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문제 정의
- 본 연구진은 메탄 제거용 바이오커버의 개발에 대한 연구를 진행해오고 있다. 토양, 지렁이 분변토, 입상활성탄(granular activated carbon, GAC) 및 마사토 등 다양한 충전 소재를 이용하여 실험실 규모 바이오커버를 개발하여, benzene, toluene, dimethyl sulfide 등의 악취물질이 공존하는 조건에서 메탄 제거 성능을 평가한 결과, 메탄제거효율은 47.
- 또한, 바이오커버 충전 소재를 채취하여 혈청병에서 잠재 메탄 산화능을 평가하였다. 이러한 연구를 통해 바이오커버에 의한 매립가스 중 메탄의 제거 특성과 이에 미치는 환경인자의 영향을 파악하고, 현장에 적용된 바이오커버의 메탄산화세균 활성에 대한 정보를 구축하고자 하였다.
제안 방법
- (CuSO4· 5 H2O 0.749070 g/l)을 10 ml 혼합한 배지를 메탄 잠재 분해능 평가를 위해 사용하였다.
- MS-5A column (30 m ×2.60 mm × 1 µm)을 사용하였으며 주입구, 오븐과 검출기의 온도는 각각 250℃, 60℃ 및 250℃이었다.
- 749070 g/l)을 10 ml 혼합한 배지를 메탄 잠재 분해능 평가를 위해 사용하였다. 결과의 재현성을 확인하기 위해 각 조건별로 3반복이 되도록 혈청병을 준비하였다. 혈청병 입구를 고무마개로 밀봉하였고, 멸균 실린지를 이용해 고순도 메탄가스(99.
- 기온 결과를 토대로 1월부터 2월까지 겨울(0−61일), 3월부터 5월까지 봄(62−153일), 6월부터 8월까지 여름(154–240일)으로 바이오커버 운전기간을 구분하였다.
- 1A). 또한 바이오커버에서 배출되는 메탄 농도(출구농도)를 측정하기 위해 바이오커버 표면에 플럭스 챔버(flux chamber)를 설치해 상단부에서 표면으로 배출되는 가스를 채취할 수 있도록 하였다(Fig. 1B)
- 메탄 농도 분석은 이동식 측정기기(biogas check analyzer, Geotechnical Instruments, UK)를 이용하여 현장에서 2−3회 반복 측정하였다. 또한, 5 L Tedlar bag (SKC Inc., Eighty Four, USA)을 이용하여 유입가스와 바이오커버 표면배출가스를 채취하고 GC/FID 시스템 (Shimadzu 17A, Japan)을 이용하여 정밀 분석하였다. MS-5A column (30 m ×2.
- 본 연구에서는 생활 폐기물 매립지 현장에 파일럿 규모의 바이오커버 2기를 설치하고, 기온 및 계절에 따른 메탄 산화 효율의 변화를 240일 동안 모니터링하였다. 또한, 바이오커버 충전 소재를 채취하여 혈청병에서 잠재 메탄 산화능을 평가하였다. 이러한 연구를 통해 바이오커버에 의한 매립가스 중 메탄의 제거 특성과 이에 미치는 환경인자의 영향을 파악하고, 현장에 적용된 바이오커버의 메탄산화세균 활성에 대한 정보를 구축하고자 하였다.
- 1). 먼저 포크레인을 이용하여 해당 크기만큼 복토 토양과 매립 쓰레기들을 파내고, 여기에 스트롬폼 재질의 합판을 철심을 이용하여 고정하여 바이오커버의 틀을 제작하였다(Fig. 1A). 바이오커버 하단부에는 바이오커버로 유입되는 가스를 추출할 수 있도록 하단부에서부터 관을 연결하여 바이오커버 표면 위로 관의 입구가 나올 수 있도록 유입가스 샘플구를 설치하였다.
- 메탄 농도 분석은 이동식 측정기기(biogas check analyzer, Geotechnical Instruments, UK)를 이용하여 현장에서 2−3회 반복 측정하였다.
- 메탄 농도 분석을 위해 500 µl의 gas-tight 실린지를 이용하여 혈청병 내 상부 가스를 100 µl씩 채취한 후, 불꽃 이온화 검출기를 장착한 가스크로마토그래피(7890A GC system, Agilent, USA)에 주입하였다.
- 9%와 0%까지 감소하였다. 메탄 제거 효율이 낮아진 원인이 바이오커버 소재 균열에 의한 채널링 때문으로 판단하여 바이오 커버의 충전 소재를 발굴한 뒤 재혼합하여 다시 채워주는 과정을 진행하였다. 재혼합 이후 PBC1은 메탄 제거 효율이 214일차에는 19.
- 바이오커버 깊이별로 충전 소재의 메탄 잠재 활성능을 평가하기 위해 178일 경과 후 바이오커버 표면에서 0−15, 15−30, 30−50 cm 깊이에서 바이오커버 충전 소재를 채취하였다.
- 바이오커버 설치 178일이 경과 후 채취한 바이오커버 충전 소재의 메탄 잠재 산화능을 평가하기 위해 다음과 같이 혈청병 실험을 수행하였다. 600 ml의 혈청병에 바이오커버를 깊이별로 채취한 시료를 각각 1 g씩 넣고 20 ml의 NMS 배지를 넣었다.
- 바이오커버 설치 이후 240일 동안 PBC1과 PBC2 바이오 커버의 메탄 제거 효율을 평가하였는데, 121일 경과 후 메탄 분해능 향상을 위해 PBC1과 PBC2의 충전 소재의 일부(0.8 m3)를 포크레인으로 파내고 지렁이 분변토를 추가하여 주고 잘 혼합한 후 다시 충전하였다. 또한 바이오커버 내 채널링 현상이 심각하게 발생한 178일째에는 별도의 소재 추가 없이 충전 소재를 포크레인으로 파내고 혼합하여 준 후 다시 충전해 주었다.
- 바이오커버 설치 후 240일간 약 한달 간격으로 PBC1과 PBC2의 유입 가스 샘플구와 바이오커버의 표면에 설치한 챔버에서 가스를 채취하여 바이오커버에 유입되는 메탄 농도와 바이오커버로부터 배출되는 메탄 농도를 측정하였다. 메탄 농도 분석은 이동식 측정기기(biogas check analyzer, Geotechnical Instruments, UK)를 이용하여 현장에서 2−3회 반복 측정하였다.
- 바이오커버 충전 소재의 메탄 잠재 분해능 평가는 평균 산화 속도와 최대 산화 속도를 계산하여 비교하였다. 평균산화속도는 감소된 메탄의 양을 lag time을 포함하여 메탄 최초 주입직후부터 메탄의 농도가 500 ppm 이하가 될 때까지 소요된 시간으로 나누었고, 최대 산화 속도는 lag time 이후 메탄의 농도가 감소하기 시작한 시점부터 메탄의 농도가 500ppm 이하가 되었을 때까지 소요된 시간과 메탄 제거량을 이용하여 계산하였다.
- 바이오커버의 메탄 제거 성능이 급격하게 떨어진 178일차에 바이오커버 충전 소재를 채취하여, 메탄 잠재 분해능을 측정을 통해 충전 소재의 메탄 산화능을 확인하였다(Fig. 3). PBC1과 PBC2 모두 메탄이 제거되기까지 약 2일간의 lagtime이 관찰되었고, PBC1은 5일 경과 후 메탄 50,000 ppm을 모두 분해하였고 PBC2는 7일 경과 후 메탄을 모두 분해하였다.
- 본 연구에서 매립지 현장에 바이오커버를 실제로 적용하여 매립가스 중 메탄 제거 성능을 평가하였다. 바이오커버의 메탄 제거 성능은 특히 충전 소재의 막힘 현상 등에 크게 영향을 받음으로 안정적인 메탄 제거 효율을 얻기 위해서는 충전 소재 비율과 운전 조건에 대한 추가 연구가 필요하다.
- 향후 바이오커버의 상용화를 위해서는 매립지 현장에서 바이오커버의 성능에 대한 검증이 필요하다. 본 연구에서는 생활 폐기물 매립지 현장에 파일럿 규모의 바이오커버 2기를 설치하고, 기온 및 계절에 따른 메탄 산화 효율의 변화를 240일 동안 모니터링하였다. 또한, 바이오커버 충전 소재를 채취하여 혈청병에서 잠재 메탄 산화능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 생활 폐기물 매립지 현장에 파일럿 규모의 바이오커버(pilot-scale biocover, PBC) 2기를 설치하고, 240일동안 메탄 제거 효율을 모니터링하였다. 또한, 바이오커버 충전 소재를 채취하여 혈청병에서 잠재 메탄 산화능을 평가하였다.
- 1A). 부직포 위 토양을 25 cm 채운 뒤, 각 바이오커버에 따라 각기 다른 조성의 충전 소재를 혼합하여 높이 50 cm까지 채웠다(Fig. 1A). 또한 바이오커버에서 배출되는 메탄 농도(출구농도)를 측정하기 위해 바이오커버 표면에 플럭스 챔버(flux chamber)를 설치해 상단부에서 표면으로 배출되는 가스를 채취할 수 있도록 하였다(Fig.
- 999% 헬륨 가스를 40 ml/min의 속도로 사용하였다. 유입 가스의 메탄 농도는 PBC1과 PBC2에서 측정한 값을 산술평균하여 사용하였고, 각 바이오커버의 메탄 제거율은 다음의 식으로 계산하였다.
- 995%, Gas Valley, Korea)로 30 ml를 주입하여 최종 메탄 농도가 50,000 ppm이 되도록 하였다. 이 혈청병을 진탕배양기내에서 30℃, 130 rpm 조건에서 배양하면서, 주기적으로 혈청병 내의 메탄 농도를 분석하였다. 메탄 농도 분석을 위해 500 µl의 gas-tight 실린지를 이용하여 혈청병 내 상부 가스를 100 µl씩 채취한 후, 불꽃 이온화 검출기를 장착한 가스크로마토그래피(7890A GC system, Agilent, USA)에 주입하였다.
- 바이오커버 충전 소재의 메탄 잠재 분해능 평가는 평균 산화 속도와 최대 산화 속도를 계산하여 비교하였다. 평균산화속도는 감소된 메탄의 양을 lag time을 포함하여 메탄 최초 주입직후부터 메탄의 농도가 500 ppm 이하가 될 때까지 소요된 시간으로 나누었고, 최대 산화 속도는 lag time 이후 메탄의 농도가 감소하기 시작한 시점부터 메탄의 농도가 500ppm 이하가 되었을 때까지 소요된 시간과 메탄 제거량을 이용하여 계산하였다. 이렇게 계산한 값을 바이오커버 충전 소재 건조 중량(g-packing material) 기준으로 메탄 산화 속도 값을 보정하여 주었다.
- 결과의 재현성을 확인하기 위해 각 조건별로 3반복이 되도록 혈청병을 준비하였다. 혈청병 입구를 고무마개로 밀봉하였고, 멸균 실린지를 이용해 고순도 메탄가스(99.995%, Gas Valley, Korea)로 30 ml를 주입하여 최종 메탄 농도가 50,000 ppm이 되도록 하였다. 이 혈청병을 진탕배양기내에서 30℃, 130 rpm 조건에서 배양하면서, 주기적으로 혈청병 내의 메탄 농도를 분석하였다.
대상 데이터
- 또한 미생물 군집 분석을 위해 5, 88, 178 및 240일차에 10−20 cm 깊이에서 바이오커버의 충전 소재 시료를 채취하였다. 각 바이오커버의 표면에서 3개의 채취 지점을 임의로 선정하고 채취 지점에서 시료를 채취한 후 이를 혼합하여 대표 시료로 사용하였다. 채취한 시료는 2 mm 체를 이용하여 지름 2 mm 이상의 입자가 큰 물질은 걸러내고 4℃에서 보관하였다.
- S1에 매립지 현장에 바이오커버를 설치한 후 240일간 기온과 강수량 변화를 나타내었다. 기온과 강수량 데이터는 기상청에서 제공하고 있는 자료를 사용하였으며, 바이오커버가 설치된 광양시 내에 위치한 광양시 기상관측소의 기온과 강수량 데이터를 사용하였다. 기온 결과를 토대로 1월부터 2월까지 겨울(0−61일), 3월부터 5월까지 봄(62−153일), 6월부터 8월까지 여름(154–240일)으로 바이오커버 운전기간을 구분하였다.
- 또한 미생물 군집 분석을 위해 5, 88, 178 및 240일차에 10−20 cm 깊이에서 바이오커버의 충전 소재 시료를 채취하였다.
- 바이오커버에 사용된 충전 소재는 토양, 지렁이분변토(금호실업, 나주, 대한민국), perlite(경동원, 서울, 대한민국) 그리고 광양 생활매립지 시설의 음식물 자원화 시설에서 생산된 음식물쓰레기 퇴비를 혼합하여 제작하였다. 바이오커버의 충전 소재의 혼합조건은 토양, 지렁이분변토, perlite, 음식물쓰레기 퇴비의 비율이 PBC1은 7:2:0:1 (v/v)이었고 PBC2는 4:2:3:1 (v/v)이었다.
- 60 mm × 1 µm)을 사용하였으며 주입구, 오븐과 검출기의 온도는 각각 250℃, 60℃ 및 250℃이었다. 이동상 가스는 99.999% 헬륨 가스를 40 ml/min의 속도로 사용하였다. 유입 가스의 메탄 농도는 PBC1과 PBC2에서 측정한 값을 산술평균하여 사용하였고, 각 바이오커버의 메탄 제거율은 다음의 식으로 계산하였다.
- 전라남도 광양시 위생 처리 사업장(위도 34°58'0'', 경도 127°38'35'')의 생활 쓰레기 매립지 시설에 현장 바이오커버적용 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 178일째 바이오커버의 충전 소재 자체의 메탄 산화 활성은 높았음에도 불구하고(Fig. 3 & Table 1), 바이오커버의 메탄 산화 효율은 매우 낮았다(Fig. 2).
- PBC1이 PBC2보다 더 최대 산화 속도가 빨랐고 깊이별로는 30−50cm의 가장 깊은 위치의 시료가 가장 높은 메탄 산화 속도를 나타내었다(p < 0.05).
- PBC2의 경우도, 지렁이 분변토를 추가한 후 메탄 제거 효율은 98.9%로 향상되었고, 151일째까지 18.5−99.5%의 메탄 제거 효율(평균 78.5%)을 보였다.
- 그러나, 바이오커버의 충전 소재 자체의 메탄 잠재 산화 능력이 우수함에도 불구하고(평균메탄산화속도 = 180−199 µg CH4· g packing material-1· h-1), 충전 소재의 다짐현상과 채널링이 발생하면 PBC1과 PBC2의 메탄 제거 효율은 0−30%로 저하되었다.
- 2−7 µg-CH4 g-1· h-1로 감소하였다. 기존의 연구 결과와 비교해보면 본 연구의 PBC1와 PBC2의 메탄 산화 효율이 매우 높은 수준임을 알 수 있다.
- 사용된 토양은 pH 6.95 ± 0.05, 수분함량 9.12 ± 0.23%, 유기물 함량이 2.39 ± 0.21%이었고, 지렁이 분변토는 pH 7.16 ± 0.09, 수분함량은 47.51 ± 0.31%, 유기물 함량은 15.75 ± 0.29%이었다.
- 또한 perlite에 메탄산화세균을 접종한 결과, 메탄 산화 속도가 대조군보다 2배 이상 증가하고 메탄산화 세균 수도 10배 이상 증가하였다고 보고된 바 있다[31]. 위의 연구 결과를 토대로 본 연구에서 PBC2의 충전 소재 중토양의 함량을 줄이고 perlite를 추가하여 바이오커버의 통기성을 높이고 고효율의 메탄 산화 작용을 기대하였으나, 그 효과는 미미하였다. 따라서 안정적인 메탄 제거 효율을 얻기 위해서는 바이오커버 충전소재의 종류 및 혼합비율에 대한 보다 자세한 연구를 통해 최적 조건을 도출할 필요가 있다.
- 2−100%, 76−83%, 76−82%이었다[6−8]. 위의 파일럿규모 바이오커버 연구들과 비교해보았을때, 본 연구에서는 PBC1와 PBC2가 채널링이 발생했을 때의 산화 효율을 제외하고 각각 평균 70.2%와 63.2%의 메탄 산화 효율을 나타내었으며 타 연구와 비교시 비슷한 수준의 효율을 얻어 내었다고 보여지며, 또한 바이오커버의 현장적용시 매립지 가스의 불균일성 문제가 발생함을 확인할 수 있었다.
- 재접종 후 PBC1의 메탄 제거 효율은 90.7%로 향상되었고, 151일차까지 36.6−97.3%의 메탄 제거 효율(평균 78.3%)을 보였다.
- 토양, 지렁이 분변토, 입상활성탄(granular activated carbon, GAC) 및 마사토 등 다양한 충전 소재를 이용하여 실험실 규모 바이오커버를 개발하여, benzene, toluene, dimethyl sulfide 등의 악취물질이 공존하는 조건에서 메탄 제거 성능을 평가한 결과, 메탄제거효율은 47.3 ± 8.4%이었다[14].
후속연구
- 본 연구에서 매립지 현장에 바이오커버를 실제로 적용하여 매립가스 중 메탄 제거 성능을 평가하였다. 바이오커버의 메탄 제거 성능은 특히 충전 소재의 막힘 현상 등에 크게 영향을 받음으로 안정적인 메탄 제거 효율을 얻기 위해서는 충전 소재 비율과 운전 조건에 대한 추가 연구가 필요하다.
- 한편, 바이오커버의 메탄 제거 효율은 계절(외부 기온)에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았다. 본 연구로부터 도출된 결과는 향후 매립지 현장에 실규모의 메탄 저감용 바이오커버를 설계하고 운전 조건을 구축하는데 유용하게 활용 가능하다.
- 8% 제거되었다[16]. 향후 바이오커버의 상용화를 위해서는 매립지 현장에서 바이오커버의 성능에 대한 검증이 필요하다. 본 연구에서는 생활 폐기물 매립지 현장에 파일럿 규모의 바이오커버 2기를 설치하고, 기온 및 계절에 따른 메탄 산화 효율의 변화를 240일 동안 모니터링하였다.
- 일반적인 매립지는 대기 표면에 노출되어 있으며 또한 매립층이 균일하지 않아 바이오커버내 균일한 환경을 유지하기 어렵다. 향후 안정적으로 매립지내 메탄을 제거하는 바이오커버의 실용화를 위해서는 매립지 현장내 다양한 바이오커버 환경 변화에 따른 메탄 제거 특성에 대한 연구가 더 필요하다.
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