Processos físico-químics i biològics en el tractament d'aigües àcides de mina: aplicació a barreres permeables reactives

La contaminació de les aigües superficials i subterrànies representa el problema mediambiental més greu a què s'ha d'enfrontar la indústria minera, a causa de les denominades aigües àcides de mina (AAM), generades com a resultat de la lixiviació dels residus finals dipositats a les basses d'emmagatzematge. Els jaciments minerals que contenen sulfurs metàl·lics són una font potencial d'AAM. L'exposició d'aquests materials als agents atmosfèrics, com l'oxigen i l'aigua, dóna lloc a la generació d'un lixiviat fortament contaminat, amb una elevada acidesa (pH4), alts continguts de SO42- (100-7000 mg dm-3) i quantitats variables de ions metàl·lics. En aquestes noves condicions d'acidesa i d'oxidació-reducció, les AAM poden escórrer-se pel sòl i els elements químics poden viatjar amb les aigües subterrànies, amb les consegüents repercussions per a l'ecosistema aquàtic.El tractament de les aigües subterrànies ha generat un gran interès en el camp de la biotecnologia ambiental. La tècnica més recent és el tractament in situ del plomall contaminat mitjançant una barrera permeable reactiva (BPR), que consisteix en la instal·lació d'un material reactiu a l'aqüífer capaç d'induir processos fisicoquímics i biològics que eliminin els contaminants de l'aigua. La tecnologia de les BPR per al tractament d'AAM és relativament moderna, sense precedents a Europa fins la instal·lació, l'any 2000, d'una BPR a l'aqüífer del riu Agrio, fortament contaminat per AAM després del trencament de la bassa de residus de la mina d'Aznalcóllar. L'enfocament biològic per al tractament de les AAM mitjançant una BPR es basa en l'ús de bacteris sulfato-reductors (BSR), capaços de reduir SO42- a S2-, que precipiten en presència de metalls en forma de sulfurs metàl·lics.L'objectiu primordial d'aquesta tesi és el d'estudiar, a escala de laboratori, els processos físico-químics i biològics involucrats en el tractament d'AAM mitjançant una BPR com la instal·lada a Aznalcóllar.Amb aquest propòsit, es va procedir a simular la barrera en experiments en columna, en què es va avaluar la capacitat de mescles reactives -a base de compost vegetal, calcita i puntualment Fe0- per al tractament d'una AAM sintètica. Els resultats van mostrar que el compost utilitzat és una font de carboni massa poc biodegradable per promoure l'activitat dels BSR. Malgrat la falta de condicions sulfato-reductores, la majoria dels metalls fou eliminada de forma significativa, la qual cosa va suggerir l'existència de processos diferents de la precipitació de sulfurs. En experiments posteriors es va demostrar que la precipitació d'(oxi)hidròxids i carbonats metàl·lics, la co-precipitació amb aquests, i l'adsorció sobre el compost són responsables de la disminució de la concentració de metalls. Aquest darrer mecanisme va ser objecte d'un estudi més exhaustiu, que va demostrar que els grups àcids presents a la superfície del compost poden adsorbir Zn i Cu. Posteriorment, i constatada la poca idoneïtat del compost per engegar un procés de sulfato-reducció bacteriana, l'objecte d'estudi es va orientar cap a la recerca d'altres matèries orgàniques, i més concretament, d'una metodologia per predir-ne la biodegradabilitat. Es va comparar, així, la composició química de quatre substrats orgànics (compost vegetal, fulles vegetals, i fems d'ovella i de cavall) amb la seva capacitat de promoure condicions sulfato-reductores. Els resultats van mostrar que la biodegradabilitat d'una matèria orgànica està estretament relacionada amb el seu contingut de lignina, i que aquest pot ser utilitzat per a la predicció de la seva biodegradabilitat. Dels substrats orgànics assajats, la mostra de fems d'ovella va resultar ser la més favorable, per la qual cosa es va seleccionar per a experiments posteriors en el tractament d'AAM. Els resultats d'aquests últims experiments van indicar que la presència de metalls a altes concentracions a l'aigua a tractar pot exercir efectes toxicològics als BSR i inhibir-ne el metabolisme.The contamination of surface and groundwater represents the most serious environmental concern associated with the mining industry around the world, owing to the so-called acid mine drainage (AMD), which is generated as the result of the leaching of the residual wastes disposed of in open-air impoundments.Mineral deposits containing metal sulphides represent a potential source of AMD. The exposition of these residues to the atmospheric agents, like oxygen and water, results in the generation of a heavily contaminated-leachate characterised by a high acidity (pHThe treatment of such groundwaters has in the last decades drawn the attention in the field of environmental biotechnology. A recent economically attractive technology in the in-situ treatment of AMD are the permeable reactive barriers (PRB), which consist of the installation into the aquifer of an appropriate reactive material able to induce physico-chemical and biological processes that remedy contaminated groundwater that flows through it. The PRB technology has emerged as a cost-effective alternative, without any precedent in Europe until the installation, in 2000, of a PRB into the Agrio river aquifer, which was heavily contaminated by AMD after the break down of the tailing pond in the pyritic mine of Aznalcóllar. The biological approach of the AMD treatment by means of a PRB is based on the use of sulphate-reducing bacteria (BSR), able to reduce SO42- to S2-, which can precipitate in presence of metals as metal sulphides.The present Thesis forms part of the research work on the PRB in Aznalcóllar, and its aim is the study, at the laboratory-scale, of the physico-chemical and biological processes taking place in the PRB in Aznalcóllar.For this purpose, the PRB was simulated in column experiments, in which the capacity of reactive mixtures -based on vegetal compost, calcite, and occasionally Fe0- was evaluated in the treatment of a synthetic AMD. The results showed that the compost used in this study is a too poor biodegradable carbon source to promote the SRB activity. Despite the lack of sulpahte-reducing conditons, most of metals were significantly removed, suggesting the existence of other processes than the sulphide precipitation. In subsequent experiments, the metallic (oxy)hydroxide and carbonate precipitation, the co-precipitation with them, and sorption onto the compost were demonstrated to be responsible of the decrease of the metal concentration. This latter mechanism was object of a more exhaustive study, which demonstrated that acidic groups on the compost surface can sorb Zn and Cu present in the solution. Subsequently, and because compost was found to be not suitable in promoting the bacterial sulphate-reducing process, the object of the study was directed towards the research of other organic matters and, more specifically, of a methodology for predicting their biodegradabity. The chemical composition of four organic substrates (vegetal compost, vegetal leaves, and sheep and poultry manure) and their ability in promoting sulphate-reducing conditions in a metal-free medium were compared. Results showed that the biodegradability of an organic matter is closely linked to its lignin content, which can be used as a predictable parameter. Among the assessed organic substrates, sheep manure resulted to be the most favourable in terms of sulphate-reduction, and was selected for the treatment of AMD. Results of these further experiments indicated that the presence of metals at high concentrations in the water can exert toxicological effects to the SRB and inhibit their metabolism.Postprint (published version