Temporal and spatial variability of soil gas transport parameters, soil gas composition and gas fluxes in methane oxidation systems: Dissertaion, Universät Hamburg, Fachbereich Geowissenschaften

Hamburg

2017

166 S.

Bandaufführung

13207

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In dieser Studie wurde die räumliche und zeitliche Variabilität von Gastransportparametern, der Bodengaszusammensetzung, der Gasflüsse und der Oxidationseffizienz in einem Methanoxidationssystem auf einer Deponie untersucht. Die Arbeit besteht aus drei Teilen: (1) einem Laborversuch zu Gasdiffusions- und Konvektionsparametern speziell bei niedrigen Wasserspannungen; (2) einer Fallstudie zu den Eigenschaften und der Entstehung eines Hotspots auf der Abdeckschicht einer Altablagerung; (3) einer Feldstudie an einem großmaßstäbigen Methanoxidations- Testfeldes an dem die Leistungsfähigkeit und die Variabilität der Flüsse in einem solchen System unter realen Bedingung untersucht wurden. (1) Im Labor wurden die bestimmenden Parameter für diffusiven und konvektiven Gasfluss durch einen sandigen und einen lehmigen Boden aus Deponieabdeckschichten bestimmt. Die Messungen wurden bei Wasserspannungen zwischen 2 kPa und 30 kPa durchgeführt. Für die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten (Deff) und der Permeabilität (kgas) wurde eine Diffusionsmesskammer mit einer Kammer entwickelt, mit der Diffusion an ungestörten 100 cm3 Bodenproben gemessen werden konnte. Die Gasleitfähigkeit wurde an denselben Proben mittels eines Druckabbauversuchs ermittelt. Die ermittelten Diffusionskoeffizienten zeigten eine gute Übereinstimmung mit bestehenden Modellen, während die Permeabilität nicht durch eine mathematische Funktion mit hinreichender statistischer Signifikanz beschreibbar war. Flussszenarien wurden für eine Reihe von real möglichen Druck- und Konzentrationsgradienten berechnet. Die Diffusivität wurde hierbei erheblich stärker vom steigenden Gehalt an Bodenfeuchtigkeit beeinträchtigt als die Permeabilität. Letztere blieb relativ konstant über den Wasserspannungsbereich des Versuchs. Die potentiellen konvektiven Flüsse überstiegen schon bei sehr geringen Druckgradienten von nur 1 Pa die potentiellen diffusiven Flüsse. Folglich würden konvektive Flüsse dominieren, besonders bei hoher Bodenfeuchte. Die Ergebnisse betonen die Bedeutung der Grobporen > 1 mm als bestimmend für den konvektiven Gastransport. Da diese Poren normalerweise sekundäre Makroporen sind ist von einer heterogenen, zufälligen Verteilung auszugehen womit die räumliche Variabilität dieser präferentiellen Fließwege hoch und die Vorhersagbarkeit gering wird.In this study temporal and spatial variability of soil gas transport parameters, soil gas composition, fluxes and oxidation efficiency in landfill methane oxidation systems were examined. The work consists of three parts: (1) A laboratory experiment on gas diffusion and gas permeability, exploring gas transport parameters at low water tensions; (2) A case study on properties and genesis of and gas migration through the cover soil at an emission hotspot on an old landfill; (3) A field study of a large scale methane oxidation test field, examining performance and variability of fluxes of such systems in real size application. (1) Gas transport parameters for advective and diffusive flux were determined in the laboratory for a sandy and a loamy landfill cover soil. Measurements were carried out at water tensions between 2 kPa and 30 kPa. For the determination of diffusion coefficients (Deff) and gas conductivity (kgas) a single chamber apparatus was constructed, by means of which diffusion through undisturbed soil samples, retrieved using 100 cm3 core cutters, could be observed. Gas conductivity was determined on the same samples in a pressure loss experiment. For diffusion coefficients a good accordance with existing models was found while gas permeability could not be described by a mathematical function at an adequate statistical level of significance. Field flux scenarios were calculated for a range of concentration and pressure gradients. Potential advective fluxes exceeded the potential diffusive fluxes already at pressure gradients as low as 1 Pa. Deff was reduced much stronger from increasing soil moisture than kgas. Hence, advective flux would theoretically dominate over diffusive flux already at very low driving pressure gradients especially in wet soils. The gas conductivity did not change a lot with drying of the samples. This emphasized the importance of the very coarse macro pores > 1 mm diameter as determining feature for advective gas fluxes. As these (usually secondary macropores) are a heterogeneous, randomly distributed feature, the spatial heterogeneity is high and the predictability is low. (2) A case study was carried out on the cover soil at a methane point source (hotspot) on an