Altdeponie Kuhstedt. Karsten Hupe, Kai-Uwe Heyer, Astrid Koop, Rainer Stegmann

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1 Oberflächenabdichtungssysteme für emissionsarme Deponiekörper - Wasserhaushalt und Methanoxidation in den Dichtungssytemen der Versuchsfelder auf der Altdeponie Kuhstedt Karsten Hupe, Kai-Uwe Heyer, Astrid Koop, Rainer Stegmann - Ingenieurbüro für Abfallw irtschaft Prof. R. Stegmann und Partner Schellerdamm 19-21, 2179 Hamburg, Varianten der Oberflächenabdichtungen Aufbau und Ergebnisse aus 3 Versuchsfeldern Untersuchungsprogramm und Variationen: Elemente der Rekultivierungsschicht Schichtmächtigkeiten der Oberbodenschichten Kompostzugabemengen in den Oberbodenschichten Gestaltung und Materialauswahl der Unterbodenschichten Dichtungselemente Methanoxidation 1

2 Aufbau der Versuchsfelder - Querschnitt 1,5 m,5 m 8 m 2 m 8 m 2 m 8 m Bewuchs VF 1 VF 2 VF 3 E ros ionssc hutzmatte Ausgleichsschicht Abfallkörper 1 m 1 m 1 m Kunststoffdichtungsbahn (2,5 mm ) vorgefertigte Kunststoffdichtungsprofile (5mm) Kontrolldränagen (v ersuchstechnische),6 m Aufbau der Versuchsfelder - Längsschnitt,5 m 1,5 m,1 m Ausgleichsschicht Abfall 16 m 14 m Kunststoffdichtungsbahn (2,5 mm) vorgefertigte Kunststoffdichtungsprofile (5mm) Bewuchs Kiesverfüllung Erosi ons sc hutzmatte Dränagerohr mit A bl aufs tutz en Kontrolldränage (versuchstechnische) 2

3 Aufbau der Oberflächenabdichtungen im Vergleich Komponente/ Schicht Oberboden Unterboden Drainage Dichtung Versu chsfeld VF1 R1/D/M 3 cm Mutterboden 3% Kompostzugabe 12 cm g ering verdichteter sandiglehmiger Sch luff 2 cm Feinsand /1 3 cm toniger Schluff k f m/s Versu chsfeld VF2 R2/D/B 5 cm Mutterboden 2% Kompostzugabe 1 cm g ering verdichteter schluffiger Feinsand 2 cm Feinsand /1 Na-Bentonitmatte k f m/s Versu chsfeld VF3 R3/S/K 3 cm Mutterboden 2% Kompostzugabe sandig-lehmig er Schluff: 9 cm gering verdichtet 3 cm hoch verdichtet (Stausohle: k f 1,4 1-8 m/s) 3 cm Kapillarschicht Feinsand /1 15 cm Kapillarblo ck Kies 2/8, Rundkorn Versuchsfeld 1: Rekultiv ierungsschicht R1 + tonmineralische Dichtung Vegetation (Rollrasen + Sukzession) 3 cm 12 cm 2 cm 3 cm nfk: Vol.-% Rekultivierungsschicht Oberboden: Mutterboden mit Kompostzugabe (3%) Unterboden: sandig-lehmiger Schluff, unverdichtet Geotextil Drainageschicht (Feinsand) Geotextil tonmineralische Dichtung (k f m/s) Kontrolldrainage (versu chsfeld spezifisch) Kunststoffdichtungsbahn (versuchstechnisch) Ausgleich sschicht / Planum bestehender Deponiekörper 3

4 Versuchsfeld 2: Rekultiv ierungsschicht R2 + Bentonitmatte Vegetation (Rollrasen + Sukzession) 5 cm 1 cm 2 cm 2 cm nfk: Vol.-% Rekultivierungsschicht Oberboden: Mutterboden mit Kompostzugabe (2%) Unterboden: schluffiger Feinsand, unverdichtet Geotextil Drainageschicht (Feinsand) Na-Bentonitmatte (k f m/s) Kontrolldrainage (versu chsfeld spezifisch) Kunststoffdichtungsbahn (versuchstechnisch) Ausgleich sschicht / Planum bestehender Deponiekörper Versuchsfeld 3: Rekultiv ierungsschicht R3 + Kapillarsperre Vegetation (Rollrasen + Sukzession) 3 cm 9 cm 3 cm 3 cm 15 cm nfk: Vol.-% Rekultivierungsschicht Oberboden: Mutterboden mit Kompostzugabe (2%) Unterboden: sandig-lehmiger Schluff, unverdichtet Stausohle: sandig-lehmiger Schluff, verdichtet Geotextil Kapillarschicht (Feinsand) Geotextil (h ydrophob) Kapillarb lock (Kies 2-8 mm) Kunststoffdichtungsbahn (versuchstechnisch) Ausgleich sschicht / Planum bestehender Deponiekörper 4

5 Untersuchungsprogramm / Vergleich der Systeme Vergleich der Rekultivierungsschichten Abflüsse Bodenwassergehalte Wasserspannungen Dichtwirkung der Dichtungselemente Methanoxidation Wasserflüsse aus den Versuchsfeldern Zeitraum: August 21 Juni 27 Abflüsse [ mm ] ,59, , ,27 3,24 2,34 Niederschlagsmenge: 492 mm 46, ,47 556,47 VF1: mineralische Dichtung VF2: Bentonitmatte VF3: Kapillarsperre Si ckerwasserabfl uss Dränageabfluss Oberflächenabfluss 5

6 Rekultivierungsbilanz: August 21 bis Juni 27 Niederschlagsmenge: 4.9 mm (6-16 mm/a) Drainageabfluss: ca. 2.1 mm ca. 4% vom Niederschlag (1.55 mm in VF3 ca. 3% vom Niederschlag) Oberflächenabfluss: <,6 mm (< 5 mm in VF3) Wasserdurchbruch = Sickerw asserabfluss: 2 mm (ca. 55 mm in VF3 ca. 11% vom Niederschlag) Verdunstung: > 2.7 mm (ca. 6% des Niederschlages) (Wasserspeicherung vernachlässigbar) Ergebnisse entsprechen HELP-Berechnungen für diese Systeme und Niederschlagsregion (s.a. Ramke, 27) Abflüsse [ mm ] Wasserflüsse im Versuchsfeld 1 (Rekultivierungsschicht R1 + Drainschicht + mineralische Dichtung) Zeitraum: August 21 Juni Aug 1 Okt 1 Niederschlagssumme Oberflächenabfluss Dränageabfluss Sickerwasserabfluss Jan 2 Apr 2 Jul 2 Okt 2 Jan 3 Apr 3 Jul 3 Okt 3 Jan 4 Apr 4 Jul 4 Okt 4 Jan 5 Apr 5 Jul 5 Okt 5 Jan 6 Apr 6 Jul 6 Okt 6 Jan 7 Apr 7 Jul 7 6

7 Abflüsse [ mm ] Aug 1 Okt 1 Wasserflüsse im Versuchsfeld 2 (Rekultivierungsschicht R2 + Drainschicht + Bentonitmatte) Zeitraum: August 21 Juni 27 Niederschlagssumme Oberflächenabfluss Dränageabfluss Sickerwasserabfluss Jan 2 Apr 2 Jul 2 Okt 2 Jan 3 Ap r 3 J ul 3 Okt 3 Jan 4 Ap r 4 J ul 4 Okt 4 Jan 5 Ap r 5 Jul 5 Okt 5 Jan 6 Ap r 6 Jul 6 Okt 6 Jan 7 Ap r 7 Jul 7 Abflüsse [ mm ] Aug 1 Wasserflüsse im Versuchsfeld 3 (Rekultivierungsschicht R3 + Stausohle + Kapillarsperre) Zeitraum: August 21 Juni 27 Niederschlagssumme O berflächenabfluss Dränageabfluss Sickerwasserabfluss Okt 1 Jan 2 Apr 2 Jul 2 Okt 2 Jan 3 Apr 3 Jul 3 Okt 3 Jan 4 Apr 4 Jul 4 Okt 4 Jan 5 Apr 5 Jul 5 Okt 5 Jan 6 wiederholter Wasserdurchbruch im Untersuchungszeitraum Funktionstüchtigkeit der Kapillarsperre reversibel Apr 6 Jul 6 Okt 6 Jan 7 Apr 7 Jul 7 7

8 Abflüsse [mm] Wasserflüsse im Versuchsfeld 1 (Rekultivierungsschicht R1 + Drainschicht + mineralische Dichtung) Zeitraum: Sommer 21 Winter 26/ S W1 / 2 S W2 / 3 S3 W3 / 4 S4 Halbjahre W4 / 5 S W5 / 6 S6 Sick er wass er Drainage Oberfl äc henabfluss Gesamtniederschlag im Halbjahr W6 / 7 Abflüsse [mm] S1 Wasserflüsse im Versuchsfeld 2 (Rekultivierungsschicht R2 + Drainschicht + Bentonitmatte) Zeitraum: Sommer 21 Winter 26/ W1 / 2 S W2 / 3 S W3 / 4 S4 Halbjahre W4 / 5 S5 W5 / 6 S6 Sick er wasser Drainage Oberfl äc henabfluss Gesamtniederschlag im Halbjahr W6 /

9 Abflüsse [mm] S1 5 Wasserflüsse im Versuchsfeld 3 (Rekultivierungsschicht R3 + Stausohle + Kapillarsperre) Zeitraum: Sommer 21 Winter 26/ W1 / 2 S W2 / 3 S W3 / 4 S Halbjahre W4 / 5 S W5 / 6 S6 Sickerwasser Drainage Oberflächenabfluss Gesamtniederschlag im Halbjahr W6 / Wassergehaltsänderungen in der kompostvergüteten teten Oberbodenschicht 6 (15 cm ugok - Zeitraum: August 21 Juni 27) Wassergehalte [ Vol.-% ] Aug. 1 VF2: 5 cm Oberboden mit 2 V ol.-% Kompost Okt. 1 Jan. 2 Apr. 2 Jul. 2 Okt. 2 Jan. 3 Apr. 3 VF1: 3 cm Oberboden mit 3 Vol.-% Kompost VF 3: 3 cm Oberboden mit 2 Vol.-% Kompost Jul. 3 Okt. 3 Jan. 4 Apr. 4 Jul. 4 Okt. 4 Jan. 5 Apr. 5 Jul. 5 Okt. 5 Jan. 6 Apr. 6 Jul. 6 Okt. 6 Jan. 7 Apr. 7 Jul. 7 Kompost positiven Einfluss auf Wassergehalt in der Oberbodenschicht auch nach 6 Jahren 9

10 Wassergehaltsänderungen in der Unterbodenschicht (7 cm ugok - Zeitraum: August 21 Juni 27) Wassergehalte [ Vol.-% ] Au g. 1 Okt. 1 VF1: 12 cm Unterboden sandig/lehmiger Schluff Jan. 2 Apr. 2 Jul. 2 Okt. 2 Jan. 3 Apr. 3 Jul. 3 Okt. 3 Jan. 4 Apr. 4 Jul. 4 Okt. 4 Jan. 5 Ap r. 5 Jul. 5 Ok t. 5 Jan. 6 VF3: 9 cm Unterboden sandig/lehmiger Schluff (oberhalb der 3 cm Stausohle) VF2: 1 cm Unterboden schluffiger Feinsand Ap r. 6 Jul. 6 Ok t. 6 Jan. 7 Ap r. 7 Jul. 7 Wasserspannungen in der kompostvergüteten teten Oberbodenschicht (15 cm ugok - Zeitraum: August 21 Juni 27) Saugspannung [ kpa ] Aug. 1 Okt. 1 VF2: 5 cm Oberboden mit 2 Vol.-% Kompost VF3: 3 cm Oberboden mit 2 Vol.-% Kompost J an. 2 Apr. 2 Jul. 2 Okt. 2 Jan. 3 Apr. 3 Jul. 3 Okt. 3 J an. 4 Apr. 4 Jul. 4 Okt. 4 Jan. 5 VF1: 3 cm Oberboden mit 3 Vol.-% Kompost Apr. 5 Jul. 5 Okt. 5 J an. 6 Apr. 6 Jul. 6 Okt. 6 Jan. 7 Apr. 7 Jul. 7 1

11 Wasserspannungen in der tieferen Unterbodenschicht (1 cm ugok - Zeitraum: August 21 Juni 27) 7 Saugspannung [ kpa ] Aug. 1 Okt. 1 VF3: 9 cm Unterboden sandig/ lehmiger Schluff (oberhalb der 3 cm Stausohle) VF2: 1 cm Unterboden schluffiger Feinsand Jan. 2 Ap r. 2 Jul. 2 Okt. 2 Jan. 3 Apr. 3 Jul. 3 Okt. 3 Jan. 4 Apr. 4 Jul. 4 Okt. 4 Jan. 5 VF1: 12 cm Unterboden sandig/lehmiger Schluff Apr. 5 Jul. 5 Okt. 5 J an. 6 Apr. 6 Jul. 6 Okt. 6 J an. 7 Apr. 7 Jul. 7 Wasserspannungen in der tieferen Unterbodenschicht (135 cm ugok - Zeitraum: August 21 Juni 27) Saugspannung [ kpa ] Aug. 1 Okt. 1 VF2: 1 cm Unterboden schluffiger Feinsand VF3: Unterboden sandig/lehmiger Schluff 9 cm unverdichtet + 3 cm Stausohle (Versuchsfeldmitte) J an. 2 Ap r. 2 Jul. 2 Okt. 2 Jan. 3 Apr. 3 Jul. 3 Okt. 3 Jan. 4 Apr. 4 Jul. 4 Okt. 4 VF1: 12 cm Unterboden sandig/lehmiger Schluff Jan. 5 Apr. 5 Jul. 5 Okt. 5 J an. 6 Ap r. 6 Jul. 6 Okt. 6 Jan. 7 Apr. 7 Jul. 7 11

12 Abschlussbeprobung der Versuchsfelder im April 27 ( gemeinsam mit Mitarbeiterinnen v on Prof. R. Horn, Kiel) VF3: Oberboden (links) Unterboden (rechts), oberhalb der Stausohle VF1 VF2 VF3 Zusammenfassung der Ergebnisse (Wasserhaushalt) Dichtw irkung der mineralischen Dichtung (Einbau auf dem trockenen Ast der Proctorkurve) und der Na-Bentonitmattte sehr gut Gesamtdurchlässigkeit: <,5% der Niederschlagsmenge (< 4 mm/a) Funktionstüchtigkeit der Kapillarsperre reversibel (w iederholte Wasserdurchbrüche in den Kapillarblock (= Sickerwasser)) Ursache: Böschungsneigung mit 1:8 zu gering Stausohle oberhalb der Kapillarsperre zu hohe Dichtwirkung (kein gleichmäßiger Wassereintrag bei Dauerregen sondern Wasserabfluss oberhalb der Stausohle bis zum Fuß des Versuchsfeldes und dort direkter Durchbruch in den Kapillarblock) standortbezogen/versuchsfeldbedingt und nicht kapillarsperrenbedingt Lösung: Böschungsneigung mindestens: 1:6 Verzicht auf Stausohle 12

13 Zusammenfassung der Ergebnisse (Wasserhaushalt) Aufbau der Rekultivierungsschichten mit positivem Einfluss auf die Verdunstung mit 5-7% der jährlichen Niederschlagsmenge Kompostzugabe in der Oberbodenschicht positiven Einfluss auf Wasserspeicherung und Oberflächenbew uchs Qualifizierte Unterböden mit hoher nutzbarer Feldkapazität und erhöhter Schichtmächtigkeit (> 1 cm) positive Wirkung auf den Wasserhaushalt: Gutes Wasserspeichervermögen in vegetationsarmer und niederschlagsreicher Jahreszeit: u.a. Entlastung der Drainschicht und des Dichtungselementes Langzeitspeichervermögen in Vegetationsperiode und niederschlagsarmer Jahreszeit: Verhinderung des Wurzelwachstums in die Drainschicht und das Dichtungselement mit positivem Einfluss auf die langfristige Funktionstüchtigkeit der Drain- und Dichtungswirkung Methanoxidation in den Rekultivierungsschichten Gasvolumenstrom und Gaszusammensetzung (CH 4, CO 2, O 2 ) des zugeführten Deponiegases: 22 25: 2-3 Vol.-% CH 4, Flächenbelastung:,4-1, l CH 4 /m 2 h 26: 4 Vol.-% CH 4, Flächenbelastung:,8-4, l CH 4 /m 2 h Gaszusammensetzung an den unterschiedlichen Gasmesssonden Deponiegasquelle (22-25) Beschi ckungseinheit (22-25) 13

14 Gaszuführung und -messung im Profil der Versuchsfelder 2 cm ugok 4 cm u GOK 6 cm u GOK 8 cm u GOK 1 cm ugok 12 cm ugok 14 cm ugok 16 cm ugok M Z Versuchsfeld 1 VF1-1, VF1-2, VF1-3 M Z Versuchsfeld 2 VF2-1, VF2-3 M Z Versuch sfe ld 2 VF2-3, VF2-4 M Z GOK Versuchsfeld 3 VF3-1, VF3-2, VF3-3 Z Gaszuführungslanz e M Gasmesssonden Bereich der Gasaustritts-/Gaseintrittsöffnung 14, 4, 3, 3, Versuchsfeld 1 und 3 Versuchsfeld 2 8, 2, 2,,5,5 1 : 8 Messstelle 2 Messstelle 1 Messstelle 3 1,5 1,5 8, 8, 2, 2,,5,5 1 : 8 Messstelle 2 Messstelle 1 Messstelle 4 Messstelle 3 1,5 1,5 8, Bereich der bodenhydrologischen Messinstrumente Gaszuführungssonden 4, 3, 3, Flächige Anordnung der Gasmesslanzen in den Versuchsfeldern 14, 14

15 Methanoxidationsversuche mit Deponieschwachgas 2-3 Vol.-% CH 4 Flächenbelastung:,4-1, l CH4/m 2 h VF1: Zeitraum September 23 bis Februar 24 Ti efe ugok [cm] Gaszusammensetzung an der Messstelle 1.1 Konzentration [Vol-%] CH4min CH4max CH4 CO2min CO2max CO2 O2min O2max O2 Anmerkung: Sauerstoffgehalte in den tieferen Bodenschichten aufgrund der Nutzung von realem Deponieschwachgas aus dem Deponiekörper und der Belüftung benachbarter Gasbrunnen 15

16 VF2: Zeitraum September 23 bis Februar 24 Tiefe u GOK [cm] T iefe ugok [cm] Gaszusammensetzung an der M essstelle 2.3 Konzentratio n [Vol -%] CH4min CH4 max CH4 2 CO2min CO2max CO2 4 O2m in O2ma x O Gaszusammensetzun g an d er Messstelle 2.4 Konzentration [Vol -%] CH4min CH4m ax CH4 CO2min CO2 max CO2 O2m in O2max O2 VF3: Zeitraum September 23 bis September 25 Versuchsfeld 3 Oberboden Unterboden Stausohle Kapill arschicht Gaszusammensetzung an der Messstelle 3.3 (Minimal-, Maximal- und Durchschnittsmesswerte von Sep. 3 bis Sep. 5) Konzentration [Vol -%] Tiefe ugok [cm] CH4min CH4max CH4 CO2min CO2max CO2 O2min O2max O2 14, 3, 3, 4, Versuchsfeld 1 und 3 8, 2, 2,,5,5 1 : 8 Messstelle 2 Messstele 1 Messstele 3 1,5 1, 5 8, 16

17 Ergebnisse von FID-Begehungen - versuchs(feld)bedingte Randgängigkeiten ngigkeiten - 1 : 8 Versuchsfeld 1 Versuchsfeld 2 Versuchsfeld 3 2 ppm 1 ppm > 1 ppm Methanoxidationsversuche mit einem Methan/ Stickstoff-Gasgemisch 4 Vol.-% CH 4 Flächenbelastung:,8-4, l CH 4 /m 2 h Reduzierte Pflege der Rekultivierungsschicht Rotameter Gasanalyse Balgengaszähler Versuchsfeld 17

18 Gaszuführungslanzen und -messsonden in Versuchsfeld 2 zur Zuführung des Gasgemisches 14, 8, 1,8 2, 5 4,8 Bo de nh yd r ol og isc he Messeinrichtung 1, 5 MP MP MP , 3 MP 2.15 MP 2.9 MP 2. 3 Gefälle 1:8 MP 2.6 MP 2.7 MP 2.1 MP Z 2 MP Z 1 MP 2. 5 MP 2. 4 MP 2.12 MP 2.11 MP 2.14 MP 2.8 1, 1, 1, 1, 1, 1, Gaszusammensetzung am Messpunkt MP 2.3 (Minimal-, Maximal- und Mittelwerte) bei einer Flächenbelastung von 1,6 (- 4,) l CH 4 /(m²h) Tiefe ugok [cm] Gaskonzentration [Vol.-%] Max CH4 Min CH4 Mittelwert CH4 Max CO2 Min CO2 Mittelwert CO2 Max O2 Min O2 Mittelwert O2 18

19 Ergebnisse der FID-Begehung Methanemissionen an den Randzonen des VF2 und in unmittelbarer nähe der Gaseintragslanze Eingetragene Gasvolumenströme hatten Einfluss auf die Emissionsaustritte an der Oberfläche der Rekultivierungsschicht QF = 2,1lCH4/(m²h) QF = 1,9 lch 4 /(m²h) QF =,8 lch4/(m²h) Gefäle 1:8 Gef äle 1:8 Gefäle 1:8 A B C >,2 Vol.-% 1 6 ppm, 6 Vol. -% <15 ppm A & B 2 Gaseintragslanzen C - 4 Gaseintragslanzen Ergebnisse der Untersuchungen zur Methanoxidation gewählter Schichtenaufbau und gewählte Bodenmaterialien der Rekultivierungsschicht gut geeignet für Methanoxidation, bei Schichtmächtigkeit von 1,5 m Methanoxidationspotenzial ausreichend für eventuelle Restgasmigrationen (Flächenbelastung von,8-4, l CH 4 /m 2 h vollständig oxidiert) Methanumsetzung bei gewählten Rekultivierungsschichten und Methanvolumenströmen zwischen 2 und 16 cm ugok - abhängig von: Sauerstoffversorgung und Methanzufuhr Bodenstruktur, Bodenfeuchte und -temperatur O 2 Methan CH 4 NADH 2 H 2 O H 2 O Methanol Formaldehyd For miat CH 3 OH HC HO HC O OH NA D + PQ Q PQQH 2 NAD + N AD H 2 NAD + 1Methan-Monooxigenase 2Methanol-Dehydrogenase 3F ormaldehyd-dehydrogenase 4F or miat-dehydr ogenase Biomasse NA D Nicotinamid Adenin Dinukleotid PQ Q P yr oquinolinquinon NA DH 2 Biomasse Kohlendioxid CO 2 19

20 Ergebnisse der Untersuchungen zur Methanoxidation Kapillarsperre bzw. Drainschichten unter den Rekultivierungsschichten gut geeignet als gasverteilende Schicht Methanoxidationsleistung zeitweise reduziert bei hohen Wassergehalten aufgrund von Regenereignissen (siehe auch Jager, 24) Trockenphasen im Sommer haben bei 1,5 m Rekultivierungsschicht nur geringe bzw. keine Auswirkungen auf Methanoxidationsleistung Reduzierte Pflege der Rekultivierungsschicht (Mähen, Mäuse, Maulwürfe) hatte keine Verschlechterung der Methanoxidation zur Folge Dank an alle Mitwirkenden: Landkreis Rotenburg (Wümme) insbesondere: Herr Landrat Luttmann, Herr Anders, Herr Engelhardt, Herr Holtermann, Herr Dr. Lühring, Herr Schröder Projektträger Jülich - insbesondere: Herr Wittmann, Frau Rossmeisl Fachbeirat insbesondere: Herr Arndt, Herr Babendreier, Herr Bräcker, Herr Weyer Jan-Folke Becker, Oliv er Brühling, Rainer Hiemstra, Wladislaw Huttenlocher, Mohamet Omar Johansy ah, Ronald Lüneburg, Hendrik Mönninkhöv er, Theodor Neuf eld, Sv en Nötzel, Florian Rettmer, Dirk Ritschel, Joachim Sparr, Ousmane Traore, Andre Unger Herr Bernd Fürst und seine KollegInnen der Fa. UGT Müncheberg Prof. Rainer Horn und seine MitarbeiterInnen des Instituts f ür Pf lanzenernährung und Bodenkunde der Christian-Albrechts-Universität Kiel Dr. Kai Heining, Planung und Beratung in der Verfahrenstechnik Nindorf Herr Andrew-Oliv er Groß und seine KollegInnen der Fa. Air Liquide Bremen Mitarbeiter der Fa. Jelabau, Bremen 2