Beschreibung von Grenz- und Versagenszuständen der biologischen Methanoxidation in Deponien: experimentelle Untersuchung, chemische Analyse, mechanische Modellierung und numerische Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tim Ricken; Professor Dr. Torsten Schmidt; Professor Dr.-Ing. Renatus Widmann
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172064034

Die organischen Bestandteile in Siedlungsabfalldeponien werden im Laufe der Zeit bakteriell zersetzt, wobei Deponiegas (40% Kohlendioxid und 60% Methan) entsteht. Das Deponiegas kann, falls keine Erfassungssysteme vorhanden sind, frei in die Atmosphäre emittieren. Dabei ist besonders das Methan ein äußerst aggressives Treibhausgas und belastet die Atmosphäre 23mal stärker als Kohlendioxid. Politik, Wissenschaft und Industrie suchen daher nach Möglichkeiten, die Emissionen dauerhaft zu unterbinden. Zur Reduzierung der Emissionen werden Deponien zunächst aktiv über Gasbrunnen abgesaugt und das gewonnene Deponiegas wird verstromt. Offen bleibt eine Lösung für die Zeit, ab der die Methangasfracht aufgrund abnehmender biologischer Aktivität sinkt.Dieser unter dem Begriff passive Nachsorgephase bekannte Zeitraum kann 100 und mehr Jahre umfassen und stellt die Beteiligten vor ein Dilemma: Einerseits ist die aktive Absaugung des Deponiegases mittels Gasbrunnen über Jahrzehnte finanziell wie technisch äußerst aufwendig, andererseits sind die umweltbelastenden Emissionen aufgrund der langen Zeitspanne enorm und eine ungeregelte Abfuhr in die Atmosphäre gesellschaftlich nicht verantwortbar. Hieraus leitet sich die Notwendigkeit ab, ein Verfahren zur Emissionsbehandlung für die passive Nachsorgephase zu entwickeln, welches i) wirtschaftlich tragbar ii) technisch realisierbar und iii) ausreichend sicher gegen Versagen ist. Die Methanoxidationsschicht ist eine vielversprechende Möglichkeit, die beiden erstgenannten Forderungen zu erfüllen. Bei diesem Verfahren wandeln methanotrophe Bakterien das in die Abdeckschicht strömende Methan in das weniger treibhauswirksame Kohlendioxid und Wasser um.Offen bleibt die Frage, ob die Leistungsfähigkeit der Oxidationsschicht ausreichend ist, um das anströmende Deponiegas vollständig umzuwandeln. Zusätzlich kann die Oxidationsleistung durch äußere Randbedingungen wie Temperatur, Substratgehalte oder Feuchtigkeit stark vermindert bis vollständig zum Erliegen gebracht werden.Deshalb ist es das Ziel des Forschungsprojekts, die grundlegenden biologisch-chemische gekoppelten Diffusions-Konvektions-Reaktions-Prozesse in Methanoxidationsschichten zu verstehen und vorhersagen zu können. Nachdem in der ersten Förderperiode die Funktionsweise unter Normalbedingungen experimentell untersucht, modelltechnisch im Rahmen eines gekoppelten Mehrphasen-Mehrkomponenten-Ansatzes beschrieben und schließlich rechnergestützt im Rahmen der FEM simuliert wurde, soll in der zweiten Förderperiode der Fokus auf Grenz- und Versagenszustände gelegt werden. Grenz- und Versagenszustände bedeuten, dass die Bakterien längeren Hungerperioden (Entzug ihres Substrats Methan), extremer Hitze oder Kälte, andauernden Regen oder Trockenheit ausgesetzt sind. Der Kern der Untersuchung ist die Beantwortung der Frage, ob und wie schnell sich die Methanoxidationsschicht nach Extremsituationen erholt und welche Leistungsfähigkeit sie danach besitzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr.-Ing. Joachim Bluhm; Professor Dr. Martin Denecke