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0406 -
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.
El Dr. Juan
Moretton es Profesor Asociado de la Cátedra de
Higiene y Sanidad.- Facultad de Farmacia y Bioquímica - Universidad de Buenos Aires.
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