Description of limit and failure states for biological methane oxidation in landfills: experimental investigation, chemical analysis, mechanical modeling and computational simulation

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Tim Ricken; Professor Dr. Torsten Schmidt; Professor Dr.-Ing. Renatus Widmann
• Subject Area: Applied Mechanics, Statics and Dynamics ; Mechanics
• Term: from 2010 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 172064034

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Durch das interdisziplinäre Projekt wurde ein neuartiger und zukunftsträchtiger Ansatz zur Beschreibung der biologischen Methanoxidation in Deponieabdeckschichten realisiert. Die Aktivität der methanogenen Bakterien konnte in Abhängigkeit gängiger Prozessparameter per Respiration in Suspensionskulturen gemessen werden. Ein Bodenschnittkörper wurde entwickelt, so dass per Thermographie die aktive Bodenzone ermittelt werden konnte. In dem Bodenkörper können alle möglichen Lastfälle simuliert werden. Die Evaluation des biologischen Abbaus konnte mit Hilfe der Analytik stabiler Isotope (13C) erreicht werden. Eigens dazu wurden die entsprechenden Anreicherungsfaktoren entwickelt und verwendet. Mit einem thermodynamisch konsistenten Modell wurden die Massen (Methan, Sauerstoff, Kohlendioxid) und die Temperatur in Abhängigkeit von der Höhe im Bodenschnittkörper dargestellt.

Publications

• Phase transition in methane oxidation layers – a coupled FE multiphase description, PAMM – Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 12 (1), 371 – 372
  Sindern, A., Ricken, T., Bluhm, J., Denecke, M., Schmidt, T. C.
  
• A coupled multi-component approach for bacterial methane oxidation in landfill cover layers, PAMM – Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 14 (1), 469 – 470
  Sindern, A., Ricken, T., Bluhm, J., Widmann, R., Denecke, M.
  
• Bacterial methane oxidation in landfill cover layers – a coupled FE multiphase description, PAMM – Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 13 (1), 193 – 194
  Sindern, A., Ricken, T., Bluhm, J., Widmann, R., Denecke, M.
  
• Concentration driven phase transitions in multiphase porous media with application to methane oxidation in landfill cover layers, ZAMM – Journal of Applied Mathematics and Mechanics 94 (2014), 609 – 622
  Ricken, T., Sindern, A., Bluhm, J., Widmann, R., Denecke, M., Gehrke, T., Schmidt, T. C.
  
• Biologischer Methanabbau in flüssigen Filtermedien zur Steigerung der Raumleistung von Deponiegasbehandlungsanlagen, Tagungsband: 5. Wissenschaftskongress Abfall- und Ressourcenwirtschaft, 19-20 März 2015, ISBN 978-3-902936-66-0
  Gehrke, T., Möller, J.; Denecke, M.
  
• Validation of a coupled FE-model for the simulation of methane oxidation via thermal imaging, PAMM – Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 15 (1), 433 – 434
  Thom, A., Ricken, T., Bluhm, J., Widmann, R., Denecke, M., Gehrke, T.
  
• Characterization of methane oxidation in a simulated landfill cover system by comparing molecular and stable isotope mass balances. Waste Manag. 69 (2017), 281-288
  Schulte, M., Jochmann, M. A. , Gehrke, T., Thom, A., Ricken, T., Denecke, M., Schmidt, T. C.
  
• Carbon Isotopic fractionation via diffusion in a coarse material. Geochemistry, Geophysics, Geosystems 19 (2018), 3246-3253
  Schulte, M., Jochmann, M. A., Gehrke, T., Denecke, M., Schmidt, T. C.
  
• Numerical investigations of diffusion coefficients in the context of multicomponent das transport within the Theory of Porous Media, PAMM – Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, 18 (1), e20180046
  Thom, A., Ricken, T., Kossler M., Gehrke, T., Denecke, M., Widmann, R., Schulte, M., Schmidt, T. C.
  
• A centrifuge tube reactor for the determination of bacterial methane oxidation enrichment factors without influence of diffusion related isotope fractionation. Sci. Tot. Environ. 659 (2019), 1382-1386
  Schulte, M., Jochmann, M. A., Wolbert, J.-B., Gehrke, T., Schmidt, T. C.