Design of passive methane oxidation biosystems considering their response to the presence of capillary barrier effect

La construction des biosystèmes d’oxydation passive du méthane (BOPM) est une option économique et durable pour réduire les émissions de méthane des sites d’enfouissement de déchets et des effets subséquents du réchauffement climatique. Les BOPM sont constitués de deux couches principales: la couche d'oxydation du méthane (MOL) et la couche de distribution du gaz (GDL). L'oxydation du méthane se produit dans la MOL par les réactions biochimiques des bactéries méthanotrophes, et la GDL est construite sous la MOL pour intercepter et distribuer les émissions fugitives de biogaz à la base de la MOL. Fondamentalement, l'efficacité d'un BOPM est définie en fonction de l'efficacité d'oxydation du méthane dans la MOL. Par conséquent, il est indispensable de fournir des conditions adéquates pour les activités bactériennes des méthanotrophes. En plus des paramètres environnementaux, l'intensité et la distribution du biogaz influencent l'efficacité des BOPM, et ils peuvent rendre le matériau de la MOL - avec une grande capacité d'accueillir les activités bactériennes - inutilisables en termes d'oxydation du méthane sur place. L'effet de barrière capillaire le long de l'interface entre la GDL et la MOL peut provoquer des émissions localisées de méthane, due à la restriction ou la distribution non uniforme de l’écoulement ascendant du biogaz à la base de la MOL. L'objectif principal de cette étude est d'incorporer le comportement hydraulique non saturé des BOPM dans la conception des BOPM, afin d’assurer la facilité et la distribution adéquates de l'écoulement du biogaz à la base de la MOL. Les fonctions de perméabilité à l'air des matériaux utilisés pour construire la MOL des BOPM expérimentaux au site d’enfouissement des déchets de St Nicéphore (Québec, Canada), ainsi que celles d'autres de la littérature technique, ont été étudiés pour évaluer le comportement d'écoulement non saturé du gaz dans les matériaux et pour identifier le seuil de migration sans restriction du gaz. Ce dernier seuil a été introduit en tant que un paramètre de conception avec lequel le critère de conception recommandé ici, c’est à dire la longueur de la migration sans restriction de gaz (LMSG), a été défini. La LMSG est considérée comme la longueur le long de l'interface entre la GDL et la MOL où le biogaz peut migrer à travers la MOL sans restriction. En réalisant des simulations numériques avec SEEP/W, les effets de la pente de l'interface, des paramètres définissant la courbe de rétention d'eau, de la fonction de la conductivité hydraulique du matériau de la MOL sur la valeur de la LMSG (représentant la facilité d'écoulement du biogaz à l'interface) et de la distribution de l'humidité (et par conséquent celle du biogaz) ont été évalués. Selon les résultats des simulations, la conductivité hydraulique saturée et la distribution des tailles de pores du matériau de la MOL sont les paramètres les plus importants sur la distribution de l'humidité le long de l'interface. Ce dernier paramètre influe également sur la valeur du degré de saturation et donc la facilité du biogaz à la base de la MOL. La densité sèche du matériau de MOL est un autre paramètre qui contrôle la facilité d'écoulement ascendant du biogaz. Les limitations principales de la présente étude sont associées au nombre de matériaux de MOL testés et à l'incapacité de SEEP/W de considérer l'évapotranspiration. Toutefois, compte tenu des hypothèses raisonnables dans les simulations et en utilisant les données de la littérature, on a essayé de réduire ces limitations. En utilisant les résultats des expériences et des simulations numériques, des étapes et des considérations de conception pour la sélection du matériau de MOL et de la pente d'interface ont été proposées. En effet,le comportement hydraulique non saturé des matériaux serait intégré dans les nécessités de conception pour un BOPM efficace, de sorte que la capacité maximale possible d'oxydation du méthane du matériau de la MOL soit exploitée.

Assessment of a data-limited, multi-species shark fishery in the Great Barrier Reef Marine Park and south-east Queensland

The status of five species of commercially exploited sharks within the Great Barrier Reef Marine Park (GBRMP) and south-east Queensland was assessed using a data-limited approach. Annual harvest rate, U, estimated empirically from tagging between 2011 and 2013, was compared with an analytically-derived proxy for optimal equilibrium harvest rate, UMSY Lim. Median estimates of U for three principal retained species, Australian blacktip shark, Carcharhinus tilstoni, spot-tail shark, Carcharhinus sorrah, and spinner shark, Carcharhinus brevipinna, were 0.10, 0.06 and 0.07 year-1, respectively. Median U for two retained, non-target species, pigeye shark, Carcharhinus amboinensis and Australian sharpnose shark, Rhizoprionodon taylori, were 0.27 and 0.01 year-1, respectively. For all species except the Australian blacktip the median ratio of U/UMSY Lim was <1. The high vulnerability of this species to fishing combined with life history characteristics meant UMSY Lim was low (0.04-0.07 year-1) and that U/UMSY Lim was likely to be > 1. Harvest of the Australian blacktip shark above UMSY could place this species at a greater risk of localised depletion in parts of the GBRMP. Results of the study indicated that much higher catches, and presumably higher U, during the early 2000s were likely unsustainable. The unexpectedly high level of U on the pigeye shark indicated that output-based management controls may not have been effective in reducing harvest levels on all species, particularly those caught incidentally by other fishing sectors including the recreational sector. © 2016 Elsevier B.V.

The structural and mechanical integrity of historic wood

Little is known about historic wood as it ages naturally. Instead, most studies focus on biological decay, as it is often assumed that wood remains otherwise stable with age. This PhD project was organised by Historic Scotland and the University of Glasgow to investigate the natural chemical and physical aging of wood. The natural aging of wood was a concern for Historic Scotland as traditional timber replacement is the standard form of repair used in wooden cultural heritage; replacing rotten timber with new timber of the same species. The project was set up to look at what differences could exist both chemically and physically between old and new wood, which could put unforeseen stress on the joint between them. Through Historic Scotland it was possible to work with genuine historic wood from two species, Oak and Scots pine, both from the 1500’s, rather than relying on artificial aging. Artificial aging of wood is still a debated topic, with consideration given to whether it is truly mimicking the aging process or just damaging the wood cells. The chemical stability of wood was investigated using Fourier-transform infrared (FTIR) microscopy, as well as wet chemistry methods including a test for soluble sugars from the possible breakdown of the wood polymers. The physical properties assessed included using a tensile testing machine to uncover possible differences in mechanical properties. An environmental chamber was used to test the reaction to moisture of wood of different ages, as moisture is the most damaging aspect of the environment to wooden cultural objects. The project uncovered several differences, both physical and chemical, between the modern and historic wood which could affect the success of traditional ‘like for like’ repairs. Both oak and pine lost acetyl groups, over historic time, from their hemicellulose polymers. This chemical reaction releases acetic acid, which had no effect on the historic oak but was associated with reduced stiffness in historic pine, probably due to degradation of the hemicellulose polymers by acid hydrolysis. The stiffness of historic oak and pine was also reduced by decay. Visible pest decay led to loss of wood density but there was evidence that fungal decay, extending beyond what was visible, degraded the S2 layer of the pine cell walls, reducing the stiffness of the wood by depleting the cellulose microfibrils most aligned with the grain. Fungal decay of polysaccharides in pine wood left behind sugars that attracted increased levels of moisture. The degradation of essential polymers in the wood structure due to age had different impacts on the two species of wood, and raised questions concerning both the mechanism of aging of wood and the ways in which traditional repairs are implemented, especially in Scots pine. These repairs need to be done with more care and precision, especially in choosing new timber to match the old. Within this project a quantitative method of measuring the microfibril angle (MFA) of wood using polarised Fourier transform infrared (FTIR) microscopy has been developed, allowing the MFA of both new and historic pine to be measured. This provides some of the information needed for a more specific match when selecting replacement timbers for historic buildings.