수분 증발에 따른 매립지 복토토양의 메탄산화에 관한 연구 = A study on effect of water evaporation on methane oxidation rate using landfill cover soil

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Methane, which is produced from the decomposition of the organic fraction of MSW, is one of the most important greenhouse gas. The global warming potential of methane is 21 times greater than carbon dioxide, and 11% of the total anthropogenic greenhouse effect is contributable to methane. However, part of methane that diffuses through the landfill cover will be oxidized befor reaching the atmosphere. Methanotrophs methane oxidation thus forms an alternative to landfill gas estraction for the mitigation of the methane emission.
Thereupon, We carried out an batch experiment and a continuous gas injection test using column, under various environmental conditions such as, methane oxidation rate, soil moisture, effect of water evaporation on methane oxidation rate using landfill cover soil.
Batch experiment was performed to determine the rates and the kinetic values of methane consumption in landfill cover soil and examine the effect of carbon dioxide on methane oxidation. Methanotrophs oxidized methane and converted to carbon dioxide, and methane oxidation had reaction pattern of Michaelis-Menten kinetics. The kinetic parameters of methane oxidation, the apparent Km (methane concentration at half of the maximal rate of methane oxidation) and the Vmax (the maximal rate of methane oxidation) were obtained 4,489 ppmv and 1,871 nmol/g dry soil/hr, respectively. The methane oxidation rate was 2,932 nmol/g dry soil/hr at the moisture content of 8% (by wt/wt) and this indicated 10% was the optimum moisture content. Wet conditions limited methane oxidation by restricting gas phase diffusion and dry conditions limited microbial activities due to physiological water stress.
In column test, landfill gas (CH4 : CO2 = 55 : 45) was injected into the packed landfill cover soil. The methane oxidation rate was found to be low as 0.92 L-CH4/m2/hr by the initial time, and then it increased to 6.52 L-CH4/m2/hr by the elapsed time, 43 day, which was about 90% of methane flowed in the column. Cover soil column was compared with control column and which was showed about 1% lower water content than control column. Moisture content was decreased from the top soil by the water evaporation which was observed differently as soil depth. Through of This study, Landfill cover soil was changed differently as soil depth by water evaporation, so methane oxidation was considered differently as soil depth. Although moisture content was decreased from landfill cover soil by water evaporation, the moisture content supply by the rainfall will operate importantly in methane oxidation.

국문 초록 (Abstract)

혐기성 조건하에서 페기물이 분해되는 과정 중에 발생되는 메탄가스(CH4)는 지구온난화를 야기 시키는 가장 주요한 기체중의 하나로 알려져 있으며, 메탄은 GWP가 이산화탄소(CO2)에 비해 21배 큰 것으로 보고되고 있다. 폐기물 매립지로부터 유출되는 메탄의 양은 전 지구적으로 총 인위적 발생원 중 11%를 차지하는 것으로 보고되고 있다. 하지만 메탄의 일정 부분은 매립지의 복토층을 통하여 대기 중으로 발산되기 전 복토층에서의 메탄이용미생물(methanotrophs)에의해 산화되는 것으로 알려져 있으며, 이러한 methantrophs의 생물학적 반응은 매립지의 표면을 통한 메탄의 대기 발산량을 저감시키는 하나의 대안으로 고려되고 있다. 하지만, 생물학적 메탄산화는 기후조건에 많은 영향을 받으며 특히 함수율과 온도 등의 환경인자에 민감한 것으로 알려져 있다.
이에 본 연구에서는 매립지 복토토양의 회분식 실험 및 연속식 컬럼실험을 수행하여 메탄산화의 속도 및 수분함량의 영향, 수분증발에 따른 매립지의 메탄산화 등의 환경인자들에 관하여 연구하였다.
복토토양의 메탄이용미생물은 메탄을 산화하여 이산화탄소로 전환하는 것을 확인하였다. 그 반응패턴은 Michaelis-Menten kinetics의 형태를 나타내었으며, 최대메탄산화속도 Vmax와 Michelis 상수 Km은 각각 1,871 nmol/g dry soil/ hr와 4,489 ppmv로 계산되었다. 최적토양함수율은 8% (by w/w)였으며, 그때 평균 메탄산화속도는 2,932 nmol/g dry soil/hr로 측정되었다. 최적함수율에서 함수율이 높아질 때는 토양 공극내에 채워진 수분에 의해 가스상의 기질이동속도가 감소되어 미생물에 의한 기질이용도가 낮아짐으로써 메탄산화속도가 감소하였으며, 함수율이 낮아질 경우 미생물이 서식하기 위한 수분이 부족하게 되어 미생물 활성이 떨어지게 되었다.
복토토양이 충전된 컬럼에 인공 매립가스(CH4 : CO2 = 55 : 45)를 유량 10mL/nin 주입하여 수분증발에 의한 메탄산화율을 구하였는데 컬럼의 수분증발에 따른 메탄산화를 확인한 결과 초기 메탄플럭스는 0.92 L-CH4/m2/hr 였으며 시간이 지날수록 메탄플럭스는 점차 증가하여 6.52 L-CH4/m2/hr로 조사 되었으며 유입 유량 8.76 L-CH4/m2/hr에 대하여 초기 최대 90%의 저감효과가 나타났다. 컬럼의 수분변화는 초기 복토토양의 경우 control 토양에 비해 약 1%의 낮은 수분함량을 보였으며 수분 증발산에 의해 상부에서부터 수분 감소현상이 나타나면서 깊이별로 다른 수분함량을 나타나는 것을 확인 하였다. 본 실험을 통하여 현장의 복토토양에 있어서도 수분증발에 의해서 깊이별로 수분함량이 다르게 변하며 그로인하여 메탄산화가 깊이별로 다르게 나타날 것으로 판단된다. 또한 수분 증발에 의해 점차 수분함량이 감소하여도 강우에 의한 수분공급으로 인하여 복토토양의 메탄산화에 매우 중요한 역할을 수행할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 제 1 절 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 절 연구내용 4
• 제 2 장 이론적 배경
• 제 1 절 매립지에서의 메탄가스 발생 및 배출 5
• 제 2 절 메탄산화 8
• 1. 메탄산화의 메커니즘 8
• 1) Methanotrophs 8
• 2) 메탄산화반응식 10
• 2. 메탄산화속도 11
• 1) 0차반응(n=0) 12
• 2) 1차반응(n=1) 12
• 3) 2차반응(n=2) 13
• 4) Michaelis-Menten kinetics에 의한 메탄산화속도 평가 14
• 3. 메탄산화의 영향 인자 17
• 1) 함수율 17
• 2) 온도 18
• 3) 산소 19
• 제 3 장 실험재료 및 방법
• 제 1 절 실험개요 20
• 제 2 절 실험 재료 22
• 1. 토양 시료 준비 22
• 1) 토양의 채취 및 보관 22
• 2) 토양의 조제 22
• 2. 기본 물성 실험 23
• 1) 함수율 23
• 2) pH 23
• 3) 유기물함량 23
• 4) 비중 24
• 제 3 절 회분식 실험 25
• 1. 공실험 25
• 2. 멸균토양 실험 25
• 3. 메탄산화실험 26
• 4. 초기 메탄농도에 따른 메탄산화실험 26
• 5. 함수율에 따른 메탄산화실험 27
• 6. 가스농도의 분석 및 메탄산화속도 평가 27
• 제 4 절 연속식 컬럼실험 29
• 1. 장치의 구성 29
• 2. 복토토양의 충전 31
• 3. 가스유입량의 조절 32
• 4. 수분증발에 따른 메탄산화속도의 평가 33
• 5. 복토토양의 메탄산화율 측정 34
• 제 4 장 결과 및 고찰
• 제 1 절 토양 특성 실험 결과 36
• 제 2 절 회분식 실험 37
• 1. 예비실험 37
• 1) 복토양의 안정화 37
• 2) 공실험 38
• 3) 토양 멸균실험 39
• 4) 가스조성의 변화 확인 실험 39
• 2. 함수율에 따른 메탄산화실험 41
• 3. 메탄산화의 kintic parameter 산출 43
• 제 3 절 연속식 컬럼 실험 50
• 1. 충전토양의 특성 50
• 2. 예비실험결과 51
• 1) 컬럼의 가스교환 확인 실험 51
• 2) 컬럼 표면발산량 샘플링 시간 결정 53
• 3) 수분증발에 따른 컬럼 안정화 예비실험 54
• 3. 수분증발에 따른 컬럼실험 56
• 4. 수분증발에 따른 수분변화 59
• 제 5장 결론
• 제 1 절 회분식 실험 61
• 제 2절 연속식 컬럼실험 62
• 참고문헌 64
• Abstract 70