Papel cotidiano (I/II) El tratamiento de aguas residuales en la industria del papel y de la pulpa

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1 Papel cotidiano (I/II) El tratamiento de aguas residuales en la industria del papel y de la pulpa Vivimos rodeados de papel, levanto la vista en mi despacho y no veo otra cosa más que archivadores, cajas, archivadores con proyectos, en definitiva papeles uno de cada tres correos electrónicos recibidos se imprime directamente para luego almacenarlo o lo que es peor, tirarlo a la papelera; publicidad, cartas, envoltorios, los periódicos dominicales pueden llegar a pesar con todos los suplementos hasta dos kg, pero, de dónde sale tanto papel? A continuación estudiaremos las generalidades de los principales procesos de fabricación de papel y pulpa. Los principales métodos de pulpación están formados por: procesos semiquímicos (NSSC) y de sulfitos, o sulfatos (o papel Kraft). A escala mundial, los principales procesos de fabricación de papel son los de papel de periódico, papel fino (por ejemplo LWC, impresión sin capas y papel para escritura) y cartones de papel (por ejemplo cartones de empaquetamiento, revestimiento y estriados). En este contexto, solo se discuten las principales fases de producción básica, puesto que las instalaciones reales de máquinas de fabricación papel contienen diversos detalles que dependen, por ejemplo, del proveedor de cada máquina. Comenzaremos hablando del objetivo de todos los procesos de tratamiento de pulpa: separar o disolver el material procedente de la lignina disuelta de la materia prima, madera (por ejemplo picea, pino, abedul, álamo temblón, roble, etc.) o materiales que no son de madera (por ejemplo paja, bagazo, cáñamo, estopa, etc.), y fibras de celulosa válidas para recuperar y procesar para otros usos. Hay en la actualidad diversos tratamientos de la pulpa; los procesos se eligen principalmente dependiendo del tipo de materia prima y los requisitos de calidad del producto final.todos los métodos de pulpación consisten en subprocesos posteriores (nota: los molidos finos pueden omitirse en algunas operaciones, por ej., arrojo o blanqueado de químicos de cocción) (ver Figura 1): Descortezado (o tratamiento de la materia prima). Astillado. Cocción (o asimilación). Lavado o cribado. Blanqueado y cribado. Secado. Recuperación de los productos químicos procedentes de la cocción. Íñigo Sanz Fernández Ingeniero Industrial del I.C.A.I., especialidad mecánica, promoción de Máster en Gestión,Tratamiento y Depuración de Aguas. Profesor colaborador de la EOI. Jefe de proyectos de ABS Tecnologías del Agua, participa en la ejecución de instalaciones de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales a nivel nacional e internacional. Comentarios a: comentarios@icai.es Papel cotidiano (I/II). El tratamiento de aguas residuales en la industria del papel y de la pulpa 23

2 Figura 2 En el descortezado se elimina la corteza y otras impurezas como la arena. Los troncos de madera talada se llevan hacia un tambor rotatorio de descortezado donde la corteza se separa mediante la fricción entre los troncos y la pared del tambor. Se puede introducir en el tambor de descortezado agua recirculada o fresca, denominándose este proceso descortezado húmedo. El descortezado húmedo es necesario cuando los productos finales son de alta calidad, como por ejemplo Tabla 1. Cargas de los efluentes del descortezado seco y húmedo Carga Descortezado seco Descortezado húmedo Caudal, m 3 /ADt TSS, kg/adt 0, BOD7, kg/adt CODcr, kg/adt Figura 1 la pulpa de viscosa. En el descortezado seco, el tambor opera sin agua, y los troncos descortezados se lavan fuera del tambor de descortezado. El descortezado seco se usa generalmente en los modernos molinos de pulpa. Las cargas de los efluentes de descortezado seco y húmedo se muestran en la Tabla 1. En el astillado (triturado), los troncos procedentes del descortezado se trituran en pequeñas astillas que se utilizan posteriormente para la cocción. El triturado puede tener lugar directamente después del descortezado o después del almacenamiento de troncos. No existe ningún efluente de proceso procedente del triturado (astillado). El secado de la pulpa puede llevarse a cabo mediante un cilindro o máquina del tipo Fourdrinier. La instalación de secado puede ser un cilindro calentado por vapor o de tipo secador de aire. Otra aplicación común es también el secado rápido después del desaguado mecánico, usando gases calientes procedentes de un sistema con un calentador independiente. La cantidad de efluente originado en el secado varía dependiendo del tipo de maquinaria; los valores típicos son 2-4 m 3 /Adt en los molinos modernos. (ver Figura 2). En los procesos con sulfato (papel de envolver Kraft), la mayor parte del material orgánico de lignina presente en la materia prima se separa de la celulosa mediante unos tratamientos de calentamiento presurizado, que usan sulfuro de álcalis que contiene un licor, también llamado licor blanco. Este proceso se llama cocción. Los tratamientos normales de cocción consisten en sistemas continuos y discontinuos. En los molinos modernos, no existe ningún efluente procedente de este proceso, excepto los drenajes de filtraciones. Después de la cocción, la pulpa (o materia marrón) se lava y se criba. El propósito del lavado es limpiar la pulpa antes del blanqueado y también recobrar los productos químicos procedentes de la cocción. Las máquinas de lavado consisten en tambores o prensas en serie; también se usan los llamados difusores. El objetivo del cribado es separar las impurezas (nudos, corteza, etc.) de la pulpa con el fin de mantener una elevada calidad del producto final. El equipo más común de cribado son cribas a presión e hidro-ciclones. No existen efluentes en el lavado moderno ni de la planta de cribado, excepto los drenajes de filtraciones, fugas o derrames ocasionales. 24 anales de mecánica y electricidad / septiembre-octubre 2005

3 Al lavado le sigue el blanqueado y post-cribado, cuando, por ejemplo, se producen pulpas de calidades comerciales. El blanqueado puede entenderse como un tratamiento de continuación después de la cocción, donde el resto del material de lignina se elimina de la pulpa. Al mismo tiempo, los compuestos cromofóricos, que causan el color oscuro del stock marrón, se disuelven o tornan en compuestos sin color. A menudo, en los molinos modernos de papel Kraft, se usan blanqueados con oxígeno como fase de preblanqueado antes del blanqueado definitivo. El blanqueado de oxígeno se da en condiciones alcalinas presurizadas con gas de oxígeno molecular. El oxígeno se incorpora al ciclo de recuperado del licor negro y de ese modo no se libera ningún efluente procedente del blanqueado por oxígeno. En los molinos modernos, la mayor parte de las cargas contaminantes de los efluentes del molido de papel Kraft se originan en el blanqueado final. Las aplicaciones de blanqueo incluyen sistemas que usan compuestos químicos de cloro (gas cloro, dióxido de cloro e hipocloritos) y compuestos químicos no clorados como el peróxido de hidrógeno, ozono, ácido peracético o una mezcla de éstos. Hoy en día, los sistemas de blanqueo se dividen en ECF (cloro libre elemental) y TCF (cloro químico total libre). El blanqueado ECF es un blanqueado sin gas cloro, que usa dióxido de cloro. La secuencia de TCF de blanqueo incluye ciertos niveles de peróxido y ozono. El uso de gas cloro está disminuyendo de modo drástico, por ejemplo, en Europa; pero en Norte América, el cloro gaseoso en los molinos, todavía es un compuesto químico relativamente común en el proceso de blanqueo. Cuando el cloro gaseoso se usa en el blanqueado, se liberan en el efluente los llamados compuestos orgánicos clorados. Estos compuestos pueden ser tóxicos para la vida acuática, dependiendo de su peso molecular. La cantidad total de compuestos clorados se mide usando el método del test AOX (halogenuros orgánicos absorbibles) Los compuestos clorados se descomponen hasta un cierto nivel en el tratamiento aeróbico del agua residual, por ejemplo, en plantas de fangos activados. En la Tabla 2 se comparan los efluentes de blanqueado de TCF y ECF. El cribado tras el blanqueado normalmente consiste en cribas por presión y centrífugas. La recuperación de los compuestos químicos procedentes de la cocción comienza con el lavado de la pulpa, donde el licor que ha reaccionado con contenido de lignina, también llamado licor negro, se separa de la pulpa. El licor negro se recoge en depósitos de almacenamiento, de los cuales se bombea hacia la fase de evaporación para la eliminación del agua, y se aumenta el contenido en sólidos secos. Después de la evaporación, el licor negro concentrado se incinera en el horno de recuperado. El horno de recuperado produce energía para el molino de pulpa y recupera también los compuestos químicos inorgánicos procedentes de la cocción (sodio y sulfuro) al fundirse. El producto fundido se disuelve en licor blanco poco concentrado (reciclado de la planta de basificación) y el líquido verde que se forma se basifica. En la planta de basificación, se añade cal quemada al líquido verde y el producto final es un licor de cocción llamado líquido blanco. El líquido blanco es una mezcla de sulfuro de sodio y de una solución de hidróxido de sodio. En el proceso de basificación, la cal quemada Tabla 2. Cargas efluentes del blanqueado TCF y ECF Carga ECF 1 TCF 2 Caudal, m 3 /ADt TSS, kg/adt DBO 7, kg/adt DQO Cr3, kg/adt AOX, kg/adt <0,8 0 Fenoles clorinatados, kg/adt <0,1 0 1 Blanqueado: madera blanda, kappa (en) 13-15, secuencia D-EOP-D-D, brillo 90% ISO. 2 Blanqueado: madera blanda, kappa(en) 8-10, secuencia AZ-EOP-P, brillo 85-90% ISO, no hay recuperación de efluentes. Figura 3 Papel cotidiano (I/II). El tratamiento de aguas residuales en la industria del papel y de la pulpa 25

4 Tabla 3. Cargas típicas de los efluentes del proceso de pulpación de papel Kraft (madera blanda, blanqueado ECF) Departamento Caudal DBO 7 DQO cr AOX de molido m 3 /ADt kg/adt kg/adt kg/adt Descortezado Blanqueado Condensado Derrames TOTAL Incluye las pérdidas del lavado de la materia marrón y la máquina de secado. 4 Incluye las pérdidas de la cocción y la evaporación. Tabla 4. Cargas típicas de los efluentes del proceso moderno de pulpación con sulfito (grado de recuperado del líquido residual alrededor de un 97%) Fase Caudal DBO 7 DQO cr AOX del molido m 3 /ADt kg/adt kg/adt kg/adt Descortezado Blanqueado <0.8 Condensado Goteos TOTAL <0.8 5 El blanqueado moderno de ECF incluye pérdidas en el lavado. Si se usa el blanqueado TCF, la cantidad de efluente está al mismo nivel que el producido en la pulpación del papel de envolver de Kraft, m 3 /ADt. 6 La carga DBO causada principalmente por los condensados del evaporador está formada de ácido acético. reacciona con el carbonato de sodio en el líquido verde y se produce una precipitación de carbonato cálcico en forma de lechada de cal. La lechada de cal se lava, deshidrata y conduce a un horno de cal para el recuperado de la misma. En los molinos modernos de papel Kraft no existe un efluente continuo originado desde el proceso de recuperación de la cocción de los compuestos químicos. Se pueden producir fugas ocasionales del líquido negro y goteos de líquido blanco. Normalmente estos goteos se recogen en un depósito de almacenamiento y se reciclan para ser utilizados de nuevo en el proceso (Figura 3). En la Tabla 3 se muestran las cargas típicas de los efluentes de las diferentes operaciones de molido de papel Kraft. En la Figura 1 se presentan los caudales de los efluentes y agua fresca de un molino típico de papel de envolver Kraft ECF. En los procesos con sulfito tiene lugar la deslignificación o cocción, normalmente en condiciones ácidas, con iones de bisulfito y sulfito presentes y calcio, magnesio, amonio o sodio como opciones básicas.también se usan métodos de pulpación con sulfitos alcalinos que usan, por ejemplo, antraquinona como acelerador. Igualmente se usan tratamientos de NSSC (sulfito neutro semiquímico) con procesos semiquímicos para grandes producciones. Después de la cocción, la pulpa se lava y se criba. En los molinos modernos de sulfito, el equipo de criba y de lavado son similares a los usados en molinos de papel de envolver Kraft. No se libera ningún efluente del proceso de cocción, lavado y cribado. Los métodos de blanqueado con sulfito de la pulpa más comunes son los procesos de TCF y de ECF (dióxido de cloro). La pulpa de sulfito normalmente es más fácil de blanquear que la pulpa de papel de envolver Kraft y los molinos modernos usan el 100% de las secuencias de blanqueado de TCF para alcanzar el brillo necesario de la pulpa comercial. En el pasado, al producir, por ejemplo, pulpa de viscosa, el caudal de efluentes y las cargas procedentes de la planta de blanqueado eran enormes. Hoy en día, las cargas contaminantes de las plantas de blanqueado por sulfito se aproximan a las cargas de las respectivas plantas de blanqueado de papel Kraft. En el caso del blanqueado TCF, las cargas de efluentes son prácticamente iguales a las del blanqueado TCF de la pulpa de papel Kraft. La recuperación de los compuestos químicos procedentes de la cocción es posible si la base es de sodio o magnesio. Los sistemas de recuperación están integrados por varias fases y el líquido de cocción se transforma al absorber dióxido de sulfuro de una solución de base alcalina. El líquido de pulpación del reciclado se evapora al incinerarse en un horno. En la Tabla 4 se especifican las cargas típicas de los efluentes procedentes de la pulpación con sulfito. Para fabricar el papel tan demandado partimos de los rechazos originados en el cribado Los rechazos del cribado contienen diversas impurezas dependiendo de la preparación, sotck y de la calidad de la pulpa (corteza, palos, arena, sólidos inorgánicos en suspensión, etc.) Los rechazos se vierten a la red general de alcantarillado o se vierten separadamente. Exceso de agua blanca En los circuitos de la máquina de fabricación de papel se necesita agua blanca para el transporte de la pulpa y aditivos a la fase 26 anales de mecánica y electricidad / septiembre-octubre 2005

5 húmeda de la instalación. Al principio, el agua blanca y la mezcla de pulpa entra en el depósito principal, de donde se distribuye a la línea. La mayor parte del agua blanca se elimina en la línea misma, produciéndose la eliminación de otra parte de agua en el prensado. Después del prensado, el resto de agua se evapora del producto final en la sección de secado. La mayor parte del agua blanca se recicla como agua para dilución y como agua de ducha de limpieza en otras operaciones de la fabricación de papel. Parte del agua de ducha es agua fresca, habiendo una cantidad cierta procedente del exceso de agua blanca que se descarga a través de la unidad del recuperado de fibras del sistema de tratamiento del efluente del molido. El uso de agua fresca o la cantidad proporcional de agua residual (m 3 /ADt), determina el grado de recuperación del sistema de agua blanca. Cuanto menor sea la cifra, mejor será el grado de recuperación. El exceso de agua blanca es el responsable de la carga principal del efluente continuo de un molino de papel (ver Figura 4). Fugas Los vertidos ocasionales proceden de las filtraciones de los depósitos de almacenamiento de agua blanca y pulpa y de las bombas de drenaje del suelo. El principio de diseño básico en los molinos de papel modernos es que el volumen de agua blanca y el procedente de las averías de los tanques (papel o pulpa de baja calidad durante las averías o roturas de la máquina de papel) son iguales. A continuación se describen brevemente los procesos de fabricación de cartón y papel.también se presenta una tabla resumen que contiene los principales agentes contaminantes. En la producción de papel para la impresión de periódicos, la materia prima es la pulpa normalmente sin blanquear de modo mecánico, pulpa de Kraft semi-blanqueada, de sulfito no-blanqueada o fibra reciclada (RCF). La preparación del sotck consiste en dos líneas de pulpa con sistemas de agua blanca y proporción suficiente de agua fresca. La línea de pulpa mecánica incluye el stock de pulpa normal, depósito de homogeneización y unidad post-refinadora. La línea tiene diversos pulpadores, tanque de rotura, espesador, tamiz y un descortezador. La maquinaria típica para la fabricación de papel de impresión de periódicos tiene secciones de secado, prensa y una devanadora para el producto acabado. El sistema de agua blanca está formado por circuitos de dilución en la preparación del sotck y un filtro de recuperación de la fibra (filtro de disco) para todos los efluentes con contenidos fibrosos. El efluente continuo de un molino de papel de impresión de periódicos parte de un filtro de disco, también llamado filtro de limpieza. El filtrado de limpieza contiene mg/l sólidos en suspensión, principalmente fibra, y compuestos orgánicos disueltos. La materia prima del papel LWC (Light Weight Coated) o papel satinado es la pulpa blanqueada mecánicamente, pulpa de papel Kraft de madera blanda blanqueada y productos químicos de satinado (pigmento, látex, almidón). La preparación del sotck tiene dos líneas de pulpa, línea de rotura, sistemas de agua Figura 4 Figura 5 Papel cotidiano (I/II). El tratamiento de aguas residuales en la industria del papel y de la pulpa 27

6 Tabla 5. Cargas de los efluentes de los molinos modernos de cartón y papel y molinos de fibra reciclada* Tipo Efluente SS DBO 7 DQO cr de molino m 3 /ADt kg/adt kg/adt kg/adt Impresión de periódicos (TMP) LWC Alineador y corrugados * (nota: las cifras incluyen cargas del proceso de pulpación mecánica y procesado de materia prima necesaria en cada caso) AD AOR AOX BAT BCT BMP DBO 7 BPT DQO CR CMP CTMP ECF EPA HELCOM ISO LWC MLVSS NSPS NSSC P.E. PSES PSNS RCF SOTR SS TCF TMP TSS VSS Tabla 6.Abreviaturas Pulpa seca en aire. Necesidad de oxígeno real. Halogenuros orgánicos absorbibles. Tecnología disponible. Tecnología convencional de control de agentes contaminantes. Mejores prácticas de dirección. Demanda biológica de oxígeno. Tecnología de control más usual (practicable). Demanda química de oxígeno. Pulpa químico-mecánica. Pulpa químico-termo-mecánica. Libre de cloro elemental. Agencia de protección del medio ambiente. Convención de Helsinki. Brillo. Capa de peso ligero. Sólidos volátiles en suspensión en el líquido agitado. Niveles estándares de actuación de nueva fuente. Semi-químicos de sulfito neutrales. Población equivalente. Niveles estándares de pretratamiento para fuentes existentes. Niveles estándares de pretratamiento para fuentes nuevas. Fibra reciclada. Indice de transferencia de oxígeno estándar. Sólidos en suspensión. Cloro libre total de los químicos. Pulpa termo-química. Sólidos en suspensión totales. Sólidos volátiles en suspensión. Figura 6 blanca con cantidad suficiente de agua fresca y dosificación de los productos químicos de satinado. La maquinaria típica de LWC tiene secciones de secado, prensado, seguidas de calandria y devanadora. El satinado puede realizarse en la máquina LWC (máquina con satinado on-line) o ser una unidad independiente (máquina con satinado off-line). Los productos químicos de satinado se preparan en un tanque de cocción. Como material para dar volumen se aporta limo de satinado que se introduce mezclado con el agua. La solución de satinado se realiza en turnos discontinuos. El almidón se transforma y se dosifica en el depósito de mezcla junto con otros aditivos. Otras calidades significativas de papel comunes son el papel de imprenta y escritura no satinados (papeles SC y MF), papeles para envolver y para pañuelos (servilletas). Hasta ahora hemos hablado de papel, ahora hablaremos de cartón El cartón de forro o liso se hace normalmente de dos capas, la capa superior es de pulpa de papel Kraft convencional y la capa inferior de la pulpa de papel Kraft de alta producción o fibra reciclada (cartón o papel). La preparación de sotck incluye dos líneas de pulpa, línea de rotura y sistemas de agua blanca y fresca. El sistema de agua blanca consiste en un depósito de agua blanca, distribución de agua para dilución y una unidad de recuperado de fibra para que el efluente se vierta al colector general de alcantarillado. El proceso de cartón corrugado (acanalado) o cartón intermedio estriado se hace a partir de pulpa NSSC no blanqueada o de papel reciclado. La preparación del sotck se compone de pulpa NSSC y líneas de papel reciclado, sistemas de agua blanca y fresca y línea de rotura. El sistema de agua blanca consiste en un equipo de dilución y distribución de agua y un sistema de recuperado de fibra para el exceso de efluente con contenido en fibra. La maquinaria de fabricación de cartón tiene una línea convencional, secciones de secado y presión y devanadora. Otras calidades de cartón comunes son los cartones para empaquetamiento (por ejemplo cartón para cajas plegables) (ver Figura 6). En la Tabla 5, se presentan las cargas típicas de los efluentes de los molinos de cartón y papel. 28 anales de mecánica y electricidad / septiembre-octubre 2005