Modeling the degradable organic carbon in municipal solid waste landfills

Abstract

Die Deponierung von Siedlungsabfällen stellt eine wichtige, durch den Abbau organischer Substanz bedingte Quelle von langfristigen Umweltbelastungen dar. Zahlreiche Autoren haben deshalb die Transformationen von Abfällen in Deponien zur Bestimmung zukünftiger Emissionen untersucht. Allerdings gibt es nur wenige Studien, in denen berücksichtigt wird, dass organische Kohlenstoffverbindungen unterschiedliche Persistenzen aufweisen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells zum Abbau organischen Kohlenstoffs in Siedlungsabfalldeponien unter Berücksichtigung unterschiedlicher Persistenz sowie von Deponieparametern wie Temperatur, pH Wert, Sickerwasserrezirkulierung und klimatischen Bedingungen. Der Modelansatz besteht in der Kombination eines diskontinuierlichen Reaktors mit einem Festbettreaktor. Die organische Substanz wird als feste Matrix behandelt, Gas- und Flüssigphase fließen im Gegenstrom durch den porösen Festkörper. Der Abbau der organischen Substanz wurde parallel für drei unterschiedlich refraktäre organische Kohlenstofffraktionen unter der Annahme von dreistufigen sequentiellen biochemischen Reaktionen (Acidogenese, Acetogenese, Methanogenese) modelliert. Alle biochemischen Reaktionsschritte und resultierenden chemischen Spezifizierungen wurden mit C++ und einem Windows Userinterface programmiert. Das Model wurde anhand von (i) fremden Daten und Resultaten eines Labordeponiesimulationsreaktors, sowie (ii) eigenen Feldmessdaten der Deponie Breitenau validiert und optimiert. Die Resultate der Modellierung stimmten mit denjenigen aus Experiment und Feld recht gut überein: In den ersten 17 Jahren wurden 100% des leicht abbaubaren Kohlenstoffs, 3.5% des schwerer abbaubaren Kohlenstoffs sowie kein persistenter Kohlenstoff abgebaut. Die Modellsensitivität bezüglich Einflussgrößen des Abbaus wurde anhand verschiedener Simulationen ermittelt. Innerhalb der geprüften Intervalle hatte die Temperatur im Deponiekörper den größeren Einfluss auf den Abbau organischer Substanz als der pH Wert oder die Sickerwasserrezirkulation. Die Modellierungsergebnisse erlauben Schlussfolgerungen für den Deponiebetrieb hinsichtlich Gestaltung und Verkürzung der kostspieligen Nachsorge.

Landfilling of municipal solid waste (MSW) represents an important source of long-term emissions due to the degradation of organic matter. Hence, numerous generic studies have been carried out to explore the transformation of landfilled wastes for assessing future environmental loadings. However, specific investigations into the behavior of organic carbon, taking into account the substantial variability in persistence to degradation, are rare. Thus, the objective of this study was to develop a model for the degradation of organic carbon in MSW landfills, taking into account different refractory levels of organic matter as well as landfill parameters such as temperature, pH, leachate recirculation, and climatic conditions. In order to create a suitable model, two approaches based on the batch reactor and the packed bed reactor principles were combined. The solid organic matter was assumed as a fixed-state matrix, while the gas and liquid phases were considered counter-current flows through the solid matrix. The degradation of organic matter was modelled in parallel for three differently degradable organic carbon fractions, assuming sequential three-stage biochemical reactions (acidogenesis, acetogenesis, and methanogenesis). All biochemical reaction steps and species were encoded using a C++ object oriented program under a Windows user interface. The model was tested and improved by employing (i) data and results from an existing laboratory landfill simulation reactor, and (ii) field data from the Breitenau land-fill. Modelling and field results corresponded reasonably well: Of the readily degradable organic carbon, about 100% are degraded during the first 17 years, while of the slowly degradable only 3.5%, and none of the refractory carbon are transformed. Several simulations were performed to analyze the model sensitivity with regards to parameters influencing the degradation. It appears that within the boundaries of this study, landfill body temperature has a more profound effect on the degradation of organic matter than pH or leachate recirculation. The modeling results allow conclusions about operation and management of landfills with regard to shortening the expensive landfill after care.