Evaluación de la peligrosidad de los elementos potencialmente tóxicos presentes en residuos mineros abandonados

Los elementos potencialmente tóxicos (EPT) presentes en los residuos mineros abandonados (RMA) representan un riesgo potencial para la salud y seguridad de la población, la biodiversidad y el ambiente. Cuando se trata de realizar valoraciones sobre la contaminación potencial asociada a estos EPT, algunas aproximaciones preliminares y eficientes se pueden lograr a través de la evaluación del drenaje ácido de minas (DAM), de los índices de contaminación (IC) y de las pruebas de lixiviación. También, en la evaluación de los residuos mineros se pueden utilizar otras técnicas complejas, tales como, extracciones secuenciales, mineralogía automatizada o pruebas dinámicas, pero, en el marco de la realización de inventarios y evaluaciones de riesgos aplicadas a grandes áreas, interesa aplicar métodos sencillos, pero que resulten eficaces. Por ello, la presente tesis evalúa la contaminación potencial por As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, V y Zn presentes en sitios con residuos mineros a través de una investigación integral incluyendo el DAM, los IC y las pruebas de lixiviación. En primera instancia, se evaluaron el DAM y el IC en sitios con evidencia de pasivos de minería de uranio. Para ello, se colectaron 60 muestras de suelo superficial representativas de las distintas litologías del área de estudio y se realizó la caracterización físico-química a través de difractometría de rayos-x (DRX) y de espectrometría óptica (ICP-OES). Los resultados mostraron que en el área de estudio, una misma litología, puede no presentar potencial de generación de DAM y sí presentar potencial de contaminación de suelos y sedimentos debido a procesos de erosión. Esto hace recomendable una línea de investigación futura que consista en la aplicación de pruebas de lixiviación para identificar qué EPT efectivamente se estarían solubilizando. También se concluyó que en el área estudiada el potencial contaminante es, en lo general, muy bajo. Es segundo lugar, se encontró que, para la evaluación de los IC, es preciso conocer, las concentraciones totales de los EPT presentes y, los niveles de referencia, que suelen ser niveles tolerables o aceptables de contenidos totales en suelos, niveles de fondo locales o regionales, o niveles de fondo mundiales o de composición de la corteza terrestre. Sin embargo, aunque la literatura es extensa en cuanto a la aplicación de IC a RM, muchas veces las valoraciones dependen que se elijan, especialmente en sitios donde no se cuenta con ellos. Por ello, en la presente tesis se propone una referencia básica de aplicación global de contenidos de EPT en RMA y con ello, la aplicación de un Índice de Contaminación Global (ICG). Asimismo, a partir del análisis de valores de fondo y de línea base para suelos, de niveles de referencia para los EPT recopilados de normas o estudios sobre evaluación de calidad de suelos y sedimentos en diversos territorios del mundo y de valores de contenidos de EPT en RMA, se propone una valoración para el ICG que califica a los residuos mineros con un potencial contaminante Muy Bajo, Bajo, Moderado, Alto y Muy Alto. Estos hallazgos podrían ser útiles en la comparación de múltiples tipos de RM, representando de manera sencilla el peligro de contaminación por emisión de partículas debidas a procesos erosivos que alcanzarían suelos o sedimentos del entorno. Además, esta forma de valorar, podría facilitar la identificación preliminar de algunos RM susceptibles de reutilización, cuya valoración obtenida sea Baja o Muy baja. En tercer lugar, se corroboró que la determinación de los contenidos totales de EPT es insuficiente en la evaluación de la peligrosidad de los residuos mineros. Por ello, además de las concentraciones totales, el riesgo potencial se evalúo también a través de la movilidad de los EPT en el agua, comprobando que las pruebas de lixiviación con agua son herramientas útiles para la caracterización geoquímica de los constituyentes solubles que se movilizan. En esta tesis, se evalúa comparativamente la solubilidad de los EPT procedentes de diferentes tipos de RMA a través de tres métodos de lixiviación estandarizados: la prueba de lixiviación de campo del Servicio Geológico de Estados Unidos (del inglés, USGS Field Leaching Test), la prueba de lixiviación mexicana (Norma NOM-141-SEMARNAT-2003) y la prueba de lixiviación europea (Norma EN- 12457-2). También, se calculó el Cociente Promedio de Peligrosidad (CPP) para evaluar el Factor de Toxicidad (FT). El FT es un indicador de la toxicidad potencial relativa de los residuos y es base para la clasificación de los RMA. La evaluación comparativa de las pruebas de lixiviación proporciona pruebas de que no hay diferencias estadísticamente significativas en la solubilidad de los EPT por los tres métodos de lixiviación y también se comprobó que el pH de los lixiviados es dictado por el tipo de residuo. En general, los resultados sugieren que los IC son un indicador de la contaminación potencial de suelos y sedimentos por procesos erosivos, en el mediano y largo plazo, mientras que el FT evalúa la posibilidad de contaminar el agua circundante en el corto plazo. Un hallazgo significativo es la nueva escala de clasificación del FT, en función del CPP, aplicada a la prueba de lixiviación de la Norma mexicana. Este factor, junto con otras consideraciones relativas a los procesos generadores de riesgo, podrían aplicarse en lugares con gran cantidad de RMA inventariados, como la Península Ibérica y América Latina, donde se requiere una gestión eficaz para clasificar los sitios, basándose en una evaluación preliminar del riesgo ambiental y humano. Finalmente, y luego de realizar la evaluación comparativa de los tres métodos de lixiviación se encontró que estos presentan ligeras diferencias en cuanto a los índices de saturación, el pH, la conductividad específica, el potencial redox y los EPT solubilizados que pueden imputarse principalmente al tiempo de agitación. Sin embargo, a pesar de estas diferencias, los resultados sugieren que los patrones de lixiviación de los métodos analizados son comparables y permiten llegar a las mismas conclusiones en cuanto a la peligrosidad potencial de los RMA en función de la solubilidad de los EPT. ----------ABSTRACT---------- Potentially toxic elements (PTE) present in abandoned mining wastes (AMW) are of great concern because of potential risks to human health and ecosystems. A preliminary and efficient way to assess the potential pollution associated with PTE in AMW is to utilize acid mine drainage (AMD), indices of contamination (IC) and leaching tests. More complex techniques can be used to assess mining wastes, such as sequential extraction, automated mineralogy, or dynamic leaching tests. But in the context of inventories and risk assessments applied to extensive areas, it is necessary to use simple but effective methods. For that reason, this thesis evaluates the potential pollution by As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, V and Zn through a comprehensive investigation of the AMD, IC and leaching tests. Firstly, AMD and IC were evaluated at sites with evidence of uranium mining liabilities. For this purpose, sixty soil samples were collected and, the mineralogy and PTE total contents were determined by x-ray diffraction (XRD) and optical spectrometry (ICP-OES). The findings of this study suggest that the soils related to a specific lithology might not present potential AMD generation potential but present potential soil and sediment contamination. Future research is recommended on the application of leaching tests to identify which PTE are effectively being solubilized. Also, it can be concluded that the potential contamination of the study area is overall very low. Secondly, it was found that for the evaluation of the IC it is necessary to know the total concentrations of the PTE and local, regional, or global background or reference levels which are tolerable or acceptable threshold values for totals content in soils. Although scientific literature is vast regarding the application of IC to AMW, there is scarce research on the reference levels that must be employed in locations with no established comparison values. This thesis proposes basic reference levels for the global application of PTE contents in AMW, leading to a Global Index of Contamination (ICG). From the analysis of background and baseline values for soils; reference values for the PTE compiled from worldwide standards or studies on soil and sediment evaluation; and PTE content in AMW, a classification is proposed for ICG that considers AMW as Very Low, Low, Moderate, High, and Very High contamination potential. The findings presented herein can be helpful in the comparison of multiple types of AMW, representing the contamination hazard by particle emission due to erosion processes that reach the soils or sediments of the surrounding environment. This evaluation can aid in the decision-making process regarding the reutilization of some types of AMW that receive a low classification. Thirdly, it was found that the determination of the total content of PTE is insufficient to assess the hazard of mining wastes. Therefore, in addition to total concentration, the potential risk is also evaluated through water mobility of elements. Accordingly, leaching procedures are useful tools for the geochemical characterization of soluble constituents that are mobilized. In this thesis, the solubility of PTE from different types of mining wastes is comparatively assessed using three standard leaching methods (European; U.S. Geological Survey and; Mexican). The Hazard Average Quotient (HAQ) was calculated to assess the potential Toxicity Factor (TF). TF is an indicator of the relative potential toxicity of wastes and is the basis for the classification of AMW. A comparative assessment provides evidence that there are no statistically significant differences in PTEs solubility by the three leaching methods and it was also found that the pH of the eluates was dictated by the type of waste. Results suggest that the IC gives an indicator of the potential contamination of soils and sediments by erosive processes, or a long-term measure, whereas TF assesses the possibility of contaminating water in the short term. One significant finding is the new ranking scale of TF, as a function of HAQ, applied to the Mexican standard leaching test. This factor, together with other considerations relating to risk-generating processes, might then be applied in places having large amounts of recorded AMW, such as the Iberian Peninsula and Latin America, where effective management is required to rank sites, based on preliminary environmental and human risk assessment. Finally, the results of comparative assessment of leaching tests suggest that these methods show slight differences in saturation indices, pH, specific conductance, redox potential, and released PTE that can be mainly imputed to the contact time. Despite these differences, the findings suggest that the lixiviation patterns from the analyzed methods are comparable, and allow the same conclusions to be reached regarding the potential hazard of the AMW as a function of the solubility of the PTEs