IVL Swedish Environmental Research Institute

Oil spills, the most frequent environmental incidents in Sweden, have decreased in recent years but still pose risks to drinking water and aquatic ecosystems, with about 600 cases registered annually by the Swedish Fire Protection Association. Yet, detailed information about modern fuels and their environmental and human health impacts remains scarce. Hence, this study focuses on enhancing the understanding of the environmental impact of common fuels.This study collected thirty fuel samples of different types: petrol, diesel, fuel oil, and marine gas oil. A selected number of substances in the fuels and the water-soluble phase were analysed using GC-MS.

A crucial step in the analytical method in this project, since the focus was on the effect on sub-surface aquatic life and drinking water production, was to form a stable water-accommodated fraction (WAF) where non-dissolved fuel elements were separated from the water. Since odour properties were of interest, the mixing was extensive, with limited space allowed for gases, meaning that more volatile organic carbons (VOC:s) would be in solution. The chemical analysis focused on identifying and quantifying 50 substances, including aromatic hydrocarbons, aliphatic hydrocarbons, ethers, and esters, plus 17 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH:s) for eight of the samples. These substances were chosen for their significance in interpreting results related to odour and to illustrate the proportion of light and heavy substances in the fuels.Twelve of the thirty fuel samples were selected for odour threshold testing, where a dilution series from the WAF was used to evaluate the intensity of odours at different concentrations. Six samples were chosen for ecotoxicological assessments on crustaceans, algae, and bacteria, offering a comprehensive understanding of the ecotoxicity of the fuel-water mixtures. Four samples were used in tailor-made evaporation experiments to study how volatile fuel components evaporate from the water surface under different temperatures and ethanol concentrations.For odour, three fuels were notably distinguished, namely the fuels containing higher concentrations of ether: 98 Octane petrol and E85 fuel.

While there was significant variability in odour thresholds among different panel members, the concentration of MTBE (Methyl Tertiary-Butyl Ether) in the fuel-water mixtures was generally identified as a precise predictor of odour. Conversely, the lack of ether in diesel fuels made them significantly less prone to cause odour in the WAF.Generally, petrol-specific substances dissolve more readily in water than those in diesel, which only marginally ended up in the water-accommodated fraction. However, ethanol in petrol and RME (rapeseed methyl ester) in diesel favoured the dissolution of hydrocarbons into water. For ether, which is of utmost importance for odour, a strong correlation was observed between the concentration of ether in water and its content in the fuel. Therefore, it is possible to predict the ether concentration in the WAF solely from ether concentration in the fuel, meaning that ethanol did not significantly increase ether solubility.In the case of a fuel spill into surface water, volatile substances like ether or toluene evaporate into the air, reducing the water concentration. The experimental conditions in this study do not reflect actual real-world conditions. The evaporation experiments showed that the evaporation of ether can be predicted based on the WAF ether concentration, water temperature, and ethanol content. It was found that cold water (5 °C) conditions reduce the evaporation rate of ether to almost negligible levels.The ecotoxicological tests showed reproduction inhibitions in crustaceans across all fuel samples. However, the inhibiting effect from HVO (hydrogenated vegetable oil) was only marginally greater than that of the control. Fuel oil and some petrol fuels had detrimental effects on the algae growth, while diesel did not.

The decrease of luminescence of bacteria, an indicator of toxicity, exhibited a similar trend; petrol fuels inhibited luminescence more than diesel. None of the fuels disturbed activated sludge to the extent that respiration was inhibited at toxic levels. This shows that an active sludge is more robust than single organisms, probably due to the diverse bacteria flora.For a drinking water producer, fuels containing water-soluble ethers, such as E85 and 98 Octane petrol, are the most prominent risk. If a spill occurs in the drinking water supply, the production disturbance likelihood depends on the dilution prerequisites below the odour threshold of 1.5-4 µg/L. The study also shows that modern diesel has become an issue of marginal concern for surface water-based raw water sources due to very low solubility and regulations that have reduced the amounts of toxic substances in the products.For freshwater ecosystems, water-soluble petrol-associated substances and hydrophobic toxic substances in fuel oil or EU diesel have the most severe effects during a spill. However, MK1 and HVO diesel only marginally affected the test organisms compared to the control, which represents unaffected organisms.

Oljeutsläpp har minskat i antal de senaste åren, men utgör fortfarande den vanligaste miljöskadan, med cirka 600 fall som hanteras årligen av restvärderäddning. Trots detta är information om moderna bränslen och deras påverkan på miljö och människors hälsa fortfarande knapphändig. Därför fokuserar denna studie på att öka kunskapen kring vanliga bränslens kemiska innehåll och miljöpåverkan av dessa vid utsläpp.Inom ramen för denna studie samlades trettio bränsleprover av olika typer in: bensin, diesel, eldningsolja och MGO (Marine Gas Oil). Bränslenas, såväl som den vattenlösliga fasens kemiska sammansättning analyserades med hjälp av GC-MS (gaskromatografi med masspektrometer).

Ett viktigt moment i metoden, eftersom fokus låg på påverkan på vattenekosystem och dricksvattenproduktion, var att skapa en stabil WAF (water-accomodated fraction) genom att blanda vatten och bränsle och sedan låta icke lösta ämnen separera från vattenfasen. I blandningen gavs ett begränsat utrymme för gaser, vilket innebar att mer flyktiga organiska kolväten (VOC) fanns i vattenlösningn. Detta var ett medvetet val, då dessa ämnen förväntades ge utslag i lukttester och att en stor skillnad mellan olika bränslen var önskvärd. Den kemiska analysen fokuserades på att identifiera och kvantifiera 50 ämnen, inklusive aromatiska kolväten, alifatiska kolväten, etrar och estrar, samt 17 polycykliska aromatiska kolväten (PAH:er) i åtta av bränsleproverna. Dessa ämnen valdes dels för att de väntades påverka luktegenskaper, dels för att illustrera fördelningen mellan lätta och tunga ämnen i bränslena. Tolv av de trettio bränsleproverna valdes ut till lukttester, där en spädserie tillverkades utifrån WAF för bränslena. Denna användes för att utvärdera lukt vid olika spädningar. Sex prover valdes ut för ekotoxikologiska tester av kräftdjur, alger och bakterier, vilket ger en relativt god förståelse för ekotoxiciteten hos bränsle-vattenblandningarna. Fyra prover användes i specialdesignade avdunstningsexperiment för att studera hur flyktiga bränslekomponenter avdunstar från vattenytan vid olika temperaturer och etanolkoncentrationer. Resultaten med avseende på lukttester gav att tre bränslen stack ut kraftigt från övriga. Dessa bränslen var de som innehåller högre koncentrationer av eter: 98-oktanig bensin och E85-bränsle.

Även om variationer med avseende på lukttrösklar mellan olika panelmedlemmar var stor, var sambandet mellan MTBE (metyl-tertiär-butyleter) i bränsle-vattenblandningarna och lukt mycket stark. Omvänt gjorde avsaknaden av eter i dieselbränslena dem betydligt mindre benägna att orsaka lukt i WAF. Etanol i bensin och RME (rapsmetylester) i diesel gjorde att mer av respektive bränsle löstes i vatten. Generellt löser sig bensinspecifika ämnen väsentligt lättare i vatten än de i diesel, som bara marginellt finns i vattenfraktionen. För eter, som har stor betydelse för lukt, spelar koncentrationen etanol mindre roll. Eter är så pass vattenlösligt att det kunde observeras ett starkt samband mellan koncentrationen av eter i vatten och dess innehåll i bränslet, utan hänsyn tagen till etanol. De förhållanden som rådde vid blandning av bränsle och vatten i denna studie återspeglar inte verkliga förhållanden. Vid bränslespill i ytvatten avdunstar en del av de flyktiga ämnena såsom eter eller toluen till luft, vilket minskar koncentrationen i vatten. Experimenten visade att avdunstningen av eter kan förutsägas baserat på WAF-eterkoncentrationen, vattentemperaturen och etanolhalten. De visade också att kallt vatten (5 °C) minskar avdunstningshastigheten för eter till nästan försumbara nivåer. De ekotoxikologiska testerna visade reproduktionshämningar hos kräftdjur i alla bränsleprover. Den hämmande effekten från HVO (hydrerad vegetabilisk olja) var dock endast marginellt mer än kontrollen. Eldningsolja och vissa bensinbränslen hade skadliga effekter på algtillväxt, medan diesel inte hade det.

Resultatet med avseende på bakteriers luminiscens var i samma riktning; Bensinbränslen hämmade luminiscensen mer än diesel. Inget av bränslena hämmade respirationen hos aktivt slam i sådan utsträckning att toxiska nivåer kunde konstateras. Detta visar att ett aktivt slam är mer robust än enskilda organismer, på grund av den mångsidiga bakteriefloran. För en dricksvattenproducent är bränslen som innehåller vattenlösliga etrar, såsom E85 och 98-oktanig bensin, den mest potenta risken. Om ett utsläpp inträffar i en dricksvattentäkt beror sannolikheten för produktionsstörning på förutsättningarna för utspädning så att eterkoncentrationen går under lukttröskeln på 1,5-4 μg/L. Modern diesel (både svensk och europeisk) har däremot, genom väldigt låg vattenlöslighet och tack vare regleringar som minskat andelen toxiska ämnen i produkterna, blivit en marginell risk för ytvattentäkter. För sötvattensekosystem har vattenlösliga bensinrelaterade ämnen och hydrofoba giftiga ämnen i eldningsolja eller EU-diesel de allvarligaste effekterna vid ett utsläpp. MK1-diesel eller HVO-diesel påverkade testorganismerna endast marginellt jämfört med kontrollen, som representerar opåverkade organismer.