TERJEDÉSI- ÉS SORS-MODELLEK VEGYI ANYAGOK KOCKÁZATÁNAK MÉRÉSÉHEZ

Készítette: Nagy Zsuzsanna

Terjedési- és sorsmodellek célja

A szennyeződés-terjedési és sorsmodellek segítségével egy szennyezőanyag előrejelezhető környezeti koncentrációját számítjuk ki.

A modellek a szennyeződési folyamatok matematikai leírásán keresztül szimulálják a valóságban lejátszódó folyamatokat és a modellszámítások révén a vizsgált terület bármely pontjára és a vizsgált időszak bármely időpontjára képesek becslést adni a szennyezőanyag koncentrációra.

A terjedési- és sorsmodellek alapja a koncepciómodell, működő változata pedig általában egy szoftver.

A terjedési- és sorsmodellek a vegyi anyag jellemzőin kívül a környezet jellemzőit veszik számításba az előrejelzéshez. A környezet lehet egy előre meghatározott jellemzőkkel bíró fiktív (pl. európai) vagy egy konkrét, helyspecifikus jellemzőkkel bíró környezet.

A terjedési- és sorsmodellekkel szemben támasztott követelmények A modellnek tükröznie kell a vegyi anyag szerkezete és aktivitása

közötti kvantitatív összefüggést ((Q)SAR) a modell hátteréül szolgáló fizikai-kémiai és/vagy biológiai kölcsönhatások révén.

Egyértelműen kell közölni a modell létrehozásához felhasznált peremfeltételeket, a figyelembe vett környezeti fázisokat, folyamatokat.

A (kvantitatív) szerkezet-hatás összefüggés ((Q)SAR) olyan értékelési módszer, amelyet azért fejlesztettek ki, hogy segítségével vegyi anyagok hatásait, környezeti viselkedését, sorsát, kölcsönhatásait és tulajdonságait előre lehessen jelezni. Mindez elsődlegesen az anyagszerkezeten alapul, és az anyagokon végzett kísérletek adatai alapján fejlesztették ki.

Környezeti kockázatfelmérés A környezeti kockázatfelmérés alapelvei:

Konzervatív Iteratív jellegű Kvantitatív (RQ=PEC/PNEC)

A terjedési és sorsmodellek a PEC, vagyis az előrejelezhető környzeti koncentráció kiszámításához használatosak.

Környezeti kockázatfelmérés során összehasonlítják az egyes környezeti elemekben előrejelzett környezeti koncentrációkat (PEC) az előrejelzés szerint az ökoszisztéma egészére károsan nem ható, legnagyobb szennyezőanyag-koncentrációval (PNEC).

A PEC értékeket a rendelkezésre álló mérési adatok valamint a modellszámítások segítségével, míg a PNEC értékeket környezettoxikológiai tesztek eredménye alapján határozzák meg.

A PEC/PNEC érték segítségével döntik el, hogy az adott anyag kockázatos-e az adott környezetben az élő szervezetekre (ökoszisztémára és az emberre).

PEC számítása - vegyi anyagok szabályozására és hatósági célokra

Előre meghatározott európai standard környezeti jellemzők megadásával egységesítik a környezeti paramétereket.

A PEC számítása során egy vegyi anyag „életét” követjük végig a gyártástól a felhasználáson keresztül a hulladékká válásig.

A PEC érték értelmezhető lokális, regionális és kontinentális szinten is.

Európai standard környezeti jellemzők

Ezek a standard európai környezeti jellemzők egy fiktív európai környezetet jelentenek, mely a valóságban nem létezik, sehol sem fordul elő, de alkalmas arra, hogy egy vegyi anyag környezeti viselkedését és terjedését egész Európában egységesen jellemezzük vele.

Egy vegyi anyagra vonatkozó integrált kockázati modell

A terjedési modellel kiszámítható egy vegyi anyag koncentrációja a környezetben.

Az expozíciós modellel a területhasználatok ismeretében felmérhető egy vegyi anyag környezetre és abban élőkre gyakorolt hatása.

Az integrált kockázati modell egyesíti a terjedési modellt és az expozíciós modellt.

Integrált kockázati modellIntegrált kockázati modell

szennyezőforrás

talaj felszíni víz levegőüledéktalajvíz

TERJEDÉSI MODELL

szennyezőanyagok

ökoszisztéma

EXPOZÍCIÓS MODELL

lebontók

termelők

fogyasztók

környezeti elemek

ember

receptorok

A környezeti koncentráció felmérése

A környezeti koncentráció felmérésekor figyelembe kell venni a geológiai adottságokat és a korábbi kibocsátásokat is („háttér koncentráció”).

A környezeti koncentráció meghatározásakor kiindulhatunk a termelt vagy a kibocsátott anyagmennyiségből és a terjedési- és sorsmodell segítségével becsüljük meg a környezeti koncentrációt, vagy kiindulhatunk mérési adatokból, amiket megfelelő koncepció szerint vett környezeti minták analízisével kaptunk. A felmérés első lépése mindig a meglévő adatok információk alapján számított mennyiség. A reprezentatív és megfelelően mért környezeti koncentráció adatokat a számított értékek validálására érdemes használni.

Új anyagok esetében egyértelműen csak a modellre támaszkodhatunk, hiszen az anyagot még nem is gyártják, amikor a kockázatot kiszámítjuk.

Meglévő anyagoknál ezzel szemben nem mindig kell modellszámításokat alkalmazni, mert sok anyagra már gyűjtöttek össze az egyes környezeti elemekben megtalálható koncentrációkkal kapcsolatos mérési adatokat.

Modellszámítások A modellszámítások során teljesen átláthatóvá kell tenni az környezeti

koncentráció meghatározásának folyamatát és dokumentálni kell a számításokhoz felhasznált paramétereket és az előválasztott értékeket.

Expozíciós modellekhez szükséges adatok: Az anyag fizikai-kémiai tulajdonságok:

-molekulasúly-oktanol-víz megoszlási hányados-vízoldékonyság-gőznyomás-forráspont (csak bizonyos kibocsátás becsléshez)

Az anyag felhasználási jellemzői:-megtermelt mennyiség-importált mennyiség-exportált mennyiség-ipari kategória-felhasználási kategória-fő kategória

A terjedési- és sorsmodellek fent megadott adatigénye csak semleges szerves és ionokat nem képező anyagokra érvényes. Más típusú anyagok esetén több adatra is szükség lehet.

Az anyagok sorsa a környezetben

Az anyag fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai alapvetően meghatározzák a környezetben való viselkedését pl. terjedését és hatását.

Az anyagok környezet szempontjából legfontosabb tulajdonságai: illékonyság, oldhatóság, szorbeálódóképesség (oktanol–víz megoszlási hányados, szilárd–folyadék megoszlási hányados), biodegradálhatóság, bioakkumulációra való hajlam, ökoszisztémára és emberre gyakorolt káros hatások.

Szerves szennyezőanyagok sorsa a talajban

A szerves szennyezőanyagok nagy része a talajban a holt szerves anyagokhoz hasonlóan viselkedik, ezért kötődésükre, terjedésükre, sorsukra, hatásaikra az alábbiak jellemzőek:

1. Formáik: gáz- vagy gőzforma, vízben oldott vagy emulgeált és szilárd forma. A gáz és gőzformájú szennyezőanyag lehet a talajgázban, a talajvízben oldva vagy szorpcióval a szilárd felülethez kötődve. A folyékony halmazállapotú szennyezőanyagok is előfordulhatnak gőzformában vagy a talajnedvességben illetve a talajvízben oldva, folyadékfilm formájában, a szilárd fázishoz kötődve, vagy különálló fázisként, a talajvíz felületén. A szilárd fázisú szennyezőanyag szemcseméretétől és fizikai-kémiai tulajdonságai-tól függően lehet: a.) talajszemcsékhez keveredve, b.) szilárd szemcsék felületéhez kötve szorpcióval, c.) mátrixba kötődve különféle erőkkel, akár kovalens kötésekkel is, például a humuszba épülve. A talajszemcsék felületén tehát gázok, gőzök, folyadékok és szilárd szennyezőanyagok egyaránt megkötődhetnek.

2. A szerves szennyezőanyagok a talajban mineralizálódhatnak, belőlük energia termelődik, C, N és P tartalmuk pedig ismét felhasználhatóvá válik.

Szervetlen szennyezőanyagok sorsa a talajban

A szervetlen szennyezőanyagok sorsa a növényi tápsók ionjainak sorsával analóg a talajban, ezért kötődésükre, mobilizálódásukra, biológiai felvételükre az alábbiak jellemzőek:

1.  Előfordulhatnak atomrácsba, molekularácsba épülve, oxidok és hidroxidok alakjában, ionos formában vagy komplexben.

2.  Az atomrácsba (molekularácsba) épült fémforma általában korpuszkuláris szennyezőanyagokban vagy még el nem mállott kőzetekben fordul elő, leggyakrabban a Si, a Fe vagy az Al, esetleg a Ca, Mg vagy a K helyettesítőiként. Innen a mállás során szabadulnak fel, kerülnek ionos formába, és mosódnak be (pl. mélyebb rétegekbe) vagy ki (pl. más környezeti elembe).

3.  Az oxidokban és hidroxidokban a Fe és az Al helyettesítőiként fordulnak elő és kőzetek mállásakor, a talaj savanyodásakor mobilizálódnak.

4. Az ionos fémforma lehet a talajvízben vagy a talajnedvességben oldva, vagy a talajkolloidok (agyagásványok, humusz) felületére ionosan kötve, az ionerősségtől függő mértékben kicserélhető formában.

A lokális emisszió és az azt követő terjedési útvonalak a különböző környezeti elemekben

Minden elemben specifikus sors és terjedési modellt alkalmaznak.

Levegő

A levegő elem inputja a direkt emisszióból és a szennyvíztisztító telepeken tapasztalható párolgásból adódik. Fent látható a levegőben lezajló sorsfolyamatok sematikus ábrája.

PEClokális, levegő számítása

Víz

A szennyvíztisztító telepekről kiengedett tisztított víz a felszíni vizekbe kerülve felhígul. A vízben, mint környezeti elemben bekövetkező lehetséges sorsfolyamatokat mutatja be a fenti kép.

PEClokális, víz számítása-1

PEClokális, víz számítása-2

PEClokális, üledék számítása

Talaj

Nagyon fontos a talajba kerülő vegyi anyagok kockázatának felmérése a szárazföldi szervezetek expozíciója miatt. Mezőgazdasági talajban termelik a terményeket, azon legeltetik a marhát, aminek a tejét és húsát fogyasztják az emberek. A talajban, mint környezeti elemben bekövetkező lehetséges sorsfolyamatokat mutatja be a fenti kép. A kimosódásnak két irányba mehet a vegyi anyag, egyrészt beszivároghat a talaj mélyebb rétegeibe, másrészt beoldódhat a felszíni vizekbe.

PEClokális, talaj számítása

Szennyezőanyagok terjedésének és sorsának leírására szolgáló modellek és azok koncepciója

1. ábra: A környezet összes elemét és fázisát figyelembe vevő SimpleBox modell

SimpleBoxmodell:

SimpleBox modell jellemzőiMackay et al (1992), Van de Meent (1993), Brandes et al (1996)

A környezeti elemekben és fázisokban lévő anyagok koncentrációját határozza meg ez a sokelemes modell.

Ez is, mint a dobozmodellek általában, számos környezeti elemet képez le. Ezek a környezeti elemek ebben a modellben homogénnek és jól keveredőnek vannak feltételezve (holott nem azok).

A SimpleBox modell elemei: levegő, víz, szuszpendált anyag, vízi és szárazföldi szervezetek, üledék, háromfázisú talaj

A modellben a kibocsátott anyagok megoszlását magának az anyagnak és a környezetnek a tulajdonságai határozzák meg. Az egységes EU metodikában ez a környezet az előre meghatározott európai környezet, melyet a standard paraméterekkel jellemeztünk.

A modell szerint az anyag inputot folyamatosnak kell tekinteni (folyamatos diffúz emisszió)

A SimpleBox modell által szolgáltatott eredmények steady-state koncentrációk, amiket hosszútávon az adott környezetre jellemző átlagkoncentrációként lehet figyelembe venni.

A regionális és a lokális modellszámítások esetében fontos a régió határán kialakuló koncentráció, vagyis a háttérkoncentráció.

A lokális modellhez a háttérkoncentrációt a regionális modellszámítás eredménye adja.

A regionális modellhez tartozó háttérkoncentráció egy hasonló, nagyobb méretű dobozmodell segítségével számolható ki. A kontinentális modell határain át nincs áramlás a feltételezés szerint.

PECregionális számítása:

A regionális környezeti koncentrációk számítása során a következő terjedési és sorsfolyamatokat különbözteti meg a SimpleBox modell:

-emisszió: közvetlen vagy közvetett kibocsátás

-degradáció: biotikus vagy abiotikus

-diffúzió: két környezeti elem között mindkét irányba zajlik

-szél okozta (advekciós) transzport: szigorúan egy irányba folyik

A PECregionális eredményt érdemes ugyanakkor fenntartással kezelni, mert előfordulhat, hogy a regionálisan meghatározott átlagos környezeti koncentrációnál jóval nagyobb koncentrációt mérünk adott helyszínen.

A PECregionális érték kiszámítása kétféleképpen történhet: standard regionális környezeti paraméterekkel helyspecifikus modell paraméterekkel

Első megközelítésben általában a standard regionális környezeti paraméterekkel szoktak számolni, majd amikor már hozzájutottak több specifikus, az adott helyszínre jellemző adathoz, finomítják a koncentráció értékeket. A regionális modellhez az európai standard környezeti paraméterek mellett a 2. ábrán látható paraméterek javasoltak még.

2. ábra: A regionális modellhez javasolt paraméterek

PECkontinentális számítása:

A kontinentális dobozmodell 15 EU-s országot, Norvégiát foglalja magában. A kontinentális modellre vonatkozó emisszió meghatározásához az EU-ban termelt összes vegyi anyag mennyiségét kell alapul venni. Az így kapott a vízre és a levegőre jellemző környezeti koncentrációkat a regionális modellben háttérkoncentrációnak kell tekinteni. A kontinentális modell peremfeltétele, hogy nincs beáramlás.

3. ábra: A kontinentális modellben használt paraméterek

SimpleTreat modell:

4. ábra: SimpleTreat: a szennyvíztisztítás modellezésére

SimpleTreat modell jellemzőiStruijs (1991)

Ez a modell sokközeges dobozmodell, amivel a szennyvíztisztító rendszerekre jellemző állandósult állapotban jellemző koncentrációkat számolhatunk

A szennyvíztisztítóban történő szennyezőanyag eltávolítás mértékét az anyag fizikai-kémiai és biológiai tulajdonságai illetve a szennyvíztisztító telep üzemeltetési körülményei szabják meg.

A szennyezőanyag eltávolítás mértéke meghatározható: A befolyó tisztítatlan és az elfolyó tisztított szennyvízben mért

koncentrációk alapján Laboratóriumi szimulációs tesztekkel pl. KOI és/vagy DOC mérés Amennyiben nincs mért adat az elimináció hatékonyságát a SimpleTreat

nevű szennyvíztisztítási modellel is kiszámíthatjuk

A SimpleTreat-tel modellezett szennyvíztisztító telep átlagos méretű, az eleveniszapos aerob degradáción alapuló üzem, amely 9 elemből áll (4. ábra).

Ezzel a sokelemes doboz modellel a szennyvíztisztító üzemben kialakuló jellemző steady-state (állandósult állapotú folytonos technológia) koncentrációkat lehet kiszámítani.

A SimpleTreat modell újabb, módosított verziójában a kockázatfelmérés későbbi szakaszában szerzett pontosabb információkat is figyelembe lehet venni. Az alábbi forgatókönyvek választhatók:

- biológiai degradáció hőmérsékletfüggése

- Monod-egyenlet szerinti degradációs kinetika

- anyag degradációja az adszorbeált fázisban

- iszap retenciós idő változása/ változtatása

- előülepítés nélküli kezelés

5. ábra: A kommunális szennyvíztisztítók általános paraméterei

Felhasznált források: Gruiz Katalin, Horváth Beáta, Molnár Mónika: Környezettoxikológia,

Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2001

Technical guidance document in support of Commission Directive 93/67/EEC on risk assessment for new notified substances and Commission Regulation (EC) No 1488/94 on risk assessment for existing substances. Commission of the European Communities, Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, 1996Technikai útmutató: Az újonnan bejelentett anyagok Kockázatfelméréséről szóló 93/67/EGK számú Bizottsági Irányelv 2. fejezet: Környezeti kockázatfelmérés, Európai Bizottság Közös Kutató Központja (Joint Research Centre)3. fejezet: Molekulaszerkezet – aktivitás közötti (kvantitatív) összefüggések ((Q)SAR felhasználása a kockázatbecslés során)

D. van de Meent, Report number 672720 001 SimpleBox: a generic multimediafate evaluation model http://rivm.openrepository.com/rivm/bitstream/10029/10245/1/672720001.pdf