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UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
(3 líneas en blanco)
TESIS (1 línea en blanco)
EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EMITIDOS POR LA
REFINERÍA “LA LIBERTAD” MEDIANTE EL MODELO AERMOD VIEW.
(1 línea en blanco) PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
(3 líneas en blanco)
DESARROLLO DE SERVICIOS AMBIENTALES
(3 líneas en blanco)
AUTOR
REYES URETA GABRIELA MARGARITA
(3 líneas en blanco)
GUAYAQUIL - ECUADOR
(1 línea en blanco) 2020
2
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
(3 líneas en blanco)
(1 línea en blanco)
EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EMITIDOS POR LA
REFINERÍA “LA LIBERTAD” MEDIANTE EL MODELO AERMOD VIEW.
(1 línea en blanco) TRABAJO NO EXPERIMENTAL
(3 líneas en blanco)
Trabajo de titulación presentado como requisito para la obtención del título de
INGENIERA AMBIENTAL
(3 líneas en blanco)
AUTOR
REYES URETA GABRIELA MARGARITA
TUTOR
OCE. ZAMBRANO ZAVALA LEILA ELIZABETH M.Sc.
GUAYAQUIL – ECUADOR (1 línea en blanco)
2020
PORTADA
3
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, OCE. ZAMBRANO ZAVALA LEILA ELIZABETH M.Sc., docente de la
Universidad Agraria del Ecuador, en mi calidad de Tutor, certifico que el presente
trabajo de titulación: EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE Y DISPERSIÓN DE
CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EMITIDOS POR LA REFINERÍA “LA
LIBERTAD” MEDIANTE EL MODELO AERMOD VIEW, realizado por el estudiante
REYES URETA GABRIELA MARGARITA; con cédula de identidad N° 092910185-
5 de la carrera INGENIERÍA AMBIENTAL, Unidad Académica Guayaquil, ha sido
orientado y revisado durante su ejecución; y cumple con los requisitos técnicos
exigidos por la Universidad Agraria del Ecuador; por lo tanto se aprueba la
presentación del mismo.
Atentamente, OCE. LEILA ZAMBRANO ZAVALA M.SC. Guayaquil, 16 de noviembre del 2020
4
UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN
Los abajo firmantes, docentes designados por el H. Consejo Directivo como
miembros del Tribunal de Sustentación, aprobamos la defensa del trabajo de
titulación: “EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE Y DISPERSIÓN DE
CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EMITIDOS POR LA REFINERÍA “LA
LIBERTAD” MEDIANTE EL MODELO AERMOD VIEW”, realizado por el
estudiante REYES URETA GABRIELA MARGARITA, el mismo que cumple con
los requisitos exigidos por la Universidad Agraria del Ecuador.
Atentamente,
Ing. Diego Arcos Jácome, M.Sc. PRESIDENTE
Ing. Luis Morocho Rosero, M.Sc. Oce. Leila Zambrano Zavala, M.Sc. EXAMINADOR PRINCIPAL EXAMINADOR PRINCIPALIZADA
Guayaquil, 16 de noviembre del 2020.
5
Dedicatoria
El presente trabajo se encuentra dedicado a las
personas que me acompañaron a lo largo de este
duro camino. A mi madre, por su tiempo, comprensión
y dedicación a mi cuidado; a mi padre, por su arduo
trabajo, de manera que no me falte nada; a mis
hermanos, por el apoyo y la complicidad; a mi abuelo,
por su fortaleza y confianza.
A mi familia en general, por quienes siempre se
encuentran pendiente de mí, brindándome su apoyo
incondicional.
Les dedico mi trabajo ya que son la razón por la cual
me he convertido la persona que soy hoy en día,
porque por ustedes me encuentro cumpliendo mis
sueños y planteándome más metas.
6
Agradecimiento
Agradezco a Dios por no permitirme desfallecer, por
la fortaleza y endereza que se necesita para seguir el
camino correcto.
A mi dirigente de tesis, Oce. Leila Zambrano M.Sc.,
por su orientación y apoyo, durante los varios años de
estudio y desarrollo de este proyecto hasta mi
titulación.
A la Universidad Agraria del Ecuador, por brindarme
la oportunidad de realizar mis estudios académicos y
a los docentes por permitirme adquirir conocimientos
y experiencias durante la formación universitaria.
7
Autorización de Autoría Intelectual
Yo, REYES URETA GABRIELA MARGARITA, en calidad de autor del proyecto
realizado, sobre “EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE Y DISPERSIÓN DE
CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS EMITIDOS POR LA REFINERÍA “LA
LIBERTAD” MEDIANTE EL MODELO AERMOD VIEW” para optar el título de
INGENIERO AMBIENTAL, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD AGRARIA
DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o parte de
los que contienen esta obra, con fines estrictamente académicos o de
investigación.
Los derechos que como autor me correspondan, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en
los artículos 5, 6, 8; 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Guayaquil, 16 de noviembre del 2020
REYES URETA GABRIELA MARGARITA
C.I. 0929101855
8
Índice general
PORTADA ................................................................................................................ 2
APROBACIÓN DEL TUTOR ................................................................................... 3
APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN ......................................... 4
DEDICATORIA ........................................................................................................ 5
AGRADECIMIENTO ................................................................................................ 6
AUTORIZACIÓN DE AUTORÍA INTELECTUAL .................................................... 7
ÍNDICE GENERAL ................................................................................................... 8
ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................. 12
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................ 13
RESUMEN .............................................................................................................. 14
1. Introducción ............................................................................................ 15
Antecedentes del problema ................................................................... 16
Planteamiento y formulación del problema ......................................... 18
1.2.1 Planteamiento del problema .................................................................. 18
1.2.2 Formulación del problema ..................................................................... 20
Justificación de la investigación ........................................................... 20
Delimitación de la investigación ........................................................... 21
Objetivo general ...................................................................................... 21
Objetivos específicos ............................................................................. 21
Hipótesis .................................................................................................. 22
2. Marco teórico ........................................................................................... 23
Estado del arte ........................................................................................ 23
Bases teóricas ......................................................................................... 25
2.2.1 Índice de calidad del Aire (AQI) ............................................................. 25
9
2.2.2 Transporte y dispersión de contaminantes ......................................... 26
2.2.3 Gradiente adiabático de temperatura ................................................... 26
2.2.4 Estabilidad atmosférica ......................................................................... 27
2.2.5 Modelos de dispersión ........................................................................... 27
2.2.6 Monitoreo de la calidad del aire ............................................................ 29
2.2.7 Inversión térmica .................................................................................... 29
2.2.8 Gases acidificantes ................................................................................ 30
2.2.9 Gases eutrofizantes ................................................................................ 30
2.2.10 Partículas en suspensión .................................................................... 31
2.2.11 Compuestos orgánicos volátiles (COVs) ........................................... 31
Marco legal .............................................................................................. 32
2.3.1 Constitución de la República del Ecuador 2008.................................. 32
2.3.2 Convenios Internacionales .................................................................... 33
2.3.3 Ley de prevención y control de la contaminación ambiental ............ 33
2.3.4 Código Orgánico del Ambiente ............................................................. 33
2.3.5 Texto Unificado de Legislación Secundaria del Ministerio del
Ambiente ........................................................................................................... 34
3. Materiales y métodos ............................................................................. 38
Enfoque de la investigación .................................................................. 38
3.1.1 Tipo de investigación ............................................................................. 38
3.1.2 Diseño de investigación ......................................................................... 38
Metodología ............................................................................................. 39
3.2.1 Variables .................................................................................................. 39
3.2.1.1 Variable independiente ....................................................................... 39
3.2.1.2 Variable dependiente ........................................................................... 39
10
3.2.2 Recolección de datos ............................................................................. 39
3.2.2.1 Recursos bibliográficos ...................................................................... 39
3.2.2.2 Documentos de páginas web ............................................................. 40
3.2.2.3 Recursos informáticos ........................................................................ 40
3.2.2.4 Materiales y equipos............................................................................ 40
3.2.2.5 Recurso humano .................................................................................. 40
3.2.2.6 Métodos y técnicas .............................................................................. 40
3.2.3 Análisis estadístico ................................................................................ 43
4. Resultados ............................................................................................... 45
Caracterización del área de estudio de la refinería “La Libertad”
mediante la recolección y procesamiento de datos. ........................................ 45
Evaluación del comportamiento de contaminantes emitidos por la
refinería mediante la implementación del modelo de dispersión AERMOD
VIEW. 50
4.2.1 AERMET ................................................................................................... 50
4.2.2 AERMAP ................................................................................................... 52
4.2.2.1 Control de ruta (Control Pathway) ..................................................... 52
4.2.2.2 Fuentes ................................................................................................. 53
4.2.2.3 Grupos urbanos ................................................................................... 53
4.2.2.4 Receptores ........................................................................................... 54
4.2.2.5 Ajustes de terreno ............................................................................... 56
4.2.3 Resultados de corrida de modelo ......................................................... 57
Análisis de simulaciones para la identificación de puntos de
concentración de contaminantes atmosféricos. .............................................. 58
5. Discusión ................................................................................................. 60
11
6. Conclusiones ........................................................................................... 62
7. Recomendaciones .................................................................................. 64
8. Bibliografía .............................................................................................. 65
9. Anexos ..................................................................................................... 72
Anexos de figuras ................................................................................... 72
Anexos de tablas .................................................................................... 82
12
Índice de tablas
Tabla 1. Límites máximos permisibles de concentración de emisión de
contaminantes al aire para fuentes fijas de combustión abierta (mg / Nm3) ........ 34
Tabla 2. Concentraciones de contaminantes criterio que definen los niveles de
alerta, de alarma y de emergencia en la calidad del aire. ..................................... 37
Tabla 3. Especificaciones técnicas planta PARSONS ...................................... 46
Tabla 4. Especificaciones técnicas Planta Eléctrica .......................................... 46
Tabla 5. Factor y tasa de emisión Planta Parsons ............................................ 47
Tabla 6. Datos meteorológicos, promedios mensuales 2019 ........................... 48
Tabla 7. Auditoría de datos meteorológicos ...................................................... 51
Tabla 8. criterio de extensión de receptores ..................................................... 54
Tabla 9. Criterio de intervalo de receptores....................................................... 55
Tabla 10. Concentraciones obtenidas por el modelo de dispersión AERMOD
View. ....................................................................................................................... 58
Tabla 11. Comparación de concentraciones con máximos permisibles ........... 58
Tabla 12. Frecuencia de vientos 2019 ............................................................... 82
Tabla 13. Monitoreos insitu planta PARSONS .................................................. 83
Tabla 14. Monitoreo insitu Planta Eléctrica ....................................................... 84
Tabla 15. Tasa de emisión ................................................................................. 85
13
Índice de figuras
Figura 1. Rosa de los vientos ............................................................................ 49
Figura 2. Distribución de los vientos .................................................................. 49
Figura 3. Archivos meteorológicos de salida ..................................................... 51
Figura 4. Control de Ruta ................................................................................... 52
Figura 5. Registro de fuentes ............................................................................. 53
Figura 6. Grupo Urbano ..................................................................................... 54
Figura 7. Mallado Multi nivel .............................................................................. 55
Figura 8. Procesador de terreno ........................................................................ 56
Figura 9. Estructura topográfica ........................................................................ 57
Figura 10. Delimitación del área de proyecto .................................................... 72
Figura 11. Inversión térmica .............................................................................. 72
Figura 12. Monitoreo de la Calidad del Aire ...................................................... 73
Figura 13. Gradiente Adiabático seco y saturado ............................................. 73
Figura 14. Niveles de la calidad del aire ............................................................ 73
Figura 15. Parámetros de variables meteorológicas ......................................... 74
Figura 16. Concentración SO2 - 24 horas ......................................................... 75
Figura 17. Concentración SO2 - Anual .............................................................. 76
Figura 18. Concentración CO - 1 hora ............................................................... 77
Figura 19. Concentración CO - 8 horas ............................................................. 78
Figura 20. Concentración CO - Anual ................................................................ 79
Figura 21. Concentración NOx - 24 horas ......................................................... 80
Figura 22. Concentración NOx - Anual .............................................................. 81
14
Resumen
El desarrollo de nuevos softwares de control y monitoreo de contaminantes en
la actualidad se han convertido en uno de los métodos más económicos, factibles
y eficaces para la evaluación de concentraciones de contaminantes. En este
proyecto se busca evaluar el comportamiento y dispersión de tres contaminantes
característicos de las refinerías de petróleo (CO, SO2 y NO); en este caso, se busca
identificar los puntos de máxima concentración, ya que la planta de procesamiento
se encuentra en plena zona urbana rodeada por asentamientos residenciales,
quienes son los receptores principales y más afectados por la cantidad de
emisiones que la industria emite. El proyecto se desarrolla por medio de tres
etapas, en la primera se caracteriza el área de estudio, en la cual se detalla sus
características meteorológicas, topográficas y de fuente; en la segunda fase se
configura el software a las necesidades del proyecto y a las especificaciones de la
zona de estudio y por último se analizan los resultados simulados por el programa
para realizar una comparación con límites máximos permisibles que establece la
normativa ambiental del Ecuador. Finalmente, del trabajo concluido se obtuvo cono
resultado que las concentraciones de SO2 tanto por periodo de 24 horas como en
el periodo de 1 año sus concentraciones sobrepasan los límites marcados por la
ley ambiental siendo los habitantes del barrio Puerto Nuevo, Cautivo y Puerto Rico
los principales afectados.
Palabras claves: AERMOD View, contaminación atmosférica, emisiones,
refinería, dispersión.
15
1. Introducción
La calidad del aire es una variante que influye directamente en la naturaleza de
los recursos del sistema urbano, de manera que condiciona los estándares
habitables del mismo. La atmósfera, determinada como una cubierta funcional,
resiste de forma tolerable el efecto de las diferentes actividades desarrolladas por
el hombre para su sustento; por lo consiguiente, fruto de estas actividades, el aire
que respiramos alcanza cantidades excesivas de gases y contaminantes de
manera que desencadena una serie de efectos nocivos en la salud humana
(Jiménez, 2011).
La contaminación del aire es uno de los más importantes problemas de salud
pública y ambientales del mundo. En efecto, la contaminación atmosférica ha
evolucionado con el trascurso del tiempo, de manera que se dificulta
considerablemente, calcular, entender, regular e intervenir, debido al incremento
de actividades y fuentes emisoras de grandes cantidades de contaminantes, de
manera que refleja las consecuencias que los efectos de estas sustancias
ocasionan en los ecosistemas y en la salud humana (Instituto Nacional de Ecología,
2011).
En definitiva, la evaluación de los contaminantes emitidos la atmósfera, se
considera una medida necesaria para la determinación del impacto que estos
tienen sobre las poblaciones y recursos de un ecosistema determinado; para esto
se destinan tecnologías, como softwares, redes, entre otros, que son accionados
mediante estrictos esquemas de operación (Instituto Nacional de Ecología, 2011).
16
Antecedentes del problema
En la actualidad, el desarrollo de las ciudades frente a la gran demanda de la
población, actividades, tránsito y asentamientos, contribuyen al aumento
desmedido de la contaminación atmosférica, además de la reducción incalculable
de las áreas verdes y agrícolas (Giménez, 2008).
Durante el periodo de la revolución industrial, a partir de la invención de la
máquina a vapor, se da inicio a un periodo de metamorfosis, donde da lugar a
grandes cambios y evoluciones para la sociedad y la industria. Debido a la
adaptación de la nueva tecnología y técnicas de producción, que involucra la
quema de combustibles fósiles, da como resultado que extensas áreas sean
afectadas por grandes nubes de contaminación. Desde entonces, el valor de
concentración de contaminantes registrados en la actualidad sobrepasa los valores
conocidos hace miles de años atrás. Ahora bien, en consecuencia, de lo
mencionado, la alteración de los componentes originarios de la atmósfera no es el
único efecto que esto desprende, más bien se ha identificado el desarrollo de
nuevas sustancias, como lo son los compuestos halo-carbonados de manera que
afecta al equilibrio del ozono estratosférico (Martínez & Díaz, 2004).
La contaminación atmosférica urbana y sus graves secuelas se dieron a conocer
desde mediados del siglo XX en las ciudades de Estados Unidos y Europa, que,
debido a la manifestación de altos niveles de contaminación, se presentó una densa
niebla que cubrió Londres por varias semanas, dejando a su paso un sinnúmero de
muertes, enfermedades respiratorias y accidentes (Organización Mundial de la
Salud, 2013).
En América Latina, el 80 % de la población de áreas urbanas, se encuentran en
ambientes desmejorados por la gran carga de contaminantes en el aire que se
17
respira. Según la OMS, estudios realizados a más de 3000 ciudades, revela que
las zonas propensas a este tipo de problemas son los países que se encuentran
en vías de desarrollo (Wtitzmfeld, 2017).
Según estudios realizados por la Organización Mundial de la Salud (OMS), se
han determinado las ciudades más contaminadas del Ecuador, debido al sobrepaso
de los límites de contaminación nacional en las variables de PM 10 y PM 2.5, entre
las que cabe mencionar, Quito, Santo Domingo, Milagro, Latacunga y Manta
(Sorgato, 2016).
Las dispersión y concentración de emisiones contaminantes se encuentran
estrechamente relacionadas con la calidad del aire esencialmente, es por ello que
se encuentran estrechamente relacionadas con la topografía del terreno y las
condiciones climáticas de la zona. En el Informe de Calidad del aire se detallan los
valores del promedio anual de Quito durante el 2014, tomando en cuenta las
mediciones de Cotocollao, Carapungo, Belisario, El Camal, Centro y los Chillos,
donde revelan valores de 17,6ug / m3 de PM2.5 y 36 ug / m3 de PM 10, de esta
manera se constató que las concentraciones están relacionadas directamente con
el tráfico vehicular de la ciudad y las emisiones más altas son causadas por la
quema de años viejos y pólvora durante la madrugada del primero de enero
(Suárez, 2015).
A pesar de que la contaminación del aire constituye uno de los principales
problemas en el Ecuador, especialmente en las ciudades más grandes e
importantes como lo son Guayaquil, Quito y Cuenca, el Ministerio del Ambiente
pone en marcha el proyecto de “Plan Nacional de Calidad del Aire”, con el fin de
mejorar, reforzar y normalizar el control de la contaminación del aire a nivel
nacional. Este proyecto se lleva a cabo mediante la implementación de una red de
18
monitoreo de material particulado y estaciones automáticas que registran datos de
COVs, SOXs, NOXs y datos meteorológicos en áreas urbanas, de manera que se
pueda hacer frente a los problemas atmosféricos y evidenciar una depreciación en
la emisión de gases y así salvaguardar un nivel plausible (Ministerio del Ambiente
del Ecuador , 2017).
Planteamiento y formulación del problema
1.2.1 Planteamiento del problema
La incidencia de los diversos contaminantes en la atmósfera, producen cambios
en su composición química que conlleva a la alteración del clima, lluvias acidas,
destrucción del ozono y entre otros fenómenos que se consideran de gran
importancia global (Cortina, 2012).
Dentro de este marco, la innumerable cantidad de contaminantes, especialmente
en estado gaseoso, se ostenta actualmente, como la causante principal de lo que
se denomina la contaminación atmosférica, a la cual se le atribuyen diversos
efectos que desfavorecen al medio de desarrollo humano y por lo tanto a la calidad
de vida. Por ende, fenómenos derivados del gran estallido demográfico global, se
ven involucrados en la alteración de la composición del aire, ya que de estos
procede lo que es el cambio climático, desarrollo urbano y modificación de la
topografía superficial de la tierra, que aportan significativamente al cambio (De la
Cruz, Raisa, Turtós, & Lorente, 2011).
En Ecuador, las causas principales de contaminación del aire se atribuyen a la
circulación vehicular, construcciones inmobiliarias, asfaltado de calles y emisiones
generadas por la refinación de crudo, quema de leña o uso de GLP. Cabe
mencionar que en las ciudades de Esmeraldas y Santa Elena se caracterizan por
las emisiones generadas por las refinerías de petróleo; además, que la región de
19
la Amazonía padece de constantes derrames de crudo muy poco controlados,
combustión del gas natural de las canteras, minería ilegal y a cielo abierto y por
último generación de energía, siendo estas las principales actividades que
contribuyen a la concentración de contaminantes en la atmósfera y por ende a la
baja calidad de aire que se respira (Loaiza, 2019)
Estudios realizados por el Ministerio del Ambiente del Ecuador, ciudades como
Manta, Milagro, Santa Elena, Santo Domingo y Esmeraldas presentan un alto
índice de contaminantes a tal punto de sobrepasar los máximos permitidos por la
Norma ecuatoriana y la OMS (Wtitzmfeld, 2017).
La provincia de Santa Elena ubicada en el perfil costero ecuatoriano, cuenta con
diversos campos de explotación y refinación de petróleo instalados en sectores
poco estratégicos, de manera que estas industrias representan para las
comunidades y su entorno un distinguido problema de contaminación por
hidrocarburos, descarga de líquidos, emisión gases, material particulado y olores
desagradables derivados de la explotación de pozos productivos y procesamiento
de crudo (Espinoza, 2011).
Datos revelados por un estudio realizado por la INEC (2014), indica que al menos
un 27% de los hogares ecuatorianos están siendo perturbados por algún tipo de
olor/gases provenientes de las industrias asentadas a sus alrededores. En lo que
confiere a provincias, la península de Santa Elena es una de las provincias más
afectadas por este problema con un porcentaje del 35,63 % de hogares.
A pesar de los constantes esfuerzos realizados por la Dirección provincial del
medio ambiente de Santa Elena y los burgomaestres de los tres cantones de la
provincia, los controles de las afectaciones a la atmósfera son realmente escasas
y las industrias abundantes. Por ende, con el propósito de controlar las emisiones
20
de gases y optimizar la calidad del aire de un área determinada, la implementación
de un sistema de análisis de dispersión de contaminantes ayudará a la
identificación y evolución de puntos de concentración de contaminación y de esta
manera establecer medidas que aporten a la reducción de emisiones, así mismo a
como establecer una conciencia de producción limpia y cuidado del ambiente en
las diferentes industrias.
1.2.2 Formulación del problema
¿Cuál es la concentración de contaminantes atmosféricos emitidos por la
refinería “La Libertad” en el barrio Puerto Nuevo?
Justificación de la investigación
El crecimiento y desarrollo demográfico, además de la economía, coligados
a la innovación de actividades en servicios, agroindustria, industria petrolera e
implementación de combustibles fósiles, contribuyen a las emisiones gaseosas en
altas cantidades, estando éstas en contacto con la atmósfera y el medio, revela una
serie de problemas en la salud, ecosistemas y recursos naturales. Por tal motivo
se encuentra ineludible el estudio de estas áreas y el cálculo del daño que se está
produciendo a la atmósfera; conjuntamente al desarrollo de tecnologías o medidas
para mitigarlos (Cortina, 2012).
Por lo tanto, en la actualidad, los softwares informáticos para el estudio del
comportamiento y trasporte de contaminantes en la atmósfera en base a variables
meteorológicas, topográficos y datos de la fuente, son consideradas como
herramientas de análisis confiables, implementados para la exposición actual de la
calidad del aire (Aranda, Cuesta, & Wallo, 2013).
Tomando en cuenta la gravedad del asunto, los conflictos y molestias que surgen
de esta problemática; lo más substancial es realizar estudios y análisis para la
21
identificación de las causas, de manera que se logre proceder al diseño e
implementación de políticas y estrategias que sirvan como medio de
concientización para que la población e industrias aporten con la reducción de
emisiones de contaminantes a la atmósfera, y como consecuencia la mejora de la
calidad del aire que respiramos.
Delimitación de la investigación
Espacio: El trabajo de investigación se llevará a cabo en la refinería “La
Libertad”, ubicada en la provincia de Santa Elena, Cantón La Libertad, Barrio
Puerto Nuevo, Calle 27 C. 147. Sus coordenadas en sistema UTM son:
510892.77 Este y 9754430.10 Norte. Ver Anexo 1.
Tiempo: El tiempo destinado para el desarrollo del proyecto investigativo
tiene un máximo de 3 meses.
Población: La investigación y los resultados que se obtengan de la misma,
serán dirigido a la población residente en el Cantón La libertad con un
estimado de 95942 habitantes y de forma directa al barrio “Puerto Nuevo”
adyacente a la refinería “La Libertad” (Instituto nacional de estadística y
censo, 2010).
Objetivo general
Estimar el comportamiento de los contaminantes emitidos por la refinería “La
Libertad” mediante el modelo AERMOD VIEW para la identificación de puntos de
concentración en la ciudadela “Puerto Nuevo”.
Objetivos específicos
Caracterizar el área de estudio de la refinería “La Libertad” mediante la
recolección y procesamiento de datos.
22
Evaluar el comportamiento de contaminantes emitidos por la refinería
mediante la implementación de modelos de dispersión AERMOD VIEW.
Analizar las simulaciones para la identificación de puntos de
concentración de contaminantes atmosféricos
Hipótesis
La categoría de la calidad del aire del barrio Puerto Nuevo, se encuentra
condicionada por los efectos de la concentración de los contaminantes emitidos por
la refinería “La Libertad”.
23
2. Marco teórico
Estado del arte
Según datos revelados en un el estudio “Impacto ambiental de la industria
petrolífera de Santiago de Cuba” (2007), se destacó a la contaminación atmosférica
como uno de los problemas globales como resultado de la actividad petrolera,
siendo esta la mayor generadora de emisiones gaseosas. Durante el estudio, se
logró demostrar los valores de ciertos contaminantes presentes en la zona, tal
como, el dióxido de azufre (SO2), siendo este el contaminante con mayor
concentración, donde sus vales rondaban entre 328 y 2444 mg / m3, teniendo en
cuenta que este valor sobrepasa los estándares normativos de la zona. Por lo
consiguiente la presencia de esta sustancia contribuye a la aparición de lluvia acida
en conjunto con los óxidos nitrosos, además de favorecer al efecto invernadero.
Cabe destacar que los valores presenciales en la atmósfera del (NOx) se
encontraron por debajo de 460 ppm.
De acuerdo con las simulaciones estipuladas en el Séptimo Congreso de Medio
Ambiente (2012), mediante el modelo de dispersión MATLAB 7.0 se estudiaron las
centrales de concentración en diversas estabilidades atmosféricas, donde se revela
que en los alrededores de la chimenea de emisión, la concentración para PM 10
sobrepasan los niveles normativos con un 150 μg / m3 promedio 24 h; mientras
que incrementa el distanciamiento del foco de emisión, la contaminación disminuye
notablemente. De esta manera se verifica que, desde los 1400 metros desde la
chimenea, las concentraciones son inofensivas para la salud humana.
En la investigación realizada por Cruz et al. (2011), en una zona industrial de
Cuba, se evaluó el comportamiento y transporte de tres contaminantes (SO2, NOx,
MP ) por medio del modelo de dispersión gaussiano AERMOD. Se fijaron periodos
24
de modelación de 1h, 24h, 1 año, en la cual los resultados denotaron la alta
concentración de dióxido de azufre (SO2) que sobrepasa los máximos permitidos
con valores, tales como, 500, 50 y 20 µg / m3. Por otro lado, las concentraciones
de óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (MP) reflejadas en la
modelación, se encontraron por debajo de los valores permitidos. Por este medio
se logró demostrar la alta potencialidad y eficacia del sistema de modelación
AERMOD al momento de la evaluación de concentración de contaminantes
atmosféricos.
Según José Pablo Sibaja Brenes (2014), en su trabajo de investigación para la
determinación de la concentración de contaminantes atmosféricos a cinco
chimeneas industriales, la aplicación del modelo AERMOD es una herramienta
infalible para la elaboración de análisis del transporte y variabilidad de los mismos.
A través de este medio, Sibaja concluyó que las chimeneas estudiadas presentan
problemas en lo que refiere a la dispersión de estas sustancias (PTS, SO2, NOx)
debido a la presencia de edificaciones, lo que en conjunto con la dirección del viento
ocasionan la precipitación de los contaminantes a muy corta distancia del foco de
emisión.
Según los estudios realizados por MJ Bradley & Associates (2005) para la CCA
(Comisión para la cooperación ambiental de América del Norte), donde analiza
distintos medios posibles de reducción y/o solución de las grandes cantidades de
emisiones de contaminantes a la atmósfera. MJ Bradley & Associates destaca que
toda técnica que disminuya la emisión y concentración de contaminantes se
considera como una alternativa a considerar ya sea por optimización de procesos
productivos, mejora en la calidad de materia prima o implementación de
mecanismos de control. Dentro de la investigación menciona diversas técnicas de
25
reducción entre las cuales se encuentra la aplicación de filtros de tela, que son
elaboradas en una gran variedad de fibras y telas, además de ser aplicadas tanto
para fuentes de emisión de considerable magnitud hasta mínimas. En cuanto al
mayor contaminante de refinerías, dióxido de azufre (SO2), hace referencia a la
implementación de limpiadores húmedos o secos, siendo una gran alternativa
debido a su impacto económico, ya que estos residuos pueden ser aprovechados
por la industria de la construcción.
De acuerdo a los análisis realizados en el estudio “Riesgos ambientales por
emisiones atmosféricas en una refinería de petróleo” (2010), donde se implementó
el modelo de dispersión ISC-PRIME desarrollado por la EPA, se analizaron 3
escenarios, donde en el primero se exceden los niveles de concentración del SO2
y NOx en localizaciones dentro y fuera de la refinería, en el segundo escenario se
exceden los niveles de PM en las afueras, en el tercer escenario excede en PM,
NOx, SO2 en el periodo de 24 horas. En conclusión, se realizó un análisis final
donde se identificó un escenario único catalogado como escenario de riesgo
catastrófico para la salud humana o el ambiente ante alguna alteración en los
incineradores o chimeneas de la industria.
Bases teóricas
2.2.1 Índice de calidad del Aire (AQI)
Mediante el índice de calidad del aire o Air Quality Index (AQI), se presentan un
valor estimado entre 0 – 500 para calificar la calidad del aire de forma diaria. En
este rango, cuanto más alto es el valor, más alta es la contaminación atmosférica
del lugar y por lo tanto la preocupación por los problemas que esto puede implicar
en la salud humana debido a la constante exposición (EPA, 2016). Figura 14
26
2.2.2 Transporte y dispersión de contaminantes
Una vez que son vertidas grandes cantidades de contaminantes a la atmósfera,
el transporte y dispersión de estas sustancias se encuentran altamente
influenciadas por factores complejos, tales como, variaciones globales y regionales
del clima (factores meteorológicos) y condiciones topográficas de la zona (Salcido,
y otros, 2019)
En relación con el movimiento de los contaminantes, se destaca la intervención
de las variaciones que presenta el clima, tal como, dirección de los vientos, que
permite que los contaminantes se transporten de diferentes trayectorias ya sea en
forma vertical u horizontal derivado de la velocidad y temperatura del aire; además
de las precipitaciones, por medio de la cual, estas sustancias son transportadas a
los suelos y cuerpos de agua (Mosquera, 2010).
Por otro lado, en cuanto las condiciones topográficas, se considera el aumento
de la temperatura en relación con la altura, se presenta la inversión térmica, donde
resulta en la inmovilidad ascendiente del aire y como consecuencia se presenta la
dificultad de la dispersión de los contaminantes (Mosquera, 2010).
2.2.3 Gradiente adiabático de temperatura
Cuando un sistema percibe una evolución termodinámica sin la necesidad de
interactuar e intercambiar calor con otros sistemas, se denomina gradiente
adiabático de temperatura, que se presenta debido a la variación de presión de los
gases; en efecto, una masa de aire, por la rapidez de sus movimientos, no se
mezcla con su entorno dando lugar a procesos de expansión (enfriamiento) y
compresión (calentamiento) (Cano, 2017).
Cabe mencionar que la variación de la temperatura va en relación a la altura de
forma constante, por lo consiguiente, durante la condensación de la masa de aire,
27
por cada kilómetro de altura disminuye en 10 °C, a esto se lo distingue como
gradiente adiabático seco (Figura 13); mientas que en la condensación de vapor
de agua, se contrarresta 5.5 °C por cada kilómetro de altitud, denominándolo
gradiente adiabático saturado (Cano, 2017).
2.2.4 Estabilidad atmosférica
Se considera a la estabilidad atmosférica como un estado de equilibrio entre el
gradiente real de las temperaturas con relación al gradiente adiabático; de manera
que esta variable se encuentra presente en la alteración y comportamiento de los
procesos dinámicos que se desarrollan en la capa superficial de la atmósfera, tales
como la transporte y difusión de materia y energía. De hecho, existen diversos
métodos para la identificación del estado de la atmósfera, entre los que se pueden
citar, Pasquill, Obukhov y Van Ulden; mediante los cuales se logra determinar que
una atmósfera es estable cuando al momento de presentar una perturbación en el
flujo, esta vuelve a su estado normal, es decir, si la temperatura atmosférica
disminuye según la altura de manera más lenta que el gradiente adiabático, se
puede decir que se encuentra en una atmósfera estable (Haro, Limáico, Perugachi,
& Fernández, 2018)
2.2.5 Modelos de dispersión
Durante este último periodo, la modelación de contaminantes atmosféricos se
ha convertido en un método esencial, de manera que logra el desarrollo de diversas
tareas con el fin de avalar el estado ideo de la calidad del aire en el entorno de
convivencia de los seres vivos (Hernández, y otros, 2015).
El propósito de los modelos de dispersión, entre otras cosas, es nada más que
predecir y proyectar la concentración, mezclas de sustancias y trayectorias de los
contaminantes, en sentido del tiempo y del espacio. De esta forma se logra tomar
28
decisiones con respecto a la elaboración de leyes y normas de emisión, además
de planificación de gestión de programas y proyectos en beneficio al control de
emisiones y la calidad del aire (Salas, 2015).
Modelo de dispersión de celda fija
El objetivo de este modelo es alcanzar estimaciones de concentraciones de
contaminantes pertenecientes a fuentes donde sus emisiones son difusas; por lo
general son aplicados para el cálculo de concentraciones de las ciudades, donde
la fuente principal de contaminación es el tráfico móvil (UPO, 2017)
Modelo de dispersión gaussiano
Los modelos de dispersión gaussianos son conocidos por ser aplicados
únicamente para vertimientos puntuales; es decir, se aplican con el objetivo de
estimar el movimiento y la concentración de un contaminante atmosférico que es
emitida desde una fuente puntual a nivel del suelo. La ecuación matemática de este
método, concierne a la relación existente entre los niveles de inmisión y la
proporción de contaminantes esparcidos a la atmósfera desde su punto de emisión.
Con el objeto de demostrar resultados exactos, este modelo permite reformar las
variables involucradas, así como, características meteorológica y topografía del
medio (Universidad Pablo de Olavide, 2011).
Modelo de dispersión combinado o celda múltiple
En este modelo se combinan los modelos ya mencionados anteriormente, con
el objetivo de evidenciar la contaminación por emisiones continuas o puntuales que
se presenta en un lugar determinado ya sea una ciudad o una región como tal;
donde el área es dividida en celdas, de esta manera se distribuye el valor total del
volumen de los diferentes contaminantes (UPO, 2017).
29
2.2.6 Monitoreo de la calidad del aire
Dentro de este marco, se conoce como monitoreo a la observación, identificación
y análisis del comportamiento de los contaminantes emitidos a la atmósfera desde
diversas fuentes, siendo así actores principales de una serie de cambios severos o
inexactos en el ambiente y seres humanos a lo largo de un lapso de tiempo. En
efecto los monitoreos para el control de la calidad del aire se deben de realizar de
forma continua y por consiguiente lograr advertir acerca de las alteraciones en las
concentraciones de los mismos (Instituto Nacional de Ecología, 2011).
Cabe resaltar que el trabajo conjunto de los monitoreos con los modelos de
predicción, además de involucrar registro e inventarios de emisiones permitirá
generar información confiable, de manera que será procesada por eruditos en los
diferentes temas como legislación, gestión y planificación de manera que ellos
concluyan con las mejores medidas y decisiones en beneficio de la población y el
ambiente en general (Jerves & Arcos, 2017) Figura 12.
2.2.7 Inversión térmica
Las alteraciones de las temperaturas en la atmósfera son denominadas
generalmente como inversión térmica. En condiciones normales nos podemos
referir a que la temperatura disminuye de manera que la altitud aumenta, es decir,
por cada 100 metros de altitud la temperatura tiende a disminuir 1 °C, por lo tanto,
la temperatura más alta o caliente se encuentra a nivel del suelo, mientras las
temperaturas más templadas se ubican en las capas superiores (Secretaría del
Medio Ambiente y Desarrollo Territorial, 2017)
La inversión térmica, se presenta cuando estas capas se invierten, es decir,
masas de aire frio se localizan en la parte inferior, convirtiéndose en masas de aire
pesadas y densas, mientras las más calientes en la parte superior como masas de
30
aire ligera, imposibilitando de esta manera el movimiento ascendente de estas
emisiones contaminantes quedando atrapados (Secretaría del Medio Ambiente y
Desarrollo Territorial, 2017) Figura 11.
2.2.8 Gases acidificantes
La dispersión y permanencia prolongada en la atmósfera, es una de las
principales características de estos contaminantes, de quienes puede derivar
consecuencias a mediano o largo plazo en los sistemas naturales susceptibles a la
acidificación. El dióxido de azufre (SO2), amoniaco (NH3) y óxido de nitrógeno
(NOx), son considerados los tres más importantes contaminantes agresivos
presente en la atmósfera capaces de precipitar de forma directa por medio de
lluvias, granizo y nieve, o indirecta, después de sufrir transformación química.
Dentro del análisis del desarrollo de estas emisiones de gases acidificante, se logra
adquirir información irrelevante a cerca de graves altera modificaciones en el
medio, además del control de las diferentes actividades generadoras de estas
emisiones (Consejería de medio ambiente y ordenación del territorio, 2019).
2.2.9 Gases eutrofizantes
En términos generales, se define a gases eutrofizantes aquellos que aportan con
el enriquecimiento desmedido de los diferentes cuerpos de aguas superficiales, ya
sean lagos, lagunas, ríos, entre otros, en lo que refiere a nutrientes. Este suceso
acontece por medio de la reacción con el agua atmosférica y su posterior
precipitación, donde se forman las sales solubles que son arrastradas hasta los
acuíferos. Es importante destacar como los principales contaminantes al óxido de
nitrógeno (NOx) y amoniaco (NH3) que en contacto con la superficie desencadenan
diversos efectos desfavorables en el suelo y las masas de agua (Ministerio para la
transición ecologica, 2016).
31
2.2.10 Partículas en suspensión
La formación de material particulado atmosférico se puede determinar como un
conjunto de partículas en estado sólido y/o líquido, de origen orgánico e inorgánico
que por su baja densidad y peso se encuentran en suspensión. En consecuencia,
su variada composición, las diversas sustancias, tales como, nitratos, amoniaco,
sulfatos, carbón, etc, tienen la capacidad de producir reacciones químicas en
presencia de la atmósfera (Pérez, 2018).
En lo que respecta a su tamaño, el material particulado se encuentra catalogado
debido a su forma irregular, por lo tanto su diámetro es expresado en micrómetros
(µm), entre ellos destaca PM 10 (inferior a 10 µm ) y PM 2.5 (inferior a 2.5 µm)
(Consejeria de agricultura, ganadería, pesca y desarrollo sostenible, 2019).
2.2.11 Compuestos orgánicos volátiles (COVs)
Se define como compuesto orgánico volátil a los compuestos constituidos
esencialmente por carbono; además dentro de sus propiedades cabe la facilidad
de convertirse en un gas o vapor, que al alcanzar una temperatura de 293 K (20
°C) tiene una presión de vapor de 0.01 kPa. Se puede señalar que el punto de
ebullición de estos gases oscila entre los 50 °C y 260 °C (Consejería de Agricultura,
Desarrollo Rural, Emergencia Climática y Transición Ecológica, 2015)
El origen de estos compuestos puede provenir de fuentes naturales o
antropogénicas, siendo este último el más predominante en sus emisiones. Entre
las actividades correspondientes a la generación de estos gases se encuentran:
quema de combustibles, madera, carbón, evaporación de disolventes orgánicos,
industria química, fabricación de pinturas, etc. Mientas que las fuentes naturales
provienen de la vegetación y la actividad microbiana presente en los ecosistemas
(Consejería de Medio Ambiente, 2011).
32
Marco legal
2.3.1 Constitución de la República del Ecuador 2008
TÍTULO II Derechos Capítulo segundo Derechos del buen vivir Sección segunda Ambiente sano Art. 14.- Se reconoce el derecho de la población a vivir en un ambiente sano y ecológicamente equilibrado, que garantice la sostenibilidad y el buen vivir, sumak kawsay. Se declara de interés público la preservación del ambiente, la conservación de los ecosistemas, la biodiversidad y la integridad del patrimonio genético del país, la prevención del daño ambiental y la recuperación de los espacios naturales degradados. TÍTULO VI Régimen de desarrollo Capítulo primero Principios generales Art. 276.- El régimen de desarrollo tendrá los siguientes objetivos: 4. Recuperar y conservar la naturaleza y mantener un ambiente sano y sustentable que garantice a las personas y colectividades el acceso equitativo, permanente y de calidad al agua, aire y suelo, y a los beneficios de los recursos del subsuelo y del patrimonio natural.
TITULO VII Régimen del buen vivir Capítulo segundo Biodiversidad y recursos naturales Sección primera Naturaleza y ambiente Art. 395.- La Constitución reconoce los siguientes principios ambientales: El Estado garantizará un modelo sustentable de desarrollo, ambientalmente equilibrado y respetuoso de la diversidad cultural, que conserve la biodiversidad y la capacidad de regeneración natural de los ecosistemas, y asegure la satisfacción de las necesidades de las generaciones presentes y futuras. Las políticas de gestión ambiental se aplicarán de manera transversal y serán de obligatorio cumplimiento por parte del Estado en todos sus niveles y por todas las personas naturales o jurídicas en el territorio nacional. El Estado garantizará la participación activa y permanente de las personas, comunidades, pueblos y nacionalidades afectadas, en la planificación, ejecución y control de toda actividad que genere impactos ambientales. En caso de duda sobre el alcance de las disposiciones legales en materia ambiental, éstas se aplicarán en el sentido más favorable a la protección de la naturaleza. Art. 396.- El Estado adoptará las políticas y medidas oportunas que eviten los impactos ambientales negativos, cuando exista certidumbre de daño. En caso de duda sobre el impacto ambiental de alguna acción u omisión, aunque no
33
exista evidencia científica del daño, el Estado adoptará medidas protectoras eficaces y oportunas. Sección séptima Biosfera, ecología urbana y energías alternativas Art. 413.-El Estado promoverá la eficiencia energética, el desarrollo y uso de prácticas y tecnologías ambientalmente limpias y sanas, así como de energías renovables, diversificadas, de bajo impacto y que no pongan en riesgo la soberanía alimentaria, el equilibrio ecológico de los ecosistemas ni el derecho al agua.
2.3.2 Convenios Internacionales
Protocolo de Kyoto Mediante los principios y disposiciones establecidas en la convención, el Protocolo de Kyoto busca promover la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), donde su principal objetivo son los países industrializados, ya que considera que estos son la fuente principal y responsables de los altos índices de emisiones de gases presentes en la atmósfera. De esta manera, el protocolo de Kyoto establece diversos elementos que incentivan a estos países a comprometerse sobre todo en limitar y reducir sus emisiones, además de implementar políticas y desarrollar tecnologías verdes que contribuya al cuidado del ambiente y de forma conjunta a la óptima producción industrial (Naciones Unidas, 2020).
2.3.3 Ley de prevención y control de la contaminación ambiental
Capítulo I De la prevención y control de la contaminación del aire Art. 1.- Queda prohibido expeler hacia la atmósfera o descargar en ella, sin sujetarse a las correspondientes normas técnicas y regulaciones, contaminantes que, a juicio de los Ministerios de Salud y del Ambiente, en sus respectivas áreas de competencia, puedan perjudicar la salud y vida humana, la flora, la fauna y los recursos o bienes del estado o de particulares o constituir una molestia. Art. 2.- Para los efectos de esta Ley, serán consideradas como fuentes potenciales de contaminación del aire: Las artificiales, originadas por el desarrollo tecnológico y la acción del hombre, tales como fábricas, calderas, generadores de vapor, talleres, plantas termoeléctricas, refinerías de petróleo (…). Las naturales, ocasionadas por fenómenos naturales, tales como erupciones, precipitaciones, sismos, sequías, deslizamientos de tierra y otros. Art. 3.- Se sujetarán al estudio y control de los organismos determinados en esta Ley y sus reglamentos, las emanaciones provenientes de fuentes artificiales, móviles o fijas, que produzcan contaminación atmosférica.
2.3.4 Código Orgánico del Ambiente
Capítulo II De las facultades ambientales de los Gobiernos Autónomos Descentralizados
34
Art. 26.- Facultades de los Gobiernos Autónomos Descentralizados Provinciales en materia ambiental. En el marco de sus competencias ambientales exclusivas y concurrentes corresponde a los Gobiernos Autónomos Descentralizados Provinciales las siguientes facultades, que ejercerán en las áreas rurales de su respectiva circunscripción territorial, en concordancia con las políticas y normas emitidas por la Autoridad Ambiental Nacional: 8. Controlar el cumplimiento de los parámetros ambientales y la aplicación de normas técnicas de los componentes agua, suelo, aire y ruido; Capítulo V: Calidad de los componentes abióticos y estado de los componentes bióticos Art. 191.- Del monitoreo de la calidad del aire, agua y suelo. La Autoridad Ambiental Nacional o el Gobierno Autónomo Descentralizado competente, en coordinación con las demás autoridades competentes, según corresponda, realizarán el monitoreo y seguimiento de la calidad del aire, agua y suelo, de conformidad con las normas reglamentarias y técnicas que se expidan para el efecto. Art. 193.- Evaluaciones adicionales de la calidad del aire. La Autoridad Ambiental Nacional o el Gobierno Autónomo Descentralizado competente, según corresponda, dispondrán evaluaciones adicionales a las establecidas en la norma a los operadores o propietarios de fuentes que emitan o sean susceptibles de emitir olores ofensivos o contaminantes atmosféricos peligrosos (...). 2.3.5 Texto Unificado de Legislación Secundaria del Ministerio del
Ambiente
LIBRO VI Anexo 3: Norma de emisiones al aire desde fuentes fijas 4.1.2.1 Los gases de combustión de todas las fuentes, incluidas las fuentes de combustión abierta, deben ser evacuados por una chimenea correctamente dimensionada, que debe cumplir con los requisitos indicados en esta norma para el monitoreo de emisiones. Tabla 1. Límites máximos permisibles de concentración de emisión de contaminantes al aire para fuentes fijas de combustión abierta (mg / Nm3)
CONTAMINANTE EMITIDO
COMBUSTIBLE UTILIZADO
UNIDADES VALORES MÁXIMOS
Partículas
Sólido* mg / Nm3 200 Bunker mg / Nm3 200 Diésel mg / Nm3 150 Gaseoso No Aplicable No
Aplicable
Óxidos de Nitrógeno
Sólido* mg / Nm3 900 Bunker mg / Nm3 700 Diésel mg / Nm3 500 Gaseoso mg / Nm3 140
Dióxido de Azufre Sólido* mg / Nm3 No
Aplicable
35
Bunker mg / Nm3 1650 Diésel mg / Nm3 1650 Gaseoso No Aplicable No
Aplicable
Monóxido de Carbono
Sólido* mg / Nm3 1800 Bunker mg / Nm3 300 Diésel mg / Nm3 250 Gaseoso mg / Nm3 100
TULSMA, 2003 4.4 Uso de modelos de dispersión 4.4.1 Para los Estudios de Impacto Ambiental se podrán utilizar modelos de dispersión con enfoques de tipo simplificado o detallado. Mediante el enfoque detallado se busca evaluar los incrementos de los niveles de contaminación con mayor precisión. Para ello se deberá utilizar información meteorológica horaria con una cobertura mínima de registros de un año, que provenga preferentemente de estaciones localizadas en los sitios de emplazamiento de las chimeneas. Dichas estaciones deberán cumplir con los requisitos establecidos por la Organización Meteorológica Mundial (…). 4.4.2 Los máximos incrementos en las concentraciones de promedios en 8 horas, 24 horas y anual, se obtendrán a partir de las máximas concentraciones horarias generadas mediante el enfoque simplificado, multiplicando por 0.75, 0.45 y 0.1 respectivamente. Estas concentraciones se deberán sumar a las concentraciones de línea base en periodos de 8 horas, 24 horas y anual, respectivamente. Las concentraciones de línea base que se deben considerar corresponden a la zona de influencia en la dirección con los mayores niveles de contaminación existentes. Las concentraciones totales se deberán comparar con los niveles establecidos en la NCAA. 4.4.6 Para estimar el impacto de las fuentes fijas de combustión mediante el enfoque detallado, se podrán utilizar modelos de transporte químico en tres dimensiones.
LIBRO VI ANEXO 4: Norma de calidad del aire ambiente o nivel de inmisión 4.1.1.1 Para efectos de esta norma se establecen como contaminantes criterio del aire ambiente a los siguientes:
Partículas Sedimentables.
Material Particulado de diámetro aerodinámico menor a 10 (diez) micrones. Se abrevia PM 10.
Material Particulado de diámetro aerodinámico menor a 2,5 (dos enteros cinco décimos) micrones. Se abrevia PM 2,5.
Dióxido de Nitrógeno NO2.
Dióxido de Azufre SO2.
Monóxido de Carbono CO.
Ozono O3. 4.1.2 Normas generales para concentraciones de contaminantes criterio en el aire ambiente Partículas sedimentables. - La máxima concentración de una muestra, colectada durante 30 (treinta) días de forma continua, será de un miligramo por centímetro cuadrado (1 mg/cm2 x 30 d).
36
Material particulado menor a 10 micrones (PM10). - El promedio aritmético de la concentración de PM10 de todas las muestras en un año no deberá exceder de cincuenta microgramos por metro cúbico (50 µg/m3). La concentración máxima en 24 horas, de todas las muestras colectadas, no deberá exceder ciento cincuenta microgramos por metro cúbico (150 µg/m3), valor que no podrá ser excedido más de dos (2) veces en un año. Material particulado menor a 2,5 micrones (PM2,5). - Se ha establecido que el promedio aritmético de la concentración de PM2,5 de todas las muestras en un año no deberá exceder de quince microgramos por metro cúbico (15 µg/m3). La concentración máxima en 24 horas, de todas las muestras colectadas, no deberá exceder sesenta y cinco microgramos por metro cúbico (65 µg/m3), valor que no podrá ser excedido más de dos (2) veces en un año. Dióxido de azufre (SO2). - El promedio aritmético de la concentración de SO2 determinada en todas las muestras en un año no deberá exceder de ochenta microgramos por metro cúbico (80 µg/m3). La concentración máxima en 24 horas no deberá exceder trescientos cincuenta microgramos por metro cúbico (350 µg/m3), más de una vez en un año. Monóxido de carbono (CO). - La concentración de monóxido de carbono de las muestras determinadas de forma continua, en un período de 8 (ocho) horas, no deberá exceder diez mil microgramos por metro cúbico (10 000 µg/m3) más de una vez en un año. La concentración máxima en una hora de monóxido de carbono no deberá exceder cuarenta mil microgramos por metro cúbico (40 000 µg/m3) más de una vez en un año. Óxidos de nitrógeno, expresados como NO2.- El promedio aritmético de la concentración de óxidos de nitrógeno, expresada como NO2, y determinada en todas las muestras en un año, no deberá exceder de cien microgramos por metro cúbico (100 µg/m3). La concentración máxima en 24 horas no deberá exceder ciento cincuenta microgramos por metro cúbico (150 µg/m3) más de dos (2) veces en un año. 4.1.2.3 Las mediciones observadas de concentraciones de contaminantes criterio del aire deberán corregirse de acuerdo a las condiciones de la localidad en que se efectúen dichas mediciones, para lo cual se utilizará la siguiente ecuación:
𝐶𝑐 = 𝐶𝑜 ∗ 760𝑚𝑚𝐻𝑔
𝑃𝑏𝑙𝑚𝑚𝐻𝑔∗
(273 + 𝑡°𝐶)°𝐾
298°𝐾
4.1.3.2 Se definen los siguientes niveles de alerta, de alarma y de emergencia en lo referente a la calidad del aire. Cada uno de los tres niveles será declarado por la Autoridad Ambiental de Aplicación Responsable acreditada ante el Sistema Único de Manejo Ambiental cuando uno o más de los contaminantes criterio indicados exceda la concentración establecida en la Tabla 2 o cuando se considere que las condiciones atmosféricas que se esperan sean desfavorables en las próximas 24 horas.
37
Tabla 2. Concentraciones de contaminantes criterio que definen los niveles de alerta, de alarma y de emergencia en la calidad del aire.
Contaminante y período de tiempo
Alerta Alarma Emergencia
Monóxido de Carbono Concentración promedio en ocho horas (µg / m3)
15000 30000 40000
Ozono Concentración promedio en ocho horas (µg / m3)
200 400 600
Dióxido de Nitrógeno Concentración promedio en una hora (µg / m3)
1000 2000 3000
Dióxido de Azufre Concentración promedio en veinticuatro horas (µg / m3)
200 1000 1800
Material particulado PM 10 Concentración en veinticuatro horas (µg / m3)
250 400 500
Material Particulado PM 2,5 Concentración en veinticuatro horas (µg / m3)
150 250 350
Contaminante no convencional Nombre, referencia y descripción del método
Nombre: Espectrometría de Absorción Atómica. Referencia: Method IO 3.2. Determination of metals in ambient particulate
TULSMA, 2003
38
3. Materiales y métodos
Enfoque de la investigación
3.1.1 Tipo de investigación
Este trabajo se realizó bajo la modalidad de investigación documental y aplicada,
en la cual se recolectó información y datos pertinentes que brindan apoyo al
desarrollo de los objetivos planteados, por medio del cual se pretende destacar la
magnitud de la problemática, para así establecer medidas de reducción y mitigación
de efectos adversos en el ambiente.
Investigación documental
Se implementó información de fuente bibliográficas, tales como, tesis, libros,
artículos científicos y datos proporcionados por entidades técnicas científicas
(INAMHI, INEC, INOCAR, EPA, MAE), de manera que dieron aporte con conceptos
y definiciones que contribuyeron al planteamiento del problema y por ende a la
estimación de diferentes soluciones y/o propuestas al tema planteado.
Investigación aplicada
Mediante la información otorgada por las diferentes fuentes e instituciones, se
procedió a la implementación de los mismo en el software “AERMOD”, modelo de
dispersión atmosférica, para obtener una estimación del transporte y concentración
de los contaminantes en el área determinada.
3.1.2 Diseño de investigación
Investigación de carácter documental y aplicada, enfocada en el comportamiento
de cada uno de los contaminantes atmosféricos emitidos por la planta de refinación
de crudo ubicada en la provincia de Santa Elena, los mismos que se encuentran
influenciados por las variables meteorológicas de la zona. Para esto se implementó
39
un modelo de dispersión, donde se ajusta la ruta de dispersión de los
contaminantes y su punto de concentración.
Metodología
3.2.1 Variables
3.2.1.1 Variable independiente
Variables meteorológicas
Humedad (%)
Temperatura (°C)
Velocidad del viento (m/s)
Dirección del viento (N, S, E, O)
Condiciones físico químicas del gas
Altura del mezclado (m)
Temperatura del gas (°C)
Presión de emisión (kPa)
3.2.1.2 Variable dependiente
Concentración de contaminantes (µ/m3)
Índice de la calidad de aire (buena, moderada, peligrosa)
3.2.2 Recolección de datos
3.2.2.1 Recursos bibliográficos
Libros
Tesis
Artículos científicos
40
3.2.2.2 Documentos de páginas web
Instituto nacional de meteorología e hidrología (INAMHI)
Agencia d Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA)
Ministerio del Ambiente (MAE)
3.2.2.3 Recursos informáticos
Internet
Google Earth
AERMOD VIEW
3.2.2.4 Materiales y equipos
Computadora
Resma de papel
Libreta
3.2.2.5 Recurso humano
Gabriela Margarita Reyes Ureta, Tesista de la carrera de Ingeniería
Ambiental, Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Agraria del
Ecuador.
Oce. Leila Zambrano M.Sc., tutora de tesis, Facultad de Ciencias
Agrarias, Universidad Agraria del Ecuador.
3.2.2.6 Métodos y técnicas
Para el desarrollo de este estudio se han estructurado objetivos específicos,
donde se ampliarán de forma progresiva con un procedimiento metodológico, de
manera que cumpla con el objetivo general planteado y la información necesaria
para un correcto resultado y análisis.
41
Caracterización el área de estudio de la refinería “La Libertad” mediante
la recolección y procesamiento de datos.
En lo refiere a la caracterización del área de estudio, se procedió a la solicitud
de datos correspondientes a la fuente de emisión, variables meteorológicas y datos
topográficos del espacio geográfico.
La información meteorológica requerida por el modelo de dispersión fue
solicitada al Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI), encargado
de la red de Estaciones Meteorológicas Costeras del Ecuador. La base de datos
requerida procede de la estación meteorológica “La libertad”, donde las variables
solicitadas son las siguientes:
- Temperatura máxima
- Temperatura mínima
- Precipitación
- Nubosidad
- Dirección del viento
- Velocidad del viento
- Radiación solar
- Presión atmosférica
- Humedad relativa
El dato específico de la fuente de emisión será proporcionado por la misma
refinería “La Libertad”, departamento de mantenimiento. La información solicitada
es:
- Ubicación UTM
- Emisión de contaminante
- Diámetro de la chimenea
42
- Altura de la chimenea
- Velocidad del gas (salida)
- Temperatura del gas (salida)
- Tiempo de operación
- Producción de vapor
Las características topográficas de área de estudio, además de los
asentamientos poblacionales se obtuvo por medio de imágenes satelitales de
Google Earth procesada por los programas AERMAP y AERMOD.
Evaluación del comportamiento de contaminantes emitidos por la
refinería mediante la implementación de modelos de dispersión
AERMOD VIEW.
Para el cumplimiento de este objetivo, se implementó el modelo de dispersión
atmosférica AERMOD VIEW, software avalado por la Agencia de Protección
Ambiental de los Estados Unidos (EPA).
Para el desarrollo de este programa, se contó con la colaboración de dos
procesadores de datos de entrada considerados como complementos reguladores
del sistema, a continuación, se detalla su funcionamiento:
AERMET: procesador de datos meteorológicos, por medio de los cuales se
determinó las condiciones de dispersión y transporte de los contaminantes emitidos
a la atmósfera. Se procesarán una base de datos de 10 años solicitados al Instituto
Oceanográfico de la Armada (INOCAR), estación meteorológica “La Libertad”. Con
estos se logró la representación de la rosa de los vientos, la frecuencia de
distribución de los vientos y características de la estabilidad atmosférica.
AERMAP: procesador de datos topográficos, mediante el cual se efectuó las
curvas de nivel y determinó las características del terreno de estudio, tales como,
43
altura, elevaciones y poblaciones cercanas a considerar en el área de influencia, a
través de imágenes satelitales.
Análisis de simulaciones para la identificación de puntos de
concentración de contaminantes atmosféricos.
Por consiguiente, para el cumplimiento de este último objetivo, se realizó un
análisis y descripción explícita de cada uno de los gráficos y mapas de curvas de
concentración que será obtenido por medio de la simulación del programa
AERMOD VIEW.
Con esto se realizó la identificación de los diversos puntos de concentración y
áreas sensibles, como son: núcleos poblacionales, vegetación y ecosistemas en
general, de la zona de estudio. Por lo tanto, con los datos de concentraciones
obtenidas se logró una comparación en contraste al criterio legal, tal como, máximo
y mínimo permisible, establecidos por el Texto Unificado de Legislación Secundario
(TULSMA) de manera que se determine el cumplimiento o incumplimiento de los
valores límites.
3.2.3 Análisis estadístico
La concentración de contaminantes que permiten determinar los modelos de
dispersión de fuente fija es expresada de forma cuantitativa, debido al uso de base
de datos numéricos, condiciones meteorológicas y físicas que dan como resultado
la simulación del transporte de las partículas y gases emitidos a la atmósfera. En
este estudio se aplicó la ecuación matemática de la distribución de Gauss.
El modelo de dispersión de Gauss puede expresarse mediante la siguiente
ecuación:
𝐶(𝑥,𝑦,𝑧,𝐻) = [𝑄
2𝜋𝜇𝜎𝑥𝜎𝑧]
−[𝑦2
2𝜎𝑦2]{−[
(𝑧−𝐻)2
2𝜎𝑦2 ]+[
(𝑧+𝐻)2
2𝜎𝑧2 ]}
44
Donde:
𝑄 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 (𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜)
𝜇 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 (𝑚/𝑠)
𝜎𝑥𝜎𝑦 = 𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛
𝐻 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎
𝑦 = 𝑐𝑜𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑎 𝑎 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑧 = 𝑐𝑜𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
Los resultados obtenidos serán representados por medio de gráficos
estadísticos, como gráficos de barra, líneas o dispersión, según los datos lo
requieran de manera que se aprecien de forma clara y precisa.
45
4. Resultados
Caracterización del área de estudio de la refinería “La Libertad”
mediante la recolección y procesamiento de datos.
La planta refinadora de petróleo, La Libertad, señalada como área de estudio
de este proyecto, se encuentra ubicada en la provincia de Santa Elena; con el
propósito de procesar 45000 barriles por día (BPD) de crudo de 27°-28° API
proveniente de occidente y 34°-35° API, de la cual derivan fuel oil No. 4, gasolina
base y extra, Jet A-1, GLP, entre otros.
A fin de la obtención de estos productos, se desarrollan diversas actividades que
constituyen el proceso productivo del mismo, que a consecuencia se origina el
desprendimiento de diversos contaminantes que son emitidos a la atmósfera. A
continuación, se describe los contaminantes y los procesos de origen.
Óxidos de azufre (SOx): este gas en concentraciones superiores a las
estandarizadas afecta directamente a las vistas y al sistema respiratorio
humano, además de presentar olores fuertes. Estas sustancias se
desprenden de los hornos, antorchas, turbinas de gas e incineradores.
Material particulado (PM 10 - PM 2.5): se da origen durante las
actividades de las plantas de coke, incineradores, quema de combustibles
sólidos y líquidos. Este material puede llegar a ser hollín, polvo y
partículas liquidas debido a la condensación de vapor. Este contaminante
puede favorecer al desarrollo de enfermedades cardiovasculares y
respiratorias.
Óxidos de carbono (COx): provenientes de la quema incompleta de
combustibles orgánicos debido a la escasez de oxígeno. El CO puede
46
llegar a ser un gas muy peligroso que al entrar al torrente sanguíneo
produce alteraciones de circulación de oxígeno a todo el cuerpo
Óxidos de nitrógeno (NOx): se generan debido a las altas temperaturas
de las antorchas, calderas de CO e incineradores. Se caracteriza por ser
e integrante principal de las lluvias acidas, ser corrosivos y uno de los
responsables de la destrucción de la capa de ozono.
La refinería la libertad cuenta con diferentes plantas de producción, en este
estudio se especificará las características de la planta PARSONS con una
capacidad de producción de 26000 barriles por día (Tabla 3) y la planta de
generación que mediante vapor y energía eléctrica abastece a todos los procesos
(Tabla 4).
Tabla 3. Especificaciones técnicas planta PARSONS
Parámetro Horno RLL
Tipo de fuente Horno
Consumo de combustible 595 gal/h
Tipo de combustible Fuel oil
Horas de funcionamiento 24
Diámetro de chimenea 1.61 m
Altura de chimenea 39 m
Reyes, 2020
Tabla 4. Especificaciones técnicas Planta Eléctrica
Parámetro #1 #3 #4 #5
Tipo de fuente Turbina Turbina Turbina Turbina
Consumo de combustible
120 gal/h 120 gal/h 120 gal/h 120 gal/h
Tipo de combustible Diésel Diésel Diésel Diésel
Horas de funcionamiento
24 24 24 24
Diámetro de chimenea 0.74 0.74 0.74 0.74
Altura de chimenea 8.5 8.5 8.5 8.5
Reyes, 2020
Como uno de los datos principales que solicita el programa, se encuentra la
información específica sobre los contaminantes emitidos, es decir, la tasa de
emisión, temperatura, velocidad de salida del gas.
47
La tasa de emisión de los contaminantes mencionados es calculada en base a
los datos registrados en los monitoreos de las fuentes (Tabla 13 y Tabla 14); para
esto se desarrollan las siguientes formulas:
Área transversal
𝐴 = 𝜋(𝐷/2)2
Flujo volumétrico
𝑓𝑣 = 𝐴 ∗ 𝑣
Tasa de emisión
𝑇𝐸𝑚 = 𝑓𝑣 ∗ 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Para la obtención de la tasa de emisión de los diferentes contaminantes, en
condiciones donde se presenta escasez de datos, se acude a la aplicación de una
fórmula planteada por la EPA en base al factor de emisión.
𝐸 = 𝐴 ∗ 𝐹 (1 −𝐸𝑅
100)
El factor de emisión es extraído del documento “AP-42 Compilación de factores
de emisiones atmosféricas”, capitulo 1, fuentes de combustión externas. Para la
selección se debe tener en cuenta el tipo de maquinaria, tipo de combustible,
consumo de combustible y porcentaje de azufre.
Tabla 5. Factor y tasa de emisión Planta Parsons
Contaminantes Factor de emisión Tasa de emisión
Dióxido de azufre 157(S) lb/103gal 47.41 gr/s
Óxido nitroso 47 lb/103gal 3.5 gr/s
Reyes, 2020
El terreno en que se ubica la planta procesadora se ubica entre los 13 – 27
msnm; presenta una inclinación promedio de 1.5 – 1.9%; área urbana totalmente
intervenida que colinda con urbanizaciones residenciales como Las Acacias y
Puerto Nuevo.
48
En cuanto a las características climatológicas y meteorológicas del área de
estudio, se solicitó una base de datos al Instituto Nacional de Meteorología e
Hidrología del Ecuador del año 2019 de la estación meteorológica La libertad con
código M1107, ubicada a -2.233611 latitud y -80.875125 longitud, donde se obtiene
un promedio de la temperatura mínima de 17°C y máxima de 33°C, humedad
relativa en temporada lluviosa de 80% y seca de 37%; además con la información
adquirida se logró mediante la rosa de los viento modelar y representar la
orientación de los mismos.
Tabla 6. Datos meteorológicos, promedios mensuales 2019
Mes Dirección del viento °
Velocidad del viento m/s
Precipitación mm
Enero 224 2.88 22.2
Febrero 222 2.27 135.1
Marzo 239 2.19 22.4
Abril 228 2.25 1.9
Mayo 229 2.82 1.8
Junio 237 2.98 0.4
Julio 233 2.75 1.1
Agosto 223 2.88 0.1
Septiembre 237 2.83 0.2
octubre 236 2.97 0.7
Noviembre 228 3.2 2.5
Diciembre 226 3.31 5.9
Promedio 230 2.7 194.3
INAMHI, 2020
Mediante el promedio mensual del año 2019 de la dirección y velocidad del
viento y la precipitación, valores detallados en la Tabla 6, se procede al
procesamiento de datos a través de la ejecución del procesador
AERMET/WRPLOT, con el cual se logra graficar el comportamiento del viento y su
49
dirección predominante. El vector resultante, se considera como una forma común
por medio de la cual se representa la dirección principal del viento, es decir, la
magnitud de este vector refleja la frecuencia de la dirección media; por lo tanto, el
grafico calcula un vector resultante de 56 deg – 77%.
Figura 1. Rosa de los vientos AERMOD – WRPLOT, 2020
Figura 2. Distribución de los vientos AERMOD – WRPLOT, 2020
50
Evaluación del comportamiento de contaminantes emitidos por la
refinería mediante la implementación del modelo de dispersión
AERMOD VIEW.
El modelo de dispersión atmosférico AERMOD VIEW es considerado como uno
software de última generación recomendado y desarrollado por la EPA. Este
programa trabaja como un modelo de distribución gaussiana en una pluma de modo
estacionario, para su completa ejecución toma en cuenta las características del
entorno, tanto del suelo como del aire. Por lo consiguiente el programa cuenta con
dos procesadores de manera que realizas sus cálculos e identifica como las
variables afectan en la pluma.
4.2.1 AERMET
Para lograr la caracterización y análisis total del área en estudio, AERMOD
requiere de dos bases de datos meteorológicas, archivo de superficie (Surface met
data) por medio del cual se logra el análisis de las cuantificaciones de la capa limite
horaria; y archivo de perfil (Profile met data) que especifica las fluctuaciones de las
variables estudiadas. Estos archivos serán obtenidos por medio del pre
procesamiento en AERMET (Figura 3).
Ahora bien, para la obtención de bases de datos de la superficie se necesita
procesar las siguientes variables meteorológicas:
Nubosidad
Temperatura seca
Humedad relativa
Presión de la estación
Dirección del viento
Velocidad del viento
51
Precipitación
En la Tabla 7 se detalla la cantidad de datos introducidos para cada variable y
de ellos se clasifica en datos perdidos o en blanco y datos fuera de los límites;
además se muestra el porcentaje de datos aceptados para el procesamiento. Esto
último mencionado es muy importante, ya que el programa considera que un
porcentaje por debajo de 90 no es apto para una modelación.
Tabla 7. Auditoría de datos meteorológicos
Total Perdidos Límite inferior
Límite superior
Aceptado %
PRCP 8760 0 0 0 100
PRES 8760 0 0 0 100
CLHT 8760 8760 0 0 0
TS 8760 0 0 0 100
KC 8760 0 0 0 100
TMPD 8760 17 0 0 99.81
RHUM 8760 18 0 0 99.79
WDIR 8760 29 0 0 99.67
WSPD 8760 30 0 0 99.66
AERMOD, 2020
Además de las variables se debe describir el año, mes, día y hora de cada uno
de los valores, según el formato establecido por el programa. Entre otras de las
especificaciones que solicita el programa se encuentra información sobre la
estación meteorológica y los sectores.
Figura 3. Archivos meteorológicos de salida AERMET, 2020
52
4.2.2 AERMAP
Con este procesador se detallan todos los datos topográficos que respectan al
área de estudio que va desde la elevación del terreno, fuentes, receptores, edificios,
entre otros. Es necesario detallar toda esta información ya que todos estos factores
inciden de alguna manera en el transporte de los contaminantes.
4.2.2.1 Control de ruta (Control Pathway)
En esta sección se especifica datos como las opciones de dispersión, donde se
selecciona el objetivo principal del trabajo que es evaluar el comportamiento de los
contaminantes y su concentración en un área determinada.
En la siguiente pestaña hace referencia a información sobre los contaminantes,
tales como, nombre, periodo de tiempo a evaluar que, en referencia a los
lineamientos establecidas por las Normas Ambientales del Ecuador, se establece
por un periodo de 1 hora, 3 horas, 8 horas, 24 horas y un año de manera que se
logre hacer una comparación resultante. El coeficiente de dispersión es
seleccionado según el área a intervenir, en este caso es área urbana.
Por último, se selecciona el tipo de suelo en que se encuentran las fuentes y
receptores, en este caso es un tipo de suelo llano con pocas elevaciones.
Figura 4. Control de Ruta AERMOD, 2020
53
4.2.2.2 Fuentes
En esta área se ingresa toda la información pertinente a las fuentes de emisión
y sus contaminantes. Al seleccionar en el botón editar fuente, se despliegan todos
los campos a completar, tales como, ubicación, altura de base y chimenea, además
de los parámetros de salida del gas (Figura 5).
Figura 5. Registro de fuentes AERMOD, 2020
Otra opción que presenta este procesador, es el modelo de “building downwash”,
es decir, en esta sección se puede ingresar datos de los edificios que se encuentren
el área estudiada, ya que se considera que pueden intervenir en el transporte de
los contaminantes emitidos.
4.2.2.3 Grupos urbanos
Como ya se ha mencionado anteriormente, el área se encuentra totalmente
intervenida, catalogada como de tipo residencial, su coeficiente de dispersión es
urbana, por lo tanto, se deben establecer las áreas urbanas que serán involucradas
en el modelo. En este caso es un solo grupo urbano ya que no se cuentan con
54
grandes extensiones que separen las zonas residenciales de las fuentes de
emisión.
Figura 6. Grupo Urbano AERMOD, 2020
4.2.2.4 Receptores
Para determinar los receptores es necesario establecer el área y límites de hasta
donde se desea llegar con la evaluación de los contaminantes. Para esto, es
necesario la aplicación de una malla o grilla (grid), mediante la cual se cubre todo
el perímetro que desea ser evaluado.
El programa ofrece diversos tipos de mallado, en este caso se aplica el mallado
de multi nivel (Multi-Tier Grids), ya que es mediante esta opción que se logra
obtener una definición más precisa de los puntos de impacto superior. Para esto el
modelo AERMOD presenta los criterios de separación de intervalos.
Tabla 8. criterio de extensión de receptores
Altura de la chimenea (m) Área (km2)
10 - 30 1 - 5
≥ 30 20 - 25
Reyes, 2020
55
Tabla 9. Criterio de intervalo de receptores
Distancia entre fuente y límite de la propiedad (m)
Intervalo entre receptores (m)
<200 10
200 20
300 50
800 100
1800 200
4800 500
Reyes, 2020
Con respecto a los parámetros físicos de la chimenea y tomando en cuenta que
no supera los 20 metros de altura, el área de cobertura del modelo será de 5 km2 y
el espaciado entre receptores será de 50 metros.
Figura 7. Mallado Multi nivel AERMOD, 2020
56
4.2.2.5 Ajustes de terreno
En esta pestaña se permite ajustar características del terreno, entre ellas las
topográficas; es así que se detallan las elevaciones a las que se encuentra los
receptores y fuentes de emisión (Figura 8).
Para el desarrollo de esta medida se necesita especificar el tipo de mapa o la
base de datos sobre el terreno, en este caso se hace uso de un archivo tipo
SRTM/SRTM1, cuya información abarca el territorio de estudio.
Figura 8. Procesador de terreno AERMAP, 2020
Una vez ya configurado todos los datos e información requerida, además de
seleccionar las elevaciones a importar, receptores y fuentes, se procede a correr el
programa. Como resultado se obtendrá una imagen general del área de estudio
codificado por colores según la altura del terreno. Mediante esta imagen se
determina que el área industrial se encuentra entre los 10 y 20 msnm (Figura 9).
57
Figura 9. Estructura topográfica AERMOD, 2020
4.2.3 Resultados de corrida de modelo
En la siguiente sección se presentan los resultados obtenidos de la corrida del
modelo de dispersión atmosférica para todas las fuentes de emisión fija ingresadas
y el área determinada. Los resultados se dan a conocer en dos formatos, tanto en
tablas numéricas como en gráficos de concentración.
En los gráficos se puede observar la distribución geográfica, receptores y curvas
de concentración distinguidas con colores, además de una escala que parametriza
los valores resultantes de los contaminantes; de esta manera se busca identificar
las áreas más propensas a altas concentraciones de contaminantes.
A continuación, por medio de la Tabla 10 se dan a conocer las concentraciones
simuladas por el modelo de dispersión, en base a la tasa de emisión.
58
Tabla 10. Concentraciones obtenidas por el modelo de dispersión AERMOD View.
Contaminantes Periodo Unidades Concentración
estimada Anexo
Dióxido de Azufre (SO2)
24 horas µg/s
159 Figura 16
Anual 61.4 Figura 17
Monóxido de carbono
1 hora µg/s
285 Figura 18
8 horas 118 Figura 19
Óxido de Nitrógeno (NO)
24 horas µg/s
79.5 Figura 21
1 año 30.4 Figura 22
Reyes, 2020
Análisis de simulaciones para la identificación de puntos de
concentración de contaminantes atmosféricos.
Las concentraciones estimadas por el programa se determinaron para los
periodos establecidos por la Norma de Calidad del Aire Ambiente o Nivel de
Inmisión, Libro VI, Anexo 4, según la norma general para concentraciones de
contaminantes criterio en el aire ambiente. A continuación, se realiza una breve
comparación con los máximos permisibles de esta norma para identificar el
cumplimiento o incumplimiento de la misma.
Tabla 11. Comparación de concentraciones con máximos permisibles
Contaminantes Periodo Concentración estimada (µg/s)
LMP (µg/s)
Cumplimiento
Dióxido de Azufre (SO2)
24 horas 159 125 No cumple
Anual 61.4 60 No cumple
Monóxido de carbono 1 hora 285 3000 Cumple
8 horas 118 1000 Cumple
Óxido de Nitrógeno (NO)
24 horas 79.5 --- No aplica
1 año 30.4 --- No aplica
Reyes, 2020
59
Como se puede apreciar en la Figura 16 y Figura 17, las concentraciones de
SO2 sobrepasan los valores permisibles. Estas concentraciones se encuentran
tanto dentro de la refinería como fuera de la misma. En la figura 16 se identifican
dos puntos de concentración máxima de contaminantes, a 112 metros al nor-oeste,
cubriendo un área de 15541.2 m2 y a 165 metros al este cubriendo parte zonas
residenciales. En estos puntos de concentración se encuentra un complejo
deportivo, el barrio Puerto Rico, Puerto Nuevo, Cautivo y recinto Bolívar, ahora
bien, determinados como zonas sensibles o vulnerables.
Los valores de monóxido de carbono obtenidos por el programa señalan que sus
niveles se encuentran dentro de los límites máximos permisibles como lo muestra
en la Tabla 11. Según la Figura 18, las concentraciones más altas registradas
toman una dirección hacia el este por sus vientos predominantes y cubren un área
de aproximadamente 5087444.8 m2. Como lo muestra la Figura 19, las
concentraciones son reducidas y se mantienen en las cercanías de la refinería a
tan solo 88 m de distancia de las fuentes.
Las concentraciones del óxido de nitrógeno se encuentran relativamente bajas,
donde la concentración máxima registrada según el modelo, no pasa de 79.5 µg/m3
en un periodo de 24 horas con una distancia de hasta 1.5 km desde la fuente
(Figura 21); mientras las concentraciones anuales no van más allá de los 30.4
µg/m3.
60
5. Discusión
En base a los resultados del estudio realizado sobre el impacto de la industria
petrolera en Cuba (Aranda, Cuesta, & Wallo, 2013), señala que el procesamiento
de este hidrocarburo, es una de la las principales emisoras de contaminantes,
principalmente del dióxido de azufre en mayores concentraciones; que en contraste
con los resultados obtenidos en el actual proyecto, se ha demostrado que el SO2
ha sido el único contaminante que no cumple con los límites permisibles
establecidos por las norma con una concentración de 159 µg/m3 para el periodo de
24 horas y 61.4 µg/m3 para el periodo de 1 año. Además, cabe mencionar que,
vinculado con la presencia de los óxidos de nitrógeno, que en este caso cuenta con
una concentración de 79.5 µg/m3 durante 24 horas y 30.4 µg/m3 anual, contribuye
a la generación de lluvias ácidas.
Claramente se puede comparar los resultados con los de otras industrias, por
ejemplo, en el estudio realizado por la Universidad Santiago de Cali – Colombia a
una empresa papelera (Daza, 2018), donde destacan sus concentraciones por ser
evidentemente bajas, con valores no mayores a 0.012 µg/m3 anuales para dióxido
de azufre, siendo así considerado como un impacto insignificante para el medio;
además cabe recalcar que la empresa cuenta con una técnica de reducción de
emisiones empleado en sus calderas, precipitado electrostático, mediante el cual
garantizan la reducción de emisiones de contaminantes al medio.
Como se menciona en el artículo “Riesgos ambientales por emisiones
atmosféricas en una refinería de petróleo” (2010), se hace referencia a la
identificación de un escenario catastrófico para la salud humana; de la misma
manera en este trabajo se señaló las áreas que se encuentran bajo la influencia de
ciertos contaminantes en grandes cantidades que de cierta forma pueden afectar a
61
la población residente del área, como son zonas residenciales tales como barrio
Puerto Nuevo, Cautivo y Puerto Rico, además de áreas de recreación pública.
Como lo indica Pablo Sibaja (2014) en su estudio, las grandes edificaciones en
las cercanías de las industrias inciden en la precipitación temprana de los
contaminantes. Como es evidente en los gráficos de concentración de
contaminantes de este trabajo, existen puntos de concentración dentro de la
refinería; en este caso es debido a la cantidad de tanques de almacenamiento de
gran altitud que, vinculado a la dirección de los vientos, llegan a una corta distancia.
62
6. Conclusiones
Mediante la aplicación de la modelización de transporte de contaminantes se
pudo constatar la utilidad, facilidad y confiabilidad de este método y del software en
manifiesto. La identificación de altas concentraciones que sobrepasen límites
permisibles establecidos por la ley ambiental, caracterización de las zonas
vulnerables o sensibles y su distribución desde la fuente de emisión a través del
tiempo en función de las variables meteorológicas y del terreno son algunos de los
beneficios que aporta esta herramienta.
La simulación obtenida por medio del software AERMOD View, procesó datos
meteorológicos horarios por todo un año de manera que los resultados sean más
acordes y precisos a las características y condiciones del área. Mientras que,
debido a la carencia de datos sobre las fuentes y tasas de emisión, se procedió a
implementar factores de emisión establecidos por la Agencia de Protección
Ambiental (EPA), documento “AP-42 recopilación de factores de emisión de
contaminantes atmosféricos”.
Uno de los factores que intervino evidentemente en el transporte de
contaminantes es la estabilidad atmosférica, que según la categorización de
Pasquill, se presenta categoría tipo A, B, C, D, E, F, es decir, desde
extremadamente inestable a moderadamente estable.
Dentro de los resultados se logró destacar las áreas sensibles o más
vulnerables, entre esto cabe mencionar que debido a que la refinería se encuentra
en una zona urbana, donde sus alrededores son establecimientos residenciales, el
perjuicio va directamente a los habitantes del área. Entre los receptores más
afectados podemos mencionar al barrio Puerto Nuevo y Cautivo, por las altas
63
concentraciones de SO2, mientras el sector menos afectado debido a influencia y
dirección de los vientos es el sector de las Acacias y 6 de diciembre.
Luego del análisis de los resultados obtenidos, se puede concluir que la industria
petrolera es una de las principales emisoras de contaminantes a la atmósfera, por
ende, se admite la hipótesis planteada que refiere a que la calidad del aire de las
zonas residenciales aledañas a la refinería se encuentra totalmente condicionada
por las emisiones de la misma.
64
7. Recomendaciones
El software de dispersión de contaminantes AERMOD View es un modelo
muy fácil y eficaz de implementar, además de ser un programa
económico; por lo tanto, se sugiere la implementación de sistemas que
aporten al control de la contaminación de una forma constante o más
frecuente, es así que la modelación en función de la estaciones o
temporadas ya sea húmeda o seca es recomendable para la obtención
de resultados más específicos.
Para una simulación mucho más fiable, se recomienda el empleo de datos
reales de monitoreos realizados por empresas certificadas y así obtener
resultados que le permitan identificar el impacto y la responsabilidad
ambiental que conlleva la actividad.
Se sugiere que la compañía desarrolle de forma más frecuente
monitoreos de la calidad, de manera que lleve un control mucho más
específico de sus emisiones a la atmósfera.
Debido a las altas concentraciones de dióxido de azufre (SO2) tanto
dentro como en las afueras de las refinerías, es recomendable que se
implemente un sistema de lavado de SO2, de manera que este método
puede llegar a eliminar desde un 90 a un 99% del contaminante.
Se recomienda realizar mediciones en las áreas que fueron catalogadas
como sensibles o vulnerables por las altas concentraciones de SO2, para
de esta manera comparar las mediciones con los resultados del software
y tener conocimiento de si existe un riesgo a la población expuesta.
65
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72
9. Anexos
Anexos de figuras
Figura 10. Delimitación del área de proyecto Google Earth, 2020
Figura 11. Inversión térmica Secretaría de medio ambiente y desarrollo territorial, 2017
73
Figura 12. Monitoreo de la Calidad del Aire Instituto Nacional de Ecología, 2011
Figura 13. Gradiente Adiabático seco y saturado UTPGC, 2017
Figura 14. Niveles de la calidad del aire EPA, 2016
74
Figura 15. Parámetros de variables meteorológicas AERMET, 2020
Figura 16. Concentración SO2 - 24 horas AERMOD, 2020
76
Figura 17. Concentración SO2 - Anual AERMOD, 2020
77
Figura 18. Concentración CO - 1 hora AERMOD, 2020
78
Figura 19. Concentración CO - 8 horas AERMOD, 2020
79
Figura 20. Concentración CO - Anual AERMOD, 2020
80
Figura 21. Concentración NOx - 24 horas AERMOD, 2020
81
Figura 22. Concentración NOx - Anual AERMOD, 2020
Anexos de tablas
Tabla 12. Frecuencia de vientos 2019 Dirección de los
vientos (m/s) 0.50-2.10
2.10-3.60
3.60-5.70
5.70-8.80
8.80-11.10
≥11.10 Total
355.00-5.00 72 55 16 1 0 0 144
5-15 64 102 4 0 0 0 206
15-25 103 213 125 7 0 0 448
25-35 103 458 308 22 0 0 891
35-45 158 578 452 53 0 0 1241
4555 160 627 457 34 0 0 1278
55-65 144 510 381 18 0 0 1053
65-75 149 431 271 10 0 0 861
75-85 144 281 149 1 0 0 575
85-95 95 196 87 1 0 0 379
95-105 66 133 62 0 0 0 261
105-115 35 56 30 0 0 0 121
115-125 44 63 46 2 0 0 155
125-135 47 96 71 0 0 0 214
135-145 35 51 32 1 0 0 119
145-155 40 31 15 0 0 0 86
155-165 34 26 10 1 0 0 71
165-175 21 21 1 0 0 0 43
175-185 17 5 1 0 0 0 23
185-195 25 3 1 0 0 0 29
195-205 18 1 0 0 0 0 19
205-215 8 1 0 0 0 0 9
215-225 10 2 0 0 0 0 12
225-235 15 1 0 0 0 0 16
235-245 9 1 0 0 0 0 10
245-255 12 1 0 0 0 0 13
255-265 18 3 0 0 0 0 21
265-275 12 3 0 0 0 0 15
275-285 17 1 0 0 0 0 18
285-295 31 2 0 0 0 0 33
295-305 36 12 0 0 0 0 48
305-315 47 5 1 0 0 0 53
315-325 36 3 0 0 0 0 39
325-335 46 8 0 0 0 0 54
335-345 35 10 0 0 0 0 45
345-355 43 21 11 0 0 0 75
Subtotal 1949 4011 2567 151 0 0 8678
Calms 52
Incompletos 30
Total 8760
Reyes, 2020
83
Tabla 13. Monitoreos insitu planta PARSONS
Parámetros Unidades Resultado 1 Resultado 2
Temperatura de salida de gas
°C 536 535
Oxígeno % 6.43 6.41
Dióxido de carbono % 11.29 11.31
Monóxido de carbono
mg/m3 0 0
Dióxido de azufre mg/m3 1616 1633
Óxido de nitrógeno mg/m3 587 594
Material particulado mg/m3 --- ---
Eficiencia --- 71.6 71.8
Exceso de aire --- 41.2 41
Velocidad de flujo m/seg 9 10
Negro de humo --- 1 1
Reyes, 2020
Tabla 14. Monitoreo insitu Planta Eléctrica
Parámetros Unidades Turbina #1 Turbina #3 Turbina #4 Turbina #5
Result.1 Result.2 Result.1 Result.2 Result.1 Result.2 Result.1 Result.2
Temperatura de salida de gas
°C 470 463 421 395 440 446 443 348
Oxígeno % 17.05 16.87 1758 17.42 17.23 17.12 17.20 17.55
Dióxido de carbono % 2.90 3.03 2.50 2.62 2.76 2.85 2.78 2.53
Monóxido de carbono
mg/m3 85 74 206 155 60 56 172 261
Dióxido de azufre mg/m3 165 166 186 177 173 168 172 174
Óxido de nitrógeno mg/m3 149 149 126 124 157 155 10 118
Material particulado mg/m3 --- --- --- --- --- --- --- ---
Eficiencia % 13.6 18.8 11.7 20.9 16.4 17.5 15.9 28.5
Exceso de aire % 385.8 365.7 465.5 432.7 407.7 393.8 403.8 450.7
Velocidad de flujo m/seg 10 7 12 8 8 7 11 9
Negro de humo --- 2 2 3 3 4 3 4 4
Refinería La Libertad, 2020
Tabla 15. Tasa de emisión
Fuente Unidades CO NO SO2
PARSONS1 g/s --- 10.74 29.53
PARSONS2 g/s --- 12.05 33.14
TURB1 g/s 0.34 0.596 0.666
0.207 0.417 0.464
TURB3 g/s 0.98 0.604 0.89
0.496 0.396 0.566
TURB4 g/s 0.192 0.502 0.553
0.156 0.155 0.47
TURB5 g/s 0.756 0.528 0.756
0.939 0.626 0.424
Reyes, 2020