The State of Kuwait has three large refineries, namely, Mina Al Ahmadi Refinery, Mina Abdullah Refinery and Shuaiba Refinery. These refineries process and refine Kuwait Crude Oil through different process units. There are many heaters, boilers and flares that form a part of the complicated equipment which enhance the different petroleum processes. Fuel gas is used as a firing fuel for those heaters and boilers. As a result, stack emissions like SO2, NOx, CO are predominantly present in the flue gases and this study focuses on those emissions and their impact on the surrounding residential area. The area of interest will be Umm Al-Hyman residential area. This study accumulates emission inventories from the three refineries and the respective ground level concentration of the pollutants in the neighboring residential area. It also focuses on the impact of emissions from the refinery operations on the ground level concentrations in the surrounding areas by using the inventory model and latest emission factors to provide accurate emission estimates. The models were developed and the results were verified with the actual data from the area of impact. As a result of the findings of the major pollutants, namely SO2, NOx & CO, it is found that SO2 and CO are not exceeding Kuwait EPA Ambient Air Quality Standards for Residential Areas normally. However, NOx is observed to exceed occasionally. Even though, NOx emissions from refineries sources represented by plume models were much less, there is a consistent increase in the measured NOx. Furthermore, in 2007, the measured hourly, daily and annual NOx concentration exceeded the international standard many times. The increasing trend in NOx is attributed to continuous increase in population and the number of motor vehicles. The study will go further step in recommending engineering solutions and best practices to reduce the pollutants concentrations which will help in the reduction of human health risks and protect the environment.

Les composés organiques volatils (COV) jouent un rôle majeur au sein du système atmosphérique puisqu’ils interviennent en tant que précurseurs d’ozone troposphérique et d’aérosols organiques secondaires (composés aux divers impacts sanitaires et climatiques) ; d’où le réel besoin de mieux les caractériser. A ce jour, de fortes incertitudes demeurent quant à leur nature, leur quantification et la contribution de leurs sources d’émissions respectives.Cette thèse propose, au travers d’expérimentations de laboratoire et de terrain, une caractérisation exhaustive des COV et de leurs principales sources d’émissions en région Île-de-France. Les méthodes mises en place dans ce travail de thèse reposent sur la détermination de profils de spéciation caractéristiques du trafic routier, du chauffage au bois et du gaz naturel à partir d’investigations en champ proche (en tunnel, en cheminée et à partir d’un conduit de gaz domestique). Ces différents profils de source ont été utilisés comme empreinte chimique de référence pour l’identification des principales sources d’émissions de COV, dont les contributions respectives ont été estimées à l’aide du modèle source-récepteur Positive Matrix Factorization (PMF), appliqué sur une année d’acquisition de mesures COV (HCNM+COVO) à Paris. Ce travail de thèse a ainsi permis, pour la première fois, d’étudier la variabilité saisonnière des COV et de leurs sources majeures. Les émissions liées au trafic routier ont été révélées comme la principale source de COV d’origine locale/régionale à Paris (contribuant à ¼ des émissions totales à l’échelle annuelle). L’impact prépondérant du chauffage au bois en hiver (50 % de la masse totale COV mesurée) a également été mis en évidence. Les résultats de cette étude de répartition de sources ont été confrontés à l’inventaire des émissions d’Airparif. Nous avons souligné un bon accord entre nos observations et l’inventaire pour les sources liées au trafic automobile et au chauffage au bois.Cette évaluation indépendante des inventaires est essentielle puisque ces derniers sont aujourd’hui utilisés comme données d’entrée au sein des modèles de prévision de qualité de l’air. / Volatile organic compounds (VOCs) play a key role within the atmospheric system acting as precursors of ground-level ozone and secondary organic aerosols (causing health and climatic impacts); hence the growing interest of better characterizing them. Significant uncertainties are still associated with compounds speciation, quantification and respective contributions from the different emission sources.This thesis proposes, through several laboratory and intensive field campaigns, a detailed characterization of VOCs and their main emissions sources within the Île-de-France region. We used methods based on the determination of speciation profiles indicative of road traffic, wood burning and natural gas sources obtained from near-field investigations (inside a tunnel, at a fireplace and from a domestic gas flue). These different source profiles were used as chemical fingerprints for the identification of the main VOC emission sources, which respective contributions were estimated using the Positive Matrix Factorization (PMF) source-receptor model applied to one-year VOCs (including NMHC+OVOC) measurements in Paris. This thesis allowed, for the first time, to evaluate the seasonal variability of VOCs and their main emission sources. Road traffic-related emissions are major VOC local/regional sources in Paris (contributing to a quarter of total annual emissions). The important impact of wood burning in winter (50 % of the VOC total mass) was observed. Results obtained from this approach were compared with the regional emissions inventory provided by the air quality monitoring network Airparif. Finally, a good agreement was found between our observations and the inventory for road traffic and wood burning-related sources.This independent assessment of inventories is of great interest because they are currently used as input data within air quality prediction models.

En réponse aux changements climatiques avérés et à une qualité de l'air qui se dégrade, la quantification des émissions de gaz à effet de serre et des polluants atmosphériques des régions urbanisées suscite un intérêt croissant. La meilleure description des émissions anthropiques actuellement disponible est proposée par les inventaires d'émission. Mais leurs estimations, fournies par secteur, reposent sur la combinaison de données d'activité et de facteurs d'émission déterminés sur bancs d'essai et qui ne représentent pas forcément bien les conditions réelles d'émission. Paris, en tant que 3e mégapole européenne, se place dans ce contexte et nous avons choisi d'utiliser des méthodes reposant sur l'acquisition de mesures in situ en région parisienne pour caractériser le signal urbain et vérifier les estimations de l'inventaire régional haute résolution d'Airparif. Les méthodes mises en place dans ce travail de thèse reposent sur l'utilisation conjointe de différents traceurs atmosphériques (CO, NOx, COV). En effet, ils sont co-émis au CO2 lors des processus de combustions incomplètes dans des proportions supposées caractéristiques du secteur d'émission. Les rapports de concentration entre les différentes espèces co-émises sont donc un outil de choix pour cette étude. Nous avons alors développé différentes méthodes d'évaluation de ces rapports pour caractériser les émissions pour l'une des sources prédominantes de CO2 à Paris (le trafic routier) ou dans le panache parisien. Les variabilités spatiale et saisonnière des rapports ont notamment pu être étudiées et les conclusions obtenues n'étaient pas forcément référencées dans les estimations des inventaires ou d'études antérieures. Nous avons comparé nos résultats aux estimations fournies par l'inventaire le plus récent d'Airparif qui apparait généralement surestimer ces rapports. Enfin, nous avons combiné les résultats de l'approche multi-espèces à ceux fournis par l'analyse des isotopes du carbone dans le CO2 (souvent utilisés comme référence pour l'étude des émissions anthropiques). D'après leur analyse, les émissions de CO2 à Paris sont majoritairement d'origine fossile (81 %) et l'utilisation des combustibles fossiles est répartie quasi équitablement. Finalement, l'accord satisfaisant trouvé entre les deux démarches (multi-espèces et isotopique) a permis d'affirmer leur pertinence pour l'étude des signaux urbains moyens. / In response to changing air quality and climate, there is a growing interest in quantifying emissions ofatmospheric pollutants and greenhouse gases from urban areas. Currently emission inventories provide the most detailed description of anthropogenic emissions. However, their estimates rely on the combination of activity proxies and emission factors for individual source sectors calibrated for benchmarck situations that may significantly differ from real conditions. Paris, the third largest megacity in Europe, can be considered in this context. We used methods based on in situ measurements in this region to characterise the urban signal and independently assess the latest estimates from the regional inventory. The methods we developed rely on the joint analysis of atmospheric tracers (CO, NOx, VOCs) which are co-emitted with CO2 during incomplete combustion processes in ratios that are characteristic of each emission sector. These ratios between co-emitted species are thus an appropriate tool to study the urban signal. During this PhD, we developed several methods to evaluate the ratios using measurements for a major CO2 emission source in Paris (road traffic) or for measurements acquired in the urban atmosphere. We revealed spatial and seasonal variabilities in these ratios and the main conclusions were not necessarily in complete accordance with the ones from inventories or previous studies. We also compared our results to the estimates provided by the latest regional inventory, which appears to overestimate them in most cases. Finally, we combined the results obtained with the multi-species analysis to the ones provided by isotopic analyses (which are often used as a reference to study anthropogenic emissions). According to the analyses of these measurements, CO2 emissions in Paris came mostly from combustion of fossil fuels (81 %) and the use of each fossil fuel is almost equally distributed. Finally, the satisfactory agreement found between the two approaches (multi-species and isotopic one) confirmed their relevancefor the analysis of mean urban signals.

La combustion de la biomasse, en particulier le chauffage au bois résidentiel, constitue une source d’émissions fortement contributrice aux concentrations de PM10 en hiver, de façon globale, en Europe. Afin de réduire les émissions de cette source, un programme de large envergure de renouvellement d’appareils de chauffage au bois non-performant, le Fonds Air Bois a été lancé depuis 2013 dans la vallée de l’Arve. Cette action étant amenée à se multiplier en France, l’évaluation de son effet sur les concentrations atmosphériques constitue un enjeu pour les futures politiques de gestion de la qualité de l’air. Le programme PRIMEQUAL DECOMBIO (2013-2018) a été proposé afin de mettre en place des méthodologies permettant d’évaluer l’impact de cette opération sur les concentrations de PM10 à partir de mesures de terrains. Ce programme DECOMBIO, qui a servi de cadre à ce travail de thèse, s’est appuyé sur la confrontation durant 4 hivers des mesures en continu des PM10 issus de la combustion de la biomasse (noté PM10wb), des conditions météorologiques, et des variations d’émissions liées au renouvellement des appareils. Pour répondre à cet enjeu, les travaux de cette thèse ont eu pour objectif de développer des méthodes permettant de prendre en compte l’influence des conditions atmosphériques sur les concentrations hivernales de PM10 et d’évaluer les paramètres et facteurs d’incertitudes permettant de comparer les variations estimées d’émissions de PM10wb avec celles des concentrations mesurées de PM10wb au cours des 4 hivers.Ces travaux se sont appuyés sur d’importantes bases de données de mesures chimiques et météorologiques constitués durant 4 hivers (13-14 à 16-17) au niveau de 3 sites dans la vallée de l’Arve. Par ailleurs, les données techniques issues des dossiers de renouvellements des appareils pour bénéficier de l’aide financière du Fonds Air Bois nous ont été communiquées, nous permettant de spatialiser et temporaliser les réductions des émissions de PM10wb estimées provenant de ces remplacements d’appareils. L’état de la stabilité thermique de l’atmosphère, paramètre essentiel pour déterminer les épisodes d’inversions thermiques, a été suivi en continu grâce à un système peu onéreux de capteurs de température sous abris installés le long des pentes. Ces mesures ont permis de montrer que les conditions météorologiques locales dans ces vallées encaissées sont le facteur premier conditionnant les concentrations atmosphériques. Une classification automatique des conditions atmosphériques a été établie, permettant de s’affranchir de cette variabilité et de comparer les concentrations pour des conditions atmosphériques similaires entre les différents hivers. L’innovation de cette approche repose principalement sur la prise en compte du degré d’influence de variables météorologiques et de paramètres liés à l’intensité des émissions. Une diminution graduelle des concentrations de PM10wb au cours des hivers a ainsi pu être constatée au niveau des 3 sites pour certaines classes de conditions atmosphériques, résultat consolidé par la diminution concomitante des traceurs de la combustion de la biomasse à la masse des PM10. Afin de préciser ces résultats, nous nous sommes intéressés à estimer la réduction des émissions de PM10 des remplacements d’appareils au niveau des sites de mesures et leurs incertitudes.Au terme de ce travail et du programme DECOMBIO, nous avons été à même de développer et de valider plusieurs outils méthodologiques applicables dans l’évaluation de futurs fonds air bois (utilisation de capteurs le long des pentes, classification météorologique adaptée à la qualité de l’air, estimation des incertitudes sur les émissions de parc de dispositifs de chauffage au bois). Ces bases solides nous ont permis de mieux comprendre les mesures réalisées sur les PM atmosphériques, et leurs liens avec les estimations des émissions. / Biomass burning, particularly residential wood burning, is a source of atmospheric particles that contributes significantly to winter PM10 levels globally in Europe. In order to reduce emissions from this source, a large-scale program for the renewal of non-efficient wood-burning appliances, the “Fonds Air Bois” has been launched since 2013 in the Arve Valley. The assessment of its impact on atmospheric concentrations is an issue for future air quality management policies. The research DECOMBIO program (2013-2018) has been proposed to evaluate the impact of this operation on PM10 concentrations from measurements. This DECOMBIO program, which includes these thesis works, was based on the confrontation during 4 winters of continuous measurements of PM10 resulting from biomass burning (noted PM10wb), weather conditions, and emissions variations related to appliances renewal. To answer this challenge, the aim of this thesis was to develop methods to take into account the influence of atmospheric conditions on winter PM10 concentrations and to evaluate the parameters and uncertainties that make it possible to compare the estimated PM10wb emission variations with those of the measured PM10wb concentrations during the 4 winters.This work was based on large datasets of chemical and meteorological measurements made during 4 winters (13-14 to 16-17) at 3 sites in the Arve Valley. In addition, the technical data from wood appliances renewal files was provided to us, allowing us to spatially and temporally estimated reductions of PM10wb emissions from these appliances replacements. The state of atmospheric stability, an essential parameter for determining episodes of temperature inversions, has been continuously monitored thanks to an inexpensive system of sheltered temperature sensors installed along the slopes. These measurements have shown that local weather conditions in these valleys are the primary factor conditioning atmospheric concentrations. An automatic weather types classification has been established, making it possible to overcome this variability and to compare the concentrations for similar atmospheric conditions between the different winters. The innovation of this approach is mainly based on taking into account the degree of influence of meteorological variables and parameters related to the intensity of emissions. A gradual decrease of PM10wb concentrations during winters was thus observed at the 3 sites for certain weather types, a result consolidated by the concomitant decrease in tracer biomass combustion at the mass of PM10. To clarify these results, we were interested in estimating the reduction of PM10 emissions from device replacements at measurement sites and their uncertainties.At the end of this work and of the DECOMBIO program, we have been able to develop and validate several methodological tools applicable in the evaluation of future “fonds air bois” (use of sensors along the slopes, meteorological classification adapted to the quality of the air, estimation of uncertainties on wood appliances renewable emissions). This solid foundation has allowed us to better understand the measurements made on atmospheric PM, and their relationship to emission estimates.