Pienhiukkaset ja terveysvaikutukset
Jorma Jokiniemi, professori
Itä-Suomen yliopisto
Yhteistyössä Prof. Hirvonen, UEF, Prof Pekkanen, UH, Prof. Oberberger; Itävalta TUG, Dr.
Boman, Ruotsi UmU, prof. Sandström UMUH, Dr. Durich, Ranska Ineris, Dr. Pagels Ruotsi LU
Energiatellisuuden ympäristötutkimusseminaari, 29.1.2015 HAUS Kehittämiskeskus Oy, Helsinki
Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät
Voimalaitokset:
1. Jälkikäsittelytekniikka
2. Polttoaineen "laatu"
3. Polttotekniikka
•
•
•
•
Pienpoltto:
1. Polttotekniikka ja käyttäjä
2. Polttoaineen laatu
syklonit
pesurit
sähkösuodatin
kuitusuodatin
22.5.2006
Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät
Voimalaitokset:
1. Jälkikäsittelytekniikka
2. Polttoaineen "laatu"
3. Polttotekniikka
•
•
•
•
Pienpoltto:
1. Polttotekniikka ja käyttäjä
2. Polttoaineen laatu
• tuhkapitoisuus
syklonit
• K ja Na -pitoisuus
pesurit
• klooripitoisuus
sähkösuodatin
• Si, Al ja S -pitoisuus
kuitusuodatin
22.5.2006
Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät
Voimalaitokset:
1. Jälkikäsittelytekniikka
2. Polttoaineen "laatu"
3. Polttotekniikka
•
•
•
•
Pienpoltto:
1. Polttotekniikka ja käyttäjä
2. Polttoaineen laatu
• prosessin tasaisuus
•
tuhkapitoisuus
syklonit• lämpötilan hallinta
• K ja Na -pitoisuus
pesurit
• klooripitoisuus
sähkösuodatin
• Si, Al ja S -pitoisuus
kuitusuodatin
22.5.2006
Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät
Voimalaitokset:
1. Jälkikäsittelytekniikka
2. Polttoaineen "laatu"
3. Polttotekniikka
•
•
•
•
Pienpoltto:
1. Polttotekniikka ja käyttäjä
2. Polttoaineen laatu
• prosessin tasaisuus
•
tuhkapitoisuus
syklonit• lämpötilan hallinta
• K ja Na -pitoisuus
pesurit
• klooripitoisuus
sähkösuodatin
• Si, Al ja S -pitoisuus
kuitusuodatin
22.5.2006
Hiukkaspäästöihin vaikuttavat tekijät
Voimalaitokset:
1. Jälkikäsittelytekniikka
2. Polttoaineen "laatu"
3. Polttotekniikka
•
•
•
•
Pienpoltto:
1. Polttotekniikka ja käyttäjä
2. Polttoaineen laatu
• tuhkapitoisuus
• hyötysuhde
• prosessin
tasaisuus
• kosteus
•
tuhkapitoisuus
• lämpötila
syklonit• lämpötilan
hallinta
• sopiva
palakoko
•
K
ja
Na
-pitoisuus
• kitupoltto
pesurit
• klooripitoisuus
sähkösuodatin
• Si, Al ja S -pitoisuus
kuitusuodatin
22.5.2006
Pienkiinteistöjen
tulisijat
Pienet lämpölaitokset
Suuret
laitokset
Esimerkki varaava tulisija Tulikivi Oy.
• Ilma johdetaan eri osiin tulipesässä
– 20% ilmaa arinan läpi (primaari ilma)
– 45% ilmaa johdetaan seinäpaneelien läpi (toisioilma)
– 35% pitää lasiluukun puhtaana
• tehokkuus 85%
• Päästöt esim. CO ∼ 700 mg/MJ, OGC~60 mg/MJ, NOx~70 mg/MJ,
hiukkaset~30 mg/MJ
• Nunnauuni ja Varma-Uunit on kehittänyt vastaavaa tekniikkaa
Kiinteistökokoluokan lämmitysjärjestelmät
• Hybridimallit
– Lämpöpumppu+aurinko+tuuli
– Lisäksi Pellettikattila tai Bioöljykattila huippukuormia varten
Polttoaine
Hiukkaspäästöjen vähentäminen- suodatus
• ESP (Electrostatic precipitator)
–
Suodatustehokkuus hyvä
–
Kallis
• Letkusuodattimet
–
Suodatustehokkuus hyvä
–
Kallis
–
Paloturvallisuuskysymykset
• Lämmönvaihdin
–
Suodatustehokkuus riippuu mitoituksesta
–
Lämmön talteenotto
• Pesurit, syklonit
–
Pienimmät hiukkaset eivät poistu
Päästöt energiantuotannosta
• Isoissa laitoksissa > 50 MW käytetään joko sähkösuodattimia tai
letkusuodattimia kemikaaleilla
• Hiukkaspäästöt sähkösuodattimella 1-10 mg/MJ
• Hiukkaspäästöt letkusuodattimella << 10 mg/MJ
• Palaminen on hyvää ja vastaa useimmiten EU:n
jätteenpolttodirektiivin vaatimuksia 2 s 850 °C, jolloin PAH, muut
haitalliset orgaaniset komponentit ja noki palavat pois
• Päästöt ovat pieniä ja sisältävät hyvin vähän orgaanista hiiltä (OC,
OGC) tai alkuainehiiltä (EC)
• Pienhiukkaspäästöillä on suurempi merkitys prosesseissa, joissa ei
ole tehokasta suodatusta ja/tai palaminen on epätäydellistä
• Hyvän pellettipolttimen päästöt voivat olla pieniä ilman
suodatustakin< 10 mg/MJ
Pienhiukkaspäästöjen vaikutukset
kaasut
NOx
SOx
PAH
muu Org
hiukkaset
TSP
PM10
PM2.5
PM1
PM0.1
sekundäärinen
PM2.5
terveysvaikutukset
vaikutus
ilmastonmuutokseen
Terveysvaikutukset
• Terveydelle haitallisimpia < 2.5 µm
– pääsevät tunkeutumaan keuhkorakkuloihin saakka
– poikkeavat kemialliselta koostumukseltaan luonnon
tyypillisestä hiukkaspölystä
– pinta-ala suuri => pintakerrokseen pääsee tiivistymään
haitallisia aineita, kuten raskasmetalleja ja rikkihappoa
• Epidemiologisissa tutkimuksissa havaittu
– oireiden lisääntymistä astmaatikoilla
– keuhko- ja sydänsairaiden kuolemien lisääntymistä
– yleensä sairaalakäyntien lisääntymistä
Energian tuotto polttamalla ja terveys
• Pienhiukkaset
•
1) lisäävät hengityselin- ja sydänsairauksia
•
2) joko lisäävät tai hillitsevät ilmastonmuutosta
• Hiilidioksidipäästöt
•
3) lisäävät ilmastonmuutosta
• => Yhdessä määräävät terveysvaikutukset
Esityksen nimi / Tekijä
29.1.2015
17
• Euroopan maissa yhdyskuntailman pienhiukkaset aiheuttaa
vuosittain
- n. 350 000 ennenaikaista kuolemaa ja
- n. 8kk:n lyhenemisen odotettavissa olevassa eliniässä
(Kiinassa esim. Pekingin alueella 5 vuotta), mikä johtuu
pääasiassa sydän- ja hengitys-elinsairaiden
eliniänlyhenemisestä n. 10 vuodella.
(EU/CAFÉ 2000, Directive2008/50)
•
Hengitettävät hiukkaset (PM10; halkaisija <Ilman
10 µm) ja pienhiukkaset
(PM2.5; halkaisija < 2.5 µm) johdonmukaisesti
yhteydessä kuolleisuulaatu
teen, sairaalakäynteihin sekä hengitys- ja sydänsairaiden toimintakyvyn laskuun
•
Karkeilla hengitettävillä hiukkasilla (PM10-2.5) ja ultrapienillä
hiukkasilla (halkaisija < 0.1 µm) on PM2.5:sta riippumattomia
terveysvaikutuksia
Herkät väestöryhmät
– Pikkulapset
– Kaikenikäiset astmaatikot
– Iäkkäät henkilöt, joilla on krooninen
sydän- ja/tai hengityselinsairaus
•
Ilman
laatu voivat lisäätyä jo
Herkissä väestöryhmissä oireet ja kuolleisuus
alhaisissa PM10 ja PM2.5 pitoisuuksissa. Terveydelle haitatonta
pitoisuutta ei ole voitu määrittää.
Mitä emme tiedä?
• Syitä havaittuihin eroihin hiukkasten altistus-vaikutus suhteissa Euroopan eri osissa
– Esim. hiukkaslähteiden, altistumiserojen, ilmaston ja
väestötekijöiden vaikutus
• Syy-seuraussuhteita hiukkaslähteiden, kemiallisen Terveyskoostumuksen ja terveysvaikutusten välillä
vaikutukset
Ilmanliikenne, pienlämmitys
– Esim. paikallisen lähteen hiukkaset (mm.
puulla ja hiilellä, teollisuus), alueellinen
tai kaukokulkeutunut,
laatu
Ilmaston
ikääntynyt aerosoli
muutos
• Pitkäaikaisen altistumisen aiheuttamat kumulatiiviset
terveysvaikutukset
– Esim. hengitys- ja sydänsairauksien esiintyvyys ja kuolleisuus,
syöpä
Miksi pienhiukkaset ovat vaarallisia?
•
Halkaisijaltaan alle 0.1um,
suuri reaktiivinen pinta-ala
•
Transitiometallit ja niiden
hapetusasteet
•
Reaktiiviset orgaaniset
yhdisteet esim. epätäydellissä
palamisessa
•
Hiukkasten ikä (tuoreet
vaallisempia)
•
Huono vesiliukoisuus
Erilaisten terveyshaittoihin
johtavien mekanismien
aktivoitunen elimistössä
Tunkeutuvat syvälle hengitysteihin
Trachea
3 - 5 µm
2 - 3 µm
Terveys- 1 - 2 µm
vaikutukset
1 – 0.7 µm
Ilmaston
muutos
0.4 – 0.7 µm
Particle collection for toxicological analysis
Ruusunen et. al., Analytical and Bioanalytical Chemistry 2011
• Particle samples were
collected to filters with a
Dekati Gravimetric
Impactor (DGI)
– sample diluted with
porous tube diluter
• DR 13-26
22
Exposure to particulate matter
Cell lines:
• Mouse RAW264.7 macrophages,
They are target cells in PM induced immunotoxicity
Particulate doses: 15, 50, 150 and 300 µg/ml
Exposure time: 24 hours
Detected endpoints:
- Cell death (acute and programmed)
- Inflammatory mediators (e.g.MIP-2, TNFα)
- DNA damage
CEBC 2011 Graz / Maija-Riitta Hirvonen
29/01/2015
23
Keskeiset terveyshaittoja aiheuttavat mekanismit
Altistuminen
Tulehdus
Genotoksisuus
Solukuolema
Oksidatiivinen
stressi
Terveyshaitat
Tulehdusvasteet, solutoksisuus,
perimätoksisuus ja oksidatiivinen
stressi ovat nykytietämyksen
mukaan keskeisiä mekanismeja
sydän-ja hengityselinsairauksien
pahenemisessa ja syövän
synnyssä.
BioHealth is a concerted action
ERA-NET Bioenrgy project
•Duration:
36 months (1.11.2009-31.10.2012)
•Project Coordinator:
Jorma Jokiniemi, PhD, professor (UEF)
•Partners:
Finland x 3
Sweden x 3
Austria
France
Tuloksia & johtopäätöksiä
BIOHEALTH projekti
Koko datamatriisin vertailu –mahdotonta?
• Yhdellä annoksella, karkea luokittelu
Ei soluvasteita
Mietoja vasteita
Selkeitä vasteita
Merkittäviä vasteita
Voimakkaita vasteita
¤
¤¤
¤¤¤
¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
27
Solukuolema
MTT
Ei soluvasteita
Synteettinen Kalium (hydroksidi)
Synteettinen Kaliumsulfaatti
Synteettinen Kaliumsulfaatti (+ sinkki)
Miedot vasteet
Pellettikattila, Hum (Ruotsi)
Pelletin poltto (Itävalta)
Pelletin poltto Cd1 (Itävalta)
Pelletin poltto Cd5 (Itävalta)
PI
Genotoksisuus
Solusyklimuutokset
OTM
Tulehdus
TNFa
MIP2
¤
¤
¤ eivät
¤
¤
¤
¤
Kaliumin
suolat
näyttäisi
¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤
olevan
haitallisia
¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤
Tehokas
poltto
yleensä
¤
¤
¤ antaa
¤
¤
¤
¤
¤¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤¤
¤¤
mietoja
vasteita:
hyvät
palamis¤¤
¤¤
¤
¤
¤
¤
¤¤
¤¤
¤ ¤ olosuhteet
¤
¤
¤
¤
¤ asia!
¤¤
¤¤
tavoiteltava
¤¤
Pelletin poltto Cd10 (Itävalta)
¤¤
¤
¤
¤
¤
¤
¤¤
¤¤
Poppelipelletit (Itävalta)
¤¤
¤
¤¤
¤
¤
¤
¤¤
¤¤
Olkipelletit (Itävalta)
Cd-dopaus
ei¤ lisännyt
ei¤ ¤
¤¤
¤¤
¤
¤ ¤ vasteita:
¤
¤ Cd:llä
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤
merkitystä
pienpoltossa?
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤
Olkipelletit (Itävalta)
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
Elefanttiheinä (Itävalta)
Elefanttiheinä (Itävalta)
Poppelipelletit (Itävalta)
Selkeitä vasteita
Perinteinen kamiina Hum (Ruotsi), "nokinen"poltto
Pellettikattila( Zndopref )(Suomi)
Ulkoilma puunpolttoalue, Ranska
Ulkoilma puunpolttoalue, Ranska (vähiten PAH)
Ulkoilma puunpolttoalue, Ranska
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤¤
¤¤¤
Puunpolttoalueen
ulkoilmasta
selkeitä
vasteita:
aerosolin
¤¤¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤
monitahoisuus
(&PAH)
erottuu.
¤¤
¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
Polton
huonontuessa
vasteet
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤
¤lisääntyvät
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
Pellettitakka (Ranska)
Pellettikattila( Zndo 200 huono) (Suomi)
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
Moderni kamiina (Ranska)
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
29.1.2015 28
Merkittäviä vasteita
Synteettinen noki (Ruotsi)
Perinteinen kamiina (Ranska)
Moderni kamiina (Ranska)
Synteettinen noki haitallista,
vasteet
linjassa
”nokisen”
polton
¤¤¤¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤¤¤
¤¤
¤
¤¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤¤
kanssa
¤¤¤¤
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
Perinteinen kamiina (Ruotsi), normaalipoltto, ikäännytetty
¤
¤¤¤¤¤
¤¤
¤¤¤
¤
¤¤
¤¤
”Moderni”
ei ¤kuitenkaan
tae
¤¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
haitattomuudesta
(Huom.
Käyttö!)
¤¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤
¤¤
¤¤
Perinteinen kamiina (Ruotsi), normaalipoltto
¤¤¤
Perinteinen kamiina (Ranska)
Hake (Suomi), hyvä poltto
Hake (Suomi), huono poltto
Hake (Suomi), medium poltto
Voimakkaita vasteita
¤¤
¤¤¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤
¤¤
¤¤¤
Tehokas
¤
¤ poltto
¤¤
¤ ¤ haitallista,
¤¤
¤
¤jos
¤
¤¤
¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤
¤
¤¤
¤¤¤
polttoaineessa
sinkkiä
riittävästi.
¤¤
Perinteinen kamiina (Ruotsi), "nokinen"poltto, ikäännytetty
¤¤¤¤
¤¤
¤
¤ ¤hiukkasissa
¤
¤¤¤
¤¤
¤¤
Sinkin
lisääntyessä
¤¤¤¤
¤¤¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤
¤
¤¤¤
vasteet
lisääntyvät
merkittävästi
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤ ¤¤¤¤¤
¤
¤
¤
Pellettikattila( Zndo 500) (Suomi)
¤¤¤¤¤
Pellettikattila( Zndo 200) (Suomi)
Perinteinen kamiina (Ruotsi), "nokinen"poltto
Pellettikattila( Zndo 2500) (Suomi)
Synteettinen sinkki
¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤
¤¤¤
¤¤¤
¤
¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤
¤haitallisuutta
¤¤
¤¤¤
¤
¤¤
Ikääntyminen
lisää
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤¤¤¤
¤¤
¤¤¤
¤¤¤
¤¤
¤¤¤
huonossa poltossa
¤¤¤¤¤
Synteettinen sinkki tappoi solut.
29
Muita merkittäviä havaintoja
–
Erityisesti PAH-yhdisteet pystyttiin yhdistämään lisääntyneisiin
soluvasteisiin. PAH-yhdisteet näyttävätkin olevan herkin polton laadun
indikaattori suhteessa toksikologisiin vasteisiin.
•
Tulevaisuudessa PAHit luokitteluperuste?
–
Viitteitä siitä, että haitalliset yhdisteet yhdessä (esim. noki + sinkkioksidi)
aiheuttivat voimakkaampia vasteita kuin yhdisteet yksinään.
–
Huonon polton hiukkaset (nokinen savu) jäävät tehokkaammin
keuhkoihin kuin hyvän polton hiukkaset (alkalisuolat).
–
Vaikutukset näkyvät erityisesti sairailla ihmisillä.
(keuhkoahtaumatautia sairastavilla ihmisillä hiukkasten keuhkodepositio
oli suurempi kuin terveillä ihmisillä.)
–
Terveiden ihmisten altistaminen aiheutti samansuuntaisia, mutta
laajempia soluvaikutuksia keuhkoissa, kuin mitä havaittiin solulinjoilla
tehdyissä altistuksissa. Lisäksi mm. haitallisia vaikutuksia verisuonten
toimintaan. Solukokeista poiketen puhtaan polton savu aiheutti
tulehdusvaikutuksia keuhkoissa.
•
Tarvitaan sekä solu- että eläinkokeita (+ kammiotutkimuksia )
JOHTOPÄÄTÖKSET
•Biomassan poltosta peräisin olevien hiukkasten
haitallisuus on vahvasti kytköksissä niiden kemialliseen
koostumukseen!
•Huono poltto haitallista, tehokas poltto lievästi haitallista,
mutta…! HUOM. Hyvässä poltossa päästökertoimet
pienempiä!
– Käytettävä puhtaita polttoaineita (ei jätepuuta tai kuorta 
pienpolttolaitteissa.
•Poltosta peräisin olevien hiukkasten haitallisia vaikutuksia
ilmastoon ja terveyteen ei huomioida tällä hetkellä
riittävästi. (esim. kaikki hiukkaset samanarvoisia…)
31
JOHTOPÄÄTÖKSET
•Uusien polttoteknologioiden kehittämistä (joiden päästöt
ovat vähiten haitallisia), tulisi voimakkaasti edistää.
– Tämä edellyttää uusien tutkimus- ja testausmenetelmien
kehittämistä ja liittämistä osaksi tuotekehitystä.
– Tuotekehityksessä on jatkossa huomioitava päästöjen
ilmakehässä tapahtuvan ikääntymisen vaikutus +
nokipäästöt.
– Vaatii tutkimusta monella tasolla (päästöt, ikääntyminen,
solutoksisuus, eläinkokeet, ulkoilmatutkimukset ja
epidemiologia ja riskinarviointi)
32
Kiitos mielenkiinnosta!