[논문]바이오리액터 매립공법의 폐기물 매립지에 적용가능성 평가를 위한 침하특성 분석

조영석; 장연수

doi:10.7843/kgs.2020.36.5.17

바이오리액터 매립공법의 폐기물 매립지에 적용가능성 평가를 위한 침하특성 분석
Analyses of Settlement Characteristics Evaluating the Applicability of Bioreactor Landfills on MSW Landfills 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.5, 2020년, pp.17 - 24

조영석 (동국대학교 건설환경공학과) , 장연수 (동국대학교 건설환경공학과)

초록
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폐기물 매립지에 바이오리액터 매립공법을 적용하는 것이 폐기물의 생물학적 압축 촉진에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실내침하실험을 수행하고, 그 결과 구한 2차 압축지수(C_α)를 국외연구결과와 비교하였다. 실내침하실험의 2차 압축지수들을 분석한 결과 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 방법은 음폐수 내 유기물질이 추가적인 생물학적 압축을 유발하며 침출수 재순환과 위생매립공법보다 폐기물 침하를 각 2배, 2.81배 가속화할 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용한 폐기물의 2차 압축지수는 국외연구 폐기물의 2차 압축지수보다 작았는데 그 이유는 음식물 쓰레기를 감소시키기 위한 국내 폐기물 정책에 따라 폐기물 내 유기물 함량이 감소하였기 때문이다. 생분해성 폐기물 함량과 2차 압축지수의 관계를 분석한 결과 폐기물의 2차 압축지수는 생분해성 폐기물 함량에 민감하며 생분해성 폐기물 함량이 증가할수록 커지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to analyze the effect of applying the bioreactor landfills on the waste landfill for acceleration of waste biocompression, a settlement experiment was performed. The secondary compression indices (Cα) were analyzed, and compared with the results of experimental studies conducted in other countries. Analyses of Cα from the experiment showed that the recirculation method of mixing leachate and FWL could accelerate the waste settlement as much as 2.9 times and 2 times more than the leachate recirculation and the sanitary landfills due to additional biocompression generated by the organic matter in FWL. The Cα in this study was smaller than the Cα of the other studies due to the low organic content of the waste in accordance with domestic waste policies to reduce food waste. The relation between biodegradable waste content and Cα was analyzed. The Cα of the waste was shown to be sensitive to biodegradable waste content, and become higher as the content of the biodegradable waste increases.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. The lysimeter used in the experiment
표 Table 1. Contents, weight, percentage, and specific gravity of waste used in this experiment
그림 Fig. 2. Waste settlement curves over 514 days based on the liquid management
표 Table 2. Weight, thickness, total unit weight, specific gravity, water content, initial void ratio of waste, total liquid & total FWL in the lysimeters, and the conditions of supplying liquid
표 Table 3. Size & operation condition of lysimeters, moisture content of waste, content of biodegradable waste, initial void ratio & secondary compression index of waste used in this experimentation and the experimental studies performed in other countries
그림 Fig. 3. Comparison of secondary compression indices, C_α, with the content of biodegradable waste, %_EB+MB
그림 Fig. 4. Comparison of secondary compression indices, C_α, with initial void ratio, e₀

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바이오리액터 공법을 폐기물 매립지에 적용하는 것이 폐기물의 생물학적 압축에 미치는 영향을 분석하기 위하여 국내 매립지 폐기물의 물리적 조성(SLC, 2015)을 반영한 실내침하실험을 모형매립조를 이용하여 514일간 수행하였다. 실험결과는 국외연구자들이 실내 또는 현장에서 수행한 연구결과와 비교하여 2차 압축지수에 영향을 미치는 요인을 분석하고 폐기물의 유기물질 함량 즉 생분해성 물질 함량(biodegradable waste content)에 따른 2차 압축지수(C_α)의 변화를 검토하였다.
본 연구에서는 바이오리액터 매립공법을 폐기물 매립지에 적용하는 것이 폐기물의 생물학적 압축 촉진에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모형매립조를 이용한 실내침하실험을 수행하고 국외에서 수행된 연구결과들과 비교하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

Yuen and Style(2000) 호주 멜버른(Melbourne)에서 남동쪽으로 35km 떨어진 곳에 위치한 Lyndhurst 위생매립지에서 현장규모(full-scale)의 폐기물 침하실험을 수행하여 침출수 재순환이 폐기물의 생물학적 분해에 미치는 영향을 분석하였다. 실험은 위생매립공법으로 운영되는 2개의 폐기물 셀과 침출수를 재순환하는 바이오리액터 매립공법으로 운영되는 1개의 셀에서 수행되었다.
국외연구자들이 수행한 실내침하실험 또는 파일럿규모 현장침하실험 중 모형매립조의 크기와 운영방법, 폐기물의 함수율, 생분해성 폐기물 함량, 2차 압축지수를 Table 3에 나타내었고 본 절에 해당 연구를 개략적으로 소개한 후 본 연구에서 수행한 실험결과와 비교･분석하였다.
본 절에서는 Table 3에 나타낸 연구들의 초기간극비(e0)와 2차 압축지수(Cα)를 Sowers(1973)가 제안한 e0-Cα관계 그래프(Fig. 4)에 도시하고 분석하였다.
실험에서 수분공급조건(liquid management)은 위생매립조건 모사, 침출수 재순환, 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 3가지로 구분하였다. 수분공급 및 재순환은 각 매립조별 폐기물을 포장용수량에 도달 시킨후 511일간 수행하였고 모형매립조에 공급 또는 재순환한 전체 수분량과 음폐수 주입량, 수분공급방법을 Table 2에 나타내었다.
실험결과는 국외연구자들이 실내 또는 현장에서 수행한 연구결과와 비교하여 2차 압축지수에 영향을 미치는 요인을 분석하고 폐기물의 유기물질 함량 즉 생분해성 물질 함량(biodegradable waste content)에 따른 2차 압축지수(Cα)의 변화를 검토하였다.
실험에서 수분공급조건(liquid management)은 위생매립조건 모사, 침출수 재순환, 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 3가지로 구분하였다. 수분공급 및 재순환은 각 매립조별 폐기물을 포장용수량에 도달 시킨후 511일간 수행하였고 모형매립조에 공급 또는 재순환한 전체 수분량과 음폐수 주입량, 수분공급방법을 Table 2에 나타내었다.
(2012)는 미생물의 활동이 폐기물 분해에 미치는 영향을 규명하기 위하여 미국 노스캐롤라이나주 Wake County의 환적장(transfer station)에서 수집한 폐기물과 모형매립조를 이용한 실내침하실험을 수행하였다. 실험은 별도로 수분을 공급하지 않는 조건(dry)과 침출수를 재순환하는 조건(Biotic)으로 구분하여 수행되었다. 실험결과 침출수를 재순환한 모형매립조 폐기물(biotic)의 2차 압축지수는 C_α=2.
5m이다. 이에 기반 하여 모형매립조의 폐기물층과 복토재의 높이(각 63cm, 7cm)는 실제 현장의 비율인 9:1을 반영하여 제작하였다. 하부 자갈층은 침출수 배수목적, 상부 자갈층은 모형매립조로 주입하는 침출수를 고르게 분배하는 목적이 있다.
침출수 재순환 및 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 바이오리액터 매립공법이 폐기물의 생물학적 분해촉진과 침하에 미치는 영향을 검토하기 위하여 모형매립조를 이용한 실내침하실험을 514일 동안 수행하였다. 모형매립조는 외경 20cm, 내경 19cm, 높이 86cm 크기로 제작되었다.
폐기물 침하량과 초기간극비를 식 (1)에 대입하여 2차 압축지수(Cα)를 산정하였고, 2차 침하가 발생한 시간(t1)은 2차 침하가 폐기물의 포장용수량에 도달시키기 위하여 중력배수를 실시한 3일의 절반인 1.5일로 설정하였다.
폐기물의 2차 침하는 분해가 용이한 성분과 중위급 분해성분인 유기물질의 생물학적 분해가 지배하므로(Park and Lee, 1997; Hossain et al., 2003; Swati and Joseph, 2008) 본 절에서는 폐기물 중 분해가 용이한 성분함량과 중위급 분해성분 함량을 생분해성 폐기물 함량(content of biodegradable waste, %EB+MB)으로 정의하고 2차 압축지수(Cα)와의 관계를 분석하였다(Fig. 3).

대상 데이터

모형매립조는 외경 20cm, 내경 19cm, 높이 86cm 크기로 제작되었다. 매립조는 하부부터 10cm 두께의 자갈층, 63cm 높이의 폐기물층, 7cm의 복토재층, 6cm의 자갈층 순으로 구성되었다. 여기서, 실제 수도권 제 2매립지의 폐기물층과 복토재 설계높이는 각 4.
침출수 재순환 및 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 바이오리액터 매립공법이 폐기물의 생물학적 분해촉진과 침하에 미치는 영향을 검토하기 위하여 모형매립조를 이용한 실내침하실험을 514일 동안 수행하였다. 모형매립조는 외경 20cm, 내경 19cm, 높이 86cm 크기로 제작되었다. 매립조는 하부부터 10cm 두께의 자갈층, 63cm 높이의 폐기물층, 7cm의 복토재층, 6cm의 자갈층 순으로 구성되었다.
3kg/m³ 이었다. 모형매립조의 폐기물은 2002년도부터 2014년도까지 수도권 제 2매립지에 매립된 폐기물 종류와 비율을 고려하여 제작하였으며 폐기물 중 생분해성 물질은 음식물 3.1%, 종이 12.1%, 나무 20.5%, 섬유 2.0%이고 나머지는 플라스틱, 금속, 유리, 흙, 벽돌과 같은 난분해성 물질이다(Table 1). 폐기물 중 음식물, 종이, 나무, 섬유, 플라스틱은 직경 1～5mm, 벽돌은 직경 19～25mm 크기로 잘게 부수어 투입하였고, 금속과 유리는 직경 10～30mm 크기의 것을 사용하였다.
76mm)사이의 자갈을 이용하였다. 복토재는 주문진 표준사를 이용하였다(Fig. 1).
실험은 위생매립공법으로 운영되는 2개의 폐기물 셀과 침출수를 재순환하는 바이오리액터 매립공법으로 운영되는 1개의 셀에서 수행되었다. 셀 1개의 크기는 가로 180m, 세로 75m, 높이 8m로 4개 폐기물 단으로 구성되었다. 실험결과 침출수를 재순환하는 경우 2차 압축지수는 C_α=0.
Yuen and Style(2000) 호주 멜버른(Melbourne)에서 남동쪽으로 35km 떨어진 곳에 위치한 Lyndhurst 위생매립지에서 현장규모(full-scale)의 폐기물 침하실험을 수행하여 침출수 재순환이 폐기물의 생물학적 분해에 미치는 영향을 분석하였다. 실험은 위생매립공법으로 운영되는 2개의 폐기물 셀과 침출수를 재순환하는 바이오리액터 매립공법으로 운영되는 1개의 셀에서 수행되었다. 셀 1개의 크기는 가로 180m, 세로 75m, 높이 8m로 4개 폐기물 단으로 구성되었다.
하부 자갈층은 침출수 배수목적, 상부 자갈층은 모형매립조로 주입하는 침출수를 고르게 분배하는 목적이 있다. 자갈은 골재 체가름 분석을 수행하여 3/8번체(10mm)와 4번체(4.76mm)사이의 자갈을 이용하였다. 복토재는 주문진 표준사를 이용하였다(Fig.
0%이고 나머지는 플라스틱, 금속, 유리, 흙, 벽돌과 같은 난분해성 물질이다(Table 1). 폐기물 중 음식물, 종이, 나무, 섬유, 플라스틱은 직경 1～5mm, 벽돌은 직경 19～25mm 크기로 잘게 부수어 투입하였고, 금속과 유리는 직경 10～30mm 크기의 것을 사용하였다. 흙은 화강풍화토를 사용하였고 체분석 결과 세립토 함량은 4%이고 균등계수(C_u)는 7.

성능/효과

(1) 실내침하실험결과 폐기물의 침하특성인 2차 압축지수(Cα)는 모형매립조 운영방법별로 위생매립공법인 경우 Cα=0.047, 침출수를 재순환한 경우 Cα=0.066, 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환한 경우는 Cα=0.132로 산정되었고 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 것은 침출수를 재순환하는 경우와 위생매립공법을 사용하는 것보다 폐기물 침하를 각 2배, 2.81배 가속화할 수 있는 것으로 나타났다.
(2) 폐기물의 생분해성 폐기물 함량(%EB+MB)과 2차 압축지수(Cα)의 관계를 분석한 결과 동일한 생분해성 폐기물 함량기준 위생매립공법보다 바이오리액터 매립공법을 사용할 때 2차 압축지수가 높았다.
(3) 본 실험에서 사용한 폐기물의 초기간극비는 e₀=9.562 ～9.789로 국외연구에서 사용한 폐기물의 초기간극비보다 상대적으로 큰 반면 실험결과 2차 압축지수는 오히려 낮게 산정되었다. 이는 사용한 폐기물이 국내 수도권 제 2매립지의 폐기물 물리적 조성을 고려하여 제작된 바 국외연구자들이 사용한 폐기물보다 유기물질 함량이 적어 상대적으로 생물학적 압축이 발생하기에 불리한 조건을 가졌기 때문이다.
2차 압축지수(Cα)를 비교해보았을 때 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 것은 침출수를 재순환하는 경우와 위생매립공법을 사용하는 것보다 각 2배, 2.81배 폐기물 침하를 가속화할 수 있는 것으로 나타났다.
그 결과 모형매립조 운영방법별로 위생매립공법인 경우 Cα=0.047, 침출수를 재순환한 경우 Cα=0.066, 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환한 경우는 Cα=0.132로 산정되었다(Table 3).
)의 관계를 분석한 결과 동일한 생분해성 폐기물 함량기준 위생매립공법보다 바이오리액터 매립공법을 사용할 때 2차 압축지수가 높았다. 또한, 생분해성 폐기물 함량이 증가할수록 폐기물의 2차 압축지수는 민감하게 반응하며 증가하는 추세를 나타냈다.
(5) 본 연구결과와 같이 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 바이오리액터 매립공법을 폐기물 매립지에 도입하는 것은 폐기물의 생물학적 압축을 촉진하여 추가 매립 공간 확보, 매립지 조기안정화, 음폐수로 인한 지반환경오염 방지측면에 긍정적인 영향을 끼칠 수 있을 것이다. 또한, 일반적인 바이오리액터 방식으로 사용되는 침출수 재순환법 보다 폐기물 침하가속 측면에서는 더 효율적일 것으로 판단된다.
모든 연구결과에서 바이오리액터 매립공법을 적용하는 것이 위생매립공법보다 동일한 생분해성 폐기물 함량(%EB+MB) 기준 하 2차 압축지수(Cα)가 높게 나타났고, 생분해성 폐기물 함량이 증가할수록 폐기물의 2차 압축지수는 민감하게 반응하며 증가하는 추세를 나타냈다(Fig. 3).
본 연구에서 수행한 침하실험 결과(Fig. 3의 This study 참조)를 보면 침출수 또는 침출수에 음폐수를 혼합하여 폐기물에 재순환하는 것은 위생매립공법을 적용할 때보다 폐기물 침하를 각각 1.4배, 2.81배 가속시킬 수 있는 것으로 평가되었다. 또한, 침출수에 음폐수를 혼합하여 폐기물에 재순환하는 것은 침출수를 재순환하는 경우보다 폐기물 분해를 2배 가속화할 수 있는 것으로 평가되었는데 이는 음폐수 내 유기물질이 분해 미생물 활동에 필요한 추가 영양분으로 작용했기 때문으로 판단된다.
실험결과 바이오리액터 매립공법을 적용한 매립조 폐기물의 2차 압축지수는 Cα=0.394, 위생매립공법이 적용된 매립조 폐기물의 2차 압축지수는 Cα=0.07로 산정되었다.
실험결과 침출수를 재순환하는 경우 2차 압축지수는 Cα=0.120, 위생매립공법의 경우 2차 압축지수는 평균 Cα=0.073으로 산정되었다.
실험결과 침출수를 재순환한 모형매립조 폐기물(biotic)의 2차 압축지수는 Cα=2.259, 수분을 공급하지 않은 경우(dry)의 2차 압축지수는 Cα=0.303로 나타났다.
008로 계산되었다. 실험초기 폐기물의 함수율(moisture content)을 폐기물의 생물학적 분해에 최적 함수율인 포장용수량에 도달시키기 위하여 모형매립조에 증류수를 가득 채운 후 3일동안 중력배수 시켰고 그 결과 함수율은 43.40～44.74%의 범위(평균 43.93%)로 측정되었다. 매립조별 폐기물의 초기함수율을 함수비와 함수율의 관계인 식 (2)를 이용하여 함수비(water content)로 변환한 결과 76.
폐기물은 매립된 지 15～30년이 경과하였고 구성물 중 음식물, 가정용 폐기물, 종이류는 이미 분해되고 플라스틱, 고무, 섬유, 나무, 유리류 등만 남아 있었다. 폐기물의 함수율은 매립지 표면부터 심도가 깊어짐에 따라 30%에서 최대 약 130%까지 측정되었다. 시험기에 주입한 폐기물 샘플의 초기간극비는 e₀=1.
폐기물 중 음식물, 종이, 나무, 섬유, 플라스틱은 직경 1～5mm, 벽돌은 직경 19～25mm 크기로 잘게 부수어 투입하였고, 금속과 유리는 직경 10～30mm 크기의 것을 사용하였다. 흙은 화강풍화토를 사용하였고 체분석 결과 세립토 함량은 4%이고 균등계수(C_u)는 7.14, 곡률계수(C_g)는 0.78로 통일분류법 상 입도양호한 모래(SW)로 평가되었다.

후속연구

(4) 국내 폐기물 매립지 내 음식물 함량이 국외연구 사례와 동일한 수준이고 본 연구에서 실험한 음폐수를 침출수에 혼합하여 재순환하는 기법을 사용한다면 2차 압축지수는 국외연구에서 보고한 2차 압축지수보다 더 크게 산정될 것으로 사료된다.
(5) 본 연구결과와 같이 침출수에 음폐수를 혼합하여 재순환하는 바이오리액터 매립공법을 폐기물 매립지에 도입하는 것은 폐기물의 생물학적 압축을 촉진하여 추가 매립 공간 확보, 매립지 조기안정화, 음폐수로 인한 지반환경오염 방지측면에 긍정적인 영향을 끼칠 수 있을 것이다. 또한, 일반적인 바이오리액터 방식으로 사용되는 침출수 재순환법 보다 폐기물 침하가속 측면에서는 더 효율적일 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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