El problema ambiental de los residuos en la elaboración de celulosa para papel

Introducción

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.

2-Proceso semiquímico

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

b) Proceso sulfito

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