Environmental levels of PAHs and other SVOCs in a petrochemical area. Combining monitoring and modelling tools

Abstract

En aquesta tesi s’ha avaluat la contaminació atmosfèrica com a conseqüència de la presència de contaminants orgànics semivolàtils (SVOCs) al camp de Tarragona. Aquesta àrea conté un dels complexes químics/petroquímics més gran del sud d’Europa. Entre els contaminants analitzats tenim als hidrocarburs aromàtics policíclics (PAHs), contaminants que s’emeten principalment per l’activitat humana (p.ex. refineries de petroli). Així mateix, també s’ha analitzat altres contaminants com els bifenils policlorats (PCBs), pesticides organoclorats (OCPs), retardants de flama bromats (BFRs) i fragàncies sintètiques (SMs). S’han utilitzat diferents tècniques de mostreig com ara els mostrejadors passius amb escumes de poliuretà (PUF-PAS), líquens trasplantats, vegetació i sòls. Aquests mètodes de mostreig permeten detectar contaminants, fins i tot de zones remotes, amb costos baixos o nuls de manteniment. També s’ha posat a punt el mètode QuEChERS (ràpid, fàcil, barat, efectiu, robust i segur) combinat amb un mètode d’anàlisi per GC-MS (Cromatografia de gasos amb detector d’espectròmetre de masses) per a l'extracció de PAHs, PCBs, HCB, BFRs i SMs en sòls i vegetació. Els resultats indiquen que els PUF-PAS mostregen principalment els contaminants de baix pes molecular, que estan presents a la fase gasosa de l’aire. La vegetació també capta els contaminants presents a la fase gasosa i alhora part dels presents a la fase particulada que no han estat rentats per processos naturals. Els sòls en canvi retenen els contaminants més pesats, i menys degradables associats fonamentalment a la fase particulada de l’aire. Els resultats obtinguts s’han modelitzat amb els models MUM-Fate i WRF+CHIMERE per tal de predir el comportament dels PAHs, emissions i les concentracions tenint en compte el clima actual i de canvi climàtic (RCP8.5, 2031-2050). Les prediccions indiquen que la concentració de Benzo(a)pirè s’incrementarà en aire, mentre que en sòls davallarà, fet que incrementarà el risc de càncer de pulmó en of 5x10-8 casos.

En esta tesis se ha evaluado la contaminación atmosférica asociada a la presencia de compuestos orgánicos semi-volátiles (SVOCs) en Tarragona España, donde se localiza uno de los mayores complejos químicos/petroquímicos del sur de Europa. Entre los contaminantes analizados se encuentran los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), compuestos emitidos principalmente por fuentes antropogénicas (p.ej. refinerías de petróleo). Así mismo, se han analizado bifenilos policlorados (PCB), plaguicidas organoclorados (OCP), retardantes de llama bromados (BFR) y fragancias sintéticas (SMs). Las técnicas de muestreo pasivo utilizadas para el control de la contaminación han sido captadores pasivos con espuma de poliuretano (PUF-PAS), trasplantes de líquenes, vegetación y suelos. Esas técnicas proporcionan información sobre los niveles de contaminantes en diferentes localizaciones, implicando un bajo o nulo mantenimiento y coste económico asociado. Así mismo, se ha adaptado la metodología QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) combinada con GC-MS (Gas Chromatography–Mass Spectrometry) para la extracción PAH, PCB, HCB, BFR y SMs en suelos y vegetación. Los resultados indican que PUF-PAS son dispositivos que capturan principalmente los contaminantes de bajo peso molecular, presentes en la fase gaseosa. Así mismo, la vegetación captura los contaminantes presentes en la fase gaseosa, pero también algunos asociados a la fase particulada que no haya sido lavada por procesos naturales; mientras que los suelos tienden a capturar los compuestos más pesados y resistentes a la degradación, asociados principalmente a la fase particulada. Por último, se han empleado los modelos MUM-Fate y WRF+CHIMERE para predecir el destino final, emisiones y concentración de los PAHs en condiciones climáticas actuales y de cambio climático (escenario RCP8.5, 2031-2050). Las predicciones indican que las concentraciones de Benzo(a)pireno aumentarán en el aire y disminuirán en los suelos, lo que resulta en un aumento de 5x10-8 en el riesgo de padecer cáncer de pulmón en las zonas más pobladas.

In this thesis atmospheric pollution due to the presence of semi-volatile organic compounds (SVOCs) has been assessed in Tarragona country Spain, where one of the largest chemical/petrochemical complex in Southern Europe is located. Among these contaminants there are the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), compounds mostly emitted by anthropogenic sources, being the oil refineries a considerable emission point. Likewise, pollutants as polychlorinated biphenyls (PCBs), organochlorine pesticides (OCPs), brominated flame retardants (BFRs) and synthetic musk fragrances (SMs) also have been analysed. Passive Air Sampling techniques such as Passive Air Samples with polyurethane foam (PUF-PAS), lichen transplants, vegetation and soils have been utilised for pollution monitoring. Those techniques can provide information on the contaminants levels at different locations, involving low or no maintenance and reduced costs. Also an extraction method for soils and vegetation based on QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) methodology combined with GC-MS (Gas Chromatography–Mass Spectrometry) have been developed to analyse PAHs, PCBs, HCB, BFRs and SMs. Results indicate that PUF-PAS mainly capture the pollutants of low molecular weight (most volatile), that are present in gas phase. Concerning to vegetation, results indicate that this matrix capture the pollutants present in the gas phase, but also retains some of them associated to the particulate phase (which has not been washed by natural processes), while soils tend to capture the heaviest, the less volatile and the most resistant to degradation pollutants mainly associated to the particulate phase. Results obtained have been modelled with MUM-Fate and WRF+CHIMERE models in order to predict PAHs fate, emissions and future concentrations considering actual and future climate conditions (RCP8.5 scenario, 2031-2050). Predictions indicate that concentrations of Benzo(a)pyrene will increase in air and decrease in soils, resulting in an increase of 5x10-8 in the life-time risk of lung cancer, particularly in the most populated areas.