APLICAÇÃO DE REATORES ANAERÓBIOS PARA O TRATAMENTO PASSIVO DE DRENAGEM ÁCIDA DE MINA NA MINA DE JACOBINA

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1 APLICAÇÃO DE REATORES ANAERÓBIOS PARA O TRATAMENTO PASSIVO DE DRENAGEM ÁCIDA DE MINA NA MINA DE JACOBINA Luíz Lourenço Fregadolli, YAMANA GOLD INC. Leonardo Muritiba, YAMANA GOLD INC. Flávia Veronese de Faria Tavares, AECOM do Brasil Flávio de Morais Vasconcelos, AECOM do Brasil Thomas Wildeman, Colorado School of Mines Chemistry and Geochemistry Dept. RESUMO O tratamento da drenagem ácida de mina é um dos grandes desafios da gestão de recursos hídricos na mineração. Uma das alternativas para seu tratamento é a aplicação de sistemas passivos que incluem a utilização de bactérias redutoras de sulfato. Este estudo objetivou a avaliação da aplicação de reatores anaeróbios em escala de bancada/piloto para a remoção de alumínio no efluente proveniente de uma pilha de estéril de uma exploração de ouro. Foram aplicados cinco reatores anaeróbios em paralelo contendo diferentes proporções de substratos compostos por calcário, bagaço de cana-de-açúcar, uma espécie leguminosa, esterco e serragem. Uma fonte de ferro foi adicionada em dois dos reatores estudados. Os resultados sugerem uma remoção de alumínio superior a 99% para todos os reatores. O ph dos efluentes dos reatores se manteve acima de 6,0 durante todo o estudo. Palavras-chave: reatores anaeróbios; drenagem ácida. Abstract The acid mine drainage (AMD) generation is one of the greatest challenges for mining water management and treatment. An alternative treatment for AMD is the application of passive systems that include the use of sulfate-reducing bacteria. This study aimed to evaluate the applicability of anaerobic bench-scale reactors to remove the presence of aluminum in the effluent from a waste pile of a gold exploration. Five anaerobic reactors were applied in parallel with different proportions of substrates composed by limestone, bigas, a leguminous species, manure and sawdust. A source of iron was also added into two of the studied reactors. The results suggest an aluminum removal higher than 99% for all reactors. The ph of the reactors effluents was naturally kept over 6.0 during the whole study. Keywords: anaerobic reactors; acid drainage

2 INTRODUÇÃO A mina de Jacobina, pertencente à YAMANA GOLD INC., está localizada na cidade de Jacobina no estado da Bahia e consiste de um complexo de minas subterrâneas para exploração de ouro. Atualmente são processadas toneladas por dia na planta de processamento carbon-in-pulp, cuja produção foi iniciada no ano de A ocorrência da drenagem ácida de mina (DAM) tem sido relatada na extração de commodities como ouro, carvão, cobre, zinco e urânio. Minerais sulfetados são formados em condições redutoras e, portanto, na ausência de oxigênio. Tais minerais, quando expostos ao oxigênio atmosférico devido às atividades de escavação e deposição de rejeitos, podem se tornar instáveis e se oxidar. A DAM é, portanto, resultado da oxidação natural de minerais sulfetados, tais como pirita (FeS 2 ) e pirrotita [Fe (1-x) S], quando expostos à ação combinada de água e oxigênio [1], podendo ser acelerado na presença de bactérias [2]. A DAM normalmente apresenta ph baixo(1,5 3,5) e elevados níveis de sulfato e metais dissolvidos [3]. Os sistemas de tratamento passivo referem-se, em geral, a processos que não requerem intervenção humana regular para as atividades de operação. Tais sistemas normalmente são construídos a partir de materiais encontrados localmente (solos, argilas e fragmentos de rochas), materiais naturais (resíduos vegetais, como palha, aparas de madeira, estrume) para promover o crescimento da vegetação natural ou para promover um ambiente onde o tratamento do efluente possa ocorrer através da atividade microbiológica [4]. Sistemas tipicamente passivos podem ser caracterizados por promoverem o fluxo da água por gravidade, por possuir horizonte de operação longo (anos) e por não necessitar equipamentos que demandam fornecimento de energia elétrica. O tratamento passivo tem sido aplicado em detrimento de diversos processos alternativos em função de seu baixo custo de implantação e manutenção. No entanto, o tratamento passivo de efluentes somente é possível de ser aplicado em casos onde o trinômio, qualidade do efluente, vazão e disponibilidade de área permite sua aplicação com maior probabilidade de sucesso. O objetivo deste estudo é a apresentação dos resultados obtidos na implantação de um sistema passivo de reatores anaeróbios em escala de bancada, aplicado para o tratamento de efluentes produzidos na pilha de estéril João Belo, localizada na empresa Jacobina Mineração e Comércio (JMC), pertencente à YAMANA GOLD INC. METODOLOGIA Área de estudo A área de estudo é compreendida pela mina da JMC, localizada na cidade de Jacobina no estado da Bahia e pertence à YAMANA GOLD INC. O aparato experimental está localizado à jusante da pilha de estéril João Belo, após a área alagada formada pela drenagem proveniente da pilha.

3 Caracterização da DAM e princípio de tratamento A caracterização do efluente proveniente da pilha de estéril da mina foi realizada a partir de uma campanha de amostragem conduzida no mês de agosto de 2011, onde os constituintes de interesse do tratamento foram determinados. Os resultados foram interpretados conforme os limites estabelecidos CONAMA 357/2005 [5] para corpos hídricos classe 2 do em detrimento dos limites estabelecidos para lançamento de efluentes, uma vez que os limites praticados são mais conservadores. A Tabela 1 apresenta os resultados da campanha, a qual informa os resultados parâmetros analisados, o limite de detecção do método, os limite do padrão CONAMA 357/2005 [5] para corpos hídricos classe 2 e o método analítico empregado. Todos os constituintes foram analisados em suas formas dissolvidas e totais. Nome/ Analito Tabela 1 Caracterização da drenagem ácida proveniente da pilha de estéril. LD (mg/l) (1) JMC-03- tot (2) JMC-03- Limite Classe 2 dis (2) (mg/l) (3) Composto de interesse Método analítico Al Sim ICP-AES As 366 BDL BDL 1 Não ICP-MS Cd Sim ICP-MS Co Sim ICP-AES Cr Sim ICP-AES Cu Sim ICP-AES Fe Sim ICP-AES Mn Sim ICP-AES Ni Sim ICP-AES P BDL BDL 2 Não Ion Chrom Pb 176 BDL BDL 1 Não ICP-MS Sb 133 BDL BDL 05 Não ICP-MS Se 393 BDL BDL 1 Não ICP-MS SO ICP-AES (1) L.D.: limite de detecção do parâmetro; (2) Concentração de metais em sua forma total e dissolvida; (3) Valor máximo permitido para corpos hídricos Classe 2 segundo CONAMA 357/2005. Conforme observado, os principais constituintes de interesse foram aqueles cuja concentração encontrou-se acima dos limites impostos para rios classe 2, sobretudo o metal alumínio, cuja concentração foi de 20mg/L ou aproximadamente 1.0 x 10-3 mol/l. O princípio do tratamento será norteado pelo fato de que 0,3 mols de sulfeto serão produzidos por metro cúbico por dia nos reatores. Cada reator de 200L contem aproximadamente 150L de substrato e, consequentemente, cada reator deverá ser capaz de gerar 0,045 mols de sulfeto, de acordo com a reação a seguir. 2 H+ + SO 4 = + 2 CH2O ---> H 2 S +2 HCO 3 - Equação 1 Na reação, CH2O representa genericamente a matéria orgânica presente nos reatores. Os contaminantes serão removidos através de dois mecanismos geoquímicos. O H 2 S gerado através da reação acima reage com os metais Fe, Zn, Cu, Cd e Pb gerando precipitados de sulfetos. H 2 S + Zn > ZnS + 2 H+ Equação 2

4 Além disso, o HCO 3- aumentará o ph e formará precipitados de hidróxidos metálicos, processo que será importante para a remoção de alumínio e cromo. Al HCO > Al(OH)3 + 3 CO 2 Equação 3 De acordo com as reações apresentadas e conforme a concentração de alumínio - encontrada no efluente, 2 mols de HCO 3 são liberados para cada mol de H 2 S e são - necessários 3 mols de HCO 3 para que 1 mol de alumínio seja removido. Consequentemente, se 0,045 mol de sulfeto é gerado nos reatores, 0,030 mol de alumínio pode ser removido. Desta forma, 30L de água por dia podem ser tratados nos reatores de 200L contendo 150L de substrato, o que corresponde à uma vazão de 20,5mL/min. Aparato Experimental O sistema passivo implantado no site é composto por cinco reatores anaeróbios em escala de bancada com volume de 200L, que por sua vez recebem os efluentes provenientes da pilha de estéril da mina. O sistema de distribuição dos efluentes é composto por um tanque de alimentação de 1000L que encaminha por gravidade os efluentes até cinco galões de 50L, que por sua vez, alimentam os reatores. A vazão de alimentação de cada reator é de 30L/d. A Figura 1 a seguir apresenta um esquema da implantação do sistema. Figura 1 Sistema de tratamento passivo em escala de bancada implantado na mina de Jacobina, pertencente a YAMANA GOLD INC. Os cinco reatores foram dimensionados de forma a abrigar uma camada de calcário disposta no topo do substrato e uma camada no fundo do reator. A composição do substrato inclui fontes de carbono, nitrogênio e um inoculo (esterco), assim como uma fonte de ferro foi adicionada em dois dos reatores. A Tabela 2 a seguir apresenta a composição dos substratos empregada em cada reator. O percentual de substrato utilizado é relativo ao volume útil dos reatores (150L).

5 Tabela 2 Materiais utilizados para composição do substrato preenchido em cada reator. Substrato 1 G 2 O 3 A 4 L 5 T Pó de madeira 40% 20% 30% 35% 40% Calcário 30% 30% 25% 30% 30% Bagaço de cana - 10% 10% 15% 20% Leguminosa 20% 15% 15% 10% - Limalha de ferro - 10% 10% - - Esterco 10% 10% 10% 10% 10% Monitoramento e start - up do sistema Após a implantação dos reatores no site, o substrato foi inserido em cada reator conforme composição indicada na Tabela 2. O start-up do sistema foi realizado através da manutenção do nível d água dos reatores acima do substrato por um período de uma semana, de maneira que a comunidade de bactérias redutoras de sulfato pudessem se estabelecer no sistema. Para o monitoramento do sistema, amostras dos efluentes proveniente da pilha de estéril e dos efluentes provenientes do tratamento dos cinco reatores foram coletadas mensalmente entre os meses de outubro de 2011 a março de Os parâmetros monitorados foram: temperatura, ph, condutividade elétrica e alcalinidade. Para o monitoramento da eficiência do sistema, as concentrações de sulfato e dos metais alumínio, manganês e ferro, em sua forma dissolvida, foram analisadas. Os parâmetros de interesse foram analisados conforme o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater [6]. As concentrações de metais no afluente e efluentes do sistema foram analisadas através das técnicas de espectrometria de emissão atômica (ICP-AES). RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 3 apresenta os resultados das concentrações de alumínio dissolvido, ferro dissolvido, manganês dissolvido, sulfato e ph, provenientes do monitoramento do afluente e dos efluentes produzidos pelos cinco reatores.

6 Tabela 3 Resultados do monitoramento do sistema passivo para tratamento da DAM. Parâmetro Concentrações médias (eficiência remoção - %) Al 20,7 0,02 (99,9) 0,02 (99,9) 0,02 (99,9) 0,02 (99,9) 0,03 (99,8) Fe 1,44 0,01 (99,6) 0,05 (96,4) 1,41 (2.17) 0,32 (77,3) 0,01 (99,3) Mn 1,95 2,21 (25.1) 2,23 3,15 2,48 1,26 (35,5) SO ,7(63.8) 32,4 (84.5) 27,9 (86.6) (88.9) 134,5 (35.7) ph 3,03 7,47 7,14 6,89 6,98 7,39 Conforme observado na Tabela 3, a concentração média de alumínio no afluente do sistema é de 20,7mg/L e os efluentes dos reatores produziram concentrações inferiores a 0,04mg/L. A eficiência média para todos os reatores foi superior a 99,8% na remoção de alumínio. Conforme foi observado na caracterização da DAM produzida no site, o principal elemento de interesse do tratamento foi o metal alumínio. O ferro foi introduzido no substrato apenas para promover a coprecipitação de metais, de maneira que a alta concentração observada no efluente do reator 3A é consequência da eliminação de ferro presente no substrato. Conforme observado, 10% do volume do substrato dos reatores 2O e 3A é constituído de limalha de ferro. Embora a mesma quantidade de ferro tenha sido adicionada no substrato de ambos os reatores, o efluente do reator 2O apresentou concentração média de 0,05mg/L e os efluentes do reator 3A apresentaram concentração média de ferro de 1,41mg/L. Com relação aos demais reatores, foi observada concentrações médias inferiores a 0,4mg/L. Conforme observado, as concentrações de manganês aumentaram nos efluentes dos reatores. A concentração média de manganês foi de 1,95mg/L no afluente e observouse que os efluentes dos reatores obtiveram concentrações acima do valor observado para o afluente. Devido ao fato de que o manganês pode estar presente na estrutura cristalina de minerais carbonatados (ex. rodocrosita MnCO 3 ), o aumento da concentração média nos efluentes dos reatores pode ser atribuído à solubilização de manganês presente no calcário. Com relação ao ph, notou-se que a composição do substrato foi capaz de elevar o ph dos efluentes de todos os reatores. A concentração média do afluente foi de 3,03 e as concentrações médias dos efluentes dos reatores se mantiveram entre 6 e 8. Ainda que o objetivo do tratamento não tenha sido a remoção de sulfato, observou-se uma eficiência na remoção de sulfato acima de 60% para todos os reatores, com exceção do reator 5T, cuja eficiência média foi de 35,7%. O gráfico 1 a seguir apresenta as concentrações de alumínio no afluente e efluente dos reatores.

7 Al (mg/l) Concentração de Al (mg/l) - afluente e efluentes reatores Al (mg/l) Concentração de Al (mg/l) - efluentes reatores 1G 2O 3A 4L 5T (a) Padrão Classe 2 CONAMA 357/ % 25% (b) Max Min Mediana Gráfico 1 - Concentrações de alumínio no afluente e nos efluentes dos reatores. Os gráficos apresentados (Gráfico 1) mostram as concentrações de alumínio no afluente e nos efluentes dos reatores. O gráfico (a) apresenta as concentrações afluentes em comparação com as concentrações efluentes do sistema. O gráfico (b) apresenta as concentrações efluentes dos reatores e o limite para alumínio de acordo com CONAMA n 357 de 2005, para corpos hídricos clas se 2 [4]. Observa-se que a concentração mediana de alumínio no afluente dos reatores se encontra entre 20 e 22 mg/l. Para as concentrações efluentes, nota-se que os valores máximos, mínimos e a mediana possuem pouca variabilidade para os reatores 1G, 2O e 3A, enquanto que para os demais reatores, 4L e 5T, as concentrações foram mais variáveis, cujos valores máximos superam 0,04mg/L. De fato, as concentrações efluentes de alumínio estiveram frequentemente abaixo do limite de detecção do método analítico de modo a justificar a estabilidade dos valores observados. Verificase que as concentrações dos efluentes dos reatores cumpriram sistematicamente o limite praticado de 0,1mg/L. O gráfico 2 a seguir apresenta as concentrações de ferro e manganês afluentes e efluentes dos reatores.

8 Concentração de Fe (mg/l) - afluentes e efluentes dos reatores 1.6 Concentração de Mn (mg/l) - afluentes e efluentes dos reatores Fe (mg/l) Mn (mg/l) (a) Padrão Classe 2 CONAMA 357/ % 25% (b) Max Min Mediana Gráfico 2 - Concentrações de ferro (a) e manganês (b) no afluente e nos efluentes dos reatores. Os gráficos apresentados mostram as concentrações de ferro (a) e manganês (b) no afluente e nos efluentes dos reatores. As concentrações de ferro no afluente possuem mediana no valor de 1,4mg/L e os efluentes apresentam valores medianos abaixo de 0,1mg/L. Como mencionado anteriormente, a fonte de ferro presente no substrato pode ter contribuído para o aumento das concentrações efluentes no reator 3A. Com relação às concentrações de manganês, observa-se maior variabilidade na distribuição das concentrações provenientes do reator 3A, cuja mediana foi de aproximadamente 3,4mg/L. ph Valores de ph - afluente e efluentes dos reatores SO4 (mg/l) Concentração de SO4 (mg/l) - afluente e efluentes dos reatores (a) Padrão Classe 2 CONAMA 357/ % 25% (b) Max Min Mediana Gráfico 3 Valores de ph (a) e sulfato (b) no afluente e nos efluentes dos reatores. Conforme observado, os valores de ph cumpriram sistematicamente a legislação ambiental, cujos valores devem estar entre 6,0 e 9,0. Tendo em vista que a mediana do ph afluente foi de aproximadamente 3,0, o calcário empregado no substrato assim como a alcalinidade produzida pela atividade anaeróbia no sistema foi capaz de elevar e manter o ph dos reatores para valores acima de 6,0. De acordo com o gráfico (b) da figura, nota-se que as concentrações medianas de sulfato nos reatores 2O, 3A e 4T, estiveram abaixo de 20,0mg/L. Em comparação com

9 as concentrações afluentes, a remoção de sulfato no reatores foi de 63,4%, 84,5%, 86,6%, 88,9% e 35,7%, para os reatores 1G, 2O, 3A, 4L e 5T respectivamente. Notase também, que os efluentes não ultrapassaram as concentrações máxima de 250mg/L de sulfato, tal como apontado pela legislação ambiental vigente. Com relação aos demais metais caracterizados na drenagem ácida proveniente da pilha de estéril de João Belo, notou-se que suas concentrações estiveram abaixo do limite de detecção do método analítico empregado em todas as análises realizadas. CONCLUSÔES De acordo com os resultados observados, pode-se concluir que todos os reatores foram capazes de cumprir com o objetivo principal delineado para o tratamento da drenagem ácida proveniente da pilha de estéril João Belo, na mina JMC. Observou-se que todos os reatores produziram concentrações de alumínio abaixo do limite de 0,1mg/L preconizado pela legislação. A produção de alcalinidade ocasionada pela atividade anaeróbia, assim como o calcário aplicado no substrato, aumentaram sobremaneira o ph de todos os reatores aplicados no tratamento passivo de maneira que os efluentes atenderam ao limite máximo e mínimo preconizado pela legislação. Com relação ao ferro e manganês analisados no efluente dos reatores, notou-se que suas concentrações ultrapassaram os limites preconizados pela legislação devido, possivelmente, ao fato destes metais estarem presentes na composição química do substrato aplicado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA; AWWA;WEF (2005): Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21th Baltimore, Maryland: United Book Press, Inc. CONAMA (2005): Resolução n 357 de 17 de Março de Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Brasília. Conselho Nacional de Meio Ambiente CONAMA. MELLO, J.W.V; ABRAHÃO, W.A.P (1998): Geoquímica da drenagem ácida. In: Recuperação de áreas degradadas. Viçosa, p PINHEIRO, A. C.; GAIDZINSKI, R.; SOUZA, V. P., (2008): Utilização de Bactérias Redutoras de Sulfato para o tratamento biológico de efluentes provenientes da indústria da mineração de carvão. In: XVI JORNADA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA. CETEM/MCT. SINGER,P.E.; STUMM, W (1970): Acid mine drainage: the rate determining step. Science, v. 167, p WILDEMAN, T., D. UPDEGRAFF: Passive bioremediation of metals and inorganic contaminants. In: Perspectives in Environmental Chemistry, D.L. Macalady, Ed. Oxford University Press, New York, p