고집약 하이브리드 바이오커버의 메탄 및 악취 동시 저감 특성

Abstract

매립지는 주요 메탄 및 악취 배출원으로, 매립지에서 배출되는 메탄 및 악취 저감을 위해 바이오커버 기술이 이용되고 있다. 본 논문에서는 매립지 전체에서 발생하는 매립지 가스를 전체 면적의 1/50의 바이오커버에서 집약적으로 처리하는 고집약 바이오커버를 개발하여 설치 및 유지 관리 비용을 감소하고자 하였다. 또한 면오염원 뿐만 아니라 필요에 따라 점오염원까지 동시에 처리가 가능하도록 하이브리드 바이오커버를 개발하였다. 파일럿 규모의 고집약 하이브리드 바이오커버를 광양 위생 매립 시설에 설치하여, 238일동안 면오염원에서 배출되는 매립지 가스 중 메탄과 악취 제거능을 평가하였다. 또한 면오염원에서 배출되는 매립지 가스에 점오염원에서 배출되는 매립지 가스를 동시에 바이오커버에 유입하여 61일동안 메탄 및 악취의 제거 효율을 모니터링 하였다. 바이오커버 운전 동안 내부 온도, pH, 수분함량, 유기물 함량 등 물리적 특성 변화를 조사하였고, 메타게놈 분석을 통해 미생물 군집 거동 특성을 분석하였다. 면오염원 가스 처리시 바이오커버의 메탄 제거율(%)이 동절기에 90.8±14.7%, 비동절기에 85.3±16.5%로, 비동절기뿐만 아니라 동절기에도 높은 제거효율을 얻을 수 있었다. 운영기간 중 바이오커버의 복합악취 제거율은 공기희석배수를 기준으로 평균 90.1±21.1%, 총악취활성을 기준으로 평균 90.3±5.9%로 매우 높았다. 주요 악취 발생 물질인 황화수소는 운영기간 중 96.5±4.3%의 높은 제거율을 보였다. 바이오커버의 내부 온도, pH, 수분함량, 유기물 함량의 물리적 인자는 모두 메탄 산화와 황화수소 산화에 최적 환경 범위에서 유지되었으며, 물리적 인자로 인한 가스 분해능의 저해는 없었던 것으로 보인다. 한편 미생물 군집은 설치 초기 충전재 재료에서 유래한 Acinetobacter와 Pseudomonas를 중심으로 미생물 군집이 형성되었으나, 이후 매립지 환경에 적응하면서 Methylobacter와 Methylocaldum을 중심으로 미생물 군집이 변화하였다. 또한 상관성 분석 결과 미생물 군집 내에서 Longilinea는 우점율은 낮았으나, 많은 미생물 종과 상호 작용을 통해 유용한 미생물 군집의 생장을 촉진시키는 핵심종으로 작용하였다. 면오염원 및 점오염원 동시 대응시에는 유입되는 메탄의 농도가 49.8%로 높아졌다. 고집약 하이브리드 바이오커버의 메탄 제거율은 유입가스 변경 직 후 급감하였으나 이후 운영 18 일차부터는 평균 64.6±10.94%의 제거 효율을 나타내었다. 또한 복합악취 제거율은 공기희석배수를 기준으로 평균 96.4±3.5%, 총악취활성 기준으로 평균 78.0±5.5%이었다. 이는 면오염원 대응시 보다 다소 낮은 효율이었다. 물리적 인자의 경우 바이오커버의 온도가 여름철의 고온과 직사광선으로 인해 평균 36-48°C으로 높았으며, 이로 인해 기존에 우점종이었던 Acinetobacter, Pseudomonas, Methylobacter 등이 도태되고 Methylocaldum, Bacillus, Ureibacillus 등의 고온에 저항성을 가지고 있는 속을 중심으로 미생물 군집이 천이되었음을 확인하였다. 고집약 하이브리드 바이오커버의 현장적용 연구를 통해 높은 제거 효율로 메탄 및 악취를 동시 처리 가능함을 확인하였다. 고집약 바이오커버는 면오염원의 집약적인 처리뿐만 아니라 면, 점오염원의 동시 처리가 가능한 경제적인 방법이다. 국내 기후 조건에서 겨울철 저온 환경보다 여름철 고온 환경이 바이오커버의 성능을 제한하였다.;Landfills are considered as one of the biggest methane and odor sources, and biocover has been studied as methane and odor mitigation from landfills. In this study, high compact biocover was designed which treats emitted landfill gas with only 1/50 area of landfill to reduce installation and management costs. Biofilter-hybrid biocover was also designed which treats with point source pollutant as well as area source pollutant. Pilot-scale high compact hybrid biocover was constructed in gwangyang sanitary landfill. Methane and odor degradation performance was monitored for 238 days with area source pollutant and for 41 days with both area and point source pollutants. Physiological factors such as temperature, pH, water content, organic content was measured, and biological factors was also analyzed with metagenome analysis using miseq. In operation with only area source pollutants, methane removal efficiency was 90.8±14.7% in fall and winter, and 85.3±16.5% in spring and summer that showed high removal efficiency in all seasons. The complex odor removal efficiency was high during the operation which was 90.1±21.1% based on odor dilution ratio and 90.3±5.9% based on SOAV. The physiological factors including biocover inner temperature, pH, water content, organic content was shifted in optimal range for methane degradation and hydrogen sulfide absoption. In early stage, bacterial community was mainly consisted of Acinetobacter and pseudomonas which was derived of raw materials of packing material. But after adaping landfill environment, bacterial community was shifted to Methylobacter and Methylocaldum-dominant community. In bacterial community, Longilinea acted as key species despite of its low dominance facilitating the growth of useful bacteria for methane and odor removal. In operation with both area and point source pollutants, methane concentration of inlet gas was increased to 49.8% and odor complex was also increased to over twice. Methane removal efficiency was rapidly decreased immediately after injection of point source pollutant, but after 18 days, it was recovered to 64.6±10.94%. Complex odor removal efficiency was 96.4±3.5% based on odor dilution ratio and 78.0±5.5% based on SOAV. The performance of high compact hybrid biocover was low in comparison of dealing with only area source pollutants. pH, water content, and organic content was maintained in optimal range, but biocover inner temperature was significantly high (35.73-48.00°C in depth-average) due to high ambient temperature and solar radiation. As results, Acinetobacter, Pseudomonas, Methylobacter which had been dominant in bacterial community was decreased, and thermophilic bacteria such as Methylocaldum, Bacillus, Ureibacillus became dominant. In this study, pilot-scale high compact hybrid biocover was constructed in landfill and operated for simultaneous removal of methane and odor. Landfill gas mitigation was performed in high efficiency and achived high economic feasibility by intensive treatment of landfill gas from area and point source. It is also suggested that high ambient temperature during the summer can be limiting factor for biocover performance rather than low temperature during the winter in adapting pilot-scale biocover in climate condition of Korea.