contaminantes orgÁnicos persistentes y calidad de aire ... · según la organización mundial de...

CARLOS MARIO GONZÁLEZ DUQUE

Ingeniero Químico. MSc.

E-mail: [email protected]

Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental

Universidad Nacional de Colombia sede Manizales

Manizales, mayo 16 de 2013

CONTAMINANTES ORGÁNICOS PERSISTENTES Y CALIDAD

DE AIRE, AVANCES TECNOLÓGICOS EN MODELACIÓN DE

CALIDAD DEL AIRE. Experiencia visita al Instituto Nacional de

Investigaciones Espaciales, Brasil

I Jornada Técnica para Ingeniería Ambiental – Universidad Católica de Manizales 1

CONTENIDO

2

1. Introducción: Contaminación atmosférica y calidad del

aire – Problemática global y local

2. Contaminantes Orgánicos Persistentes: Seguimiento en

aire ambiente

3. Modelación de calidad del aire: Su utilidad en el estudio

de la contaminación atmosférica. Experiencia visita al

Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales, Brasil

I Jornada Técnica para Ingeniería Ambiental – Universidad Católica de Manizales

3

CONTAMINANTES ORGÁNICOS PERSISTENTES Y CALIDAD DE AIRE, AVANCES TECNOLÓGICOS EN

MODELACIÓN DE CALIDAD DEL AIRE. Experiencia visita al Instituto Nacional de Investigaciones

Espaciales, Brasil

INTRODUCCIÓN

Contaminación atmosférica y calidad del

aire – Problemática global y local


4

INTRODUCCIÓN

CORPOCALDAS y FUNAC, 2009

QUÉ ES LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA?

Alteración causada por la adición a la atmósfera

de gases, o partículas sólidas o líquidas en

suspensión, en proporciones distintas a las

naturales que pueden poner en peligro la salud del

hombre, el bienestar de las plantas y animales,

atacar diferentes materiales, reducir la visibilidad

o producir olores nocivos


5

INTRODUCCIÓN

Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), el aire limpio es

un requisito básico para la salud y el bienestar humano.

Más de dos millones las

muertes prematuras se pueden

atribuir cada año a efectos de

contaminación del aire

Los países en desarrollo

sufren más de la mitad de

esta carga de enfermedad

OMS, 2006; Ramanathan y Feng, 2009; CONPES 3550, 2008

Situación de COLOMBIA

6.000 muertes y 7.400 nuevos casos de bronquitis crónica al año

son atribuibles a la calidad del aire en exteriores.

PROBLEMAS POR LA DISMINUCIÓN EN LA CALIDAD DEL

AIRE

Efectos adversos por emisiones de contaminantes

atmosféricos Cambios

climáticos

Afecciones a la calidad

de vida Desequilibrio de

ecosistemas


6

INTRODUCCIÓN

Producto de la emisión de contaminantes derivados de acción

antrópica o natural, se generan efectos con características globales

y locales

EFECTOS DERIVADOS DE LA CONTAMINACIÓN

ATMOSFÉRICA Y ACCIONES PARA SU DISMINUCIÓN Y

CONTROL

CAMBIO CLIMÁTICO

Y CALENTAMIENTO

GLOBAL

DESTRUCCIÓN

DE LA CAPA DE

OZONO

Diferentes acciones y políticas a nivel global y local se han

propuesto para combatir los efectos derivados de la

contaminación atmosférica Algunos ejemplos importantes….

Efectos de características

globales:

Protocolo de

Kyoto: Busca

reducción de las

emisiones de

gases de efecto

invernadero como

CO2, CH4 entre

otros

Protocolo de

Montreal: Control de

producción de las

Sustancias

Agotadoras de la

Capa de Ozono

(SAO) I Jornada Técnica para Ingeniería Ambiental – Universidad Católica de Manizales

7

INTRODUCCIÓN EFECTOS DERIVADOS DE LA CONTAMINACIÓN


CONTROL

LLUVIA ÁCIDA

PROBLEMAS POR LA

EMISIÓN DE

COMPUESTOS

ORGÁNICOS

PERSISTENTES (COPs)

Efectos de carácter TRANSFRONTERIZO a nivel troposférico:

Plan de Vigilancia Global (PVG):

Liderado por la OMM

Redes de monitoreo en diferentes

regiones del mundo: Norteamérica (EPA-

Clean Air Act), Europa (EMEP), Asia

(EANET).

Monitoreo en centros poblados de

grandes ciudades y algunas urbes

intermedias (caso Manizales1, 2)

Convenio de Estocolmo: instrumento

internacional para la aplicación de medidas

internacionales respecto de los COPs


1Vélez et al., 2010; 2González y Aristizábal, 2012)

8



CONTROL

AFECCIONES A LA SALUD PRODUCTO DE LA EMISIÓN

DE CONTAMINANTES CRITERIO: MP, O3, CO, NOx, SO2…

Efectos con características locales:

Políticas y planes a nivel

nacional principalmente

Caso Colombia:

Política de Prevención y Control

de la Contaminación del Aire

Sistemas Vigilancia de la

Calidad del Aire (SVCA) como

parte de los Planes de Gestión

de la Calidad del Aire (PGCA)

Cooperación entre grupos de

investigación y redes de

diferentes ciudades y países


9



CONTROL

SVCA - PGCA


10

A nivel local y regional uno de los contaminante de gran

importancia dado sus efectos adversos sobre la salud es el

material particulado (MP)

Una de las formas más

peligrosas:

Material particulado menor a

diez micras (PM10) y su

fracción fina conocida como

PM2.5.

Partículas “inhalables”:

ingresan y se depositan en el

sistema respiratorio

En el material particulado pueden encontrarse compuestos

adsorbidos como: iones, metales, COPs, …

INTRODUCCIÓN IMPORTANCIA DEL MP EN ESTUDIOS DE CALIDAD DEL

AIRE

CONPES 3550, 2008; Costaet al., 2007; MAVDT, 2010

COPs: Contaminantes de alta peligrosidad

Altamente persistentes

Capaces de experimentar fenómenos de

biomagnificación

Problema

TRANSFRONTERIZ

O


11

Contaminantes Orgánicos

Persistentes

Seguimiento en aire ambiente



Espaciales, Brasil


12

CONTAMINANTES ORGÁNICOS

PERSISTENTES DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN

Son sustancias que resultan de la unión de uno o

más átomos de halógenos con un compuesto

orgánico de forma natural o artificial

COPs

Dioxinas y furanos

Bifenilos Policlorados

(PCBs)

Dioxin like PCBs (dl-

PCBs)

Plaguicidas Organoclorado

s

Contaminantes Orgánicos Persistentes (COPs) /

Persistent Organic Polutants (POPs)


13



DIOXINAS Y FURANOS

210 Dioxinas y Furanos

75 Dioxinas

7 Tóxicas

135 Furanos

10 Tóxicos

Cloro en posiciones 2,3,7,8

O

O 1

2

3

46

7

8

9

Clx ClyDibenzo-p-dioxinas policloradas (PCDDs)

O

1

2

3

46

7

8

9

Clx Cly

Dibenzofuranos policlorados (PCDFs)


14



BIFENILOS POLICLORADOS (PCBs) Y dl-PCBS

PCBs

209 congéneres

12 congéneres

Dioxin like PCBs

Non-ortho sustituido

Mono-ortho

sustituido


15



PLAGUICIDAS ORGANOCLORADOS

Aldrina Dieldrina

Endrina Heptaclor

o

DDT Toxafeno

Mirex Clordano

Hexacloro-

benceno Termitas,

insecticid

a

Principal

Insectici

da

Insectos

del suelo

Insectos

del suelo


16


PERSISTENTES PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS

Tóxicos

Afecta funciones inmunológicas de reproducción y desarrollo en

animales, plantas y seres humanos

Escasa solubilidad en

agua. Liposolubles

Bio-acumulación en tejidos adiposos

Resistentes a la degradación

fotolítica, química y biológica

Persistencia en el medio ambiente

Bajas presiones de

vapor

Permiten viajar largas distancias (Transporte

Atmosférico a Largas Distancias - LRAT) - Meteorología


17


PERSISTENTES

RIESGO Y EFECTOS POR EXPOSICIÓN A

COPs

Vías de riesgo humano

Ingestión

Inhalación

Contacto dérmico

Efectos

Cáncer, Malformacione

s

Irritación en la piel y

cloracné

Disminución en la fertilidad y esterilidad

Daño cerebral y nervioso,

lesiones del hígado


18


PERSISTENTES

RIESGO Y EFECTOS POR EXPOSICIÓN A

COPs

LOS COPs SE INCORPORAN EN LA CADENA

TRÓFICA


19


PERSISTENTES LIBERACIÓN DE COPs

Matrices donde se liberan los

COPs

Aire

Agua

Suelo

Medios ambientales de

impacto


20


PERSISTENTES

FUENTES DE EMISIÓN DE COPs EN

AIRE

FUENTES

NATURAL

ERUPCIONES VOLCÁNICAS

REACCIONES ENZIMÁTICAS Y FOTOLÍTICAS

MATERIALES SEDIMENTARIO

S

ANTROPOGÉNICO

MOTORES DE COMBUSTIÓN

PROCESOS QUÍMICOS E

INDUSTRIALES

INCINERACIÓN DE RESIDUOS


21


PERSISTENTES

FUENTES DE EMISIÓN DE COPs EN

AIRE

• Fabricación de organoclorados (Herbicidas)

• Producción y reciclado de metales

• Blanqueo de pasta de papel con cloro

• Industria textil

• Fabricación de retardantes de llamas

Procesos Químicos

• Incineradores de residuos sólidos urbanos, hospitalarios e industriales. No Controlados

• Hornos crematorios

• Centrales térmicas

• Procesos de co-incineración

• Cenizas volantes y escorias

Procesos de Combustión

Algunos ejemplos de emisiones antrópicas


22


PERSISTENTES ACCIONES GLOBALES SOBRE COPs

Ejemplos de acciones mundiales para combatir la problemática

de COPs


1992

• Naciones Unidas y la Comisión Económica Europea (UN/ECE) estableció la Convención de la Contaminación del Aire Transfronterizo a Largo Alcance (LRTAP)

2001 • Convención de Estocolmo sobre COPs

2001

• Plan de Monitoreo Global (GMP), Guía Naciones Unidas y PNUMA

2004

• Se inician estudios de COPs con muestreadores de aire pasivos (GAPS Study)

23




Convención de Estocolmo sobre COPs

Primer instrumento

internacional

jurídicamente

vinculante para la

aplicación de medidas

internacionales

respecto de los COPs.

Objetivo: Proteger

la salud humana y

el medio ambiente

frente a los COPs.

24




Convención de Estocolmo sobre COPs SE FIRMÓ EN ESTOCOLMO EN MAYO DE 2001.

Regula 9 plaguicidas, así como 3 productos químicos

industriales y subproductos

PLAGUICIDAS (9): ALDRINA

DIELDRINA

ENDRINA

CLORDANO

HEPTACLORO

HEXACLOROBENCENO

MIREX

TOXAFENO

DDT (1,1,1-TRICLORO-2,2-BIS(4-

CLOROFENIL)-ETANO)

PRODUCTOS QUÍMICOS (3): BIFENILOS POLICLORADOS (PCB´s),

DIBENZOPARADIOXINAS Y

DIBENZOFURANOS POLICLORADOS

(PCDD/PCDF)

25




Convención de Estocolmo sobre COPs

Entró en vigor el 17 de mayo de 2004 (luego de ser

ratificado por mas de 50 países)

El Convenio de Estocolmo fue ratificado por el

Gobierno Nacional Colombiano con la Ley 1196 de 2008

26




Plan de Monitoreo Global - GMP

El Plan de Monitoreo

Global de COPs (GMP –

Global Monitoring Plan)

Evalúa la eficacia del

Convenio de Estocolmo para

establecer la organización de

recolección de datos sobre

COPs comparables en todas las

regiones

Identifica los cambios en los

niveles de COPs en el tiempo

Proporciona información

sobre su transporte en el medio

ambiente regional y mundial.

27




Red de Monitoreo Pasivo Atmosférico Global (GAPS

Network – Global Atmospheric Passive Sampling)

Es un programa clave para la producción de datos comparables a escala global para COPs.

Emplea muestreadores pasivos.

Inició en Diciembre de 2004.

Cuenta con 50 puntos alrededor del mundo. Dos en Colombia gestionados por la UN de Colombia

Muestreador de Aire

Pasivo - PAS

28


PERSISTENTES ACCIONES LOCALES SOBRE COPs


Compromisos de Colombia para el Convenio de

Estocolmo: PLAN NACIONAL DE APLICACIÓN DEL

CONVENIO DE ESTOCOLMO (PNA)

1. Identificar las existencias,

fuentes y liberaciones de

COP

2. Apoyar la transición a otras soluciones más

seguras

3. Prohibir su uso y eliminar las

existencias de las sustancias

4. Reducir las liberaciones de los COP mediante la implementación de las Mejores

Prácticas Ambientales y las

Mejores Tecnologías Disponibles

29


PERSISTENTES ACCIONES LOCALES SOBRE COPs


Remediación de suelos

Medición de COPs

Epidemiología

Valoración económica de

impactos

Modelamiento de dispersión

Toxicología

Dispersión geográfica

PNA – Líneas de investigación prioritarias

30


PERSISTENTES MONITOREO DE COPs EN AIRE


Tecnologías empleadas para el monitoreo de COPs en aire

ambiente

MONITOREO ACTIVO: Muestreadores de alto volumen que permiten la

recolección de muestra en las fracciones particulada y gaseosa

WindSelect+ - The Ambient Air

Monitoring System HVS for PCDD/Fs

monitoring

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PERSISTENTES MONITOREO DE COPs EN AIRE


Tecnologías empleadas para el monitoreo de COPs en aire

ambiente

MONITOREO PASIVO: Los COPs son recolectados en adsorbentes

específicos por difusión.

No requiere energía eléctrica para su funcionamiento.

Muestreador de Aire

Pasivo - PAS Tipos de PAS

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PERSISTENTES

ESTUDIOS EN MANIZALES RELACIONADOS CON

COPs


Aplicación de tecnologías de monitoreo en Manizales:

Aristizábal, B.H., et al. (2011). “LEVELS OF DIOXIN LIKE POPs IN THE PARTICLE BOUND FRACTION OF AMBIENT AIR IN AN INTERMEDIATE SIZE ANDEAN

CITY”. Chemosphere, 85. 170-178

Este estudio establece los niveles de PCDD/Fs y dl-PCBs

en muestras de PM10 en el aire ambiente de tres

estaciones de monitoreo en Manizales

Monitoreo de PCDD/Fs en la reserva Rio Blanco como parte del GAPs – Proyecto en curso

Monitoreo de PCDD/Fs mediante PAS en diferentes puntos de la ciudad de Manizales – Proyecto en curso

33

Modelación de calidad del aire

Su utilidad en el estudio de la contaminación

atmosférica

Experiencia visita al Instituto Nacional de

Investigaciones Espaciales, Brasil



Espaciales, Brasil


34

MODELACIÓN DE CALIDAD DEL

AIRE

UTILIDAD DE LOS MODELOS DE CALIDAD DEL

AIRE


Durante las últimas décadas, la modelación del

comportamiento de contaminantes atmosféricos se ha

convertido en una herramienta fundamental en los estudios

de contaminación del aire, gracias a los avances tecnológicos

en diferentes áreas de la ciencia como la computación y las

técnicas de medición.

En general, los modelos que describen el comportamiento de

los contaminantes atmosféricos son usados para:

Entender procesos en la atmósfera

Verificar inventarios de emisiones

Elaborar Planes de Gestión de Calidad del Aire

Predecir escenarios futuros de contaminación.

Mapeo de contaminantes

Predicción de la calidad del aire

35


AIRE

TIPOS DE MODELOS DE CALIDAD DEL

AIRE


Los modelos de calidad del aire se dividen en:

Modelos físicos

Requieren estudios de modelos del fluido o en

túneles aerodinámicos del viento

Son muy complejos y requieren asesoría técnica

de expertos

Modelos matemáticos

Modelos estadísticos.

Modelos basados en la descripción fundamental de

los procesos físicos y químicos de la atmósfera

(Deterministas)

- Chemical Transport Models

36


AIRE MODELOS DETERMINISTAS


Los modelos atmosféricos deterministas pueden clasificarse de

diferentes maneras de acuerdo con el criterio que se tome

como referencia: Por su escala espacial

37




Por la forma en que plantean las ecuaciones que

describen el comportamiento de los contaminantes en la

atmósfera

EULERIANO

S

LAGRANGIAN

OS Usan un sistema de

coordenadas fijo con respecto

a la tierra

Usan un sistema de

coordenadas que sigue el

movimiento de la atmósfera

38


AIRE COMPONENTES INVOLUCRADOS


Air Quality Models (AQM) involve descriptions of emission

patterns, meteorology, chemical transformations and removal

processes in the atmosphere

39




En el estudio de la contaminación atmosférica, los

modelos EURELIANOS representan la clase más

sofisticada de modelos atmosféricos.

DIFERENTES CENTROS Y GRUPOS DE INVESTIGACIÓN HAN

REALIZADO GRANDES AVANCES TECNOLÓGICOS EN LA

APLICACIÓN DE ESTOS MODELOS.

LA COMUNIDAD CIENTÍFICA BUSCA QUE ESTOS AVANCES SEAN DE

ACCESO GRATUITO: MODELOS DE CÓDIGO LIBRE

40


AIRE

CARACTERÍSTICAS DE MODELOS

EULERIANOS


Características principales de modelos EULERIANOS:

Las ecuaciones que describen el movimiento y la transformación

química de los contaminantes en la atmósfera se resuelven

considerando un sistema fijo de coordenadas.

La región a modelar se divide en celdas o cajas, tanto horizontal

como verticalmente.

41


AIRE

CARACTERÍSTICAS DE MODELOS

EULERIANOS


Características principales de modelos EULERIANOS:

La concentración de los contaminantes en cada celda se estima a

intervalos específicos de tiempo.

Toman en cuenta la información sobre campos meteorológicos

tridimensionales, así como las concentraciones iniciales de los

contaminantes, las emisiones, el transporte, la dilución y las

transformaciones químicas.

42


AIRE

APLICACIÓN DEL MODELO CCAT-BRAMS EN

BRASIL


CASO BRASIL

MODELO CCAT-BRAMS

Coupled Aerosol and Tracer Transport model to

the Brazilian developments on the Regional

Atmospheric Modelling System

http://meioambiente.cptec.inpe.br/gmai/

43


AIRE


BRASIL


Características principales del modelo

Modelo de transporte “ON-LINE”

Meteorología Química

Sub-grid

processes

Diseñado para estudios de química atmosférica a escala

local y regional

44


AIRE


BRASIL


Modelo de caja 3D - 3D domain box grids

45


AIRE


BRASIL


Ecuaciones que gobiernan el modelo

46


AIRE


BRASIL


Ecuaciones que gobiernan el modelo

47


AIRE


BRASIL


Schematic of the CCATT–BRAMS system

48


AIRE


BRASIL


Algunos casos de aplicación de CCAT-BRAMS en

Suramerica:

Regional: Estudio sobre quemas de biomasa y balance de

carbono en la amazonia brasilera

Freitas et al., 2011

49


AIRE


BRASIL


Los resultados son comparados con observaciones y datos

de satélite para CO, ozono y partículas finas

50


AIRE


BRASIL


Estas simulaciones permiten no solo comprender la dinámica

de los contaminantes sino también permiten realizar

pronósticos sobre su comportamiento

51


AIRE


BRASIL


Algunos casos de aplicación de CCAT-BRAMS en

Suramerica:

Urbano: Estudio sobre dinámica de contaminantes en

principales centros urbanos del estado de Sao Paulo

Alonso et al., 2012

52


AIRE


BRASIL


Comparación con observaciones para CO, NOx y O3

53


AIRE


BRASIL


Durante los últimos años el INPE-CPTEC, através de

grupos de investigación como el GMAI, ha incorporado y

realizado grances avances tecnológicos con miras a una

mejor comprensión de la dinámica atmosférica a través de

la aplicación de modelos de transporte químico.

Uno de los mayores centros de supercomputación de Latinoamérica para la aplicación de modelos atmosféricos

Desarrollo de códigos que alimentan los modelos computacionales: Investigación continua

Continuas mejoras al modelo de transporte CCAT-BRAMS para estudio de diversos tipos de fuentes y procesos

Cooperación con otros grupos de investigación para la aplicación del modelo CCAT-BRAMS: Caso Lima, Bogotá.

54

GRACIAS

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