ÖSSZEFOGLALÁS, KÖVETKEZTETÉSEK

Napjainkban egyre nagyobb szerepet kap a korlátozott mennyiségben rendelkezésre álló felszíni és felszín alatti vizek, valamint a talajok minőségének védelme. A minőség megőrzésének egyik fontos lépése a szennyezőanyagok elleni védelem, illetve a már bekövetkezett környezetkárosítás esetén a minőség javítására végzendő kármentesítés. A szennyezőanyagok között kiemelkedő szerepet töltenek be a hétköznapi élet szinte minden területén megjelenő szénhidrogének, valamint szénhidrogénszármazékok.

Kutatásaimat azzal a céllal indítottam el, hogy a „hagyományos” becslési eljárásoknál (Leverett-féle és Kozeny-Carman féle) hatékonyabb becslési eljárást dolgozzam ki a felszín alatti közegbe került vagy potenciálisan bejutó szénhidrogénszennyezés terjedésének leírásához. Kutatásaim elsősorban a talajban végbemenő szerves folyadékvisszatartásra és folyadékvezetésre irányultak.

A mérések során mechanikai összetételükben, humusz- és mésztartalmukban különböző talajokat és ásványi őrlemény minták vizsgálatára került sor.

A talajminták legfontosabb fizikai és kémiai tulajdonságait (térfogattömeg, homok%, iszap%, agyag%, humusz% és CaCO3%) a Fejér Megyei NAÁ Talajvédelmi Laboratóriuma (Velence) határozta meg. A mechanikai összetétel vizsgálat a mintaanyag egyik részénél (1- 50. jelű minták) mind a hazai (MSZ-08. 0205-78 MÉM), mind pedig a FAO (ISO/DIS 11277/1995) szabvány szerint, míg a mintaanyag másik felén (51 – 92. jelű minták) csak a FAO (ISO/DIS 11277/1995) szabvány szerint történt. A két módszer között az alapvető különbség a minták előkészítésében van; a hazai módszer szerint végzett vizsgálatoknál nem történik meg a teljes dezaggregáció, míg a nemzetközi módszerrel az aggregátumokat összetartó ragasztóanyagokat teljes mértékben eltávolítják.

A vizsgálatok során alkalmazott folyadékok a desztillált víz és a DUNASOL 180/220 típusú szerves folyadék volt. A DUNASOL 180/220 megnevezésű szerves folyadék (lepárlása 180^oC és 220^oC között történik) a gázolajfrakcióhoz közelálló tulajdonságokkal rendelkező, de aromás komponenst nem tartalmazó, éppen ezért környezetbarát (nincs karcinogén, mutagén és terratogén hatása) kőolajipari termék.

A laboratóriumi vizsgálatok során víz- és szerves folyadékvisszatartás mérést 36-féle eredeti szerkezetű és 15-féle mesterséges talajmintán (100 cm³ térfogatú) végeztünk.

Hidraulikus vezetőképesség mérések elvégzésére 33-féle eredeti szerkezetű (100 és 790 cm³ térfogatú) talajmintán és 63-féle, egyenként 100 cm³ térfogatú mesterséges talajoszlopon került sor. Ezzel párhuzamosan végzett szerves folyadékvezető-képesség mérésekhez 37-féle eredeti szerkezetű (100 és 790 cm³ térfogatú) mintát, míg 63-féle mesterséges (100 cm³ térfogatú) talajoszlopot használtunk. A vízre és szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképesség mérések során 19-féle 100 cm³ térfogatú mesterséges talajmintát használtunk fel.

A talajok légáteresztő-képességének meghatározása alkalmával kizárólagosan mesterséges talajoszlopok vizsgálatára került sor. A vizsgálat alatt összesen 42-féle, 900 cm³ térfogatú talajmintán hajtottunk végre légáteresztő-képesség méréseket. A fenti méréseket minden talaj esetében három párhuzamos talajmintán végeztük el.

A talajok víz - és szerves folyadék-visszatartását több mérési sorozatnál is vizsgáltam.

A vizsgálatok során a vízvisszatartást alacsony szívóerő tartományban (pF 0 és pF 2,5) a Várallyay-féle homok- és kaolinlapos pF-mérő berendezéssel, míg nagyobb szívóerő tartományban (pF 3,4 és pF 4,2) nyomásmembrános készülékkel határoztuk meg. A pF 6,2 meghatározásához meghatározott gőznyomású térben végeztük a talajminták telítését (Sík-féle higroszkóposság mérések).

A szerves folyadék visszatartó-képesség meghatározására a Soilmoisture Equipment Corporation által gyártott LAB 23 jelű porózus kerámialapos pF-mérő berendezés szerves folyadékokkal történő mérések céljára általunk átalakított változatát használtuk.

Fokozatosan egy új mérési módszert fejlesztettünk ki, mellyel mind eredeti szerkezetű, mind pedig mesterséges talajmintákon végezhető a talajok szerves folyadékvisszatartásának mérése különböző, szabályozott nyomású és hőmérsékletű térben.

A különböző nyomáson és még nem szabályozott hőmérsékleten (szobahőmérsékleten) végzett első mérési sorozat során azt tapasztaltam, hogy a vizsgált nyomástartományban (0 – 1 bar) valamennyi eredeti szerkezetű és mesterséges talajmintánál jóval nagyobb a visszatartott víztartalom, mint a visszatartott szerves folyadéktartalom. A

folyadékvisszatartás értékekre nemlineáris regresszióval a Brutsaert – féle háromparaméteres hatványfüggvényt illesztettem. Az így kapott folyadékvisszatartási görbék talajmintánként különböző meredekségűek, adott talajmintán belül azonban a víz- és szerves folyadékvisszatartási görbék lefutása általában hasonló, a függőleges tengely mentén elcsúsztatott.

Összehasonlítottam a szennyeződésterjedés modellezésében alkalmazott Leverett - féle egyenlet alapján becsülhető nyomás – szerves folyadéktartalom görbéket a mért nyomás - szerves folyadéktartalom görbékkel. Megállapítottam, hogy a Leverett - féle egyenlet kisebb-nagyobb mértékben alulbecsli a talajminták által visszatartott szerves folyadéktartalmat. A mért és a becsült szerves folyadéktartalmak közötti eltérés sok esetben a nagyobb humusztartalmú és szerkezetes (aggregálódott) talajoknál nagyobb, mint a kisebb humusztartalmú és szerkezet nélküli talajokban.

Ez alapján feltételeztem, hogy a görbék közötti eltérések oka, hogy a Leverett - féle egyenlet érvényességi tartománya az „ideális porózus rendszer”. A vizsgált talajok azonban nem tekinthetők ilyen rendszereknek (humusz és/vagy agyagkolloidok nagy mennyisége stb.). Ez alapján a mért és becsült szerves folyadékvisszatartási értékek különbségével jellemezhető a víz fázis-szilárd fázis és a szerves folyadék fázis-szilárd fázis kölcsönhatások különbözősége.

A továbbiakban a Leverett - féle egyenlet alapján történő becslésnél megbízhatóbb becslési eljárást kerestem. Célom olyan becslési eljárás kifejlesztése volt, mely jobban figyelembe veszi a fáziskölcsönhatások kialakulásában feltételezhetően szerepet játszó talajtulajdonságokat (például mechanikai összetétel, humusz- és mésztartalom, stb.) .

Lineáris regresszióanalízis módszerével vizsgáltam az egyszerűen mérhető talajtulajdonságok és a szerves folyadékvisszatartás között fennálló összefüggéseket, melynek végeredményeképpen úgynevezett szerves folyadékvisszatartás pedotranszfer függvényeket parametrizáltam.

A regresszió vizsgálat alapján általánosságban elmondható, hogy a talajok térfogattömege, humusztartalma, mésztartalma és a mechanikai összetétele (százalékos homok-, por-,

agyagtartalom) szoros regressziós kapcsolatot mutat az egyes nyomásértékeken a talajok által visszatartott szerves folyadéktartalommal.

A második mérés sorozat folyamán szabályozott, állandó hőmérsékleten és változó nyomáson vizsgáltam, hogy a talajminták aggregáltsága, szerkezetessége hogyan befolyásolja a szerves folyadékvisszatartást. Ehhez úgynevezett „aggregáltsági talajsorozatokat” képeztünk négy kiválasztott talajmintából. Az aggregáltsági sorozatok egyes elemeit a fokozatosan csökkenő aggregátum méretek jellemezték.

Lineáris regresszióval elemeztem az aggregátum sorozatok elemeinek szerves folyadékvisszatartását. A regresszióanalízisbe a humusz- és mésztartalom, térfogattömeg mellett a talajok fizikai féleségét és aggregáltságát jól jellemző átlagos geometriai átmérők (GMD(mech) és a GMD(aggr)) értékekeit is bevontam. Megállapítottam, hogy a mechanikai összetétel (GMD(mech)) minden nyomáson meghatározó. A humusz- és mésztartalom, a

GMD(aggr) és a térfogattömeg a különböző nyomásokon eltérő mértékben határozza meg a

szerves folyadékvisszatartást.

Összehasonlítottam a lineáris regresszióanalízis által parametrizált egyenletekkel és a Leverett - féle egyenlettel becsülhető és a mért szerves folyadékvisszatartás értékeket. Azt tapasztaltam, hogy a lineáris regresszióanalízissel becsült értékek jobban közelítik a mért folyadékvisszatartást, mint a Leverett - féle egyenlettel becsült értékek.

A folyadékvisszatartás vizsgálatára irányuló első és második mérési sorozat során állandó hőmérsékletű és változó nyomású térben vizsgáltuk a folyadék visszatartást. Ezt követően a harmadik mérési sorozat folyamán változó nyomás mellett változó hőmérsékleten mértük a talajok folyadékvisszatartását.

Ismereteink szerint elsőként alkalmaztam az „extrakciós izoterma” elnevezést a jól definiált hőmérsékleten porózus kerámialapos extraktorokkal meghatározott nyomás-telítettség görbék összehasonlítására.

A hőmérséklet 20 ^oC-ról 60 ^oC-ra növelésével a 0,15 és 1,5 bar közötti nyomásokon egyértelműen csökken a talajminták folyadékvisszatartása. A 0 – 0,05 bar közötti

nyomástartományban azonban a hőmérséklet növelésével egyes minták szerves folyadékvisszatartása kismértékben csökkent, más mintáké megnőtt.

Lineáris regresszióanalízissel kimutattam, hogy 20, 40 és 60 ^oC-on a nyomás 0 bar - ról 0, 05 bar-ra növekedésével erősödött, a 0,15 és 1,5 bar közötti nyomástartományban a nyomás növekedésével csökkent a talajtulajdonságok visszatartott szerves folyadéktartalmat meghatározó szerepe. A talajtulajdonságok közül a térfogattömeg, a por- és mésztartalom befolyásolta leginkább a szerves folyadékvisszatartást.

A talajok hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető-képességét, valamint relatív áteresztőképességét - a folyadékvisszatartás mérésekhez hasonlóan - több mérési sorozatnál is vizsgáltuk.

Az első mérési sorozathoz eredeti szerkezetű mintáinkat - a szerves folyadéktelítés hatására bekövetkező zsugorodás hatására fellépő mérési hibák (mintavevő henger fala mentén fellépő makropórusok folyadékvezetése) elkerülése végett - újfajta eljárással készítettük elő. A szárítás után némiképp összezsugorodott talajoszlopokat óvatosan kiszedtük a mintavevő csőből, majd a száraz talajoszlopokat POLIKON P-210 FAXT típusú műgyantaborítással vontuk be.

A csökkenő folyadéknyomás módszerével mértük a talajok hidraulikus- és szerves folyadékvezető-képességét eredeti szerkezetű és mesterséges talajmintákon.

Berendezésünket oly módon alakítottuk át, hogy az alkalmas legyen a szerves folyadékokkal történő mérésekre is.

A mérési eredmények alapján megállapítottam, hogy az eredeti szerkezetű talajminták általában legalább egy nagyságrenddel jobban vezetik a vizsgálatba vont szerves folyadékot, mint a vizet. A mesterséges talajminták hidraulikus- és szerves folyadékvezető-képessége között lényegesen kisebb volt az eltérés, mint az eredeti szerkezetű talajmintáknál. Ennek oka feltételezhetően az eredeti szerkezetű talajmintákban lévő nagyobb mennyiségű, a szerves folyadékkal történt telítés hatására be nem duzzadó, el nem iszapolódó makropórus.

Azt tapasztaltam, hogy a szénhidrogénszennyezés mozgását leíró terjedési modellekben (úgynevezett transzportmodellekben) széleskörűen használt Kozeny - Carman egyenlet az eredeti szerkezetű és mesterséges talajok szerves folyadékvezető-képességét általában egy-két nagyságrenddel alulbecsli.

A továbbiakban új becslési módszer után kutatva lineáris regresszióanalízissel kerestem a szerves folyadékvezető-képesség kapcsolatát a talajtulajdonságokkal. Ennek során a Campbell-féle függvény linearizált változatát vizsgáltam.

Megállapítottam, hogy a mechanikai összetétel ismeretén túl a talajok összporozitásának ismerete minden esetben döntő a folyadékvezetés becslése szempontjából. A talajok kémiai tulajdonságai közül a humusztartalom, illetve a mésztartalom mutatott szoros kapcsolatot a talajok folyadékvezető-képességgével.

A hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető-képesség mérése mellett vizsgáltam a mesterséges talajminták vízre és szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképességét is.

Azt tapasztaltam, hogy a talajok relatív áteresztőképessége függ a telítés sorrendjétől és a telítő folyadékok által a talajban okozott folyadék fázis – szilárd fázis, valamint folyadék fázis-folyadék fázis kölcsönhatásoktól.

A második mérés sorozat alkalmával a talajok hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető- képessége mellett azok légáteresztő-képességét is vizsgáltuk.

A mérési eredmények alapján megállapítottam, hogy a talajok szerves folyadékvezető-képessége, illetve a légáteresztő-képessége szoros kapcsolatot mutat egymással és mindkettő függetlenül változik a mért hidraulikus vezetőképesség értékétől. Ez valószínűleg annak tulajdonítható, hogy mind a talajon átáramló levegő fázis, mind pedig a szerves folyadékfázis viszonylag érintetlenül hagyja a talaj szerkezetét. A telítés során nem okoznak dezaggregációt, illetve duzzadást a talajban.

Kimutattam, hogy a lineáris regresszióval végzett becslés értékei jobban közelítik a mért szerves folyadékvezető-képesség értékeket, mint a Kozeny-Carman egyenlet alapján becsült értékek.

A különböző talajtulajdonságok vizsgálata azt mutatta, hogy a talajok szerkezetességét (aggregátum összetételét) jelző átlagos geometriai átmérő (GMD) érték, valamint a százalékos agyag- és homoktartalom állnak a legszorosabb kapcsolatban a légáteresztő-képességgel.

Regresszióanalízissel vizsgáltam a kapcsolatot a talajok légáteresztő-képessége, egyéb talajtulajdonságok és a talaj szerves folyadékvezető-képessége között. Kimutattam, hogy a szerves folyadékvezető-képessége szoros kapcsolatban áll a talaj légáteresztő-képességgével, a teljes porozitásával, valamint agyag- és homoktartalmával.

Vizsgálataim igazolták, hogy a szénhidrogénterjedés modellezésénél (transzportmodellezésnél) alkalmazott „hagyományos” becslési módszerekhez képest a pedotranszfer függvények bevonása megbízhatóbbá teszi a szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség becslését. Lehetőséget kínálnak a gyakorlati szakemberek részére, hogy a szennyezés terjedését leíró modelleket javítsák és ezáltal növeljék a modellezés „hatékonyságát”. A szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség pedotranszfer függvényekkel történő leírása révén a szennyezés környezeti kockázata pontosabban megadható. A már bekövetkezett szénhidrogénszennyezések esetében megbízhatóbban lehatárolható a szennyezett térrész, kiválasztható a megfelelő műszaki beavatkozási mód. A potenciális szennyezéseknél jobban előre jelezhető a szennyezés megkötődésének mértéke, lehetséges mozgásának sebessége, esetlegesen iránya.