Performance of landfills with coal combustion byproducts aggregates as an alternative reactive daily cover

Abstract

A landfill is an engineered facility for the disposal of wastes. It is designed and operated to minimize public health and environmental impacts. However, land availability is the limiting factor for the operation and development of landfills. Landfill daily cover is a standard practice where inorganic soil is placed over the waste to: keep waste from blowing away; minimize disease vectors; restrict access to rodents, birds, and insects, to control leachate and erosion, reduce fire hazard potential and noxious odors, and provide an aesthetic appearance. The use of alternative materials for daily covers could conserve landfill space and soil resources while also meeting environmental and operational requirements. Energy wastes, such as coal combustion byproducts aggregates (CCAs), can meet dual purposes simultaneously. They can achieve resource recovery and reclamation as a reactive daily cover (ADC) by being reutilized in landfills as a key design and operating component for daily cover. The CCAs are an agglomerate of fly ash and bottom ash that are produced during the coal combustion process. The purpose of this research was to evaluate the potential of the CCAs as ADC materials to achieve resource recovery, enhance biological decomposition, and induce early settlement of landfills. Biochemical decomposition and settlement were simulated using physical landfill models (PLMs) in an environmental chamber (one PLM used sandy soil as a daily cover, whereas another PLM used CCAs). The environmental chamber was equipped with a thermal circulator to support the rate of waste decomposition in lab-scale PLMs. The PLMs were equipped with gas extraction ports, water spraying systems on the top, and leachate drain ports on the bottom. Settlement was monitored through a side-wall window on the PLMs. Synthetic solid wastes were formulated in accordance to the average characteristics of Puerto Rican solid wastes. Rate of leachate production through the CCAs cover, as a measure of hydraulic performance, was quantified by comparing infiltration rates through the soil cover under identical hydrological conditions. Leachate volume and the concentrations of organic and inorganic substances in leachate were monitored and compared between the CCAs PLM and control PLM. Results showed that physical conditions in the control and CCAs PLMs produced similar hydraulic characteristics (leachate quantity) are attributed to similar void fractions controlling the flow through the sand and CCA. The concentrations of organic and inorganic components were found reduced more in the CCA PLM than in the control PLM. Higher microbial activity resulting from more optimal pH conditions for methanogens and higher contribution of nutrients for microbial growth. Higher active biodecomposition of solid waste is also supported by higher settlement and biogas production in the CCAs PLM, compared to the control PLM. To understand potential influence of the CCAs packing density on leachate characteristics, three smaller physical landfill models (SPLMs) were constructed. One had the same packing density of the CCAs PLM, another had the same packing density of the control PLM, and the other had a higher packing density than the CCAs PLM (1.23). Results of this study indicated that packing density of the CCA did not significantly alter the production of leachate substances. The concentrations of organic and the inorganic compounds were reduced and the production of biogas increased regardless of the packing density validating the results of the CCA PLM. An important aspect in the use of CCAs as an ADC is the possibility of using it as a reactive daily cover for heavy metals removal. Removal of heavy metals by CCAs was confirmed in SPLM tests. Quantification of the CCA’s point of zero charge, which was found at 8.7 ± 0.2, suggests that removal is mainly caused by precipitation processes, not by adsorption. Microbial activity enhancement due to CCAs was confirmed with a separate experiment where four order of magnitude greater colony forming unit (CFU) was observed from the system having CCAs than the control system without them (30~150 x 1010 CFU/100 mL vs. 140 x 106 CFU/100 mL). Therefore, the greater microbial populations, activity, and enhanced biological waste decomposition are expected to occur in landfills with CCAs as daily cover, as was observed in the CCAs PLM. This also provides extra space for more wastes to be disposed of in the landfill and leads to significant conservation of natural soils which otherwise would have been excavated for use as daily cover.

Un vertedero es una estructura ingenieril construida para la eliminación de desperdicios sólidos, es diseñado y operado para minimizar el impacto a la salud pública así como al ambiente. Sin embargo, la disponibilidad de terrenos es el factor limitante para el funcionamiento y desarrollo de los vertederos. En un vertedero el uso de una cubierta diaria es una práctica estándar que utiliza típicamente suelo inorgánico para mantener los residuos lejos del viento, minimizar la proliferación de enfermedades, restringir el acceso a roedores, pájaros e insectos, controlar los lixiviados y la erosión, reducir el potencial de riesgo de incendio, reducir los olores nocivos, y proporcionar un aspecto estético. El uso de materiales alternativos para cubierta diaria podría conservar el espacio en un vertedero y los recursos del suelo, y al mismo tiempo cumplir con los requisitos ambientales y operacionales. Desperdicios de la producción energía, tales como los subproductos agregados de la combustión de carbón (CCAs) pueden cumplir una doble función: lograr la recuperación de recursos y la reutilización de estos como una cubierta diaria alternativa (ADC), convirtiéndose en un elemento clave para el diseño y el funcionamiento para la cubierta diaria del vertedero. Los CCAs son un aglomerado de las cenizas livianas y pesadas que se producen durante el proceso de combustión de carbón. El propósito de esta investigación fue evaluar el potencial de los CCAs como materiales para ADC y lograr la recuperación de recursos, mejorar la descomposición biológica e inducir el asentamiento temprano en un vertedero. La descomposición bioquímica y el asentamiento fueron simulados utilizando modelos físicos de vertederos (PLMs) en una cámara ambiental (un PLM es utilizado como control usando suelo inorgánico mientras que el otro PLM usaba CCAs). Una cámara ambiental fue equipada con un sistema de recirculación térmica como soporte para la velocidad de descomposición de los desperdicios sólidos. Los PLMs estaban equipados en la parte superior con puertos de extracción de gas y un sistema de aspersión de agua, mientras que en la parte inferior poseen un orificio de drenaje para lixiviados. El asentamiento fue monitoreado a través de una ventana transparente en la pared lateral de los PLMs. Los desperdicios sólidos sintéticos que fueron utilizados corresponden a la composición de los desperdicios sólidos en Puerto Rico. La tasa de producción de lixiviado a través de la cubierta de CCAs, fue utilizada como una medida del desempeño hidráulico y fue cuantificada mediante la comparación de las tasas de infiltración a través de la cobertura diaria utilizando suelo inorgánico bajo condiciones hidrológicas idénticas. El volumen del lixiviado y las concentraciones de componentes orgánicos e inorgánicos en el agua infiltrada fueron medidos y comparados entre el PLM con CCAs y el PLM control. Los resultados muestran que las condiciones físicas en los PLMs control y el de CCA producen características hidráulicas muy similares (cantidad de lixiviados), esto es atribuido a las fracciones de vacíos que controlan el flujo a través del suelo y de los agregados. Reducción en las concentraciones de componentes orgánicos e inorgánicos. Mayor actividad microbiana resultante de las condiciones de pH optimas para los metanógenos y una mayor aportación de nutrientes para en crecimiento de la actividad microbiana. Una mayor y activa biodescomposición de los residuos sólidos es sustentado por el aumento de los asentamientos y la producción de biogas en el PLM de CCA en comparación con el de control. Para entender la potencial influencia de la densidad de empaque de los CCAs sobre las características de los lixiviados, tres pequeños modelos físicos de vertederos (SPLMs) fueron construidos. Uno tenía la misma densidad de empaque del PLM con CCAs, otro tenía la densidad de empaque que corresponde al PLM de control y el último poseía una mayor densidad de empaque del PLM con CCAs (1.23). Los resultados de este estudio indican que la densidad de empaque no altera significativamente la producción de sustancias en el lixiviado. Las concentraciones de los compuestos orgánicos e inorgánicos fueron reducidas y se incrementó la producción de biogas, independientemente de la densidad de empaque validando los resultados del PLM con CCA. Un aspecto importante en el uso del CCAs como una ADC es la posibilidad de utilizarlo como una cubierta diaria reactiva para la eliminación de metales pesados. La remoción de metales pesados por los CCA fue confirmada en experimentos con los SPLMs. La cuantificación del punto cero de carga fue encontrada en 8.7 ± 0.2, sugiriendo que la remoción es principalmente causada por procesos de precipitación y no de adsorción. El mejoramiento de la actividad microbiana, debido a la presencia de los CCAs fue confirmada con un experimento separado, donde se observó un cuarto orden de magnitud mayor en las unidades de colonias formadas (CFU), en el sistema con CCAs fueron mayor que el sistema de control sin CCAs (30~150 x 1010 CFU/100 mL vs. 140 x 106 CFU/100 mL). Por lo tanto, las mayores poblaciones microbianas y la mayor actividad, corroboran el mejoramiento biológico en la descomposición de los residuos y se espera que ocurra en los vertederos, como se observó en el PLM con CCAs. Esto también podrá proporcionar espacio adicional para que más desperdicios sólidos puedan ser dispuestos en el vertedero y conduce a la conservación de suelos naturales que de otro modo habrían tenido que ser excavados.