Készítette: Fetter Éva BIOSCREEN 1.4 Készítette: Fetter Éva

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

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)

A felszín alatti vizek általános transzport egyenlete [(1-n)××Kd + 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) o: nullad-redű forrás-nyelő egységnyi térfogatra vonatkoztatott fajlagos értéke

Domenico-modell Az előbbinek egy analitikus megoldása biodegradációval kibővítve

Advektív transzport A felszín alatti víz áramlási sebessége vx = 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 Talajtípus Hézagtérfogat Szabad hézagtérfogat Szivárgási tényező Homokos kavics 0,25-0,35 0,20-0,25 3E-03-5E-04 Kavicsos homok 0,28-0,35 0,15-0,20 1E-03-2E-04 Homok 0,30-0,38 0,10-0,15 4E-04-1E-04 Kőzetlisztes homok 0,33-0,40 0,08-0,12 2E-04-1E-05 Homokos kőzetliszt 0,35-0,45 0,05-0,10 5E-05-1E-06 Agyagos iszap 0,40-0,55 0,03-0,08 5E-06-1E-08 Iszapos agyag 0,45-0,65 0,02-0,05 1E-08

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)

Diszperzió Longitudinális diszperziót okoz a pórusméret megváltozása a zegzugos áramlási pálya a pórusokbeli súrlódás Transzverzális diszperziót okoz a porózus közeg zegzugos pórustere 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.

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)

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

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: Kd= megoszlási hányados (cm 3 /g) Cs= szorbeált szennyezőanyag koncentráció (g/g talaj) Cgw= 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: foc=a talaj szerves anyag tartalma (g/g talaj) Koc =a szerves szén megoszlási hányados (cm 3 /g)- az adott vegyi anyag szerves-(anyag) széntartalomhoz való kötődési arányát írja le

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

Biodegradáció Elsőrendű kinetikával jellemzett bomlási modell: Ahol  az első rendű bomlási állandó (1/év) T1/2 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

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: O2, NO3, Fe3+, SO42-, CO2 Az elektron akceptorok felhasználása redoxpotenciálok szerint történik

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

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.

Hasznosulási faktorok számítása-példa Alifás szénhidrogénekre (pl.: C5H12) A lejátszódó oxidációs reakció:  C5H12+10H2O=5CO2+32H++32e- A lejátszódó redukciós reakciók: 8O2+32H++32e-=16H2O 6,4NO3-+38,4H++32e-=3,2N2+19,2H2O 4SO42-+32e-+40H+=4H2S+16H2O 32Fe3++32e-=32Fe2+ 4CO2+32e-+32H+=4CH4+8H2O Bruttó reakciók:  C5H12+ 8O2=5CO2+6H2O C5H12+6,4NO3-+6,4H+=3,2N2+5CO2+9,2H2O C5H12+4SO42-+8H+=4H2S+6H2O+5CO2 C5H12+32Fe3++10H2O=5CO2+32H++32Fe2+ C5H12+2H2O=4CH4+CO2  UFO2= 3,56 UFNO3-= 5,51 UFSO42-= 5,33 UFFe3+= 24,89 UFCH4= 0,88

Modellezés a gyakorlatban 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

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

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

TPH szennyezés modellezése Bioscreen 1 TPH szennyezés modellezése Bioscreen 1.4 modellkörnyezetben a lehatárolástól a szimulációig Input-sheet: adat igény mit honnan?

Első lépések: szennyezettség lehatárolás Surfer 8 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 O2=0,001 mg/l, NO3-=20 mg/l, SO42-=22,4 mg/l, Fe2+=0,4 mg/l, CH4=12 mg/l

Az alapeloszlás felvétele kriging interpolációs módszerrel

Lehatárolás a helyspecifikus hidrológiai és geokémiai jellemzők figyelembe vételével

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

A modell futtatása 1D-ban a csóva középvonalára

A modell futtatása 2D-ban a biodegradáció elhanyagolásával

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

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

Átviteli tényezők számítása (Connor et. Al, 1996) Terjedési út Forrás 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   DAF Egyéb transzportútvonalak Felszín alatti víz szennyezettség transzportja felszíni vízbe Hígulási faktor (DFsw) DFsw Talajszennyezettség transzportja a növényzetbe Növényi bio-koncentrációs faktor (Kpl) Kpl

Átviteli tényezők számítása (Connor et. Al, 1996) folyt. Terjedési út Forrás 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 Kipárolgási faktor (VFwamb) Diszperziós faktor (ADF) ADF/VFwamb Talajból történő kipárolgás szabadtérbe Kipárolgási faktor (VFsamb) ADF/VFsamb Felszínen lévő talajból történő kipárolgás és kiporzás szabadtérbe Szennyezett felszínen lévő talaj Kipárolgási faktor (VFss) Kiporzási faktor (VFp) ADF×1/(VFss+PEF)

A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből zárt térbe H: Henry-állandó (-) Ds:a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm2/s) Dcrack: effektív diffuzivitás az aljzat repedésein keresztül (cm2/s) Dws: effektív diffuzivitás a felszín alatti víz és földtani közeg között (cm2/s) LGW: a felszín alatti víz mélysége(cm) LB: a zárttér térfogatának és alapterületének hányadosa(cm) Lcrack: a zárttér aljzatának vastagsága(cm) η : a repedések aránya az aljzaton (-) ER: az épület levegőjének kicserélődési aránya, szellőztetés mértéke (1/s)

A szennyezőanyagok párolgása földtani közegből zárt térbe θ as: a talaj levegőtartalma (-) θ ws: a talaj víztartalma (-) Kd: talaj-talajvíz megoszlási hányados (-) H: Henry-állandó (-) ρ : talajsűrűség [g/cm3] Ds:a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm2/s) Dcrack: effektív diffuzivitás az aljzat repedésein keresztül (cm2/s) Ls: mélység a szennyezett felszín alatti talajréteg tetejéig (cm) Lb: a zárttér térfogatának és alapterületének hányadosa (cm) Lcrack: a zárttér aljzatának vastagsága(cm) η : a repedések aránya az aljzaton (-) ER: az épület levegőjének kicserélődési aránya, szellőztetés mértéke (1/s)

A szennyezőanyagok párolgása földtani közegből szabadtérbe Uair: szélsebesség a keveredési zóna magasságában (cm/s) δair: a keveredési zóna magassága(cm W: a szennyezett terület szélessége szélirányban(cm) θ as: a talaj levegőtartalma (-) θ ws: a talaj víztartalma (-) Kd: talaj-talajvíz megoszlási hányados (-) H: Henry-állandó (-) ρ : talajsűrűség [g/cm3] Ds:a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm2/s) Ls: mélység a szennyezett felszín alatti talajréteg tetejéig (cm)

A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből szabadtérbe Uair: szélsebesség a keveredési zóna magasságában (cm/s) δair: a keveredési zóna magassága(cm) W: a szennyezett terület szélessége szélirányban(cm) Dws: effektív diffuzivitás a felszín alatti víz és földtani közeg között (cm2/s) LGW: a felszín alatti víz mélysége(cm) H: Henry-állandó (-)

Diffúziós tényezők számítása Effektív diffuzivitás a felszín alatti víz és földtani közeg között: Ahol: hcap: a kapilláris zóna vastagsága (cm) hv: a vadózus zóna vastagsága (cm) Dcap: kapilláris zónán keresztüli diffuzivitás (cm2/s) Ds: :a földtani közegen keresztüli diffuzivitás (cm2/s)

Diffúziós tényezők számítása A kapilláris ill. a földtani közegen keresztüli diffuzivitás Da: a szennyező anyag diffuzivitása tiszta levegőben(cm2/s) Dw: a szennyező anyag diffuzivitása tiszta vízben(cm2/s) θT: a talaj teljes porozitása (-) θa: a talaj levegőtartalma (-) θw: a talaj nedvességtartalma (-)

A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből szabadtérbe-diffúziós tényezők számítása TPH 12-16 frakcióra A kapilláris ill. a földtani közegen keresztüli diffuzivitás Da= 3,95E-02 cm2/s Dw=4,50E-06 cm2/s θT= 0,4 θa= 0,2 θw= 0,2 H = 160 Dcap= 8,22E-10 cm2/s Ds= 1,15E-03 cm2/s hcap= 10 cm hv= 730 cm Dws= 6,09 E-08 cm2/s

VFwamb=1,71E-05 (mg/m3)/(mg/l) A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből szabadtérbe-kipárolgás számítása talajvízből TPH 12-16 frakcióra Uair= 350 cm/s δair= 170 cm W= 77400 cm Dws= 6,09 E-08 cm2/s LGW= hcap+hv= 740 cm H= 160 VFwamb=1,71E-05 (mg/m3)/(mg/l)

Köszönöm a figyelmet! Felhasznált források Hasznos oldalak http://www.epa.gov/ada/csmos/models/bioscrn.html http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmutmutato6/index.htm http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmutmutato7/index.htm Hasznos oldalak http://www.groundwatersoftware.com/software.htm http://www.epa.gov/ada/csmos/models/ http://www.water.tkk.fi/wr/kurssit/3d_world/www_ma_e.htm http://risk.lsd.ornl.gov/tox/toxvals.shtml http://www.atsdr.cdc.gov/toxpro2.html