Možnost použití biomarkerů k identifikaci zdrojů znečištění

Kristína Štrbová

Disertační práce

The possibilities of biomakers utilisation for pollution sources identification

Anotace:

Predložená dizertačná práca rieši možnosť identifikácie a kvantifikácie energetických zdrojov použitím navrhnutého klasifikačného nástroja, ktorý umožňuje redukovať celkové množstvo organických zlúčenín identifikovaných vo vzorkách a extrahovať len tie najdôležitejšie markery pre vybrané energetické zdroje sledovaných oblastí. Na základe selektovaných markerov bol následne identifikovaný podiel spaľovaného paliva na znečistení ovzdušia. Teoretická časť je venovaná charakteristike špecifických organických látok – tzv. markerom, ktoré sú charakteristické pre jednotlivé energetické zdroje znečistenia, resp. typ spaľovaného paliva. Konkrétne sú predstavené markery pre spaľovanie biomasy, uhlia, plastov a markery uvoľňované z dieselových a benzínových motorových vozidiel. Ďalej sú popísané najpoužívanejšie modely na identifikáciu a kvantifikáciu energetických zdrojov na znečistení ovzdušia, ich výhody a úskalia. Jednotlivé kroky navrhnutého modelu sú detailne popísaný v metodike práce, vrátane obhájenia jeho matematickej správnosti. Navrhnutý model bol aplikovaný v dvoch meracích kampaniach na území malej mierky (Napajedla) a veľkej mierky (Moravsko-sliezsky kraj). V rámci meracej kampane realizovanej v meste Napajedla bolo testované, či je možné sa v štúdiách na identifikáciu zdrojov zamerať sa len na vybrané prominentné markery, čo by mohlo v budúcnosti uľahčiť časovo náročné analytické metódy. Daná metóda sa ukázala byť spoľahlivá pre oblasť malej mierky. Dokonca použitie len vybraných markerov v mnohorozmerných metódach umožnilo rozlíšiť zdroje medzi jednotlivými odberovými miestami presnejšie než použitím všetkých analyzovaných zlúčenín. V rámci meracej kampane realizovanej na území MSK bolo zisťované, ktoré z energetických zdrojov sa podieľajú na zhoršenej kvalite ovzdušia zimnom období najvýznamnejšie, pričom pozornosť bola upriamená na smogovú situáciu. Na území MSK sa stretávame s úskalím veľkej rozmanitosti identifikovaných organických látok naprieč odberovými lokalitami, preto bolo nutné dáta vhodným spôsobom zjednotiť na vyťaženie čo najrelevantnejšieho výsledku s čo najmenšou stratou informácie. Výsledky ukázali, že každá odberová lokalita je špecifická iným prevládajúcim zdrojom znečistenia, niektoré lokality si však boli prevládajúcimi zdrojmi podobné. Pri rozdelení do klastrov bola počas smogovej situácie najvýznamnejší faktor lokalita, u nesmogovej situácie bol najvýznamnejší faktor deň odberu. Najviac špecifické lokality počas smogovej aj nesmogovej sezóny sa ukázali lokality Poruba a Radvanice, čo naznačuje, že dané lokality sú ovplyvnené stálymi lokálnymi zdrojmi, na ktoré nemá až taký významný vplyv napr. zmena prúdenia vetra.

Abstract:

The presented dissertation thesis deals with the possibilities of the identification and quantification of the energy pollution sources using the proposed classification tool allowing the reduction of the total amount of the organic compounds identified in the samples and extraction only of the most important markers of the selected energy pollution sources in the sites of interest. Based on the selected markers, the influence of the fuel combustion on the air pollution is identified. The theoretical part is focused on the characterization of specific organic compounds – markers, which are characteristic for the particular energy pollution sources, namely the type of the fuel combusted. Specifically, the markers for biomass, coal and plastics burning and markers released from diesel and petrol engine vehicles. The most commonly used models for source apportionment of energy air pollution sources are also described, mentioning their particular advantages and disadvantages. The individual steps of the proposed model are described in the Methods section of the thesis including the justification of its mathematical soundness. The proposed model was applied in two measurement campaigns performed in a small-scale area (Napajedla) and large-scale area (Moravian-Silesian region). During the Napajedla measurement campaign, the possibility of focusing only on the prominent markers in the source apportionment studies was tested which would, in future, lead to facilitation of the time-consuming analytical techniques. The method was found to be reliable for the small-scale area. Moreover, using only the selected markers in the multivariate methods allowed the distinction of the pollution sources between the individual sites even more accurately than using all the determined compounds. During the Moravian-Silesian region campaign, identification of the most important energy pollution sources during the winter period of worsened air conditions was the main goal while the study was focused on the smog situation. High diversity of the identified organic markers in the PM10 samples between the individual sampling sites was to be addressed in this campaign, hence, the data had to be unified to extract as complete dataset as possible – with losing a minimal information. The results shown that each sampling site is specific by different prevalent source of pollution, some were, however, similar. In the cluster partitioning, the factor of site was found to be the most important during the smog season, whereas during the non-smog season, the sampling day was the most important factor. The most specific sites during both seasons were sites Poruba and Radvanice indicating that these sites are influenced by stable local sources and are not significantly influenced by e.g. change in wind direction.

Klíčová slova

organické markery, identifikácia zdrojov, energetické zdroje, druh paliva, mnohorozmerné štatistické metódy, kompozičný prístup

Keywords

organic markers, source identification, energy sources, type of fuel, multivariate analysis, compositional principles

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 10. 6. 2019

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 14. 8. 2019
• Vedoucí: Helena Raclavská
• Oponent: Małgorzata Kacprzak, Radovan Nosek, Juraj Ladomerský

VŠB - Technická univerzita Ostrava

Fakulta strojní

Doktorský studijní program / obor:
Strojní inženýrství / Energetické stroje a zařízení