A felszín alatti vizek szennyezése

A szennyezés terjedése és az öntisztulás vonatkozásában lényeges különbségek tapasztalhatók a felszín és a felszín alatti vizek között.

A felszíni vizek esetében a szennyezés múlékony, tartóssága néhány nap, legfeljebb néhány hét. A felszín alatti vizek szennyezése ellenben tartós, időtartama évtizedekre esetleg évszázadokra tehető. Ha a szennyező anyag azonnal nem bomlik le vagy immobilizálódik, akkor az a végtelenségig a felszín alatti vízben maradhat.

A felszín alatti vizek szennyező forrásai

A felszín alatti vizek esetében természetes illetve mesterséges (antropogén) forrásokból származhat a szennyező anyag.

A természetes eredetű szennyező anyagok kémiai és fizikai folyamatok eredményeként az atmoszférából, bioszférából és a litoszférából kerülnek a felszín alatti vizekbe, mindenek előtt a talajvízbe.

Így például a talajvíz sótartalma a talaj illetve a közeli kőzetek vízoldható sóiból származik. A szennyezés természetes forrásaiból a vízadó rétegbe kívülről bekerülő anyagok jelentős mértékben befolyásolják a felszín alatti vizek minőségét. Ezek közé sorolhatók a vízadó rétegek közötti vízcserék.

Az emberi tevékenységből származó (antropogén) szennyezés forrásai a következők lehetnek

• a szilárd hulladék lerakók

• a szennyvíz tározók

• a mezőgazdaság

• olaj szivárgás vagy elfolyás

• mélyen elföldelt toxikus hulladékok

A felszín alatti vizek szennyezőforrásait mutatja be a 28. ábra.

A hulladék lerakó az emberi tevékenységek közül az egyik legjelentősebb, a talajvíz minőséget befolyásoló tényezők közül. Az ipari és háztartási hulladékok szennyező anyagai az egyszerű szervetlen ionok (nitrát, klorid), a nehézfémek (pl. króm) illetve szintetikus szerves vegyületek (pl. tetraklorid), stb. lehetnek. Ezeket a hulladékokat gyakran helyezik el, illetve tárolják a terepfelszín alatt, hasonlóképpen felszín alá kerülnek az egyedi szennyvíz tárolók szeptikus tankok, szennyvizek, ipari szennyvíztározók, bányászati hulladéktavak, műtrágya tározók, stb.

28. ábra A felszín alatti vizek szennyezőforrásai

Tekintettel arra, hogy a reakciók száma egyre növekszik, a talajvíz szennyezés lehetősége egyre nagyobb, ugyanis ezek szabálytalan, nem szakszerű kialakítás esetén a csapadék vagy a talajvíz a szennyező esetleg toxikus anyagot kioldja és ezek a talajvízbe szivárognak (29. ábra).

29. ábra Talajvízdomb hulladéklerakó alatt, a szennyező kilúgzási forrást és a szennyező anyagok mélybe történő beszivárgását okozva

30. ábra Szennyezett vízadó réteg, amely hulladék lerakóból kimosódott anyagokból alakul ki

A 30. ábrán a nagy esésű, sekély mélységben lévő talajvízszint keresztül megy a lerakón, kilúgzást gerjesztve, és a kioldott szennyezőanyag beszivárog a talajvízbe.

31. ábra Elhagyott kavicsbányában kialakított hulladéklerakó agyagrétegen

A 31. ábrán bemutatott szituációban a csapadék által kilúgozott szennyező anyagok horizontális mozgást követő vertikális mozgással a talajvízbe kerülnek.

Olyan esetben amikor a hulladéklerakó áteresztő talajon (homok, kavics, vagy repedezett kőzet) kerül kialakításra, a talajvízbe szivárgó szennyező anyag oldat, lényegesen nagyobb területet szennyez mint a lerakó területe (32. ábra).

32. ábra A hulladéklerakóból kialakult szennyezőanyag csóva homoktalajon

(Sured, 1991. nyomán)

A szennyezett területet az izokoncentrációs vonalak jelzik.

A 32. ábrán bemutatott példán a hulladéklerakó egy mérsékelten áteresztő homokon került kialakításra. A szennyezett talajvíz egy nagy szennyvíz csóvát eredményezett, amelyet a klorid izokoncentrációs vonalak szemléltetnek. A csóva mélyen beszivárgott a vízadó rétegbe és oldal irányban is több száz m-re szivárgott. Az ábrán látható szennyezés 35 év alatt alakult ki. A hulladék lerakóból leszivárgó víz, még évtizedekig szennyezi a talajvizet.

Általában néhány évtizedre tehető a hulladék lerakók estében a kimosódás, de léteznek olyan lerakók, amelyeknél ez lényegesen hosszabb ideig tarthat, és bizonyos esetekben a kilúgozás évtizedekig, sőt évszázadokig is eltarthat (Smedt 1991.).

A talajvíz szennyezés másik fő forrásai a szennyvíztározók. A szennyvizet a földfelszínre vagy felszín alá helyezik el, különböző módokkal, hogy lehetnek szeptikus tavak, dréncsövek, stb., amelyekből a talajba szivárog, és talajvíz szennyezés jelentős forrásává válik (33. ábra). Fejlett országokban a kommunális szennyvizet I. és II. fokú szennyvíz tisztításnak vetik alá, és ez csökkenti a felszíni vizek szennyezését, de nagy mennyiségű szennyvíziszap képződik, mely jelentős mennyiségű potenciális szennyező.

33. ábra Házi szennyvíz elhelyezés szennyező hatása

Ezt a szennyvíziszapot mezőgazdasági illetve erdőterületekre helyezik ki. Ugyancsak kihelyezik a részlegesen tisztított szennyvizet is bizonyos területeken.

A szennyvíztározók több patogén kórokozót is tartalmazhatnak.

Közepes szemcséjű homokon illetve finomabb szemcséjű anyagban ezek a patogén kórokozók illetve koliform baktériumok csak néhány méterre jutnak el, azonban heterogén (homok és kavics) vízadó rétegben több tíz, esetleg több száz méterre is eljuthatnak.

Ezek a mikroorganizmusok napokig, sőt hónapokig élhetnek a talajvízszint alatt. Ez repedezett kőzetekben, ahol a talaj mozgás sebessége nagy lehet az elegendő idő ahhoz, hogy esetleg kilométerekre is eljussanak.

A szennyvíz oldott szerves anyagok százait tartalmazhatja, amelyek közül kevés ismert toxicitásával, illetve mozgékonyságával.

A talajvíz minőségét befolyásoló emberi tevékenységek közül valószínűleg a mezőgazdaság a legjelentősebb. A talajvíz minőségének leromlását okozó főbb mezőgazdasági tevékenységek a műtrágyák, illetve peszticidek alkalmazása, és az alom nélküli állattartásból összegyűlő hígtrágya tározása.

A legszélesebb körű hatások a műtrágyák alkalmazásából származnak.

Tekintettel arra, hogy a műtrágya alkalmazására évről-évre sor kerül, bekövetkezhet, hogy ezek N, P, K tartalmának egy része a talajba szivárgó vizekkel a talajvízbe mosódik, és a mozgó talajvízzel tovább szivárog. A három fő hatóanyag (N, P, K) közül a nitrogén, nitrát formájában a legáltalánosabb szennyező. A talajvíz nagy nitrát koncentrációja alakult ki a világ azon részein, ahol extenzív gazdálkodás folyik. Így nagyon sok területen (pl. Hollandia) a talajvíz kutak vízének nitrát-koncentrációja meghaladta az ivóvízben megengedett határértéket. Világszerte tapasztalták, hogy a műtrágyák széleskörű alkalmazásával emelkedett a talajvíz nitrát koncentrációja.

Eddig még nem tapasztalták, hogy a nitrát szennyeződés a talajvíz szintje alatt 10-100 m-nél nagyobb, mélységben bekövetkezett volna, azonban idővel elképzelhető a nagyobb mélységre kiterjedő szennyezés, ha az alkalmazás terén nem következik be változás.

Ugyancsak potenciális szennyező forrás a peszticidek alkalmazása területén bekövetkezett fejlődés. Ezek egy jelentős része vízben jól oldódik, és ebből következik, hogy a különböző geológiai alakzatokban jól, és gyorsan mozognak, és ennek következménye, hogy a vízadó rétegek szennyeződhetnek.

Fejlettebb országokban a töltőállomások ezrei találhatók acél üzemanyagtartályokban, amelyek a felszín alá kerülnek beépítésre. Emellett a kontinenseken felszín alatti csővezetékek haladnak keresztül, amelyek kőolaj illetve kőolajszármazékokat szállítanak. A közutakon olaj illetve benzinszállító tartály tehergépkocsik közlekednek folyamatosan. Ezek alapján nem meglepő, hogy egyre nagy mértékű talajvízi szennyezés tapasztalható az említett szállító, tároló eszközökből, járművekből bekövetkező repedés, szivárgás eredményeként.

A szennyezés jellege, kockázata a kőolajszármazékok tulajdonságaitól függ.

A nehézolajból kemény inmobil tömeg, aszfalt cement képződik, míg az illékony szénhidrogének teljes egészében az atmoszférába párolognak. Egyéb szénhidrogének (kőolajszármazékok) a gravitáció hatására a talajon keresztül a mélybe szivárognak és szennyezik a talajvizet (34. ábra).

A kőolaj és származékai kisebb-nagyobb mértékben oldódnak a vízben. A könnyű benzin vízoldhatósága 20-80 mg· l^-1, de az íz és a szag hatás már észlelhető 0,005 mg· l^-1 –nél kisebb koncentrációban is.

A veszélyes hulladékok nagyobb mélységben történő elhelyezésének számos előnye van a felszíni, illetve a felszín alatti elhelyezéssel szemben.

A legfontosabb előny, hogy a szennyező anyagok migrációja a felszínre korlátozott, vagy lehetetlen, és így elegendő idő áll rendelkezésre az instabil vegyületek lebontásához, a radionukleidek bomlásához, illetve a toxikus anyagok hígulásához.

34. ábra A kőolaj és származékai viselkedése a talajvízben

A szennyezők típusai

A természetes felszín alatti vizek számos összetevőt tartalmaznak a környezettel való kölcsönhatás következtében.

A víz minősége a különböző vegyületek mennyiségétől függ.

Ezek mennyiségét a felszíni vizekhez hasonlóan koncentrációban (mg· l^-1, g· m^-3) adják meg, de vonatkoztatják ezen tömeget a víz tömegére is (ppm, mg/kg).

A természetes talajvízben az összes oldott szilárd anyag (total dissolved solids; TDS) mennyisége 100-1000 mg· l^-1 közötti, de ennél nagyobb is lehet.

A kationok közül a Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, az anionok közül a HCO₃^-, SO₄^-2, és a Cl^- fordulnak többnyire elő és ezek koncentrációja általában több mint 5 mg· l^-1. Általában kisebb koncentrációban fordulnak elő a K⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, F^-, B^-, NO₃^- és CO₃^-2. Ezeken kívül nyomokban még más elemek is előfordulhatnak, de 0,1 mg· l^-1-nél kisebb koncentrációban.

Mérhető az elektromos vezetőképesség is, melynek értéke 0-1 mS· cm^-1 között változnak.

Ennek átszámítása a koncentrációra a következő tapasztalati összefüggéssel lehetséges

S= 1500 EC

ahol

S – só illetve összes ionkoncentráció (mg· l^-1)

EC – az elektromos vezetőképesség (mS· cm^-1)

A felszín alatti (talaj) vizek minőségi jellemzése a domináns kationok illetve anionok alapján történik (pl. magnézium szulfátos víz).

A vízminőség meghatározható indirekt módszerekkel, így pl. a pH-val, melynek értéke 7-8 között alakul.

Az oldott oxigén mennyisége lényegesen kisebb, mint 10 mg· l^-1.

A főbb szennyező anyagok a talajvízben a nitrát, a nehéz fémek, a néhány nyomokban levő nem fémes és szerves vegyület.

A nitrát fő forrása a mezőgazdasági tevékenység keretében végzett műtrágyázás illetve a szennyvíztározók. A nitrát nem kívánatos jelenléte világszerte súlyos gondot jelent a nagyobb vízbázisok esetében.

Bár a nitrogén fő formája a talajvízben a nitrát, de az oldott nitrogén vegyületek közül az ammóniumion (NH₄⁺), az ammónia (NH₃), nitrit (NO₂^-) nitrogén oxid (N₂O) és szerves nitrogén formájában is előfordulhat.

A nitrát a felszínen, a feltalajban és a sekély altalajban elhelyezett nitrogénben gazdag hulladékokból illetve szennyvízből is származhat. Az átalakulási folyamat rendszerint a talajvíz fölötti talajzónában játszódik le, ahol szervesanyag és oxigén bőségesen van jelen (35. ábra).

Az átalakulást követően a nitrát az a forma, amely a talajvizet szennyezi. Ennek oka, hogy koncentrációt nem korlátozza az oldhatóság és a nitrát igen mozgékony a talajvízben. Ezért általában a talajvízzel mozog, átalakulás nélkül, és minimális vagy nincs késleltetés.

Az utóbbi években a toxikus nehézfém ionok a talajvízben való mozgása került az érdeklődés középpontjába, különösen azok, amelyek maximális megengedett mennyisége az ivóvízszabványokban is szerepel.

35. ábra A nitrogénformák átalakulása a talajban

Így az Ag⁺, Cd²⁺, Cr⁶⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺ és Zn²⁺. Ezek koncentrációja a talajvízben ritkán haladja meg a megengedhető határértéket. A koncentráció a forrástól és a kémiai környezettől függ. A szennyezett talajvízben ezek koncentrációja általában 1 mg· l^-1 alatt van. Az alacsony koncentráció oka az ásványok és amorf vegyületek oldhatósága és az anyagásványokon vagy a vas illetve mangán hidroxidokon, illetve szerves anyagokon történő adszorpció. Így a nehézfémek koncentrációját az oldhatóság és az adszorpciós folyamatok befolyásolják.

A nem fémes szennyezők közül egy néhányra különös figyelmet fordítanak a talajvíz vizsgálatokban. Ilyenek a szén, a klór, kén, nitrogén, fluor, arzén, szelén, foszfor és a bór.

Oldott formában a szelén, a klór és a kén a legtöbbször természetes és szennyezett talajvízben jelentős mennyiségben fordul elő.

Valamennyi talajvíz tartalmaz természetes eredetű oldott szervesanyagot. Ezek a vegyületek általában a humin illetve fulvó savak, amelyek a víz minősége szempontjából nem jelentősek.

Az emberi tevékenységből származó szerves vegyületek nagy gondot okoznak.

A szerves vegyületek változatossága igen jelentős. A mesterséges szerves anyagok száma megközelíti a 2 milliót. A gond, hogy ezek jelentős része ellenáll a biológiai lebontásnak. Több mint 1200 szintetikus vegyületet határozzák meg az ivóvíz ellátás keretében.

A szerves vegyületek a peszticidek használatából, a szennyvíztározókból, a kőolajszármazékok tárolásából, szállításából származhatnak. A hulladékok főbb szennyezőanyagait a 31. táblázatba soroljuk fel.

31. táblázat A különböző forrásokból származó szennyezők

A szennyező anyagok terjedése a talajvízben

A szennyező anyagok talajvízben való terjedését számos törvény illetve jelenség befolyásolja.

Ezek a következők:

• a talajvíz szivárgásának Darcy törvénye

• az advekció

• a diszperzió

• az adszorpció

• a degradáció

• az elegyítetlen mozgás

A talajba leszivárgó szennyező anyagok, amint elérik a talajvizet, mozgásukat, terjedésüket, terjedésük sebességét a talajvíz szivárgásának Darcy törvénye befolyásolja a következő összefüggés szerint:

v= k· I (m· d^-1)

ahol

v – a talajvíz szivárgási sebessége, m· d^-1

k – a talajra (vízvezető rétegre) jellemző szivárgási tényező, m· d^-1

I – a talajvíz relatív esése (dimenzió nélküli szám)

A szivárgási tényező értéke a talajtól függően 10²-10^-5 m/d között alakul.

A talajvíz és a szennyező anyagok mozgását jelenős mértékben befolyásolják a talaj és a vízvezető réteg tulajdonságai.

Így a repedezett kőzetekben, az azokban lévő repedésekben, csatornákban különösen nagy a mozgás sebessége, és így a szennyező anyag nagy távolságra történő terjedése.

Emellett a szennyező anyagok a diffúzió, illetve mechanikai keveredés által diszpergálódnak is, ugyanakkor az ioncserével, illetve a szorpcióval a szilárd anyagokhoz kötődés késlelteti ezek terjedését, a természetes kémiai illetve biokémiai folyamatok lebontják a szennyezők egy részét.

A talajvízben lévő szennyező anyagok viselkedése a talajvízben ezek fizikai és kémiai tulajdonságaitól és terjedésüket befolyásoló folyamatoktól függ.

Az egyik elsődleges terjedést befolyásoló folyamat az advekció, amely alatt az oldott kémiai anyagoknak a talajvíz szivárgása mentén történő mozgását értjük.

Ezért a talajvíz mozgásirányának és nagyságának ismerete a szennyező anyagok terjedése szempontjából nélkülözhetetlen.

A szennyező anyagok terjedésében lényeges szerepet játszik a diszperzió, amely alatt a szennyező anyagok mind az advektív szivárgás (hosszirányú diszperzió), mind egy közel erre merőleges irányban (transzverzális diszperzió) történő terjedését értjük (36. ábra).

36. ábra A hosszirányú és a transzverzális diszperzió

A két mozgás típust hidrodinamikai diszperziónak nevezzük.

A szennyező anyagok terjedésében, illetve ezek visszatartásában fontos szerepet játszik a vegyületeknek a porózus közeg szilárd anyagainak felületén bekövetkező adszorpciója.

A szennyezők adszorpciója relatíve elég gyors folyamat a talajvíz mozgásához viszonyítva. Az oldatban lévő anyag és a szilárd anyagok felületén adszorbeált szennyező anyag mennyisége között egy egyensúlyi helyzet alakul ki.

Ezek aránya az eloszlási együtthatóval fejezhető ki:

ahol

M_a – az adszorbeált szennyező tömege

M_d – az oldott szennyező tömege

A degradáció a talajvízben lévő szennyező anyagok lebomlása különböző mechanizmusok révén, mint a hidrolízis, biokémiai lebontás, radioaktív bomlás, stb. történhet. Az említett folyamatok egzakt leírása elég nehéz, ezért általában ezek egyszerűsítésére törekszenek.

Ezek közül különösen érdekes a természetes biokémiai lebontás, a talajban élő dekomponáló szervezetek tevékenysége révén. Ezekhez a biokémiai folyamatokhoz elektron akceptorok, mint O₂, NO₃^-, SO₄^2-, stb. jelenléte szükséges.

Az elegyítetlen mozgás a különböző csővezetékekből, meghibásodott tartályokból, vagy egyéni balesetekből származó kőolaj és származékai talajvízben történő mozgására jellemző.

Ezek tárgyalására a következő fejezetben kerül sor, tekintettel ezek fontosságára.