A környezetszennyezés folyamatai anyagok migrációja

Átírás

1 A környezetszennyezés folyamatai anyagok migráiója 9/1 Migráió homogén és heterogén környezeti rendszerekben Homogén rendszer: felszíni- és karsztvíz, atmoszféra Heterogén rendszer: talajvíz, kızetvíz, biológiai anyagok (élı szervezetek) t = A D R P S(t) Részfolyamatok: A advekió, D diffúzió, R reakió, P ülepedés S(t): idıben változó forrástag 1

2 A környezetszennyezés folyamatai - migráió A migráió dinamikus (idıben és térben is változó) vagy sztatikus (sak térben változó) átviteli folyamatot eredményezhet: 9/

3 A környezetszennyezés folyamatai - migráió A migráió modellezésének élja a szennyezı anyagok konentráióját jellemzı hely- és idıfüggés meghatározása. Idıben változó = dinamikus rendszereknél a terjedési differeniálegyenlet megoldása szükséges. Idıben [bizonyos idıtartamig] nem változó = sztatikus rendszernél elegendı a rendszer egyes (térben elkülönülı) elemei között fennálló konentráióarányok meghatározása. A sztatikus rendszerek általában heterogének. Az azonos paraméterekkel jellemezhetı rendszerelemek a rekeszek (kompartmentek) ez mind dinamikus, mind sztatikus rendszereknél alkalmazható egyszerősítés. 9/3 3

4 migráió homogén környezeti közegben - vízi rendszerek Felszíni- és karsztvizek soportosítása terjedési sajátosságaik szerint 4 alapmodell Folyók Rivers (hımérséklet, ágy geometriája, esés, térfogatáram, kapsolat a talajvízzel [intrusion], lebegı szennyezés összetétele és konentráiója) Torkolatok Estuaries (fentiek szalinitás, üledékképzıdés) Nyílt víz/nyílt part Open shores (tó, tenger, óeán ár-apály mozgások, stagnálás, hımérsékleti rétegzıdés) Tározók Small ponds (fentiek ki- és befolyás, vízhasználat) 9/4 4

5 migráió homogén vizekben 9/5 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]. fázis: teljes keveredés tartománya= a szennyezés már együtt halad a folyóval, de még nem telt el elég idı reakiók végbemenetelére: beömléstıl 10-0 km-ig [full mixing] 3. fázis: hosszú távú keveredés tartománya = reakió és ülepedés jelentısen megváltoztathatja a szennyezés eloszlását [far-field] 5

6 migráió homogén vizekben Szennyezés terjedése folyókban migráiós diff. egyenlet a. fázisra 9/6 x: folyási irány, y: keresztirány, z: függıleges irány u (y): x irányú folyási sebesség, függ y-tól 6

7 7 A környezetszennyezés folyamatai migráió folyókban S(t) D A t = 9/7. terjedési fázis: Csak advekió és diffúzió ) * * * ( * 0 z D y D x D x u t z y x x = = Térben inhomogén, idıben staionárius eset: állandó forrástag, a konentráió idıben változatlan.

8 migráió folyókban Egyszerősítı feltételek a. terjedési fázisban: z irányban teljes keveredés; x irányban elhanyagolható a diffúzió (Darysebesség << u x ); 9/8 u x x = y ( D y y ) 8

9 migráió folyókban Hogyan integrálható a terjedési egyenlet? Terjedési egyenlet átírása térfogatáramra: Mindkét oldalt megszorozzuk h(y)-nal, a keresztirányú koordináta (y) függvényében változó ágymélységgel 9/9 u x *h(y)* x = y *[h(y)*d* ] y Egyszer differeniális térfogatáram-elem: dw dw= u x * h( y) * dy és w= w = Rész-térfogatáram [m 3 /s] y 0 u x * h* dy 9

10 migráió folyókban dy helyére dw-t helyettesítünk, és kifejezzük 9/10 x -et: x = w * D * u * h szokványos folyóknál további egyszerősítés: átlagos, térfogatárammal súlyozott diffúziós együttható * w ~ D 1 W W * D u h 0 dw innen x = ~ * w D 10

11 A differeniálegyenlet megoldása végeselem-módszerrel az alábbi alakra vezet: migráió folyókban 9/11 (x, w) Q = 1 * W n= 1 exp n π W ~ D x * os nπw W s * os nπw W Q = W 0 Q : az állandó mennyiségő szennyezés-effluens [mól/s] W: a folyó térfogatárama [m 3 /s] Alkalmazhatóság feltételei: - A szennyezés vonalszerően jut a folyóba x=0 és y=y s koordinátáknál (Ekkor a befolyási ponthoz w s rész-térfogatáram tartozik!!) - n a természetes számok sorozata - Nins kilépés a partokon és a talajvízbe 11

12 Terjedés folyókban 9/1 Az elızı számítási modell grafikus képe 1

13 migráió folyókban Bıvítés a 3. fázisban: Felületi reakió (adszorpió) lebegı anyagon 9/13 m L S ( ) R = K R * * α t VL * L K R : a szennyezı komponens egyensúlyi megoszlási hányadosa a szilárd (S) és a víz (L) közegek között [(mól/kg)/(mól/m 3 )] m,s /V: a szilárd (lebegı) anyag tömegkonentráiója a vízben [kg/m 3 ] α: a szorpió sebességi állandója (idıegység alatt megkötıdı mólok száma [mól/s] valószínőség jellegő!) 13

14 A migráió folyamatai dinamikus vagy sztatikus rendszer 9/14 Staionárius esetben: K R = S / L állandó Megoszlás két önmagában homogénnek tekintett kompartment között 14

15 migráió folyókban Néhány jellemzı adat: Folyási sebesség : 0.1 m/s Térfogatáram: Duna: m 3 /s Sió: (eresztéskor) m 3 /s 9/15 Diffúziós együttható: m /s 15