Tratamiento del agua residual de proceso en la industria de la celulosa kraft. Final1.

Tratamiento del agua residual de proceso
en la industria de la celulosa Kraft
Asignatura: El Agua en la Industria y los
Servicios
Profesor: Miquel Salgot de Marçay
Alumnos: Aldo Barahona
Jonathan Lizama
Matías Naour
Barcelona, Mayo de 2019.
Contenidos de esta presentación
Introducción
Objetivos
Metodología
Resultados
- Ciclo del agua en la industria
- Caracterización de efluentes
- Tratamientos: preliminar, primario, secundario y terciario
Posibles variaciones
- Tratamiento en humedal centinela: Caso práctico
- Ventajas y desventajas
Discusión
Conclusiones
Bibliografía
Introducción
●
●
●
●
Su origen se remonta a China hacia el año 100
d.C.: se utilizaban trapos, cáñamo, paja y hierba
como materias primas y se golpeaban contra
morteros de piedra para separar la fibra.
En 1411 se habría iniciado la producción de papel
en Portugal, mientras que en América el primer
molino papelero se fundó en 1575, en Culhuacán,
México.
Entre los siglos XIX y XX fueron implementadas
las primeras máquinas continuas de papel.
Entre 1844 y 1884 se desarrollaron los primeros
métodos para la obtención de pasta de madera.
○ Abrasión mecánica.
○ Procedimientos químicos a base de:
■ Sosa cáustica
■ Sulfitos
■ Sulfatos
Pasta mecánica
Pasta química
Introducción
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En 1879 Carl Dahl descubrió el método denominado “Proceso Kraft”.
Celulosa al sulfato, pulpeo Kraft, pulpeo al sulfato o celulosa Kraft.
En los años 30, la producción mundial de celulosa Kraft igualaba al
método del sulfito.
Desde 1980 a la fecha, se observa un crecimiento de la tasa de
producción del 2,5% anual, y para finales del siglo XX la producción
mundial alcanzó los 400 millones de ton/año.
Existen fábricas de esta industria en más de cien países y que
emplea a más de 3,5 millones de personas.
Mayores productores son Estados Unidos, Canadá, Japón, China,
Finlandia, Suecia, Alemania, Brasil y Francia, todos ellos con cifras
superiores a 10 millones de ton/año.
Problema!
Para desarrollarse necesita grandes superficies de terreno para su
instalación y lugares con suministro de agua permanente y a
elevado caudal.
Es considerado un gran contribuyente a los problemas de
contaminación del agua, del aire y del suelo.
Introducción
●
Por tonelada de pulpa producida, la cantidad de
efluentes varía entre 20 y 200 m³ de aguas residuales.
Consecuencias al medio ambiente
●
●
●
Muerte de organismos acuáticos.
Permite la bioacumulación de compuestos tóxicos en fauna.
Afecta al sabor del agua potable
corriente abajo.
Ocupa el sexto lugar entre
las industrias más
contaminantes del mundo,
y que generan
efluentes peligrosos a gran
escala.
Objetivos
Objetivo general
● Caracterización de los principales métodos de tratamientos para el agua de
procesos en la industria de la celulosa Kraft y cuales son las nuevas
tecnologías de tratamientos.
Objetivos específicos
● Caracterizar los principales métodos de tratamientos primarios, secundarios
terciarios de las aguas de procesos en la industria de la celulosa Kraft.
●
Caracterización de las nuevas tecnologías y métodos para el tratamiento de
las aguas de procesos en la industria de la celulosa Kraft.
Metodología
●
●
●
Revisión de literatura buscando en bases de datos
electrónicas.
Las principales fuentes de datos fueron:
○ Web of Science
○ Scopus
○ Google Scholar.
Se consultaron artículos relevantes publicados en inglés y
castellano, además de documentos técnicos y web’s de
divulgación científica.
Resultados
Balance general proceso Kraft
El proceso Kraft es el más utilizado para la
elaboración de celulosa.
Se basa en la separación de las fibras de
celulosa de los demás componentes de la
madera, principalmente de la lignina y
hemicelulosas, a través de la utilización de
sulfito.
Subproductos del proceso Kraft
•
Celulosa (40-45%)
•
Hemicelulosa (20-30%)
•
Lignina (20- 30%)
•
Extraíbles (2-5%)
Resultados
Ciclo del agua en el proceso de la celulosa
El agua en el proceso de la celulosa Kraft cumple un rol fundamental, en el siguiente
esquema podemos ver las entradas de agua y la salidas del efluente de cada etapa
del proceso.
Madera
Agua
Patio de
madera
Efluentes
líquidos
Evaporación
Agua
Digestor
Efluentes
líquidos
Caldera
recuperadora
Efluentes
líquidos
Agua
Línea de
Fibras
Mesa
formadora
Secado
Efluentes
líquidos
Caustificación
Secado
Resultados
Caracterización de los efluentes
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Volumen
Materia Orgánica (COT, DBO, DQO)
Sólidos en suspensión/sedimentables
Organoclorados
Toxicidad
Color
pH
Temperatura
Resultados
Caracterización de los efluentes
Oxígeno Disuelto (OD)
●
●
●
Esencial para organismos aeróbicos.
Principal parámetro para caracterización
de los efectos de contaminación.
Saturación: 9,2 mg/l (nivel del mar, 20ºC).
Materia orgánica
●
●
●
Principal problema de contaminación de
las
aguas
(proteínas,
grasas,
carbohidratos, etc.).
Puede ser biodegradable
o no
biodegradable.
Métodos de medición: COT, DBO y DQO.
Volumen
●
Esta industria produce volúmenes de
vertidos que varían entre 20-200 m³/ton
pulpa, los cuales dependen de la
materia prima, tecnología y proceso
utilizado.
Resultados
Caracterización de los efluentes
Clasificación sólidos
• ST = Sólidos totales
• SST = S. suspendidos totales
• SDT = S. disueltos totales
• SSV = S. suspendidos volátiles
• SSF = S. suspendidos fijos
SSV
SST
SSF
ST
Toxicidad aguda
• CL50 - 96 horas, concentración de efluente que causa
la muerte del 50% de los organismos después de 96
horas.
Toxicidad crónica
• Relaciona los efectos a largo plazo de los efluentes en
el crecimiento, reproducción y letalidad de una
especie.
SDT
Resultados
Caracterización de los efluentes
Color
●
●
Característica debida principalmente a existencia de
lignina residual proveniente del proceso de blanqueo.
El color es determinado por la comparación visual con
concentraciones conocidas de cloroplatinado de
potasio.
Organoclorados
AOX (haluros orgánicos absorbibles)
●
●
●
Es una medida aproximada del material órgano-clorado
en el efluente.
Mide la cantidad de cloro enlazado a la materia
orgánica.
Adsorción por carbón activado y combustión para
determinación del cloro.
Resultados
Caracterización de los efluentes
Clorofenoles y ácidos resinosos
Cloroguayacol
Clorosiringol
Acido dehidroabiético
Mono y Diclorado
Son los contribuyentes más importantes en la toxicidad acuática de los efluentes y
provienen de las secuencias de blanqueo que incluyen cloro molecular.
Resultados
Tratamiento de efluentes en la industria de celulosa
• En los años 70 y 80, el tratamiento secundario
se volvió común en Europa, excepto en
Escandinavia.
• En los años 90 Canadá y Finlandia instalan
tratamiento secundario en la mayoría de sus
plantas.
• En Brasil, a partir de los años 80 las plantas
construyen tratamientos secundarios (lagunas
aireadas y lodos activados).
Resultados
Planta de tratamiento de efluentes
Tratamiento
Primario
• Separación de sólidos
• Neutralización
• Enfriamiento
Tratamiento
Secundario
• Reducción DQO
Tratamiento
Terciario
• Reducción de Color
Resultados
Tratamiento preliminar
El efluente del proceso, que llega al sistema de tratamiento, ingresa primeramente a una unidad que
elimina los componentes extraños al efluente (harnero) : trozos de madera, y otros que puedan haber
caído a las canaletas de colección de agua del efluente.
Resultados
Tratamiento Primario
El objetivo del tratamiento primario es proteger de sólidos de gran
tamaño y de cargas excesivas el tratamiento secundario, así la
depuración del efluente tiene una mayor eficacia en limpieza del agua y
los costes son más bajos.
Como tratamientos primarios podemos considerar:
• Homogeneización: El objetivo del tanque de homogeneización es
evitar problemas originados por las variaciones de calidad y caudal
de los efluentes en la fábrica.
• Neutralización: En esta etapa lo que se busca es neutralizar dicho
efluente. Se realiza a través de la estabilización del pH a través de
productos químicos como NaOH.
• Flotación con aire disuelto: es un proceso que clarifica aguas
residuales mediante la remoción de materia suspendida como
aceites o sólidos.
• Sedimentador: Es una operación física que separa por gravedad las partículas suspendidas cuya densidad es mayor que la
del líquido
La remoción se logra disolviendo en el agua residual aire bajo presión y luego liberando el aire a presión atmosférica en
tanques de flotación.
Resultados
Tratamientos Secundarios – Métodos Aerobios
Degradación de la materia orgánica mediante
degradación biológica.
Lodos Activados
•
Consiste en dos unidades principales, la balsa de
aireación y el clarificador secundario.
•
En la balsa de aeración se encuentra un cultivo de
microorganismos.
•
Poseen tiempo de retención entre 15-48 h.
•
El lodo se separa del agua en el clarificador.
•
El oxigeno se suministra a la balsa de aireación de
forma mecánica a través de distintos sistemas.
Resultados
Tratamientos Secundarios – Métodos Aerobios
Resultados
Tratamientos Secundarios – Métodos Aerobios
Lagunas Aireadas
•
Requiere de gran volumen con tiempos de
residencia de 3-20 días.
•
Los microorganismos crecen en suspensión en
la masa de liquido.
•
El oxigeno es suministrado por aireadores
superficiales o profundos.
•
El lodo sedimenta en el extremo de la laguna
donde se deja sin aireación y mezcla.
•
El sedimento se quita una vez cada 1-10 años.
Resultados
Tratamientos Secundarios – Métodos Aerobios
Resultados
Tratamientos Secundarios – Métodos Aerobios
Biorreactores de Biopelicula Movil (MBBR)
•
También llamado proceso lecho fluidizado, es
un tratamiento biológico que utiliza
microorganismos.
•
Se basa en el crecimiento de biomasa sobre
una biopelícula en unos soportes.
•
Requiere un menor volumen para el reactor
biológico
•
Presentan una alta relación de superficie por
volumen ocupado
Resultados
Tratamientos Secundarios – Métodos Aerobios
Resultados
Tratamientos Secundarios
Resultados
Tratamientos Terciarios
Tratamiento terciario
Resultados
Tratamientos Terciarios
Precipitación Química
•
Consiste en la eliminación de una sustancia
disuelta indeseable, por adición de un reactivo que
forme un compuesto insoluble facilitando así su
eliminación.
•
Con frecuencia se añaden coagulantes (sales
ferrosas y férricas y sulfato de aluminio) y
floculantes para facilitar una mayor separación.
Resultados
Tratamientos Terciarios
Oxidación avanzada – Fotocatálisis
Heterogénea
•
•
Son procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios
profundos en la estructura química de los contaminantes.
Su propósito es oxidar los componentes orgánicos
complejos encontrados en el agua que son difíciles de
remover.
•
•
•
•
•
Fenoles
Colorantes
Cianuros
Compuestos orgánicos clorados
Herbicidas e insecticidas
Dióxido de Titanio
Oxido de Zinc
•
•
Alta sensibilidad a la luz solar y UV
Gran capacidad de oxidación
Resultados
Tratamientos Terciarios
Oxidación avanzada – Foto Fenton
La tecnología foto-Fenton es usualmente utilizada cuando se requiere una alta reducción de
Demanda Química de Oxígeno. En este proceso el reactivo de Fe(ll) se oxida a Fe(lll)
descomponiendo el peróxido de hidrógeno para formar radicales hidroxilo (ec. 1), el empleo de
la radiación UV-Vis incrementa el poder de oxidación principalmente por la foto-reducción de
Fe(lll) a Fe(ll) la cual produce más radicales hidroxilo (ec. 2) y de esta forma se establece un
ciclo en el reactivo de Fenton y se producen los radicales hidroxilo para la oxidación de
compuestos orgánicos (ec. 3); adicionalmente es posible usar la radiación solar, lo que
eliminaría el costo de la radiación UV
Resultados
Tratamientos Terciarios
Sistemas de membranas
•
•
•
Ultrafiltración
Nanofiltración
Osmosis Inversa
Resultados
Posibles variaciones
Caso práctico: Tratamiento en humedal centinela de Arauco, Valdivia, Chile.
•
•
•
•
•
Su construcción comenzó a fines de 2016. Inversión inicial fue de 10
millones de dólares.
Ocho piscinas instaladas en un terreno de 10 mil m².
Acondicionada con especies representativas del Humedal del Río
Cruces: 40 mil ejemplares de seis especies diferentes de juncos y
totoras.
Instalaciones pueden recibir flujos superficiales y subsuperficiales.
Cuatro de las lagunas serán vertidas con efluentes y las otras cuatro
con agua del río.
Sistema de Flujo Horizontal
Sistema de Flujo Vertical
Resultados
Posibles variaciones
Caso práctico: Tratamiento en humedal centinela de Arauco, Valdivia, Chile.
●
●
●
●
●
Simular flujo subsuperficial, horizontal, vertical descendente y vertical ascendente.
Puede operar inundado con 20-30 cm de agua por periodos determinados de tiempo.
Utiliza la tecnología de sistemas de ventilación, que pueden controlar los gases en el sistema.
Controlar el pH, el potencial redox y el oxígeno disuelto.
Obtener respuestas del sistema con efluente terciario puro y agua de río que contiene efluente terciario.
Resultados
Posibles variaciones
Caso práctico: Tratamiento en humedal centinela de Arauco, Valdivia, Chile.
Ventajas:
● Control del caudal y variaciones de carga
hidráulica.
● Simular un caudal de alimentación de 1% del
caudal total, en cada laguna de forma separada.
● Simular tiempos de detención de 1 hasta 5 días.
● Simular flujos vertical y horizontal.
● Inundaciones por períodos controlados de tiempo.
● Ocupa un área junto al sistema de tratamiento de
efluentes existente.
Desventajas:
● Necesita de inversión en sistemas de
automatización y monitoreo.
● No tiene beneficios económicos para la
operación.
● Obtención de plantas.
Discusión
Conclusiones
-
S
Bibliografía
-
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Tratamiento del agua residual de proceso
en la industria de la celulosa Kraft
Asignatura: El Agua en la Industria y los
Servicios
Profesor: Miquel Salgot de Marçay
Alumnos: Aldo Barahona
Jonathan Lizama
Matías Naour
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