Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Transzport II. Olajszennyezettség terjedése a talajban és a felszín alatti vízben Fetter Éva Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Transzport II. Olajszennyezettség terjedése a talajban és a felszín alatti vízben Fetter Éva Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék"— Előadás másolata:

1 Transzport II. Olajszennyezettség terjedése a talajban és a felszín alatti vízben Fetter Éva Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 Lehetséges szennyezőanyag források az olajat illetően  Nagymértékű talajszennyezést okozhatnak az olaj és gázkutak fúrása során a kitörés, vagy berobbanás következtében felszínre kerülő olajtartalmú szennyeződések.  Hibásan szigetelt, korróziósan károsodott, vagy helytelenül szivárgó tároló tartályok.  Nyers kőolajat és lepárlási termékeit szállító csővezetékek meghibásodása  Kőolajipari termékek egyéb módon (vasúti, vagy közúti tartálykocsikban) szállítása során a gyakorta bekövetkező baleseteken túl, a termékek átfejtése során történhet talaj, illetve talajvíz szennyeződés.  A környezetet terhelő kőolajszármazékok egy része a helytelenül tárolt olajtartalmú hulladékokból származik (fáradt olajok, gépolajok, tartályok olajiszapjai, használt transzformátorolajok, olajtartalmú mosóvizek és iszapok stb.). Ezeknél a hulladékoknál az olajtartalom mellett számolni kell az egyéb adalék, vagy szennyező anyagok (pl. detergensek, toxikus nehézfémek) környezeti hatásával is.  Kőolajvezetékeink meghibásodásai, illetve mind gyakoribbá váló szándékos megrongálása is hatalmas területek talajának és talajvíz készletének elszennyeződéséhez vezet

3 Kőolaj és kőolajszármazékok előfordulása a felszín alatt  folyékony (szabad) fázis a talajban,  oldott fázis a felszín alatti vízben,  gázfázis a talaj szabad pórusaiban. Az egyes előfordulási formák az alábbi tényezőktől függnek változó mértékben:  talaj fizikai és kémiai tulajdonságai  hidrogelógiai adottságok  a kőolajszármazékok fizikai és kémiai tulajdonságai.

4 Mi történik ha az olaj a talajra kerül?  A talajfelszínre kiömlött olaj szétterül, majd függőleges irányú beszivárgással egyre nagyobb mélységbe hatol és elérheti a talajvízszintet.  Az olaj talajbani mozgásánál alapvető különbséget kell tenni az olajnak, mint fázisnak szétterülése és a vízben oldott olaj mozgása között.  Amíg ugyanis az oldott anyagok a szivárgó- és talajvízzel együttesen vándorolnak, addig az olaj laza kőzetekben, talajokban összefüggő olajtestet képez.  A talajba kerülő olaj lényegében a nehézségi erő hatására húzódik lefelé és un. olajtest alakul ki, melynek alakja és nagysága a talaj és az alatta elhelyezkedő földtani összlet nemétől és szerkezetétől, valamint az olaj mennyiségétől és fizikai tulajdonságaitól is függ.

5 Olajtest alakja különböző típusú talajban Egynemű talajKülönböző áteresztőképességű talaj Át nem eresztő talaj

6 A talajba beszivárgott olaj viselkedése  A kiömlő és a talajokba beszivárgó kőolajszármazékok jelentős hányada szabad formájú, önálló folyadékfázisként fordulhat elő a talaj-talajvíz rendszerben  Az önálló szerves folyadék fázis vertikális és horizontális irányban történő terjedésének sebessége a talaj porozitásától és a porozitással összefüggő - áteresztőképességtől függ.  Valamely kevéssé áteresztő talajréteg a szivárgási keresztmetszet szétterülését eredményezi. Jobb áteresztőképességű talajréteghez érve azután újra lecsökken a szivárgási keresztmetszet.  Teljesen száraz talajok esetében a kőolajszármazékok jól megkötődhetnek a talajok szilárd fázisának felületein.

7 Az olajtest eléri a felszín alatti vizet Ha a beszivárgó szénhidrogén –szennyeződés mennyisége nagyobb, mint a telítetlen talajrétegek szénhidrogén visszatartó képessége, a szennyeződés lehatolhat a talajvízszintig. A talajvízszint periodikus ingadozása további talajrétegek elszennyezéséhez vezethet.

8 Olajtestből kioldódó olaj útja az olaj fázisként van jelen a szivárgási tartományban és a szivárgó vízzel lép érintkezésbe az olaj fázisként van jelen a talajvíz tartományban és állandóan érintkezik az áramló talajvízzel

9 Az olajpárna hatása  Kialakulása kis forráspontú, könnyen illó üzemanyagok esetén  A szivárgási tartományban elhelyezkedő olajtest körül tehát szénhidrogén -gőzökből álló olajpárna fog képződni  Zömmel a kapilláris sáv feletti rétegben helyezkednek el

10 Az olaj mozgásainak és megkötődésének komplex folyamata talajokban

11 Transzportmodellezés A szennyezettség terjedése a felszín alatti vízzel Kipárolgás a felszín alatti vízből

12 Természetes lebomlás- A szennyezőanyag- csóva sorsa Számottevő transzportfolyamatok:  Advektív transzport  Diszperzió  Szorpció  Biodegradáció A csóva lehatárolása szükséges mind horizontális, mind vertikális irányban

13 1. Advektív transzport A felszín alatti víz áramlási sebessége  v x = talajvíz szivárgási sebessége [cm/s]  K = a szivárgási tényező [cm/s]  I = horizontális hidraulikai gradiens [-]  ε = a víztelített víztartó effektív porozitása [-] N é h á ny talajt í pusra vonatkoz ó adatok Busch é s Luckner szerint TalajtípusHézagtérfogatSzabad hézagtérfogatSzivárgási tényező Homokos kavics0,25-0,350,20-0,253E-03-5E-04 Kavicsos homok0,28-0,350,15-0,201E-03-2E-04 Homok0,30-0,380,10-0,154E-04-1E-04 Kőzetlisztes homok0,33-0,400,08-0,122E-04-1E-05 Homokos kőzetliszt0,35-0,450,05-0,105E-05-1E-06 Agyagos iszap0,40-0,550,03-0,085E-06-1E-08 Iszapos agyag0,45-0,650,02-0,051E-08

14 2. Diszperzió A diszperzió a sebesség térbeli egyenlőtlenségéből adódó szétszóródás a konvektív áramláshoz képest Mechanikai diszperzió során a vegyi anyagok szétterjednek az advektív mozgás és a közvetítő közeggel való kölcsönhatás miatt.  longitudinális diszperzió (a felszín alatti vízmozgás irányában)  transzverzális diszperzió (a felszín alatti vízmozgás irányára merőlegesen)  vertikális diszperzió (a felszín alatti vízmozgás irányára merőlegesen)

15 2. Diszperzió A diszperzió eredményeként tehát a szennyezőanyag csóva szétterjed és keveredik a felszín alatti vízzel. Felszín alatti vizek esetében a hígulás hatásához hozzáadódva a diszperzió elősegítheti a szerves alkotók biodegradációját is, mert a szennyezettség olyan helyekre is eljuthat, ahol több elektron- akceptor vagy -donor található. Longitudinális diszperziót okoz  a pórusméret megváltozása  a zegzugos áramlási pálya  a pórusokbeli súrlódás Transzverzális diszperziót okoz  a porózus közeg zegzugos pórustere

16 2. 3D diszperzió számítása Hosszirányú diszperzió: Xu és Eckstein formula  x = hosszirányú diszperzió (ft) Lp = szenyezőanyag csóva hossza a terjedés irányában (ft) Keresztirányú diszperzió Függőleges diszperzió: elhanyagolva Egyéb lehetőségek a diszperziós tényezők számítására: (Pickens és Grisak,1981) (ASTM, 1995) (EPA, 1986) (ASTM, 1995) C= (0,025-0,1) (EPA, 1986)

17 3. Szorpciós folyamatok  A szorpció a talajvíz szivárgási sebességéhez képest látszólag lecsökkenti a vegyületek terjedési sebességét  lecsökkenti az oldott koncentrációt a talajvízben a talaj szorpciós kapacitásának kimerüléséig  de ez általában a magasabb koncentráció kialakulását okozza a talajban.  Mértéke függ a szilárd fázis (talaj, üledék) és a víz fázisai közötti megoszlástól Ezt befolyásoló tényezők.  a szerves széntartalom  szervetlen kolloidtartalom  agyagásvány tartalom  pH  nedvességtartalom  kation-cserélő képesség  hőmérséklet  víztartó szemcséinek mérete

18 A szorpciós izotermák a vegyi anyag talajhoz kötött és a talajjal kapcsolatban lévő oldatban visszamaradó koncentrációjának arányát írják le Lineáris egyensúlyi szorpció A szorpciós izoterma meredeksége:  K d = megoszlási hányados (cm 3 /g)  C s = szorbeált szennyezőanyag koncentráció (g/g talaj)  C gw = oldott szennyezőanyag koncentráció (g/cm 3 oldat) A nem ionos, apoláris hidrofób szerves vegyi anyagoknak a talaj szerves anyag tartalmához való kötődési arányát is egy egyensúlyi folyamattal lehet leírni:  f oc =a talaj szerves anyag tartalma (g/g talaj)  K oc =a szerves szén megoszlási hányados (cm 3 /g)- az adott vegyi anyag szerves-(anyag) széntartalomhoz való kötődési arányát írja le 3. Szorpciós folyamatok

19 3. Szorpció egy lehetséges számítása  A felszín alatti környezetben végbemenő szorpcióból eredő késleltetés (R) mértékének közelítésére a következő empirikus összefüggés alkalmazott: Ahol:   a talaj sűrűsége (kg/l), értéke kb. 1,6-1,8  n: a tényleges porozitás  R: a késleltetési tényező A szennyezőanyag áramlási sebessége így: v c =v x /R (cm/s)

20 4. Biodegradáció Elsőrendű kinetikával jellemzett bomlási modell:  Ahol az első rendű bomlási állandó (1/év)  T 1/2 a szennyezőanyag felezési ideje (év) BTEX-ek esetén számításba veendő értékek (ASTM, 1995):  Benzol: 0,02-2 év  Toluol: 0,02-0,17 év  Etil-benzol: 0,016-0,62 év  Xilol: 0,038-1 év

21 4. Pillanatnyi reakció modell A biodegradáció olyan elektron-transzfer folyamat, melyben a szervesanyagok táp- és energiaforrásként is hasznosulhatnak, az oxidációjukból nyert energia pedig a sejtek felépítéséhez és azok fennmaradásához járul hozzá. A biodegradáció során lezajló elektron-transzfer és anyagcsere az alábbi generalizált egyenlettel írható le: mikroorganizmusok+ elektron donor+ elektron akceptor+ tápanyagok anyagcsere termékek + energia + mikroorganizmusok  TPH esetén az elektron donor maga a szenyezőanyag Az elektron akceptorok: O 2, NO 3, Fe 3+, SO 4 2-, CO 2 Az elektron akceptorok felhasználása redoxpotenciálok szerint történik

22 4. Pillanatnyi reakció modell Miért pillanatnyi?  Az anoxikus/anaerób folyamatok kinetikája az elektron akceptorok talajvízbe pótlódásának sebességéhez viszonyítva nagyságrendekkel nagyobb (évek vs. hetek/hónapok) A folyamat meglétét igazoló tényezők:  A forrászónában csökkenő elektron akceptor koncentráció  A rekació során termelődő metabolitok növekvő koncentrációja

23 4. Pillanatnyi reakció modell  A modell a biodegradációs kapacitással jellemzi a pillanatnyi reakciómodellel számított biodegradációt.  Biodegradációs kapacitás (BC) [mg/l]: A mikróbák által a biológiailag elérhető elektron akceptorok segítségével térfogategységnyi talajvízben lebontott szennyezőanyag mennyisége.  Számítása a következő összefüggés szerint történik:  A hasznosulási faktorok számítása: sztöchiometrikus egyenletek alapján megadjuk az egy tömegegységnyi TPH elbontásához szükséges elektronakceptor tömegét.

24 4. Hasznosulási faktorok számítása-példa Alifás szénhidrogénekre (pl.: C 5 H 12 )  A lejátszódó oxidációs reakció: C 5 H H 2 O=5CO 2 +32H + +32e -  A lejátszódó redukciós reakciók: 8O 2 +32H + +32e - =16H 2 O 6,4NO ,4H + +32e - =3,2N 2 +19,2H 2 O 4SO e-+40H + =4H 2 S+16H 2 O 32Fe e - =32Fe 2+ 4CO 2 +32e - +32H + =4CH 4 +8H 2 O  Bruttó reakciók: C 5 H O 2 =5CO 2 +6H 2 O C 5 H 12 +6,4NO ,4H + =3,2N 2 +5CO 2 +9,2H 2 O C 5 H 12 +4SO H + =4H 2 S+6H 2 O+5CO 2 C 5 H Fe H 2 O=5CO 2 +32H + +32Fe 2+ C 5 H 12 +2H 2 O=4CH 4 +CO 2 UF O2 = 3,56 UF NO3 - = 5,51 UF SO4 2- = 5,33 UF Fe 3+ = 24,89 UF CH4 = 0,88

25 Első lépések: szennyezettség lehatárolás Surfer 8.0 térképészeri szoftver segítségével TPH vizsgálat:  Feltáró furatokból származó minták koncentrációi:  F1: 120 µg/l, F2: 5000 µg/l, F3: 10 µg/l, F4: 400 µg/l Lehatároló furatokból származó minták koncentrációi:  L1: 10 µg/l, L2: 5 µg/l, L3: 50 µg/l, L4: 20 µg/l TOC vizsgálat  f=0,007 Elektron akceptorok és bomlástermékeik  O 2 =5,8 mg/l, NO 3 - =6,3 mg/l, SO 4 2- =24,6 mg/l, Fe 2+ =16,6 mg/l, CH 4 =7,2 mg/l

26 Izovonalas felülettérképek készítése  Az izovonalas felülettérképek az ekvipotenciális vonalak kétdimenziós grafikus megjelenítési formái.  Szennyezőanyagok terjedési iránya és hidraulikai gradiens értéke számítható  Víztartók különböző mélységben-külön térkép

27 Mintavételezés TALAJ A talajmintavételekre az MSZ szabvány előírásai az irányadóak. A mintavétel, technikáját tekintve, történhet talajmechanikai mintavevő eszközzel (fúró, szonda) bányászati módszerrel (feltáró akna, résminta, kéregminta, technológiai vizsgálathoz térfogatos minta) földmunkával (kutatógödör, akna ásás, markolás, réselés). A kémiai vizsgálatok céljára általában elegendő az átlagos, zavart mintavétel. Amennyiben a talaj fizikai paramétereit kívánjuk meghatározni, többségében zavartalan mintavétel szükséges. A feltárás során észlelt és mért valamennyi fúrástechnikai (nehezen fúrható talaj, duzzadó anyag, stb.), földtani (réteghatár, település, kőzetállapot, stb.), hidrogeológiai (megütött és nyugalmi vízszint) és a szennyezésre vonatkozó adatot a feltárási naplóban rögzíteni kell. A talajminták alapján a helyszínen pontos rétegleírást kell adni. FELSZÍN ALATTI VÍZ  A talajvíz mintavétele fúrásból vagy nyílt feltárásból végezhető. Ha a talajvízmintát fúrásból vesszük, az MSZ szabvány szerint kell eljárni.  Feltáró fúrások esetében a talajvíz kapilláris zónájában növekvő talajnedvesség- tartalom érzékelése után a megütött vízszintet rögzíteni kell. Ezután a furat megtámasztását követően meg kell várni a folyadék nyugalmi nyomásszintjének állandósulását.  A figyelőkutakban a vízszintet általában a csőperem szintjétől mérik (a csőperem geodéziai bemérése után). A folyadékszintet mindig legalább 1 cm-es pontossággal kell mérni.  A talajvíz fizikai paraméterei közül helyszínen kell mérni a hőmérsékletét, pH-ját, oldott oxigén tartalmát és a fajlagos elektromos vezetőképességét.

28 A szennyez ő anyagok és bomlástermékeik izokoncentrációs térképei  A furatokból vett minták laborvizsgálata alapján meghatározott koncentrációk figyelembe vételével készíthető.  Mivel általában kevés adat áll rendelkezésre a szennyezés transzport folyamatait meghatározó permefeltételek mellett készítendő  Helyspecifikus hidrogeológiai folyamatok  Szennyezőanyag specifikus paraméterek

29 Az elektron donorok, szervetlen elektron akceptorok és anyagcseretermékek izokoncentrációs térképen való megjelenítése Segítségükkel megállapítható, hogy van-e biodegradáció a területen

30 Az alapeloszlás felvétele kriging interpolációs módszerrel

31 Lehatárolás a helyspecifikus hidrológiai és geokémiai jellemzők figyelembe vételével

32 Csóva állapotának meghatározása a forrástól adott távolságban Pl.:Domenico –modell szerint  Van a szennyezettség terjedésé- ből adódóan el nem fogadható kockázat? [(1-n)××K d + n)C]/ t = -div[v×C] +n×div[grad(D×C)] + n××C + o

33 Egy példa a transzport modellekre – EPA BIOSCREEN 1.4

34 Forrászóna adatainak meghatározása  Yo 1 =8,5 m, Yo 2 =10,8 m, Yo 3 =7,7 m  Co 1 =0,45 mg/l, Co 2 =2,1 mg/l, Co 3 =4,1 mg/l  L p =69,7 m  Forrászóna vastagsága a telített zónában=3 m  NAPL tömege= 2000 kg  Modellezet területszélessége= 99 m  Hosszúsága= 142 m

35 A modell futtatása 1D-ban a csóva középvonalára

36 A modell futtatása 2D-ban a biodegradáció elhanyagolásával

37 A modell futtatása 2D-ban a biodegradációt első rendű kinetikával jellemezve

38 A modell futtatása 2D-ban a biodegradációt a pillanatnyi reakció-modellel közelítve

39 Expozíciós út: A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből szabadtérbe  U air : szélsebesség a keveredési zóna magasságában (cm/s)  δ air : a keveredési zóna magassága(cm)  W: a szennyezett terület szélessége szélirányban(cm)  D ws : effektív diffuzivitás a felszín alatti víz és földtani közeg között (cm 2 /s)  L GW : a felszín alatti víz mélysége(cm)  H: Henry-állandó (-)

40 Diffúziós tényezők számítása Effektív diffuzivitás a felszín alatti víz és földtani közeg között: Ahol:  h cap : a kapilláris zóna vastagsága (cm)  h v : a vadózus zóna vastagsága (cm)  D cap : kapilláris zónán keresztüli diffuzivitás (cm 2 /s)  D s : :a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm 2 /s)

41 Diffúziós tényezők számítása A kapilláris ill. a földtani közegen keresztüli diffuzivitás  D a : a szennyező anyag diffuzivitása tiszta levegőben(cm 2 /s)  D w : a szennyező anyag diffuzivitása tiszta vízben(cm 2 /s)  θ T : a talaj teljes porozitása (-)  θ a : a talaj levegőtartalma (-)  θ w : a talaj nedvességtartalma (-)

42 A szennyezőanyagok párolgása FAV-ból szabadtérbe- diffúziós tényezők számítása TPH frakcióra A kapilláris ill. a földtani közegen keresztüli diffuzivitás  D a = 3,95E-02 cm 2 /s  D w =4,50E-06 cm 2 /s  θ T = 0,4  θ a = 0,2  θ w = 0,2  H = 160  D cap = 8,22E-10 cm 2 /s  D s = 1,15E-03 cm 2 /s  h cap = 10 cm  h v = 730 cm  D ws = 6,09 E-08 cm 2 /s

43 A szennyezőanyagok párolgása FAV-ból szabadtérbe- kipárolgás számítása talajvízből TPH frakcióra  U air = 350 cm/s  δ air = 170 cm  W= cm  D ws = 6,09 E-08 cm 2 /s  L GW = h cap +h v = 740 cm  H= 160 VF wamb =1,71E-05 (mg/m 3 )/(mg/l)

44 Köszönöm a figyelmet! Felhasznált források   utmutato6/index.htm utmutato6/index.htm  utmutato7/index.htm utmutato7/index.htm Hasznos oldalak    tm tm  


Letölteni ppt "Transzport II. Olajszennyezettség terjedése a talajban és a felszín alatti vízben Fetter Éva Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék"

Hasonló előadás


Google Hirdetések