Evaluation of The Potential of Producing Biogas Energy From Wastes in Landfills; Van Province Example

Abstract

The aim of this study is to examine on-site the state of waste-to-energy (WTE) conversion technologies for municipal solid waste (MSW) disposal methods and renewable energy production in the MSW landfill of Van province. In addition, solid waste characterization was also carried out in order to reveal the parameters affecting the landfill gas formed. It has been determined that 34.34% of the waste contains organic and 42.41% of it contains fixed substances. In addition, it has been determined that the C/N ratio of the solid waste is 31.67% and it is sufficient for biogas production. According to the results of the landfill gas analysis, approximately 50-60% of the landfill gas consists of Methane (CH4), while the amount of energy obtained was about 3000 kWh in August and September, the amount of energy production decreased to the range of 2000-3000 kWh in the colder months starting from November and continuing until June. To convert the methane gas accumulated in the landfill into electrical energy, the electrical power generation facility, established by the Van Metropolitan Municipality, was put into operation at the beginning of 2019 and meets the energy demand of approximately 5000 households. An average of 2000 kWh electricity is produced per hour at the electricity generation facility and 1150 m3 of methane gas is drawn into the facility. With full adaptation to the zero waste system, we believe that the waste composition, which is one of the parameters that will affect the energy production efficiency of the facility, will be free from wastes that will limit biological activity and in a structure that will increase the production of CH4.

Keywords

• Landfill gas Energy production
• Municipal solid waste
• Van

Katı Atık Depo Alanlarında Bulunan Atıklardan Biyogaz Enerjisi Üretme Potansiyelinin Değerlendirilmesi; Van İli Örneği

Abstract

Bu çalışmanın amacı kentsel katı atık (KKA) bertaraf yöntemleri ve yenilenebilir enerji üretimi için Van ili KKA depolama alanında bulunan atıklardan enerjiye (WTE) dönüşüm teknolojilerinin durumunu yerinde incelemektir. Ayrıca oluşan depo gazını etkileyen parametreleri ortaya koymak amacıyla katı atık karakterizasyonu da yapılmıştır. Atığın %34.34 ‘ünün organik, %42.41’inin ise sabit madde içerdiği tespit edilmiştir. Ayrıca atığın C/N oranının %31.67 olduğu ve biyogaz üretimi için yeterli olduğu tespit edilmiştir. Depo gazı analiz sonuçlarına göre depo gazının yaklaşık %50-60’ı Metan (CH4)’ dan oluşmakta ve elde edilen enerji miktarı Ağustos ve Eylül aylarında yaklaşık 3000 kWh civarında iken Kasım ile başlayıp Haziran ayına kadar devam eden soğuk gecen aylarda ise enerji üretim miktarı 2000-3000 kWh aralığına düşmüştür. Depolama alanında biriken CH4 gazını elektrik enerjisine dönüştürmek için Van Büyükşehir Belediyesi tarafından kurulan elektrik enerjisi üretim tesisi 2019 yılı başında faaliyete girmiştir ve yaklaşık 5000 hanenin enerji talebini karşılamaktadır. Elektrik üretim tesisinde saatte ortalama 2000 kWh elektrik üretimi yapılmakta ve ortalama 1150 m3 CH4 gazı tesise çekilmektedir. Sıfır atık sistemine tam adaptasyon ile tesisin enerji üretim verimliliğine etki edecek parametrelerden biri olan atık kompozisyonunun biyolojik aktiviteyi sınırlayacak atıklardan arınmış ve CH4 eldesini artıracak bir yapıda olacağı kanatindeyiz.

Keywords

• Depo gazı
• Enerji üretimi
• Evsel katı atık
• Van

References

1. [1] Öztürk, D. 2019. “Van İlindeki Tehlikeli Atıkların Mevcut Potansiyelinin Belirlenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(3), 271-282.
2. [2] Ho, W.S., Hashim, H., Lim, J.S., Lee, C.T., Sam, K.C., Tan, S.T. 2017. Waste Management Pinch Analysis (WAMPA): Application of Pinch Analysis for greenhouse gas (GHG) emission reduction in municipal solid waste management. Applied Energy, 185, 1481-1489.
3. [3] Gu, T., Yin, C., Ma, W., Chen, G. 2019. Municipal solid waste incineration in a packed bed: A comprehensive modeling study with experimental validation. Applied Energy, 247, 127-139.
4. [4] Fidelis, R., Marco-Ferreira, A., Antunes, L.C., Komatsu, A. K. 2020. Socio-productive inclusion of scavengers in municipal solid waste management in Brazil: Practices, paradigms and future prospects. Resources, Conservation and Recycling, 154, 104594.
5. [5] Gökçe, G.F., Aydemir, P.K., Hasanoğlu, P., Özbay, M. 2015. Katı Atık Düzenli Depolama Sahalarının ve Vahşi Depolama Alanlarının Islahı ve Bitkilendirilmesi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 3(1), 258-271.
6. [6] Rushton, L. 2003. Health hazards and waste management. British Medical Bulletin, 68, 183–197.
7. [7] Giusti, L. 2009. A review of waste management practices and their impact on human health. Waste Management, 29(8), 2227–2239.
8. [8] Hoornweg, D., Bhada-Tata, P. 2012. What A Waste, A Global Review of Solid Waste Management,” Washington DC, USA: World Bank, 26s.

9. [9] Kumar, S., Nimchuk, N., Kumar, R., Zietsman, J., Ramani, T., Spiegelman, C., Kenney, M. 2016. Specific model for the estimation of methane emission from municipal solid waste landfills in India. Bioresource Technology, 216, 981–987.
10. [10] Tercan, S.H., Cabalar, A.F., Yaman, G. 2015. Analysis of a landfill gas to energy system at the municipal solid waste landfill in Gaziantep, Turkey. Journal of the Air & Waste Management Association, 65(8), 912-918.
11. [11] Menikpura, S.N.M., Sang-Arun, J., Bengtsson, M. 2016.Assessment of environmental and economic performance of Waste-to-Energy facilities in Thai cities. Renewable Energy, 86, 576-584.
12. [12] Tozlu, A., Özahi, E., Abuşoğlu, A. 2016. Waste to energy technologies for municipal solid waste management in Gaziantep. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 54, 809-815.
13. [13] Cakir, A.K. Gunerhan, Hepbasli, H.A. 2016. A comparative study on estimating the landfill gas potential: Modeling and analysis. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 38(16), 2478–2486.
14. [14] Singh, C.K., Kumar, A., Roy, S. S. 2018. Quantitative analysis of the methane gas emissions from municipal solid waste in India. Scientific Reports, 8, 2913,
15. [15] Ahmed, S. I., Johari, A., Hashim, H., Mat, R., Lim, J. S., Ngadi, N., Ali, A. 2015. Optimal landfill gas utilization for renewable energy production. Environmental Progress & Sustainable Energy, 34(1), 289-296.
16. [16] Rada, E. C., Ragazzi, M., Ionescu, G., Merler, G., Moedinger, F., Raboni, M., Torretta, V. 2014. Municipal Solid Waste treatment by integrated solutions: Energy and environmental balances. Energy Procedia, 50, 1037-1044.
17. [17] Munster, M., Lund, H. 2010. Comparing Waste-to-Energy technologies by applying energy system analysis. Waste management, 30(7), 1251-1263.
18. [18] United States Environmental Protection Agency (EPA). Landfills, [Online]. Available: http://www.epa.gov/osw/nonhaz/municipal/combustion.html (Date of Access: 20 October 2014).
19. [19] Bekkering, J., Broekhuis, A. A., Van Gemert, W. J. T.2010.Optimisation of a green gas supply chainAreview. Bioresource technology, 101(2), 450-456.
20. [20] Noor, Z. Z., Yusuf, R. O., Abba, A. H., Hassan, M. A. A., Din, M. F. M. 2013. An overview for energy recovery from municipal solid wastes (MSW) in Malaysia scenario. Renewable and sustainable energy reviews, 20, 378-384.
21. [21] Can, A. 2020. The statistical modeling of potential biogas production capacity from solid waste disposal sites in Turkey. Journal of Cleaner Production, 243, 118501.
22. [22] ASTM (American Society for Testing and Materials). 2003. D5231 – 92.
23. [23] Bilgili, M. S. 2006. Katı atık düzenli depo sahalarında atıkların aerobik ve anaerobik ayrışması üzerine sızıntı suyu geri devrinin etkileri. Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul.
24. [24] Ilkiliç, C., Deviren, H. 2011. Biyogazın Üretimi ve Üretimi etkileyen faktörler. 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 Mayıs, Elazığ,
25. [25] Werner, U., Stöhr, U., Hees, N. 1989. Biogas plants in animal husbandry. Deutsches Zentrum für Entwicklungstechnologien-GATE.
26. [26] Akıncı, G., Onargan, T., Danışman M.A., Küçük, K., Güven, D., Gök, G., Bilgin, M. 2010. Uşak Belediyesi Katı Atık Yönetimi Fizibilite Raporuna Esas Sondajlı Atık Sahası Karakterizasyonu Belirlenmesi ve Gaz Varlığının Araştırılmasına Yönelik Ar-Ge Projesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Türkiye.
27. [27] Hosseini, S. S., Yaghmaeian, K., Yousefi, N., Mahvi, A. H. 2018. Estimation of landfill gas generation in a municipal solid waste disposal site by LandGEM mathematical model. Global Journal of Environmental Science and Management, 4(4), 493-506.
28. [28] Demirarslan, K. O. 2020. Katı Atık Yönetiminden Meydana Gelebilecek Sera Gazları ile Matematiksel Tahminleri Üzerine Literatür Araştırması. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8(1), 363-38.
29. [29] TÜİK, 2021. Sera gazı Emisyon İstatistikleri, 1990-2019. TUİK Haber Bülteni, Sayı: 37196.
30. [30] Sakarya Valiliği Çevre ve Şehircilik Il Müdürlüğü, 2015. Sakarya Büyükşehir Belediyesi Entegre Katı Atık Bertaraf Tesisi ÇED Raporu,” Duru Çevre Teknolojileri ve Lab. Hiz Müh. Müş. İnş. Taah. San ve Tic. Ltd. Şti, Ankara.
31. [31] Yay, A. S. E. 2017. Yaşam döngüsü analizinin ambalaj atıklarının yönetiminde kullanılması. Sakarya University Journal of Science, 21(5), 1008-1017.
32. [32] Den Boer, E., Jędrczak, A., Kowalski, Z., Kulczycka, J., Szpadt, R. 2010. A review of municipal solid waste composition and quantities in Poland. Waste Management, 30(3), 369-377.
33. [33] Demirbas, A. 2006. Biogas production from the organic fraction of municipal solid waste. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 28(12), 1127-1134.
34. [34] Çakır, A.K., Gunerhan, H. 2012. İzmir Harmandalı Deposindeki Metan Gazı Potansiyelinin Belirlenmesi, Bertaraf ve Değerlendirme Seçeneklerinin Araştırılması. TMMOB MMO Mühendis ve Makina Dergisi, 53(631), 24-34.
35. [35] Öztürk, G. 2010. Katı Atık Yönetimi ve AB Uyumlu Uygulamaları, 3. Baskı, İstanbul, Türkiye: İSTAÇ, 9-62.
36. [36] Baran, A., Arıkan, O., Yıldız, Ş., Demir, İ., Sarı, H., Altıntaş, M., Balahorli, V. 2015. Katı Atık Düzenli Depolama Tesisleri İşletimi El Kitabı. İstanbul: İSTAÇ, 5-6s.
37. [37] İpekoğlu, R.A.B. 2012. Kömürlerdeki Kükürdün Kademeli Olarak Uzaklaştırılması. İstanbul Yerbilimleri Dergisi, 9, 1-2.
38. [38] Çağlar, G.A. 2007. Endüstriyel atık malzemelerin karayollarında kullanımı, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi, İstanbul.
39. [39] Ko, J. H., Xu, Q., Jang, Y. C. 2015. Emissions and control of hydrogen sulfide at landfills: a review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 45(19), 2043-2083.
40. [40] Öztürk, D., Bayram, T. 2019. Van İli Kent Merkezinde Hava Kirliliği. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 8(3), 1142-1153.
41. [41] Sevimoğlu, O., Östürk, Ö. 2019. Kömürcüoda Katı Atık Depolama Sahasında Çöp Gazından Enerji Üretiminde Kullanılan Gaz Motorlarında Oluşan Depozitin Elementel Karakterizasyonu. Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 6(10), 1-9.
42. [42] İlkılıç, C., Deviren, H. 2011. Biyogazın Oluşumu ve Biyogazı Saflaştirma Yöntemleri. 6 th International Advanced Technologies Symposium, 16-18 Mayıs, Elâzığ, 150-155.
43. [43] Boyd, R. “Internalising Environmental Benefits of Anaerobic Digestion of Pig Slurry in Norfolk, University of East Anglia,” [Online]. Available: http://www.green- trust.org/%20PigSlurryADProject.pdf (Date of Acsess: 14 April 2019).
44. [44] Gujer, W., Zehnder, A. J. 1983. Conversion processes in anaerobic digestion. Water science and technology, 15(8-9), 127-167.
45. [45] Coşkuner, M.C. 2015. Evsel Atıktan Enerji Üretimi: Gaziantep Örneği, İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul.
46. [46] Cuzin, N., Farinet, J. L., Segretain, C., Labat, M. 1992. Methanogenic fermentation of cassava peel using a pilot plug flow digester. Bioresource technology, 41(3), 259-264.
47. [47] Korai, M. S., Mahar, R. B., Uqaili, M. A. 2014. Assessment of power generation potential from municipal solid wastes: A case study of Hyderabad city, Sindh, Pakistan. Pakistan Journal of Analytical & Environmental Chemistry, 15(1), 10.
48. [48] Şentürk, İ., Yıldırım, B. 2020. A study on estimating of the landfill gas potential from solid waste storage area in Sivas, Turkey. Scientific Journal of Mehmet Akif Ersoy University, 3(2), 63-76.
49. [49] Ibikunle, R. A., Titiladunayo, I. F., Akinnuli, B. O., Dahunsi, S. O., Olayanju, T. M. A. 2019. Estimation of power generation from municipal solid wastes: A case Study of Ilorin metropolis, Nigeria. Energy Reports, 5, 126-135.
50. [50] Hasan, A. M., Ammenberg, J. 2019. Biogas potential from municipal and agricultural residual biomass for power generation in Hazaribagh, Bangladesh–a strategy to improve the energy system. Renewable Energy Focus, 29, 14-23. [51] Murphy, J. D., McKeogh, E., Kiely, G. 2004. Technical/economic/environmental analysis of biogas utilisation. Applied Energy, 77(4), 407-427.