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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-59694
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5969/


Spatial and Temporal Patterns of Methane Fluxes on Old Landfills : Processes and Emission Reduction Potential

Räumliche und zeitliche Muster von Methanflüssen auf Altdeponien : Prozesse und Emissionsminderungspotenzial

Rachor, Ingke Maren

Originalveröffentlichung: (2012) Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, 2012, Nr. 67
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Methanemission, Deponiegas , Emissionsverringerung , Deponie , Altlast , Einflussgröße
Freie Schlagwörter (Deutsch): Methanoxidationsschicht
Freie Schlagwörter (Englisch): Methane emissions, Landfill , Hotspot , Methane oxidation , Landfill cover soil
Basisklassifikation: 38.60 , 43.00 , 38.95
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.10.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 12.12.2012
Kurzfassung auf Englisch: Methane emissions from landfills gained particular importance in recent years due to the global discussions about human-made climate change and the relevance of greenhouse gases. For the implementation of measures for emission reduction, understanding of the in-situ processes governing methane fluxes are needed as well as measures to quantify and predict methane production, oxidation, and emissions. A widely accepted fact is the ability of landfill covers for microbial methane oxidation. The reported efficiency of this process, however, underlies strong variability. For the practical application, deeper process knowledge is thus desirable.
This thesis gives insight into the processes in landfill cover soils on five old landfills in northern Germany. An extensive campaign of data gathering was conducted within the framework of the joint BMBF-project “MiMethox” (Microbial Methane Oxidation in Landfill Covers), including the investigation of both soil properties and external factors and their respective impact on methane oxidation and emissions from landfill covers. Investigations included laboratory as well as on-site analyses of the fate of landfill gas in the soil profile and of methane oxidation potentials and efficiencies. In-situ measurements of methane surface emissions completed the picture.
The gained results show that significant methane emissions can be found on all landfills, even though they had been closed 30 years ago and were expected to be non-emitting. However, methane emissions proved to escape via hotspots almost exclusively, while the major cover area showed complete oxidation of the accruing methane. The formation of hotspots can mainly be attributed to cover inhomogeneities and resulting preferential pathways. These preferential pathways, diverting a more or less evenly distributed diffusive flux into advective flux through very small expanses, are able to completely stultify any existing methane oxidation potential, since the ingress of atmospheric air into relevant depths is hindered, whereas high methane loads overcharge the available reaction space. Where less extreme conditions apply, methane oxidation and resulting emissions still depend on the availability of both reaction components – methane and oxygen – and thus on the available pore space, which is a function of soil features such as texture and compaction, and of soil moisture. Under conditions less influenced by moisture (below field capacity), soil temperature strongly influences methane emission rates by governing oxidation. Methane oxidation potentials found in the laboratory, do hence not necessarily reflect methane oxidation efficiency on site, but are often rather a result of precedent in-situ exposition to methane.
Conclusively, elementary advice is derived for practical purposes concerning methane emission measurements as well as methane oxidation cover construction.
Kurzfassung auf Deutsch: Methanemissionen aus Deponien haben in den vergangenen Jahren aufgrund der globalen Debatte über den anthropogen bedingten Treibhauseffekt und die Rolle von Treibhausgasen an Bedeutung gewonnen. Um Maßnahmen zur Emissionsminderung ergreifen zu können, ist ein Verständnis der Prozesse auf Deponieoberflächen und in den Abdeckschichten ebenso unerlässlich wie die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage und Quantifizierung der Methanproduktion, -oxidation und -emission. Das Potenzial von Deponieabdeckschichten zur mikrobiellen Methanoxidation wurde bereits vielfach beschrieben, jedoch besteht hinsichtlich der Effizienz und möglicher Optimierungsmöglichkeiten noch erheblicher Forschungsbedarf.
In der vorliegenden Arbeit werden Erkenntnisse über die Prozesse in Deponieabdeckschichten auf fünf Altdeponien bzw. Altablagerungen in Norddeutschland dargestellt. Im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes “MiMethox” (Mikrobielle Methanoxidation in Deponieabdeckschichten) wurden umfangreiche Daten zu Bodeneigenschaften und Umweltfaktoren sowie deren jeweiligem Einfluss auf die Methanoxidation und -emission erhoben. Dabei wurden Labor- und Felduntersuchungen zum Verhalten des Deponiegases im Boden sowie zu Methanoxidationspotenzialen kombiniert mit umfassenden Kampagnen zur in-situ Messung der Methanemissionen.
Die Ergebnisse zeigen, dass auf allen untersuchten Standorten signifikante Methanemissionen messbar sind. Diese Feststellung steht im Widerspruch zur allgemeinen Annahme, dass Deponien, die vor über 30 Jahren geschlossen wurden, als emissionsfrei betrachtet werden können. Auf dem überwiegenden Teil der Deponieflächen konnte eine vollständige Oxidation des auftreffenden Methans beobachtet werden. Die nachgewiesenen Emissionen waren nahezu ausschließlich auf isolierte Bereiche (Hotspots) zurückzuführen. Die Entstehung von Hotspots ist in der Regel ein Ergebnis von Inhomogenitäten der Abdeckschicht und der daraus resultierenden Entwicklung präferentieller Fließwege. Dadurch entweicht Deponiegas konvektiv über sehr kleine Flächen, statt gleichmäßig über die Fläche verteilt durch die Abdeckschicht zu diffundieren. Da das diffusive Eindringen von Luftsauerstoff in relevante Tiefen an diesen Stellen behindert wird und zugleich hohe Methanfrachten auftreffen, kann das Oxidationspotenzial des Oberbodens nicht genutzt werden. Auch wo weniger extreme Bedingungen herrschen, hängen die effektive Methanoxidation und die resultierenden Emissionen von der Verfügbarkeit beider Reaktionskomponenten, Methan und Sauerstoff ab. Diese wird vom verfügbaren Porenvolumen und den zugrundeliegenden Bodenparametern wie Korngrößenzusammensetzung und Verdichtung sowie vom Bodenwassergehalt beeinflusst. Bei Wassergehalten unterhalb der Feldkapazität gewinnt der Einfluss der Temperatur auf die Methanoxidation und -emission an Relevanz. Die im Labor ermittelten Methanoxidationspotenziale konnten die in situ gemessene Effizienz schlecht abbilden und stellen häufig eher ein Resultat der vorausgegangenen Methanexposition dar.
Die Ergebnisse dieser Arbeit können in grundlegende Empfehlungen für die Praxis der Emissionskontrolle auf Deponien und des Aufbaus optimierter Methanoxidationsschichten einfließen.

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