Trattamento delle acque reflue nell’industria cartaria e della polpa di carta

L’industria cartaria e l’importanza dell’acqua nei suoi processi

La fabbricazione della carta costituisce una delle principali industrie manifatturiere a livello mondiale, fornendo un’ampia gamma di prodotti essenziali per la nostra vita quotidiana.

Il processo di produzione della carta genera grandi quantità di acque reflue che, se non trattate adeguatamente, possono avere un impatto negativo sull’ambiente e sulla salute pubblica.

La carta consiste in una rete di fibre vegetali con un elevato contenuto di cellulosa che sono state trattate mediante diversi processi, disposte su un setaccio e infine essiccate.

Queste fibre possono provenire da diverse piante e alberi, ma la fonte maggiormente impiegata è quella del legno di conifere, per la lunghezza e la resistenza elevate delle sue fibre. Un terzo di tutto il legno lavorato nel mondo ha come destinazione la produzione di carta e di pasta.

La fabbricazione della carta consuma diverse risorse:

• Materia Prima (circa 2,5 Tm legno / Tm carta)
• Prodotti Chimici (NaOH, solfiti, ossidanti, ecc.)
• Acqua ed Energia (circa 10 – 15 m/Tm carta)

Nel processo di fabbricazione della carta, l’acqua viene utilizzata come:

• Mezzo di disintegrazione della materia prima
• Trasporto delle fibre
• Formazione della carta

Processo di fabbricazione della carta

Separazione della cellulosa

Il processo inizia con la separazione della cellulosa dal resto delle sostanze (lignina, oli, resine, ecc.), che rappresenta il 50% in peso.

Per l’estrazione delle fibre di cellulosa si possono impiegare 2 sistemi:

• Pasta meccanica: macinare il legno. La qualità della pasta ottenuta è inferiore ma non si producono tanti residui liquidi.
• Pasta chimica: sottoporre le scaglie di legno a un trattamento chimico, con l’obiettivo di solubilizzare la lignina affinché le fibre di cellulosa si liberino.

I prodotti chimici impiegati possono essere:

• Prodotti alcalini: con questo metodo si generano effluenti di colore nero molto inquinanti, che vengono trattati per recuperare il solfuro di sodio e la soda caustica.
• Solfiti: in questo sistema si possono anche recuperare parte dei prodotti chimici utilizzati, come nel caso dell’acido solforico.

I prodotti chimici che non possono essere recuperati si perdono con gli effluenti residui, insieme a residui di cellulosa che non sono stati trattenuti e che apportano un’elevata DQO all’effluente.

Sbiancamento della pasta

I residui di lignina che rimangono insieme alle fibre di cellulosa conferiscono colore alla pasta, specialmente nel caso della pasta meccanica.

Per ottenere pasta bianca è necessario sottoporre la pasta a un processo di sbiancamento, che può essere effettuato in diversi modi:

• Perossido di Idrogeno: anche se non elimina la lignina, ne sottrae il colore.
• Cloro gassoso o diossido di cloro: questo processo è molto meno sostenibile dal punto di vista ambientale poiché genera una grande quantità di composti organoclorurati, inclusi diossine e furani.
• Ozono: questa opzione non genera sottoprodotti e perciò ha sostituito l’uso del cloro.

La miscela di diversi tipi di pasta umida con sostanze di riempimento (carbonato di calcio, caolino, biossido di titanio, ecc.) e con altri additivi (solfato di alluminio, coloranti, amido, lattice, ecc.) viene stesa uniformemente su un supporto metallico e asciugata, ottenendo la carta.

Per la produzione di carta per scrittura o stampa, la superficie della carta viene successivamente levigata mediante mezzi meccanici.

Le acque reflue dell’industria cartaria

Durante la produzione della carta si consuma un elevato volume di acqua, che deve essere inoltre di alta qualità. Le acque reflue della fabbricazione della carta provengono principalmente da tre fonti:

• Il liquido residuo prodotto durante il trattamento della pasta (liquore nero).
• L’acqua bianca delle macchine per carta, prodotta nel processo di fabbricazione.
• Gli scarichi di lavaggio, setacciatura e sbiancamento della pasta. Questi scarichi sono carichi di sostanze inquinanti che devono essere separate per poter essere riutilizzate o scaricate.

Approssimativamente sono necessari tra 1 e 15 m³ di acqua di apporto per ogni tonnellata di legno utilizzata per fabbricare carta, a seconda che vi sia o meno riutilizzo dell’acqua.

Gli effluenti generati contengono un’elevata contaminazione dovuta a più di 250 composti differenti.

Alcuni sono di origine naturale e provengono dal legno (lignina, tannini, ecc.), altri sono sintetici e si incorporano all’effluente nei processi di fabbricazione e sbiancamento delle paste di cellulosa, come nel caso di fenoli, diossine e furani.

Come menzionato, il processo di fabbricazione di pasta e carta genera acque reflue con caratteristiche complesse a causa della grande diversità di sostanze presenti nell’effluente residuo. Tra i principali inquinanti si trovano:

• Materiale organico: fibre di cellulosa, lignina e altri residui del legno.
• Solidi in sospensione: residui di fibre e particelle.
• Composti tossici: derivati del cloro nello sbiancamento, come diossine e furani.
• Nutrienti: azoto e fosforo.

La Domanda Chimica di Ossigeno (DQO) e la Domanda Biologica di Ossigeno sono indicatori della quantità di materia organica che richiede ossigeno per decomporsi.

Il trattamento di queste acque reflue mira a ridurre o eliminare questi inquinanti per rispettare le normative ambientali ed evitare danni all’ecosistema.

Di seguito, viene mostrata un’analisi media degli scarichi presenti in diverse fasi del processo di trattamento delle acque reflue di un’industria cartaria:

È importante tenere presente che la produzione di pasta e carta richiede acqua di buona qualità per ottenere un buon prodotto.

A seconda della posizione della fabbrica, potrebbe essere necessario consumare acqua dalle reti di approvvigionamento delle popolazioni, cosa che deve essere evitata il più possibile.

Per questo motivo, oltre a riciclare le acque reflue trattate della stessa fabbrica, si è optato, in alcune occasioni, per utilizzare acque riciclate da EDAR vicine.

Trattamento degli effluenti

Esistono due opzioni per il trattamento delle acque reflue prodotte dalle industrie cartarie, a seconda che si riutilizzi o meno parte dei loro scarichi:

Ciclo aperto: Trattamento delle acque senza riutilizzo

L’opzione più semplice consiste nel trattare adeguatamente gli effluenti e scaricare l’effluente trattato nell’ambiente rispettando le normative e evitando qualsiasi impatto ambientale.

Un trattamento soddisfacente degli effluenti comprenderebbe le seguenti fasi:

• Omonogeneizzazione e neutralizzazione del pH
• Coagulazione-flocculazione seguita da una decantazione o flottazione DAF
• Eliminazione della materia organica mediante un processo biologico (anaerobico o aerobico), o mediante un’ossidazione avanzata (con ozono, Fenton o foto-Fenton).

Ciclo chiuso: Trattamento delle acque con riutilizzo

Esiste un’alternativa più sostenibile e in molti casi anche più economica, che consiste nel trattare gli effluenti con l’obiettivo di recuperare l’acqua per il suo riutilizzo.

Dato che la produzione di pasta e carta richiede acqua in numerose fasi del processo produttivo, integrare tecnologie di trattamento delle acque reflue nella catena di produzione facilita che una stessa corrente d’acqua possa essere riutilizzata continuamente nella stessa fase del processo, o che possa essere inviata e sfruttata in un’altra fase.

Con un ciclo chiuso si ottiene un duplice obiettivo:

• Minimizzazione dell’acqua consumata
• Minimizzazione dei residui liquidi prodotti

Grazie a questo sistema si riduce l’impatto ambientale complessivo del processo.

Per ottenere un’acqua di qualità sufficiente per il riutilizzo, è necessario un trattamento più approfondito rispetto a quello descritto nel Ciclo Aperto. Le principali fasi di questo trattamento sono le seguenti:

• Omonogeneizzazione, neutralizzazione del pH e decantazione o flottazione DAF: questi processi separano i colloidi e i solidi in sospensione di dimensioni maggiori
• Ossidazione avanzata (preferibilmente ozonizzazione): con questa fase si distruggono le molecole organiche di grandi dimensioni e che possono essere refrattarie in un successivo processo biologico.
• Trattamento biologico anaerobico/aerobico: riduce il contenuto di materia organica disciolta nel liquido. Con il processo anaerobico si produce biogas che può essere utilizzato come combustibile per la generazione di energia.
• Chiarificazione dell’effluente mediante decantazione o flottazione DAF
• Filtrazione dell’effluente della digestione con ultrafiltrazione (UF): prima mediante filtri a sabbia e successivamente con membrane di ultrafiltrazione.
• Trattamento per osmosi inversa: l’acqua ultrafiltrata viene sottoposta a un processo di osmosi inversa, dopo il quale si ottiene un’acqua che ha la qualità necessaria per poter essere riutilizzata all’interno del processo di fabbricazione della carta.
• Evaporazione a vuoto: i residui e i rifiuti rimanenti possono essere trattati mediante evaporazione a vuoto per minimizzarne il volume. L’acqua recuperata nell’evaporazione può anch’essa essere riutilizzata, mentre il concentrato, ridotto al minimo, deve essere gestito come rifiuto.
• Incenerimento: i fanghi generati, insieme a residui vegetali come cortecce di alberi, segatura, ecc., possono essere bruciati in una caldaia che fornisce energia ai processi dell’industria.

In questo momento, è importante ricordare che se l’impianto di trattamento delle acque include un reattore anaerobico, si deve sommare come combustibile il biogas (principalmente metano) proveniente dalla digestione biologica.

La somma di queste fonti di energia serve a soddisfare i requisiti energetici dell’evaporatore e del processo globale della fabbrica.

Trattamento dei residui mediante evaporatori a vuoto

Gli evaporatori a vuoto permettono la riduzione del volume di rifiuti liquidi e il recupero di risorse preziose.

Questo processo sfrutta la diminuzione del punto di ebollizione dei liquidi in condizioni di pressione ridotta, permettendo l’evaporazione a temperature più basse del normale.

Principi e benefici dell’evaporazione a vuoto

L’evaporazione a vuoto si basa sulla relazione inversa tra pressione e temperatura di ebollizione di un liquido.

Riducendo la pressione in un sistema chiuso, i liquidi iniziano a evaporare a temperature considerevolmente più basse.

Nell’industria cartaria, gli effluenti liquidi contengono solitamente acqua, contaminanti organici e inorganici, e composti chimici utilizzati nei processi di fabbricazione e trattamento.

L’evaporazione a vuoto permette di ridurre significativamente la quantità di rifiuti liquidi, facilitando al contempo il recupero di prodotti chimici, come agenti sbiancanti o adesivi, che possono essere riutilizzati nella catena di produzione, riducendo il costo della materia prima.

Inoltre, gli evaporatori a vuoto recuperano un’elevata percentuale di acqua di alta qualità, che può essere incorporata nel processo produttivo grazie alla sua elevata purezza.

In sintesi, l’evaporazione a vuoto è una tecnologia ad alte prestazioni con una chiara applicazione nell’industria cartaria, sempre più allineata con le tendenze di sostenibilità e ottimizzazione delle risorse.

Conclusione

Le industrie di fabbricazione della carta e dei suoi derivati consumano importanti quantità di acqua per i loro processi produttivi. Inoltre, generano scarichi altamente inquinanti a causa della separazione dei prodotti contenuti nella materia prima, così come dei reagenti utilizzati per i diversi trattamenti del processo.

Di fronte alla crescente domanda di carta, e al consumo associato di acqua, è necessario un perfezionamento dei processi di depurazione delle acque reflue prodotte, insieme a una modifica dei processi industriali seguiti nella fabbricazione della carta.

L’obiettivo che le industrie si stanno ponendo è il recupero degli scarichi trattati con l’obiettivo di raggiungere il cosiddetto «scarico zero», per minimizzare l’impatto ambientale con la riduzione del consumo di acqua e la riduzione dei rifiuti generati; per questo devono essere utilizzate tecnologie di depurazione delle acque con elevati rendimenti.

L’evaporazione a vuoto rappresenta una soluzione innovativa ed efficace per il trattamento delle acque reflue nell’industria cartaria e della pasta di carta. La sua capacità di minimizzare il volume dei rifiuti e facilitare il recupero dell’acqua la rende un’opzione attraente per le aziende impegnate nella sostenibilità e nell’efficienza operativa.

Bibliografia e consultazioni

– Tecnologia DAF applicata nell’industria di fabbricazione della carta per l’uso di riciclo delle acque reflue – Notizie – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)
– PPT – Paper PowerPoint Presentation – ID:2632688 (slideserve.com)
– Qual è l’impatto ambientale del consumo di carta – (ecologiaverde.com)