Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."— Előadás másolata:

1 Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 Miért kell foglalkoznunk ezzel a témával? Az egyes transzport folyamatok erőteljesen befolyásolják a szennyezőanyagok terjedését és a kialakuló koncentráció eloszlást. talajvízmozgás talajvíztükör felszín

3 Anyagmérleg h 1, C 1 h 2, C 2 szorpciós folyamatok advekció lebomlás átalakulás diffúzió és diszperzió advekció, be advekció, ki diszperzió, be diszperzió, ki h 3, C 3

4 oldott anyag koncentrációjának megváltozása advekció (konvekció) be - ki + diffúzió és diszperzió, be - ki + nulladrendű forrás-nyelőelsőrendű forrás-nyelő + felületen megkötött anyag koncentrációjának megváltozása (adszorpció) + == Anyagmérleg

5 t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3] n: porozitás [-]  s : a szilárd váz sűrűsége [M/ L 3] C s : az adszorbeált anyag koncentrációja [M/ M] v: a szivárgási sebesség vektora [L/T] D m : a molekuláris diffúziós együttható [L 2 /T] D k : a diszperziós tényező tenzora (mechanikai vagy kinematikai diszperzió) [ L 2 /T] ,0: a koncentrációtól független (un. nullad-rendű folyamat) együtthatója [M/L 3 /T]  1 : a koncentrációtól függő (un. elsőrendű folyamat) forrás/nyelő együtthatója [1/T] C*: csak peremi pontokra!! = C o, ha távozó vízről van szó (q<0) [M/L 3 ] = C ko, a kívülről érkező víz koncentrációja (q>0) [M/L 3 ] A felszín alatti vizekre vonatkozó transzportegyenlet k

6 dCo/dt = -1/n.div(v.Co) dCo/dt = -1/n.[Co.div(v) + v.grad(Co)] t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3] n: porozitás [-] v: a Darcy-féle szivárgási sebesség vektora [L/T] Az elemi térfogatba vízzel együtt belépő és kilépő szennyezőanyag különbsége: v.Co A vízmozgás tényleges sebessége v/n, mert a víz csak a pórusokban mozog Advekció A vízzel együtt mozgó oldott szennyezőanyag transzportja

7 Advekció A vízzel együtt mozgó oldott szennyezőanyag transzportja x C ADVEKCIÓ x=v*t áramlás iránya

8 Advekció A vízzel együtt mozgó oldott szennyezőanyag transzportja Advekció 0 0,2 0,4 0,6 0, idő (nap) C/Co Co C v L t = L/(v/n)

9 dCo/dt = -1/n.div(v.Co) +div(D.grad(Co)) dCo/dt = -1/n.div(v.Co) +D.div(grad(Co)) + grad(Co).grad(D) t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3] n: porozitás [-] v: a Darcy-féle szivárgási sebesség vektora [L/T] D: hidrodinamikai diszperziós tényező D = Dm + Dk Dm: molekuláris diffúziós együttható [L 2 /T] Dk: mechanikai vagy kinematikai diszperziós tényező [L 2 /T] Molekuláris diffúzió: a koncentrációkülönbség hatására kialakuló transzport (lineáris függvény – az arányossági tényező a diff. együttható) A kinematikai diszperzió: a sebességvektor irányváltozásaiból adódó szóródás (más fizikai tartalom, de azonos matematikai leírás  D=Dm + Dk) Diffúzió és diszperzió Koncentrációkülönbség kiegyenlítése miatt kialakuló és a sebességvektor változásaiból adódó transzport

10 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Mikroszkópikus diszperzió Lamináris vízmozgás, de ütközés a szilárd szemcsékkel Egyenlőtlen sebességeloszlás Longitudinális diszperzió Transverzális diszperzió

11 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Makroszkópikus diszperzió Geológiai heterogenitás A diszperziós tényező léptékfüggő !!!!

12 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Makroszkópikus diszperzió z kxkx C x

13 x C ADVEKCIÓ DIFFÚZIÓ+DISZPERZIÓ Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport x=v*t

14 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Advekció+diszperzió

15 Lépték

16 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén Az oldott és a felületen megkötött anyag koncentrációja között egyensúly alakul ki Az adszorpció jelenségét az ún. izotermák írják le. Lineáris izoterma esetén: Cs=Kd.CoK d : megoszlási hányados Amíg ez az egyensúly ki nem alakul, a szennyezőanyag nem terjed tovább. Ha a szilárd váz adszorpciós kapacitása feltöltődött, az ezután érkező szennyezőanyag tovább terjed. Ha az érkező víz hígabb, a folyamat fordítottja játszódik le. Beoldódás (deszorbció) a szilárd vázról.

17 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén Amíg ez az egyensúly ki nem alakul, a szennyezőanyag nem terjed tovább.

18 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén Ha a szilárd váz adszorpciós kapacitása feltöltődött, az ezután érkező szennyezőanyag tovább terjed.

19 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén Ha az érkező víz hígabb, a folyamat fordítottja játszódik le. Beoldódás (deszorpció) a szilárd vázról.

20 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén Ha az érkező víz hígabb, a folyamat fordítottja játszódik le. Beoldódás (deszorpció) a szilárd vázról.

21 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén [n.dCo + (1-n).  s dCs]/dt =-div(v. Co) + n.div(D.grad(Co)) ha figyelembe vesszük a lineáris izotermát (Cs = K d.Co) és [1+  d  s (1-n)/n] - nel végigosztjuk az egyenletet, akkor a következőt kapjuk dCo/dt = -div(v/[1+K d.  s (1-n)/n].Co) + n.div(D/[1+K d.  s (1-n)/n].grad(Co)) Az adszorpció hatása tehát látszólag egy kisebb szivárgási sebességgel és diszperziós tényezővel helyettesíthető Ezért hívjuk a kövérrel szedett kifejezés értékét késleltetési tényezőnek. A görbére tehát ugyanaz érvényes, mint az advekcióra és diszperzióra, csak a sebességet és a diszperziós tényezőt értelemszerűen módosítani kell. Nem lineáris izotermák C s = K F.Co N --- Freudlich izoterma C s = K L /(1+Co) --- Langmuir izoterma

22 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén IZOTERMÁK – állandó hőmérsékleten Adszorbált C s Oldott C 0 LINEÁRISFREUNDLICHLANGMUIR

23 x C ADVEKCIÓ + DIFFÚZIÓ+DISZPERZIÓ Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén + ADSZORPCIÓ késleltetés x=v*t/R

24 Adszorpció Megkötődés a szilárd váz felületén Advekció+diszperzió+ adszorbció

25 Bomlás (nem konzervatív anyagok) Szennyezőanyag mennyiségének időbeli csökkenése Fizikai, kémiai folyamtok okozhatják folyamat sebességét befolyásolja: - talaj pH-ja - nedvességtartalma - hőmérséklet - szennyező jellemzői biológiai lebomlás sebességének és kinetikájának leírása - nulladrendű - elsőrendű - Monod  ütemű bomlás mind a pórustérben, mind szilárd fázison (radioaktív anyagokra igaz, biodegradáció esetén nem, de ott a szilárd fázis felületén bekövetkező bomlás elhanyagolható a pórus térben kialaukulóhoz képest)

26 Elsőrendű lebomlás (nem konzervatív anyagok) A koncentrációtól függő intenzitású lebomlás dCo/dt = Co.  1 lnCo =  1. t + C Co(t=0) = C k ln(Co/Ck) =  1. t Co = Ck.exp(  1.t), Lebomlás: ha  1.< 0 t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3]  1 : a lebomlás együtthatója [1/T] Radioaktív anyagok. Felezési idő : t 1/2 0,5C k = C k. exp(  1.t 1/2 )   1 =ln0,5/ t 1/2 Az áttörési kísérlet végkoncentrációja: Co,vég = Ck.exp(  1.L/v o ) LEBOMLÁS : C=C 0 *exp(  *t)

27 Kémiai átalakulás A nulladrendű lebomlási tagokon keresztül Annyi transzportegyenlet, ahány komponens A reakcióknak az adott komponensre vonatkozó következményei a nulladrendű forrás-nyelő tagokon keresztül jelennek meg A reakciók eredményeit az adott pillanatban érvényes koncentrációk függvényében, külön egyenletrendszer alapján számítjuk, termodinamikai egyetlenrendszer és adatbázis alapján

28 Transzportfolyamatok Advekció+diszperzió+ adszorbció+ lebomláskémiai átalakulás

29 Felszín alatti vízmozgás modellezése szennyezőanyag transzport: advekció diszperzió adszorpció lebomlás Modflow – MT3D

30 5 év Egy példa

31 10 év Egy példa

32 20 év Egy példa

33 30 év Egy példa

34 50 év Egy példa

35 100 év Egy példa

36 Transzport folyamatok – analitikus megoldás Kísérlet: a h 1 vízszintű tartályból C 0 koncentrációjú vizet áramoltatunk a talajon keresztül a h 2 vízszintű tartály felé, ahol mérjük a koncentráció változását → C(t) idősor (ÁTTÖRÉSI GÖRBE) Különböző talajokat, eltérő vízszinteket és eltérő anyagokat alkalmazva az egyes transzport folyamatok hatása vizsgálható Áramlás sebessége (Darcy-tv.): v = k*(h 1 -h 2 )/L 1.Impulzus jellegű szennyeződés mozgása; koncentráció hely szerinti változását Gauss görbe írja le 2.Oszlopkísérleteket leíró megoldások > áttörési görbék 3.Grafikus megoldás

37 Advektív áramlás potenciálos erőtér által létrejött mozgási folyamat konzervatív szennyezőanyag vízzel együtt mozog áramlás csak a pórusokban történik  tényleges sebesség: v 0 = v / n (hiszen Darcy sebesség teljes felületre vonatkozik, fluxus jellegű) C(t) = 0, ha t < L / v 0 C(t) = C 0, ha t >= L / v 0

38 Mennyi idő alatt ér el a szennyezés a h 2 vízszintű tartályba? két tartály közötti távolságporozitás szivárgási tényező bal oldali tartály vízszintje jobb oldali tartály vízszintje

39 Paraméter érzékenység vizsgálat Kiindulási paraméterek: L = 5 m n = 0.3 k = 10 m/d h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m meghatározható, hogy a szennyezés mikor éri el a 2. tartályt

40 Két tartály közötti távolság hatása n = 0.3 k = 10 m/d h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m L = 3 m; L = 5 m; L = 10 m

41 Két tartály közötti távolság hatása n = 0.3 k = 10 m/d h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m L = 3 m; L = 5 m; L = 10 m

42 Porozitás hatása L = 5 m k = 10 m/d h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m n = 0.1; n = 0.2; n = 0.3; n = 0.5

43 Porozitás hatása L = 5 m k = 10 m/d h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m n = 0.1; n = 0.2; n = 0.3; n = 0.5

44 Szivárgási tényező hatása L = 5 m n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m k = 1.2 m/d; k = 5 m/d; k = 10 m/d

45 Szivárgási tényező hatása L = 5 m n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m k = 1.2 m/d; k = 5 m/d; k = 10 m/d

46 Vízszint különbség hatása L = 5 m n = 0.3 k = 10 m/d dh = 0.1 m; dh = 0.2 m; dh = 0.5 m; dh = 1 m

47 Vízszint különbség hatása L = 5 m n = 0.3 k = 10 m/d dh = 0.1 m; dh = 0.2 m; dh = 0.5 m; dh = 1 m

48 Advektív transzport + diszperzió diffúzió: koncentráció különbségek hatására mikroszkópikus diszperzió: egyenlőtlen sebességeloszlásból adódó makroszkópikus diszperzió: geológia heterogenitásból adódó dC/dt = v o *dC/dx + D*d(dC/dx)/dx diszperziós tényező D =  * v 0  : diszperzivitás szétszóródás mértéke

49 Diszperziós tényező (D =  * v 0 ) hatása a szétszóródásra Kiindulási paraméterek: L = 5 m n = 0.3 k = 10 m/d h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m v0v0 D

50 Diszperziós tényező (D =  * v 0 ) hatása a szétszóródásra L = 5 m n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m k = 10 m/d  = 0.01; 0.1; 0.3 m

51 Diszperziós tényező (D =  * v 0 ) hatása a szétszóródásra L = 5 m n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m k = 10 m/d  = 0.01; 0.1; 0.3 m

52 Diszperziós tényező (D =  * v 0 ) hatása a szétszóródásra L = 5 m n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m k = 10; 5; 2 m/d

53 Diszperziós tényező (D =  * v 0 ) hatása a szétszóródásra L = 5 m n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m k = 10; 5; 2 m/d

54 Advektív transzport + diszperzió + adszorpció szennyezőanyag porózus közeg felületén történő reverzibilis megkötődése folyamatot izotermák írják le (kapcsolat oldott-adszorbeálódott anyag között) lineráis izoterma esetén: C s = K d * C 0 (K d megoszlási hányados) megoszlási hányados visszatartás dC/dt = v o /[1+K d.  s (1-n)/n].dC/dx + D/[1+K d.  s (1-n)/n].d(dC/dx)/dx

55 Megoszlási hányados K d hatása L = 5 m k = 10 m/d n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m

56 Megoszlási hányados K d hatása L = 5 m k = 10 m/d n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m

57 Advektív transzport + diszperzió + adszorpció + lebomlás bomlás a szennyezőanyag degradációjához vezet kémiai és radioaktív bomlás jellegében alapvetően különbözik egymástól, matematikailag azonos formában közelítjük akkor alkalmazható, ha szilárd fázisban bekövetkező bomlás lényegesen kisebb az oldott fázisénál lebomlási állandó visszatartás dC/dt = v a *dC/dx + D a *d(dC/dx)/dx +  *C

58 Lebomlási állandó  hatása L = 5 m k = 10 m/d n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m K d = 0.2  = 0.01; 0.1; 0.5

59 Lebomlási állandó  hatása L = 5 m k = 10 m/d n = 0.3 h 1 = 2 m h 2 = 1.85 m  = 0.1 m K d = 0.2  = 0.01; 0.1; 0.5

60 a szennyezett víz kitermelése (hidraulikai lokalizáció) Eltemetett hulladék, beszivárgási többlettel rendelkező területen Kutak távolsága ? Hozam? Hozam?

61 a szennyezett víz kitermelése (hidraulikai lokalizáció) Eltemetett hulladék, beszivárgási többlettel rendelkező területen Kutak távolsága ? Hozam?

62 áramlási holttér létrehozása kúttal munkagödörben hagyott veszélyes anyag, kötött fedőrétegű, feláramlási területen A kút távolsága ? Hozama?

63 áramlási holttér létrehozása terelőfallal munkagödörben hagyott veszélyes anyag kis vastagságú talajvízadóban A terelőfal helye ?

64 áramlási holttér létrehozása terelőfallal munkagödörben hagyott veszélyes anyag kis vastagságú talajvízadóban

65 áramlási holttér létrehozása drénekkel munkagödörben hagyott veszélyes anyag kis vastagságú talajvízadóban A drén méretei ?

66 a szennyezés tördelése Mezőgazdasági eredetű nem-pontszerű nitrátszennezés, beszivárgási terület A kitermelt vízzel öntözött terület Kutak kiosztása? Hozama?

67 Védőkút alkalmazása vízmű közelében Pontszerű szennyeződés, rétegvízre települt vízmű esetén A védőkút helye? Hozama?

68 Szennyezett víz kitermelése – minta modell

69 Szennyezett víz kitermelése Q= 20 m 3 /d

70 Szennyezett víz kitermelése Q= 100 m 3 /d

71 Szennyezett víz kitermelése Q= 50 m 3 /d

72 Következő óra (ápr 11.): Fetter Éva – BIOSCREEN Majd (ápr 18.): számítási gyakorlat SZÁMOLÓGÉP!!!!!!!!!!!


Letölteni ppt "Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."

Hasonló előadás


Google Hirdetések