Szacowanie opóźnienia migracji rtęci w gruntach piaszczystych z okolic Krakowa na podstawie testów statycznych

• Autorzy: Klojzy-Karczmarczyk B.

Warianty tytułu

EN

Estimation of Retardation of Mercury Migration in Sandy Soils near Krakow Using Batch Tests

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Istotnym elementem prognozowania migracji zanieczyszczeń z powierzchni terenu do warstw wodonośnych jest ocena prędkości migracji przez strefę aeracji. Szacowanie średniego czasu przesączania wody z powierzchni terenu do warstwy wodonośnej pozwala na określenie podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie. Wieloletnie badania gruntów w zasięgu oddziaływania południowej obwodnicy Krakowa wskazują na możliwość powolnej kumulacji rtęci w przypowierzchniowych warstwach gruntu lub też na bardzo powolną migrację w głąb warstw. Czas przemieszczania znacznika konserwatywnego w utworach o charakterze porowym uzależniony jest głównie od wielkości konwekcyjnego przenoszenia. Natomiast czas przemieszczania w ośrodku hydrogeologicznym zanieczyszczenia ulegającego opóźnieniu (w tym przypadku rtęci) uzależniony jest dodatkowo od wielkości sorpcji, a w konsekwencji opóźnienia migracji wyrażanego współczynnikiem opóźnienia (retardacji) R. Celem badań była ocena wielkości tego parametru dla gruntów pobranych z okolic Krakowa, różniących się składem granulometrycznym. Badania sorpcji rtęci przeprowadzono dla utworów zaklasyfikowanych jako piaski drobne oraz piaski średnie. Badania laboratoryjne przeprowadzono dla 4 próbek gruntów, dla których wykazano początkowe zanieczyszczenie rtęcią. Przeprowadzono testy statyczne sorpcji w różnych proporcjach fazy stałej do fazy ciekłej (testy batch). W trakcie eksperymentu zastosowano wodę dejonizowaną sztucznie zanieczyszczoną rtęcią o różnych stężeniach. Masa zasorbowanej przez materiał gruntowy rtęci w trakcie eksperymentu została obliczona ze wzoru opartego na bilansie masy. Sorpcja Hg dla analizowanego materiału gruntowego została opisana przy pomocy izotermy Henry’ego o charakterze liniowym. Zależność między stężeniem substancji w roztworze i fazie stałej określa podział sorbowanej substancji między roztworem a fazą stałą. Na podstawie wyznaczonej stałej podziału zanieczyszczenia pomiędzy sorbentem a roztworem oszacowano współczynnik opóźnienia R, określający wielokrotność opóźnienia migracji składnika ulegającego sorpcji w stosunku do składników o charakterze konserwatywnym. Eksperyment prowadzono z uwzględnieniem czasu ustalenia warunków równowagowych określonego na 15-18 dni. Uzyskany współczynnik opóźnienia R przyjmuje zbliżone wartości bez względu na przyjęty schemat obliczeń. Przeprowadzone badania statyczne wykazały, że wielkość opóźnienia rtęci kształtuje się od 1407 do 1782 w przypadku piasków średnich oraz od 1406 do 2387 w przypadku piasków drobnych. Na podstawie obliczonego R, zgodnie z klasyfikacją intensywności sorpcji wg E. Osmędy-Ernst oraz S. Witczaka (1991) można określić sorpcję jako nieograniczoną. W związku z przyjętymi założeniami dla potrzeb eksperymentu i zastosowanymi uproszczeniami uzyskane wartości należy traktować jako orientacyjne.

EN

An important element in predicting the migration of contaminants from the surface to the aquifers is to assess the speed of migration through the aeration zone. Estimating the average time of water percolation from the surface to the aquifer allows to determine the susceptibility of groundwater to contamination. Long-term research of soils in the impact zone of the southern Krakow ring road indicates the possibility of slow accumulation of mercury in subsur face soil horizons or a very slow migration into the horizons. Migration time of conservative contaminants in porous deposits depends mainly on the size of convective migration. Migration time of retarded contamination in a hydrogeological centre (in this case it is mercury) is additionally dependent on the size of sorption, and consequently on the retardation expressed by retardation factor R. The aim of this study was to assess the size of this parameter for the soils sampled near Krakow, and differing in particle size composition. The mercury sorption study was therefore carried out for deposits classified as fine and medium sands. Laboratory tests were conducted for 4 soil samples which indicated initial mercury contamination. Sorption batch tests were carried out in different proportions of the solid phase to the liquid phase. During the experiment, deionized water artificially contaminated with mercury at different concentrations was used. Mercury absorbed by the soil during the experiment was calculated from the formula based on mass balance. Hg sorption for the analysed soil material was described using Henry model, the linear isotherm. The correlation between the concentration of substances in solution and solid phase determines the distribution of the sorbed substance between solution and solid phase. Based on the determined contamination distribution constant between the sorbent and the solution the retardation coefficient R was determined; it defines the retardation multiple of the component undergoing sorption with respect to the components which are conservative in nature. The experiment was conducted taking into account the time to determine equilibrium conditions defined at 15-18 days. The resulting retardation coefficient R accepts a similar values regardless of the adopted course of action. The conducted batch tests indicated that mercury retardation ranges from 1407 to 1782 in the case of medium sands and from 1406 to 2387 in the case of fine sand. On the basis of the calculated R, in accordance with the classification of the sorption intensity by E. Osmęda-Ernst and S. Witczak (1991), sorption may be defined as unlimited. Due to the assumptions for experimental purposes and the applied simplifications, the resulting values should be considered indicative.

Słowa kluczowe

PL

rtęć; testy statyczne; współczynnik opóźnienia R; piaski średnie; piaski drobne

EN

mercury; batch test; retardation coefficient R; medium sand; fine sand

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: Tom 18, cz. 1
• Strony: 743--758
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Klojzy-Karczmarczyk B.

• Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk

Bibliografia

• 1. Bajda, T., Klojzy-Karczmarczyk, B., Rzepa, G., Fijał, J., Mazurek, J. (2004). Sorpcja Cu(II), Zn(II) i Hg (II) na naturalnych i modyfikowanych rudach darniowych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 20(2), 83-98.
• 2. Choma-Moryl, K. & Rinke, M. (2005). Ocena możliwości sorpcyjnych Cd i Pb przez wybrane grunty spoiste z terenu Dolnego Śląska (Polska) w aspekcie ich wykorzystania do uszczelniania składowisk odpadów. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 21(2), 69-82.
• 3. Czerniak, A. & Poszyler-Adamska, A. (2009). Ocena zasięgu migracji pierwiastków śladowych generowanych przez ruch samochodowy metodą pomiarów magnetometrycznych gleb. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, 5/2009, 7-18.
• 4. Deutch, J. (1997). Groundwater geochemistry. Fundamentals and applications to contamination. New York: Lewis Publ., Boca Raton.
• 5. Freeze, R.A. & Cherry, J.A. (1979). Groundwater. New Jersey: Prentice Hall Inc.
• 6. Kiecak, A., Kret, E., Malina, G. (2013). Ocena opóźnienia migracji TCE w ośrodku porowatym na podstawie testów statystycznych. Przegląd Geologiczny, 61(1), 62-66.
• 7. Kleczkowski, A.S. (red.) (1999). Prędkość migracji zanieczyszczeń przez strefę aeracji na podstawie badań polowych i laboratoryjnych. Kraków: Wyd. Akademia Górniczo-Hutnicza.
• 8. Klojzy-Karczmarczyk, B. & Mazurek, J. (2005). Rtęć w strefie aeracji otoczenia drogi krajowej 79 na odcinku Chrzanów – Kraków. XII Sympozjum. Współczesne Problemy Hydrogeologii, tom XII, 337-344.
• 9. Klojzy-Karczmarczyk, B. (2011). Ocena zagrożenia zanieczyszczeniem rtęcią wód podziemnych w wyniku oddziaływania wybranych odcinków dróg na obszarze centralnej Polski. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 13, 1766-1782.
• 10. Klojzy-Karczmarczyk, B. (2013). Analiza wieloletnich badań zawartości rtęci w gruntach z bezpośredniego otoczenia południowej obwodnicy Krakowa. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 15, 1053-1069.
• 11. Klojzy-Karczmarczyk B. (2014). Zmienność zawartości rtęci w poszczególnych frakcjach gruntów z otoczenia odcinka obwodnicy Krakowa. Rocznik Ochrona Środowiska (Annual Set The Environment Protection), 16, 363-375.
• 12. Kyzioł, J., Barba Martín-Sonseca, M.F., Callejas Gómez, P., Szwej, M. (2006). Iły trzeciorzędowe towarzyszące pokładom węgli brunatnych jako tanie sorbenty metali ciężkich. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 22(3), 99-108.
• 13. Kyzioł-Komosińska, J. & Kukułka, L. (2008). Wykorzystanie kopalin towarzyszących pokładom złóż węgli brunatnych do usuwania metali ciężkich z wód i ścieków. Zabrze: Prace i Studia, nr 75.
• 14. Macioszczyk, A. & Dobrzyński, D. (2002). Hydrogeochemia strefy aktywnej wymiany wód podziemnych. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.
• 15. Malina, G. (1996). Badania sorpcji węglowodorów ropopochodnych w gruncie piaszczystym strefy aeracji. Stałe podziału dla liniowych izoterm i kinetyka sorpcji. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 12, 507-531.
• 16. Malina, G. (1999). Biowentylacja (SBV) strefy aeracji zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi. Częstochowa: Wyd. Politechniki Częstochowskiej.
• 17. Małecki, J.J., Nawalany, M., Witczak, S., Gruszczyński, T. (2006). Wyznaczanie parametrów migracji zanieczyszczeń w ośrodku porowatym dla potrzeb badań hydrogeologicznych i ochrony środowiska. Poradnik metodyczny. Warszawa: Uniwersytet Warszawski, Wydział Geologii.
• 18. Osmęda-Ernst, E. & Witczak, S. (1991). Parametry migracji wybranych zanieczyszczeń w wodach podziemnych. W: Ochrona wód podziemnych w Polsce. Stan i kierunki badań. Publikacje CPBP 04.10., 56, 201-215.
• 19. Pazdro, Z. & Kozerski, B. (1990). Hydrogeologia ogólna. Warszawa: Wyd. Geologiczne.
• 20. Piekarski, J. & Dąbrowski, T. (2011). Analiza uproszczonych równań dynamiki adsorpcji. Inżynieria Ekologiczna, 24, 164-173.
• 21. Piekarski, J. (2009). Numeryczne modelowanie procesu filtracji i sorpcji. Koszalin: Politechnika Koszalińska.
• 22. Roszak, W. (1990). Sorpcja a proces migracji metali ciężkich w wodach podziemnych. Zeszyty Naukowe AGH, Sozologia i Sozotechnika, 31.
• 23. Szala, B., Turek, P., Jeleń, A., Bajda, T. (2013). Synteza i właściwości sorpcyjne organo-zeolitów. Zeszyty Naukowe. Inżynieria Środowiska/Uniwersytet Zielonogórski, 150, 5-12.
• 24. Schwarzenbach, R.P., Gschwend, P.M., Mboden, D. (1993). Environmental organic chemistry. New York: John Wiley & Sons, Inc.
• 25. Wierzbicki, M. (2013). Changes in the sorption/diffusion kinetics of a coalmethane system caused by different temperatures and pressures. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 29(4), 155-168.
• 26. Witczak, S. & Adamczyk, A. (1994). Katalog wybranych fizycznych i chemicznych wskaźników zanieczyszczeń wód podziemnych i metod ich oznaczania. Warszawa: Biblioteka Monitoringu Środowiska Tom II.
• 27. Xinwei, Lu, Loretta, Y. Li, Lijun, Wang, Kai, Lei, Jing, Huang, Yuxiang, Zhai (2009). Contamination assessment of mercury and arsenic in roadway dust from Baoji. Atmospheric Environment, Elsevier, 43(15), 2489-2496.
• 28. Zuber, A. & Motyka, J. (1994). Matrix porosity as the most important parameter of fissured rocks for solute transport at large scales. Journal of Hydrology, 158, 19-46.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.