Soil remediation from heavy metals using mathematical modelling

Abstract

The essence of the contemporary mathematical modelling methodology is the replacement of a real object in question (a process, phenomenon or system) with its “image” – a mathematical model. The mathematical modelling programme REC (Risk Reduction, Environmental Merit and Cost) is based on the comparison of alternative cleaning technologies (to clean contaminated areas). The programme REC is aimed at adapting efficient soil decontamination technologies. The aim of this paper is to analyse the ability of a grassy vegetation mixture to absorb heavy metals from soil in this way decontaminating it. Initial concentrations of heavy metals (copper, lead, manganese, zinc, nickel and chromium) – the concentrations, used during the experiment when performing the investigation into the efficiency of soil remediation using the mixture of grassy vegetation, were input into the programme. During the entire chosen period of 10 years, soil would be decontaminated from copper and lead. The zero concentration of manganese in soil is achieved after 8 years, and that of zinc – after 9 years when soil is cleaned with the mixture of grassy vegetation and no additional contamination is present. Soil is most rapidly decontaminated from nickel – in 6 years. At the initial chromium concentration of 79.5 mg/kg in soil, the zero concentration of this metal would be achieved in 7 years.

Sunkiųjų metalų valymas iš dirvožemio remiantis matematiniais modeliais

Santrauka. Matematinio modeliavimo metodologijos esmė yra tiriamo realaus objekto (proceso, reiškinio, sistemos) pakeitimas jo „atvaizdu“ – matematiniu modeliu. Matematinio modeliavimo programa REC (angl. Risk reduction, Environmental merit and Cost) pagrįsta alternatyvių valymo technologijų (užterštam plotui valyti) lyginimu. Programos REC tikslas – pritaikyti efektyvias ir veiksmingas dirvožemio valymo technologijas. Šio darbo tikslas – išanalizuoti žolinės augalijos mišinio gebą sorbuoti sunkiuosius metalus iš dirvožemio ir tokiu būdu valyti iš jo teršalus. Programoje nusistatomos pradinės sunkiųjų metalų (vario, švino, mangano, cinko, nikelio ir chromo) koncentracijos, eksperimentų metu naudotos tiriant dirvožemio kokybės atkūrimo žolinės augalijos mišiniu efektyvumą. Iš esmės per visą pasirinktą laikotarpį – 10 metų iš dirvožemio būtų valomas varis ir švinas. Mangano nulinė koncentracija dirvožemyje, valant jį žolinės augalijos mišiniu ir nesant papildomo teršimo, pasiekiama po 8 metų, cinko – po 9 metų. Greičiausiai iš dirvožemio išvalomas nikelis – per 6 metus. Chromas, esant 79,5 mg/kg pradinei jo koncentracijai dirvožemyje, iki nulinės koncentracijos būtų išvalytas per 7 metus.

Reikšminiai žodžiai: sunkieji metalai, dirvožemio atkūrimas, Lolium perenne L., Poa pratensis L., Festuca pratensis Huds, matematinis modeliavimas.

Очищение почвы от тяжелых металлов с применением математического моделирования

Резюме. Суть методологии математического моделирования заключается в замене исследуемого реального объекта (процесса, явления, системы) его отображением – математической моделью. Программа математического моделирования REC (aнгл. Risk reduction, Environmental merit and Cost) основана на сравнении альтернативных технологий по очищению загрязненных территорий. Целью программы REC является приспособление эффективных и действенных технологий для очищения почв, а целью настоящей работы – анализ способности смеси из травянистых растений сорбировать тяжелые металлы из почвы и таким образом способствовать ее очищению от загрязнителей. По программе задаются начальные концентрации тяжелых металлов (меди, свинца, марганца, цинка, никеля и хрома), применявшиеся во время экспериментальных исследований эффективности восстановления качества почв благодаря применению смеси из травянистых растений. Практически за весь установленный промежуток времени – 10 лет – почвы будут очищены от меди и свинца. При очищении почв с помощью смеси травянистых растений и при отсутствии дополнительного загрязнения нулевая концентрация марганца достигается спустя 8 лет, цинка – 9 лет. От никеля почва очищается спустя 6 лет, а от хрома при начальной его концентрации в почве, равной 79,5 мг/кг, спустя 7 лет.

Ключевые слова: тяжелые металлы, восстановление почвы, Lolium perenne L., Poa pratensis L., Festuca pratensis Huds, математическое моделирование.

First Published Online: 14 Oct 2010

Keyword : heavy metals, soil remediation, Lolium perenne L., Poa pratensis L., Festuca pratensis Huds, mathematical modelling