Biomineria, Biohidrometalurgia y Biorremediacion en … · Unidad de Biotecnologia Microbiana –...

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

Minas Industrias

Pesticidas y Fertilizantes

Lugares contaminados

Contaminacion por metales pesados

Bolivia

Minas

Curtiembres

Cemento

Minas

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


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


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


http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/Microbiologia/biolixiviacion.htm

Fe 3+

Fe 2+

M 2+ + S2O3 2-

A.ferroxidans L.ferrooxidans


H+ + SO4 2-

M 2+ + Sn2-

S8

SO4 2-

H+


Mecanismo Via

Tiosulfato Mecanismo

Via Polisulfatos


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


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


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


La Biolixiviacion es solo valida a nivel de laboratorio?


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


http://www.creces.cl/new/index.asp?imat=++%3E++11&tc=3&nc=5&art=286

BIORREMEDIACION BIOPRECIPITACION CON SULFURO DE HIDROGENO


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


Microbial growth in Winogradsky column according to the sample place: Machacamarquita mine – Oruro, Bolivia

Sample 1

sample 3

Sample 4

Sample 2


Sample 6

Sample 7

Sample 8

Sample 9 Sample10


SRB IRB


Caso Problema:


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


Introducción

Fuente: Google Earth, 2011 Fuente: La patria, 2010 Fuente: Tapia, 2010:3 Fuente: FIDES Noticias, 2009


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


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


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


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


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


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%


Fuente: Elaboración propia, 2011, en base a PDM Huanuni 2009-2013, y Google Earth


Fuente: Elaboración propia, 2011


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


MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCION !!! [email protected] “Las cosas que se dejan para que se arreglen por sí solas, tienden a empeorar”. E. Murphy


mailto:[email protected]

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