메탄 제거를 위한 생물학적 설비인 바이오필터나 바이오커버에서 사용되는 충전재는 메탄 제거 성능에 직접적으로 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다. 메탄산화세균 중에는 산성 조건에서도 생장이 가능한 호산성 세균이 일부 있지만, 대부분의 메탄산화세균은 중성인 6.5~8.5 \(\mathrm{pH}\)에서 잘 성장할 수 있는 조건을 요구한다. 따라서 바이오필터나 바이오커버의 운전 중에는 충전재의 \(\mathrm{pH}\)를 모니터링하고 조절하는 것이 필요하다. 기체 유속과 충전재의 종류에 따라 함수율이 최적화되는데, 이는 바이오필터나 바이오커버의 성능에 영향을 미치는 주요한 요소 중 하나이다. 질소, 인, 황, 구리와 같은 영양물질은 메탄산화세균의 성장에 직접적인 영향을 주기 때문에 바이오필터나 바이오커버의 성능에 큰 영향을 미치는 주요한 요소이다. 인과 황은 메탄산화세균의 성장에 필수적인 영양분이며, 고농도의 황산염은 미호기성이나 혐기성 조건에서 메탄산화를 촉진할 수도 있다.
<h2>생물학적 메탄 제거에 미치는 영향인자</h2> <p>생물학적 메탄 제거에 미치는 주요 인자의 영향을 Table 4에 정리하였다. 바이오필터 혹은 바이오커버와 같은 메탄 제거를 위한 생물학적 설비에 사용되는 충전재는 이들의 메탄 제거 성능을 직접적으로 좌우하는 매우 중요한 인자이다. 충전재는 메탄 분해를 담당하는 메탄산화세균의 서식지이므로 표면적이 넓어야 하며, 수분 보유능(water holding capacity)이 높고 저렴해야 한다. 또한, 충전재로 메탄을 함유한 매립가스가 통과하므로 충전재의 입경이 너무 작으면(\(0.02\)\(\mathrm{~mm}\) 미만) 다짐현상이 심해져 막힘 현상이 빈번히 발생할 수 있기 때문에 곤란하다. 적절한충전재의 입경은 \( 0.5 \sim 2 \mathrm{~mm} \) 정도가 적당하다.</p> <p>비록 메탄산화세균 중에는 산성이 조건에서도 생육이 가능한 호산성세균이 존재하지만, 대부분의 메탄산화세균이 잘 생육할 수 있는 조전은 중성 6.5~8.5이므로 바이오필터 혹은 바이오커버 운전 시 충전재의 pH 모니터링과 조절도 필요하다. 일반적으로 토양 바이오필터/바이오커버의 경우 최적 pH는 6.7~8.1이고, peat 바이오필터/바이오커버의 최적 pH는 5.0~6.5이다.</p> <p>함수율도 바이오필터와 바이오커버의 성능을 좌우하는 주요 인자 중의 하나인데, 가스 유속과 충전재의 종류에 따라 최적 함수율은 달라진다. Compost, wood chip, 지렁이 분변토 등을 사용하는 경우 수분함량은 \( 25 \sim 50 \% \) 정도가 적절하며, 토양을 사용하는 경우에는 \(11 \sim30\%\)가 적절하다. 충전재의 함수율이 너무 높으면 매립가스의 흐름(flow)이 방해를 받아 메탄과 산소 전달이 원활하게 이루어지지 않게 된다.</p> <p>메탄산화반응은 \( 1 \mathrm{~mole} \)의 메탄이 산화될 때 \( 880 \mathrm{~kJ} \)의 에너지가 발생하는 발열반응으로 진행되므로, 메탄이 제거되는 동안 바이오필터와 바이오커버 상부와 하부 사이에 온도 구배가 생길 수 있다. 예를 들어 compost 바이오 필터에서 메탄이 제거되는 동안 \( \left(840 \mathrm{~g}-\mathrm{CH}_{4} \mathrm{~m}^{-3} \mathrm{~d}^{-1}\right) 4^{\circ} \mathrm{C} \)의 온도변화가 관찰되기도 하였다. 대부분의 메탄산화세균은 중온성이므로 충전재의 온도가 중온 \( \left(25 \sim 36^{\circ} \mathrm{C}\right) \)일 때 바이오필터와 바이오커버의 성능이 가장 좋았다. 온도가 30에서 \( 20^{\circ} \mathrm{C} \) 혹은 29에서 \( 24^{\circ} \mathrm{C} \)로 저하되면 생물학적 메탄제거능이 약 \( 50 \% \) 정도 감소하였다. 또한, 개방형 바이오커버의 경우, \( 15^{\circ} \mathrm{C} \)에서의 메탄 제거능과 비교했을 때, 기온이 \( -5 \sim 10^{\circ} \mathrm{C} \)에서 메탄 제거능은 약 \( 80 \% \) 저하되었다. 그러므로 우리나라와 같이 사계절의 변화가 있는 경우 겨울이나 추운지방에서는 개방형 설비인 바이오커버를 적용하는데 제거효율 저하 문제가 발생할 수 있다.</p> <p>질소, 인, 황, 구리 등과 같은 영양물질은 메탄산화세균의 성장에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 바이오필터와 바이오커버의 성능을 좌우하는 주요 인자이다. 고농도의 암모늄 이온은 메탄산화를 저해하고, 아질산염은 저농도에서도 메탄산화를 상당히 저해하는 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분의 메탄산화세균은 질산염을 질소원으로 이용하므로 \( 25\sim 100 \mathrm{~mg}-\mathrm{N} \mathrm{~kg}-\mathrm{soil}^{-1} \) 정도의 질산염에 의한 메탄산화 저해는 거의 없었다. 그러나 질산염을 고농도로 첨가하면 \( \left(2,500 \mathrm{~mg}-\mathrm{N} \mathrm{~kg}-\right. \) soil \( \left.^{-1}\right) \) 메탄산화 저해 현상이 관찰되었다. 인과 황의 메탄산화세균 성장에 필요한 필수 영양분이며, 고농도 황산염은 미호기성 혹은 혐기성 조건에서 메탄산화를 촉진하기도 한다. 고농도의 NaCl과 KCl은 메탄산화를 저해하는데 이는 삼투압 때문으로 사료된다.</p> <p>메탄산화세균에 있어 메탄 산화에 가장 중요한 역할을 담당하는 MMO 효소 중에서, \( \mathrm{sMMO} \) 효소는 \( 1 \mu \mathrm{M} \) 이상의 구리 존재 하에서 저해를 받는 반면, pMMO 효소는 구리 농도가 \(1 \sim5\) \( \mu \mathrm{M} \)일때 합성된다. pMMO를 가진 메탄산화세균이 sMMO를 가진 것보다 메탄에 대한 기질 특이성이 높고 빨리 성장하므로 약 \( 0.02 \mathrm{~g}-\mathrm{Cu} \mathrm{kg}-\mathrm{soil}^{-1} \)의 구리를 첨가 했을 때 메탄산화 활성이 약간 촉진되었다.</p>