Monitoreo de la Calidad del Aire en Manizales: SIMAC, Monografías, Ensayos de Refrigeración y Aire Acondicionado

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Instituto de Estudios Ambientales IDEA - Sede Manizales 149

boletín Septiembre de 2018

Sistema Integrado de Monitoreo Ambiental de Caldas – SIMAC

Sistema de Vigilancia de Calidad del Aire en Manizales

Beatriz Helena Aristizábal Zuluagaa, Maria Camila Valencia Cárdenasa, Camilo Zapata Moraa, Carlos Mario González Duquea, Andrea Patricia Cuesta Mosque- raa, Jade Alexandra Li Ramíreza, Mauricio Velascob a (^) Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental (GTAIHA) b (^) Corporación Autónoma Regional de Caldas, Corpocaldas

boletín

La dinámica actual de la población tiene mayor necesidad de consumo debido a su acelerado crecimiento. Esta dinámica trae consigo una mayor producción industrial, altos índices de motorización y por ende mayores niveles de emisión de con- taminantes, entre los cuales se des- tacan el monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre (SO 2 ), ozono troposférico (O 3 ) y material particulado (PM). Lo anterior genera impactos negativos en la cali- dad del aire de los centros urbanos y en los ecosistemas circundantes. Como se muestra en la Figura 1, en la dinámica del Sistema de Vigilancia de la Calidad del Aire (SVCA) intervienen diferentes elementos que requieren una clasificación para lograr un mayor entendimiento del mismo. En este sentido, las emisiones son ocasio- nadas principalmente por fuentes antropogénicas como el parque auto- motor y la producción industrial, o por fuentes naturales, como en el caso de la ciudad de Manizales, las emisiones generadas por el volcán Nevado del Ruiz. Estas emisiones van a la atmós- fera donde se ven afectadas por las condiciones climáticas que favorecen o no las reacciones químicas, depo- sición, dispersión y transporte de los contaminantes. El objetivo de las estaciones de monitoreo instaladas en la ciudad es cuantificar los dife- rentes contaminantes presentes en el aire ambiente. Posteriormente, estos datos son procesados y publicados periódicamente, generando informa- ción de gran utilidad para la toma de decisiones que permitan alcanzar un desarrollo sostenible para la ciudad y una adecuada gestión de la calidad del aire.

Sistema de Vigilancia de

Calidad del Aire en Manizales

Estación Gobernación Instalada en el año 2009 La Tabla 1 muestra las coordenadas de las estaciones y su altitud sobre el nivel del mar. Puede observarse que a pesar de que Manizales tiene un área pequeña, los cambios topográficos hacen que la ciudad tenga diferencia de altura y características especiales para cada estación. Estación – Contaminante Características y fuentes de contaminantes Año Instalación Latitud / Longitud*^ Altitud ms.n.m. Gobernación - PM 10 CU, SC – MTV, PAI 2009 N 5° 4’ 6.53” W 75° 31’ 1.54” 2125 Gobernación - PM2.5 2009 Gobernación - SO 2 2014 Gobernación - O 3 2014 Gobernación – CO 2018 Palogrande - PM 10 ZC, SR - ATV, SAI (^2009) W 75° 29’ 31.3”N 5° 3’ 22.4” 2154 La Nubia - PM 10 ZSE, SR - BTV, AZI (^2009) W 75° 28’ 18”N 5° 1’ 47.0” 2091 Liceo - PM 10 CU, SC - ATV, PAI (^2000) W 75° 30’ 37.58”N 5° 4’ 5.01” 2156 Milán - PM 10 ZC, SR - MAI, MTV (^2012) W 75° 28’ 48.68”N 5° 2’ 48.5” 2188 Figura 3. Estaciones de monitoreo de calidad de aire en Manizales Cada estación de monitoreo se encuentra influenciada por diferentes fuentes de emi- sión, lo cual está relacionado con las actividades desarrolladas en la zona en que están instaladas, además del tipo de sector al que pertenezcan en la ciudad. A continuación, se muestran fotografías de cada estación. Estación Liceo Instalada en año 2000 Tabla 1. Características de las estaciones de calidad del aire de Manizales *Características: SR sector residencial, SC sector comercial, ZSE zona sureste, CU centro urbano, ZC zona central, ZI zona industrial. Fuentes de contaminación: ATV alto tráfico vehicular, MTV moderado tráfico vehicular, BTV bajo tráfico vehicular AAI alta actividad industrial, MAI moderada actividad industrial, PAI pequeña actividad industrial, AZI adyacente a zona industrial, SAI sin actividad industrial. Ambas estaciones, Gobernación (Figura 4 y 5) y Liceo (Figura 6 y 7), tienen en común los tipos de fuente de emisión. Por su ubicación, sobre el centro urbano y principal sector comercial de la ciudad, las emisiones están influenciadas por un tráfico vehicular medio y alto respectivamente, además por una baja actividad industrial. Figura 4. Gobernación de Caldas, edificio Licorera Fuente: agenciadenoticias.unal.edu.co Figura 5. Estación de monitoreo Gobernación Fuente: propia Figura 6. Liceo Isabel La Católica Fuente: mapio.net/pic/p-81603657 (^) Figura 7. Equipo PM 10 estación Liceo Fuente: propia

Estación Palogrande Instalada en el año 2009 Estación Milán Instalada en el año 2012 La estación Palogrande (Figuras 8 y 9) y Milán (Figuras 10 y 11) están ubicadas en el centro geográfico de la ciudad en un sector residencial. Palogrande está influenciada por un tráfico vehicular medio. La estación Milán tiene influencia tanto de tráfico vehicular como de una parte de zona industrial. Estación Nubia Instalada en el año 2009 La estación Nubia (Figuras 12 y 13) se encuentra en la zona sureste de la ciudad, en un sector residencial adyacente a la zona industrial en el campus La Nubia de la universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. La influencia del tráfico vehicular en esta zona es baja. SISTEMA DE MONITOREO ACTIVO Actualmente el SVCA de la ciudad de Manizales cuenta con 6 equipos de material particulado, uno de ellos mide PM2.5 y los demás PM 10 ; en cuanto al monitoreo de los gases se cuenta con una estación automática con equipos individuales que miden SO 2 , O 3 y CO. Los equipos instalados están distribuidos en cada estación como se muestra en la Tabla 2. Estación Contaminante (^) año 2018Estado Periodicidad de cuantificación de contaminantes Estación semiautomática Gobernación PM 10 Operando Cada 3 días PM2.5 Operando SO 2 Mantenimiento - O 3 Operando Cinco minútales CO Operando Estaciones manuales Palogrande PM 10 Operando Cada 3 días La Nubia PM 10 Operando Liceo PM 10 Operando Milán PM 10 Operando Cada equipo de monitoreo opera bajo un método de ensayo específico que admite cuantificar las emisiones según cada tipo de contaminante. Todos estos equipos tienen una bomba de succión de aire y un medidor de volumen (requi- Tabla 2. Contaminantes monitoreados en el SVCA de Manizales Figura 8. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, Campus Palogrande Fuente: www.facebook.com/unmanizales Figura 9. Equipo PM 10 estación Palogrande Fuente: propia Figura 10. Incolma Fuente: Google Maps Figura 11. Equipo PM 10 estación Milán Fuente: propia Figura 12. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, Campus La Nubia Fuente: Google Maps Figura 13. Equipo PM 10 Nubia Fuente: propia Cada contaminante se mide con una periodicidad específica (Tabla 2). Por ejem- plo, el material particulado se mide cada 3 días y se toma una muestra integrada de 24 horas. De otra parte, los equipos de gases, los cuales son automáticos, miden la concentración de los contaminantes cada 5 minutos, lo que permite observar el cambio de la concentración del contaminante durante el día.

Muestreador Low-Vol – Thermo Partisol 2025i El método de este muestreador semiautomático (Figura 16) consiste en hacer pasar un volumen de aire ambiente, en este caso, 16.7 m3/min a través de un filtro de 47 mm durante un periodo determinado (24 horas). A diferencia del Muestreador Hi-Vol este analizador contiene un soporte para 10 filtros, lo cual le permite hacer el cambio de los mismos de manera automática cada 3 días. Los filtros son pesados antes y después del moni- toreo para determinar el peso neto ganado (almacenado en desecador para retirar humedad del ambiente). Su concentración se expresa de la Figura 15. Concentración promedio de PM 10 entre enero y abril de 2018 para todas las estaciones de la ciudad manera explicada anteriormente. Este equipo está ubicado en la estación Gobernación, se cuenta con un equipo para PM 10 y otro para PM2.5. Características principales

• Bajo captación de flujo de aire.
• Interfaz de usuario mejorada y capacidades de comunicación iSeries.
• Mejoras en la descarga de datos.
• Diseñado para un fácil mantenimiento.
  • Plataforma de piezas modulares.
  • Facilidad en el transporte, equipos más livianos. Luego de estimar la concentración del PM 10 y PM2.5 se realiza el procesamiento de datos mediante el Software R y se obtienen gráficos estadísticos como el que se muestra en la Figura 17, el cual contiene la evolución temporal de las concentraciones de PM2.5 diario entre enero y abril de 2018. Ozono, O 3 Analizador de O 3 Teledyne – Modelo T El analizador fotométrico de ozono mide concentraciones de ozono en aire ambiente usando un método basado en la ley de Beer-Lambert. La intensidad de una luz ultravioleta es medida después de pasar a través de una cámara llamada celda de muestreo, donde es absorbida en proporción a la cantidad de ozono presente. Cada tres segundos, una válvula de conmutación alterna la medición entre una corriente de gas que contiene ozono y una que ha sido Figura 17. Evolución temporal PM2.5 en la estación Gobernación entre enero y abril de 2018 Figura 16. Muestreador Low-Vol

depurada de ozono. Este analizador, que se muestra en la Figura 18, también mide la temperatura ambiente y la presión del gas que está siendo medido. Usando los resultados de las mediciones mencionadas anteriormente el analizador calcula la concentración de ozono presente en el gas muestreado. Características principales

• Rangos: 0-500 ppb.
• El filtrado adaptativo de la señal optimiza el tiempo de respuesta.
• Compensación de temperatura y presión.
• Registro completo de datos inter- nos con periodos promediados programables. Figura 18. Analizador automático de Ozono Troposférico Los datos que son obtenidos cada cinco minutos se procesan y posteriormente se construyen gráficas como la que se muestra a continuación (Figura 19), la cual contiene la concentración de O 3 troposférico entre enero y abril de 2018 para el promedio octohorario, la línea punteada roja representa el límite máximo permisible establecido en la Res. 2254 de 2017. Monóxido de Carbono, CO Analizador de CO Thermo – Modelo 48i El Monóxido de Carbono (CO) absorbe la radiación de una fuente infrarroja de intensidad conocida (λ = 4.6 micras). Debido a que la absorción de infrarrojo es una técnica de medición no lineal, es necesario que la electrónica del instrumento transforme la señal del analizador básico en una salida lineal. El equipo usa una curva de calibración exacta para linealizar con precisión la salida del instrumento en cualquier rango hasta una concentración de 10,000 ppm. El SVCA cuenta con un analizador de CO como el que se muestra en la Figura 20. Figura 19. Variación de concentración de ozono troposférico en la estación gobernación entre enero y abril de 2018 Características principales
• Tecnología de correlación de filtro de gas.
• Linealidad a través de todos los rangos.
• Mide concentraciones de hasta 10,000 ppm.
• Corrección de temperatura y presión. Como en los equipos y procedimientos anteriores, también para el monóxido de carbono se realiza procesamiento de datos, lo cual permite obtener resultados como la Figura 21, que muestra la variación promedio horario diario y mensual para el CO entre abril y mayo de 2018. Figura 20. Analizador automático de Monóxido de Carbono

2. Del boletín trimestral de calidad del aire, el cual podrá descargarse del link: cdiac.manizales.unal.edu.co/inicio/publicaciones.php (Figura 25) 3. De la página del CDIAC (cdiac.manizales.unal.edu.co/indicadores/public/ index) como los siguientes Indicadores y Emisiones de Aire: - Índice de calidad de aire – ICA. - Porcentajes de excedencia de los límites normados – PELN. - Emisiones atmosféricas de contaminantes por el sector industrial municipal – EMATMOS. - Emisiones de gases efecto invernadero – GEI. Figura 24. Página web SISAIRE para descarga de datos Figura 25. Descarga de boletín de calidad del aire mediante plataforma CDIAC

SISTEMA DE MONITOREO PASIVO

Adicional al monitoreo que se realiza en las cinco estaciones de la ciudad de manera continua, el Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental ha desarrollado diferentes campañas utilizando otras técnicas de medición como es el uso de muestreadores pasivos. Estos muestreadores no requieren el uso de energía eléctrica y son un método simple, de bajo costo y eficaz para realizar monitoreo de calidad de aire y eva- luar tendencias de los contaminantes. La técnica de monitoreo pasiva utiliza la difusión natural del aire a través del medio adsorbente que se use en relación al Figura 26. Indicadores y Emisiones de Aire disponibles para descarga desde la plataforma CDIAC

contaminante que se desea captar. Estos sistemas se dejan expuestos desde un mes a tres meses para retener una cantidad de contaminante cuantificable posteriormente por una técnica analítica adecuada para cada contaminante, por lo que representa una muestra integrada del periodo de tiempo al que fue expuesto. El sistema de monitoreo pasivo es complementario a las estaciones de monitoreo activo. En la campaña realizada por el grupo de investigación, entre enero de 2015 y marzo de 2016, se instalaron muestreadores pasivos en doce puntos distribui- dos entre las áreas urbana y rural de la ciudad teniendo en cuenta la velocidad del viento sobre la que se dispersa la pluma del volcán Nevado del Ruiz. En la Figura 27 se muestra una foto del montaje de los muestreadores pasivos para Dióxido de Azufre, Óxidos de Nitrógeno y Ozono, los cuales se instalaron en uno de los puntos de monitoreo. El objetivo de esta campaña fue determinar los perfiles espaciales de los tres contaminan- tes mencionados anteriormente, para establecer una línea base de las concentraciones y analizar la posible influencia de las fuentes locales de emisión tanto naturales (volcán Nevado del Ruíz) como antrópicas. Las campañas de monitoreo realizadas tuvieron una duración de cuatro semanas cada una con una distribución de doce puntos; se obtuvie- ron los siguientes resultados:

• Las concentraciones promedio de SO 2 variaron de 4.1 a 9.8 μg/m^3 en los diferentes puntos. Las concentraciones fueron significativamente superiores en el sector industrial y el área rural con influencia del volcán Nevado del Ruiz, en comparación con los sec- tores residencial y comercial. Esto puede observarse en la Figura 28, donde los valores más altos en la concentración se muestran en color rojo. Figura 27. Muestreador pasivo para NOx, SO 2 y O 3 Fuente: Cuesta-Mosquera, González-Duque, Velasco-García, Aristizábal, 2018 Figura 28. Distribución espacial de SO 2_. Fuente: Cuesta-Mosquera, González-Duque, Velasco-García, Aristizábal, 2018_

Diseño y Diagramación: Sección de Publicaciónes e Imagen Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

• idea.manizales.unal.edu.co/gta/ingenieria_hidraulica
• Video Calidad del Aire
• cdiac.manizales.unal.edu.co/indicadores/public/index
• htt://www.corpocaldas.gov.co/dynamic_page.aspx?p= BIBLIOGRAFÍA Cuesta-Mosquera, A. P., González-Duque, C. M., Velasco-García, M., Aristizábal, B. H. (2018). Distribución Espacial de Concentraciones de SO 2 , NOX y O 3 en el Aire Ambiente de Manizales. Revista Internacional de Contaminación Ambiental, 34(3), 489–504. https:// doi.org/10.20937/RICA.2018.34.03.