PERMEABIMETER
DEMIÁN Szabolcs1
,
SZÉKELY István21MSc Hidrogeológus mérnöki szakos hallgató demian.szabolcs@freemail.hu
1Műszaki Földtudományi Kar, Miskolci Egyetem
2 Tudományos segédmunkatárs hgszi@uni-miskolc.hu
2 Környezetgazdálkodási Intézet, Miskolci Egyetem
Kivonat: Felszín alatti vízszennyezések kárelhárítása egyre fontosabb feladattá vált az ivóvíz készleteink védelme érdekében. Hazánkban az elsődlegesen elterjedt kármentesítési módszer a „pump & treat” (szivattyúzás és tisztítás) technológia a több évtizedes felszín alatti szennyeződések felszámolása során a heterogén felépítésű rendszerekben a vízrekesztő, agyagos-iszapos rétegekből nem képes a szennyező eltávolítására. Annak érdekében, hogy a kevésbé transzmisszív rétegből visszadiffundáló folyamat jelenségét jobban megértsük és a befolyásoló paramétereket meg tudjuk határozni, egy laboratóriumi méréssorozat került végrehajtásra DKS- permeabiméter segítségével.
Kulcsszavak: DKS-permeabiméter, rediffúzió, kármentesítés, szénhidrogén szennyeződés
Abstract: The site remediation in case of groundwater contamination has become increasingly important to protect drinking water supplies. During the decades of pollution in a heterogeneous system the clay and silt layers can be saturated by the contaminants. After a pump & treat remediation process the contaminants diffuse back from the aquitard to the clean or almost clean aquifer because of concentration gradient between the layers causing long-term contamination. To understand better the phenomena of back diffusion and to define the affecting parameters, a series of laboratory measurements were performed on a test device, called DKS- permeameter.
Kulcsszavak: DKS- permeabimeter, back diffusion, remediation, hydrocarbon contamination
1. A REDIFFÚZIÓ
Az ivóvíz készleteink védelme érdekében a felszín alatti vízszennyezések kárelhárítása napjainkban egyre fontosabb feladattá vált. A hazánkban is gyakorta előforduló több évtizedes felszín alatti szennyeződések hatására a heterogén felépítésű rendszerekben a vízrekesztő, agyagos iszapos rétegek is elszennyeződnek, elsősorban diffúzió útján.
A szennyezett terület kármentesítését lezárva gyakori megfigyelt jelenség játszódik le, hogy a már megtisztított porózus közegbe a koncentráció- gradiens hatására a vízadó alsó része felől ismét megindul a megtisztított réteg elszennyeződése. Ennek fő oka, hogy a hazánkban is leggyakrabban alkalmazott "pum&treat" technológia során csak a vízvezető réteg tisztítása történik meg és ezt követően a vízrekesztő rétegből történő rediffúzió útján, mint egy másodlagos szennyező forrás, a vízadóban újra megjelenik a korábban már eltávolított szennyezőanyag. [1]
A rediffúzió jelenségének tényleges létezését különböző kutatások terepi, illetve
70
laboratóriumi körülmények között is bizonyították. Terepi felmérések eredményeit már Liu and Ball 2002-ben, majd szintén terepi vizsgálataik eredményeit Chapman and Parker 2005-ben publikálták. [2] [3] [4]
Számos valós, terepi eset vizsgálatával Yang és társai egy 2017-es cikkükben a rediffúzió folyamatát 3 szakaszra osztották fel. Az első szakasz a szennyezőanyag vízadóba történő bejutása, amit a szennyezőanyag mélyebb rétegeibe történő lejutása és a vízrekesztő rétegekbe történő akkumulálódása követ. Ezt követi a második szakasz, amely során a fentebb már említett kármentesítési szakasz követ, ahol a porózus réteget megtisztítják valamilyen műszaki beavatkozás segítségével. Harmadik fázisként a vízadó rétegbe történő szennyezőanyag hosszú távú és kis koncentrációjú visszaoldódása jelentkezik. [5]
2. A DKS-PERMEABIMÉTER
A DKS-permeabiméter a németorszégi Ruhr Egyetem Talajmechanikai Intézetében lett kifejlesztve az 1990-es évek első felében. Az eszköz megalkotása és a vele végrehajtott első kísérletek a Jessberger-Onnich páros nevéhez köthetők. Fő szempontjuk egy olyan eszköz létrehozása volt, amivel lehetségessé válik az anyagtranszport-folyamatokat befolyásoló paraméterek laboratóriumi mértékben való modellezése, mivel korábban csak kevés, erre a célra használható berendezés létezett. A szavak, melyekből az eszköz neve is áll, szintén ezeket a folyamatokat tükrözik: „Diffusion – Konvektion – Sorption” (Diffúzió-Konvekció-Szorpció).
Jessberger és Onnich a készüléket eredetileg hulladéklerakók alatt található agyagos összetételű aljzatszigeteléseken keresztül történő anyagtranszport-folyamatok vizsgálatára használták. [6, 7]
3. REDIFFÚZIÓ LABORATÓRIUMI MÉRÉSE DKS-PERMEABIMÉTERREL ÉS A MÉRÉSTECHNOLÓGIA FEJLESZTÉSE
A rediffúzió folyamatának laboratóriumi vizsgálatára a Miskolci Egyetem Környezetgazdálkodási Intézetében már több éve folynak vizsgálatok a DKS- permeabiméter elnevezésű tesztcella segítségével. A laboratóriumi mérések mindegyike során a DKS-permeabiméter mintatároló elemébe mesterségesen elszennyezett kis transzmisszivitású anyag került beépítésre. Ennek jelentősége, hogy laboratóriumi méretekben modellezhetővé váljon, olyan több évtizede elszennyezett terültek talajrétegei, amelyekből a rediffúzió útján a kármentesítést követően a koncentráció gradiens megfordulásával másodlagos szennyeződések léphetnek fel, adott esetben a kármentesítési célértéket újból meghaladván.
A több éves kutatómunka során számos mérési elrendezés és a cellában lejátszódó koncentráció változások nyomon követésére szolgáló módszer lett kipróbálva. A mérési elrendezés és méréstechnika folyamatos fejlesztésével számos, a rediffúzió jelenségének pontos leírását zavaró tényező lett kizárva.
A DKS-permeabiméter alsó áramlási lemezének kizárása mellett, csak a felső áramlási lemezt üzemeltetve, az advekció útján történő szennyezőanyag kimosódás minimalizálva lett, ezáltal az áramlási lemezbe a szennyezett mintából, csak diffúzió útján juthat szennyeződés (1.
ábra). A perisztaltikus pumpa fordulatszámának változtatásával, különböző áramlási sebességek mellett vizsgálható a rediffúzió jelenségének időbeli változása. A mérési elrendezés mellett a cella felső áramlási lemezéből kilépő oldatok szennyezőanyag koncentrációjának meghatározására szolgáló módszerek is folyamatos fejlesztéseken estek át, így eljutva az átfolyó rendszerű spektrofotometriás mérésekig. Ezáltal a mintatestből kilépő szennyezőanyagok detektálása szélesebb spektrumban váltak lehetségessé.
71
1. ábra. A rediffúzió mérésének sematikus ábrája (1. desztillált víztartály, 2.perisztaltikus pumpa, 3. bemeneti ág, 4. felső áramlási lemez, 5. minta tároló, 6 kimeneti ág, 7. átfolyó
küvetta) 4. MÉRÉSI EREDMÉNYEK
A rediffúzió laboratóriumi vizsgálata során a DKS-permeabiméter felső áramlási lemezében a kezdeti mérések során a perisztaltikus pumpa két különböző fordulatszámon (1 RPM, 90 RPM) történő üzemeltetése mellett mértük a kilépő ágon a szennyezőanyag koncentráció időbeli változását (2. ábra).
2. ábra. Az 1 RPM és 90 RPM melletti rediffúzió eredményeinek összehasonlítása Folyamatos perisztaltikus üzemeltetés mellett, a háttérhígulás hatására a szennyezőanyag koncentrációjának detektálása nem volt megoldható. Ennek kiküszöbölésére egy úgynevezett stop&go ciklust alkalmaztunk, ami azt jelentette, hogy 5 órás perisztaltikus pumpa üzemeltetését követően 18h-ra leállítottuk a pumpa áramlását, ezáltal egy statikus állapotot létrehozva az áramlási lemezben, így kizárva a háttérhígulást, csupán a diffúzió útján kialakult koncentrációváltozást detektáltuk.
3. ábra. A három ciklusú stop&go típusú vizsgálat eredményei
72
5. ÖSSZEFOGLALÁS
A kezdeti mérésekből jól látszik, hogy a vizsgálatkor használt perisztaltikus pumpa állandó üzemeltetése mellett – kvázi dinamikus állapotban – a hátérből jövő hígulás mértéke annyira jelentős, hogy csak kis koncentráció értékek jelennek meg az általunk vizsgálni kívánt mintákban, ezzel akadályozva a szennyezőanyag kimutathatóságát, detektálását.
Az új mérési elrendezésnek köszönhetően, az átfolyó rendszerű spektrofotométer mérésbe való beillesztésével lehetőségünk nyílt szélesebb spektrumban vizsgálni a koncentráció csökkenését, így az átlagmintáktól eltérve in situ módon végezhetőek a mérések. Ennek következtében pontosabban követhetővé vált a koncentráció időbeli változása.
A kísérlet ideje alatt alkalmazott „stop&go” típusú vizsgálati módszerrel sikerült bebizonyítani, hogy a tiszta és szennyezett rétegek között lejátszódó rediffúziós folyamat statikus rendszerben sokkal jelentősebb mértékű, ezért a háttérhígulás kizárása kardinális jelentőséggel bír a kísérletek végrehajtása során. A statikus rendszerben a detektálhatóság precízebben kivitelezhető, továbbá számszerűsíthetővé válnak a szennyezőanyag fluxusok.
6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
"A cikkben ismertetett kutató munka az EFOP-3.6.1-16-2016-00011 jelű „Fiatalodó és Megújuló Egyetem – Innovatív Tudásváros – a Miskolci Egyetem intelligens szakosodást szolgáló intézményi fejlesztése” projekt részeként – a Széchenyi 2020 keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg"
7. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] FILEP, GY., KOVÁCS, B., LAKATOS, J., MADARÁSZ, T., SZABÓ, I.: Szennyezett területek kármentesítése; Miskolci Egyetemi Kiadó, 2002.
[2] LIU, C., BALL, W. P.: Back Diffusion of Chlorinated Solvent Contaminants from a Natural Aquitard to a Remediated Aquifer Under Well-Controlled Field Conditions:
Predictions and Measurements; Ground Water, Vol. 40, No. 2, pages 175-184., 2002.
[3] CHAPMAN, S. W., PARKER, B. L.: Plume persistence due to aquitard back diffusion following dense nonaqueous phase liqiud source removal or isolation; Water Resources Research, Vol. 41, W12411., 2005.
[4] CHAPMAN, S. W., PARKER, B. L., SALE, T. C., DONER, L. A.: Testing high resolution numerical models for analysis of contaminant storage and release from low permeability zones; Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 136-137, pages 106-116.
2012.
[5] YANG, M., ANNABLE, M. D., JAWITZ, J. W.: Field-scale forward and back diffusion through low-permeability zones; Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 202, pages 47-58, 2017.
[6] MAHLER, C-F., VELLOSO, R. Q.: Diffusion and sorption experiments using a DKS permeameter; Engineering Geology, Vol. 60, pages 173-179., 2011.
[7] KOLL, A.: Anwendug von DKS- Permeametern zur Untersuchung von chromkontaminiertem Boden, Masterarbeit, Leoben,2011.
73