생물복합섬유에 의한 메탄 및 황화이메틸 제거특성

Abstract

매립지에서는 폐기물이 혐기분해됨에 따라 이산화탄소, 메탄 및 악취가스가 발생된다. 대표적인 온실가스인 메탄은 이산화탄소에 비해 25배 큰 지구온난화지수를 가져 기후변화의 원인으로 작용한다. 악취가스 중 하나인 황화이메틸(dimethyl sulfide, DMS, CH3SCH3)는 극미량으로 강한 악취를 유발하며, 피부와 눈에 자극을 주는 유해가스이다. 따라서 본 연구에서는 매립지에서 발생하는 메탄 및 DMS을 제거하기 위하여 생물복합섬유(bio-complex textile)를 개발하고 메탄과 DMS 제거특성을 규명하였다. 생물복합섬유 제작에 사용할 섬유소재를 선정하기 위하여 지렁이분변토를 메탄 및 DMS 조건에서 배양하였고, 메탄 및 DMS 동시분해 혼합균주를 확보하였다. 이를 원액(100%)부터 10%까지 희석한 후 원예용 부직포(섬유소재 A)와 토목섬유(섬유소재 B)에 각각 접종함으로써 메탄 및 DMS 동시분해능을 확인하였다. 원액을 사용하였을 때 섬유소재 A와 섬유소재 B에서 메탄 비산화속도는 6922 ± 378 μmol∙L-1∙h-1, 8087 ± 867 μmol∙L-1∙h-1로, DMS 비산화속도는 606 ± 89 μmol∙L-1∙h-1, 535 ± 7 μmol∙L-1∙h-1로 나타나 섬유소재 A에서는 DMS가, 섬유소재 B에서는 메탄이 효과적으로 제거되었다. 탄소원 비산화속도는 혼합균주의 희석배수가 높아질수록 감소하였으며, 섬유소재는 저농도 혼합균주에서 탄소원의 분해를 활성화시켰다. 보관기간에 따른 생물복합섬유 시제품의 성능을 알아보기 위하여 펄라이트와 토버모라이트를 담체로 사용하였고, 시제품 제작 후 이를 상온에서 14주간 보관하였다. 펄라이트의 메탄 비산화속도는 8540 ± 584 μmol∙L-1∙d-1에서 6496 ± 241 μmol∙L-1∙d-1로, DMS 비산화속도는 664 ± 38 μmol∙L-1∙d-1에서 597 ± 13 μmol∙L-1∙d-1로 나타나 그 값이 유지되었으나, 토버모라이트의 메탄 비산화속도는 2685 ± 121 μmol∙L-1∙d-1에서 0 ± 0 μmol∙L-1∙d-1로, DMS 비산화속도는 346 ± 64 μmol∙L-1∙d-1에서 0 ± 0 μmol∙L-1∙d-1로 그 값이 감소하였다. 각 담체에서 메탄산화세균의 methane monooxygenase(MMO) 발현에 관여하는 pmoA 유전자를 정량한 결과 펄라이트에서는 메탄산화세균이 약 5,000배 증가한 반면 토버모라이트에서는 메탄산화세균의 수가 일정하게 유지되었다. 이는 펄라이트의 수분보유능력(water retention capacity)이 토버모라이트보다 높아 수분함량이 높게 유지되었기 때문이다. 생물복합섬유 시제품의 현장적용에 앞서 실험실 규모의 반응기에서 시제품의 메탄 및 DMS 분해가능성을 조사하였다. 반응기 운전은 총 75일동안 수행되었으며 펄라이트로 충전한 반응기(BCT1)와 토버모라이트로 충전한 반응기(BCT2), 펄라이트와 토버모라이트를 섞은 것으로 충전한 반응기(BCT3)에서 평균 메탄 제거효율은 27.7 ± 9.8%, 21.4 ± 9.1%, 57.3 ± 12.2%이었고, DMS는 세 반응기 모두에서 100% 제거되었다. 담체를 섞어서 사용한 경우(BCT3) 각 담체의 단점이 보완되어 탄소원 제거효율이 높게 나타났다. 본 연구에서 개발한 생물복합섬유는 14주간 보관하였음에도 불구하고 그 성능을 유지하였고, 반응기에 적용하였을 때에 55%의 메탄, 100%의 DMS를 제거하였다. 따라서 생물복합섬유는 메탄과 DMS를 제거하기 위하여 매립지 현장에 적용할 수 있다.;In landfills, carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and odor gas are produced during anaerobic decomposition of wastes. CH4, which is representative greenhouse gases, causes climate change because its global warming potential is 25 times greater than that of CO2. Dimethyl sulfide (DMS) that makes strong odor despite of infinitesimal quantity is classified harmful gases because of its irritation property to eyes and skin. In this research, therefore, bio-complex textile prototype was developed for mitigation of CH4 and DMS emitted from landfills. In order to select textiles for making bio-complex textiles, CH4 and DMS-degrading microbial consortium, which has been obtained from earthworm cast and incubated with CH4 and DMS, was inoculated to gardening textile and geotextile with dilution (100-10%). CH4 specific degradation rate of textile A and textile B which are inoculated with 100% consortium is 6922 ± 378 μmol∙L-1∙h-1, 8087 ± 867 μmol∙L-1∙h-1, respectively, and DMS specific degradation rate of textile A and textile B which are inoculated with 100% consortium is 606 ± 89 μmol∙L-1∙h-1, 535 ± 7 μmol∙L-1∙h-1, as well. Also carbon source specific degradation rate was decreased when consortium concentration was decreased. Textiles activated diluted consortium (10-25%) to degrade carbon source. Furthermore to investigate performance of bio-complex textile prototype by storage period (14 weeks), perlite and tobermorite are used as microbe-immobilized carrier. On perlite, CH4 and DMS specific degrading rates were maintained from 8540 ± 584 μmol∙L-1∙d-1 to 6496 ± 241 μmol∙L-1∙d-1, from 664 ± 38 μmol∙L-1∙d-1 to 597 ± 13 μmol∙L-1∙d-1. However, on tobermolite, CH4 and DMS specific degrading rates were decreased from 2685 ± 121 μmol∙L-1∙d-1 to 0 ± 0 μmol∙L-1∙d-1, from 346 ± 64 μmol∙L-1∙d-1 to 0 ± 0 μmol∙L-1∙d-1. Quantification result of pmoA gene in methane-oxidizing bacteria (methanotrophs) explains that methanotrophs was flourished more than 5,000 times in perlite but maintained in tobermorite. Water retention capacity of perlite is strong than tobermorite, therefore water is maintained in perlite. Before the application of bio-complex textile prototype in landfills, CH4 and DMS degradation capacities were measured in lab-scale reactors. Those three reactors were operated for 75 days, filled with perlite only (BCT1), tobermorite only (BCT2) and mixture of perlite and tobermorite (BCT3). Average CH4 removal efficiency of BCT1, BCT2, BCT3 is 27.7 ± 9.8%, 21.4 ± 9.1%, 57.3 ± 12.2%, respectively. The whole quantity of DMS was removed in all three reactors. Mixture of perlite and tobermorite cover their chemical∙physical drawbacks. The bio-complex textile which is developed in this research maintained their CH4 and DMS removal capacity for 14 weeks. And CH4 and DMS removal efficiency was 50%, 100%. This result suggests that bio-complex textile promise to remove CH4 and DMS simultaneously in landfills.