Εκπομπές Μεθανίου από 20 χωματερές στις ΗΠΑ, χρησιμοποιώντας Κάθετη Ακτινική Χαρτογράφηση του Νέφους

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Οι εκπομπές μεθανίου σε ΧΥΤΑ έχουν ποσοτικοποιηθεί σε συνάρτηση με τον τύπο του κλίματος και το είδος της κάλυψης σε 20 ΧΥΤΑ, χρησιμοποιώντας την (EPA) Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος, την (OTM – Other Test Method) – 10 κάθετες χαρτογραφήσεις ακτινικού νέφους (VRPM – vertical radial plume mapping) με ρυθμιζόμενες διόδους λέιζερ (TDLs – tunable diode lasers). Τα δεδομένα VRPM συγκεντρώθηκαν αρχικά ως εκπομπές gr CH4/sec και στη συνέχεια μετατράπηκαν σε gr CH4/m2/μέρα. Χρησιμοποιήθηκαν δύο μέθοδοι για την μετατροπή. Η πρώτη βασίστηκε ότι στα ζητούμενα πεδία υπάρχει εκπομπή μεθανίου ή ακετυλενίου και στην πολλαπλή ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης (MLRM – multiple linear regression analysis). Η δεύτερη ήταν ένα εικονικό μοντέλο στον υπολογιστή, το οποίο βασίστηκε στο (ISC3 – Industrial Source Complex) και στο (PSCMs – Pasquill plume stability class models) . Οι υπολογισμοί των εκπομπών σε gr CH4/m2/μέρα για κάθε μετρούμενο VRPM με τις δύο μεθόδους συμβάδιζαν (r2 = 0.93). Τα δεδομένα για ο VRPM λήφθηκαν από την επιφάνεια κάλυψης, το προσωρινό –ενδιάμεσο και τελικό έδαφος, ή τις συνθετικές επικαλύψεις. Τα δεδομένα έδειξαν ότι οι εκπομπές μεθανίου είναι συνάρτηση του κλίματος και του υλικού κάλυψης. Τα υγρά υποτροπικά κλίματα είχαν τις υψηλότερες εκπομπές για όλους τους τύπους κάλυψης στα 207, 1227, 102 και 32 gr CH4/m2/μέρα, για επιφάνεια κάλυψης (χωρίς κάλυψη), προσωρινό, ενδιάμεσο και τελική κάλυψη εδάφους αντίστοιχα. Η υγρασία κατά τους ζεστούς καλοκαιρινούς μήνες έδειξε 67, 51 και 27 gr CH4/m2/μέρα για προσωρινά, ενδιάμεσα και τελική κάλυψη. Στο μεσογειακό κλίμα έγινε έλεγχος για ενδιάμεση και τελική κάλυψη μόνο, και βρέθηκε να είναι 11 και 6 gr CH4/m2/μέρα, αντίστοιχα. ενώ τα ημίξηρα κλίματα έδειξαν 85, 11, 3.7 και 2.7 gr CH4/m2/μέρα για την επιφάνεια κάλυψης, την προσωρινή κάλυψη, την ενδιάμεση και την τελική. Ένας κλειστός, συνθετικά καλυμμένος χώρος ταφής που καλύπτεται με έδαφος και βλάστηση και ένα σύστημα που συγκεντρώνει το αέριο, σε υγρό ηπειρωτικό και ζεστό καλοκαίρι έδειξε ότι υπήρχαν εκπομπές μόνο 0,09 gr CH4/m2/μέρα, όταν μετρήθηκε.

Εισαγωγή

Γίνεται μία παρουσίαση για τις χωματερές και ότι γίνονται αναερόβιες μέσα σε μήνες από την εγκατάσταση των Δημοτικών Σκουπιδιών. Αυτό, πραγματοποιείται λόγω της κατανάλωσης του οξυγόνου από τα αερόβια βακτήρια. Από βιβλιογραφία περιγράφεται ότι ο συνολικός άνθρακας πρέπει να υπολογίζεται ως συγκεντρωμένος, οξειδωμένος, εκπεμπόμενος, ή απομονωμένος. Αυτή η μελέτη αναφέρεται μόνο στην ποσότητα μεθανίου που εκπέμπεται από τα καλύμματα των χώρων υγειονομικής ταφής. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για τον υπολογισμό των εκπομπών (δυναμική και στατική παρακολούθηση νέφους, αντίστροφη μοντελοποίηση νέφους, διαφοροποιημένη απορρόφηση LiDAR (light detection and ranging)). Ωστόσο, σε αυτήν την μελέτη ήταν δυνατή η χαρτογράφηση του νέφους με κάθετες ακτίνες (VRPM) σε συνεργασία με την EPA (U.S. Environmental Protection Agency) όπως περιγράφεται από το EPA OTM-10, για την αποτελεσματικότητα της ποσοτικοποίησης των εκπομπών μεθανίου από διάφορους τύπους κάλυψης χώρων υγειονομικής ταφής και σε διαφορετικό περιβάλλον. Οι μετρήσεις της συγκέντρωσης συνδυάζονται τις τοπικές ταχύτητες του ανέμου και τα δεδομένα κίνησης του ανέμου, έτσι ώστε να αντληθεί η ροή κατά μήκους της μέτρησης στο κατακόρυφο επίπεδο. Δύο μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν, η μέθοδος πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης (MLRM – multiple linear regression method) και το Σύνθετο Μοντέλο Διασποράς Βιομηχανικής Πηγής (ISC3-PSCM – Industrial Source Complex Dispesion Model and Pasquill Stability Class Model). Οι τελικές επικαλύψεις με έδαφος, ενδιάμεσες επικαλύψεις με έδαφος, προσωρινές επικαλύψεις και η απουσία κάλυψης, καθώς επίσης οι συνθετικές καλύψεις μελετήθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας με στόχο να δοθούν πληροφορίες για να αξιολογηθεί η μέθοδος και να ποσοτικοποιηθούν οι εκπομπές μεθανίου για του διαφορετικούς τρόπους κάλυψης. Στην εικόνα 1 φαίνονται οι περιοχές των Η.Π.Α., όπου χρησιμοποιήθηκαν οι χώροι υγειονομικής ταφής.

Εικόνα 1. Σημεία Οπτικής Τηλεπισκόπησης στις Η.Π.Α.. Το κλίμα των περιοχών ποικίλει από ημίξερο στις Δυτικές ΗΠΑ σε υγρό υποτροπικό στα Νότια.

Υλικά και Μέθοδοι

Οπτική Τηλεπισκόπηση χρησιμοποιώντας Κάθετη Ακτινική Χαρτογράφηση του Νέφους (VRPM)

Η προσέγγιση της οπτικής τηλεπισκόπησης (ORS – Optical Remote Sensing) της EPA OTM-10, είναι να ληφθεί η συγκέντρωση του μεθανίου με την παρακολούθηση του ανέμου με VRPM. Η μέθοδος VRPM ORS αξιολογήθηκε στην παρούσα μελέτη. Χρησιμοποιήθηκε ρυθμιζόμενη δίοδος laser (TDL), ως ORS, γιατί το μεθάνιο απορροφά μεγάλη ποσότητα στο υπέρυθρο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η βασική εγκατάσταση του OTM-10 VRPM φαίνεται στο Σχήμα 2, με υποθετικό αποτύπωμα ACF (Area Contribution to the Flux). Η διαμόρφωση του σχήματος 2, διαμορφώνεται στο χωράφι, σύμφωνα με το σχήμα 3. Δύο laser προσδιορίζουν τέσσερα επίπεδα VRPM, για να αναχαιτίσουν τον άνεμο στην περιοχή μελέτης. Το μήκος της πτήσης κυμαίνεται από 75 σε 300m. Οι χώροι υγειονομικής ταφής ήταν μεγαλύτεροι από τα επίπεδα. Προσήνεμα στα αεροπλάνα ήταν μεγάλες επίπεδες επιφάνειες και ακολουθούσαν οι επικλινείς. Κάθε αεροπλάνο VRPM της μελέτης έχει διαμόρφωση πέντε δεσμών όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Τα αποτελέσματα υπολογίστηκαν με το λογισμικό ARCADIS (ARCADIS U.S., Inc., 2007) από την εξίσωση OTM-10.

Πίνακας 1. Κατηγοριοποίηση της μελέτης Χώρος Υγειονομικής Ταφής με τις εκπομπές μεθανίου

Εικόνα 2. Σχηματική Αναπαράσταση της εγκατάστασης του OTM-10 με το αναμενόμενο ACF από ένα κάθετο φτερό σε VRPM αεροπλάνο. Το ποσοστό δείχνει τις εκπομπές σε προσομοιωμένο μεθάνιο στην επιφάνεια, ανακτημένο στην απόσταση (11).

Εικόνα 3. Μετρήσεις VRPM στα περισσότερα σημεία. Κάθε κουτί αναφέρεται ως «πόδι». Πολυεπίπεδη εγκατάσταση επιτρέπει την αποτελεσματική συγκέντρωση των δεδομένων.

Εικόνα 4. Παράδειγμα από χάρτη βαθμιαίας συγκέντρωσης VRPM. Ο άξονας χ αντιπροσωπεύει την εγκάρσια απόσταση από τον άνεμο (TDL to tower in meters). Σημείωση οι συγκεντρώσεις μειώνονται με το ύψος. Το TDL φαίνεται κάτω αριστερά.

Περιοχή που περιλαμβάνεται στους υπολογισμούς της ροής (ACF – Area contributing to flux)

Αποτελέσματα και Συζήτηση

Η μελέτη στους χώρους υγειονομικής ταφής έγινε για να υπολογιστούν οι εκπομπές μεθανίου σε διαφορετικές συνθήκες περιβάλλοντος, μέθοδο κάλυψης του χώρου και συνθήκες κάλυψης. Οι χώροι ταφής με ενδιάμεσο και τελικό κάλυμμα, είχαν όλοι μέθοδο συλλογής του αερίου. Στα προσωρινά καλυμμένα και χωρίς κάλυψη δεν υπήρχε σύστημα συλλογής τους αερίου. Πραγματοποιήθηκαν 72.581 σαρώσεις, από τις οποίες οι 49.819 δεν τηρούσαν τα απαιτούμενα κριτήρια για το VRPM, για ένα έγκυρο αποτέλεσμα. Συμπεραίνεται λοιπόν ότι το ποσοστό αποδοχής για το VRPM είναι 31,4%. Δύο μέθοδοι χειρισμού των δεδομένων αξιολογήθηκαν.

Σύγκριση Μεθόδων

Εικόνα 5. Σύγκριση της ροής που μετρήθηκε από το MLRM με την επιφανειακή εξίσωση ACF, με την μέτρηση της ροής που υπολογίστηκε από την επίπεδη επιφάνεια MLRM, η οποία ακολουθήθηκε από επικλινή επιφάνεια ACF για όλες τις μέρες αποτελέσματα από το αεροπλάνο VRPM.

Εικόνα 6. Σύγκριση της ροής που υπολογίστηκε με το μοντέλο ACF επίπεδης επιφάνειας MLRM, σε σχέση με την ροή που υπολογίστηκε με το μοντέλο επίπεδης επιφάνειας PSCM, ACF για καθημερινά αποτελέσματα VRPM

Εικόνα 7. Σύγκριση των ημερησίων VRPM επιφανειών των μέσων όρων των ποδιών, σε σχέση με τους ημερήσιους μέσους ομαδοποιημένων σαρώσεων για τον υπολογισμό του μοντέλου επίπεδης επιφάνειας MLRM

Εικόνα 8. Σύγκριση των μέσων μηκών VRPM με τα μέσα (3-5 μερών) των μέσων ομαδοποιημένων χρησιμοποιώντας το μοντέλο MLRM επίπεδης επιφάνειας για να υπολογιστεί με εξίσωση ο ACF και να προσδιοριστεί η ροή σε gr CH4/m2/μέρα.

Πίνακας 2. Αποτελέσματα Συνδυαστικής Ροής (gr CH4/m2/μέρα) σε διαφορετικές συνθήκες.

Εκπομπές Μεθανίου στον Χώρο Υγειονομικής Ταφής

Αποτελέσματα Ροής για τρεις διαφορετικούς τύπους κλίματος.

Προσωρινή κάλυψη εδάφους και τα αποτελέσματα στην ροή για τρείς διαφορετικούς τύπους κλίματος.

Ενδιάμεση κάλυψη με έδαφος και αποτελέσματα στην ροή για πέντε τύπους κλίματος.

Τελική κάλυψη με έδαφος και αποτελέσματα στην ροή. Η θέση ΝC είναι συνθετικά καλυμμένο σημείο με σύστημα συγκέντρωσης αερίου.

Σύγκριση όλων των μέσων ροών και όλων των συνδυασμών ροών για όλα τα κλίματα.

Συμπεράσματα

Η οπτική τηλεπισκόπηση με TM-10 είναι μία μέθοδος που μπορεί να έχει εφαρμογή στην βιομηχανία υγειονομικής ταφής.

Βιβλιογραφία

Πηγή: Methane emissions from 20 landfills across the United States using Vertical radial plume mapping

Συγγραφείς: C. Douglas Goldsmith Jr., Jeffrey Chanton, Tarek Abichou, Nathan Swan, Roger Green & Gary hater

Δημοσίευση: Journal of the Air & Waste Management Association, 62:2, 183-197, DOI: 10.1080/10473289.2011.639480

Link: http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/10473289.2011.639480