Mathematical modeling of solid municipal waste landfill surface settlement with regard to organic component biodegradation

Abstract

Захоронення твердих побутових відходів на звалищах породжує ряд проблем. В статті звернуто увагу на одну з них - це просідання поверхні звалища як результат біодеградації органічних решток. Задачу прогнозування осідання поверхні сховища відходів запропоновано розв’язувати в межах теорії фільтраційної консолідації пористих середовищ. Супровідно вирішено задачу про динаміку емісії метану і вуглекислого газу в атмосферу на основі відомих експериментальних даних. Застосування пропонованих підходів дозволило уникнути моделювання мікробної динаміки та визначення напружено-деформівного стану масиву сховища відходів, що значно ускладнило б математичну модель задачі. Числові розв’язки відповідної крайової задачі в змінній з часом області знайдено методом скінченних елементів. Проведені числові експерименти показують зміни в динаміці просідань поверхні сховища відходів на випадок урахування ефектів біодеградації.Landfilling of municipal solid waste generates a number of problems. This article focuses on one of them – the settling of the landfill surface due to organic residue biodegradation. The task of predicting the settlement of the waste storage surface is proposed to be solved within the framework of the theory of filtration consolidation of porous media. Accordingly, the problem of the dynamics of methane and carbon dioxide emission into the atmosphere was solved on the basis of known experimental data. The application of the proposed approaches made it possible to avoid modeling microbial dynamics and determining the stress-strain state of the waste storage massif, which would significantly complicate the mathematical model of the problem. Numerical solutions of the corresponding boundary value problem in a variable-time domain were found using the finite element method. Numerical experiments show changes in the dynamics of waste storage surface settlements for the case of taking into account biodegradation effects.