MSW 폐기물 처리장 내 선별된 중금속 운송에 대한 수학적 모델링 및 수치 시뮬레이션 기법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5674(2023) 이 기사 인용

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본 연구는 Akwa Ibom 주의 Uyo 도시 고형 폐기물 처리장에서 선택된 중금속 운송에 대한 수학적 모델링 및 수치 시뮬레이션 기술 개발에 중점을 두고 처리장에서 침출수가 확장되는 깊이와 다양한 깊이에서의 침출수의 양을 조사했습니다. 쓰레기장 토양. 우요(Uyo) 폐기물 처리장은 토양과 수질의 보존 및 보전을 위한 규정이 없는 개방형 투기 시스템을 운영하고 있어 본 연구가 필요하다. Uyo 폐기물 처리장 내에 3개의 모니터링 구덩이를 건설하고 침투 작업을 측정했으며, 토양 내 중금속 이동을 모델링하기 위해 0~0.9m 범위의 지정된 9개 깊이에서 침투 지점 옆에 토양 샘플을 수집했습니다. 수집된 데이터는 기술 및 추론 통계에 적용되었으며 COMSOL Multiphysics 소프트웨어 6.0을 사용하여 토양 내 오염물질의 이동을 시뮬레이션했습니다. 연구지역 토양 내 중금속 오염물질 이동은 지수함수 형태로 관찰되었다. 쓰레기장 내 중금속 이동은 선형 회귀 분석의 검정력 모델과 유한 요소 기반 수치 모델로 설명할 수 있습니다. 그들의 검증 방정식은 예측된 농도와 관찰된 농도가 95%가 넘는 매우 높은 R2 값을 산출한다는 것을 보여주었습니다. 전력 모델과 COMSOL 유한 요소 모델은 선택된 모든 중금속에 대해 매우 강한 상관 관계를 보여줍니다. 연구 결과를 통해 본 연구의 침출수 수송 모델을 사용하여 쓰레기 처리장에서 침출수가 확장되는 깊이와 쓰레기 처리장 토양의 다양한 깊이에서 침출수의 양을 정확하게 예측할 수 있음이 확인되었습니다.

개방형 덤프와 같은 고형 폐기물 처리장은 환경으로 배출되는 중요한 금속 공급원을 나타냅니다1,2,3,4,5. 많은 중금속이 토양에 결합되어 있기 때문에 토양은 환경으로 배출되는 중금속의 궁극적인 흡수원으로 간주되기 때문에 고형 폐기물 처리장에서 발생하는 중금속으로 오염된 토양은 심각한 문제입니다6. 토양은 납, 구리, 아연, 철, 망간, 크롬, 카드뮴과 같은 중금속으로 오염될 수 있으며, 고형 폐기물에 포함된 이러한 중금속은 생분해되지 않기 때문에 심각한 문제를 야기합니다. Freeze 및 Cherry7에 따르면 고형 폐기물 처리장의 침출수에는 일반적으로 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 질소 및 암모니아와 같은 주요 요소와 철, 구리, 망간, 크롬, 니켈, 납과 같은 미량 금속 및 페놀, 다방향족 탄화수소와 같은 유기 화합물이 포함되어 있습니다. 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 클로로포름. Ahaneku와 Sadiq8에 따르면 농업 토양의 중금속 흡수는 식품 안전 문제와 잠재적인 건강 영향으로 인해 큰 우려 사항입니다. MSW 침출수는 구성이 매우 다양하며, 매립장의 나이와 고형 폐기물 유형에 따라 용해된 물질과 부유 물질을 모두 포함합니다. MSW 투기장에서 유출된 침출수는 불포화 구역을 통해 이동하여 결국 지하수면에 도달한 다음 포화 구역을 통해 배출 지점(예: 양수 우물, 하천, 호수 등)으로 이동하여 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다. 오염.

모델링은 과학자들이 자연 세계에 대한 아이디어를 서로에게 표현한 다음 새로운 증거와 이해에 대응하여 시간이 지남에 따라 이러한 표현을 공동으로 변경하는 프로세스입니다9,10. 모델은 다양한 모양, 크기 및 스타일로 제공될 수 있습니다. 모델은 실제 세계가 아니라 실제 시스템을 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 인간의 구성물일 뿐이라는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 일반적으로 모든 모델에는 정보 입력, 정보 처리기 및 예상 결과 출력이 있습니다. 모델은 추론을 반영할 뿐만 아니라 새로운 아이디어를 자극하기도 합니다11,12. Ndirika와 Onwualu13에 따르면 모델은 관심 있는 일부 시스템의 구성과 작동을 표현한 것입니다. 모델은 그것이 나타내는 시스템과 유사하지만 더 단순합니다. 모델의 목적 중 하나는 분석가나 연구자가 시스템 변경의 영향을 예측할 수 있도록 하는 것입니다. Pachepsky et al.14는 불포화 토양에서 물 수송을 시뮬레이션하기 위해 일반화된 Richards 방정식을 개발했습니다. 토양의 물 수송에 대한 시뮬레이션은 토양 수평 기둥의 물 수송에 대한 실험에서 어디에나 있습니다. Richards의 방정식은 체적 수분 함량이 q = 0:5인 경우 비율(거리)/(시간)q에만 의존해야 한다고 예측합니다. 상당한 실험적 증거 어떤 경우에는 q 값이 0.5보다 훨씬 작다는 것을 보여줍니다. Nielsen et al.15은 q, 0.5의 값을 습윤 전선의 '변덕스러운 움직임', 즉 드물게 큰 움직임의 발생과 연관시켰습니다. 해당 수학적 모델은 시간에 따른 수분 함량의 도함수가 1보다 작거나 같은 차수의 분수인 일반화된 Richards의 방정식입니다. 방정식은 먼저 수치적으로 풀린 후 수평 물 운송에 대한 데이터에 솔루션을 적용했습니다. 이러한 시스템의 경우 Richards의 방정식은 Eq.에 제시된 수학적 표현으로 축소됩니다. (1).