecuente lavado químico de las membranas como mantenimiento y alta frecuencia de reemplazo de membranas.El departamento de Servicios Técnicos de Newmont hace 10 años, en 2013 realizó pruebas iniciales tratando directamente las aguas ácidas de mina por membranas de OI, con el fin de evitar las incrustaciones con yeso que se tienen cuando se tienen precipitaciones previa de los sulfatos con hidróxido de calcio, observando que no se presentaba esta incrustación, es así que en el año 2021 se inició la operación de una planta piloto de 5 m3/h que se ubicó en la unidad minera de Newmont Yanacocha, para validar si efectivamente el proceso es viable, la operación de esta planta fue por dos años.Otros procesos existentes de reducción de sulfatos tales como intercambio iónico, etringita y reducción por bacterias, fueron evaluados únicamente a nivel teórico y benchmarking, pero debido a sus complejidades operativas y costos asociados para las operaciones de Newmont no fueron considerados para continuar con su evaluación en una siguiente etapa. Objetivos Demostrar que los efluentes ácidos mineros se pueden tratar directamente a través de membranas de Ósmosis Inversa (OI), manteniendo una operación eficiente, estable y confiable de las membranas, sin tener incrustaciones por yeso y produciendo una calidad de agua que cumpla con los más altos estándares de calidad tanto nacionales como internacionales, logrando optimizar los costos tanto de inversión de capital como operativos.Desarrollo y colección de datosLa metodología usada para demostrar la viabilidad de este proceso fue la instalación de una planta piloto en la unidad minera Yanacocha con una capacidad de 5 m3/h, la cual operó por dos años, y contó con las siguientes tecnologías de tratamiento:ν Ultrafiltración (UF).ν Ósmosis Inversa (OI).ν Alta densidad de lodos (HDS).ν Filtros de arena (SF).Ultrafiltración: proceso físico de separación de los sólidos contenidos en un líquido por membranas utilizando la presión hidrostática para forzar el paso del agua a través de una membrana semipermeable, produce dos flujos, el filtrado y el concentrado, proceso comúnmente instalado como pretratamiento previo a los procesos de OI que requiere una solución sin sólidos como alimento. Los principales parámetros monitoreados en este proceso de UF durante el pilotaje fueron:ν Flujo de soluciones de alimento y filtrado.ν Turbidez en la soluciones de alimento y filtrado.ν Diferencial de presión.ν Flux = flujo de solución por área de membrana.ν Tiempo entre los ciclos de lavado.ν Caracterización de la solución alimento (pH, SO4 y metales).ν Actividad biológica.Ósmosis inversa: Proceso físico-químico de separación de metales y compuestos químicos en estado iónico contenidos en un líquido por membranas utilizando la presión hidrostática para forzar el paso del agua a través de una membrana semipermeable, se producen dos flujos, el permeado que es el agua tratada que logra atravesar la membrana contiendo pocos solutos disueltos y el concentrado que es el flujo que no logra pasar la membrana y se concentra en solutos disueltos. Los principales parámetros monitoreados en este proceso de OI durante el pilotaje fueron:ν Flujo de soluciones de alimento y permeado.ν Recuperación = Flujo de alimento / Flujo de permeado.ν Temperatura de la solución.ν Conductividad del alimento y permeado.ν Diferencial de presión.ν Flux = flujo de solución por área de membrana.ν Tiempos entre los ciclos de lavado.ν Caracterización de la solución alimento, permeado y concentrado (pH, SO4 y metales).ν Actividad biológica.Alta densidad de lodos: proceso de precipitación de metales en forma de hidróxidos y de sulfatos, como sulfato de calcio por la adición de hidróxido de calcio, se logra obtener una densidad del precipitado en forma de lodos entre el 20 a 40% con una adecuada recirculación de lodos, en la Figura 5 se muestra la mejor configuración obtenida para la operación de este proceso. Los principales parámetros monitoreados durante el pilotaje fueron:ν Flujo de alimento y descarga del espesador.ν % sólidos.ν pH en los reactores de precipitación.ν Flujos de recirculación de lodos.ν Ratio de recirculación de lodos (SRR).ν LD = Demanda de cal.ν SF = Sólidos formados.ν Caracterización de la solución alimento, rebose del espesador y lodos (pH, SO4 y metales).ν Actividad biológica.Test para diseño de un espesador:ν Test de sedimentación Talmadge-Fitch Kynch modificado.ν Test de clarificación Dorr-Oliver.Filtros de arena: proceso para refinar el agua tratada, se uso arena verde la cual tiene mayor eficiencia en la remoción de hierro y manganeso, la solución que alimentó a este proceso fue una mezcla de las aguas permeado de OI y agua tratada de HDS. Los principales parámetros monitoreados en este proceso de SF durante el pilotaje fueron:ν Flujo de tratamiento.ν Presión diferencial.ν Tiempos de retro lavado.ν Caracterización de la solución alimento, descarga del filtro (pH, SO4 y metales).Los datos fueron colectados en las hojas Excel de control operativo de cada uno de los procesos, donde se construyeron las gráficas para el análisis de los resultados.Presentación y discusión de resultados El arreglo tecnológico probado que involucra los procesos descritos en la sección anterior se muestra en la Figura 7, el proceso convencional normalmente usado en la industria minera se muestra en la Figura 8. La Tabla 2 presenta las principales ventajas comparativas. Para temas comparativos se considera el diseño para un flujo de alimento de 1,000 m3/h.Resultados del proceso de ósmosis inversa: la operación estuvo bajo la responsabilidad del equipo de Newmont Servicios Técnicos Corporativos, se contrató a un tercero, quien proporcionó los técnicos y supervisores calificados durante la operación; así también se contrataron consultores y revisores de empresas reconocidas en el mercado como soporte técnico durante la prueba.El proceso operó de manera constante con una recuperación del 70%, sin observar saturación de membranas por incrustaciones con yeso o algún otro tipo de ensuciamiento, los lavados de las membranas se realizaron únicamente con fines preventivos luego de cada 15 días de operación.No se requirió la adición de antiincrustante para prevenir incrustaciones, tampoco es posible la adición de este o cualquier otro producto con pH mayor a 3 durante el proceso debido a que genera precipitación de hierro y, por ende, saturación prematura de las membranas.Los reactivos de lavado usados para limpiar las membranas son los comúnmente utilizados en la industria, con ácido cítrico (pH 2.0) y lavado básico (pH 11.0) con soda cáustica.Se observó que aún en un ambiente ácido, el calcio y los sulfatos en la solución de alimento combinados podrían generar saturación de las membranas, por lo que se desarrolló una zona de operación segura, la cual se muestra en la Figura 9, con esta herramienta se ajusta la recuperación de la OI según las concentraciones que se tengan tanto para calcio como para sulfatos en la solución alimento, para el caso de estudio el calcio tiene una variabilidad entre 75 a 150 mg/L y el sulfato promedio de 2,400 mg/L con picos máximos de hasta 3,000 mg/L, en ese rango la recuperación esta entre 70 y 75%, en una de las pruebas se trabajó al 80% de recuperación sin mayores inconvenientes. Esto soporta el concepto que el uso de OI para tratar aguas ácidas es capaz de superar las recuperaciones típicas entre 60 y 70%, común en aplicaciones convencionales para medios alcalinos en presencia de sulfato de calcio.Resultados del proceso de ultrafiltración: la ultrafiltración es una etapa previa a la ósmosis inversa donde se realiza la separación sólido / líquido, el agua ácida procesada contuvo concentraciones de hierro (Fe) en el rango de 100 a 500 mg/L, por lo que se mantuvo el pH en todo momento menor a 2.5 en la solución alimento a la UF para así evitar mantener el hierro en solución e impedir que precipite producto de su oxidación en las membranas (Figura 12), se usó ácido sulfúrico con este fin cuando era necesario para ajustar el pH.Cuando se realizó las mezclas de las diferentes fuentes de agua de alimento en el tanque correspondiente a la UF se observó un incremento en los sólidos suspendidos, y disminuyó la performance de la UF, cuando se mezclaron estas mismas soluciones en la poza operativa previa al alimento de la UF se observó una operación normal de la UF.Fue más difícil mantener la performance adecuada de la UF cuando se tiene bajas concentraciones de Fe (< 200 mg/L) y alta turbidez (>20NTU), para estas aguas se asume que los sólidos suspendidos son mayormente inertes por lo que requieren una mayor frecuencia de lavado.El principal lavado que mantuvo una performance adecuada del sistema de UF fue con ácido clorhídrico al 2%, durante los lavados también se observó que es necesario evitar un contacto directo del agua ácida con el oxígeno, esto para evitar la oxidación y precipitación del Fe, por lo que el procedimiento de limpieza fue variado con este fin, el agua de enjuague normalmente usada con pH neutro fue reemplazada por permeado del proceso OI con pH menor a 3, y un adecuado enjuague con solución ácida permeada antes de esta etapa de inyección de aire en el retro lavado (backwash).La presencia de bacterias y algas, sugirió que se tiene ensuciamiento biológico, lo cual se controló efectivamente con lavados oxidantes usando peróxido de hidrogeno al 2%.Basado en los resultados de los diferentes retro lavados probados tanto a bajo como alto pH, se concluyó que los retro lavados regulares seguidos de lavados químicos (CEB, del inglés Chemical Enhanced Backwash) a pH bajos únicamente no son suficientes para una limpieza adecuada de la membranas de UF, es necesario tener lavados oxidantes en alto pH para la remoción de sólidos y control de ensuciamiento por bacterias.Durante el pilotaje no se tuvo un calentador para el agua de lavado, también fue insuficiente la inyección de aire para los ciclos de retro lavado, dificultando la separación de los líquidos de lavado y el agua ácida del alimento, esto se puede corregir en el diseño de una planta a gran escala.Resultados del proceso de alta densidad de lodos: en este proceso se precipitaron todos los metales que se encuentran en estado soluble con la adición de lechada de cal, el tamaño de unidad requerida para este tratamiento es del 30% del flujo total de alimento ya que únicamente trata el flujo de concentrado de la planta de OI. Esta es una ventaja comparada con configuraciones convencionales de tratamiento de agua donde se tiene esta tecnología como primera etapa de tratamiento.Debido a la alta carga de Fe, Al y Mn en la solución de alimento al HDS es que las pruebas realizadas indicaron que la mejor opción de tratamiento sea con el uso de tres reactores para precipitar metales previos al espesador. De los tres reactores para precipitación de metales considerados, el primero B1 opera a pH 4.0 para promover la precipitación de hierro con inyección de aire, en los reactores B2 y B3 se probaron dos configuraciones a diferentes pH para optimizar el proceso, en teoría el reactor B2 es para aluminio y el B3 para manganeso, en las Figuras 16 y 17 se muestran las dos configuraciones probadas, siendo la de mejor performance la configuración B, debido a que reduce el flujo de lodo como carga circulante requerida y controla la redisolución de aluminio que podría darse durante el proceso. Se demostró que dependiendo de la calidad de agua a tratar se pueden realizar variantes tanto de pH y adición de cal proveniente del reactor A1 hacia los reactores B2 y B3 como optimización continua del proceso.Los tiempos óptimos de reacción para cada reactor son de 30 minutos, el mejor ratio de recirculación de lodos (SRR) obtenido fue de 10:1, las velocidades de sedimentación obtenidas de las pruebas Talmadge-Fitch Kynch modificado estuvieron en los rangos de 3.2 – 7.6 ft2/(ton/día), los sulfatos en la descarga del espesador llegan a alcanzar valores de 2,000 mg/L. Cuando se tiene alto sodio en la solución de alimento (>100 mg/L), este catión reduce la eficiencia de precipitación de los sulfatos como sulfatos de calcio, incrementando el punto óptimo de precipitación de 2,000 mg/L a valores sobre los 3,000 mg/L.Resultados del proceso de filtros de arena: en este proceso se refinó el permeado proveniente del proceso de osmosis inversa, principalmente para refinar el arsénico, se seleccionó como medio filtrante la arena verde específica para este fin, el lavado con soda cáustica fue suficiente y efectivo para sostener una operación constante.De los análisis de actividad biológica: se analizaron las 17 diferentes fuentes de alimento a la planta piloto y también muestras dentro del proceso de tratamiento de agua, se observó mucha variabilidad en la actividad biológica en las fuentes de alimento, no se apreció presencia de biomasa a partir del filtrado de UF, lo cual guarda relación con lo indicado en el espectro de filtración (Figura 19). Este descubrimiento de masas biológicas en el agua de alimentación de la planta piloto confirma que las membranas de UF están siendo ensuciadas por masas biológicas, debido a que la UF es el primer paso de separación sólido-líquido en el proceso de la planta piloto y requiere tanto la necesidad de controlar el crecimiento biológico en el agua de alimentación como una forma eficaz de eliminar las masas biológicas de las membranas, en la Figura 18 se muestran la actividad biológica de dos fuentes de alimento y el alimento HDS, el alimento tipo 1 proviene de un zona revegetada donde se observa la mayor cantidad de bio masa.Resultado la calidad de agua producida: se logró cumplir los resultados de calidad de agua para los parámetro objetivos (sulfatos, hierro, manganeso, arsénico, cobre y aluminio), la Tabla 3 muestra los valores de la solución alimento, logrados en promedio y 99th %ile, en las Figuras 20 a 26 se muestran la calidad final del agua tratada luego de los filtros de arena, las variaciones y picos observados fueron ocasionados por el ajuste de condiciones durante la operación como cambios en la calidad de agua de alimento, así también los resultados para cualquier ajuste de parámetro fueron entregados por laboratorio luego de dos a más días de tomada la muestra. Conclusiones1. El tratamiento de aguas ácidas a través de membranas de ósmosis inversa es viable logrando reducir los costos de capital requeridos en comparación de un arreglo convencional para obtener la misma reducción de sulfatos en el agua descargada, logrando cumplir los estándares de descarga nacionales e internacionales.2. La dimensión del proceso de HDS requerido es el 70% del tamaño del proceso requerido en un arreglo convencional, y no requiere de un proceso de estabilización de yeso previo a la membrana de ósmosis inversa.3. Este arreglo tecnológico innovador incrementa el tiempo de vida de las membranas de ósmosis inversa, y mantiene una recuperación constante de 70%.4. En los ciclos de limpieza de las membranas de ultrafiltración es necesario evitar el contacto con oxígeno para no tener precipitados metálicos, principalmente de Fe que ensucie las membranas, y tener lavados ácidos, básicos y de prevención de actividad biológica.5. Durante la operación se debe mantener un pH menor a 2.5 para mantener el ion Fe en estado acuoso.6. La limitante del proceso está en la combinación de las concentraciones de calcio y sulfatos que pudieran generar ensuciamiento de las membranas de ósmosis inversa y reducir su eficiencia de tratamiento.BibliografíaCliff Morelli. 1996. Basic Principles of Water Treatment. Pág. 76, 121,146.Theodore H. Meltzer. 1993. High-Purity Water Preparation. Pág. 173, 424.Wes Byrne. 1995. Reverse Osmosis: A practical guide for industrial users. Pág. 97.Richard W. Baker. 2004. Membrane Technology and Applications. Pág. 7, 245.Prediction Manual for Drainage Chemistry from Sulphidic Geologic Materials. 2009. MEND Report 1.20.1 Pág.145.M. Pimentel / W. Sánchez. 2005. Proceso de osmosis inversa en MYSRL Como una nueva alternativa en tratamiento de efluentes mineros – XXVII Convención Minera - Arequipa - Perú. Pág. 7. DECRETO SUPREMO N° 010-2010-MINAM: Límites Máximos Permisibles para la descarga de efluentes líquidos de actividades minero metalúrgicas.DECRETO SUPREMO N° 004-2017-MINAM: Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Agua.
