Metaanin muodostumisen mallintaminen kaatopaikalla

Methane-rich landfill gas is generated when biodegradable organic wastes disposed of in landfills decompose under anaerobic conditions. Methane is a significant greenhouse gas, and landfills are its major source in Finland. Methane production in landfill depends on many factors such as the composition of waste and landfill conditions, and it can vary a lot temporally and spatially. Methane generation from waste can be estimated with various models. In this thesis three spreadsheet applications, a reaction equation and a triangular model for estimating the gas generation were introduced. The spreadsheet models introduced are IPCC Waste Model (2006), Metaanilaskentamalli by Jouko Petäjä of Finnish Environment Institute and LandGEM (3.02) of U.S. Environmental Protection Agency. All these are based on the first order decay (FOD) method. Gas recovery methods and gas emission measurements were also examined. Vertical wells and horizontal trenches are the most commonly used gas collection systems. Emission measurements chamber method, tracer method, soil core and isotope measurements, micrometeorological mass-balance and eddy covariance methods and gas measuring FID-technology were discussed. Methane production at Ämmässuo landfill of HSY Helsinki Region Environmental Services Authority was estimated with methane generation models and the results were compared with the volumes of collected gas. All spreadsheet models underestimated the methane generation at some point. LandGEM with default parameters and Metaanilaskentamalli with modified parameters corresponded best with the gas recovery numbers. Reason for the differences between evaluated and collected volumes could be e.g. that the parameter values of the degradable organic carbon (DOC) and the fraction of decomposable degradable organic carbon (DOCf) do not represent the real values well enough. Notable uncertainty is associated with the modelling results and model parameters. However, no simple explanation for the discovered differences can be given within this thesis.

Kaatopaikalle sijoitetuttujen orgaanisesti hajoavien jätteiden anaerobisessa hajoamisessa syntyy runsaasti metaania sisältävää kaatopaikkakaasua. Metaani on merkittävä kasvihuonekaasu, ja kaatopaikat ovat sen suurin lähde Suomessa. Metaanin muodostuminen kaatopaikalla riippuu monesta seikasta, kuten jätteen koostumuksesta ja kaatopaikalla vallitsevista olosuhteista, ja se voi vaihdella runsaasti sekä eri aikoina että kaatopaikan eri osissa. Jätteistä muodostuvan metaanin määrää voidaan arvioida erilaisilla malleilla. Työssä esiteltiin muodostumismalleista kolme taulukkolaskentasovellusta, metaanin muodostumisen reaktioyhtälö sekä kolmiomalli. Esitellyt taulukkolaskentamallit ovat IPCC:n Waste Model (2006), Suomen Ympäristökeskuksen Jouko Petäjän Metaanilaskentamalli sekä Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto U.S. EPA:n LandGEM (3.02). Kaikki ne perustuvat ensimmäisen asteen hajoamisyhtälöön pohjaavaan FOD-menetelmään. Mallien lisäksi työssä perehdyttiin kaasunkeräys- ja kaasupäästöjen mittausmenetelmiin. Tavallisimmat kaasunkeräysmenetelmät ovat vertikaaliset imukaivot ja horisontaaliset salaojaputket. Kaasupäästöjen mittausmenetelmistä esiteltiin kammiomittaukset, merkkiainemenetelmä, maaperän kairanäyte- ja isotooppimittaus, mikrometeorologisista mittauksista massatase- ja kovarianssimenetelmät ja sekä kaasun mittaustekniikoista FID-mittaus. Metaanin muodostumismalleja käytettiin HSY Ämmässuon vanhan kaatopaikan metaanin muodostumisen arviointiin. Metaanilaskentamallilla ja LandGEMillä tehtiin kaksi ja Waste Modelilla yksi mallinnus. Saatuja tuloksia verrattiin kerättyihin kaasumääriin. Kaikki taulukkolaskentamallit aliarvioivat metaanin tuoton ainakin ajoittain. Parhaiten kerättyjä määriä vastasivat LandGEMillä mallin oletusarvoilla ja Metaanilaskentamallilla muokatuilla parametreillä lasketut tulokset. Syitä tulosten eroihin voivat olla esimerkiksi todellisuutta huonosti vastaavat arvot jätteen sisältämän orgaanisesti hajoamiskelpoisen hiilen (DOC) ja siitä hajoavan osuuden (DOCf) arvoissa. Mallien antamiin tuloksiin ja niiden parametreihin liittyy huomattavaa epävarmuutta. Yksiselitteistä vastausta havaittuihin eroihin ei tämän työn puitteissa voida antaa.