Mathematical modeling of a biogas recovery system at the İZAYDAŞ, Kocaeli sanitary landfill

Abstract

VI ÖZET Düzenli depolama, evsel ve endüstriyel katı atıkların bertarafında çok yaygın olarak kullanılan ekonomik ve uygulanması kolay bir yöntemdir. Bunun yanında düzenli depolama sahasında organik atık depolanmasından kaynaklanan önemli bir sorun çöp gazı oluşumu ve bu gazın kontrolsüz yayılımı ve havaya karışmasıdır. Ancak, üretilen toplam gazın yansı olan metan, enerji üretiminde kullanılabilmektedir. Buna bağlı olarak katı atık depolama sahalarının tasarımı ve işletilmesindeki önemli kriterlerden biri bu çöp gazlarından kazanılacak potansiyel enerjinin belirlenmesi, ve elverişli olması durumunda uygun bir gaz toplama sistemi tasarlanmasıdır. Bu çalışmanın amacı İZAYDAŞ düzenli katı atık depolama sahasındaki Lot 7 de çöp gazı oluşumu ve toplanmasının potansiyelinin değerlendirilmesidir. İZAYDAŞ düzenli depolama sahasındaki işletimi bitip kapanmış olan Lot 7 için aktif gaz toplama sistemi performansının değerlendirilmesi ve işletilmesine yardımcı olmak amacıyla çok basamaklı bir model geliştirilmiştir. Model üç bileşenden oluşmaktadır; (i) bir su dengesi modeli: HELP, (ii) bir gaz üretim modeli: LANDGEM ve (iii) bir gaz akım modeli: MODAIR (MODFLOW bazlı bilgisayar programı). Model mevcut olan kuyuların gaz toplama kuyusu olarak kullanılmasının verimliliğini belirlemek ayrıca gaz toplama sisteminin önemli parametre ve varsayımlara hassasiyetini değerlendirmek amacı ile de kullanılacaktır. Model Lot 7 için mevcut düzenli depolama sahası tasarımı ve Lot 7 de depolanan gerçek katı atık miktarlarını baz alınarak hazırlanmıştır. Ek olarak katı atık içindeki akım özellikleri yapay olarak hazırlanmış numuneler ile yapılan deneyler sonucunda belirlenmiştir. Düzenli depolama alanı yakınındaki Kocaeli meteoroloji istasyonunun hava durumu bilgileri modele dahil edilmiştir. Mevcut olmayan parametreler için literatür bilgilerinin en uygun olanları tahmin edilerek kullanılmıştır. Bazı parametrelerin diğerlerine nispeten büyük oranda belirsiz olmalarından dolayı ayrıca bir değer aralığı dikkate alınmıştır.vii Bu çalışmanın sonuçlan gaz toplama sisteminin verimini etkileyen ana faktörleri: (i) katı atık organik bölümünün bozunma hızı, (ii) aktif gaz toplama sisteminin işletilme biçimi (iii) yüzey toprak örtüsünün geçirimsizliği olarak göstermektedir. Özellikle bozunma hızı, aktif gaz üretim döneminin süresini ve üretilen gazı toplamak için gereken çekim hızını kontrol etmektedir. Zamana bağlı gaz çekim hızlan zamana bağlı olmayanlara oranla havaya bırakılarak kaybedilen gaz oranını azaltmakta ve toplanan gazın içindeki çöp gazı konsantrasyonunu arttırmaktadır. Ayrıca düşük geçirimliliğe sahip yüzey toprağı kullanmak da toplama sistemine hava girişini azaltmaktadır.

IV ABSTRACT Sanitary landfilling is a widely used economic and practical application for the disposal of municipal and industrial solid wastes. A key problem associated with the storage of the organic waste material in a landfill is the generation of landfill gasses and the potential hazards associated with their migration and emission into the atmosphere. At the same time, methane, which makes up about half the total gases produced, can be used for the generation of energy. Consequently, an important component of landfill design and management is evaluating the potential energy that can be recovered from these landfill gasses and, if deemed favorably, designing an appropriate gas collection system. The purpose of this study is to asses the potential of landfill gas generation and recovery from Lot 7 of the İZAYDAŞ solid waste disposal site in Izmit, Turkey. A multi- step model is developed to evaluate the performance and aid in the operation of an active gas collection system for Lot 7, a closed lot for municipal waste disposal. The model consists of three main components: (i) a water balance model, HELP; (ii) a gas generation model, LANDGEM: and (iii) a gas flow model, MODAIR, based on the MODFLOW computer program. The model will be used also to evaluate the efficiency of the existing wells to serve as gas collection wells, and assess the sensitivity of the gas collection system to key parameters and assumptions. The model was based on the actual landfill design for Lot 7 and the actual data on the amounts of solid waste disposed of in Lot 7. Additional laboratory tests on a number of synthetically generated samples were conducted to determine the flow properties of the solid waste. Weather data from the nearby Kocaeli meteorological station were incorporated in the model. For parameters that were not available, best estimates from the literature were used. Because of the relatively high uncertainty in the definition of some parameters, a range of values were also considered.The results of this study indicate that the main factors influencing the efficiency of the gas collection system are: (i) decay rate of the organic component of the solid waste, (ii) the mode of operation of the active gas collection system, (iii) the air permeability of the soil cover. Specifically, the decay rate controls the duration of the most active gas generation period and the required extraction rates to capture the generated gases. Time- dependent gas extraction rates, as opposed to time -invariant extraction rates, was shown to lead to reduced gas losses into the atmosphere and higher landfill gas concentration in the collected gas. Moreover, the use of low permeability soil cover can also lead to reduced air intrusion into the collection svstem.