Modeling of biogas generation and transport at the Kemerburgaz (Hasdal) waste disposal site

Abstract

VI ÖZET Düzenli çöp depolama alanları, evsel ve endüstriyel çöplerin bertarafi için çok yaygın olarak kullanılan ekonomik ve uygulanabilir bir yöntemdir. Fakat çöp depolama sahalarında çöp gazı oluşumu ve bu gazın kontrolsüz yayılımı ve havaya karışması önemli sorunlara yol açar. Bu nedenle çöp depolama sahalarının projelendirilmesi ve işletilmesindeki en önemli kriterlerden biri çöp gazı oluşumunun ve toplanan gazın enerji üretim potensiyelinin iyi değerlendirilmesidir. Bu çalışmanın amacı İstanbul'un en eski ve en büyük vahşi çöp depolama alanlarından biri olan Kemerburgaz (Hasdal) sahasında çöp gazı oluşumunu ve toplanan gazın enerji üretiminde kullanılmasını incelemektir. Saha 1998'de kapatılmış ve bazı rehabilitasyon çalışmaları başlatılmıştır. Çöp gazının toplanarak elektrik üretiminde kullanılması bunlardan biridir. Bu amaçla sahada gaz toplama kuyuları açılmıştır. Bu çalışmada gaz toplama kuyularının incelenmesi için nümerik bir model geliştirilmiş ve iki tane yaklaşım kullanılmıştır. Birincisi deterministik yaklaşımdır. Bu yaklaşımda hava geçirgenliği ve gaz üretim miktarlarının ortalama değerleri kullanılır. İkinci yaklaşımda ise istatistiksel bir model geliştirilmiştir. Bu modelde giriş parametrelerindeki belirsizliğin etkileri dikkate alınır. Her iki yaklaşım da iki bölümden oluşur: (i) çöpün içeriğinin, yaşının ve miktarının değerlendirildiği çöp gazı üretim modeli ve (ii) MODAIR bilgisayar programına dayalı gaz akım modeli. Modelde gerekli olan akım parametreleri çöp ve toprak örtüsünün geçirgenlik değerleridir. 1999 yılında gerçekleştirilen pompalama deneylerinin sonuçlan çöpün hava geçirgenliğinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Çöplerin üstünü örtmek için kullanılan toprak örtüsünün hava geçirgenliği ise laboratuvar deneyleri ve bazı denklemler kullanılarak hesaplanmıştır. Deterministik gaz akım modeli giriş parametrelerinin ortalama değerlerine dayanır ve toplanabilecek muhtemel gaz değerlerini verir. İstatistiksel yaklaşım ise modelvıı tahminlerindeki belirsizliğin ölçümünü sağlar. Sınırlı sayıdaki bilgi ve çöpün ve hava akım parametrelerinin heterojen yapısı nedeniyle model giriş parametreleri genellikle büyük belirsizlikler içerir. Bu belirsizliklerin hesaba katılması için model istatistiksel bir hale getirilmiştir. İstatistiksel yaklaşım özellikle 3 temel parametrenin belirsizliğini kapsar: gaz üretim hızı, çöpün hava geçirgenliği ve toprak örtüsünün hava geçirgenliği. Bu üç parametredeki belirsizliğin gaz toplama kuyularının verimini nasıl etkilediğini bulmak için Monte Carlo simulasyonu denilen bir yöntem kullanılmıştır. Zamana bağlı çöp gazı üretim hızlannın tahmini için matematiksel gaz üretim modelleri kullanılır. Saha çalışmalarından elde edilen gaz üretim verilerinden faydalanılarak modellerin kalibrasyonu sağlanmıştır. Uzun zamanlı gaz üretim miktarlarının tahminindeki belirsizlikler ve bu belirsizliklerin sistem verimine etkileri nedeniyle gaz akım modelinde farklı gaz üretim hızlan uygulanmıştır. Ayrıca saha ve laboratuvar verileri kullanılarak çöpün ve toprak örtüsünün farklı hava geçirgenlik değerleri hesaplanmış ve bu değerler gaz toplama kuyularının veriminin değerlendirilmesinde, kuyulardaki gaz yüzdelerinin bulunmasında, ve optimum gaz çekiş hızlarının belirlenmesinde kullanılmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, gaz toplama sisteminin verimi gaz üretim miktarlanndaki belirsizlikten çok fazla etkilenmektedir. Toprak örtüsünün ve çöpün hava geçirgenlik değerlerindeki belirsizliğin ise sistemin performansını pek fazla etkilemediği görülmüştür. Ayrıca model sonuçlarına göre, gaz toplama kuyulanndaki gaz çekiş hızlannın yıllara göre azaltılması hem çöp gazının büyük çoğunluğunun toplanabilmesini hem de kuyulara hava girişinin azaltılmasını sağlar. Son olarak, kuyu sayışım yanya indirerek gerçekleştirilen bir çalışmada toplanan gaz miktarlarının çok fazla değişmediği görülmüştür bu da şu anki gaz toplama sisteminde gereğinden fazla kuyu bulunduğunu gösterir.

IV ABSTRACT Sanitary landfilling is widely recognized as an economic and viable solution for the disposal of municipal and industrial solid wastes. A key problem associated with the storage of any waste material in a landfill is the generation of landfill gases and the potential hazards associated with their migration and emission into the atmosphere. Consequently, a critical component of landfill design and management is the ability to evaluate the potential generation of landfill gases and the viability of collecting these gases for energy recovery. The purpose of this study is to evaluate the potential energy recovery from the Kemerburgaz (Hasdal) uncontrolled waste disposal site, one of the biggest and oldest landfills in Istanbul, Turkey. Since the closure of the site in 1998, several rehabilitation studies have been initiated, one of which is the energy recovery from the solid waste by collecting landfill gas and using it for electricity generation. Based on this study a gas collection system was constructed. In this study, a numerical model was developed for the evaluation of the recently constructed gas collection system. Two modeling approaches were employed. In the first approach a deterministic gas flow model was used based on the best estimates of the permeability and gas generation rates. In the second modeling approach a probabilistic flow model was developed. The probabilistic model considers the effect of uncertainty in the definition of the input parameters. Each of these modeling efforts consists of two components: (i) a landfill gas generation model that takes into account the composition, amount and age of the waste, and (ii) a gas flow model based on the MODAIR computer program. The flow parameters needed in the model include the air permeability of the waste and existing soil cover. Pumping tests, which were performed in 1999, were analyzed to determine the air permeability in the solid waste. The air permeability of the soil cover was calculated empirically by using laboratory tests conducted on a number of soil samples collected from the site.The deterministic gas flow model, which is based on best estimates of the input parameters, provides most likely estimates or predictions on the rate of gas that will be collected. The statistical approach on the other hand provide:; a measure of the uncertainty in the model predictions. Because of the limited amount of information and the heterogeneous nature of the waste and its air flow and transport properties, the model input parameters are generally associated with a high level of uncertainty. To account for this uncertainty, the model is formulated in a probabilistic framework. Specifically, the statistical approach accounts for uncertainty of three key parameters: the gas generation rate, the waste air permeability and the soil cover air permeability. Monte Carlo simulations are used to assess the impact of the uncertainty of these parameters on the efficiency of the gas collection system. Several empirical gas generation models are used to estimate the time-dependent gas generation rates from the waste. Gas generation data collected in the field studies are used to calibrate these models. Because of the inherent uncertainty in the prediction of long-term gas generation rates and their impact on the efficiency of the system, a range of potential generation rates are considered in the gas flow model. Furthermore, based on the available field and laboratory data, a range of possible permeability values for the waste and soil cover are randomly generated. These values are used to evaluate the efficiency of the recently constructed gas collection system, predict the percent of gas at extraction wells, and determine the optimum extraction rates that should be applied at the wells. The results of this study indicate that the efficiency of the gas collection system is strongly influenced by the uncertainty in the gas generation rate. The uncertainty in the soil cover and waste permeability on the other hand does not significantly affect the performance of the system. Furthermore, the modelling results indicate that the existing collection system with gas extraction rates that decrease with time is sufficient to collect most of the generated gas and at the same time minimizing the amount of captured air. Finally, the modeling results indicate that the constructed gas collection system has a relatively high level of redundancy; reducing the number of wells to half would not significantly affect the rate of gas collected.