Particulate matter-bound manganese in the Santander bay (northern Spain): emission sources and air levels

Abstract

ABSTRACT: The present study deals with the particulate matter-bound manganese in the Santander Bay (Northern Spain). The purpose of this project is to analyze the industrial manganese emission sources located in this area to obtain air manganese levels by CALPUFF modelling. Air pollution is characterized by the suspension of fine, solid and liquid particles, known as aerosol. The presence of heavy metals is due to very small particles that can be inhaled and affect human health. Particle-bound metals are mainly emitted from anthropogenic activities, for instance industrial factories as well as combustion of fuel. These pollutants tend to be transported moving from the emission point to farther zones where humans live and can be adversely affected by their concentration. In fact many studies that identify effects of high manganese levels on human health have been developed. However a specific European Directive about manganese limits in the air does not exist yet because it is not considered a carcinogenic element. Only some guidelines have been proposed by world organizations such us WHO and USEPA, but they are not compulsory values. The present work aims at obtaining Mn concentration values in the Santander Bay (Alto Maliaño and Guarnizo sites) by the use of a dispersion modeling system, CALPUFF, regarding emissions from the four most important Mn-emitting factories located in the Santander Bay. The period of simulation is 2009 because different data information was available in that year. The project was carried out at the University of Cantabria in Santander, in the framework of an Erasmus agreement. The first part of the research is about the calculation of the manganese emission rates of the considered point sources. This process was made in two ways: 1) Using information of the involved factories, such as production, energy consumption, capacity and power of plants and emission factors values from USEPA and from the BREF document on Best Available Techniques for the Non-Ferrous Metals Industries. 2) Using real production and PM10 concentration hourly data of the main plant considered. In both cases, different scenarios of the main manganese-emitting plant have been analyzed, taking into account the working operation mode, the efficiency of the hooding systems, and the way the fugitive emissions leave the main buildings where furnaces and ladles are located. Later, the manganese emission rates calculated under the different scenarios shown above were used as inputs for CALPUFF simulations, to achieve concentration values in the discrete receptors where manganese levels were available (Alto Maliaño and Guarnizo sites). The comparison between observed and CALPUFF-based calculated values were carried out by the analysis of the Normalized Mean Square Error.

RESUMEN: El presente estudio trata sobre el manganeso (Mn) vinculado al material particulado en la Bahía de Santander (Norte de España). El objetivo de este proyecto es analizar las fuentes industriales de emisión de manganeso ubicadas en esta área para obtener los niveles de manganeso en aire mediante modelado con CALPUFF. La contaminación del aire se puede agravar por la presencia de partículas en suspensión finas, sólidas y líquidas, denominadas aerosoles. Algunos metales pesados pueden estar presentes en pequeñas partículas que pueden ser inhaladas y afectar a la salud humana. Los metales vinculados a las partículas proceden principalmente de fuentes antropogénicas, como actividades industriales así como procesos de combustión. Estos contaminantes tienden a ser transportados desplazándose desde los puntos de emisión a zonas más lejanas donde habita la población, que puede verse perjudicada por su concentración. De hecho, se han desarrollado numerosos estudios que identifican los efectos de la exposición a altos niveles de manganeso sobre la salud humana. Sin embargo, aún no existe una Directiva europea sobre límites de manganeso en el aire porque no es considerado como elemento carcinogénico. En este sentido, algunas organizaciones como la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Agencia de Protección del Medioambiente de Estados Unidos (US EPA) han propuesto valores guía de calidad del aire para el manganeso, pero no se trata de valores obligatorios. El presente trabajo pretende obtener los valores de concentración de Mn en la Bahía de Santander (Alto Maliaño y Guarnizo) mediante el uso del sistema de modelado de dispersión CALPUFF, considerando las emisiones de las cuatro instalaciones industriales emisoras de Mn más importantes ubicadas en la Bahía de Santander. El periodo de simulación es 2009 porque para este año se dispone de niveles de manganeso medidos. El proyecto se ha llevado a cabo en la Universidad de Cantabria en Santander, en el marco de un acuerdo Erasmus. La primera parte de la investigación trata sobre el cálculo de las tasas de emisión de manganeso de las fuentes puntuales consideradas. Esto se ha realizado de dos maneras: 1) Empleando información de las empresas involucradas, como la producción, el consumo de energía, la capacidad y la potencia de las plantas y los factores de emisión de la US EPA y del documento de referencia sobre las mejores técnicas disponibles (BREF) en el sector metalúrgico no férreo. 2) Empleando la producción real y los datos de concentración horaria de PM10 de la principal planta considerada. En ambos casos, se han analizado diferentes escenarios del principal emisor de manganeso, teniendo en cuenta el modo de operación, la eficiencia de los sistemas de aspiración y la manera en la que las emisiones fugitivas salen de las principales instalaciones, donde se encuentran los hornos. Posteriormente, las tasas de emisión de manganeso calculadas bajo los diferentes escenarios anteriormente mencionados se han utilizado como información de entrada en las simulaciones de CALPUFF, para estimar los valores de concentración en los receptores discretos donde los niveles de manganeso están disponibles (Alto Maliaño y Guarnizo). La comparación ente los valores observados y los calculados mediante CALPUFF se ha llevado a cabo mediante el análisis del error cuadrático medio normalizado (NMSE).