Ugrás a tartalomhoz

Környezettechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

5. fejezet - 4. A talajszennyezés csökkentése tisztítástechnológiai módszerekkel (kárelhárítás)

5. fejezet - 4. A talajszennyezés csökkentése tisztítástechnológiai módszerekkel (kárelhárítás)

Az 1990-ben megjelent Környezettechnika kézikönyv hasonló témájú fejezetet még nem tartalmazott, ugyanis ezidőben a talajvédelem csupán a prevencióra és a termőtalaj agrotechnikai javítására korlátozódott. A talajtisztítási, mentesítési, kárelhárítási feladatkör csak elszigetelt igényként jelentkezett. Az elmúlt tíz évben azonban egyrészről az új környezetvédelmi megközelítésmód, a méréstechnika fejlődése, másrészről a szovjet csapatok által hátrahagyott repülőterek és más katonai objektumok kőolaj és nehézfém szennyezései, valamint és nem utolsósorban a privatizációra kerülő elavult, anyag-és energiapazarló gyáriparunk talajszennyezései, az illegális és szakszerűtlen hulladéklerakók, rendkívüli sügősséggel követelik meg a kárelhárítási, helyenkint kármentesítési technológiák alkalmazását.

A kárelhárítási tevékenységet két nagy csoportra kell felosztani.

  • Az azonnali beavatkozást igénylő esetekre, amelyeknél általában váratlanul fellépő, üzemi Kárelhárítási Tervekben meghatározott konkrét feladatokat, illetőleg a Kárelhárítási Művelettervekben leírt teendőket kell ellátni. Ezek a feladatok a kiváltó ok megszüntetésére és a kár lokalizálására terjednek ki. A munkálatokat a kár elhárítására kiképzett egységek, így pl. a tűzoltóság, a vízügyi-és környezetvédelmi biztonsági osztagok, a polgári védelem és az e célra szakosodott és akkreditált magán vállalkozók végzik. A koordinációt és a szakmai irányítást az illetékes környezetvédelmi felügyelőség látja el.

  • A folyamatosan végzendő, esetleg hónapokig, évekig tartó mentesítési munkákra, amelyek vagy az előző pontban leírt tevékenységek utómunkálatai vagy olyan környezeti károk, melyek hosszantartó gondatlan kezelés, üzemeltetés következményei. Ezeket a munkálatokat – közszolgáltatási kapacitás hiányában – minden esetben szak vállalkozásoknak kell elvégezni. A továbbiakban csak a hosszabb időhorizontú, folyamatos kárelhárítási tevékenységekkel fogunk foglalkozni.

Ahhoz, hogy a talajszennyezés csökkentésére alkalmas technológiákat áttekintsük és eredményesen alkalmazzuk, át kell ismételni mind a talaj, mind a mértékadó gyakorisággal előforduló potenciális szennyezőanyagok (olajok, más szerves anyagok, nehéz fémek) fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságait.

4.1. A talaj

Az előző fejezetekből is kitűnik, bioszférának nevezzük az ember fizikai környezetét, azt a földrajzi burkot, amelyben eredendően a szoláris energia hatására az élet jelenségei lejátszódnak. A bioszféra elemei: az atmoszféra, a hidroszféra és a litoszféra között állandó kölcsönhatás van. Ezen kölcsönhatás nélkül a fejezetünk tárgya a talaj sem alakult volna ki a litoszféra felső rétegéből. Ugyanígy az élő és élettelen világ anyag-, energia-és a „genetikai információ”-csere törvényszerűségei nélkül nem tudnánk a szennyezés csökkentésére alkalmas technológiákat alkotni és használni.

A földkéreg kőzetköpenyét, a litoszférának nevezzük. A kémiai összetételére jellemző, hogy a tömegének több, mint 99%-át kilenc elem ( O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti ) alkotja. A litoszféra legfelső rétegét, a pedoszférát a gyakorlati környezetvédelem okából is meg kell különböztetnünk az alsóbb rétegektől, ugyanis a kőzetekben lejátszódó mállásfolyamatok és a talajt szennyező civilizációs hatások csak idáig hatnak. A pedoszféra a benne lejátszódó közel stacioner természetes folyamatok és az igen változatos emberi hatások miatt állandó átalakulásnak van kitéve. A pedoszféra – egy laza illeszkedésű háromfázisú, heterogén rendszer, amelyben az anyag-és energiacsere folyamatok végbe mennek. Itt alakul ki a kőzetből – a levegő és a víz, valamint ezek komponensei kölcsönhatása következtében – a talaj. A talaj ill. a talajt képező rétegek egyidejűleg a mikroorganizmusok, a növények és állatok életteréül is szolgálnak. A talaj természetes és hasznos ásványi anyagai közvetett vagy közvetlen módon kerülnek az emberi szervezetbe a talaj-növény-állat táplálkozási láncon keresztül, vagy a talaj-talajvíz-ivóvíz útján. A talaj ásványi anyagait a növényi, állati vagy emberi szervezetek ionok vagy vegyületek, ritkán nagyobb molekulatömegű szerves vegyületek alakjában veszik fel. Az ártalmas anyagok is ugyanezen az úton károsítják a táplálékláncot és végső so-ron az embert. A környezettechnológus feladata az, hogy a talajba került káros anyagokat a természettudományos ismeretei birtokában eltávolítsa. Evégből számba vesszük azokat a folyamatokat és anyagi tulajdonságokat, amelyek segítik vagy éppen akadályozzák egy-egy ártalmatlanítási technológia kiválasztását ill. kialakítását.

4.1.1. A talaj kialakulása

A talaj kialakulása a kőzetek mállásával kezdődik. A mállás kőzetspecifikus – energia szintekkel vezérelt – fizikai, kémiai és biológiai folyamatok, hol egymás utáni, hol párhuzamos sora. Ezek a folyamatok a szilárd anyag felaprózódásához, és az ezt követő szétoszlásához vezetnek.

A kőzetek fizikai mállását a gyors és jelentős hőmérséklet ingadozás idézi elő, amely a benne lévő, különböző hőtágulási együtthatójú ásványokra eltérő mértékben hat., ehhez járul az a hatás, amit a jég izochor kristályosodása okoz, melynek során a kőzetek átlagos keménységét messze meghaladó nyomás keletkezik.

A kémiai mállás egész sor nagyon egyszerű fizikai-kémiai változást foglal magában: a cserebomlástól és a red-oxi folyamatoktól, a koaguláción és a kioldódáson keresztül, a kristályosodásig. A kőzetmállás során a legfontosabb reakciópartnerek a levegő és a víz aktív komponesei (CO2 ,O2 ,H+ ,OH). Az esővíz CO2-tartalma, amelyet az atmoszférában jelenlévő széndioxid gáz parciális nyomása szab meg, a korhadó növényi massza környezetében két nagyságrenddel(!)is megnövekedhet.

A biológiai tevékenységeknek nemcsak az anyagcsere folyamatok, hanem az en-zim-katalízis miatt is a kőzetek mállásában, talajjá válásában hasonlóképpen nagy szerepük van.

4.1.2. A talaj összetétele

A talaj négy alapalkotó részből áll, amelyek egymással dinamikus egyensúlyban vannak: szervetlen komponensek, talajvíz, talajatmoszféra és a szerves komponensek.

A talaj szervetlen komponensei

A talaj fő szervetlen komponensei a kavics,a homok, a márga és az agyag.

A kavics 2000–40 000 µm átmérőjű kőzetdarabokból álló törmelékes üledék. A folyók görgetett hordalékaként állandóan csiszolódva veszi föl jellegzetesen lekerekített alakját. A folyó sík vidékre érve, lelassulva kavicskúpot (hordalékkúpot) alakíthat ki, amely nagyobb vastagságot (több méter) is elérhet. Vízvisszatartó tulajdonsága, anyag-megkötőképessége nincs. (Hasonló mérettartományú kőzetdarabok, szögletesélű kőzúzalékok mesterséges úton kerülhetnek a talajba, ezek vízmegtartó képessége a kavicsénál nagyobb.)

A homoktalajok szemcseátmérője 50-től 2000 µm-ig terjed (kvarc), színük világos, könnyen megmunkálhatók, víz és oldott anyagok számára áteresztőképességük nagy; szorpciós képességük ennek megfelelően csekély. Kavicssal és márgával keverve gyakran képeznek alluviális öszletet.

A márgarészecskék átmérője 2–50 µm között változik. Mészkövek és dolomitok lazán ülepített, kvarccal kevert képződménye, így túlnyomóan kalcium-karbonátból, kalcium-magnézium-karbonátból és kalcium-, illetve alumínium-szilikátból állnak. A vízáteresztő-képesség szempontjából – különösen a dolomitos márga – hátrább sorolandó a homoknál, viszont adszorpciós képessége nagyobb.

Az agyagok mállásfolyamatok eredményeként keletkező szilikátok, illetve alumí-nium-szilikátok. Az agyagok szemcseátmérője //>// 2 µm.

Az agyagásvány megnevezés rétegszerkezetű (filloszilikátok) szervetlen talajalkotó komponenst jelöl. Az agyagokra jellemző réteges felépítés két szerkezeti egység, a tetraéderes SiO4-csoport és az oktaéderes MOX(OH)6–X csoport kombinációjának eredménye, ahol az oktaéder középpontjában Al3+-, Mg2+-, Fe2+- vagy Fe3+-ionok foglalnak helyet. A tetraéderes és oktaéderes építőelemek közös oxigénatomokkal kapcsolódnak egybe. Az agyagásványok rétegszerkezetének ill. kémiai konfigurációjának a különböző szorpciós folyamatok során van jelentősége.

Talajvíz és talajatmoszféra

A talajban lévő üregeket és pórusokat a talaj víz-és levegőtartalma tölti ki. Ezen terek nagyságát a részecskesűrűség és a porozitás határozza meg, a víz és a gázok pórusokban és csatornákban való transzportja viszont lényegében véve a talaj összetételétől (homok/ márga/ agyag arány) függ. Azok a talajok, amelyekben az agyagásványok hányada nagy, a legnagyobb porozitást mutatnak. A homoktalajok vízmegkötő képessége csekély. Az agyagtalajok esetében a helyzet fordított, ezen utóbbiak a víz egy részét a mikropórusokban erősen megkötik. Durva megközelítéssel ez vonatkozik a szennyezésként bekerülő vízoldható anyagokra, vagy önálló fázist alkotó, vízzel nem elegyedő folyadékokra, amelyek – a vízpárához hasonlóan – légnemű halmazállapotban is létezhetnek, sőt fizikai behatásokra közlekedhetnek.

A víz a talajban három, különféle állapotban létezhet,ad//>//10µm átmérőjű csatornákban áramolni képes, a talajszemcsék felületén szorpció révén megkötődhet, és végül a d //<// 10 µm átmérőjű kapillárisokban is elhelyezkedhet. Ha a pórusátmérő d //<// 0,2 µm a víz is és más folyadékok (pl. benzin) transzportja a talajban főként légnemű állapotban történik.

A talajvíztartó, a vízzáró öszlet (az ún. fekü) felett, alulról fölfelé a következő zónákat különböztethetjük meg. A legalul elhelyezkedő talajzónában a kőzetszemcsék hézagait a víz teljesen kitölti (telített zóna). Ennek felszíne a talajvízszín vagy talajvíztükör, mely sohasem állandó, hanem a légnyomás, a hőmérséklet és a csapadékmennyiség vagy művi depresszió-keltés (szivattyúzás) hatására folytonosan változó. A talajvíztükör fölött van a kapilláris zóna, amely két részből áll. Az első a zárt kapilláris vízöv, melyben a kőzetszemcsékkel teljesen körülzárt kapillárisokat víz tölti ki. A víz a nehézségi erővel szemben a kapillárisokban fölfelé mozogva veszi fel az egyensúlyi helyzetét. Fölötte helyezkedik el a nyílt kapilláris vízöv, melyben a hajszálcsöveket (hézagokat) a víz nem tölti ki teljesen, minthogy a hézagok között már levegő is van. Legfölül található a talajlevegő-tartalmú zóna, amelyben a csapadékvíz a nehézségi erő hatására lefelé szivárog, a vízpárás (vízgőztartalmú) levegő, amely hol a szemcsékhez tapad, hol a változó fizikai egyensúlyok hatására elmozdul. A beszivárgás során a kőzetszemcsék felületére tapadó vizet adhéziós vagy higroszkópos víznek nevezzük. A kőzetszemcsék hézagainak sarkaiban, szögleteiben a higroszkópos vízhártyát hézagsarok-vagy pórusszögletvíz burkolhatja.

A talajvízzel kapcsolatos ismeretekre a kárelhárítás során több szempontból szükségünk lehet: ismerni kell a víztartó, impermeábilis réteg felszíntől való távolságát, a talajvízáramlás irányát és a talajvízszint-ingadozás mértékét. A talajban függőlegesen lefelé mozgó víz a kapilláris zóna elérésekor függőleges irányát megváltoztathatja, és az impermeábilis réteg fekvését követve oldalsó irányban is elmozdulhat. A talajvíz áramlási irányának ismerete a figyelőkutak telepítési helyének kijelölése miatt is szükséges.

A talajatmoszféra levegő összetétele elősegíti a szerves anyagok oxidatív lebontását, vagy éppen a redukcióját. A talajatmoszféra, összetételét és tulajdonságait tekintve több szempontból eltér a normál atmoszférától. Víztartalma nagyobb, a benne lévő komponensek a különböző nagyságú üregekben és pórusokban adszorptive megkötődhetnek, és szén-dioxid-koncentrációja biokémiai folyamatok révén 5–100-szor nagyobb lehet. A talajlevegő összetétele meghatározza a talajban végbemenő folyamatok irányát, mivel oxigéndús levegőjű talajban oxidációs és oxigénben szegény levegőjű talajban redukciós irányban tolódnak el a biokémiai folyamatok.

Az imént ismertetett különböző mértékben nedvesített zónák és üregek széles teret nyújtanak az ott jelenlévő megkötött vagy áramló antropogén eredetű szennyezőanyagok fixálás vagy mobilzálás útján történő ártalmatlanításának.

A talaj szerves komponensei

Bár a szerves komponensek a természetes (nem szennyezett) talaj tömegének mindössze 2–5%-át teszik ki, jelenlétük a kémiai reakciók szempontjából alapvető fontosságú. A talaj szerves anyagai, amelyek túlnyomóan a felső rétegben foglalnak helyet, biomasszából, részben elbomlott növényi és állati alkotórészekből, talajorganizmusokból és humuszból állnak.

A talaj szerves alkotórészei egyszerűsítve két csoportra, az ún. huminanyagokra és a nem huminanyagokra oszthatók. A nem huminanyagokat – szénhidrátok, fehérjék, aminosavak, zsírok, viaszok és kis molekulatömegű szerves savak – a talajban levő mikroorganizmusok enzimkatalizis révén, gyorsan mineralizálják, ennek megfelelően közepes élettartalmuk a talajban viszonylag csekély. A huminanyagok ezzel szemben komplex struktúrájúak, savas karakterűek, és sötét színű, túlnyomóan aromás jellegű, polielektrolit típusú, részben hidrofil, 300 és 100 000 közötti molekulatömegű anyagokból állnak. A talajban a humin anyagok szerves anyagok mineralizációjának fontos köztes termékei, és annak vízfelvételét, ioncsere-kapacitását és fémion-megkötő képességét lényegesen befolyásolják. Oldhatóságuk alapján a huminanyagok három frakcióra választhatók szét:

  • huminsavak, 20 000 és 100 000 közötti móltömeggel; alkálikus közegben oldódnak és megsavanyítás után (pH //<// 2) ismét kicsapódnak;

  • fulvosavak, kisebb móltömeggel és több savas jellegű funkcionális csoporttal; bázisokban oldódnak és pH //<// 2 esetén is oldatban maradnak;

  • humin, nem extrahálható, polimer, fekete anyag; huminsavak és fulvosavak öregedési folyamatai során keletkezik.

4.1.3. A talaj tulajdonságai

A talaj, amelyet fizikai és kémiai összetétele, továbbá megfelelő összegparaméterek (szemcseméret-eloszlás, a vizes extraktum pH-ja,, szárazanyag-tartalom, víztartalom és vízfelvételi kapacitás, porozitás, adszorpciós és ioncsere-kapacitás stb.) segítségével jellemezhetünk, egy végtelen variációs, anizotrop, háromfázisú polidiszperz rendszer.

A talaj tulajdonságait – mint a fenti összegparaméter felsorolásokból is kitűnik – többféle hasznosítási célból, azaz mindig célraorientáltan vizsgáljuk és értékeljük. Más tulajdonság ismerete szükséges a kölönféle mezőgazdasági, talajmechanikai vagy éppen vízépítési feladatokhoz. Igy a környezetvédelmi célú talajkárehárításhoz – azaz a szennyező anyagok mobilizálásához, vagy éppen fixálásához – az alábbi talajadottságok ismerete szükséges.

Szemcsézettség

A talaj szemcsézettsége (kőzettörmelék, durva kavics, aprókavics, durva homok, finom homok, humusz, iszap, agyag) más-más tulajdonságot kölcsönöz a talajnak. A szemcsézettség előbbi sorrendjében számos paraméter változik, így a talaj permeabilitása, pórus volumene, vízkapacitása, kapillaritása stb. A valóságban a helyzet nem ilyen egyszerű, mert homogén talajöszlet nincs és így a szitasorokkal csak differenciált, geofizikai szondákkal csak integrált – adatokhoz jutunk. (Ez utóbbival érünk el kis ráfordítással valósághoz közeli eredményeket.)

Permeabilitás

A talaj permeabilitása a talajnak az a képessége amely megmutatja, hogy a levegő, a víz és más viszkózus folyadékok pl.: olaj számára milyen mértékben járható át. Ez az érték a pórusvolumentől és a nedvességtartalomtól függ. Pl. kis pórusvolumenű talajban (homok, kavics) a permeabilitás nagyfokú. Ugyanakkor a talaj nedvességtartalma és permeabilitása között fordított arány van. Például nedves agyagtalajban kicsi a permeabilitás, míg száraz homoktalajban nagy.

Pórusvolumen

A talaj különböző szemcsenagyságú részekből áll. Ezek a rendelkezésre álló teret nem egyenletesen töltik ki, és ezért közöttük pórusok keletkezhetnek. A talajtérfogat százalékában kifejezett pórusmennyiség a hézagtérfogat. A pórusvolumen értéke talajonként változó. Fel nem repedezett homogén szikláké O%, homok-agyag keveréké 32%. Homok pórusvolumene 30–45%, kerti földé 64% és tőzegtalajé 80–90%. A talajmorzsákon belüli szűk pórusok tárolják, a nagyobbak vezetik a vizet, és lehetővé teszik a talaj levegőzését.

A talaj vízkapacitása

A talaj vízkapacitásán azt a százalékos tömegveszteséget értjük, amelyet a talajminta 105 °C-on tömegállandóságig történő szárításakor észlelünk. A talaj vízkapacitásának jellemzésére a minimális és a maximális vízkapacitást használják. A minimális vízkapacitás: a talaj pórusaiban visszatartott víz mennyisége. A talajszelvényben már nem érvényesül a talaj kapillaritása, ha a vízkapacitás minimális. Minimális vízkapacitással rendelkezik pl. a „talajvíz-áteresztő” zóna. Maximális vízkapacitásról akkor beszélünk, ha a talaj pórusterét teljesen (100%-ban) kitölti a víztartalom. Maximális vízkapacitást találunk pl. a fekü fölötti talajvízgyűjtő zónában vagy a tömött agyagtalajokban.

Kapillaritás

A talaj kapillaritása a pórusok átmérőjétől függ, de a talaj nedvességtartalma is befolyásolja. Kis átmérőjű pórusokban a kapilláris emelkedés („vízemelés”) nagyobb és lassan megy végbe (agyagtalaj esetén 1–2 m vagy ennél több). Nagy átmérőjű pórusokban alacsonyabb és gyorsabban megy végbe (homoktalajban 30 cm). A kapillaritást a nedvességtartalom annyiban befolyásolja, hogy száraz talajban sietteti, nedves talajban késlelteti a „vízemelést”. A fentiekből következően a talajvíz tükör felett helyezkedik el a talajvíz zóna, amelynek igen nagy jelentősége van az olajkár elhárítás szempontjából.

Talajhőmérsékletet

A talajhőmérsékletet a Nap sugárzása szabályozza A hő leadása is nagyobb részben sugárzással történik. A talajra eső sugárzási energia mennyisége a földrajzi helyzettől, égtájtól, lejtésszögtől függ. A déli, délnyugati fekvésű helyeken melegszik fel legjobban a talaj. (V.ö. a technológiai prizmák déli oldala.) A talaj felületére merőlegesen eső és az onnan visszavert sugárzás aránya a felület minőségével változik. Az elnyelt sugárzás a talajfelület érdességétől, színétől, növényzettel való borítottságától, nedvességtartalmától és szerkezetétől függ. Az elsimított terület albedója 0,30, apró rögös talajon 0,25, nagyobb rögös talajon 0,20, friss szántáson 0,17 és havon 0,07. A sötétebb talaj jobban elnyeli a ráeső sugarakat. növényzettel borított talajon csökken a felmelegedés és mérsékeltebb a felszíni rétegek hőingadozása. Nagy víztartalmú talajokban ugyanaz a hőmennyiség kisebb felmelegedést vált ki. Ezért hideg az agyagtalaj és meleg a homoktalaj. A laza szerkezetű levegős talaj felszíne viszonylag gyorsan felmelegszik. Ez a talajréteg egyúttal szigetelőként is viselkedik, s csökkenti az alsóbb rétegek hőingadozásait.

A talajban a hő főleg vezetés útján terjed. Legjobban vezeti a hőt a talaj szilárd fázisa. A talaj a felszíntől a belseje felé haladóan hőmérsékletzónákra oszlik. A felszíni zóna kb. 0–1,5 m mélységben helyezkedik el: hőmennyiségét főleg az elnyelt sugárzó energiából fedezi, napi hőmérsékleti ingadozása 38–40 °C. Összehasonlításul megemlíthetjük, hogy a légkör napi hőmérsékleti ingadozása 15–20 °C. A felszíni zóna tehát erősen felmelegedhet, illetőleg erősen le is hűlhet, sokkal jobban, mint a környezeti levegő. A mérsékelt égövön a felszíni zóna alatt kb. 1,5 m mélységben találjuk a fagymentes zónát, amely a hőt vezetés útján veszi fel. Napi hőmérsékleti ingadozása kicsiny. Hőmérsékletének szélső értékei 3 hónappal később mérhetők, mint a légkörben.

A talaj tulajdonságainak jelentősége abban foglalható össze, hogy azok közvetve vagy közvetlenül szerepet játszanak a talaj szilárdságának, hő-, víz-, levegőháztartásának, a mikroflóra és a mikrofauna, az ásványi anyagcsere és a talaj öntisztulási folyamatainak kialakításában. Ezeket a természeti jelenségeket kell hasznosítani a környezet technológusnak a kárelháritás során.