Olajszennyezések terjedése

1. Olajszennyezések terjedése Olaj a talajban és a felszín alatti vízben Fetter Éva Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék (fetter.eva@vkkt.bme.hu)

2. Kőolaj és kőolajszármazékok előfordulása a felszín alatt • folyékony (szabad) fázis a talajban, • oldott fázis a felszín alatti vízben, • gázfázis a talaj szabad pórusaiban. Az egyes előfordulási formák az alábbi tényezőktől függnek változó mértékben: • talaj fizikai és kémiai tulajdonságai • hidrogelógiai adottságok • a kőolajszármazékok fizikai és kémiai tulajdonságai.

3. Mi történik ha az olaj a talajra kerül? • A talajfelszínre kiömlött olaj szétterül, majd függőleges irányú beszivárgással egyre nagyobb mélységbe hatol és elérheti a talajvízszintet. • Az olaj talajbani mozgásánál alapvető különbséget kell tenni az olajnak, mint fázisnak szétterülése és a vízben oldott olaj mozgása között. • Amíg ugyanis az oldott anyagok a szivárgó- és talajvízzel együttesen vándorolnak, addig az olaj laza kőzetekben, talajokban összefüggő olajtestet képez. • A talajba kerülő olaj lényegében a nehézségi erő hatására húzódik lefelé és un. olajtest alakul ki, melynek alakja és nagysága a talaj és az alatta elhelyezkedő földtani összlet nemétől és szerkezetétől, valamint az olaj mennyiségétől és fizikai tulajdonságaitól is függ.

4. Olajtest alakjakülönböző típusú talajban Egynemű talaj Különböző áteresztőképességű talaj Át nem eresztő talaj

5. A talajba beszivárgott olaj viselkedése • A kiömlő és a talajokba beszivárgó kőolajszármazékok jelentős hányada szabad formájú, önálló folyadékfázisként fordulhat elő a talaj-talajvíz rendszerben • Az önálló szerves folyadék fázis vertikális és horizontális irányban történő terjedésének sebessége a talaj porozitásától és a porozitással összefüggő - áteresztőképességtől függ. • Valamely kevéssé áteresztő talajréteg a szivárgási keresztmetszet szétterülését eredményezi. Jobb áteresztőképességű talajréteghez érve azután újra lecsökken a szivárgási keresztmetszet. • Teljesen száraz talajok esetében a kőolajszármazékok jól megkötődhetnek a talajok szilárd fázisának felületein.

6. Az olajtest eléri a felszín alatti vizet Ha a beszivárgó szénhidrogén –szennyeződés mennyisége nagyobb, mint a telítetlen talajrétegek szénhidrogén visszatartó képessége, a szennyeződés lehatolhat a talajvízszintig. A talajvízszint periodikus ingadozása további talajrétegek elszennyezéséhez vezethet.

7. Olajtestből kioldódó olaj útja az olaj fázisként van jelen a szivárgási tartományban és a szivárgó vízzel lép érintkezésbe az olaj fázisként van jelen a talajvíz tartományban és állandóan érintkezik az áramló talajvízzel

8. Az olajpárna hatása • Kialakulása kis forráspontú, könnyen illó üzemanyagok esetén • A szivárgási tartományban elhelyezkedő olajtest körül tehát szénhidrogén -gőzökből álló olajpárna fog képződni • Zömmel a kapilláris sáv feletti rétegben helyezkednek el

9. Az olaj mozgásainak és megkötődésének komplex folyamata talajokban

10. Lehetséges szennyezőanyag források az olajat illetően • Nagymértékű talajszennyezést okozhatnak az olaj és gázkutak fúrása során a kitörés, vagy berobbanás következtében felszínre kerülő olajtartalmú szennyeződések. • Hibásan szigetelt, korróziósan károsodott, vagy helytelenül szivárgó tároló tartályok. • Nyers kőolajat és lepárlási termékeit szállító csővezetékek meghibásodása • Kőolajipari termékek egyéb módon (vasúti, vagy közúti tartálykocsikban) szállítása során a gyakorta bekövetkező baleseteken túl, a termékek átfejtése során történhet talaj, illetve talajvíz szennyeződés. • A környezetet terhelő kőolajszármazékok egy része a helytelenül tárolt olajtartalmú hulladékokból származik (fáradt olajok, gépolajok, tartályok olajiszapjai, használt transzformátorolajok, olajtartalmú mosóvizek és iszapok stb.). Ezeknél a hulladékoknál az olajtartalom mellett számolni kell az egyéb adalék, vagy szennyező anyagok (pl. detergensek, toxikus nehézfémek) környezeti hatásával is. • Kőolajvezetékeink meghibásodásai, illetve mind gyakoribbá váló szándékos megrongálása is hatalmas területek talajának és talajvíz készletének elszennyeződéséhez vezet

11. Természetes lebomlás a talajban • Természetes folyamatok mint pl. a hígulás, kipárolgás, biológiai lebomlás, adszorpció, és kémiai reakciók következtében a szennyezés bizonyos mértékű természetes csökkenése játszódik le. • A felszín közeli és mélyebb rétegek a természetes csökkenés szempontjából eltérő tulajdonságokkal bírnak. • A mélyebb rétegekben a mobil szennyezés a talajgázba vagy folyadék fázisba diffundál ezzel jó feltételeket biztosít a szennyezők természetes csökkenéséhez. A legtöbb nagy molekulasúlyú szerves szennyező és a számos szervetlen szennyező immobilizálódik. A szerves szennyezők lebomlása gyakran nagyon nehézkes és a fémek teljesen megmaradnak. Expozíciós utak nélkül ezek a szennyezők kockázatot nem jelentenek. A megfigyelés azonban fontos, mert váratlan események, vagy folyamatok (pl. friss oldószer bejutása, kémiai átalakulás stb.) a szennyezés immobilizációjához vezethetnek. • A természetes lebomlás mint mentesítési technológia nem azonos a nem beavatkozással.

12. Természetes lebomlás- A szennyezőanyag- csóva sorsa Számottevő folyamatok: • Advektív transzport • Diszperzió • Szorpció • Biodegradáció A csóva lehatárolása szükséges mind horizontális, mind vertikális irányban

13. 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 Advektív transzport A felszín alatti víz áramlási sebessége • vx = talajvíz szivárgási sebessége [cm/s] • K = a szivárgási tényező [cm/s] • I = horizontális hidraulikai gradiens [-] • n = a víztelített víztartó effektív porozitása [-] Néhány talajtípusra vonatkozó adatok Busch és Luckner szerint

14. Diszperzió A diszperzió a sebesség térbeliegyenlőtlenségéből adódószétszóródás 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)

15. 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 Diszperzió

16. 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)

17. 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

18. Szorpciós folyamatok A szorpciós izotermáka vegyi anyag talajhoz kötött és a talajjalkapcsolatban lévő oldatban visszamaradókoncentrációjának 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

19. Szorpció egy lehetséges számítása • 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 így: vc=vx/R (cm/s)

20. 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

21. Mintavételezés TALAJ • A talajmintavételekre az MSZ 21470-1 szabvány előírásai az irányadóak. • A mintavétel, technikáját tekintve, történhet talajmechanikai mintavevő eszközzel (fúró, szonda) bányászati módszerrel (feltáró akna, résminta, kéregminta, technológiai vizsgálathoz térfogatos minta) földmunkával (kutatógödör, akna ásás, markolás, réselés). • A kémiai vizsgálatok céljára általában elegendő az átlagos, zavart mintavétel. Amennyiben a talaj fizikai paramétereit kívánjuk meghatározni, többségében zavartalan mintavétel szükséges. • A feltárás során észlelt és mért valamennyi fúrástechnikai (nehezen fúrható talaj, duzzadó anyag, stb.), földtani (réteghatár, település, kőzetállapot, stb.), hidrogeológiai (megütött és nyugalmi vízszint) és a szennyezésre vonatkozó adatot a feltárási naplóban rögzíteni kell. • A talajminták alapján a helyszínen pontos rétegleírást kell adni. FELSZÍN ALATTI VÍZ • A talajvíz mintavétele fúrásból vagy nyílt feltárásból végezhető. Ha a talajvízmintát fúrásból vesszük, az MSZ 21464 szabvány szerint kell eljárni. • Feltáró fúrások esetében a talajvíz kapilláris zónájában növekvő talajnedvesség-tartalom érzékelése után a megütött vízszintet rögzíteni kell. Ezután a furat megtámasztását követően meg kell várni a folyadék nyugalmi nyomásszintjének állandósulását. • A figyelőkutakban a vízszintet általában a csőperem szintjétől mérik (a csőperem geodéziai bemérése után). A folyadékszintet mindig legalább 1 cm-es pontossággal kell mérni. • A talajvíz fizikai paraméterei közül helyszínen kell mérni a hőmérsékletét, pH-ját, oldott oxigén tartalmát és a fajlagos elektromos vezetőképességét.

22. 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

23. 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

24. Köszönöm a figyelmet! Felhasznált források • 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

25. Képletek összesen vc=vx/R (cm/s)