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 ● ● ● ● ● ● ● 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 ● ● ● ● ● ● ● ● 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 - Altesor, Alice et al. 2008. La industria de la celulosa y sus efectos: Certezas e incertidumbres [Effects of pulp industry effluents: Certainties and doubts]. Ecología Austral 18(3): 291-303. American Paper Institute. 2013. How paper is made. Consultado el 2 de mayo de 2019. Area, M C. 2008. Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008. Red Iberoamericana de Docencia e Investigación en Celulosa y Papel-Riadicypp. Banco mundial. 2007. Guías sobre medio ambiente, salud y seguridad para las fábricas de pasta y papel. Encyclopaedia Britannica. 2019. Carl F. Dahl. GERMAN INVENTOR. Consultado el 6 de mayo de 2019. FAO. 2007. FAOSTAT on-line statistical service, Available online at: http://faostat.fao.org. Field, J A, G Lettinga, R Sierra Alvarez, y J Rintala. 1992. Environmental Biotechnoogy for the Treatment of Forest Industry Pollutants. Sjostrom, Eero. 1993. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. Second Edition. Teschke, Kay et al. 2008. Industria del papel y de la pasta de papel, Sectores basados en recursos biológicos. Enciclopedia de salud y seguridad en el trabajo: 22. Uğurlu, M, A. Gürses, Ç. Doğar, y M. Yalçın. 2019. Pollutants released from the pulp paper industry : Aquatic toxicity and their health hazards. 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