EFFECTS OF LEACHATE ON COMPACTED CLAY LINER AND TEMPORARY COVER LAYER OF LANDFILL SYSTEMS STABILIZED WITH SODIUM LIGNOSULFONATE

Abstract

ABSTRACT

This thesis aims to investigate the potential of sodium lignosulfonate (NLS) for stabilizing compacted clay liners against the adverse effects of leachate in municipal solid waste landfill structures. In addition, the potential use of NLS as a temporary cover layer was investigated using column model test. To do so, a series of tests, including particle size distribution, Atterberg limits, compaction, unconfined compressive strength, bender element, SEM, XRD, XRF, FTIR, pH, and EC, heavy metal concentration tests, were performed. In addition, the leaching behavior of the temporary layer stabilized with NLS was examined using the small column test designed for the study. In this research, for the untreated compacted clay liner, five scenarios were determined: (1) mixing the clay with water and testing it in a dry condition, (2) mixing the clay with leachate and testing it in a dry condition, (3) mixing the clay with water and testing it in a wet condition by soaking in water, (4) mixing the clay with water and testing it in a wet condition by soaking in leachate, and (5) mixing the clay with leachate and testing it in a wet condition by soaking it in water. All these methods are also performed on NLS stabilized compacted clay liner, with testing conducted at various curing times, including 7, 28, and 90 days. For leaching behavior, the effects of various variables on pH, EC, flow rate, and heavy metal concentration were examined, including operation mode, leachate recirculation, thickness of temporary cover, curing time, and type of materials.

The results verified that, even in the worst-case scenario of soaking in leachate, the addition of 1% NLS significantly enhanced the performance of CCLs, reducing the voids percentage by 85.5% and increasing both strength and shear wave velocity by 52% and 40%, respectively. SEM-EDX and FTIR findings confirmed the potential of NLS, even in the presence of leachate, to create electrostatic attraction among the clay particles, develop polymer chains around them, and promote the formation of denser microstructures.

Among various variables, the operation modes and leachate recirculation were found to be very effective in changing the results of heavy metal concentrations in the landfill system, including a temporary cover layer made of a mixture of clay and 1% NLS. A higher temporary cover thickness led to a significant reduction in the amounts of Cd, Cu, and Zn. It was confirmed that curing time did not show substantial effects on changing the results of column model tests. Therefore, in the case of controlling heavy metals concentration, 7 days of curing can be considered adequate and optimum. It was found that the model with NLS alone as a temporary cover could perform better in terms of controlling heavy metal concentrations such as Zn, Ni, Cu, and Cd.

The results of the current project can illustrate the effects of leachate on the environmental, mechanical, physical, and dynamic responses of compacted clay liners in landfill systems, thereby enhancing designers' insights for future designs. Additionally, the project explores the potential of NLS, an industrial byproduct of a paper factory, to enhance the properties of both the compacted clay liner and the temporary cover layer, leading to recycling and reusing NLS for new applications.

ÖZET

Bu çalışma ile sodyum lignosülfonatın (NLS) belediye katı atık depolama yapılarında sızıntı suyunun olumsuz etkilerine karşı sıkıştırılmış kil astarları stabilize etme potansiyeli araştırılmıştır. Buna ek olarak bu çalışmada NLS'nin geçici bir örtü tabakası olarak potansiyel kullanımı kolon test deneyleri ile belirlenmiştir. Hedeflenen amaçlara ulaşmak için çalışma kapsamında tane boyu boyutu dağılımı, Atterberg limitleri, kompaksiyon deneyi, tek eksenli basınç dayanımı, Bender Element Test, SEM, XRD, XRF, FTIR, pH ve EC, ve ağır metal konsantrasyon testlerini içeren bir dizi test gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, NLS ile stabilize edilen geçici tabakanın liç davranışı, çalışma için tasarlanan küçük kolon testi kullanılarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında, stabilize edilmemiş sıkıştırılmış kil astar için beş senaryo belirlenmiş olup bunlardan ilki; kilin suyla karıştırılıp kuru durumda test edilmesi, ikincisi; kilin sızıntı suyuyla karıştırılıp kuru durumda test edilmesi, üçüncüsü kilin suyla karıştırılması ve suya batırılarak ıslak durumda test edilmesi, dördüncüsü; kilin suyla karıştırılması ve sızıntı suyuna batırılarak ıslak durumda test edilmesi ve beşincisi; kilin sızıntı suyuyla karıştırılması ve suya batırılarak ıslak durumda test edilmesi. Tüm bu yöntemler aynı zamanda NLS ile stabilize edilmiş sıkıştırılmış kil astar üzerinde de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca tüm bu testler 7, 28 ve 90 gün olmak üzere çeşitli kürleme sürelerinde yapılmıştır. Sızıntı davranışı için, çalışma modu, sızıntı suyu devridaimi, geçici kaplamanın kalınlığı, kürleme süresi ve malzeme türü dahil olmak üzere çeşitli değişkenlerin pH, EC, akış hızı ve ağır metal konsantrasyonu üzerindeki etkileri incelenmiştir.

Sonuçlar, en kötü senaryo olan sızıntı suyuna batırılma durumunda bile %1 NLS ilavesinin, boşluk yüzdesini %85,5 oranında azalttığını ve hem mukavemeti hem de kayma dalgası hızını sırasıyla %52 ve %40 oranında artırarak Sıkıştırılmış Kil Tabakalarının performansını önemli ölçüde geliştirdiğini göstermektedir. SEM-EDX ve FTIR bulguları, sızıntı suyu varlığında bile NLS'nin kil parçacıkları arasında elektrostatik çekim oluşturma, bunların etrafında polimer zincirleri geliştirme ve daha yoğun mikro yapıların oluşumunu teşvik etme potansiyelini doğrulamaktadır.

Çeşitli değişkenler arasından çalışma modları ve sızıntı suyu yeniden sirkülasyonunun, kil ve %1 NLS karışımından oluşan geçici bir örtü tabakası da dahil olmak üzere depolama sistemindeki ağır metal konsantrasyonlarının sonuçlarını değiştirmede çok etkili olduğu değerlendirilmiştir. Artan geçici örtü kalınlığı, Cd, Cu ve Zn miktarlarında önemli bir azalmaya yol açmıştır. Kürleme süresinin kolon modeli testlerinin sonuçlarına önemli bir etkisinin olmadığı görülmektedir. Bu nedenle ağır metal konsantrasyonunun kontrol edilmesi durumunda 7 günlük kürün yeterli ve optimum olduğu düşünülebilir. Geçici örtü olarak tek başına NLS'nin kullanıldığı modelin Zn, Ni, Cu ve Cd gibi ağır metal konsantrasyonlarının kontrolü açısından daha iyi performans gösterebileceği sonucuna varılmıştır.

Çalışmanın sonuçları, sızıntı suyunun düzenli depolama sistemlerindeki sıkıştırılmış kil astarların çevresel, mekanik, fiziksel ve dinamik tepkileri üzerindeki etkilerini gösterebilir ve böylece tasarımcıların gelecekteki tasarımlar için öngörülerini geliştirebilir. Ayrıca proje, bir kağıt fabrikasının endüstriyel bir yan ürünü olan NLS'nin hem sıkıştırılmış kil astarın hem de geçici örtü tabakasının özelliklerini geliştirme potansiyelini araştırarak NLS'nin yeni uygulamalar için geri dönüştürülmesine ve yeniden kullanılmasına yol açmaktadır.

Bu çalışmanın sonuçları, sızıntı suyunun depolama alanlarındaki sıkıştırılmış kil kaplamaların çevresel, mekanik, fiziksel ve dinamik tepkileri üzerindeki etkilerini ortaya koymakta ve tasarımcılara gelecekteki tasarımlar için tahminlerini geliştirmeleri konusunda fikir vermektedir. Ek olarak bu tezden elde edilen sonuçlar, bir kağıt fabrikasının endüstriyel bir yan ürünü olan NLS'nin, hem sıkıştırılmış kil kaplamanın hem de geçici kaplama katmanının özelliklerini iyileştirme potansiyelini ortaya koyarak, NLS'nin bu amaç için geri dönüştürülme ve yeni amaçlar için kullanılma potansiyelini ortaya koymaktadır.