매립지, 하수처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 CO2를 제거하고 CH4를 연료로 사용하는 분리 정제 기술이 주목을 받고 있다. 매립지가스에는 35~55%의 CH4, 20~45%의 CO2 및 미량의 암모니아, 황화수소, 실록산 등 포함되어 있다. 본 연구에서는 제습, 탈황, 탈실록산 등의 전처리 과정을 통해 얻어진 가스를 PES(polyethersulfone) 중공사막을 이용하여 CO2/CH4 혼합가스의 투과특성을 관찰하였고 순도 95%의 CH4와 90%의 높은 회수율을 얻을 수 있는 분리막 공정을 설계하였다.

The characteristics of odor generation with the production of resources by utilization of methane gases in landfill sites was investigated, and the effect of making resources with landfill gases on the reduction of odor was analyzed in recent years. The greenhouse gas was estimated to reduce from the range of 1,334,940~209,875 tCO₂e with the period of 2008~2017, and the effective odor was diminished with considerable amount. The more effective methods of odor removal with the utilization of waste gases were estimated by studies of similar cases to acquire standard methods of making energy resources by waste gases.

유엔기후변화협약(UNFCC)은 온실가스 배출통계의 중요성을 강조함에 따라 모든 당사국들은 국가 온실가스 인벤토리 산정 보고서를 제출할 의무를 명시하고 있다. 국가 온실가스 인벤토리 분야에는 폐기물 분야도 포함되어 있으며, 특히 메탄배출량의 상당량을 차지하는 폐기물매립지에 대한 온실가스 배출량 산정은 매우 중요시되고 있다. 그럼에도 불구하고 국내 폐기물매립지는 아직까지 GPG(Good practice guidance) 2000에 기반하여 온실가스 배출량을 산정하고 있어 2006 IPCC 가이드라인을 기준으로 매립지 온실가스 배출량을 산정하고 있는 미국과 EU 국가 등과 비교하여 배출량 산정의 정확도가 낮은 문제점을 나타내고 있다. 이에 본 연구에서는 GPG 2000과 2006 IPCC 가이드라인(Tier 1, 2)을 기반으로 국내 폐기물매립지의 온실가스 배출량을 산정 및 비교함으로써 폐기물매립지 온실가스 배출량 산정방법의 문제점 및 개선방향을 제시하고자 하였다. 각 방법별 폐기물매립지의 국가 온실가스 배출량 산정 결과, 2015년 기준으로 2006 IPCC Tier 1의 배출량은 10,885 Gg CO2eq,로 가장 높게 나타났으며, 다음으로 2006 IPCC Tier 2(9,443 Gg CO2eq,), GPG 2000(7,727Gg CO2eq)순으로 나타났다. GPG 2000과 2006 IPCC 가이드라인 모두 FOD 모델을 기반으로 하고 있기 때문에 연도별 배출량 증감은 비슷하였으나 GPG 2000은 매립폐기물 전부를 하나의 단일 성상으로 가정한 반면 2006 IPCC에서는 폐기물 성상별로 배출계수를 적용하도록 하고 있어 배출량의 차이가 발생하였다. 다만 2006 IPCC에서는 국가 배출계수의 적용을 권고하고 있어 향후 이에 대한 지속적 개발 및 검증이 이루어져야 할 것이다.

The sanitary landfill method not only stops leakage of leachate and landfill gas to the outside, it also prevents water or air ingress. These methods significantly reduce the environmental contamination of landfills. Recently, landfilling of organic wastes such as sewage sludge and food waste has been forbidden, and landfilled wastes are dried. In addition, the water supply from outside is blocked, and the inside of the landfill remains very dry using the sanitary landfill method. At present, municipal solid-waste landfills have a generalized landfill-gas recovery and energy conversion. However, delayed decomposition of waste due to drying of the landfill will prolong the post-management period and reduce the amount of landfill gas after final disposal, which has a serious impact on the economics. In this study, a leachate recirculation facility was installed at the SUDOKWON landfill site in Incheon to prevent drying of the inside of the landfill. We investigated the effects of leachate recirculation on landfill gas evolution by observing the changes in water content and landfill-gas collection. As a result, the amount of landfill gas collected after recycling the leachate for about 34 months showed an increase of about 71% compared to the control. Therefore, the increase of water content through leachate recirculation greatly influences landfill-gas production, and it can increase the return from the landfill-gas energy project.

The objective of this research was to estimate the greenhouse gas (GHG) emission factors for food, paper, and wood wastes through methane (CH4) flow analysis. The GHG emissions from a given amount of landfill waste depend on the carbon (C) flows in the waste: (1) carbon storage in landfills, (2) C in carbon dioxide (CO2) and CH4 generated in anaerobic waste decomposition, (3) C in CO2 and CH4 emitted to the atmosphere through vertical gas wells, (4) C in CO2 from CH4 oxidation through cover soils, and (5) C in CH4 emitted to the atmosphere through cover soils. This study reviews the literature on the ranges for DOCf (the fraction of degradable organic carbon that can decompose) and OX (oxidation factor) values of food, paper, and wood, with a particular focus on the role of lignin. There is an inverse relationship between lignin and the DOCf of paper and wood wastes. In this respect, the lignin content could be used as an abatement indicator for the DOCf of paper and wood. The literature review shows that the average DOCf values for food, paper, and wood were 0.72, 0.61, and 0.12, respectively. The country-specific DOCf value for wood (0.44) is significantly higher than the ranges reported in the literature, which implies that the country-specific DOCf for wood can overestimate GHG emissions compared to the DOCf obtained from the literature. The estimated GHG emissions factors were 1,055 kg-CO2e/ ton-wet waste for food, 1,367 kg-CO2e/ton-wet waste for paper, and 276 kg-CO2e/ton-wet waste for wood. Sensitivity analysis results showed that the most influential parameters were MCF (CH4 correction factor), DOCf, and OX. In order to reduce GHG emissions from landfill in Korea, landfill sites currently in operation should be converted from anaerobic to semi-aerobic.

폐기물매립지에서 온실가스 발생량 예측을 위하여 사용되는 1차 반응모델(First-order decay, FOD)에 적용되는 중요한 변수 중 하나는 메탄발생잠재량(Methane generation potential, L0)이다. L0는 메탄생성에 가장 이상적인 조건에서 폐기물 중량단위 당 발생할 수 있는 메탄의 양으로 일반적으로 메탄수율이라고 나타내기도 한다. 그러나 폐기물매립지에서의 L0는 매립지 내부의 수분, 온도 등의 환경적 조건과 폐기물 크기 등의 물리적 특성에 의해 메탄발생이 영향을 받기 때문에 일반적으로 정의되는 L0와 혼동을 나타낼 수 있다. 이러한 물리적 및 환경적 요인 때문에 폐기물매립지에서의 L0는 실내실험 결과보다 낮게 나타나며, 따라서 폐기물매립지에서의 사용되는 L0 용어에 대한 기본적 가정은 메탄발생을 위한 이상적 조건이 아닌 실제 매립지 조건으로 고려되어야 한다. 이에 본 연구에서는 앞에서 나타낸 용어의 정의를 기준으로 기존 연구문헌에서 폐기물매립지의 L0산정을 위해 적용한 방법들을 고찰하여 향후 L0 산정 및 방법론 개발에 기초자료로 활용되고자 하였다. L0 산정방법을 크게 구분하면 화학양론적 방법(Stoichiometric method), 실내실험 방법, 모델일치(Model fitting) 및 회귀분석, IPCC(Intergovernmental panel on climate change) 방법론으로 구분할 수 있다. 화학양론적 방법은 폐기물의 원소조성에 기초한 Buswell 식 또는 폐기물의 탄수화물(Carbohydrates), 단백질(Proteins), 지질(Lipid)의 함량에 기초하여 이론적인 L0값을 산정 후 생분해가능 비율(Biodegradable portion, BF)을 곱하여 L0값을 계산할 수 있으나 BF 산정에 어려움이 있다. 실내실험은 일반적으로 폐기물 성상별 L0에 폐기물 조성 가중치를 적용하여 L0값을 산정하고 있다. 성상별 L0값을 산정하기 위해서는 일반적으로 BMP(Biochemical methane potential) 실험이 사용되나 BMP 결과를 L0로 나타내기에는 문제점이 있다. 이는 BMP 결과는 혐기성 분해의 이상적 조건에서 도출되었기 때문에 L0 보다는 DOC(Degradable organic carbon)와 의미가 매우 유사하며, 모의매립조(Lysimeter) 또는 현장 실험보다 높은 값을 나타내기 때문에 조정계수를 적용하여 L0값을 산정하여야 한다. 모의매립조 실험의 경우에는 수리전도도(Hydraulic conductivity)와 연관되어 실제 매립지보다 짧은 수리학적 체류시간을 가지게 되는 문제점이 있다. 이는 매립지에서 침출수로 유출되는 DOC 비율은 2% 미만으로 보고되고 있으나 모의매립조는 상당비율의 DOC가 침출수로 유출되기 때문에 L0 산정 시 침출수로 유출되는 DOC비율을 고려하여야 한다. 모델 일치 및 회귀분석은 실제 매립지에서의 측정 데이터를 기초하기 때문에 가장 정확하나 데이터 확보를 위한 장기간의 시간이 소요된다. IPCC 방법론의 경우 DOC 및 DOCf를 산정하여 L0를 산정할 수 있으며, DOC 산정을 위해서는 BMP 실험을 이용한 방법과 폐기물의 방사성 탄소함유량(Radiocarbon content)에 기초한 생물학적 기원 탄소량 산정방법이 있다. DOCf는 셀룰로오스(Cellulose)와 헤미셀룰로오스(Hemi-cellulose)가 전부 메탄으로 전환된다는 가정 하에 측정된 메탄수율로 나누어 계산할 수 있다.

핀란드 등의 유럽국가와 미국에서는 이미 오래전부터 매립지로 침출수를 재순환하고 있다. 이들 국가는 크게 두가지 목적으로 침출수를 재순환한다. 첫째, 소규모 매립지의 경우 별도의 침출수 처리시설이 없어 침출수처리 목적으로 매립지 내부로 침출수를 재순환하는 것이고, 두 번째는 건조한 지역의 매립지에서 수분공급을 통한 폐기물 분해활성화를 위해 재순환하는 것이다. 이러한 분해활성화는 매립가스 증산과 매립지 조기 안정화에 기여한다. 이들 국가의 재순환 방법은 단순히 살수차를 이용하여 매립현장에 침출수를 직접 살포하는 방식에서부터, 매립지 내 폐기물 층에 수평형 또는 수직형의 주입시설을 설치하여 매립지 내부로 주입하는 형태의 방식도 적용하고 있다. 국내의 경우, 최근까지 침출수를 매립지로 재순환할 수 있는 법적 근거가 없었으나, 2016년 4월에 그 근거가 마련되었다. 즉 매립지로 반입되는 폐기물의 성상이 하수슬러지 등 유기성 폐기물의 직매립 금지로 인해 매우 건조화 되었고, 또한 복토 기준 강화로 인해 매립지 내부로 우수의 유입도 크게 차단되어 매립지 내부가 많이 건조화 되었다는 것을 정부에서도 인식한 것이다. 본 연구에서는 수도권매립지 제2매립장내 2개블럭에 대하여 침출수 재순환을 통한 함수율 변화와 이에따른 매립가스 포집량 변화를 관찰하여 매립가스 증산에 어떠한 영향을 미치는지 파악하고자 하였다. 이에 3c, 4c 두 개 블록에 침출수 재순환시설을 설치하여 2013년 10월부터 2016년 12월까지 약 24만 m³의 침출수를 재순환하고 매립량 및 매립경과기간이 유사한 3d, 4d 블록과 함께 매립가스 포집량 등을 조사하였다. 그 결과 매립가스 포집량이 순메탄량 기준으로 대조구역 대비 1차년도 28.2%, 2차년도 36.7%, 3차년도에 60.6%의 증가율을 나타낸 것으로 조사되어 침출수 재순환이 매립가스 증산에 크게 영향을 미치며 이를 통해 매립가스 자원화사업에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단되었다.

Because methane-producing bacteria (MPB) and sulfate-reducing bacteria (SRB) compete for anaerobic utilization of organic matter, the methane generation potential (Lo) decreases logarithmically with the decrease in the COD/SO4 ratio. The Lo correction coefficient equals the Lo at a particular COD/SO4 ratio divided by the maximum Lo. An Lo correction coefficient was derived each year based on the COD/SO4 ratios of waste added to the landfill. The methane generation potential was multiplied by the Lo correction coefficient in order to correct the LFG (landfill gas) generation calculation. At the second Sudokwon landfill site (2000 ~ present), the COD/SO4 ratio decreased from 11.6 in 2000 to 4.8 in 2014. Thus, the Lo correction coefficient decreased from 0.89 in 2000 to 0.42 in 2014. The LFG 2008-2014 production correction was calculated using the model equation (Scholl canyon), and was almost the same (91 ~ 113%) as the quantity measured, including LFG that was collected, flared, or allowed to diffuse through the landfill. The methane oxidation correction factor, calculated from the concentrations of nitrogen and oxygen within the landfill gas, was between 0.92 and 1 for the first landfill site and between 0.96 and 1 for the second landfill site. Air ingress into the landfill had a negligible effect on gas generation.

Sulfate produced during anaerobic reduction limits the activity of methanogens but it is not reflected in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) methodology for estimating CH4 emissions. In this study, CH4 emissions from the Sudokwon landfill site were estimated by adopting a methane correction factor, which was determined through the relationship between the COD/sulfate ratio and CH4 generation. Although the gas originating from the Sudokwon landfill site has not produced any environmental problems in recent years due to gas collection and soil cover maintenance activities, CH4 emissions estimated by the IPCC methodology indicated that only 60% of the CH4 was recovered and the remainder was emitted into the atmosphere, suggesting a potential environmental problem. Accordingly, CH4 estimates determined according to IPCC methodology must be modified by adopting the methane correction factor and considering the effect of sulfate concentration.

폐기물매립지에서 매립된 폐기물의 혐기성분해과정에서 발생하는 매립가스는 주요 성분인 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2)와 수분, 황화수소(H2S), 실록산(Siloxane) 등의 미량물질을 포함하고 있다. 매립가스 중 메탄은 신재생에너지로서 활용가치가 높은 반면, 이산화탄소와 더불어 온실가스로서 관리해야 하는 대상으로 주목받고 있다. 또한 매립가스 중 황화수소는 매립지 주요 악취물질로 알려져 있어 적절한 매립가스 제어를 통한 매립장 환경관리가 요구되고 있다. 매립가스는 복토재료, 복토두께, 가스포집정 설치 형태, 기상조건, 매립된 폐기물의 종류 및 양 등의 인자에 의해 다양한 배출특성을 가진다. 매립장 환경관리 및 매립가스 자원화 사업을 위해 합리적인 매립가스 관리가 필요하며, 이를 위해 매립지 현장에서의 장기적인 모니터링을 통해 매립가스 배출특성을 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 S매립지를 대상으로 최근 11년간(2005년~2015년) 수행한 매립가스 배출량 현장모니터링 결과를 이용하여 매립지 운영형태, 배출경로, 시간경과 및 계절적 영향에 따른 매립가스 배출특성을 분석하였다. 매립지 운영형태는 매립이 종료된 매립장(사용종료 매립장)과 매립이 진행중인 매립장(사용중 매립장)으로 분류하였고, 배출경로는 강제포집, 간이소각기, 표면발산의 세 경로로 구분하여 매립가스 배출특성을 평가하였다. 또한 시간경과에 따른 배출특성의 변화경향을 파악하고, 계절적 변동분석도 실시하였다. 매립가스 배출특성을 분석한 결과, 사용중 매립장의 경우, 2015년 기준 강제포집효율은 94.4%로, 통상적으로 매립종료시 또는 최종복토시 매립가스 회수율(80~95%) 범위에 해당하였다. 조사대상 매립장이 최종복토 상태가 아니라 매립이 진행중인 매립장임을 감안하면, 가스포집･이송시설 및 복토면의 관리상태가 양호한 것으로 판단되었다.

폐기물매립지는 대기 중으로 배출되는 인위적인 메탄 배출량의 상당 비율을 차지하고 있으며, 메탄은 기후변화에 상당부분 기여하는 물질 중 하나로 잘 알려져 있다. 이에 폐기물매립지에서 발생되는 온실가스로 인한 주변 환경오염 저감과 온실가스 관리 등을 위해서는 먼저 정확한 온실가스 배출량 산정이 필요하다. 그러나 폐기물매립지에 매립되는 폐기물의 불균질성과 매립된 폐기물의 분해에 관여하는 인자가 많기 때문에 장기간에 걸쳐 물리화학적 및 생물학적 반응을 통해 발생되는 온실가스의 배출량을 정확히 측정한다는 것은 매우 어렵다. 지금까지 폐기물매립지에서의 온실가스 발생량 예측을 위하여 다양한 모델들이 제안되었는데, 대부분의 모델은 1차 반응모델(First-order decay, FOD)에 기초하고 있다. 1차 반응모델로 가장 대표적인 모델은 IPCC(Intergovernmental panel on climate change)에서 제시한 FOD 모델과 미국 EPA(Environmental protection agency)에서 개발한 LandGEM(Landfill gas emissions estimation model) 등이다. 1차 반응모델에 적용되는 모델 변수들은 일반적으로 2006 IPCC 가이드라인에서 제시하고 있는 기본값을 적용하고 있으나 모델 변수는 온실가스 배출량 산정의 정확성에 결정적 영향을 미치기 때문에 폐기물매립지에서 모델을 이용한 온실가스 배출량 산정 결과의 신뢰도를 향상시키기 위해서 해당 매립지 특성에 맞는 변수값을 산정할 수 있는 방법론이 우선적으로 개발되어야 한다. 이에 본 연구에서는 장기간 동안 S 폐기물매립지에서 발생하는 온실가스를 측정한 결과를 기초로 메탄 및 탄소 물질수지를 이용하여 1차 반응 모델의 주요 변수인 DOC(Degradable organic carbon), DOCf(Fraction of degradable organic carbon which decomposes), R(CH4 recovery efficiency), OX(Oxidation factor), k(CH4 generation rate constant), Lo(CH4 generation potential)를 산정하고 산정된 변수값을 검증하여 온실가스 모델변수 산정방법론을 개발하고자 하였다. 연구결과 BMP(Biochemical methane potential) 실험을 통해 산정된 메탄발생량값은 최적 조건에서 평가된 값이기 때문에 DOCf를 1.0로 가정하였을 경우 DOC를 산정할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 본 연구에서 메탄 및 탄소 물질수지를 이용하여 도출된 주요 변수값들을 모델에 적용하여 평가된 온실가스 발생량과 기존에 측정된 온실가스 발생량을 비교하였을 때 매우 유사하게 나타나 탄소물질 수지를 이용하여 1찬 반응모델의 변수들을 매우 정확하게 산정할 수 있는 것으로 나타났다. 이외에도 1g의 폐기물(습윤기준) 중 매립지에 저장되는 DOC는 0.07g으로 분석되었으며, 침출수로 유출되는 DOC 비율은 전체 DOC 중 1.3%로 계산되었다. 따라서 본 연구를 통해 제안된 탄소 물질수지를 이용한 모델 변수 산정 방법은 폐기물매립지 온실가스 모델 적용에서 모델 변수들 및 예측값의 정확성을 향상시킬 수 있게 되었다.

폐기물 매립지에서는 폐기물의 혐기성 소화에 의해 매립가스가 발생하며 CH4가 그 중 40-60%의 부피를 차지하는 것으로 알려져 있다. Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)는 5th Assessment Report(AR5)에서 폐기물 부문이 전체 온실가스 배출량 중 3%에 달하며 그 중 매립지에 의한 배출량을 43%라고 보고하였다. CH4는 지구온난화지수가 이산화탄소의 21배에 달하는 온실가스지만(UNEP, 2002), 회수하면 화석연료를 대체할 에너지로 활용할 수 있다. 온실가스 저감과 CH4를 청정 에너지원으로 활용하려면 매립가스 발생량 예측의 불확도를 낮춰야 하고 이를 위해서는 매립가스 발생 특성에 대한 이해가 선행되어야 한다. 규모가 큰 매립지는 매립장이 여러 구역으로 나뉘어 있고 구역 별로 매립량, 매립 폐기물 조성, 매립 공사시기 등이 달라 매립 구역 별로 매립가스 발생 특성이 다를 수 있다. 그러나 매립구역 별 매립가스 발생 특성에 대해서는 국내뿐만 아니라 국외에서도 연구가 수행된 사례가 없다. 본 연구에서는 수도권매립지 제2매립장 포집정 모니터링 자료를 이용해 매립가스 포집량을 계산하고, 매립구역 별로 매립가스 발생 특성을 평가하였다. 수도권 매립지 제2매립장에서는 246일에 걸쳐 699개 포집정에 대해 매립가스 유량, 온도, 성상, 포집압력 등을 모니터링하였다. 포집정 별로 이상기체 상태방정식을 적용하여 각 날짜별 CH4 포집량을 파악하였고, 각 매립구역에 위치한 포집정들의 포집량의 합을 매립구역에서 발생량으로 보아 매립구역별 발생량을 계산하였다. 계산된 매립구역 별 발생량을 날짜에 대해 적분해 연간 발생량을 ArcGIS를 이용하여 시각화하였고, 매립구역 별로 다른 양의 매립가스를 배출하는 것을 확인하였다. 25개 매립구역에 대해 246일 간 발생량 데이터를 바탕으로 일원분산분석을 수행하였고, 검정통계량 F=819.04, 유의확률은 P(F≥819.04)≒0이었다. 이로부터 매립구역에 따라 매립가스 발생 특성에 유의한 차이가 있다는 결론을 유의수준 5%에서 내릴 수 있다. 최종매립연도와 CH4 발생량을 회귀분석하였으나 상관계수가 극히 낮아 매립 경과만으로 구역별 발생 양상을 설명할 수 없음을 확인하였다. 이에 매립구역 별 매립가스 발생 양상이 다르게 나타나는 원인에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 이를 토대로 매립가스 발생량 모델의 배출계수를 매립구역별로 산정하면 매립가스 발생량 예측이 더 정확해질 것으로 기대된다.

전체 매립지의 80%를 차지하고 있는 중소규모 매립지의 경우, 저농도 메탄의 소량 발생으로 인하여 연료 활용은 부대시설 비용 증가로 가격 경쟁력을 갖지 못하고 있다. 매립지가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소로 이루어져 있으며, 그 외 미량의 불순물질인 수분, 황화수소, 암모니아, 할로겐 화합물, 실록산 등이 존재한다(Rasi et al., 2007). 이 매립지가스의 주성분인 이산화탄소와 메탄을 분리･정제 등 별도의 농축 없이 직접 사용할 수 있으므로 메탄 활용 공정의 단순화 및 고집적화가 필요하다. 현재, 상용화된 매립지가스 전처리 기술은 가스포집 후 냉각응축, 제습 장치 및 건조/가온 장치 등을 통한 다단계 수분 제거기술을 포함하고 있으며, 탈황 및 활성탄을 이용한 미량 유해성분 제거 기술을 활용하고 있다. 매립지가스의 자원화를 통한 온실가스 감축을 위해서는 이 불순물질을 제거하는 전처리 공정이 필요하다. 불순물질 중 황화수소는 자원화 설비를 부식시킬 수 있으며, 실록산의 경우 연소과정으로 생성된 이산화규소가 발전설비 내 스케일을 형성시켜 설비를 마모시킬 수 있다. 기존 공정에서는 황화수소와 실록산이 독립된 공정에서 제거되어 설비의 설치비 및 유지비가 증대되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 매립지가스 중에 포함된 미량의 불순물질을 제거하기 위하여 미량의 수분 제거, 황화수소와 실록산의 동시에 제거할 수 있는 흡착공정을 적용하였다. 따라서, 본 연구에서는 매립지가스 중에 포함된 미량의 불순물질을 충분히 제거하고, 100kW급 가스엔진발전기를 통하여 발전하고, 이를 한전의 전력망에 계통연계하여 매립지에서 발생하는 온실가스를 감축하는 수단으로 활용하였다. 이와 같이 가스엔진발전을 통한 지자체 단위의 중소형 매립지에서 발생되는 온실가스를 감축하는데 적용하였으며, 이에 대한 온실가스 감축 사례에 대한 연구 결과를 도출하였다.

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) recommended the first order decay (FOD) model for estimating methane emissions from solid waste landfills. However, selecting appropriate parameter is a major challenge in methane emission modeling. The degradable organic carbon (DOC) and the fraction of degradable organic carbon which decomposes (DOCF) are the two primary parameters in the methane generation potential (L0). The DOC is the amount of organic carbon that can be decomposed by biochemical reactions in microorganisms. Chemical analysis methods are currently available to measure the DOC including using total organic carbon and element analysis methods. However, chemical analysis methods are not appropriate for determination of the DOC, which indicated that the DOC should be measured by biochemical tests. In addition, these methods should consider a fossil carbon content that needs a complex and high cost of analysis. The DOCF is an estimate of the fraction of carbon that is ultimately degraded and released from landfills. However, no methodology is provided for determination of the DOCF in landfills. Therefore, the purpose of this study was to suggest methodologies for the determination of DOC and DOCF in solid waste landfills. A biochemical methane potential (BMP) test could be used to calculate the DOC because the BMP represents an upper limit on the methane potential of a waste, which corresponds to a maximal amount of degraded organic carbon. The calculation was based on the assumption that the DOCF is 100%. In this study, two methodologies were suggested to determine the DOCF in landfills. The first one uses a new equation (DOCF = 2.76W-0.44) with moisture content in the landfill that actual methane flux data are unavailable. Moisture content is a major ecological parameter on the anaerobic biodegradability of the solid waste in the landfill. Another methodology is to use L0,Landfill/L0,BMP ratio. The L0,Landfill could be determined by a regression analysis if methane flux data were available.

수도권매립지에서 매립폐기물의 혐기성 분해과정에서 발생되는 분해산물에는 대표적으로 매립가스와 침출수로 정리할 수 있다. 특히 매립가스는 매립지의 환경관리와 온실가스로서 그 중요성이 인식되고 있으며, 신재생에너지원으로서 주목받고 있다. 이러한 매립가스를 활용한 합리적인 사업추진을 위해서는 정확한 매립가스의 발생량을 파악하고 예측하는 것이 가장 기본적이고 필수적인 사항이다. 이에 본 연구에서는 수도권매립지 현장에서 발생되는 매립가스를 계절별 모니터링을 통해 매립가스 발생특성을 분석하였으며, 장기적인 모니터링을 통해 매립가스 주요 배출경로에 대한 양적･질적 발생특성을 분석하여 관련사업 추진 등을 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 2014년 매립가스 주요 배출경로별 현장 모니터링은 제1,2매립장의 강제포집량(수직가스 포집정 699개), 제2매립장의 간이소각기(상부 및 사면 106~133기), 제1,2매립장의 표면발산량(상부 및 사면 171개 지점)을 대상으로 발생량을 평가하였으며, 매립가스 발생량은 강제포집량, 가스배제공, 표면발산량을 모두 합산하여 계산하였다. 현장 모니터링 시기는 봄철(5월), 여름철(8월), 가을철(11월), 겨울철(1월) 4차례 수행하였으며, 표면발산량 산출을 위한 샘플링시기에 맞춰 강제포집량 및 가스배제공 배출량 자료를 수집하여 적용하였다. 매립가스 발생량을 분석한 결과, 제1매립장의 경우, 매립가스 포집효율이 약 68%로 발생량과 강제포집량은 지속적으로 감소추세로 평가되었으며, 표면발산량은 전년대비 약 18% 감소한 것으로 분석되었다. 제2매립장의 경우, 매립가스 발생량은 연도별로 다소 불규칙적이나, 전체적으로 감소하는 경향이었으며, 강제포집량은 전년대비 소폭 증가(포집효율은 95%)한 것으로 나타났고, 표면발산량은 약 4.0%, 가스배제공은 약 0.9% 수준으로 최종복토 관리수준인 것으로 평가되었다.

매립지에서 발생하는 메탄은 6대 온실가스 중 하나로서 이산화탄소의 21배의 온실효과를 갖는다. 매립층에서 발생한 매립가스는 복토층을 통과할 때 Methanotrophs 박테리아에 의해 산화된다. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)는 10%의 산화율을 기본값으로 제시하고 있다. Chanton et al. (2009)는 40가지 이상의 측정 결과들을 종합하여 IPCC 가이드라인이 산화율을 과소 평가하고 있는 것으로 보고하였다. 또한 메탄의 산화는 기후, 복토재 등 현장 특이적 영향을 많이 받아 국가고유계수를 개발하여 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 본 연구에서는 가스배제공과 지표면에서 매립가스 성상을 비교하여 산화율을 산정하였다. 매립가스 분석은 다섯 곳의 매립지에서 수행되었다. 비분산적외선(Non-dispersive Infrared, NDIR) 검출기를 이용해 메탄과 이산화탄소의 농도를 측정하였다. 지표면 매립가스 발산은 플럭스 챔버를 이용해 측정하였다. 산화율 산정 시 산화된 메탄은 모두 이산화탄소로 변화되며, 이산화탄소 농도의 증가는 메탄 산화에 따른 것으로 가정하였다. OX의 산정은 측정값의 평균, 중간값, 공간분석 적용 결과 세 가지를 이용해 산정하였다. 평균을 이용해 산화율을 산정했을 때 –67 ~ 93%로 극대값에 의해 굉장히 큰 오류가 나타났다. 중간값을 사용한 경우 산화율은 87 ~ 99%로 나타나 산화율이 과대 산정되었다. 공간보간법을 적용했을 때 산화율은 42 ~ 88%로 나타났다. 공간보간법을 사용했을 때 한 곳을 제외한 세 곳의 매립지의 산화율은 42 ~ 48%의 산화율을 보여 Chanton et al. (2009)가 발표한 36%와 유사한 결과를 도출하여 공간보간법을 적용하여 산화율을 산정하는 것이 합리적임을 알 수 있다. 따라서 본 연구 결과를 통해 산화율 산정 시 공간보간법을 적용해야하며, IPCC 가이드라인 기본값이 산화율을 과소평가하고 있음을 확인할 수 있었다.

The IPCC methodology for estimating methane emissions from a solid waste landfill is based on the first order decay (FOD) method. One emission factor in the model is the methane generation potential (L0) that is estimated from the amount of decomposable degradable organic carbon (DOC) in a solid waste landfill. L0 is estimated based on the fraction of DOC in the waste, the fraction of the degradable organic carbon that decomposes under anaerobic conditions (DOCf), methane correction factor (MCF), and the fraction of methane in generated landfill gas (F). The other emission factor is the methane generation rate constant (k). The IPCC recommended that every country needs to develop country-specific key parameters (DOC, DOCf, k) more appropriate for its circumstances and characteristics. The objective of this research was to investigate the greenhouse gas emission factor (k) and parameters (DOC, DOCf) for wood wastes in a solid waste landfill. To investigate DOC, DOCf, and k for wood wastes, the biodegradable rate of wood wastes was determined by comparing the composition of excavated samples (L-1, L-2) with their fresh ones (F-1, F-2). The DOC values were found to be 48.36% and 45.27% for F-1 and F-2, respectively. It showed that the IPCC default value of DOC for wood wastes is appropriate for estimating methane emission. The maximum DOCf (0.17 and 0.18) or each wood waste excavated from G landfill was found to be lower compared with those for IPCC. The IPCC provided that default values of DOCf 0.5. The k values were found to be 0.0055 and 0.0058 year−1 for F-1 and F-2, respectively. The result confirmed that the biodegradation rate of wood wastes was very slow due to its lignin.

18세기 산업화 이후 전 세계적으로 기후변화가 가속화되어 급격한 기후 변화를 초래하였다. 그로 인해 지구의 평균기온과 해수면이 상승하였고, 가뭄과 홍수 등의 잇따른 자연재해가 발생하고 있다. 온실가스는 주로 이산화탄소와 메탄으로 구성되어 있으며, 지구온난화에 주된 영향을 미치는 요소이다. 그 중 주요 온실가스 배출원에 해당하는 폐기물매립지는 인위적 배출원으로서 이에 따른 관리가 필요한 상황이다. 이러한 온실가스를 적정 관리하기 위하여 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)가이드라인에서 온실가스 배출량 산정모델을 통해 온실가스 발생량을 산정하도록 하고 있다. 폐기물매립지 표면 발산량에 대하여 일차분해모델(FOD, First Order Decay)을 적용하고 있으며, 이 모델에 적용되는 매개변수 중 하나인 메탄산화계수(OX)는 일차분해 모델에서 온실가스 배출량 산정에 필요한 기초자료로서 IPCC 지침서에 따라 기본값인 0과 잘 관리된 위생매립지에 대하여 1을 적용하고 있다. 메탄산화에 대한 영향인자는 복토층의 두께, 토양의 온도, 질감, 함수율 등이 있으며, 본 연구에서는 그 중 토양의 온도에 따른 메탄산화계수의 차이를 비교하기 위한 연구를 실시하였다. 일교차가 큰 요즘 온도의 차이를 나누기 위하여 실험은 낮과 밤으로 나누었으며, 폐기물매립지에서의 측정방법은 휴대용 레이저메탄검지기(Laser Methane Detector)를 이용하여 폐쇄형 챔버법을 통해 메탄플럭스를 측정하였고, 데이터 신뢰도 향상을 위하여 3-5회 반복 측정을 실시하였다. 이산화탄소는 Air Sampler를 이용하여 포집 후 TCD(Thermal Conductivity Detector)로 분석 실시하였으며, 메탄과 이산화탄소를 측정한 위치의 지하 50cm정도 깊이에서 GA5000(Geotechnical Instruments Co.)을 이용해 메탄, 이산화탄소의 농도를 계측하였다. 표면발산 가스 플럭스와 복토 밑의 매립가스 플럭스의 비를 통하여 메탄산화계수를 산정하였으며, Kriging법을 적용하여 Surfer(Golden software, Inc.) 소프트웨어로 공간 적분값을 구하여, 계측된 영역 전체를 공간평균화 하여 메탄산화계수 값을 계산하였다. 폐기물매립지에서는 메탄산화에 대한 영향인자가 기상조건에 특히 많은 영향을 받기 때문에 이를 적용하여 추가적 연구를 진행하여 보다 더 정확한 메탄산화계수 산정을 통해 더욱 신뢰성 있는 폐기물매립지에서의 온실가스 발생량 예측이 가능할 것으로 판단된다.

국내 폐기물 매립시설은 하수슬러지(2003년) 및 음식물류 폐기물의 직매립금지(2005년)로 인하여 매립 폐기물 특성이 수분이 많은 폐기물 중심에서 소각재, 건설폐기물 등 건조한 폐기물 중심으로 바뀌었고, 또한 매립지의 최종복토층 설치기준 강화로 인해 강우 침투가 제한되어 매립지의 건조화는 급속히 진행되어 미생물 분해 활동에 제한이 생길 정도록 건조화 되고 있다. 이같은 현상이 지속되면 매립가스 발생량이 감소하며, 안정화에 장기간 소요되어 그만큼 매립지 사후관리에 오랜시간이 소요될 것이다. 이에따라 주요 선진국들에서는 일찍이 매립지내에 침출수 등을 재순환하여 매립가스 발생증대 및 안정화를 촉진시키는 제도를 도입하여 바이오리엑터 공법 기술개발에 노력을 기울이고 있으며, 국내에서는 수도권매립지관리공사를 중심으로 활발히 실증연구가 진행중에 있다. 한편, 수도권매립지 제2매립지 7단 2개 블록에 약 9개월간 일평균 408.7m³, 총 7.4만m³ 주입한 결과, 폐기물 층내 함수율 변화는 3m 깊이에서 주입 전 대비 평균 3.25%증가, 8m 깊이에서는 주입전 대비 4.68% 증가하였으며, 같은 기간 매립가스 포집량은 순메탄 기준으로 대조구역 대비 평균 29.3% 증대되었으며, 전년 동월대비 기준으로는 약 10% 증가하는 것으로 나타나 침출수 재순환으로 인한 함수율 증가로 매립지내 생물분해가 촉진되고 있는 것으로 판단된다.