Tecnica di modellazione matematica e simulazione numerica per il trasporto di metalli pesanti selezionati in una discarica di rifiuti solidi urbani

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5674 (2023) Citare questo articolo

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Lo studio si è concentrato sullo sviluppo di modelli matematici e tecniche di simulazione numerica per il trasporto selezionato di metalli pesanti nella discarica di rifiuti solidi urbani di Uyo, nello stato di Akwa Ibom, per indagare il livello di profondità a cui si estende il percolato dalla discarica e la quantità di percolato a varie profondità del terreno della discarica. La discarica di rifiuti di Uyo utilizza un sistema di scarico aperto in cui non sono previste disposizioni per la preservazione e la conservazione della qualità del suolo e dell'acqua, da qui la necessità di questo studio. Sono stati costruiti tre pozzi di monitoraggio all'interno della discarica di rifiuti di Uyo, sono stati misurati i percorsi di infiltrazione e sono stati raccolti campioni di terreno accanto ai punti di infiltrazione da nove profondità designate che vanno da 0 a 0,9 m per modellare il trasporto di metalli pesanti nel suolo. I dati raccolti sono stati sottoposti a statistica descrittiva e inferenziale mentre il software COMSOL Multiphysics 6.0 è stato utilizzato per simulare il movimento degli inquinanti nel suolo. È stato osservato che il trasporto dei contaminanti dei metalli pesanti nel suolo dell'area di studio avviene sotto forma di potenza funzionale. Il trasporto dei metalli pesanti nella discarica può essere descritto mediante un modello di potenza da regressione lineare e un modello numerico basato sugli elementi finiti. Le loro equazioni di validazione hanno mostrato che le concentrazioni previste e osservate hanno prodotto un valore R2 molto elevato, superiore al 95%. Il modello di potenza e il modello agli elementi finiti COMSOL mostrano una correlazione molto forte per tutti i metalli pesanti selezionati. I risultati dello studio hanno identificato il livello di profondità a cui si estende il percolato dalla discarica e la quantità di percolato a varie profondità del terreno della discarica che può essere previsto con precisione utilizzando il modello di trasporto del percolato di questo studio.

I siti di smaltimento dei rifiuti solidi come le discariche a cielo aperto rappresentano una fonte significativa di metalli rilasciati nell'ambiente1,2,3,4,5. Il suolo contaminato da metalli pesanti provenienti dai siti di smaltimento dei rifiuti solidi costituisce un problema serio perché è considerato il luogo di raccolta finale dei metalli pesanti scaricati nell'ambiente, poiché molti metalli pesanti sono legati al suolo6. Il suolo può essere contaminato da metalli pesanti come piombo, rame, zinco, ferro, manganese, cromo e cadmio e questi metalli pesanti presenti nei rifiuti solidi causano seri problemi perché non possono essere biodegradati. Secondo Freeze e Cherry7 il percolato proveniente da un sito di smaltimento dei rifiuti solidi generalmente contiene elementi importanti come calcio, magnesio, potassio, azoto e ammoniaca, tracce di metalli come ferro, rame, manganese, cromo, nichel, piombo e composti organici come fenoli, idrocarburi poliaromatici, acetone, benzene, toluene e cloroformio. Secondo Ahaneku e Sadiq8, l’assorbimento di metalli pesanti nei terreni agricoli è motivo di grande preoccupazione a causa dei problemi di sicurezza alimentare e delle potenziali implicazioni sulla salute. Il percolato dei rifiuti solidi urbani varia ampiamente nella composizione, contiene sia materiali disciolti che sospesi a seconda dell'età della discarica e del tipo di rifiuto solido. Il percolato che fuoriesce dalla discarica dei rifiuti solidi urbani può migrare attraverso la zona insatura e infine raggiungere la falda freatica e quindi essere trasportato attraverso la zona satura fino a un punto di scarico (ad esempio, un pozzo di pompaggio, un ruscello, un lago, ecc.) causando così contaminazione.

La modellazione è il processo attraverso il quale gli scienziati si rappresentano reciprocamente idee sul mondo naturale e poi, in modo collaborativo, apportano modifiche a queste rappresentazioni nel tempo in risposta a nuove prove e comprensioni9,10. Un modello può avere molte forme, dimensioni e stili. È importante sottolineare che un modello non è il mondo reale ma semplicemente un costrutto umano per aiutarci a comprendere meglio i sistemi del mondo reale. In generale, tutti i modelli hanno un input di informazioni, un processore di informazioni e un output di risultati attesi. I modelli non riflettono solo il ragionamento, ma stimolano anche nuove idee11,12. Secondo Ndirika e Onwualu13, il modello è una rappresentazione della costruzione e del funzionamento di un sistema di interesse; il modello è simile ma più semplice del sistema che rappresenta; Uno degli scopi di un modello è consentire all'analista o al ricercatore di prevedere l'effetto dei cambiamenti nel sistema. Pachepsky et al.14 hanno sviluppato un'equazione di Richards generalizzata per simulare il trasporto dell'acqua in terreni insaturi. Le simulazioni del trasporto dell'acqua nel suolo sono onnipresenti per gli esperimenti sul trasporto dell'acqua nelle colonne orizzontali del suolo, l'equazione di Richards prevede che il contenuto volumetrico di acqua dovrebbe dipendere esclusivamente dal rapporto (distanza)/(tempo)q dove q ¼ 0:5: Prove sperimentali sostanziali mostra che il valore di q è significativamente inferiore a 0,5 in alcuni casi. Nielsen et al.15 hanno correlato i valori di q, 0,5 ai "movimenti a scatti" del fronte bagnante, cioè al verificarsi di rari movimenti di grandi dimensioni. Il modello matematico corrispondente è un'equazione di Richards generalizzata in cui la derivata del contenuto di acqua nel tempo è frazionaria con ordine uguale o inferiore a uno. L'equazione è stata prima risolta numericamente e poi adattata alla soluzione dei dati sul trasporto idrico orizzontale. Per tali sistemi, l'equazione di Richards si riduce all'espressione matematica presentata nell'Eq. (1).