Universidad Nacional del Centro del Perú
Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química
Determinación de las fuentes de emisión del material particulado en el Valle del Mantaro mediante el análisis
de componentes principales (ACP)
Arteaga Llacza, Pedro Pablo
Huancayo 2018
Esta obra está bajo licencia https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Repositorio Institucional - UNCP
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADA POR:
Pedro Pablo Arteaga Llacza
PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA AMBIENTAL
Huancayo – Perú 2018
“Determinación de las fuentes de emisión del material particulado en el valle del Mantaro mediante el análisis de
componentes principales (ACP)”
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS:
PRESENTADA POR:
Pedro Pablo Arteaga Llacza
PARA OPTAR AL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN INGENIERÍA AMBIENTAL
APROBADA POR EL JURADO SIGUIENTE:
PRESIDENTE:
SECRETARIO:
PRIMER MIEMBRO:
SEGUNDO MIEMBRO:
TERCER MIEMBRO:
ASESOR DE TESIS:
Huancayo, 18 de agosto de 2018
Determinación de las fuentes de emisión del material particulado en el valle del Mantaro mediante el análisis de componentes
principales (ACP)
Dr. Moisés E. Beltrán Lázaro
Dr. Luis F. Riccio Yauri
Ms. Yessica Bendezú Roca
Ms. Yessica Bendezú Roca Dra. Gladys M. Ávila Carhuallanqui
Dr. Elías A. Sanabria Pérez
ASESOR
Ms. YÉSSICA BENDEZÚ ROCA
iii
DEDICATORIA
A mis padres Pedro y Selmira, por su
cariño, sacrificio y atención
permanente.
iv
AGRADECIMIENTO
A Dios, por guiar y proteger mis pasos
A Judith Elvira Campos Fernández, mi compañera para toda la vida.
A Milagritos Anamile Arteaga Figueroa, mi motor que permite superarme a mí mismo día a día.
A Patricia, Milagros y Angélica, por su cariño incondicional.
A Lupita, mi nuevo motivo de querer irradiar buenos ejemplos y virtudes.
Al Ing. Luis Fernando Suarez Salas, por su apoyo incondicional en el desarrollo del presente trabajo.
A la Ms. Yéssica Bendezú Roca, Dra. Gladys Maritza Avila Carhuallanqui y al Dr. Elias Adrian Sanabria Perez; por su orientación, paciencia y conocimiento brindado en el desarrollo del presente trabajo.
Asimismo, expresar mis reconocimientos a la Escuela de Posgrado de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
Al personal docente y administrativo de la Unidad de posgrado de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú, por darme la oportunidad de seguir logrando objetivos académicos.
v
ÍNDICE GENERAL
Carátula I
Hoja de firmas ii
Dedicatoria iii
Agradecimiento iv
Índice general v
Índice de tablas vii
Índice de figuras ix
Resumen x
Abstract x
Introducción 12
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 14
1.1. Antecedentes 14
1.2. Bases teóricas y conceptuales 17
1.2.1. La atmósfera 17
1.2.2. Contaminación atmosférica 20
1.2.3. Fuentes de contaminación de la atmosfera 20
1.2.4. Material Particulado 22
1.2.4.1. Composición química del material particulado 23
1.2.5.Colectores de material particulado 23
1.2.6. Análisis de componentes principales (ACP) 24
1.3. Definición de términos básicos 25
1.4. Hipótesis de investigación 26
1.5. Operacionalización de las variables 27
CAPÍTULO II DISEÑO METODOLÓGICO 28
2.1. Tipo y nivel de investigación 28
2.2. Métodos de investigación 28
2.3. Diseño de la investigación 28
2.4. Población y muestra 29
2.4.1. Población 29
vi
2.4.2. Muestra 29
2.5. Técnicas e instrumentos de recolección de datos 29
2.6. Técnica de procesamiento de datos 30
CAPÍTULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 32
3.1. Presentación, análisis e interpretación de los datos 32 3.1.1. Variación de la concentración del material particulado (PM) 32 3.1.2. Estadísticos del material particulado menor de 2.5 micras (PM2.5) 34 3.1.2.1. Composición química elemental del material particulado PM2.5 36 3.1.3. Estadísticos del material particulado menor de 10 micras (PM10) 37 3.1.3.1. Composición química elemental del material particulado PM10 38 3.1.4. Análisis de componentes principales (ACP) para PM2.5 en Huancayo 41 3.1.5. Análisis de componentes principales (ACP) para PM2.5 en Concepción 42 3.1.6. Análisis de componentes principales (ACP) para PM2.5 en Jauja 44 3.1.7. Análisis de componentes principales (ACP) para PM10 en Huancayo 45 3.1.8. Análisis de componentes principales (ACP) para PM10 en Concepción 47 3.1.9. Análisis de componentes principales (ACP) para PM10 en Jauja 49
Conclusiones 51
Recomendaciones 53
Referencias Bibliográficas 54
Anexos 59
vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla Nro. 1. Gases permanentes cerca de la superficie de la Tierra. 18 Tabla Nro. 2. Sustancias variables de la atmosfera cerca de la superficie. 18 Tabla Nro. 3: Fuentes naturales y tipos de contaminantes 21 Tabla Nro. 4: Tabla de características de tipos de material particulado 22 Tabla Nro. 5. Valores criterio de la normatividad sobre calidad del aire según el
Estándar de Calidad Ambiental (ECA) para Aire
31
Tabla Nro. 6: Concentración media de material particulado (PM) en localidades del Valle del Mantaro (agosto 2007 - octubre 2008).
32
Tabla Nro. 7: Valores máximos de material particulado (PM) en localidades del Valle del Mantaro (agosto 2007 - octubre 2008)
33
Tabla Nro. 8: Estadísticos para el material particulado menor a 2,5 μm (PM 2,5), en µg/m3, en tres localidades del Valle del Mantaro.
35
Tabla Nro. 9: Valores medios (ng/m3) de material particulado menor a 2,5 μm (PM2,5) en tres localidades del Valle del Mantaro
36
Tabla Nro. 10: Estadísticos para el material particulado menor a 10 μm (PM10), expresado en µg/m3, en tres localidades del Valle del Mantaro.
37
Tabla Nro. 11: Valores medios (ng/m3) de material particulado menor a 10 μm (PM10) en tres localidades del Valle del Mantaro.
40
Tabla Nro. 12. Porcentaje de la varianza del análisis de componentes principales (ACP) para PM2,5 en Huancayo.
41
Tabla Nro. 13: Carga factorial ACP PM2,5 en Huancayo. 42 Tabla Nro. 14: Porcentaje de la varianza del análisis de componentes
principales (ACP) para PM2,5 en Concepción.
43
Tabla Nro. 15: Carga factorial del ACP para el PM2.5 en Concepción. 43
viii
Tabla Nro. 16: Porcentaje de la varianza del análisis de componentes principales (ACP) para PM2,5 en Jauja.
44
Tabla Nro. 17: Carga factorial del ACP para el PM2.5 en Concepción. 44 Tabla Nro. 18: Porcentaje de la varianza del análisis de componentes
principales (ACP) para PM10 en Huancayo.
45
Tabla Nro. 19: Carga factorial tras del ACP para PM10 en Huancayo 46 Tabla Nro. 20: Porcentaje de la varianza del análisis de componentes
principales (ACP) PM10 en Concepción.
47
Tabla Nro. 21. Carga factorial del ACP para PM10 en Concepción 48 Tabla Nro. 22: Porcentaje de la varianza del análisis de componentes
principales (ACP) para PM10 en Jauja
49
Tabla Nro. 23: Carga factorial del análisis de componentes principales (ACP) para PM10 en Jauja.
450
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura Nro. 1. Capas de la Atmosfera. 19
Figura Nro. 2: ECA y valores medios de material particulado (PM) registrado en tres localidades del Valle del Mantaro.
33
Figura Nro. 3: ECAs, valor crítico y valores máximo de material particulado (PM) registrado en tres localidades del Valle del Mantaro.
34
Figura Nro. 4: Diagramas de caja para el material particulado menor a 2,5 μm (PM2,5) diario en tres localidades del Valle del Mantaro.
35
Figura Nro. 5: Diagramas de caja para el material particulado menor a 10 μm (PM10) diario en tres localidades del Valle del Mantaro.
38
x RESUMEN
En este trabajo de investigación titulado, “DETERMINACIÓN DE LAS FUENTES DE EMISIÓN DEL MATERIAL PARTICULADO EN EL VALLE DEL MANTARO MEDIANTE EL ANÁLISIS DE COMPONENTES PRINCIPALES (ACP)”, se tuvo como objetivo principal, determinar la composición química elemental del material particulado colectado en Jauja, Concepción y Huancayo desde Agosto 2007 a Octubre 2008, asimismo determinar las fuentes de emisión mediante el Análisis de Componentes Principales (ACP).
Los equipos utilizados están bajo el Reglamento de Estándares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire (D. S. N° 074-2001-PCM). Para la medición de material particulado se utilizó un colector de bajo volumen (16,7 L/min) con un sistema combinado, modelo Partisol de Thermo Scientific. Los filtros de colecta fueron de teflón, con una porosidad de 2 μm para una toma de muestras de aire por 24 horas continuas, previamente pesados en los laboratorios Inter Mountain Laboratories-IML y CHESTER LabNet (acreditados por el Consejo Nacional de Acreditación de Laboratorios Ambientales (NELAP) de EE.UU). La caracterización química elemental se realizó mediante análisis por Fluorescencia de Rayos X (FRX).
Mediante el método ACP se determinó que, en Huancayo la principal fuente de PM10 y PM2.5, fueron el polvo resuspendido del suelo y el tráfico de autos. Para Concepción también fue la misma fuente de contaminación pero con otro aporte importante de quema de biomasa. En Jauja fuentes pirometalurgicas y cerámicas son las más importantes para la fracción de PM2.5, mientras que para PM10 la principal fuente fue el polvo del suelo y quema de biomasa.
Palabras clave: Material particulado, Huancayo, Jauja, Concepción, ACP
xi ABSTRACT
In this research work named, "DETERMINATION OF THE EMISSION SOURCES OF PARTICULATE MATTER IN THE MANTARO VALLEY THROUGH PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS (PCA)", the main objective was to determine the elemental chemical composition of the particulate material collected in Jauja , Concepción and Huancayo from August 2007 to October 2008, also determine the sources of emission through the Principal Component Analysis (PCA).
The instruments that were used in this research are considered under the legislation of the National Air Quality Standars, aprobed by D.S. Nr. 074-2001-PCM. For measuring particulate matter it was used a low volume sampler (16,7 L/min) with a combined system for separating particulate matter PM10 and PM2.5 (model Partisol from Thermo Scientific). The filters for collecting the particulas were of teflon, with a porosity of 2 µm for sampling during 24 hours continuously. Previously filters were weighted at laboratories Inter Mountain Laboratories-IML y CHESTER LabNet that are accredited at National Environmental Laboratory Accreditation Program (NELAP) of USA. For the elemental chemical characterization it was performed using analysis by X-Ray Fluorescence (XRF).
After applying PCA to the data main findings were: At Huancayo the main source of particulate matter was related to soil resuspended dust and road traffic. For Concepcion is also the main source with important source of biomass burning. At Jauja pirometallurgic and ceramic sources are more important for PM2.5 and meanwhile for PM10 it was identified the soil dust and biomass burning.
Keywords: Particulate matter, Huancayo, Jauja, Concepción, PCA
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INTRODUCCIÓN
La contaminación del aire es un problema ambiental que se ha incrementado en los últimos años, especialmente, en los grandes conglomerados urbanos del país. Por ello, el Ministerio del Ambiente ha declaro ciudades de atención prioritaria con la finalidad de tomar medidas para la gestión de la calidad del aire. Esta medida además tiene como objetivo promover la conservación del ambiente a fin de cooperar con el desarrollo integral de la persona humana garantizando una adecuada calidad de vida. Entre esas labores se desarrollaron “Planes a Limpiar el Aire”, siendo esto una propuesta de solución para poder controlar o mitigar algunos de los contaminantes como es el caso del material particulado, que es un problema principal en la temática de la calidad del aire de diversas ciudades.
Cabe indicar que entre estas ciudades se encuentra la provincia de Huancayo.
El material particulado es cualquier material de muy pequeño diámetro que existe en estado sólido o liquido en la atmósfera o en una corriente de aire en condiciones normales, el cual es producido por productos de la erosión por el viento, polvo de carreteras, desechos de incendios forestales, el polen y las semillas de las plantas. El principal efecto adverso del material particulado son las afecciones respiratorias con las que está relacionado. Diversos estudios han mostrado una importante relación en la morbilidad y mortalidad asociado niveles altos de contaminación del aire por material particulado y a episodios extremos. De otro lado incrementa las reacciones químicas en la atmosfera, reducen la visibilidad y ocasión la falta de crecimiento de las plantas. Cabe resaltar que el material particulado arrastrado por el aire varían su tamaño desde 0.001 µm hasta 500 µm, sin embargo la mayor parte de material particulado en la atmosfera varia de 0.1 µm hasta 10 µm siendo sus velocidades de asentamiento desde 4 x 10-5 cm/s hasta 0.3 cm/s.
Por consiguiente es importante cuantificar los niveles de material particulado en la ciudad de Huancayo y sobre todo el tener una base de datos confiable que cubra diversos periodos del año. Este conjunto de datos que siguen rigurosos procedimientos de muestreo y controles de calidad permitirá aplicar técnicas avanzadas de procesamiento estadístico para identificar a las principales fuentes de contaminación del aire. Por ello este trabajo plantea como objetivo evaluar las fuentes de emisión del material particulado en el Valle del Mantaro, en el periodo 2007 y 2008, mediante el análisis de componentes principales (ACP).
Por lo tanto, en el CAPÍTULO II se muestra los antecedentes del problema y el marco teórico del mismo, donde se tienen como referencia tesis no publicadas las cuales utilizan
13
diferentes equipos de monitoreo de material particulado y observan a correlación que existe entre ellos, acerca del marco teórico de investigación se basó en la situación actual respecto a la contaminación ambiental y el material particulado en el Perú, en la metodología de monitoreo de material particulado y en la tecnología de los equipos utilizados. Después en el CAPÍTULO II denominado diseño metodológico, se muestra el método, tipo y nivel de la investigación, donde el nivel es experimental, el método deductivo el tipo de investigación por su profundidad es correlacional. Asimismo en este capítulo se desarrolló las técnicas de recolección de datos, donde se describió el área de estudio, los materiales, el método de calidad de aire y el procesamiento de datos para hallar la prueba de hipótesis.
En el CAPÍTULO III se muestra el análisis y discusión de resultados, donde se describió las actividades que se realizaron durante el muestreo y los resultados obtenidos, además se realizó la prueba de hipótesis utilizando la correlación de Pearson para demostrar la correlación existe entre ambos equipos. Por último se muestra las conclusiones de la investigación donde se muestra el desenlace de la investigación dando a conocer los resultados finales. De modo final se presentan las recomendaciones del caso y se anexa las referencias bibliográficas utilizadas en este estudio y los diversos anexos relacionados.
14 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1. ANTECEDENTES
A nivel internacional diversos estudios han analizado los problemas de la contaminación del aire en sitios urbanos. Wise y Comrie (2005) estudiaron las relaciones entre ozono troposférico, material particulado (MP) y variables meteorológicas para 5 ciudades:
Albuquerque, El Paso, Las Vegas, Phoenix y Tucson del suroeste de los Estados Unidos, durante el período 1990-2003, incluyendo humedad específica, altura de capa de mezcla en la mañana, temperatura media diaria, temperatura máxima diaria, velocidad del viento promedio de 24 horas, temperatura de rocío promedio de 24 horas y la dirección del viento.
Para determinar los controles meteorológicos sobre el PM, usaron el método de filtro Kolmogorov-Zurbenko (KZ). Entre los resultados registrados por los autores, indicaron que los niveles de humedad (particularmente la humedad relativa) son los más fuertes predictores de las concentraciones de MP en las cinco ciudades examinadas. La variabilidad meteorológica típicamente representó el 20-50% de la variabilidad de MP.
Zaharim et al (2009), estudiaron las relaciones entre el MP, la temperatura y la velocidad del viento en Malaysia (sureste asiático). Con el fin de estudiar las relaciones entre el PM10, la temperatura y la velocidad del viento, aplicaron a la serie temporal la transformada no decimado wavelet. Sus resultados registraron relaciones significativas entre las variables meteorológicas y PM10 para los componentes de baja frecuencia, mientras que para los componentes de alta frecuencia, las relaciones no fueron significativas. Las correlaciones entre PM10 y temperatura se encontraron positivas y las correlaciones entre PM10 y velocidad del viento registraron correlaciones positivas y negativas. Asimismo, sus resultados también apoyaron la sugerencia de que durante la estación seca, una de las principales fuentes de partículas se ubica en lugares externos al país estudiado.
Bhaskar y Mehta (2010) recolectaron datos sobre PM10 durante el período de 4 años (2005-2008) en 13 lugares en Ahmedabad, una mega ciudad en el estado de Gujarat en la India occidental. Las partículas fueron recolectadas por la Junta de Control de Contaminación de Gujarat con muestreadores de polvo respirable (RDSs). Las concentraciones de partículas (PM10) oscilaron entre 17.0 a 327.0 μg/m3 y estuvieron por encima de las normas indias de calidad del aire. En comparación con variables meteorológicas tales como lluvia, humedad, temperatura y velocidad del viento, el PM10
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mostró correlaciones negativas significativas con la precipitación. También, calcularon un Índice de Calidad del Aire (AQI) para todas las estaciones meses. Los valores de AQI variaron entre Bueno (0-50) a Peligroso (300-500).
Mues et al (2012), analizaron las condiciones meteorológicas sobre las concentraciones de PM10 en Europa en el verano del 2003. Compararon las mediciones de la red del EMEP en Europa del verano de 2003 con la media de los veranos de un período de cinco años (2003-2007). La correlación entre las concentraciones de PM10 y los parámetros meteorológicos indicó que las concentraciones observadas aumentan con alta temperatura máxima diaria. El bajo transporte horizontal y la ausencia de deposición húmeda por la baja velocidad del viento y poca precipitación asociada con condiciones con altas temperaturas favorecieron la acumulación de contaminantes en la troposfera inferior. Asimismo, los autores mencionaron que para mejorar el rendimiento de simulación de los modelos de transporte químico en función de las condiciones meteorológicas, las fuentes de emisión y formación de aerosoles orgánicos secundarios deben ser incluidas o mejoradas.
Mientras que a nivel nacional existen escasos estudios debido a la poca disponibilidad de datos. Suarez et al (2006), estudiaron el transporte transfronterizo de contaminantes del aire en la Amazonía del Perú debido a las quemas de vegetación en Brasil, donde se evaluaron datos de de materia particulado, mediante la teledetección, usando técnicas de los sensores TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) y MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Los autores evaluaron la variación estacional en términos del Índice de Aerosol (AI) y Espesor Óptico de aerosol (AOD), tomando como referencia la ciudad de Huancayo, en la cordillera de los Andes, que indicaría el transporte de los contaminantes al territorio peruano. Los datos mostraron máximos valores durante la última parte del periodo seco (agosto a noviembre). Además pudieron establecer correlaciones del efecto de las quemas en los niveles de aerosoles registrados en Huancayo. Al final los autores concluyeron que es necesario un mayor estudio sobre las trayectorias que tienen las masas de aire en la cuenca del Amazonas, investigación en la composición química de los aerosoles y una implementación de políticas de prevención de incendios forestales coordinadas adecuadamente entre Perú y Brasil.
Vivanco (2014) estudió la variabilidad temporal de los aerosoles atmosféricos en Huancayo a través de datos satelitales. La autora utilizó datos del índice de aerosol (IA) tomados por el sensor OMI (Ozone Monitoring Instrument) en el periodo 2005 -2012; y el espesor óptico de aerosol (EOA) registrados por el sensor MODIS de las plataformas Aqua y Terra, en los periodos 2003-2012 y 2001-2012, respectivamente. Sus resultados registraron que el IA registró para el año 2012 un máximo interanual de 0.61; durante el periodo enero-marzo
16
disminuyo a 0.30; abril-agosto aumento a 0.75 y setiembre-diciembre disminuyó a 0.43. En cambio, el EOA reporto en el 2005 un máximo interanual de 0.22; en el periodo abril-junio disminuyo a 0.09; julio - setiembre aumento a 0.30; octubre-diciembre disminuyo a 0.22, y enero-marzo aumentó a 0.20. Realizó una correlación entre el IA del sensor OMI y el EOA del sensor MODIS de las plataformas Aqua y Terra, siendo 0.1041 y 0.0982 (p < 0.05), respectivamente. La misma correlación fue efectuada entre los datos Aqua y Terra del sensor MODIS, resultando más elevada 0.902 (p < 0.05). El IA mostro una tendencia de incremento a razón de 0.036/año; el EOA de disminución, 0.003/año. Por lo que concluyó que existe una variación estacional de los aerosoles en Huancayo, siendo los máximos en septiembre.
Moya et al (2017) realizaron una investigación con ayuda de un modelo Weather Research and Forecasting acoplado con el modelo de química atmosférica (WRF-CHEM, por sus siglas en inglés) para determinar el transporte y dispersión del PM10, producidas por la quema de biomasa, ya sea en Perú o en regiones aledañas. Ellos definieron que el territorio peruano es afectado, tanto por partículas generadas por incendios dentro del país, como por partículas provenientes de incendios ocurridos en países vecinos, como Brasil y Bolivia.
Asimismo, el análisis fotométrico registró un incremento progresivo del espesor óptico por aerosoles desde mediados de julio, siendo más notable en agosto, en correspondencia con el incremento de las concentraciones de PM10 simuladas. Los autores al final recomiendan que es de necesidad establecer una red de monitoreo de concentraciones de PM10, principalmente en las regiones central y norte de Perú, dada la importancia de su control para la salud.
La Región de Junín sufre también esta contaminación producida especialmente por los 17 centros mineros en actividad, la refinería de la Oroya que operaba desde la década de 1920 y en la actualidad paralizada. Para los años 2006 y 2007, el Blacksmith Institute, grupo de reflexión estadounidense sobre medioambiente clasificó a La Oroya entre los diez primeros lugares más contaminados del mundo.
La primera voz de alerta, paradójicamente, vino del mismo Estado peruano, cuando la Dirección General de Salud Ambiental (DIGESA) del Ministerio de Salud (MINSA) dio a conocer cifras más que preocupantes, por su Estudio de plomo en sangre en una población seleccionada de La Oroya, de noviembre de 1999. Se halló que el 99.1% de los niños analizados (346, en total) tenía elevados niveles de plomo en la sangre (por encima de 10 μg/dL), el 67% de los niños debía recibir evaluación médica y seguimiento y 20% tenía niveles tan altos que requerían de urgente atención médica. Dos niños superaban los 70 μg/dL, por lo que requerían atención inmediata.
17
En el 2005 la Universidad de Saint Louis, Missouri, realizó un “Estudio sobre la contaminación ambiental en los hogares de La Oroya y Concepción y sus efectos en la salud de sus residentes”, para determinar los niveles de metales tóxicos en sangre y orina.
Los resultados del muestreo biológico confirmaron la gravedad de la situación de salud comunitaria, concluyendo que la población de La Oroya y Concepción están contaminadas con plomo, arsénico, cadmio, antimonio, etc. (Mantaro Revive, 2010).
El problema de la ciudad de Huancayo está asociado a las partículas menores de 2.5 micras, en un estudio realizado por la Municipalidad de Huancayo registraron valores hasta de 35 320 TM/año (Zarate y Agui, 2009).
En el 2004, la Organización Panamericana de la Salud la Organización Mundial de la Salud (OMS/ OPS, 2005) realizaron una “Evaluación de los Efectos de la Contaminación del Aire en la Salud de ALC”, recogiendo 85 estudios publicados en revistas científicas, entre 1994 y el 2004, en que se exploraban la asociación entre la contaminación del aire y sus efectos en la salud en la Región. Una de las principales conclusiones de dicho estudio determinó que la contaminación del aire sí está asociada con efectos agudos y crónicos en la salud de las personas, entre los cuales destacan problemas cardiovasculares, cáncer de pulmón e Infecciones Respiratorias Agudas (IRAS). De acuerdo con la relación exposición–
respuesta, las recomendaciones para la Calidad del Aire de la OMS entregan una relación lineal referida al material particulado. Los cambios en diferentes resultados relacionados con la salud, tales como la mortalidad diaria y las admisiones en los hospitales con cada 10μg/m3 de aumento en las concentraciones, son cuantificados por estas relaciones. La exposición a PM10 en concentraciones de 50 μg/m3 correspondería a un aumento de alrededor de un 5% en la mortalidad diaria y de un 10% en admisiones hospitalarias diarias.
En los resultados de la evaluación de la calidad de aire de la cuenca del río Mantaro para la Localidad de Huancayo respecto al material particulado menor a 10 micras (PM 10) para el periodo lluvioso se registraron valores de 78 µg/m3 superando el ECA Perú = 150 µg/m3 y 2.5 micras (PM 2.5) y confirma la presencia de arsénico, cadmio, plomo en este diámetro, el cual puede ingresar hasta los alveolos. (Mantaro Revive, 2010).
1.2. BASES TEÓRICAS Y CONCEPTUALES 1.2.1. La atmósfera
La atmósfera es una envoltura gaseosa que rodea el planeta Tierra. Está constituida por aire seco (mezcla de gases, principalmente nitrógeno, oxígeno, argón, dióxido de carbono y vapor de agua) y diversas clases de sales o tras substancias. Tal como se muestra en
18
la Tabla 1, el gas nitrógeno es el más abundante ocupando el 78% de la concentración en volumen, el segundo más abundante es el oxígeno con el 21% del volumen. Así, juntos el oxígeno y nitrógeno constituyen el 99% del aire que respiramos. El tercer gas más abundante es el argón, con una concentración un poco menos del 1% (Stanley, 2007).
Tabla Nro. 1. Gases permanentes cerca de la superficie de la Tierra.
Fuente: Stanley (2007)
De manera distinta a los gases permanentes, en la atmosfera también ocurren otras numerosas sustancias de concentración variable las cuales se resumen en la Tabla Nro.
2. Con excepción del vapor de agua, cada una de estas sustancia variables se encuentran en concentraciones mucho menores al 1% en volumen, por lo que su concentración generalmente se refiere en partes por millón (ppm) o partes por billón (ppb) por volumen.
Además estas sustancias variables no únicamente incluye gases, sino también materia particulado; por ello, el aire es una mezcla compleja de gases, líquidos y sólidos.
Tabla Nro. 2. Sustancias variables de la atmosfera cerca de la superficie.
Sustancia Composición química
Porcentaje ppm (por volumen
de aire seco)
(partes por millón)
Vapor de agua H2O 0 – 4 ---
CO2 CO2 0,035 350
Metano CH4 0,00017 1,7
Óxido nitroso N2O 0,00003 0,3
Ozono O3 0,000004 0,04
Material particulado --- 0,000001 0,01 Flouroclorocarbonos
(CFCs) --- 0.00000001 0.0001
Fuente: Stanley (2007)
Gas Composición
química
Porcentaje
(por volumen de aire seco)
Nitrógeno N2 78,08
Oxigeno O2 20,95
Argón Ar 0,93
Neón Ne 0,0018
Helio He 0,0005
Hidrogeno H2 0,00005
Xenón Xe 0,000009
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La atmósfera se estratifica de acuerdo con la relación temperatura - densidad como resultado de las interacciones entre los procesos físicos y fotoquímicos en el aire (Figura Nro. 1).
Figura Nro. 1. Capas de la Atmosfera.
Fuente: (OMS, 2005)
La capa más baja de la atmósfera que se extiende desde el nivel del mar hasta una latitud de 10-16 km es la TROPOSFERA, caracterizada por una composición generalmente homogénea de los gases permanentes y donde la temperatura decrece con la altitud. La magnitud de la disminución de la temperatura para el aire seco con altitud creciente se conoce como la velocidad de lapso adiabático que tiene un valor de 9,8 K/km. Sin embargo como la atmosfera contiene vapor de agua que se condensa según la masa de aire sube, liberando calor de vaporización y disminuyendo la velocidad del lapso hasta un promedio de aproximadamente 6,5 K/km.
La troposfera es la capa del aire que respiramos; y es donde suceden fenómenos meteorológicos como la lluvia, los vientos, granizadas, etc. Aquí podemos encontrar a los elementos meteorológicos.
20 1.2.2. Contaminación atmosférica
Es definido como el contenido del aire con sustancias tóxicas, que alteran la calidad del mismo y que conlleva a riesgos, daños o molestias graves para las personas y los bienes de cualquier naturaleza. Se define también como la presencia en la atmósfera de uno o más elementos, en cantidad suficiente, de características o permanencia tales que causan efectos indeseables en el ser humano, las plantas, la vida animal o las construcciones y monumentos, o que interfieren con el esparcimiento del ser humano. Estos elementos pueden ser polvo, emanaciones, olores, humos o vapor (Seinfeld y Pandis, 2006).
La contaminación atmosférica es la presencia en la atmósfera de agentes químicos (como los gases tóxicos, metales pesados, insecticidas, cianuros, etc.), biológicos (como los virus, polen, bacterias, hongos, parásitos) y físicos (como el ruido, luz intensa, radiaciones ionizantes, vibraciones, temperaturas, presión, etc.), en lugares, formas y concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, seguridad y bienestar de la población, perjudiciales para la vida animal y vegetal o impidan el goce de propiedades y lugares de recreación. Actualmente la contaminación del aire se considera un problema serio en las ciudades con gran actividad industrial y tránsito vehicular (Karue et al. 1992).
Los antecedentes de la contaminación atmosférica están relacionados con las actividades industriales. Sin embargo, en la actualidad gracias al aumento de vehículos de distintos tipos motor, la contaminación atmosférica se ha vuelto una preocupación constante dentro de las ciudades. Particularmente en el caso de las grandes áreas urbanizadas o las mega ciudades (Molina & Molina 2004).
1.2.3. Fuentes de Contaminación de la Atmósfera
Los llamados contaminantes naturales, suelen encontrarse en cantidades mayores que los productos de las actividades humanas, los llamados contaminantes antropogénicos. Sin embargo, los contaminantes antropogénicos presentan la amenaza más significativa a largo plazo para la biosfera.
Las principales fuentes que dan origen a la contaminación por partículas, son la destrucción de la vegetación, que a su vez causa la erosión del suelo; los incendios, principalmente en las épocas de sequía; algunos procesos industriales que generan gran cantidad de polvos y actividades humanas que requieren la quema de combustibles como carbón, leña y derivados del petróleo. La inadecuada disposición de la basura y el fecalismo al aire libre
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también son emisores importantes de microorganismos, quistes, esporas, polen, etc., que pueden estar adheridos en el polvo (Seinfeld y Pandis, 2006).
a. Contaminantes Naturales
La naturaleza como parte de su dinámico y continuo proceso también realiza un ciclado de diversos elementos entre los diversos compartimentos del sistema terrestre y uno de ellos es la atmósfera. En ese sentido, las fuentes de los contaminantes naturales, se muestran en la tabla siguiente:
Tabla Nro. 3: Fuentes naturales y tipos de contaminantes FUENTES DE
CONTAMINACIÓN
TIPOS DE CONTAMINANTES
Volcanes Óxidos de azufre, partículas
Fuegos forestales Monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, partículas
Ventiscas Polvo, partículas
Plantas (vivas) Hidrocarburos, polen
Plantas (descomposición)
Metano, sulfuro de hidrógeno, virus y polvo.
Océanos Partículas de sal
Fuente: (Seinfeld y Pandis, 2006) b. Contaminantes Antropogénicos
El ser humano es el mayor contaminante de la atmósfera. Las fuentes de contaminación antropogénicos se clasifican en cuatro grupos principales (Seinfeld y Pandis, 2006)
Transporte: los diversos vehículos de motor, aviones, trenes, barcos y los combustibles que utilizan. El sector transporte en Huancayo es la principal fuente de contaminación del aire.
Combustión estacionaria: hogares, comercios, energía industrial, incluyendo las centrales termoeléctricas.
Procesos industriales: químicos, metalúrgicas, refinerías, papeleras, etc.
Otras: quemas agrícolas, basureros, incendios, fugas, derrames, etc.
22 1.2.4. Material Particulado
Las partículas pequeñas en suspensión en un medio gaseoso son llamados material particulado. La traducción literal de la palabra “material particulado” es “solución en el aire”.
Si las partículas son líquidos nos referimos a material particulado de nube o niebla, si son sólidos nos referimos a material particulado de humo o polvo.
Las partículas de material particulado son invisibles al ojo humano. El material particulado tiene diámetro menor a 50 µm y se clasifica en primario y secundario como se da a conocer en la Tabla Nro. 4. El material particulado primario son partículas directamente emitidas dentro de la atmósfera frecuentemente de la combustión de fósiles, petróleo y madera a altas temperaturas.
El material particulado secundarios son producidos por la conversión de gases tales como NOX, SO2 y NH3. Sin embargo, un gran número de material particulado en la troposfera, causan un impacto en la transmisión de la radiación solar a la superficie de la tierra, debido a la dispersión y absorción de la luz solar que ocasionan material particulado afectando así nuestro clima.
Tabla Nro. 4: Tabla de características de tipos de material particulado MATERIAL
PARTICULADO NATURALES
MATERIAL PARTICULADO ANTROPOGENICOS PRIMARIOS Sales de los océanos
Polvo mineral de los continentes Erupciones volcánicas
Incendios forestales
Emisiones directas Quemas de biomasas Quemas de combustible
fósil
SECUNDARIOS Sulfatos
Nitratos
Compuestos orgánicos
Sulfatos Nitratos
Compuestos orgánicos Fuente: Stanley E.M. (2007)
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1.2.4.1. Composición química del material particulado
Se puede considerar como un sistema complejo dependiendo de las zonas de muestro (rurales, urbanas o industriales). Dada la variabilidad de composición química del material particulado se pueden considerar los siguientes componentes (Pöschl, 2005):
Elementos geológicos o “material particulado crustal”, su composición química en última instancia refleja la de los minerales que formaban la roca madre. Dado el predominio de silicatos félsicos en la litosfera continental, los elementos más frecuentes están asociados con feldespatos, cuarzo, mica y sus productos de meteorización (arcillas), es decir Si, Al, K, Na, Ca y oligoelementos asociados tales como Ba, Sr, Rb y Li. Además pueden aparecer en menor proporción elementos relacionados con silicatos accesorios (tipo circón, titanita y epidota), así como carbonatos, sulfatos, óxidos, hidróxidos y fosfatos. La aplicación de técnicas de modelos receptores (como el análisis de componentes principales) para la identificación de fuentes contaminantes suele mostrar un componente “crustal” en las muestras de PM, definido por elementos marcadores como Ce, Rb, Sr, K, Ti, Al y Si.
Metales pesados, son un grupo de elementos químicos que presentan una densidad alta.
Son en general tóxicos para los seres humanos y entre los más susceptibles de presentarse en el agua destacamos mercurio, níquel, cobre, plomo y cromo.
Iones (Sulfatos y nitratos): la mayoría se forman como aerosoles secundarios de tamaño muy fino, como resultado de la oxidación de un gas precursor (SO2 y NO2) formando ácidos que son luego neutralizados a sulfato y nitrato amónico.
Cloruros: la mayoría tienen la composición de halita (NaCl), producidos a partir de la rotura de burbujas al llegar a la superficie del océano.
Fracciones carbonosas: que incluye carbono elemental y carbono orgánico. El hollín por ejemplo, producido por la combustión de hidrocarburos, se forma por la coagulación de esferas nanométricas de microcristales grafíticos recubiertos por compuestos orgánicos, sulfatos y metales. Esta fracción comprende una mínima parte del material particulado de la atmósfera.
1.2.5. Colectores de material particulado
Según las normas técnicas relacionadas a la calidad del aire en la cual el procedimiento requerido es la gravimetría, es necesaria la utilización de equipos colectores de material
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particulado con la finalidad de determinar la concentración del PM2.5 o PM10 en las diversas ubicaciones de estudio.
El colector de material es un equipo mecánico y electrónico que permite atrapar las partículas atmosféricas, según su tamaño, dependiendo de su configuración. De manera particular en relación a este estudio se detalla el equipo de medición de bajo de volumen modelo Partisol TM FRM 2000 de marca Thermo Scientific (EE.UU.) que consta de una bomba de vacio que genera un flujo de 16.7 l/min. Este dispositivo cuenta con filtros de teflón de 47 mm de diámetro y porosidad de 2 µm, el cual se muestra en la Figura Nro. 7.
El funcionamiento básico consta de la succión del aire para luego las partículas presentes en la corriente de aire sean separadas en un ciclo, sea para PM10 o PM2.5. Luego, estas partículas seleccionadas irán directo al filtro a ser retenidas. Este filtros suele tener una porosidad de aproximadamente 2 µm y ha sido previamente pesado en un laboratorio acreditado y con la capacidad para registrar una balanza de cinco decimales de gramo (0.000010 g) en lo que se considera el peso inicial. Posteriormente luego de realizar la captura del material particulado durante 24 horas este se volverá a enviar al laboratorio para registrar el denominado peso final. La diferencia del peso final menos el peso inicial será la masa de aerosol colectado en dicho periodo de tiempo.
1.2.6. Análisis de componentes principales (ACP)
El ACP es una técnica estadística de síntesis de la información, o reducción de la dimensión (número de variables). Es decir, ante un banco de datos con muchas variables, el objetivo será reducirlas a un menor número perdiendo la menor cantidad de información posible.
Los nuevos componentes principales o factores serán una combinación lineal de las variables originales, y además serán independientes entre sí. Un aspecto clave en este análisis es la interpretación de los factores, ya que ésta no viene dada a priori, sino que será deducida tras observar la relación de los factores con las variables iniciales (habrá, pues, que estudiar tanto el signo como la magnitud de las correlaciones). Esto no siempre es fácil, y será de vital importancia el conocimiento que el experto tenga sobre la materia de investigación. Intuitivamente la técnica sirve para hallar las causas de la variabilidad de un conjunto de datos y ordenarlas por importancia. Técnicamente, el ACP busca la proyección según la cual los datos queden mejor representados en términos de mínimos cuadrados (Querol y col., 2002).
El Análisis de Componentes Principales (ACP) se emplea sobre todo en análisis exploratorio de datos y para construir modelos predictivos. El Análisis de Componentes Principales (ACP) comporta el cálculo de la descomposición en autovalores de la matriz de
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covarianza, normalmente tras centrar los datos en la media de cada atributo (Johnson, 2000; Kaiser, 1958; Kaiser, H. F. 1959)
1.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
•Área Urbana: Es el área habitada o urbanizada, es decir, la ciudad misma más el área contigua edificada, con usos de suelo de naturaleza no agrícola y que, partiendo de un núcleo central, presenta continuidad física en todas direcciones hasta el ser interrumpida, en forma notoria, por terreno de uso no urbano como bosques, sembradíos o cuerpos de agua. La población que ahí se localiza es calificada como urbana.
•Calidad del Aire: Se entiende por calidad del aire la adecuación a niveles de contaminación atmosférica, cualesquiera que sean las causas que la produzcan, que garanticen que las materias o formas de energía, incluidos los posibles ruidos y vibraciones, presentes en el aire no impliquen molestia grave, riesgo o daño inmediato o diferido, para las personas y para los bienes de cualquier naturaleza.
• Concentración: Corresponde a la proporción de contaminante presente en un medio, generalmente expresada en µg/m3.
• Contaminante: Todo elemento, compuesto, sustancia, derivado químico o biológico, energía, radiación, vibración, ruido, o una combinación de ellos, cuya presencia en el ambiente, en ciertos niveles, concentraciones o períodos de tiempo, pueda constituir un riesgo a la salud de las personas, a la calidad de vida de la población, a la preservación de la naturaleza o a la conservación del patrimonio ambiental.
• Contaminación sinérgica: Es la producida por la asociación entre sustancias o energías, que generan un efecto contaminante mayor que el esperado de la adición de los efectos individuales de dichas sustancias o energías, el efecto es mayor al de la simple suma, aun cuando los elementos aisladamente puedan ser inocuos.
• Elementos Meteorológicos: Conjunto de componentes que caracterizan el tiempo atmosférico y que interactúan entre sí en las capas inferiores de la atmósfera, llamada tropósfera. Estos componentes o elementos son el producto de las relaciones que se producen entre distintos fenómenos físicos que les dan origen que a su vez se relacionan con otros elementos y resultan modificados por los factores climáticos.
• Estándar de Calidad Ambiental – ECA: Es la medida que establece el nivel de concentración de elementos físicos, químicos y biológicos, presentes en el aire, agua o
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suelo en su condición de cuerpo receptor, que no representa riesgos significativos para la salud de las personas ni al ambiente. Según el parámetro en particular a que se refiere, la concentración podrá ser expresada en máximos y mínimos.
• Fuentes fijas: Aquellas establecidas en un lugar determinado y su emisión se produce siempre en el mismo lugar.
• Fuentes móviles: Aquellas que cambian su ubicación con respecto al tiempo y el área de influencia de sus emisiones por lo que se considera lineal o de superficie.
• Partículas finas: Son partículas en suspensión presentes y transportadas por el aire, son más pequeñas que las partículas gruesas. Tienen un diámetro aerodinámico menor o igual a 2.5 µm (PM2.5).
• Periodo Húmedo: Espacio de tiempo donde la precipitación es común, con jornadas típicamente con lluvias y humedad.
• Periodo Seco: Espacio de tiempo donde la precipitación es muy escasa, con jornadas típicamente calientes y soleadas.
• Variabilidad Espacial: Que explica las diferencias regionales o locales sobre la superficie terrestre. Esta variabilidad está determinada por la influencia de los elementos y factores astronómicos y geográficos (la latitud, altitud, efecto marítimo o continental, corrientes marinas). Los primeros condicionan los rasgos climáticos dominantes en grandes áreas geográficas, los segundos los modifican.
• Variabilidad Temporal: Que puede ser de orden diario, mensual, estacional, anual, o en intervalos temporales más largos (décadas, centurias, milenios). La variabilidad temporal se relaciona con los factores cósmicos: movimientos de rotación y traslación de la Tierra, su posición con respecto del sol, desplazamiento estacional de los grandes sistemas de presión y flujos de aires, entre otros.
1.4. HIPÓTESIS
a. Hipótesis general (nula)
No hay diferencia en el aporte a la concentración del material particulado de las principales fuentes de emisión de material particulado en el Valle del Mantaro, para el periodo 2007 – 2008, tales como son el polvo del suelo, transporte y emisiones relacionadas a procesos de fundición.
27 b. Hipótesis específicas
• Ho1: Es posible determinar la composición química del material particulado colectado en las principales ciudades del Valle del Mantaro.
• Ho2: No hay diferencias estadísticas entre la época seca y húmeda del material particulado colectado en las principales ciudades del Valle del Mantaro.
• Ho3: No hay diferencias estadísticas de la composición química del material particulado colectado entre las principales ciudades del Valle del Mantaro.
1.5. OPERIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES
Variables Dimensiones Indicadores Instrumentos
Material particulado
Concentración de material particulado
Concentración de PM10 atmosférico
Concentración de PM2.5 atmosférico
Colector de partículas Partisol (Thermo Scientific, USA)
Composición química
Concentración de la composición química elemental del PM10 Concentración de la composición química elemental del PM2.5
Análisis químico multi- elemental mediante X Rays Fluorescence (XRF)
Aporte a la fuente de
emisión
% de emisiones
atmosféricas Variabilidad
Aplicación del Análisis de componentes principales (ACP)
Tiempo Estación del año Época seca Época húmeda
Mediciones de la estación meteorológica
Ubicación
Sitio geográfico en el Valle del Mantaro
Huancayo Jauja Concepción
Mapas GPS
28 CAPÍTULO II
DISEÑO METODOLÓGICO 1.5. TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN
Este trabajo propone la realización de investigación de tipo aplicada en razón de que se utilizaron conocimientos de las ciencias químicas y estadísticas a fin de aplicarlas para cuantificar el aporte de contaminación del aire.
De acuerdo a la naturaleza de su concepción este trabajo de investigación es descriptiva y correlacional.
1.6. MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN
TÉCNICAS INSTRUMENTOS
Gravimetría
Colector de partículas
Balanza con precisión de hasta 10 ug Filtros de teflón de porosidad 2.0 um
Portafiltros
Análisis químico Equipo de análisis de Fluorescencia de Rayo X (X Ray Fluorescence, Nikon Inc. USA) Tratamiento
estadístico descriptivo
Medidas de tendencia central (media, mediana) Medidas de dispersión (desviación estándar) Tratamiento
estadístico inferencial
Prueba de t de una sola cola Análisis de componentes principales (ACP)
Las frecuencias fueron establecidas de acuerdo a lo que indica los estándares nacionales que son de 24 horas, anual, para el caso de los monitoreos periódicos de los muestreadores activos.
1.7. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Debido a la influencia de las precipitaciones respecto al material particulado se agruparon por periodos: Secano o estiaje o sin lluvia, comprendido desde mayo hasta agosto, lluvioso, comprendido desde setiembre hasta abril.
29 Se siguió los siguientes procedimientos:
1. La recolección de datos durante el periodo seco del año 2008, la cual fue mediante equipos bajo el Reglamento de Estándares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire, aprobado mediante Decreto Supremo N° 074-2001-PCM.
2. El equipo utilizado en las estaciones fue el Partisol FRM 2000 que tiene un sistema combinado para determinación del material particulado menor a 10 um y menor a 2.5 um.
3. El Partisol funcionó a un flujo de 16 lpm. Para la captura del PM10 y PM2.5 se utilizaron filtros de teflón y cuarzo.
4. Respecto a los parámetros meteorológicos los equipos de monitoreo utilizados son las Estaciones Meteorológica WeatherHawk XP/X el cual posee los sensores de Dirección de vientos, velocidad del viento, Temperatura, Presión, Humedad relativa, Precipitación, Radiación solar.
2.4. POBLACIÓN Y MUESTRA
Para el presente estudio se ha considerado lo siguiente:
2.4.1. Población:
Concentración de material particulado en ciudades del Valle del Mantaro 2.4.2. Muestra:
Registro de mediciones en Huancayo, Jauja y Concepción para el periodo agosto 2007 a octubre 2008.
2.5. TÉCNICA E INSTRUMENTO DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Para el presente estudio se ha considerado las siguientes técnicas e instrumentos de recolección de datos:
Equipos de medición de material particulado. Se ha contado con la disponibilidad de un colector de material particulado de marca Thermo Scientific modelo Partisol FRM2000.
Este es considerado un colector de bajo volumen y opera a un flujo de 16,7 litros por minuto.
30
Filtros de colecta de aerosoles: Se ha utilizado filtros de material de teflón de porosidad de 2 micrómetros para la toma de muestras de aire por 24 horas continuas. Estos filtros de teflón fueron previamente pesados en un laboratorio acreditado de EE.UU. Para los análisis de muestras de aire, se ha elegido al laboratorio cuyo límite de detección de los análisis sea el más bajo, también que garantice confiabilidad y calidad en los resultados, considerando que éstos sean acreditados, descritos a continuación:
Inter Mountain Laboratories-IML”, Estados Unidos de Norteamérica, quien cumple con los estándares del Consejo Nacional de Acreditación de Laboratorios Ambientales (NELAC).
CHESTER LabNet, Estados Unidos de Norteamérica. También se encuentra acreditado por el Consejo Nacional de Acreditación de Laboratorios Ambientales (NELAC).
Análisis por Fluorescencia de Rayos X (FRX).
2.6. TÉCNICA DE PROCESAMIENTO DE DATOS
Para el presente estudio se ha considerado las siguientes técnicas de procesamiento y análisis del resultado:
-Fuentes de la información primaria y secundaria -Diseño de la frecuencia para la toma de muestras -Revisión de instrumentos para recolectar datos
-Procesamiento estadístico de datos mediante hoja de cálculo Excel y software R.
Así mismo, para la interpretación de los resultados se ha considerado los siguientes estándares nacionales e internacionales vigentes durante el proceso de monitoreo y a la fecha:
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Tabla Nro. 5. Valores criterio de la normatividad sobre calidad del aire según el Estándar de Calidad Ambiental (ECA) para Aire
PARÁMETRO PERIODO ECA PERÚ
D.S. 003-2008- MINAM D.S. 074-2001
(µg/m3)
GUÍAS DE CALIDAD DEL AIRE DE LA OMS
(µg/m3) Material particulado
Material particulado PM10 Anual 50 20
24 horas 150 50
Material particulado PM2.5 Anual 15 10
24 horas 50 25
Metal establecido en la normativa nacional
Plomo (Pb) Anual 0.5 NN
Fuente: Elaboración propia
- Análisis de Componentes Principales (ACP) es una técnica estadística de síntesis de la información, o reducción de la dimensión (número de variables). Análisis de componentes principales para material particulado.
El método de componentes principales tiene como objetivo transformar un conjunto de variables originales, en un nuevo conjunto de variables (sin perder información), combinación lineal de las originales, denominadas componentes principales (factores).
Trata de hallar estos componentes o factores, los cuales se caracterizan por estar correlacionadas entre sí, que sucesivamente expliquen la mayor parte de la varianza total.
En el Análisis de Componentes Principales (ACP), el primer factor o componente sería aquel que explica una mayor parte de la varianza total, el segundo factor sería aquel que explica la mayor parte de la varianza restante, es decir, de la que no explicaba el primero y así sucesivamente. De este modo sería posible obtener tantos componentes como variables originales aunque esto en la práctica no tiene sentido.
32 CAPÍTULO III
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1. PRESENTACIÓN, ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS 3.1.1. Variación de la concentración del material particulado (PM)
En la Tabla Nro. 6 se presenta la concentración media de material particulado (PM) en tres localidades del Valle del Mantaro (agosto 2007 - octubre 2008). Como se puede apreciar la concentración media del PM2.5 es casi la mitad con respecto al PM10, excepto en Junín, donde representa aproximadamente el 75% y en Jauja, donde representa casi el 70%.
Estas razones se encuentran dentro de los estándares de la OMS de Europa 0,5 para áreas urbanas y entre 0,5 y 0,8 para áreas urbanas de países desarrollados (OMS, 2005).
Referencialmente en la misma tabla se presenta la media geométrica, ya que los datos registrados de PM no siguen estrictamente una tendencia normal, tal como se ha determinado en estudios anteriores (Salvador, 2004; Moreno y Montoya, 2009).
Tabla Nro. 6: Concentración media de material particulado (PM) en localidades del Valle del Mantaro (agosto 2007 - octubre 2008).
Localidad
Media aritmética Razón PM2,5/PM10
Media Geométrica PM2,5
(μg/m3)
PM10
(µg/m3)
PM2,5
(μg/m3)
PM10
(µg/m3)
Huancayo 34,5 64,5 0,53 32,0 53,6
Concepción 15,8 28,2 0,56 14,0 23,9
Jauja 21,8 31,7 0,69 18,8 29,4
Fuente: Elaboración propia
En la Figura Nro. 2 se puede apreciar que las concentraciones medias de PM10 son mayores a los estándares de calidad ambientales (ECA PM10= 50 µg/m3) en la localidad de Huancayo, esto se debe al mayor parque automotor y comercial. El origen de este material contaminante proviene de procesos industriales, construcción, minería, incineración de residuos sólidos, vehículos diesel, pistas sin asfalto y actividad agrícola (GESTA La Oroya 2006; GESTA Huancayo 2005).
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Figura Nro. 2: ECA y valores medios de material particulado (PM) registrado en tres localidades del Valle del Mantaro.
Fuente: Elaboración propia
Con respecto al PM2.5 los resultados obtenidos indican que las concentraciones medias en todas las localidades superan el ECA (ECA PM2.5 = 15µg/m3 - D.S. N° 003-2008- MINAM), y según la OMS o WHO (2006) la población está expuesta a mayor tasa de mortalidad, incrementándose en un 5% diaria por cada 50 μg/m3, esto ocurriría en Huancayo (Defensoría del Pueblo, 2000, Auckland 2007). Con respecto al PM2.5, en el Valle del Mantaro se registró menos que en el centro de la ciudad de Lima durante el 2016, (INEI, 2017). En la tabla Nro. 7 se muestran los valores máximos de PM en tres localidades del Valle del Mantaro (agosto 2007 - octubre 2008). Se puede notar que no existe un patrón de comportamiento en cuanto a dichas concentraciones.
Tabla Nro. 7: Valores máximos de material particulado (PM) en localidades del Valle del Mantaro (agosto 2007 - octubre 2008)
Localidad PM 2.5 (μg/m3) PM 10 (µg/m3)
Huancayo 67,8 143,0
Concepción 26,6 71,3
Jauja 51,6 52,9
Fuente: Elaboración propia
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En la Figura Nro. 3 se puede apreciar la comparación de los valores máximos de PM en las tres localidades del Valle del Mantaro, con respecto al ECA crítico (150 µg/m3) (DIGESA, 2005, D.S. N° 074-2001-PCM) resulta que en ninguna localidad se sobrepasó este límite. Con relación al PM2,5 diario (D.S. N° 003-2008-MINAM), éste fue superado en Huancayo y Jauja.
Figura Nro. 3: ECAs, valor crítico y valores máximo de material particulado (PM) registrado en tres localidades del Valle del Mantaro.
Fuente: Elaboración propia
3.1.2. Estadísticos del material particulado menor de 2.5 micras (PM2.5)
En la Tabla Nro. 8 se muestran algunos estadísticos descriptivos para el PM2,5, donde se destaca en negrita el rango o amplitud, la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación. El valor elevado del CV para la localidad de Junín, indica la alta variabilidad del PM2,5. Se puede determinar que los valores medios, en todas las localidades superan el ECA anual (ECA PM2,5 medio anual = 15µg/m3), alcanzando valores mayores al doble del ECA medio anual en Huancayo. Concepción sería la localidad menos contaminada.
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Tabla Nro. 8: Estadísticos para el material particulado menor a 2,5 μm (PM 2,5), en µg/m3, en tres localidades del Valle del Mantaro.
Estadístico Huancayo Concepción Jauja
Mínimo 19,07 6,74 10,06
Máximo 67,79 26,58 51,65
Amplitud 48,72 19,84 41,59
1° Cuartíl 22,19 8,00 12,68
Mediana 36,22 13,42 16,27
3° Cuartíl 37,29 21,79 23,12
Media 34,46 15,80 21,79
Media geométrica 32,02 13,96 18,79
Desviación típica (n-1) 14,75 7,81 13,76 Coeficiente de variación 0,40 0,47 0,61
Fuente: Elaboración propia
A partir de la Figura Nro. 4 se puede determinar que el PM2.5 diario en la localidad de Concepción se distribuye más uniformemente, y que, en Huancayo y Jauja, se han producido emisiones extremas de contaminantes permitiendo registrar valores altos de la concentración de PM2.5 diario. Esta variabilidad se debe a la presencia de emisiones anómalas que modifican la tendencia y la distribución de las emisiones atmosféricas.
Figura Nro. 4: Diagramas de caja para el material particulado menor a 2,5 μm (PM2,5) diario en tres localidades del Valle del Mantaro.
Fuente: Elaboración propia
36
Con respecto a Huancayo, según el informe del Plan “A limpiar el aire” (GESTA, 2005), y conforme a los estudios desarrollados por DIGESA, en el 2003 el PM2.5 para 24 horas fue de 37,53 μg/m3, en enero del 2004 fue 39,2 μg/m3 y en el 2005 fue 38,3 μg/m3, valores que se encontraban por debajo del ECA, y según el presente estudio el PM2,5 de 34,47 μg/m3 resulta ligeramente menor, e indicaría una reducción de casi el 10% en cinco años.
3.1.2.1. Composición química elemental del material particulado PM2.5
Los datos de la Tabla Nro. 9 muestran los valores medios, expresados en ng/m3, de los elementos químicos presentes en el PM2,5 en las tres localidades del Valle el Valle del Mantaro, entre agosto 2007 y octubre 2008, época en la que la empresa Doe Run en La Oroya estaba aún funcionando. En esta tabla se nota que en Huancayo, predominan el Al, S, Ca, Cl, Fe, K y Si, esto se debe a emisiones del parque automotor (Birmili et al., 2006;
Friedrich, 2009), así como procesos de construcción y demolición, cenizas de procesos incontrolados de quema de carbón, biomasa, petróleo y madera, suspensión del suelo (EPA, 2009). En Concepción la presencia de PM2,5 es similar o menor que Jauja y Huancayo. En todas las ciudades es posible notar la presencia de Pb siendo el mayor valor el registrado en Jauja (106,39 ng/m3), de particular interés es entender este elemento dado que su mayor presencia en esta ubicación estaría condicionado a los valores de emitidos en la ciudad de La Oroya.
Tabla Nro. 9: Valores medios (ng/m3) de material particulado menor a 2,5 μm (PM2,5) en tres localidades del Valle del Mantaro
Elemento Huancayo Concepción Jauja
Al 334,13 150,94 157,15
Sb 5,95 7,66 21,59
As 14,24 20,07 59,56
S 945,73 868,39 1166,02
Ba 4,07 1,62 2,30
Br 2,69 1,32 1,86
Cd 1,58 4,83
Ca 345,66 136,09 200,93
Cl 298,22 44,57 137,12
Cu 4,39 3,41 6,27
Sn 2,91 3,37
Sr 0,92 0,91 0,68
P 3,29 1,03
37
Fe 210,47 106,07 116,82
Mg 25,48 20,63
Mn 6,18 3,06 2,79
Ni 1,22 1,63 1,29
Ag 1,99
Pb 17,93 31,57 106,39
K 418,38 210,17 302,41
Rb 0,63 1,18 0,79
Se 1,89 2,73
Si 684,01 327,79 382,95
Na 30,81 70,83 76,52
Ti 17,38 9,99 9,12
Zn 18,37 19,09 25,19
Fuente: Elaboración propia
3.1.3. Estadísticos del material particulado menor de 10 micras (PM10)
En la Tabla Nro. 10 se muestran los principales estadísticos descriptivos para PM10, donde se destaca en negrita el rango o amplitud, la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación. El valor del PM10 medio de Huancayo supera el ECA anual (ECA PM10 medio anual = 50µg/m3 D.S. N° 074-2001-PCM), y Concepción sería la localidad con menor polución con este tipo de material particulado.
Tabla Nro. 10: Estadísticos para el material particulado menor a 10 μm (PM10), expresado en µg/m3, en tres localidades del Valle del Mantaro.
Fuente: Elaboración propia
Estadístico Huancayo Concepción Jauja
Mínimo 0,58 0,65 13,97
Máximo 143,00 71,34 52,87
Amplitud 142,42 70,69 38,90
1° Cuartil 38,80 20,14 19,43
Mediana 61,55 26,37 32,15
3° Cuartil 79,60 35,24 40,79
Media 64,53 28,15 31,65
Media geométrica 53,55 23,87 29,39
Desviación típica (n-1) 30,87 13,05 11,60 Coeficiente de variación 0,47 0,45 0,36
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A partir de la Figura Nro. 5 se determina que el PM10 diario en las localidades de Concepción y Jauja se distribuye normalmente, y que en Huancayo se producido emisiones anómalas que afectan los valores de tendencia central y sugieran analizar el tipo de distribución que sigue el PM10 diario.
Figura Nro. 5: Diagramas de caja para el material particulado menor a 10 μm (PM10) diario en tres localidades del Valle del Mantaro.
Fuente: Elaboración propia
3.1.3.1. Composición química elemental del material particulado PM10
Los datos de la Tabla Nro. 11 muestran los valores medios, expresados en ng/m3, de los elementos químicos presentes en el PM10 en las tres localidades del Valle del Mantaro. En Huancayo, predominan Al, S, Ca, Cl, Fe, Mg, K, Na y Si, estos provienen de emisiones urbanas de materia mineral y de transporte de polvo, tal como lo describen Fernández- Camacho et.al. (2010). De otro lado la presencia de Sb, Cu, Zn, Mo, Ba, Cd, Cr, Mn y Fe se debería a la erosión o desgaste de frenos y neumáticos y el K, Pb y Cl de los motores (Artaxo et al., 1996; Harrison et al., 2003). En Concepción predomina Al, S, Ca, Cl, Fe, K y Si; en Jauja se detectó mayor cantidad de Si, Ca, S, Al, Fe, K, Cl con vestigios importantes de As y Pb, que a nivel del valle fue la menor concentración.
De modo genérico una gran parte del PM se debe a las actividades agrícolas en el valle, como la aplicación de pesticidas, fertilización, preparación de tierras, quema de rastrojos, entre otras, y como manifiesta Alastuey et al., (2000) puede dar lugar a altos niveles de
