Poiché l'industria della cellulosa e della carta è un grande consumatore di risorse naturali (ad esempio legno, acqua ed energia), può contribuire in modo determinante ai problemi di inquinamento dell'acqua, dell'aria e del suolo e negli ultimi anni è stata oggetto di un attento esame. Questa preoccupazione sembra giustificata, considerando la quantità di inquinanti dell'acqua generati per tonnellata di pasta di cellulosa (ad esempio, 55 kg di fabbisogno biologico di ossigeno, 70 kg di solidi sospesi e fino a 8 kg di composti organoclorurati) e la quantità di pasta prodotta a livello globale su base annua (circa 180 milioni di tonnellate nel 1994). Inoltre, solo il 35% circa della carta usata viene riciclata e la carta da macero contribuisce in modo determinante al totale dei rifiuti solidi mondiali (circa 150 milioni su 500 milioni di tonnellate all'anno).

Storicamente, il controllo dell'inquinamento non è stato considerato nella progettazione delle cartiere e delle cartiere. Molti dei processi utilizzati nell'industria sono stati sviluppati con poca attenzione per ridurre al minimo il volume degli effluenti e la concentrazione di sostanze inquinanti. Dagli anni '1970, le tecnologie di abbattimento dell'inquinamento sono diventate parte integrante della progettazione delle cartiere in Europa, Nord America e in altre parti del mondo. La figura 1 illustra le tendenze nel periodo dal 1980 al 1994 nelle cartiere canadesi in risposta ad alcune di queste preoccupazioni ambientali: aumento dell'uso di prodotti di scarto del legno e carta riciclabile come fonti di fibre; e diminuzione della domanda di ossigeno e di sostanze organiche clorurate nelle acque reflue.

Figura 1. Indicatori ambientali nelle cartiere canadesi, dal 1980 al 1994, che mostrano l'uso di scarti di legno e carta riciclabile nella produzione, e la domanda biologica di ossigeno (BOD) e composti organoclorurati (AOX) nelle acque reflue.

Questo articolo discute i principali problemi ambientali associati al processo della pasta e della carta, identifica le fonti di inquinamento all'interno del processo e descrive brevemente le tecnologie di controllo, inclusi sia il trattamento esterno che le modifiche all'interno dell'impianto. Le questioni derivanti dai rifiuti di legno e dai fungicidi anti-sapstain sono trattate più dettagliatamente nel capitolo Legname.

Problemi di inquinamento atmosferico

Le emissioni nell'atmosfera di composti di zolfo ossidato provenienti da cartiere e cartiere hanno causato danni alla vegetazione e le emissioni di composti di zolfo ridotto hanno generato lamentele per gli odori di "uovo marcio". Studi condotti tra i residenti delle comunità di cartiere, in particolare i bambini, hanno mostrato effetti respiratori correlati alle emissioni di particolato, irritazione delle membrane mucose e mal di testa ritenuti correlati a composti di zolfo ridotti. Tra i processi di spappolatura, quelli con il maggior potenziale di causare problemi di inquinamento atmosferico sono i metodi chimici, in particolare la spappolatura kraft.

Gli ossidi di zolfo vengono emessi ai tassi più elevati dalle operazioni di solfito, in particolare quelle che utilizzano basi di calcio o magnesio. Le fonti principali includono i colpi del digestore discontinuo, gli evaporatori e la preparazione del liquore, con le operazioni di lavaggio, vagliatura e recupero che contribuiscono in quantità minori. Anche i forni di recupero Kraft sono una fonte di anidride solforosa, così come le caldaie elettriche che utilizzano carbone o olio ad alto contenuto di zolfo come combustibile.

Composti a ridotto contenuto di zolfo, tra cui idrogeno solforato, metilmercaptano, dimetilsolfuro e dimetildisolfuro, sono quasi esclusivamente associati alla pasta kraft e conferiscono a questi mulini il loro caratteristico odore. Le fonti principali includono il forno di recupero, il soffio del digestore, le valvole di sfiato del digestore e gli sfiati della lavatrice, sebbene possano contribuire anche gli evaporatori, i serbatoi di fusione, gli smorzatori, il forno a calce e le acque reflue. Alcune operazioni sul solfito utilizzano ambienti riducenti nei loro forni di recupero e possono avere problemi di odore di zolfo ridotto associati.

I gas di zolfo emessi dalla caldaia di recupero sono meglio controllati riducendo le emissioni alla fonte. I controlli includono l'ossidazione del liquor nero, la riduzione della solfidità del liquor, le caldaie di recupero a basso odore e il corretto funzionamento del forno di recupero. I gas di zolfo del digestore soffiato, le valvole di scarico del digestore e l'evaporazione del liquor possono essere raccolti e inceneriti, ad esempio nel forno da calce. I gas di combustione della combustione possono essere raccolti mediante scrubber.

Gli ossidi di azoto sono prodotti come prodotti di combustione ad alta temperatura e possono formarsi in qualsiasi mulino con caldaia a recupero, caldaia di potenza o forno a calce, a seconda delle condizioni operative. La formazione di ossidi di azoto può essere controllata regolando le temperature, i rapporti aria-combustibile e il tempo di permanenza nella zona di combustione. Altri composti gassosi contribuiscono in misura minore all'inquinamento atmosferico del mulino (ad es., monossido di carbonio da combustione incompleta, cloroformio da operazioni di sbiancamento e sostanze organiche volatili dallo sfiato del digestore e dall'evaporazione del liquor).

Il particolato deriva principalmente dalle operazioni di combustione, sebbene anche i serbatoi per la dissoluzione degli odori possano essere una fonte minore. Più del 50% del particolato della cartiera è molto fine (meno di 1 μm di diametro). Questo materiale fine include solfato di sodio (Na₂SO₄) e carbonato di sodio (Na₂CO₃) da forni di recupero, forni da calce e vasche di dissoluzione del fuso, e NaCl da sottoprodotti della combustione di tronchi che sono stati immagazzinati in acqua salata. Le emissioni dei forni a calce includono una quantità significativa di particolato grossolano dovuto al trascinamento dei sali di calcio e alla sublimazione dei composti di sodio. Il particolato grossolano può includere anche ceneri volanti e prodotti di combustione organici, in particolare dalle caldaie elettriche. La riduzione delle concentrazioni di particolato può essere ottenuta facendo passare i gas di scarico attraverso precipitatori elettrostatici o scrubber. Le recenti innovazioni nella tecnologia delle caldaie elettriche includono inceneritori a letto fluidizzato che bruciano a temperature molto elevate, si traducono in una conversione energetica più efficiente e consentono la combustione di rifiuti di legno meno uniformi.

Problemi di inquinamento dell'acqua

Le acque reflue contaminate provenienti da cartiere e cartiere possono causare la morte di organismi acquatici, consentire il bioaccumulo di composti tossici nei pesci e alterare il gusto dell'acqua potabile a valle. Gli effluenti delle acque reflue di pasta di cellulosa e carta sono caratterizzati sulla base di caratteristiche fisiche, chimiche o biologiche, le più importanti sono il contenuto di solidi, la domanda di ossigeno e la tossicità.

Il contenuto di solidi delle acque reflue è tipicamente classificato sulla base della frazione sospesa (rispetto a quella disciolta), della frazione di solidi sospesi che è sedimentabile e delle frazioni di entrambi che sono volatili. La frazione sedimentabile è la più discutibile perché può formare una densa coltre di fango in prossimità del punto di scarico, che impoverisce rapidamente l'ossigeno disciolto nell'acqua ricevente e consente la proliferazione di batteri anaerobici che generano metano e gas di zolfo ridotti. Sebbene i solidi non sedimentabili siano solitamente diluiti dall'acqua ricevente e siano quindi meno preoccupanti, possono trasportare composti organici tossici agli organismi acquatici. I solidi sospesi scaricati dalle cartiere e dalle cartiere comprendono particelle di corteccia, fibre di legno, sabbia, graniglia da tritacarne meccanica, additivi per la fabbricazione della carta, residui di liquore, sottoprodotti dei processi di trattamento delle acque e cellule microbiche da operazioni di trattamento secondario.

I derivati ​​del legno disciolti nei liquidi di macerazione, compresi gli oligosaccaridi, gli zuccheri semplici, i derivati ​​della lignina a basso peso molecolare, l'acido acetico e le fibre di cellulosa solubilizzate, sono i principali responsabili sia della domanda biologica di ossigeno (BOD) sia della domanda chimica di ossigeno (COD). I composti che sono tossici per gli organismi acquatici includono sostanze organiche clorurate (AOX; dallo sbiancamento, in particolare pasta kraft); acidi resinici; acidi grassi insaturi; alcoli diterpenici (soprattutto da scortecciatura e spappolatura meccanica); juvabiones (soprattutto da solfito e spappolatura meccanica); prodotti di degradazione della lignina (soprattutto dalla polpa di solfito); sostanze organiche sintetiche, come slimicidi, oli e grassi; e prodotti chimici di processo, additivi per la fabbricazione della carta e metalli ossidati. Le sostanze organiche clorurate sono state fonte di particolare preoccupazione, poiché sono estremamente tossiche per gli organismi marini e possono bioaccumularsi. Questo gruppo di composti, compreso il policlorurato dibenzo-p-diossine, sono stati il ​​principale impulso per ridurre al minimo l'uso di cloro nello sbiancamento della polpa.

La quantità e le fonti di solidi sospesi, la domanda di ossigeno e gli scarichi tossici dipendono dal processo (tabella 1). A causa della solubilizzazione degli estrattivi del legno con poco o nessun recupero chimico e acido resinico, sia la polpa di solfito che quella di CTMP generano effluenti altamente tossici con BOD elevato. I mulini Kraft storicamente utilizzavano più cloro per lo sbiancamento e i loro effluenti erano più tossici; tuttavia, gli effluenti delle cartiere kraft che hanno eliminato Cl₂ nello sbiancamento e nell'uso di trattamenti secondari in genere presentano poca tossicità acuta, se presente, e la tossicità subacuta è stata notevolmente ridotta.

Tabella 1. Solidi sospesi totali e BOD associati all'effluente non trattato (grezzo) di vari processi di spappolatura

I solidi sospesi sono diventati un problema minore perché la maggior parte dei mulini utilizza la chiarificazione primaria (ad esempio, sedimentazione per gravità o flottazione con aria disciolta), che rimuove dall'80 al 95% dei solidi sedimentabili. Tecnologie secondarie di trattamento delle acque reflue come lagune aerate, sistemi a fanghi attivi e filtrazione biologica sono utilizzate per ridurre BOD, COD e sostanze organiche clorurate nell'effluente.

Le modifiche al processo interno allo stabilimento per ridurre i solidi sedimentabili, il BOD e la tossicità includono la scortecciatura a secco e il trasporto dei tronchi, una migliore vagliatura dei trucioli per consentire una cottura uniforme, una delignificazione estesa durante la spappolatura, modifiche alle operazioni di recupero chimico della digestione, tecnologie di sbiancamento alternative, lavaggio della polpa ad alta efficienza, recupero delle fibre dalle acque bianche e migliore contenimento delle fuoriuscite. Tuttavia, gli sconvolgimenti del processo (in particolare se si traducono in fognature intenzionali di liquori) e le modifiche operative (in particolare l'uso di legno non stagionato con una percentuale più elevata di estrattivi) possono ancora causare scoperte periodiche di tossicità.

Una strategia di controllo dell'inquinamento relativamente recente per eliminare completamente l'inquinamento idrico è il concetto di "mulino chiuso". Tali mulini sono un'alternativa attraente in luoghi che mancano di grandi fonti d'acqua per fungere da flussi di approvvigionamento di processo o di ricezione degli effluenti. I sistemi chiusi sono stati implementati con successo nei mulini CTMP e solfito base di sodio. Ciò che distingue i mulini chiusi è che l'effluente liquido viene evaporato e la condensa viene trattata, filtrata e quindi riutilizzata. Altre caratteristiche dei mulini chiusi sono le camere di vagliatura chiuse, il lavaggio in controcorrente nell'impianto di candeggio e i sistemi di controllo del sale. Sebbene questo approccio sia efficace nel ridurre al minimo l'inquinamento dell'acqua, non è ancora chiaro in che modo l'esposizione dei lavoratori sarà influenzata dalla concentrazione di tutti i flussi di contaminanti all'interno dello stabilimento. La corrosione è un problema importante per le cartiere che utilizzano sistemi chiusi e le concentrazioni di batteri e di endotossine aumentano nell'acqua di processo riciclata.

Gestione dei solidi

La composizione dei solidi (fanghi) rimossi dai sistemi di trattamento degli effluenti liquidi varia a seconda della loro origine. I solidi del trattamento primario sono costituiti principalmente da fibre di cellulosa. Il componente principale dei solidi provenienti dal trattamento secondario sono le cellule microbiche. Se lo stabilimento utilizza agenti sbiancanti clorurati, sia i solidi primari che quelli secondari possono contenere anche composti organici clorurati, una considerazione importante per determinare l'entità del trattamento richiesto.

Prima dello smaltimento, i fanghi vengono ispessiti in unità di sedimentazione per gravità e disidratati meccanicamente in centrifughe, filtri sottovuoto o presse a nastro o a vite. I fanghi del trattamento primario sono relativamente facili da disidratare. I fanghi secondari contengono una grande quantità di acqua intracellulare ed esistono in una matrice di melma; richiedono quindi l'aggiunta di flocculanti chimici. Una volta sufficientemente disidratati, i fanghi vengono smaltiti in applicazioni a terra (ad esempio, sparsi su terreni arabili o boschivi, usati come compost o come ammendante) o inceneriti. Sebbene l'incenerimento sia più costoso e possa contribuire a problemi di inquinamento atmosferico, può essere vantaggioso perché può distruggere o ridurre i materiali tossici (ad esempio, sostanze organiche clorurate) che potrebbero creare seri problemi ambientali se dovessero filtrare nelle acque sotterranee dalle applicazioni a terra .

I rifiuti solidi possono essere generati in altre operazioni di cartiera. La cenere delle caldaie elettriche può essere utilizzata nei fondi stradali, come materiale da costruzione e come abbattitore di polvere. I rifiuti dei forni da calce possono essere utilizzati per modificare l'acidità del suolo e migliorare la chimica del suolo.

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