Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

BIOSCREEN 1.4 Készítette: Fetter Éva. Az előadás menete  Néhány szó a BIOSCREENben felhasznált transzportfolyamatokról általában és konkretizálva a modellre.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "BIOSCREEN 1.4 Készítette: Fetter Éva. Az előadás menete  Néhány szó a BIOSCREENben felhasznált transzportfolyamatokról általában és konkretizálva a modellre."— Előadás másolata:

1 BIOSCREEN 1.4 Készítette: Fetter Éva

2 Az előadás menete  Néhány szó a BIOSCREENben felhasznált transzportfolyamatokról általában és konkretizálva a modellre  Advekció  Diszperzió  Szorpció  Biodegradáció (pillanatnyi reakció modell)  A modellezés előkészítése  A modell lefuttatása  Az eredmények felhasználása átviteli tényezők számításához

3 Bioscreen 1.4 A programról általában Microsoft Excel munkalapban tervezett makroprogram A csóva terjedésének alakulása:  Műszaki beavatkozás hiányában  A természetes lebomlási folyamatok figyelembe vételével Milyen terjedési folyamatokra alkalmazható? Domenico-féle analitikus modell kibővítve:  Transzport biodegradációs folyamatok figyelembe vétele nélkül  Transzport a biodegradáció elsőrendű bomlási folyamatokként történő leírásával  Transzport a biodegradációs folyamatok „pillanatnyi reakció modellel” való megközelítésével Nem alkalmazható alacsony hidraulikai tartózkodási idővel jellemzett területekre(v nagy, forrászóna keskeny)

4 A felszín alatti vizek általános transzport egyenlete  [(1-n)×  ×K d + n)C]/  t = -div[v×C] +n×div[grad(D×C)] + n× ×C +  o Ahol: C: oldott koncentráció n: teljes porozitás Kd: megoszlási hányados v: Darcy-féle sebesség (fluxus/teljes felület) D: diszperziós tényező tenzora : elsőrendű forrás-nyelő tényező (lebomlás esetén < 0) : elsőrendű forrás-nyelő tényező (lebomlás esetén < 0)  o: nullad-redű forrás-nyelő egységnyi térfogatra vonatkoztatott fajlagos értéke

5 Domenico-modell  Az előbbinek egy analitikus megoldása biodegradációval kibővítve

6 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 [-] Néhány talajtípusra vonatkozó adatok Busch és 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

7 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)

8 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

9 3D diszperzió számítása Hosszirányú diszperzió: Xu és Eckstein formula  x = hosszirányú diszperzió (ft)  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) (Pickens és Grisak,1981) (ASTM, 1995) (EPA, 1986) (ASTM, 1995) (EPA, 1986) (ASTM, 1995) (ASTM, 1995) C= (0,025-0,1) (EPA, 1986) C= (0,025-0,1) (EPA, 1986)

10 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

11 Szorpciós folyamatok 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

12 Szorpció számítása a Bioscreenben  A felszín alatti környezetben végbemenő szorpcióból eredő retardáció (R) mértékének közelítésére a következő empirikus összefüggés alkalmazott: Ahol: Ahol:   a talaj sűrűsége (kg/l), értéke kb. 1,6-1,8  n: a tényleges porozitás A szennyezőanyag áramlási sebessége: v c =v x /R (cm/s)

13 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

14 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

15 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

16 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.

17 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 - 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:  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 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

18 Modellezés a gyakorlatban Izovonalas felülettérképek készítése  Az izovonalas felülettérképek az ekvipotenciális vonalak kétdimenziós grafikus megjelenítési formái.  Szennyezőanyagok terjedési iránya és hidraulikai gradiens értéke számítható és hidraulikai gradiens értéke számítható  Víztartók különböző mélységben-külön térkép

19 A szennyezőanyagok 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

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

21 TPH szennyezés modellezése Bioscreen 1.4 modellkörnyezetben a lehatárolástól a szimulációig Input-sheet: adat igény mit honnan?

22 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 =0,001 mg/l,  NO 3 - =20 mg/l,  SO 4 2- =22,4 mg/l, Fe 2+ =0,4 mg/l, CH 4 =12 mg/l

23 Az alapeloszlás felvétele kriging interpolációs módszerrel

24 Lehatárolás a helyspecifikus hidrológiai és geokémiai jellemzők figyelembe vételével

25 A Bioscreen területspecifikus input adatainak meghatározása  Yo1=8,5 m, Yo2=10,8 m, Yo3=7,7 m  Co1=0,45 mg/l, Co2=2,1 mg/l, Co3=4,1 mg/l  Lp=69,7 m  Forrászóna vastagsága a telített zónában=3 m  NAPL tömege= 2000 kg  Modellezet területszélessége= 99 m  Hosszúsága= 142 m

26 A modell futtatása 1D-ban a csóva középvonalára

27 A modell futtatása 2D-ban a biodegradáció elhanyagolásával

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

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

30 Átviteli tényezők számítása (Connor et. Al, 1996) Terjedési útForrás közeg Közegváltást leíró átadási faktorok Oldalirányú terjedést leíró faktorok A terjedési útra vonatkozó teljes NAF Transzport vizes fázisban Talajszennyezettség bemosódása felszín alatti vízbe és transzport felszín alatti vízzel Szennyezett talaj A talajból a pórusvízbe történő bemosódás és további hígulás faktora LDFgw Hígulási-lebomlási faktor (DAF) DAF/LDFgw Oldott szennyező-anyag csóva terjedése Szennyezett felszín alatti víz Hígulási-lebomlási faktor (DAF) DAF Egyéb transzportútvonalak Felszín alatti víz szennyezettség transzportja felszíni vízbe Szennyezett felszín alatti víz Hígulási faktor (DFsw) DFsw Talajszennyezettség transzportja a növényzetbe Szennyezett talaj Növényi bio- koncentrációs faktor (Kpl) Kpl

31 Átviteli tényezők számítása (Connor et. Al, 1996) folyt. Terjedési útForrás közeg Közegváltást leíró átadási faktorok Oldalirányú terjedést leíró faktorok A terjedési útra vonatkozó teljes NAF Transzport légnemű fázisban Felszín alatti vízből történő kipárolgás zárttérbe Szennyezett felszín alatti víz Kipárolgási faktor (VFwesp) 1/VFwesp Talajból történő kipárolgás zárttérbe Szennyezett talaj Kipárolgási faktor (VFsesp) 1/VFsesp Felszín alatti vízből történő kipárolgás szabadtérbe Szennyezett felszín alatti víz Kipárolgási faktor (VFwamb) Diszperziós faktor (ADF) ADF/VFwamb Talajból történő kipárolgás szabadtérbe Szennyezett talaj Kipárolgási faktor (VFsamb) Diszperziós faktor (ADF) ADF/VFsamb Felszínen lévő talajból történő kipárolgás és kiporzás szabadtérbe Szennyezett felszínen lévő talaj Kipárolgási faktor (VFss) Kiporzási faktor (VFp) Diszperziós faktor (ADF) ADF×1/(VFss+PEF)

32 A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből zárt térbe  H: Henry-állandó (-)  D s :a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm 2 /s)  D crack : effektív diffuzivitás az aljzat repedésein keresztül (cm 2 /s)  D ws : effektív diffuzivitás a felszín alatti víz és földtani közeg között (cm 2 /s)  L GW : a felszín alatti víz mélysége(cm)  L B : a zárttér térfogatának és alapterületének hányadosa(cm)  L crack : a zárttér aljzatának vastagsága(cm)  η : a repedések aránya az aljzaton (-)  ER: az épület levegőjének kicserélődési aránya, szellőztetés mértéke (1/s)

33 A szennyezőanyagok párolgása földtani közegből zárt térbe  θ as : a talaj levegőtartalma (-)  θ ws : a talaj víztartalma (-)  K d : talaj-talajvíz megoszlási hányados (-)  H: Henry-állandó (-)  ρ : talajsűrűség [g/cm 3 ]  D s :a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm 2 /s)  D crack : effektív diffuzivitás az aljzat repedésein keresztül (cm 2 /s)  L s : mélység a szennyezett felszín alatti talajréteg tetejéig (cm)  L b : a zárttér térfogatának és alapterületének hányadosa (cm)  L crack : a zárttér aljzatának vastagsága(cm)  η : a repedések aránya az aljzaton (-)  ER: az épület levegőjének kicserélődési aránya, szellőztetés mértéke (1/s)

34 A szennyezőanyagok párolgása földtani közegből szabadtérbe U air : szélsebesség a keveredési zóna magasságában (cm/s) δ air : a keveredési zóna magassága(cm W: a szennyezett terület szélessége szélirányban(cm) θ as : a talaj levegőtartalma (-) θ ws : a talaj víztartalma (-) K d : talaj-talajvíz megoszlási hányados (-) H: Henry-állandó (-) ρ : talajsűrűség [g/cm 3 ] ρ : talajsűrűség [g/cm 3 ] D s :a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm 2 /s) L s : mélység a szennyezett felszín alatti talajréteg tetejéig (cm) L s : mélység a szennyezett felszín alatti talajréteg tetejéig (cm)

35 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 (-)

36 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)

37 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 (-)

38 A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből 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

39 A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből 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)

40 Köszönöm a figyelmet! Felhasznált források   ato6/index.htm ato6/index.htm ato6/index.htm  ato7/index.htm ato7/index.htm ato7/index.htm Hasznos oldalak     


Letölteni ppt "BIOSCREEN 1.4 Készítette: Fetter Éva. Az előadás menete  Néhány szó a BIOSCREENben felhasznált transzportfolyamatokról általában és konkretizálva a modellre."

Hasonló előadás


Google Hirdetések