Estimación de Emisiones Mediante Modelos de Emisión de Contaminante

143

Estimaciónde emisionesmediantemodelos deemisión decontaminantes

ESTIMACIÓN DE EMISIONESMEDIANTE MODELOS DE EMISIÓN

DE CONTAMINANTES

Muchas estimaciones de emisiones se desarrollan utilizandoun factor de emisión que supone una relación lineal entre latasa de emisión y una unidad de actividad (p.ej., cantidad decombustible consumido, tasa de producción, población, em-pleo, etc.). Para ciertas categorías de fuente la relación fun-cional entre las emisiones, procesos múltiples y las variablesambientales se estudia lo suficientemente para dar lugar amodelos matemáticos complejos. Si estos modelos de emi-sión requieren cálculos complejos o grandes volúmenes dedatos para alimentarlos, es probable que se apoyen en pro-gramas de cómputo.

Si bien los modelos están diseñados para producir estima-ciones más exactas que las obtenidas con factores de emi-sión, la exactitud de la estimación siempre dependerá de lacalidad de los datos con que se alimente el modelo y de lossupuestos en que se base. Por lo tanto, antes de decidir utili-zar un modelo como la alternativa para un tipo específico defuente es importante comparar las necesidades del modelode emisión con los datos disponibles. En este sentido, losrequisitos de información son variables, por lo que, para esti-mar emisiones pueden requerirse uno o varios parámetrosfísicos de la fuente para la cual se usará el modelo.

Algunos programas de cómputo de modelos de emisionesdesarrollados en otros países pueden aplicarse en México.

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cap-9-estimacion de emisiones.pmd 11/04/2005, 06:21 p.m.143

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De hecho, la mayor parte de los modelos actualmente usadosen México, son los modelos recomendados o desarrolladospor la EPA. En estos casos es muy importante consultar losmanuales del usuario para identificar los valores que son utili-zados por omisión en ausencia de valores definidos por el usua-rio, y evaluar si estos valores son adecuados para usarse en lascondiciones en que se desea aplicarlos. Asimismo, es impor-tante revisar que la conversión de las unidades métricas de losdatos disponibles a las unidades estándar inglesas requeridassea correcta si es que se aplican modelos de los EU.

Los modelos de emisión pueden clasificarse en tres tipos:adaptativos, mecanísticos y de múltiples variables. Los pri-meros están basados en programas de cómputo que integranconceptos de redes neurales, lógica tipo fuzzy y sistemas caó-ticos (Collins and Terhune, 1994). Sin embargo, por su com-plejidad y costo estos modelos no se recomiendan para laestimación de emisiones en México, por lo que los ejemplosque se presentan a continuación corresponden solamente amodelos mecanísticos y de múltiples variables.

9.1. MODELOS MECANÍSTICOS

Los modelos mecanísticos se basan en ecuaciones que han sidodesarrolladas utilizando fundamentos de Química, Física y Biolo-gía para describir la tasa de emisión de un tipo de fuente en particu-lar. Por ejemplo, una fuente importante de COVs para la cual sepueden calcular las emisiones utilizando modelos mecanísticosson las operaciones de almacenamiento y manejo de derivados delpetróleo (p.ej., tanques de almacenamiento superficiales y subte-rráneos; carga de carros-tanque, pipas y buques-tanque; y carga degasolina en las estaciones de servicio).

A continuación se presenta información sobre los mode-los de la EPA que se han desarrollado para estimar las emi-siones de las siguientes categorías de fuente: tanques de al-macenamiento, operaciones de carga de derivados delpetróleo, rellenos sanitarios, aguas residuales y cuerpos deagua y polvos fugitivos.

Modelosmecanísticos


145


A parte de las fuentes de emisión mencionadas, la EPA yotras instituciones de varios países han desarrollado modelospara fuentes de emisión como los vehículos automotores, lasaeronaves y la vegetación, cuyas emisiones pueden ser muysignificativas para la gestión de la calidad del aire en cuencasurbanas. En el inventario de emisiones de la Zona Metropoli-tana del Valle de México 2002, se describe la aplicación dedichos modelos en la estimación de emisiones provenientesde la vegetación y del suelo, así como de aviones, vehículosautomotores y rellenos sanitarios.

9.1.1. Tanques de almacenamiento

Las ecuaciones de modelos de emisión de la EPA para tan-ques de almacenamiento constituyen uno de los mejores ejem-plos de modelos mecanísticos. Se han desarrollado modelosde emisiones tanto para tanques de techo fijo como para tan-ques de techo flotante. En el modelo de tanques de almace-namiento de techo fijo se aplican entre otros, principios detransferencia de calor a las pérdidas por respiración en elmodelo, como se muestra en la Figura 9-1.

Para cada categoría de fuente se presenta un breve resumende las ecuaciones del modelo de emisión, seguida por unresumen de los datos y parámetros requeridos, así como losvalores por omisión recomendados por la EPA. Se puedenhallar ejemplos de los cálculos para cada modelo en el Apén-dice D. En los casos en que existe un modelo para computa-dora que esté disponible se incluye una breve descripción.

Para mayor información acerca de los modelos y otras he-rramientas de estimación de emisiones al aire, puedenconsultarse las siguientes páguinas de internet:

En inglés: www.epa.gov/ttn/chief/;www.epa.gov/ttn/catc/

En español: www.epa.gov/ttn/catc/cica/;www.ine.gob.mx/dgicurg;www.sma.gdf.mx/sma/calaire/


146

Tanques de techo fijo

Los dos tipos de emisiones más significativas de los tanquesde almacenamiento de techo fijo son las pérdidas en reposo –denominadas también pérdidas por respiración- y las pérdi-das en operación. Las primeras consisten en la expulsión devapor del tanque debidas a la expansión y la contracción delvapor, que son resultado de los cambios en la temperatura yen la presión barométrica. Estas pérdidas se presentan sinningún cambio en el nivel del tanque.

La pérdida combinada por el llenado y el vaciado se cono-ce como pérdida en operación. La evaporación durante lasoperaciones de llenado es resultado de un aumento en elnivel del líquido en el tanque. A medida que el nivel dellíquido aumenta, la presión dentro del tanque rebasa la pre-sión de alivio y se expulsan vapores del tanque. La pérdidaevaporativa durante el vaciado del líquido se presenta cuan-do el aire arrastrado hacia el tanque durante la remoción dellíquido se satura con vapores orgánicos y se expande, exce-diendo así la capacidad del espacio de vapor.

FIG. 9-1. EJEMPLO DE MODELADO MECANÍSTICO

Pérdidas por respira-

ción en un tanque de

almacenamiento de

sustancias orgánicas

COVs emitidos por la expansión y contracción del

vapor debidas a cambios en la temperatura y presión

Emisiones=f(Vv, Wv, DPv, Pva, PA, DTv, TLA)

donde:

Vv = volumen del espacio de vapor en el tanque

Wv = densidad de vapor del líquido almacenado

DPv = intervalo diario de vapor del líquido almacenado

Pva = presión de vapor a la temperatura diaria prome-

dio de la superficie del líquido

PA = presión atmosférica

DTv = intervalo diario de la temperatura del vapor del

líquido almacenado

TLA = temperatura promedio diaria de la superficie del

líquido



147


Las emisiones de los tanques de techo fijo varían en fun-ción de la capacidad del contenedor, la presión de vapor dellíquido almacenado, la tasa de utilización del tanque y lascondiciones atmosféricas del lugar donde se encuentra el tan-que. A continuación se resumen las ecuaciones del modelode emisión. Las ecuaciones detalladas pueden encontrarseen el AP-42, Sección 7.1 (U.S. EPA, 1995a). Los parámetrosrequeridos y los valores por omisión para los EU se presen-tan en el Cuadro 9-1.

Las pérdidas totales de emisión en los tanques de techofijo son definidas como:

LT = LS + LW (9-1)

donde:LT =pérdidas totales, lb/añoLS =pérdidas en reposo, lb/añoLW =pérdidas en operación, lb/año.

Pérdidas en reposo (respiración):

LS = 365 VVWVKEKS (9-2)donde:VV =volumen del espacio de vapor, ft3

WV =densidad del vapor, lb/ft3

KE =factor de expansión del espacio del vapor, adimensionalKS =factor de saturación del vapor venteado, adimensional

Pérdida en operación:

LW = 0.0010 MVPVAQKNKP (9-3)donde:MV =peso molecular del vapor, lb/lb-molPVA =presión del vapor a la temperatura promedio diaria del

líquido, lb/pulg2 absolutaQ =flujo neto anual, bbl/añoKN =factor de producción, adimensionalKP =factor de pérdida de producto en la operación, adimensional.

(0.75 para petróleos crudos, 1.0 para los demás líquidosorgánicos)


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Tanques de techo flotante

Las emisiones totales de los tanques de techo flotante son lasuma de las pérdidas al extraer material y las pérdidas en elalmacenamiento en reposo. Las pérdidas por extracción ocu-rren cuando baja el nivel del líquido y, por lo tanto, baja elnivel del techo flotante. Algo del líquido queda adherido a lasuperficie del tanque y es expuesto a la atmósfera. Estas pérdi-das evaporativas ocurren hasta que el tanque esté lleno y lasuperficie expuesta quede cubierta nuevamente con el líquido.En los tanques de techo flotante interno, con techos fijos sopor-tados por columnas, algún líquido también se adhiera a éstas.

Las pérdidas en el almacenamiento en reposo de estostanques incluyen las pérdidas en la orilla del sello y las delajuste del techo. Todas éstas pueden presentarse a través demuchos mecanismos complejos tales como la pérdida induci-da por el viento; la pérdida por respiración debida a cambiosde temperatura y presión; la pérdida por permeabilidad delmaterial del sello; o la pérdida por el efecto de capilaridad dellíquido. Para los tanques de techo flotante interno, las pérdi-das en reposo también pueden incluir aquellas ocasionadaspor las juntas en la plataforma, conforme al grado en queéstas no sean completamente herméticas.

A continuación se resumen las ecuaciones del modelo deemisiones. Las ecuaciones detalladas, los cuadros de datosde apoyo y las figuras pueden encontrarse en el AP-42, Sec-ción 7.1 (U.S. EPA, Febrero 1996). Los parámetros requeridosy los valores por omisión para los EU se presentan en el cua-dro 9-2.

Las pérdidas totales por emisión de los tanques con techoflotante se definen como:

LT = LR + LWD + LF + LD (9-4)donde:LT = pérdidas totales, lb/año;LR = pérdidas en la orilla del sello, lb/año;



151


LWD = pérdidas al extraer material del tanque, lb/año;LF = pérdidas en el ajuste de la plataforma, lb/añoLD = pérdidas en la junta de la plataforma, lb/año.

Pérdidas en la orilla del sello (LR): (9-5)Lr = (KRa + KRb x vn) x (PVA/14.7) [1 + (1 - Pva/14.7)0.5]2

x D x MV x KC

(Nota: el término vn se usa solamente para los tanques contecho flotante externo).

Pérdidas al extraer material del tanque (LWD): (9-6)LWD = (0.943 x Q x C x WL) x (1 + Nc x Fc) / (D2)

Pérdida en el ajuste de la plataforma (LF): (9-7)LF = FF x MV x KC^ x (PVA/14.7)/[1 + (1 - Pva/14.7)0.5]2

Pérdida en la junta de la plataforma (LD): (9-8)LD = (KD + SD x D2) x MV x KC

x (PVA/14.7)/[1 + (1 - Pva/14.7)0.5]2

donde:KRa =factor de pérdida en la orilla del sello a velocidad del

viento igual a cero, lb-mol/pie×añoKRb =factor de pérdida en la orilla del sello dependiente de

la velocidad del viento, lb-mol/(mph)n pie×añov =velocidad promedio del viento en el sitio del tanque,

mph;n =exponente de la velocidad del viento relacionado con

el selloPVA=presión de vapor a la temperatura diaria promedio de

la superficie, psiaD=diámetro del tanque, ftMv=peso molecular del vapor del líquido, lb/lb-molKc=factor del producto (0.4 para aceites crudos, 1.0 para

todos los demás líquidos orgánicos)


152

El programa TANKS de la EPA

El programa TANKS está diseñado para estimar las emisio-nes de COVs de tanques de almacenamiento. El usuario dala información específica sobre el tanque y su contenido, y elprograma estima las emisiones anuales o estacionales y ge-nera un reporte. Las emisiones se pueden dividir en pérdidasde respiración y pérdidas por operación (U.S. EPA, 1996). Sinembargo, existe una desventaja al usar el programa TANKS olas ecuaciones del AP-42, ya que se requieren más recursospara reunir los datos de entrada que si se usaran otras aproxi-maciones.

El programa TANKS tiene una base de datos sobre produc-tos químicos para más de 100 líquidos orgánicos, y datosmeteorológicos de más de 250 ciudades en EU. El usuariopuede añadir nuevas sustancias y ciudades (con datos me-teorológicos) a su propia versión de la base de datos. Losestilos de tanque incluidos en el programa incluyen tanquesde techo fijo, tanto verticales como horizontales, y tanquesde techo flotante tanto interno como externo. El tanque pue-de contener uno o múltiples componentes líquidos.

Las ecuaciones para estimar emisiones que forman la basedel software fueron desarrolladas por el American Petroleum

Q= flujo del material, bbl/año;C= factor de adherencia, bbl/1000 ft2;WL=densidad del líquido, lb/gal;Nc= número de columnasFc= diámetro efectivo de la columna, ftFF= factor de pérdida del ajuste entre el techo y la platafor-

ma, lb-mol/añoKD=factor de pérdida en la junta de la plataforma por uni-

dad de longitud de la junta, lb-mol/ft año (0.34 parajunta atornillada, 0.0 para junta soldada)

SD=factor de longitud de la junta de la plataforma, ft/ft2.



153


Institute (API). El API conserva el derecho de autor de estasecuaciones, pero dio el permiso para la distribución no exclu-siva y no comercial de este material para las entidades gu-bernamentales y entidades regulatorias. Sin embargo, sereserva los derechos con respecto a toda duplicación y distri-bución comercial de su material. Por lo tanto, el programaTANKS está disponible para uso público, pero no puede servendido sin el permiso del API por escrito. El TANKS 4.09 esun programa compatible con Windows 95 y 98, Windows NT3.51 o posteriores y puede descargarse de la página de CHIEF(http://www.epa.gov/ttn/chief/software/airchief/).

9.1.2. Operaciones de carga de productos derivados delpetróleo

Las pérdidas en operaciones de carga son la fuente más im-portante de emisiones evaporativas de derivados del petróleode carros-tanque, pipas y buques-tanque. Las pérdidas enoperaciones de carga se presentan cuando los vapores orgá-nicos en los tanques de carga «vacíos» son desplazados a laatmósfera por el líquido que está siendo introducido.

A continuación se describen las ecuaciones del modelo deemisión. Es posible encontrar información más detallada enel AP-42, Sección 4.4 (U.S. EPA, 1995a). Los parámetros re-queridos y los valores por omisión de EU se presentan en elCuadro 9-3.

E = Q x EF (9-9)

donde:E=tasa anual promedio de emisión como masa, lb/año;Q=volumen cargado, Mgal/añoEF=factor de emisión, lb/Mgal.


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156

Dada la simplicidad de la ecuación de este modelo, no hasido necesario generar ningún programa de computadora.

9.1.3. Rellenos sanitarios

Los componentes principales del biogás de los rellenos sani-tarios son el metano (CH4) y el bióxido de carbono (CO2), loscuales son generados por actividad microbiana dentro del re-lleno en condiciones anaerobias. Las concentraciones decontaminantes tóxicos (HAPs) en el biogás son muy peque-ñas, sin embargo dado que los volúmenes de las emisionesde gases en los rellenos sanitarios pueden ser muy grandes,a menudo se les incluye también en los inventarios de emi-siones. La tasa de emisiones de un relleno sanitario estádeterminada por los mecanismos de producción y de trans-porte del biogás generado. Los primeros incluyen la produc-ción de los componentes de las emisiones en fase de vapor, através de procesos de vaporización, descomposición biológicao reacción química. Los mecanismos de transporte incluyenel movimiento de un componente volátil en su fase vaporhacia la superficie del relleno sanitario y hacia la capa deaire por encima del relleno y a la atmósfera.

Las emisiones de metano de un relleno sanitario se pue-den estimar utilizando el siguiente modelo cinético de pri-mer orden desarrollado por la EPA;

E = 12.46 x (S x P x Mv) / T (9-10)

donde:S=factor de saturación (basado en el método de llenado yde servicio)P=presión de vapor real del líquido cargado, psiaMV=peso molecular de los vapores, lb/lb-molT=temperatura de líquido cargado a granel, °R.



157


CUADRO 9-3. OPERACIONES DE CARGA: PARÁMETROS REQUERIDOS Y VALORES POR

OMISIÓN EN EU

DESCRIPCIÓN DEL PARÁMETRO

Método de llenado

Servicio de carga

Flujo de material

Factor de saturación del

material

Peso molecular del

vapor del material

Presión de vapor del

material a la temperatu-

ra promedio de la

superficie del líquido

Temperatura del material

durante la carga

VARIABLE

Se usa para

determinar S

(salpicado o

sumergido)

Se usa para

determinar S

(limpio, normal

dedicado o con

balance de vapor

dedicado)

Q

S

MV

P

T

VALOR POR OMISIÓN EN EU

Existen valores depen-

dientes del método de

llenado y de servicio

En el AP-42, Sección 7.1

se dan pesos

moleculares para

productos

petroquímicos selectos.

En el AP-42, Sección 7.1

se dan valores de presión

de vapor para productos

petroquímicos selectos.

También están disponi-

bles correlaciones de la

presión de vapor con

base en RVP y S para

petróleos crudos y

productos refinados de

petróleo.


158

Se puede hallar información más detallada sobre este mode-lo en el AP-42, Sección 2.7 (U.S. EPA, 1995a). Los parámetrosrequeridos y los valores por omisión adoptados en EU se pre-sentan en el Cuadro 9-3.

Los Programas LAEEM, LANDGEM y LANDFILL de la EPA

El Modelo de Estimación de Emisiones de Rellenos Sanita-rios LAEEM (por las siglas en inglés de Landfill EmissionsEstimation Model) es un programa de computadora que per-mite al usuario introducir información específica sobre lascaracterísticas y capacidad de un relleno sanitario individual,y proyectar las emisiones de CH4, CO, HCNM y HAPs utili-zando el modelo de decaimiento de Scholl Canyon sobre ge-neración de biogás en rellenos sanitarios. Este modelo es unaecuación de decaimiento de primer orden que considera lascaracterísticas específicas del sitio para estimar la tasa degeneración de biogás. En ausencia de datos específicos delsitio, el programa proporciona valores conservadores poromisión, los cuales se presentan en el Cuadro 9-4. El usuario

QCH4 = Lo x R x (e-kc - e-kt) (9-11)

donde:QCH4 =tasa de generación de metano en el tiempo t,

m3/añoLo =potencial de generación de metano, m3CH4/Mg de

residuosR =tasa promedio anual de disposición de residuos du-

rante la vida activa, Mg/añoe =base del logaritmo natural, adimensionalk =constante de la tasa de generación de metano, año-1

c =tiempo transcurrido desde el cierre del relleno, años(c=0 para rellenos activos)

t =tiempo transcurrido desde el inicio de operacionesdel relleno, años.



159


también puede modificar las características de la tasa de de-caimiento en base individual. El modelo proporciona un cal-culador integrado de la constante de la tasa de decaimientopara los rellenos sanitarios que puedan estar operando conun sistema de recuperación de biogás. Los resultados se pue-den revisar de forma tabular o gráfica. También se incluyeun sistema de ayuda con información sobre la operación delmodelo, así como detalles sobre las suposiciones y valorespor omisión que utiliza el sistema. Los programas LANDGEMy LANDFILL han sustituído al anterior LAEEM y están basa-dos en los mismos principios.

CUADRO 9-4 . PARÁMETROS REQUERIDOS Y VALORES POR OMISIÓN EN EU DE

MODELOS DE ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE CH4 EN RELLENOS SANITARIOS

DESCRIPCIÓN DEL

PARÁMETRO

Potencial de genera-

ción de metano

Tasa anual promedio

de disposición de

residuos durante la

vida activa

Constante de la tasa de

generación de metano

Tiempo transcurrido

desde el cierre del

relleno

Tiempo transcurrido

desde el inicio de

operaciones del relleno

VARIABLE

Lo

R

K

C

T

VALOR POR OMISIÓN EN EU

8120 m3CH4/Mg residuos.

Basado en el percentil 80 del

intervalo de valores de la

literatura (esto es, 200-9540

m3CH4/Mg residuos)

0.02 año-1. Basado en el

valor por omisión de la

Norma NSPS (New Source

Performance Standard)


160

9.1.4. Aguas residuales y cuerpos de agua

Las emisiones de COVs y HAPs en cuerpos de agua (embal-ses), suelos, rellenos sanitarios, pilas de residuos, o sistemasde recolección y tratamiento de aguas residuales, puedenocurrir a través de una gran variedad de rutas o trayectorias.Para poder estimar las emisiones y la descomposición de com-puestos orgánicos, es necesario conocer las rutas que predo-minan para las diferentes sustancias. Se considera que unaruta es cualquier proceso o serie de procesos que remuevanlos COVs de un sitio original. Esta remoción puede ser física(p.ej., la volatilización de un solvente de un embalse superfi-cial) o química (p.ej., la oxidación de un alcohol en una plan-ta de tratamiento de aguas residuales). Las rutas pueden serconsideradas como procesos donde la velocidad de remoción,con frecuencia, es altamente dependiente de la concentra-ción de la sustancia y de la temperatura del sistema. Losprocesos más relevantes en dichas rutas son los siguientes:

Volatilización: se presenta cuando las moléculas de unasustancia disuelta escapan a una fase gaseosa adyacente.

Adsorción: tiene lugar cuando las moléculas de una sus-tancia disuelta (en un sistema líquido-sólido) se adhierenfísicamente a los elementos de la fase sólida. Tambiénpuede haber enlace químico (quimisorción)

Migración: ocurre cuando las sustancias aplicadas a lossuelos son transportadas a través de éstos hacia el aguasubterránea.Escurrimiento: se presenta cuando las sustancias químicas enel suelo o cerca de él pueden ser arrastradas por la lluvia.

Descomposición biológica: tiene lugar cuando losmicroorganismos fraccionan los compuestos orgánicoscomo parte de sus procesos metabólicos.

Descomposición fotoquímica: puede ocurrir cuando unasustancia química absorbe luz y reacciona (fotólisis direc-ta), o cuando la sustancia reacciona debido a que los ele-mentos que la rodean absorben la luz (fotólisis indirecta).



161


Oxidación y reducción: los compuestos orgánicos que seencuentran en los sistemas acuáticos pueden ser oxidadospor el oxígeno (O2) u otros oxidantes tales como el radicalhidroxilo (OH) y los radicales peroxi (RO2). En mediosanaeróbicos pueden presentarse reacciones de reducción.Hidrólisis: se presenta cuando una sustancia reaccionacon el agua.Reacciones de radical hidroxilo: éstas pueden ocurrir porla adición de un radical hidroxilo, por la sustracción de unátomo de hidrógeno, o por ambos mecanismos.

El Cuadro 9-5 resume la importancia relativa de las nueverutas descritas en los modelos de emisión desarrollados porla EPA para diversas fuentes de emisión (U.S. EPA, 1994).

Las ecuaciones de los modelos de emisión desarrolladospara describir estas rutas son sumamente complejas. Unadiscusión detallada de estas ecuaciones, así como ejemplosde cálculos para cada ruta pueden encontrarse en el docu-mento Air Emissions Models For Waste and Wastewater (EPA-453/R-94-080A) (U.S. EPA, 1994), disponible en el sistemaCHIEF. Sin embargo, se han desarrollado algunos progra-mas de cómputo que facilitan el cálculo, si bien siempre serequerirán ciertos datos y parámetros de entrada.

El Programa CHEMDAT8 de la EPA

CHEMDAT8 es una hoja de cálculo Lotus 123® elaborada porla EPA que incluye modelos para la estimación de emisionesde COVs en establecimientos de manejo de residuos peligro-sos. El modelo incluye opciones para embalses de disposi-ción, rellenos sanitarios cerrados, tratamiento de suelos con-taminados y plantas de tratamiento de aguas residuales -cony sin procesos de aereación. Las emisiones previstas se pue-den ser ver en pantalla o imprimirse con PrintGraph®, que esotro programa de Lotus®.

Los modelos en CHEMDAT8 pueden aplicarse también aotros tipos de proceso de manejo de residuos además de los


162

considerados en la versión de diseño original. Por ejemplo,con el modelo de estanque no aereado pueden estimarse lasemisiones de estanques de almacenamiento de aguasresiduales. El modelo de emisiones de estanques superficia-les es útil para estimar emisiones derivadas del tratamientoaeróbico de aguas residuales. Con el modelo de tratamiento

CUADRO 9-5. IMPORTANCIA RELATIVA DE LAS RUTAS DE REMOCIÓN DE COVS Y HAPS

EN DIVERSAS FUENTES DE ÁREA

I = ImportanteS = SecundarioD = Despreciable o no aplicable

a Algunos compuestos pueden tener rutas dominantes diferentes a las que semuestran aquí.

b Se considera que la migración de agua y los escurrimientos tienen efectosdespreciables sobre el suelo y sobre las agua superficiales en una planta detratamiento de aguas residuales o de manejo de residuos peligrosos que seopera de manera adecuada.

RUTAa

Volatilización

Biodegradación

Foto descomposición

Hidrólisis

Oxidación y reducción

Adsorción

Reacción de radical

hidroxilo

Migraciónb

Escurrimientob

EMBALSES

SUPERFICIALES

I

I

S

S

D

D

D

D

D

AEREADAS

I

I

D

S

D

S

D

D

D

NO

AEREADAS

I

I

D

S

D

S

D

D

D

TRATAMIENTO

DE SUELOS

I

I

D

D

D

D

D

D

D

RELLENO

SANITARIO

I

S

D

D

D

D

D

D

D

PLANTAS DE TRATAMIENTO

DE AGUA RESIDUALES


163


de suelos pueden estimarse las emisiones de tiraderos a cieloabierto y de pilas de residuos además de las de suelos tratados.Las emisiones de una película de aceite en un tanque puedenpredecirse con el modelo de película de aceite. El modeloCHEMDAT8 puede asignar algunos parámetros de entrada poromisión, o bien estos pueden cambiarse para reflejar diferen-tes características de los establecimientos de manejo de resi-duos. La lista de 60 compuestos considerados en el CHEMDAT8puede incrementarse hasta casi 700 sustancias.

El programa WATER9 de la EPA

WATER9 es un programa de computadora manejado conmenús, que tiene el objetivo de estimar emisiones de plantasde tratamiento de aguas residuales. WATER9 usa algunos delos mismos modelos que se encuentran en CHEMDAT8, perocontiene datos para un total de 800 compuestos. Este progra-ma también tiene mejoras gráficas para ayudar al usuario avisualizar el sistema que está siendo modelado.

9.1.5. Polvos fugitivos

El polvo fugitivo presente en la atmósfera surge de perturba-ciones mecánicas de material granulado expuesto al aire. Elpolvo generado por estas fuentes abiertas se denomina «fugi-tivo» debido a que no se descarga a la atmósfera en una co-rriente de flujo confinado. Las fuentes de polvos fugitivos máscomunes incluyen caminos pavimentados y no pavimenta-dos, operaciones agrícolas, depósitos de materiales de agre-gados y operaciones de construcción. La generación del pol-vo se debe a la pulverización y abrasión de los materiales dela superficie al aplicar una fuerza mecánica a través de diver-sos implementos (p.ej., ruedas, cuchillas, etc.), y por el arrastrede partículas de polvo por la acción de corrientes turbulentasde aire, tales como la erosión eólica de una superficie ex-puesta a vientos con velocidades superiores a los 19 km/hr(12 millas/hr).


164

La EPA ha desarrollado varios modelos de emisión para esti-mar las emisiones de estas fuentes de polvos fugitivos, loscuales se sintetizan a continuación y cuya información másdetallada puede consultarse en el AP-42, Sección 13.2 (U.S.EPA, 1995a).

Caminos sin pavimentarE = VKT x EF (9-12)

donde:E =tasa de emisión promedio anual como masa, kg/añoVKT =kilómetros vehículo recorridos, VKT/añoEF =factor de emisión, kg/VKT

EF=k (1.7) (s/12)(S/24)(W0.7/2.7)( w0.5/4)(1-p/365)(kg/VKT)(9-13)

donde:k = multiplicador del tamaño de partícula, adimensionals = contenido de sedimentos del material de recubrimien-to del camino, %S = velocidad promedio del vehículo, km/hrW = peso medio del vehículo, Mgw = numero medio de ruedasp = número de días al año con una precipitación mínimade 0.254 mm (0.01 in).

Caminos pavimentadosE = VKT x EF (9-14)

donde:E=tasa de emisión anual promedio en masa, g/año;VKT=kilómetros vehículo recorridos, VKT/año;EF =factor de emisión, g/VKT.



165


EF= k( sL /2) 0.65 (W/3) 1.5 (9-15)

donde:k=factor de emisión de base para el intervalo de tamañode partícula (g/VKT)sL=carga de sedimentos de la superficie del camino(g/m2)W=peso promedio (tons) de los vehículos que transitanpor el camino

Operaciones de construcción pesadaE = A x T x EF (9-16)

donde:E=tasa de emisión anual promedio en masa, Mg/añoA=área en construcción, hectáreasT=tiempo de construcción, mesesEF=factor de emisión = 2.69 Mg/hectárea/mes

Manejo de agregados y depósitos de materialesE = Q x EF (9-17)

donde:E=tasa de emisión anual promedio en masa, kg/añoQ=cantidad de material transferido, Mg/añoEF=factor de emisión, kg/Mg

EF = k(0.0016) (U/2.2)1.4/(M/2)1.3 (9-18)

donde:k=multiplicador del tamaño de partícula, adimensionalU=velocidad media del viento, m/sM=contenido de humedad del material, %


166

Erosión eólica industrialE = A x EF (9-19)

donde:E=tasa de emisión anual promedio en masa, g/añoA=área de la superficie del material sujeto a la perturba-ción, m2

EF=factor de emisión, g/m2/año

EF = k Σ Pi (9-20)

donde:k = multiplicador del tamaño de partícula, adimensionalN = número de perturbaciones por añoPi = potencial de erosión correspondiente a la velocidadmáxima del viento en el periodo (i)ésimo entre perturba-ciones, g/m2

Programas de la EPA para estimar emisiones de polvosfugitivos

La EPA desarrolló dos programas en 1990 para apoyar la esti-mación de emisiones de polvos fugitivos causados por lasperturbaciones mecánicas (es decir, caminos pavimentados yno pavimentados, manejo de materiales, actividades agríco-la, y construcción y demolición), y por la erosión eólica. Es-tos programas para computadora se basan en el documentoControl of Open Fugitive Dust Sources -Control de FuentesAbiertas de Polvos Fugitivos- (U.S. EPA, 1988). Estas técnicasde estimación de emisiones se describen en el AP 42, sección13.2, y en el Página Web de CHIEF.

Algunos de los parámetros requeridos por los programasmencionados y los valores por omisión que se han adoptadoen EUA se describen en el Cuadro 9-6.

i=1

N



167


CUADRO 9-6. PARÁMETROS REQUERIDOS Y VALORES POR OMISIÓN EN EU EN MODELOS DE

ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE POLVOS FUGITIVOS

DESCRIPCIÓN DEL PARÁMETRO

Tamaño de partícula para el

que se estimarán las emisiones

Multiplicador del tamaño de

partícula

Contenido de sedimento del

material de la superficie del

camino

Velocidad media del vehículo

Peso medio del vehículo

Número medio de ruedas

Número de días por año con

precipitación mínima

de 0.254 mm (0.01 in)

Carga de sedimentos en la superfi-

cie del camino

Área superficial del material

Tiempo de construcción

Cantidad de material

transferido

Velocidad media del viento

Contenido de humedad del

material

Número de perturbaciones por año

Función del potencial de erosión

VARIABLE

Se usa para

determinar k

K

S

s

W

w

P

sL

A

T

Q

U

M

N

Pi

VALOR POR OMISIÓN DE EUa

Tabla de valores por omisión

de caminos y materiales de

superficie

Intervalo de valores en

condiciones de prueba:

21-64 km/hr.


condiciones de prueba:

2.7-142 Mg.


condiciones de prueba 4-13

ruedas

Se dan datos regionales para

EU

Se presenta tabla de valores

por estado y ciudad de EU

Se presenta tabla de valores

de material de la superficie

a Las tablas y valores a los que se hace referencia corresponden a los programas de

la EPA para estimar emisiones de polvos fugitivos.


168

9.2. MODELOS DE EMISIONES DE MÚLTIPLES VARIABLES

Un modelo de emisiones de múltiples variables es una metodolo-gía híbrida que combina varios enfoques tradicionales de inventariosde emisiones con información específica del sitio o región del in-ventario, dentro de un marco de extrapolación de datos. Como sunombre sugiere, un modelo de múltiples variables expresa las es-timaciones de las emisiones en términos de un conjunto de varia-bles que caracterizan el sistema que se modela. Este enfoque esadecuado en particular para las regiones que tienen registros yestadísticas que resultan limitados para la aplicación de otras técni-cas tradicionales de inventario. El concepto fundamental está en laestimación de emisiones con base en las características del uso ytipo de cobertura del suelo. Por ejemplo, los lugares agrícolas,residenciales, comerciales e industriales tienen diferentes caracte-rísticas en cuanto a las fuentes y emisiones de contaminantes.Estas diferencias pueden ser caracterizadas utilizando diversas va-riables que describan la actividad que produce emisiones para cadatipo de uso y de cobertura del suelo.

Es probable que el uso de modelos de múltiples variables tengacostos iniciales más elevados que el de otros métodos de inventa-rio de emisiones. Sin embargo, la facilidad de aplicación y la posi-ble reducción de costos de mantenimiento del inventario en el fu-turo lo hace una opción atractiva. Otra ventaja significativa de losmodelos de múltiples variables es que se basan en datos locales.Esto permite que los efectos de las condiciones locales sean inclui-dos en las estimaciones de las emisiones. Entre los posibles tiposde fuente cuyas emisiones podrían ser estimadas con estos mode-los en México se encuentran las actividades de construcción, lasactividades agrícolas y el uso de solventes

9.2.1. Desarrollo de un modelo de emisiones de múltiplesvariables

El primer paso en el desarrollo de un modelo de emisionesde múltiples variables es la identificación de las variablesindependientes que pueden caracterizar estadísticamente el

Modelos deemisiones demúltiplesvariables


169


sistema. Estas variables diferirán de un sistema a otro. Usan-do las actividades agrícolas como ejemplo, estas variablespodrían ser un tipo de cultivo (legumbres, maíz, etc.), super-ficie cultivada o tamaño de la cosecha. Para las actividadesde construcción, las variables podrían ser el tipo de construc-ción (edificios, carreteras, vías de ferrocarril, etc.), el tama-ño de la misma o su costo. Cada una de estas variablespuede usarse para describir la magnitud de las emisiones deestas fuentes. Por ejemplo, la construcción de dos kilóme-tros de carretera generaría más emisiones de partículas quela construcción de un kilómetro.

El segundo paso del desarrollo de un modelo de múltiplesvariables es la identificación de las fuentes de emisión a ni-vel de operaciones o procesos relevantes. Por ejemplo, paralas emisiones de partículas derivadas de actividades agríco-las, podrían considerarse las operaciones de barbecho o pre-paración de la tierra y las de cosecha, además de las emisio-nes de los equipos y vehículos agrícolas. En el caso de lasactividades de construcción, podrían incluirse el movimientode tierras, el manejo de materiales y las emisiones de losequipos de construcción. El número total de fuentes de emi-sión cubiertos en el modelo está determinado por el tipo deactividad que se desea caracterizar.

Después de definir los tipos de fuente que serán incluidosen el modelo de múltiples variables, el siguiente paso consisteen desarrollar los datos de emisiones que se usarán. Las emi-siones de cada tipo de fuente en un solo sitio (de construcción,agrícola, etc.), se estiman utilizando métodos convencionales(es decir, factores de emisión o modelos mecanísticos), y datosespecíficos del sitio. Para crear un modelo de múltiples varia-bles que sea coherente desde el punto de vista estadístico, esnecesario repetir esta estimación para varios sitios diferentesdentro de la misma región.

Después, las emisiones totales estimadas para cada sitiogeográfico se grafican contra cada una de las variables inde-pendientes elegidas para caracterizar el sistema. Los sitios que


170

difieran de manera considerable de los sitios representativospueden producir estimaciones significativamente más altas omás bajas que podrían afectar negativamente el análisis esta-dístico. Estos datos puntuales deben ser considerados como«extremosos» y ser excluidos de análisis posteriores.

A partir de los datos graficados se determina la relación es-tadística mas significativa entre las emisiones y las variablesindependientes elegidas previamente (p.ej., kg de PM10/acrede tomates, kg de PM10/US$ de construcción de edificios, etc.).Luego se realiza un análisis estadístico para evaluar la impre-cisión del modelo correspondiente al mejor ajuste y para deter-minar la incertidumbre de la estimación de emisiones.

De este análisis se selecciona la relación más representa-tiva desde el punto de vista estadístico. Es probable que estasea una relación lineal simple pero también es posible quesea exponencial, logarítmica o segmentada.

Después de determinar la relación más apropiada de me-jor ajuste, las emisiones regionales pueden ser estimadasinsertando datos regionales en el modelo desarrollado.

9.2.2. Ejemplo de un modelo de múltiples variables -actividades de construcción

Las actividades de construcción son una fuente de área gene-ralmente muy dispersa y que puede ser una fuente significati-va de partículas PM10. Debido a que las actividades de construc-ción están dispersas, por lo general no es factible estimar lasemisiones de cada sitio de construcción en forma individual.Esto hace que las actividades de construcción sean candidatosideales para los modelos de estimación de emisiones de múlti-ples variables, tal como lo ilustra el siguiente ejemplo.

IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES DEL SISTEMA. Existen diversasvariables relacionadas con las actividades de construcción quecaracterizan al sistema. Entre las variables más independientedel sistema se incluyen:

Tipo de construcción (edificios, carreteras, vías de ferro-carril, etc.)



171


Tamaño de la construcción (área del edificio, volumen deexcavación, cantidad de concreto vaciado, etc.)Valor monetario del proyectoNúmero de trabajadores en la construcción.

IDENTIFICACIÓN DE LAS FUENTES (p.ej., a nivel de operaciones oprocesos) DE EMISIÓN. Las actividades de construcción generanemisiones de PM10 a partir de operaciones varias como:

Demolición y remoción de escombrosExcavación y otros movimientos de tierrasEmisiones de vehículos y equipo de construcciónManejo de materialesArrastre y acarreo de polvo

DESARROLLO DE LOS DATOS DE EMISIONES. Las emisiones totales deun sitio de construcción se estiman sumando las emisionesde cada una de las operaciones de emisión identificadas, comose muestra en la siguiente ecuación:

Etot = å(xd,c,e,m,r)(yd,c,e,m,r) (9-21)

donde:Etot = emisiones totales en el sitio;x = tasa de actividad;y = factor de emisión;d =demolición y remoción de escombros;c=excavación y otros movimientos de tierras;e=emisiones de vehículos y equipo de construcción;m=manejo de materiales yr=arrastre y acarreo de polvo

En el Cuadro 9-7 se enlistan las tasas de actividad específicasdel sitio (xi) y los factores de emisión empíricos (yi) necesa-rios para estimar las emisiones de la construcción en un sitiodeterminado. Los parámetros específicos del sitio deben con-siderarse en la selección de los factores de emisión corres-pondientes.


172

GRAFICACIÓN DE LOS DATOS DE EMISIONES. Después de obtener lasemisiones totales (Etot) de PM10 para varios sitios de construc-ción diferentes, se grafican estos datos contra el área de cons-trucción del sitio, el valor del proyecto de construcción, el nú-mero de trabajadores y cualquier otra variable relevante delsistema. En la Figura 9-2 se muestra un ejemplo de la gráficade datos para seis sitios (con los literales E1 hasta E6).

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS DATOS GRAFICADOS. El siguiente pasoes determinar la relación estadísticamente más significativaentre las variables graficadas. Para el ejemplo de la Figura 9-2se supone que la relación estadísticamente mas significativaes una regresión lineal simple que intersecta el eje de lasordenadas en el origen (es decir, sin actividad de construc-ción no hay emisiones de PM10). En este ejemplo, la compa-ración de los valores de R2 resultantes indican que la relaciónestadísticamente más significativa se da entre las emisionesde PM10 y el área de construcción. En situaciones reales esprobable que las emisiones no sean dependientes de una solavariable del sistema sino que dependan de varias.

CÁLCULO DE LAS EMISIONES REGIONALES. Una vez que se ha esta-blecido que la relación de mejor ajuste, en este caso la quecorresponde a las emisiones de PM10 y el área de construc-ción es estadísticamente válida, la aplicación de esta relaciónpara calcular las emisiones en toda la región es directa. Comose puede ver en la gráfica de emisiones totales contra el áreade construcción de la Figura 9-2, la ecuación que determinala regresión lineal es:

Emisiones Totales de PM10 (ton/año) =0.0014 Área de Construcción (m2)

Si el área total de construcción a nivel regional en el ejem-plo es de 2,600,000 m2, entonces las emisiones regionales dePM10 de todas las actividades de la construcción serán:

0.0014 (2,6000,000 m2) = 3640 ton/año de PM10



173


FIGURA 9-2. GRÁFICAS DE EMISIONES DE PM10 VS. VARIABLES DEL SISTEMA


174

a Las ecuaciones empíricas para estimar emisiones de la demolición y remociónde escombros, excavación y movimiento de tierras, manejo de materiales yarrastre y acarreo de polvo pueden encontrarse en Fugitive Dust BackgroundDocument and Technical Information Document for Best Available ControlMeasures (U.S. EPA, 1992)

b Los factores de emisión (g/hp-hr) para diferentes tipos de equipos pueden en-contrarse en Nonroad Engine and Vehicle Emission Study Report (U.S. EPA,1991a). Podría ser necesario que se desarrollaran factores de emisión específi-cos para México.

CUADRO 9-7. TASAS DE ACTIVIDAD Y PARÁMETROS DE LOS FACTORES DE EMISIÓN REQUERIDOS PARA ESTIMAR

LAS EMISIONES DE ACTIVIDADES DE LA CONSTRUCCIÓN

OPERACIONES DE

EMISIÓN

Demolición y

remoción de

escombros (d)

Excavación y

movimientos de

tierras (c)

Vehículos y

equipos (e)

Manejo de

materiales (m)

Arrastre y

acarreo de

polvos (r)

TASA DE

ACTIVIDAD

(xi)

Cantidad de

material de

demolición

(Mg)

VKT

Horas de

operación

Cantidad de

material

manejado

(Mg)

VKT vehículo

FACTOR DE

EMISIÓN

(yi)

kg PM10/Mg

de material

de demo-

licióna

kg PM10/VKTa

g PM10/horas

de operaciónb

kg PM10/Mg

de material

manejadoa

kg PM10/VKTa

PARÁMETROS ESPECÍFICOS

DEL SITIO

Velocidad del viento (m/s)

Contenido de humedad en el

material de demolición (%)

Tipo de equipo

Tipo de equipo

Tipo de combustible

Potencia nominal

Carga de operación

Velocidad del viento (m/s)

Contenido de humedad en las

pilas de almacenamiento (%)

Contenido de sedimentos (%)

Velocidad del vehículo (km/hr)

Peso del vehículo (Mg)

Numero de ruedas del vehículo (-)

Precipitación (número de días por

año con precipitación³ 0.254 mm)


Documents

Estimación de Emisiones Mediante Modelos de Emisión de Contaminante