Tratamiento de aguas residuales en la industria del papel y pulpa

31 de enero de 2024 (Lectura 10 mins)
Jordi Fabregas

1. Industrias del papel y pulpa

El proceso de producción de papel requiere de un volumen importante de agua. Este es el motivo por el que los productores de papel y celulosa se han situado históricamente cerca de puntos de abastecimiento de agua, como es el caso de los ríos.  

El agua es un elemento esencial en el proceso de fabricación de papel y derivados, ya que tiene un importancia vital en diversas etapas del proceso productivo:

  • Actúa como un enlace entre las fibras.
  • Se utiliza como disolvente en el proceso de producción.
  • Se emplea en operaciones de limpieza, cribado y blanqueo.
  • Aporta energía en forma de vapor.
  • Se utiliza en las unidades de enfriamiento. 

El agua que se aporta al proceso de producción ha de ser de una calidad elevada, lo que implica procesos de depuración desde el momento de su captación.

La búsqueda de una mayor eficiencia, tanto medioambiental como económica, a lo largo de todo el proceso de fabricación es uno de los principales objetivos de la industria de la celulosa y el papel. 

2. Producción de aguas residuales en la industria papelera

Las aguas residuales de fabricación de papel provienen principalmente de:

  • El líquido residual producido durante el tratamiento de la pulpa (licor negro).
  • El agua blanca de las máquinas de papel, producida en el proceso de fabricación.
  • Los vertidos de lavado, cribado y blanqueo de la pulpa. Estos vertidos están cargados de sustancias contaminantes que deben ser separadas para poder reutilizarlos o verterlos.

Aproximadamente se necesitan entre 1 – 10 m3 de agua por cada tonelada de madera utilizada para fabricar papel, en función de si existe o no reutilización de agua. El agua de aporte se utiliza básicamente en:

  • Preparación de la materia prima.
  • Transporte de las fibras.
  • Formación del papel.

El proceso empieza con la separación de la celulosa del resto de sustancias (lignina, aceites, resinas, etc.), que supone un 50% del peso total. Para la extracción de las fibras de celulosa se pueden emplear 2 sistemas:

  • Pulpa mecánica. Se obtiene por molienda de la madera. La calidad de la pasta obtenida es menor que con la pulpa química, pero se producen menos residuos líquidos.
  • Pulpa química. Se forma al someter las astillas de madera a un tratamiento químico, con la finalidad de solubilizar la lignina para que las fibras de celulosa se liberen.

Los productos químicos empleados pueden ser:

  • Productos alcalinos. Con estos productos se generan unos efluentes de color negro muy contaminantes, los cuales son tratados para recuperar el sulfuro de sodio y la sosa cáustica.
  • Sulfito sódico. Con este método también se pueden recuperar parte de los productos químicos utilizados, como es el caso del ácido sulfúrico.

Los productos químicos que no pueden ser recuperados se escapan con los efluentes residuales, junto a restos de celulosa, que al no haber sido retenida eleva la DQO del efluente.

En el blanqueo de la pasta, los restos de lignina que quedan junto a las fibras de celulosa le proporcionan color a la pasta, especialmente en el caso de la pulpa mecánica. Para obtener pulpa blanca es necesario someterla a un proceso de blanqueo, el cual puede ser llevado a cabo de diferentes maneras:

  • Peróxido de Hidrógeno. No elimina la lignina, pero le sustrae el color.
  • Cloro gas o de dióxido de cloro. Esta tecnología es mucho menos sostenible ambientalmente. Estos productos oxidan la lignina con una elevada eficacia. No obstante, al tratarse de agentes muy reactivos, inevitablemente también reaccionan con compuestos orgánicos presentes en la pulpa y generan una gran cantidad de compuestos organoclorados.
  • Ozono. Esta opción no genera subproductos y por ello está desplazando el uso del cloro.

La mezcla de diferentes tipos de pulpa húmeda con sustancias de relleno (carbonato de calcio, caolín, dióxido de titanio, etc.) y con otros aditivos (sulfato de aluminio, colorantes, almidón, látex, etc.) se extiende uniformemente sobre un soporte metálico y se seca, obteniéndose de esta forma el papel.

Para la obtención de papel para escritura o impresión, la superficie de papel se alisa posteriormente por medios mecánicos.

En todos estos procesos se consume un elevado volumen de agua, la cual debe de ser además de gran calidad.

Como resultado de la producción de papel y de pasta, los efluentes generados presentan una elevada contaminación, que se debe a los más de 250 compuestos diferentes presentes en el agua residual. 

Algunos son de origen natural, como los que proceden de la madera (lignina, taninos, etc.). Otros son sintéticos, ya que se incorporan al efluente en los procesos de fabricación y blanqueo de las pastas de celulosa, como es el caso de fenoles, dioxinas y furanos.

Es importante destacar que el proceso productivo es mucho más sencillo cuando se utiliza como materia prima el papel reciclado y sus derivados. Los vertidos también son mucho menos contaminantes y el tratamiento de las aguas residuales se simplifica.

3. Tratamiento de aguas residuales en las industrias de papel y pulpa

Las aguas residuales generadas en la industria papelera son una combinación de efluentes de proceso y aguas de lavado. Su composición varía según el tipo de pulpa utilizada y los procesos específicos de producción. Los principales contaminantes que se encuentran en estas aguas residuales incluyen lignina, fibras de papel, productos químicos utilizados en el proceso de blanqueo y sustancias alcalinas.

Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales en fabricas de papel se componen básicamente de tres etapas:

  • Tratamiento primario. Consiste básicamente en homogeneizar, neutralizar, y separar los sólidos en suspensión presentes en los efluentes. En esta etapa intervienen de forma habitual los siguientes estadios:
    • Tamizado previo de sólidos gruesos.
    • Homogeneización y ajuste de pH.
    • Coagulación y floculación de sólidos en suspensión de menor tamaño y en forma coloidal.
    • Flotación por aire disuelto (DAF).

La flotación por aire disuelto es un proceso de depuración muy eficiente a la hora de clarificar vertidos con altos contenidos de fibras, y materiales flotantes, así como aceites y resinas.

El proceso consiste en la separación de las partículas en suspensión y los materiales coloidales coagulados y floculados, que ascienden hasta la superficie del equipo por la actividad de microburbujas del aire insuflado a presión. Los sólidos separados flotan y son arrastrados hasta una tolva mediante un barredor de superficie, por lo que el volumen de agua contenido en los lodos es mucho menor que el que se obtiene con un proceso de sedimentación (aproximadamente 3- 4 % en un DAF,  frente al 0,5 – 1% de un sedimentador).

  • Tratamiento secundario. Una vez separados los materiales en suspensión, todavía quedarán los disueltos, que deberán ser eliminados por oxidación.  El proceso más habitual es el de la oxidación biológica, que será anaerobia para altas cargas de DQO (≥3000 ppm), y aerobia para cargas menores.

La depuración biológica aerobia es la más corriente en el caso de tratamiento de aguas de baja carga contaminante, como es la procedente del reciclaje de papel. Los vertidos suelen ser deficitarios de nutrientes (N + P). que se dosifican en forma de urea y fosfatos.

Tras la oxidación biológica se debe disponer un sistema de clarificación y recirculación de fangos activados. Los sistemas DAF han demostrado una elevada eficacia gracias a su alto rendimiento de separación (superiores al 90 % de SS) y sus altas cargas de funcionamiento, que se traduce en una reducción del espacio requerido para su implantación. Además, los fangos obtenidos tienen una concentración del orden del 3 – 4%, que es mucho mayor que la obtenible por sistemas de sedimentación.

  • Tratamiento terciario. Dependiendo de su destino (vertido o reutilización) se puede instalar un tratamiento terciario por membranas de UF y OI.

A continuación, comentamos un caso práctico de depuración de aguas residuales en una industria papelera de tamaño mediano que utiliza derivados de papel reciclado como materia prima.

Los datos de esta instalación son los siguientes:

  • Vertido diario: 5000 m3
  • Caudal medio: 210 m3/h
  • Temperatura diseño: 30 ºC

Datos obtenidos en la operación de la planta:

Punto muestreoSS ( mg/l)DQO (mg/l)DBO5 (/mg/l)
Vertido a tratar12001200 
Vertido tras FQ50240120
Vertido final≤20≤150≤25

El resultado indicado es un valor medio, siempre mejor que el límite de vertido. El sistema DAF permite obtener un agua depurada de una calidad alta, que puede ser reutilizada en varios puntos de las instalaciones de fabricación de la propia fábrica de papel.

La instalación indicada se compone de las siguientes etapas de tratamiento:

Diagrama de bloques de una planta depuradora de aguas residuales de la industria papelera

En este proyecto aparecen dos equipos DAF, uno que actúa como clarificador primario antes del biológico, y otro actuando como clarificador secundario después del tratamiento biológico. Esta configuración consigue reducir los sólidos en suspensión a la entrada de la oxidación biológica, lo que le otorga mayor estabilidad a esta etapa del proceso.

Además, se consiguen reducciones de contaminantes que permiten que el agua residual se puede verter, e incluso reutilizar en algunos procesos menos exigentes de la fábrica, tras una simple filtración sobre arena, o mediante una microfiltración.

4. Reutilización de las aguas residuales tratadas

La alternativa más sostenible es diseñar una planta de tratamiento de aguas residuales cuya finalidad sea recuperar el agua para su reutilización.

Dado que la producción de pasta y papel requiere de agua en numerosas etapas del proceso productivo, la incorporación de tecnologías de tratamiento de aguas residuales en la cadena de producción permite que una misma corriente de agua pueda ser reutilizada en la misma etapa del proceso, o que pueda ser enviada y aprovechada en otra etapa. Esto ofrece un doble beneficio:

  • La minimización del agua consumida
  • La minimización de los residuos líquidos

Este modelo de gestión es denominado «ciclo cerrado», que es equivalente a un sistema de vertido cero. La implantación de este tipo de sistemas pretende eliminar, o reducir al máximo, el impacto ambiental del proceso en su conjunto, minimizando tanto la generación de vertidos líquidos como el consumo de agua potable.

Para recuperar un agua de calidad suficiente para su reutilización, el agua procedente de la oxidación biológica ha de ser sometida a un proceso de filtración en lecho de arena, o en membranas de ultrafiltración. Si el proceso al que se destina el agua requiere de una mayor calidad (obtención vapor, circuitos refrigeración, etc.), se emplean sistemas de membranas de ósmosis inversa, o de resinas de intercambio iónico.  

Cuando el efluente contiene productos orgánicos complejos, (lignina, fenoles…etc.), que pueden constituir una DQO difícilmente oxidable mediante procesos biológicos aerobios o anaerobios, es más aconsejable un tratamiento de oxidación avanzada, como puede ser el Foto-fenton, o la Ozonización, que rompen estas cadenas orgánicas y permiten que el efluente pueda ser degradado por las bacterias en los sistemas biológicos.

Otra tecnología en uso creciente para alcanzar el vertido cero son los evaporadores al vacío, que separan el agua y concentran los residuos, a la vez que reducen al máximo su volumen. El agua recuperada en la evaporación también puede ser reutilizada, mientras que el concentrado se gestiona como un residuo.        

Los fangos resultantes de los tratamientos primario y secundario (fangos procedentes del sistema DAF), así como los producidos en tratamientos anaerobios, se queman en una caldera junto con residuos vegetales como cortezas de árboles, serrín, etc. Tanto el calor producido por lo restos orgánicos, como el generado en el aprovechamiento del biogás, pueden utilizarse como fuente de energía.

De esta forma, se dispone de un sistema de gestión ambiental muy sostenible:

  • Se recupera la mayor parte del agua utilizada en el proceso.
  • Se genera una cantidad mínima de residuo a gestionar externamente.
  • Energéticamente, se producen grandes sinergias entre diferentes procesos.

Cabe destacar que la implantación de un sistema de vertido cero es más compleja cuanto mayor es la carga de contaminantes presente en el efluente. Para garantizar el éxito de un sistema de vertido cero es fundamental introducir en el proceso de fabricación de papel y pulpa aquellas mejoras que permitan generar menos compuestos contaminantes. Un ejemplo es el caso de la sustitución del cloro y sus derivados, en el proceso de blanqueo de la pasta por compuestos de oxígeno (peróxido de hidrógeno u ozono).

5. Conclusión

Las industrias de fabricación de papel y sus derivados consumen importantes cantidades de agua para sus procesos productivos. Además, generan vertidos altamente contaminados procedentes de la materia prima utilizada, así como de los reactivos que se utilizan para los distintos tratamientos del proceso.                                                  

Ante la creciente demanda de papel, y al consumo asociado de agua, se hace preciso una optimización de los procesos de depuración de las aguas residuales producidas, a la vez que una modificación de los procesos industriales que se siguen en la fabricación del papel.                     

La tendencia en la industria es el «vertido cero», ya que minimiza el impacto medioambiental gracias a un menor consumo de agua y a la reducción de residuos generados. Esto implica la implantación de tecnologías de alto rendimiento, como es el caso de los sistemas físico-químicos y biológicos diseñados y fabricados por Sigmadaf.

El agua clarificada que se obtiene tras un sistema DAF reduce las exigencias de pretratamiento de los sistemas de membranas que se utilizan en procesos terciarios de depuración, para la obtención de aguas de alta calidad. Esta tecnología, además, contribuye a la reducción de residuos, al incrementar la sequedad de los fangos separados por flotación, y a la reducción del tamaño de los evaporadores.

Bibliografía y consultas

Tecnología DAF aplicada en la industria de fabricación de papel para el uso de reciclaje de aguas residuales – Noticias – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)

PPT – Paper PowerPoint Presentation, free download – ID:2632688 (slideserve.com)

Cuál es el impacto ambiental del consumo de papel – descúbrelo aquí (ecologiaverde.com)

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