MODELAMIENTO DE LA CONTAMINACION DEL AGUA Y LA

ATMOSFERA

Dr. Luis Moncada Albitres

Universidad Nacional de Trujillo

lmoncada@unitru.edu.pe

Qué es Contaminación?

La introducción al medio ambiente de elementos nocivos a la vida, la flora o la fauna, que degraden o disminuyan la calidad de la atmósfera, del agua, del suelo o de los bienes y recursos naturales en general.

Qué es un Contaminante?

Toda materia, elemento, compuesto, sustancias, derivados químicos o biológicos, energía, radiación, vibración, ruido o una combinación de ellos en cualquiera de sus estados físicos, que al incorporarse o actuar en la atmósfera, agua, suelo, flora, fauna o cualquier otro elemento del medio ambiente, altere o modifique su composición natural y degrade su calidad, poniendo en riesgo la salud de las personas y la preservación y conservación del medio ambiente y la vida silvestre.

Contaminación: Clasificación

Por el proceso que la causa Por el tipo de contaminante Por el origen de los contaminantes Por la naturaleza química del Contaminante Por sus efectos Por el medio afectado

Contaminación Biológica

Contaminación Física

Contaminación Química:De Origen Natural

• Actividad volcánica• Cuando el contaminante es parte natural de

aguas, suelos y alimentos• Incendios forestales• Emisiones desde masas de agua

(volatilización)• Emisiones desde los suelos (lavado,

lixiviación, polvos, evaporación, etc.)

Contaminación Química

De origen antropogénico• Si la sustancia existe en la naturaleza y el

origen de su acumulación son las actividades del hombre

• Por la entrada al ambiente de sustancias sintéticas

Fuentes de Contaminación Antropogénica

Domésticas

Agropecuarias

Industriales

Vehículos

Accidentes Industriales

Residuos Tóxicos

Recurso Aire: Contaminación Atmosférica

¿Qué es Contaminación Atmosférica ?Presencia en la atmósfera de ciertas sustancias que

alcanzan cantidades altas sobre el nivel normal.

Efectos adversos en seres humanos, animales, plantas.

También influyen en el deterioro de la infraestructura y el cambio del clima.

¿Cómo se da el fenómeno de la Contaminación atmosférica ?

Refinería/plantas químicas

Automóviles

Fábricas

Ozono

COV,

NOx

COV,

NOx

COV,

NOx

Partículas Finas

NOx SOx,

NOx,

Partículas

Camiones, autobuses,locomotoras

SOx,

NOx,

PartículasSOx, NOx, CO

Partículas

SOx, NOx,

Partículas

SOx, NOx, Partículas

Smog

COV = Compuestos Orgánicos Volátiles

NOx= Óxidos de Nitrógeno

SOX =Óxidos de Azufre

¿Cuáles son los contaminantes del AIRE?

• COMPUESTOS DE AZUFRE

• COMPUESTOS DE NITRÓGENO

SO2 , SO3, H2S

NO2, NH3

• COMPUESTOS DE CARBONO

• PARTÍCULAS

• ÓXIDOS DE CARBONO

• OTROS

C1-Cn

CO, CO2

HUMOS, POLVO, HOLLÍN

¿Cómo contaminan el AIRE los vehículos?

C + O2 CO2

C + 1/2O2 CO

N + O2 NOX

S + O2 SOX

Compuestos orgánicos volátiles

(COV’s)

11 por ciento

Compuestos orgánicos volátiles

(COV’s)

21 por ciento

64 por ciento4 por ciento

Partículas

Cómo contaminan el AIRE las Industrias?

FUENTES ESTACIONARIAS DE COMBUSTIÓN INTERNA:

Compresores

Turbinas

Generadores de electricidad

Bombas de inyección o impulsión

FUENTES ESTACIONARIAS DE COMBUSTIÓN EXTERNA:

Calderas y hornos

Incineradores

PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN

Partículas PM10, PM2,5 y > 2

dióxido de azufre (SO2)

Dióxido de nitrógeno (NO2)

Monóxido de carbono (CO)

Emisiones de COV’s

ProblemaCuál es el nivel de mi exposición para estas emisiones? ¿Está mi familia segura? Dónde es seguro? Cómo es el impacto adverso sobre el ambiente (las plantas, los animales, los edificios)? Cómo predecir el impacto de emisiones resultando del crecimiento demográfico?

La solución a los actuales problemas medio ambientales constituye un paso fundamental para el desarrollo de la vida con sentido de sostenibilidad. La satisfacción de tal aspiración es condicionada en buena medida por la preservación de una atmósfera limpia dada la incidencia de este medio en la dinámica de la biosfera, resultando premisa indispensable el conocimiento de los mecanismos de incorporación de contaminantes al aire, sus tiempos de vida atmosférica, reacciones de combinación y vías de remoción entre otros aspectos, considerando que los enfoques del problema varían en dependencia del contexto espacial y temporal involucrado.

Control de la Contaminación del Aire

Modelamiento de la Calidad del Aire

Los Modelos de Calidad del Aire son formulaciones matemáticas que incluyen parámetros que afectan las concentraciones de los contaminantes. Estos son usados para

Evaluar conformidad con NAAQS (National Ambient Air Quality Standards ) y otros requisitos reguladores

Determinar la extensión de reducción de emisiones requerida

Evaluar fuentes en aplicaciones permitidas

Tipos de Modelos AQ

Modelo deDispersión

de la fuente

Modelo delReceptor

Modelo deEmisión

ModeloMeteorológico

ModeloQuímico

Tasa temporal y espacial de emisiónTopografía

Transformación químicaTransporte del contaminante

Equilibrio entre Partículas y gasesMezclado Vertical

Modelo de Emisiones Estimado temporal y espacial de tasa de

emisión basado en nivel de actividad, tasa de emisión por unidad de actividad y meteorología

Modelo Meteorológico Describe transporte, dispersión, mezclado

vertical y humedad en el tiempo y espacio

Modelo Químico Describe transformación de partículas

directamente emitidas y gases a partículas secundarias y gases; también estima el equilibrio entre gas y partículas para especies volátiles

Modelo de Dispersión de Fuente Usa las salidas de los modelos previos para

estimar las concentraciones medidas en receptores; incluye simulaciones matemáticas de transporte, dispersión, mezclado vertical, deposición y modelos químicos para representar la transformación.

Modelo de Receptor Infiere contribuciones de diferentes fuentes

primarias de emisiones o precursores de mediciones multivariables tomadas en uno o más sitios del receptor

Cuando son requeridas las aplicaciones del modelo para propósitos reguladores?

Aplicaciones de los Modelos

PSD: Prevention of Significant Deterioration of Air Quality in relatively clean areas (e.g. National Parks)

SIP: State Implementation Plan revisions for existing sources and to New Source Reviews (NSR)

Modelamiento de la Dispersión Atmosférica es la simulación matemática de como los contaminantes del aire se dispersan en la atmósfera.

Simulación es el acto de representar algunos aspectos del mundo real por números o símbolos que pueden ser manipulados para facilitar su estudio

Teoría sobre modelo de dispersión de la Fuente

Teoría sobre modelación de la dispersión de contaminantes atmosféricos

Las estimaciones de la calidad del aire, a escala local o regional, resultan necesarias para la implementación de normas regulatorias para el control de la contaminación atmosférica producidas por fuentes industriales. Estas estimaciones pueden efectuarse mediante el uso de diferentes tipos de modelos.Para el cálculo de la dispersión de los contaminantes en la atmósfera existen tres sistemas teóricos fundamentales, a los cuales se han brindado múltiples soluciones numéricas para facilitar su aplicación práctica en estudios del impacto ambiental provocado por emisiones desde fuentes estacionarias. Estos sistemas son identificados en sus formas generales como:

Modelo de la Similitud, (Monin, 1959),Modelo de Dispersión Gaussiano (Taylor, 1921), Modelo de Transporte–Gradiente o Modelo K, cada uno de los cuales presentan características que definen el principio de su campo de aplicación.Los modelos de simulación de la calidad del aire han sido categorizados de forma diferente por distintos autores, y dentro de cada uno de ellos podemos encontrar modelos que parten de hipótesis diversas con respecto al sistema de referencia a utilizar, de aquí que algunos se referían a sistemas de referencia Eulerianos, Lagrangianos, e incluso mezclados ambos tipos.(Szepesi, 1989) los diferenció con fines prácticos en ocho clases de categorías: (a) determinativos simples; (b) estadísticos; (c) de penacho; (d) de caja y multicaja; (e) de diferencias finitas y redes; (f) de partículas, (g) físicos, y (h) regionales.

Características de la Dispersión de Gases

Gases neutros y pesados:

Las características de la sustancia liberada a la atmósfera (densidad, temperatura, presencia de gotas, etc.) determinan el comportamiento de la nube formada. Los gases que tienen características de sustentación similares a las del aire son denominados "neutros" y para predecir su dispersión se utiliza un modelo gaussiano. En este modelo, el viento y la turbulencia atmosférica son las fuerzas que mueven las moléculas del gas a través del aire

Así, la nube es arrastrada en la dirección del viento formando una pluma como la esquematizada en la Figura. A causa del mezclado turbulento se difunde en la dirección transversal generando una curva con forma de campana para la concentración. Dispersión de gas

neutro

Cuando se derrama un gas "denso", es decir un gas cuya densidad es mayor que la del aire o se encuentra a muy baja temperatura, el comportamiento inicial difiere sustancialmente del de un gas neutro. En un primer momento el gas se desploma debido a que es más pesado que el aire que lo rodea. La nube se desplaza en la dirección del viento extendiéndose debido a la gravedad. Más adelante en la dirección del viento la nube se diluye, su densidad se aproxima a la del aire y se comporta como gas neutro

Dispersión de gas denso

Pérdidas Continuas y Discontinuas

Si el orificio por donde se produce la pérdida es relativamente pequeño o la masa contenida en el recipiente es muy grande, el tiempo de duración del derrame será grande. En estas condiciones los gases se dispersarán en la atmósfera formando una pluma que alcanzará su máxima extensión y se mantendrá durante todo el tiempo que dure el derrame. Este escenario se conoce como pérdida continua.

Pérdida continúa

Cuando la rotura es muy grande o catastrófica o la masa contenida en el recipiente es pequeña, la liberación de prácticamente toda la masa se realiza en forma muy rápida, formándose una nube denominada "puff" que no se haya unida a la fuente del derrame y se aleja en la dirección del viento modificando su tamaño y posición a medida que el tiempo transcurre como se grafica en la Figura. Este escenario es considerado como una pérdida instantánea.

Pérdida instantánea

Modelos Gaussianos de DispersiónMás ampliamente usados

Basado en las asunciones: Dispersión del penacho resulta principalmente por

difusión molecular Concentraciones horizontal y vertical de contaminantes

en el penacho están normalmente distribuidos (distribución Gaussiana doble)

La formación y dispersión del

penacho varía en respuesta

a las condiciones

meteorológicas

H

X

Y

Z

u

Q

Ejemplo1:

Calcular la concentración de cloro de un escape de 0,3 kg/s situado a 1 m sobre el suelo, que afectaría a un punto localizado a 120 m en la dirección del viento, a 10 m en dirección transversal del mismo y 2 m de altura. Las condiciones meteorológicas corresponden a estabilidad D, velocidad del viento 5 m/s (a 10 m de altura). Datos: Rugosidad del suelo equivalente a urbana y estabilidad meteorológica D, Temperatura ambiente  Ta = 20 ºC (293 K) Presión atmosférica       P = 1 atm absoluta Peso molecular CI2      M0 = 71 Constante de los gases, R = 0,082 (m3 ∙ atm)/(kmol∙K)  

Uso del Simulador UNTSIMAltura de fuente emisora (m): 1 Velocidad del viento (m/seg): 5 Altura de medida de velocidad del viento (m): 10 Masa emitida kg/seg: 0.3 Ingrese Número correspondiente a categoría de Estabilidad1=A, 2=B, 3=C, 4=D, 5=E, 6=F: 4 Punto x,y,z para determinar la concentración Distancia longitudinal x (m): 120 Distancia transversal y (m): 10 Altura desde el suelo z (m): 2 Ubicación Urbano(1) Rural(2): 1 -------------------------------------------- La concentración del contaminante en el punto dado es: 0.00029256 Kg/m3 -------------------------------------------- Desea calcular concentración en ppm Si(1) No(0): 1 Temperatura del ambiente (K): 293 Presión (atm): 1 Peso molecular del Gas: 71 ---------------------------------------------- La concentración es: 99.0007 ppm

Modelos Recomendados por USEPA

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica (EPA) muestra preferencia y recomienda el uso de los siguientes Modelos de Dispersión para Calidad del Aire:AERMODISC3 (Industrial Source Complex Model)CALPUFFBLP (Bouyant Line and Point Source Model)CALINE3CTDMPLUS (Complex Terrain Dispersion Model Plus Algorithms for Unstable Situations)OCD (Offshore and Coastal Dispersion Model)

Si bien es cierto que todos tienen la aprobación y recomendación de la EPA para modelar la dispersión de emisiones, cada uno de los modelos mencionados tiene un uso preferente ante situaciones específicas debido a sus características.

AERMOD: Fundamento

Diagrama esquemático de dispersión de la pluma después de soltar los contaminantes de una columna de humo. Los contaminantes son llevados a favor del viento y simultáneamente se desparraman en las dimensiones horizontal y vertical.

AERMOD: Método de Cálculo

La Figura muestra el flujo y el procesamiento de información en AERMOD. El modelamiento del sistema consta de un programa principal (AERMOD) y dos preprocesadores (AERMET y AERMAP). El propósito principal de AERMET es calcular parámetros del estrato de demarcación para ser usados por AERMOD. La INTERFAZ meteorológica, interno para AERMOD, usa estos parámetros para generar perfiles de las variables meteorológicas necesarias. Además, AERMET pasa todas las observaciones meteorológicas a AERMOD.

AERMOD: Resultados

ISC3 (Industrial Source Complex Model )

ISC3 (Industrial Source Complex Model) un modelo de la pluma Gaussiana al estado estacionario que puede usarse para evaluar concentraciones de contaminantes de una amplia variedad de fuentes asociada con un complejo industrial. Este modelo puede dar explicación sobre lo siguiente: El asentamiento y deshidratación de partículas; lavado, punto, área, línea, y las fuentes de volumen; levantamiento de la pluma como una función de la distancia a favor del viento; separación de puntos fuentes; y el ajuste limitado de área. El ISC3 funciona en términos de modos de largo y corto plazo.

CALPUFF

El CALPUFF es un modelo de dispersión lagrangiano que trabaja con estados estables y no estables simulando los efectos del las variaciones del viento con respecto al tiempo. Este modelo considera varios tipos de fuente y su estimación puede comprender hasta cientos de kilómetros, sin embargo por su relativa corta etapa de experimentación la EPA sigue alentando a los que desarrollaron éste modelo (Earth Tech) y a los investigadores en general para que se hagan más estudios de contraste entre el resultado de la simulación y la realidad para distancias mayores de 200 km y con condiciones de viento complejas. Por sus características, éste modelo es una alternativa a utilizar para la modelación de concentración de PM10 en el EIA realizado.

La contaminación del agua ha sido un problema crucial en muchos países y ha traído la atención de investigadores de todo el mundo.En un río con poca corriente, desde el principio de entrada de material, la mezcla y reacción, hasta el fin de salida de material, el sistema considerado debería ser dinámico y estocástico.La SDE (stochastic differential equation) es una teoría que estudia los procesos estocásticos. Esta puede describir las relaciones físicas de diferentes factores, y puede predecir los efectos de futuras cargas y políticas de control sobre el medio ambiente. Tiene la ventaja de control de contaminación de aguas. Esto podría entonces permitir formular un modelo general de autopurificación en ríos con poca corriente.La mayoría de modelos de contaminación del agua tienen una estructura de sistema de entrada/salida. Sin embargo, estos modelos no asumen conocimiento explicito de la reacción bioquímica, tal como de la reacción de concentración. Un modelo internamente descriptivo saca provecho de la información disponible sobre los fenómenos que determinan el comportamiento del sistema, por ejemplo los mecanismos físicos y bioquímicos que controlan las descripciones internas. Aprovechar la información de reacciones bioquímicas es una tarea esencial en modelamiento.

Recurso Agua: Contaminación del Agua

Fundamentos de los Modelos de WQUn buen modelo de contaminación del agua en un río deberá tener las siguientes propiedades.

(1) Deberá ser un modelo dinámico y estocástico. Desde la entrada de material, mezcla y reacción, hasta la salida de material, el sistema es dinámico y estocastico en los componentes internos.

(2) Deberá caracterizar adecuadamente la importancia de los aspectos estocástico, dinámica y estado estacionario del comportamiento del sistema, tal como una estructura adecuada del modelo para representar los procesos en el sistema.

(3) Si es posible, deberá proporcionar una aproximación matemática razonable de los cambios físicos y bioquímicos ocurriendo en el sistema del rio.

La investigación en el modelado de la interacción BOD-DO en un río con poca corriente ha sido dominada por el modelo clásico de Streeter y Phelps (1925), el cual primero apareció en1925, y ha sido perfeccionado en formas diversas por otros investigadores como Dobbins y Camp, Peter Young and Bruce Beck, C.J.Harris, etc.

Tipos de Modelos

Según el criterio de cantidad de fluido mezclado los modelos físicos y bioquímicos se son:

(1) No mezclado (Cero Difusión)

(2) Mezclado parcial (difusión tipo turbulenta)

(3) Mezclado completo, con tiempo de retraso de transporte simple Td entre puntos espaciales x0, x1. (Peter Young Y Bruce Beck (1974)).

En terminología de Ingeniería Química, el modelo tipo (3) corresponde a un Reactor tipo Tanque Continuamente Agitado (CSTR, Himmelblau and Bischoff, (1968))

(4) Tipo SDEs;

HSPF: Hydrologic Simulation Program Fortran

El Modelo (Hydrologic Simulation Program Fortran) es un programa de la Agencia De Protección Ambiental U.S. para la simulación de la calidad de agua para contaminantes convencionales y tóxicos orgánicos. El modelo HSPF usa información como la cronología de lluvia, temperatura y radiación solar; Las características territoriales de la superficie; y las practicas de manejo de tierras para simular los procesos que ocurren en una línea divisoria de las aguas. El resultado de esta simulación es una cronología de la cantidad y la calidad de las aguas urbana o agrícola. La tasa de flujo, la carga del sedimento, el nutriente y las concentraciones de pesticida son predichos. HSPF incluye un sistema de gestión de base de datos interno para simular las cantidades grandes de entrada y salida. HSPF es usado frecuentemente para generar modelos para los estudios TMDL (Total Maximum Daily Load).

HSPF: Resultados

Modelo Streeter-Phelps:Graficar deficit de oxígeno [D(t)] para t entre 0 y 3 días.

Suponer que un determinado tipo de pez no puede sobrevivir en la corriente si el déficit de oxígeno D > 2 mg L -1 . También suponga que la corriente fluye e una velocidad de 1.5 ft s-1

Tratamiento de Emisiones y Efluente

Valoración del Impacto Ambiental

Diseño de los sistemas de tratamiento

SuperPro Designer

CHEMCAD

ASPEN PLUS

PRO II

HYSYS

Optimización de Procesos

WWTP1

P1

W1

1

13

WWTP2

P2W2

23

2

3

4

34

45

WWTP3

WWTP4

W4

W3

P3

P4

Cuatro plantas de tratamiento de aguas de desecho que descargan contaminantes a un sistema de ríos. El problema es determinar el nivel de tratamiento que satisfaga los estándares de calidad del agua a un costo mínimo.

Usar la Programación Lineal: LINDO, LINGO, MATLAB

GRACIAS