TRANSZPORTFOLYAMATOK

Az előadások a következő témára: "TRANSZPORTFOLYAMATOK"— Előadás másolata:

1 TRANSZPORTFOLYAMATOK
Ács Tamás TRANSZPORTFOLYAMATOK Szennyezőanyag terjedése felszín alatti vizekben

2 TUDTÁTOK E? 1,8 millió m3 vizet fogyasztunk naponta Kb kútból termelnek ivóvizet

3 TUDTÁTOK E? A vízfolyások kisvizeinek jelentős része származik felszín alatti vízből. A csapadék után a felszíni eredetű lefolyás átvált felszín alatti eredetűvé.

4 TUDTÁTOK E? Magyarország síkvidéki területeinek ökoszisztémája érzékeny a talajvízviszonyokra (elsősorban mennyiség). Az aszály hatásait általában a mezőgazdaságon keresztül ismerjük.

5 PROBLÉMÁK IS VANNAK… A felszín alatti vizek számottevő részének minőségét veszélyezteti az emberi tevékenység: települések mezőgazdaság ipartelepek hulladéklerakók stb.

6 Pontszerű szennyezőforrások
PROBLÉMÁK IS VANNAK… Pontszerű szennyezőforrások FAVI adatbázis: engedélyezett tevékenységek (potenciális) kb objektum, mintegy 4000 veszélyes a felszín alatti vizekre. Kárinfo adatbázis: szennyezett területek adatbázisa kb objektum. Gyakori szennyezőforrások: az állattartótelepeken tárolt trágya, hulladéklerakókban, depóniákban, raktárakban elhelyezett szennyezőanyagok, a szénhidrogén-termeléshez kapcsolódó visszasajtolás, közvetlen bevezetések.

7 Sérülékenység vagy védettség
ÉRZÉKENYSÉG, SÉRÜLÉKENYSÉG Földtani érzékenység Víztartók belső tulajdonsága, a mobilis szennyezőanyag továbbterjedésének lehetőségét jellemzi. Sérülékenység vagy védettség Érzékeny közegre vonatkozik. Meghatározott jellegű szennyezőforrásból származó vízminőségromlás valószínűségére utal. Külső tényezők határozzák meg: áramlási pálya, irány, sebesség, illetve elérési idő. Általános sérülékenység (konzervatív anyag) Specifikus sérülékenység (az anyagra és a közegre jellemző transzport és átalakulási folyamatok figyelembevételével)

8 ÉRZÉKENYSÉG

9 Terjedés függ: közegtől szennyezőtől hidrometeorológia geológia
SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS Terjedés függ: közegtől szennyezőtől hidrometeorológia geológia áramlási rendszer

10 Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok 1. Független vízháztartású talajok B = ET Btv = ETtv = 0 A vízzáró réteg miatt a beszivárgás nem jut le a talajvízig, hanem ideiglenesen tározódik a vízzáró réteg felett, majd elpárolog. A szennyezés a felszín és a vízzáró réteg között fluktuáló mozgást végez. Feldúsulás a gyökérzónában. vízrekesztő Talajvizet NEM éri szennyezés!

11 Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok 2. Párolgási többlet, közepes talajvízállású terület B  ET Btv  ETtv A beszivárgási időszakokban a szennyezés nem éri el a talajvizet,. A párolgási többlet miatt a szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik. Talajvizet NEM éri szennyezés!

12 A talajvizet KIS MÉRTÉKŰ szennyezés elérheti!
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok 3. Párolgási többlet, magas talajvízállású terület B  ET Btv  ETtv A párolgási többlet ellenére egy beszivárgási periódus alatt a szennyezés elérheti a talajvizet, aminek a nagy része a párolgási periódusban visszajut a telítetlen zónába, a maradék elkeveredik a talajvízben. A szennyezés egyébként a gyökérzónában koncentrálódik. A talajvizet KIS MÉRTÉKŰ szennyezés elérheti!

13 Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok 4. Egyensúlyban lévő talajvíz-forgalom, közepes talajvízállású terület B = ET Btv = Ettv A beszivárgás és párolgás hosszú távon kiegyenlíti egymást. A közepes mélységű talajvíz miatt a beszivárgási időszakban nem jut le szennyezés a talajvízbe. A szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik. Talajvizet NEM éri szennyezés!

14 Talajvizet ELÉRHETI szennyezés!
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok 5. Egyensúlyban lévő talajvíz-forgalom, magas talajvízállású terület B = ET Btv = ETtv A beszivárgás és a párolgás hosszú távon kiegyenlíti egymást. A magas talajvízállás miatt a felületi szennyezés egyetlen beszivárgási ciklusban is lejuthat a talajvízbe és ott elkeveredik. A szennyezés egy része bemosódik a talajvízbe, és ott eloszlik, a maradék szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik. Talajvizet ELÉRHETI szennyezés!

15 Talajvizet ELÉRI szennyezés!
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlen zóna: talajvízforgalmi típusok 6. Beszivárgási többlet B  ET Btv  ETtv A beszivárgási többlet miatt a víz és a szennyezési front eredő mozgása lefelé irányul, a szennyezés talajvízbe jutása csak idő kérdése. A folyamatos utánpótlódás miatt a talajvízben szétterjed. Talajvizet ELÉRI szennyezés!

16 Telített zóna: le- és feláramlási területek
SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telített zóna: le- és feláramlási területek B 1 2 V y eloszlása v r B 1 2 V y eloszlása v r Feláramlási terület Leáramlási terület Nem sérülékeny Sérülékeny

17 VÉDELEM

18 Tehát a felszín alatti vizek védelme kiemelt feladat!

19 A TRANSZPORTÓL ÁLTALÁBAN
A szennyező anyagok transzportjában a folyamat jellege szerint megkülönböztetünk: Advekciót – a közeggel együtt áramló szennyező anyag transzportját, Diffúziót – a koncentrációkülönbség hatására, Diszperziót – a sebességvektor irányváltozásai hatására, Szorpciót – az oldott és a szilárd váz felületén megkötött szennyező anyag koncentrációjának különbségének hatására, Bomlást – fizikai és/vagy kémiai folyamatok hatására létrejövő transzportot, Átalakulást – kémiai/biokémiai folyamat során az anyag minőségileg átalakul.

20 ANYAGMÉRLEG oldott anyag koncentrációjának megváltozása felületen megkötött anyag koncentrációjának megváltozása (adszorpció) = + advekció (konvekció) + diffúzió és diszperzió + elsőrendű forrás-nyelő + nulladrendű forrás-nyelő + peremeken kialakuló transzport

21 ADVEKCIÓ = KONVEKCIÓ = SZENNYEZŐANYAG A KÖZEGGEL EGYÜTT MOZOG
ZH!! (folyamat bemutatása levezetés nélkül) ADVEKCIÓ Gyakran keveredik az advekció és konvekció fogalma: konvekció: hőtanból átvett fogalom hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő áramlással mozgó anyag transzportja advekció: potenciálos erőtér (itt nyomáskülönbség) hatására létrejövő áramlással mozgó szennyezőanyag transzportja A gyakorlat és az irodalom azonban nem különbözteti meg, tehát: ADVEKCIÓ = KONVEKCIÓ = SZENNYEZŐANYAG A KÖZEGGEL EGYÜTT MOZOG Az anyagáram: átlagos sebesség és a koncentráció szorzata Mértékegysége: Tehát egységnyi idő alatt, egységnyi felületen átáramló tömeg.

22 ADVEKCIÓ Elemi hasábban a belépő és kilépő anyagáramok:

23 Áramlás sebessége? Darcy féle sebesség: Teljes keresztmetszetre
ADVEKCIÓ Áramlás sebessége? K h1 h2 L v Darcy féle sebesség: Teljes keresztmetszetre vonatkozik! Porózus közegben a tényleges sebesség = ? A víz csak a szemcsék közötti pórusokban áramlik!!

24 ADVEKCIÓ ÉS

25 Folyamatok: TRANSZPORTEGYENLET
Oldott szennyező koncentrációjának megváltozása = Advekció

26 ZH!! (folyamat bemutatása levezetés nélkül)
MOLEKULÁRIS DIFFÚZIÓ A tér pontjai közötti koncentrációkülönbség hatására létrejövő transzport. A rendszer egyensúlyra törekszik, így a magasabb koncentrációjú hely felől áramlik az alacsonyabb koncentrációjú hely felé.

27 A diffúziót Fick I. törvénye írja le.
MOLEKULÁRIS DIFFÚZIÓ A diffúziót Fick I. törvénye írja le. Descartes-féle koordináta rdsz-ben: a molekuláris diffúziós tényező Koordináta rdsz-től függetlenül:

28 Ahogy már az advektív transzportnál láttuk:
MOLEKULÁRIS DIFFÚZIÓ Ahogy már az advektív transzportnál láttuk: és Fick I. törvénye alapján

29 Folyamatok: TRANSZPORTEGYENLET
Oldott szennyező koncentrációjának megváltozása = Advekció + Molekuláris diffúzió

30 ZH!! (folyamat bemutatása levezetés nélkül)
DISZPERZIÓ A sebességvektor irányváltozásaiból adódó szóródás. Léptéktől függően beszélhetünk mikroszkopikus- és makroszkopikus diszperzióról. Matematikai leírása a diffúziós egyenlet, de a fizikai tartalom eltérő. Bevezetjük a diszperziós tényezőt. A transzportegyenletben együtt kezeljük a két folyamatot.

31 Mikroszkopikus (hidrodinamikai):
DISZPERZIÓ Mikroszkopikus (hidrodinamikai): a szemcséknek ütköző folyadékrészecskék szóródása egyenlőtlen sebességeloszlás a pórusokban

32 geológiai heterogenitásból fakad pl. az áramló közeg lencsének ütközik
DISZPERZIÓ 2. Makroszkopikus: geológiai heterogenitásból fakad pl. az áramló közeg lencsének ütközik

33 A szennyezőanyag hozama arányos: az átlagos szivárgási sebességgel.
DISZPERZIÓ A szennyezőanyag hozama arányos: az átlagos szivárgási sebességgel. a szennyezőanyag szóródását kifejező diszperzivitással. A szóródás mértéke eltérő a szivárgás irányában és arra merőlegesen. Így megkülönböztetünk: longitudinális diszperziót, transzverzális diszperziót, ezen belül horizontális transzverzális diszperziót és vertikális transzverzális diszperziót.

34 A diszperziós tényezők a szivárgás iránya alapján Descartes-féle
koordináta rendszerben, feltételezve, hogy az áramlás X irányú: A különböző fizikai folyamatok matematikai analógiája miatt a diffúziós és diszperziós tényezőket összevonva: hidrodinamikai diszperziós tényező

35 longitudinális diszperzió transzverzális diszperzió

36 Folyamatok: TRANSZPORTEGYENLET
Oldott szennyező koncentrációjának megváltozása = Advekció + Molekuláris diffúzió + Diszperzió

37 ZH!! (folyamat bemutatása levezetés nélkül)
SZORPCIÓ A szorpciós folyamatok a szennyezőanyag szemcsén való megkötődését VAGY a szemcsén megkötődött szennyezőanyag leválását jelentik. Mitől függ, hogy éppen melyik folyamat játszódik le? Az érkező víz koncentrációja kisebb vagy nagyobb, mint az egyensúlyi állapothoz tartozó koncentráció. Egyensúlyi állapotban az érkező szennyezőanyag továbbterjed, nincs megkötődés a felületen, sem oldatba lépés a felületről.

38 SZORPCIÓ

39 Tehát, a folyamat irányától függően beszélhetünk:
SZORPCIÓ Tehát, a folyamat irányától függően beszélhetünk: adszorpcióról: megkötődés a szilárd vázon és deszorpcióról: oldatba lépés a szilárd vázról A folyamat reverzibilis!! A rendszer szempontjából forrásként (deszorpció) vagy nyelőként (adszorpció) jelenik meg.

40 SZORPCIÓ Az egyensúlyi állapot leírása ún. izotermákkal történik. 1. Lineáris (Henry) izoterma: , ahol a felületen megkötött szennyezőanyag mennyisége a megoszlási hányados az oldat szennyezőanyag koncentrációja ebben az esetben állandó, tehát az adszorbeált anyag MENNYISÉGE és a pórusfolyadék EGYENSÚLYI KONCENTRÁCIÓJA egyenesen arányos.

41 SZORPCIÓ A folyamat leírása ún. izotermákkal történik. 2. Nem lineáris izotermák: a, Freundlich izoterma: b, Langmuir izoterma:

42 Az egyensúlyi egyenlet:
SZORPCIÓ Az egyensúlyi egyenlet: pórusokban az oldat szilárd vázon adszorbeált feltételezve, hogy a lineáris izoterma érvényes, tehát:

43 Az egyensúlyi egyenlet:
SZORPCIÓ Az egyensúlyi egyenlet: Az oldott anyag koncentrációjának megváltozása az egyenlet mindkét oldalán megjelenik!

44 Folyamatok: Az oldott anyag koncentrációjának Vigyük át a
TRANSZPORTEGYENLET Folyamatok: Oldott szennyező koncentrációjának megváltozása = Advekció + Molekuláris diffúzió + Diszperzió + Szorpció Az oldott anyag koncentrációjának megváltozása az egyenlet mindkét oldalán megjelenik! Vigyük át a másik oldalra!

45 ZH!! (késleltetés fogalma és származtatása)
TRANSZPORTEGYENLET Folyamatok: Oldott szennyező koncentrációjának megváltozása = Advekció + Molekuláris diffúzió + Diszperzió + Szorpció Osszunk le rel!

46 Az advekció és a hidrodinamikai diszperzió is sebességfüggő!
TRANSZPORTEGYENLET Az advekció és a hidrodinamikai diszperzió is sebességfüggő! Látszólag kisebb sebesség, vagyis KÉSLELTETÉS (retardáció – R)

47 ZH!! (folyamat bemutatása levezetés nélkül)
ELSŐRENDŰ LEBOMLÁS lebomlási tényező (ha<1, akkor van lebomlás) Elsőrendű, szeparábilis diff. egyenlet, analitikusan könnyű megoldani.

48 BOMLÁS Szennyezőanyag degradációja, mennyiségének csökkenése. Fizikai-kémiai folyamatok indukálják. A folyamat sebességét befolyásolja: - talaj pH-ja - nedvességtartalma - hőmérséklet - szennyező jellemzői A lebomlás leírása: - nulladrendű: koncentrációtól független - elsőrendű: koncentrációtól függ

49 ELSŐRENDŰ LEBOMLÁS Radioaktív bomlás – lebomlási tényező felezési idő alapján ÉS ÉS

50 Koncentrációtól független.
NULLADRENDŰ LEBOMLÁS Koncentrációtól független. Kémiai átalakulási folyamatok hatását adjuk meg. Pl. ammónium oxidációja aerob közegben 2NH4+ + 3O2  2NO2- + 2H2O + 4H+ 2NO2- + O2  2NO3- NH4+ mennyisége csökken NO3+ mennyisége nő Reakciókat külön egyenletekkel számítjuk! Annyi transzportegyenlet, ahány komponens!

51 ZH!! (folyamatok, változók, állandók megnevezése)
TRANSZPORTEGYENLET Folyamatok: Oldott szennyező koncentrációjának megváltozása = Advekció + Molekuláris diffúzió + Diszperzió + Szorpció + Lebomlás (elsőrendű és kémiai átalakulás)

52 ZH!! (minden, összevetve az áttörési görbével)
t=konst., x=var. SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉSE C x=0-ban és t=0-ban a koncentráció ADVEKCIÓ x + DIFFÚZIÓ + DISZPERZIÓ + ADSZORPCIÓ késleltetés + LEBOMLÁS + ÁTALAKULÁS

53 ZH!! (kísérlet célja, működése)
ÁTTÖRÉSI KÍSÉRLET K h1 h2 L C0 v C Különböző szennyezők. Különböző közeg. Változó peremfeltételek. C(t)=?

54 ZH!! (minden) ÁTTÖRÉSI GÖRBE + diffúzió és diszperzió
+ elsőrendű lebomlás advekció + adszorpció ± átalakulás

55 ? ZH! (folyamatok, változók, állandók megnevezése, lásd 51. dia)
MODELLEZÉS A szennyezés terjedése modellezhető…. … ha ismertek: paraméterek reakcióegyenletek sebesség(tér) mérés, adatbázis, kalibráció termodinamika, adatbázis mérés, hidrodinamikai modell ? vízmozgás diff. egyenlete (Bussinesq-egyenlet)

56 ? ? ? Koncepcionális modell MODELLEZÉS
1. A modell geometriai felépítése határai, 1, 2 vagy 3 dimenzió, horizontális felosztás, rétegfelosztás. 2. Peremfeltételek fix nyomás, fix hozam, nyomástól függő hozam. 3. Idő permanens, nem permanens (kezdeti feltétel, időlépcső). 4. Források és nyelők beszivárgás, párolgás, vízfolyás, tó, vízkivétel. 5. Transzportfolyamatok figyelembe vett folyamatok, egy vagy több komponens? ? ? ?

57 Szigetszentmárton vízmű kutak védőterületei
NÉHÁNY PÉLDA Szigetszentmárton vízmű kutak védőterületei mélyfúrású rétegvíz kutak ivóvíz és ipari víz célú felhasználás geológiailag védettnek tekinthető a fedőrétegek miatt konzervatív szennyezőt feltételezünk

58 Dunavarsány tisztított szennyvíz elhelyezés
NÉHÁNY PÉLDA Dunavarsány tisztított szennyvíz elhelyezés öntözés mg.-i terület és erdő szennyezők: kommunális ipari háttér (ivóvíz) határérték feletti tv. szennyezettség feladat: beavatkozások hatásainak vizsgálata

59 NÉHÁNY PÉLDA 5 év

60 NÉHÁNY PÉLDA 10 év

61 NÉHÁNY PÉLDA 20 év

62 NÉHÁNY PÉLDA 30 év

63 NÉHÁNY PÉLDA 50 év