HULLADÉKOK ÉS KEZELÉSÜK
4.2 6.1
Hosszan tartó változások és áteresztési folyamatok hulladéklerakók önfenntartó végleges lezárórétegében Tárgyszavak: hulladéklerakók; takaróréteg; szállítási folyamatok; szerves anyag; talajosodás; anyagátvitel; oxigén; oxidáció; nehézfém-felszabadulás; pufferhatás; redoxi folyamatok; modellezés.
A megtelt hulladéklerakókat, különösen a műszaki védelemmel nem megfelelően ellátottakat, végleges takaróréteggel kell lezárni. Ennek a rétegnek stabilnak kell lennie, és hosszantartó védelmet kell nyújtania, minden további beavatkozás nélkül, akár évezredekig is. Azt azonban nehéz megmondani, milyen tartós lesz egy ilyen réteg, különösen akkor, ha a lerakó használt vízbázis fölött van. Mindenesetre úgy kell megtervezni a takarást, hogy megakadályozza a csapadék behatolását lerakóba, a szennyezések kikerülését a lerakóból, és esztétikailag is kifogástalan legyen. Sokan nem gondolnak azonban a további fontos funkcióira. Nevezetesen meg kell akadályozni az oxigén bejutását is, mivel az a bent jelen lévő mérgező anyagok felszabadulását idézheti elő. Ezek az anyagok, különösen a nehézfémek nagy szervesanyag-tartalmú, redukáló közegben huminsavakhoz és szulfidokhoz kötött állapotban vannak Az oxigéntől viszont a szulfidok és a humin anyagok oxidálódnak, és a fémeket elengedik. Ugyanezért a savak bekerülését vagy benti felszabadulását is el kell kerülni, mert a pH csökkenésével nő a fémvegyületek oldékonysága. E megfontolások miatt tesznek javaslatot a hulladéklerakók lezárásának új koncepciójára. A takaró két rétegből álljon: a felszíni szerves réteg alatt szervetlen réteg helyezkedjen el. A felső réteg egyrészt megakadályozza az oxigén áthatolását, másrészt lehetővé teszi növények megtelepedését. Az alsó réteg viszont pufferként funkcionál a savasodás ellen. A takarórétegben tehát nemcsak a mechanikai és hidrológiai tulajdonságokat kell figyelembe venni, hanem a hosszú távú biológiai és kémiai folyamatokat is.
A lezáró takarás A jelenlegi gyakorlat
végleges takarás
A hulladék és a külvilág között olyan elválasztó réteget kell létrehozni, amely megakadályozza a csapadék bejutását, ezáltal csökkentve a csurgalék keletkezését, és gátolja a veszélyes gázok kibocsátását. Minden országnak vannak rendelkezései a hulladéklerakók végső befedésének szabályaira vonatkozóan. Ezek különböznek egymástól, de többnyire műszaki szemléletűek: figyelmüket a csurgalék megakadályozására és a talajvíz védelmére koncentrálják. Svédországban azonban a vízbázisok rendszerint kis kiterjedésűek és jól körülhatároltak, ezért ott nincs ilyen szabályozás. Csupán arra van igény, hogy ne történjen függőleges vagy vízszintes vízáramlás a hulladékon keresztül. Veszélyes hulladék lerakójában a csurgalék képződés nem haladhatja meg az 5 l/év/m2 értéket. Általában a lezáró takaró két részből áll: védő és szigetelő részből. Ezek több rétegből tevődnek össze. Ezt a szerkezetet mutatja az 1. ábra.
védőréteg
felszíni réteg
biotikus szigetelőréteg
szigetelő réteg
lerakott hulladék
15–50 cm
80–230 cm
vízelvezető réteg
20–30 cm
átnemeresztő réteg
30–60 cm
alapozás, gázgyűjtő réteg
70–80 cm
hulladék
1. ábra A végleges lezáró réteg komponensei
Ezek a rétegek különböző anyagokból állhatnak. A szigetelőréteg készülhet pl. geomembránból kis áteresztőképességű tömörített agyaggal bélelve. A kívánt tulajdonságok elérésére sokféle anyagot lehet kombinálni. Az említett szintetikus anyagok jelentősen elterjedtek az utóbbi évtizedben, de ezek tartós záróképessége bizonytalan, ezért használhatósága is kérdéses. Sokféle anyagot és technikát leírtak a hulladéklerakók takarására, de nem próbálták meg leírni a hosszan tartó folyamatokat, amelyek ezekben a rétegekben végbemennek. Ezért e fedőrendszerek funkcióinak mibenléte sem ismert. Emiatt e rendszerek hosszú távú viselkedését sem tudják értelmezni és előrelátni. A javasolt koncepció, a folyamatok modellezése A takarás célja a lerakott szerves hulladék oxidációjának, ezáltal a toxikus fémek felszabadulásának mérséklése. Ezért a fedőrétegnek szerves szénvegyületekben gazdagnak kell lennie (szerves talaj, tőzeg, szennyvíziszap, komposztált hulladék stb.), amelyen megtelepedhet a vegetáció, és védelmet nyújt az erózió, a kiszáradás és más károsodások ellen. Ugyanakkor ez a réteg elfogyasztja az oxigént is, és nem engedi az alatta lévő hulladékot oxidálódni. Víztartó képessége is jelentős, megtartja a csapadékvizet, és ellátja a növényzetet a száraz időszakokban is. Ráadásul a legolcsóbb megoldás, ezért népszerű is. Ha egy ilyen, nagy szervesanyag-tartalmú réteg kerül a lerakott hulladék fölé, azon fű, bokrok, fák kezdenek nőni. Ezek hulladékai tovább vastagítják a talajtakarót, miközben a mikroorganizmusok lebontják őket, és új szerves anyagokat szintetizálnak. Gerinctelen állatok, így a giliszták át meg átjárják ezt a szerves réteget, és összekeverik az alatta lévő ásványi anyagokkal, így önfenntartóvá válik a talajréteg. Ez a réteg nagy mértékben elszigeteli a lerakott hulladékot a légköri oxigéntől, és a savas esővíz, valamint a bomló szerves anyagok behatolásától. A savas esővíz és az oxigén bekerülése az a két veszélyforrás, amely a hulladék belsejében változásokat okozhat. A növényi maradványokból szerves savak képződnek, amelyeket a szivárgóvíz bejuttat a fedőrétegbe, ahol elősegítik az eróziót. Ennek következtében egyes primer ásványi anyagok elagyagosodnak és más szekunder ásványi termékekké, így vas- és alumínium-hidroxidokká alakulnak át. Ezek vagy a keletkezés helyén halmozódnak fel, vagy lehúzódnak az alsóbb rétegekbe. Ezáltal megváltozik a talaj rétegződése, a felsőben kevesebb, az alsóban több lesz bizonyos komponensekből. Az idő múlásával ez a talajszerkezet egyre jobban különbözik az eredetitől, és az egyes rétegek egymástól. A szerves anyagokban gazdag fedőréteg megvédi a belső réteget az oxidációtól. Ha azonban a szivárgó, szervesanyag-tartalmú víz érintkezésbe kerül a hulladékkal, a fémek felszabadulhatnak. Ha a takarórétegnek pH-puffer hatása van, akkor a hulladék tartósan semleges körüli pH-n marad.
A természetes podzol talaj mint információforrás Ha hosszú távra becsülni akarják a takarórétegekben lejátszódó folyamatokat, sokféle adatra van szükség. Ezek laboratóriumi kísérletekből nyerhetők. Így például a szerves anyagok bomlását könnyű vizsgálni, de bonyolult rendszerek több száz év alatt lejátszódó folyamatait nehéz kísérletileg nyomon követni. Ezekre a kérdésekre maga a természet tud választ adni. Például tőzegtelepek vizsgálatával lehetett információkhoz jutni a települési szilárd hulladékok hosszú távú viselkedésére vonatkozóan. Ennek mintájára a takaróréteg analógiájaként erdei talaj formációk és azok fejlődése szolgálhat. Ezeket az eredményeket idővel össze lehetett vetni a takaróréteggel nyert helyszíni tapasztalatokkal. Az északi mérsékelt égöv alatt a legközönségesebb talajtípus a Spodosol (hamuszerű erdei talaj). Feltételezzük, hogy a fedőréteg is ilyen típusú fejlődésen megy át, azaz podzolosodás játszódik le benne. (Svédországban a Spodosol altípusa, a podzol talaj a legáltalánosabb, az ország területének mintegy felét borítja.) A Spodosol talajok viszonylag fiatalok, ezért a szerves és szervetlen savas időjárási behatások jelentősen befolyásolják. A podzolosodás folyamatát a vas és az alumínium mobilizálódása és kimosódása jellemzi a 2. ábra O-, A- és E-szelvényéből átmenetileg képződő szerves komplexek formájában, illetve kvarchoz kötődve a B-szelvényben. E kimosódás következtében podzolos szelvény jön létre. Ezáltal a B-szelvény összemosódik a fölé rétegződő E-szelvénnyel szürkésfehér földpátos szelvényt alkotva. A takaróréteg szelvényei A takaróréteg szelvényei az időjárás, a szerves anyagok felhalmozódása és bomlása, az elszivárgások és kimosódások eredményeképpen alakulnak ki az eredetileg felvitt anyagokban. Alapvetően 5 szelvény különböztető meg: Az O-szelvény felhalmozódott, alig lebomlott, holt szerves anyagból áll. Ezen belül elkülönült rétegek különböztethetők meg az erdei vegetáció különböző mértékben lebomlott maradványaiból. Füves területen ilyen O-szelvény általában nem alakul ki. Az A-szelvény humuszosodott szerves anyag és ásványi frakció keveréke, amelyben az utóbbi dominál. Az ásványi anyag időjárásálló, és elég nagy tömegű ahhoz, hogy kolloid szuszpenzió formájában ne mosódjon ki. Legtöbbnyire durva textúrájú, mivel a finomabb szemcsék átmosódnak az alsóbb szelvényekbe. Mindenesetre ahhoz elég részben bomlott (humifikálódott) szerves anyagot tartalmaz, hogy sötétebb színű legyen, mint az alatta lévő szelvények. Az A- és O-szelvény együtt képezi a feltalajt (O- és A-szelvény együtt 30 cm mély).
2. ábra A takarás szelvényei
Az E-szelvény jellemzője az időjárás erőteljes hatása, emiatt a szerves anyag felhalmozódásának hiánya. Maximálisan kimosódott agyagból, vas- és alumínium-oxidból áll, amelyet rezisztens anyag, homok- és iszapjellegű kvarc vesz körül. Általában világosabb színű, mint a fölötte lévő A-szelvény. A savas esők és a szerves anyag bomlásakor képződő savak okozzák az időjárás miatti károsodását és podzolosodását. A B-szelvény fekhet közvetlenül az A-szelvény alatt. Kevesebb szerves anyag halmozódhat benne bemosódás következtében. Nedves éghajlaton különféle szilikát-agyagok, vas- és alumínium-oxid, száraz vagy félszáraz éghajlaton gipsz és/vagy kalcium-karbonát halmozódhat fel benne, amelyek a felsőbb rétegekből kerülnek át (E- és B-szelvény 30→120 cm mély). A C-szelvény az anyakőzet nem megkeményedett anyaga lehet, amely már kívül esik a fő biológiai aktivitás terepein. Ezt tehát kevéssé befolyásolják a felsőbb szelvényekben lejátszódó folyamatok, de az időjárás hatására kémiai változások végbemehetnek benne, legalább is erózió a felső rétegében. A felszíni szelvények általában savasak, pH-juk 3,5 és 4,5 között van. Lefelé haladva a pH nő, a mély altalajban maximum 5,5-ig. A Spodosol a szerves és szervetlen savak hatására alakul ki. A szerves savak a bomlási folyamatokban képződnek, és felelősek a felsőbb szelvények (O, E és BE) időjárás okozta elváltozásaiért. Az alsóbb szelvényekben (B és BC) a szénsav játszik fontos szerepet. A fulvinsav vassal és alumíniummal képződő szerves fémkomplexei a B-szelvénybe kerülnek át. Az önfenntartó takarórétegben lejátszódó folyamatok A talajosodás folyamatainak megismerése szükséges ahhoz, hogy megítélhessük, alkalmas-e a természetes anyag önfenntartó takaróréteg kialakítására, illetve milyen tényezők (az alkotók, a fázisok, a szelvények) játszanak szerepet a jellemző tulajdonságok létrejöttében. Melyek szabályozzák a szerves anyagok és tápanyagok körforgását, melyek határozzák meg a szerkezetet, ezek milyen kölcsönhatásban vannak egymással és olyan külső hatásokkal, mint a terepadottságok, az időjárás, a növény- és állatvilág, valamint az idő múlása. A talajosodás során az őskőzet különböző megjelenésű és tulajdonságú, nem kötött rétegekké alakul át. E folyamatok 4 csoportba sorolhatók: − anyagok bekerülése a felszíni rétegbe, − anyagvesztés a felszíni rétegben, − anyagvándorlás a rétegen belül, − anyagátalakulások a rétegen belül. Szerves anyagokban akkor gazdagodik a talaj, ha a felszíni vegetáció hulladékai elbomlanak, és felhalmozódnak az O-szelvény alsó rétegében, ahol
finomeloszlású humusszá alakulnak át, vagyis bekerülnek az ásványi szelvénybe. Az anyagvesztést erózió vagy kimosódás okozhatja, utóbbi esetben a fölösleges víz lefelé mossa az anyagot a rendszerben. Az anyagvándorlás lehet elluviáció vagy illuviáció. Az előbbi a talajanyag eltávozása szuszpenzió (kolloid) vagy oldat formájában, pl. az A-szelvényből akár az E-szelvényen keresztül egészen a B-szelvényig. Az illuviáció ellentétes folyamat: ez játszódik le a B-szelvényben, ahová bekerül az anyag a felett lévő rétegből, ott kiválik az oldatból vagy kiülepedik a szuszpenzióból. Vagyis az illuviális réteg a felhalmozódási réteg. Az anyagátalakulások közé tartozik a primer ásványi anyagok elbomlása szekunder ásványokká vagy a humuszosodás. A 2. ábra mutat néhány példát a talaj megszilárdulását eredményező kémiai reakciókra. Az ásványi anyagok időjárás okozta szétesése fontos a növényzet kialakulásában. A humuszosodás pedig azt jelenti, hogy a szerves anyag humusszá alakul át, és ha a körülmények (pH, nedvességtartalom stb.) megfelelőek, teljesen eltűnik, széndioxiddá és vízzé alakul át (a 2. ábra a szerves anyagot CH2O képlettel szimbolizálja). A nagy szervesanyag-tartalmú felszín jelentősen csökkenti az oxigén koncentrációját, ezáltal a behatolását is a hulladéklerakóba. A szerves szénvegyületek a talajban a növények és mikroorganizmusok által termelt vegyületek fémkomplexet képző képességét befolyásolják, és megváltoztatják a talaj mikrobiológiai aktivitását. A 3. ábra mutatja azokat a mechanizmusokat, amelyek a szelvények differenciálódásához vezetnek.
a szerves anyagok bomlását megszabó állapottényezők
szerves ligandumok
a talaj ősanyagának időjárás okozta változásai
Fe és Al szelektív kimosódása a Sihoz képest
Spodosol talajok
a kicserélhető bázikus és oldható sók kimosódása
3. ábra A szerves anyagok lehetséges szerepe a Spodosol talajok kialakulásában Meleg, humifikálódott környezet gyorsítja a talaj szerves anyagának bomlását. Hűvös, nedves, mérsékelt éghajlat a szerves anyag tökéletlen oxidációját eredményezi, szerves savak képződnek, ami elősegíti a Spodosol kialakulását. A kulcstényező tehát a szerves anyag oxidációjának mértéke.
A takaróréteg hosszan tartó sorsa attól függ, hogy képes-e kompenzálni az erózió és kimosódás okozta veszteségeket, képes-e új meg új felszíni rétegeket kialakítani a szerves anyagok maradványaiból, vagyis tud-e önfenntartó lenni. Ideális esetben az újonnan képződő felület szerves anyagot nem tartalmaz. Amint megtelepszik a növényzet, megkezdődik az A-szelvény kialakulása. A talaj kialakulásának korai stádiumában az anyag szaporodása nagyobb, mint a veszteség, a szerves komponens halmozódik, az A- és O-szelvény vastagodik. Idővel stacioner állapot alakul ki, azaz a veszteség és a halmozódás egyensúlyba jut. Hogy ehhez mennyi idő kell, az a talajképző tényezőktől függ. A szerves szénvegyületek felhalmozódása a B-szelvényben a legnagyobb. A talajprofilban a szerves anyag mennyisége ezerévenként megkétszereződik, a csúcsot kb. 3000 év után éri el, attól kezdve csökken, ezerévenként kb. egy harmadával. Fontos állapotmeghatározó a növényzet. Valószínűleg az határozza meg, hogy milyen típusú talaj képződik az első 100 évben. A podzolosodás alkalmasint fenyőfélékkel borított területen következik be. Nyírfásban barna talaj alakul ki. A takarórétegben lejátszódó fő folyamatok értékelése Vizsgálták, hogy egy befedett hulladéklerakó fölött, ahol kialakult a növénytakaró, milyen folyamatok játszódnak le hosszú idő alatt. De figyelembe kell venni más megoldásokat is: fedetlen lerakót, letakart lerakót növényzet nélkül, átnedvesedett területet, repedezett szervetlen réteget stb. A matematikai modellezéshez a lerakót és a takaróréteget porózus, homogén rendszernek tételezik fel, amelyben a gáz és a víz egy dimenzióban áramlik. A különböző paraméterek hatását az oxigénáramlásra több nagyságrendben változó bemenő adatokkal vizsgálták. A legfőbb eszköze a vizsgálatnak az érzékenységelemzés volt. Az alapeset: befedett lerakó növényzettel A takarórendszer két fő rétegből áll: az egyik fő tömegében szerves anyag, az alatta lévő pedig szervetlen. Az előbbi további két rétegre tagolódik: a felső könnyen bomló szerves anyagból áll, legnagyobb részt növényi hulladékból, az alsó humuszos réteg. A feltételezés szerint a vegetáció csak a felső rétegben él. Ehhez olyan réteget kell mesterségesen kialakítani, amely analóg a többezer év alatt képződő Spodosol talajrendszerrel. Várható, hogy az oxigén behatol a rendszerbe, és aerob körülményeket teremtve, oxidálja a szerves anyagot a takarórétegben és a lerakó belsejében is (2. ábra). Első lépésként a szénvegyületek vesztesége a fedőrétegben
csak szén-dioxid-kibocsátást fog eredményezni, mivel mikrobiológiai aerob bomlás játszódik le. Ez a szervesanyag-veszteség sokszor több, mint amennyi a felszínről vagy a földben rothadó hulladékból pótlódik, bár ez a mérleg évről évre változik. Ezért mondhatjuk, hogy dinamikus egyensúlyban van, vagyis az évek során nem változik. A szén fő forrása a felszíni és a gyökerekből származó, földön belüli növényi hulladék, illetve a szénhidrátok a lehullott levelekből a gyökerekhez vándorolnak. Ezeknek a hulladékoknak a mennyisége évszakonként változik, de összmennyiségük, sőt a folyamatos bomlásuk is az egyszerűség kedvéért állandónak tekinthető. A modell sémáját a 4. ábra mutatja.
primer utánpótlás: fotoszintézis: CO2 + napfény → CH2O + O2
H2O
O2
növényi hulladék CH2O növényi hulladék réteg szerves anyagban gazdag felső réteg szerves anyagban gazdag alsó réteg
CO2 CO2
friss zöldhulladék bomlása + gyökérlégzés CH2O + O2 → CO2 + H2O + ∆H
a gyökerekből származó szerves anyag CH2O régi zöldhulladék bomlása + gyökérlégzés
inert ásványi réteg lerakott hulladék
a lerakó befedő rendszere
a lerakott hulladék
4. ábra Növénytakaróval ellátott, befedett hulladéklerakó koncepciós képe
Az oxigéntranszport és a reakció modelljének matematikai formába öntése A modell a tömegmegmaradás törvényén alapul. A bemenő és a kimenő anyagáram különbsége a felhalmozódás. Ezt alkalmazzák minden komponensre. Az oxigén transzportját és reakcióját reaktor formájában mutatja be az 5. ábra.
x=0
O2, be x ∆x
diffúzió, reakció és felhalmozódás
x + ∆x
O2, ki
x=L
5. ábra A hulladéklerakó bemutatása differenciális oszlopreaktor formájában, az oxigénre vonatkozóan A tömegmegmaradás, minden ponton reakciót is feltételezve, a következőképpen írható fel: [a tömegváltozás időfüggése] = = [tömegbeáramlás sebessége] – [tömegkiáramlás sebessége] + + [tömegkeletkezés/eltűnés sebessége]
(1)
Átrendezve a kifejezéseket és matematikai formába öntve a következő egyenlet kapható: εp =
∂c ∂c ∂ 2c +q =D 2 +R ∂t ∂x ∂x
(2)
Ez a légáramlás/diffúzió jól ismert egyenlete, ahol εp a porozitás, c az oxigén koncentrációja t és x függvényében (mól/m3), t az idő (s), q a víz- vagy a levegőfluxus (m3/m2 s), x a távolság az anyagátvitel irányában (m), D az oxigén effektív diffúzióállandója (m2/s) és R a keletkező/eltűnő tömeg időegység alatt, egységnyi térfogatra számítva (mól/m3 s). A (2) egyenlet első tagja az oxigén felhalmozódása, a második az oxigén átvitele a konvektív áramlásban, a harmadik a molekuláris diffúzió, a negyedik pedig a keletkező vagy eltűnő oxigén mennyisége a lejátszódó biológiai vagy/és kémiai bomlási vagy képződési folyamatokban. A második tag pillanatnyilag elhanyagolható (később majd visszakerül), sőt az első tag is, mert oxigén felhalmozódást nem veszik figyelembe. Így egyszerűsítve, az oxigén reakciósebessége arányosnak tekinthető az oxigén koncentrációjával, azaz az oxigén fogyási sebessége: R = –k’c
(3)
ahol: R az oxigén eltűnési sebessége (mól/m3 s), k’ az elsőrendű kinetikai állandó (s). Ha a (3) egyenletet behelyettesítik a (2) egyenletbe, stacioner esetben a következő kapható: D
d2 c − k' c = 0 dx 2
(4)
A (4) egyenletet alkalmazzák a takarórétegre és a lerakott hulladékra, hogy megkapják az oxigénkoncentráció-profilt az egész rendszerre. A 6. ábrán bemutatott modell az alábbiakat tartalmazza: − az oxigén diffúziója és fogyása az aktív, vegetációt hordozó rétegben: D1
∂ 2c1 − k 1' c 1 = 0 2 ∂x
(5)
− az oxigén diffúziója és fogyása az aktív rétegben, a vegetációt hordozó réteg alatt: D2
∂ 2c 2 − k '2 c 2 = 0 2 ∂x
(6)
− az oxigén diffúziója reakció nélkül megy végbe az ásványi rétegben, ezért a (4) egyenlet második tagja elhanyagolható:
∂ 2c 3 D3 =0 ∂x 2
(7)
− akárcsak a szerves szénvegyületekben gazdag rétegben, a lerakott hulladékban az oxigén diffúziója és fogyása: D4
∂ 2c 4 − k '4 c 4 = 0 2 ∂x
(8)
légkör
x=0
x = L1 szerves rétegek
diffúzió (D1, D2) és reakció (k’1, k’2) x = L1 + L2
végleges takarórendszer
ásványi réteg
diffúzió (D3)
x = L1 + L2 + L3
diffúzió (D4) és reakció (k’4)
lerakott hulladék
x = L1 + L2 + L3 + L4
6. ábra A végleges takarórendszerrel befedett hulladéklerakó oszlopreaktor-sémája
Az (5)–(8) egyenletek megoldásához határfeltételeket kell ismerni. A vizsgált rendszerhez az alábbi határfeltételeket választották: BC1
c 1 (x = L1 ) = c 2 (x = L1 )
BC2
D1
dc 1 dx
= D2 x = L1
dc 2 dx
(9) (10)
x = L1
BC3
c 2 (x = L1 + L 2 ) = c 3 (x = L1 + L 2 )
BC4
D2
dc 2 dx
= D3 x = L1 + L 2
dc 3 dx
(12) x = L1 + L 2
BC5
c 3 (x = L1 + L 2 + L 3 ) = c 4 (x = L1 + L 2 + L 3 )
BC6
D3
dc 3 dx
= D4 x = L1 + L 2 + L 3
(11)
dc 4 dx
(13) (14)
x = L1 + L 2 + L 3
A határfeltételek azt jelentik, hogy nincs az oxigén áramlásában és koncentrációjában diszkontinuitás az egyes rétegek közötti határfelületeken. Az első két határfeltétel folyamatos oxigénkoncentrációt és -áramlást tételez fel a két szerves réteg határfelületén át, míg a harmadik és negyedik határfeltétel folyamatosságot jelent a szerves és az ásványi réteg között, végül az ötödik és hatodik határfeltétel az ásványi réteg és a lerakott hulladék között ír le kontinuitást. E megszorításokon kívül további határfeltételek is vannak: BC7 BC8
c 1 (x = 0 ) = c atm dc 4 dx
(15) =0
(16)
x = L1 + L 2 + L 3 + L 4
A hetedik határfeltétel állandó oxigénkoncentrációt feltételez a felső határon, azaz a föld felszínén. Az utolsó határfeltétel szerint pedig nincs anyagátvitel a legalsó határfelületen keresztül. Alkalmazva ezeket a megszorításokat és feltételeket az (5)-(8) egyenletekre, megkapjuk az oxigén koncentrációját a két takaró rétegben és a lerakott hulladékban is. Az egyenletrendszer analitikusan oldható meg.
Az alapeset mennyiségi megközelítése Az alapesetben feltételezik, hogy a lerakó részben vízzel telítve van, és vízbázis fölött helyezkedik el. Az oxigén bináris diffúzióállandója levegőben mintegy 2x10-5 m2/s, vízben pedig nagyságrendileg 10-9 m2/s. Az effektív diffúzióképességet a 7. ábra mutatja. O
2 = 21% C atm
Tkörnyezeti = 283 K
0,1 m
D1 = 1 · 10-7 m2/s
k’1 = 30/év
0,9 m
D2 = 1 · 10-6 m2/s
k’2 = 20/év
1m
10 m
D3 = 1 · 10-8 m2/s
D4 = 2 · 10-6 m2/s
szerves rétegek
szervetlen rétegek
k’4 = 25/év
lerakott hulladék
7. ábra Az alapesetben használt modellparaméterek A számítások szerint, ha a szerves anyagok bomlási sebességi állandója a lerakott hulladékban nagy, összemérhető egy jól levegőztetett komposztéval, az oxigén mennyisége rendkívül kicsi lesz már néhány deciméterre a hulladék belsejében, ami megegyezik a friss hulladéklerakókban mért értékekkel. A humuszos fázisban a humuszanyagok reakciósebessége várhatóan igen kicsi. A szimulációhoz feltételezik, hogy összemérhető a sok humuszanyagot tartalmazó tőzegével. A (8) egyenletben az oxigénfogyásra vonatkozó k’4 kinetikai állandót 25/év-nek veszik. Geometriailag a két felső szerves réteg 10, illetve 90 cm vastagnak vehető, míg a szervetlen réteget 1 m vastagnak tekintik. A lerakó 10 m mély és a humuszanyag koncentrációját a hulladékban 100 kg/m3-nek veszik. Noha a szerves anyag mennyisége a legfelső rétegben nagyobb lehet, mint az alatta lévő szerves rétegben, mindkettőben 30 kg/m3-rel számolnak. A 7. ábra tartalmazza a paramétereknek a számításokhoz használt értékeit.
Eredmények A 8. ábra B-görbéje mutatja az oxigénprofilt a befedett lerakóban a feltételezett körülmények között számítva. Megjegyzendő, hogy a takaró és a lerakott hulladék közötti határfelületen a koncentráció lényegesen kisebb, mint a felszínen. A teljes oxigénbehatolás 3,56 kg/m2/év, amelyből 0,75 kg-ot fogyaszt el az első takaróréteg és 2,76 kg-ot a második. A maradék 0,047 kg diffundál át teljesen a takaráson, és a hulladékban használódik el, azaz kereken húszezer év szükséges a humin anyagok teljes felhasználódásához.
mélység méterben
oxigénkoncentráció-profil
koncentrációarány, C/Catm
8. ábra Szimulált oxigénkoncentráció-profil a mélység függvényében, letakart hulladéklerakó esetén, amelyen növénytakaró fejlődött ki (A*) D1 = 1×10-8 m2/s*, D2 = 1×10-7 m2/s. (B) alapeset D1 = 1×10-7 m2/s, D2 = 1×10-6 m2/s. (C) D1 = 8×10-6 m2/s, D2 = 8×10-6 m2/s. *Valószínűleg értelemzavaró elírások az eredeti közleményben
Ez az eset sok tekintetben hasonlít a természetes erdei talaj kialakulási folyamatához, tűlevelűekkel borított Spodosol talaj esetén. Ebben az ökoszisztémában a felszínre hulló növényi hulladék mennyisége CH2O egységben kifejezve 0,1 és 1 kg/m2/év között változik, a növényzet életkorától, elhelyezkedésétől és más tényezőktől függően. A szervesanyag-utánpótlás azonban a felszín alatti gyökérhulladékból is bekerül a rendszerbe. Ennek egy része a
gyökérzóna üledéke, amely vízoldható gyökérizzadmányból, feltárt sejtanyagból és gázokból származik. Ezek a levelekben képződnek, és a növény kapillárisrendszerén keresztül jutnak le a hajszálgyökerekig, ahol a sejtfalakon áthatolva kerülnek ki és esnek a mikroorganizmusok áldozatául. Ezek a folyamatok mennyiségileg a szén-dioxid-fejlődés mérése révén tárgyalhatók. Különböző megközelítéseket dolgoztak ki a CO2-termelődés és a fenti folyamatok közötti kapcsolatra. Természetes erdei talajokban az összszén-dioxid-áram kb. 5 kg/m2/év (1. táblázat), de ez függ az erdő és a talaj típusától, korától és elhelyezkedésétől, amit nehéz általánosítani. 1. táblázat Teljes szén-dioxid-áram különböző forrásokból A talaj (vegetáció) típusa, helye Podzol erdő Podzol legelő Fenyves (Florida, USA) Füves térség, május/július/október hónapokban (Finnország) Tölgyes (Virginia, USA) Lápos fenyves, 9 éves/29 éves (Florida, USA) Trópusi lombhullató erdő (India)
CO2 áram (kg/m2/év) 5,6 6,3 5,1 3,1/8,8/0,9 4,1 3,1/4,4 6,2
A talaj szén-dioxid-termelési sebessége idősebb növényzet esetén nagyobb. Ennek elsődleges oka az, hogy az élő gyökér-biomassza tömege lényegesen nagyobb. A kiáramló szén-dioxid mennyiségének mintegy 50%-a (30–70%-a) gyökérlégzésből származik, ennek ötöde jön a felszíni rétegből. A gyökérlégzés az élő gyökérsejtek aerob folyamata. A szén-dioxid további 30%a mikroorganizmusok légzéséből, 20%-a a gyökérzóna (rizoszféra) légzéséből származik. Ez utóbbit a gyökérlégzéssel együtt tárgyalják (9. ábra), mert a cél a különböző talajkomponensek hozzájárulásának meghatározása. A felső és az alsó talajréteg termelésének megkülönböztetése szolgáltat értékes információkat a hulladéklerakó takarásáról. A szén-dioxid-fejlődés a talajban jelzőszáma lehet a gyökerek, a bomló anyagok és más szervezetek anyagcsere-folyamatainak, amely hozzásegít az ökoszisztémát jellemző és szabályozó jelenségek jobb megértéséhez. A kapott információkból feltételezhető, hogy az éves szervesanyag-bevitel a javasolt takarás felső rétegében 0,75 kg/m2 CH2O, amelynek 45%-a növényi hulladék, 55%-a pedig a levelekből a gyökerekbe jutó szénhidrát. Az alatta lévő, szerves anyagban gazdag rétegben a feltételezett éves termelődés 2,2 kg/m2 CH2O, amelynek mintegy 6%-a lehet gyökérhulladék, 70%-a az élő gyökér folyamataiból, a maradék pedig a huminanyagokból származik.
növényi hulladék és humusz
erdei talaj (összehasonlítható a felső takaróréteggel)
élő gyökerek
elpusztult anyagok ásványi talaj (összehasonlítható a második, szerves anyagban gazdag réteggel)
élő gyökerek talajban levő szerves anyag teljes (szén-dioxidáramlás) 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
2
kg CO2 /m év
9. ábra Szén-dioxid-áramlás 29 éves, lápos fenyőültetvényből Ha ezeket a számokat összehasonlítják a szimulált értékekkel, megállapítható, hogy a felső, szerves anyagban gazdag rétegben a szerves anyag nettó felhalmozódása 0,05 kg/m2/év, míg az alatta lévő, szerves anyagban ugyancsak dús rétegben a nettó elbomlás 0,4 kg. Tehát a második réteg 70 éven belül teljesen kimerül, állandó szegényedési sebességet feltételezve. A réteg vastagsága azonban befolyásolja az oxigén áramlását, nevezetesen az oxigéntartalom csökken a vastagság csökkenésével. Ha az L2 réteg vastagsága felére, azaz 0,45 cm-re csökken, akkor a nettó szervesanyagfelhalmozódás 1,67 kg/m2/év. Az L1 első réteg érzékenységanalízise ugyanilyen tendenciát mutat. Hosszú távon tehát a felhalmozódási és szegényedési periódusok váltakoznak, ami dinamikus állandóságot biztosít. Eszerint a (2) egyenlet egyszerűsítése, vagyis a (4) egyenlet stacioner változata ésszerű. A legtöbb talaj stacioner vagy ahhoz közeli állapotban van az oxigén áramlása és fogyása szempontjából. Nem vették azonban figyelembe a szerves anyag vándorlását a két réteg között. Az effektív diffúzióképesség hatása az oxigénáramlásra Biológiailag aktív rendszerben a telítettség foka nemcsak a diffúzióképességet befolyásolja, hanem a kinetikai állandót is, vagyis e két utóbbi összefügg
egymással. Először csak az effektív diffúzióképességet változtatják, minden más paraméter állandósága mellett. A 10. ábra ennek függését mutatja a porózus közeg telítettségének függvényében. De az effektív diffúzióállandó a gázfázisban mért koncentráció alapján (m2/s), Da0 pedig a bináris diffúzióállandó a diffundáló komponensre nézve, levegőben (m2/s). Ha a nedvességtartalom nulla, a De/Da0 egyenlő a rendszer porozitásával. Az effektív diffúzióképesség nagy mértékben és nemlineáris módon függ a nedvességtartalomtól. A telítettség mértéke és a víz elhelyezkedése a pórusokban jelentősen befolyásolja a diffúziós anyagáramokat. 10 1,4 -1
101,2 10-21 De
-3 100,8
DaD 10-4 0,6 -5 100,4 -6 100,2
0 0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
nedvességtartalom (víztérfogat/pórustérfogat)
10. ábra Az effektív diffúzióképesség a pórustelítettség függvényében Mivel a két réteg nincs fizikailag elválasztva egymástól, nyilvánvaló, hogy zavaró hatások léphetnek fel közöttük. Ha a telítettségi fok változik, mindkét diffúzióállandó, D1 és D2 egyidejűleg módosul, akár egy nagyságrenddel is az alapesethez képest (8. ábra). Nagy víztartalom esetén (A) a hulladékhoz bejutó oxigén 0,004 kg/m2/év-re csökken, míg kisebb telítettség mellett (C) ez az érték 0,087. Világos tehát, hogy minél telítettebb a közeg, annál nagyobb az oxigén áteresztésével szembeni ellenállás. Sőt a diffúzióképesség alsó tartományában az oxigénbeáramlás diffúziókontrollálttá válik, míg nagyobb diffúzióértékek mellett a biokémiai reakció sebessége a meghatározó. Az egyes diffúzióállandók érzékenységanalízise szerint D1 csökkenése nagy hatással van az oxigén koncentrációprofiljára, növelésének viszont nincs
kifejezett befolyása. Ez a bomlási sebességi állandó és a diffúzióállandó közötti viszonnyal függ össze. Nagyobb a rendszer érzékenysége, ha D2 kisebb. D2 = 1×10-8 m2/s felel meg az ásványi réteg által nyújtott ellenállásnak, ami a szerves anyagok kis oxidációsebességét eredményezi, értéke: 1,25×10-4 kg · m2/év. Ebben az esetben a teljes behatoló oxigénáramnak csak a 0,009%-a éri el a lerakott hulladékot. Efölött D2 hiába nő akár nagyságrendekkel is, az oxigénszállítás alig lesz nagyobb, mivel korlátozza a kis diffúzióállandó a felső, szerves anyagban gazdag rétegben. A bomlás sebességi állandójának hatása A bomlás kinetikai állandójának hatása az oxigénáramra számos tényezőtől függ, így a nedvességtartalomtól, a hőmérséklettől, a pH-tól, a szerves anyag típusától és mennyiségétől stb. Ezt fejezi ki a (17) egyenlet. k' = f (Θ, T, pH, [CH2 O])
(17)
Noha k’ az összes említett paramétertől függ, ezekkel az összefüggésekkel itt nem foglalkoznak. Csak a szerves anyag érdemel különös figyelmet, mivel a javasolt takarás szerves szénben gazdag, amely redox puffer kapacitást mutat, azaz véd az oxigéntől. A jelen lévő szerves anyagot bomlási sebességük szerint 3 kategóriába oszthatják: könnyen bomló anyagok (bizonyos fehérjék és kis móltömegű szénhidrátok), közepes bomlékonyságúak (pl. a holocellulóz) és ellenálló képződmények (pl. lignin és nagy móltömegű huminanyagok). Bár az oxigénre nézve elsőrendű kifejezést írnak fel, közvetve nem lehetetlen, hogy „pillanatnyilag” eltérő szervesanyag-koncentrációk megváltoztatják a k’ állandó értékét. Ez a közelítés viszont számottevően csökkenti a szükséges feltételezések számát és a vele járó bizonytalanságokat. Az itt alkalmazott módszerhez a kinetikai állandót az alapesethez képest ± egy nagyságrenddel változtatják. A 11. ábrán látható, hogy az oxigénárammal szembeni ellenállás jelentősen nő, ha a bomlás sebességi állandója csökken. A kis kinetikai állandó bomlásnak jól ellenálló anyagot jelent. Igen kis értékeknél az anyag éppenséggel inaktívnak tekinthető. Az (A) esetben az oxigénbehatolás sebessége 0,62 kg/m2/év. Nagy kinetikai állandó esetén (C) lényegesen több oxigén jut át a felületen (10,17 kg/m2/év), de ennek elhanyagolható hányada (0,044%) éri el a hulladékot. Ez kb. 20-szor kevesebb, mint a kis kinetikai állandó esetén, mivel az aktív rétegben az oxigénfogyasztás sebessége nagy. Mindez a lerakó takarásának tartóssága szempontjából azt jelenti, hogy nagy k’ esetén a takarórendszer elveszti funkcióját, mivel mindkét aktív réteg gyorsan tönkremegy, míg kisebb k’ mellett a szerves anyagok halmozódnak a rétegekben, ami fenntartja funkciójukat.
mélység méterben
koncentrációprofil
koncentrációarány, C/Catm
11. ábra Szimulált oxigénkoncentráció-profil a mélység függvényében, k1’ és k2’ egyidejű változtatásával (A) k1’ = 3/év, k2’ = 2/év; (B) alapeset (k1’ = 30/év, k2’ = 20/év; (C) k1’ = 300/év, k2’ = 200/év A két aktív réteget külön vizsgálva, arra a következtetésre lehet jutni, hogy ha k’1 kisebb, mint 30/év, az első rétegbe beáramló oxigén mennyisége változatlan marad, a rendszer stabilizálódik mintegy 3 kg/m2/év értéken, amelyből 0,05 kg/m2/év oxigént elfogyaszt a lerakott hulladék, vagyis a rendszer diffúziókontrollált. Ha azonban k’2 < k’1, mint a szóban forgó modell esetében, akkor az oxigénáramot k’1 szabja meg. Az alapesetek mennyiségi tárgyalása Befedett lerakó vegetációs réteg nélkül Ebben az esetben a növénytakaró nem fejlődött ki. Emiatt csak a takaró anyagban eredetileg jelen volt szerves anyag bomlása játszódik le, amely a lerakott hulladékból nem pótlódik vissza. Idővel ez valószínűleg a szerves anyagban való teljes elszegényedéshez vezet, amikor is a fedőrendszer elveszíti redox puffer kapacitását, és nagyobb lehetőséget nyújt oxidáló anyag bejutására a hulladékba. Sőt nemcsak a növénytakaró, hanem a gyökerek is hiányoznak, tehát azokból sem képződik folyamatosan friss szerves anyag. Ezért mindkét rétegben a bomlás sebességi állandója oxigénre nézve azonos, értéke 1,5/év. Ez
egy nagyságrenddel kisebb, mint a modellbeli alapesetben amiatt, hogy a tápanyagok hiánya visszaszorítja a mikroorganizmusok tevékenységét. Ugyanakkor viszont az effektív diffúzióállandó a felső rétegben 5-ször kisebb lesz (D1 = 4×10-7 m2/s), mint lejjebb, a sűrűbb textúra és a nagyobb vízvisszatartó képesség miatt. Abszolút értékben viszont valamivel nagyobb, mint az alapesetben, mivel a szerves anyag hiánya miatt nagyobb a porozitás.
mélység méterben
oxigénkoncentráció profil
koncentrációarány, C/Catm
12. ábra Számított oxigénkoncentráció-profil a mélység függvényében, letakart, növénytakaró nélküli hulladéklerakó esetén (A) D1 = 4×10-7 m2/s, D2 = 2×10-6 m2/s, k1’ = k2’ = 1,5/év; (B) nincs szerves anyagban gazdag (aktív) takaróréteg A számított oxigénkoncentráció-profilt a 12. ábra (A) esete mutatja. Az oxigénbeáramlás sebessége 0,53 kg/m2/év, ami hetedrésze az alapesetének. A lerakott hulladékot elérő oxigén mennyisége 0,088 kg/m2/év, ami kétszerese az alapesetben lévőnek. A takarórendszerben lévő szerves anyag 70 éven belül teljesen elenyészik. Ettől kezdve az oxigén bejutását a lerakott hulladékba csak a szervetlen réteg és annak tartóssága szabja meg. Ez a rövid időtartam csak a modell terméke, és azon a feltételezésen alapul, hogy az oxigénfogyás sebessége független a szerves anyag koncentrációjától. Mivel azonban a bomlás sebességi állandója csökken a szervesanyag-tartalom csökkenésével, a teljes kimerülés időtartama hosszabb lesz. A lerakott hulladékot elérő oxigén mennyisége fokozatosan nő, és akkor lesz maximális, amikor a rendszer szervesanyag-tartalma teljesen megszűnik. Ebben a stádium
ban a rendszer modellezhető tiszta szervetlen réteggel, ami 0,09 kg/m2/év oxigén behatolását jelenti a hulladékba. Vagyis a növényzet nélküli takarásnak minimális hatása van. Ilyen mértékű oxigénbehatolás mellett a lerakott hulladék mintegy 12 000 év alatt teljesen elenyészik. Ez azonban csak addig van érvényben, amíg az ásványi réteg állandó. Ezt a réteget úgy szokás tervezni, hogy nagy arányban tartalmazzon tömör, kis vízáteresztésű agyagot, amelynek elsődleges célja, hogy megakadályozza víz bejutását a hulladékhoz. Ennek nem kell feltétlenül az ásványi rétegben lennie, alkothat külön réteget is. Önálló agyagréteg azonban több okból nem nyújt megfelelő teljesítményt. A legfelső réteg ugyanis érzékeny az időjárás viszontagságaira, például kiszáradás miatt repedezhet, deformálódhat, megsüllyedhet az alatta lévő hulladék egyenetlen zsugorodása miatt. A repedések utat nyithatnak az oxigén és a víz behatolásának. A süllyedés hulladéklerakók esetén nagyon is valószínű, ami szintén a takaróréteg károsodását eredményezi. Idővel tehát ez a védelem hiányosan fog funkcionálni, hacsak nem tartják karban, illetve az utolsó fedőréteget csak a hulladék stabilizálódása után viszik fel. Ezt azonban rend szerint nem várják meg. Az is modellezhető, hogy mekkora süllyedés viselhető el egy kör alakú deformációs zóna közepén az agyagréteg megtörése nélkül. A deformáció definiálható két felszíni pont közötti süllyedéskülönbséggel. A két pont közötti távolság legyen a vizsgált kör sugara. Ismeretes, hogy agyagos talaj maximális nyúlása húzó igénybevételre 0,1–1%, ez tehát a maximális deformáció, amelyet az agyagréteg elvisel. 5 m átmérőjű körben a maximális süllyedés így 0,125–0,25 m lehet. Ha a takaróréteg megreped, az oxigén bejutása a hulladékhoz nagyságrendekkel megnőhet. Takaratlan hulladéklerakó Ha a lerakott hulladékot semmi nem védi, az oxigén behatolási sebessége 1,5 kg/m2/év lenne. Ez az oxigénmennyiség a huminanyagokat közel 1,4 kg/ m2/év sebességgel oxidálja, ami majdnem 700 év alatti ártalmatlanításnak felel meg. Az oxigénbehatolás csökkentésének másik módja annak biztosítása, hogy a lerakó telítve legyen vízzel. A nedves lerakás célja az, hogy a hulladék oxidálatlan formában maradjon meg, és egyúttal ne történjen vízszállítás a hulladékon keresztül. Vízben ugyanis az oxigén diffúzióképessége tízezerszer kisebb, mint gázban, ami annyit jelent, hogy az oxigénszállítás százezerszer lassúbb. Az oxigén csak a befolyó esővízzel kerülhet be, további diffúziója pedig elhanyagolható a vízzel telt pórusokon keresztül. Az oxigén vízoldhatósága nagyságrendileg 10 mg/liter. Skandináviában az évi csapadékmennyiség 500 mm/m2. Abban a szélsőséges esetben, amikor az összes csapadékvíz bekerül, a lerakóba kerülő oxigén mennyisége 0,005 kg/m2/év. Ez 4,7×10-3 kg szerves anyagot képes oxidálni. Vízzel telített lerakó tehát hosszú ideig redukáló állapotban tud maradni.
A pH alakulása A talajosodás folyamatának fontos tényezőjét képezik az időjárás kémiai hatásai, amelyek a savasodás ellen dolgoznak, ugyanakkor oldható ionokat szabadítanak fel az ásványi anyagokból, amelyek szükséges tápanyagai a növényeknek és a talajban lévő szervezeteknek. Ezeket a folyamatokat gyorsítják a savasító anyagok és a huminsavak, különösen fenyvesekben. Ilyen savasító anyagok a szén-dioxid (bediffundál a levegőből, vagy/és termelődik a talaj folyamatai során), amely feloldódik a cirkuláló vízben, az emberi tevékenységekből származó anyagok és a növényi gyökerekben felszabaduló hidrogénionok (kationcserélő folyamatok révén, amikor a növények felveszik a tápanyagokat). A legtöbb időjárás okozta reakció savfogyasztó (2. táblázat), ezek tehát gátolják a savasság bekerülését a lerakott hulladékba. A 2. táblázat a talajban leggyakrabban előforduló savfogyasztó reakciókat tartalmazza a legkönnyebben létrejövőtől a legnehezebbekig tartó sorrendben. A leggyorsabb reakciókat illetően a rendszer gyakorlatilag helyi egyensúlyban lévőnek tekinthető, tehát modellezhető az anyagmérleg és az egyensúlyi arányok alapján. A lassúbb reakciók esetén azonban a reakciókinetikát is figyelembe kell venni. Az alsó, szervetlen fedőréteg legalább kétféle anyagból áll: az egyik könnyen változik, a másik ellenáll az eróziónak. Ezt az ásványi réteget azonban itt elsősorban a savfogyasztás követelménye szempontjából vizsgálják, és a fő kérdés, amelyre választ kell kapni, hogy mennyi ideig tart az ásványi réteg pH-puffer kapacitása. Mivel a fő oxidálószernek az oxigént tartják, az oxigén behatolási sebességét tekintik a pufferkapacitás csökkenése mérőszámának. Nem kell tehát anyagmérlegszerűen vizsgálni az egyes kémiai reakciókat. Szerves anyagok bomlásakor a számottevő végtermékek a (19) egyenlet értelmében szerves savak és a szén-dioxid, nevezetesen a szerves anyag mintegy 90 %(m/m)-a szén-dioxidként, 5–10 %(m/m)-a szerves savként jelenik meg. Más megközelítésben a végtermékek 75–80 %(m/m)-a szén–dioxid, 20–25 %(m/m)-a huminanyagok, (ezen belül humin- és fulvinsavak, humin, bomlatlan vagy részben lebomlott szerves vegyületek). A savak egy részét, különösen a kis móltömegűeket a mikroorganizmusok újra felhasználják. A szerves savak koncentrációja általában nem nagy, mindössze 1×10-5 mól/l. Első lépésként azt tételezik fel, hogy a bomló szerves anyag 1 %(m/m)-a jelenik meg 300 g/mól átlagmóltömegű sav formájában, más savtermelő forrásokat pedig nem vesznek figyelembe. A szerves anyag bomlási sebességét az előzőekben tárgyalt alapeset oxigénbehatolási sebességéből becsülik meg. A felső, szerves anyagban gazdag rétegben bomló szerves anyagból 0,1 mól/m2/év proton képződik. A természetes vegetáció következtében ez folyamatosan kerül be az ásványi rétegbe. Amíg ott a pH-pufferkapacitás
2. táblázat A fontos savtermelő oxidációs és savpufferoló reakciók a takarórétegekben Típus
Reakciók, pH-tartomány
Savtermelő Szulfid
FeS2 + 3,75O2 + 3,5H2O → Fe(OH)3(s) + 4H+ + 2SO42–
Szerves
CH2O + O2 →
CO2 + H2O
+ kis móltömegű savak
→ 2H+ + CO32– + biomassza + kalcitosodott frakció Esővíz
(18)
H+ (pH = 4)
(19) (20)
Savfogyasztó Karbonátásványok
CaCO3(s) + 2H+ → Ca2+ + CO2 + H2O
(pH = 6,2)
(21)
Kalcit
MgCO3(s) + 2H+ → Mg2+ + CO2 + H2O
(22)
Magnezit
Szilikátásványok
primer kőzetásvány + 2H+ + H2O → kationok + H4SiO4 + + szekunder ásványok +
FeMgSiO4(s) + 4H → Fe Olivin
2+
+ Mg
2+
(23)
+ H4SiO4 (24)
+ 2H+ + H2O → Al2Si2O5(OH)4
CaAl2Si2O8
Anortit (kalcium-földpát)
Kaolinit
+ Ca2+ 5,0 = pH <6,2
(25)
NaAlSi3O8(s) + H+ + 4,5H2O → Na+ + 2H4SiO4 Albit (nátrium-földpát)
+ 0,5 Al2Si2O5(OH)4 (s) + 2FeOOH(s) Kaolinit
Goethit
(26)
KMgFe2AlSi3O10(OH)2 + 3H+ + 4,5H2O → K+ + Mg2+ Biotit (csillám)
+ 2H4SiO4 + 0,5Al2Si2O5(OH)4(s) + 2FeOOH(s) Kaolinit
KAlSi3O8
Goethit
(27)
(s) + H+ + 4,5H2O → K+
Ortoklász (kálium-földpát)
+ 2H4SiO4 + Al2Si2O5(OH)4(s) Kaolinit
Kationcsere
SO:Me + 2H+ → SO:H2 + Me2+
4,2 ≤ pH < 6,2
(28) (29)
2. táblázat folytatása Típus
Reakciók, pH-tartomány
Szekunder ásványok
Szekunder ásványok + nH+ → kationok + H2O +
Al2O3 (s) + 6H → 2Al
3+
+ 3H2O 3,8 ≤ pH < 4,2
(30) (31)
Gibbsit
Al(OH)3 + 3H+ → Al3+ + 3H2O 3,0 ≤ pH < 4,2
(32)
Fe2O3(s) + 6H+ → 2Fe3+ + 3H2O pH <3,8
(33)
Hematit
Fe(OH)3 + 2H+ → Fe3+ + 3H2O
megvan, a bekerülő protonok feloldódnak. Az ásványi réteg 3 fő frakcióból áll: a könnyen reagáló kalcit (5 %(V/V)), a primer ásványi anyagok (65 %(V/V)) és kvarc (30 %(V/V)). Ez utóbbi nem vesz részt a savak fogyasztásában. A (23) egyenlet szemlélteti a pufferáló ásványi anyagot, az összes időjárási reakciót a primer ásványi anyagokba vonva össze (24)–(28) egyenleteket. 1 mól kalcit (21) egyenlet szerinti elfogyasztása vagy egy mól primer kőzetásványé a (23) egyenlet szerint egyenértékű 2 mól H+ fogyásával. A javasolt takarásban az összes savsemlegesítő kapacitás 5,76 kmól, vagyis a felső réteg képes a szerves anyagok oxidációja következtében képződő savak semlegesítésére 105 000 évig. Az időjárás hatására bekövetkező károsodás sebessége tehát mintegy 15 g/m2/év. Ez egy nagyságrenddel nagyobb, mint amelyet észleltek svédországi podzol talaj esetén (kb. 1 g/m2/év), a jégkorszak mintegy 8800 évvel ezelőtti elvonulása óta. Mások Svédország dél-nyugati részén 14 g/m2/év értéket találtak, amely megegyezik az itt számítottal, voltak azonban, akik mértek tízszer nagyobb értéket is. Évi 500 mm 4-es pH-jú csapadék 0,05 mól protonbevitelt eredményez. Ez két nagyságrenddel kevesebb, mint amely a szerves anyagban gazdag rétegben képződik, vagyis a savas esők hatása minimális a pH-pufferkapacitás csökkenésére. Ha azonban állandósuló vízfolyási útvonalak alakulnak ki a takarórétegben, a pufferkapacitás lokálisan lecsökkenhet e csatornák mentén vagy azok közelében is. Ha ez netán bekövetkezik, a savas anyagok elérhetik a lerakott hulladékot. Értékelés és következtetések Az elsődleges cél az volt, hogy hulladéklerakók végső befedése úgy legyen mérnöki módon tervezve, hogy megvédje a lerakott hulladékot az oxidációtól és a savasodástól, és ezáltal igen hosszú idő alatt se tudjanak a nehézfémek felszabadulni benne. Ehhez a hulladékgazdálkodásból, az erdészeti
tudományból és a matematikai modellezésből szerzett információkat kellett összevetni. A hosszú távú változásokat előidéző, elsődleges reakció a hulladékban lévő szerves és szervetlen redukáló anyagok oxidációja. Ennek fő oxidálószere a behatoló oxigén. A savasodás is a természetes növényi anyagok oxidatív bomlásának (és a savas esőknek) a következménye. Alapesetnek olyan takarást tekintettek, amelyen növényzet fejlődik. Ebben modellezték azokat a versengő folyamatokat, amelyek új szerves anyagot hoznak létre, amelynek oxidatív bomlását a biológiai folyamatok katalizálják. Noha a fedőrétegben ez a biológiai aktivitás kiszűri a behatoló oxigén nagy részét, de egy része bejut a hulladékhoz. Ez utóbbi modellezett mennyiségétől a hulladék szerves anyagának oxidációsebessége 45 g/m2/év, ami több, mint húszezer év alatt fogyasztja el azt. Ez elég hosszú idő, mivel Skandináviában éppen ekkorra várják a következő jégkorszakot. E sebesség mellett a nehézfémek felszabadulási sebessége mintegy 2 g/m2/év, vagyis a szivárgóvízben a koncentrációja 4 mg/l. Összehasonlításképpen takaratlan lerakóban a szerves anyagok teljes elfogyasztása 700 év alatt következne be. A modellben mind a hulladékot, mind a takarást vízzel részben telítettnek tekintették, tehát a levegő oxigénje diffúzió útján a pórusokon keresztül tud terjedni. Vízzel teljesen telített közeg esetén a lerakó élettartama 225 000 év volna. A nehézfémek felszabadulási sebessége a takaratlan lerakóban 70 g/m2/év, az elárasztott rendszerben 0,2 g/m2/év volna. Az élettartamok persze nem abszolút igazságok, a bizonytalanságok száma igen nagy. Az arányok azonban hiteleseknek tekinthetők. A modell azonban mindenképpen jobban közelíti a hosszú távú folyamatokat, mint a rövid távú megfigyelések puszta extrapolálása. Már csak azért is, mert a szimulált és modellezett eredményeket összevetették tőzeglápokban és talajokban végbemenő, analóg folyamatokkal. A fedőrétegben a bomló szerves anyag mennyiségét összehasonlítják a szén-dioxid fejlődés szabadtéri mért értékeivel. Ebből az is kiderül, hogy növényzet nélküli rétegben a szerves anyagok bomló mennyisége mintegy ötöde a növényzettel borított rétegének. Ez következtethető a 9. ábrából. A széndioxid-képződés azonban összetett folyamatok eredménye, nem csak biológiai folyamatok, hanem akár ásványi kémiai reakciók következménye is. A feltételezés szerint podzol talajon ez utóbbiak alárendelt jelentőségűek a széndioxid-mérlegben, ezért azt egészében az oxidációk eredményének tekintik. A modell paramétereinek (diffúzióállandó, bomlás sebességi állandója) érzékenységanalízise e tényezők hatásainak jobb megértését is szolgálja, és megmutatja, hogy melyek azok, amelyeket pontosabban kell meghatározni a hosszú távú becslések nagyobb megbízhatósága érdekében. A legtöbb svédországi talaj pufferhatása csekély, emiatt nagyon kényes a savas esőkre. A takarásra javasolt ásványi réteg szerepe éppen a tartós pHpufferhatás biztosítása. Első közelítésben ha a bomlás kezdeti sebessége 15 g/m2/év, akkor 1 m talajmélységben a pufferkapacitás százezer évig kitart.
A növénytakaró mint önfenntartó ökoszisztéma a lerakó fölött azért fontos, mert mesterséges létesítmények nem tarthatók fenn végtelen ideig. A lerakott hulladék igencsak heterogén, a benne lejátszódó folyamatok helyről helyre változnak, tehát a humuszosodás itt hamarabb, ott később vagy belátható időn belül nem következik be. A hulladék a bomlás következtében tömörödik, ezért óvatosságból érdemes először ideiglenes takarást alkalmazni, majd amikor a süllyedés megáll, akkor véglegesíteni. Természetes rendszerek nagy perspektívákat nyújtanak a hulladékgazdálkodás számára, ezért fontos az erdészeti tapasztalatok alkalmazása a természetes anyagokból összeállított, végső takarások hosszú távú viselkedésének tanulmányozása során. A talajok vizsgálatából olyan, tízezer éves információkhoz is hozzá lehet jutni, amilyenekhez laboratóriumi vizsgálatokkal nem. Ezek pedig kulcsot adnak a környezeti problémák hosszú távú kilátásainak meghatározásához. (Dr. Gröbler András) Bozkurt, S.; Sifvert, M. stb.: The long-term evolution of and transport processes in a selfsustained final cover on waste deposits. = The Science of the Total Environment, 271. k. 1– 3. sz. 2001. ápr. 23. p. 145–168. Bozkurt, S.; Moreno, L.; Neretnieks, I.: Long-term fate of organics in waste deposits and its effect on metal release. = The Science of the Total Environment, 250. k. 1999. p. 135–152. Bozkurt, S.; Moreno, L.; Neretnieks, I.: Long-term processes in waste deposits. = The Science of the Total Environment, 250. k. 2000. p. 101–121.
