폐기물매립지에서의 메탄 발생특성조사 및 발생량 예측모델에 관한 연구 A study on the prediction of methane generation based on the investigation of methane emission behavior in full scale landfills.원문보기
본 연구에서는 실제 매립지에서의 메탄 발생량 예측 결과의 정확성을 제고하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 매립지의 현장조건과 폐기물 특성을 고려한 메탄총배출량(QCH4)과 메탄잠재발생량(L0)을 적용하여 실제 매립지에서의 현장 메탄발생속도상수(k)를 도출함으로써 메탄발생량을 예측하고 그 결과를 기존의 연구자들이 적용했던 방법과 함께 연도별 실제 메탄배출량 자료와도 비교함으로써 예측 결과의 정확도를 검증하였다.
L0 산출을 위한 기초 자료로서 문헌상에 보고된 폐기물 조성별 특성 자료를 검토한 결과, 탄소 및 수소 함량의 ...
본 연구에서는 실제 매립지에서의 메탄 발생량 예측 결과의 정확성을 제고하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 매립지의 현장조건과 폐기물 특성을 고려한 메탄총배출량(QCH4)과 메탄잠재발생량(L0)을 적용하여 실제 매립지에서의 현장 메탄발생속도상수(k)를 도출함으로써 메탄발생량을 예측하고 그 결과를 기존의 연구자들이 적용했던 방법과 함께 연도별 실제 메탄배출량 자료와도 비교함으로써 예측 결과의 정확도를 검증하였다.
L0 산출을 위한 기초 자료로서 문헌상에 보고된 폐기물 조성별 특성 자료를 검토한 결과, 탄소 및 수소 함량의 편차는 크지 않은 반면, 산소, 질소, 황의 함량 및 수분함량의 편차는 큰 것으로 나타났다. 또한 탄소함량과 유기탄소함량 간의 차이는 크지 않으므로 이들 자료를 동일한 목적으로 사용할 수 있을 것으로 판단되었다. 최종메탄수율 자료는 국내외에 걸쳐 매우 부족한 실정이며, 국내외 자료 간 편차가 매우 큰 것으로 나타나 국내 폐기물의 특성에 맞는 자료의 확보가 절실한 것으로 판단되었다. 또한, L0를 지표로 하는 실험규모에 따른 k의 상관성에 대한 문헌조사 결과, 실험 규모가 커질수록 k값이 낮아지고 관계식 도출은 어려운 것으로 나타나, 실규모 매립지에서 메탄 발생량을 예측하기 위해서는 실측을 통하여 현장조건을 반영한 k값을 도출할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
다양한 L0 산출 방법을 검토한 결과, 실험적 방법인 BMP test 결과를 이용한 방법은 유기물의 생물분해비율(DOCf)을 반영할 수 있는 장점이 있으며, 폐기물 조성별 생분해도와 물리적 조성 비율을 고려할 때 전체폐기물의 L0 산정 시 플라스틱류와 고무/가죽류는 고려하지 않아도 될 것으로 판단되었다. 반면에, 이론적 방법으로서 화학양론식에 의한 방법 및 유기탄소함량을 이용한 방법에 의해 L0를 산정할 경우, 폐기물 조성의 적용방법에 따른 차이가 크고, 메탄이론발생량에 DOCf를 적용할 필요가 있으며 그 값은 0.6이 현실적인 것으로 판단되었다. 또한 폐기물 조성별 특성 자료 중 수분함량의 차이에 따른 L0의 산출결과가 크게 달라지는 것으로 나타나, 매립 당시 폐기물의 수분함량 자료의 확보가 매우 중요함을 알 수 있었다.
메탄 발생량 예측 결과에 영향을 미치는 현장조건 중 하나로서 검토된 침출수 중 유기물 손실량은 회분식 반응 시스템(4.4-22.2%)에서 연속식 반응 시스템(0.9-16.6%), 실규모 매립지(0.3%)로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 이로부터 우리나라 폐기물관리법상의 매립지 설계 및 관리기준을 준수하고 있는 실규모 매립지의 경우, 침출수 중 유기물 손실량은 매립지 내에 유입된 유기물의 1% 미만으로서 매립가스 발생량 산정 시 침출수 중 유기물 손실량을 고려하지 않아도 될 것으로 판단되었다.
실규모 매립지로서 S 매립지의 사용종료매립장과 사용중매립장의 다양한 조사지점을 대상으로 4계절 동안 메탄 발생량을 조사하고 메탄발생특성을 평가한 결과, 배출원별 메탄 단위배출량의 변동계수를 고려할 때 일별 변동보다는 공간적 변동을 고려하여 평가해야 하며, 다른 배출원에 비해 복토시스템의 경우 조사지점 간 편차가 크므로 다수의 조사지점에 대한 측정이 필요할 것으로 판단되었다. 매립종료 후 5년이 경과한 시점의 사용종료매립장과 매립시작 후 5년이 경과한 시점의 사용중매립장에 대하여, QCH4는 각각 0.85㎥ CH4/yr/Mg wet waste와 6.85㎥ CH4/yr/Mg wet waste, 95%신뢰도 구간에 따른 최소값, 최대값과 평균값 간의 변동계수는 각각 16%, 43%, 현장에서의 메탄발생속도상수(k)는 각각 0.013/yr, 0.274/yr로 사용중매립장이 더 높은 것으로 조사되었다. 한편, 사용중매립장의 일부 매립구간의 QCH4는 2.72-8.35㎥ CH4/yr/Mg wet waste, k는 0.056/yr - 0.330/yr의 범위로 매립단이 증가할수록 증가하는 경향이 있으며 포집에 따른 차이는 미미한 것으로 확인되었다. 이로부터 QCH4 측정 시 매립지 운영조건을 대표하는 지점의 선택이 중요하며, 일부 매립구간에 대한 조사는 전체 매립지를 대표하는 k를 산정하는데 어려움이 있으므로 다양한 배출원을 고려한 메탄총배출량 조사가 이루어져야 할 것으로 판단되었다. 추정인자의 적용범위에 따른 k 값 산출을 통하여, L0보다는 QCH4에 따른 차이가 큰 것으로 확인되었으며, 사용중매립장과 같이 메탄배출량이 많고 조사지점에 따른 편차가 큰 매립장에 대해서는 좀 더 면밀한 조사를 통하여 정확한 QCH4를 도출할 필요가 있고, 본 연구의 사례를 볼 때 평균값을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
본 연구에서 도출한 추정인자 및 기존 연구에서 제안하고 있는 추정인자를 이용하여 메탄 발생량을 예측한 결과를 연도별 실제 메탄배출량과 비교한 결과, 현장 실측을 통해 산출한 추정인자를 적용한 본 연구의 예측 방법이 실제 메탄 배출량을 가장 잘 모사하는 것으로 확인되었다. 사용중매립장에서는 단일 k값의 적용을 통하여 정확한 예측이 가능한 반면, 사용종료매립장에서는 최종복토층의 설치, 포집 실시 등과 같은 운영방법의 변화에 따른 매립장 내부의 환경변화를 고려할 수 있는 다단계 추정방법을 이용하여 정확한 예측이 가능하였다. 따라서 현장실측을 통하여 매립지 현장의 특성을 반영하는 추정인자를 적용함으로써 실제적인 메탄 발생량 예측이 가능할 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 실제 매립지에서의 메탄 발생량 예측 결과의 정확성을 제고하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 매립지의 현장조건과 폐기물 특성을 고려한 메탄총배출량(QCH4)과 메탄잠재발생량(L0)을 적용하여 실제 매립지에서의 현장 메탄발생속도상수(k)를 도출함으로써 메탄발생량을 예측하고 그 결과를 기존의 연구자들이 적용했던 방법과 함께 연도별 실제 메탄배출량 자료와도 비교함으로써 예측 결과의 정확도를 검증하였다.
L0 산출을 위한 기초 자료로서 문헌상에 보고된 폐기물 조성별 특성 자료를 검토한 결과, 탄소 및 수소 함량의 편차는 크지 않은 반면, 산소, 질소, 황의 함량 및 수분함량의 편차는 큰 것으로 나타났다. 또한 탄소함량과 유기탄소함량 간의 차이는 크지 않으므로 이들 자료를 동일한 목적으로 사용할 수 있을 것으로 판단되었다. 최종메탄수율 자료는 국내외에 걸쳐 매우 부족한 실정이며, 국내외 자료 간 편차가 매우 큰 것으로 나타나 국내 폐기물의 특성에 맞는 자료의 확보가 절실한 것으로 판단되었다. 또한, L0를 지표로 하는 실험규모에 따른 k의 상관성에 대한 문헌조사 결과, 실험 규모가 커질수록 k값이 낮아지고 관계식 도출은 어려운 것으로 나타나, 실규모 매립지에서 메탄 발생량을 예측하기 위해서는 실측을 통하여 현장조건을 반영한 k값을 도출할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
다양한 L0 산출 방법을 검토한 결과, 실험적 방법인 BMP test 결과를 이용한 방법은 유기물의 생물분해비율(DOCf)을 반영할 수 있는 장점이 있으며, 폐기물 조성별 생분해도와 물리적 조성 비율을 고려할 때 전체폐기물의 L0 산정 시 플라스틱류와 고무/가죽류는 고려하지 않아도 될 것으로 판단되었다. 반면에, 이론적 방법으로서 화학양론식에 의한 방법 및 유기탄소함량을 이용한 방법에 의해 L0를 산정할 경우, 폐기물 조성의 적용방법에 따른 차이가 크고, 메탄이론발생량에 DOCf를 적용할 필요가 있으며 그 값은 0.6이 현실적인 것으로 판단되었다. 또한 폐기물 조성별 특성 자료 중 수분함량의 차이에 따른 L0의 산출결과가 크게 달라지는 것으로 나타나, 매립 당시 폐기물의 수분함량 자료의 확보가 매우 중요함을 알 수 있었다.
메탄 발생량 예측 결과에 영향을 미치는 현장조건 중 하나로서 검토된 침출수 중 유기물 손실량은 회분식 반응 시스템(4.4-22.2%)에서 연속식 반응 시스템(0.9-16.6%), 실규모 매립지(0.3%)로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 이로부터 우리나라 폐기물관리법상의 매립지 설계 및 관리기준을 준수하고 있는 실규모 매립지의 경우, 침출수 중 유기물 손실량은 매립지 내에 유입된 유기물의 1% 미만으로서 매립가스 발생량 산정 시 침출수 중 유기물 손실량을 고려하지 않아도 될 것으로 판단되었다.
실규모 매립지로서 S 매립지의 사용종료매립장과 사용중매립장의 다양한 조사지점을 대상으로 4계절 동안 메탄 발생량을 조사하고 메탄발생특성을 평가한 결과, 배출원별 메탄 단위배출량의 변동계수를 고려할 때 일별 변동보다는 공간적 변동을 고려하여 평가해야 하며, 다른 배출원에 비해 복토시스템의 경우 조사지점 간 편차가 크므로 다수의 조사지점에 대한 측정이 필요할 것으로 판단되었다. 매립종료 후 5년이 경과한 시점의 사용종료매립장과 매립시작 후 5년이 경과한 시점의 사용중매립장에 대하여, QCH4는 각각 0.85㎥ CH4/yr/Mg wet waste와 6.85㎥ CH4/yr/Mg wet waste, 95%신뢰도 구간에 따른 최소값, 최대값과 평균값 간의 변동계수는 각각 16%, 43%, 현장에서의 메탄발생속도상수(k)는 각각 0.013/yr, 0.274/yr로 사용중매립장이 더 높은 것으로 조사되었다. 한편, 사용중매립장의 일부 매립구간의 QCH4는 2.72-8.35㎥ CH4/yr/Mg wet waste, k는 0.056/yr - 0.330/yr의 범위로 매립단이 증가할수록 증가하는 경향이 있으며 포집에 따른 차이는 미미한 것으로 확인되었다. 이로부터 QCH4 측정 시 매립지 운영조건을 대표하는 지점의 선택이 중요하며, 일부 매립구간에 대한 조사는 전체 매립지를 대표하는 k를 산정하는데 어려움이 있으므로 다양한 배출원을 고려한 메탄총배출량 조사가 이루어져야 할 것으로 판단되었다. 추정인자의 적용범위에 따른 k 값 산출을 통하여, L0보다는 QCH4에 따른 차이가 큰 것으로 확인되었으며, 사용중매립장과 같이 메탄배출량이 많고 조사지점에 따른 편차가 큰 매립장에 대해서는 좀 더 면밀한 조사를 통하여 정확한 QCH4를 도출할 필요가 있고, 본 연구의 사례를 볼 때 평균값을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
본 연구에서 도출한 추정인자 및 기존 연구에서 제안하고 있는 추정인자를 이용하여 메탄 발생량을 예측한 결과를 연도별 실제 메탄배출량과 비교한 결과, 현장 실측을 통해 산출한 추정인자를 적용한 본 연구의 예측 방법이 실제 메탄 배출량을 가장 잘 모사하는 것으로 확인되었다. 사용중매립장에서는 단일 k값의 적용을 통하여 정확한 예측이 가능한 반면, 사용종료매립장에서는 최종복토층의 설치, 포집 실시 등과 같은 운영방법의 변화에 따른 매립장 내부의 환경변화를 고려할 수 있는 다단계 추정방법을 이용하여 정확한 예측이 가능하였다. 따라서 현장실측을 통하여 매립지 현장의 특성을 반영하는 추정인자를 적용함으로써 실제적인 메탄 발생량 예측이 가능할 것으로 판단되었다.
In this study, a methodology was developed to predict methane generation in full scale landfills by using first order decay model. The practical methane generation was predicted by applying three important parameters to the model: methane generation rate constant(k), total methane emission(QCH4), an...
In this study, a methodology was developed to predict methane generation in full scale landfills by using first order decay model. The practical methane generation was predicted by applying three important parameters to the model: methane generation rate constant(k), total methane emission(QCH4), and methane generation potential(L0). Methane generation prediction of this study was validated by comparing it with those of previous studies and the annual methane emission data.
From the review study on the properties of each waste component as fundamental data for L0 calculation, the variation of carbon and hydrogen content was found to be low, while that of oxygen, nitrogen, sulfur, and moisture content was high. Carbon content and organic carbon content were considered to be usable for the same purpose because the difference between them was ignorable. It was needed to obtain more ultimate methane yield data of waste components in Korea because there were few data reported and the difference between those in Korea and other countries was significant. As L0, which was selected as an index of reactor scale, became larger, k was found to become smaller. In addition, it was difficult to derive the correlation equation between L0 and k. Therefore, k derivation by field measurement was considered to be needed to predict methane generation in full scale landfills.
For L0 calculation of bulk waste, the experimental method using BMP test results was able to reflect biodegradability of waste components. The waste components such as plastics and rubber/leather were proposed to be excluded because of their low biodegradability and proportion in physical composition. The theoretical methane generation(G0) calculated by stoichiometric method or by using organic carbon content showed high variation according to the method of waste component application. In addition, the fraction of degradable organic carbon which decomposes(DOCf) was needed to be applied to G0 for calculation of L0 of bulk waste and 0.6 was recommended as the default value for DOCf of bulk waste in Korea. It was considered that moisture content of waste components carried into landfills should be known because it was found to have a great effect on the L0 calculation.
The degradable organic carbon(DOC) loss through leachate was on the decrease as the reactor scale was on the increase: 4.4-22.2% in batch system, 0.9-16.6% in continuous column system, 0.3% in full scale landfill. Therefore, in case of full scale landfills which are managed according to Korean legal standard for landfill design and management, the amount of DOC lost with leachate is proposed to be neglected in methane generation prediction.
Methane emission from full scale landfills was investigated and its pattern was evaluated by using data obtained from various Sites in capped and operating landfills of S landfill for 4 seasons. The areal variation of methane emission was evaluated to be higher than daily variation. In case of cover system in operating landfills, many points of investigation was recommended for its high areal variation. The operating landfill which was 5 years after opening showed higher values in many indices than the capped landfill which was 5 years after closure. For the capped and operating landfill, methane emission was 0.85 and 6.85㎥ CH4/yr/Mg wet waste; the coefficient of variation of methane emission among minimum, maximum, average value was 16% and 43%; k was 0.013/yr and 0.274/yr, respectively. In case of the selected blocks in the operating landfill, as the waste layer became thicker from 1st to 4th lift, methane emission and k were on the increase in the range of 2.72-8.35㎥ CH4/yr/Mg wet waste and 0.056-0.330/yr, respectively. In addition, it was found that methane emission was regarded to be the same regardless of gas extraction. Therefore, it is needed to derive k which are representative of the overall landfill Site by investigation of QCH4 considering the various sources of methane emission. From the sensitivity analysis, QCH4 was evaluated to have more effect on k values, compared to L0. Therefore, in case of an operating landfill where areal variation of methane emission are high, it is recommended to apply the average value of QCH4 calculated by using the monitoring data in many points of various sources.
Methane generation prediction of this study was evaluated to represent the annual methane emission from the operating landfill better, compared to the previous studies: LandGEM, Scholl Canyon model, Weber model, IPCC FOD method. In case of the capped landfill, multi-phase prediction could represent the annual methane emission, which is the method considering the change of degradation condition inside the landfill due to the change of operating methods such as final cover and gas extraction system installation; just single phase estimation was enough to predict practical methane generation in the operating landfill. Therefore, it is considered that practical methane generation prediction is considered to be possible by applying specific parameters derived from field measurement.
In this study, a methodology was developed to predict methane generation in full scale landfills by using first order decay model. The practical methane generation was predicted by applying three important parameters to the model: methane generation rate constant(k), total methane emission(QCH4), and methane generation potential(L0). Methane generation prediction of this study was validated by comparing it with those of previous studies and the annual methane emission data.
From the review study on the properties of each waste component as fundamental data for L0 calculation, the variation of carbon and hydrogen content was found to be low, while that of oxygen, nitrogen, sulfur, and moisture content was high. Carbon content and organic carbon content were considered to be usable for the same purpose because the difference between them was ignorable. It was needed to obtain more ultimate methane yield data of waste components in Korea because there were few data reported and the difference between those in Korea and other countries was significant. As L0, which was selected as an index of reactor scale, became larger, k was found to become smaller. In addition, it was difficult to derive the correlation equation between L0 and k. Therefore, k derivation by field measurement was considered to be needed to predict methane generation in full scale landfills.
For L0 calculation of bulk waste, the experimental method using BMP test results was able to reflect biodegradability of waste components. The waste components such as plastics and rubber/leather were proposed to be excluded because of their low biodegradability and proportion in physical composition. The theoretical methane generation(G0) calculated by stoichiometric method or by using organic carbon content showed high variation according to the method of waste component application. In addition, the fraction of degradable organic carbon which decomposes(DOCf) was needed to be applied to G0 for calculation of L0 of bulk waste and 0.6 was recommended as the default value for DOCf of bulk waste in Korea. It was considered that moisture content of waste components carried into landfills should be known because it was found to have a great effect on the L0 calculation.
The degradable organic carbon(DOC) loss through leachate was on the decrease as the reactor scale was on the increase: 4.4-22.2% in batch system, 0.9-16.6% in continuous column system, 0.3% in full scale landfill. Therefore, in case of full scale landfills which are managed according to Korean legal standard for landfill design and management, the amount of DOC lost with leachate is proposed to be neglected in methane generation prediction.
Methane emission from full scale landfills was investigated and its pattern was evaluated by using data obtained from various Sites in capped and operating landfills of S landfill for 4 seasons. The areal variation of methane emission was evaluated to be higher than daily variation. In case of cover system in operating landfills, many points of investigation was recommended for its high areal variation. The operating landfill which was 5 years after opening showed higher values in many indices than the capped landfill which was 5 years after closure. For the capped and operating landfill, methane emission was 0.85 and 6.85㎥ CH4/yr/Mg wet waste; the coefficient of variation of methane emission among minimum, maximum, average value was 16% and 43%; k was 0.013/yr and 0.274/yr, respectively. In case of the selected blocks in the operating landfill, as the waste layer became thicker from 1st to 4th lift, methane emission and k were on the increase in the range of 2.72-8.35㎥ CH4/yr/Mg wet waste and 0.056-0.330/yr, respectively. In addition, it was found that methane emission was regarded to be the same regardless of gas extraction. Therefore, it is needed to derive k which are representative of the overall landfill Site by investigation of QCH4 considering the various sources of methane emission. From the sensitivity analysis, QCH4 was evaluated to have more effect on k values, compared to L0. Therefore, in case of an operating landfill where areal variation of methane emission are high, it is recommended to apply the average value of QCH4 calculated by using the monitoring data in many points of various sources.
Methane generation prediction of this study was evaluated to represent the annual methane emission from the operating landfill better, compared to the previous studies: LandGEM, Scholl Canyon model, Weber model, IPCC FOD method. In case of the capped landfill, multi-phase prediction could represent the annual methane emission, which is the method considering the change of degradation condition inside the landfill due to the change of operating methods such as final cover and gas extraction system installation; just single phase estimation was enough to predict practical methane generation in the operating landfill. Therefore, it is considered that practical methane generation prediction is considered to be possible by applying specific parameters derived from field measurement.
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