Biomineria, Biohidrometalurgia y Biorremediacion en … · Unidad de Biotecnologia Microbiana –...
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María Teresa Alvarez Aliaga Ph.D. Unidad de Biotecnologia Microbiana – Area de Biotecnologia Ambiental
Instituto de Investigaciones Fármaco Bioquímicas
Universidad Mayor de San Andrés
La Paz - Bolivia
C
Biomineria, Biohidrometalurgia y Biorremediacion en Bolivia
Contenido de la presentacion
1. El Problema:
- La contaminacion por metales pesados
Caso de estudio: Minas de Bolivia
2. La solucion:
Metodos biologicos para la remocion de metales
- Biohidrometalurgia (Biomineria) – Biolixiviacion.
- Biorremediacion – Bioprecipitacion de metales pesados.
Contaminacion por metales pesados Drenaje acido de minas (DAM) y Drenaje acido de roca (DAR)
Mineral ores (sulfuros de metal )
Agua (lluvia) Oxigeno (aire)
+
H 2 SO 4 , SO 4 - 2
+ Cu 2+
Zn 2+
pH ( 2 - 4)
DAM o DAR: Por que es un problema?
• Suelos expuestos no son favorables para la vegetación y son susceptibles a erosión.
• En cuerpos de agua origina la formacion de precipitados voluminosos de hidroxidos que devastan la vida acuatica.
• Corrosión de estructuras ingenieriles
• Persiste por decadas.
6 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Química y Microbiología del DAM
FeS2 (Pirita ó Marcasita)
CuFeS2 (Calcopirita)
Oxidación
O2 + H2O
Proceso abiótico
Bacterias oxidadoras de sulfuro
H2SO4 Metales libres solubles
Fe2+
CO2
Biomasa Fe3+
pH<3
Bacterias oxidadoras de hierro
A. ferrooxidans
L. ferrooxidans
↑ Solubilidad
pH>3
O2
Fe3+
Dep. pH, Eh y humedad relativa
7 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Química y Microbiología del DAM
Compostaje
(Materia organica – Biomasa)
Fe(OH)3
Fe3+ H2O
Hidrolisis
Amarillo-rojo-marrón
Fe(OH)3
Desarrollo de
Bacterias Sulfato reductoras (BSR)
Bacterias Hierro reductoras (BHR)
SO4
H2S
S=+ Me → MeS↓↓
HCO3
Materia Orgánica
↑ pH Fe3+
Fe2+
BSR BHR
8 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Métodos Biológicos para la remoción de metales BIORREMEDIACION
• Basados en las propiedades físicas o químicas de las
• moléculas microbianas
- Biomoleculas ligadoras de metales
* Metalotioneinas y peptidos relacionados
* Componentes de la pared celular y exopolimeros
* Bioadsorcion de metales
• Basados en el metabolismo microbiano -Bioprecipitación de metales
- * Metalo fosfatos
* hidroxidos, carbonatos y oxalatos
* Precipitacion de sulfuros de metal
* Biotransformación de metales
BIOMINERIA: Biolixiviacion
Biolixiviacion
Acidithiobacillus ferrooxidans
Acidofilo pH 1-4 Mesofilo 20-40 °C Utiliza CO2 Oxida Hierro y Azufre
Incremento de la velocidad de disolucion de metales presentes en una matriz insoluble o poco soluble por accion directa o indirecta de los microorganismos
10 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Fe 3+
Fe 2+
M 2+ + S2O3 2-
A.ferroxidans L.ferrooxidans
A.ferroxidans L.ferrooxidans
H+ + SO4 2-
M 2+ + Sn2-
S8
SO4 2-
H+
A.ferroxidans L.ferrooxidans
Mecanismo Via
Tiosulfato Mecanismo
Via Polisulfatos
11 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Mina Colquiri
Pirita / Calcopirita
Toma de Muestras
DAM y DAR
Parámetro mg/L
DQO 138
Sulfatos 4866
Sulfuros 0
pH 2,5
M
eta
les Cadmio 3.5
Cobalto 0.7
Cobre 99.4
Hierro 960
Niquel 3
Plomo 9,36
Zinc 2638 12
Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Aislamiento de Bacterias Oxidadoras de Hierro y Azufre
Biolixiviacion de la roca colectada
13 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 4 6 9 11 14
mg/
L C
ob
re
Dias
Control Cu
Biolix Cu
0
20
40
60
80
100
120
0 4 6 9 11 14
mg/
L H
ierr
o
Dias
Control Fe
Biolix Fe
0
50
100
150
200
250
300
350
0 4 6 9 11 14
mg/
L Zi
nc
Dias
Control Zn
Biolix Zn
14 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Cinetica de Biolixiviacion en el biorreactor
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5 10 15 20 25 30 35
Zn, F
e
pp
m
Dias
Metales (ppm) Zn Metales (ppm) Fe Metales (ppm) Pb
15 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Lixiviado “Heap” (pila) -Utilizado para minerales oxidados y/o sulfuros de Cobre -Pila de 6 a 20 m de altura de mineral triturado -Poco control bacteriano -Costos bajos
Produccion mundial: 14 000 000 ton Cobre /año Chile 4 740 000 ton
1 500 000 ton por Biolixiviacion
17 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Bioprecipitacion de sulfuro de metal • Produccion biogenica de sulfuro
DAM puede ser tratado usando sulfuro biogenicamente producido
Aceptor de electrones SO4
2-, SO3
2-, S2O3, S
o
Donador de Electrones Fuente de Carbono
+
Precipitacion de sulfuros de metal
Cu(II), Ni (II),Zn (II), Cd (II), Sb (II) and Pb (II)
Donador de electrones
2CH2O + SO42- H2S + 2HCO3
-
H2S + Me2+ MeS + 2H+
Sulphide production and sulphate reduction in packed bed bioreactor.
Condition A: [SO4]= 32 mM and [lactic acid] = 67 mM;
Condition B: [SO4]= 46 mM and [lactic acid] = 33 mM ;
Condition C: [SO4]= 46 mM and [lactic acid] = 67 mM.
● = Removed sulphate
■ = Sulphide
Pumice stones
Poraver
0
5
10
15
20
25
30
35
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Time (days)
[Rem
oved
sulp
hat
e] m
M
0
2
4
6
8
10
12
14
[Sulp
hid
e] m
M
A B C
a)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Time (days)
[Rem
oved
sulp
hat
e] m
M
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
[Sulp
hid
e] m
M
A B C
b)
Biofilm reactor
-Alvarez M.T., Pozzo T. & Mattiasson B. 2005. Enhancement of sulphide production in anaerobic packed bed bench-scale biofilm reactors by sulphate reducing bacteria.: Biotechnology Letters 28 (3): 175-181.
Precipitation of Zn (II), Cu (II) and Pb (II)
Schematic figure of the two-phase metal removal system. The metal precipitation step is separated from the biological sulfate reduction.
Wastewater: Metal + Sulfate Metal
precipitation
Sulfate reduction
Water (SO 4 2 -
)
Substrate
Water recycle (HS - + HCO 3 - )
85
90
95
100
% R
emo
val
1 2 3 4 7 14
Time (Days)
% Cu removal % Zn (II) removal % Pb (II) removal
-Alvarez M.T., Crespo C. & Mattiasson B. 2006. Precipitation of Zn(II), Cu(II) and Pb(II) at bench-scale using biogenic hydrogen sulfide from the utilization of volatile fatty acids. Chemosphere 66 (6) 1677-1683.
Wheat straw
Sulphate reducing
bioreactor – wheat straw
Metal sulphide
precipitation trap
Heavy metal
leachate
Sulphide
container
Recirculation
pump
Postgate
medium
Gas bag
0
2
4
6
8
10
12
14
0 100 200 300 400
Time (days)
Su
lph
ate
(m
M)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Su
lph
ide (
mM
)
Table 2 Physical and chemical conditions established for metal sulphide precipitation
Conditions of collected sulphide
before mixing with AMD
AMD conditions
before mixing with sulphide
Time Sulphate Sulphide pH Eh Heavy metal (mM) pH Eh
(d) (mM) (mM) (mV) Cu(II) Zn(II) Pb(II) (mV)
1 13.49 3.03 7.06 -247 0.0084 0.192 0.0094 2.6 247
2 11.81 2.9 6.99 -214 0.0084 0.192 0.0094 2.54 241
3 11.22 2.73 6.86 -241 0.0084 0.192 0.0094 2.58 250
4 11.74 2.64 7.19 -254 0.0084 0.192 0.0094 2.69 246
5 13.45 2.91 6.95 -234 0.0084 0.192 0.0094 2.64 250
6 12.84 2.85 7.01 -243 0.0084 0.192 0.0094 2.61 233
Conditions after metal-sulphide precipitation
Time Sulphide pH Eh Heavy metala (mM)
(d) (mM) (mV) Cu(II) Zn(II) Pb(II)
1 0.83 6.13 -213 0.0001 0.012 0.0002
2 0.78 6.5 -210 0.0002 0.012 0
3 0.76 6.8 -250 0.0004 0.015 0
4 0.78 7.2 -228 0.0002 0.013 0
5 0.85 6.48 -215 0.0003 0.013 0
6 0.9 6.35 -212 0.0003 0.014 0
a Concentrations measured in the supernatant.
Eh = Redox potential.
-Alvarez M.T., Pott B-M., Chavez G., Giménez A., Hatti-Kaul R. & Mattiasson B. (2007) Lab-scale production of biogenic sulphide for metal precipitation in remote areas
In press - International Journal of Environment and Waste Management (IJEWM) Special Issue: Metal Ions Removal from Liquid Effluents
23 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Microbial growth in Winogradsky column according to the sample place: Machacamarquita mine – Oruro, Bolivia
Sample 1
sample 3
Sample 4
Sample 2
24 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Introducción
Fuente: Elaboración propia en base a Google Earth, 2011 y PDM Huanuni 2009 a-2013
Sn, Pb, Ag, Zn
Fuente: MAS-IPSP.,2009:16
Fuente: la patria , 2009: 4
Una empresa minera mediana/ grande consume entre 500 a
800 l/s
Fuente: Padilla, 2008:1
Fuente: Rivera Arismendi, 2008 :7
Fuente: COMIBOL, 2007 : 5
28 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Introducción
Fuente: Google Earth, 2011 Fuente: La patria, 2010 Fuente: Tapia, 2010:3 Fuente: FIDES Noticias, 2009
29 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Tabla1: Clasificación De Los Cuerpos De Agua Según Su Aptitud De Uso
ORDEN USOS CLASE “A” CLASE
“B”
CLASE “C”
CLASE “D”
1
Para abastecimiento doméstico de aguas potable después de: a) Sólo una desinfección y ningún tratamiento SI NO NO NO
b) Tratamiento solamente físico y desinfección No necesario
SI NO NO
c) Tratamiento físico-químico completo; coagulación, floculación, filtración y desinfección
No necesario
No necesario
SI NO
d) Almacenamiento prolongado o pre-sedimentación; seguidos de tratamiento, al igual que c)
No necesario
No necesario
No necesario
SI
2 Para recreación de contacto primario; natación, esquí, inmersión SI SI SI NO
3 Para protección de los recursos hidrobiológicos SI SI SI NO
4 Para riego de hortalizas consumidas crudas y fruta de cáscara delgada, que sean ingeridas crudas sin remoción de ella
SI SI NO NO
5 Para abastecimiento industrial SI SI SI SI
6 Para la cría natural y/o intensiva (acuicultura) de especies destinadas a la alimentación humana
SI SI SI NO
7 Para abrevadero de animales NO (*) SI SI NO
8 Para la navegación (***) NO (**) SI SI SI (SI) Es aplicable, puede tener todos los usos indicados en las clases correspondientes (*) No en represas usadas para abastecimiento de agua potable (**) No a navegación a motor (***) No aplicable a acuíferos
Elemento Unidad R. Huanuni Clase B Clase C
Na mg/L 37.2 200 200
Li mg/L 0.62 2.5 2.5
Mg mg/L 59.90 100 150
Al mg/L 72.43 1.0 1.0
Ca mg/L 117.00 300 300
Cr mg/L 0.02 0.05 0.05
Mn mg/L 17.5 1.0 1.0
Fe mg/L 66.26 0.3 0.1
Co mg/L 0.326 0.2 0.2
Ni mg/L 0.445 0.05 0.5
Cu mg/L 2.837 1.0 1.0
Zn mg/L 154 0.2 5.0
As mg/L 0.0046 0.05 0.05
Br mg/L 0.09 1.0 1.0
Cd mg/L 1.68 0.005 0.005
Sb mg/L 0.0009 0.01 0.01
Hg mg/L -0.002 0.001 0.001
Pb mg/L 0.00163 0.05 0.05
Fuente: Elaboración
propia, basado en UTO,
2008:22 y Reglamento en
Materia de Contaminación
Hídrica, 1995:26
30 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Muestra Ubicación Fecha Cant. Hora Tº
Amb
Coordenadas
geográficas
“H1” 500m aprox . a
ultima bócamina
30/05/1
1 2 L 10:15 12 ºC
18°17'51.48"S
66°48'14.39"O
Fuente: Alave, 2011
Fuente: Alave, 2011
31 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Muestra Ubicación Fecha Cant. Hora Tº
Amb
Coordenadas
geográficas
“D”
Tubería de
descarga de
la EMH al río
29/05/11 4.5 L 16:35 16 ºC 18°17'7.71"S
66°49'42.76"O
Fuente: Alave, 2011
Fuente: Padilla, 2011
32 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
NORMA PROPUESTA LIX EMH PARAMETROS
(mg/L) DIARIO
(mg/L) MES
(mg/L) 29/05/2011
(mg/L) Cobre 1 0.5 4.3 Zinc 3 1.5 120.78 Plomo 0.6 0.3 0.34 Cadmio 0.3 0.15 4.91 Arsénico 1 0.5 0.013 Cromo
+3 1 0.5 0.03
Hierro 1 0.5 447.29
Antimonio (&) 1 <0.002 Estaño 2 1 <0.5 pH 6.9 6.9 3 Sólidos Susp. Totales 60 935 DQO (e) 250 83
Sulfuros 2 1 <0.001
Comparación de las concentraciones de los parámetros analizados en la muestra “D” con las concentraciones límite para descargas líquidas en mg/L establecidos por el reglamento
en materia de contaminación hídrica
Fuente: elaboración propia , 2011, en base los resultados de análisis de laboratorio
33 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Resultados de la Bioprecipitacion de la muestra D
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40 50 60 70
Zin
c y
Hie
rro
m
g/L
pH
, C
ob
re m
g/L
Dias
pH Cu Zn Fe
Fuente: Alave, 2011
34 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Lixiviado de la EMH Antes del tratamiento
Fuente: Alave, 2011
Lixiviado de la EMH después del tratamiento
Fuente: Alave, 2011
ErFe= 97% ErCu=100% ErZn=100%
35 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Fuente: Elaboración propia, 2011, en base a PDM Huanuni 2009-2013, y Google Earth
36 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
Parámetro Unidad
Lixiviado Valores
%
remocion Valores % remoción
Bocamina Piscina 1 piscina 1 Piscina 2 Piscina 2
sulfato ppm 4866 832 83 348 93
sulfuro mM 0 2.5 3
pH 2,5 6,11 9
Meta
les Cobre mg/L 99 0 100% 0 100
Zinc mg/L 2638 248 91 0 100
Hierro mg/L 960 182 81 0.05 100
Plomo mg/L 9 4 62
TRAMPA DE PRECIPITACIÓN DE METALES 1
SO4=
BIOLIXIVIADO
SRB
IRB
Fe3+
TRAMPA DE PRECIPITACIÓN DE METALES 2
Fe2+
H2S
Colección de Agua tratada
Biolixiviacion + biorremediacion
38 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !!! [email protected] “Las cosas que se dejan para que se arreglen por sí solas, tienden a empeorar”. E. Murphy
39 Maria Teresa Alvarez Aliaga IIFB/UMSA