ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΕΙΔΩΝ
ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Δ. ΑΛΕΞΟΠΟΥΛΟΣ
ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Γ. ΛΙΑΠΗΣ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΜΑΡΜΑΝΗΣ
ΚΑΒΑΛΑ 2014
ΕΓΚΡΙΝΕΤΑΙ
Ο ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ
ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ
ΘΡΑΚΗΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΕΙΔΩΝ
ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Δ. ΑΛΕΞΟΠΟΥΛΟΣ
ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Γ. ΛΙΑΠΗΣ
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΜΑΡΜΑΝΗΣ
ΚΑΒΑΛΑ 2014
Τ.Ε.Ι. ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ©2014
Η παρούσα ΠτυχιακήΕργασία και τασυμπεράσματάτηςσε οποιαδήποτεμορφή αποτελούνσυνιδιοκτησία τουΤμήματοςΤεχνολογίαςΠετρελαίου και ΦυσικούΑερίουτου ΤΕΙ Καβάλας και τουφοιτητή. Οι προαναφερόμενοιδιατηρούντοδικαίωμα ανεξάρτητηςχρήσης και αναπαραγωγής (τμηματικά ή συνολικά) για διδακτικούς και ερευνητικούςσκοπούς.Σεκάθε περίπτωσηπρέπεινα αναφέρεται ο τίτλος, ο συγγραφέας, ο επιβλέπων και τοενλόγωτμήμα του ΤΕΙ Καβάλας. Η έγκρισητης παρούσας ΠτυχιακήςΕργασίας από τοΤμήμα Μηχανικών Τεχνολογίας Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου και Μηχανολόγων Μηχανικώνδεν υποδηλώνει απαραιτήτως και αποδοχήτων απόψεωντουσυγγραφέα εκμέρουςτουΤμήματος.
---
Ο υποφαινόμενοςδηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα ΠτυχιακήΕργασία είναι εξ’ ολοκλήρουδικόμουέργο και συγγράφηκεειδικάγια τις απαιτήσειςτου προγράμματος σπουδώντουΤμήματοςΤεχνολογίας Πετρελαίου και ΦυσικούΑερίου. Δηλώνω υπεύθυνα ότι κατάτησυγγραφήακολούθησα τηνπρέπουσα ακαδημαϊκήδεοντολογία αποφυγήςλογοκλοπής. Έχω επίσης αποφύγει οποιαδήποτεενέργεια πουσυνιστά παράπτωμα λογοκλοπής. Γνωρίζωότιη λογοκλοπή μπορείνα επισύρειποινήανάκλησηςτουπτυχίουμου.
Υπογραφή Παναγιώτης Δ. Αλεξόπουλος
οι μέθοδοι απορρύπανσης του εδάφους και των υπόγειων υδάτων καθώς και να αναλυθεί η λειτουργία πρότυπων μονάδων επεξεργασίας και διαχείρισης υγρών αποβλήτων πετρελαιοειδών.
Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας , κατά κύριο λόγο, αναφέρονται οι κατηγορίες των εδαφών, οι οποίες διαμορφώνονται ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους, ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων τους αλλά και από την σύσταση τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι οικογένειες και οι ομάδες των υδρογονανθράκων, ώστε να γίνει μια χημική προσέγγιση των πετρελαιοειδών, καθώς αυτή οι ποικιλία στην σύσταση των κλασμάτων πετρελαίου, αποτελεί κριτήριο λήψης αποφάσεων για την διαχείριση τους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη των δυο κύριων μεθόδων απορρύπανσης, αυτή της απομακρυσμένης και της επιτόπιας. Επίσης εξετάζονται όλες οι αντιπροσωπευτικές μέθοδοι από κάθε κατηγορία, και η διάνοιξη υδραυλικών ρωγμών με πίεση υγρού. Τελειώνοντας, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται εκτενώς η διαχείριση υγρών αποβλήτων, η ενδιάμεση επεξεργασία τους και η λειτουργία των δυο μονάδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων και αστικών λυμάτων, σε πρότυπες εγκαταστάσεις
.ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ:Επεξεργασία πετρελαιοειδών
ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ:Πετρελαιοειδή, υδρογονάνθρακες, απορρύπανση,
απόβλητα
This dissertation was realised with the aim to present and investigate the methods of removal of pollutants from soil and underground waters as well as analysethe operation of model units of treatment and management of liquid waste ofpetroleum products. Chapter one of this paper, mainly reports the categories of soils, that are shaped depending on their way of formation, on the size of their granules but also on their composition. Chapter two presents the categories and groups of hydrocarbons, so that there be a chemical approach of petroleum products, because this variety in the composition of fraction of oil, is the criterion of decision-making for their management. In the third chapter the two main methods of removal of pollutants, the ex-situ and in-situ are studied. In addition, all the representative methods from each category, as well as the opening up of hydraulic cracks with fluid pressure are examined. Finally, chapter four extensively presents the management of liquid waste, their intermediary processing and the operation of two treatment units of liquid waste and urban sewage, in standard facilities.
SUBJECT AREA :Treatment of petroleum products
KEYWORDS : Petroleum products, Hydrocarbons, removal of
pollutants,
Αλεξόπουλος Παναγιώτης: ….σε αυτούς που υπήρξανε για ένα όνειρο…
Λιαπής Κωνσταντίνος : ….σε αυτούς που δεν εγκατέλειψαν…
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Για τη διεκπεραίωση της παρούσας πτυχιακής εργασίας, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε πρώτα από όλους τον κ. Μαρμάνη Δημήτριο για την καθοδήγησή του και την πολύτιμη βοήθειά του καθ’ όλη τη διάρκεια της διεκπεραίωσης της παρούσας πτυχιακής εργασίας. Επίσηςθα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους γονείς μας, ο καθένας μας ξεχωριστά, που ήταν πάντα δίπλα μας όλα αυτά τα χρόνια, για την ηθική αλλά και οικονομική τους βοήθεια όποτε την είχαμε ανάγκη από τα πρώτα βήματα της φοιτητικής ζωής μας.
Τέλος να ευχαριστήσουμε τους φίλους μας, για όλα αυτά τα υπέροχα
φοιτητικά χρόνια που μας χάρισαν.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ: ΕΔΑΦΟΣ ... 5
1.1. Ρύπανση περιβάλλοντος ... 5
1.2. Το έδαφος ... 7
1.2.1. Τα συστατικά του εδάφους ... 8
1.2.1.1. Ανόργανα συστατικά εδάφους ... 8
1.2.1.2. Οργανικά συστατικά εδάφους ... 9
1.2.1.3. Το νερό ... 11
1.2.1.4. Ο αέρας ... 12
1.2.2. Κατάταξη των εδαφών σύμφωνα με τον τρόπο σχηματισμού τους ... 12
1.2.3. Κατάταξη των εδαφών σύμφωνα με την κατανομή μεγέθους των κόκκων .. 13
1.2.4. Υφή του εδάφους (αναλογίες των συστατικών) ... 14
1.2.5. Εδαφικοί ορίζοντες ... 16
1.2.6. Ακόρεστη-κορεσμένη ζώνη εδάφους-υδροφόρος ορίζοντας ... 17
1.3. Ρύπανση εδάφους και μέτρα προστασίας του ... 20
1.4. Κύριες κατηγορίες ρυπογόνων ουσιών - Υγροί οργανικοί ρύποι ... 22
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ ΠΕΤΡΕΛΟΕΙΔΩΝ ... 25
2.1. Γενικά ... 25
2.2. Οικογένειες και ομάδες υδρογοναναθράκων ... 26
2.2.1. Αλκάνια ... 27
2.2.2. Κυκλοαλκάνια ... 29
2.2.3. Αλκένια ... 30
2.2.4. Αρωματικοί υδρογονάνθρακες ... 30
2.3. Άλλα συστατικά του αργού πετρελαίου ... 32
2.4. Παραγωγή των διαφόρων μιγμάτων πετρελαιοειδών ... 33
2.4.1. Υγροποιημένο αέριο πετρελαίου ... 35
2.4.2. Βενζίνες ... 35
2.4.3. Μεσαία κλάσματα απόσταξης ... 36
2.4.4. Βαρέα πετρελαϊκά καύσιμα και λιπαντικά ... 39
2.4.5. Εξάπλωση υγρών οργανικών ρύπων στο έδαφος ... 41
2.4.6. Αποτελεσματικοί συντελεστές μεταφοράς υγρών σε πορώδη μέσα ... 43
2.4.7. Πορώδη υλικά ... 43
2.5. Η κινητικότητα των υγρών οργανικών ρύπων στο έδαφος ... 46
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ: ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΟΡΡΥΠΑΝΣΗΣ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΥΔΑΤΩΝ ... 48
3.1. Εισαγωγή ... 48
3.2. Φυσική εξασθένηση ρύπων ... 50
3.3. Γενικά κριτήρια λήψης αποφάσεων για απορρύπανση εδαφών και συνιστώσες επιλογής κατάλληλης μεθόδου απορρύπανσης ... 52
3.4. Διάνοιξη υδραυλικών ρωγμών ... 57
3.4.1. Γενικά ... 57
3.4.2. Διάνοιξη υδραυλικών ρωγμών με πίεση υγρού ... 59
3.4.3. Περιγραφή υδραυλικών ρωγμών με πίεση υγρού ... 59
3.4.4. Μέθοδος σχηματισμού οριζόντιων υδραυλικών ρωγμών με πίεση υγρού .... 60
3.4.5. Έλεγχος της πορείας δημιουργίας των υδραυλικών ρωγμών ... 62
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ: MOTOR OIL ... 64
4.1. Προφίλ ... 64
4.2. Διυλιστήρια Κορίνθου ... 65
4.3. Πιστοποιήσεις ... 67
4.3.1. Ποιότητα ... 67
4.4. Υγεία και Ασφάλεια ... 68
4.5. Περιβάλλον ... 69
4.6. Διαχείριση Υγρών Αποβλήτων ... 69
4.6.1. Ενδιάμεση επεξεργασία ... 70
4.6.2. Μονάδα επεξεργασίας υγρών απόβλητων ... 71
4.6.3. Μονάδα επεξεργασίας αστικών λυμάτων ... 73
4.7. Διαχείριση Στερεών Αποβλήτων ... 76 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ... 78 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι – ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ... 79
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ: ΕΔΑΦΟΣ 1.1. Ρύπανση περιβάλλοντος
Η αυξημένη και ανεξέλεγκτη ρύπανση του περιβάλλοντος είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζει σήμερα ο πλανήτης γη. Θα μπορούσε ίσως να πει κανείς ότι το περιβάλλον «πληρώνει», αδίκως βέβαια, τα αποτελέσματα του κακού ανθρώπινου χειρισμού της ραγδαίας βιομηχανικής και τεχνολογικής ανάπτυξης του 20ουαιώνα.
Ως ρύπανση περιβάλλοντος, ορίζεται γενικότερα, η με οποιονδήποτε τρόπο διάθεση εντός του περιβάλλοντος ουσιών, μικροοργανισμών (φυσικών ή τροποποιημένων) ή ενέργειας (π.χ. θόρυβος, θερμότητα, ακτινοβολία) σε ρυθμούς και ποσότητες ανώτερες από την αφομοιωτική ικανότητα του φυσικού περιβάλλοντος (της ατμόσφαιρας, του εδάφους, των επιφανειακών και υπογείων υδάτων και των φυτικών και ζωϊκών οργανισμών) με συνέπεια τη μετρήσιμη τροποποίηση των φυσικών οικοσυστημάτων. Η τροποποίηση αυτή μπορεί να φθάσει ακόμα και στην καταστροφή της αρμονίας ανάμεσα στη ζωή και το περιβάλλον.
Τα κύρια αίτια που μπορούν να προκαλέσουν τη ρύπανση του περιβάλλοντος υπάγονται στις εξής κατηγορίες:
i. Φυσικές διεργασίες:
• Η διάλυση αλάτων κατά τη διήθηση των υπογείων υδάτων διαμέσου των πετρωμάτων, με συνέπεια την αύξηση της συγκέντρωσης χλωριούχων, θειϊκών, νιτρικών, ιόντων σιδήρου, ασβεστίου κλπ.
• Η εξάτμιση/διαπνοή από αβαθείς υδροφορείς, η οποία μπορεί επίσης να προκαλέσει την αύξηση της συγκέντρωσης αλάτων.
• Ηφαίστεια, κτλ.
ii. Ανθρώπινες ενέργειες που σχετίζονται με τη διάθεση αποβλήτων.
Σύμφωνα με τις Οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης 75/442/EEC και 91/156/EEC, ο όρος «απόβλητα» περιλαμβάνει όλες τις ουσίες και τα αντικείμενα τα οποία απορρίπτονται ή προβλέπεται να απορριφθούν ή απαιτείται να απορριφθούν:
• Βιομηχανικά υγρά απόβλητα που αποθηκεύονται σε επιφανειακούς συλλέκτες.
• Αστικά και βιομηχανικά στερεά απόβλητα και ιλύες που διατίθενται στο έδαφος (π.χ. σε ειδικούς χώρους απόθεσης).
• Αστικά λύματα που διατίθενται στο έδαφος είτε απευθείας είτε μετά από κάποια επεξεργασία.
• Στερεά και υγρά παραπροϊόντα της εκμετάλλευσης ορυκτών πόρων, όπως άγονα ανθρακορυχείων, τέφρα θερμοηλεκτρικών σταθμών, προϊόντα διάτρησης πετρελαιοπηγών ή βαθέων φρεάτων, υποπροϊόντα της διαδικασίας εμπλουτισμού μεταλλευμάτων, κτλ.
• Απόβλητα κτηνοτροφικών εκμεταλλεύσεων, κτλ.
iii. Λοιπές ανθρώπινες ενέργειες:
• Γεωργικές δραστηριότητες (π.χ. χρήση φυτοφαρμάκων, εντομοκτόνων και λιπασμάτων).
• Ατυχήματα κατά τη μεταφορά ή αποθήκευση χημικών ουσιών, με αποτέλεσμα τη διαφυγή τους στο έδαφος και τα υπόγεια ύδατα (π.χ. εκτροχιασμός τρένου μεταφοράς τοξικών ουσιών).
• Αστοχία τεχνικών έργων, με αποτέλεσμα τη διαφυγή ρύπων στο έδαφος και τα υπόγεια ύδατα (π.χ. αστοχία φράγματος συλλογής υδαρών αποβλήτων μεταλλευτικής δραστηριότητας).
• Ανεξέλεγκτη απόρριψη αποβλήτων λόγω άγνοιας ή έλλειψης ευαισθησίας για τις πιθανές περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις.
• Τυχαίες διαφυγές ρύπων από τους χώρους αποθήκευσης, όπως π.χ.
οι διαφυγές καυσίμων από δεξαμενές αποθήκευσης με αποτέλεσμα τη ρύπανση του εδάφους, κτλ.
Σε ότι αφορά τις φυσικές διεργασίες, η ίδια η φύση έχει αναπτύξει, δια μέσου των αιώνων, διάφορους μηχανισμούς αυτοκαθαρισμού που εξισορροπούν τη ρύπανση που προκαλείται από αυτές. Αντίθετα, η ρύπανση που προκαλείται από ανθρώπινες δραστηριότητες είναι επικίνδυνη επειδή συγκεντρώνεται συνήθως σε περιορισμένους χώρους (βιομηχανικά και αστικά κέντρα), όπου οι υψηλές
συγκεντρώσεις ρύπων προκαλούν μη αντιστρεπτές καταστάσεις.
Η αντίληψη του μεγέθους της ρύπανσης και η εμφάνιση των αρνητικών επιπτώσεων στους ζώντες οργανισμούς και ιδιαίτερα στην υγεία των ανθρώπων, προκάλεσε και προκαλεί συνεχώς διάφορες κινητοποιήσεις για την προστασία του περιβάλλοντος.
Επίσης, η επιστημονική έρευνα και η τεχνολογία άρχισαν να προσφέρουν τις υπηρεσίες τους στην αντιμετώπιση των προβλημάτων που σχετίζονται με το περιβάλλον και το σπουδαιότερο, άρχισαν να διαμορφώνουν νέες αντιλήψεις και κανόνες που σηματοδοτούν την παραπέρα πορεία προς την πρόοδο και την εξέλιξη.
1.2. Το έδαφος
Το έδαφος αποτελεί το πιο γνωστό πορώδες μέσο που συναντάται στο φυσικό κόσμο και καλύπτει το ανώτατο στρώμα του φλοιού της γης, δηλαδή το επιφανειακό στρώμα σε απόσταση μέχρι 50 cm από την επιφάνειά της. Σε κατώτερα στρώματα καλείται υπέδαφος και εκτείνεται από 0.5-5 m από την επιφάνεια, ως εκεί δηλαδή που προχωρούν οι ρίζες των φυτών και ξεκινά ο υδροφόρος ορίζοντας.
Το έδαφος σχηματίζεται με φυσικό τρόπο από την αποσάθρωση (διάβρωση) των επιφανειακών πετρωμάτων της γης που συντελείται με την επίδραση ορισμένων παραγόντων όπως οι συνεχείς μεταβολές της θερμοκρασίας, η βροχή, ο παγετός, ο άνεμος, οι μικροοργανισμοί, τα ανώτερα φυτά και οι ζωικοί οργανισμοί.
Συνήθως για το σχηματισμό ενός στρώματος από χώμα μέσω φυσικών διαδικασιών αποσάθρωσης μητρικών πετρωμάτων χρειάζονται από 100 έως 1000 χρόνια ανάλογα με τις συνθήκες περιβάλλοντος. Γι’ αυτό το λόγο το έδαφος δεν αποτελεί ανανεώσιμο φυσικό πόρο.
Το έδαφος αποτελεί το μέσο στήριξης και θρέψης των φυτών, συνιστά τη βάση της αγροτικής και δασικής παραγωγής, το φυσικό φίλτρο και το προστατευτικό στρώμα των αποθεμάτων του υπόγειου νερού καθώς επίσης και το χώρο όπου ζουν πολυάριθμοι μικροοργανισμοί που συμμετέχουν στην διαδικασία ανακύκλωσης στοιχείων όπως του αζώτου και του άνθρακα.
Δυστυχώς, λόγω των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, το έδαφος γίνεται καθημερινά
αποδέκτης πολύ μεγάλων ποσοτήτων από τοξικές και επιβλαβής ουσίες με αποτέλεσμα την υποβάθμιση ή ακόμα και τη ρύπανσή του με ότι αρνητικές επιπτώσεις μπορεί να έχει αυτό στην υγεία, στους ζωντανούς οργανισμούς και στην οικολογική ισορροπία γενικότερα.
1.2.1. Τα συστατικά του εδάφους
Το έδαφος αποτελείται από στερεά (ανόργανα και οργανικά), υγρά (π.χ. νερό, υδατικά διαλύματα κυρίως ανόργανων αλάτων) και αέρια συστατικά (π.χ. αέρας) και είναι βιολογικώς ενεργό (Σχήμα 1.2.1.1). Το σύστημα αυτό των τριών φάσεων βρίσκεται σε στενή επαφή και συνεχή αλληλεπίδραση.
Σχήμα 1.2.1.1 - Ποσοστιαία απεικόνιση των συστατικών του εδάφους
(http://www.e- yliko.gr/htmls/perivallon/kallisto_files_/edafos.pdf).
1.2.1.1. Ανόργανα συστατικά εδάφους
Τα ανόργανα υλικά περιέχουν πέτρες, άμμο, πηλό και άργιλο σε διάφορες αναλογίες. Η ορυκτολογική σύσταση των ανόργανων συστατικών του εδάφους εξαρτάται από τη σύσταση του μητρικού πετρώματος και από τη δράση των εδαφογενετικών παραγόντων. Με τη σειρά της η ορυκτολογική αυτή σύσταση επηρεάζει τις φυσικές και τις χημικές ιδιότητες του εδάφους καθώς και την ικανότητά του να παρέχει θρεπτικά στοιχεία - άζωτο (N), φώσφορο (P), κάλιο
(K), θείο (S), ασβέστιο (Ca), μαγνήσιο (Mg), σίδηρο (Fe), μαγγάνιο (Mn), ψευδάργυρο (Zn), χαλκό (Cu), βόριο (B), μολυβδαίνιο (Mo), χλώριο (Cl), κοβάλτιο (Co) - στα φυτά.
Τα ορυκτά μπορεί να είναι κρυσταλλικά, όταν τα άτομα συνυπάρχουν σε συγκεκριμένη διάταξη (δομική μονάδα) που επαναλαμβάνεται στις τρεις διαστάσεις σε μεγάλη κλίμακα, ή μη κρυσταλλικά (άμορφα), όταν δεν υφίσταται συγκεκριμένη επαναλαμβανόμενη διάταξη των ατόμων.
Τα ορυκτά των εδαφών και των πετρωμάτων είναι σχεδόν πάντα κρυσταλλικές ουσίες και αποτελούνται κυρίως από ενώσεις οξυγόνου, πυριτίου (Si) και αλουμινίου (Al) με σημαντικές συχνά ποσότητες σιδήρου, ασβεστίου, καλίου ή μαγνησίου.
Ειδικότερα, το πυρίτιο και το οξυγόνο είναι τα στοιχεία που βρίσκονται σε μεγαλύτερη αφθονία στο φλοιό της γης (47% και 27%, αντίστοιχα). Τα δύο αυτά στοιχεία συνθέτουν το κυριότερο δομικό συστατικό των ορυκτών, το πυριτικό τετράεδρο, SiO4 όπου ένα άτομο πυριτίου και τέσσερα άτομα οξυγόνου συνδέονται καταλαμβάνοντας τις κορυφές μιας πυραμίδας.
Το δομικό συστατικό, SiO4, φέρει αρνητικό φορτίο. Η ηλεκτρική ουδετερότητα επιτυγχάνεται αφενός μεν χάρη στους διαφορετικούς συνδυασμούς με τους οποίους τα άτομα οξυγόνου μοιράζονται ανάμεσα στις τετραεδρικές μονάδες καιαφετέρου λόγω της ύπαρξης “αντισταθμιστικών” κατιόντων στην τρισδιάστατη δομή, κυρίως Fe2+, Ca2+, Mg2+ και K+. Τα κατιόντα αυτά επηρεάζουν τις φυσικοχημικές ιδιότητες του εδάφους. Το μοίρασμα των ατόμων οξυγόνου με διαφορετικούς τρόπους και σε διαφορετικό βαθμό παράγει διάφορες δομές ορυκτών οι οποίες αποτελούνται από αλυσίδες, στοιβάδες ή σκελετούς στενά συνδεδεμένων τετραέδρων.
1.2.1.2. Οργανικά συστατικά εδάφους
Τα οργανικά συστατικά του εδάφους προέρχονται από φυτικά κυρίως, και κατά δεύτερο λόγο, από ζωικά υπολείμματα (οι ζώντες οργανισμοί προσθέτουν οργανική ύλη στο έδαφος κατά τη διάρκεια της ζωής τους, αλλά και όταν πεθάνουν μέσω της αποσύνθεσής τους).
Το κύριο δομικό στοιχείο της οργανικής ύλης του εδάφους είναι ο άνθρακας.
Επιπρόσθετα, η οργανική ύλη περιέχει υδρογόνο, οξυγόνο, φωσφόρο, άζωτο και θείο. Τα τελευταία τρία στοιχεία είναι συχνά καθοριστικά για την ανάπτυξη των φυτών. Η οργανική ύλη του εδάφους είναι η κύρια πηγή αζώτου και θείου για τα φυτά στα εδάφη στα οποία δεν έχουν προστεθεί λιπάσματα.
Τα περισσότερα εδάφη διαθέτουν λιγότερο από 5% κ.β. οργανική ύλη, αλλά παρόλα αυτά η παρουσία της έχει μεγάλη επίδραση στις ιδιότητες του εδάφους. Η ύπαρξη οργανικής ύλης στο έδαφος είναι αναγκαία γιατί βελτιώνει τη δομή του εδάφους.
Επιπλέον, η οργανική ύλη απελευθερώνει θρεπτικά συστατικά για τα φυτά μέσω της βαθμιαίας αποσύνθεσής της και αποτελεί πηγή ενέργειας για την μικροβιακή χλωρίδα των εδαφών συντελώντας έτσι στην αύξηση της μικροβιακής δραστηριότητας σε αυτά.
Το έδαφος, περιέχει μεγάλη ποικιλία οργανικής ύλης, όπως τα βιοπολυμερή (πολυσακχαρίτες, λιπίδια, πρωτεΐνες, κυτταρίνη, λιγνίνη) και τις χουμικές ουσίες (Aikenetal., 1985; Stevenson, 1994; Songetal., 2002). Από τους διάφορους τύπους οργανικής ύλης, στο έδαφος κυριαρχούν οι χουμικές ουσίες (Schnitzer, 1978;
Stevenson, 1994).
Οι χουμικές ουσίες περιγράφονται ως δύσκολα βιοαποικοδομήσιμες, σκουρόχρωμες, ετερογενείς οργανικές ουσίες, που παράγονται ως παραπροϊόντα μικροβιακού μεταβολισμού και είναι ανάμεσα στα πιο διαδεδομένα οργανικά υλικά του πλανήτη.
Αποτελούν μίγματα μακρομορίων με μοριακά βάρη που κυμαίνονται από μερικές εκατοντάδες έως αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες Daltons. Όντας ικανές να δεσμεύουν και να απελευθερώνουν πρωτόνια καθώς μεταβάλλεται το pH του διαλύματος, οι χουμικές ουσίες θεωρούνται συχνά ως μακρομοριακά οξέα ή ολιγοηλεκτρολύτες. Τα οργανικά αυτά κατάλοιπα συνεισφέρουν σε μερικές ζωτικής σημασίας διεργασίες που συμβαίνουν στο έδαφος. Για παράδειγμα, μπορούν να λειτουργήσουν ως αποθήκες για τη συγκράτηση θρεπτικών μικροσυστατικών στο έδαφος, διαθέτοντάς τα αργότερα στα φυτά.
Τα οργανικά κατάλοιπα συνεισφέρουν επίσης στην οξεοβασική ικανότητα ρύθμισης των εδαφών και είναι ικανά να συνδέσουν μεταξύ τους ανόργανα σωματίδια, συνεισφέροντας έτσι στη δόμηση του εδάφους και στη διατήρηση της
υγρασίας του εδάφους. Άλλες γεωχημικές και περιβαλλοντικές διεργασίες στις οποίες συμμετέχουν χουμικά οξέα είναι η διαλυτοποίηση ορυκτών, η δέσμευση μικρών οργανικών μορίων, η δέσμευση ιόντων, η αναγωγή ιόντων μετάλλων και η διαμεσολάβηση κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε μικροβιακές και αβιοτικές οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Η ποικιλία και η έκταση αυτών των αντιδράσεων και των αλληλεπιδράσεων είναι ενδεικτική της μεγάλης δραστικότητας των χουμικών οξέων.
1.2.1.3. Το νερό
Το νερό που αποτελεί την υγρή φάση του εδάφους είναι ο σημαντικότερος συντελεστής της αποσάθρωσης και γενικότερα της εδαφογένεσης. Επιπλέον είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των φυτών, της μικροχλωρίδας και της μικροπανίδας. Το νερό του εδάφους προέρχεται κυρίως από τη βροχή. Μπορεί επίσης να προέρχεται από ποτάμια, ρυάκια, λίμνες, έλη, κλπ. Μέρος επίσης του νερού του εδάφους προέρχεται από συμπύκνωση των υδρατμών, ιδιαίτερα σε περιοχές ξηρές και θερμές, η συμπύκνωση των υδρατμών του εδάφους έχει αρκετή σημασία. Το νερό της βροχής που φθάνει στην επιφάνεια του εδάφους συναντάει αρκετά εμπόδια πριν περάσει στο έδαφος.
Η κοκκομετρική σύσταση, η κατάσταση της επιφάνειας, η κλίση του εδάφους, η βλάστηση και η διαβρεκτικότητα της επιφάνειας των πόρων, είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες που ρυθμίζουν το ποσό του νερού που εισέρχεται στο έδαφος.
Στην περίπτωση που η παροχή του νερού της βροχής είναι μεγαλύτερη από την ικανότητα του εδάφους να το απορροφήσει και να το διοχετεύσει στα κατώτερα στρώματα, τότε ή λιμνάζει στην επιφάνεια ή όταν το έδαφος παρουσιάζει κλίση γίνεται επιφανειακή απορροή με συνέπεια να παρασύρεται μέρος του επιφανειακού εδάφους και να διαβρώνεται.
Το ποσό του νερού στο έδαφος εξαρτάται και από άλλους παράγοντες, όπως τη θερμοκρασία, την υγρασία του αέρα, την εποχή του έτους, τη διεύθυνση και την ένταση των ανέμων. Γι’ αυτό το έδαφος παρουσιάζει μεγάλες διαφορές σε νερό όχι μόνο σε μεγάλες εκτάσεις με διαφορετικό κλίμα, αλλά και από σπιθαμή σε σπιθαμή.
1.2.1.4. Ο αέρας
Ο αέρας, είναι η τρίτη φάση του εδάφους. Βρίσκεται μέσα στους πόρους της στερεάς φάσης που δεν έχουν καλυφθεί από την υγρή φάση. Ο αέρας του εδάφους δεν έχει μικρότερη σημασία συγκριτικά με τις δύο άλλες φάσεις (στερεά και υγρή), και αυτό γιατί τα συστατικά του (O2και CO2) είναι από τους κύριους συντελεστές της χημικής αποσάθρωσης και γενικότερα της εδαφογένεσης. Ο εδαφικός αέρας σε σχέση με τον ατμοσφαιρικό έχει μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε, CO2, N2και υδρατμούς και μικρότερη σε O2.
Η μικρότερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο (20.3%) και η μεγαλύτερη σε CO2οφείλεται στο ότι οι ρίζες των φυτών και οι μικροοργανισμοί του εδάφους χρησιμοποιούν το O2, ενώ παράλληλα παράγουν CO2. Επίσης όπως είναι γνωστό το O2χρησιμοποιείται και στις διάφορες διεργασίες του εδάφους, (βιολογική διάσπαση των οργανικών υπολειμμάτων του εδάφους). Έτσι, καθώς ελαττώνεται το O2 αυξάνεται η περιεκτικότητα του CO2στον εδαφικό αέρα λόγω των διεργασιών του εδάφους και της αναπνοής των φυτών. Πρέπει όμως να ληφθεί υπόψη ότι το πλεόνασμα του CO2αντισταθμίζει σχεδόν ακριβώς το έλλειμμα του O2, με τέτοιο τρόπο ώστε το άθροισμα των κατ’ όγκον ποσοστών των δύο αυτών συστατικών να παραμένει ουσιαστικά σταθερό σ’ όλα τα βάθη και να είναι περίπου ίσο με το άθροισμά τους στην ελεύθερη ατμόσφαιρα.
1.2.2. Κατάταξη των εδαφών σύμφωνα με τον τρόπο σχηματισμού τους
Τα εδάφη, ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους διακρίνονται σε αμμώδη (sandy), που έχουν σαν κύριο συστατικό τους την άμμο, αργιλώδηασβεστολιθικά, χουμώδη και, ανάμεικτα. Τα αργιλώδη εδάφη έχουν μεγάλη συνεκτικότητα και μικρή διαπερατότητα και σε υψηλές θερμοκρασίες σκάζουν, δημιουργώντας βαθιές ρωγμές αποξήρανσης (desiccationfractures).
Σχήμα 1.2.2.1 - a) Αμμώδες έδαφος με ρωγμές αποξήρανσης και, (b) Αργιλώδες έδαφος.
Τα ασβεστολιθικά εδάφη προέρχονται από ασβεστολιθικά πετρώματα, ενώ τα χουμώδη περιέχουν πολλές οργανικές ουσίες και το χρώμα τους είναι σκούρο (καστανό). Τα ανάμεικτα εδάφη έχουν απ’ όλα τα κύρια συστατικά (άργιλο, άμμο, ασβέστιο και οργανικές ουσίες) και παίρνουν διάφορες ονομασίες από τα συστατικά που πλεονάζουν σε αυτά, όπως αργιλοαμμώδη(sandyclayey) κλπ. Τα ανάμεικτα εδάφη αποτελούν την πλειοψηφία των εδαφών του φυσικού κόσμου και ως εκ τούτου παρουσιάζουν το μεγαλύτερο ερευνητικό ενδιαφέρον.
Τα μεγέθη των κόκκων που τα απαρτίζουν (αργιλικοί κόκκοι, λάσπη, άμμος, χαλίκια, πέτρες) μεταβάλλονται σε ευρεία κλίμακα με αποτέλεσμα τα μεγέθη των πόρων στα εδάφη αυτά να καλύπτουν μια εξίσου ευρεία κλίμακα, γεγονός που τα καθιστά εξαιρετικά ετερογενή.
1.2.3. Κατάταξη των εδαφών σύμφωνα με την κατανομή μεγέθους των κόκκων
Το μέγεθος των κόκκων (μηχανικά κλάσματα) του εδάφους επιδρά στις χημικές του ιδιότητες, εξαιτίας της ισχυρής συσχέτισης της προσροφητικής τους ικανότητας με το εμβαδό της επιφάνειάς τους ανά μονάδα μάζας (ειδική επιφάνεια). Επομένως, είναι απαραίτητο να υπάρχει όχι μόνο ένα σύστημα ταξινόμησης των κόκκων, αλλά και σύστημα που να περιγράφει ποσοτικά την
κατανομή μεγέθους κόκκων.Τα όρια στα μεγέθη των κόκκων τέθηκαν με βάση τη συμβολή του μεγέθους των κόκκων εδάφους στις φυσικές και χημικές του ιδιότητες. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται το σύστημα ταξινόμησης που έχει υιοθετηθεί από τα εδαφολογικά εργαστήρια της Ελλάδας.
Πίνακας 1.2.3.1 - Κατηγορίες κατάταξης κόκκων εδάφους όπως εφαρμόζεται στην Ελλάδα.
1.2.4. Υφή του εδάφους (αναλογίες των συστατικών)
Η μηχανική σύσταση του εδάφους αναφέρεται στην ποσοστιαία αναλογία άμμου, ιλύος και αργίλου στο έδαφος. Με βάση τη μηχανική σύσταση διακρίνονται δώδεκα κλάσεις εδαφών. Οι δώδεκα αυτές κλάσεις εδαφών καταλαμβάνουν ορισμένη θέση και χώρο σε ένα ισοσκελές τρίγωνο το οποίο ονομάζεται τρίγωνο μηχανικής σύστασης εδαφών.
Στο σχήμα παρακάτω φαίνεται το αναφερόμενο τριγωνικό διάγραμμα, σύμφωνα με το Αμερικάνικο σύστημα USDA (Singeretal., 1996). Κάθε γωνία του διαγράμματος αντιπροσωπεύει το 100% ενός κλάσματος μεγέθους: άμμος, ιλύς ή άργιλος. Εντός του τριγώνου βρίσκονται περιοχές που αντιπροσωπεύουν τους επιτρεπτούς συνδυασμούς των τριών κλασμάτων μεγέθους για κάθε τάξη υφής.
Για να καθορίσει κάποιος την υφή ενός εδάφους αρκεί να προσδιορίσει τα ποσοστά της άμμου, της ιλύος και της αργίλου και να φέρει προς τις πλευρές του τριγώνου. Το σημείο τομής των τριών ευθειών βρίσκεται εντός της περιοχής που αντιπροσωπεύει την υφή του εδάφους. Για παράδειγμα, ένας αμμώδης πηλός (Α)
δεν μπορεί να περιέχει πάνω από 20% άργιλο ή 85% άμμο ή 50% ιλύ.
Σχήμα 1.2.4.1 - Πρότυπο τριγωνικό διάγραμμα υφής του εδάφους σύμφωνα με το Αμερικάνικο σύστημα (USDA). Φαίνονται τα ονόματα των κατηγοριών υφής και τα επιτρεπτά όρια του ποσοστού της άμμου, της ιλύος και της αργίλου
για καθεμία. Επίσης φαίνονται τρία παραδείγματα εδαφών: (Α) αμμώδης πηλός, (Β) πηλός και (Γ) άργιλος.
Οι όροι πηλός (loam) και άργιλος (clay) συχνά συγχέονται. Ένα έδαφος που χαρακτηρίζεται ως πηλός (Β) μπορεί να έχει από 7% έως 27% άργιλο, από 28%
έως 50% ιλύ και από 23% έως 52% άμμο. Ένα έδαφος για να χαρακτηριστεί ως άργιλος (Γ) πρέπει να έχει τουλάχιστον 40% άργιλο και μπορεί να έχει μέχρι 40%
ιλύ ή 45% άμμο.
Πρέπει να διευκρινιστεί εδώ ότι ο όρος άργιλος περιγράφει τρεις διαφορετικές έννοιες στην εδαφολογία και είναι εύκολο να υπάρξει σύγχυση αφού το νόημα εξαρτάται από το κείμενο. Άργιλος είναι:
α) ένα κλάσμα μεγέθους του εδάφους, β) μια κατηγορία υφής του εδάφους και
γ) μια τάξη ορυκτών. Η τρίτη έννοια της λέξης άργιλος ίσως είναι η
σημαντικότερη. Ο όρος άργιλος περιγράφει μια ομάδα ορυκτών τα οποία έχουν ιδιαίτερες ιδιότητες που τα καθιστούν σημαντικά στον καθορισμό των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του εδάφους, ακόμα και αν είναι παρόντα σε μικρές ποσότητες.
1.2.5. Εδαφικοί ορίζοντες
Η διαδικασία σχηματισμού του εδάφους δημιουργεί διαφορετικά οριζόντια στρώματα που ονομάζονται εδαφικοί ορίζοντες (soilhorizons). Οι εδαφικοί ορίζοντες είναι χαρακτηριστικοί για το κάθε έδαφος και διαφέρουν ως προς το μέγεθος, το χρώμα και τη σύσταση. Οι κυριότεροι εδαφικοί ορίζοντες είναι οι εξής:
- 0-ορίζοντας: το ανώτατο στρώμα εδάφους με φυτά, οργανικά υπολείμματα, πεσμένα φύλλα δένδρων και μερικώς αποσυντιθέμενη οργανική ύλη.
- Α-ορίζοντας: τα πρώτα 30-50 cm εδάφους (topsoil) με χουμικά οξέα, μερικά ανόργανα ορυκτά, οργανική ύλη, ζωντανούς οργανισμούς με τη μεγαλύτερη βιολογική δραστικότητα από όλες τις άλλες στιβάδες.
- Ε-ορίζοντας: είναι η ζώνη που διαχωρίζει το επιφανειακό έδαφος από το υπέδαφος. Η διαλυμένη ή αιωρούμενη ύλη κινείται προς τη στιβάδα αυτή και γι’ αυτό καλείται ζώνη έκπλυσης (leachingzone).
- B-ορίζοντας ή υπέδαφος: είναι ορίζοντας εμπλουτισμού όπου συγκεντρώνονται τα χουμικά οξέα, αργιλικά υλικά, οξείδια του σιδήρου, του μαγνησίου και του αλουμινίου, μετά το στράγγισμα από τις επάνω ζώνες.
- C-ορίζοντας: ελαφρά διαβρωμένο βραχώδες έδαφος που περιέχει τα ορυκτά συστατικά του κύριου εδάφους.
- R: πέτρωμα (bedrock)που δεν επηρεάζεται από διάβρωση
Σχήμα 1.2.5.1 - Κυριότεροι εδαφικοί ορίζοντες.
1.2.6. Ακόρεστη - κορεσμένη ζώνη εδάφους - υδροφόρος ορίζοντας
Η κατακόρυφη κατανομή νερού και αέρα στο έδαφος περιγράφεται συνήθως σαν κατανομή νερού και είναι σημαντική στην κατανόηση της μετακίνησης υγρών ρύπων και ατμών.
Η συνύπαρξη νερού και αέρα ορίζει την ακόρεστη ζώνη (unsaturated ή vadosezone), ενώ η απουσία αέρα ορίζει την κορεσμένη ζώνη (saturated ή phreaticzone). Το όριο μεταξύ αυτών των δύο ζωνών είναι ο υπόγειος υδροφόρος ορίζοντας, ο οποίος ορίζεται ως η επιφάνεια νερού στο υπέδαφος στην οποία η πίεση είναι ακριβώς ίση με την ατμοσφαιρική πίεση και είναι το επίπεδο εκείνο όπου θα ανυψωθεί το νερό σε ένα φρεάτιο που έχει ανοιχθεί με γεώτρηση στην
κορεσμένη ζώνη. Η ανύψωση της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα έχει φυσικές διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια του χρόνου με αλλαγές στα πρότυπα φόρτισης/αποφόρτισης λόγω βροχοπτώσεων/προσρόφησης νερού.
Η ακόρεστη ζώνη ορίζεται ως η ζώνη πάνω από τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα όπου η πίεση του νερού στους πόρους του εδάφους είναι μικρότερη από την ατμοσφαιρική (λόγω τριχοειδούς πίεσης). Στο μεγαλύτερο τμήμα της ακόρεστης ζώνης, οι πόροι δεν είναι πλήρως γεμάτοι με νερό αλλά περιέχουν και αέρα. Το νερό μετακινείται προς τα κάτω λόγω βαρύτητας (gravityflow) και προς τα επάνω λόγω τριχοειδούς εισρόφησης(capillaryimbibition). Τα εδαφικά αέρια μπορούν να μετακινηθούν προς όλες τις διευθύνσεις.
Σχήμα 1.2.6.1 - Σχηματική απεικόνιση της ακόρεστης και κορεσμένης ζώνης του υπεδάφους (Domenico and Schwartz, 1990).
Κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα βρίσκεται η κορεσμένη ζώνη του εδάφους όπου οι πόροι είναι πλήρως κορεσμένοι με νερό και η πίεση του νερού στους πόρους είναι μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική. Η ταχύτητα με την οποία το νερό θα μετακινείται στην κορεσμένη ζώνη του εδάφους εξαρτάται από τις ιδιότητες του γεωλογικού υλικού, όπως η υδραυλική αγωγιμότητα και το πορώδες, και από την υδραυλική βαθμίδα (πτώση πίεσης).
Οι κύριες πηγές υπόγειου νερού σε μια περιοχή είναι η τοπική βροχόπτωση και η διήθηση, ή η υπόγεια ροή από μια φορτισμένη περιοχή. Η φορτισμένη περιοχή μπορεί να είναι μια υψηλού ρυθμού βροχόπτωση ή μέρος από σύστημα ποταμού
που αυτοτροφοδοτείται με νερό από μια απομακρυσμένη περιοχή βροχοπτώσεων.
Η μεταβατική ζώνη (capillaryfringe) είναι μια ζώνη εδάφους κορεσμένη με νερό που βρίσκεται πάνω από τον υδροφόρο ορίζοντα. Το πάχος της καθορίζεται από το μέγιστο ύψος διείσδυσης νερού μέσω των πόρων του εδάφους λόγω αυθόρμητης εισρόφησης. Εδάφη με μικρό μέγεθος πόρων έχουν παχύτερες μεταβατικές ζώνες συγκριτικά με αυτά που έχουν πιο μεγάλο μέγεθος πόρων.
όπου, h, το πάχος της μεταβατικής ζώνης, γ, η διεπιφανειακή τάση, r, η ακτίνα των πόρων, ρ, η πυκνότητα του νερού, g, η επιτάχυνση της βαρύτητας και θ, η γωνία επαφής.
Σε ένα πηλώδες ή αργιλώδες έδάφος, η μεταβατική ζώνη μπορεί να έχει πάχος πάνω από 1 m, ενώ σε ένα χονδρόκοκκο αμμώδες θα έχει πάχος λιγότερο από 1 mm. Η περιεκτικότητα του νερού μειώνεται με αύξηση του ύψους, πράγμα που εξαρτάται από τον τύπο του εδάφους. Όσο μειώνεται η περιεκτικότητα του νερού τόσο αυξάνεται ο αέρας του πορώδους.
Οι εδαφικές στρώσεις που παρεμβάλλονται μεταξύ ακόρεστης και κορεσμένης ζώνης μπορεί να είναι αδιαπέρατες (aquiclude), αδιαπέρατες στεγανές (aquifluge), υδροφορείς (aquifer) ή ημιδιαπερατές στρώσεις (aquitard). Ανάλογα με το είδος των στρώσεων διακρίνουμε δύο είδη υδροφορέων στην κορεσμένη ζώνη. Έτσι έχουμε:
Περιορισμένους ή υπό πίεση υδροφορείς:Υδροφορείς περιορισμένοι προς τα άνω και προς τα κάτω από αδιαπέρατους σχηματισμούς με ροή ανάλογη της ροής σε κλειστούς αγωγούς. Στην περίπτωση που το πιεζομετρικό ύψος βρίσκεται υψηλότερα της επιφάνειας του εδάφους τότε έχουμε αρτεσιανό υδροφορέα.
Φρεάτιους ή μη περιορισμένους υδροφορείς:Υδροφορείς περιορισμένοι προς τα κάτω από αδιαπέρατους σχηματισμούς και με ελεύθερη επιφάνεια προς τα πάνω. Η ροή του υπόγειου νερού μέσω αυτών είναι ανάλογη της ροής σε ανοιχτούς αγωγούς.
1.3. Ρύπανση εδάφους και μέτρα προστασίας του
Η ρύπανση των εδαφών και των υπόγειων υδάτων άρχισε να αντιμετωπίζεται ως περιβαλλοντική επιβάρυνση καθυστερημένα γιατί, αντίθετα με τη ρύπανση της ατμόσφαιρας και των επιφανειακών υδάτων, η ρύπανση του εδάφους δεν γίνεται άμεσα αντιληπτή και επιπλέον εξαπλώνεται με βραδύτερους ρυθμούς.
Επίσης, ο σύνδεσμος μεταξύ ρύπανσης εδάφους και ανθρώπινης υγείας ήταν λιγότερο προφανής συγκριτικά μ’ αυτόν της ατμόσφαιρας και των επιφανειακών υδάτων. Σχετικά πρόσφατα, η επιστημονική κοινότητα συνειδητοποίησε ότι υπάρχουν πολλαπλές οδοί μέσω των οποίων τα ρυπασμένα εδάφη μπορούν να αποτελέσουν κίνδυνο για το ανθρώπινο είδος και για το ευρύτερο περιβαλλοντικό σύστημα. Ακόμα πιο πρόσφατα δε, αναγνωρίστηκε η ανάγκη να προστατευθεί το έδαφος ως ξεχωριστήοντότητα, αν και μεμονωμένες χώρες είχαν εφαρμόσει πολιτικές προστασίας του εδάφους πριν απ’ αυτό (π.χ. Γερμανία, Bachmann, 1991).
Οι άνθρωποι εκτίθενται σε κίνδυνο από ρυπασμένα εδάφη μέσω δερματικής επαφής, κατάποσης, κατανάλωσης τροφής που έχει αναπτυχθεί σε ρυπασμένα εδάφη και εισπνοή σκόνης ή ατμών. Τα εδάφη μπορεί να μην είναι σε θέση να αποφέρουν βλάστηση λόγω φυτοτοξικών επιδράσεων των ρύπων ή διακοπής του βιολογικού κύκλου των θρεπτικών συστατικών. Αυτά τα εδάφη μπορεί επίσης να επηρεάσουν την ποιότητα των πηγών του πόσιμου νερού και του υδάτινου οικοσυστήματος γενικότερα.
Επιπλέον, με καθυστέρηση σε σχέση με την ατμόσφαιρα και τα επιφανειακά ύδατα, θεσπίστηκε διεθνώς ειδική νομοθεσία για τα εδάφη, διότι τα προβλήματα της ρύπανσης του εδάφους είναι συνήθως τοπικά, και άρα σπάνια ανάγονται σε περιβαλλοντικές προτεραιότητες, εκτός από περιπτώσεις ιδιαίτερα σημαντικών διαρροών ή απόθεσης σημαντικών ποσοτήτων αποβλήτων επί δεκαετίες. Ενώ λοιπόν τα επιφανειακά ύδατα και η ατμόσφαιρα είχαν υποβληθεί σε περιβαλλοντική νομοθεσία απ’ το 19° αιώνα (RCEP, 1998), για το έδαφος και τα υπόγεια ύδατα παρόμοιες ενέργειες άρχισαν να γίνονται μόλις τις τελευταίες δεκαετίες του 20ουαιώνα.
Από τότε μέχρι σήμερα έχουν αναπτυχθεί και συνεχώς αναπτύσσονται πάρα
πολλές τεχνολογίες απορρύπανσης εδαφών και υπόγειων υδάτων με σκοπό τη γρήγορη, οικονομική και αποτελεσματική καταστροφή ή απομάκρυνση των τοξικών και επιβλαβών ουσιών από το φυσικό οικοσύστημα.
Όσον αφορά στο θεσμικό πλαίσιο πρέπει να πούμε ότι οι ΗΠΑ έχουν συντάξει την πιο διεξοδική νομοθεσία για θέματα ρύπανσης και αποκατάστασης του εδάφους ενώ στην Ευρώπη πρωτοπόρος ήταν η Ολλανδία, που το 1976 αποφάσισε να εντάξει την προστασία του εδάφους στην εθνική περιβαλλοντική πολιτική της. Από τότε, η Ευρωπαϊκή πρακτική ακολούθησε αντίστοιχη ανάπτυξη με την Αμερικάνικη, όσον αφορά στην επιβολή νομοθετικών περιορισμών στα επί μέρους θέματα προστασίας του περιβάλλοντος από τη ρύπανση, με τη θέσπιση πληθώρας Οδηγιών (CouncilDirectives) που ισχύουν στις χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι νόμοι καθορίζουν τη διαδικασία καταγραφής, χαρακτηρισμού και αξιολόγησης των πιθανά ρυπασμένων τοποθεσιών, καθώς επίσης δίνουν και κατευθυντήριες γραμμές για την επιλογή και εφαρμογή μέτρων αποκατάστασης, όπου αυτά κριθούν απαραίτητα. (Soil thematic strategy,
Στην Ελλάδα, τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να αναπτύσσεται περιβαλλοντική ευαισθησία σε θέματα προστασίας από τη ρύπανση του εδάφους και των υπόγειων υδροφορέων, η οποία εκφράζεται με τον ορθολογικό σχεδιασμό τωννέων χώρων απόθεσης αστικών απορριμμάτων (χωματερών) αλλά και την απορρύπανση περιοχών που έχουν ρυπανθεί.
Ενδεικτικά αναφέρεται το θέμα της ρύπανσης του εδάφους από την ταφή δοχείων με φαινόλες στην περιοχή του εργοστασίου της ΕΑΒ στο Σχηματάρι (που αποκαλύφθηκε το 1984) και το θέμα της ρύπανσης της λίμνης Κουμουνδούρου με ελαφρά πετρελαιοειδή, λόγω διαφυγών υδρογονανθράκων από τα παρακείμενα διυλιστήρια της περιοχής Ασπροπύργου, μέσω του υπόγειου υδροφορέα (που αποκαλύφθηκε το 1993).
Μέχρι να οριστικοποιηθεί το κοινοτικό κανονιστικό πλαίσιο, στην Ελλάδα το πρόβλημα των ρυπασμένων εδαφών αντιμετωπίζεται στο πλαίσιο του εθνικού σχεδιασμού για τα επικίνδυνα απόβλητα που ισχύει από το καλοκαίρι του 2006 (Αποφάσεις 13588/725/2006 και 24944/1159/2006).
1.4. Κύριες κατηγορίες ρυπογόνων ουσιών - Υγροί οργανικοί ρύποι
Οι βλαπτικές συνέπειες από τη ρύπανση του περιβάλλοντος παίρνουν διάφορες διαστάσεις ανάλογα με το είδος, την ποσότητα και τη διάρκεια παραμονής των ρύπων στο περιβάλλον.
Ένας τρόπος χαρακτηρισμού των επικίνδυνων ρυπογόνων ουσιών είναι και αυτός που δίνεται από την Οδηγία 76/464/EEC της Ε.Ε, η οποία τις χωρίζει σε δυο κατηγορίες:
- Στις πλέον τοξικές (Κατηγορία 1 - BlackList) - Στις λιγότερο τοξικές (Κατηγορία 2 - GreyList)
Ο σκοπός είναι να απαλειφθεί η ρύπανση του εδάφους και των υπόγειων υδάτων από τις ουσίες της Κατηγορίας 1 (BlackList) και να περιορισθεί η ρύπανση από τις ουσίες της Κατηγορίας 2 (GreyList). Οι ουσίες που περιλαμβάνονται στις δύο κατηγορίες φαίνονται στον πίνακαπαρακάτω.
Τις τελευταίες δεκαετίες υπάρχει μια αυξανόμενη ανησυχία όσον αφορά στους υγρούς οργανικούς ρύπους, λόγω της ευρείας χρησιμοποίησης τους στη βιομηχανία ως πρώτες ύλες και διαλύτες και κατά συνέπεια της παρουσίας τους στα βιομηχανικά απόβλητα.
Για παράδειγμα, οι υδρογονάνθρακες των πετρελαιοειδών είναι απ’ τους σημαντικότερους ρύπους του εδάφους και των υπόγειων υδάτων. Επίσης, οι διεργασίες καύσεως έχουν οδηγήσει στην ευρεία ρύπανση του εδάφους (vanBrummelenetal., 1996) από πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAHs) που είναι γνωστοί για την υψηλή τοξικότητά τους. Οι κίνδυνοι από τους οργανικούς ρύπους γίνονται μεγαλύτεροι επειδή έχουν την ιδιότητα να συσσωρεύονται στους βιολογικούς ιστούς, κυρίως στο λιπώδη ιστό, και ως εκ τούτου να εμφανίζουν μακροπρόθεσμες επιδράσεις.
Πίνακας 1.4.1 - Κατηγορίεςτοξικώνουσιώνστην Ε.Ε.
Πηγή: http://users.ntua.gr/kavvadas/Books/Env%20Geotechnics/Ch-1-2.pdf
Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες υγρών οργανικών ρύπων:
- Οι μη υδατικές υγρές φάσεις με πυκνότητα μικρότερη του νερού: (Light non-aqueousphaseliquids, LNAPL), που σχηματίζουν μια ξεχωριστή φάση πάνω από αυτό (π.χ. βενζίνη, κηροζόνη, diesel, πετρέλαιο θέρμανσης κ.ά.) και,
- Οι μη υδατικές υγρές φάσεις με πυκνότητα μεγαλύτερη του νερού:(Dense non-aqueousphaseliquids, DNAPL), που μπορούν να διεισδύουν στα υπόγεια ύδατα και να σχηματίζουν πλούμια(plumes) μέσα στο έδαφος και τα πετρώματα (π.χ. λινθρακόπισσα, κρεόζωτο, χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες κ.ά).
Για την εκτίμηση του βαθμού ρύπανσης των εδαφών και των υπόγειων υδάτων από επικίνδυνα απόβλητα έχουν θεσπισθεί μέγιστα αποδεκτά όρια για τους διάφορους ρύπους. Είναι προφανές, ότι τα μέγιστα αποδεκτά όρια της ρύπανσης για κάθε συγκεκριμένο ρύπο εξαρτώνται και από τη χρήση του χώρου στον οποίο έχει εντοπισθεί η ρύπανση. Τέλος, τα μέγιστα αποδεκτά όρια ρύπανσης εξαρτώνται και από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τη μέτρησή τους. Κατά
