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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.2 pp.139-149
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.2.139

Evaluation of field application of biocover and biofilter to reduce landfill methane and odor emissions

Jeong-Seok Chae1,2, Jun-Min Jeon2, Kyeong-Cheol Oh2, Hee-Wook Ryu3, Kyung-Suk Cho4, Shin-Do Kim1*
1Department of Environmental Engineering, University of Seoul
2Green Environmental Complex Center
3Department of Chemical Engineering, Soongsil University
4Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University
Corresponding author +82-2-6490-2860sdkim@uos.ac.kr
February 14, 2017 March 31, 2017 April 2, 2017

Abstract

In order to reduce odor and methane emission from the landfill, open biocovers and a closed biofilter were applied to the landfill site. Three biocovers and the biofilter are suitable for relatively small-sized landfills with facilities that cannot resource methane into recovery due to small volumes of methane emission. Biocover-1 consists only of the soil of the landfill site while biocover-2 is mixed with the earthworm casts and artificial soil (perlite). The biofilter formed a bio-layer by adding mixed food waste compost as packing material of biocover-2. The removal efficiency decreased over time on biocover-1. However, biocover-2 and the biofilter showed stable odor removal efficiency. The rates of methane removal efficiency were in order of biofilter (94.9%)>, biocover-1(42.3%)>, and biocover-2 (37.0%). The methane removal efficiency over time in biocover-1 was gradually decreased. However, drastic efficiency decline was observed in biocover-2 due to the hardening process. As a result of overturning the surface soil where the hardening process was observed, methane removal efficiency increased again. The biofilter showed stable methane removal efficiency without degradation. The estimate methane oxidation rate in biocover- 1 was an average of 10.4%. Biocover-2 showed an efficiency of 46.3% after 25 days of forming biocover. However, due to hardening process efficiency dropped to 4.6%. After overturn of the surface soil, the rate subsequently increased to 17.9%, with an evaluated average of 12.5%.


매립지 메탄 및 악취 배출 저감을 위한 바이오커버 및 바이오필터의 현장적용 평가 연구

채 정석1,2, 전 준민2, 오 경철2, 류 희욱3, 조 경숙4, 김 신도1*
1서울시립대학교 환경공학과
2그린환경종합센터
3숭실대학교 화학공학과
4이화여자대학교 환경공학과

초록


    ©Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    메탄(CH4)은 기후변화에 관한 정부간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에서 지 정한 6대 온실가스 중 하나이다. 메탄의 온난화지수 (Global Warming Potential, GWP)는 이산화탄소(CO2) 의 28배 이상으로 지구온난화 기여도가 CO2에 이어 두 번째로 큰 대표적인 non-CO2 물질이다(IPCC, 2013). 전 세계적으로 메탄 배출량의 60% 이상이 인간 활동에서 비롯된다(EPA, 2010; Nisbet et al., 2014). 매 립지는 논과 같이 물을 이용한 경작지와 반추동물(되 새김질 하는 동물)에 이어 세 번째에 해당하는 주요 인 위적 메탄 발생원이다(Qingxian et al., 2007; Ritzkowski et al., 2007, Kormi et al., 2016). 전 세계 매립 지에서 메탄 배출량은 총 40-60 million tons으로 인위 적 메탄 배출량의 약 11-12%를 차지한다(Ritzkowski et al., 2007). 매립지 내부의 폐기물이 혐기성 상태에서 분해되면 폐기물 1톤당 135-375 m3의 바이오가스가 생 성되며, 이중 CO2가 20-50%, 메탄이 30-70%의 구성 비를 보인다(Nikiema et al., 2007). 또한 벤젠, 자일렌, 톨루엔 등과 같은 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)과 악취물질이 1% 미만 수준에서 발생되며(Scheutz et al., 2008), 주로 비메탄성 유기화 합물이 중요한 악취관리 대상물질로서 확인된다(Moon et al., 2014). 이와 같이 매립지는 악취 및 메탄, 침출수 등 복합적인 환경문제를 유발할 수 있는 중요 관리대 상 시설이다(Park, 2012).

    청정개발체제(Clean Development Mechanism, CDM) 사업의 일환으로 매립지 온실가스의 감축과 자원화가 빠르게 진행되고 있으나(Son and Heo, 2012), 현재 국 내에선 메탄가스를 포집하여 에너지로 활용한 매립지 는 전체 224개(2014년 기준) 매립지 중 13개 매립지에 불과하다(ME, 2015). 메탄가스를 자원화하기 위해서는 메탄의 함량이 30% 이상이고 매립가스 발생량이 50 m3/h 이상이 되어야하기 때문에, 노후된 매립지나 규모가 작은 매립지는 이용 가능한 메탄의 발생량이 적어 자원화가 불가능하다(Cho and Ryu, 2009). 따라 서 대부분의 매립지는 메탄을 대기 중으로 확산시키고 있는 실정이라 볼 수 있다.

    위와 같이 바이오가스의 자원화가 어려운 매립지의 메탄가스를 저감시키기 위해 메탄분해(산화)균과 이를 이용한 기능성 복토재인 바이오커버(biocover)와 바이 오필터(biofilter)의 연구가 활발히 진행 중에 있다. 주 로 호기조건에서 메탄산화세균의 활성을 이용하는 것 으로, 토양, 퇴비(compost), 이탄(peat) 및 지렁이 분변 토 등의 다양한 충전 소재를 활용한 연구가 진행되었 다(Cho and Ryu, 2009). 기존 연구들은 유럽, 캐나다, 미국 등의 연구진들에 의해 pilot 규모로 진행되고 있 으며, Cho and Ryu (2009)Abushammala et al. (2014), Sadasivam and Reddy (2014) 등이 메탄산화 메카니즘, 충전재 종류 및 구성 비율, 두께, 산소 농도, 온·습도 조건, 유기물 함량 등 다양한 실험 요소별 연 구사례를 종합적으로 고찰한 바 있다.

    이러한 연구결과들은 바이오가스 회수 설비와 함께 안정화 단계에 들어가는 매립지의 메탄가스 저감기술 로서 충분히 매립 현장에 적용될 수 있음을 시사한다. 바이오커버 기법은 매립지의 넓은 면적을 덮는 복토재 로서, 바이오필터 기법은 매립지 내부에 생성된 가스를 배출할 수 있는 유공관을 통해 좁은 면적에서 처리할 수 있는 방법론이 적용될 수 있다. 특히, 바이오필터는 처리효율을 높이기 위해 좀 더 고집약된 형태와 장기 간에 걸쳐 사용될 수 있는 기술이 접목되어야 한다.

    본 연구에서는 매립지에서 메탄가스 저감 뿐만 아니 라 악취저감을 동시에 처리하기 위해 실제 매립지 현 장에서 바이오커버(개방형)와 바이오필터(밀폐형)에 다 양한 충전 소재를 이용하여 매립지의 메탄가스 및 악 취저감 효율성 평가를 위해 현장 적용성을 검토하였다.

    2.연구내용 및 방법

    2.1.실험장 구축 및 시료 채취 방법

    매립지 현장 실험은 전라남도 광양시 소재의 생활쓰 레기 매립지 현장 중 9단계 매립(2014년 10월~2015년 4월)이 완료된 매립 구역을 선정하여 실험하였다. 매립 상단의 복토된 토양과 쓰레기를 약 1 m까지 파낸 후 충전 소재를 달리하여 기능성 복토재를 구성 후 다시 복토하였다(2.2절 참조). 파낸 매립 현장 크기는 바이 오커버 경우 10 m (W) × 5 m (L) × 1 m (D), 바이오필 터는 2.5 m (W) × 2.5 m (L) × 1.2 m (D)의 규모로 조 성되었다. 매립지 배출가스 시료채취는 바이오층(바이 오커버 또는 바이오필터)을 통과하기 전·후의 가스를 채취하고자 Fig. 1와 같이 파낸 매립지의 쓰레기층 상 부에 그릴 유공관(직경 15 cm)과 외부로 연결된 PVC 관을 설치하여 외부에서 바이오층으로 유입되는 미처 리 가스농도를 측정할 수 있도록 구성하였다. 이때 매 립지에서 발생되는 가스가 유공관과 바이오층으로 유 입이 가능하도록 자갈층을 조성한 후 바이오층을 구성 하였다. 바이오층을 통과한 가스 측정은 층 상부에 아 크릴 챔버를 설치하여 챔버 상단에 뚫린 구멍을 통하 여 챔버내에 포집된 가스농도를 측정할 수 있도록 하 였다. 바이오커버 상단 챔버 크기는 1.4 m (W) ×1m (L) × 0.3 m (D)이고, 바이오필터 상단 챔버는 2.5 m (W) × 2.5 m (L) × 0.3 m (D)의 크기이다(Fig. 1). 바이 오커버는 매립지가 넓기 때문에 대표성을 확보하고자 동일조건으로 2개 실험군과 매립지의 토양으로만 바이 오층이 구성된 1개 실험군을 조성했고, 바이오필터는 배출가스 처리 효율성을 높이기 위해 바이오커버에 비 해 0.2 m 높게 혼합토를 조성하여 복토하였다.

    2.2.충전재 종류 및 특성

    본 연구는 기존 연구결과를 토대로 다양한 충전 소 재를 이용하였다. 선행 실험결과에 따르면 매립지 상부 복토층에서 채취한 토양은 메탄 산화속도가 26-435 g- CH4m2d−1로 평가되었고, 일반토양은 15-128 g-CH4m2d−1 수준으로(Cho and Ryu, 2009), 장기간 메탄에 노출된 매립지 토양의 메탄 산화속도가 향상되는 것으로 보고 되고 있다. 따라서 바이오커버 조성 시 기본적으로 매 립지 토양을 이용하였다. 이용된 매립지 토양은 현장 의 상부 복토층으로 복토된 후 경과일수가 약 1년 6개 월 된 토양이다. 그 외에 충전 소재로 많이 활용되어 메탄 산화제거 효과가 있는 것으로 보고된 조경용 인 공토양(perlite)과 지렁이 분변토 및 음식물쓰레기 퇴비 를 기능성 복토재의 충전 소재로 활용하였다(Cho and Ryu, 2009).

    각각의 충전 소재 혼합비율과 물리적 특성을 Table 1에 나타냈다. 바이오커버 1은 매립지의 토양만으로 구 성하였고, 바이오커버 2(a와 b)는 매립지 토양에 인공 토양과 지렁이 분변토를 일정비율로 혼합하여 구성하 였다. 바이오필터는 음식물쓰레기 퇴비를 추가하여 구 성하였다. 일반적으로 충전소재는 메탄산화 세균의 서 식지이므로 비표면적이 넓고, 수분보유 능력이 높은 소 재가 좋은 것으로 알려져 있다(Humer and Lechner, 1999). 메탄산화세균은 산성 조건에서도 생육이 가능한 호기성 세균이 존재하지만 일반적으로 pH는 중성(pH 6.5-8.5) 수준이 적절하다(Hanson and Hanson, 1996). 토양의 수분함량은 11-30%, 퇴비와 지렁이 분변토는 25-50% 정도가 적절하며, 만약 함수율이 너무 높으면 메탄산화세균의 활동을 위한 산소와 메탄가스의 전달 흐름을 방해 할 수 있다(Humer and Lechner, 1999; Park et al., 2002).

    각 충전재의 소재별 초기 pH는 매립지 토양, 인공토 양(perlite), 음식물쓰레기 퇴비는 약산성에서 약알칼리 성 수준이었고, 지렁이 분변토의 경우 pH 4.68의 산성 에 가까웠다. 초기 수분함량은 퇴비가 45.8%로 다른 충전 소재에 비해 높았고, 수분보유 능력은 매립지 토 양에 비해 인공토양은 약 1.7배, 지렁이 분변토는 약 10배, 퇴비는 약 18배가 높게 나타나 퇴비의 수분에 대 한 유지력이 가장 뛰어난 소재로 평가되었다.

    2.3.악취 및 메탄가스 분석방법

    본 연구에서는 악취강도를 평가하고자 복합악취도를 측정하였다. 복합악취의 채취는 진공형 간접채취(lung sampling) 방법으로 고순도 질소(99.999 %)로 3회 이 상 세척한 tedlar 10 L bag (TOP Trading Eng., Korea) 에 1 L/min의 속도로 5-10분간 시료를 채취하였다. Tedlar bag에 채취한 시료는 복합악취와 메탄가스 분석 에 사용하였다. 복합악취는 공기희석관능법으로서 무 취공기 제조장치(일반공기를 활성탄과 흡수제를 통과 시켜)를 이용하여 조제된 무취공기에 원취 시료를 단 계적으로 주입하여 희석시료를 제조한 후 악취공정시 험법에서 제시한 방식에 따라 희석배수를 단계적으로 산정하였다. 메탄과 이산화탄소의 측정은 휴대용 측정 장비(Biogas meter 5,000, Geotech Ltd. UK)를 사용하 여 채취된 시료를 분석하였다. 메탄 측정장비의 정도관 리는 메탄이 0%, 15%, 50%로 혼합된 3가지 표준가스 를 이용하여 메탄가스 측정 전에 진행하였고, calibration 후 약 ±0.5% 오차범위의 신뢰도를 나타냈다.

    3.연구결과 및 고찰

    3.1.평균기온 및 강수량 변화

    매립장에서 3.7 km거리(광양시 중동)의 기상청 관측 자료를 정리하여 본 연구기간 동안의 월 평균 기온과 월 누적 강수량을 Fig. 2에 나타냈다. 바이오커버의 설 치 완료 시기인 2016년 1월 9일 이후 9월 종료시점까 지 온도는 지속적으로 상승하여 8월경에 월평균 약 28°C의 최고온도를 보였으며, 누적 강수량은 4월에 약 245 mm로 가장 높았고 이후 감소 추세로 나타났다.

    대부분의 메탄산화세균은 중온성(25-36°C) 이므로 바이오커버의 충전 소재 또한 중온성일 때 성능이 좋 은 것으로 보고하고 있다(Cho and Ryu, 2009). Castro et al. (1995)은 -5°C에서 10°C 사이의 온도일 때 토양 온도가 메탄 산화에 중요한 요소로 작용했으나, 온도가 10-20°C일 때는 메탄산화에 영향이 없는 것으로 보고 하였다. Visvanathan et al. (1999)은 실험실에서 30- 36°C의 범위가 메탄산화에 최적 온도임을 밝혔으며, De Visscher et al. (2001)은 이러한 결과를 바탕으로 매립지 토양에서 실험하여 35°C가 메탄산화 활동에 최 적의 온도임을 확인하고 있으나, 장기간 30°C 이상 유 지되었을 때 메탄산화 활동이 감소로 이어질 수 있다. 본 연구기간 동안 외기온도를 고려했을 시 기온이 메 탄산화 작용에 큰 제약으로 작용하지 않은 것으로 판 단된다.

    3.2.바이오커버의 수분 및 pH 변화

    본 연구에서 바이오커버의 현장 적용은 개방형 형태 로 적용되었기 때문에 바이오필터에 비해 주변 환경 변화에 직접적으로 영향을 많이 받는다. Table 2와 Table 3에 실험 시작 시기와 실험진행 계절별(겨울, 봄, 여름) 바이오커버의 수분과 pH의 측정결과를 나타냈 다. 시료 채취는 겨울과 봄철에는 10-20 cm의 깊이에 서 채취하였고, 여름철에는 온도 상승에 따른 메탄산화 균의 활성이 타 계절에 비해 비교적 활발할 것으로 예 상되어 깊이별(0-15 cm, 15-30 cm, 30-50 cm)로 구분하 여 채취하였다. 기존 연구에 따르면 호기성 메탄산화는 깊이가 증가함에 따라 감소하고, 상부 10-20 cm의 깊 이에서 주로 발생한다고 알려져 있다(Pawlowska and Stepniewski, 2006; He et al., 2011).

    매립지 토양의 바이오커버 1은 수분함량이 실험 전 8.7%에서 현장 바이오커버 조성 후 여름철에 약 10% 로 다소 상승했으나 변화폭은 그리 크지 않았다. 바이 오커버 2는 실험 시작 전에 45.6-48.0%였으나 현장 설 치 후 약 10%까지 감소 후 여름철에 21-25% 수준까 지 증가하였다. 이는 수분보유 능력이 토양보다 뛰어난 인공토(perlite)와 지렁이 분변토 사용에 의한 효과로 판단되며, 이러한 바이오커버의 수분 보유력은 악취의 흡수 및 메탄산화균의 활성에 영향을 줄 것이라 판단 된다. pH는 바이오커버 1은 실험 전에 6.51에서 현장 실험장 조성 후 6.71로 약산성을 나타냈고, 이후 시간 이 경과함에 따라 봄철에 6.12, 여름철 6.20으로 감소 하여 나타났다. 바이오커버 2는 실험 전에 7.15-7.18로 약알칼리성이었으나, 실험 시작 시 7.88-7.95이었다. 이 후 시간이 경과함에 따라 7.64-7.82 수준으로 다소 감 소하여 나타났다. 바이오커버의 pH의 감소요인으로 매 립가스의 CO2 및 메탄가스의 분해에 의해 생성된 CO2 가 바이오커버 내 수분에 녹아들면서 낮아진 것으로 보인다. 여름철 시료채취 깊이별 수분과 pH는 유사한 수준으로 나타났다. 기존 연구에 따르면, 메탄영양 세 균(methanotrophs)은 광범위한 pH 조건에 적응할 수 있는 능력을 가지기 때문에 메탄산화의 주요 제한 요 소로서 작용하지는 않는 것으로 보고하고 있다 (Scheutz et al. 2009a; Scheutz et al. 2009b).

    3.3.바이오커버 및 바이오필터의 악취 저감 효과

    바이오커버 및 바이오필터로 유입되는 가스와 바이 오층을 통과한 가스의 복합악취(공기희석배수) 평가 결과는 Fig. 3에 나타냈다. 각각의 실험 조성지마다 바 이오층으로 유입되는 복합악취는 조사 시기에 따라 최 소 3,000배에서 최대 30,000배 수준으로 다양하게 나 타났다. 매립지 토양으로 조성된 바이오커버 1의 경우 6월 1일 이전까지는 유입되는 복합악취가 최고 44,814 배일 때 바이오커버를 통과한 복합악취는 1,000배 수 준으로 악취저감 효과가 있었으나, 이후 시기에는 3,000배까지 증가하여 효율성이 다소 떨어졌다. 바이오 커버 2와 바이오필터의 경우 유입되는 복합악취가 최 고 30,000배의 경우에도 바이오층을 통과한 가스의 복 합악취는 바이오커버 2에서 250-1,000배, 바이오필터 에서는 208-2,080배 수준으로 안정적인 악취저감 효과 를 보였다. 이는 인공토양, 지렁이 분변토 및 퇴비로 구성된 혼합층의 수분에 의한 악취 흡수 및 미생물에 의한 악취물질의 산화분해 작용 효과로 추정된다.

    따라서 바이오커버 1(두께 75 cm)의 경우 악취저감 을 위해서는 국내 폐기물관리법상의 매립시설 최종복 토 기준에 명시되어 있는 가스배제층(두께 30 cm 이상), 차단층(가스배제층 상부에 두께 45 cm 이상)과 같은 가스 배제의 별도 처리를 위한 복토층 조성이 필요할 것으로 보인다. 그에 반해 바이오커버 2와 바이오필터 의 경우 악취 발생량이 적은 노후화된 매립지나 규모 가 작은 매립지에 적용했을 시 악취 저감 효과가 있을 것으로 판단된다.

    3.4.바이오커버 및 바이오필터의 메탄 저감 효과

    바이오커버 및 바이오필터로 유입되는 가스와 바이 오층을 통과한 가스의 메탄농도를 측정하여 Table 4에 나타냈다. 실험 지점외의 매립지 상단에 챔버를 놓고 포집된 메탄가스를 측정한 결과 34.4-49.2%의 메탄농 도를 보였다. 바이오층을 통과한 메탄가스의 농도는 바 이오커버 1의 경우 17.1-28.5%, 바이오커버 2(a와 b)는 11.3-37.8%, 바이오필터는 0.1-8.6%로 조사되었다. 메 탄의 평균 제거효율을 비교한 결과, 바이오필터 (94.9%) >바이오커버 1 (42.3%) >바이오커버 2 (37.0%) 순으로 나타났으며, 가장 뛰어난 제거효율을 보인 바이 오필터는 바이오커버에 비해 20 cm 두껍고, 구성비율 에 차이가 있으며, 충전재에 퇴비가 포함된다. 선행 연 구결과에 따르면 지렁이 분변토, 퇴비, wood chip 등의 충전 소재의 경우 수분함량이 25-50% 정도가 미생물 생육 조건으로서 적절한 것으로 보고하였고(Cho and Ryu, 2009), 영양물질이 풍부한 지렁이 분변토와 퇴비 는 다양한 미생물이 존재함으로 메탄 및 악취물질의 동시제거가 가능함을 실험으로 증명하였다(Ryu and Cho, 2012). 따라서, 이러한 충전재 구성 및 재질적 특 성이 앞서의 악취와 더불어 메탄제거에 영향을 끼친 것으로 사료된다.

    각각의 바이오커버 및 바이오필터의 시간경과에 따 른 유입농도(Ci) 대비 유출가스(Co)의 비를 Fig. 4에 나타냈다. 가장 메탄제거 효율이 좋은 바이오필터는 실 험 경과일 55일(3/3)에 약 70-80% 정도의 수준이었으 나 이후 시기에는 99% 수준의 높은 제거효율을 나타 냈다. 바이오커버 1은 실험 초기 약 50%의 제거효율을 보였으나 점차 감소하여 실험종료 시기에 약 30%의 제거효율을 보였으며, 바이오커버 2(a와 b)는 25일 경 과 시기(2/3)까지는 바이오커버 1보다 평균 메탄 제거 효율이 약 63% 수준으로 높았으나 이후 제거효율이 약 20%까지 급격히 떨어지는 현상이 관측되었다. 이 러한 현상은 표층이 굳는 경화작용에 의한 것으로 보 여지며, 이로 인한 바이오층 내의 함수율 및 채널현상 으로 메탄산화균의 산화반응에 필요한 충분한 접촉시 간의 유지가 어려웠기 때문인 것으로 추측된다. 따라서 본 연구에서는 실험 진행 중 경과 시기 122일(5/11) 시 점에 경화작용이 관측된 표층 약 20 cm 깊이까지 뒤집 어 주었다. 그 결과 8일후 측정시기(5/19)에 메탄제거 효율이 다시 60% 정도까지 증가하여 나타났다. 그러 나 뒤집기 이후 약 30일 전·후로 경화작용이 다시 관 측되었으며 메탄제거효율 또한 감소하였다. 앞서 기술 한 악취와 메탄제거 효율을 비교했을 시 악취 보다 메 탄이 경화작용에 의한 영향을 크게 받는 것으로 판단 된다.

    기존 연구에 따르면 바이오커버의 메탄산화율과 CH4/CO2의 사이에는 강한 상관관계(R2 ≥ 0.9 이상)가 있는 것으로 보고되고 있다(Pratt et al., 2012; Pratt et al., 2013) 이러한 상관성은 메탄산화 작용 이외의 생성 과 소모 작용 및 영향을 최대한 배제한 실험실 규모의 결과이다. Fig. 5Pratt et al. (2012)가 제안한 Y= 101.06e−3.31X의 식(여기서 X : (CH4/CO2 outlet)/(CH4/ CO2 inlet), Y : 메탄산화율(%))을 이용하여 메탄산화 율을 계산한 결과를 나타냈다. 기존 연구결과에 따르면 처리 전·후의 CH4/CO2의 비율은 1.0 미만 수준을 제 시하고 있으나, 본 연구에서는 1.0 이상의 수치를 보였 다. 이는 메탄산화 작용 이외의 토양의 호흡과 외부 가 스의 유입, 기온 및 풍향의 기상 등 매립현장의 영향 요인에 의한 복합적인 작용의 결과로 보여진다. 메탄산 화율을 계산한 결과, 바이오커버 1은 평균 10.4%, 바 이오커버 2(a와 b 평균치)는 평균 12.5%로 평가되었다. 바이오커버 1의 경우 IPCC에서 제시한 매립지 복토의 기본 메탄산화율 수치인 10%와 유사한 수준으로 나타 났다(IPCC, 2006). 경화작용에 의한 메탄제거 효율의 편차가 심한 바이오커버 2는 바이오커버 조성 후 25일 경과시점에 46.3%의 효율을 보인 후 86일(4/6)에 4.6% 까지 감소하였으며, 뒤집기 이후(8일 경과 후)에는 17.9%의 메탄산화율을 보였다.

    국외 매립지에서 pilot 규모로 바이오필터와 바이오 커버를 설치하여 메탄배출 저감 효과를 평가한 일부 연구 사례를 Table 5에 정리하였다. 현장 적용 결과 바 이오커버와 바이오필터의 성능은 매립지의 가스 배출 특성, 충전 소재의 종류 및 구성형태, 설치규모, 매립지 기상 조건 등에 따라 메탄산화효율이 0-100%로 매우 다양한 결과를 보여주고 있다. 바이오커버의 경우 폐기 물(음식물쓰레기, 하수슬러지) 등을 재활용한 퇴비의 적용사례가 많으며, 토양 및 식물쓰레기 등 단일한 충 전 소재의 사용보다 퇴비를 혼합한 소재에서 효율성이 높고 안정적인 메탄 제거효율을 보인 것으로 평가된다. 규모가 작고 매립가스 발생이 적은 매립지에 바이오커 버를 적용했을 시 매일복토, 중간복토, 최종복토 순으 로 이루어지는 복토시스템에 쉽게 적용할 수 있는 장 점이 있다.

    바이오필터 연구사례는 매립 외부에 설치된 바이오 필터로 메탄가스를 유입시켜 처리한 연구(Gebert and Grongroft, 2006; Pawlowska and Stepniewski, 2006)와 매립지의 발생가스를 유공관을 통하여 이송시켜 중앙 의 바이오커버를 통해 처리하는 연구(Dever et al., 2011) 등이 진행되었다. 바이오필터는 발생가스를 바이 오커버에 비해 상대적으로 작은 규격의 바이오층을 이 용하여 처리함으로 처리 효율성을 높이기 위해 일반적 으로 바이오층이 두껍게 조성된다. 매립지는 특성상 넓 게 분포함으로 분포지 마다 발생되는 가스농도 수준은 편차가 심하며, 매립가스가 관측되지 않는 지점과 채널 현상에 의한 집중화 현상이 두드러지게 나타난다. 이와 같은 매립지의 특성을 고려했을 시 바이오필터는 매립 지 내부에 가스 포집을 위한 유공관을 설치하여 단일 배출구를 통해 발생가스를 처리할 수 있는 장점이 있 다. 그러나 매립가스의 발생이 적은 매립지의 경우 가 스포집을 위한 유공관의 설치는 경제성 문제가 단점으 로 지적될 수 있다. 따라서 현재 방법론에 대한 통합적 인 이해와 설치하고자 하는 매립지의 특성을 충분히 고려한 후 바이오커버와 바이오필터를 적용해야 할 것 으로 판단된다.

    4.결 론

    매립지에서 배출되는 악취와 메탄을 저감하고자 매 립현장에서 개방형의 바이오커버와 밀폐형의 바이오필 터를 적용하여 실험을 진행하였다. 바이오커버 1은 매 립현장의 토양만으로 구성하였고, 바이오커버 2는 매 립토양에 지렁이 분변토와 인공토양(perlite)을 혼합하 였다. 바이오필터는 바이오커버 2의 충전 소재에 음식 물쓰레기 퇴비를 추가적으로 혼합하여 바이오층을 조 성하였다.

    복합악취를 평가하였을 시 매립지에서 각각의 바이 오층으로 유입되는 복합악취가 30,000배 수준일 때, 바 이오커버 1은 시간이 경과함에 따라 점차 악취저감 효 율성이 감소하여 복합악취가 3,000배까지 평가되었으 나, 바이오커버 2(a, b)는 250-1,000배, 바이오필터는 208-2,080배 수준으로 바이오커비 1에 비해 상대적으 로 안정적인 악취저감 효율을 보였다.

    메탄 저감효율은 바이오필터(94.9%) > 바이오커버 1(42.3%) > 바이오커버 2(37.0%) 순으로 평가되었으며, 시간경과에 따라 바이오커버 1은 점차 효율성이 감소 하였고, 바이오커버 2(a, b)는 바이오커버 1에 비해 실 험 초기 효율성은 높았으나 경화작용에 의하여 급격히 감소하였다. 경화작용이 관측된 표층 토양을 뒤집어 준 결과 메탄저감 효율이 다시 증가하는 현상을 나타냈다. 바이오필터는 성능저하 없이 안정적인 메탄저감 효율 을 보였다. 메탄산화율을 추정한 결과, 바이오커버 1은 평균 10.4%로 평가되었고, 바이오커버 2는 조성 후 25 일에 46.3%의 효율을 보인 후 경화작용에 의해 4.6% 까지 감소하였으며, 뒤집기 이후 17.9%로 증가되어 평 균적으로 12.5%로 평가되었다.

    바이오커버와 바이오필터는 규모가 작고 노후화된 매립지에 적합하며, 이러한 매립지는 메탄의 자원화가 어렵고 처리 방법의 선정에도 어려움이 있다. 따라서 본 연구의 바이오커버와 바이오필터의 연구는 메탄뿐 만 아니라 악취까지 동시에 저감 가능한 하나의 방안 으로서 가치가 있다 하겠다.

    감사의 글

    본 연구는 중소기업청의 중소기업 이전기술개발사업 (S2334368)의 지원으로 이루어졌으며, 이에 감사드립 니다.

    Figure

    JOIE-16-139_F1.gif

    Schematic cross-section of constructed field A) biocover, B) biofilter at the domestic waste landfill in Gwangyang-si.

    JOIE-16-139_F2.gif

    Change of ambient temperature and precipitation during the experiment period.

    JOIE-16-139_F3.gif

    Change of input/output dilution factor in biocovers and biofilter.

    JOIE-16-139_F4.gif

    Change of methane removal efficiency in biocovers and biofilter.

    JOIE-16-139_F5.gif

    Relationship between CH4 removal efficiency and CH4/CO2 ratios in gas from biocovers on landfill, calculated from data published in Pratt et al. (2012).

    Table

    Packing conditions and physical properties of packing material in biocover/biofilter

    Moisture content change in different biocovers

    aSD : sandard deviation

    pH change in different biocovers

    aSD : sandard deviation

    List of analyzed compounds parameters

    aBackground : atual concentration on landfill cover using chamber

    Summary of biocover and biofilter field studies

    a≈ : approximately
    bmix of municipal sewage sludge and sludge from the pulp of paper and agri-food industries
    cEstimated value : refer to Pratt et al., (2012)

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