Variabilität von Gasflüssen auf verschiedenen räumlichen Skalenebenen in einer als Methanoxidationsschicht ausgeführten Deponie-Abdeckschicht

Abstract

Methanemissionen aus Deponien stellen eine beeinflussbare Quelle für klimarelevante Gase dar. Die vorliegende Arbeit untersucht im Rahmen des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekts MiMethox – „Mikrobielle Methanoxidation in Deponie-Abdeckschichten“ Methan-, Kohlendioxid-, Sauerstoff- und Stickstoff-Flüsse und Einflussfaktoren auf diese Flüsse in einer als Methanoxidationsschicht ausgeführten Deponie-Abdeckschicht über einen Zeitraum von April bis Juli zur Mithilfe der Entwicklung von optimierten methanoxidierenden Abdeckschichten, der Entwicklung von Monitoring- und Quantifizierungsstrategien und der Bereitstellung der Ergebnisse für die Praxis. Dadurch soll einer Minimierung der anthropogenen Methanemissionen erreicht. Im Rahmen des Projektes wurde ein nach unten abgedichtetes angelegtes Testfeld von unten durch die Methanoxidationsschicht nach oben mit einer bekannten und steuerbaren Deponiegasfracht aktiv beaufschlagt. Diese Fracht und die im Zusammenhang stehende erfolgte Methanoxidation wurden über Gas-Verhältnisse der Emissionen und der Bodengaskonzentrationen berechnet. Eine Analyse erfolgte nach räumlichen und zeitlichen Aspekten im Rahmen des Untersuchungszeitraumes von April bis Juli 2013. Die Variabilität der Bodengaskonzentrationen und der Gasemissionen wird auf unterschiedlich großen räumlichen Skalenebenen der Methanoxidationsschicht mit Hilfe einer zunehmenden Anzahl von Bodengaslanzen und Emissionsmessungen untersucht. Eine zunehmende Variabilität mit zunehmender Skalenebenengröße wurde u. a. durch eine Zunahme der Variabilitätskoeffizienten und einem interpolierten Vergleich der Bodengaskonzentrationen entsprochen. Die Bodengaskonzentrationen unterscheiden sich signifikant zwischen Ober- und Unterhang. Die Emissionen treten über das gesamte Testfeld über beide Skalenebenen inhomogen aus. Die bisherigen Untersuchungen zeigen erhöhte Emissionen im Oberhangbereich, woraufhin eine räumlich inhomogene Befrachtung der Methanoxidationsschicht nach den räumlichen Mustern der Bodengaskonzentrationen zum Oberhang hin geprüft und bestätigt wurde. Die Variabilität der Methanfracht und -oxidation ändert sich je untersuchte(m/r) Feld und Skalenebene. Die räumlichen Muster der Bodengaskonzentrationen und –emissionen variieren zwischen den Messterminen. Das Emissionsverhalten einer Deponie kann nicht anhand von einer einzelnen Messkampagne erfasst werden. Bodeneigenschaften wie der Eindringwiderstand, Bodenfeuchte und –temperatur werden zur Erläuterung der vorliegenden Variabilität mit herangezogen. Ein Zusammenhang konnte aber nicht bestätigt werden. Um die Gasflüsse in einer als Methanoxidationsschicht ausgeführten Deponie-Abdeckschicht noch besser verstehen zu können, sind im Hinblick auf die Einflüsse Umgebungsparameter weitere Untersuchungen zu empfehlen. Besonders die Kartierung und Verteilung von Eindringwiderständen in die Methanoxidationsschicht und die Verteilung des Wassergehaltes scheinen einen großen Einfluss auf die Verteilung der Gasemissionen und –konzentrationen zu haben.

Methane emissions from landfills represent a manageable source of greenhouse gases. The present thesis, funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) funded project MiMethox – “Microbial methane oxidation in landfill cover layers " investigates methane-, carbon dioxide- , oxygen- and nitrogen- flows as well as factors influencing these flows in an methane-oxidizing engineered landfill cover over a period from April to July to help optimizing methane-oxidizing cover layers, the development of monitoring and quantification strategies, and the provision of results for application. This aims at minimizing anthropogenic methane emissions and contributing to the climate protection. Within the project a downward sealed scale test field was actively applied from below through the methane oxidation layer upwards with a known and controllable landfill gas cargo. This cargo and related methane oxidation were calculated from ratios of the gas and the base gas emissions concentrations. An analysis was carried out with respect to spatial and temporal aspects in the context of the study period from April to July 2013. The variability of gas concentrations and gas emissions were analyzed at differently large spatial scale levels of the methane oxidation layer by an increasing number of gas lances and emission measurements. An increasing variability with increasing layer size scales has been confirmed through the comparison of the variation coefficients and interpolated pictures of the soil gas concentrations. The soil gas concentrations are significantly different between the upper and lower slope. The emissions occur inhomogeneous over the entire test field over both scale levels. Previous investigations showed increased emissions in the upper slope area. A spatially inhomogeneous cargo of methane to the oxidation layer has been tested and confirmed towards the upper slope. The variability of methane freight and oxidation varies depending the examined field and scale level. The spatial patterns of soil gas concentrations and emissions vary between the measurement dates. The emission behavior of a landfill cannot be assessed on the basis of a single measurement campaign. Soil properties such as penetration resistance, soil moisture and temperature are used to explain the present variability. However, a relationship could not be confirmed. In order to better understand gas flows in an engeneered methane oxidation landfill cover further investigation to the influences of environmental parameters is recommended. In particular, the analysis and the distribution of penetration resistances in the methane oxidation layer and the distribution of the water content appear to have an effect on the distribution of the gas emissions and the gas concentrations.