1 DETERMINACIÓN DEL CICLO DIURNO Y CÁLCULO DE LA
CONCENTRACIÓN DEL MATERIAL PARTICULADO PM10 Y PM2.5 EN EL
SUROCCIDENTE Y NORORIENTE DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C. POR MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS Y VOLUMÉTRICOS
DANIELA GARCÍA AGUIRRE
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. MAYO DE 2015
2 DETERMINACIÓN DEL CICLO DIURNO Y CÁLCULO DE LA
CONCENTRACIÓN DEL MATERIAL PARTICULADO PM10 Y PM2.5 EN EL
SUROCCIDENTE Y NORORIENTE DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C. POR MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS Y VOLUMÉTRICOS
DANIELA GARCÍA AGUIRRE
Proyecto de Grado en Modalidad Proyecto de Investigación de Pregrado
Asesor
RICARDO MORALES BETANCOURT
Ph.D
Profesor Asistente
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C. MAYO DE 2015
3 Tabla de contenido
ILUSTRACIONES ... 4
ESQUEMAS ... 5
FOTOS ... 5
GRÁFICAS ... 5
TABLAS ... 8
RESUMEN ... 9
1.INTRODUCCIÓN ... 9
2.OBJETIVOS ...11
2.1. Objetivo general ...11
2.2. Objetivos específicos ...11
3. MARCO TEÓRICO ...12
3.1. Contaminantes criterio ...12
3.2. Material particulado ...12
3.3. Regulación internacional y nacional ...13
3.4. Efectos de PM a la salud humana ...13
3.5. Metodologías de medición ...14
3.5.1. Métodos discontinuos ...15
3.5.2. Métodos continuos ...15
3.6. Equipos de muestreo ...15
3.6.1. Muestreadores pasivos ...15
3.6.2. Muestreadores activos ...17
3.6.3. Analizadores automáticos ...19
3.6.4. Sensores remotos...20
4. METODOLOGÍA ...21
4.1. Equipos utilizados ...21
4.1.1. High Volume Sampler (HiVol) para PM10 y PM2.5 ...21
4.1.2. Harvard Impactor para PM2.5 ...23
4.1.3. DustTrak para PM10 y PM2.5 ...25
4.2. Puntos de muestreo ...26
4
4.4. Metodología de análisis de muestras ...30
4.4.1. Metodología para el análisis de filtros ...30
4.4.2. Metodología para el análisis de datos DustTrak ...36
5. RESULTADOS ...40
5.1. Muestreo Suroccidente...41
5.1.1. Efecto de la dirección del viento ...54
5.2. Muestreo Nororiente ...55
5.2.1. Efecto de la dirección del viento ...70
6. RECOMENDACIONES ...70
7. CONCLUSIONES ...71
8. REFERENCIAS ...72
ILUSTRACIONES Ilustración 1 Muestreador pasivo CPDT tomado de: http://www.lqa.utfsm.cl/imagenes/colector_pasivo.gif ... 17
Ilustración 2 Partes del HiVol tomado de: http://www.scielo.org.co/img/revistas/luaz/n34/n34a12f6.jpg ... 18
Ilustración 3 Sensor detector Compuestos orgánicos volátiles tomado de: http://www.ambiental-global.com/es/instrumentacion/86-detector-explosividad-toxicos-ambdetector.html ... 19
Ilustración 4 Analizador de NO2 Modelo T500u Caps tomado de: http://www.sanambiente.com.co/index.php/productos/productos-linea-aire/equipos-para- medicion-de-gases/119-analizadores-automaticos-de-gases-con-aprobacion-us-epa-en-el-medio-ambiente#analizador-de-no2-model ... 20
Ilustración 5 Sensor LIDAR tomado de: http://www.roprodesign.com/files/9212/8758/9777/NASA_Horizontal.jpg ... 20
Ilustración 6 Sistema de impactación del HiVol tomado de: https://www.qld.gov.au/environment/assets/images/pollution/monitoring/air/hivol-sampler.gif ... 22
Ilustración 7 Cabezote y cuerpo de HiVol tomado de: http://www.hi-q.net/images/Products/Pm10unitX(5r2cx2).jpg ... 23
Ilustración 8 DustTrak TSI 8520 tomado de: http://www.tsi.com/uploadedImages/_Site_Root/Products/_Discontinued_Products/8520.jp g ... 25
Ilustración 9 Bandeja soporte de orificio tomado de: (Universidad de los Andes, 2006) .. 34
Ilustración 10 CVF orificio tomado de: (Universidad de los Andes, 2006) ... 34
Ilustración 11 Presión de estancamiento y de orificio tomado de: (Universidad de los Andes, 2006) ... 35
5 ESQUEMAS
Esquema 1 Diagrama de flujo con procedimiento seguido en muestreo piloto. ... 27
Esquema 2Diagrama de flujo metodología para cálculo de concentraciones PM2.5 con Harvard Impactor. ... 33
Esquema 3 Diagrama de flujo metodología para el cálculo de las concentraciones PM10 y PM2.5 con HiVol. ... 35
Esquema 4Procedimiento para el análisis de datos DustTrak... 39
Esquema 5 Procedimiento seguido para hallar los factores de correción DustTrak. ... 40
FOTOS Foto 1 Equipo Harvard Impactor, Bomba. ... 24
Foto 2 Harvard Impactor para PM2.5 ... 24
Foto 3 Partes de Harvard Impactor: Se resalta el plato de impactación en el medio de la foto y el porta filtro en la parte inferior derecha. ... 25
Foto 4 Montaje DustTrak en funcionamiento ... 26
Foto 5 Montaje HiVol y DustTrak PM10 Suroccidente. ... 28
Foto 6 Montaje en punto de muestreo nororiente ... 29
Foto 7 Desecador implementado en la preparación de los filtros ... 30
Foto 8 Balanza de presición implementada para el pesaje de los filtros de 37mm. ... 31
Foto 9 Balanza implementada para el pesaje de los filtros de los HiVol. ... 32
Foto 10 Calibrador implementado para controlar el flujo del Harvard Impactor ... 32
GRÁFICAS Gráfica 1 Datos DustTrak PM2.5 día 1 Muestreo Suroccidente ... 36
Gráfica 2 Datos DustTrak PM2.5 día 1 Muestreo Suroccidente ... 37
Gráfica 3 Datos PM10 y PM2.5 comparados para el Día2 Muestreo Suroccidente. Rojo: PM10, Azul: PM2.5... 37
Gráfica 4 Comparación PM10 DustTrak y estación Puente Aranda Día3 Muestreo Suroccidente. Rojo: RMCAB, azul: DustTrak. ... 38
Gráfica 5 Comparación PM 2.5 entre DustTrak y estación Usaquén Día 3 Muestreo Nororiente. Rojo: RMCAB, azul: DustTrak. ... 38
Gráfica 6 Concentraciones de HiVol PM10 y PM2.5 muestreo SurOccidente Rojo: PM10, Azul: PM2.5 ... 41
Gráfica 7Concentración diurna y nocturna de PM 2.5 IH Rojo: nocturno; Azul: diurno .. 42
Gráfica 8 Concentraciones DustTrak día 1 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5 ... 43
Gráfica 9 Concentraciones DustTrak día 2 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5 ... 44
6
Gráfica 10 Concentraciones DustTrak día 3 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5 ... 44 Gráfica 11 Concentraciones DustTrak día 4 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5 ... 45 Gráfica 12 Comparación de DustTrak (Rojo) y RMCAB (verde). Día 1, muestreo
suroccidente ... 46 Gráfica 13 Comparación de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo). Día 2, muestreo
suroccidente ... 46 Gráfica 14 Comparación de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo). Día 3, muestreo
suroccidente ... 47 Gráfica 15 Comparación de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo). Día 4, muestreo
suroccidente ... 48 Gráfica 16 Comparación Dustrak, HiVol e IH para PM 2.5 día 1 SurOccidente. Azul oscuro: DustTrak calibrado; Azul claro: Hivol; Naranja: Harvard Impactor día; Morado: Harvard Impactor noche. ... 49 Gráfica 17 Comparación Dustrak, HiVol e IH para PM 2.5 día 2 SurOccidente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Morado: Harvard Impactor día; Azul: Harvard Impactor noche ... 49 Gráfica 18 Comparación Dustrak, HiVol e IH para PM 2.5 día 3 SurOccidente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: Harvard Impactor día. ... 50 Gráfica 19 Comparación Dustrak, HiVol e IH para PM 2.5 día 4 SurOccidente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Morado: Harvard Impactor día; Azul: Harvard Impactor noche. ... 51 Gráfica 20 Comparación Dustrak, Hivol y RMCAB para PM10 día 1 SurOccidente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: RMCAB ... 52 Gráfica 21 Comparación Dustrak, Hivol y RMCAB para PM10 día 2 SurOccidente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: RMCAB. ... 52 Gráfica 22 Comparación Dustrak, Hivol y RMCAB para PM10 día 3 SurOccidente. Verde: DustTrak; Morado: HiVol; Rojo: RMCAB. ... 53 Gráfica 23 Comparación Dustrak, Hivol y RMCAB para PM10 día 4 SurOccidente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: RMCAB. ... 54 Gráfica 24 Concentraciones HiVol muestreo NorOriente. Azul: PM10; Rojo:PM2.5 ... 55 Gráfica 25 Concentraciones PM2.5 diurnas y nocturnas muestreo NorOriente IH. Rojo: diurno; Azul: nocturno. ... 56 Gráfica 26 Concentraciones del DustTrak PM10 (Rojo) y PM2.5 (Azul) para el día 1 muestreo Nororiente. ... 57 Gráfica 27 Concentraciones del DustTrak PM10 (Rojo) y PM2.5 (Azul) para el día 2 muestreo Nororiente. ... 58 Gráfica 28 Concentraciones del DustTrak PM10 (Rojo) y PM2.5 (Azul) para el día 3 muestreo Nororiente. ... 58 Gráfica 29 Concentraciones del DustTrak PM2.5 para el día 4 muestreo Nororiente... 59
7
Gráfica 30 Comparación PM10 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 1 muestreo nororiente. ... 59 Gráfica 31 Comparación PM10 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 2 muestreo nororiente. ... 60 Gráfica 32 Comparación PM10 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 3 muestreo nororiente. ... 61 Gráfica 33 Datos de PM10 RMCAB día 4 muestreo Nororiente ... 61 Gráfica 34 Comparación PM2.5 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 1 muestreo nororiente. ... 62 Gráfica 35 Comparación PM2.5 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 2 muestreo nororiente. ... 63 Gráfica 36 Comparación PM2.5 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 3 muestreo nororiente. ... 63 Gráfica 37 Comparación PM2.5 de DustTrak (Azul) y RMCAB (Rojo) día 4 muestreo nororiente. ... 64 Gráfica 38Comparación datos DustTrak, HiVol, Harvard Impactor y RMCAB para PM2.5 día 1 muestreo Nororiente. Rojo: DustTrak; Verde: Hivol; Morado: Harvard Impactor día; Azul claro: Harvard Impactor Noche; Azul oscuro: RMCAB. Eje Y: concentración en ug/m3; eje X: horas. ... 65 Gráfica 39 Comparación datos DustTrak, HiVol, Harvard Impactor y RMCAB para PM2.5 día 2 muestreo Nororiente. Rojo: DustTrak; Verde: Hivol; Morado: Harvard Impactor día; Azul claro: Harvard Impactor Noche; Azul oscuro: RMCAB Eje Y: concentración en ug/m3; eje X: horas. ... 66 Gráfica 40 Comparación datos DustTrak, HiVol, Harvard Impactor y RMCAB para PM2.5 día 3 muestreo Nororiente. Rojo: DustTrak; Verde: Hivol; Morado: Harvard Impactor día; Azul claro: Harvard Impactor Noche; Azul oscuro: RMCAB Eje Y: concentración en ug/m3; eje X: horas. ... 66 Gráfica 41 Comparación datos DustTrak, HiVol, Harvard Impactor y RMCAB para PM2.5 día 4 muestreo Nororiente. Rojo: DustTrak; Verde: Hivol; Morado: Harvard Impactor día; Azul claro: Harvard Impactor Noche; Azul oscuro: RMCAB Eje Y: concentración en ug/m3; eje X: horas. ... 67 Gráfica 42 Comparación Dustrak, RMCAB y Hivol para PM10 día 1 NorOriente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: RMCAB. ... 68 Gráfica 43 Comparación Dustrak, RMCAB y Hivol para PM10 día 2 NorOriente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: RMCAB. ... 68 Gráfica 44 Comparación Dustrak, RMCAB y Hivol para PM10 día 3 NorOriente. Rojo: DustTrak; Verde: HiVol; Azul: RMCAB. ... 69 Gráfica 45 Comparación datos RMCAB y Hivol para PM10 día 4 NorOriente. Rojo: RMCAB; Azul: HiVol ... 69
8 TABLAS
Tabla 1 Concentraciones PM10 y PM2.5 en organismos internacionales ... 13
Tabla 2 Concentraciones de PM10 y PM2.5 establecidas por normatividad nacional ... 13
Tabla 3 Métodos de muestreo, ventajas y desventajas ... 15
Tabla 4 Datos de concentración PM10 para los años 2012 y 2013 de la estación de Puente Aranda y Usaquén de la RMCAB ... 28
Tabla 5 Concentraciones PM10 y PM2.5 HiVol muestreo Suroccidente ... 41
Tabla 6 Concentraciones diurnas y nocturnas PM2.5 Harvard Impactor ... 42
Tabla 7 Factores de calibración para DustTrak ... 48
Tabla 8 Factor de Calibración DustTrak vs HiVol PM10 ... 51
Tabla 9 Datos de dirección del viento para el punto de muestreo suroccidente. ... 54
Tabla 10 Concentraciones PM10 y PM2.5 obtenidas del HiVol para el muestreo en el Nororiente. ... 56
Tabla 11 Factores de calibración para el DustTrak PM2.5 ... 64
Tabla 12Factor de calibración para PM10. ... 67
Tabla 13 Datos de dirección del viento para los días de muestreo en el punto Nororiente de la RMCAB. ... 70
9 RESUMEN
En este trabajo se reporta la realización de dos campañas de muestreo de material particulado PM10 y PM2.5 en la ciudad de Bogotá. Los muestreos se llevaron a cabo en un punto al Suroccidente de la ciudad –zona predominantemente industrial- y uno al Nororiente –zona mayoritariamente residencial-, con el fin de comparar las concentraciones de material particulado tras el arrastre generado por la dirección del viento promedio en la ciudad de Bogotá y en sectores de condiciones diferentes. Las mediciones se realizaron tanto con equipos gravimétricos (High Volume Samplers y un Impactador Harvard) así como con equipos de detección óptica (Dusttrak). Al final del estudio se obtuvieron concentraciones mayores de PM10 y PM2.5 en el punto del Suroccidente, respondiendo a una mayor tasa de emisiones atmosféricas correspondientes a una alta influencia de fuentes industriales y vehiculares. Adicionalmente, no fue posible establecer con gran certidumbre el efecto de la dirección del viento en las concentraciones de PM obtenidas.
1.
INTRODUCCIÓNUna de las principales preocupaciones de las grandes ciudades es la calidad del aire, debido a sus efectos en la salud de su población. Bogotá, al constituirse como capital de la República de Colombia, es una ciudad que cuenta con una alta densidad demográfica y con una concentración de población significativa. Así, con 7’862.484 habitantes, según el Reloj de población de la Secretaría Distrital de Planeación de Bogotá (Alcaldía Mayor de Bogotá D.C., 2013), Bogotá es la ciudad más poblada de Colombia. Además, dado que Bogotá se constituye como la economía con mayor participación en la generación del PIB nacional con un aporte del 24,7% (DANE, 2015) , la ciudad contiene una vasta zona industrial y un complejo sistema de transporte, lo cual se puede traducir en una alta tasa de emisiones atmosféricas, producto principalmente de la combustión. En este sentido, debido al desarrollo industrial y al crecimiento poblacional de la ciudad, Bogotá debe contar con una regulación estricta de sus contaminantes atmosféricos, con el fin de minimizar la incidencia de problemas respiratorios en su población.
Así, con el objetivo de hacer un monitoreo constante de los contaminantes atmosféricos de la ciudad, Bogotá cuenta con una Red de Monitoreo de la Calidad del Aire operando desde agosto de 1997 (Gutiérrez Romero, 2009) donde, en conjunto con la Secretaría Distrital de ambiente, se realiza un monitoreo continuo de la concentración de varios contaminantes atmosféricos (PM10, PM2,5, Ozono, NO2, SO2 y CO) y se formula la política ambiental de la misma (Alcaldía Mayor de Bogotá D.C.). Esta red de monitoreo cuenta con 13 estaciones fijas y una estación móvil, donde se mide tanto la concentración de contaminantes atmosféricos de origen antropogénico y natural como el comportamiento de variables meteorológicas que determinan su distribución en la atmósfera de la ciudad (Alcaldía Mayor de Bogotá D.C.). En este sentido, Bogotá cuenta con información suficiente para
10 hacer control de las emisiones de PM10 y PM2.5, al igual que para generar normas que regulen su concentración.
Cabe señalar que, con el fin de cumplir con los estándares de calidad del aire, los contaminantes atmosféricos constantemente monitoreados en la ciudad de Bogotá son aquellos pertenecientes a la Resolución 601 del 2006. Es decir, material particulado PM10, PM2,5 y PST; y gases contaminantes como SO2, NO2, O3, y CO. Así mismo, según el Informe anual de calidad del aire de Bogotá reportado en el 2014, los contaminantes SO2, NO2, y CO continuamente se presentan en concentraciones bajas con respecto a las concentraciones máximas permisibles establecidas en dicha normatividad. Sin embargo, las tres formas de material particulado y el ozono, suelen estar por encima del límite máximo permisible (RMCAB, 2014).
En este sentido, en cuanto al PM10, la norma establece un valor máximo de 50ug/m3 anual, valor excedido por estaciones de monitoreo ubicadas en el noroccidente y suroccidente de la ciudad. Así, las estaciones de Carvaja, Kennedy y Suba arrojaron concentraciones promedio anual de 81ug/m3, 71ug/m3 y 55ug/m3, respectivamente. Adicionalmente, para la estación de Kennedy, ubicada en el suroccidente de la ciudad, la concentración media anual de PM2,5 registrada supera el límite normativo en 3ug/m3, debido a que el dato obtenido fue 28ug/m3 y la norma establece 25 ug/m3. Sin embargo, con respecto al promedio diario establecido por la Resolución 601 del 2006 de 50ug/m3 sólo se presentaron dos excedencias por parte de la estación Kennedy y ninguna por las otras estaciones. Por su parte, la estación Carvajal presentó un promedio anual superior al establecido por la norma para PST. Así, con 115ug/m3, excediendo en 15ug/m3 lo regulado -100ug/m3 - , a esta estación se le atribuye una mayor concentración de partículas suspendidas totales debido a la alta influencia de flujo vehicular y fuentes industriales. Por último, en cuanto al O3 se evaluaron las excedencias con respecto a lo establecido por la norma horaria y para 8 horas, 120ug/m3 y 80ug/m3 respectivamente. De esta manera, con respecto a la horaria la estación de Guaymaral excede la norma 8 veces, Parque Simón Bolívar 7, Suba 6 veces, Ferias 4, Fontibón 2 y Usaquén 1; por su lado para la norma octohoria esta fue excedida 111 veces. Cabe señalar que las mayores concentraciones de este gas contaminante se presentaron en enero y abril entre la 1:00pm y las 3:00pm, es decir, horas de mayor luminosidad solar que facilita las reacciones fotoquímicas. Esto, debido a que el ozono troposférico se constituye como contaminante secundario producido a partir de las reacciones entre NOx, VOCs y radiación solar (RMCAB, 2014). En este sentido, se observa que los puntos de la ciudad en los cuales se presenta una mayor propensión de enfermedades en la salud pública a causa de la mala calidad del aire reflejada en el incumplimiento de la normatividad ambiental, corresponden a localidades ubicadas en el suroccidente y noroccidente de la ciudad.
El presente trabajo tiene como objetivo brindar información diferencial de las concentraciones de PM10 y PM2.5 entre el Nororiente y el Suroccidente de la ciudad. Esto, con el fin de ratificar la importancia de la implementación de políticas ambientales que
11 regulen las concentraciones de material particulado dependiendo de cada contexto dentro de la ciudad. Cabe señalar que los sitios de muestreo fueron seleccionados estratégicamente dado que, como se vio, el suroccidente de la ciudad corresponde a una zona de alta contaminación atmosférica, debido principalmente a la alta influencia de emisiones industriales y vehiculares; mientras que el nororiente de la ciudad, por ser una zona principalmente residencial, debería contar con concentraciones menores de material particulado. Así mismo, se pretende corroborar la información recolectada con diferentes métodos de muestreo (gravimétrico y volumétrico) y con las estaciones de la RDMCA más cercanas a los puntos de muestreo; para ver la certidumbre de los datos arrojados por dicha red de monitoreo. Adicionalmente, se busca determinar si la dirección del viento genera un fenómeno de arrastre a lo largo de la ciudad, en el cual influya en las concentraciones de PM10 y PM2.5. Es decir, se busca tener mayor información acerca de la influencia de la dirección del viento en las concentraciones y la distribución de material particulado dentro de la ciudad de Bogotá.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
Calcular las concentraciones de material particulado PM10 y PM 2.5 en el Nororiente y Suroccidente de la ciudad, tomando muestras con dos equipos gravimétricos (Hivol y Harvard Impactor) y uno volumétrico (DustTrak), haciendo un análisis comparativo con las concentraciones arrojadas por la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá (RMCAB), con el fin de encaminar el proceso de toma de decisiones en el planteamiento de políticas ambientales de la ciudad hacia un diseño diferencial, según el contexto, es decir, entendiendo la influencia de los distintos factores que gobiernan los puntos de muestreo seleccionados.
2.2. Objetivos específicos
o Establecer la metodología a seguir en la operación y funcionamiento de dos HiVol (para PM10 y PM2.5), un Harvard Impactor (para PM2.5) y dos DustTrak.
o Diseñar dos campañas de medición de material particulado PM10 y PM 2.5 con una duración de 4 días; una en un punto en el Suroccidente y otra en el Nororiente de la ciudad de Bogotá.
o Calcular las concentraciones de PM10 y PM2.5 encontradas para los equipos gravimétricos.
o Establecer el ciclo diurno del material particulado a partir de los equipos volumétricos DustTrak.
12 o Comparar la información recolectada en cada punto de muestreo durante las campañas de monitoreo, con datos de la estación de monitoreo de la RMCAB más cercana al punto.
o Analizar la información con respecto a los datos obtenidos de dirección de viento.
3. MARCO TEÓRICO
Antes comenzar con la metodología implementada en el estudio y el análisis de datos, es necesario dar claridad a términos y conceptos contemplados dentro del objeto de estudio, tales como todo lo referente a la contaminación atmosférica y el material particulado, como las distintas metodologías y equipos implementados para su medición. Esto, con el fin de facilitar la comprensión y futura réplica del presente trabajo.
Tal como se mencionó anteriormente, es de vital importancia que la normatividad y regulaciones de la ciudad de Bogotá en términos de calidad del aire se ajusten a las distintas normas internacionales. Es decir, a estándares de calidad de aire que buscan establecer concentraciones máximas de contaminantes criterio que no deben ser superadas para evitar problemas de salud humana.
3.1. Contaminantes criterio
Vale la pena aclarar que los contaminantes criterio corresponden a aquellos contemplados por los Estándares Ambientales Nacionales de Calidad de Aire (NAAQS) como peligrosos para la salud humana. Así mismo, estos contaminantes adquirieron este nombre debido a su uso en la determinación de niveles máximos permisibles, con el objetivo de evitar problemas en la salud, el medio ambiente y el bienestar de la población. De esta manera los contaminantes criterio son: dióxido de azufre , dióxido de nitrógeno , material particulado (PM), plomo (Pb) monóxido de carbono (CO) y ozono . Cabe señalar que, dado el objetivo del presente estudio, sólo se discutirán aspectos relacionados al material particulado (SEMARNAT, 2013).
3.2. Material Particulado
El PM es uno de los contaminantes criterio con mayor incidencia sobre la problemática actual de la calidad del aire, debido a que afecta en mayor proporción a la salud de la población. Sus principales componentes son los sulfatos, nitratos, el amoniaco, cloruro sódico, carbón negro, carbón elemental, polvo mineral y agua, resultantes de procesos primarios como la combustión o secundarios como reacciones químicas en la atmósfera. Adicionalmente, el PM se clasifica según su diámetro aerodinámico (diámetro equivalente al de una esfera de densidad unitaria con igual velocidad de asentamiento) en PM10 y PM2.5. Donde el primero corresponde a todas las partículas con diámetro inferior a 10 m
13 y el segundo son aquellas partículas con diámetro por debajo de los 2.5 m. Es importante señalar que el PM2.5 representa un mayor riesgo para la salud debido a que puede alcanzar los alvéolos e interferir en el intercambio pulmonar de gases (Rojas, Díaz, & Rosas, 2012).
3.3. Regulación Internacional y nacional
En este sentido, tanto el PM10 como el PM2.5 están regulados por diferentes organismos internacionales tales como la EPA y la OMS, al igual que por la normatividad nacional. La determinación de las concentraciones máximas permisibles del PM tanto a nivel nacional como a nivel internacional tiene una larga trayectoria histórica. Así, desde 1971 en EE.UU se están regulando dichas concentraciones. Sin embargo, a pesar de que las normas estadounidenses se siguen actualizando, es sólo hasta el 2010 cuando Colombia expide una última resolución estableciendo las concentraciones máximas permisibles para PM10 y PM2.5. Así, las concentraciones máximas permisibles por los organismos previamente nombrados se presentan en las siguientes tablas:
Tabla 1 Concentraciones PM10 y PM2.5 en organismos internacionales
Anual 24 horas
OMS PM10( ) 10 25
PM2,5( ) 20 50
EPA PM10( ) 50 150
PM2,5( ) 15 65
(EPA, 2011) (OMS, 2014)
Tabla 2 Concentraciones de PM10 y PM2.5 establecidas por normatividad nacional
Anual 24 horas
Decreto 0610 de 2010
PM10 ( ) 50 100
PM2,5( ) 25 50
(Ministerio de Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2010)
De esta manera, tal como se observa, Colombia cuenta con una restricción de la concentración máxima permisible mucho más laxa que organismos internacionales tales como la EPA o la OMS. Sin embargo, cabe preguntarnos si esta regulación va de la mano de políticas ambientales adecuadas para cada sector dentro del país y más específicamente dentro de la ciudad de Bogotá.
3.4. Efectos del PM en la Salud Humana
Tal como se mencionó, se ha comprobado que el PM tiene una alta incidencia en la salud de la población asociada a incrementes de morbilidad y mortalidad por causa de
14 enfermedades cardiovasculares y respiratorias (Rojas, Díaz, & Rosas, 2012). Esto, debido a que las partículas pueden afectar la salud humana en tres formas:
o Generar problemas toxicológicos debido a las características físico-químicas propias de la partícula.
o Interferir con los mecanismos respiratorios del organismo. o Actuar como precursores de otras sustancias tóxicas.
(Ruiz Ramos, 2006)
El punto en el cual se depositan las partículas dentro del sistema respiratorio está determinado por el tamaño y la solubilidad de dichas partículas, lo cual explica que el PM2.5 alcance zonas más remotas que el PM10. Así, las partículas de 10 se depositan en el tren superior del sistema respiratorio, es decir, en la tráquea, bronquios y bronquiolos; mientras que las partículas de diámetro menor o igual a 2.5 pueden alcanzar hasta los alvéolos pulmonares, solubilizándose allí o simplemente depositándose. De esta manera, las enfermedades causadas por el PM suelen clasificarse como reacciones agudas o reacciones crónicas. Donde la primera corresponde a enfermedades transitorias como bronquitis, y la segunda hace referencia a enfermedades inflamatorias sostenidas como el Enfisema o la bronquitis crónica (Ruiz Ramos, 2006). Cabe señalar que las enfermedades causadas por la contaminación atmosférica y especialmente debido al PM pueden llevar a la muerte.
3.5. Metodologías de medición
Con el fin de escoger los más apropiados según los objetivos del muestreo establecidos, es necesario tener claros las limitaciones y ventajas de los distintos métodos de medición de contaminantes atmosféricos. Existen métodos continuos y métodos discontinuos para la medición de concentración de material particulado. Los primeros corresponden a aquellos en los cuales tanto la medición como el análisis del contaminante se hacen en el punto de muestreo; mientras que los métodos discontinuos requieren del transporte de las muestras recolectadas en el punto muestreo a un laboratorio para su respectivo análisis. (Fernández Pathier)
En este sentido, los muestreos son igualmente variables y dependientes de los objetivos de cada proyecto. Así, se diferencian principalmente tres tipos de muestreo: muestreo continuo –a lo largo de todo el año-, muestreo periódico –correspondiente a ciertas estaciones del año- y muestreo puntual –en determinados días u horas-. Así mismo, la selección de los métodos de análisis y los muestreos debe corresponder a los objetivos del proyecto, el tiempo de resolución requerido y referencias de reglamentos legales o normas, principalmente. Existen principalmente cuatro métodos de medida, los cuales se resumen en la siguiente tabla:
15 Tabla 3 Métodos de muestreo, ventajas y desventajas
Metodología Método de muestreo Ventajas Desventajas
Discontinua Muestreadores pasivos
o Bajo coste de operación.
o Sencilla operación.
o No generan medidas en rangos de tiempo
específicos. Muestreadores activos o Bajo costo de
operación. o Fácil operación. o Operación segura. o Brinda datos en
rangos de tiempo controlados.
o Genera medidas para muestreos puntuales. o Requiere de
trabajo intensivo. o Requiere
trabajo de laboratorio. Continua Analizadores
automáticos
o Brinda información en tiempo real.
o Compleja operación. o De alto
Costo.
o Requieren de alto
conocimiento de operación. Sensores Remotos o Generan medidas
de
multicomponentes. o Útiles para
medición en la fuente.
o Muy
complejos en su operación.
o No son
estrictamente comparables con medidas puntuales.
(Fernández Pathier)
Adicional a lo anterior, es importante resaltar los requisitos tanto de los métodos continuos como de los métodos discontinuos.
3.5.1. Métodos discontinuos
Requieren principalmente del cuidado del investigador quien debe asegurar la llegada del 100% del material recolectado al laboratorio.
16 Adicionalmente, requieren del manejo de equipos que midan y controlen el volumen de aire que se está muestreando, y bombas que aporten el caudal constante de aire. Para lo cual, también es necesario contar con equipos que calibren dicho volumen. Estos métodos requieren de la utilización de filtros que captan el PM, cuyo pesaje permite determinar la masa del material recolectado. (Fernández Pathier)
3.5.2. Métodos continuos
Los métodos continuos requieren de un diseño exhaustivo de la línea de muestreo, el diseño del flujo laminar vertical y del distribuidor convencional. Esto, con el fin de evitar las reacciones químicas con entre el material recolectado y las paredes del muestreador, para lo cual los materiales deben ser inertes. Adicional a esto, es necesario llevar un control estricto de la temperatura del ambiente y los equipos. (Fernández Pathier)
3.6. Equipos de muestreo
Tal como se mostró en la tabla anterior, existen diferentes tipos de quipos según la metodología y el método de muestreo. A continuación se hará una descripción general de los diferentes equipos para cada metodología de muestreo.
3.6.1. Muestreadores pasivos
Son equipos que hacen parte de los métodos discontinuos y no requieren el uso de bombas para forzar la entrada de aire. Este tipo de muestreadores operan por difusión del contaminante hacia una superficie de recolección, la cual es posteriormente retirada y analizada en laboratorio. Estos equipos basan su operación en la primera ley de Fick (Fernández Pathier). Un ejemplo de estos equipos es el colector pasivo de deposición total (CPDT), cuyo principio operativo se basa en capturar partículas del aire e irlas seleccionando según su diámetro, a través de tamices de distintos poros.
17
Ilustración 1 Muestreador pasivo CPDT tomado de:
http://www.lqa.utfsm.cl/imagenes/colector_pasivo.gif
3.6.2. Muestreadores activos
Corresponde el otro tipo de equipos dentro de los métodos discontinuos. Contrario a los muestreadores pasivos, estos sí requieren del uso de una bomba que controle y garantice un flujo de entrada. Este tipo de equipos se clasifican en: Captadores de gases y partículas, captadores de partículas y captadores de compuestos orgánicos volátiles (COV).
Captadores de gases y partículas:
Estos equipos usan pequeños volúmenes y son mayormente implementados para la captura de partículas en suspensión y gases de manera simultánea. Para esto, cuentan con un filtro para la detención de partículas y un borboteador para recolectar la muestra de gases, además de un contador de gases y la bomba aspirante (Fernández Pathier).
Captadores de partículas:
Existen muchos tipos de equipos dentro de esta clasificación; las diferencias entre estos radican en el volumen de captura de aire manejado y en el sistema de impactación. Sin embargo, de manera general, todos cuentan con un soporte para filtro, un impactador y una bomba de succión o conjunto de aspiración. Este grupo de equipos a su vez se subdivide en: Captadores de material sedimentable –recolecta partículas por gravedad en un frasco recolector-, captadores de partículas torácicas PM10, captadores de referencia de bajo volumen –operan con un flujo inferior a 2.3 -, captador de referencia de alto volumen –operan con flujo alrededor de 68 y captadores de partículas respirables PM2.5 –de
18 bajo o alto volumen (Fernández Pathier). Para este tipo de equipos contamos con dos HiVol y un Harvard Impactor, cuyo principio operativo se basa en absorber aire a determinado flujo, seleccionar las partículpas a partir de un principio físico de impactación y capturar las partículas con el diámetro de interés en un filtro.
Ilustración 2 Partes del HiVol tomado de:
http://www.scielo.org.co/img/revistas/luaz/n34/n34a12f6.jpg
Captadores de compuestos orgánicos volátiles (COV):
Utilizados para capturar compuestos orgánicos gaseosos a través de tubos de absorción de carbón (Fernández Pathier). Uno de estos equipos es el sensor detector compuestos orgánicos volátiles, cuyo principio operativo se basa en un sensor de fotoionización y un microprocesador que permite visualizar en tiempo real la concentración de VOCs (Ambiental Group).
19 Ilustración 3 Sensor detector Compuestos orgánicos volátiles tomado de:
http://www.ambiental-global.com/es/instrumentacion/86-detector-explosividad-toxicos-ambdetector.html
Existen diferentes técnicas de análisis de muestras, para los métodos discontinuos, una vez son recolectadas en campo. Las más comunes son: Gravimetría, Potenciometría, Conductividad, Espectrofotometría de UV/visible, Espectrometría de AA, Cromatografía iónica, Cromatografía de gases-espectrometría de masas, Cromatografía de líquidos de alta resolución, Fluorescencia de rayos X/Difracción de rayos X, entre otras (Fernández Pathier).
3.6.3. Analizadores automáticos
En este tipo de equipos la muestra es tomada y analizada en tiempo real. Para esto cuentan con un diseño específico para cada contaminante que será analizado. En este sentido, se cambian sus fundamentos físicos tales como la absorción o emisión de longitud de onda específica para el contaminante estudiado (Fernández Pathier). Ejemplo de este tipo de equipos son los analizadores automáticos de partículas o de gases como el Analizador de NO2 Modelo T500u Caps, que trabaja por técnica de espectroscopía de cavidad atenuada por desplazamiento de fase generando una medición directa en tiempo real y continuo a través de absorción óptica (SANAmbiente, 2014).
20 Ilustración 4 Analizador de NO2 Modelo T500u Caps tomado de:
http://www.sanambiente.com.co/index.php/productos/productos-linea-aire/equipos- para-medicion-de-gases/119-analizadores-automaticos-de-gases-con-aprobacion-us-epa-en-el-medio-ambiente#analizador-de-no2-model
3.6.4. Sensores Remotos
Son los equipos de medición de contaminantes atmosféricos más costosos del mercado. Su funcionamiento radica en un emisor de radiaciones de diferentes longitudes de onda y un receptor, lo cual facilita que los contaminantes presentes en el camino óptico sean absorbidos y posteriormente cuantificados (Fernández Pathier). En este sentido, este tipo de equipos usan técnicas espectroscópicas de larga trayectoria para medir contaminantes en tiempo real. De esta manera, usan la integración entre un detector y una fuente de luz a lo largo de una ruta determinada, con el fin de calcular los datos de concentración del contaminante estudiado (DIGESA, 2005). Un ejemplo de este tipo de tecnología son los sensores LIDAR.
Ilustración 5 Sensor LIDAR tomado de:
http://www.roprodesign.com/files/9212/8758/9777/NASA_Horizontal.jpg
21
4. METODOLOGÍA
Una vez se tiene la información anterior, es posible seleccionar la metodología que mejor se adapta a los objetivos del proyecto. Sin embargo, dado que se quieren corroborar los datos de las campañas de monitoreo entre los distintos equipos que se implementen, se optó por usar dos equipos de muestreo discontinuo y uno de muestreo continuo. Es decir, para el caso del presente trabajo se ejecutaron las dos metodologías de muestreo de contaminantes atmosféricos.
Así mismo, debido a que el presente proyecto tiene como objetivo cuantificar partículas torácicas y respirables (PM10 y PM2.5), los equipos implementados son captadores de referencia de alto volumen (High Volume Sampler para PM10 y PM2.5) y un equipo de bajo volumen (Harvard Impactor para PM2.5). Adicionalmente, se siguió la técnica gravimétrica para el análisis de los datos, debido a que, tal como se mencionó, el material recolectado y de interés en el estudio está constituido por partículas.
Adicionalmente, se quiso implementar un equipo de monitoreo continuo en el proyecto, con el fin de obtener datos que facilitaran la determinación del ciclo diurno del PM10 y PM2.5. Así mismo, con la ayuda de estos equipos se pudo corroborar la información obtenida a partir de aquellos pertenecientes al método continuo. De esta manera, los DustTrak permitieron, operados por 24 horas durante todos los días de muestreo, arrojaron datos de concentración de PM10 y PM2.5 cada minuto.
4.1. Equipos utilizados
Tal como se ha mencionado, los equipos implementados en el proyecto fueron dos HiVol, un Harvard Impactor y dos DustTrak, los cuales son propiedad del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de los Andes. Estos equipos permitieron recolectar tanto muestras en filtro de fibra de vidrio como datos continuos para Pm10 y PM2.5 en las dos campañas de 4 días de muestreo cada una.
4.1.1. High Volume Sampler (HiVol) para PM10 y PM2.5
El principio de funcionamiento de este equipo es un captador de partículas de alto volumen. Este es un equipo de medición discontinua empleado para analizar los datos por técnica de gravimetría. Tanto el HiVol para PM10 como el de PM2.5 cuentan con un cabezote, donde se encuentra el sistema físico de impactación y selección de partículas según su diámetro, como de un cuerpo donde se ubica el venturi-bomba de succión y un horómetro que registra el tiempo de operación del equipo. Los dos son equipos resistentes a cambios de temperatura abruptos (-30°C a 50°C) y funcionan con un flujo entre 1.02 a 1.24 , es decir, de 61.2 a 74.4 Adicionalmente, estos equipos recolectan las muestras en filtros de fibra de vidrio y puede operar por periodos superiores a 24h.
22 Ilustración 6 Sistema de impactación del HiVol tomado de: https://www.qld.gov.au/environment/assets/images/pollution/monitoring/air/hivol-sampler.gif
Tal como se observa en la imagen anterior, las partículas mayores al diámetro que se quiere seleccionar se quedan en el plato de impactación, las partículas del diámetro a seleccionar son recolectadas en el filtro, todo conducido por el flujo de aire absorbido.
23 Ilustración 7 Cabezote y cuerpo de HiVol tomado de:
http://www.hi-q.net/images/Products/Pm10unitX(5r2cx2).jpg
4.1.2. Harvard Impactor para PM2.5
Al igual que el Hivol, este es un equipo captador de partículas; su diferencia radica en que opera con un volumen bajo, aproximadamente 100 veces menor al de un equipo de alto volumen. El Harvard Impactor cuenta con una bomba de succión cuyo flujo de operación debe ser igual a 10L/min. Adicionalmente, el equipo cuenta con un sistema físico con un plato de impactación para asegurar la recolección de partículas de 2.5 de diámetro. Este equipo operó por periodos de 12h, en el cual el material fue recolectado en filtros de fibra de vidrio de 37mm. En la instalación, este equipo fue colgado y cubierto con un techo de plástico con el fin de evitar problemas ocasionados por la lluvia.
24 Foto 1 Equipo Harvard Impactor, Bomba.
25 Foto 3 Partes de Harvard Impactor: Se resalta el plato de impactación en el medio de la foto y el porta filtro en la parte inferior derecha.
4.1.3. DustTrak para PM10 y PM2.5
Tal como se mencionó, LOS DustTrak TSI 8520 hacen parte de la metodología continua, es decir, guardan los datos de concentración de PM en el intervalo de tiempo seleccionado por el periodo de tiempo escogido. En este sentido, estos equipos estuvieron en funcionamiento las 24h de los 4 días de muestreo, guardando datos de concentración cada minuto transcurrido. De esta manera, se obtuvieron las diferentes concentraciones de PM10 y PM2.5 -para cada minuto del día- que permitieron establecer su ciclo diurno en los días de la campaña de monitoreo. Este equipo tiene como principio operativo la fotometría láser, adicionalmente, opera a un flujo de 1,7L/min, y es capaz de recolectar datos con una resolución de hasta 1 segundo.
Ilustración 8 DustTrak TSI 8520 tomado de:
http://www.tsi.com/uploadedImages/_Site_Root/Products/_Discontinued_Products/85 20.jpg
26 Foto 4 Montaje DustTrak en funcionamiento
Adicionalmente, dado el tipo de datos reportados, fue posible hacer una comparación con la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá para los dos puntos de muestreo.
4.2. Puntos de Muestreo:
Ya con esto en mente, para alcanzar los objetivos planteados fue necesario realizar un muestreo piloto en el edificio IP de la Universidad de los Andes. En este muestreo se pudo establecer y rectificar el método a seguir para el correcto funcionamiento de cada uno de los equipos. Así mismo, se establecieron las horas de operación para cada uno de los equipos (24 horas para los HiVol y DustTrak; 12 horas para el Harvard Impactor), a partir del conocimiento adquirido en la revisión bibliográfica que se hiso de cada uno de ellos. Por último, se rectificó el método para el cálculo de las concentraciones de material particulado de los equipos gravimétricos, se procesaron los datos en Excel para los equipos volumétricos y se accedió a los datos de la RMCAB.
Con el fin de asegurar la calidad de los muestreos centrales del proyecto, el procedimiento seguido en el IP fue:
27 Esquema 1 Diagrama de flujo con procedimiento seguido en muestreo piloto.
El muestreo piloto realizado en el edificio IP de la Universidad de los Andes permitió definir y aclarar el procedimiento a seguir para las campañas de monitoreo. En este sentido, y cumpliendo con el objetivo del proyecto, se escogió un punto al SurOccidente y otro al Nororiente de la ciudad. Los lugares de muestreo fueron escogidos estratégicamente con el fin de cubrir los dos extremos de la ciudad y el punto de inicio y fin de la dirección del viento promedio de Bogotá. Es decir, un punto antes de generar el fenómeno de arrastre de partículas por el viento –Nororiente-, y otro punto que recolecte el arrastre de las partículas –Suroccidente-. De esta manera se esperaba encontrar concentraciones más altas en el punto Suroccidente que en el Nororiente.
Adicionalmente, cabe señalar que el Suroccidente de la ciudad es una zona predominantemente industrial y de alto flujo vehicular. Es decir, en esta zona se presentan concentraciones elevadas de PM10 y PM2,5 a causa de las emisiones industriales, al igual que el alto flujo vehicular. Por su lado, el Nororiente de la ciudad corresponde a una zona predominantemente residencial, de baja actividad industrial y de moderado flujo vehicular, por lo cual no se espera encontrar altas concentraciones de ninguna de las dos formas de PM estudiadas. En este sentida, para el presente trabajo se espera obtener mayores concentraciones de PM10 y PM2,5 en el punto de muestreo ubicado en el Suroccidente en comparación con el punto del Nororiente. Lo cual debe corresponder a las concentraciones de PM10 reportadas para la estación de Puente Aranda y Usaquén (estaciones más cercanas
Familiarización y ensayo preliminar de los
equipos.
Planeación de la campaña de muestreo.
Preparación de filtros.
Planeación de rango temporal de muestreo
por equipo.
Planeación del transporte de implementos necesarios
para el muestreo. Instalacion de equipos en
el punto de muestreo. Calibración de flujo en el
punto de muestreo. Puesta en marcha de lel
monitoreo.
Finalización del monitoreo.
Transporte de las muestras.
Análisis de muestras.
Transporte de implementos al punto
28 al punto de muestreo del suroccidente y nororiente respectivamente) presentadas en el Informe anual de calidad del aire de Bogotá presentado para el año 2013, del que se obtiene la siguiente información:
Tabla 4 Datos de concentración PM10 para los años 2012 y 2013 de la estación de Puente Aranda y Usaquén de la RMCAB
Estación Puente Aranda Estación Usaquén
2012 Concentración PM10 ug/m3 48 36
2013 Concentración PM10 ug/m3 47 37
Con base en lo anterior, las muestras de PM10 y PM2.5 fueron recolectadas exactamente en:
Campaña de muestreo 1. Punto Suroccidente: Esta campaña se realizó entre los días domingo 22 de marzo y jueves 26 de marzo. El muestreo se llevó a cabo sobre la terraza de la casa ubicada en la transversal 71b #8ª-06. El punto se encuentra ubicado a aproximadamente 2km al occidente de la estación de monitoreo Puente Aranda de la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá. En cuanto a la instalación, los HiVol fueron ubicados a 2m de distancia uno del otro, sobre estos se ubicaron los Dustrak y el Harvard Impactor fue situado en la mitad.
29
Campaña de muestreo 2. Punto Nororiente: Esta campaña se desarrolló durante los días domingo 29 de marzo y jueves 1 de abril. El muestreo se realizó sobre la terraza del edificio Deco II ubicado en la carrera 20 # 134ª-30. Este punto se encuentra ubicado a aproximadamente 2.5km al noroccidente de la estación Usaquén de la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá. La instalación de los equipos fue similar a la del punto del Suroccidente.
Foto 6 Montaje en punto de muestreo nororiente
4.3. Rangos de tiempo de muestreo por equipo
Idealmente, los dos muestreos fueron diseñados para que los HiVol tomaran datos las 24 horas del día –comenzando a las 0:00 y terminando a las 24:00- al igual que los DustTrak; y que el Harvard Impactor recolectaron datos durante el día y la noche en dos periodos de 12 horas -7:00am a 7:00pm y 7:00pm a 7:00am-. El diseño del muestreo se pudo ejecutar sin inconvenientes en la primera campaña de muestreo. Sin embargo, por temas logísticos durante la segunda campaña, los rangos de tiempo de muestreo tuvieron que ser modificados. En este sentido, en el punto del Nororiente los HiVol operaron sólo durante 12 horas en el día -8:00am a 8:00pm-; mientras los que el Harvard Impactor estuvo en funcionamiento en dos periodos de 12 horas por día -8:00am a 8:00pm y 8:00pm a 8:am-; por su parte los dos DustTrak pudieron trabajar las 24 horas del día durante la campaña de monitoreo.
30 4.4. Metodología de análisis de muestras
Las muestras recolectadas en las dos campañas de monitoreo fueron manejadas y analizadas según los protocolos del Laboratorio de Calidad del Aire de la Universidad de los Andes. En este sentido, las muestras de los métodos discontinuos fueron manejadas a través de todo el procedimiento de la técnica gravimétrica; y los datos de los DustTrak fueron manipulados y analizados con la ayuda de hojas de cálculo en Excel.
4.4.1. Metodología para el análisis de filtros
La preparación de los filtros se constituye como una etapa anterior al desarrollo de los muestreos. Para esto se dispusieron en un desecador con solución de al 46% por periodos de mínimo 24 horas, con el fin de asegurar la ausencia de humedad en los filtros. Cabe señalar que según el SOP del HiVol, los filtros en el laboratorio deben mantenerse bajo condiciones controladas de temperatura y humedad relativa, las cuales deben ser entre 15°C-30°C y 40%±5%, respectivamente (Universidad de los Andes, 2006). Las condiciones requeridas fueron monitoreadas en el proceso de pesaje, sin embargo a pesar de que la temperatura se mantuvo entre 20°C y 25°C, la humedad relativa siempre fue superior a la sugerida. Por otro lado, los filtros de 37mm, correspondientes al Harvard Impactor, se guardaron en cajas de Petri y bolsas Ziploc; mientras que los filtros de los HiVol, debido a que son de mayor tamaño, se transportaron doblados por la mitad dentro de bolsas Ziploc. Tras asegurarse el secado de los filtros se procedió a pesarlos; este peso corresponde al peso inicial de los filtros –antes de iniciar el muestreo-, es decir, al peso de los filtros sin muestra de PM recolectada.
31 Una vez se terminaron las campañas, la concentración de las muestras recolectadas en los filtros se determinó por medio de análisis gravimétrico. Para esto fue necesario pesarlos nuevamente una vez se desecaron por mínimo 24 horas, tal como se explicó anteriormente; este peso corresponde al peso final, es decir, al peso después de recolectar la muestra de PM. Adicionalmente, durante el muestreo fue necesario registrar la hora de inicio y fin –por filtro-, el tiempo transcurrido por cada muestreo según el equipo y el flujo final e inicial de cada equipo.
Las balanzas utilizadas para el pesaje de los filtros son de alta precisión y permiten conocer la masa de los filtros hasta un orden de micro gramos. Cada filtro fue pesado 3 veces asegurando una diferencia de máximo 3micras entre los 3 pesos. El calibrador implementado para medir el flujo inicial y final del Harvard Impactor fue un MesaLabs Bios referencia Defender 520. Por otro lado, para conocer el flujo final e inicial de los HiVol, se implementó el método respectivo a partir de la relación de presión ambiental y de estancamiento del equipo con la ayuda de un manómetro y la tabla de calibración de los equipos.
32 Foto 9 Balanza implementada para el pesaje de los filtros de los HiVol.
Foto 10 Calibrador implementado para controlar el flujo del Harvard Impactor
Cabe señalar que a cada muestreo fue necesario llevar un filtro blanco, el cual será necesario para el cálculo de las concentraciones.
Con todos estos datos fue posible calcular la concentración de PM2.5 para el Harvard Impactor, aplicando la siguiente fórmula:
( )
Ecuación 1 Cálculo de concentración de PM por método gravimétrico.
Donde:
33 En este sentido, la metodología a seguir para determinar las concentraciones halladas por el Harvard Impactor es:
Esquema 2Diagrama de flujo metodología para cálculo de concentraciones PM2.5 con Harvard Impactor.
Por su lado, para el pesaje de los filtros de los HiVol se implementó una metodología levemente distinta. En esta se utilizó un recipiente de plástico sobre el cual se pesaron los filtros. Es decir, se taró la báscula de precisión con el recipiente para, sobre este, disponer los filtros a pesar. Para asegurar el pesaje correcto, se repitió el procedimientohasta obtener dos pesos exactamente iguales de manera consecutiva. El flujo de operación de los equipos se calculó a partir de la relación de la presión de estancamiento y la presión ambiental y una tabla de calibración.
Adicionalmente, con el fin de garantizar el flujo de los HiVol, fue necesario hacer dos pruebas: una para garantizar que el equipo está libre de fugas, y otra para asegurar el flujo de operación. En este sentido, una vez instalados los equipos en el punto de muestreo, se procedió primero a realizar la prueba de fugas. Esta consiste en instalar un sistema de calibración (orificio) sobre una bandeja ubicada en el soporte del filtro, en la cual se adapta orificio. Una vez se instala, se conecta la presión de estancamiento a un manómetro y se cubren las salidas del orificio con un guante de látex (Universidad de los Andes, 2006). Posteriormente, se prende el motor, si no hay movimiento en el manómetro, quiere decir que no hay fugas.
Secado de filtros mínimo 24 horas antes del muestreo.
Pesaje de filtros una vez secados. Peso
inicial.
Montaje de filtro. Calibración de flujo a 10L/min
Toma de tiempo de inicio y horómetro
inicial.
Toma de tiempo final y horómetro final.
Medición de flujo final.
Retiro de filtro y cambio de impactador para instalar nuevo filtro.
Desecado de filtros por mínimo 24 horas.
Pesaje de filtros. Peso final
Cálculo de concentración.
34 Ilustración 9 Bandeja soporte de orificio tomado de: (Universidad de los Andes, 2006)
Ilustración 10 CVF orificio tomado de: (Universidad de los Andes, 2006)
Para el caso de la verificación del flujo de operación, se tomaron 5 datos de la presión de estancamiento y la presión del orificio con la ayuda de dos manómetros de agua. Posteriormente se halló la relación de presiones y se determinó el flujo a partir una tabla de calibración, teniendo en cuenta la temperatura ambiental y la relación de presiones. Cabe señalar que la presión de estancamiento corresponde a la lectura del manómetro conectado al motor. Adicionalmente, se tomó un dato de presión de estancamiento con un filtro blanco de calibraciones.
35 Ilustración 11 Presión de estancamiento y de orificio tomado de: (Universidad de los Andes, 2006)
De esta manera, el procedimiento a seguir para el cálculo de las concentraciones de los HiVol fue:
Esquema 3 Diagrama de flujo metodología para el cálculo de las concentraciones PM10 y PM2.5 con HiVol.
Desecado de fitros mínimo 24 horas antes
del muestreo.
Pesaje de filtros. Peso
inicial. Prueba de fugas.
Calibración de flujos con 5 ensayos.
Prueba de flujo con
blanco. Montaje de filtros.
Toma de presión de estancamiento inicial y
obtención de dato de flujo en tabla de
calibración.
Toma de hora y dato de horómetro inicial.
Toma de hora y horómetro final.
Toma de presión de estancamiento final y obtención de dato de
flujo en tabla de calibración.
Retiro y adecuación de filtros para transporte.
Desdecado de filtros por mínimo 24 horas.
Pesaje de filtros. Peso final.
Cálculo de las concentraciones.
36 Una vez se obtuvieron las concentraciones, se graficaron por día de muestreo y se compararon entre sí.
4.4.2. Metodología para el análisis de datos de los DustTrak
Con el fin de realizar el análisis de los datos para cada día de muestreo, primero se separaron los datos arrojados por los DustTrak a una hoja de Excel. Es decir, se tomaron los datos por minuto desde las 0:00 hasta las 24:00 por cada día muestreado tanto para PM10 como para PM2.5.Debido a que se quiere entender las variaciones diurnas de concentración de PM, se aplicó un filtro para eliminar las mediciones de alta frecuencia medidas por el instrumento. Para atenuar la señal de alta frecuencia, se calculó la media móvil a todos los datos en rangos de 60, es decir, se obtuvo el promedio móvil de los datos para cada hora. Posteriormente se graficaron y compararon los datos con la estación de la RMCAB más cercana al punto de muestreo.
Con el fin de generar claridad en el procedimiento seguido, a continuación se muestra lo realizado el día 1 del muestreo en el Suroccidente.
Gráfica 1 Datos DustTrak PM2.5 día 1 Muestreo Suroccidente 0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
m
g/m3
37 Gráfica 2 Datos DustTrak PM2.5 día 1 Muestreo Suroccidente
En el caso ejemplificado anteriormente se puede observar con la claridad que la aplicación de la media móvil suaviza los datos obtenidos en un principio, lo cual permite identificar con mayor claridad los picos diurnos y, en sí, el ciclo diurno del PM. Adicionalmente, esto facilitó la comparación de las concentraciones de los DustTrak entre ellos y con los de la estación de la RMCAB más cercana al punto de muestreo.
Gráfica 3 Datos PM10 y PM2.5 comparados para el Día2 Muestreo Suroccidente. Rojo: PM10, Azul: PM2.5
Una vez se tuvieron los datos de los DustTrak organizados y separados por días, se pudo comparar con la estación de la RMCAB más cercana al punto de muestreo. Así para la
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
m
g/m3
Horas
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
u
g/m3
38 campaña 1 –muestreo Suroccidente- se compararon las concentraciones de PM10 con la estación Puente Aranda. Sólo fue posible hacer la comparación para PM10 debido a que la estación no reporta datos de PM2.5. Por su lado, para el punto de muestreo ubicado en el Nororiente, se pude efectuar la comparación de PM10 y PM2.5 con la estación de Usaquén.
A continuación se ejemplifica una comparación realizada para PM10 entre el DustTrak y la estación de Puente Aranda; y una para PM2.5 entre DustTrak y la estación Usaquén.
Gráfica 4 Comparación PM10 DustTrak y estación Puente Aranda Día3 Muestreo Suroccidente. Rojo: RMCAB, azul: DustTrak.
Gráfica 5 Comparación PM 2.5 entre DustTrak y estación Usaquén Día 3 Muestreo Nororiente. Rojo: RMCAB, azul: DustTrak.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00
u
g/m3
Horas
0 20 40 60 80 100 120
00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00
u
g/m3
39 Tal como se observa en las dos gráficas, los datos de los DustTrak y las estaciones de la RMCAB presentan un comportamiento muy similar. Sin embargo, es destacable un pequeño desfase entre las dos fuentes de datos. Esto se le atribuye, en principio, al viento de la zona que provoca que el material recolectado llegue primero a un punto que otro. Sin embargo, este análisis se explicará con mayor detalle más adelante.
En este sentido, el procedimiento seguido para analizar los resultados de los DustTrak es:
Esquema 4Procedimiento para el análisis de datos DustTrak.
Una vez se obtuvieron las concentraciones de los métodos gravimétricos y de los DustTrak, se procedió a encontrar factores de corrección entre estos. Es decir, factores que permitan ajustar los datos de los DustTrak a las concentraciones obtenidas de los HiVol y el Harvard Impactor. Para esto, se llevó a cabo el siguiente procedimiento:
Descarga de datos y copia en
Excel. Cortar y organizar los datos por día de muestreo. Hallar la media móvil de los datos en intervalos de 60.
Convertir las concentraciones a ug/m^3.
Comparar datos de PM10 y PM2.5.
Descargar datos correspondientes a las fechas de muestreo de las estaciones de la RMCAB más cercanas a
los puntos de muestreo.
Comparar datos de DustTrak con estación de RMCAB.
40 Esquema 5 Procedimiento seguido para hallar los factores de correción DustTrak.
Los factores de corrección fueron hallados como una razón, es decir, como una división entre los promedios de las concentraciones de los DustTrak y la concentración hallada para el HiVol o el Harvard Impactor en el mismo rango de tiempo.
5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación se muestran los resultados obtenidos en proyecto. Primero se muestran para el caso del muestreo en el Suroccidente y, posteriormente, los resultados del muestreo del Nororiente.
5.1. Muestreo Suroccidente
Para el caso de los HiVol, los resultados obtenidos fueron:
Se halló el promedio de concentraciones de los DustTrak para el rango de tiempo ajustado a los HiVol o
al Harvard Impactor.
Se halló un factor de corrección para PM2.5 entre Hivol y Harvard Impactor por
día y se promedió.
Se halló un factor de corrección entre DustTrak vs
Harvard Impactor; DustTrak vs HiVol por día.
Se aseguró que los factores de corrección hallados por
día no tuvieran un error mayor al 15% y se
promediaron.
Se halló un factor de correccón para PM10 entre
DustTrak y HiVol por día, asegurando un error de
máximo 15% y se promediaron.
Se calibraron los datos de los DustTrak con los factores de corrección encontrados.
41 Gráfica 6 Concentraciones de HiVol PM10 y PM2.5 muestreo SurOccidente Rojo: PM10, Azul: PM2.5
Tal como se observa las concentraciones de PM2.5 se mantienen por debajo de las del PM10. Esto es razonable debido a que el PM10 debe contener al PM2.5; así mismo, es posible destacar que el comportamiento de los dos es similar a lo largo del tiempo. Cabe señalar que el lunes 23 de marzo fue día festivo, por lo cual se observa la menor concentración entre los días muestreados.
A continuación se muestran los datos tabulados.
Tabla 5 Concentraciones PM10 y PM2.5 HiVol muestreo Suroccidente
Nombre Fecha Día
Concentración ug/m3
2.5d2 22/03/2015 Domingo 27.49
2.5d1 23/03/2015 Lunes 22.37
2.5d3 24/03/2015 Martes 37.59
2.5d4 25/03/2015 Miércoles 34.9855
10d1 22/03/2015 Domingo 51.7886
10d2 23/03/2015 Lunes 40.2222
10d3 24/03/2015 Martes 76.3839
10d4 25/03/2015 Miércoles 63.8368
Domingo , 27.5 Lunes , 22.4
Martes , 37.6
Miércoles, 34.9 Domingo , 51.8
Lunes , 40.2
Martes , 76.4
Miércoles, 63.8 0.0000 10.0000 20.0000 30.0000 40.0000 50.0000 60.0000 70.0000 80.0000 90.0000 C o n ce n tra ci ó n u g/m^3 Días
42 Las concentraciones obtenidas en la campaña de muestreo para el Harvard Impactor fueron:
Gráfica 7Concentración diurna y nocturna de PM 2.5 IH Rojo: nocturno; Azul: diurno
En la gráfica anterior se muestran las concentraciones diurnas y nocturnas para PM2.5 obtenidas del Harvard Impactor. Recuérdese que el muestreo se hizo de 7:00am a 7:00pm y de 7:00pm a 7:00am. Los datos tabulados son los siguientes:
Tabla 6 Concentraciones diurnas y nocturnas PM2.5 Harvard Impactor
En el Día Domingo 28.3
Lunes 20.4
Martes 37.4
Miércoles 33.8
En la Noche Domingo 18.5
Lunes 30.3
Martes 43.2
Miércoles 50.2
Una vez más, es importante señalar que el lunes fue día festivo, lo que puede explicar que la concentración diurna de este día haya sido tan similar a la del domingo. Por otro lado, tal como se observa, las concentraciones nocturnas tienden a aumentar en el transcurso de los
Domingo; 28.3 Lunes; 20.4 Martes; 37.4 Miércoles; 33.8 Domingo; 18.5 Lunes; 30.3 Martes; 43.2 Miércoles; 50.2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 C o n ce n tra ci ó n u g/m^3 Días
43 días. Esto puede deberse a que el muestreo fue realizado en una zona industrial y las horas de carga y descarga son en la noche. En este sentido, puede existir un mayor flujo vehicular de carros diesel en las noches entre semana, causando un aumento de emisiones de PM2.5.
En cuanto a las concentraciones halladas a partir de los DustTrak, a continuación se muestran primero los datos de PM10 y PM2.5 comparados para cada día; y posteriormente, las concentraciones de PM10 obtenida por los DustTrak comparadas con los datos de la estación de la RMCAB Puente Aranda.
Gráfica 8 Concentraciones DustTrak día 1 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5
Tal como se observa, la concentración de PM2.5 tiene un pico que sobrepasa la de PM10, lo cual no debería ocurrir. En este sentido, dado que el PM10 siempre contiene el PM2.5, se puede afirmar que lo sucedido corresponde a un fenómeno local, y este puede ser el hecho de que, a la hora de la anomalía, se trabajó con soldadura en la terraza de la casa en la que se llevó a cabo el muestreo. De resto, puede observarse que el comportamiento del PM10 y el PM2.5 es muy similar, manteniéndose el primero por encima del segundo. Como puede verse en la gráfica, el primer día de muestreo el DustTrak que estaba midiendo PM10 dejó de funcionar a las 7:00pm aproximadamente.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
u
g/m3
44 Gráfica 9 Concentraciones DustTrak día 2 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5
La gráfica anterior nos indica que el PM10 y el PM2.5 tienen un comportamiento muy similar, por lo cual se puede concluir que los dos DustTrak estaban registrando los mismos eventos, es decir, estaban midiendo lo mismo.
Gráfica 10 Concentraciones DustTrak día 3 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
u
g/m3
Horas
0 20 40 60 80 100 120
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
u
g/m3
45 En el día 3 sólo se obtuvieron datos de PM2.5 hasta la 1:30pm, sin embargo, puede observarse que mientras los dos DustTrak estuvieron funcionando, las concentraciones de PM10 y PM2.5 son muy similares y el primero se mantiene por debajo del segundo.
Gráfica 11 Concentraciones DustTrak día 4 muestreo Suroccidente Rojo:PM10; Azul: PM2.5
En el cuarto día del muestreo del Suroccidente los dos DustTrak midieron las 24h planeadas. Durante el tiempo de muestreo, se observa que los dos equipos registran los mismos eventos manteniéndose la concentración del PM2.5 por debajo de la de PM10.
De la estación de Puente Aranda de la Red de Monitoreo de Calidad del Aire de Bogotá D.C., se obtuvieron las concentraciones de PM10 para cada día de muestreo. A continuación, se muestran los datos comparados del DustTrak y la estación.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
00:00:00 04:48:00 09:36:00 14:24:00 19:12:00 00:00:00
u
g/m3
