Математическое и численное моделирование транспорта отдельных тяжелых металлов на свалке ТБО

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5674 (2023) Цитировать эту статью

560 Доступов

Подробности о метриках

Исследование было сосредоточено на разработке математического и численного моделирования для отдельных видов транспорта тяжелых металлов на свалке твердых бытовых отходов Уйо в штате Аква-Ибом, чтобы изучить уровень глубины проникновения фильтрата со свалки и количество фильтрата на различной глубине. грунт свалки. На свалке отходов Уйо действует открытая система захоронения отходов, в которой не предусмотрены меры по сохранению и сохранению качества почвы и воды, что обуславливает необходимость данного исследования. Для моделирования переноса тяжелых металлов в почве были построены три контрольные ямы на свалке отходов Уйо и измерены инфильтрационные ходы, а также отобраны пробы почвы рядом с точками инфильтрации с девяти заданных глубин в диапазоне от 0 до 0,9 м. Собранные данные были подвергнуты описательной и статистической обработке, а программное обеспечение COMSOL Multiphysicals 6.0 использовалось для моделирования движения загрязняющих веществ в почве. Установлено, что транспорт примесей тяжелых металлов в почве исследуемой территории осуществляется в степенной функциональной форме. Перенос тяжелых металлов на свалке можно описать степенной моделью линейной регрессии и численной моделью, основанной на методе конечных элементов. Их уравнения проверки показали, что предсказанные и наблюдаемые концентрации дали очень высокое значение R2, превышающее 95%. Степенная модель и модель конечных элементов COMSOL показывают очень сильную корреляцию для всех выбранных тяжелых металлов. Результаты исследования позволили определить уровень глубины распространения фильтрата со свалки и количество фильтрата на различной глубине почвы свалки, которое можно точно спрогнозировать с помощью модели переноса фильтрата в этом исследовании.

Места захоронения твердых отходов, такие как открытые свалки, представляют собой значительный источник выбросов металлов в окружающую среду1,2,3,4,5. Почва, загрязненная тяжелыми металлами со свалок твердых отходов, представляет собой серьезную проблему, поскольку почвы считаются конечным поглотителем тяжелых металлов, сбрасываемых в окружающую среду, поскольку многие тяжелые металлы связаны с почвами6. Почва может быть загрязнена тяжелыми металлами, такими как свинец, медь, цинк, железо, марганец, хром и кадмий, и эти тяжелые металлы в твердых отходах создают серьезную проблему, поскольку они не поддаются биологическому разложению. По данным Freeze и Cherry7, фильтрат со свалки твердых отходов обычно содержит основные элементы, такие как кальций, магний, калий, азот и аммиак, следы металлов, таких как железо, медь, марганец, хром, никель, свинец, а также органические соединения, такие как фенолы, полиароматические углеводороды, ацетон, бензол, толуол и хлороформ. По мнению Аханеку и Садика8, поглощение тяжелых металлов сельскохозяйственными почвами вызывает серьезную обеспокоенность из-за проблем с безопасностью пищевых продуктов и потенциальных последствий для здоровья. Фильтрат ТБО широко варьируется по составу, содержит как растворенные, так и взвешенные вещества в зависимости от возраста свалки и типа ТБО. Фильтрат, вытекающий из свалки ТБО, может мигрировать через ненасыщенную зону и в конечном итоге достигать уровня грунтовых вод, а затем переноситься через насыщенную зону к месту сброса (т. е. к насосной скважине, ручью, озеру и т. д.), тем самым вызывая загрязнение.

Моделирование – это процесс, посредством которого ученые представляют друг другу идеи о мире природы, а затем совместно вносят изменения в эти представления с течением времени в ответ на новые данные и понимания9,10. Модель может быть разных форм, размеров и стилей. Важно подчеркнуть, что модель — это не реальный мир, а просто человеческая конструкция, помогающая нам лучше понять системы реального мира. В общем, все модели имеют информационный ввод, информационный процессор и вывод ожидаемых результатов. Модели не просто отражают рассуждения, они также стимулируют появление новых идей11,12. Согласно Ндирике и Онвуалу13, модель — это представление построения и работы некоторой интересующей системы; модель аналогична представляемой ею системе, но проще; Одна из целей модели — дать возможность аналитику или исследователю предсказать эффект изменений в системе. Пачепский и др.14 разработали обобщенное уравнение Ричардса для моделирования переноса воды в ненасыщенных почвах. Моделирование переноса воды в почве повсеместно используется для экспериментов по переносу воды в горизонтальных столбах почвы. Уравнение Ричардса предсказывает, что объемное содержание воды должно зависеть исключительно от соотношения (расстояние)/(время)q, где q = 0:5: Существенные экспериментальные доказательства показывает, что значение q в некоторых случаях значительно меньше 0,5. Нильсен и др.15 связали значения q, 0,5 с «прерывистыми движениями» фронта смачивания, т.е. появлением редких крупных движений. Соответствующая математическая модель представляет собой обобщенное уравнение Ричардса, в котором производная водосодержания по времени является дробной с порядком, равным или меньшим единицы. Уравнение сначала было решено численно, а затем решение было адаптировано к данным о горизонтальном переносе воды. Для таких систем уравнение Ричардса сводится к математическому выражению, представленному в уравнении. (1).