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A FEM simulation of transport and conversion processes in landfills using a multiphase model based on the theory of porous media

Markus Robeck

ISBN 10: 3844014713 / ISBN 13: 9783844014716
Published by Shaker Verlag Nov 2012, 2012
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Neuware - Weltweit betrachtet ist die Deponierung von Abfällen die verbreiteteste Art, Abfälle zu entsorgen. Das damit verbundene Gefährdungspotenzial für die Umwelt bleibt auch nach der Ablagerungsphase bei einer zeitlich sukzessiv sinkenden Intensität der ablaufenden Deponieprozesse über Jahrzehnte erhalten. Insbesondere das durch Mikroorganismen aus den organischen Abfallanteilen gebildete Deponiegas mit seinen beiden Hauptbestandteilen Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) führt bei unkontrollierten Emissionen neben einem explosiven Gefährdungspotenzial (CH4) zu einer Beschleunigung des anthropogen bedingten Klimawandels. Darüber hinaus kann das bei der Deponierung entstehende Sickerwasser zur Kontamination des anstehenden Bodens und des Grundwassers führen. Eine Abschätzung des Langzeitverhaltens einer Deponie in Bezug auf die Sickerwassermengen, den Abbau der organischen Substanz, die daraus resultierende Gasproduktion und den damit verbundenen Setzungen ist für Planer, Deponiebetreiber und Abfallbehörden u.a. zur Dimensionierung und Genehmigung von Anlagenteilen, sowie zur Einschätzung der Dauer der Nachsorgephase und des Gefährdungspotenzials unerlässlich. Als Hilfsmittel werden dafür häufig Prognosemodelle verwendet. Viele der existierenden Modelle sind jedoch nicht in der Lage, die stark miteinander gekoppelten Prozesse innerhalb einer Deponie adäquat zu beschreiben, sowie zeitlich und räumlich abzubilden. Aus dieser Motivation heraus wurde ein Deponiemodell basierend auf der Theorie poröser Medien für Mehrphasensysteme entwickelt. Dabei werden die gekoppelten Transport- und Umsetzungsprozesse innerhalb einer Deponie durch mathematisch gekoppelte Differentialgleichungen beschrieben, die mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) numerisch gelöst werden. Das entwickelte Deponiemodell erlaubt damit eine zeitliche und räumliche (3-D) Darstellung der gekoppelten Deponieprozesse in Bezug auf die Entwicklung des vorhandenen Organikgehalts, der Abbaurate, der Temperatur, der Dichte des Abfallgemisches, der Setzungen und der Gasentwicklung. Hierbei werden die Einflüsse der Deponiegenese und -geometrie berücksichtigt. Die lokale Berechnung der Gasbildungsrate, des Gasdruckes und der daraus resultierenden Gasströmung zu jedem Zeitschritt ermöglicht eine Simulation der diffus über die Deponieoberfläche austretenden Gasemissionen. Bei der zusätzlichen Berücksichtigung eines mit Unterdruck betriebenen Gaserfassungssystems ist mit Hilfe des Simulationsmodells eine Optimierung des aktiven Gaserfassungssystems durch die Identifizierung von über- und untersaugten Deponiebereichen möglich. Die vorliegende Arbeit zeigt den theoretischen Hintergrund des entwickelten Deponiemodells mit den aufgestellten Feldgleichungen (Konzept der Volumenanteile, Saturierungsbedingung, Massen-, Impuls-, Drall- und Energiebilanz), den zur Schließung des Gleichungssystems erforderlichen konstitutiven Materialgleichungen (einschließlich der Auswertung der Entropieungleichung für einen thermodynamisch konsistenten Modelansatz), sowie die numerische Aufbereitung der Gleichungen zur Implementierung in das 'Finite Element Analysis Program' FEAP. Durch die Identifizierung und Bestimmung der erforderlichen physikalischen und chemischen Materialparameter der einzelnen Konstituierenden kann ein realistisches Materialverhalten des Abfallgemisches unter Deponiebedingungen simuliert werden, wobei sich der Einfluss einzelner Materialparameter auf das Simulationsergebnis anhand der durchgeführten Sensitivitätsanalyse erkennen lässt. Die Validierung des Modells erfolgte u.a. durch die Simulation der Deponieprozesse einer in den 80er und 90er Jahren errichteten bzw. betriebenen Siedlungsabfalldeponie und dem anschließenden Vergleich der Simulationsergebnisse mit vorhandenen Messdaten. 224 pp. Englisch. Bookseller Inventory # 9783844014716

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Title: A FEM simulation of transport and conversion...

Publisher: Shaker Verlag Nov 2012

Publication Date: 2012

Binding: Buch

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