Resumen de Evaluación de la calidad del aire en la comarca de l'alacantí occidental 2004-2009
El título de esta tesis es Evaluación de la Calidad del Aire en la Comarca de L'Alacantí Occidental 2004-2009, y como su propio nombre indica, este trabajo se ha centrado en el estudio de la calidad del aire en una zona local/regional de España, la comarca de L'Alacantí, situada al este de la Península Ibérica, dentro de la provincia de Alicante. La parte occidental de L'Alacantí, donde se ha centrado el estudio, abarca 3 municipios, Alicante, San Vicente del Raspeig y Agost, que recogen más del 80% de la población de toda la comarca, dando lugar a una actividad urbana importante. Además, la zona presenta un alto índice de actividad industrial. La ciudad de Agost tiene una importante actividad cerámica, con 8 industrias localizadas en la misma ciudad y/o alrededores. San Vicente del Rapeig y Alicante tienen, por su parte, el sector cementero que con sus dos plantas de fabricación de cemento, una de ellas que estuvo en funcionamiento desde 1920 hasta 2008 y la otra desde 1975 hasta la actualidad, han llegado a producir entre las dos 1.700.000 t/año de cemento (75% de cemento gris y 25% de cemento blanco). Estas actividades, urbana e industrial, repercuten directamente en la calidad del aire de la zona, alcanzándose niveles críticos de algunos contaminantes (por encima de los niveles de concentración que marca la normativa vigente).
L'Alacantí occidental tiene una orografía y meteorología específicas. Esta zona forma una especie de cuenca aérea, bañada por el mar Mediterráneo por el este y rodeada de montañas en las otras direcciones. Su situación geográfica da lugar a un régimen local de vientos tendente a una baja ventilación que favorece la acumulación de las emisiones locales. Los vientos predominantes en la zona marcarán la dinámica de los contaminantes. Estos son: vientos de noroeste (NO), principalmente advecciones atlánticas que son más frecuentes en invierno a escala estacional, y por la noche a escala diaria (derrame nocturno con dirección NO) y vientos del sureste (SE), brisas del mar, que son más frecuentes en verano a escala estacional, y durante el día a escala diaria. Los niveles de contaminación detectados en la cuenca a lo largo de los años han alertado a la población de los posibles peligros y riesgos para la salud humana.
Partiendo de estos antecedentes se elaboró un estudio para evaluar la calidad del aire en la comarca de L'Alacantí, que comenzó en 2003 y continúa en la actualidad. De los contaminantes estudiados (NO2, O3, SO2, PM10 y PM2.5) fueron el dióxido de azufre (SO2) y las particulas menores de 10 micras de diámetro (PM10) los considerados de mayor interés para la realización de un estudio exhaustivo. El SO2 porque ha tenido una mayor repercusión en la calidad del aire de la zona, debido a las emisiones producidas desde una de las plantas de fabricación de cemento, y el material particulado porque, debido a las características de la zona (zona árida, con gran actividad industrial y urbana, en las proximidades del Continente Africano) los niveles de partículas tienden a ser elevados.
Respecto al SO2 (ver Artículo I), la problemática de este contaminante empezó cuando se tuvo conciencia de que una de las cementeras, ubicadas en las proximidades de la Universidad de Alicante, podría estar emitiendo cantidades significativas de SO2. Esta cementera, usaba una tecnología obsoleta a día de hoy, un sistema semi-húmedo de fabricación de cemento donde el azufre, contenido principalmente en el combustible (coque de petróleo), no era capaz de inmovilizarse formando compuestos sólidos con otros componentes de las materias primas y era emitido a la atmósfera en forma de SO2 después de la etapa del proceso de combustión. Los estudios preliminares, que se realizaron en 2003, apuntaron a la planta como el principal foco de emisiones de SO2 y a partir de entonces empezó un estudio intensivo de medidas de inmisiones de SO2 para confirmar dicha hipótesis. Se tomaron medidas de concentración de SO2 en diferentes puntos alrededor del foco, a diferentes distancias del foco y orientaciones en la dirección preferente del transporte (vientos dominantes), para obtener los niveles de inmisión en la zona de estudio y relacionar los mayores niveles con las diferentes situaciones meteorológicas características de la zona, así como su relevancia a escala anual y estacional. Los niveles superaron en varias ocasiones los niveles normativos, tanto horarios como diarios. Las estaciones más cercanas al foco y que además estaban situadas a sotavento de los vientos predominantes (vientos del NO y vientos del SE) eran las que recibían los mayores impactos con mayores frecuencias (más del 12% de los datos proceden de la dirección SE a velocidades intermedias entre 2 y 7 m/s y el 12% de los datos provienen de la dirección NO a altas velocidades mayores de 7 m/s y el 5% a bajas velocidades (<2 m/s)). Estos valores elevados se mantuvieron durante los cuatro años de estudio, lo que hace pensar que podrían remontarse hasta los inicios de la planta de fabricación de cemento.
A lo largo del año coexisten situaciones meteorológicas menos frecuentes con las más frecuentes antes mencionadas. Para clasificar todas las situaciones meteorológicas que tienen lugar y describir el patrón de comportamiento de los contaminantes se utilizó el SO2 como un trazador del transporte de los contaminantes atmosféricos en la zona. Comparando los niveles de concentración de SO2 de las distintas estaciones de medida con parámetros meteorológicos, como velocidad y dirección de viento, a escala diaria y estacional, se determinaron todas las posibles situaciones meteorológicas y/o procesos de dispersión que se daban y que se mantenían a lo largo de los años. Todas estas situaciones se resumen a continuación: -Con vientos fuertes: advecciones atlánticas (NO), advecciones del S-SE, advecciones del N-NE y procesos térmicos de convección como las brisas del mar (E-SE).
-Con vientos flojos: viento de derrame nocturno por el enfriamiento e inversión térmica (principalmente NO y también N-NE) y situaciones transitorias de cambio de régimen de tierra a brisas o viceversa.
Este comportamiento o dinámica del SO2 puede ser extrapolable a cualquier otro contaminante atmosférico en la zona de estudio emitido por las fuentes locales y muestra que los patrones de impacto de un foco en la zona pueden ser muy variables, a escala espacial y temporal, mostrando unos ciclos diurnos y variaciones estacionales de los mismos que dependen de la ubicación respecto al foco.
En cuanto al material particulado (ver Artículo II, Artículo III y Artículo IV (Anexo)), el trabajo se centra en el estudio de las PM10, partículas menores de 10 micras, reguladas desde la Directiva 1990/30/CE y que resulta ser la fracción más afectada por las fuentes potenciales de emisión en la zona de estudio (sector cementero, cerámico y sectores asociados).
Desde 2004 hasta la actualidad, se han tomado muestras diarias de PM10 en estaciones ubicadas en la Universidad de Alicante, así como en las estaciones de Alicante ciudad, San Vicente del Raspeig y Agost, pertenecientes a la red de vigilancia de la calidad del aire de la Generalitat Valenciana. Los niveles hasta 2007 fueron elevados superando en algunos años los límites normativos. La localización y características de la zona de estudio hacen suponer que niveles altos de partículas tengan la influencia tanto de fuentes naturales, como las intrusiones africanas, o la resuspensión de polvo del suelo como de fuentes antropogénicas como las emisiones del sector industrial y del tráfico rodado, el transporte de materia prima etc. Existe una gran homogeneidad o paralelismo entre las series anuales de niveles diarios de PM10 en las estaciones de la zona de estudio tanto en las más próximas como en las más distantes, lo que demuestra que las fuentes de PM10 a nivel diario acaban afectando a toda la zona. A partir de 2008 los niveles de PM10 descendieron en la zona debido principalmente a la disminución de la actividad industrial como consecuencia de la crisis económica y del cierre de una de las plantas de fabricación de cemento. Además del estudio espacial y estacional de los niveles de PM10, se llevó a cabo su caracterización química para el estudio de las relaciones iónicas así como la determinación de las principales fuentes de procedencia de PM10 en la zona de estudio, en diferentes periodos, para lo que se utilizó la técnica de análisis de contribución de fuentes PMF (Positive Matrix Factorization).
En el Artículo II se presentan los resultados obtenidos al aplicar la técnica PMF a 121 muestras de la estación de la Universidad de Alicante (UA-CIEN), del periodo Septiembre 2005 - Agosto 2006. Se obtuvieron 6 factores que explicaban el 87% de la concentración de PM10 medida.
El primer factor es la fuente crustal o mineral, caracterizado principalmente por Ca, Mg, Al, Mn, Sr, y Ti, con una contribución alrededor del 34% del total de PM10. Existen tres posibles orígenes para esta fuente, las intrusiones saharianas, la resuspensión debida al tráfico y las emisiones fugitivas de las canteras o de los procesos de fabricación de las industrias cementeras y cerámicas.
El segundo factor es el tráfico, caracterizado por NO3-, carbono elemental y carbono orgánico, Cu, Pb, Sb y Ba, con una contribución aproximada del 20%. Los tres primeros están relacionados con la emisión de escape de vehículos y su posterior transformación en partículas. Cu y Sb están relacionados con la abrasión que se produce durante la aceleración y el frenado. El Ba es uno de los marcadores de polvo de resuspensión del suelo road dust, y el Sb es frecuentemente añadido como lubricante en forma de Sb2S3.
El tercer factor, caracterizado por Na (tanto soluble como insoluble) y Mg soluble, indica un origen marino, con una contribución de más del 10%. La ausencia de cloruro se relaciona con la reacción del NaCl con HNO3 o con H2SO4 con la consecuente pérdida de HCl, que ocurre principalmente en verano. Esta fuente se denomina aged sea salt.
El cuarto factor viene caracterizado por elementos como V o Ni, trazadores de combustión de coque de petróleo, con una contribución de aproximadamente 10%.
El quinto factor corresponde a aerosoles secundarios, con la presencia de amonio y sulfato formados tanto a partir de los precursores procedentes de las emisiones locales (planta cementera) como por los transportados desde largas distancias. Su contribución, similar a la del cuarto factor, es del 8%.
Y el sexto y último factor es el que corresponde a una fuente marina también pero representada por Cl, Na y Mg soluble. Esta contribuye en un 6% del total de las PM10. Esta fuente representa la cantidad NaCl que no ha reaccionado, por eso se separa del tercer factor.
A escala estacional, los componentes de la fuente mineral tienen valores máximos en verano y otoño por diferentes razones. En otoño, los episodios de inversiones térmicas son mayores y favorecen la acumulación de la contaminación y en verano el número de días bajo la influencia de intrusiones saharianas es mayor y junto con la escasa precipitación permiten el aumento de concentración en este tipo de componentes. La fuente tráfico tiene una contribución mayor en otoño e invierno, cuando el tráfico es más abundante y la dispersión menor. La fuente aged sea salt tiene una mayor contribución en primavera y verano, donde las circulaciones de brisa marina procedentes de la dirección E-SE, a escala local, son las condiciones meteorológicas predominantes en el área de estudio. La fuente industrial tiene una mayor contribución en invierno porque las condiciones meteorológicas dificultan la dispersión de las emisiones. Los aerosoles secundarios tienen valores más elevados en verano cuando las actividades fotoquímicas son más abundantes. Y por último, el aerosol marino tiene una mayor contribución en primavera y verano, principalmente debido a las condiciones meteorológicas, a escala sinóptica, que se corresponden con vientos del NE procedentes del mar Mediterráneo.
El Artículo III se centra en el estudio de series diarias de PM10 y PM2.5 desde 2005 hasta 2008 en toda la zona de estudio (Agost-Alicante) y mostró un incremento notable de los niveles en los años 2006 y 2007, que sobrepasaban valores de 40 microgramos por m3 de PM10, con episodios extremos de más de 100 microgramos por m3, y valores superiores a 22 microgramos por m3 de PM2.5. La contribución de la fracción gruesa (PM10) a las PM era mayor que la de la fracción fina, con un ratio PM2.5/PM10 entre 0,5 y 0,6, ratios en el rango bajo de los medidos en otras estaciones españolas (0,5-0,7). Las emisiones fugitivas procedentes de trabajos de construcción, fabricación de cemento y cerámica, transporte, resuspensión del suelo etc. tuvieron un alto impacto en la calidad del aire en ese periodo. La construcción de una autovía en las proximidades del área de estudio, entre Abril 2006 y Mayo 2007, podría haber tenido una mayor influencia en los niveles elevados.
Para poder discriminar la influencia de fuentes específicas y relacionar la influencia de las emisiones fugitivas con los niveles altos de PM10 se realizaron análisis mineralógicos en muestras con los niveles más elevados. Con un primer análisis XRD (X-ray Diffraction), la presencia en cantidades similares tanto de yeso procedente de las industrias que consumen o producen yeso y emisiones fugitivas del suelo (construcción de la autovía o erosión natural) como de arcilla o caolinita procedentes de la materia prima usada en industrias cerámicas y sobre todo la ausencia de las fases cristalinas del clinker, sugirió que la influencia de las emisiones de los hornos de cemento en el material particulado no fueron significativas en los días seleccionados con niveles altos de PM.
El estudio de las relaciones entre componentes trazadores de emisiones canalizadas y difusas mostró la existencia de una buena correlación entre los niveles de V y Al2O3, Ca y PM10 . La concentración de V aumentaba al aumentar la concentración de Al2O3, Ca y las PM10, indicando que las emisiones canalizadas de los hornos de la cerámica y el cemento tenían una influencia significativa en los niveles de material particulado, sin embargo, para algunas concentraciones altas de Al2O3 o Ca, se encontraron valores relativamente bajos de vanadio, lo que confirmaba la influencia de emisiones fugitivas o canalizadas frías. Este hecho se confirmó en las tres estaciones de estudio. El análisis SEM-EDX confirmó esta teoría, donde se obtuvieron ratios Si/Ca similares a los de la calcita y dolomita y niveles considerables de aluminio y potasio indicando que esos episodios con altos niveles de PM estaban asociados principalmente a emisiones minerales y no a emisiones canalizadas calientes.
Para evaluar la contribución relativa de las diferentes fuentes a las PM10, en el periodo Septiembre 2006 - Septiembre 2008, se utilizó también la técnica PMF, que se aplicó a muestras seleccionadas de dos estaciones de la zona de estudio (GV-AGO y GV-JI) alejadas varios kilómetros. Se obtuvieron 6 factores en ambos casos similares a los obtenidos en el periodo de estudio 2005-2006: El primer factor, la fuente mineral, explicaba la mayor parte de la varianza de los niveles de Al, Ca, K, Mg, Mn, Ti, Rb y Sr. Contribuye un 37% (GV-AGO) y un 32% (GV-JI). Este factor se atribuye a la contribución de diferentes fuentes: la construcción de la autovía en las proximidades de Agost, las emisiones cerámicas y cementeras (emisiones difusas y canalizadas), resuspensión del suelo, emisiones de polvo del procesado de materias primas en canteras etc.
El segundo factor era el tráfico, caracterizado por una alta carga de material particulado carbonoso procedente de las emisiones de los coches: Cu, Zn, Sn y Sb, que proceden de la abrasión que se produce durante la aceleración y el frenado, al que también se unen los NO3- asociados con la oxidación del NOX. Este factor contribuye entre un 15% y un 23% respectivamente, en este caso con mayor peso en la estación de carácter más urbano.
El tercer factor va asociado a los aerosoles secundarios, principalmente al amonio y sulfato. Contribuye un 13% (en ambas estaciones).
El cuarto factor va asociado al coque de petróleo, procesos de combustión, derivado de las emisiones primarias de combustión de este fuel, y está caracterizado por V y Ni. Este factor contribuye un 7-8%. En la estación de GV-JI, este factor está también caracterizado por el Tl y puede representar las emisiones de los hornos de las industrias cementera y cerámica que usan esta fracción del aceite (coque de petróleo) como combustible.
El quinto factor viene caracterizado por el componente marino (6% de contribución), Na y Mg tanto soluble como insoluble, y el Cl-. Aquí en este estudio aparece el factor marino agrupado, cosa que en el estudio anterior de las muestras de UA-CIEN del periodo Septiembre 2005-Agosto 2006 este factor se desdobla en dos.
El sexto factor sería un desdoblamiento del factor industrial, que viene caracterizado por Pb, Tl y K soluble e insoluble, atribuidos a la influencia industrial (6% de contribución). La presencia de K soluble en este factor puede indicar el uso industrial de biomasa como combustible. En este caso el Tl aparece en la estación de Agost posiblemente manifestando una relación distinta entre los componentes en las emisiones de sector cerámico (más próximas a Agost) y del sector cementero (más próximas a San Vicente).
El último estudio (ver Artículo IV (Anexo)) abarca desde 2005 hasta 2009 y englobó la crisis económica mundial y el cierre de una de las plantas de fabricación de cemento. El estudio se centró en ver los cambios en los niveles de PM10 y en su composición química tras el inicio de la crisis económica (en el que además se había cerrado la fábrica de fabricación de cemento) comparando con dos periodos anuales de 'antes' y 'después' del inicio de la crisis. Los periodos del 'antes' y el 'después' fueron: Septiembre 2005 - Agosto 2006 (antes) y Junio 2008 - Mayo 2009 (después). Los resultados que se obtuvieron fueron los siguientes: En 2005 el valor anual de PM10 fue de 41 microgramos por m3 y en 2008 ese valor decreció un 27% (30 microgramos por m3) y en 2009 un 23% (23 microgramos por m3). La crisis económica ha tenido mucho que decir en esto debido al descenso de la actividad industrial, sobre todo en sectores relacionados con la construcción, como el sector de la cerámica y del cemento. El descenso fue mucho más pronunciado en la comarca de L'Alacantí occidental que en otras zonas industriales del sureste de España probablemente debido a la crisis económica, junto al cierre de la planta de cemento, y en menor medida a la finalización de la construcción de la autovía, antes mencionada, con la consecuente variación de las emisiones fugitivas. El hecho de que en las estaciones rurales no se observe un descenso de los niveles de PM10 podría indicar la relación directa de las fuentes antropogénicas con el descenso de los niveles y no de las fuentes naturales o procesos de dispersión.
No se ha detectado una reducción notable de los niveles de V y Ni asociados a la combustión del coque, quizás porque la crisis económica ha afectado más a la producción de cerámica y cemento que a la de clinker (que es exportado). Ello parece coincidir con el brusco descenso de los niveles de Tl y el incremento de la correlación de éste con el V, posiblemente por la dominancia de la fuente cementera respecto de la cerámica.
Los cambios detectados en la composición química muestran una disminución significativa de la concentración de los componentes químicos relacionados con la combustión industrial y la utilización de materias primas de origen mineral (como son la cementera y la cerámica) y con la resuspensión de la materia mineral: CO32-, Ca, Sr, Tl, Pb (50-60%). Pero en reglas generales, tanto las fuentes de procedencia del material particulado, como su contribución relativa, permanecen similares. En el periodo de 'después' la fuente mineral sigue siendo la mayoritaria, con un 36% de la composición y la minoritaria el factor marino con un 6%.
La reducción observada en los diferentes componentes no causó ninguna modificación en sus patrones estacionales, que seguían las mismas pautas que en estudios anteriores. Los niveles de potasio disminuyen en otoño e invierno en comparación con los meses de primavera y verano. En ese caso, la fuente antropogénica del potasio se superpondría a la natural. La materia orgánica disminuye en los meses de verano en concordancia con la disminución del tráfico. El nitrato y el amonio aumentan en los meses de invierno debido a la formación de nitrato amónico. El sodio y el magnesio tienen niveles más elevados en los meses de primavera y verano debido a la influencia de la brisa marina, y el cloruro tiene concentraciones más bajas en verano debidas a la reacción del nitrato de amonio (NH4NO3) con cloruro sódico (NaCl) con la consecuente pérdida de NH4Cl. El sulfato tiene los niveles más altos en verano debido a la oxidación del SO2 a altas temperaturas. Sin embargo, la relación que desde un principio se pensaba 'directa' entre los niveles de SO2, procedentes de las emisiones de la cementera, con los niveles de sulfato en la zona, ya no era tan directa. Tras el cierre de la planta emisora de SO2, los niveles de SO2 son bajos tanto en invierno como en verano por lo que los niveles de sulfatos elevados en verano no pueden proceder directamente de la oxidación de esas emisiones. Por lo tanto existe una base de sulfato regional de fondo que no depende de las emisiones locales. Las series meteorológicas pluviométricas y las incidencias de intrusiones saharianas, desde 2005 a 2009, no hacen pensar que sean factores clave para el descenso de los niveles de PM10.
Como principal conclusión, la crisis económica y el cierre de la planta de fabricación de cemento influyeron en los cambios de los niveles de PM10 y de composición química en la zona de estudio en los últimos años. Los niveles bajos alcanzados serían posiblemente los niveles base de PM10 para la zona de estudio.
