FITOESTABILIZADORA CON LODOS DE PAPEL REUTILIZADOS

MEMORIA DESCRIPTIVA

La presente solicitud está dirigida a un método para estabilizar los relaves mineros elaborando una carpeta fitoestabilizadora. Este método consiste en aplicar sucesivamente tres capas de residuos industriales que forman un sustrato orgánico biológicamente activo, donde la capa inferior está compuesta por materia orgánica, residuos industriales vitivinícolas u otros de productoras y comercializadoras de frutas y hortalizas, la segunda capa es un componente de lodos papeleros, residuos de la industria papelera o de otras industrias procesadoras de papel y cartón, con semillas remediadoras, capaces de tolerar altas concentraciones de metales pesados, y la tercera capa está formada por aglomerante, lignina de residuo de la industria papelera y forestal, melaza u otro aglomerante orgánico, de esta manera, se estructura una carpeta fitorremediadora que, debido a las cualidades físico-químicas de los lodos y de las semillas, evita la dispersión de las partículas de relave al medio ambiente, inmoviliza los metales pesados y mantiene la humedad del sustrato semillado recuperando la cobertura vegetal con un mínimo requerimiento de agua.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La producción de celulosa, que se extiende desde el territorio central hasta el extremo sur de Chile, ha tenido un crecimiento de más de un 300% en el último periodo, lo cual genera que millones de toneladas de lodos de papel al año sean dispuestos en vertederos implicando altos costos para las papeleras y el medio ambiente y, por otro lado, en la industria minera extensos volúmenes de suelo son degradados y contaminados por relave minero desde la zona centro sur hasta el extremo norte del país.

Estos relaves o “tortas de depósito”, contienen altas concentraciones de productos químicos y elementos que alteran el medio ambiente, por lo que deben ser transportados y almacenados en “tranques o depósitos de relaves”, donde los contaminantes se van decantando lentamente en el fondo y el agua es recuperada mayoritañamente, mientras que otra parte se evapora.

A agosto del 2020, se han catastrado 758 depósitos de relave, distribuidos entra las regiones I y Vil, además de la Región de Aysén. La mayor parte de estos se encuentran en las regiones III y IV (representando un 22% y 52% del total, aproximadamente). En orden de representatividad, siguiendo a las regiones III y IV, está la V (10%), II (6%) y la Región Metropolitana (3,5%). Un dato relevante es el de Minera Escondida con 4.500.000.000 toneladas de relave activo (Fuente: Catastro Depósito de Relaves 2020, Servicio Nacional de Geología y Minería). La superficie de los depósitos de relave minero está compuesta por material fino, con contenidos de metales pesados tales como mercurio, cadmio, plomo, níquel y arsénico, que puede ser arrastrado por vientos e infiltrar a las napas o a cauces superficiales. El ácido migra en el depósito, lixiviando metales que quedan disueltos, estos metales interactúan en el ecosistema y se “bioacumulan” en las plantas y microorganismos del suelo. Los metales circulan en los diversos niveles tróficos y pueden llegar, en general, hasta los seres humanos.

Un depósito de relave no reactivo (químicamente estable) será aquel que no genera ácido ni contiene contaminantes, en tal caso, el cierre no contemplará más desafíos que el monitoreo permanente a futuro y sería posible forestarlo si la estabilidad física lo permite.

Se han desarrollado técnicas de manejo de relave minero tales como la fitoestabilización, que utiliza especies vegetales nativas capaces de sobrevivir y estabilizar física y químicamente suelos contaminados por metales pesados como es el caso de los depósitos de relave. Esta opción, al compararse a la tradicional vitrificación o cementación, tiene notables ventajas ambientales y eco sistémicas, pues genera mayor captura de CO2 y recuperación de la cobertura vegetal, sin embargo, solo un bajo porcentaje de las especies sobrevive debido a las malas condiciones que proporciona el relave y la escasez de agua en el entorno para el crecimiento de las plantas, haciendo menos efectiva su función fitoestabilizadora.

Otra técnica de solución para el relave minero es la aislación impermeable de la superficie del depósito que funciona si se impide la llegada de agua al sólido del relave, deteniendo efectivamente las reacciones que producirían ácido y lixiviación de tóxicos. La capa impermeable superior se hace de arcillas muy finas y se desarrollan, además, canalizaciones que permitan el libre y rápido flujo de agua hacia abajo del depósito aislado. Sobre estas capas de aislación impermeable se pueden agregar humus (tierra de hojas) para forestar con especies cuyas raíces no puedan romper la capa aislante, esto resulta atractivo y es un cierre adecuado cuando se puede disponer de agua de riego.

Los tecnosuelos son otra solución que requiere de ensayos en invernaderos, con altas temperaturas para imitar las condiciones del relave y con especies locales para producir un suelo para cada condición.

Otra iniciativa es la máquina fitorremediadora de relave minero, proyecto ganador del XXXII Concurso CAP Chile, que es una barra virtual modular, su estructura principal es una grilla de acero de fácil montaje que construye un sistema de recuperación ambiental replicable en otros relaves. Se extraen tres cápsulas al interior de la barra de acero que dan lugar a los invernaderos. El recorrido del proyecto es a través de pasarelas que conectan el programa y se suspenden en la estructura. (Fuente: https://www.Dlataformaarguitectura.cl) La eficacia de estas soluciones es especialmente relevante en el marco legal que obliga a las mineras a dar manejos sustenta les a sus operaciones, incluyendo el manejo final y cierre de los tranques de relave.

A pesar de ser un país minero de larga data, los depósitos de relave tienen mala reputación y generan tensiones en la población por lo que se están desarrollando diversas iniciativas para mejorar la relación de la población con el proyecto minero.

En Chile nos encontramos con una explotación permanente de los recursos naturales cuyos impactos son particularmente significativos en actividades productivas tales como las actividades agrícola, forestal, papelera, de vertederos y faenas mineras deteriorando y contaminando los suelos con metales pesados. Por esta razón se hace importante y necesaria la implementación de una carpeta fitoestabilizadora que evite la dispersión de contaminantes al medio ambiente y contribuya a inmovilizar y absorber los metales pesados, recuperar la cobertura vegetal y capturar el CO2, solucionando tanto el problema de eliminación de los lodos de papel como el de contaminación por acción de los tranques de relave, proporcionando una técnica de fácil implementación y a gran escala, con mínimos costos debido a que se reutilizan tres residuos para la remediación del suelo contaminado, significando, por un lado, la mejora de los resultados económicos de las papeleras y, por el otro, el cumplimiento del marco legal para las mineras.

Esta iniciativa sitúa tanto a las papeleras, las vitivinícolas y a las mineras dentro del marco de la ley de Gestión de Residuos y Responsabilidad Extendida del Productor así como dentro del contexto de la Economía Circular.

“En una economía circular, el modelo económico de tomar, hacer y desechar es reemplazado por uno en que la actividad económica se concibe como actividad reparadora y regenerativa. Así, el nuevo modelo busca que los materiales que entran en el proceso productivo - ya sean materiales técnicos, como los plásticos, o biológicos, como la madera - se mantengan en este por mayor tiempo posible o incluso de manera indefinida.” (Fuente: Bases Técnicas Súmate a la Economía Circular, CORFO 2019)

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURA

FIGURA: “Carpeta Fitoestabilizadora”; Representa un esquema general de la disposición de un segmento de la carpeta fitoestabilizadora sobre un tranque de relave minero. Dicha carpeta está compuesta por tres capas, donde la capa inferior comprende (1 ) materia orgánica residual de vitivinícolas u otras productoras o comercializadoras de frutas y hortalizas, la segunda capa una composición fitoestabilizadora de (2) lodos residuales de la industria papelera que a su vez contiene (3) semillas remediadoras y la última capa con (4) material aglomerante orgánico. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente solicitud está dirigida a un método para estabilizar los relaves mineros elaborando una carpeta fitoestabilizadora. Este método consiste en aplicar sucesivamente tres capas de residuos industriales que forman un sustrato orgánico biológicamente activo, donde la capa inferior está compuesta por materia orgánica (1 ), residuos industriales vitivinícolas u otros de productoras y comercializadoras de frutas y hortalizas, la segunda capa es un componente de lodos (2), residuos de la industria papelera o de otras industrias procesadoras de papel y cartón, con semillas remediadoras (3), capaces de tolerar altas concentraciones de metales pesados, y la tercera capa está formada por aglomerante (4), lignina de residuo de la industria papelera y forestal, melaza u otro aglomerante orgánico, de esta manera, se estructura una carpeta fitorremediadora que, debido a las cualidades físico-químicas de los lodos y de las semillas, evita la dispersión de las partículas de relave minero (5) al medio ambiente, inmoviliza los metales pesados y mantiene la humedad del sustrato semillado recuperando la cobertura vegetal con un mínimo requerimiento de agua. (Ver Figura)

La materia orgánica residual es obtenida de vitivinícolas o de otras industrias productoras y/o comercialización de frutas y verduras que representan un alto contenido de minerales (potasio, hierro, calcio, magnesio, sílice, zinc, sulfates, fosfatos, cloruros), celulosa y pectinas y que tienen un alto contenido de agua que oscila entre un 80 y 95 %, de esta manera, aportan sustento para las plantas remediadoras que servirán para estabilizar el relave y recuperar la cubierta vegetal.

Los análisis físico-químicos de lodos residuales muestran que estos se caracterizan por contener aproximadamente entre un 10 y 65% de celulosa, entre un 50 y 70% de humedad, entre un 6,9 y 7,5 de pH y entre un 25% de carbonato cálcico, además de aluminio, silicio, potasio, azufre, cloruro, magnesio, sodio, manganeso, hierro, fósforo y metales pesados Cd, Pb, Mr, Se, Ar, Cr, Br y Pl por debajo de los niveles máximos permitidos. También se verificó que el lodo es un material hidrófilo que puede deshidratarse de forma reversible. (Fuente: Informes de Ensayos SQC-19096 - SQC-24153 - SQC-27441 CESMEC a lodos papeleros residuales de CMPC Talagante y Puente Alto)

De acuerdo a su caracterización, los lodos permiten reducir la acidez del suelo y, a su vez, la movilidad de los metales pesados, mejorar la estructura y aumentar la capacidad de intercambio catiónico potenciando además la germinación, por sus capacidades nutritivas y de reservorio de humedad. (Estudio REDISA 2008, Castellón, España; se verifica que al mezclar un suelo contaminado con 30% de lodo papelero disminuye la movilidad en 99,31 % Pb; 97,88% Cd; 88,13%Zn). Las semillas de plantas remediadoras (como Atriplex Deserticola, Schinus polygamus, Lupinos ballianus, Fuertesimalva echinata, Urtica urens, Solanum nitidum, Brassica rapa y Acacia Signa) poseen la capacidad de absorver, acumular y tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos, lo cual permite fitoestabilizar suelos contaminados. (Fuentes: Capacidad fitorremediadora de cinco especies altoandinas de suelos contaminados con metales pesados, Revista Peruana de Biología, vol.21 no.2 Lima ago. 2014 y Distribución de cobre en hojas y raíces de plantas que crecen sobre relaves mineros de cobre en el norte de Chile, Revista chilena de historia natural vol.81 no.4 Santiago die. 2008, Producción de Plantas Acacia Saligna Manual 26). Los lodos residuales papeleros con las semillas fitorremediadoras, el material aglomerante y la materia orgánica, crean un sustrato semillado capaz de transformarse en una cubierta vegetal.

Al añadir la capa de aglomerante, se forma una superficie compacta de larga duración, no contaminante, con buena elasticidad, con permeabilidad moderada al agua y resistente a la abrasión. Este compuesto crea una cubierta protectora para el sustrato semillado evitando su deterioro y aislando la materia orgánica y evitando así la pérdida de humedad.

La materia orgánica, la composición fitoestabilizadora (lodo de papel y semilla remediadora) y el aglomerante forman la carpeta fitoestabilizadora de relave minero que evita la dispersión de las partículas al medio, inmoviliza y absorbe los metales pesados, recupera la cobertura vegetal y captura el CO2, con un mínimo requerimiento de agua por ser un reservorio regular de humedad que permite un proceso continuo de hidratado/deshidratado manteniendo una estructura suficientemente aireada para el crecimiento vigoroso de las raíces.

De acuerdo a lo anterior, las características de los componentes que forman la carpeta fitoestabilizadora, además de servir como una cubierta fitoestabilizadora de relave minero, podrían ser empleados como cubierta de vertederos, protector contra la erosión, recuperador de suelos degradados, barrera acústica, nivelador superficial, embellecedor de paisajes, estabilizador de taludes, absorbente de lubricantes, fertilizante y aditivo de suelos, todo lo cual permitiría reducir la ocupación en vertederos, descontaminar inmovilizando y absorbiendo metales pesados y reducir los gases de efecto invernadero, lo cual demuestra la eficacia de la invención como un atenuador de los efectos de la contaminación que provocan las actividades industriales en el medio.

PROCESO DE IMPLEMENTACIÓN DE LA CARPETA FITOESTABILIZADORA

A continuación se describen las etapas mínimas a ejecutar para implementar de forma óptima la carpeta fitoestabilizadora sobre relave minero: 1. Evaluar Terreno: realizar al menos una visita al lugar geográfico donde se requiere mitigar los efectos medio ambientales del relave minero para establecer y medir el área, realizar una caracterización físico-química, tomar muestras, captar imágenes, hacer bosquejos del terreno y de cualquier estructura presente así como del entorno aledaño.

2. Diseño: con los resultados de análisis y observaciones de la información anterior, proyectar las dimensiones de la carpeta y distribución porcentual específica de componentes y cubicar los elementos componentes para diseñar la carpeta fitoestabilizadora óptima.

3. Plan de Ejecución: con la información anterior elaborar un plan de ejecución que comprenda tiempo de ejecución, elementos componentes, personal especializado competente, maquinaria, transporte, instrumentos de medición, plan de toma de muestras y seguimiento de desarrollo de la vegetación, diseño del sistema de regadío y plan de regadío, estimación de los costos, otros.

4. Consulta de Pertinencia SEIA: usando la información anterior, redactar la Consulta de Pertinencia e ingresarla al Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental SEIA.

5. Redactar DIA: redactar Declaración de Impacto Ambiental anexada a la EIA de la minera donde se emplaza el relave.

6. Implementar Plan de Ejecución: una vez aprobada la DIA por el SEIA se llevan a cabo las actividades registradas en el Plan de Ejecución de la carpeta fitoestabilizadora.

7. Plan de Mantención: en la etapa final del Plan de Ejecución elaborar e implementar un Plan de Mantención de acuerdo a los análisis y observaciones de la ejecución de la carpeta fitoestabilizadora.

8. Informe de Cierre: elaborar y entregar Informe de Cierre de Proyecto que contenga las principales observaciones, conclusiones y recomendaciones para asegurar la sustentabilidad de la carpeta fitoestabilizadora.

DISEÑO Y APLICACIÓN

A continuación se describe un ejemplo de aplicación de una Carpeta Fitoestabilizadora (CF) de 0,2 metros de espesor en un terreno de 1 hectárea :

1 . Distribuir 1 .000 metros cúbicos (50% del volumen total de la CF) de materia orgánica formando una capa homogénea de 0,1 metros de espesor, (aunque la materia orgánica no es líquida, para facilitar el cálculo y la aplicación se entrega la cantidad en metros cúbicos, conociéndose que al descomponerse se transforma gradualmente a líquida)

2. Elaborar una composición fitoestabilizadora mezclando 700 metros cúbicos de lodos paleros (35% de la CF) con 100 metros cúbicos (5% de la CF) aproximados de semillas (aunque la semilla no es un líquido, para facilitar el cálculo y la aplicación se entrega el cantidad en metros cúbicos debido a las grandes extensiones de los relaves mineros)

3. Distribuir los 800 metros cúbicos de lodos mezclados con las semillas formando una capa homogénea de 0,1 metros de espesor. 4. Permitir filtrar el agua de los lodos a la materia orgánica entre 7 a 12 horas.

5. Distribuir 200 metros cúbicos (10% de la CF) de aglomerante orgánico sobre el sustrato semillado de lodos, formado una capa homogénea de 0,01 metros de espesor, y dejar secar.

DESCRIPCIÓN DE MÉTODO DE PRUEBAS

A continuación se describen los métodos de pruebas con lodos residuales papeleros para comprobar sus propiedades cómo sustrato semillado y su capacidad de retener agua.

Estas pruebas buscan verificar la factibilidad de la carpeta fitoestabilizadora como una cubierta vegetal contenedora y aislante de los relaves mineros utilizando lodos papeleros, semillas, aglomerante y material orgánico, caracterizando su físico-química con capacidad de sostener una capa vegetal.

Para estas pruebas fueron utilizados lodos residuales entregados por la papelera CMPC en conjunto con la caracterización físico-químia de estos, además de relaves abandonados en la séptima región y semilla de césped estadio (pasto) por ser una especie muy delicada que requiere de mucha agua para sobrevivir, llegando a necesitar entre 7 y 10 litros de agua por metro cuadrado al día, además es de conocimiento general su estructura y crecimiento.

Prueba N°1 :

En una primera experiencia se utilizaron lodos residuales caracterizados con 65,2% de celulosa, 61 ,29% de humedad, 11 ,4% de Calcio, 4,8% de Aluminio, 4,5% de Silicio, 0,01 % de potasio, 0,25% de azufre, 0,2% de titanio, 0,04% de cloruro, 0,35% de magnesio, 0,01 % de sodio, 0,01 % de manganeso, 0,12% de hierro y 0,1 % de fósforo. Estos lodos residuales fueron mezclados con semillas de césped estadio dispuestos sobre materia orgánica residual y luego de 7 horas de percolar se les incorporó una capa de lignina, en proporciones de 35%, 5%, 50% y 10%, dichas capas de 0,1 metro de espesor cada una, fueron dispuestas sobre relave en un área de 1x2 metros cuadrados.

Transcurridos 20 días se observa un crecimiento de los tallos y de las hojas sin observarse anomalías respecto de lo esperado.

Prueba N°2:

En una segunda experiencia se utilizaron lodos residuales caracterizados con 23,8% de celulosa, 50,11 % de humedad, 7,3 pH a 20°C, 18,65 relación carbono/nitrógeno (C/N), 551 ,5 S/m conductividad a 25°C, 11 ,9% carbono, 0,83% nitrógeno, 0,15% amonio y 0,03% nitrato. A estos lodos se les incorporó semillas de césped estadio dispuestos sobre materia orgánica residual y luego de 12 horas de percolar se les incorporó una capa de lignina, en proporciones de 35%, 5%, 50% y 10%, de 0,1 metro de espesor cada capa, las cuales fueron dispuestas sobre relave en un área de 1x1 metros cuadrados. De forma paralela se sembró semilla de césped estadio en suelo orgánico (tierra de hojas).

Transcurridos 20 días se observa un crecimiento de los tallos y de las hojas de ambas pruebas, sin embargo, el césped dispuesto en el sustrato con lodo residual tuvo un requerimiento solo del 50% de agua respecto al césped sembrado en tierra de hojas.