Készítette: Fetter Éva

Az előadások a következő témára: "Készítette: Fetter Éva"— Előadás másolata:

1 Készítette: Fetter Éva
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)××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

5 Domenico-modell Az előbbinek egy analitikus megoldása biodegradációval kibővítve

6 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

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 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.

9 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)

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: 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

12 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)

13 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

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: O2, NO3, Fe3+, SO42-, CO2 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.: 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

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

22 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

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 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

31 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)

32 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)

33 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)

34 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)

35 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 (-)

36 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)

37 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 (-)

38 A szennyezőanyagok párolgása a felszín alatti vízből szabadtérbe-diffúziós tényezők számítása TPH 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

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

40 Köszönöm a figyelmet! Felhasznált források Hasznos oldalak
Hasznos oldalak