La Cátedra ECOEMBES de Medio Ambiente, realizó un trabajo de investigación sobre el comportamiento que tienen los distintos tipos de papeles en las plantas de compostaje. El objetivo básico era verificar su compostabilidad cara a sumar esta valorización a los porcentajes de recuperación y reciclaje del papel/cartón, para cumplir con los objetivos de la Directiva Comunitaria. El resultado obtenido no fue nada favorable a la tesis, todo lo contrario, la presencia del papel/cartón en el compostaje altera de forma negativa el funcionamiento de estas plantas. Se presenta a continuación, un resumen de esta investigación.
1. INTRODUCCION
El tratamiento de los residuos orgánicos bajo condiciones aeróbicas de compostaje o anaeróbicos en digestores específicos son ya metodologías de gestión muy desarrolladas y aceptadas por todos los países desarrollados (OCDE, 1994; U.Essen, 1995). En concreto, en Alemania estos sistemas de gestión, se toman como verdaderos métodos de reciclaje y no de los llamados de “valorización” (Abfallgesetz, 1986), recogidos en su normativa, desde hace ya tiempo y que han servido de modelo a la redacción de distintas normas y directivas.
Se observa, por otro lado, que una elevada proporción de los residuos sólidos urbanos, están constituidos por envases y embalajes, estando estos regulados en cada país de la Unión Europea, por transposición de la Directiva correspondiente (U.E. 1994), y modificaciones posteriores (U,E. 2004)
De estos materiales, algunos son susceptibles de aplicarles, en principio, un tratamiento de tipo biológico en plantas de compost o de biometanización. Ciertamente, la tecnología aún no acepta cantidades elevadas de estos materiales, aunque diversas experiencias se han encaminado hacia biotecnologías sobre residuos papeleros y plásticos (Cook, 1990; Krupp and Jewell, 1992 o Swift, 1992), para comprobar su potencial biodegradación bajo condiciones controladas.
Bajo estos principios y con unas tecnologías de bajo coste, tal y como son este tipo de plantas, se trataría de encontrar la posibilidad de su aplicación a residuos envases de papel y cartón, y que posibilitasen de alguna forma una manera más de “reciclar” papel, sumando este porcentaje al de las líneas tradicionales, alcanzándose así el objetivo de reciclaje marcado por la Directiva Europea.
2. ALCANCE
Se trata de conocer la biodegradabilidad aeróbica de papeles y cartones tipo, que forman parte de los envases y embalajes. En concreto, se amplía el conocimiento a varios grupos de papeles tales como:
- papel blanco de impresión y escritura
- papel prensa
- papel reciclado blanqueado de impresión y escritura
- papel tissue
- cartoncillo
- papel kraft (marrón) en tapas de cajas.
El método aplicado está diseñado para reproducir las condiciones de formación de compost aeróbicas típicas de una fracción orgánica de un residuo sólido municipal mezclado. Se reproduce, pues, un porcentaje y una velocidad de conversión del carbono del material de análisis en CO2, de modo que los valores que se obtienen, al ser los idóneos, corresponden al máximo grado de biodegradación. Todos los ensayos se efectúan bajo el marco de la Norma UNE-EN 14046:2003 (ISO 14855 e ISO 14852). Caso que los resultados fuesen aceptables, se trataría de ensayar también el material bajo condiciones anaerobias.
3. METODOLOGIA
3.1 PRINCIPIO Y CONDICIONES DE ENSAYO
El método de análisis consiste en una simulación optimizada de un proceso de formación de compost aeróbico intensivo y determina la biodegradabilidad final del material de análisis bajo condiciones aeróbicas controladas de formación de compost (Pagga, 1998, AENOR, 2003). Durante la biodegradación aeróbica del material de análisis, el dióxido de carbono, agua, sales minerales y nuevos constituyentes celulares microbianos (biomasa) son productos de la biodegradación última. La incubación tiene lugar en la oscuridad en cámara acondicionada a temperatura constante de 58 ± 2ºC, libre de vapores inhibidores de microorganismos. Se utilizan, igualmente, reactivos de pureza analítica reconocida y como sustancia de referencia para un control analítico positivo, celulosa del tipo de cromatografía en capa fina con un tamaño de partícula inferior a 20 µm
El CO2 producido es medido a intervalos regulares durante el ensayo, junto con el blanco, e integrados para determinar el CO2 producido por el material de análisis con la cantidad máxima de CO2 que podría obtenerse del material de análisis y que se calcula a partir de la cantidad de carbono orgánico total (COT). Este porcentaje de biodegradación no incluirá la cantidad de carbono convertido en nueva células de biomasa el cual no está todavía metabolizado en CO2 durante los 45 días.
3.2. MATERIAL UTILIZADO Y PREPARACION
El material utilizado en el ensayo de biodegradabilidad consiste en 6 grupos de residuos de papeles con las siguientes características:
B. Papel de impresión y escritura: mezclas a partes iguales referidas a peso seco de papeles blancos de oficina de 80 g/m2 de gramaje (tres marcas habituales empleadas habitualmente por la administración (offset, fotocopiadora y láser)
K. Papel marrón: mezclas a partes iguales referidas a peso seco de kraft de sacos, bolsas de embalajes y caras de cajas de cartón. Papel kraft liner de envolver y bolsas para frutas de 125 g/m2 y cartones compactos sin ondular de 70 g/m2.
P. Papel prensa: mezcla a partes iguales referidas a peso seco de tres periódicos de tirada nacional y uno local (60 g/m2)
T. Papel tissue: mezclas iguales referidas a peso seco de pañuelitos, papel cocina y servilletas (coloreadas o no) de 19,5 g/m2 y manteles de papel de 37 g/m2.
C. Cartoncillo: mezclas a partes iguales referidas a peso seco de cajas de zapatos, cajetillas de cigarrillos y cartulinas, no estucados de 250 g/m2 y cartoncillo tipo mandriles de higiénicos y rollo cocina de 180 g/m2.
R. Papel reciclado de impresión y escritura de 80 g/m2 y tripas de ondulado y liner blanco para alimentación de 125 g/m2
- El material de todos los grupos se trituró a tamaños de 2x2 cm, tomándose una muestra de 50 g. secos aproximadamente, para obtener en ensayos diferentes el COT (AENOR, 2002) y Sólidos Volátiles Totales (SVT), contenido en celulosa, contenido en lignina y contenido en nitrógeno (ISO, 10984) y ThCO2 (cantidad teórica de CO2 que puede producir en la biodegradación total) del material de análisis. Los ensayos se realizaron en número de 10, obteniéndose los valores medios con un coeficiente de variación en todos los grupos inferior al 5%. (Tabla 1).
Tabla 1. Datos base del material utilizado (% peso seco)
PAPEL | H (%) (1) | SVT (p.sec) | TOC (2) | M (g) (3) | ThCO2 |
B | 3,87 | 78,18 | 44,18 | 82,02 | 132,65 |
P | 5,71 | 81,63 | 52,48 | 48,02 | 92,24 |
C | 4,23 | 83,19 | 44,20 | 73,26 | 118,52 |
R | 3,48 | 85,64 | 40,98 | 82,93 | 120,32 |
K | 4,85 | 94,23 | 76,43 | 63,08 | 176,46 |
T | 3,95 | 99,34 | 39,50 | 64,28 | 92,92 |
(1) Nótese que el calculo de la humedad no se hizo en atmósfera acondicionada, ya que no se pretendía conocer propiedades físico-mecánicas del mismo, sino tan sólo la cantidad que había que cagar en cada recipiente.
(2) TOC medido según la Norma UNE 13137, referido al % de C sobre peso seco.
(3) La cantidad de material de ensayo a introducir en cada recipiente para que como mínimo haya 20 g de TOC por gramo de peso seco, teniendo en cuenta que la mezcla de inóculo y material deberán estar en una relación 6:1
3.3. SUSTANCIA DE REFERENCIA
La sustancia de referencia es celulosa microcristalina Merck (Avicel N1 2339), no teniendo que hacer ensayos sobre ella, tan sólo el cálculo de SVtotales a través de cenizas. cuya composición elemental es:
- COT = 41,8 referido a peso seco
- H. 6,4%
- N: 0%
- O: 52%
- SVT ps = 98,36%
3.4. ANALISIS
Los ensayos de biodegradación se realizaron por triplicado utilizando tres recipientes de 3 litros de capacidad cada uno para cada grupo de material a ensayar; tres recipientes para la sustancia de referencia y tres recipientes para el control del blanco. La relación peso seco del inóculo de compost y el peso seco de material de análisis fue al principio de 6:1 (600 g. secos de compost y 100 g secos de papel), tal y como se indicó anteriormente. Cada recipiente se lleno a ¾ de su capacidad, llevando la mezcla a un 50% de humedad, siendo la relación C/N la dada en la Tabla 4.
Tabla 2. Relación C/N de la mezcla inóculo/papel ajustada
GRUPO | C/N INICIAL PAPEL | C/N (1) AJUSTADA |
B | 177 | 29,03 |
K | 5630 | 27,97 |
P | 422 | 29,18 |
T | 324 | 28,10 |
C | 173 | 28,67 |
R | 341 | 30,46 |
(1) El rango de entrada debe encontrarse entre 10 y 40, según la Norma
Los recipientes en atmósfera acondicionada se airean con alto caudal con aire exento de CO2 y a saturación, obtenido a través de frascos lavadores de hidróxido sódico. Para el resto de recipientes (el blanco y el de referencia) se procedió de igual forma.
La medición del CO2 producido se realizó mediante la absorción en una trampa de CO2 formada por una solución de 20 g/l de sodio en agua, determinándose como carbono inorgánico disuelto, según (Pagga, 1998)]. El aparato utilizado para la medición fue por el fotómetro CADAS 100 (LPG 185) de DRLANGE Cuvette Test, con rango de medición con pH entre 4 y 10 y temperatura de la solución entre 15 y 25 ºC. La frecuencia de las mediciones fue 2 veces por día (cada 6 horas) durante los 8 primeros días, durante los siguientes días 1 vez al día. El pH fue siempre superior a 7,4., de acuerdo con la Norma.
4. RESULTADOS E INTERPRETACION
Se ha calculado el % de biodegradación de cada tipo de papel a partir de los valores de carbono orgánico total acumulado para cada intervalo de medición en los recipientes, según la expresión:
% Dt = 100 x [(CO2)t – (CO2)b)] / ThCO2
Siendo,
(CO2)t cantidad de dióxido de carbono acumulado liberado en cada recipiente de análisis (gramos/recipiente)
(CO2)b cantidad media acumulada de dióxido de carbono liberado por los recipientes del blanco (inóculo) (gramos/recipientes)
ThCO2 cantidad teórica de dióxido de carbono del material de análisis colocado en cada recipiente de mezcla (gr(recipiente)
De la misma forma se ha operado con la sustancia de referencia
Recopilados todos los datos medidos y calculados en el material de análisis, sustancia de referencia y el blanco, se ha procedido a elaborar las gráficas de la cantidad de CO2 liberado por cada recipiente en función del tiempo y las gráficas de las curvas de biodegradación, cuyo valor medio se lee a partir de la fase meseta, resumiéndose los mismos en la siguiente Tabla 3:
Tabla 3. % Biodegradación a 45 días del material de ensayo según Norma UNE 14046
PAPEL | %D. Media a 45 días |
Referencia | 79,337 |
Blanco | 65,240 |
Cartoncillo | 51,699 |
kraft | 36,018 |
Prensa | 43,342 |
Reciclado | 61,022 |
Tissue | 50,084 |
Las curvas de biodegradación se exponen en la Fig.1-6.
De los valores desprendidos de las curvas de biodegradación a 45 días (Fig.1-6), se observan que ninguno de los papeles puede considerarse como biodegradable bajo estas condiciones marcadas por la Norma.
Ahora bien, en la mayoría de los casos se ha alcanzado la denominada fase meseta, pero en las curvas se observa aún cierta pendiente ascendente. Ello implica que el ensayo podría continuar bajo las mismas condiciones y seguir degradando el carbono orgánico restante. Como esta metodología no sería correcta, a partir de ese punto, ya que se estaría generando una biomasa activa de forma artificial procedente de la biodegradación del propio papel y no del inóculo, se ha procedido a hacer una análisis estadístico de ajuste de una función de manera que pudiese proyectarse de forma empírica el momento que se alcanzaría, al menos, el 70% de biodegradación.
Se ha procedido, por tanto, a probar distintos tipos de ajuste, siendo el que da un mejor coeficiente de correlación, el de tipo logarítmico:
y = a + b L x
Posteriormente se ha realizado un análisis de “bondad del ajuste” para la media con un intervalo de confianza del 95% y un nivel de significación del 5 %. Con el fin de calcular el número de días que tardarían los distintos papeles en alcanzar un valor del 70% de biodegradación, se ha procedido a establecer igualmente unos límites de predicción con un nivel de confianza del 95%. Este análisis estadístico se ha realizado mediante el programa Statgraphics. Los resultados han sido los siguientes (Tabla 6).
 |
| Fig.1 Curvas de biodegradación del papel blanco |
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| Fig.2. Curvas de biodegradación del cartoncillo |
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| Fig.3. Curva de biodegradación del papel kraft (marrón) |
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| Fig.4. Curva de biodegradación del papel de periódico |
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| Fig.5. Curvas de biodegradación del papel reciclado de escritura |
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| Fig.6. Curvas de biodegradación del papel tissue (higiénicos y sanitarios) |
Tabla 4. Resumen de la estimación
PAPEL | FUNCION DE BIODEGRADACION | r | B45 | ^B45 | Nº días para ^B=70% | SIGNIFICACIÓN % |
BLANCO | y = -17,9342 + 21,0487 L x | 0,9816 | 65,240 | 62,191 | 65 | 5 |
CARTONCILLO | y = -9,43339 + 16,2493 L x | 0,9875 | 51,699 | 52,422 | 133 | 5 |
KRAFT | y = -11,6926 + 11,8363 L x | 0,9699 | 36,018 | 33,357 | 994 | 5 |
PRENSA | y = 2,44352 + 12,6375 L x | 0,9677 | 43,342 | 45,663 | 309 | 5 |
RECICLADO | y = -13,4894 + 20,0915 L x | 0,9776 | 61,022 | 62,992 | 64 | 5 |
TISSUE | y = -6,49205 + 15,4451 L x | 0,9836 | 50,084 | 53,302 | 142 | 5 |
y = % de biodegradación
x = nº de días
B45 = % biodegradación media real a 45 días
^B45 = % biodegradación estimada a 45 días
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Según los datos que se aportan en la tabla anterior, fruto del análisis de los resultados obtenidos a través de las curvas de biodegradación de los distintos ensayos, cabe hacer unos comentarios, bajo las siguientes hipótesis:
a) Los papeles ensayados, nunca podrán alcanzar el mismo nivel de biodegradación a 45 días que la celulosa cristalina ensayada, por cuanto en el papel existen otros componentes orgánicos, (lignocelulósicos, ácidos grasos, etc) que retardarían la acción.
b) Como la norma establece que el material de referencia, en este caso la celulosa cristalina, tiene que superar a los 45 días el límite del 70% de biodegradación, podemos establecer este nivel como de referencia para los papeles, a partir del cual podría considerarse que la biodegradación es efectiva.
Bajo estas hipótesis concluimos lo siguiente:
1º. A 45 días de condiciones controladas, ninguno de los papeles supera el límite del 70% de biodegradación
2º. Los papeles que más se aproximan al límite son el Blanco y el Reciclado, y desde luego, lo alcanzan con un tiempo de retención de poco más de dos meses, si las condiciones controladas pudiesen mantenerse sin alterar.
3º. Se observa, por el contrario, que aquellos materiales presentes en envases y embalajes, serían los que más tardarían en biodegradarse.
4º. Podemos establecer cuál sería el límite máximo de biodegradación sobre cada tipología de papel en función de la medición máxima de CO2 que a 45 días podría generar. Es decir. En la función:
% Dt = 100 x [(CO2)t – (CO2)b)] / ThCO2
Hacemos que (CO2)t = ThCO2, obteniéndose el máximo de biodegradabilidad sobre la fracción de SVtotales. Con este valor y el obtenido realmente, podremos proyectar el tiempo que tardaría en degradarse a ese nivel cada papel.
Según estas conclusiones, se pasa a interpretar dichos resultados por grupos.
PAPEL BLANCO
El papel blanco ensayado, correspondiente a impresión y escritura normal ya descrito en el texto, posee unos materiales sobre los sólidos volátiles expresados en % en peso seco tales que la fracción teórica biodegradable sobre los sólidos volátiles del papel esté aproximadamente 74%. A 45 días de ensayo en condiciones aeróbicas controladas se ha obtenido el 65% de biodegradación, que supone estar tan sólo un 12% por debajo del valor teórico máximo. Desde este punto de vista, el papel blanco con un período de retención en planta de 110 días y con un pretratamiento de trituración, podría considerarse a estos efectos como biodegradable y por lo tanto, un sistema de reciclaje. No obstante, el papel ensayado no entraría a formar parte de los envases y embalajes, por lo que claramente podría evitarse además su entrada en las plantas de tratamiento especificadas.
CARTONCILLO
Este material es tremendamente heterogéneo en su composición fibrosa, ya que procede de fibras recuperadas pero con un componente de mezcla poco controlado. El contenido materias sobre los sólidos volátiles expresados en % de peso seco llegaría a un 63% lo cual supone que la fracción teórica biodegradable sobre los sólidos volátiles nunca alcanzaría el 70%. Este material es francamente difícil de biodegradar, por esta cuestión y por la densidad de las fibras, aun estando finamente triturado. A esto se le une que este material en muchos casos está sin destintar ni blanquear, por lo que el contenido de ciertas materias químicas puede inhibir el proceso de biodegradación. El cartoncillo entra a formar parte de los residuos de envases y embalajes, pero por su nula biodegradabilidad, es aconsejable que no entre en estas plantas de tratamiento.
KRAFT (MARRONES)
Este tipo de papel presente en los papel y cartón y embalajes, se caracteriza por una alta densidad y contenido en lignina elevado, ya que en la mayoría de los casos se presenta semiblanqueado o crudo. El contenido de materia sobre los sólidos volátiles expresados en % de peso seco supone que la fracción teórica biodegradable de este papel se sitúe en el 36% faltando un 45% para su máxima biodegradabilidad bajo estas condiciones. En cualquier caso y a efectos prácticos, este tipo de papel no debería ser admitido en las plantas de compostaje ni en las de biometanización, dado que alargaría muchísimo el proceso y lo haría inoperante.
PRENSA
Sorprenden los resultados obtenidos con este tipo de papel. Prácticamente todas las tiradas de periódicos se materializan sobre papeles reciclados o con un alto contenido en fibra recuperada, por lo que el comportamiento de este papel debería haber sido mejor que el esperado. No obstante, el contenido en lignina sobre sólidos volátiles expresados en % de peso seco varía entre un 10 y un 20%, según las mezclas que se verifiquen en las fábricas. Tomando un valor medio del 15%, la fracción teórica biodegradable de este papel se sitúa en el 41%. La explicación es difícil y comprometida. Lo cierto es que en la planta de compostaje, en el producto final antes del afino, se observaban trozos de papel prensa. Igual ocurrían en la planta de biometanización, a la salida de los rechazos que se mandaban a comportar. Se insiste en la idea de presencia de lignina en estos papeles, así como otros productos procedentes de las cargas orgánicas y tintas empleadas en la impresión, que pueden retardar el proceso de biodigestión. Este tipo de papel debería eliminarse por completo antes de su entrada en las plantas de compostaje y biometanización.
RECICLADO
El papel reciclado ensayado, correspondiente a impresión y escritura normal blanqueado y sin impresión alguna, ya descrito en el texto, posee un contenido en lignina sobre los sólidos volátiles expresados en % en peso seco que va del 0,8 al 5, ello implica que la fracción teórica biodegradable sobre los sólidos volátiles del papel esté aproximadamente en el 70%. A 45 días de ensayo en condiciones aeróbicas controladas se ha obtenido el 61% de biodegradación, que supone estar tan sólo entre un 9 a 10 puntos por debajo del valor teórico máximo. Desde este punto de vista, el papel reciclado con un período de retención en planta de 110 días y con un pretratamiento de trituración, podría considerarse a estos efectos como biodegradable y por lo tanto, un sistema de reciclaje.
TISSUE
El papel tissue ensayado, correspondiente a las mezclas ya descritas y blanqueados, posee un contenido en lignina sobre los sólidos volátiles expresados en % en peso seco está rondando el valor de 0,7, ello implica que la fracción teórica biodegradable sobre los sólidos volátiles del papel esté aproximadamente en el 63% A 45 días de ensayo en condiciones aeróbicas controladas se ha obtenido el 50% de biodegradación, que supone estar 13 puntos por debajo del valor teórico máximo. Desde este punto de vista, el papel reciclado no debería entrar en estas plantas de tratamiento. Sorprende este resultado tan bajo en la biodegradación. Ello es debido, bien a aditivos orgánicos presentes en el proceso de fabricación o acabado del producto y sobre todo, a que se ha observado en el material de ensayo que las partículas de papel tienden a formar bolitas en los frascos de ensayo, debido a la absorción de humedad e hinchamiento de fibras. Estas bolitas hace que la superficie de contacto con el inóculo se minimice y se retarde el proceso de biodigestión. En la planta de compostaje se observó al final de proceso, este tipo de material en forma de pegotes más o menos pastosos. En la planta de biometanización se procuraba eliminar este material.
El grupo de blanco y reciclado bastaría para su degradación con alargar el tiempo de rentención en planta.
El grupo de cartoncillo, tissue y prensa, la degradación está en función de la estructura y disposición de las fibras y variablidad de materias que están presentes. Este grupo, además de alargar su tiempo de retención, en el caso del cartoncillo, debería aparejar un tratamiento biológico con microorganismos. Tissue y Prensa, serían difíciles de biodegradar salvo que se cambie el proceso de fabricación.
El papel kraft puede considerarse como no biodegradable, bajo estas condiciones y sería excluyente en estas plantas.
En cualquier caso, además, como los resultados se han realizado en condiciones aerobias, mucho más activas cara a la degradación, quedaría descartado realizar pruebas en medio anaerobio, dado además el resultado que realmente se obtiene en la planta de biometanización.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos la colaboración de las plantas de compostaje y biometanización de Barbanza (Galicia) y Avila (Castilla-León), para la realización de estos estudios y muy especialmente a Ecoembalajes España S.A. (ECOEMBES), quién ha sido el patrocinador del proyecto de investigación referenciado.
6. REFERENCIAS
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Autores:
López Alvarez, JV; Arraiza Bermúdez P; León Chicote, B
Cátedra ECOEMBES de Medio Ambiente. Universidad Politécnica de Madrid
