메탄은 온실효과가 이산화탄소 보다 20배 이상인 대표적인 non-$CO_2$ 온실가스이다. 매립지는 주요 인위적 메탄 발생원으로, 매립지의 메탄 발생량은 연간 35~73 Tg(tera gram)으로 추정된다. 바이오커버(개방형 시스템)과 바이오필터(폐쇄형 시스템)을 이용하는 생물학적 방법은 메탄을 회수하여 자원화하기에는 메탄 농도가 너무 낮거나 가스 포집정이 설치되어 있지 않는 노후화된 매립지나 소규모 매립지로부터 메탄 배출을 저감할 수 있는 유용한 방법이다. 메탄을 유일탄소원과 에너지원으로 활용하는 메탄산화세균은 이러한 생물학적 방법에 있어 메탄을 산화시켜 제거하는데 매우 중요한 역할을 담당한다. 토양, compost, 지렁이 분변토 등과 같은 다양한 충전재를 이용하여 실험실 규모의 바이오커버/바이오필터의 메탄산화효율에 관한 많은 연구가 진행되었다. 이 중에서 compost는 가장 많이 이용되고 있는 충전재이고, compost를 이용한 바이오커버/바이오필터의 메탄산화속도는 50에서 $700\;g-CH_4\;m^{-2}\;d^{-1}$로 보고되고 있다. 또한, 실제 매립지에 파일럿 규모의 바이오커버/바이오필터를 설치하여 메탄 배출 저감 효과에 관한 연구도 진행되고 있다. 매립지의 메탄 배출 저감은 탄소배출권 거래와 연관될 수 있으므로, 바이오커버/바이오필터에 의한 메탄 저감량을 정확하게 평가하는 것이 매우 중요하다. 그러므로, 매립지 현장에 설치된 바이오커버/바이오필터의 성능을 평가하는 방법은 표준화되어야 하며, 메탄 저감량을 정확하게 정량화할 수 있는 방법 개발이 필요하다.
메탄은 온실효과가 이산화탄소 보다 20배 이상인 대표적인 non-$CO_2$ 온실가스이다. 매립지는 주요 인위적 메탄 발생원으로, 매립지의 메탄 발생량은 연간 35~73 Tg(tera gram)으로 추정된다. 바이오커버(개방형 시스템)과 바이오필터(폐쇄형 시스템)을 이용하는 생물학적 방법은 메탄을 회수하여 자원화하기에는 메탄 농도가 너무 낮거나 가스 포집정이 설치되어 있지 않는 노후화된 매립지나 소규모 매립지로부터 메탄 배출을 저감할 수 있는 유용한 방법이다. 메탄을 유일탄소원과 에너지원으로 활용하는 메탄산화세균은 이러한 생물학적 방법에 있어 메탄을 산화시켜 제거하는데 매우 중요한 역할을 담당한다. 토양, compost, 지렁이 분변토 등과 같은 다양한 충전재를 이용하여 실험실 규모의 바이오커버/바이오필터의 메탄산화효율에 관한 많은 연구가 진행되었다. 이 중에서 compost는 가장 많이 이용되고 있는 충전재이고, compost를 이용한 바이오커버/바이오필터의 메탄산화속도는 50에서 $700\;g-CH_4\;m^{-2}\;d^{-1}$로 보고되고 있다. 또한, 실제 매립지에 파일럿 규모의 바이오커버/바이오필터를 설치하여 메탄 배출 저감 효과에 관한 연구도 진행되고 있다. 매립지의 메탄 배출 저감은 탄소배출권 거래와 연관될 수 있으므로, 바이오커버/바이오필터에 의한 메탄 저감량을 정확하게 평가하는 것이 매우 중요하다. 그러므로, 매립지 현장에 설치된 바이오커버/바이오필터의 성능을 평가하는 방법은 표준화되어야 하며, 메탄 저감량을 정확하게 정량화할 수 있는 방법 개발이 필요하다.
Methane, as a greenhouse gas, is some 21~25 times more detrimental to the environmental than carbon dioxide. Landfills generally constitute the most important anthropogenic source, and methane emission from landfill was estimated as 35~73 Tg per year. Biological approaches using biocover (open syste...
Methane, as a greenhouse gas, is some 21~25 times more detrimental to the environmental than carbon dioxide. Landfills generally constitute the most important anthropogenic source, and methane emission from landfill was estimated as 35~73 Tg per year. Biological approaches using biocover (open system) and biofilter (closed system) can be a promising solution for older and/or smaller landfills where the methane production is too low for energy recovery or flaring and installation of a gas extraction system is inefficient. Methanotrophic bacteria, utilizing methane as a sole carbon and energy source, are responsible for the aerobic degradation (oxidation) of methane in the biological systems. Many bench-scale studies have demonstrated a high oxidation capacity in diverse filter bed materials such as soil, compost, earthworm cast and etc. Compost had been most often employed in the biological systems, and the methane oxidation rates in compost biocovers/boifilters ranged from 50 to $700\;g-CH_4\;m^{-2}\;d^{-1}$. Some preliminary field trials have showed the suitability of biocovers/biofilters for practical application and their satisfactory performance in mitigation methane emissions. Since the reduction of landfill methane emissions has been linked to carbon credits and trading schemes, the verified quantification of mitigated emissions through biocovers/biofilters is very important. Therefore, the assessment of in situ biocovers/biofilters performance should be standardized, and the reliable quantification methods of methane reduction is necessary.
Methane, as a greenhouse gas, is some 21~25 times more detrimental to the environmental than carbon dioxide. Landfills generally constitute the most important anthropogenic source, and methane emission from landfill was estimated as 35~73 Tg per year. Biological approaches using biocover (open system) and biofilter (closed system) can be a promising solution for older and/or smaller landfills where the methane production is too low for energy recovery or flaring and installation of a gas extraction system is inefficient. Methanotrophic bacteria, utilizing methane as a sole carbon and energy source, are responsible for the aerobic degradation (oxidation) of methane in the biological systems. Many bench-scale studies have demonstrated a high oxidation capacity in diverse filter bed materials such as soil, compost, earthworm cast and etc. Compost had been most often employed in the biological systems, and the methane oxidation rates in compost biocovers/boifilters ranged from 50 to $700\;g-CH_4\;m^{-2}\;d^{-1}$. Some preliminary field trials have showed the suitability of biocovers/biofilters for practical application and their satisfactory performance in mitigation methane emissions. Since the reduction of landfill methane emissions has been linked to carbon credits and trading schemes, the verified quantification of mitigated emissions through biocovers/biofilters is very important. Therefore, the assessment of in situ biocovers/biofilters performance should be standardized, and the reliable quantification methods of methane reduction is necessary.
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문제 정의
메탄을 자원으로 회수하기 곤란한 매립지의 메탄 배출량을 저감시키기 위해, 메탄을 분해(산화)하는 미생물을 이용한 생물학적 기술개발 연구가 독일, 오스트리아 등 유럽을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 본 논문에서는 매립지의 온실가스 저감 대응방안 중의 하나인 생물학적 메탄저감기술의 원리 및 지금까지 진행된 연구동향에 대해 종합적으로 고찰하고자 한다.
제안 방법
현장 적용 평가한 바이오필터와 바이오커버의 성능은 매립지 특성, 충전재 종류 및 환경 조건 등에 따라 메탄 제거 효율이 0~100%로 매우 다양함을 알 수 있다(Table 5). Compost를 충전재로 이용한 바이오커버를 오스트리아 매립지에 설치하여 2년 이상 성능을 조사하였다[35]. 그 결과, compost 바이오커버의 메탄산화속도는 58.
현장에 바이오커버를 설치하기 전에는, 대상 매립지의 메탄 발생 농도 및 발생량 정량화 및 모델링, 연평균 기온 및 온도 등과 같은 현장 관련 정보를 수집하는 것이 필요하다. 또한, 바이오커버에 사용한 충전재를 선별하고 컬럼과 회분식 실험을 통해 메탄 산화 특성 및 미생물학적 특성을 조사한다. 현장에 바이오커버를 설치한 후에는, 현장에서 환경인자(바이오커버의 수분함량 및 온도), 가스(메탄, 이산화탄소, 산소, 질소) 및 기온 profile, 바이오커버 물리화학적 변화 및 미생물학적 특성을 조사하고, 메탄 배출 발생량을 정기적으로 분석하는 것이 필요하다.
성능/효과
Gebert와 Grongroft는[22] clay pellet을 충전재로 사용한 상향식(upflow) 바이오필터를 독일의 매립지에 설치하여 성능을 평가한 결과, 메탄 배출량이 증가할수록 메탄산화속도도 증가하였으며, 조사기간 동안 배출되는 메탄을 거의 100%에 제거 할 수 있었다. 이러한 바이오필터의 성능을 고려했을 때 매립지의 연간 메탄 배출량의 약 62%를 제거 가능한 것으로 평가되었다.
3), 가스 발생량과 메탄 산화에 미치는 compost 바이오커버의 영향을 측정하고, 수리학적 모델링을 통해 예측한 결과와 실측한 결과를 비교 검토하였다. 그 결과 바이오커버를 설치한 부분의 메탄 배출 속도는 실측치는 0.04 g-CH4 m-2 d-1이었고 모델링을 통한 예측치는 0.0 g-CH4 m-2 d-1이었다[1].
Compost를 충전재로 이용한 바이오커버를 오스트리아 매립지에 설치하여 2년 이상 성능을 조사하였다[35]. 그 결과, compost 바이오커버의 메탄산화속도는 58.8 m3-CH4 ha-1 h-1으로 매립지로부터 배출되는 메탄의 대부분(98~100%)이 제거할 수 있었다[35]. 메탄 제거능은 매립가스가 바이오필터에 투과되는 정도와 온도에 가장 크게 영향을 받았다.
Im 등은[39] 매립지 복토재를 활용한 실험실 규모의 바이오커버를 설치하여 바이오필터 높이별로 메탄산화속도에 대한 속도론적 연구를 수행하고 산소농도와 메탄산화속도와의 상관성을 조사하였다. 그 결과, 산소 농도가 높은 상층부에서의 메탄산화속도는 7,597~1,322 nmol-CH4 kg-dry soil-1s-1이었으며, 산소가 거의 존재하는 않는 하층부의 메탄산화 속도는 614~37 nmol-CH4 kg-dry soil-1s-1이었다. 한편, Park 등은[62] 토양에 지렁이 분변토 혹은 활성탄 입자를 6:4(w/w) 비율로 혼합하여 실험한 결과, 234 g-CH4 m-2d-1의 비교적 높은 메탄산화속도를 얻을 수 있었다.
동절기의 바이오커버 성능은 도시폐기물로 만든 compost 보다는 하수슬러지와 wood chip을 혼합한 compost를 사용하였을 때 더 우수 하였다. 또한, 억새와 같은 증발산량이 높은 식물을 바이오커버에 식재함으로써 침출수의 발생량을 감소시킬 수 있었다.
토양을 충전재로 이용할 경우, 메탄산화속도는 15에서 240 g-CH4 m-2d-1이었고[5, 17, 27, 31-33, 37, 62, 63, 74], 특히, 매립지의 상부 복토층에서 채취한 토양을 활용했을 때 메탄 산화속도가 435 g-CH4 m-2d-1로 가장 높은 메탄산화속도를 얻을 수 있었다[63]. 매립지복토에서 채취한 토양과 실험실에서 3년 동안 메탄제거실험에 사용한 토양을 대상으로 메탄산화속도를 비교한 결과, 전자의 메탄산화속도는 26 g-CH4 m-2 d-1, 후자는 128 g-CH4 m-2d-1로, 장기간 메탄으로 농화 배양한 토양의 메탄산화활성이 향상됨을 알 수 있었다[27].
토성, 온도, 유기물 함량, 수분함량, pH, 식생 종류 등 토양 특성에 따라 메탄발생속도와 메탄소멸(산화)속도는 상이하다[25, 51]. 식생이 없는 토양의 메탄 발생속도는 3 g-CH4 ha-1 d-1이지만, 소택지의 메탄 발생속도는 약 700 g-CH4 ha-1 d-1이고 논의 메탄발생속도는 약 1000 g-CH4 ha-1 d-1로 상대적으로 높음을 알 수 있다. 한편, 경작지, 초지 및 산림토양의 최대 메탄소멸속도는 228~1,659 g-CH4 ha-1 d-1이지만, 습지 토양의 최대 메탄소멸속도는 700,000 g-CH4 ha-1 d-1로 측정되었다[51].
Gebert와 Grongroft는[22] clay pellet을 충전재로 사용한 상향식(upflow) 바이오필터를 독일의 매립지에 설치하여 성능을 평가한 결과, 메탄 배출량이 증가할수록 메탄산화속도도 증가하였으며, 조사기간 동안 배출되는 메탄을 거의 100%에 제거 할 수 있었다. 이러한 바이오필터의 성능을 고려했을 때 매립지의 연간 메탄 배출량의 약 62%를 제거 가능한 것으로 평가되었다. 또한, 바이오필터의 메탄산화속도는 온도뿐 만 아니라 산소 농도에 크게 영향을 받았다.
현장에 바이오커버를 설치한 후에는, 현장에서 환경인자(바이오커버의 수분함량 및 온도), 가스(메탄, 이산화탄소, 산소, 질소) 및 기온 profile, 바이오커버 물리화학적 변화 및 미생물학적 특성을 조사하고, 메탄 배출 발생량을 정기적으로 분석하는 것이 필요하다. 이러한 현장 조사 결과를 종합적으로 분석하고 모델링을 통해 바이오커버에 의한 메탄 저감을 정확하게 평가하고 또한 바이오커버 성능을 예측하는 것이 가능하게 된다.
즉, 생명공학기술과 환경공학기술을 융합한 ‘환경생명공학기술을 활용한 메탄 및 악취 동시 저감 기술’이 경제적이고 환경친화적이며 현장 적용성이 높을 것으로 평가된다.
현장 적용 평가한 바이오필터와 바이오커버의 성능은 매립지 특성, 충전재 종류 및 환경 조건 등에 따라 메탄 제거 효율이 0~100%로 매우 다양함을 알 수 있다(Table 5). Compost를 충전재로 이용한 바이오커버를 오스트리아 매립지에 설치하여 2년 이상 성능을 조사하였다[35].
후속연구
최근들어 유전체학과 생물권을 유지하고 있는 다양한 형태의 생물학적 구조 및 기능을 탐구하는 생태유전체학 연구를 통한 환경정화 및 복원 기술 개발에 관심이 증대되고 있다[8, 24, 79]. 따라서, 메탄 및 악취 동시 저감 기술개발에 있어 이러한 최신 환경생물공학기술의 접목이 필요할 것으로 사료된다.
따라서, 우리나라에서도 메탄산화세균을 활용한 생물학적 메탄저감기술 개발에 관한 연구 개발이 활발히 진행되어 독자적인 기술을 확보할 필요성이 있다. 특히, 매립지 등과 같은 유기성 폐기물 처리과정에서는 메탄과 더불어 황화수소, 메틸메캅탄, 황화메틸 및 각종 악취성 휘발성유기화합물이 동시에 배출되므로, 메탄과 악취물질을 동시에 관리할 수 있는 기술이 개발된다면 일석이조 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 지구 생태계에서 메탄 및 악취의 생성과 소멸에 미생물이 주요한 역할을 담당하고 있으므로, 이들 물질의 동시 저감 기술도 미생물을 활용하는 것이 가장 바람직한 것으로 사료된다.
또한, 바이오커버에 사용한 충전재를 선별하고 컬럼과 회분식 실험을 통해 메탄 산화 특성 및 미생물학적 특성을 조사한다. 현장에 바이오커버를 설치한 후에는, 현장에서 환경인자(바이오커버의 수분함량 및 온도), 가스(메탄, 이산화탄소, 산소, 질소) 및 기온 profile, 바이오커버 물리화학적 변화 및 미생물학적 특성을 조사하고, 메탄 배출 발생량을 정기적으로 분석하는 것이 필요하다. 이러한 현장 조사 결과를 종합적으로 분석하고 모델링을 통해 바이오커버에 의한 메탄 저감을 정확하게 평가하고 또한 바이오커버 성능을 예측하는 것이 가능하게 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
메탄산화세균 이용한 바이오필터 혹은 바이오 커버의 충전재 중 compost를 사용한 생물 장치의 메탄 산화 속도는 어떠한가?
Compost는 매립지 메탄 배출 저감을 위한 바이오필터 혹은 바이오커버의 충전재로 가장 많이 사용되고 있다. 식물 잔재물, 도시폐기물, 하수슬러지 등 다양한 유기물로부터 제조한 compost를 대상으로 연구가 수행되고 있고, compost를 충전재로 활용한 생물장치의 메탄산화속도는 50~700 g-CH4 m-2 d-1로 토양에 비해 성능이 우수함을 알 수 있다[18, 26, 30, 37, 58, 67, 83]. 특히, 숙성이 잘 된 compost를 활용하면 메탄산화속도가 590 혹은 700 g-CH4 m-2 d-1까지 향상되었다[26, 58]. 한편, compost에 토양, paper pellet, wood chip, 톱밥 등을 혼합한 compost 혼합물을 충전재로 사용할 경우, 메탄산화속도는 47~475 g-CH4 m-2 d-1이었고, compost 와 wood chip을 혼합한 경우가 가장 우수한 메탄산화속도를 얻을 수 있었다[5, 7, 26, 65, 67].
메탄은 어떤 가스인가?
메탄은 전 지구적 기후변화를 초래하는 온실가스 중의 하나로, 이산화탄소에 이어 그 기여도가 2번째이며, 메탄의 온 실효과(global warming potential, GWP)는 이산화탄소의 20 배 이상인 대표적인 non-CO2 온실가스이다[41, 42]. 매립지는 주요 인위적 메탄 발생원으로[7], 매립지로부터 메탄 발생량은 연간 35~73 Tg(tera gram)으로 추정된다[14, 21, 28, 34, 40, 41, 52, 56, 60].
메탄 배출을 저감하는데 바이오 커버와 바이오필터를 이용한 생물학적 방법은 어떤 이점이 있는가?
매립지는 주요 인위적 메탄 발생원으로, 매립지의 메탄 발생량은 연간 35~73 Tg(tera gram)으로 추정된다. 바이오커버(개방형 시스템)과 바이오필터(폐쇄형 시스템)을 이용하는 생물학적 방법은 메탄을 회수하여 자원화하기에는 메탄 농도가 너무 낮거나 가스 포집정이 설치되어 있지 않는 노후화된 매립지나 소규모 매립지로부터 메탄 배출을 저감할 수 있는 유용한 방법이다. 메탄을 유일탄소원과 에너지원으로 활용하는 메탄산화세균은 이러한 생물학적 방법에 있어 메탄을 산화시켜 제거하는데 매우 중요한 역할을 담당한다.
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