A környezetszennyezés folyamatai szennyezı anyagok migrációja

Átírás

1 A környezetszennyezés folyamatai szennyezı anyagok migrációja Migráció homogén és heterogén környezeti rendszerekben Homogén rendszer: felszíni- és karsztvíz, atmoszféra = egyetlen fázisból álló összefüggı rendszer egy összefüggı egyenletrendszerrel leírható Heterogén rendszer: talajvíz, kızetvíz, biológiai anyagok (élı szervezetek) = több fázisból álló, határfelületekkel tagolt rendszer nem írható le egységes rendszerként c t = A+ D + R + P + S(t) Részfolyamatok: A advekció, D diffúzió, R reakció, P ülepedés S(t): forrástag, lehet állandó vagy idıben változó 1

2 A környezetszennyezés folyamatai - migráció A migráció dinamikus (idıben és térben is változó) vagy sztatikus (csak térben változó, idıben stacionárius) átviteli folyamatot jelenthet. (Áttörés: dinamikusból sztatikus profil) b: megfigyelés pont; c/c 0 : a pillanatnyi és a végsı koncentráció aránya 2

3 A környezetszennyezés folyamatai migráció homogén környezeti közegben - vízi rendszerek Felszíni- és karsztvizek csoportosítása terjedési sajátosságaik szerint 4 alapmodell Folyók Rivers (jellemzık: hımérséklet, folyóágy geometriája, esés, térfogatáram, kapcsolat a talajvízzel [intrusion], lebegı szennyezés összetétele és koncentrációja) Torkolatok Estuaries (jellemzık: fentiek + szalinitás, üledékképzıdés) Nyílt víz/nyílt part Open shores (tó, tenger, óceán jellemzık: ár-apály mozgások, stagnálás, hımérsékleti rétegzıdés) Tározók Small ponds (jellemzık: fentiek + ki- és befolyás, vízhasználat) 3

4 A környezetszennyezés folyamatai migráció homogén vizekben Szennyezés terjedése folyókban terjedési szakaszok: 1. fázis: kezdeti keveredési tartomány= a beömlési sebességvektor iránya különbözik a folyási sebesség vektorának irányától, az effluens és a befogadó közeg hımérséklete eltér: a beömléstıl 100 ágymélységnyi távolságra [near-field] 2. fázis: teljes keveredés tartománya= a szennyezés már együtt halad a folyóval, de még nem telt el elég idı reakciók végbemenetelére: beömléstıl km-ig [full mixing] 3. fázis: hosszú távú keveredés tartománya = reakció és ülepedés jelentısen megváltoztathatja a szennyezés eloszlását [far-field] 4

5 A környezetszennyezés folyamatai migráció folyókban Szennyezés terjedése folyókban a 2. fázisban még csak advekció és diffúzió számít, a koncentráció a függıleges rekeszekben már homogén. x: folyási irány, y: keresztirány, z: függıleges irány u (y): x irányú folyási sebesség, függ y-tól 5

6 A környezetszennyezés folyamatai migráció folyókban Az advekciós és diffúziós tagból álló összetett differenciálegyenlet pl. végeselem-módszerrel oldható meg. Az f -fel jelölt profilfüggvény Gauss-függvényt, valamint a parti visszaverıdés miatt periodikus c( x, w) tagokat tartalmaz. f ( x = x K ) dw 1 W 0 = Q W f ( x, y, w) Q = W c 0 Q : a szennyezés idıben állandó beviteli sebessége [mól/s] W: a folyó állandó térfogatárama [m 3 /s] c 0 : tökéletes keveredés (végtelen turbulencia) esetén kialakuló egységes koncentráció 6

7 Terjedés folyókban Az elızı számítási modell grafikus képe c 0 : tökéletesen kevert átfolyó tartályban kialakuló koncentráció ( kádmodell ) 7

8 A környezetszennyezés folyamatai migráció folyókban Néhány jellemzı adat: Folyók folyási sebessége : m/s Térfogatáram: Duna (Mo.-n): m 3 /s Sió: maximum 30 m 3 /s Diffúziós együttható (vízben, fémionokra, lamináris áramlásnál): m 2 /s Turbulencia esetén 4 6 nagyságrenddel nagyobb értékek! 8

9 A környezetszennyezés folyamatai - migráció A migráció modellezésének célja a szennyezı anyagok koncentrációját jellemzı hely- és idıfüggés meghatározása. Idıben változó = dinamikus rendszereknél a terjedési differenciálegyenlet megoldása szükséges. Idıben [bizonyos idıtartamig] nem változó = sztatikus rendszernél elegendı a rendszer egyes (térben elkülönülı) elemei között fennálló koncentrációarányok meghatározása. A heterogén közegben végbemenı migráció leírását gyakran közelítik sztatikus rendszermodellel. Az azonos paraméterekkel (állapotjelzıkkel) jellemezhetı rendszerelemek a rekeszek (kompartmentek) ez mind dinamikus, mind sztatikus rendszereknél alkalmazható egyszerősítés. 9

10 A migráció folyamatai dinamikus vagy sztatikus rendszer Stacionárius esetben: K SL = c S /c L állandó Megoszlás két önmagában homogénnek tekintett kompartment között 10

11 Migráció heterogén közegben - talajvíz Porozitás: n = pórustérfogat és összes térfogat aránya Telítettség: két- vagy háromfázisú rendszer Modell: Vízáramlás és szennyezés koncentrációjának változása kompartmentek között A vízáramlás hajtóereje a hidraulikus (gravitációs és termodinamikus) potenciál advekciót és diszperziót eredményez h = z + p ρ * g n V L VL + V S 11

12 Migráció heterogén közegben - talajvíz 12

13 Migráció heterogén közegben - talajvíz Differenciálegyenletrendszer megoldása az egyes kompartmentekre Két megoldási változat eredménye egy adott (x,y,z) pozíciójú kompartmentre csak az adszorpciós modellben volt eltérés 13

14 Migráció heterogén közegben - talajvíz A felszín alatti vizek minıségét érintı tevékenységekkel összefüggı egyes feladatokról szóló 33/2000. (III. 17.) kormányrendelet az (A) háttérérték, (B) szennyezettségi határérték és (C1), (C2), (C3) intézkedési szennyezettségi határértékek mellett (D) kármentesítési szennyezettségi határérték alkalmazását vezette be. A (D) kármentesítési szennyezettségi határértéket (= mentesítési célérték) kockázatfelmérésre támaszkodóan, a területhasználat figyelembevételével kell meghatározni a földtani közegre, illetve a felszín alatti vízre. 14

15 Migráció biológiai rendszerekben Kompartmentek (rekeszek): az inhomogén élettelen rendszerekben (talaj, kızet) és az élılényekben meghatározhatók olyan morfológiailag vagy funkcionálisan jól elkülönülı részek, melyekben az inkorporált szennyezés eloszlása homogénnek tekinthetı. Ez a feltételezés ami sok esetben megegyezik a tapasztalattal - a kvantitatív viszonyok leírására arányosságok vagy differenciálegyenletek alkalmazását teszi lehetıvé. 15

16 Migrációt követı immisszió biológiai rendszerekben Idáig tart a környezeti közegben a migráció 16

17 Immisszió biológiai rendszerekben A kompartmentek közötti anyag- és energiaáram leírható: - Krónikus (Folyamatosan fennálló) helyzetben sztatikus arányosságokkal (CF módszer: concentration factors) - Akut (Csak rövid ideig fennálló, pl. baleseti) helyzetben dinamikus differenciál-egyenletekkel (SA módszer: system analysis) A hatás a káros anyag mindenkori koncentrációjától függ. 17

18 Immisszió biológiai rendszerekben CF módszer Példa : takarmányból felvehetı fémionok koncentrációja ember által fogyasztott állati szövetekben c sz = F j Qj c j F Qj j j c sz : koncentráció a szövetben [mól/kg] j: takarmány fajtája c j : koncentráció a takarmányban [mól/kg] Q: fogyasztás [kg/nap] F: átviteli (transzfer) tényezı [nap/kg] egyensúlyban F függ: a szennyezést képezı vegyülettıl a szennyezést felvevı szövet metabolizmusától c j 18

19 Immisszió biológiai rendszerekben - CF módszer F transzfer együttható tej, hús és tojás célszövet -re (nap/kg) Elem (vízoldható vegyület) Tej (tehén) Hús (tehén) Élelmiszer fajtája Hús (sertés) Hús (tyúk) Tojás (tyúk) Kobalt 0,00007 * 0,0001* 0, ,1 Stroncium 0,0028 0,008 0,02 0,08 0,2 Jód 0,01 0,04 0,003 0,01 3 Cézium 0,0079 0,05 0, ,4 *: szervetlen vegyületek 19

20 Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Egyes növényi részek szennyezettsége egy gyors légköri kontaminációt követıen 20

21 dc dt i = Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer j k ji c j kij c Egyszerő dif. egyenlet az i -edik rekeszre, ahová j rekeszbıl van be- és kijárat j i Jódkinetikai kompartment modell a szarvasmarha esetén 21

22 Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Inkorporáció az emberi szervezetben: belégzés vagy lenyelés útján át át ki ki ki Belégzés: 3 szekvenciális kompartment: orr-garat (NP), légcsı-hörgık (TB), tüdı (P) finomabb felosztásokat is alkalmaznak Lenyelés-emésztés: 4 szekvenciális kompartment: gyomor (S), Vékonybél (SI), felsı vastagbél (ULI), alsó vastagbél (LLI) 22

23 Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Integrálegyenlet és grafikonja az 1. kompartmentre c C = k1, C [mól/kg].. Q + k ( 1 exp( ( k k ). )) be be + 1 1, át 1, ki t át 1, ki I. szakasz: felvétel és kiürülés C 1,max II. szakasz: kiürülés t [óra] Hatás: a koncentráció integráljával, azaz az éppen jelenlévı káros anyag mennyiségével arányos ( ( k k ). )) C 1= C1,max. exp 1, át + 1, ki t 23

24 A környezetszennyezés folyamatai 3) immisszió Immisszió: a szennyezı anyag/energia káros hatásának megnyilvánulása Formája: külsı hatás vagy inkorporáció Alanya: ember, növények, állatok, természeti tárgyak, emberi alkotások Hatások élettelen anyagokra: fizikai átalakulás kémiai változás A közismert környezetkárosító hatások immissziója összetett: erózió, felmelegedés, sugárzások, zaj stb. A hatások az átalakult anyag mennyiségével és/vagy a koncentrációváltozásokkal jellemezhetık, gyakran azokkal arányosak. 24

25 Immisszió hatás biológiai rendszerekre Az immisszió biológiai hatása vonatkozhat ökorendszerre fajokra egyedekre A hatás érheti az adott helyen és idıben élı populáció egyedeit szomatikus hatás a következı generáció(ka)t genetikus hatás Az immissziós hatások elleni intézményes védelem az ember kivételével az ökorendszerekre (természetvédelem) és a fajokra (diverzitás fenntartása) terjed ki. Az embert egyedi védelem illeti meg. (Biodiverzitás Egyezmény Rio de Janeiro) 25

26 Immisszió hatás biológiai rendszerekre Példa az összetett hatásra: felszíni víz hıterhelése (erımő hőtıvizének kibocsátása) A felmelegedés akár 4-5 mg/l -rel is csökkentheti az oldott oxigén mennyiségét. Közvetlen hatások: Fokozódik a vízi növények aktivitása, ami az oxigén elvonás fokozódását okozza, a felszínen elterülı magasabb hımérséklető víz pedig az oxigén felvételét akadályozza. Az oldhatóság növekedése következtében az összes sótartalom növekedhet. Fokozódik a vízben levı toxikus anyagok hatása, ezáltal csökken a letális értékhez tartozó koncentráció nagysága. 10 o C-os hımérséklet emelkedés átlagosan megkétszerezi a biokémiai reakciók sebességét. Közvetett hatások: Életjelenségek zavarai (légzés fokozódása, fotoszintézis növekedés, egyedfejlıdési rendellenességek) A mérgezéssel szembeni csökkenı ellenállás Zavarok a szaporodásban és a kritikus fejlıdési szakaszokban A populációk összetételének változása 26

27 Immisszió biológiai rendszerekben példák a sejti hatásokra A fémtoxicitás molekuláris mechanizmusai 1. A mérgezı fémionok kapcsolódnak az enzimmolekulák funkciós csoportjaihoz. [Ólommérgezés vérszegénység - az ólomionok a hemoglobin bioszintézisében ható enzimek mőködését gátolják.] 2. A szükséges fémiont egy mérgezı kiszorítja az enzim aktív helyérıl. [Az alumíniumionok a magnézium aktiválta enzimekben a magnéziumionok helyébe lépnek- foszfátanyagcsere zavar - oszteomalácia (csontlágyulás)] [Kadmium cink versengés, a gyorsabban beépülı, erısebb kötést létesítı kadmiumion válik az enzim integráns részévé - rendkívüli csonttörékenység] 3. Megváltozik a biomolekuláknak a funkció szempontjából elınyös térbeli felépítése. [A DNS konformációváltozásának következményei lehetnek: rák, torzfejlıdés - kadmium, berillium, higany hatására] 4. A hidrofil fémionból lipofil molekula képzıdhet - be tud jutni a sejtek belsejébe. [Higany -baktériumok hatására metilhigany-klorid - súlyos károsodást okoz az agysejtekben és a központi idegrendszerben.] 27