El problema ambiental de los residuos en la elaboración de celulosa para papel
- Proceso de elaboración
de pasta de celulosa - Principales contaminantes
generados por la producción de
celulosa - Medidas para controlar la
contaminación por organoclorados - Contaminación del aire
por las industrias productoras de pulpa para
papel
La elaboración de celulosa destinada a la
producción de papel y cartón es una
importante actividad industrial con un gran consumo de
agua y de
energía que también genera una notable cantidad de
residuos líquidos y sólidos, estos últimos
como fangos de plantas de
tratamiento. Se utiliza en esta actividad una materia prima
renovable, la biomasa esencialmente forestal aunque hoy en
día se utilizan también los subproductos de la
caña de azúcar
y del maíz. En
los casos en los que se recurre a la tala de árboles
debe buscarse un equilibrio
entre la reforestación y la tala para lograr un desarrollo
sustentable.
La fabricación de pasta de celulosa ya sea
mecánica o química tiene un
elevado consumo eléctrico, de 1.400 a 2.500 kw /tonelada
según el proceso y un
consumo de agua de entre 20 y 200 m3 /tonelada que
genera un agua residual con una media de 7kg/tonelada de
sólidos en suspensión y 55 kg/tonelada de DQO.
Estos datos dan una
idea del impacto ambiental
que puede tener esta actividad.
La magnitud de producción de este insumo en el
mundo y los problemas de
contaminación ambiental generados han
llevado a una importante regulación legal de la actividad
en Estados
Unidos, Japón y
en la Comunidad
Europea.
Ante los estrictos controles y los costos que
implica el cumplimiento de las normas, muchas
industrias han
desplazado su producción, especialmente la que involucra
técnicas obsoletas, a otros países
con menos exigencias en su legislación ambiental. El
impacto sobre los ambientes acuáticos y terrestres puede
ser importante y, en algunos casos, generar zonas irrecuperables
en lo referente a la biota. El costo de dicho
impacto no suele ser calculable y en cualquier caso sería
pagado por la comunidad y no por las industrias
productoras.
En el siguiente resumen se abordará el problema
de la generación de compuestos tóxicos residuales
por la elaboración de pasta de celulosa.
Proceso de
elaboración de pasta de celulosa
La composición química de la madera es
bastante compleja, el elemento básico estructural de la
pared celular es la celulosa. La lignina y hemicelulosa
también están distribuidas en la pared celular
junto con ésteres, terpenos, resinas, fenoles y taninos.
La lignina mantiene a las fibras de celulosa unidas. El proceso
de producción de celulosa consiste en separar las fibras
de celulosa lo que se puede conseguir mecánicamente o por
disolución química de la lignina,
La elaboración de pasta a partir de la madera es
el proceso inicial en la fabricación de celulosa para
papel y cartón. Luego de cosechar los troncos se les quita
mecánicamente la corteza y se muele la madera hasta
convertirla en chips de tamaño uniforme.
Estos chips son sometidos al proceso para
obtención de pulpa ya sea en forma mecánica o mediante una variedad de
procesos
químicos. Derivados del cloro se utilizan habitualmente en
los procesos para refinado y blanqueado de las pastas para papel.
Las diferentes calidades de papel requieren distintos procedimientos
para obtención de celulosa, así el papel blanco
para copias requiere una pulpa con fibras duras en su
composición principal con algo de fibras blandas para
añadir flexibilidad.
El papel para diarios se produce con fibras obtenidas
por procesos mecánicos o fibras recicladas con poca
cantidad de fibras blandas.
Todas las metodologías para obtención de
pasta de celulosa para papel se basan en la separación de
las fibras de la madera. Esto se consigue con métodos
mecánicos como el molido o con métodos
químicos que disuelven la lignina de la pared celular
dejando separadas las fibras de celulosa prácticamente sin
acción
mecánica. Las técnicas disponibles varían
entre estos extremos, las más usadas son:
1-Proceso mecánico
La pasta mecánica que se obtiene triturando la
madera por medio de grandes piedras de arenisca o esmeril y
haciéndola pasar por arrastre con agua a través de
tamices. Este tipo de pulpa es de baja calidad,
coloreada y con fibras de celulosa cortas. Una variante de este
proceso consiste en usar chips de madera que se someten a vapor
antes del triturado.
Se caracteriza por un pretratamiento químico
seguido de un refinado mecánico. Se usa para maderas duras
o de origen mixto. Puede hacerse impregnado chips con una
solución de sulfito de sodio seguida de una cocción
a 160 190º C y un posterior refinado por discos. La pulpa
obtenida tiene liginina en un 10 a 15 % y se usa para
cartón corrugado y papeles para embalaje por su alta
resistencia
3-Pulpas obtenidas por
procesos químicos
a) procesos alcalinos
Los dos más importantes son el Kraft y el
alcalino (soda process). En ambos casos los chips de madera son
calentados en presencia de hidróxido de sodio para
disolver la lignina. En el proceso Kraft se agrega sulfuro de
sodio este procedimiento es
el más difundido en la elaboración de pulpa a
partir de madera. El proceso alcalino se emplea para materias
primas que no son madera.
Una parte importante de estos procesos es la
regeneración de los licores de cocción. En el
sistema Kraft los
líquidos agotados por su uso en los tratamientos se
evaporan para regenerar el álcali que se incorpora al
próximo tratamiento. Durante el proceso alcalino casi la
mitad de la madera queda como remanente en el líquido
residual con alto contenido energético lo que permite su
fácil evaporación e incluso puede proveer
energía a la planta.
Durante el calentamiento el dióxido de carbono
producido reacciona con la soda cáustica para producir
carbonato de sodio. Se añade entonces sulfato para
compensar las pérdidas durante el proceso de
obtención de pasta. Este sulfato se reduce a sulfito. La
mezcla resultante se trata con hidróxido de calcio (cal
apagada) para regenerar el hidróxido de sodio a partir del
carbonato. El resultante se vuelve al tanque de tratamiento para
otro proceso.
La pasta resultante tiene características de
resistencia por el largo de las fibras obtenidas. Si la materia prima
fue una madera dura se presta para su uso en papeles de
impresión mezcla con pulpas de otro origen
Existen variantes de este proceso conocidas como proceso
de sulfito ácido, de bisulfito, de multi-etapas, de
sulfito neutro y alcalino. Todas ellas hacen referencia a las
características de los líquidos para cocción
de lo chips de madera. El dióxido de azufre es utilizado
para generar el sulfito utilizado en la digestión. La
producción de pulpas por éste método es
muy baja en relación a la producción por Kraft o
mecánica.
Blanqueado de la pasta para
papel
El blanqueado de la pasta de celulosa ha sido
tradicionalmente visto como un índice de calidad por el
consumidor de
papel. La blancura de la pasta de celulosa se mide por su
capacidad para reflejar luz
monocromática en comparación con un Standard de
óxido de magnesio. La pulpa resultante del proceso Kraft
es generalmente marrón mientras la de los procesos sulfito
es amarilla a marrón claro. Estos colores se deben
a residuos de lignina que se adhieren a las fibras y que pueden
ser estabilizados o removidos en procesos posteriores. En las
pulpas obtenidas por procesos mecánicos se utilizan
agentes químicos oxidantes como los derivados de cloro o
el peróxido de hidrógeno.
El proceso de blanqueado de las pastas esta compuesto de
5 a 6 etapas dependiendo de las características de la
pulpa obtenida. Desde el siglo XIX se utiliza hipoclorito para el
blanqueado de la pasta, posteriormente se aplicó
también cloro gaseoso. Los residuos de lignina se
convierten en productos
solubles en agua o en soluciones
alcalinas que son lavados en las etapas siguientes del
proceso.
El uso de cloro gaseoso tiene varias ventajas en el
producto y se
estima que genera una menor cantidad de AOX vertidos al ambiente. En
algunos casos se usa, en las últimas etapas del blanqueado
la combinación de peróxido de hidrógeno con
cloro. Las cantidades de cloro utilizadas por la industria de
la celulosa han disminuido desde los 90kg/ton que se usaban hace
80 años a los 25 kg/ton que se usan hoy e incluso valores
más bajos como 3 a 10 ton/kg en algunos
procesos.
Principales
contaminantes generados por la producción de
celulosa
Las principales etapas en las que se genera contaminación son:
–Descortezado de la madera. En la actualidad se emplea
el descortezado en seco, la cantidad de agua en este proceso es
relativamente baja. El descortezado en húmedo genera los
mayores caudales de residuales de cualquier fábrica,
el agua
arrastra polvo, corteza en suspensión y materia
orgánica como taninos
Las aguas residuales resultantes del proceso de
blanqueado de la pulpa se presentan como una compleja mezcla de
distintos compuestos en la que predominan los organoclorados.
Para la caracterización del riesgo que
presentan estos efluentes para el ambiente se suele sumar a las
determinaciones habituales (DBO, DQO, partículas
sedimentables y en suspensión) la de AOX que indica la
cantidad de halógenosorgánicos adsorbibles al
carbón activado. Dentro de esta fracción se
encuentran importantes agentes tóxicos.
El cloro reacciona en primer lugar con la lignina
residual para producir aproximadamente 4 kg de organoclorados por
tonelada de pulpa producida. Esta cantidad puede variar
considerablemente de acuerdo al proceso de blanqueado y al tipo
de pulpa sometida al tratamiento.
La mayor parte del cloro está ligado a compuestos
orgánicos de alto peso molecular que resultan
biológicamente poco activos y como
consecuencia poco tóxicos. Un 30 % de cloro se liga a
moléculas de bajo peso molecular, entre ellas
cuantitativamente la más importante es el triclorometano
que puede aparecer en cantidades de hasta 40 g por tonelada de
pulpa tratada. Junto con este compuesto aparecen tricloroetene,
pentaclorobenceno y triclorofenol.
Aparecen también derivados clorados del
ácido acético y de la acetona como TCA,
ácido tricloroacético, ha sido usado como
herbicida, causa clorosis. Su ciclo en suelos no es muy
bien conocido, se sabe que tiene alta movilidad en suelo y es poco
biodegradado, tampoco se conoce mucho su toxicidad para la
microfauna del suelo y del agua.
Los derivados clorados de acetona, en particular la 1,3
dicloroacetona, son mutagénica en el ensayo de
Ames y se consideran entre los más potentes
mutágenos clorados que pueden aparecer en efluentes. Se
degradan durante los tratamientos biológicos de efluentes.
Las dioxinas aparecen en el blanqueado de la pulpa de papel.
Depositadas en la superficie de suelos o aguas en parte se
evaporan, otra fracción es degradada por la luz solar y no
atraviesan el suelo con facilidad salvo que sean vehiculizadas
por compuestos liposolubles como grasas y
aceites. Actúan sobre receptor Ah que regula respuestas de
tipo crecimiento y diferenciación celular, dispara la
biosíntesis de citocromos y alteraciones
endócrinas.
Las investigaciones
realizadas durante la década de los 90 demostraron que,
aún pequeñas concentraciones de AOX en las aguas
eliminadas por las industrias elaboradoras de pulpa de celulosa
pueden tener efectos biológicos sobre los ecosistemas.
Las mejoras en el ambiente que se observan cuando las plantas
convierten su proceso del uso de cloro elemental a dióxido
de cloro suelen ser muy importantes pero insuficientes para
revertir el proceso de alteración en Suecia se ha
observado que se mantiene la mortalidad de larvas de peces en
radios de hasta 2 Km desde la boca de emisión de aguas
tratadas de las plantas de producción de pulpa.
Estos efectos se complican en plantas que usan
tratamientos para blanqueo mixto con distintos grados de
sustitución del cloro elemental por dióxido de
cloro. Los estudios de mayor sensibilidad se realizan estimando
la inducción de las enzimas
oxidativas, citocromos, hepáticos que indican estrés.
La estimación de efectos a largo plazo se ha
realizado con ecosistemas artificiales y demuestra que es mucho
más importante el efecto de los efluentes de plantas
tradicionales que los de aquellas que usan dióxido de
cloro o de las que emplean ozono y peróxidos. Uno de los
problemas en las plantas TFC es la presencia de metales en los
efluentes por el agregado de EDTA en el proceso para evitar los
efectos de cationes metálicos.
Existen otros componentes que pueden resultar
tóxicos para el ecosistema
como las resinas y los ácidos
grasos que se liberan de las maderas procesadas, experiencias
realizadas en truchas mostraron que aún diluidos dos mil
veces estos componentes del efluente del tratamiento
termomecánico de la pulpa podían ser letales para
peces como la trucha después de 3 a 4 semanas de exposición. La presencia de resinas en
sedimentos se correlacionó con modificaciones en el
comportamiento
de invertebrados bénticos.
Existen también sustancias capaces de interferir
con el sistema endocrino que es responsable de la síntesis y
del metabolismo
hormonal en vertebrados. En la madera existen esteroles naturales
del tipo de los sitoesteroles que pueden pasar sin alteraciones
por los proceso de blanqueado y no son eliminados en las plantas
para tratamiento de efluentes. Los fitoesteroles de las maderas
pueden sufrir una bioconversión por bacterias a
esteroides. Algunos subproductos de la industria de
producción de celulosa contienen hasta 25% de
fitoesteroles.
Es interesante considerar que los compuestos
organoclorados también se encuentran en la naturaleza en
cantidades considerables. Se producen en algas, esponjas,
corales, plantas, bacterias e insectos. En vegetales aparecen
como hormonas que
regulan el crecimiento como el ácido 4
cloroindolacético y en insectos como feromonas. Pero la
fuente más importante de estos compuestos es la
biodegradación de maderas por distintas especies de
hongos que
producen diclorometano en una cantidad calculada en 5 millones de
toneladas por año.
El otro proceso importante es la degradación de
ácidos húmicos y fúlvicos a fenoles y
clorofenoles. La materia orgánica contiene aproximadamente
10 mil ppm de cloro que reacciona a altas temperaturas para
producir cloruro de metilo y otros haloalcanos que se liberan a
la atmósfera cuando se los usa como
combustibles o durante los incendios de
bosques y la actividad volcánica. En este sentido es
interesante pensar que los compuestos halogenados liberados al
ambiente pueden tener vías para su
biodegradación.
Medidas para
controlar la
contaminación por organoclorados
Durante los últimos 20 años la industria
productora de celulosa ha estudiado y puesto en práctica
una serie de medidas destinadas a disminuir los niveles de
contaminación ambiental. El mayor número de
modificaciones se ha orientado a disminuir la presencia de
compuestos clorados. Estas modificaciones en las técnicas
de manufactura
pueden dividirse en medidas destinadas a modificar los procesos
de producción y medidas destinadas a mejorar el
tratamiento de aguas residuales
–Mejoras en los procesos
1-Deslignificación, es un proceso destinado a que
la pulpa que llega a blanqueado tenga una baja
concentración de lignina lo que puede lograse mediante dos
técnicas
–deslignificación prolongada. Se consigue
incrementando los tiempos de calentamento durante la
cocción de los chips de madera, puede hacerse con agregado
de antraquinona, lo que encarece el proceso, o manteniendo la
concentración de álcali lo mas constante posible
durante el proceso.
–deslignificación con oxígeno. La eliminación de lignina
se limita al 40-50% por la falta de oxígeno durante el
proceso. La investigación ha permitido incorporar
oxígeno en distintas partes del proceso para evitar
disminuciones en la calidad de la pulpa mientras se elimina la
lignina. Estas aplicaciones de oxígeno han sido una de las
mejoras más importantes incorporadas a la industria en la
última década.
2-Modificaciones en el blanqueado.
La mayor parte de los organoclorados que aparecen en el
efluente son producidos por la acción del cloro molecular,
la eliminación de este compuesto reduciría
significativamente este problema. El uso de cloro elemental ha
sido sustituido por dióxido de cloro llevando las
concentraciones de AOX en los efluentes de 5 a 10 Kg. por
tonelada de pulpa seca del proceso tradicional a 1 Kg./tonelada
con el proceso actual. En algunas plantas ya se produce pulpa sin
uso de cloro que ha sido reemplazado por peróxidos y
ozono.
–Mejoras en el tratamiento de aguas
residuales
Las aguas residuales de las productoras de pulpa para
celulosa se tratan por dos sistemas las
lagunas y las plantas de barros activados, en todos los casos los
barros residuales contienen AOX. En el proceso de lagunas
aireadas se llega a generar entre 0 y 5 Kg. de sólidos por
tonelada de pulpa tratada que contiene entre 2 y 30 g de AOX por
kilo en los proceso de lodos activados las cifras
correspondientes son 5 a 25 Kg. de lodo/tonelada con 10 a 25 g de
AOX por kilo. Estos lodos contaminados pueden disponerse por
incineración lo que genera el problema de aparición
de dioxinas en aire, o por
rellenos de seguridad.
El problema que presentan los tratamientos de efluentes
es que pese a su eficacia pueden
permanecer en las aguas compuestos tóxicos. El uso de
dióxido de cloro genera altas concentraciones de clorato
que actúa como alguicida. Se debe controlar también
la carga orgánica que se vierte a los efluentes y las
emisiones de fosfatos y nitratos.
La contaminación del aire por las productoras
de celulosa también es un punto a considerar en el
proceso.
Contaminación
del aire por las industrias productoras de pulpa para
papel
Uno de los principales inconvenientes generados por el
proceso Kraft es la formación y descarga a la
atmósfera de compuestos reducidos de azufre que causan
severos problemas de olor. Los compuestos como los mercaptanos y
el dimetilsulfuro surgen como consecuencia de la actividad de
sulfuros y metilsulfuros sobre los componentes de la lignina. Los
tiempos prolongados de cocción utilizados en algunos
procesos llevan a la producción de mayor cantidad de
mercaptanos.
Las emisiones de material particulado llegan a 0,25
toneladas por tonelada de pulpa producida y pueden controlarse
con precipitadotes electrostáticos
La eliminación de óxidos de azufre depende
básicamente del tipo de combustible utilizado, los
combustibles fósiles pueden contener distinto grado de
azufre, su eliminación reduce este problema.
Dr. Juan Moretton
Profesor Asociado de la Cátedra de Higiene y
Sanidad.
Facultad de Farmacia y Bioquímica
Universidad de Buenos Aires
Enviado por:
Amalia Dellamea
Centro de Divulgación
Científica