Niveles y fuentes de elementos traza e hidrocarburos aromáticos policíclicos en depósitos atmosféricos en Cantabria

Resumen

La deposición atmosférica es un mecanismo de aporte de sustancias desde la atmósfera hacia la superficie, concretamente su destino es el medio ambiente terrestre y las aguas superficiales. Entre estas sustancias se incluyen contaminantes como pueden ser entre otros, elementos traza o hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs). La deposición de estas sustancias sucede básicamente de dos maneras: seca y húmeda. La deposición seca tiene lugar en períodos de muestreo secos; concretamente en este caso las sustancias están asociadas a las partículas que se depositan por impacto directo y sedimentación gravitacional. Por otra parte, la deposición húmeda es el resultado del muestreo en períodos húmedos; en este caso se recoge agua de lluvia y las sustancias llegan de dos maneras: asociadas a las partículas que son arrastradas por el agua de lluvia y disueltas en las gotas de lluvia. Por otro lado, la deposición atmosférica bruta, global o total, tiene lugar cuando se alternan períodos secos y húmedos, que es lo más habitual y se define como la suma de ambos procesos anteriores. Por tanto, un muestreo adecuado permite poder llevar a cabo la posterior caracterización de elementos traza y HAPs en la deposición atmosférica, y puede emplearse para realizar la evaluación y la posterior identificación de las fuentes de emisión con el objetivo de evaluar los efectos sobre la salud humana y sobre los ecosistemas presentes en suelos, aguas continentales y aguas oceánicas. Por ello, el presente estudio aborda dos grandes objetivos: - Muestreo, caracterización y evaluación de la deposición atmosférica bruta de elementos traza en la Comunidad Autónoma de Cantabria, recogida en zonas urbanas, industriales, rurales y de tráfico; e identificación de las principales fuentes de emisión de estos elementos en la mayor área urbana de Cantabria sobre la fracción soluble de la deposición atmosférica mediante el modelado de receptor multivariable, concretamente mediante la factorización positiva de la matriz (PMF). - Muestreo, caracterización y evaluación de la fracción soluble de la deposición atmosférica bruta de HAPs recogida también en zonas rurales, industriales, urbanas y de tráfico en la Comunidad Autónoma de Cantabria y comparativa con los niveles encontrados en la bibliografía para cada zona; y realización de un estudio preliminar de las fuentes de emisión de estos compuestos para las cuatro zonas de estudio en base a ratios de diagnóstico. El documento está estructurado en cuatro capítulos más unas conclusiones generales. El capítulo 1 aborda la problemática general de la deposición atmosférica de contaminantes traza (inorgánicos y orgánicos) en cuanto al muestreo, análisis y evaluación de los niveles de dichos contaminantes tras una exhaustiva revisión del estado del arte. Los capítulos 2 y 3 se centran en la deposición atmosférica de elementos traza. En particular, el capítulo 2 describe el muestreo, caracterización y evaluación de la deposición atmosférica bruta de elementos traza en la Comunidad Autónoma de Cantabria, recogida en zonas urbanas, industriales, rurales y de tráfico. El muestreo se realizó entre los años 2009-2013 en diferentes puntos de la región. El muestreo en Santander (SANT), punto representativo de fondo urbano, tuvo lugar entre Septiembre de 2009 y Febrero de 2013. Por su parte, el muestreo en el punto representativo de zona rural, localizado en Bárcena Mayor (BAR), se llevó a cabo entre Noviembre de 2011 y Febrero de 2013. Finalmente, en cuanto a los puntos característicos de zonas industriales y de tráfico, localizados respectivamente en Maliaño (MAL) y Cabezón de la Sal (CAB), las muestras fueron tomadas entre Enero de 2012 y Febrero de 2013. Las muestras se separaron mediante un sistema de filtración a vacío, en fracción soluble e insoluble. El procedimiento analítico que se desarrolló para analizar As, Cd, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Pb, Ti, Zn y V en la fracción insoluble de la deposición atmosférica se basó en la norma UNE-EN 14902:2006. Por su parte, la fracción soluble fue acidificada hasta pH=1 y almacenada hasta su análisis. Los niveles de los elementos traza mostraron un comportamiento similar en los puntos de muestreo representativos de fondo urbano, rural y de tráfico: Zn> Mn>> Cu≈ Ti> Pb> V≈ Cr> Ni>> As≈ Mo> Cd, con la excepción de un flujo mayor de Cr en lugar de Pb en SANT. Por su parte se realizó el cálculo de los factores de enriquecimiento, identificándose Cd, Zn y Cu como los elementos más enriquecidos y V, Ni y Cr como los menos. En el punto influenciado por las actividades industriales (Maliaño) se encontraron valores de deposición de Mn muy elevados. Estos valores fueron corroborados con altos factores de enriquecimiento y con la disposición de dicho metal en diagramas ternarios, estando situado el Mn muy próximo al vértice industrial. En el capítulo 2 también se aborda de forma preliminar la identificación de fuentes. En este sentido, se llevó a cabo la identificación de fuentes comunes y locales a partir del coeficiente de correlación para cada elemento entre los diferentes puntos de muestreo. Así, los puntos representativos de zona rural y de tráfico estuvieron afectados por fuentes comunes, probablemente tráfico, ya que presentaron los mayores coeficientes de correlación entre puntos para As, Cd, Cr, Ti, Ni, V, Mo y Zn. Por el contrario, el punto de muestreo industrial y el punto de muestreo rural presentaron los menores coeficientes de correlación debido a la alta influencia de las fuentes locales industriales identificadas en Maliaño. Por otro lado, también se debe destacar la buena correlación entre la intensidad de tráfico diaria y los flujos de los elementos estudiados en la fracción insoluble de la deposición atmosférica en el punto de muestreo de tipo tráfico (CAB). En el capítulo 3 se desarrolló más a fondo la identificación de las principales fuentes de emisión en el área urbana de Santander, influenciada de manera moderada por diferentes actividades industriales, mediante un modelo de receptor, concretamente la factorización positiva de la matriz (PMF). El modelo PMF desarrollado que describió correctamente las series temporales de los flujos de la mayoría de los elementos estudiados consta de cuatro factores. El primer factor fue asociado a las tres plantas industriales potencialmente emisoras de metales pesados localizadas al suroeste del punto de muestreo: una planta de producción de ferromanganeso y silicomanganeso, una planta de producción de acero no integrada y una fundición de hierro. El segundo factor fue asociado con una fundición de hierro situada a 7 km al oeste del punto de muestreo. Por otro lado, el tercer factor fue asociado a un factor urbano basado en las emisiones de combustible, aceite lubricante y desgaste del motor para automóviles, camiones y motocicletas. Finalmente el último y cuarto factor fue asociado al tráfico marítimo. Se consideraron tanto el Zn como el Mn los principales trazadores antropogénicos de la zona, puesto que el primer factor, que presentó las mayores cargas de estos dos elementos, contribuyó a un 62,5% del flujo de deposición total de los elementos estudiados. El capítulo 4 recoge el muestreo de la deposición atmosférica de HAPs, la caracterización y evaluación de estos compuestos en la fracción soluble y el estudio preliminar de fuentes de emisión en base a ratios de diagnóstico. El muestreo se llevó a cabo entre Enero de 2011 y Febrero de 2013 dependiendo del punto de muestreo en SANT, MAL, CAB y BAR. Por otro lado, el procedimiento analítico desarrollado para la determinación de estos compuestos en la fracción soluble se basó en la norma UNE-EN 15980:2011. De este modo, se identificaron los niveles más elevados en el punto industrial (MAL), seguido del urbano (SANT), tráfico (CAB) y rural (BAR), siendo los perfiles encontrados dependientes de la zona a evaluar. Finalmente, para llevar a cabo el estudio preliminar de fuentes de emisión se emplearon los ratios fluoranteno / (fluoranteno + pireno) y benzo(a)antraceno / (benzo(a)antraceno + criseno), los cuales indicaron que los HAPs en la zona urbana tuvieron su origen en la combustión de combustibles líquidos (gasolina y gasóleo) y sólidos (carbón o coque). La combustión de combustibles sólidos fue relacionada tanto con el empleo de coque en las fundiciones de hierro localizadas en la bahía como con el uso de electrodos de grafito en la fabricación de acero en hornos eléctricos. Con respecto a la zona industrial, se identificó a partir de los ratios anteriores que las principales fuentes de emisión estaban relacionadas con la fabricación de acero en hornos eléctricos, la fundición de hierro y acero y la fabricación de silicomanganeso. Además, estos ratios permitieron identificar la combustión de combustibles líquidos (carburantes de automoción) y de combustibles sólidos (madera) como fuentes predominantes en la zona de tráfico y la combustión de combustibles sólidos (madera) como fuente principal en la zona rural.