Interaction of Degradation, Deformation and Transport Processes in Municipal Solid Waste Landfills

Bente, Sonja

In this thesis a model for the complex interactions between deformation, degradation and transport processe in municipal solid waste landfills is presented. Key aspects of the model are a joint continuum mechanical framework and a monolithic solution of the governing equations within the Theory of Porous Media. Interactions are considered by coupling the governing physical fields over the domain of a representative elementary volume via selected state variables. A simplified two-stage degradation model describes anaerobic biological processes. Heat generation from exothermic reactions is considered. Transport of the leachate and the landfill gas are described by means of a generalised Darcy law and the influence of deformation on the hydraulic properties is considered. In cooperation with Edinburgh Napier University experiments on the moisture retention properties of waste are performed. The model for stress-deformation behaviour includes a novel creep model which combines stress-dependency of creep rate with density-dependency. Via the solid dry bulk density, the creep rate is coupled to degradation which enables description of degradation-induced settlements. The concept of effective stress is included in the mechanical equilibrium and thus a separate description of separate settlement phenomena is enabled. A combination of the Finite-Element method and the Box method in an ALE formulation is applied for spatial discretisation of the governing physical fields. The model is verified and validated against a benchmark for multiphase flow and a waste lysimeter experiment. Analyses of a landfill structure show the capabilities of the model in the estimation of long-term settlements, in the description of a gas extraction system and in modelling of an infiltration layer.

In dieser Arbeit wird ein Modell für die simultane Kopplung des Spannungsverformungsverhaltens, der Abbauprozesse und der Transportprozesse in Deponien vorgestellt. Das Modell ist im Rahmen der Theorie Poröser Medien entwickelt. Die Interaktionen sind mit der Kopplung der physikalischen Felder über ein repräsentatives Elementarvolumen berücksichtigt. Ein zweistufiges Abbaumodell beschreibt den anaeroben Abbau der Organik und die Wärmeentwicklung infolge exothermer Reaktionen. Mehrphasentransport und physikalische Austauschprozesse sind beschrieben. In Kooperation mit der Edinburgh Napier University werden Versuche zum Wasserrückhaltevermögen von Abfall durchgeführt. Ein Kompaktionsmodell wird vorgestellt, bei dem die Kompaktionsrate nicht nur von der Spannung, sondern auch von der Dichte der festen Substanz abhängt. Dies ermöglicht die direkte Kopplung an das Reaktionsmodell und damit die Beschreibung abbauinduzierter Setzungen. Der Einfluss der Verformung auf die Porosität und die Permeabilität sind berücksichtigt. Das Konzept der effektiven Spannungen erlaubt zusammen mit dem Kompaktionsmodell die getrennnte Beschreibung von Setzungsmechanismen. Für die räumliche Diskretisierung der Bilanzgleichungen wird eine Kombination der Finite-Elemente Methode und des Box-Verfahrens verwendet. Das Modell wird anhand von Laborversuchen validiert. Anwendungen auf Deponiestrukturen beinhalten die Langzeit-Prognose von Setzungen, die Untersuchung eines Gasfassungsystems und die Modellierung der aktiven Bewässerung auf Deponien zur Beschleunigung der Abbauprozesse.

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Bente, Sonja: Interaction of Degradation, Deformation and Transport Processes in Municipal Solid Waste Landfills. 2010.

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