Környezettudományi Doktori Iskola 2008/2009. évi beszámoló Háden Sándor, PhD hallgató, III. évf. Kutatási téma: Víznél kisebb sőrőségő szabad fázisú szénhidrogén szennyezıdések (LNAPL) jellemzése felszín alatti közegben Témavezetı: Mádlné Dr. Szınyi Judit

Az elıadás tematikája 1. Kutatási helyzetértékelés Célkitőzés Elvégzett feladatok Folyamatban levı kutatások Eredmények További feladatok, és azok ütemezése 2. Doktori iskolai tanulmányi elırehaladás 3. A doktori munkához kapcsolódó további feladatok

1. Kutatási helyzetértékelés

Célkitőzések 1. Az LNAPL térbeli eloszlásának ának meghatározása 2. Az önálló fázis mennyiségének ének számítása 3. (teljes, kitermelhetı, reziduális) 3. A szabad fázisú szénhidrogén mobilitásának ának meghatározása 4. Kármentesítési technológiák méretezhetısége, e, hozamszámítása, a, hatékonyságának ának vizsgálata 5. Kármentesítés idıbeli tervezhetısége

Elvégzett feladatok 1. Terepi vizsgálatok 2. Mintavételek Folyadékszintmérések vertikális egyensúly (Farr et al.,1990; Lenhard & Parker, 1990) mély talajvízállású idıszak Bolygatatlan magmintavételek a talajból LNAPL mintavételek

Elvégzett feladatok 3. Laboratóriumi vizsgálatok Talajfizikai paraméterek meghatározása (MTA TAKI) víztartási görbék (Várallyai-féle pf-box) van Genuchten függvény-paraméterek (α, N, M) reziduális víztartalom (θ r ) telített víztartalom (θ s ) szabadföldi vízkapacitás (θ fc ), száraz térfogatsőrőség (ρ b(dry) ), teljes porozitás (φ t ) effektív porozitás (φ e ), víztelített szivárgási tényezı (K ws ) Log Capillary Pressure Head [log(cm)] 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 Log Capillary Pressure Head vs. Volumetric Water Content Mean Squared Error, MSE Root Mean Squared Error, RMSE Correlation Coefficient, R Squared Correlation Coeff., R 2 60 0.02455 0.99190 0.98387 Average Measured 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 Volumetric Water Content, Θ [cm3/cm3]

Elvégzett feladatok 3. Laboratóriumi vizsgálatok LNAPL fizikai tulajdonságainak meghatározása Sőrőség (ρ n ) Kinematikai viszkozitás (µ n, µ w ) Felületi és határfelületi feszültségek (σ an, σ aw, 4. Irodalmi input adatok feldolgozása aw, σ nw ) Reziduális LNAPL-szaturációk a vadózus és a telített zónában (S nv, S nr ) (CONCAWE, 1974; Mercer&Cohen, 1993; Brost and Devaull, 2000; Charbenneau 2003) Szemcsesőrőség (ρ s ) (HUNSODA, UNSODA, HYPRES, GRIZZLY)

Elvégzett feladatok Kiszámítottam az LNAPL felszínalatti közegbeli viselkedését jellemzı paramétereket Fluidumszaturációk: S t (z), S w (z) S o (z) Brooks & Corey (1964), van Genuchten (1980), Lenhard & Parker (1987), Leverett (1941), Charbenneau (1999, 2003) Fajlagos szénhidrogén térfogat: Charbenneau (2003) Teljes: D n Kitermelhetı: R n Relatív permeabilitások: k ro (z), k rw (z), k rn Burdine (1953), Mualem (1976) Szivárgási tényezı: K n, K n Mobilitás: M nb, M np, m r[nw] Bear (1972), Parker (1996) Effektív szivárgási sebesség: v n

Eredmények Fluidumszaturációk Relatív permeabilitások 4.0 3.0 2.0 Sw : Víztelítettség So: Olajszaturáció Sen: Effektív olajszaturáció szabad fázisú szénhidrogén a kútban Sors: Reziduális olajszaturáció a telített zónában Sorv: Reziduális olajszaturáció a telítetlen zónában 4.0 3.0 2.0 kro: Olajra vonatkoztatott relatív permeabilitás ko eff: Olajra vonatkoztatott effektív relatív permeabilitás kw r: Vízre vonatkoztatott relatív permeabilitás szabad fázisú szénhidrogén a kútban Nyugalmi talajvíztükör Eleváció [m] 1.0 0.0-1.0 Zaw : nyugalmi talajvíztükör Eleváció [m] 1.0 0.0-1.0-2.0-2.0-3.0-3.0-4.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Szaturáció [-] -4.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Relatív permeabilitás [-] Szivárgási tényezık Bear-féle mobilitási hányados 4.0 Ko: Olajra vonatkoztatott szivárgási tényezı Ko eff: Olajra vonatkoztatott effektív szivárgási tényezı 4.0 mr[nw ]: Bear-féle olaj/víz mobilitási hányados 3.0 2.0 Kw : Vízre vonatkoztatott szivárgási tényezı szabad fázisú szénhidrogén a kútban Nyugalmi talajvíztükör 3.0 2.0 szabad fázisú szénhidrogén a kútban Nyugalmi talajvíztükör Eleváció [m] 1.0 0.0-1.0 Eleváció [m] 1.0 0.0-1.0-2.0-2.0-3.0-3.0-4.0-4.0 1.E-12 1.E-11 1.E-10 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 1.E-05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Szivárgási tényezı [m/s] Olaj/víz mobilitási hányados [-]

Eredmények 178400 178390 178380 0.30 0.25 0.20 Átlagos olajszaturáció [cm /cm ] 22. 0.234 3 3 23. 0.245 24. 0.276 178400 178390 178380 0.60 0.50 0.40 Fajlagos olajtérfogat [m 3/m 2] 22. 0.257 23. 0.326 24. 0.553 178370 178360 0.15 0.10 6. 25. 0.263 178370 178360 0.30 0.20 6. 25. 0.449 178350 178340 0.05 0.00 4. 21. 0.262 K2 178350 178340 0.10 0.00 4. 21. 0.433 K2 178330 178320 Jelmagyarázat: 4. kút sorszáma számított paraméter 5. 0.238 20. 0.229 178310 kút jele 3. 0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 178300 641750 641770 641790 641810 641830 641850 641870 641890 178330 178320 Jelmagyarázat: 4. kút sorszáma számított paraméter 5. 0.275 20. 0.220 178310 kút jele 3. 0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 178300 641750 641770 641790 641810 641830 641850 641870 641890 178400 178390 178380 178370 178360 178350 178340 178330 5E-9 4E-9 3E-9 2E-9 1E-9 0E-9 4. 0.0E-9 Jelmagyarázat: Olajra vonatkoztatott effektív szivárgási tényezõ [m/s] 6. 0.0E-9 21. 4.1E-9 5. 3.3E-9 22. 4.6E-9 23. 3.6E-9 24. 4.5E-9 25. 4.1E-9 K2 0.0E-9 178320 4. kút sorszáma 20. 0.1E-9 számított paraméter 3.0E-9 178310 kút jele 3. 0.0E-9 0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 178300 641750 641770 641790 641810 641830 641850 641870 641890 178400 178390 178380 178370 178360 178350 178340 178330 0.11 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 4. Jelmagyarázat: LNAPL effektív szivárgási sebességének nagysága [m/y] 6. 21. 0.076 5. 0.076 22. 0.083 23. 0.110 24. 0.110 25. 0.106 K2 178320 4. kút sorszáma 20. 0.001 számított paraméter 0.061 178310 kút jele 3. 0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 178300 641750 641770 641790 641810 641830 641850 641870 641890

Eredmények olajszaturáció olajra vonatkoztatott sziv. tényezı Bear-féle mobilitási hányados

Eredmények Számított paraméter Jelölés Min Max Átlag Mértékegység Effektív LNAPL-szaturáció 0.23 0.28 0.25 [-] Fajlagos LNAPL-térfogat D n 0.22 0.55 0.36 [m 3 /m 2 ] Kitermelhetı (mobil) fajlagos LNAPL térfogat R n 0.07 0.25 0.14 [m 3 /m 2 ] Teljes LNAPL térfogat V n 299 [m 3 ] Kitermelhetı LNAPL térfogat V nr 117 (39%) [m 3 ] Reziduális LNAPL térfogat V nt 182 (61%) [m 3 ] Kitermelt LNAPL térfogat (2004-2008.) V dt 21.4 [m 3 ] LNAPL-csóva kiterjedése A n 1740 [m 2 ] Olajra vonatkoztatott effektív relatív permeabilitás k 0.17 0.25 0.20 [-] Olajra vonatkoztatott effektív szivárgási tényezı 3.0 x 10-9 4.6 x10-9 3.9 x10-9 [m/s] Olajra vonatkoztatott effektív transzmisszivitás T n 5.9 x10-9 1.8 x10-8 1.1 x10-8 [m 2 /s] P LNAPL mobilitás - Parker (1996) 7.4 x10-8 1.1 x10-7 8.7 x10-8 [m/s] LNAPL effektív szivárgási sebessége v n 0.06 0.11 0.09 [m/y] talajvíz effektív szivárgási sebessége v w 1.20 [m/y] Olaj/víz belépési nyomásszint olajvastagságban kifejezett egyenértéke S n rn K n M n h 3.23 [m]

Következtetések A számítások adatot szolgáltatnak az alábbiakhoz: Mennyiségi kockázatelemzés elvégzése Hozamszámítások Kármentesítési folyamatok idıfüggésének meghatározása Kármentesítési alternatívák vizsgálata Költség-hatékonyság és költség-haszon elemzések Gazdasági döntések Olyan módszerek együttesét vezettem be a hazai kármentesítési gyakorlatba elsıként, mely hosszú idı óta fennálló jelentıs igényt elégít ki és hiánypótló az LNAPL- szennyezıdések jellemzésében, és a kármentesítések tervezésében.

Folyamatban levı kutatások I. Numerikus modellezés PETRASIM pre- és posztprocesszor TOUGH programcsaládhoz (Thunderhead Engineering, 2008) T2VOC: egykomponenső szénhidrogének háromfázisú nem izotermális szivárgása telített és telítettlen heterogén közegben (Falta, Pruess, Finsterle, and Battistelli, 1995) TMVOC: többkomponenső szénhidrogének háromfázisú nem izotermális szivárgása telített és telítettlen heterogén közegben (Karsten Pruess & Alfredo Batistelli, 2002)

Folyamatban levı kutatások I. Numerikus modellezéssel meghatározható a háromfázisú rendszer 22 féle fizikiai paramétere S o P VOC C VOC in air C VOC in Aq. phase µ NAPL Kr NAPL

0,5 3,5 6,5 9,5 13 19 25 36 47 56 20 100 300 1,5 év év óra nap 0,5 3,5 6,5 9,5 13 19 25 36 47 56 20 100 300 1,5 év év óra nap 0,5 3,5 6,5 9,5 13 19 25 36 47 56 20 100 300 1,5 év év óra nap

Folyamatban levı kutatások I. Számított paraméterek idıfüggése cell history plots P [Pa] S o S w 1,019E5 0,8 0,140 1,015E5 0,0 56 nap 0,0 0,129 0,0 56 nap 0,0 56 nap 0,9 S g 0,40 Kr NAPL 0,0 0,0 0,0 56 nap 0,0 56 nap

Folyamatban levı kutatások II. További laboratóriumi vizsgálatok az irodalmi input adatok helyettesítésére - Reziduális LNAPL szaturációk mérése rezervoármechanikai laboratóriumban (Dean-Stark módszer, API RP40) Kettıs porozitású talajok vizsgálata pf [-lg cm H 2 O ] 1.E-12 1.E-10 1.E-08 1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 illesztett víztartalom Szank C/1 Szank C/2 pórusméret eloszlás Gyakoriság 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Volumetrikus víztartalom: θ [cm 3 /cm 3 ] 7 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 pf [-lg cm H 2 O ] Log. hidr. vezkép. - log 10 (K) [log 10 (cm/s)] 1.E-06 1.E-08 1.E-10 1.E-12 1.E-14 1.E-16 1.E-18 1.E-20 1.E-22 1.E-24 pf 0.0 2.0 4.0 6.0 sziv. tény ezı v s. v íztartalom sziv. tény ezı v s. pf 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Térfogati víztartalom - Theta [cm 3 /cm 3 ] 1.E-06 1.E-08 1.E-10 1.E-12 1.E-14 1.E-16 1.E-18 1.E-20 1.E-22 1.E-24 Illesztett víztartalom [cm 3 /cm 3 ] 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 Szank C Linear y = 0.9979x + 0.0034 R 2 = 0.9945 0 0 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 Mért víztartalom [cm 3 /cm 3 ]

Kutatások további iránya Számítások kalibrációja z z max eleváció D o S o (z) z ao z aw b o - Talaj szénhidrogén-koncentrációjának meghatározása kémiai laboratóriumban - Transzmisszivitás meghatározása Bail-down tesztek alapján (Lundy et al., 1993; Beckett és Lyverse, 2002) Hozamszámítások z ow olajszaturáció S o z ow (Charbenneau, 2003; Johns, 2000) Kármentesítési paraméterek idıfüggésé- nek analitikus számítása (Charbenneau, 2003) Kitermelhetı olajhozam Q o (t), gönygyölített olajtérfogat V p (t), Látszólagos szénhidrogén vastagságok: b o (t), Maximálisan kitermelhetı olajtérfogat: V m,effektív szivárgási tényezı: K o (t), Transzmisszivitás: T o (t) Paraméter érzékenység vizsgálat (sensitivity analysis) Bizonytalanság vizsgálat (uncertanity analysis: pl. Monte Carlo) Kitermelt LNAPL térfogat

2. Doktori iskolai tanulmányi elırehaladás

Doktori iskolai tanulmányi elırehaladás Tanulmányi kreditek A 3. szemeszter végére megszereztem valamennyi szükséges tanulmáyi kreditet (32) Nyelvtudás Német nyelvbıl felsıfokú C típusú állami rendelkezem Nyelvtudás Publikációk Elbírálás/korrekció alatt van egy cikkem az Soil and Sediment Contamination An International Journal c. amerikai szakfolyóiratnál. Impact Factor 2007: 0,646 Cikk címe: Characterization of distribution, permeability, conductivity and mobility of LNAPL in the subsurface at an industrial site in Hungary Abszolutórium

3. A doktori munkához kapcsolódó további feladatok

A doktori munkához kapcsolódó további feladatok Nyelvtudás ECL angol középfokú nyelvvizsga 2009. október Publikációk További cikk megjelentetése a Journal of Environmental Monitoring c. folyóiratban. Impact Factor 2007: 1,83 Leadás tervezett idıpontja: 2009. december További kutatási feladatok Doktori értekezés Szigorlat Leadás tervezett idıpontja: 2010. május Fıtárgy: Környezetföldtan Melléktárgyak: Hidrogeológia Kármentesítési eljárások

Elérhetıségek Contact Information: Háden Sándor Tel.: +36 (30) 346-1173 Fax: +36 (22) 329-109 Email: hadensandor@msn.com