TRANSZPORTFOLYAMATOK

1. Ács Tamás acs.tamas@vkkt.bme.hu 30-318-6601 TRANSZPORTFOLYAMATOK Szennyezőanyag terjedése felszín alatti vizekben

2. TUDTÁTOK E? 1,8 millió m3 vizet fogyasztunk naponta Kb. 7000 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. PROBLÉMÁK IS VANNAK… Pontszerű szennyezőforrások • FAVI adatbázis: engedélyezett tevékenységek (potenciális) • kb. 30 000 objektum, • mintegy 4000 veszélyes a felszín alatti vizekre. • Kárinfo adatbázis: szennyezett területek adatbázisa • kb. 15 000 objektum. • Gyakori szennyezőforrások: • az állattartótelepeken tárolt trágya, • hulladéklerakókban, depóniákban, raktárakban elhelyezett szennyezőanyagok, • a szénhidrogén-termeléshez kapcsolódó visszasajtolás, • közvetlen bevezetések.

7. 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. SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS Terjedés függ: • közegtől • szennyezőtől • hidrometeorológia • geológia • áramlási rendszer

10. 1. Független vízháztartású talajok • B = ET • Btv = ETtv = 0 SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlenzóna: talajvízforgalmitípusok 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. 2. Párolgási többlet, • közepes talajvízállású terület • B  ET • BtvETtv SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlenzóna: talajvízforgalmitípusok A beszivárgási időszakokban a szennyezés nem éri el a talajvizet,. A párolgási többlet miatt a szennyezés a gyökérzónában koncentrálódik. Talajvizet NEM éri szennyezés!

12. 3. Párolgási többlet, • magas talajvízállású terület • B  ET • BtvETtv SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlenzóna: talajvízforgalmitípusok 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. 4. Egyensúlyban lévő talajvíz-forgalom, • közepes talajvízállású terület • B = ET • Btv = Ettv SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlenzóna: talajvízforgalmitípusok 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. 5. Egyensúlyban lévő talajvíz-forgalom, • magas talajvízállású terület • B = ET • Btv = ETtv SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlenzóna: talajvízforgalmitípusok • 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. 6. Beszivárgási többlet • B  ET • BtvETtv SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítetlenzóna: talajvízforgalmitípusok 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. B 1 v y v r V y eloszlása B 2 B 1 v v y r V y eloszlása B 2 SÉRÜLÉKENYSÉG – KÚT NÉLKÜL Telítettzóna: le- és feláramlási területek Leáramlási terület Feláramlási 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. 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. h1 h2 K L ADVEKCIÓ Áramlás sebessége? Darcy féle sebesség: v Teljes keresztmetszetre vonatkozik! Porózus közegben a tényleges sebesség = ? A víz csak a szemcsék közötti pórusokban áramlik!!

24. ADVEKCIÓ ÉS

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

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

29. TRANSZPORTEGYENLET • Folyamatok: • 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. DISZPERZIÓ • Mikroszkopikus (hidrodinamikai): • a szemcséknek ütköző folyadékrészecskék szóródása • egyenlőtlen sebességeloszlás a pórusokban

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

33. 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. DISZPERZIÓ • 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. DISZPERZIÓ longitudinális diszperzió transzverzális diszperzió

36. TRANSZPORTEGYENLET • Folyamatok: • 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. 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. SZORPCIÓ Az egyensúlyi egyenlet: pórusokban az oldat szilárd vázon adszorbeált feltételezve, hogy a lineáris izoterma érvényes, tehát:

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

44. 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. 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. 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!