Perlite 및 tobermolite 바이오필터의 메탄 제거 및 미생물 군집 특성

Abstract

매립지나 폐기물 처리시설에서 배출되는 저농도의 메탄을 처리하기 위해서 바이오필터 등의 생물학적 메탄 제거기술이 널리 이용되고 있다. 생물학적 메탄 제거는 메탄을 분해하는 메탄산화세균에 의해 이루어진다. 바이오필터에서 충전재는 메탄산화세균의 고정화와 증식을 위한 서식지를 제공하며 바이오필터의 가장 중요한 구성 요소이다. 따라서 메탄산화세균의 활성을 유지하고 메탄 제거효율을 높이는 동시에 다양한 이점을 가진 새로운 담체의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 메탄 저감을 위한 바이오필터의 충전재로서 단독으로 사용해서 평가된 바가 없는 불활성 담체를 충전재로 적용하여 메탄 제거 특성 및 충전재에 서식하는 미생물 군집 특성을 규명하였다. 메탄 바이오필터의 충전재로서 불활성 담체인 tobermolite, perlite, polyurethane을 평가하기 위해 매립지와 습지 토양에서 분리한 네 종류의 접종원(메탄산화 혼합균)을 각 담체에 부착시킨 후 담체에 서식하는 메탄산화세균의 활성을 평가하였다. 메탄산화세균의 증식에 미치는 담체의 영향을 비교한 결과, 담체를 사용하지 않은 대조군과 비교시 담체의 사용은 메탄산화세균의 바이오매스를 증가시키고 메탄산화 효율도 향상시킬 수 있었다. 세 종류의 담체 중 메탄산화 효율의 향상 효과를 보인 담체로 perlite와 tobermolite를 선정하여 실험실 규모의 바이오필터에 적용하였다. Perlite를 담체로 사용한 바이오필터의 메탄제거 효율은 평균 61.3 ± 10.2%로 총 110일의 운전기간 동안 안정적으로 유지되었다. 운전기간 45일에서 55일 사이에 효율이 일시적으로 감소하였지만 이후 메탄제거 효율은 다시 상승하였다. Pyrosequencing을 통한 세균 군집 분석 결과에 따르면 운전기간 초기인 14일과 28일의 세균 군집 구성과 시간이 경과한 68일과 108일의 세균 군집 구성은 서로 상이하였다. 28일에서 68일 사이에 세균 군집 구성이 크게 변화하였으며 이는 메탄 제거 효율이 감소하는 시점과 일치한다. 세균 군집의 큰 변화는 일시적인 메탄 제거 효율 감소에 영향을 미쳤을 것이라 판단된다. 14일과 28일에는 Rhodobacter, Hydrogenophaga, Methylomonas가 우점하고 있으며, 68일과 108일에는 Methylocaldum과 Methylococcus로 우점종이 변화하였다. 세균 군집 구성의 큰 변화는 메탄제거 효율에 영향을 미칠 수 있지만 군집 구성원의 차이는 메탄제거 효율과 연관성이 없음을 알 수 있다. 또한 시간에 따라 일반 세균 수는 감소하였으나 메탄산화세균 수는 지속적으로 증가하여 perlite에 서식하는 메탄산화세균의 비율은 초기 15%에서 108일에 41%로 증가하였다. Perlite는 메탄산화세균의 활발한 증식을 위한 적절한 서식지를 제공할 수 있으며 메탄제거 효율을 안정적으로 유지하는 좋은 담체 역할을 할 수 있을 것이다. Tobermolite를 담체로 사용한 바이오필터는 운전기간 초기의 세균 군집 구성에서 총 세균 중 메탄산화세균이 차지하는 비율이 최고 71.1 ± 0.8%였으나 시간이 지남에 따라 감소하였다. 이는 tobermolite가 단시간 내에 메탄산화세균의 선택적 배양을 위한 특이적 서식지를 제공할 수 있음을 시사한다. 담체에 부착하여 서식하는 세균 군집 구성은 바이오필터의 총 68일의 운전기간 동안 크게 변화하지 않았으며 tobermolite는 세균 군집을 안정적으로 유지할 수 있는 충전재가 될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 불활성 담체인 perlite와 새로운 담체인 tobermolite를 적용하여 바이오필터의 메탄 제거 특성 및 충전재에 서식하는 미생물 군집 특성을 규명하였다. 이를 위해 메탄 저감을 위한 실험실 규모의 바이오필터를 설계, 제작하였으며 perlite와 tobermolite를 충전재로 적용하여 메탄 제거 성능을 평가하였다. 이번 연구 결과는 perlite, tobermolite를 이용한 생물학적 메탄산화 공정기술 개발에 활용 가능하다. ;Biological filtration (e.g., biofilter) is used for mitigation of low-concentrated methane produced from waste treatment facilities such as landfills. Methanotrophs degrade methane in biological filtration. Packing materials are the most important component of biofiltration since they immobilize methanotrophs and provide the support for growth of the methanotrophs. Therefore, diverse materials have been employed as packing materials in methane biofilters. The primary objective of this study was to evaluate biologically inactive materials as packing materials in terms of methane oxidation performance and microbial community. Three potential packing materials including tobermolite, perlite and polyurethane were evaluated using a batch experiment. The packing materials were incubated with four different mixed methanotrophic consortia (originating from landfill cover soils and wetland). All of the materials can enhance the methanotrophic activity and population, compared with the control. Perlite and tobermolite were selected for a further biofilter experiment since the both materials showed a higher methane oxidation activities. A laboratory-scale biofilter packed with perlite was operated for 110 days. Methane removal performance was stable at a removal efficiency (RE) of 61.3 ± 10.2%. The RE temporally dropped for a 45 - 55 day period but the biofilter began to recover the RE. Pyrosequencing showed that bacterial communities of days 14 and 28 (an earlier period) were distinctly discriminated from those of days 68 and 108 (a later period). This microbial succession coincided with the termporal deterioration of RE. These results indicated that the change of bacterial community was responsible for the deterioration. Rhodobacter, Hydrogenophaga and Methylomonas were dominant in 14 and 28 days, while Methylocaldum and Methylococcus were abundant only in 68 and 108 days. However, microbial composition was unable to link with the methane oxidation performance. Methanotrophic population steadily increased with time although total bacterial population decreased. Thus, the methanotrophic proportion was 15% on day 28, then increased to 41% on day 108. These results indicated that perlite is a promising bed material for methane biofiltration, since it allows methanotrophic acitivity and population to remain stable for a long time period. A laboratory-scale biofilter packed with tobermolite was operated for 68 days. RE increased rapidly for the first few days and peaked at 54% on day 20. RE was stable at 33.2 ± 5.5% for the rest of the 68-day period. The methanotrophic proportion on tobermolite increased to 71.1 ± 0.8% at day 21, then decreased with time. The result indicates that tobermolite provides a specialized habitat for selective growth of methanotrophs. Moreover, total bacterial community and population slightly changed for the experimental period. The results indicate that tobermolite allows the microbial community to remain stable, resultin in a stable methane removal performance. This study evaluated perlite and tobermolite as packing materials for methane biofiltration, in regards to methanotrophic performance as well as microbial community. These results can provide a deep insight into the development and management of perlite- and tobermolite-based methane mitigation systems.