| Abstract | Planom gospodarenja otpadom od 2017.-2022. godine, centar za gospodarenje otpadom definiran je kao građevina od državnog značaja kojom se Republika Hrvatska (dalje u tekstu RH) približava odredbama Direktive o otpadu (2008/98/EZ). Do danas, u RH postoje dva Županijska centra za gospodarenje otpadom koji otpad obrađuju mehaničkim i biološkim postupcima, i koji kao jedan od izlaznih tokova otpada imaju takozvanu metanogenu frakciju pogodnu za odlaganje na bioreaktorsko odlagalište. Bioreaktorsko odlagalište podrazumijeva nakon popunjenja kapaciteta odlagališnog prostora, vlaženje ugrađenog otpadnog materijala te recirkulaciju procjednih voda (tzv. filtrata) s ciljem poticanja mikrobiološke razgradnje organske komponente otpada i proizvodnje bioplina. Očito, s geotehničkog aspekta projektiranje bioreaktorskih odlagališta predstavlja kompleksan problem.
Za pravilno projektiranje i upravljanje bioreaktorskim odlagalištem neophodni su eksperimentalni podaci o geotehničkim parametrima metanogene frakcije otpada. Iz tog razloga, u okviru ove doktorske disertacije, provedeno je opsežno laboratorijsko ispitivanje geotehničkih parametara metanogene frakcije otpada. Budući da je istraživanje provedeno na materijalu proizvedenom u Županijskom centru za gospodarenje otpadom Marišćina koje se nalazi na području Primorsko-goranske županije, zbog mogućeg utjecaja turističke sezone ispitani materijal uzorkovan je izvan i unutar turističke sezone godine. Ispitivanja na materijalu uzorkovanom izvan turističke sezone (materijal A) i unutar turističke sezone (materijal B) napravljena su odvojeno kako bi se ispitao utjecaj sezonskih varijacija na sastav i mehaničke parametre otpadnog materijala.
U prvom redu određene su osnovne karakteristike i osnovni geotehnički parametri otpada: prosječni sastav ispitivanog otpada po pojedinim komponentama, sastav otpada prema obliku podijeljen na 0D, 1D, 2D i 3D veličine čestica, granulometrijska analiza, utvrđen je udio organske tvari, i udio vlage. Dobiveni rezultati ovih ispitivanja, poslužili su za preliminarnu procjenu karakteristika ispitivanog materijala. Utvrđeno je da je maksimalna veličina zrna u više od 90% ispitivanog materijala manja od 25 mm, kao i da se granulometrijske krivulje dobro uklapaju u istovrsne rezultate drugih istraživača. Visok udio organske tvari, više od 50% za materijal A i B, sugerira velik potencijal za proizvodnju bioplina. Utvrđeni zatečeni udio vlažnosti nakon procesa obrade bio je manji od 20% (u odnosu na ukupnu masu), što ga čini pogodnim za odlaganje na bioreaktorsko odlagalište zbog smanjene mikrobiološke aktivnosti.
Budući da se u bioreaktorskom odlagalištu očekuje pojava većih slijeganja, mogućnost njegovog predviđanja podrazumijeva točno poznavanje gustoće čvrstih čestica 𝜌𝑠, neophodne veličine za utvrđivanje početnog koeficijenta pora 𝑒0. Iz tog razloga mjerena je gustoća čvrstih čestica metanogene frakcije 𝜌𝑠, uz pomoć plinskog piknometra sastavljenog isključivo od laboratorijskih uređaja koji se tipično nalaze u geotehničkim laboratorijima. Gustoća čvrstih čestica jedno je od osnovnih svojstava materijala te se vrlo često koristi u projektnim izračunima i za predviđanje mehaničkog ponašanja materijala. Rezultati mjerenja gustoće čvrstih čestica uspoređeni su s nekoliko parametara kao što su koeficijent pora, poroznost, suha gustoća te je utvrđena njihova međusobna ovisnost. Osim plinskim piknometrom, gustoća čvrstih čestica utvrđena je i uz pomoć velikog vodenog piknometra te su rezultati mjerenja uspoređeni međusobno te s rezultatima objavljenim u literaturi. Metoda mjerenja gustoće čvrstih čestica plinskim piknometrom pokazala se kao lako dostupno, isplativo i brzo rješenje. Budući da je metoda nedestruktivna, ispitani uzorci mogu se sačuvati za daljnje analize.
Ugradnjom metanogene frakcije u tijelo bioreaktorskog odlagališta u suhom stanju i kasnijim vlaženjem, potrebno je poznavati ovisnost suhe gustoće 𝜌𝑑 o vlažnosti materijala. Za tu potrebu, ispitana je mogućnost zbijanja metanogene frakcije vibro pločom te standardnim i modificiranim Proctorovim pokusom u suhom i vlažnom stanju materijala. Ispitivanjima je utvrđeno kako se procesom zbijanja materijala utegom pri određenoj energiji zbijanja, povećanjem sadržaja vlage do određene granice suha gustoća materijala 𝜌𝑑 povećava do svoje maksimalne vrijednosti 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥, nakon čega se daljnjim povećanjem vlažnosti, vrijednost suhe gustoće smanjuje, neovisno o primijenjenoj metodi ispitivanja. Također su za oba materijala utvrđene i vrijednosti optimalne vlažnosti 𝑤𝑜𝑝𝑡 kod koje se postiže maksimalna suha gustoća 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥. Osim maksimalne suhe gustoće, na materijalu A utvrđena je i minimalna suha gustoća 𝜌𝑑,𝑚𝑖𝑛 laganim nasipavanjem materijala u kalup standardnog volumena pod atmosferskim tlakom. Nadalje, određeni su i pripadni koeficijenti pora, odnosno kod minimalne suhe gustoće 𝜌𝑑,𝑚𝑖𝑛 izračunat je maksimalan koeficijent pora 𝑒 𝑚𝑎𝑥, dok je kod maksimalne suhe gustoće 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥 izračunat pripadni minimalni koeficijent pora 𝑒 𝑚𝑖𝑛 čime je utvrđen mogući raspon zbijenosti razmatranog materijala.
U funkcionalnom bioreaktorskom odlagalištu, uslijed vlaženja otpada povećava se zapreminska težina otpada, dok se efektivna naprezanja smanjuju. U odnosu na način ugradnje metanogene frakcije u tijelo odlagališta, kao i na očekivana slijeganja nakon vlaženja materijala, za kvalitetno
upravljanje bioreaktorskim odlagalištem potrebno je poznavati svojstva stišljivosti metanogene frakcije u suhim i vlažnim uvjetima. U tu svrhu, proveden je edometarski pokus za nekoliko stanja materijala: za suho stanje, za vlažno stanje, za inicijalno suho stanje do određenog naprezanja, nakon čega je materijalu promijenjena vlažnost te je proveden dugotrajni edometarski pokus u kojem su mjerena slijeganja uzrokovana biorazgradnjom, uz kontinuirano praćenje temperature uzorka te postotnih udjela nastalih odlagališnih plinova u uzorku.
Rezultatima edometarskog pokusa utvrđeni su parametri stišljivosti, određena je relativna deformacija materijala u svakom od navedenih stanja te je potvrđeno kolapsibilno ponašanje metanogene frakcije bioosušenoga otpada. |
| Abstract (english) | The waste management center was according to the waste management plan from 2017-2022 year, defined as a building of national importance, which brings the Republic of Croatia (hereinafter referred to as the RC) closer to the regulations of the Waste Directive (2008/98/EZ). To date, there are two County Waste Management Centers in the RC that process waste using mechanical and biological processes, and which, as one of the waste streams, have a so-called methanogenic fraction suitable for disposal at a bioreactor landfill.
A bioreactor landfill implies, after filling the capacity of the landfill space, moistening the embedded waste material and recirculating leachate (the so-called filtrate) with the aim of encouraging the microbiological decomposition of the organic component of the waste and the production of biogas. Obviously, from a geotechnical point of view, the design of bioreactor landfills is a complex problem.
Experimental data on the geotechnical parameters of the methanogenic waste fraction are necessary for the proper design and management of a bioreactor landfill. For this reason, as part of this doctoral dissertation, an extensive laboratory test of the geotechnical parameters of the methanogenic waste fraction was conducted. Since the research was conducted on material produced in the County Waste Management Center Marišćina, which is located in the Primorje-Gorski Kotar County, due to the possible impact of the tourist season, the examined material was sampled outside and inside the tourist season. Tests on material sampled outside the tourist season (material A) and inside the tourist season (material B) were done separately to examine the influence of seasonal variations on the composition and mechanical parameters of the waste material.
In the first place, the basic characteristics and basic geotechnical parameters of the waste were determined: the average composition of the examined waste by individual components, the composition of the waste according to the particle sizes 0D, 1D, 2D and 3D, granulometric analysis, the organic matter content and the moisture content were determined. The obtained results of these tests served for a preliminary assessment of the characteristics of the tested material. It was found that the maximum grain size in more than 90% of the examined material is less than 25 mm, and that the granulometric curves fit well with similar results of other researchers. The high proportion of organic matter, more than 50% for material A and B, suggests a great potential for biogas
production. The moisture content found after the treatment process was less than 20% (relative to the total mass), which makes it suitable for disposal in a bioreactor landfill due to reduced microbiological activity.
Since larger settlements are expected in the bioreactor landfill, the possibility of its prediction implies accurate knowledge of the density of solid particles 𝜌𝑠, the necessary parameter for determining the initial void ratio 𝑒0. For this reason, the solid particle density of the methanogenic fraction 𝜌𝑠 was measured, with the help of a gas pycnometer composed exclusively of laboratory devices that are typically found in geotechnical laboratories. The solid particles density is one of the basic properties of materials and is very often used in design calculations and for predicting the mechanical behavior of materials. The solid particle density results were compared with several parameters such as the void ratio, porosity, dry density, and their mutual dependence was established. In addition to the gas pycnometer, the solid particle density was also determined with the help of a large water pycnometer, and the results were mutually compared and with the results published in the literature. The method of measuring the solid particle density with a gas pycnometer proved to be an easily accessible, cost-effective and quick solution. Since the method is non-destructive, the tested samples can be saved for further analyses.
By installing the methanogenic fraction into the bioreactor landfill body in a dry state and subsequent wetting, it is necessary to know the dependence of the dry density 𝜌𝑑 on the moisture content of the material. For this purpose, the possibility of compacting the methanogenic fraction with a vibro plate and standard and modified Proctor's test in dry and wet state of the material was tested. Tests have established that by increasing the moisture content to a certain limit, the dry density of the material 𝜌𝑑 increases to its maximum value 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥, after which, with a further increase in moisture, the value of the dry density decreases, regardless of the applied test method. Also, for both materials, the values of the optimal moisture content 𝑤𝑜𝑝𝑡, at which the maximum dry density 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥 is achieved, were determined. In addition to the maximum dry density, the minimum dry density 𝜌𝑑,𝑚𝑖𝑛 was determined on material A by pouring the material into a mold of standard volume under atmospheric pressure. Furthermore, the corresponding void ratios were determined, i.e., at the minimum dry density 𝜌𝑑,𝑚𝑖𝑛 the maximum void ratio 𝑒 𝑚𝑎𝑥 was calculated, while at the maximum dry density 𝜌𝑑,𝑚𝑎𝑥the corresponding minimum void ratio 𝑒 𝑚𝑖𝑛 which determined the possible compaction range of the considered material.
In a functional bioreactor landfill, as a result of wetting the waste, the unit weight of the waste increases, while the effective stresses decrease. In relation to the method of installing the methanogenic fraction into the landfill body, as well as the expected settlement after wetting the material, for quality management of the bioreactor landfill it is necessary to know the compressibility properties of the methanogenic fraction in dry and wet conditions. For this purpose, an oedometer experiment was carried out for several states of the material: for a dry state, for a wet state, for an initially dry state up to a certain stress, after which the material's moisture was changed and a long-term oedometer experiment was carried out in which the settlements caused by biodegradation were measured, with continuous monitoring of the temperature of the sample and the percentage of landfill gases generated. The oedometer test results determined the compressibility parameters, relative deformation of the material in each of the mentioned states and confirmed the collapsible behavior of the methanogenic fraction of biodried waste. |
