4. EFFETTO DELLA “CHIUSURA DEL CICLO” SULLE CARATTERISTICHE DELLA CARTA PRODOTTA (PROGETTO CRAFT 1 A CURA DELLA TNO Holland)
Il progetto CRAFT 1 svolto dall’istituto olandese di tecnologia cartaria denominato TNO in collaborazione con i tecnici e gli ingegneri della Cartiera Cardella, ha avuto lo scopo di individuare fino a quale percentuale di chiusura del ciclo sarebbe possibile arrivare (rispetto ai valori attuali) senza compromettere la qualità del prodotto finito.
Lo studio effettuato si è svolto in tre fasi principali:
1. Analisi dei circuiti delle acque da parte della cartiera, con compilazione di un questionario appositamente preparato dal TNO; 2. Determinazione della qualità minima delle acque di cui abbiamo
bisogno per conservare la qualità del prodotto, mediante analisi in situ da parte del personale del TNO in collaborazione con il personale tecnico di cartiera;
3. Simulazione della chiusura dei circuiti delle acque mediante il programma Wingems.
4.1 Analisi quantitativa e qualitativa dei circuiti delle acque di processo
In questa fase, le acque sono state analizzate prendendo in considerazione i seguenti parametri: pH, conducibilità, temperatura, contenuto di ceneri, COD e contenuto di solidi sospesi. Le acque prese in considerazione sono state:
1. Acqua del master; 2. Acqua del piezometro;
3. Acque del sottotela per entrambe le macchine; 4. Acque delle presse;
5. Acque in ingresso ed uscita dai flottatori; 6. Acque in uscita dal depuratore biologico.
Queste analisi sono servite per ottenere una visione della situazione attuale dei circuiti della cartiera.
4.2 Qualità dell’acqua per conservare le caratteristiche dl prodotto finito
_le acque in entrata ai flottatori;
_l’ acqua in uscita dal depuratore biologico.
Le acque del sottotela e l’ acqua del depuratore biologico sono state trattate con un impianto pilota ad osmosi inversa, in modo da ottenere un concentrato dei Sali e dei colloidi. Questo concentrato è stato utilizzato per la diluizione dell’ impasto impiegato nella fabbricazione di foglietti da laboratorio mediante un formafoglio dinamico, chiamato FRET.
Infatti, miscelando l’ acqua in uscita dall’ osmosi inversa con la acqua del sottotela, si è ottenuta una variazione della qualità della acqua di processo da quella attuale fino a quella peggiore, il concentrato dell’ osmosi appunto. La qualità dell’ acqua che può essere ancora utilizzata come acqua di diluizione alla fun–pump senza causare significative variazioni nel processo e/o nella qualità del prodotto è definita Minima qualità dell’ acqua .
Lo strumento utilizzato per questo scopo è un formafoglio dinamico (FRET) che consente la formazione di foglietto simulando le forze di taglio, l’ applicazione degli additivi della parte umida nell’ esatta cronologia con cui sono aggiunti in macchina e la raccolta delle acque del sottotela per la relativa analisi.
I fogli sono stati prodotti riciclando acqua di spreco in 15 cicli secondo lo schema seguente:
Le prove sono state eseguite utilizzando l’ impasto della tina di macchina che abitualmente usiamo per la fabbricazione di carta Medium alla continua MC3.
Su richiesta del personale tecnico della cartiera l’ aggiunta di amido cationico è stata fatta al momento della fabbricazione del foglietto. Questo per evitare che utilizzando un impasto già trattato con amido cationico, non si potessero notare differenze nel grado di fissaggio della salinità dell’ acqua utilizzata nella formazione.
Nel grafico 1 sono riportate le caratteristiche chimiche della acqua che si ottiene miscelando quella del sottotela con l’ acqua ottenuta per
F FRREETT
PULP CARTA
trattamento con osmosi inversa dell’entrata al flottatore e in uscita dal depuratore biologico.
Purtroppo, le stesse prove condotte con l’ acqua in uscita dai sedimentatori finali, non hanno avuto esito positivo perché non si è riusciti ad ottenere un permeato stabile nelle sue componenti chimiche.
Grafico1: Andamento dei parametrichimici acque di processo all'aumentare della chiusura dei circuiti
7,31 7,32 7,33 7,35 7,37 7,39 7,41 7,43 7,46 7,48 7,50 1,71 1,77 1,85 1,92 2 2,15 2,22 2,35 2,4 2,41 2,47 66 70 74 77 81 85 88 91 95 100 104 1002 1150 1300 1450 1600 1750 1800 1950 2100 2250 2400 180 192 204 216 228 240 252 264 276 288 300 310 295 280 265 250 235 220 205 190 175 160 1 100 10000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Acqua attuale/Acqua concentrata
pH Cond., mS/cm Torbidità, NTU COD, ppm Cloruri, mg/l Solfati
Utilizzando di volta in volta le qualità di acqua rappresentate nel grafico 1 sono stati valutati i seguenti parametri:
per il processo:
a) ritenzione (sotto forma di consistenza delle acque del sottotela e contenuti di ceneri nel foglietto);
b) drenaggio;
Grafico1: Andamento dei parametri chimici nelle acque di processo all’aumentare della chiusura dei cicli
per la qualità del prodotto: c) porosità Gurley;
d) CMT; e) SCT.
Nel seguito ci riferiremo alla quantità di concentrato presente nella miscela Acqua sottotela/Permeato osmosi come al livello di chiusura del circuito: la percentuale di permeato presente sarà il livello di chiusura del circuito. Quindi, la situazione attuale sarà identificata con la nozione “ livello di chiusura 0% ” e la situazione in cui si è utilizzato solo permeato con la notazione “ livello di chiusura 100% ”.
4.3 Variazione della ritenzione e del drenaggio
Nel grafico 2 è riportata la quantità di particelle colloidali presenti nelle acque utilizzate per la formazione del foglietto.
Come si può notare, la ritenzione andrà peggiorando all’ aumentare della chiusura del circuito ed il contenuto di ceneri nella carta andrà diminuendo: quindi la minore ritenzione comporta un minor trattenimento delle sostanze maggiormente difficili da trattenere sulla tela.
Grafico 2: Quantità di colloidi nelle acque del sottotela all'aumentare della chiusura dei circuiti
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qualità dell'aqua Q u a nt ità d i c o llo id i, U .A .
Nel grafico 3 è riportato l’ andamento del contenuto di ceneri nei foglietti da laboratorio al variare della qualità dell’ acqua utilizzata per la loro formazione.
Grafico 3: Contenuto di ceneri nei foglietti all'aumentare della chiusura dei circuiti
12 12,5 13 13,5 14 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qualità dell'aqua C e ne ri, %
Dai grafici 2 e 3 si può dedurre che chiudendo il circuito e volendo mantenere gli attuali livelli di ritenzione sia di fibre che di ceneri, occorrerà modificare il trattamento di ritenzione attualmente in uso.
L’ andamento del drenaggio è rappresentato nel grafico 4 . Da questo grafico si evince che il tempo di drenaggio comincia ad aumentare con un livello di chiusura del circuito del 50%. In questa prova non è stata tenuta in considerazione l’ aumento di temperatura che avremo nel circuito una volta instaurate le nuove condizioni (l’ aumento di temperatura favorirà il drenaggio).
Grafico 4: Andamento del tempo di drenaggio all'aumentare della chiusura dei circuiti
0,5 0,7 0,9 1,1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qualità dell'aqua Te m p o d i d re na g g io , s
4.4 Variazioni della qualità del prodotto finito
4.4.1 Porosità Gurley
Nel grafico 5 è rappresentato l’ andamento della porosità Gurley in funzione del livello di chiusura del circuito.
Grafico 5: Andamento della Prosità Gurley all'aumentare della chiusura dei circuiti
9 10 11 12 13 14 15 16 17 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qualità dell'aqua G ur le y, s
Il risultato ottenuto non è quello che ci saremmo aspettati dal fatto che il contenuto di ceneri diminuisce; quando una carta si impoverisce di ceneri, dovrebbe infatti diventare più porosa. Invece le prove di laboratorio hanno riscontrato la diminuzione di porosità all’ aumentare del grado di chiusura del circuito delle acque; può darsi che ciò sia dovuto ad una variazione della formazione del foglietto che rende la carta più chiusa.
4.4.2 SCT
Nel grafico 6 è rappresentato l’ andamento di SCT dei foglietti in funzione del livello di chiusura del ciclo.
Grafico 6: Andamento di SCT nei fogliettiin funzione del grado di chiusura dei circuiti
1,5 2 2,5 3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qualità dell'aqua SC T, k N /m
Come si può notare, il valore di SCT comincia a diminuire significativamente con un livello di chiusura del 40% rispetto alle condizioni attuali.
4.4.3 CMT
Nel grafico 7 è rappresentato l’ andamento del CMT dei foglietti al variare del grado di chiusura del ciclo delle acque.
Grafico 7: Andamento del CMT all'aumentare della chiusura dei circuiti 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Qualità dell'aqua C M T, N
I dati a disposizione sono molto dispersi (e questo può essere dovuto alla variabilità della prova stessa di CMT), ma si può notare una tendenza del CMT a diminuire all’ aumentare del grado della chiusura dei circuiti. Dai grafici riportati nei paragrafi precedenti , si può dedurre che:
1. Il trattamento di ritenzione attualmente in uso andrà modificato per continuare ad ottenere i risultati attuali anche con piccole variazioni nei consumi di acqua fresca. In particolar modo, sarà necessario monitorare con attenzione la ritenzione delle ceneri per non incorrere in un loro eccessivo accumulo nelle acque di processo;
2. Dalle prove di drenaggio dinamico, si evince che il tempo di drenaggio comincia significativamente ad aumentare con chiusura del ciclo superiore al 50%;
3. Per la qualità del prodotto finito, la variabile che ha mostrato maggiore sensibilità al peggioramento della qualità dell’ acqua è stata la porosità che ha cominciato a diminuire sensibilmente quando il livello di chiusura supera il 50%.
Per quanto riportato, si può trarre la conclusione che la chiusura del circuito potrebbe portare ad avere un’ acqua di processo con le seguenti caratteristiche (tabella 3):
Parametro chimico Quantità % rispetto alla
situazione attuale pH 7.39 - Conducibilità, mS/cm 2.15 +25 Torpidità, NTU 85 +25 COD, mg/l 1750 +75 Cloruri, mg/l 240 +33 Solfati, mg/l 235 +45 Tabella 4
4.5 I possibili scenari per la riduzione del consumo idrico
Le parti preparazione pasta e circuiti di MC3 e MC4 sono state modellate mediante il programma di simulazione WINGEMS. Per ogni corrente significativa di processo, sono stati ottenuti dati di consistenza, ceneri, pH, conducibilità, e COD. Sono state quindi inserite delle modifiche,
impiantistiche e il programma è stato posto nella condizione di simulare cosa accadrebbe alle variabili chimiche rilevate. La simulazione procede mediante iterazioni successive fino a quando non raggiunge un risultato stabile, cioè non si ottengono più variazioni nel calcolo dei parametri fino alla seconda cifra decimale. La produzione presa in considerazione è stata quella di Medium
Le possibilità che sono state esaminate mediante simulazione sono le seguenti:
Situazione 0: è stata considerata quella attuale;
Situazione 1: riduzione del consumo di acqua fresca alle continue; _1A: parziale riutilizzo dell’acqua in entrata ai flottatori MC3 / MC4 per gli spruzzi di tele e feltri. Questa operazione può essere realizzata mediante l’ impiego di un filtro e/o di un chiarificatore a sedimentazione;
_1B: parziale riutilizzo dell’ acqua in uscita dai flottatori per gli spruzzi di tele e feltri dopo un trattamento con un filtro.
Situazione 2: riduzione dei consumi di acqua fresca in preparazione pasta ed utilizzo del principio del controcorrente.
_2A: riutilizzo dell’acqua in uscita dal trattamento biologico, previa filtrazione, per il reintegro alla vasca master;
_2B: riutilizzo dell’ acqua in uscita dall’ impianto biologico, previa filtrazione, per il reintegro al master. Acqua delle coclee addensatrici all’ impianto di depurazione mediante un pretrattamento con un filtro a sedimentazione. Parziale riutilizzo dell’ acqua in ingresso ai flottatori per la diluizione dopo le coclee della frazione lunga.
Situazione 3: riduzione di acqua fresca alle continue ed in preparazione pasta.
_3A: trattamento dell’acqua in ingresso ai flottatori mediante filtrazione per utilizzarla agli spruzzi di tele e feltri. Riutilizzo dell’ acqua in uscita dall’ impianto biologico, previa filtrazione, per il reintegro alla vasca master;
_3B: riutilizzo dell’ acqua in uscita dall’ impianto biologico, previa filtrazione a membrana, per gli spruzzi di tele e feltri. La membrana è utilizzata per migliorare la qualità dell’ acqua in uscita dall’ impianto biologico. Riutilizzo dell’ ingresso ai flottatori per il reintegro alla vasca master.
Per ciascuna di queste opzioni, sono state riportate le seguenti caratteristiche:
1. consumo di acqua fresca per le applicazioni che coinvolgono il processo;
2. la qualità delle acque del sottotela per la produzione di Medium (caratterizzate da conducibilità e COD);
3. capacità di trattamento per le tecnologie implementate;
4. predizione delle caratteristiche del prodotto e del drenaggio sulla continua 3°.
I dati del tempo di drenaggio, sebbene non siano stati riportati in grafico indicano che per ciascuna delle opzioni, esso rimane pressoché costante. 0 50 100 150 200 250 mc/h
Grafico 8: Consumo di acqua fresca in ciascuna delle opzioni presentate
Cons. Acqua fresca 220 172 174 151 151 103 104
% di Riduzione 0 22 22 31 31 53 53
650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 C O D , m g /l
Grafico 9: Andamento del COD nelle acque del sottotela e delle presse nelle varie opzioni presentate
Sottotela 1 1145 1260 1271 1148 1028 1266 1202
Sottotela 2 1130 1212 1191 1134 1019 1217 1129
Acqua delle presse 773 830 815 776 702 834 775
O 1A 1B 2A 2B 3A 3B 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 C o nd uc ib ilit à , m S/ c m
Grafico 10: Variazione della conducibilità in funzione delle opzioni
Sottotela 1 2,32 2,74 2,74 2,59 2,44 2,84 2,83
Sottotela 2 2,22 2,83 2,82 2,28 2,14 2,93 2,92
Acqua delle presse 1,59 1,89 1,89 1,62 1,56 1,94 1,93
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Grafico 11: Andamento delle caratteristiche del prodotto in funzione delle opzioni presentate
Porosità, s 12,77 13,02 13,04 12,78 12,53 13,36 12,9
Ceneri, % 13,5 13,37 13,36 13,49 13,62 13,36 13,43
SCT, kN/m 2,58 2,54 2,54 2,58 2,61 2,54 2,56
O 1A 1B 2A 2B 3A 3B
4.6 Analisi degli scenari
L’impianto di depurazione a fanghi attivi che la cartiera possiede, quando si trova ad operare in condizioni ottimali , dà un abbattimento quasi totale del BOD5, con cui viene alimentato. Analizzando i dati delle concentrazioni di BOD5 degli anni 2002 e 2003, nelle acque di processo e di quelle depurate si ottiene un abbattimento medio del 98%.
Con un abbattimento percentuale che supera il 95%, l’eliminazione del BOD5 può essere considerata quantitativa. Per quanto riguarda il COD,
dai dati analitici ottenuti negli ultimi due anni, risulta un abbattimento medio del COD del 91.5%, come possiamo vedere dai dati sopra riportati.
Anno Abbattimento COD, % Anno 2003 Abbattimento COD, %
Gennaio 94.43 Gennaio 92.73 Febbraio 90.73 Febbraio 91.48 Marzo 91.27 Marzo 87.43 Aprile 85.13 Aprile 87.76 Maggio 90.34 Maggio 92.71 Giugno 91.62 Giugno 93.00 Luglio 92.89 Luglio 92.53 Agosto 93.09 Agosto 92.91 Settembre 93.55 Settembre 91.81 Ottobre 92.47 Ottobre 88.80 Novembre 93.13 Novembre 93.25 Dicembre 93.17 Dicembre 92.59 Tabella 5
Nella condizione attuale in cui l’impianto è gestito in modo adeguato, l’abbattimento di COD è funzione del tempo di ritenzione del refluo nella vasca di ossidazione e questo a sua volta dipende dalla portata oraria di acqua da trattare. A parità di portata in ingresso, l’impianto continuerà a funzionare con lo stesso rendimento alle attuali condizioni.
Analizzando la situazione attuale dell’impianto, notiamo alcune differenze rispetto agli anni 1999-2000, anni dello Studio Craft1:
la produzione della carta è incrementata in seguito ai lavori effettuati sulle macchine continue, portandosi a 450 t/d. L’incremento di produzione ha fatto aumentare la concentrazione di COD in ingresso all’impianto di depurazione portandolo dal valore medio di 1100 mg/l degli anni 1998/99 al valore di 1800 mg/l (media mensile ricavata dai dati forniti dalla cartiera per gli anni 2002/03). per ridurre il consumo d’acqua fresca nel processo di produzione, il
reintegro alla vasca master è passato da 90÷95 m3/h a 70÷75 m3/h; molti consumi d’acqua che prima erano stimati, adesso vengono
misurati in modo continuo grazie all’istallazione di nuovi misuratori di portata.
Gli scenari previsti per la riduzione dei consumi d’acqua nel ciclo di produzione, ci forniscono nei modelli di simulazione, dei valori di COD che erano in linea con le concentrazioni di COD presenti nelle acque di processo al momento dello studio. Tali valori come abbiamo visto sono del 60% minori rispetto alla situazione attuale, pertanto utilizzando le ipotesi di chiusura del ciclo previste dalla TNO aumenteremo le concentrazioni di COD all’uscita dei flottatori tenendo conto dell’incremento iniziale.
