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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-85201
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8520/


Temporal and spatial variability of soil gas transport parameters, soil gas composition and gas fluxes in methane oxidation systems

Räumliche und zeitliche Variabilität von Bodengastransportparametern, Bodengaszusammensetzung und Gasflüssen in Methanoxidationssystemen

Geck, Christoph

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Methanoxidation , Deponiegas , Deponienachsorge , Methanoxidationsschicht , Reduktosol
Freie Schlagwörter (Englisch): Methane oxidation system , landfill gas , landfill after care , bio-mitigation
Basisklassifikation: 38.69
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.04.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 20.07.2017
Kurzfassung auf Englisch: In this study temporal and spatial variability of soil gas transport parameters, soil gas composition, fluxes and oxidation efficiency in landfill methane oxidation systems were examined.
The work consists of three parts: (1) A laboratory experiment on gas diffusion and gas permeability, exploring gas transport parameters at low water tensions; (2) A case study on properties and genesis of and gas migration through the cover soil at an emission hotspot on an old landfill; (3) A field study of a large scale methane oxidation test field, examining performance and variability of fluxes of such systems in real size application.
(1) Gas transport parameters were determined in the laboratory at water tensions between 2 kPa and 30 kPa using a single chamber diffusion apparatus. For diffusion coefficients a good accordance with existing models was found while gas permeability could not be described by a mathematical function at an adequate statistical level of significance. The results emphasized the importance of the very coarse macro pores > 1 mm diameter as determining feature for advective gas fluxes. As these (usually secondary macropores) are a heterogeneous, randomly distributed feature, the spatial heterogeneity is high and the predictability is low.
(2) A case study was carried out on the cover soil at a methane point source (hotspot) on an old landfill in northern Germany. The hotspot was identified in previous field observations on the landfill cover that was characterized by heterogeneous emissions and soil gas concentrations. Soil gas phase composition and methane surface concentration were monitored over a period of six months. For the hotspot area (approx. 1 m2) a constant spatial pattern of surface and soil gas methane concentration was found proposing a cone-shaped zone of elevated methane concentration. The site was excavated along a transect arranged from the outer, non-emissive zone though the emissive center. The area of high surface and soil methane concentrations showed reduced features such as grey and black colors, extending into the subsoil. At this point of the transect, the soil was classified as Reduktosol.
(3) A large-scale methane oxidation cover (“biocover") test field was monitored over a period of 30 months with respect to emission, soil gas concentration, oxidation efficiency and rates, with a special focus on their temporal and spatial variability. Emissions were quantified employing a novel, large static emission chamber with a footprint of 17 m2. At loads of up to 42.5 g CH4 m-2 d-1 over the investigation period, an average oxidation efficiency of 84% was achieved. The spatial heterogeneity of emissions, base fluxes, oxidation efficiency and soil gas concentration was high on the scale of the test field. The variability of the gas transport parameters of the test field material was found to be high even on a scale of a few decimeters. The principal pattern of gas distribution within the test field was found to be determined by the capillary barrier that was used as gas distribution layer. The compaction of the methane oxidation layer had an influence on the evenness of the gas distribution within the test field, with a higher compaction and hence reduced permeability of the methane oxidation layer resulting in a more even spatial distribution of the base flux. A simple predictive model (Methane Oxidation Tool, MOT) for the determination of the methane oxidation potential of landfill cover soils was tested against field data. It seemed to be promising in the prediction of the achievable oxidation potential if the prerequisite of a homogeneous gas distribution is given. The temporal pattern was reflected correctly while the spatial pattern could not be reproduced due to the lack of spatially refined input data. Most of the time the base flux was too low to challenge the MOT predictions.
The work contributes to the understanding of processes, phenomena and applicability of methane oxidation as a landfill gas remediation technology.
All in all, it could be shown that methane oxidation systems can be an important component in landfill aftercare with an efficiency of 84% at maximum loads of 42.5 g CH4 m-2 d-1. The range of applicability starts considerably above the lower limits for flaring. Hence, a seamless transition from active to passive landfill gas aftercare can be realized. In the planning process it has to be considered that constructional features can influence the gas distribution. Especially when using capillary barrier systems an asymmetric gas distribution has to be expected. If methane oxidation systems are operated at an adequate range of methane loads, they can be expected to work over long term on a highly effective level.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Studie wurde die räumliche und zeitliche Variabilität von Gastransportparametern, der Bodengaszusammensetzung, der Gasflüsse und der Oxidationseffizienz in einem Methanoxidationssystem auf einer Deponie untersucht.
Die Arbeit besteht aus drei Teilen: (1) einem Laborversuch zu Gasdiffusions- und Konvektionsparametern speziell bei niedrigen Wasserspannungen; (2) einer Fallstudie zu den Eigenschaften und der Entstehung eines Hotspots auf der Abdeckschicht einer Altablagerung; (3) einer Feldstudie an einem großmaßstäbigen Methanoxidations- Testfeldes an dem die Leistungsfähigkeit und die Variabilität der Flüsse in einem solchen System unter realen Bedingung untersucht wurden.
(1) Im Labor wurden Gastransportparameter bei Wasserspannungen zwischen 2 kPa und 30 kPa mittels einer Messkammer bestimmt. Die ermittelten Diffusionskoeffizienten zeigten eine gute Übereinstimmung mit bestehenden Modellen, während die Permeabilität nicht durch eine mathematische Funktion mit hinreichender statistischer Signifikanz beschreibbar war. Die Ergebnisse betonen die Bedeutung der Grobporen > 1 mm als bestimmend für den konvektiven Gastransport. Da diese Poren normalerweise sekundäre Makroporen sind ist von einer heterogenen, zufälligen Verteilung auszugehen womit die räumliche Variabilität dieser präferentiellen Fließwege hoch und die Vorhersagbarkeit gering wird.
(2) Es wurde ein Fallstudie an einer Methanpunktquelle (Hotspot) auf der Abdeckung einer Altablagerung im Norddeutschland durchgeführt. Der Hotspot wurde in vorausgehenden Untersuchungen auf der Abdeckschicht identifiziert, welche durch ein heterogenes Emissionsgeschehen und eine hohe Variabilität der Bodengaszusammensetzung gekennzeichnet war. Die Bodengaszusammensetzung und die Methanoberflächenkonzentration wurde in dieser Studie über einen Zeitraum von sechs Monaten regelmäßig beprobt. An dem Hotspot (ca. 1 m2) wurde ein konstantes räumliches Muster der Oberflächen- und Bodengaskonzentration gefunden, dass eine kegelförmige Zone erhöhter Methankonzentration im Boden nahelegte. Die Stelle wurde aufgegraben wobei die Profilwand vom nicht emissiven, äußeren Bereich durch das Hotspotzentrum gelegt wurde. Der Bereich der erhöhten Methankonzentration in der Bodengasphase und an der Oberfläche zeigte reduzierte Merkmale in Form grauer und schwarzer Verfärbungen, die sich bis in den Unterboden erstreckten. Der Boden am Hotspotzentrum wurde als Reduktosol klassifiziert.
(3) Eine großmaßstäbiges Methanoxidationsschicht – Testfeld wurde über einen Zeitraum von 30 Monaten untersucht. Emissionsmessungen, Bodengaskonzentrationen, Oxidationseffizienz und –rate wurden mit einem besonderen Augenmerk auf räumliche und zeitliche Variabilität untersucht. Emissionen wurden mit einer neu entwickelten großen statischen Haube mit einer Grundfläche von 17 m2 gemessen. Bei einer Befrachtung von bis zu 42.5 g CH4 m-2 d-1 wurde eine mittlere Oxidationseffizienz von 84% erreicht. Die räumliche Heterogenität der Emissionen, Teilflächenbefrachtungen, Oxidationseffizienz und Bodengaskonzentration innerhalb des Testfeldes war groß. Die für das verwendete Material ermittelten Gastransportparameter variierten war schon auf einer Skala von wenigen Dezimetern um den Faktor zwei. Die dominanten Muster der räumlichen Variabilität der Gasflüsse des Testfeldes wurden durch die Kapillarsperre geprägt, deren Kapillarblock als Gasverteilung fungierte. Die Verdichtung der Methanoxidationsschicht hatte einen Einfluss auf die gleichmäßige Verteilung das Gases innerhalb des Testfeldes, wobei eine höhere Verdichtung und damit eine reduzierte Permeabilität der Methanoxidationsschicht zu einer größeren Gleichmäßigkeit der teilflächenspezifischen Befrachtung führte. Ein einfaches Modell (Methane Oxidation Tool, MOT) zur Bestimmung des Oxidationspotentials von Deponieabdeckschichten wurde anhand der Felddaten überprüft. Die Vorhersagefähigkeit der erreichbaren Oxidationsleistung erschien vielversprechend wenn eine gleichmäßige Gasverteilung gegeben ist. Der zeitliche Verlauf des Emissionsgeschehens wurde korrekt abgebildet während die räumlichen Muster nicht reproduziert werden konnten, da hierfür keine räumlich ausreichend aufgelösten Eingangsdaten zur Verfügung standen. Über die meiste Zeit des Versuchs waren die Frachten zu gering um das vorhergesagten Oxidationspotential in Frage zu stellen.

Die Arbeit trägt zum Verständnis der Prozesse, Phänomene und Anwendbarkeit von Methanoxidationssystemen als Minderungsstrategie für Gasemissionen in der Deponienachsorge bei.
Insgesamt konnte herausgearbeitet werden, dass Methanoxidationssysteme eine wichtige Komponente der Deponiegasnachsorge sein können, mit einer Effizienz von 84% bei Frachten bis of 42.5 g CH4 m-2 d-1. Ihr Einsatzbereich beginnt wesentlich oberhalb der Betriebsuntergrenze von Gasfackeln, damit kann gasseitig ein nahtloser Übergang aus einer aktiven Nachsorge in die passive Nachsorge erfolgen. Bei der Planung ist zu beachten, dass bautechnische Merkmale die Gasverteilung beeinflussen können, besonders bei der Nutzung von Kapillarsperren muss mit einer asymmetrischen Verteilung der Gasfracht gerechnet werden. Die Heterogenität von Bodenmaterial, auch in technisch aufgebauten Schichten, kann maßgeblich zur räumlichen Variabilität der Gasflüsse und damit zur Bildung von Hotspots beitragen. Bei einer Befrachtung im Zielanwendungsbereich ist aber mit einem dauerhaft leistungsfähigen, wartungsarmen Betrieb zur rechnen.

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