Pollution : Causes, Effects and Control

588 Pages·2013·12.538 MB·English

by  R M Harrison, Oliver Jones, Martin R Preston, John Fawell, Will Mayes, Elise Cartmell, Simon Pollard, Roy M Harrison, A Robert Mackenzie, Martin Williams, Robert Maynard, Mike Ashmore, Claire Holman, Keith P Shine, Chris Collins, Gev Eduljee, Roland Clift, Stuart Harrad, C Nicholas Hewitt, Juana Maria Delgado-Saborit, William Howarth, Martin Bigg

Pollution
Causes, Effects and Control
th
5 Edition
Edited by
R M Harrison
University of Birmingham, UK
Email: [email protected]
ISBN:978-1-84973-648-0
AcataloguerecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
rTheRoyalSocietyofChemistry2014*
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Preface
Thesubjectof pollutionremains highinthe public consciousness andhasbeena significantfactor on
the politicalagendaofboth developed and developingcountriesfor anumberofyears.The subjectis
now seen as a priority area for research and for technological developments. It is therefore a fast-
moving field and one where books require updating on a rather frequent basis. The First Edition of
this book was published in 1983 and arose from the collation of course notes from a Residential
School held at Lancaster University in 1982, supplemented with additional chapters to give a fuller
overview of the field. Subsequent editions have expanded the coverage so as to provide a fairly full
overview of the field of chemical and radioactive pollution. The level of treatment remains much the
same, being essentially introductory, although covering some more advanced aspects. The very high
sales achieved by the book suggest that this has been very popular and Pollution is used both as a
teachingtextandareferencebook bypractitionersrequiringbroadknowledgeofthefield.
In a fast-moving field it is necessary to scrutinise contents carefully and to ensure thorough
updating.TheFourth EditionofPollutioncontainedonewhollynewchapteron CleanTechnologies
andIndustrialEcologyreflectingthegrowingimportanceofpollutionpreventionasopposedtoend-of-
pipecontrols.Whilstauthorshipofthemajorityoftheotherchaptersremainedinthesamehands,a
largeproportionofthechapterswerethoroughlyrevisedtoreflectnewdevelopmentsinthefield,and
extendedtoimprovecoverage.IntheFifthEdition,overallcoverageissimilartotheFourthEdition,
butgreatlyupdatedtoincludemajornewdevelopmentssuchasnanomaterials,aswellasnewscientific
insights and legislative changes. A wholly new chapter on Climate Change is included, reflecting the
high societal importance of this issue and the need for an authoritative view on the science.
Onceagain,thechapterauthorshavebeenselectedonthebasisoftheirestablishedreputationin
thefieldandtheirabilitytowritewithclarityofpresentation.Iamdelightedthatahighproportion
ofthosewhowrotefortheFourthEditionhaveupdatedtheircontributionsfortheFifthEdition.A
number of those in fast-moving areas have completely re-written their contributions. Inevitably,
given the length of time between the editions, some authors have changed, and it is a pleasure to
welcome distinguished newcomers to the team.
Comparing the Fifth with the First Edition of this book, I am struck by the explosion in
knowledge in this vital area. Environmental pollution is now a very major area of research,
consultancy and technological development, and I hope that this book goes some way towards
providing an authoritative knowledge base for those working within the field.
Roy M. Harrison
Birmingham
Pollution:Causes,EffectsandControl,5thEdition
EditedbyRMHarrison
rTheRoyalSocietyofChemistry2014
PublishedbytheRoyalSocietyofChemistry,www.rsc.org
v
Contents
List of Contributors xix
Chapter 1 Chemical Pollution of the Aquatic Environment by Priority Pollutants and its
Control 1
Oliver A.H. Jones and Rachel L. Gomes
1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Pollution Control Philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Integrated Control Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Trans-boundary Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Complementary and Supplementary Control Measures . . . . . . . 8
1.2.4 Life-cycle Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.5 The Impacts of Chemical Mixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Regulation of Direct Discharge Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 The Water Framework Directive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 REACH Regulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Regulation of Diffuse Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Case Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.1 Disinfection By-Products (DBPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2 Oestrogenic Chemicals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.3 Pesticides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.4 Emerging Contaminants of Concern (ECC). . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Chapter 2 Chemistry and Pollution of the Marine Environment 29
Martin R. Preston
2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 General Features of the Oceanic Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Sources of Chemicals to the Oceans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 Circulation Patterns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Sea Water Reactivity – Biogeochemical Processes . . . . . . . . . . . 31
Pollution:Causes,EffectsandControl,5thEdition
EditedbyRMHarrison
rTheRoyalSocietyofChemistry2014
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vii
viii Contents
2.3 Sources, Movement and Behaviour ofIndividualPollutants or Classes of
Pollutant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Sewage and Nutrients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.3 Persistent Organic Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.4 Trace Metals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.5 Radioactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.6 The Effects of Artificial Radioactivity on the Marine
Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Chapter 3 Drinking Water Quality and Health 60
John K. Fawell
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Drinking Water Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Drinking Water Treatment and Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Sources of Contamination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5 Drinking Water Guidelines and Standards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Microbiological Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7 Chemical Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.1 Inorganic Contaminants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.2 Organic Contaminants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.8 Water Safety Plans (WSPs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.9 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Chapter 4 Water Pollution Biology 80
William M. Mayes
4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.1 The Role of Biology in Understanding Water Pollution. . . . . . . 80
4.1.2 Pollution Types and Interactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Organic Pollution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3 Eutrophication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1 Nutrient Pollution in Lakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.2 Nutrient Enrichment in Rivers and Groundwaters. . . . . . . . . . . 89
4.3.3 Managing Nutrient Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4 Acidification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.1 Acidification from Above: Sulfur and Nitrogen Oxides. . . . . . . . 91
4.4.2 Recovery from Acidification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4.3 Acidification from Below: Acid Mine Drainage . . . . . . . . . . . . . 94
4.5 Toxic Chemicals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.1 Modes of Action of Toxic Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.2 Bioaccumulation and Biomagnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6 Thermal Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.6.1 Anthropogenic Impacts on Thermal Regime . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.6.2 Climate Change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Contents ix
4.7 Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.8 Oil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.9 Emerging Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.9.1 Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.9.2 Human and Veterinary Medicines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.10 Biological Monitoring of Pollution in Freshwaters . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.10.1 Laboratory Monitoring Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.10.2 Field Monitoring Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.11 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Chapter 5 Sewage and Sewage Sludge Treatment 115
Elise Cartmell
5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.1 Objectives of Sewage Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.2 The Importance of Wastewater Reuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.3 Criteria for Sewage Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1.4 Composition of Sewage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 Sewage Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.1 Preliminary Treatment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Primary Sedimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.3 Secondary (Biological) Treatment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.4 Secondary Sedimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3 Sludge Treatment and Reuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.1 Sources of Municipal Sludge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.2 Sludge Recycling Options. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.3 Pre-treatment Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3.4 Sludge Treatment Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Chapter 6 Treatment of Toxic Wastes 140
Stuart T. Wagland and Simon J. T. Pollard
6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.1.1 Definition of Toxic and Hazardous Wastes . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1.2 Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.1.3 Case Study: Detection of Hazardous Materials used in the
Preservation of Wood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Treatment and Management Routes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.1 Introduction and Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.2 Case Study: Animal Carcass Disposal following Disease
Outbreak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.2.3 Thermal Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.2.4 Chemical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.3 Environmental and Health Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.3.1 Case Study: Severe Environmental Consequences of Poor
Hazardous Waste Management (Spodden Valley, UK). . . . . . . . 152
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
x Contents
Chapter 7 Air Pollution: Sources, Concentrations and Measurements 157
Roy M. Harrison
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.2 Specific Air Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2.1 Sulfur Dioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2.2 Suspended Particulate Matter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.2.3 Oxides of Nitrogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.2.4 Carbon Monoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.2.5 Hydrocarbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.2.6 Secondary Pollutants: Ozone and Peroxyacetyl Nitrate. . . . . . . . 171
7.3 Temporal Patterns of Airborne Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.4 Air Quality Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.5 Indoor Air Quality. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.6 International Perspective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.7 Appendix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.7.1 Air Pollutant Concentration Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Chapter 8 Chemistry of the Troposphere 182
Roy M. Harrison
8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.1.1 Pollutant Cycles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2 Atmospheric Chemical Transformations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.2.1 The Importance of the Hydroxyl Radical (OH) . . . . . . . . . . . . . 186
8.3 Atmospheric Oxidants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.3.1 Formation of Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.3.2 Formation of PAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.3.3 NO Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
y
8.4 Atmospheric Acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.4.1 Weak Acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.4.2 Strong Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.4.3 Sulfuric Acid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.4.4 Nitric Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.4.5 Hydrochloric Acid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.4.6 Methanesulfonic Acid (MSA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.5 Atmospheric Bases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.6 Atmospheric Aerosols and Rainwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.6.1 Atmospheric Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.6.2 Rainwater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.6.3 Inter-relationships between Pollutants, Environmental Effects and
Impacts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Chapter 9 Chemistry and Pollution of the Stratosphere 204
A. Robert MacKenzie and Francis D. Pope
9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Contents xi
9.2 Stratospheric Ozone Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
9.2.1 Gas-Phase Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
9.2.2 Heterogeneous Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
9.3 Natural Sources of Trace Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.4 Anthropogenic Sources of Trace Gases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.4.1 Direct Injection of Pollutants into the Stratosphere. . . . . . . . . 214
9.5 Antarctic Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
9.6 Arctic Zone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.7 Mid-Latitude Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.8 Legislation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.9 Geoengineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.10 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Chapter 10 Atmospheric Dispersal of Pollutants and the Modelling of Air Pollution 225
Martin L. Williams
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.2 Dispersion and Transport in the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
10.2.1 Mechanical Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
10.2.2 Turbulence and Atmospheric Stability. . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
10.2.3 Boundary Layer and Mixing Heights . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.2.4 Building, Topographical and Street Canyon Effects . . . . . . . . 230
10.2.5 Removal Processes – Dry and Wet Deposition. . . . . . . . . . . . 231
10.3 Modelling of Air Pollution Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.3.1 Modelling in the Near-field. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.2 Operational Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.3.3 Emission Inventories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.3.4 Modelling beyond Urban Scales – Long Range Transport and
Chemical Transport Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.3.5 Uncertainty and Accuracy of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Chapter 11 Air Pollution and Health 244
Robert L. Maynard and Jon Ayres
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
11.2 Exposure to Air Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
11.3 Epidemiological Methods Applied in the Air Pollution Field . . . . . . . 246
11.3.1 Time Series Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11.3.2 Cohort Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.3.3 Intervention Studies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11.4 Individual Air Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.4.1 Particulate Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.4.2 Problems with Mass as a Metric of Dose. . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.4.3 Other Possible Metrics of ‘‘Dose’’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
11.4.4 World Health Organisation Air Quality Guidelines for
Particulate Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
xii Contents
11.4.5 Nitrogen Dioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.4.6 Sulfur Dioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.4.7 Ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
11.4.8 Carbon Monoxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.4.9 Carcinogenic Air Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
11.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Chapter 12 Impacts of Air Pollutants on Crops, Trees and Ecosystems 268
Mike Ashmore
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.2 Methods of Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
12.3 Sulfur Dioxide and Sulfur Deposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.4 Nitrogen Oxides, Ammonia and N Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
12.5 Ozone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
12.6 Interactions between Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.6.1 Sulfur Dioxide and Nitrogen Oxides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
12.6.2 Interactions between Ozone and Elevated CO
2
Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.7 Interactions with Biotic and Abiotic Factors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.7.1 Climate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.7.2 Interactions with Pests and Diseases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
12.8 Critical Loads and Levels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.9 Effects on Ecosystem Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Chapter 13 Control of Pollutant Emissions from Road Transport 297
Claire Holman
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.2 Engines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
13.2.2 Spark Ignition/Petrol Engines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
13.2.3 Compression Ignition/Diesel Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.3 Controlling Regulated Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
13.3.2 Exhaust After-treatment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
13.4 Reducing Carbon Dioxide Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.5 Fuel Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.6 Alternative Fuels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
13.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
13.6.2 Natural Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
13.6.3 Electric Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
13.6.4 Hybrid Electric Vehicles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
13.6.5 Biofuels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.6.6 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
13.7 Particle Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
13.8 Non-exhaust Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Contents xiii
13.9 In-service Emissions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
13.10 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Chapter 14 Climate Change 326
Keith P. Shine
14.1 Historical and Political Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
14.2 Scientific Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
14.3 Observed Changes in Climate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
14.4 Changes in Atmospheric Composition and Radiative Forcing. . . . . . . 332
14.5 Modelling Climate Change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
14.6 Attribution of Climate Change over Past 150 Years. . . . . . . . . . . . . . 336
14.7 Modelling Future Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
14.8 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Chapter 15 Soil Pollution and Risk Assessment 340
Chris D. Collins
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
15.2 Sources of Soil Pollutants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15.2.1 Potentially Toxic Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15.2.2 Organic Pollutants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
15.2.3 Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3 Pathways of Pollutants in Soils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
15.3.1 PTEs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
15.3.2 Organic Pollutants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
15.3.3 Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
15.4 Consquences of Soil Pollution – Risk Assessment . . . . . . . . . . . . . . . 349
15.4.1 Fine Tuning the Risk Assessment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
15.5 Remediation of Contaminated Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
15.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Chapter 16 Solid Waste Management 356
Gev Eduljee
16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
16.2 An Integrated Approach to Waste Management . . . . . . . . . . . . . . . . 357
16.2.1 The Waste Management Hierarchy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
16.2.2 An Integrated Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
16.3 Technical Options for Waste Prevention and Recycling . . . . . . . . . . . 359
16.3.1 Opportunities for Waste Avoidance and Minimization. . . . . . 359
16.3.2 Collection and Sorting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
16.4 Policy Options to make Waste Prevention and Recycling Work in
Practice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
16.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
16.4.2 Producer Responsibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362