Stipendiatstilling 2 IFE (2020-2023)

Decomposition of organic waste deposited in landfills is a global source of anthropogenic greenhouse gases (GHG). Landfills contribute ca. 8% of worldwide CH4 (up to 20% in the US and EE). Landfill gas (LFG) emission reporting under the United Nations Framework Convention on Climate Change is largely based on decay modelling of the input of organic waste into landfills. In many older landfills large uncertainty exists about the type and amounts of waste deposited historically. In these cases, modelling emissions is best constrained by a set of parameters describing a landfill’s CH4 mass balance: CH4 (emitted) = CH4 (generated-recovered-oxidized-migrated- stored) These parameters depend on site-specific conditions (waste composition, geomorphology, climate, type of oxidation cover and barriers used,...), often poorly documented and costly to characterize. Therefore, estimates of CH4 and CO2 emissions from most landfills are fraught with high uncertainty. Direct emission measurements, in turn, are challenged by a large spatial and temporal variability of instantaneous emissions rates, which makes it difficult to estimate annual emissions. The techniques with highest spatial resolution (vertical soil gas concentration profiles, surface flux chambers) are very time-consuming and difficult to scale up to the whole site, while techniques integrating fluxes over large areas (e.g., eddy covariance, aerial measurements) are challenged by variable topography, interfering CH4 sources, and rely on accurate micrometeorological models often not available at many sites. Stable isotopes may be used as a tool for understanding landfill processes. The approach is based on exploiting the difference in mass between isotopes of the same element, which may behave differently due to relative differences in mass. This leads to isotopic fractionation, enriching or depleting substrates and products for the rare heavier isotopes. The resulting isotopic signatures of CH4 and CO2 can thus, together with other parameters, be used to give insight into the extent and duration of processes forming and consuming LFG. Variations in isotopic ratios in CH4 have been documented in many landfills and interpreted in terms of methanogenesis, transportation and oxidation. However, more work is needed to improve the applicability of this technique. This PhD project aims to advance possibilities to estimate LFG production, emissions pathways and remaining degradation/production potential in landfills by combining recent developments in field measuring techniques (rapid soil flux measurements using high-sensitivity laser-based spectrometers) with stable isotope techniques. Time series data will be produced at selected landfills over the course of two or more years, including stable isotope data on carbon and hydrogen in methane and CO2. The new data will be interpreted in terms of landfill degradation status, gas production and migration processes. The specific objectives are: 1. To establish stable isotope markers in landfill efflux as proxies for estimating the remaining production/degradation potential 2. To develop a methodology for rapidly quantifying landfill emissions and cover soil CH4 oxidation efficiencies at landfill scale 3. To use the improved understanding of landfill processes together with the improved methodology for surface mapping to develop a practical methodology for estimating the remaining degradation potential of a landfill site In the course of this work, novel insights into the seasonal effects of freeze/thaw and drying/rewetting cycles on landfill emissions and methane oxidation efficiency in Nordic climates will be obtained. As of the conclusion of the project (August 2024), several improvements related to the specific objectives have been achieved. A study of the stable isotopes in landfill gas at 6 landfills at various “life stages” in Norway shows that the isotopic ratio 13/12C in CH4 and CO2 contain information on the current activity state of a landfill. However, landfill management practices (e.g., renewal of gas collection wells, infrastructure maintenance, surface operations) can affect factors including air penetration, water saturation, and gas emissions pathways. This in turn affects the activity state and isotopic ratios of a landfill, complicating interpretation of the “time” variable. In addition, work has been performed on understanding the temporal nature of gas emission and oxidation through the landfill cover layer. A hotspot identified at a landfill site was characterized approximately bi-weekly over an 8 month period, including measurements at the onset of winter and before and after the onset of spring thaw. Once fully evaluated, these data will lead to a better understanding of temporal variability in emissions through the cover layer and enable more informed monitoring activities at other landfill sites.

Beskriv kort hvilke virkninger og effekter prosjektet har hatt, samt potensielle virkninger og effekter som kan forventes på grunnlag av det prosjektet har oppnådd så langt.» Dette prosjektet har ført til flere konkrete virkninger/effekter både på forskningsfronten og også blant deponieiere som har nytte av forskningen. Den første realiserte virkningen er forbedrede målinger av faktiske utslipp fra flere nedlagte avfallsdeponier. Disse målingene har i noen tilfeller (f. eks ved Spillhaug deponi) ført til målrettede tiltak som har redusert årlig metanutslipp gjennom toppdekket (f. eks 90% reduksjon v/ Spillhaug deponi, Aurskog-Høland, fra omtrent 500 tonn CO2-ekvivalenter i 2023 før tiltak til omtrent 45 tonn CO2-ekvivalenter i 2024 etter tiltak) og som i andre tilfeller har ført til planlegging av tiltak (v. eks ved Brånåsdalen nedlagte avfallsdeponi, Lillestrøm). I tillegg har dette prosjektet kartlagt isotopforhold i karbon i deponigass fra flere norske deponier, både i driftsfasen og i etterdriftsfasen. Disse data skal brukes til å forbedre forståelsen av gassdannende prosesser og hvorfor det oppstår store heterogeniteter innad i deponiene, d.v.s. at noen områder produserer mer eller mindre gass enn andre områder i samme deponi. Isotopdata kan også brukes til å forbedre styringsverktøy for gassoppsamlingssystemer ved deponier, siden resultatene viser at isotopforhold er følsomt for økt lufttilførsel til et deponi på grunn av for høy gassuttak/feiljustert sugeeffekt. Dette prosjektet, sammen med EarthresQue SFI som har pågått samtidig, har ført til økt samarbeid og kunnskap mellom bransjeaktører rundt tema deponigass. Å øke kunnskap rundt gassproduksjon og utslipp, selv nå 15 år etter forbud mot deponering av organisk materialet trådte i kraft, er en viktig brikke i å 1) måle og 2) redusere gassutslipp fra deponisektoren, som ifølge SSB er et av de store usikkerhetsmomenter i Norges nasjonale klimaregnskap. I fremtiden kan det forventes at kunnskap opparbeidet gjennom dette prosjektet vil føre til veiledningsmaterialer til deponieiere og miljømyndighetene knyttet til «beste praksis» for kartlegging av metanutslipp gjennom toppdekket, samt et «oppslagsverk» av tiltak som kan vurderes for å redusere/eliminere metanutslipp fra deponier. Prosjektet vil også føre til økt forståelse av hvilke parametere som påvirker deponiets levetid, samt gi grunnlag for utvikling av verktøy som kan informere om fremtidig gassproduksjon i et deponi.