Sugarcane burning emissions: Characterization and emission factors

Abstract

La quema a cielo abierto de la caña de azúcar (Saccharum officinarum) tiene un gran impacto en la contaminación atmosférica regional y el cambio climático global. En esta investigación se midieron las emisiones contaminantes de la quema de residuos de caña de azúcar con el fin de determinar los factores de emisión (FEs) de carbono elemental (EC), carbono orgánico (OC), 18 hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs), K, Na, Ca, Mg, NO3−ASÍ QUE42−NH4+, y Cl− contenido en el material particulado (PM), así como las FE de los contaminantes gaseosos, el dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y 37 compuestos orgánicos volátiles (COV). Los experimentos se llevaron a cabo en una cámara de combustión abierta equipada con muestreo isocinético, siguiendo los métodos EPA 5 y EPA 201-A modificado. Las pruebas preliminares mostraron que la alimentación continua de residuos no representa la quema a cielo abierto que se realiza en el campo, ya que se mantiene la etapa de flameado, por lo que se utilizó la alimentación por lotes de residuos para realizar alrededor de 30 experimentos. Los FE de contaminantes gaseosos fueron 1618 ± 108, 25,7 ± 2,04 y 2,29 ± 0,13 g kg−1 para CO2, CO y CH4 respectivamente, mientras que C2 Los compuestos tienen la mayor FE de COV. PM10 y PM2.5 representaron el 55% y el 36% de la masa total de PM, mientras que las especies carbonáceas (EC y OC) representaron el 66% de las PM2.5 y 58% en PM10 y la masa total de PM. Los factores de emisión de CE variaron de 0,34 a 0,37 g kg−1y la FE de CO fueron de 0,44, 0,67 y 1,2 g kg−1 para PM2.5PM10 y PM total, respectivamente. Los FE más altos de los elementos y aniones determinados fueron K y Cl−respectivamente. Los HAP pesados como el benzo[b]fluoranteno, el bezo[k]fluranteno y el benzo[a]pireno presentaron las mayores FE con 0,265 ± 0,04, 0,264 ± 0,08 y 0,254 ± 0,015 mg kg−1 respectivamente. Las pruebas de Kruskal Wallis indicaron que las FE no presentaron diferencias significativas entre las variedades de caña de azúcar cosechadas en sitios con diferentes altitudes y clima, por lo que pueden ser aplicadas para estimaciones de inventarios en regiones del mundo similares a México, así como en modelos de pronóstico de calidad del aire y modelos climáticos que permiten un mejor conocimiento de los escenarios de contaminación atmosférica y cambio climático. Los resultados de esta investigación pueden ser la base para diseñar y establecer políticas públicas con el fin de regular y eventualmente eliminar las prácticas de quema de caña de azúcar antes y después de la cosecha.

Open burning of sugarcane (Saccharum officinarum) has a large impact in regional atmospheric pollution and global climatic change. In this research, pollutant emissions from sugarcane residues burning were measured in order to determine the emission factors (EFs) of elemental carbon (EC), organic carbon (OC), 18 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), K, Na, Ca, Mg, NO3−, SO42−, NH4+, and Cl− contained in particulate matter (PM), as well as EFs of the gaseous pollutants, carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), methane (CH4) and 37 volatile organic compounds (VOCs). Experiments were carried out in an open combustion chamber equipped with isokinetic sampling, following EPA 5 and modified EPA 201-A methods. Preliminary tests showed that continuous feeding of residues does not represent the open burning carried out in the field since flaming stage is sustained, thus batch feeding of residues was used to perform around 30 experiments. Gaseous pollutants EFs were 1618 ± 108, 25.7 ± 2.04 and 2.29 ± 0.13 g kg−1 for CO2, CO and CH4 respectively, while C2 compounds have the highest EF of VOCs. PM10 and PM2.5 accounted for 55% and 36% of total PM mass, whereas carbonaceous species (EC and OC) accounted for 66% in PM2.5 and 58% in PM10 and total PM mass. Emission factors of EC varied from 0.34 to 0.37 g kg−1, and EF of OC were 0.44, 0.67 and 1.2 g kg−1 for PM2.5, PM10 and total PM, respectively. Highest EFs of determined elements and anions were K and Cl−, respectively. Heavy PAHs such as benzo[b]fluoranthene, bezo[k]fluranthene and benzo[a]pyrene presented the greatest EFs with 0.265 ± 0.04, 0.264 ± 0.08 and 0.254 ± 0.015 mg kg−1 respectively. Kruskal Wallis tests indicated that EFs had no significant differences among sugarcane varieties harvested in sites with different altitudes and climate, thus they can be applied for inventories estimations in world regions similar to Mexico, as well as in air quality forecasting models and climatic model allowing a better knowledge of air pollution and climatic change scenarios. The results of this research can be the base to design and establish public policies in order to regulate and eventually eliminate the practices of pre-harvest and post-harvest sugarcane burning.