2. dispersión de los contaminantes gaseosos generados en el

Revista Latinoamericana el Ambiente y las Ciencias 6(11): 15-28 2015

15

1 Dispersión de los contaminantes gaseosos generados en el sector productivo de

Cuenca-Ecuador.

Dispersion of gaseous pollutants generated in the productive sector of Cuenca-

Ecuador.

1Nancy García Alvear, 2Carlos Espinoza Pineda.

Centro de Estudios Ambientales, Universidad de Cuenca. Campus Balzay. Av. Víctor

Albornoz y Cerezos. Cuenca-Ecuador. Teléfono 593 7 4033260. Email:

[email protected]

RESUMEN. El objetivo de este trabajo fue establecer mediante un modelo matemático, las

tendencias de dispersión de los contaminantes gaseosos procedentes del parque industrial

de Cuenca. Se trabajó durante 18 meses, monitoreando 34 fuentes fijas de combustión. Los

datos obtenidos fueron analizados mediante dos software, el uno para la modelación de la

contaminación atmosférica y el otro para el análisis geoestadístico y generación de

imágenes de dispersión. Los resultados obtenidos demuestran que los gases de combustión,

tienen una tendencia en dirección Este del parque industrial. Se tienen concentraciones

máximas de 150 µg/m3 de monóxido de carbono, 39,35 µg/m3 de óxidos de nitrógeno y

110,23 µg/m3 de dióxido de azufre, a aproximadamente 1000m de distancia de las fuentes

emisoras, superando los límites permisibles dados por el Texto Unificado de la Legislación

Ambiental Secundaria (TULASMA) y la Organización Mundial de la Salud para el caso del

dióxido de azufre.

ABSTRACT. The objective of this study was to establish, through a mathematical model,

the dispersion trends of gaseous pollutants released by the industrial park in Cuenca.

Thirty-four stationary combustion sources were monitored for 18 months. The data

obtained were analyzed by using two software programs: one for modeling air pollution

Recibido: Febrero, 2015.

Aprobado: Abril, 2015


16

and the other for geostatistical analysis and imaging of dispersion. The results show that the

combustion gases have a tendency to spread to the east of the industrial park. Maximum

concentrations of 150 µg/m3 of carbon monoxide, 39.35 µg/m3 of nitrogen oxides and

110.23µg/m3 of sulfur dioxide are found about 1000m away from emission sources.

Permissible limits of sulfur dioxide given by the Unified Text of Secondary Environmental

Legislation (TULASMA) and the World Health Organization are being exceeded.

Palabras clave: contaminación del aire, dispersión de contaminantes, emisiones

industriales, modelación.

Keywords: air pollution, pollutant dispersion, industrial emissions, modeling.

INTRODUCCION

El sector industrial, normalmente trabaja con sistemas de combustión, que resultan

indispensables para sus procesos productivos, así equipos como hornos, calderos de vapor y

otros, son parte fundamental de dichos procesos. Como consecuencia, la generación de

contaminantes atmosféricos es inevitable, contaminantes que son de diversa naturaleza y

concentración, según el tipo de combustible empleado, la temperatura y eficiencia de

combustión (Jachero y Carrillo, 2006).

Una de las características importantes de las emisiones gaseosas, es su capacidad de

dispersión, es decir, los contaminantes viajan a través del aire, y recorren distancias que

pueden ser mayores o menores dependiendo esto de múltiples factores como son la

dirección y velocidad del viento, las condiciones meteorológicas, la topografía de la zona, y

otras. En su recorrido los compuestos sufren transformaciones y reacciones que dan lugar a

contaminantes secundarios como el ozono o los sulfatos (García, 2006).

En la tropósfera, las sustancias químicas reaccionan entre ellas, La gran mayoría de

sustancias emitidas, son degradadas y sus especies terminan por desaparecer. Los tiempos

de desaparición, son extremadamente variables, pueden ser tan largos como años, o pueden

ser tan cortos como minutos. La mayor parte de las moléculas son degradadas en razón de

su oxidación, por acción de las moléculas oxidantes tales como el ozono, o con más

frecuencia, por radicales presentes en la atmósfera, tales como los grupos OH (Masclet,

2005).


17

A partir de la determinación de concentraciones de especies primarias y secundarias, y el

conocimiento de sus perfiles verticales y horizontales, se pueden desarrollar modelos

atmosféricos a diversas escalas, local, regional o global; esos modelos son utilizados para

determinar el impacto de diversas modificaciones en su naturaleza química sobre una

ciudad, una región o el planeta (Masclet, 2005).

Un modelo es una aplicación informática que intenta reproducir el comportamiento de una

realidad o proceso. El modelo DISPER 5.2 tiene como objetivo la estimación de la

dispersión de contaminantes atmosférico en el aire. La base del modelo es el uso de una

ecuación gaussiana, e independiente del tiempo que simula el penacho de humo que se

genera en la atmósfera por un emisor. El modelo puede utilizarse para simular emisiones de

chimeneas industriales, emisiones en carreteras, y otros (DISPER 5.2, 2011)

El Cantón Cuenca está ubicado geográficamente entre las coordenadas 2°39’ a 3°00’ de

latitud sur y 78°54’ a 79°26’ de longitud oeste, con una altura sobre el nivel del mar que

varía de 100 a 4560 m., la zona urbana se encuentra a una altitud de 2560 msnm

aproximadamente. Su topografía resulta compleja cuando se desea modelar el

comportamiento de los diversos contaminantes.

El 22.1% de la población de la zona urbana trabaja en el sector industrial (CEDIA, 2013).

La gran mayoría de empresas se encuentran agrupadas en el parque industrial, que se ubica

al noreste, en plena zona urbana. En este lugar están conglomeradas 103 industrias (Landy,

2009) pero hay varias ubicadas en distintos puntos de la ciudad.

Algunos estudios (García y Jachero, 2014; Moscoso y Pacheco, 2006) demuestran una

importante generación de contaminantes gaseosos (NOx, SO2, CO) que se originan en las

fuentes fijas de combustión de estas industrias; así como la presencia de ozono

(contaminante secundario) en zonas periféricas de la ciudad (Moscoso y Pacheco, 2006)

En el presente estudio se hace un análisis de los niveles de emisiones al aire de

contaminantes tales como Monóxido de Carbono (CO), Óxidos de Nitrógeno (NOx) y

Dióxido de Azufre (SO2) provenientes de las fuentes fijas de combustión ubicadas en el

parque industrial y como estas concentraciones se dispersan hacia sectores aledaños, todo

esto con la ayuda de programas y herramientas informáticas.

MATERIALES Y METODOS

Área de Estudio


18

Se consideró como área de estudio el parque industrial de la ciudad, ubicado al noreste de

la misma, en el Sector de Planeamiento N-12, en el que se establece como zona donde el

uso principal del suelo es Industria de Alto Impacto. Figura 1.

Figura 1. Ubicación del área de estudio en la zona urbana de Cuenca.

Determinación de los niveles de contaminantes

Se determinaron con un Equipo automático debidamente calibrado, TESTO 350 M/XL.

Que tiene sensores electroquímicos para detección de: CO, NO, NO2, NOX, SO2 y sensor de

temperatura de gases. Se dispone de sonda Pitot para detección directa de presión y

velocidad de gases de chimenea.

Para el caso de fuentes de combustión cuyo diámetro de chimenea fue menor a 0,60 m, se

hizo un muestreo de gas durante 16 minutos, correspondientes a 8 puntos internos de

medición, por su parte para chimeneas con un diámetro superior a 0,60 metros se realizó,

un muestreo de gas durante 24 minutos, para 12 puntos internos.

Previo a cada monitoreo, se ajustaron parámetros como el tipo de combustible y diámetro

de la chimenea, además de la presión atmosférica dada por la altura, y factor de

compensación.

La ciudad de Cuenca está situada a una altura de 2560 msnm, por lo que la presión

atmosférica que se registra en el equipo es de 560mmHg. El factor de compensación

utilizado es el predeterminado por el equipo con un valor de 1.

Herramientas informáticas.


19

Para la modelación de la dispersión se utilizó el software DISPER 5.2. Para la generación

de imágenes se utilizó el ArcGis 9.3. Los datos meteorológicos fueron proporcionados por

la Estación Meteorológica del Centro de Estudios Ambientales (CEA) de la Universidad de

Cuenca, para su procesamiento se utilizó el software wrplotview

Metodología

Se inició con la elaboración de una base de datos de las fuentes fijas de combustión

monitoreadas en el área de estudio, se registraron un total de 34 fuentes fijas en un período

de tiempo de 18 meses correspondiente a diferentes rubros: industrias de caucho, cerámica,

alimentos, muebles, textil. En el caso de una industria cerámica, existen fuentes de

combustión que cuentan con más de una chimenea, por lo que se calculó una tasa global de

emisión, para ello se procedió como lo estipula el Texto Unificado de Legislación

Ambiental Ecuatoriana (TULASMA, 2002) luego de dicho cálculo, el número de fuentes

fijas de combustión se estableció en 18. Cabe indicar que cada uno de los monitoreos se

efectuó siguiendo la metodología indicada en dicha legislación. Se estableció una base de

datos de las fuentes emisoras registradas, detallando las particularidades de cada fuente fija

Se generó un registro de las condiciones meteorológicas dadas en el periodo de tiempo en

el cual se efectuaron los distintos monitoreos, para ello se utilizaron los datos de la

estación meteorológica con que cuenta el Centro de Estudios Ambientales de la

Universidad de Cuenca.

Para el análisis de la base de datos se utilizaron dos software: el Disper 5.2 avanzado y el

ArcGis 9.3, el primero de ellos, permite modelar la dispersión de las concentraciones de los

gases contaminantes producto de la combustión, y con el segundo se genera los respectivos

mapas.

En el software Disper 5.2 avanzado, luego de geo referenciar las chimeneas de las fuentes

fijas de combustión (puntos) sobre una imagen real del área de estudio, obtenida de la

aplicación web Google Earth, se procedió a ingresar los distintos parámetros registrados en

la base de datos.

RESULTADOS Y DISCUSION

Monitoreo de fuentes fijas


20

La Tabla 1 presenta las características de las fuentes fijas de combustión monitoreadas, así

como su ubicación mediante las respectivas coordenadas geográficas.

A excepción de la fuente 16, todas las demás tienen un diámetro inferior a 1m, mientras que

las alturas son muy variables, en un rango entre 5 y 35m.

Dentro de las fuentes evaluadas se tienen diversos tipos de hornos, calderos, atomizadores y

otros.

En la Tabla 2 se puede ver los niveles de oxígeno presente, así como las emisiones de los

siguientes gases: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre

(SO2) en las fuentes emisoras.

Tabla 1.- Ubicación geográfica y dimensiones de las fuentes fijas de combustión

emplazadas en el parque industrial de Cuenca.

Código Fuente fija Longitud Latitud Diámetro (m) Altura (m)

1 Horno de alivio de

tensión -2.87178201 -78.97612094 0.30 6.0

2 Horno Biquema -2.88005147 -78.97419097 0.50 12.5

3 Horno 2 -2.87932976 -78.97509149 0.60 12.5

4 Hornos 4 y 5 -2.8788863 -78.97484948 0.63 12.5

5 Horno 6 superior -

inferior -2.87884935 -78.97440892 0.70 12.5

6 Atomizador planta 2 -2.87866889 -78.97461606 1.00 35.0

7 Atomizador planta 1 -2.87914939 -78.9753436 1.00 35.0

8 Atomizador de

porcelanato -2.87906535 -78.97385101 1.00 35.0

9 Caldero de vapor

“CALD1” -2.87735238 -78.97659671 0.38 5.4

10 Caldero “ Hurst Boiler” -2.8777 -78.97650556 0.31 6.5

11 Caldero “York Shipley” -2.87602778 -78.976 0.30 7.5

12 Caldero fabricación

nacional -2.87594444 -78.97630556 0.40 10.2

13 Caldero -2.87588889 -78.97558333 0.50 10.0

14 Caldero “Konus Kessel” -2.87792778 -78.97659444 0.50 12.0


21

15 Caldero DZ-4

Acuotubular -2.88169488 -78.97300107 1.41 23.0

16 Caldero “SPH-300-6” -2.87232222 -78.97648611 0.44 8.0

17 Horno -2.87205 -78.97656111 0.39 8.0

18 Caldero fabricación

nacional -2.87671667 -78.98100556 0.28 5.0

Tabla 2.- Niveles de los gases de combustión generados en las 18 fuentes, relacionados con

el combustible empleado.

Fuente fija (código) Combustible O2 (%) CO (ppm) NOx (ppm) SO2 (ppm)

1 GLP 20.25 0.72 2.66 1.35

2 GLP 20.25 8.52 85.26 1.00

3 GLP 19.80 29.02 27.12 1.64

4 GLP 19.95 19.20 29.27 4.26

5 GLP 20.54 29.93 15.07 12.6

6 Diesel 19.66 296.96 4.72 1.66

7 Diesel 18.28 921.87 8.60 11.63

8 Diesel 19.34 624.20 6.10 7.76

9 Diesel 10.02 20.63 42.93 4.78

10 Diesel 4.39 4.40 69.21 116.77

11 Diesel 12.53 23.18 48.80 65.38

12 Diesel 9.00 2.73 43.97 104.14

13 Diesel 10.39 57.98 73.98 84.16

14 Diesel 5.99 619.94 53.85 103.14

15 Bunker 12.93 33.54 96.42 239.71

16 Bunker 5.46 2.54 290.21 584.91

17 Bunker 19.50 0.19 28.28 56.07

18 Madera 14.15 3877.96 35.93 5.14


22

Analizando los datos de la Tabla 2, se tiene que del total de fuentes evaluadas, el 50%

utilizan diésel como combustible, el 27.77% utilizan GLP, el 16.67% búnker y solo el 5.5%

leña.

En el caso del GLP (Tabla 2) los niveles de oxígeno son siempre superiores a los otros

combustibles, y no se registran excesos de CO, siendo el máximo detectado de 29.93ppm.

En las fuentes de combustión que utilizan diesel, se observan en general niveles elevados

de monóxido de carbono, llegándose a un máximo de 921.87ppm, en caso del búnker se

detecta niveles bajos de CO, mientras que en la única fuente que utiliza madera, que se trata

de un caldero de fabricación nacional, el valor de CO es el máximo registrado

(3877.96ppm), esto resulta coherente con investigaciones que aseguran que el uso de leña,

sea a nivel industrial o doméstico, ocasiona un alto impacto para la salud y el ambiente

(Silva y Arcos, 2011).

En cuanto a las emisiones de NOx, los valores se mantienen en un rango entre 2.66 y

96.42ppm, en todas la fuentes a excepción de la fuente 16 que registra un valor alto de

290.21ppm, y ocurre que en esta misma fuente, se registran los valores más altos de

emisiones de SO2 (584.91ppm)

Con los datos de las emisiones se procedió a calcular los caudales de los gases, lo cual se

puede ver en la Figura 2.

Figura 2.- Caudales de monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre

(SO2) generados en las 18 fuentes de monitoreo.

0.00E+00

5.00E-01

1.00E+00

1.50E+00

2.00E+00

2.50E+00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

cau

da

les

de

los

ga

ses

(g

/s)

Fuentes fijas de combustión evaluadas

Monóxido de carbono Oxidos de nitrógeno Dióxido de azufre


23

En vista de que los modelos de dispersión están desarrollados utilizando una aproximación

que permite la descripción en términos de parámetros meteorológicos fundamentales como

son la velocidad del viento, la temperatura y la altura de la capa límite atmosférica, se

hace necesario contar con estos datos para introducirlos en el software. Aunque algunos

estudios demuestran que la complejidad de las condiciones meteorológicas no permiten

establecer conclusiones contundentes en el tema de dispersión de contaminantes (López-

Martínez y col., 1998; Fisher, 2002; Arenas y col., 2000). Otros autores (Isacov y col.,

2014) concluyen que es necesario utilizar modelos que permitan una combinación espacio-

tiempo, con la finalidad de alcanzar una mejor simulación.

En la Tabla 3 se presenta un resumen del registro meteorológico durante los 18 meses,

período de monitoreo de las fuentes fijas. Registrándose temperaturas promedio que oscilan

entre los 13.9oC hasta los 16.95oC. Las temperaturas en la ciudad de Cuenca permanecen

bastante estables a lo largo del año, no existen temperaturas extremas, esto debido a la

ubicación geográfica de la ciudad. Esto permitiría una mayor aproximación en los

resultados de dispersión, aunque, un parámetro importante que no se puede omitir es la

topografía de la zona.

La velocidad del viento es variable, llega a su valor máximo en los meses de septiembre y

diciembre del primer año de monitoreo, sin embargo el mes de septiembre del segundo año,

no presenta la misma tendencia, es decir el comportamiento, no es repetitivo en las mismas

épocas del año.

Tabla 3.- Registro meteorológico durante los 18 meses de monitoreo

Mes Temperatura ambiente (oC) promedio Velocidad viento m/s Dirección Viento

Abril 16.95 3.861 S

Mayo 16.7 3.694 NE

Junio 14.6 0.722 S

Julio 15.7 3.194 S

Agosto 13.95 4.861 E y SW

Septiembre 15.15 7.000 E

Octubre 15.85 4.389 SW y W

Noviembre 14.6 6.861 NE y E

Diciembre 15.85 7.056 E

Enero 16.15 4.778 N

Febrero 15.65 5.639 SE

Marzo 15.2 3.778 E

Abril 15.45 6.139 NE

Mayo 15.3 5.250 E

Junio 15.35 5.528 E


24

Julio 14.45 5.139 SE y W

Agosto 15.6 4.722 S

Septiembre 13.9 4.944 E

El viento que prevalece en un rango de tiempo puede ser representado por medio de una

rosa de los vientos, la cual indica el porcentaje de tiempo en el que el viento sopla de

diferentes direcciones. La gráfica consiste en utilizar barras o extensiones que van desde el

centro de un círculo hacia un punto determinado que ilustra la dirección del viento, la

longitud de cada extensión indicará el porcentaje de tiempo en el que el viento se dirigió

hacia esa dirección (Ramírez y Vivanco, 2007).

La dirección del viento también se puede ilustrar en grados como en una circunferencia con

sus 360º. Estas direcciones están representadas por números los cuales varían de acuerdo a

las manecillas del reloj iniciando con 360º en el norte, teniendo el este con 90º, el sur con

180º y el oeste con 270º. También existen otras direcciones como NE a la que pertenecen

los 45º y así obtener los grados correspondientes a las demás direcciones del viento. La

calma se expresa como 0º (Ramírez y Vivanco, 2007).

En la Figura 3 se tiene la rosa de los vientos para el período de estudio. Los vientos soplan

de Este a Oeste con un promedio de 2,48 m/s de velocidad, el vector resultante indica la

frecuencia de direcciones del viento, estando la mayor parte ubicado en el sudeste (23%).

Figura 3.- Rosa de los vientos elaborada con los datos meteorológicos de 18 meses de monitoreo.


25

Leyenda

Area de estudio

Niveles_contaminacion_CO

Fuentes_Fijas

Dispersión CO (ug/m3)

Value

High : 150.541

Low : 0

Leyenda

Area de estudio

Niveles_contaminación_NOx

Fuentes_Fijas

Dispersión NOx (ug/m3)

Value

High : 39.3566

Low : 0

La dispersión de los contaminantes en la atmósfera requiere del conocimiento de la

frecuencia, distribución de la dirección y de la velocidad del viento.Las Figuras 4 5 y 6

muestran los resultados de la modelación de la dispersión de CO, NOx y SO2

respectivamente.

Figura 4. Modelación de CO fuentes fijas, parque industrial

Figura 5. Modelación de NOx fuentes fijas, parque industrial

Área de Estudio

Área de Estudio


26

Según la Figura 4 la máxima concentración de CO es de 150.541µg/m3, y la tendencia de

dispersión es hacia la zona este de la ciudad, se llega a concentraciones cercanas a cero

pasados los 1200m, lo que en el mapa representa zonas residenciales de la ciudad. No

todas las empresas tienen los mismos niveles de emisiones, se puede ver que en este caso

son básicamente tres puntos contaminantes, de los cuales uno representa los mayores

niveles.

La Figura 5 muestra cinco puntos emisores de NOx. Las concentraciones más altas

alcanzan valores de 39.3566µg/m3, dispersándose, a una distancia de aproximada de 800m.

En la Figura 6 se aprecia el SO2 cuyo valor máximo es de 110.237µg/m3, llegando a una

concentración aproximada a cero a 1000m de distancia del punto de mayor emisión.

Analizando las tres figuras, los resultados de las modelaciones de los distintos gases de

combustión indican que las concentraciones llegan a sectores como la Ciudadela Kennedy y

Cuartel Cayambe, sectores asignados como E-18 y E-19, cuyo uso principal es vivienda.

Figura 6. Modelación de SO2 fuentes fijas, parque industrial

CONCLUSIONES

Leyenda

Area de estudio

Niveles_contaminación_SO2

Fuentes_Fijas

Dispersión SO2 (ug/m3)

Value

High : 110.237

Low : 0

Área de Estudio


27

El sector productivo de Cuenca utiliza en mayor proporción el diésel como combustible

para sus hornos y calderos, lo que genera importantes niveles de emisiones al aire. Un

porcentaje menor utiliza GLP que es el combustible más limpio, según lo demuestran los

monitoreos realizados.

El total de las fuentes fijas monitoreadas, generan niveles promedio de 365.195ppm de CO,

53.46ppm de NOx y 78.13ppm de SO2. Cabe recalcar que los mayores niveles de emisiones

se concentran en aproximadamente un 30% de las 18 fuentes monitoreadas.

Las condiciones meteorológicas en Cuenca son bastante estables a lo largo del año,

habiéndose registrado en los 18 meses temperaturas promedio que oscilan entre los 13.9oC

y los 16.95oC. La velocidad del viento varió en un rango entre 0.722 y 7.056m/s.

La aplicación del modelo DISPER 5.2 permite establecer que la dispersión de los

contaminantes toma una dirección este, hacia las zonas residenciales de la ciudad; se tienen

concentraciones máximas de 150 µg/m3 de monóxido de carbono, 39,35 µg/m3 de Óxidos

de Nitrógeno y 110,23 µg/m3 de Dióxido de Azufre, a aproximadamente 1000m de

distancia de las fuentes emisoras

Estudios más profundos se hacen necesarios para llegar a conclusiones contundentes en un

tema tan complicado como lo es la química y dispersión de contaminantes gaseosos.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue realizado en el Centro de Estudios Ambientales (CEA) de la Universidad

de Cuenca. Se agradece a las empresas que participaron en este proyecto.

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