In-depth analysis of degradation processes in old MSW landfills under different oxygen and water regimes

Abstract

Trotz globaler Initiativen zur Vermeidung, Wiederverwendung und Recycling wird das Deponieren von Abfällen global ein substantieller Anteil der Abfallwirtschaft bleiben. Das impliziert, dass die Gesamtmenge an in Deponien 'eingelagerten' Abfällen kontinuierlich zunehmen wird. Daher wird die Kontrolle und Steuerung von Deponieprozessen in Bezug auf den Umweltschutz an Bedeutung zunehmen. Eine belastbare Prognose des zukünftigen Emissionspotentials von Hausmülldeponien ist schwierig, da es von verschiedenen miteinander in Beziehung stehenden Faktoren wie der Abfallzusammensetzung, klimatischen Bedingungen, Präsenz und Art der vorhandenen Mikroorganismen, sowie von der Deponietechnik abhängt, die oft kaum quantifizierbar sind. Ein möglicher Weg, um das zukünftige Emissionspotential damit auch das von Deponien ausgehende Umweltrisiko zu reduzieren, ist die in-situ Belüftung. Durch Zufuhr von Sauerstoff werden aerobe Abbauvorgänge initiiert wodurch die mikrobiellen Umsatzraten und damit die Mineralisation der biologisch abbaubaren Substanz beschleunigt werden. Da diese Deponiesanierungsmethode vergleichsweise neu ist, fehlen Informationen über ihre Auswirkungen auf die Langzeit-Emissionen von Deponien. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, Wissengrundlagen für die Prognose zukünftiger Emissionen von belüfteten Deponien zu erarbeiten. Dazu wurden zweijährige Laborexperimente zur Erforschung des biologischen Abbaus von Abfall durchgeführt. Konkret wurden aerobe Deponiesimulationsreaktoren mit verschiedenen Bewässerungssystemen betrieben, anhand derer der Einfluss von Wasserzugabe auf den aeroben Abbau von Abfall untersucht werden konnte. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass Wasserzugabe die Kohlenstoffbilanz nur gering beeinflusst, wohingegen die Stickstoff-Bilanz wesentlich vom Wasserhaushalt bestimmt wird. Der anfängliche TOC-Pool wurde etwa um 35 % bei allen belüfteten Reaktoren reduziert, während der gesamte Stickstoff-Austrag rund 17-18 % des anfänglichen Pools bei den aeroben bewässerten Reaktoren betrug, und 7 -13 % bei den trocken belüfteten. Nachdem detaillierte Informationen über die Abfallzusammensetzung und die räumliche Verteilung der Abfallzusammensetzung eine wichtige Voraussetzung für die Konzeptionierung und auch für die Bewertung des Erfolgs von Deponiebelüftungsmaßnahmen darstellen, wurde ein multilineares statistisches Modell erstellt, das die Vorhersage wichtiger Abfallparameter (im Wesentlichen Wassergehalt, TOC, TN, NH4-N, CSB und BSB5) erlaubt. Dabei sind lediglich wenige Schlüsselparameter (Glühverlust, pH, elektrische Leitfähigkeit und Chlorid- Konzentration im Eluat) des Abfalls zu analysieren. Außerdem konnte die Vergleichbarkeit des aeroben Abbaus von Abfall mit dem aeroben Abbau in natürlichen Systemen gezeigt werden (Buchenstreu, Fagus sylvatica L.). So waren beispielsweise die Abbaukonstanten (k~1 a-1) und die spezifische Menge an Mikroorganismen von einer vergleichbaren Größenordnung. Im Buchenlaub Experiment konnten bereits in den ersten Wochen drastische Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft festgestellt werden, was auch für den aeroben Abbau von Abfall gelten könnte. Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit einen wichtigen Schritt zum zunehmenden Verständnis vom Metabolismus einer Deponie unter aeroben Bedingungen dar, und wird daher zu einem verbesserten Design und damit Durchführung von zukünftigen Belüftungsprojekten beitragen.

Despite global initiatives on prevention, reuse and recycling of waste, landfilling will remain a substantial part of solid waste management all around the world. This implies that the overall amount of waste 'stored' at landfills will continuously increase, and thus proper management of landfill processes becomes even more important in future with respect to environmental protection. A reliable assessment of the future landfill emission potential is difficult, as it is influenced by various interdependent factors, such as waste composition, climatic conditions, presence and types of microorganism and landfill operation, of which many are hardly determinable. A possible way to decrease the future landfill emission potential is the method of in-situ aeration. By initiating aerobic degradation processes the microbial turnover rate and thus waste mineralization is accelerated. As this remediation method is comparably new, a long-term assessment of landfill emissions after applying in-situ aeration is yet to be accomplished. It is therefore the goal of this work to provide the basis of an improved assessment of future landfill emissions by giving new insights in the aerobic degradation process. The conduction of a two year lab-scale municipal solid waste degradation experiment featuring a unique experimental design allowed for drawing previously unnoticed conclusions. By operating aerated landfill simulation reactors under differing water regimes, the influence of water on aerobic waste degradation could be examined. It was shown, that water addition only exerted a minor effect on the carbon balance in the experiment, but had a strong impact on the nitrogen balance. The TOC-pool was reduced by 35 % of the initial pool for all aerated treatments and the total Nitrogen discharge amounted to 17-18 % of the initial N load present for the aerated dry reactors with water addition, and only to 7.5-13 % without. As detailed information about the waste composition prior to landfill aeration represents a prerequisite for evaluating the overall impact of this measure, a multilinear statistical model has been established, that allows predicting solid waste composition (mainly water content, TOC, TN, NH4-N, COD and BOD5) based on a few key variables (loss on ignition, pH, electrical conductivity and Cl) measured. Finally, aerobic waste degradation was compared to the degradation of organic matter in a natural system (beech litter, Fagus sylvatica L.) and communalities were investigated. For instance, the decomposition constants (k~1 a-1) and the specific amount of microbial biomass were similar for both systems. For the beech litter system drastic microbial changes were observed in the first few weeks, which might also be valid for the aerobic degradation of MSW. The present work represents an important step towards a better understanding of the landfill metabolism during aerobic conditions and will thus contribute to a better design and operation of future landfill in-situ aeration projects.