HULLADÉKOK ÉS KEZELÉSÜK
4.2 4.4
Veszélyes hulladék tárolók záróképességének hosszú távú előrejelzése modellekkel Tárgyszavak: veszélyes hulladék; hulladéklerakó; környezeti kockázat; egészségi kockázat; záróképesség.
Miért van szükség veszélyes hulladék tárolókra? Az USA-ban (és világszerte) egyre nagyobb területek szennyeződnek veszélyes hulladékokkal. Ezeknek a szennyezett helyeknek a tisztítása igen nagy összegekbe kerül, és sok veszélyes anyag esetében egyszerűen nem áll rendelkezésre hatékony technológia a hulladék ártalmatlanítására vagy megsemmisítésére, ezért sok esetben a jól záró hulladéktárolók jelentik az egyetlen megoldást. Többféle műszaki megoldás is létezik: pl. bélelő és fedőrétegek alkalmazása, függőleges zagyés geoszintetikus rétegek, betonkádak stb. A tervezői számítások szerint ezek élettartama (a felépítéstől függően) 50–1000 év (!), de a jelenlegi modellek még távolról sem tökéletesek. A jelenleginél átfogóbb modellek kidolgozásához kombinálni kell a felhasznált anyagok tönkremenetelére és a rendszerek megbízhatóságára vonatkozó ismereteket, majd ezeket kombinálni kell az adaptív monitorozás módszerével, hogy megbízható előrejelzést, tervezési, karbantartási, kockázatbecslési és környezeti szabályozási módszereket kapjunk. Az USA-ban országos és szövetségi állami szinten is számos ilyen jellegű tárolót építettek. A műszaki részleteket két, 1976-ban és 1985ben elfogadott törvény szabályozza. Ilyen létesítmények építéséhez a kivitelezőnek meg kell tudni becsülni a rendszer hosszú távú viselkedését, humán- és környezeti kockázatbecslést kell végeznie, meg kell becsülni a szennyezők migrációjának veszélyét, és gondoskodni kell a telep karbantartásáról. Mivel korszerű veszélyes hulladék tárolók mindöszsze kb. 30 éve üzemelnek, ezért az igazán hosszú távú előrejelzéseket
nehéz ellenőrizni. A rendelkezésre álló adatok többnyire vagy nem elég részletesek, vagy annyira helyspecifikusak, hogy nehéz őket más hidrológiai vagy geológiai viszonyokra extrapolálni. A veszélyes hulladék tárolók komponensei közül legtöbbet az agyagrétegeket és egyéb, agyaggal „feljavított” vagy agyagos szendvicsrétegeket tanulmányozták, mert ezek fordulnak elő leggyakrabban. Sokat vizsgálták a nedvesség és a szennyezők diffúzióját az agyagrétegen keresztül, mások pedig arra koncentráltak, hogy a záróréteg (diffúziós gát) tartósságát vizsgálják nedvesség és más behatások jelenlétében. A hulladékhasznosítási törekvések keretében (a talajmechanikai és zárótulajdonságok figyelembevételével) megpróbáltak más olyan anyagokat is felhasználni a veszélyes hulladék tárolók építésében, mint salakok, oxidok, papíripari iszapok, abroncshulladék stb. Ilyen anyagokat használnak különálló rétegként vagy interkalációs (közbeékelt) rétegként ún. geoszintetikus agyag bélésekben. Ezekkel a fejlesztésekkel kapcsolatban számos szilárdsági, permeabilitási és diffúziós vizsgálatot végeztek, de többnyire csak laboratóriumi léptékű mintákon. Ezek ugyan hasznos adatokat szolgáltatnak, de igazi megbízhatósági modelleket csak úgy lehet összeállítani, ha a károsodás valószínűségét, valamint az anyag degradációjának, tönkremenetelének sebességét is ismerjük.
A veszélyes hulladék tárolók viselkedését meghatározó tényezők A kutatók különféle indexeket dolgoztak ki, amelyekkel kiértékelhető a különböző veszélyes hulladék tárolók tervezési megbízhatósága és hosszú távú viselkedése. A „megbízhatóság” fogalmát azonban sokszor olyan szűk értelemben definiálják, ami hasznos ugyan a tervezésben, de nem elegendő a rendszer hosszú távú viselkedésének előrejelzésére. A pontosabb előrejelzéshez figyelembe kell venni az anyagok tönkremenetelét, az alkotórészek közti kölcsönhatásokat, a hibaképződési mechanizmusok sebességét, és a transzportparaméterek időbeni változását. (Az alkalmazott rövidítések jegyzéke az 1. táblázatban található). Az időfüggő megbízhatóság általános definíciója: Rt = 1–Pf ahol: Rt – a megbízhatóság t időpontban, Pf –pedig a meghibásodás valószínűsége.
1. táblázat A használt jelölések és rövidítések jegyzése Jelölés
Jelentés
C
szennyező koncentrációja (m/V)
Ccf, Ccl
azok a nagy vizes koncentrációértékek, amelyek létrehozzák a terepen és a laboratóriumban mért gát áteresztőképességet, valamint a megfelelő áramlási paramétereket (Pccf a terepen, Pccl a laboratóriumban)
C(t)
az a szennyezőkoncentráció, amelynek ki vagyunk téve, az idő függvényében
Cwf, Cwl
azok az alacsony vizes koncentrációértékek, amelyek létrehozzák a terepen és a laboratóriumban mért gát áteresztőképességet, valamint a megfelelő áramlási paramétereket (Pccf a terepen, Pccl a laboratóriumban)
D
a veszélyes hulladék tároló komponenseinek méretei
D0
a szennyező diffúziós együtthatója szabad oldatban (terület/idő)
Dx
a szennyező diffúziós együtthatója, amely figyelembe veszi mind a molekuláris diffúziót, mind a hidrodinamikus diszperziót x irányban a diffúziós gáton keresztül
Kd
a szennyező megoszlási együtthatója (V/m)
Le
a szennyező valós (tekervényes) úthossza a diffúziós gáton keresztül (hosszúság)
L0
a diffúziós gát vastagsága a transzport irányában (hossz)
Lt
azoknak az időfüggő terheléseknek a jelölése, amelyek feszültséget okoznak a veszélyes hulladék tároló komponensein belül, vagy azok között
ME
a rendszer karbantartási hatásfoka a karbantartások gyakoriságának és jellegének függvényében
M0
a monitorozási rendszer tervezési és működési hatékonysága
n
a diffúziós gát porozitása (dimenziómentes)
N
a veszélyes hulladék tároló szerkezeti komponenseinek elrendezését leíró változó
P
annak valószínűsége, hogy egy, a veszélyes anyagnak kitett személy toxikus válaszreakciót mutat (dimenziómentes hányados)
PA, PB
a diffúziós gát áteresztőképessége vagy áramlási jellemzője a tA, ill. tB mérési időpontban
Pf
az Rt értékhez tartozó meghibásodási valószínűség (dimenziómentes hányados)
Pm
a veszélyes hulladék tároló szerkezeti elemeinek anyagi jellemzői
Q
az építés során alkalmazott minőségbiztosítási eljárások megfelelőségét jellemző adat
R
a szennyező visszatartási (retardációs) együtthatója a diffúziós gátban
Rt
a veszélyes hulladék tároló megbízhatósága t időpontban (dimenziómentes hányados)
Sg
a hulladéktároló környezetének geotechnikai/geológiai jellemzői
Sh
a hulladéktároló környezetének hidrológiai/klimatikus jellemzői
t
az az idő, ameddig az egyén ki van téve az anyag hatásának
1. táblázat folytatása Jelölés
Jelentés
tA, tB, tC
azok az időpontok, amelyekhez tartozó porozitást, ill. a diffúziós gát áteresztőképességét meg akarjuk határozni (ld. a 3. ábrát)
V(t)
adott időben a veszélyes hulladéktárolóból a környezetbe kiszabadult szennyezők térfogata (térfogat)
vx
a szennyezőt tartalmazó pórusfolyadék áramlási sebessége (hossz/idő)
β
az emberi anyagcserétől és a szennyező toxicitásától függő állandó (dimenziómentes)
ρb
a diffúziós gát sűrűsége (m/V)
Ahhoz, hogy Rt értékét kiszámíthassuk, definiálni kell, hogy milyen meghibásodásra gondolunk. A meghibásodott állapotot sajnos ritkán definiálják úgy, hogy az megfeleljen mind a tervezőmérnöki, mind a környezetvédelmi engedélyezési szempontoknak. A mérnök számára a meghibásodás egy alkatrész vagy egy rendszer szerkezeti meghibásodását jelenti. A környezetvédelmi kockázatbecslés szempontjából „meghibásodásnak” minősül minden olyan körülmény, amelynek eredményeként az objektum nem tudja kielégítően ellátni feladatát, tehát ha pl. nem tudja minimumra csökkenteni a károsanyag-kibocsátást adott időtartamon belül. Általában a szerkezeti hiba kialakulása megelőzi a funkcionális meghibásodást, de a szerkezeti hiba jelenléte nem feltétlenül jelenti azt, hogy az objektum nem tudja betölteni szerepét. Ez attól is függ, hogy a meghibásodott alkatrész mennyire kritikus helyet foglal el a rendszeren belül. A veszélyes hulladék tároló hatékonysága számos paraméter függvénye (ld. az 1. táblázatot a rövidítések jelentésére): Rt = f[(D, Pm, N); (Q); (M0, ME); (Sg, Sh); (LT)] A probléma lényegében abban áll, hogy hogyan határozzuk meg a képletben szimbolikusan jelölt függvényeket. Ha ezeknek birtokában lennénk, könnyebb lenne meghatározni a tervezési (D, Pm, N), a helyrajzi (Sg, Sh), vagy karbantartási monitorozási (M0, ME) stratégiák hatását a rendszer megbízhatóságára. A diffúziós gát tönkremenetelének hatását a szennyező kiszabadulására és elterjedésére az 1. ábra mutatja, valamint a monitorozási rendszerben mérhető választ. A tárolótól különböző távolságra elhelyezkedő monitorozó kutakban (A, B, C) eltérő mértékben változik a szennyező
koncentráció az idő függvényében. Az aktuális koncentrációkat befolyásolja a távolságon kívül a szennyező lebomlási sebessége is. A tárolótól való távolság is csak akkor egyértelmű, ha feltételezzük, hogy a talajban megtett diffúziós út eloszlása homogén, izotróp, folytonos – ami ritkán teljesül. A monitorozó kutak alkalmazása azért problematikus, mert a meghibásodás általában jóval előbb megtörténik, minthogy a szennyező a mérőkutakban megjelenik – különösen akkor, ha a szerkezeti meghibásodás korábban következik be, mint a funkcionális meghibásodás.
romló állapotú gát
A
hulladéktároló
1
B
2
C
3
a gát tönkremenetele
a talajvíz mozgása
a hulladéktároló kora
1. ábra A diffúziós gát öregedése és annak mérőkutakkal való detektálása Ha a szennyező anyag talajvízbe kerülését mérőkutakkal próbáljuk detektálni (A, B, C), a szennyező anyag megjelenésére sokkal azután kerülhet sor, hogy a gát megsérült, különösen akkor, ha a szerkezeti sérülésre hamarabb kerül sor, mint a funkcionális sérülésre. Az ábra alsó részén látható görbék a szenynyező anyag koncentrációjának változását mutatják egy mérőkútban három, különböző mértékű meghibásodás esetén.
Környezeti és közegészségügyi kockázatelemzés Kapcsolatot kell találni a környezeti expozíció és a humánegészségügyi kockázat között, figyelembe véve a kiszabaduló anyag koncentrációját és a hulladéktároló megbízhatóságát. Az egyik lehetséges modell szerint: t
P = 1 − exp[ − β ∫ C (t )δt ] 0
ahol: P a toxikus válaszreakció valószínűsége a veszélyes anyagok hatásának kitett személy esetében, a többi rövidítés jelentésével kapcsolatban ld. az 1. táblázatot. C(t), a kibocsátott anyag koncentrációja függ az (időben változó) kibocsátott térfogattól:
C(t) = f[V(t) δ t]
V(t) pedig függvénye a rendszer megbízhatóságának: V(t) = f(Rt)
Szegmentált idejű módszer Tekintettel arra, hogy az alkalmazott modellek igen sok tényezőt tartalmaznak, nem várható, hogy túlságosan precízen fognak működni. A diffúziós gáton belül végbemenő fizikai, kémiai és biológiai folyamatokon túl a környezeti változások (fagyás–olvadás, nappali meleg–éjszakai hideg, évszakok változása, száraz–nedves periódusok) a talajfelszínhez közeli rétegekben elmozdulásokat okoznak a veszélyes hulladék tároló egyes komponensei között. A magas hőmérséklettel párosuló szárazság pl. gyakran repedéseket okoz, aminek fő oka az, hogy még a tömörített talajnak is igen csekély a szakítószilárdsága. Ahol ez szükséges, a modellben olyan időszakos események hatását is figyelembe kell venni, mint a földrengések vagy áradások. A paraméterek nagy száma és azok bizonytalansága miatt a modellek fizikai verifikációja nem hajtható végre. Még ha faktoriális kísérlettervezéssel rövid idő alatt lehetne is bizonyos eredményeket elérni, a hosszú távú alkalmazás illuzórikus a különböző tranziens jelenségek miatt és amiatt, hogy hosszú távon a folyamatok aktiválási energiája is megváltozhat. Száz éves nagyságrendben a geo-
lógiai viszonyok is annyira megváltozhatnak a hulladéktároló körül, hogy bizonyos kémiai reakciók teljesen megszűnhetnek, viszont mások alakulhatnak ki helyettük. Ezért elkerülhetetlen a folyamatos monitorozás és az előrejelzési modellek hozzáigazítása a változó körülményekhez. A gátakban kialakuló hibák keletkezési sebessége szabja meg, hogy milyen transzportmodell segítségével lehet a legjobban a szennyezők terjedését jellemezni. A 2. ábrán látható egy modell, amely különböző időszegmenseket állapít meg, amelyek során más-más modell alkalmazható legjobban. A kezdeti, köztes és hosszú távú szakaszok hossza a meghibásodásokhoz vezető folyamatok intenzitásától és a hulladéktároló gátjának ellenálló képességétől függ, ill. ezek arányától.
a repedések terjedése
repedési áramlási modellek
Fi F0
áramlás a pórusokon és folytonossági hiányokon (repedéseken, lyukakon) keresztül
áramlás a pórusokon keresztül t0
kezdeti időszak
ti
átmeneti időszak
áramlás a nagyobb méretű folytonossági hiányokon keresztül
a repedések kialakulása
Fe
gyakorlatilag hibátlan
a gát tönkremenetelének mértéke
pórusáramlási modellek
te hosszú távú időszak
2. ábra Az időszegmentálási modell, amelynek segítségével megválaszthatók a szennyező anyagok terjedését legjobban leíró modellek. F a gát tönkremenetelének mértékét jelenti a t idő függvényében A kezdeti időszakban a gát még gyakorlatilag sértetlen, a szennyezők csak a gát (talaj, szövet, hulladék) pórusain keresztül áramlanak. Ilyenkor olyan modell használható, amely feltételezi, hogy a gát porozitása időben állandó. A diffúziós egyenletek csak a kezdeti fázisban alkal-
mazhatók, és a diffúziós együtthatóba akkor is be kell kalkulálni a molekuláris diffúzión túl a hidrodinamikai diszperziót és azt, hogy milyen viszonyban van a réteg vastagsága (L0) és az a valóságos, tekervényes diffúziós út (Le), amelyet a szennyező anyagnak a valóságban meg kell tennie:
⎡D ⎤⎡L ⎤ Dx = ⎢ 0 ⎥ ⎢ 0 ⎥ ⎣ R ⎦ ⎣ Le ⎦
2
ahol D0 – az oldatban mérhető diffúziós állandó, R – a szennyező retardációs együtthatója a diffúziós gátban. A köztes időszakban a ciklikus terhelések, illetve a tartósan jelen levő kémiai és biológiai korrózió/erózió hatására a pórusok és mikrorepedések száma, mérete és orientációja úgy változik, hogy a kialakuló repedési hálózat áteresztőképessége megnő a pórusokhoz képest. Itt már olyan modelleket kell használni, amelyek figyelembe veszik a párhuzamosan működő áramlási mechanizmusokat a repedéseken és a pórusokon keresztül. A hosszú távú szakaszban, amikor a szennyezők már hosszú ideje érintkezésben vannak a gát anyagával, abban különböző mineralógiai és morfológiai átalakulások zajlanak le, amelyek Kd, R és Le (1. táblázat) megváltozásához vezetnek. Ennél is lényegesebb azonban a köztes szakaszban képződött repedések hatásos keresztmetszetének növekedése. Ebben az időszakban nincs már szükség a vegyes áramlási modellekre, elég a repedéseken keresztüli áramlás figyelembevétele. A hosszú távú időszakban már jelentősen megnő annak a valószínűsége, hogy a ritka események is befolyásolják a hulladéktároló visszatartó képességét. Az ilyen eseményeket Poisson-eloszlással lehet jellemezni, mivel bekövetkezésük valószínűsége nő az idő múlásával.
A laboratóriumi eredmények átültetése a gyakorlatba A leggyakrabban alkalmazott eljárás az, hogy kisméretű, laboratóriumi mintákon meghatároznak egyes modellparamétereket (pl. porozitást, permeabilitást), majd ezeket használják a hosszú távú előrejelzéshez. Ahhoz azonban, hogy valóban hosszú távú előrejelzést végezzünk, figyelembe kell venni a pórustérfogat és az áramlási mechanizmus változását. A 3. ábra példát mutat be arra, hogy milyen különbség alakulhat ki a laboratóriumi és a terepi áttörési idők között (amikor a szennyező meg-
a diffúziós gát permeabilitása és egyéb áramlási jellemzők
jelenik a diffúziós gát tiszta oldalán). A tA jelenti a laboratóriumi, tB a helyszíni áttörési időket. A terepen nagyobb permeabilitást tételezünk fel, mint a laboratóriumban minden időpontban, mert a terepen nagyobb az áramlás hatásos keresztmetszete, mint a labormintában. Az áttöréshez tartozó permeabilitási értéket is meg kell különböztetni a helyszíni és a laboratóriumi minta esetében (PA és PB).
Pcct
Ccf
Pcwt Pccl
Cwf Ccl
PB Pcwl
Cwl
PA
tA
tB
tC
áramlási pórustérfogat vagy használati idő koncentrált helyszíni szennyezők helyszíni víz koncentrált laboratóriumi szennyezők laboratóriumi víz
3. ábra A víz- és szennyezésáramlások közti kapcsolat kis laboratóriumi mintákon és valós körülmények között. Mivel a laboratóriumi kísérletekben a rétegvastagság ritkán haladja meg a 30 cm-t, a valóságban pedig a falvastagságok legalább 1 méteresek, a laboratóriumi áttörési idők általában jóval rövidebbek, mint a kültériek. (A rövidítések jelentése az 1. táblázatban) A permeáló folyadék kémiai összetétele is jelentős hatással van a gát permeabilitására. A 3. ábrán tC-vel jelölt használati idő során, amikor
jóval több póruson át áramlik az agresszív folyadék a diffúziós gáton keresztül, a szennyező anyagszerkezetre és repedésnövekedésre gyakorolt hatásának összefüggést kell mutatni a szennyező anyagnak a folyadékban mutatott koncentrációjával. Ugyanakkor a tC időpontban a helyszíni (terepi) pórusok permeabilitása bizonyos tartományon belül változik: a viszonylag tiszta vizet tartalmazó pórusoktól (Pwcf) a koncentráltabb szennyezőket tartalmazó pórusokig (Pccf). A laboratóriumi mintában ennek a Pcwl és a Pccl értékek felelnek meg. Itt két feltételezést kell tenni. Az egyik az, hogy a pórusokban áramló folyadék károsítja a diffúziós gát anyagát. A második az, hogy a reakció elég hosszú ideig zajlik ahhoz, hogy jelentősen növelje a diffúziós gát porozitását és áteresztőképességét. Ezeket a feltételezéseket számos helyszíni vizsgálat igazolta. Ennek hatása a laboratóriumi mérésekre azonban valószínűleg nagyobb, mint a terepen, ahol viszont feltehetően a nagyobb porozitás hatása domináns. Ezért feltételezhető, hogy a Pwcf –Pccf tartomány kisebb, mint a Pcwl–Pccl tartomány.
Miként használhatók a modellek a hatósági gyakorlatban? A fent leírtakat elsősorban a kockázatelemzésben, a kockázatirányításban és az engedélyezési eljárásban lehet hasznosítani. Az egyes elbírálók azonban eltérő mértékben veszik figyelembe az itt felsorolt megfontolásokat. Van, aki semmit nem vesz figyelembe belőle, van, aki a diffúziós gát teljes tönkremenetelével számol. Az USA-ban törvény írja elő, hogy minden új szabályozás bevezetése előtt hatástanulmányt kell végezni, hogy az milyen hatással lesz az érintett közösség életére, a környezetre, az egészségre stb. A veszélyes hulladék tárolók esetében, amelynek szabályozását 1993-ban alakították ki, az EPA (az USA Környezetvédelmi Hivatala) maga is a hosszú távú modellezést alkalmazta a kockázatbecslés során. Az azonban, hogy milyen következtetésre jutunk, erősen függ attól, hogy milyen modellt választunk a tároló tönkremenetelére vonatkozóan (4. ábra). A legegyszerűbb (de nem pontos) modell (4/a) állandó forráserősséget és változatlan záróréteget (koncentrációs gátat) tételez fel. Forráserősségen közvetlenül a gáton kívül megjelenő koncentrációt értik. A 4/b modell exponenciálisan degradálódó gátjellemzőket tételez fel, de azt feltételezi, hogy a forrás erőssége egy idő után állandó értékre áll be. Ezt azzal indokolják, hogy eleinte a diffúziós gát ép, ilyenkor még minimális a kiáramlás. Ez a modell már nem veszi figyelembe a forrás fokozatos kiürülését hosszú távon, amit a 4/c modell
már tartalmaz. A 4/c modell a legrealisztikusabb. Itt eleinte gyakorlatilag nincs anyagkiáramlás, majd a forráserősség egy maximumot ér el, végül fokozatosan kiürül. A 4/d. modell csak olyan források esetében alkalmazható, amelyek nyitottak, és ahol lehetőség van újabb szennyező bejutására vagy képződésére.
idő
gáterősség
gáterősség
forráserősség
(b)
forráserősség
(a)
idő
gáterősség
gáterősség idő
forráserősség
(d)
forráserősség
(c)
idő
4. ábra Különféle modellek a diffúziós gát tönkremenetelére és a forrás intenzitására a) A legegyszerűbb modell szerint mindkét paraméter időben állandó; b) A második modell szerint a forráserősség időben nő, majd konstans szintre áll be; c) A forrás erőssége egy ideig nő, majd lassan csökken, a diffúziós gáton átáramló anyag koncentrációja pedig csak egy idő után kezd nőni, és akkor is csak viszonylag lassan; d) A gát tönkremenetele azonos a c) modellel, de a forrás nem merül ki időben, hanem erősödik. A diffúziós gát (vagy záróréteg) utólagos javítása vagy pótlása természetesen megváltoztathatja ezeket az általános modelleket. Minden-
esetre látható, hogy a veszélyes hulladék tárolók tervezésekor és engedélyezésekor elég sok szempontot kell figyelembe venni, és még a leggondosabb modellezés esetén is folyamatos monitorozásra van szükség ahhoz, hogy a váratlan eseményeket vagy a modellekben figyelembe nem vett tényezőket utólag korrigálni lehessen. Összeállította: Bánhegyiné Tóth Ágnes Inyang, H. I.: Modeling the long-term performance of waste containment systems. = Environmental Science and Technology, 38. k. 17. sz. 2004. szept. 1. p. 328A–334A. Genazzini, C.; Giaccio, G. stb.: Cement-based materials as containment systems for ash from hospital waste incineration. = Waste Management, 25. k. 6. sz. 2005. p. 649–654. Allen, A.: Containment landfills: the myth of sustainability. = Engineering Geology, 60. k. 1–4. sz. 2001. jún. p. 3–19.
