Modelagem matemática e técnica de simulação numérica para transporte de metais pesados ​​selecionados em lixão de RSU

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5674 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O estudo concentrou-se no desenvolvimento de modelagem matemática e técnica de simulação numérica para o transporte de metais pesados ​​selecionados no lixão de resíduos sólidos municipais de Uyo, no estado de Akwa Ibom, para investigar o nível de profundidade até o qual o lixiviado do lixão se estende e a quantidade de lixiviado em várias profundidades do solo de lixão. O lixão de Uyo está operando um sistema de lixão a céu aberto onde não são feitas provisões para a preservação e conservação da qualidade do solo e da água, daí a necessidade deste estudo. Três poços de monitoramento dentro do lixão de Uyo foram construídos e as corridas de infiltração foram medidas, e amostras de solo foram coletadas ao lado de pontos de infiltração de nove profundidades designadas variando de 0 a 0,9 m para modelar o transporte de metais pesados ​​no solo. Os dados coletados foram submetidos à estatística descritiva e inferencial enquanto o software COMSOL Multiphysics 6.0 foi utilizado para simular o movimento de poluentes no solo. Observou-se que o transporte de contaminantes de metais pesados ​​no solo da área de estudo está na forma funcional de potência. O transporte de metais pesados ​​no lixão pode ser descrito por um modelo de potência de regressão linear e um modelo numérico baseado em elementos finitos. Suas equações de validação mostraram que as concentrações previstas e observadas produziram um valor de R2 muito alto, acima de 95%. O modelo de potência e o modelo de elementos finitos COMSOL mostram uma correlação muito forte para todos os metais pesados ​​selecionados. Os resultados do estudo identificaram o nível de profundidade para o qual o lixiviado do lixão se estende e a quantidade de lixiviado em várias profundidades do solo do lixão que pode ser previsto com precisão usando o modelo de transporte de lixiviado deste estudo.

Locais de disposição de resíduos sólidos, como lixões, representam uma fonte significativa de metais lançados no meio ambiente1,2,3,4,5. O solo contaminado por metais pesados ​​de locais de disposição de resíduos sólidos é um problema sério porque os solos são considerados como o último sumidouro de metais pesados ​​lançados no meio ambiente, já que muitos metais pesados ​​estão ligados aos solos6. O solo pode estar contaminado com metais pesados ​​como chumbo, cobre, zinco, ferro, manganês, cromo e cádmio e esses metais pesados ​​nos resíduos sólidos levam a sérios problemas porque não podem ser biodegradados. De acordo com Freeze e Cherry7, o lixiviado de um local de disposição de resíduos sólidos geralmente contém elementos importantes como cálcio, magnésio, potássio, nitrogênio e amônia, vestígios de metais como ferro, cobre, manganês, cromo, níquel, chumbo e compostos orgânicos como fenóis, hidrocarbonetos poliaromáticos, acetona, benzeno, tolueno e clorofórmio. De acordo com Ahaneku e Sadiq8, a absorção de metais pesados ​​em solos agrícolas é uma grande preocupação devido a questões de segurança alimentar e potenciais implicações para a saúde. O lixiviado de RSU varia amplamente em composição, contém materiais dissolvidos e suspensos, dependendo da idade do lixão e do tipo de resíduo sólido. O lixiviado que escapa do lixão de RSU pode migrar através da zona não saturada e eventualmente atingir o lençol freático e então ser transportado através da zona saturada para um ponto de descarga (ou seja, um poço de bombeamento, um córrego, um lago, etc.) causando assim contaminação.

A modelagem é o processo pelo qual os cientistas representam ideias sobre o mundo natural uns para os outros e, em seguida, fazem alterações colaborativas nessas representações ao longo do tempo em resposta a novas evidências e entendimentos9,10. Um modelo pode vir em muitas formas, tamanhos e estilos. É importante enfatizar que um modelo não é o mundo real, mas apenas uma construção humana para nos ajudar a entender melhor os sistemas do mundo real. Em geral, todos os modelos possuem uma entrada de informação, um processador de informação e uma saída de resultados esperados. Os modelos não apenas refletem o raciocínio, mas também estimulam novas ideias11,12. Segundo Ndirika e Onwualu13, modelo é uma representação da construção e funcionamento de algum sistema de interesse; o modelo é semelhante, mas mais simples do que o sistema que representa; um dos propósitos de um modelo é permitir que o analista ou pesquisador preveja o efeito das mudanças no sistema. Pachepsky et al.14 desenvolveram uma equação de Richards generalizada para simular o transporte de água em solos não saturados. Simulações de transporte de água no solo são onipresentes para experimentos de transporte de água em colunas horizontais do solo, a equação de Richards prevê que os conteúdos volumétricos de água devem depender apenas da razão (distância)/(tempo)q onde q ¼ 0:5: evidência experimental substancial mostra que o valor de q é significativamente menor que 0,5 em alguns casos. Nielsen et al.15 relacionaram valores de q, 0,5 a 'movimentos bruscos' da frente de molhamento, ou seja, ocorrências raras de grandes movimentos. O modelo matemático correspondente é uma equação de Richards generalizada em que a derivada do teor de água no tempo é fracionária de ordem igual ou menor que um. A equação foi primeiro resolvida numericamente e, em seguida, ajustou a solução aos dados do transporte hidroviário horizontal. Para tais sistemas, a equação de Richards se reduz à expressão matemática apresentada na Eq. (1).