매립지에서는 폐기물이 혐기적으로 분해되면서 메탄, 이산화탄소 등의 바이오가스가 생성된다. 저농도의 메탄은 자원화가 불가능한데 바이오커버 혹은 바이오필터를 이용하여 생물학적으로 제거하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 충진제로 산림 토양과 지렁이 분변토를 이용한 실험실 규모의 바이오커버를 제작하여, 각 깊이에 존재하는 메탄, 벤젠 및 톨루엔 산화세균의 정량을 qRT-PCR 방법으로 분석하였으며, T-RFLP 방법으로 세균 군집 특성을 분석하였다.
<p>매립지에서는 폐기물이 혐기적으로 분해되면서, 폐기물 1톤당 \(135 \sim 375\mathrm{~m}^{3} \)의 바이오가스가 생성되는데, 메탄이 \( 30\sim70 \% \), 이산화탄소가 \( 20\sim50 \% \)를 차지한다. 메탄은 무색, 무취의 가스로, 복사강제력이 이산화탄소에 비해 25배 이상 높은 온실가스이다. 매립지에서 발생되는 바이오가스에는벤젠, 톨루엔 및 쟈일렌 등과 같은 휘발성 유기화합물도 미량 혼합되어있는데, 이는 폐기물 중 존재하는 산업공정에서 사용된 유기용제나 탈지제 등에서 직접적으로 발생할 수도 있고, 폐기물이 생물학적, 화학적으로 분해되면서 발생하는 경우도 있다. 이러한 악취성 휘발성 유기화합물은 바이오가스의 \( 1 \% \) 미만을 차지하지만, 이들은 발암성 물질로 건강에 유해하며, 인근 주변 지역에 악취 문제를 야기시킨다.</p> <p>일부 매립지에서는 이러한 바이오가스를 포집할 수 있는 가스포집정이 설치되어있어 바이오가스의 \( 40\sim60 \% \) 정도 회수하고, 회수된 바이오가스는 에너지 등으로 자원화할 수 있다. 그러나 이러한 바이오가스를 에너지원으로 자원화하는 방법은 바이오가스 중 메탄의 함량이 \( 30 \% \) 이상일 때만 가능하기 때문에, 오래되거나 매립 규모가 작은 매립지의 경우에는 바이오가스포집이 불가능하다. 우리나라의 경우 이러한 바이오가스를 포집하여 고농도 메탄을 자원화할 수 있는 설비를 갖춘 매립지는 약 \( 4 \% \)에 불과하고, 나머지 \( 89 \% \)가 넘는 대부분의 매립지에서는 바이오가스를 대기 중으로 확산시키고 있는 실정이다. 최근 들어 자원화가 불가능한 저농도의 메탄이 배출되는 매립지를 대상으로바이오커버 혹은 바이오필터를 이용하여 생물학적으로 메탄 및 악취성 물질을 제거하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.</p> <p>바이오커버는 생물학적으로 메탄이 소비되기 위한 최적의 환경조건을 만들어준 기능성 매립지 복토로, 매립지에서 발생하는 바이오가스를 환경친화적이고 저비용으로 처리할 수 있다. 바이오커버의 충전제로는 유기물 함량과 water holding capacity가 높고 비표면적이 넓은 compost가 많이 사용되고 있으며, compost에 지렁이 분변토, 슬러지, 모래, perlite, wood-chip 및 leaf 등을 다양하게 섞은 혼합물도 많이 사용되고 있다. 잘 숙성되고, 입자크기가 균일하며, \( \mathrm{C} / \)\( \mathrm{N} \)비가 낮고, 암모니아의 농도가 낮은 compost를 충진제로 사용했을 때 메탄의 산화가 가장 활발하게 일어나는 것으로 알려져 있다. 특히, 바이오커버에서 메탄을 분해하는 세균은 이들 가스를 탄소원으로 사용하기 때문에 바이오커버에 사용하는 소재의 \( \mathrm{C} / \mathrm{N} \)비가 낮을수록 유리하다. 지렁이 분변토는 일반적으로 미생물 상이 다양하고 수가 많으며, \( \mathrm{C} / \mathrm{N} \)비가 낮고 비표면적이 넓고 soil porosity를 향상시킬 수 있기 때문에 우수한 바이오커버용 소재로 사용될 수 있다. 이와 같이 메탄 제거를 위한 바이오커버 소재로 지렁이 분변토의 효율성이 입증되었으나, 지금까지는 메탄 단독 가스만을 대상으로 연구를 수행하였다. 즉, 메탄과 동시에 배출되는 벤젠과 톨루엔 등과 같은 휘발성 유기화합물의 혼합가스를 대상으로 지렁이 분변토를 활용한 바이오커버의 성능을 평가하고 미생물 군집 특성을 조사할 필요가 있다.</p> <p>본 연구에서는 산림 토양과 지렁이 분변토를충진제로 사용하여 실험실 규모의 바이오커버를 제작하여 메탄, 벤젠 및 톨루엔 제거효율을 조사하였다. 또한, 바이오커버의 각 깊이에 존재하는 메탄, 벤젠 및 톨루엔 산화세균의 quantitative real-time PCR (qRT-PCR) 방법으로 정량 분석하였고, terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) 방법으로 세균 군집 특성을 분석하였다.</p> <p>바이오커버에 넣을 충진물질을 얻기위해 이화여대 산림토양과 지렁이 분변토를 채취하였다. 이화여대 산림토양은 표면으로부터 약 \( 10 \mathrm{~cm} \) 깊이에서 채취하였고, 지렁이 분변토는 난지 물 재생센터에서 채취하였다. 지렁이 분변토는 하수처리 과정에서 발생한 하수오니를 지렁이에 공급하여 6개월 이상 자연 발효건조 과정을 거친 후 불순물 제거 및 입자 크기 선별과정을 거친 것을 이용하였다. 토양과 지렁이 분변토 시료를 각각 \( 2 \mathrm{~mm} \) 체로 거른 뒤 산림 토양과 지렁이 분변토를 75: 25(중량비) 비율로 혼합하였다. 혼합시료의 \( \mathrm{pH} \)는 \( 5.53 \pm 0.13 \)이었고, 수분함량과 유기물 함량은 각각 \( 24.46 \pm 0.52 \%, 12.38 \pm 0.53 \% \)이었다.</p> <p>바이오커버는 지름 \( 200 \mathrm{~mm} \), 높이 \( 500 \mathrm{~mm} \)의 컬럼 2단으로 제작하였고, 2단의 바이오커버에 상기의 혼합토양을 채워넣었다. 메탄, 벤젠 및 톨루엔 혼합 가스는 다음과 같이 제조하여 humidifier (Pyrex glass, \( 2 \mathrm{~L} \) )를 거쳐 바이오커버의 하단으로 \( 20 \mathrm{~mL} / \mathrm{min} \)의 속도로 공급하였다. 메탄/이산화탄소(40:60) 혼합가스(Dong-A gases, Seoul, Korea)를 \( 20 \mathrm{~mL} / \mathrm{min} \)의 속도로 가스 mixing chamber (Pyrex glass, \( 2 \mathrm{~L}) \)에 주입하였다. 벤젠과 톨루엔 용액 각각 1: 1(부피 비)로 혼합한 용액을 정량펌프(M930 peristaltic pump, Young-Lin Instrument Co. Ltd., Korea)를 이용하여 \( 0.005 \mathrm{~mL} / \mathrm{min} \)의 속도로 가스 mixing chamber에 주입하여, 벤젠과 톨루엔이 완전 기화시켜 메탄/벤젠/톨루엔 혼합가스를 제조하였다(최종적으로 제조된 혼합가스 중 벤젠과 톨루엔 농도는 \( 20 \sim 70 \mathrm{~ppm} \)이었다). 매립지 토양과 접해있는 대기의 상태를 모사하기 위해서, 바이오커버 상단에 설치한 높이 \( 300 \mathrm{~mm} \)의 컬럼에 공기를 \( 200 \mathrm{~mL} / \mathrm{min} \)의 속도로 불어넣어 주었다. 바이오커버는 실온\( \left(20 \pm 3^{\circ} \mathrm{C}\right) \)에서 30일 동안 운전하였다.</p> <p>바이오커버의 깊이별로 존재하는 가스의 농도를 분석하기 위해, \( 1 \mathrm{~mL} \) gas tight syringe를 이용하여 총 8개의 샘플링 포트로부터 가스를 \( 0.3 \mathrm{~m} \)씩 채취하여, HP-molesieve5A column \( (30 \mathrm{~m} \times 530 \mu \mathrm{m} \times 50 \mu \mathrm{m}) \)이 장착된 가스크로마토그래피(Agilent 7890A, 6890N USA)-열전도도 검출기로 분석하였다. 메탄, 산소, 질소 가스의 분석 온도는 오븐 \( 50^{\circ} \mathrm{C} \), 주입부 \( 200^{\circ} \mathrm{C} \), 검출부 \( 250^{\circ} \mathrm{C} \)이었다. 이산화탄소의 경우에는 오븐 \( 280^{\circ} \mathrm{C} \), 주입부 \( 200^{\circ} \mathrm{C} \), 검출부 \( 250^{\circ} \mathrm{C} \)이었다. 벤젠과 톨루엔 가스의 경우에는 Supelco-wax column \( (30 \mathrm{~m} \times 0.32 \mathrm{~mm} \times \) \( 0.25 \mu \mathrm{m} \) )이 장착된 가스크로마토그래피 (GC 6850N, Agilent Technologies Inc., Santa Clara, USA)-불꽃 이온화 검출기를 이용하여 분석하였다. 분석 온도는 오븐 \( 100^{\circ} \mathrm{C} \), 주입부와 검출부는 \( 230^{\circ} \mathrm{C} \)이었다.</p> <p>메탄 산화세균과 벤젠/톨루엔 산화세균의 정량 분석 및 군집 분석을 위해 바이오커버의 깊이별토양 시료를 채취하여 DNA를 추출하였다. 약 \( 0.5 \mathrm{~g} \)(습중량) 토양으로부터 BIO101 FastDNA SPIN Kits for Soil (MP Biomedicals LLC, Solon, USA)를 이용하여 DNA를 추출하였고, 추출 방법은 설명서에 따라 수행하였다.</p>