Universidad Nacional de Ingeniería

Instituto del Petróleo y Gas

- IPEGA -

MODULO B:

CONTAMINACION ATMOSFÉRICA

Máximo José Sierra Peralta

E - mail: maxsierrap@gmail.com

PREGUNTAS:

¿Cuánto más deben empeorar las condiciones

para que la vida silvestre y seres humanos

estén en peligro?

¿Están el hombre y otras especies ya en

peligro?

RESPUESTA:

Predecir la probabilidad y magnitud de

problemas ambientales y de salud futuros

basados en la evidencia actual.

Utilizar indicadores de efecto para prever o

inferir cambios a niveles superiores

(poblaciones y ecosistemas).

Primera parte:

¿Qué es la contaminación ambiental?

Contaminación: Presencia en el ambiente de cualquier

agente físico, químico y biológico, en lugares, formas

y concentraciones tales que puedan ser nocivos para

la salud, seguridad o bienestar de la población

humana, perjudiciales para la vida animal o vegetal, o

impidan el uso y goce normal de los materiales,

propiedades y lugares de recreación.

Contaminación ambiental: Se refiere a cualquier

descarga de material o energía hacia el suelo, agua o

aire que pueda causar un detrimento

agudo (corto plazo), o crónico (largo plazo), al

balance ecológico del ambiente o que disminuya la

calidad de vida.

Contaminación sinérgica: Es la acción asociativa entre

sustancias o energías que generan un efecto

contaminante, a pesar de que los elementos

aisladamente puedan ser inocuos.

TIPOS DE CONTAMINANTES

QUÍMICOS: orgánicos, inorgánicos. Naturales,

antrópicos.

FÍSICOS: temperatura, isótopos radiactivos, radiación

electromagnética, ruidos, contaminación visual.

BIOLÓGICOS: microorganismos patógenos, mareas

rojas.

MEDIO AFECTADO

AIRE

AGUA

SUELO

ORGANISMOS VIVOS

CONTAMINANTES DEL AIRE

Contaminantes primarios:

Aerosoles, óxidos de azufre, monóxido de

carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos,

ozono, anhídrido carbónico, oxidantes, sustancias

radiactivas, derivados del azufre, halógenos y

derivados, arsénico, sustancias orgánicas,

partículas de metales, minerales.

Contaminantes secundarios:

Contaminación fotoquímica, acidificación,

disminución de la capa de ozono, contaminación

electromagnética, calor, ruido.

Atmósfera

Es la mezcla de gases y partículas suspendidas que envuelve la Tierra y que permanece en torno a ella gracias a la atracción gravitacional del planeta.

Los principales componentes de la atmósfera son:

a) el nitrógeno molecular (78%),

b) oxígeno molecular (21%), y

c) otros gases (1%).

El vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2), y otros elementos gaseosos de menor concentración ocupan el 1% restante.

Se subdivide en troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera.

Es la capa de aire y gases que rodea la tierra, desde 0 hasta 120 Km. sobre el nivel del mar.

Composición del Aire

Estructura de la Atmósfera

Producción de energía vs.

Contaminación atmosférica

Los distritos de Lima Este presentan la mayor

concentración de partículas contaminantes del aire en la

capital, según mediciones realizadas por el Servicio Nacional

de Meteorología e Hidrología del Perú, informó el presidente

de esta institución, Willar Gamarra.

De acuerdo con los reportes de las estaciones de monitoreo

de la calidad del aire, el funcionario explicó que los niveles de

contaminación en distritos como Ate superan en cuatro

veces el límite permitido para la salud humana.

En declaraciones a la agencia Andina, el presidente de

Senamhi recordó que en abril pasado se registró hasta 244

ug/m3 de PM10 diario y que en fiestas de Año Nuevo estas

partículas alcanzaron los 724 ug/m3, superando en 483 por

ciento el ECA de 150 ug/m3.

“La salud de la población de Ate se ve afectada por esta

partícula que ingresa al cuerpo humano por las vías

respiratorias, pero también pueda afectar la piel, los ojos,

provocar problemas cardiovasculares y cáncer al pulmón”,

sostuvo, tras recalcar que la contaminación por PM10 es

generada por los vehículos y la quema de residuos.

Gamarra detalló que dichos contaminantes, concentrados

principalmente en San Juan de Lurigancho, Comas y Villa

María del Triunfo, pueden generar enfermedades

respiratorias como el asma bronquial

respiratorias agudas (IRA).

y las infecciones

Origen de la Contaminación atmosférica

La contaminación atmosférica es generada por varias

causas, siendo las más importantes:

la lluvia ácida,

el calentamiento global,

y los fragmentos de polvos atmosféricos; producidos a su vez por

la utilización a gran escala de los combustibles fósiles, que son los

mayores contaminantes del aire.

Los efectos que estos agentes provocan tienen lugar en

dos medios: medio abiótico y medio biótico.

Suposiciones básicas en el

Control de la Contaminación del Aire

El control racional de la contaminación del aire tiene su

primer antecedente en 4 suposiciones básicas

desarrolladas por la Asociación Americana para el Avance

de la Ciencia (American Association for the Advancement

of Science. Air Conservation. Washington, D.C., 1965.):

1. La Contaminación Atmosférica es parte integral de toda

sociedad industrial

2. El aire es de dominio público, no hay fronteras que

actúen como barreras.

3. La contaminación es un componente inevitable de la vida

moderna

4. Al reducir la contaminación del aire no se debe generar

contaminación en otros sectores del medio ambiente

Efectos adversos en el Aire

Efectos Globales: gases causantes de deterioro de la

atmósfera terrestre.

1. Calentamiento Global (Efecto Invernadero)

2. Agotamiento de la capa de Ozono

3. Lluvia Ácida

Efectos Locales: contaminación en ciudades debido a

industrialización, vehículos, entre otros.

En la atmósfera del planeta

Tierra existen los llamados

"gases de invernadero", los

cuales mantienen la

temperatura promedio de la

superficie de la tierra en

alrededor de 15 °C .

De otra forma, ésta alcanzaría -

18 °C . El efecto invernadero

es, en realidad, la retención

de la radiación emitida por el

sol.

Gases causantes:

Dióxido de carbono (CO2)

CFC’s (compuestos químicos)

Metano (CH4)

Efectos del calentamiento global

Como resultado del calentamiento global, se presume

que en el futuro cercano habrá mayor frecuencia de

sequías, tormentas e inundaciones.

Se ha calculado que por cada 1 cC de aumento térmico,

el vapor de agua contenido en la atmósfera se

incrementa cerca 6%, que traduce en

sequías prolongadas y, por otro lado, lluvias más

intensas, que ya comenzaron su aparición a finales del

siglo XX.

Efectos del calentamiento global

Como resultado de esta causa las zonas marítima,

costera, insular y fluvial podría sufrir cambios en el

medio físico, biótico y socio económico que no han sido

cuantificados en detalle.

Toda vez que aproximadamente el 50% de la población

total vive en estas regiones, mayor investigación en

esta área será necesaria.

Aumento global de temperatura atmosférica

• Según estudios, el último decenio ha sido el más cálido

del siglo. La temperatura atmosférica ascendió en 0,4 °C

durante los 25 años anteriores.

• Así pues, se ha disparado un proceso de "calentamiento global" del cual el ser humano también responsable.

FUENTES DE CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA

• NATURALES

Volcanes

Polen

Spray del océano

• ANTROPOGENICAS

Industriales

Comerciales

Agricultura

Transporte

Transporte de calor

La conducción es el proceso por el cual se transmite el

calor a través de la materia sin que esta en sí se transfiera.

El calor es conducido de un objeto más caliente a uno más

frío.

La transferencia de calor a través de la convección se

produce cuando la materia está en movimiento. El aire que

se calienta a través de la superficie terrestre calentada se

elevará porque es más liviano que el del ambiente. El aire

calentado se eleva y transfiere el calor verticalmente.

Los meteorólogos también emplean el término advección

para denotar la transferencia de calor que se produce

principalmente por el movimiento horizontal antes que por el

movimiento vertical del aire (convección).

FUENTES MOVILES

Motores de combustión interna

En 1977 en los Estados Unidos, los vehículos de

transporte eran los causantes del 75% de las

emisiones de CO, del 35% de HC y del 29% de NOx

TIPOS DE CONTROL:

Control del cárter

Control del escape

Control de las evaporaciones

TIPOS COMUNES DE MOTORES DE COMBUSTION

INTERNA

• Motor de cuatro tiempos de gasolina encendido

por bujía para automóviles de pasajeros y camiones

ligeros.

• Motor de cuatro tiempos o dos tiempos de encendido

por compresión, comúnmente referido a motor diesel. .

Este motor es usado para camiones, autobuses,

locomotoras y barcos.

• Motor de turbina de gas para aviones.

MOTORES DE GASOLINA

La gasolina es una mezcla de hidrocarburos que,

en general, pertenece a algunas de las siguientes

clasificaciones:

Parafinas

Olefinas

Naftalenos

Compuestos aromáticos

La combustión de la gasolina produce diferentes

hidrocarburos. Se han llegado a identificar más de

200 de éstos en los gases de escape.

MOTORES DE GASOLINA

Los hidrocarburos poseen diferentes potenciales

para la formación de smog fotoquímico (ozono). A

este potencial se le llama reactividad. El metano

tiene una reactividad de cero.

La calidad de una gasolina se mide comúnmente

por su número de octano.

Se agregan aditivos para aumentar el octanaje:

– Tetraetilo de plomo.

– Dibromoetileno.

– Cicloroetileno.

– Éter metíl-terbutílico.

MOTORES DIESEL

En el ciclo diesel básico, el aire se comprime

hasta una alta presión y temperatura. Antes

de llegar al punto muerto superior, se inyecta

el combustible al cilindro y el encendido

ocurre cuando la mezcla de vapores alcanza

la temperatura de autoencendido.

COMBUSTIBLES ALTERNOS

• Gas licuado/butano

• Gas Natural

• Metanol

GAS BUTANO / GAS LICUADO DE

PETROLEO

El gas butano y el gas licuado son combustibles

alternativos atractivos en algunas partes del

mundo debido a su abundancia y bajo costo. Los

resultados de emisiones de un motor diesel

convertido para usar butano indican una

reducción del 30% en emisiones de NOx

mientras que las de CO y HC se incrementan.

Las emisiones de humo se redujeron en una

cantidad estimada de entre 25 y 50%.

GAS NATURAL

El usar natural como combustible alterno es

una tecnología que demuestra reducir las

emisiones de motores diesel.

Uno de los beneficios más grandes de convertir

motores diesel a gas natural es la reducción de

emisiones de NOx sin causar incremento

simultáneo en emisiones de partículas.

METANOL

Resultados experimentales muestran que

cuando se emplea metanol o etanol como

combustible, en motores modificados para su

uso, la eficiencia energética se aumenta de un

6 a 10% y las emisiones sin un catalizador, se

reducen de la siguiente forma: CO, 60%,

HC,78%, NOx 55% de los producidos por un

motor de gasolina. Es importante hacer notar

que el consumo de alcohol es mayor debido al

valor calórico más bajo.

CONTROL DE FUENTES MOVILES

Las emisiones de las fuentes móviles se deben,

principalmente, a tres causas:

•Emisiones de escape

•Emisiones de cárter

•Emisiones evaporativas

CONTAMINACIÓN POR PARTÍCULAS

Términos para partículas:

• Partículas

• Polvo

• Niebla

• Aerosol

• Neblina

• Humo

• Cenizas

• Vapores

Zonas de deposición de partículas

Región de la cabeza: Dp > 10 μm

Vías respiratorias: 5 μm < Dp < 10 μm

Región pulmonar: Dp < 5 μm

Distribución de Partículas por Diámetro y Cantidad

Distribución de Partículas de 0.3 - 0.5 m

Distribución de Partículas de 0.5 - 1.0 m

Distribución de Partículas de 1.0 - 2.5 m

PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS

• Tienen un riesgo potencial mayor para la salud.

• Aumentan las reacciones químicas en la

atmósfera.

• Reducen la visibilidad.

• Aumentan la posibilidad de precipitación, niebla y

nubes.

• Reducen la radiación solar afectando el

crecimiento biológico de las plantas.

• Ensucian los materiales.

EFECTOS ADVERSOS

•Olores

•Salud humana

•Daño material

•Daño ecológico

•Cambios meteorológicos

Deposición

•CO2 y O3 estratosférico

EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN

DEL AIRE EN LA SALUD HUMANA

HC: Trastornos en el sistema respiratorio, algunos

producen cáncer

CO: Afecta al sistema nervioso central y provoca

cambios funcionales cardiacos, pulmonares, dolor

de cabeza, fatiga, somnolencia, fallos respiratorios

y hasta la muerte.

NOx: Irrita los pulmones, agrava las enfermedades

respiratorias y cardiovasculares.

Pb: Se acumula en los órganos del cuerpo, causa

anemia, lesiones en los riñones y

EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN

DEL AIRE EN LA SALUD HUMANA

PST: Irritación en las vías respiratorias, agrava el

asma y enfermedades cardiovasculares. Su

acumulación en los pulmones origina silicosis y

asbestosis.

SOx: Irritación en los ojos y el tracto respiratorio y

reduce las funciones pulmonares y agrava el asma,

la bronquitis crónica y el enfisema.

Ozono: Irritación en los ojos y el tracto respiratorio,

agrava las enfermedades respiratorias y

cardiovasculares.

FORMACIÓN DEL OZONO

ESTRATOSFERA:

O2 + hv (λ<242 nm) -------> 2O.

O. + O2 -------> O3c

O3 + hv (242<λ<320 nm) -------> O2 + O.

TROPOSFERICO (Antropogénico):

NO2 + hv (λ<430 nm) ------>NO + O.

O. + O2 ------> O3

NO + O3 -------> NO2 + O2

CFC’s

El Cl y sus óxidos destruyen al O3:

O + ClO ------> Cl + O2

Cl + O3 --------> ClO + O2

Otros compuestos clorados son:

CH3Cl

CFCl3

CF2Cl2

CCl4

CCl2=CHCl

9597600

N

O E

9597400 S

Niveles de

concentración

de

contaminante

de CO para

una fabrica de

harina de

pescado.

9597200

9597000

F3

F2

9596800 F1

9596600

9596400

543200 543400 543600 543800 544000 544200 544400

0 1 2 3 4 5 6 7 ug/m3

MODELO DE DISPERSIÓN

Consiste en expresar de forma matemática

la concentración de los contaminantes emitidos

desde una fuente.

Los modelos más utilizados en la dispersión de

contaminantes en el aire, se basan en la

distribución de Gauss.

Según la dispersión Gaussiana, existirá una

región de mayor concentración y dos zonas

simétricas en las que ésta irá disminuyendo

paulatinamente hasta alcanzar un valor mínimo.

Representación esquemática del

levantamiento de una pluma

Un modelo de dispersión, estima la distribución

espacial y temporal de contaminantes atmosféricos

mediante representaciones matemáticas en donde se

incluyen los diferentes factores que influyen en este

proceso.

De esta manera un modelo de dispersión permite

evaluar la Calidad del Aire en una zona dada.

Los modelos de dispersión pueden ser de tipo

preliminar como el SCREEN de la USEPA, o de tipo

detallados como el ISC (Industrial Source Complex) y

el AERMOD.

DATA

METEOROLOGICA

DATA

TOPOGRÁFICA

EVALUACIÓN

DE LA

CALIDAD DEL

AIRE

FUENTES

EMISORAS

EVALUACIÓN

DE LA

CALIDAD

DEL AIRE

REQUERIMIENTOS BÁSICOS PARA

REALIZAR UN MODELO DE DISPERSIÓN

a. Características de las fuentes emisoras:

Tipos de contaminantes emitidos

Tasa de emisión

Dimensiones (i.e. altura y diámetro de chimenea)

Régimen de operación

b. Información Meteorológica de la Zona:

Magnitud y dirección de los vientos

Temperatura

Estabilidad atmosférica

c. Topografía de la Zona

Es un factor importante en la elección del modelo

de dispersión adecuado: ISC, AERMOD, etc.

Velocidad y dirección del viento

La velocidad del viento determina la cantidad de dilución inicial que experimenta

una pluma. Por lo tanto, la concentración de contaminantes en una pluma está

directamente relacionada con la velocidad del viento.

Esta también influye en la altura de la elevación de la pluma después de ser

emitida. A medida que la velocidad del viento aumenta, la elevación de la

pluma disminuye al ser deformada por el viento. Esto hace que disminuya la

altura de la pluma, que se mantiene más cerca del suelo y puede causar un

impacto a distancias más cortas a sotavento.

La velocidad del viento se usa junto con otras variables para derivar las categorías

de la estabilidad atmosférica usadas en las aplicaciones de los modelos de la

calidad del aire.

Para propósitos meteorológicos, la dirección del viento se define como la

dirección desde la cual sopla el viento, y se mide en grados en la dirección

de las agujas del reloj a partir del norte verdadero. La dirección del viento

determina la dirección del transporte de una pluma emitida.

Variación del viento con la altura

Rosa de viento

Gradiente ambiental / atmosférico

El perfil de la temperatura del aire ambiental muestra el gradiente vertical atmosférico.

Resulta de complejas interacciones producidas por factores meteorológicos; por lo general consiste en disminución en la temperatura con la altura.

Es importante para la circulación vertical, ya que la temperatura del aire circundante determina el grado en que una porción de aire se eleva o desciende.

El fenómeno producido cuando la temperatura aumenta con la altitud se conoce como inversión de la temperatura (inversión térmica).

Esta situación es clave en la contaminación del aire porque limita la circulación vertical de este.

Gradiente

ambiental /

atmosférico

Estabilidad Atmosférica

• La dispersión de contaminantes en la atmosfera

depende de las condiciones meteorológicas.

• Estabilidad atmosférica: Bajo este criterio, las

condiciones atmosféricas pueden

ser catalogadas de la siguiente forma:

–Neutral

–Estable

–Inestable

Cálculo de los niveles de

concentración de contaminantes

Coeficientes de dispersión (δy) y (δz):

Curvas de Pasquill - Guifford

En los modelos gaussianos, la dispersión de la pluma lejos de la línea central está representada por los coeficientes de dispersión, δy (horizontal) y δz (vertical).

La dispersión de la pluma depende de la clasificación de estabilidad asignada al escenario bajo estudio. La figura muestra los valores que los modelos gaussianos emplean para la dispersión horizontal y vertical según la clasificación de la estabilidad y la distancia a sotavento de la chimenea.

Como es de suponer, los coeficientes de dispersión horizontal aumentan a medida que las condiciones atmosféricas se hacen menos estables, es decir de F a A.

Al comparar los 2 gráficos, se observa que la clasificación de la estabilidad afecta la dispersión vertical más radicalmente que la horizontal. Los gráficos de los coeficientes de dispersión se pueden usar para obtener δy y δz empleados como datos de entrada para la ecuación de distribución gausiana.

δy

δz

Clases de Inestabilidad Atmosférica

según clasificación de Pasquill

En condiciones de cielo cubierto durante el día o la noche se debe

suponer la categoría neutral D.

Para las condiciones A-B, B-C o C-D, promedio de

valores obtenidos para cada uno.

A = extremadamente inestable. D = Neutra.

B = inestabilidad moderada. E = ligeramente estable.

C = ligeramente inestable. F = moderadamente estable.

Valores de constantes de curva de ajuste para calcular los coeficientes de dispersión

como función de la distancia de vientos débiles y estabilidad atmosférica

* b = 0.894 para todas las clases de estabilidad y valores de x.

Elevación de la pluma

La mezcla del aire ambiental en la pluma se denomina

arrastre. Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un

momentum. Muchas ocasiones se calientan y se hacen

más cálidos que el aire externo.

En estos casos, los gases emitidos son menos densos que

el aire exterior y, por tanto, flotantes. La combinación del

momentum y la flotabilidad de los gases hace que estos se

eleven.

Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma,

permite que los contaminantes emitidos al aire en esta

corriente de gas se eleven a una altura mayor en la

atmósfera.

Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejada

del suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión.

Elevación de la pluma

La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva

de chimenea (H), es la suma de la altura física de la

chimenea (h s) y la elevación de la pluma ( ∆h).

La elevación de la pluma depende de las características

físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).

La diferencia de temperatura

entre el gas de la chimenea (Ts)

y el aire ambiental

(Ta) determina la densidad de la

pluma, que influye en su

elevación. La velocidad de los

gases de la chimenea determina

el momentum de la pluma.

Dos ejemplos de flujo descendente

EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA

MEDICIÓN Y MONITOREO DE LA

CALIDAD DEL AIRE

CLIMET MODEL CI – 500

El equipo CLIMET es un contador

automático de partículas, y el

modelo utilizado es el CI 500

Innovación. Este equipo es de fácil

instalación y mide la cantidad de

partículas presentes en el aire a su

alrededor captados por una sonda.

Los rangos que mide son de 0.3

- 0.5 - 1.0 - 2.5 - 5.0 -

10.0 - mayor a 10 micrómetros.

DATA RAM 4

MODEL DR - 4000

PARTISOL LUS

MODEL 2025

ANEMOMETRO DE ESTACION

METEOROLÓGICA Wh/ws 1081