Assessment of PAH and HMs in Finland Harri Pietarila, Birgitta Alaviippola Air Quality Improvement Study Tour to Finland, May 2007 7.5.2007 29.7.2008
Content Preliminary assessment in Finland Zones and agglomerations Requirements for on going AQ assessment National legislation Dispersion modelling 29.7.2008 2
Background Framework Directive on ambient air quality assessment and management (96/62/EC) Monitoring of ambient air quality with standardized measurement techniques and common criteria in EU member states 4 Daughter directives To establish limit/target values and assessment thresholds h for concentrations ti of air impuritiesiti To harmonize measurement techniques in order to obtain reliable data throughout the Community 29.7.2008 3
The preliminary assessments of ambient air quality 2001: Sulphur dioxide, nitrogen dioxide, oxides of nitrogen, particulate matter (PM 10 ) and lead 2002: Carbon monoxide and benzene 2003: Ozone 2006 June: Heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (=PAH-compounds) Next 2007-2008: fine particles (PM 2,5 ) 29.7.2008 4
Aims of preliminary assessments To define the concentration levels with respect to limit/target values and assessment thresholds zones and agglomerations for AQ assessment and management methods and level of continuous AQ assessment continuous monitoring of ambient air quality To present assessment methods and data used: Air quality measurements Dispersion modelling Emission inventories Reporting to the Ministry of Environment in Finland Finnish local and regional environmental authorities & public EU Commission 29.7.2008 5
Assessment thresholds and related ongoing assessment methods Upper assessment threshold & Lower assessment threshold & objective assessment 29.7.2008 6
Air quality objectives for heavy metals and PAH-compounds Time period Arsenic Cadmium Nickel Benzo(a)pyrene Target value ng/m 3 calender year 6 5 20 1 Upper assessment threshold ng/m 3 calender year 3,6 3 14 0,6 Lower assessment threshold ng/m 3 calender year 24 2,4 2 10 04 0,4 29.7.2008 7
PAH-emissions 2003 1%1% 6 % 1 % Energy production and heating Traffic Industrial processes Waste management 92 % In total 16,7 tons Reference: Finnish Environmental Institute 29.7.2008 8
Emissions from small scale wood burning (PM2,5) (t/v/km2) Kunta PM2,5-päästö (t/a/km2) Vesilahti 6,9 Suomussalmi 4,8 Hausjärvi 4,3 Lehtimäki 4,2 Saari 4,1 Viitasaari 3,9 Köyliö 3,8 Ikaalinen 3,7 Rautalampi 3,7 Hankasalmi 3,5 Kuopio 3,5 Pattijoki 3,5 Enontekiö 3,4 Iisalmi 3,4 Virrat 3,3 Ilmajoki 3,1 Mäntyharju 3,1 Iitti 3,1 Pernaja 3,1 Koski Tl 3,1 Jyväskylän mlk 3,1 29.7.2008 9
Measurement of ambient air PAH-compounds in Finland 1992-2006 Tornio 2005 Raahe 1992- Kuopio 2006 Lahti 2003-04 Pääkaupunkiseutu 1987, 1993, 2003-05 29.7.2008 10
BaP concentrations In the city of Raahe Industrial source B(a) )P-pitoisuuden vuosikeskiarvo (ng/m 3 ) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 02 0.2 0.0 Tavoitearvo Ylempi arviointikynnys Alempi arviointikynnys 2000 2001 2002 2003 2004 Saloinen (BaP/PM10) Varikko (BaP/PM10) Lapaluoto (BaP/TSP) Lapaluoto (BaP/PM10) Pattijoki (BaP/TSP) Keskusta (BaP/TSP) Keskusta (BaP/PM10) 29.7.2008 11
BaP concentrations In the Helsinki Metropolitan Area, traffic and wood burning 6 5 4 3 2 tavoitearvo 1 Helsinki Vallila Hki Herttoniemi Espoo Lintuvaara B(a)P vuorokausipitoisuus (ng/m 3 ) 0 11.01.05 14.-17.01.05 19.01.05 26.01.05 31.1.-3.2.2005 01.03.05 11.03.05 25.03.05 13.04.05 22.04.05 04.05.05 13.05.05 25.05.05 03.06.05 16.06.05 24.06.05 05.07.05 22.07.05 03.08.05 13.08.05 24.08.05 03.09.05 13.09.05 24.09.05 04.10.05 19.10.05 27.10.05 08.11.05 15.11.05 22.11.05 08.12.05 20.12.05 01.01.06 Mittauksen alkupäivämäärä 29.7.2008 12
BaP concentrations In the Helsinki Metropolitan Area, wood burning 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 tavoitearvo B( (a)p vuorokausipitoisuus (ng/m 3 ) 0 16.1.05 28.1.05 9.2.05 17.2.05 23.2.05 27.2.05 11.3.05 15.3.05 23.3.05 31.3.05 4.4.05 16.4.05 22.4.05 28.4.05 4.5.05 10.5.05 22.5.05 1.6.05 15.6.05 3.7.05 15.7.05 27.7.05 8.8.05 20.8.05 1.9.06 17.9.05 25.9.06 29.9.05 3.10.05 11.10.05 19.10.06 29.10.05 4.11.05 16.11.05 22.11.05 28.11.05 8.12.05 16.12.05 22.12.05 28.12.05 Mittauksen alkupäivämäärä 29.7.2008 13
Research project PUPO small scale wood burning and Air Quality Emission measurements Emission inventory Air Quality measurements Dispersion i Modelling 29.7.2008 14
Kurkimäki AQ stations 29.7.2008 15
PAH-concentrations Conc. ng/m 3 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 250 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 Kurkimäki Background 29.7.2008 16
4,0 35 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 00 0,0 Bentso(a)pyren concentrations Kurkimäki Tausta Coc. (ng/m3) 14.1. 17.1. 20.1. 23.1. 26.1. 29.1. 30.1. 31.1. 1.2. 2.2. 4.2. 7.2. 10.2. 13.2. 14.2. 15.2. 16.2. 19.2. 20.2. 22.2. 25.2. 28.2. 3.3. 6.3. 29.7.2008 17
Urban Dispersion i M odelling System UDM-FMI Emission data Meteorological data Other data Emission processing model Meteorological data preprocessing Emission time series Meteorological time series Geographical data Receptor points Dispersion model Atmospheric diffusion Plume rise Chemical transformation Downwash Deposition Terrain effects Time series of hourly concentrations Statistical processing Statistical concentration parameters Graphical processing Spatial distributions 29.7.2008 18
Kurkimäki meteorology Winter 2006 2002 2004 29.7.2008 19
Kurkimäen meteorology, stability winter 2006 2002 2004 100 % 100 % 90 % 80 % 90 % 80 % Weak 70 % 70 % 60 % 50 % 40 % Weak 60 % 50 % 40 % Moderate 30 % 30 % 20 % Moderate 20 % Strong 10 % 0 % 10 % Strong 0 % 1 2 3 4 kuukausi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 kuukausi 29.7.2008 20
Kurkimäen meteorology, mixing height Winter 2006 2002 2004 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 100 % > 500 m 90 % 80 % 70 % 200-500 m 100-200 m < 100 m 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 1 2 3 4 kuukausi > 500 m 200-500 m 100-200 m < 100 m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 kuukausi 29.7.2008 21
Questionaire on use of wood for heating Private houses 164 kpl Fire places 154 kpl Questionaire 69 kpl Detailed inquiry 19 kpl Seurantakohde Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 22
Puun pienpolton päästöt (PUPO) TULISIJOJEN KÄYTÖN SEURANTA KURKIMÄESSÄ HELMIKUUSSA 2006 Sivu: Nimi: Osoite: Tulisijatyyppi: Varaava takka Merkki: Kumakivi TTT100U Lisätietoja: Seppo Tuomi, Työtehoseura, 050-3879517 Päivä- Tulisijan Lämmityksen Poltettujen Poltettu Käytetty puulaji Huomioita, selityksiä määrä sytytys- lopetus- pesällisten puumäärä Koi- Haapa, Män- Kuu- Muu (Puun kosteus, veto-olot, aika aika lukumäärä yhteensä vu leppä ty si (paperi, poikkeuksellinen tulisijan toiminta tai klo klo kpl kg pahvi) käyttötapa, ongelmat yms.) 1.2. 17:00 19:30 2 15 x x x Syttyy huonosti, märät puut 4.2. 18:30 19:45 1 7 x x Sytytys puiden päältä sytytyspaloilla Käännä Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 23
120 100 80 60 40 20 0 Puun pienpolton päästöt (PUPO) Monthly usage of wood in heating Eniten käytetyn tulisijan lämmityksen yleisyys kuukauden mukaan 95 95 88 77 64 38 45 3 3 2 2 17 Tam mmi Helmi Maa aalis Huhti Tou ouko Kesä Heinä Elo Syys Loka Marr arras Joulu Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 24 Käyttää tulisijaa, % v astanne ista
Puun käyttömä ärä, kg Usage of wood in heating and air temperature Polttopuun käyttömäärä ja ulkoilman keskilämpötila seurantakohteissa (N=19) helmikuussa 2006 300-25 250 Puun käyttömäärä Keskilämpötila -20 200-15 150-10 100 50-5 a, o C ilämpötil Kesk 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728 Helmikuu Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 0 29.7.2008 25
Puun pienpolton päästöt (PUPO) Usage of wood in heating with different fire places Polttopuun keskikäyttö lämmityskertaa kohti tulisijatyypin mukaan seurantakohteissa helmikuussa 2006 Poltt topuun käyttömä ärä, kg 30 20 10 0 20,5 13,1 9,4 9,4 6,5 5,1 Leivinuuni Takka-leivinuuni Varaava takka Saunankiuas Tulisijatyyppi Puukattila Liesi-leivinuuni 3,6 2,5 Puuliesi Muuripata Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 26
Puun pienpolton päästöt (PUPO) Hourly usage of wood in heating Tulisijojen käytön jakautuminen vuorokauden ajan mukaan seurantakohteissa helmikuussa 2006 Tulis ija käytö össä, kpl 180 150 120 90 60 30 0 161 159 148 119 100 83 56 56 61 69 55 64 47 42 21 10 10 0 0 0 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Kellonaika Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 27
Daily usage of wood in heating Polttopuun kokonaiskäyttömäärä viikonpäivän mukaan seurantakohteissa helmikuussa 2006 Polttopuu un käyttö ömäärä, kg 1000 900 800 700 600 500 811 824 749 758 717 733 719 Ma Ti Ke To Pe La Su Viikonpäivä Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 28
Usage of wood in heating in different houses Lähde: Seppo Tuomi, Työtehoseura 29.7.2008 29
Emission factors based on emission measurement in real conditions Päästökertoimia (Jarkko Tissari, Kati Hytönen, Kuopion yliopisto) Kiuas Arvioitu Muut Todellinen vaihteluväli laitteet vaihteluväli (n = 6) NMVOC 10.4 (6... 19) 2.8 (1.5... 5.0) gc/kg CH4 3.0 (1.9... 5.2) 0.54 (0.34... 0.93) gc/kg C6H6 2.3 (1.3... 2.7) 0.37 (0.21... 0.42) gc/kg PM1 2.7 (1.8... 4.8) 0.9 (0.6... 1.6) g/kg Bentso(a)pyreeni kiuas noin 15 000 µg/kg muut noin 25 380 µg/kg 29.7.2008 30
Emission sources Pistelähteet & pintalähteet Rkoko 200 m 500 m 29.7.2008 31
Bentso(a)pyren concentration wood burning 29.7.2008 32
Bentso(a)pyren concentration - TOT 29.7.2008 33
Dispersion modelling, BaP concentration Helsinki Metropolitan Area 29.7.2008 34
Nickel emission 2003 15 % Energy production and heating Industrial processes 85 % Total 44,8 tons Nickel emis ssions (t/a) 70 60 50 40 30 20 10 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 29.7.2008 35
Measurement of Nickel concentration in ambient air in Finland 1993-2006 29.7.2008 36
Nickel concentrations In the city of Harjavalta, industrial source 3 ) Ni vuosikesk kiarvo (ng/m 3 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Tavoitearvo 2000 2001 2002 2003 2004 Harjavalta Torttila Ni/TSP Harjavalta Torttila Ni/PM10 29.7.2008 37
Dispersion i modelling - Cadmium concentration ti 29.7.2008 38
Zones and agglomerations in Finland One agglomeration : Helsinki Metropolitan Area, 1 milj. inhabitants Zones based on Regional Environmental Centers (13) Different zoning for different pollutants based on concentration levels and sorces of pollution to optimize assessment burden SO 2, NO 2, PM 10, Pb, CO : 1 aggl. + 13 zones Benzene : 1 aggl. + 2 zones SO 2 &NO x nature, O 3, BaP, HMs : 1 aggl. + 1 zone 29.7.2008 39
Zones and agglomerations in Finland: SO 2, NO 2, PM 10, Pb, CO benzene 2, 2, 10,, 29.7.2008 40
National legislation for PAH and HMs Secondary legislation in force 15.2.2007 AQ measurements from the beginning of 2008 Sets target values to be met 2013 No striker emission control that BAT required from industry Zones and assessment requirements 1 aggl. + 1 zone 3 regional background stations: concentration and deposition measurements Distributed emission sources : minimum measurement points Point sources : to be defined case by case in environmental permitting Quality requirements Reference methods Reporting 29.7.2008 41
Required measurement stations Zone Area (km 2 ) Population Number of stations HMs Helsinki Metropolitan 743 971 947 0 Rest of Finland 118 110 4 264 664 0 Point sources (Harjavalta) 2 Backgroud 303 070 3 PAH Helsinki Metropolitan 743 971 947 1 1 /2 2 Rest of Finland 302 327 4 264 664 2 1 /4 2 Point Sources (Raahe) 2 Background 303 070 3 1) LAT< conc. < UAT 2) conc. > UAT 29.7.2008 42
Thank you! 29.7.2008 43