Particulate matter characterization of mobile emissions and source apportionment in an industrialized region in Austria

Abstract

Das Thema "Feinstaub" steht nun bereits seit einigen Jahrzehnten im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses. Dafür ausschlaggebend waren vor allem die negativen gesundheitlichen Aspekte und die daraus folgenden gesetzlichen Grenzwerte für die Immissionsbelastung sowie der Effekt auf Klima und Klimaänderungen.<br />Um eine Reduktion der Belastung durch feine Partikel zu erreichen, muss eine Auseinandersetzung mit den lokalen und regionalen Quellen stattfinden. Weit bekannt ist der Verkehr als Quelle sowohl gasförmiger als auch partikulärer Emissionen. Dabei wird die Emission von Schadstoffen hauptsächlich der Verbrennung des jeweiligen Kraftstoffes zugeschrieben und oft auch einzig auf diese beschränkt. Neben diesen "direkten" gibt es jedoch auch sog. "indirekte" partikuläre Emissionen des Verkehrs, die durch Abnutzung des Fahrzeuges und Fahrzeugteilen selbst als auch durch Abrieb und Wiederaufwirbelung des auf der Straße befindlichen Staubes entstehen. Gerade diese indirekten Emissionen sind jedoch Quelle einer Vielzahl toxischer Substanzen. Darunter sind vor allem Metalle und Schwermetalle zu finden, die von diesen Quellen in hohem Ausmaß generiert und emittiert werden.<br />Diese Arbeit soll zur chemischen Charakterisierung verschiedener Emissionsquellen, die dem Verkehr direkt und indirekt zugeordnet werden können, beitragen. Neben der Zusammensetzung der direkten Emission von partikulären Schadstoffen die bei der Verbrennung von Kraftstoffen entstehen, wurden indirekte Emissionen aus dem Verschleiß von Reifen, Bremsen und Kupplungen, sowie der Abrieb und die Aufwirbelung von Straßenstaub, Streu- und Baustellenmaterial untersucht.<br />Direkte Emissionen bestehen zu einem großen Teil aus Ruß und organischem Kohlenstoff. Bei den untersuchten Dieselfahrzeugen ohne Partikelfilter bestanden rund 70% der Gesamtmasse aus diesen beiden Komponenten bei einer durchschnittlichen Emissionsrate von rund 36mg/km. Mittels Partikelfilter konnte sowohl die Gesamtemission der Personenfahrzeuge auf rund 2mg/km, als auch der Anteil an Ruß und organischem Kohlenstoff auf rund 20% gesenkt werden. Für benzinbetriebene Fahrzeuge wurde im Durchschnitt ein Emissionsfaktor von 1.8mg/km bestimmt, Ruß und organischer Kohlenstoff betrugen hier etwa 30% der Gesamtmasse. Bei einer Tunnelstudie, die im österreichischen "Tauerntunnel" durchgeführt wurde, zeigten sich für "reale Emissionen" höhere Werte für die Durchschnittsflotte, was zum einen auf den Anteil an Schwerfahrzeugen, zum anderen auf die inkludierten Abriebs- und Aufwirbelungsemissionen zurückzuführen ist.<br />Die in dieser Arbeit untersuchten Stäube zeigten hohe Anteile an Karbonaten, Kalzium, Magnesium, Silizium, Aluminium und Spurenmetallen.<br />Die Fraktion der Metalle betrug im Durchschnitt rund 43% der Gesamtmasse. Karbonat wurde mit durchschnittlich 21% in Straßenstäuben nachgewiesen, wobei es durch einen Eintrag des in Österreich verwendeten Streumaterials Dolomit, ein Kalzium-Magnesiumkarbonat, teilweise hohe Anteile dieser Substanz gab. Ruß und organischer Kohlenstoff konnten mit 2 und 7% nachgewiesen werden.<br />Auch die untersuchten Brems- und Kupplungsabriebe wiesen hohe Anteile an Metallen auf, wobei der Anteil zwischen 21 und 40% schwankte. Der untersuchte Reifenabrieb bestand zu rund 18% aus Ruß, 57% wurden dem organischen Kohlenstoff zugeordnet. Der höchste Anteil an Metallen wurde für Zink mit 0.7% nachgewiesen.<br />Die gewonnenen chemischen Profile des Verkehrs, der auch als "mobiler Sektor" bezeichnet werden kann, wurden schließlich mittels "Chemischem Massenbilanzmodell" (CMB) Version 8.2 der Environmental Protection Agency (EPA, U.S.) sowie durch ein entwickeltes vereinfachtes sog.<br />"Makrotracermodell" der Immissionsbelastung in Linz, Österreich zugeordnet. Dabei zeigte sich, dass bei der Modellierung durch das CMB Modell zwischen den Verkehrsemissionen selbst und mit weiteren Quellen Kolinearitäten bestehen, die eine Zuordnung erschweren oder das Modell teilweise scheitern lassen. Der Anteil der Reifen- und Kupplungsabriebe konnte daher nicht zugeordnet werden, sehr wohl jedoch Abgasemissionen und Bremsabriebe sowie resuspendierter Straßenstaub.<br />Die Ergebnisse zeigten, dass die direkten Emissionen des mobilen Sektors im Durchschnitt zu rund 14% zur Feinstaubbelastung an straßennahen Messstationen beitrugen. Am Stadtrand wurden immerhin noch 7% beobachtet. Bremsabrieb betrug an verkehrsnahen Messstellen 0.9% der Gesamtmasse und konnte in der Immissionsbelastung am Stadtrand zu 0.6% zugeordnet werden. Durch Wiederaufwirbelung von mineralischem Staub entstanden etwa 15% der Partikelbelastung an frequentierten Straßen, am Stadtrand wurden 14% nachgewiesen, wobei Aufwirbelungsprozesse hier nicht nur durch den Verkehr bedingt, sondern auch landwirtschaftlichen Tätigkeiten zuzuschreiben sind.<br />

"Particulate Matter" has been in the center of scientific interest the last decades due to attested adverse impacts on health and the resulting limit values for ambient air concentration set by legislation. Influences on climate and climate change are in discussion and are partly proven.<br />To achieve effective reduction steps for fine particles, sources emitting on a local and regional scale have to be examined. "Traffic" is widely known as a source of gaseous and particulate emissions, whereas the emission of pollutants is mainly attributed to the combustion of fossil fuels in the engine and often limited to only this source.<br />Nevertheless beside these so called "direct" there are also "indirect" particulate matter emissions of vehicles resulting of the abrasion of the vehicle and vehicle parts itself as well as of the re-suspension of dust on the street. Even these indirect emissions are a source of a wide variety of toxic substances. Among them are metals, especially heavy metals which are produced and emitted by these sources in high amounts.<br />In this thesis different sources which are attributed to direct and indirect vehicle emissions were assessed and characterized based on their chemical composition. Beside particulate matter related to direct vehicle emissions of the combustion of fuel, indirect emissions resulting from the abrasion of tires, brakes and couplers were investigated as well as re-suspended street dust, gritting and construction site material.<br />Direct vehicle emissions mainly comprise soot and organic carbon. The total emissions of the investigated diesel vehicles without particle filter technology contained about 70% of these two substances, whereas an average emission rate of 36mg km-1 was found. Particle filter technology was able to reduce these emissions to a rate of 2.0mg km-1 as well as the fraction of soot and organic carbon which accounted for 20% of total mass emitted. For gasoline powered vehicles an emission rate of 1.8mg km-1 was obtained with a fraction of 30% of the two mentioned substances. "Real world" emission rates obtained during a tunnel study in the Austrian "Tauerntunnel" were higher for the average vehicle fleet. This was on one hand attributed to the percentage of heavy duty vehicles on the other hand abrasion and re-suspension of dust are included in these "real world" emissions.<br />The investigated mineral dust samples showed high values for carbonate, calcium, magnesium, silicon, aluminium and trace metals. The proportion of metals to total mass accounted for 43% on average. Carbonate was detected with 21% in paved street dusts, whereas the amount was shifted in some samples due to the application of gritting material in winter.<br />In Austria dolomite, a calcium-magnesium carbonate, was and still is widely used. Soot and organic carbon were detected in the sample types with mean ratios of 2 and 7% of total mass, respectively. The examined brake and coupler abrasion products also showed high contents of metals, whereas the amount ranged from 21 to 40% of total mass. Tire debris was found to contain 18% soot and 57% organic carbon. The highest amount among metals was detected for zinc with 0.7%.<br />The gained source profiles of traffic, also called the "mobile sector", were finally used to attribute the sources with the "Chemical mass balance" (CMB) model version 8.2, provided by the Environmental Protection Agency (EPA, U.S.), to the ambient air particulate matter burden in Linz, Austria. Additionally, a simple "macro tracer concept" was also applied. Source apportionment with the CMB model showed colinearities between some of the sources, leading to poor or not feasible results. Therefore the profiles of tire debris and coupler abrasion products were excluded from the model. Nevertheless the amount of diesel exhaust, brake wear and re-suspension of dust was assigned to the data set. The direct emissions of the mobile sector accounted for 14% to the particulate matter burden at the sampling site nearby a frequented street. At the urban fringe 7% were assessed. Brake wear amounted to 0.9% to total emissions at the traffic burdened station, 0.6% at the urban fringe. 15% of the ambient air concentration were attributed to mineral dust, mainly resulting of re-suspension. At the urban fringe 14% were detected to result of this source, whereas the main processes of re-suspension are agricultural activities.<br />