Resumen de Hydrogeochemical assessment, water treatment and revalorization of dumps, tailings and drainages produced at phalaborwa industrial complex
- español
El Complejo Industrial de Phalabordwa, Sudáfrica, está formado por varias minas y fábricas que se benefician del Complejo Ígneo de Phalaborwa (PIC). La actividad industrial en la década de 1950 con la extracción de rocas fosfatadas y Cu.
Desde entonces, más de 4500 Mt de residuos sólidos enriquecidos en magnetita, Zr, Ni, Ag, Pt y tierras raras (REE) se han ido acumulando en el área de PIC en forma de relaves y escombreras, así como más de 3 Mm³ de aguas residuales industriales (drenajes de rocas y aguas de procesamiento). Debido a las actividades industriales, la calidad del agua de los acuíferos se ha deteriorado alcanzando hasta 10 g/L de sulfato, particularmente en el entorno de las balsas de fosfoyeso generados por la planta de ácido fosfórico. Los esfuerzos para contener la pluma de contaminación mediante pozos de extracción dieron como resultado un aumento continuo de la contaminación dentro del área industrial, pero ayudaron a controlar la migración de la pluma de contaminación.
Este estudio va más allá de la mera evaluación ambiental, se trata de una evaluación integral de los residuos de PIC, que llevó a la revalorización de los residuos mineros alcalinos como potenciales recursos secundarios de REE y como agente de neutralización, y culminó con el diseño de un sistema que se beneficiaría de ambas características de los residuos. El estudio mineralógico y geoquímico de los residuos se realizó bajo la hipótesis de que estos podrían haber preservado o incluso concentrado las REE del yacimiento. La abundancia de minerales de REE (princialmente monacita) y minerales enriquecidos en REE (principalmente fluorapatita, calcita y dolomita) confirmó esta hipótesis e incidió en el potencial económico de los residuos mineros como fuente secundaria de REE. Las REE más rentables, en función de su precio y abundancia son Nd, Dy, Pr y Tb (87% del valor neto). Los relaves son económicamente más atractivos que las escombreras porque el procesamiento mineral ha generado partículas principalmente monominerales enriquecidas en REE.
La caracterización medioambiental de los residuos se llevó a cabo con el fin de evaluar su potencial como reactivo neutralizante para el tratamiento pasivo de aguas acidas. Los desechos mineros utilizados para tratar aguas industriales ácidas (AIW) deben cumplir dos características principales: i) alto potencial de neutralización y ii) baja toxicidad. Para evaluar el potencial de neutralización y la toxicidad de los lixiviados que pudieran liberar se llevaron a cabo protocolos basados en regulaciones nacionales internacionales. Los resultados de esta investigación demostraron que ninguno de los residuos mineros tiene el potencial de producir drenaje ácido de roca. También demostró que las carbonatitas y los relaves de la planta de cobre (East Tailing) exhíben el mayor potencial de neutralización (hasta 800 Kg CaCO₃ eq/t). De acuerdo con la Ley Nacional de Gestión Ambiental de Residuos (59/2008) de Sudáfrica, los residuos mineros de PIC se clasfican como residuos de Tipo 3 (no peligrosos). Estos residuos liberaran principalmente elementos no tóxicos como Ca, Mg, SO₄, Na, P, K, Fe. Entre los residuos de PIC, East tailing sería la mejor opción como reactivo alcalino para neutralizar AIW.
El conocimiento adquirido en este punto de la investigación sirvió para desarrollar un sistema que podría remediar las aguas extremadamente ácidas de la planta de ácido fósfórico de PIC y sustrato se enriquecería en REE y se convertiriá en un subproducto con valor comercial. Se seleccionó el material de East tailing por su abundancia en minerales de REE y en minerales alcalinos enriquecidos en tierras raras con alto potencial neutralizante (reactor A). Se añadió al sistema un reactor BDAS (Sustrato Alcalino Disperso de carbonato de bario) al reducir la dureza y mejorar aún más la calidad del agua (reactor B). El prototipo a escala de laboratorio fue capaz de remediar el agua extremadamente acida de la planta de ácido fosfórico y, al mismo tiempo, concentrar la REE contenida tanto en el agua como en el sustrato. El agua tratada cumple con los requisitos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para agua potable en todos los parámetros exepto Ni, Cd y ocasionalmente Ba. El sustrato aumentó la concentración de REE de 1.3 g/Kg hasta 2.1 g/Kg en la zona central del reactor A.
La mayoría de las REE precipitaron como fosfato de Ca- Ai- f rico en REE. Mientras que en la columna B se encontraron concentraciones menores de REE, junto con la mayoría de los radionucleidos.
Esta tesis proporciona una alternativa ecológica y sostenible para concentrar REE en un enfoque de economía circular, al tiempo que mejora la calidad de las aguas extremadamente ácidas de PIC.
- English
The Phalaborwa Industrial Complex is formed by several mines and factories that extract value out of the geological formation named Phalaborwa (or Palabora) Igneous Complex (PIC). The industrial activity started in 1950’s with the extraction of phosphate rocks and Cu. Since then, more than 4500 Mt of solid waste enriched in magnetite, Zr, Ni, Au, Ag, Pt and rare earth elements (REE) have been accumulating in PIC area in the form of tailings and waste rock dumps, as well as above 3 Mm3 of industrial wastewater, including rock drainages and process water. Due to the industrial activities, the water quality of the aquifers underneath PIC has been deteriorated reaching up to 10 g/L of sulphate, particularly surrounding the impoundment dams of the phosphoric acid plant from the fertilizer industry. The groundwater quality at PIC and the efforts to restrain the contamination plume by using abstraction boreholes resulted in a continuous rise of pollution within PIC facilities but it helped to control the migration of the plume beyond the industrial area. However, this study goes beyond the environmental assessment, it is a comprehensive evaluation of PIC’s wastes, which led to the revalorization of the mining wastes as potential REE resources and as neutralization reagent and culminated with the design of a system that would bring benefit from both characteristics of the wastes. The mineralogical and geochemical study of the PIC’s mine wastes was conducted under the hypothesis that the abundance of REE from the ore and host rocks mined from PIC might be preserved or even enriched in the mining wastes. The abundance of REE minerals (mainly monazite) and REE-bearing minerals (mainly fluorapatite, calcite and dolomite) confirmed that hypothesis and suggests the economic potential of PIC wastes as secondary source of REE. The most profitable REE are Nd, Dy, Pr and Tb (87% of net value). The tailings are economically more attractive than the WRDs because the mineral processing has generated tailings of mostly monomineralic particles enriched in REE. The environmental characterization of PIC wastes was carried out in order to evaluate its potential as neutralizing reagent for passive water treatment. The mining waste used to treat acid industrial wastewater (AIW) need to accomplish two main characteristics i) high neutralization potential and ii) low toxicity. National and international procedures were carried out to assess the neutralization potential and the toxicity of the leachate that could be released from each rock and each tailing. The results of this investigation showed that none of the PIC rocks have the potential to produce acid rock drainage. It also demonstrated that the carbonatite rocks and the tailings from the copper plant (herein named East tailing) exhibit the highest neutralization potential (up to 800 kg CaCO3 eq/t). According to the National Environmental Management Waste Act (59/2008) of South Africa, PIC wastes classify as Type 3 waste (non-hazardous). PIC wastes would mostly release non-toxic elements such as Ca, Mg, SO4, Na, P, K and Fe. Among PIC wastes, East tailing would the best option as alkaline reagent to neutralize AIW. The knowledge acquired at this point of the investigation served to develop a system that could remediate the extremely acidic wastewater from the neighbouring phosphoric acid plant. This system would be a near-zero waste if the substrate used get enriched in REE and become a marketable by-product. The material from East tailing was selected for its abundance of REE minerals and REE-bearing minerals, as well as for its neutralization potential (reactor A). A BDAS reactor (Barium carbonate Dispersed Alkaline Substrate) was added to the system to reduce the hardness and to further improve the water quality (reactor B). The bench scale prototype was able to remediate the extremely AIW from the phosphoric acid plant and, at the same time, to concentrate the REE contained in both the water and the tailing. The treated water complies with WHO (World Health Organization) guideline for drinking water for all the parameters except Ni, Cd and occasionally Ba. Mineralogical and geochemical analyses showed that the REE concentration increased from the initial 1.3 g/kg up to 2.1 g/kg in the central area of reactor A. Most REE precipitated as newly formed REE-rich Ca-Al-F phosphate. Minor concentrations of REE were found in reactor B, together with most of the radionuclides. Altogether, the findings of the thesis bring to the table an eco-friendly and sustainable alternative to concentrate REE in a circular economy approach, while improving the quality of the extremely acidic wastewater.
