Roberto Rojano 1, 2, Luis Angulo 1, 2, Gloria Restrepo 2
1 Universidad de La Guajira, Facultad de Ingeniería, Grupo de Investigación GISA. email: rrojano@uniguajira.edu.co
2 Universidad de Antioquia, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química, Grupo Procesos Fisicoquímicos Aplicados. email: gloma@udea.edu.co
RESUMEN
Muestras de PM2.5, PM10 y partículas suspendidas totales (PST) fueron recogidas entre enero y junio de 2012 en la Mina a cielo abierto el Cerrejón, al norte de Colombia. Mediciones de 24 horas cada seis días fueron realizadas utilizando muestreadores de alto volumen para PM10 y PST y bajo volumen para PM2.5. Las concentraciones variaron entre 18,20 y 198,2 μg/m3 para PST, 11,96 μg/m3 y 100,05 μg/m3 para PM10 y 54,50 μg/m3 y 3,37 μg/m3 para PM2.5. Las máximas concentraciones se registraron en las estaciones ubicadas viento abajo de los tajos de explotación. Las relaciones de PM10/ PST registraron valores entre 0,12 a 0,93 y las de PM2.5/PM10 entre 0,33 y 0,51. También se observó correlación lineal significativa en PST/PM10 (R= 0,81, 0,85, 0,77, 0,71, 0,69) y correlación lineal no significativa en PM2.5/PM10 (R = 0,10 y 0,14). Las PST pueden ser una variable predictiva de PM10 en la zona minera del Cerrejón mientras que las PM10 no pueden ser utilizadas para predecir con confianza la concentración de PM2.5 en la misma zona. Los resultados revelaron variabilidad significativa en las concentraciones de PST en relación a PM10 y PM2.5 dependiendo de la ubicación de las estaciones con respecto a los tajos de explotación.
Palabras clave: PST, PM10, PM2.5, muestreo, relación, concentración, tajo, Colombia
Concentration and ratio PST, PM10 AND PM2.5 in towns near open pit mining: Case Cerrejón Colombia
ABSTRACT
PM2.5, PM10 and total suspended particles (TSP) samples were collected from January to June 2012 in the open pit mine Cerrejón north of Colombia. Measurements of 24 hours every six days were made using PM10 and TSP High Volume air sampler and PM2.5 Low Volume. Concentrations were 18.20 to 198.2 μg/m3 for TSP, 11.96 μg/m3 to 100.05 μg/m3 for PM10 and 54.50 μg/m3 to 3.37 μg/m3 for PM2.5. The maximum concentrations were recorded at stations located downwind of the pits. Relations PM10/TSP ranged 0.12 to 0.93 and the PM2.5/PM10 0.33 to 0.51. Was also observed significant linear correlation in TSP/PM10 (R= 0.81, 0.85, 0.77, 0.71, 0.69) and no significant linear correlation in PM2.5-PM10 (R = 0.10 y 0.14). The TSP may be a predictor of PM10 in the mining area Cerrejón, whereas PM10 can not be used to predict the concentration of PM2.5 in the same area. The results revealed significant variability in the concentrations of TSP in relation to PM10 and PM2.5 depending on the location of the stations with respect to the pits of exploitation.
]]> Keywords: TSP, PM10, PM2.5, sampling, relation, concentration, pit, Colombia.Recibido: octubre 2014 Recibido en forma final revisado: julio 2015
INTRODUCCIÓN
Colombia es el primer productor de carbón de América Latina y el decimosegundo del mundo. Sus reservas totales se estiman en alrededor de 17 mil millones de toneladas, de las cuales se han medido 7 mil millones. La proyección nacional de oferta de carbón por distrito estimada para el año 2014, según la Unidad de Planeación Minero Energética de Colombia (UPME), es de 124.9 millones de toneladas, de la cuales casi el 90% corresponde a extracción a cielo abierto (UPME, 2006). La minería de carbón a cielo abierto genera mayores impactos al medio ambiente que la minería subterránea. En particular, causa deterioro a la calidad del aire debido al material particulado y a los contaminantes gaseosos emitidos a la atmósfera (Ghose & Majee, 2007). Todas las operaciones que impliquen movimientos de tierra o carbón o la exposición de las superficies erosionables, generan polvo fugitivo (USEPA, 1998). El material transportado ha sido identificado como la principal fuente de contaminación del aire, especialmente las partículas suspendidas totales (PST) y las partículas menores de 10 micras (PM10) (USEPA, 1988; Ghose & Majee, 2000). Las fuentes de contaminación del aire en áreas de extracción de carbón generalmente incluyen actividades como perforación, voladura, carga y descarga de material estéril, carga y descarga del carbón, apilamiento de carbón, vías de acarreo, vías de transporte, botaderos de escombros, planta de manejo de carbón, pilas de almacenaje de carbón y estéril y mantenimientos de vías (CMRI, 1999). Entre los distintos contaminantes del aire, el material particulado muestra fuerte evidencia de efectos adversos en la salud como la disminución de la función pulmonar, dificultad respiratoria e hipoxemia, cambios adversos en la función autonómica cardíaca (Dostal et al., 2013; Muránszky et al., 2011; Pope & Dockery, 2006). Otros estudios lo han asociado con excesos en la morbilidad y mortalidad (Hoek et al., 2013; Brunekreef & Holgate, 2002). Una disminución de 10 μg/m3 en la concentración de las partículas finas se asoció con un aumento estimado en la media de esperanza de vida de 0,61 a 0,81 años (Pope et al., 2009). Van-Steenis (2008) confirmó que el material particulado fino y ultra fino (PM10, PM2.5 y PM1) causó un aumento en el asma al 33% de niños que viven a una milla de una mina de carbón a cielo abierto, con un aumento acumulado de 21% a dos millas e incluso hasta un 12% a menos tres millas. De igual manera, se ha registrado que cuando la producción de carbón se incrementa, la tasa de la enfermedad cardiopulmonar, la enfermedad pulmonar, la enfermedad cardiovascular, la diabetes y la enfermedad renal aumentan (Hendryx & Zullig, 2009). En Colombia, la Resolución 650 de 2010, por la cual se adopta el Protocolo para el Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire, establece Sistemas Especiales de Vigilancia de Calidad de Aire (SEVCA) a cualquier población con problemáticas específicas de calidad del aire como minería y alto nivel de industrialización (MAVDT, 2010). Estas minas de explotación a cielo abierto deben tener su sistema de vigilancia de la calidad de aire especialmente para partículas PST, PM10 y PM2.5. La mina del Cerrejón cuenta con una red de trece estaciones administrada por la autoridad ambiental de la región. Estas estaciones registran mediciones de partícula sedimentable, TSP, PM10 y PM2.5. Para este estudio se tomaron las estaciones con muestreadores de PST, PM10 y PM2.5 ubicadas en centros urbanos. El comportamientos de las relación PST, PM10 y PM2.5 se usa para valorar la composición de las partículas por tamaño y su presencia en la atmósfera (Liu et al., 2004) al igual que indicar la presencia en proporción de masa de un contaminante en el otro (Zhang et al., 2013). La linealidad de la relación PM2.5/PM10 permite utilizar datos de PM10 para predecir con confianza la concentración de PM2.5 (Echeverri & Maya, 2008; Mugica et al., 2002). El conocimiento de esta relación brinda información necesaria para tomar acciones y estrategias de control más adecuadas sobre las fuentes (Galvis & Rojas, 2006). Varios autores han mostrado resultados de la relación de estos contaminantes en zonas urbanas de ciudades con un grado significativo de industrialización y en ciudades intermedias sin industrialización (Galvis & Rojas, 2006; Rojano et al., 2013). Sin embargo, no hay evidencia en Colombia de esta relación en centros urbanos aledaños a zonas de explotación de carbón en minería a cielo abierto. El objetivo de este trabajo es estudiar la calidad del aire en el área de estudio y determinar la relación entre PST, PM10 y PM2.5 en centros urbanos aledaños a zonas de explotación de carbón en minería a cielo abierto, específicamente, en la mina del Cerrejón al norte de Colombia.
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
El Cerrejón es una mina de explotación de carbón a cielo abierto localizada al norte de Colombia, en el departamento de La Guajira, frontera con Venezuela. Es una de las minas a cielo abierto más grandes del mundo. Está ubicada en las coordenadas 11°5’2’’ Norte y 72°40’31’’ Oeste (figura 1).
Los depósitos de carbón se encuentran en una extensión de 69.000 hectáreas, dentro de la cual hay cinco áreas de explotación denominadas tajo Patilla, tajo 100, tajo Oreganal, tajo Tabaco y tajo La Puente (Cerrejón, 2013). La topografía del terreno es representada por una llanura aluvial entre los sistemas montañosos de la Serranía del Perijá por el oriente y la Sierra Nevada de Santa Marta por el occidente. Se consideraron los receptores que forman parte de la Red de Calidad de Aire de la Corporación Ambiental de La Guajira (Corpoguajira). Estos receptores corresponden a poblaciones y municipios seleccionados teniendo en cuenta la cercanía con las áreas de explotación minera.
Método de medición de PST, PM10 y PM2.5.
]]> Las mediciones de material particulado PST, PM10 y PM2.5 se realizaron entre el 2 de enero y el 26 de junio de 2012 en el área de influencia de la mina el Cerrejón. Las partículas PST y PM10 se determinaron por el método gravimétrico, utilizando muestreadores de alto de volumen (Hi-Vol) con cabezal de separación inercial para las PM10, según lo establecido en el método de referencia para PST y PM10 de la Agencia Ambiental de los Estados Unidos (EPA, 1980; EPA, 1997). La concentración de las partículas PM2.5 se determinó utilizando un muestreador de bajo volumen (Partisol), regulado como método equivalente de la CFR (40 CFR Part 58). El equipo cuenta con separador de partículas finas de diámetro aerodinámico de 2.5 μm, localizado en la entrada del aire. Los filtros se mantuvieron a ± 5 °C de la temperatura ambiente. Los equipos Hi-Vol y el Partisol operaron cada seis días con tiempo de muestreo de 24 horas, desde las 12:00 h hasta las 12:00 h del día siguiente. Se tomaron 30 muestras de material particulado PST, PM10, PM2.5 en cada estación. Se utilizaron filtros de fibra de vidrio para las PST, filtros de fibra de cuarzo para las PM10 y filtro de fibra de teflón de 47 mm para los PM2.5. La tabla 1 presenta la ubicación de las estaciones, los equipos utilizados en el monitoreo y los parámetros medidos en cada estación. 
Para la caracterización del comportamiento meteorológico de la zona de estudio, específicamente los parámetros que influyen en la dispersión atmosférica, se utilizaron los datos registrados en la estación del Centro de Desarrollo Ambiental (CDA), ubicada en el área del complejo carbonífero de Cerrejón en las coordenadas 10.09° Norte y 72.35° Oeste.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Concentración de PST, PM10 y PM2.5
La tabla 2 presenta el promedio y la desviación estándar de las concentraciones de PST, PM10 y PM2.5 en los cinco puntos de muestreo. El rango de las concentraciones de PST en el muestreo varió entre 18,20 y 198,2 μg/m3. El promedio geométrico diario más alto en las concentraciones de PST fue de 106,48 μg/m3 registrado en la estación Las Casitas, ubicada viento abajo de los tajos Oreganal y 100. El promedio geométrico diario más bajo fue de 45,98 μg/m3, observado en la estación Cuestecita ubicada viento arriba de la zona de explotación minera.
Los resultados (figura 2) muestran una diferencia estadísticas entre los promedios de las estaciones. Las estaciones Barrancas, Patilla y Provincial presentan un comportamiento parecido; se observa mayor dispersión en la estación Provincial, siendo esta estación la que presenta el máximo y el mínimo nivel de PST entre todas las estaciones. El nivel de concentración de PST encontrado en las cinco estaciones no excedieron el nivel máximo permisibles diario para PST del Estado colombiano, que es de 300 μg/ m3 (MAVDT, 2010). El rango de las concentraciones de PM10 para el periodo de muestreo varió entre 11,96 μg/m3 y 100,05 μg/m3. La estación Barrancas reportó el mayor promedio en las concentraciones de PM10 con un nivel de 60,66 μg/m3 seguido de la estación Las Casitas con un promedio de 45,50 μg/m3.
Los niveles más bajos se presentaron en las estaciones Cuestecita, Patilla y Provincial con promedios de 30,20, 32,65 y 32,90 μg/m3, respectivamente. Como fue mencionado, la estación Barrancas presentó las mayores concentraciones. Esta estación no está directamente viento abajo de los tajos Patilla y la Puente; sin embargo, está influenciada por las emisiones del transporte interno de la ciudad. Las estaciones Las Casitas, Cuestecitas, Patilla y Provincial presentaron comportamiento parecido en las concentraciones de PM10 con mayor dispersión en la estación Cuestecitas. Solo una muestra en la campaña excedió el nivel legal diario para partículas PM10 del Estado colombiano, que es de 100 μg/m3, y se presentó en la estación Barrancas.
]]> Los promedios diarios de PM2.5 no excedieron los niveles establecidos en la Resolución 610 de 2010. La estación Las Casitas presentó el mayor promedio de concentración de PM2.5 con valor de 18,76 μg/m3, con concentración máxima de 54,50 μg/m3 y mínima de 3,37 μg/m3 (figura 3). En esta estación una muestra superó el nivel legal diario en un porcentaje del 9%. La estación Barrancas alcanzó un promedio de 17,52 μg/m3 con concentración máxima de 38,86 μg/m3 y mínima de 3,80 μg/m3. 
Los niveles de concentración de PST, PM10 y PM2.5 obtenidos en esta zona industrial fueron superiores a los reportados en zonas urbanas ubicadas a menos de 100 km viento arriba de la mina (Rojano et al., 2013; Rojano et al., 2012; Corpoguajira, 2008); sin embargo, fueron inferiores a los reportados en minas de carbón a cielo abierto cercanas al Cerrejón (Huertas et al., 2012a; Angulo et al., 2011) y a los reportados por minas a cielo abierto en otros lugares del mundo (Song et al., 2014; Aneja et al., 2012; Chaulya, 2004). Los resultados revelan exposición segura al material particulado proveniente de las operaciones de explotación de carbón de la comunidad que habita en esta zona, debido a que presenta niveles inferiores a los estándares nacionales y de la EPA. Un reciente proyecto de la EPA sugiere nuevo estándar de 24 horas para PM10 en el rango de 65-85 μg/ m3 (USEPA, 2010). Aun para los niveles proyectados se estarían cumpliendo estos preceptos.
Relación y distribución de masas
La tabla 3 presenta la relación de PM10/PST y PM2.5/PM10 en los puntos de muestreo. La relación PM10/PST osciló entre los valores 0,12 a 0,93, presentando los mayores niveles (0,93 y 0,90) en las estaciones Barrancas y Patilla. La relación de masa de PM2.5/PM10 estuvo entre 0,06 a 0,78. El promedio de la relación de la masa del material particulado varió entre 0,41 y 0,71 para PM10/PST y entre 0,33 y 0,51 para PM2.5/PM10.
Las estaciones Barrancas y Cuestecita muestran que el 80% y el 67% de sus relaciones de masa PM10/PST están entre 0,50 y 0,90, respectivamente; lo que indica un aporte de fuentes diferentes a la actividad minera. Este aporte pudiera deberse a emisiones comunes de centros urbanos tales como el suelo, el pavimento, la manipulación de materiales, los materiales de construcción y el tráfico vehicular (Pérez- Vidal et al., 2010). Se observa una contribución significativa de las partículas inhalables en los diferentes sitios de muestreo; esta contribución, según los promedios, alcanza un porcentaje entre 41% y el 66% del total de PST. De igual manera, el material fino contribuye entre el 33% al 51% en las partículas respirables. Estos resultados preocupan debido a que este tamaño de material particulado ocasiona mayor riesgo sobre la salud. Estas relaciones de partículas PM10/ PST y PM2.5/PM10 son similares a los reportados por Angulo et al. (2011) y Huertas et al. (2012b) en zonas de explotación minera similares a las del área de estudio; observándose menor nivel de concentración en La Mina el Cerrejón que en esos lugares. Esto puede llevar a la conclusión de que la relación de masas de material particulado no dependa del nivel de concentración del contaminante, al contrario, puede deberse a las características de las fuentes que los emiten. La figura 4 presenta las concentraciones y correlaciones de PST y PM10, en los cinco puntos de muestreo. El análisis de los resultados muestra correlación estadísticamente significativa entre PM10 y PST, en las estaciones Barrancas y Provincial (0,66 y 0,73, p < 0,05) y correlación aceptable para las estaciones Patilla, Cuestecita y Las Casitas (0,59, 0,50 y 0,47, p < 0,05). Estas relaciones de material particulado son menores comparadas con resultados de estudios en zonas urbanas de ciudades industrializadas en Colombia (Echaverry & Maya, 2008; Dongarrá et al., 2010). Puede deberse a la mayor proporción de material fino (PM2.5) proveniente del transporte en estas ciudades. El de 40% de R2 en la relación PM10/PST (tabla 3 y figura 4) fue mayor que 0,6. Por lo tanto, los niveles de partículas en la zona minera del Cerrejón tienen regular correlación.
Dirección de viento y concentraciones
La tabla 4 presenta el resumen de los datos meteorológicos en el periodo de muestreo. La velocidad del viento registró promedio de 3,31 m/s, alcanzando valores máximos cercanos a los 8,20 m/s y periodos de calma (velocidad del viento de 0 m/s) solo un 3,18%. La dirección predominante fue noreste (NE) con una frecuencia del 86%.
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La figura 5 presenta el análisis de la dirección del viento y las concentraciones de PM10 y PST. Se observa que las estaciones de Barrancas, Provincial y Patilla están directamente influenciadas por el tajo Patilla (el tajo de mayor dimensión y actividad en la mina) y el botadero Patilla (zona de almacenaje de material estéril). La estación Provincial es la más cercana al tajo Patilla (< 5 km) y está ubicada directamente en la dirección predominante del viento, coincidiendo con los mayores registros y promedios de estas tres estaciones. La estación Las Casitas está influenciada por los tajos Oreganal, 100, Comunero, Patilla y Caypa. Esta estación está a menos de 3 km de los tajos Comunero y 100 y está directamente en el vector de dirección resultante del viento de 241° (SOO). Esta estación es la que presenta las mayores concentraciones en este estudio. Entre esta estación y los tajos mencionados no hay fuentes significativas de emisión de PM10 y PST, por lo que se concluye que el aporte potencial de material particulado en esta estación es producido por las actividades de extracción de los tajos Comunero y 100. La estación Cuestecita, ubicada viento arriba de los tajos, mostró los menores niveles de concentraciones de PST, no así con los niveles de PM10. Esto indica que no hay aporte significativo de operaciones mineras pero sí aporte de actividades cotidianas y de transporte, por ser una zona urbana de flujo de tráfico liviano y pesado. Este análisis no describe un fenómeno físico de causa y efecto; por lo tanto, no se puede utilizar para identificar las fuentes de contaminación influyentes en las estaciones Barrancas, Provincial, Patilla y Las Casitas; sin embargo, las principales fuentes de emisión son las de área, que están asociadas con las actividades de extracción de carbón; luego, se puede inferir una influencia de los tajos en el aporte de PM10 y PST.
CONCLUSIONES
En los cinco sitios de muestreo los resultados de las concentraciones de PST, PM10 y PM2.5 no excedieron los estándares diarios de la Norma Colombiana y la National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) de los Estados Unidos. El comportamiento lineal de las relaciones PM10/ PST y PM2.5/PM10 en las estaciones estudiadas en la mina el Cerrejón permite utilizar los valores de PST para predecir la concentración de PM10. Los datos de PM10 de áreas de extracción mineras no pueden ser utilizados para predecir con confianza la concentración de PM2.5. Según la dirección predominante del viento, el aporte de PM10 y PST en los sitios de monitoreo está influenciado en forma significativa por las actividades mineras. La contribución significativa de polvo suspendido proviene de las fuentes de operación mineras.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a la Corporación Autónoma Regional de La Guajira por el suministro de datos de la zona de estudio; a la Universidad de La Guajira y al programa “Estrategia de Sostenibilidad 2013- 2014 de la Universidad de Antioquia (Colombia)” por el financiamiento y apoyo para el desarrollo de este proyecto; a Carbones del Cerrejón Limited y Colciencias por la financiación del proyecto “Aplicación de los modelos de receptor en el aporte de fuentes a la contaminación del aire por material particulado” Código 111552430465l.
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