Descarga líquida cero en minería e hidrometalurgia: guía ZLD

La descarga líquida cero (ZLD) es una estrategia de gestión del agua que recupera prácticamente toda el agua de un efluente industrial y convierte los sólidos disueltos en una sal seca y manejable. Un tren ZLD bien diseñado para agua de mina recupera habitualmente el 90–98 % del agua entrante como destilado y transforma el resto en sales sólidas, eliminando el vertido líquido a ríos, depósitos de relaves o balsas de evaporación.

Puntos clave

• La ZLD convierte el efluente minero en destilado reutilizable más sales secas.
• Los trenes típicos combinan preconcentración por ósmosis inversa (OI), un concentrador de salmuera y un cristalizador.
• Se alcanza una recuperación global del 90–98 %; la cifra exacta depende de la purga y de la humedad de la torta.
• El coste ilustrativo de tratamiento se sitúa entre 2,5 y 8 USD por metro cúbico de alimentación.
• La caracterización de las sales, la ruta de disposición y los permisos aportan más riesgo que la selección de equipos.

¿Por qué las minas adoptan la descarga líquida cero?

Cuatro fuerzas empujan a propietarios y gestores de proyecto hacia la ZLD, y rara vez actúan por separado.

Estrés hídrico. Muchas operaciones grandes de cobre, litio y oro se ubican en franjas áridas: el desierto de Atacama, el altiplano andino, el interior australiano y zonas del sur de África y de Oriente Medio. Cada metro cúbico reciclado es un metro cúbico que no se extrae de un acuífero, de un río ni de una desalinizadora. La ZLD es el punto final lógico de un programa de minimización: cuando la reutilización interna ya está maximizada, solo quedan el vertido o la ZLD.

Riesgo de las presas de relaves. Las instalaciones tradicionales almacenan sólidos y agua, y es el agua lo que las hace peligrosas. Los estándares internacionales de gobernanza de relaves y la presión de las aseguradoras empujan hacia una depositación más seca. Retirar agua del relave y del decantado reduce directamente el volumen embalsado detrás de la presa. Una planta ZLD que trata el decantado de relaves apoya una estrategia de relaves secos.

Regulación. Los permisos de vertido se endurecen en todo el mundo. Algunas jurisdicciones fijan límites tan bajos, o caudales de dilución tan poco fiables, que el tratamiento convencional no garantiza el cumplimiento durante todo el año. En varias provincias mineras, los nuevos permisos para efluentes de alta salinidad exigen en la práctica la ausencia total de salida líquida. La ZLD convierte un problema de cumplimiento en un problema de manejo de materiales, más fácil de controlar y auditar.

Licencia social. Las comunidades aguas abajo juzgan la mina por lo que sale del sitio. Un compromiso visible de descarga cero —sin tubería al río, sin salmuera al mar— es una señal verificable y potente del paso del cumplimiento al valor compartido del agua.

La mezcla de impulsores cambia según la región, lo que afecta tanto a la urgencia como a la configuración de la planta:

¿Cómo es un esquema ZLD típico para efluentes mineros?

La mayoría de las plantas ZLD mineras siguen la misma lógica de tres etapas: retirar primero el agua barata con membranas, comprimir térmicamente la salmuera restante y cristalizar lo que queda.

1. Caracterizar la alimentación. La química completa no es negociable: sólidos disueltos totales (SDT), sulfato, cloruro, calcio, magnesio, sílice, dureza, boro, nitrato y metales traza. Los índices de saturación de yeso, calcita y sílice determinan hasta dónde se puede llevar la OI.
2. Pretratar y ablandar. El ablandamiento con cal y soda o el intercambio iónico retiran calcio, magnesio y sílice antes de las membranas; el yeso recuperado suele ser un subproducto utilizable. Después se dosifica antincrustante y se ajusta el pH.
3. Concentrar con OI. La ósmosis inversa es un proceso de membrana accionado por presión que separa agua pura de sales disueltas. Los diseños modernos de alta recuperación con dos o tres etapas recuperan típicamente el 60–75 % de la alimentación, según los SDT y el riesgo de incrustación. Cada metro cúbico que no llega a la etapa térmica ahorra energía, porque la membrana cuesta varias veces menos por metro cúbico que la evaporación.
4. Purgar y afinar el concentrado de OI. Una purga controlada gestiona las especies que se acumularían hasta niveles corrosivos o incrustantes; el intercambio iónico selectivo o la precipitación pueden retirar iones concretos, como boro o fluoruro, antes de la etapa térmica.
5. Concentrar la salmuera térmicamente. Un concentrador de salmuera —normalmente un evaporador de circulación forzada con recompresión mecánica de vapor (MVR) que opera cerca del 15–25 % de SDT— eleva la recuperación del flujo de salmuera hasta aproximadamente el 85–90 %.
6. Cristalizar la purga. La purga del concentrador alimenta un cristalizador de circulación forzada, que lleva la sobresaturación más allá del límite de solubilidad y hace crecer cristales de sal en un magma controlado. La suspensión se espesa y el licor madre se recircula.
7. Deshidratar y secar las sales. Una centrífuga o un filtro de empuje, a veces seguido de un secador, reduce la humedad de la torta al 5–15 % en peso para que la sal sea un sólido fluido y no una pasta.
8. Cerrar el circuito. Todos los flujos de destilado —permeado de OI, condensado del concentrador, condensado del cristalizador— van a un tanque de agua pulida para reutilización en lixiviación, flotación o refrigeración.

La secuencia importa menos que el principio: cada etapa debe llevar la recuperación solo hasta donde su química lo permite y entregar el residuo a la siguiente, en lugar de combatir la incrustación en la unidad equivocada.

¿Qué tecnologías conviene comparar?

Cuatro tecnologías dominan las conversaciones sobre ZLD minera y la mayoría de los proyectos reales combinan al menos dos. La mezcla correcta depende de los SDT, la composición salina, el precio de la energía, la disponibilidad de terreno y la permanencia exigida a la solución.

Tres observaciones de la práctica:

• Las balsas solo son ZLD cuando la evaporación neta es positiva todo el año; una sola estación húmeda o un fallo del revestimiento las convierte en un vertido latente y en un pasivo de cierre.
• Los trenes térmicos con MVR cambian CAPEX por previsibilidad energética, algo decisivo donde la electricidad es estable por contrato o autogenerada. Donde el vapor de una planta de ácido o de una caldera existente es barato, la evaporación multiefecto puede competir.
• La incrustación es el motor silencioso del OPEX en toda etapa térmica: antincrustantes, operación con slurry sembrado y limpieza ácida periódica son el plan mínimo.

Para la mayoría de proyectos nuevos por encima de unos 100 m³/h, la arquitectura por defecto es OI más concentrador de salmuera más cristalizador, con las balsas solo como colchón de emergencia.

Balance de agua, sales y coste

Toda decisión de ZLD se reduce a un balance de agua y sal. El ejemplo siguiente es ilustrativo y autoconsistente; en el diseño real debe sustituirse por la química del sitio.

Base: efluente de mina de 500 m³/h con 25 000 mg/L de SDT, con sulfato, sodio, calcio, magnesio y cloruro moderado.

1. Definir la alimentación. 500 m³/h × 25 kg/m³ = 12,5 t/h de sólidos disueltos que entran en la planta. Esta cifra fija el tamaño del cristalizador y la logística de sales más que ninguna otra.
2. Pretratamiento. El ablandamiento retira la mayor parte del calcio como yeso y del magnesio como hidróxido; se supone que los reactivos añaden 0,5 t/h de sólidos, de modo que la sal seca final ronda las 13 t/h.
3. Etapa de OI. Con 65 % de recuperación: permeado = 325 m³/h; concentrado = 175 m³/h con unos 71 000 mg/L de SDT.
4. Purga y concentrador. Una purga de 10 m³/h controla sílice y cloruro; el concentrador recibe 165 m³/h. Al 90 % de recuperación produce 148,5 m³/h de destilado y 16,5 m³/h de purga cerca de saturación.
5. Cristalizador. Al 85 % sobre 16,5 m³/h: 14 m³/h de destilado y 2,5 m³/h de suspensión con las sales.
6. Deshidratación. La centrífuga produce una torta cuya humedad saca de la planta unos 2,5 m³/h de agua dentro del sólido; por eso la recuperación ZLD se detiene justo antes del 100 %.
7. Cerrar el balance. Destilado = 325 + 148,5 + 14 = 487,5 m³/h, es decir el 97,5 % de la alimentación recuperado como agua reutilizable. Los 12,5 m³/h restantes salen como purga (10) y humedad de torta (2,5). La producción de sal es de unas 13 t/h en base seca, aproximadamente 312 t/día: una cuestión de logística, no de tuberías.

Se derivan dos lecciones. Primero, la recuperación se compone de forma multiplicativa: 65 % × 90 % × 85 % sobre flujos en cascada da 97,5 % global, así que una pequeña mejora en la OI vale más que una grande en el cristalizador. Segundo, la purga y la humedad de torta son decisiones de ingeniería, no pérdidas: son el agua que se gasta para comprar disponibilidad frente a la incrustación y la corrosión.

Las sales. La planta no destruye los sólidos disueltos, los traslada a un flujo sólido que necesita un destino durante décadas. Los efluentes con predominio de sulfato tienden a sulfato de sodio (Na₂SO₄) y yeso; los ricos en cloruro, a cloruros de sodio y calcio; las corrientes de drenaje ácido de mina pueden arrastrar lodos de hidróxido de hierro y aluminio que deben separarse antes. La clasificación por ensayos de lixiviación decide si la torta es subproducto vendible, residuo inerte o residuo controlado: arsénico, selenio, molibdeno y boro suelen concentrarse en el sólido final. Las rutas habituales son celdas impermeabilizadas in situ, la codisposición en relaves secos y, cuando la pureza lo permite, el aprovechamiento parcial del yeso o del sulfato de sodio.

En cuanto al coste, las cifras siguientes son ilustrativas para una planta de 500 m³/h sobre un efluente sulfático de 25 000 mg/L, con precios de equipos de mediados de la década de 2020 en una ubicación no remota; un sitio concreto puede diferir en un factor de dos en cualquier dirección.

Tres ideas de coste para el caso de negocio:

• La energía suele ser el 40–60 % del coste de operación de un tren térmico, así que la diferencia entre 4 y 8 centavos por kWh puede mover el total entre 1 y 2 USD/m³. Por eso el MVR, que mueve energía en lugar de generarla, se ha vuelto el estándar frente a diseños calentados con vapor cuando la electricidad es estable.
• Compare la ZLD con su alternativa real, que casi nunca es no hacer nada, sino vertido más compra de agua más pasivo de cierre. En distritos con estrés hídrico, el coste evitado de una nueva fuente de agua y del agua diferida de relaves sostiene buena parte del caso.
• La escala importa menos que la composición: duplicar capacidad eleva el CAPEX por debajo de lo lineal, pero pasar de química sulfática a clorada puede encarecerlo de forma notable por las aleaciones, dúplex o superiores.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la descarga líquida cero en minería?

Es un concepto de tratamiento en el que la mina no envía ningún efluente líquido fuera del sitio: el agua se recupera como destilado para reutilización y los sólidos disueltos se convierten en sales secas. Los trenes típicos combinan preconcentración por OI, concentrador de salmuera y cristalizador, y alcanzan un 90–98 % de recuperación global; el resto sale en purgas y en la humedad de la torta.

¿Cuánta agua recupera realmente una planta ZLD?

Los trenes mineros bien diseñados recuperan el 90–98 % del agua de alimentación como destilado. El resto sale por dos vías inevitables: una purga controlada que protege la planta de la incrustación y la corrosión, y la humedad residual de la torta de sal deshidratada. Superar el 98 % suele costar energía desproporcionada para ganancias marginales.

¿Qué se hace con la sal que produce la ZLD?

La torta se clasifica primero mediante ensayos de lixiviación: puede ser un subproducto vendible, un residuo inerte para una celda impermeabilizada o un residuo controlado. Los sistemas sulfáticos suelen dar yeso o sulfato de sodio; los clorados, sales mixtas que normalmente van a disposición con revestimiento. El reaprovechamiento es atractivo, pero exige una pureza constante que un cristalizador de sales mixtas rara vez logra sin etapas de separación adicionales.

Conclusión

La descarga líquida cero ha pasado de ser una declaración ambiental a una opción de ingeniería por defecto en minas de regiones con estrés hídrico, regulación estricta o alto riesgo de relaves. La tecnología es madura: la ósmosis inversa retira el agua barata, un concentrador de salmuera con recompresión mecánica de vapor comprime la salmuera y un cristalizador de circulación forzada convierte el residuo en un sólido que se puede transportar, almacenar y cerrar. Lo que separa un buen proyecto de uno caro rara vez es el evaporador: es el balance de agua, la química de la alimentación, el plan de disposición de sales y la honestidad del modelo de costes construido desde el primer día.