폐기물 매립지는 지구온난화를 야기하는 주요한 기체인 메탄 (CH4)의 인위적 발생원 중 하나로 알려져 있다. 메탄은 이산화탄소 (CO2)보다 약 20배 이상 강력한 온실가스로 매립지에서는 주로 매립된 유기성 폐기물이 미생물에 의해 혐기성 분해되는 과정에서 발생하게 된다. 한편 발생된 매립가스 구성성분 중 메탄은 약 45 - 60%를 차지하는데, 메탄은 공기 중에 5 - 15% 존재하면 폭발의 위험이 있다. 따라서 매립지 설계 시 기본적으로 고려해야 하는 인자 중 하나는 매립가스의 회수 및 처리에 대한 것이다.

  매립지에서 발생하는 메탄의 양은 이론적인 방법과 실험적인 방법에 의해 추정될 수 있다. 이론적인 방법은 폐기물의 원소 조성에 기초한 양론식을 이용한 계산 방법이며, 실험적인 방법은 회분식 실험 방법인 Biochemical Methane Potential (BMP) test와 칼럼 및 현장 실험인 Lysimeter나 Test cell을 이용한 방법이 주로 사용된다. BMP test는 폐기물의 메탄으로의 변화 가능한 범위와 속도를 결정하는데 유용하고 경제적인 실험 방법이다. 그러나 기질적, 미생물적, 환경적 요인이 BMP test에 영향을 줄 수 있음이 여러 연구자들에 의하여 보고되어 왔다.

  본 연구에서는 BMP test의 환경적 요인 중 영양 배지의 조성, 시험용기 내부의 가스가 차지하는 부분의 비율, 교반이 실험 결과에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 실험 시 미생물이 이용할 수 있는 기질로 글루코스를 사용하였고, 생물화학적으로 동일한 미생물을 제공하기 위하여 실험실에서 순응시킨 미생물을 사용하였다. 그리고 기존에 사용되고 있는 가스 발생량 측정 방법의 단점을 보완한 가스 발생량 측정 장치를 제작하여 BMP test 시 정확한 부피 측정을 가능하게 하였다.

  첫 번째로 고려한 요인인 영양 배지 조성에 따른 BMP test 결과, 미량원소가 포함된 배지가 그렇지 않은 배지에 비해 다소 높은 메탄 발생량과 메탄 발생 속도를 보였지만 그 차이는 크지 않았다. 한편, 배지 내 환원환경을 조성하기 위해 주입하는 Na2S·9H2O의 농도가 높을수록 메탄 발생이 시작되기까지 긴 지체기를 보임을 알 수 있었다. 또한 주입된 기질의 농도가 2배가 되더라도 메탄 발생이 시작되기까지 걸리는 지체기는 큰 차이가 없었고, 이로 인해 배지 내 존재하는 Na2S·9H2O의 농도가 미생물에 저해 요인으로 작용하여 메탄 발생을 지연시키는 것으로 판단되었다. 영양 배지에 주입된 황은 가스 상의 H2S와 용액 상의 H2S, HS-, 금속과 반응한 형태인 비용해성의 황화합물로 존재할 수 있는데 이 중 이온화되지 않은 H2S은 혐기성 미생물에 독성 효과를 가지고 있다. 배지에 첨가하는 Na2S·9H2O의 양이 증가할수록 H2S에 의한 독성 효과에 의해 메탄이 발생하기까지 오랜 지체기가 소요되는 것으로 판단되었다. BMP test 시 주기적으로 가스발생량을 측정하는 과정에서 발생된 이산화탄소 혹은 메탄과 함께 실험 용기 내 존재하고 있던 H2S의 탈기가 이루어지어 일정 시간의 지체기 후 메탄 생성이 시작된 것으로 보인다. 한편, H2S에 대한 미생물의 순응에 의한 영향도 고려되어야 할 것이다. 따라서 Na2S·9H2O의 주입으로 인하여 생성된 H2S에 의한 독성의 영향에 대한 직접적 평가가 차후 수반되어야 할 것으로 보인다.

  BMP test 시 헤드스페이스 비율이 변화함에 따라 메탄 발생량에 미치는 영향을 평가하였다. 실험 결과, 본 실험 조건에서 헤드스페이스가 50% 이하인 경우 메탄 발생량은 헤드스페이스의 비율에 관계없이 비슷한 값을 보였으며, 시험 용기 내 높은 압력으로 인한 가스 누출은 발생하지 않았다. 반면, 헤드스페이스가 70% 이상인 경우 메탄 발생은 헤드스페이스가 작은 경우 실험과 상당히 큰 차이를 보였다. 이는 헤드스페이스가 상대적으로 큰 경우 발생된 메탄이 헤드스페이스에서 희석되는 효과로 인하여 메탄 발생량 측정에 오차를 유발한 것으로 판단되었다. 따라서 가능한 적은 비율의 헤드스페이스를 가질수록 더 정확한 메탄 발생량을 평가할 수 있을 것이다. 이 점은 앞으로 동일한 실험을 수행할 연구자들에게 좋은 가이드라인이 될 수 있을 것으로 기대된다.

  교반의 유무에 따른 BMP 실험 결과, 본 실험 조건에서 교반의 유무와 무관하게 메탄 발생량은 비슷한 것으로 평가되었다. 이는 시험 용기 내에 교형물의 농도가 낮았기 때문에 교반이 메탄 발생량에 영향을 주지 않은 것으로 평가되었으며, 이는 선행 연구자의 결과와 크게 상이하지 않은 결과였다. 따라서 고형물의 농도가 낮을 경우 경제적, 기술적 여건으로 인하여 교반을 하지 않는다 하여도 실험 결과에 영향을 주지 않을 것으로 생각된다. 차후 고형물의 농도가 메탄 발생에 미치는 영향에 대한 보다 세부적인 실험이 필요할 것으로 보인다.

주요어 : 매립지 메탄, 혐기성 소화, Biochemical Methane Potential(BMP), 배지 조성, 헤드스페이스, 교반