I.
서 론
메탄(CH4)은 온실가스 종류 중 2번째로 중요한 온실 가스로 양의 복사 강제력(positive radiative forcing)의 약 20%를 차지한다. 그러나 대기 내 오존 및 수증기 증가와 관련된 간접적인 영향까지 고려하면 약 40%의 양의 강제력(positive forcing)을 차지한다. 이런 대기 중 메탄 농도는 지난 40년간 1,650 ppb에서 2021년 1,891 ppb, 2022년 기준 1,908 ppb로 꾸준히 증가하는 것으로 보고되고 있다1). 메탄의 배출원은 습지와 같은 자연적 배출원과 인위적 배출원(에너지, 산업공정, 농 업, 폐기물 등)으로 구분할 수 있으며, 전 세계의 인위 적 메탄 배출원 중에는 농업 및 폐기물 관리가 50% 이 상 차지한다. 우리나라의 메탄 배출량은 2019년 기준 27.5백만 톤 CO2eq.이며, 이중 폐기물 매립 부분이 7.7 백만 톤 CO2eq.로 가장 높은 메탄 배출량을 나타내고 있다2). 따라서 글로벌 메탄 서약에 따라 2030년까지의 메탄 저감 목표 달성을 위해서는 폐기물매립지에서의 메탄 저감을 위한 전략 수립 및 기술 개발이 시급하다.
다만 폐기물매립지의 메탄 감축을 위한 전략 수립 및 기술 개발 이전에 정확한 메탄 배출량 산정이 필요 하며, 이를 위해서는 배출량 산정 방법의 신뢰성 확보 가 우선되어야 한다. 폐기물매립지의 메탄 배출량 산정 은 FOD(first order decay) 모델에 의해 추정하는 방법 과 현장에서 직접 매립지에서 배출되는 메탄을 정량화 하는 현장 측정 방법으로 구분할 수 있으며, 현장 측정 방법에는 플럭스 챔버(flux chamber), 추적자 분산 방 법(tracer dispersion method), 에디 공분산 방법(eddy covariance) 등이 있다3). 다만, 모델을 이용한 메탄 배 출량 추정과 현장 측정을 통한 배출량 산정의 신뢰성 에 대해서 Raco et al.4)은 현장 측정이 모델에 의한 메 탄 배출량 추정치보다 더욱 신뢰성이 높다고 나타내고 있다. Mønster et al.5)은 추적자 분산 방법(tracer dispersion method)을 이용하여 덴마크 폐기물매립지의 메 탄 배출량을 측정한 결과가 2006 IPCC 가이드라인에 서 제시한 FOD 모델을 기반으로 추정한 국가 인벤토 리 보고서 상의 메탄 배출량보다 상당히 낮게 나와 모 델 기반의 메탄 배출량 추정치가 과대평가될 수 있기 에 개별 매립지들의 현장 측정을 권고하고 있다. 따라 서 우리나라에서도 신뢰성 있는 폐기물매립지의 메탄 배출량 데이터를 확보하기 위해서는 모델 산정 방식에 만 의존하지 말고, 매립지별 현장 측정을 실시하여 모 델 내 매개변수 보정뿐만 아니라 실측 데이터를 확보 하여 이를 기반으로 메탄 감축 전략 수립 및 기술개발 이 필요하다. 일례로 덴마크에서는 폐기물매립지에서 의 메탄 배출을 줄이기 위해 오래 전부터 미생물을 이 용한 메탄산화 기술인 바이오커버 기술을 개발해 왔으 며, 이를 기반으로 2016년부터 바이오커버(bio-cover) 보조금 제도를 시행하고 있다. 보조금 제도는 덴마크 내의 폐기물매립지 중 메탄 저감 가능성이 큰 폐기물 매립지를 선별하기 위한 사전 조사 및 생물학적 메탄 산화를 위한 바이오커버 시스템(예: bio-cover, biofilter, bio-ditch) 설치비용을 정부에서 지원하는 것이다. 보조금 지원 대상 폐기물매립지의 메탄 배출량은 최소 시간당 2 kg CH4 이상이어야 하며, 메탄 배출량 측정 기법은 추적자 분산 방법(tracer dispersion method) 등 을 적용한다6).
다만 현장에서 폐기물매립지 메탄 배출량을 정확하 게 측정하기 위해서는 폐기물매립지 표면 메탄 배출에 대한 시공간적 변화의 이해가 필요하다. 일반적으로 현 장 측정은 단기간에 측정한 배출량 측정 결과를 기반 으로 분기 또는 연간 배출량으로 환산하여 배출량을 산정하지만, 메탄 배출은 복토층 두께, 풍속, 대기 온도, 대기압, 태양 복사 등의 다양한 시공간적 영향을 받는 다5). 만일 이러한 시공간적 불균질성을 적절하게 고려 하지 않으면 현장측정을 실시함에도 불구하고 폐기물 매립지의 연간 메탄 배출량 산정을 부정확하게 추정할 수 있다. 이에 본 연구에서는 폐기물매립지의 메탄 배 출에 미치는 주요 요인 및 기작 등을 검토하여 향후 현 장 측정 방법, 측정시기 선정, 연간 메탄 배출량 추정 등을 위한 기초자료로 활용될 수 있고자 한다.
II.
FOD 모델의 한계점 및 현장 측정 필요성
우선 폐기물매립지에서의 시공간적 메탄 배출 특성 을 살펴보기 전에 현재 전 세계적으로 사용되고 있는 FOD 모델의 한계와 현장 측정의 필요성을 살펴보고자 하였다. 전 세계적으로 폐기물매립지에서의 메탄 발생 량 추정에 사용되는 방법은 일반적으로 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 가이드라인에 서 제시한 FOD 모델을 이용한다7). FOD 모델은 기본 적으로 매립지 내에서의 반응이 혐기성 소화조와 유사 하다는 가정 하에 폐기물의 양과 성분과 같은 매개변 수를 사용하여 메탄 배출량을 추정한다. 이때 동력학적 상수(k, 1/t)는 기후와 연관된 것으로 가정하여 기후가 습하고 더운 지역에서의 메탄 발생속도상수(k)가 가장 높은 것으로 가정한다7).
폐기물매립지에서의 메탄 배출 특성은 공학적으로 설계된 혐기성 소화조와 습지와 같은 자연의 혐기성 조건 사이에 있다고 볼 수 있다8). 이에 폐기물매립지에 FOD 모델을 단순 적용할 경우 예측된 메탄 배출량과 실제 메탄 배출량 간의 큰 차이가 발생할 수 있다9-10). 예를 들어 폐기물매립지의 CDM 프로젝트에서는 예측 된 회수량보다 실제 회수량이 낮은 경향이 있음을 보 이고 있는 반면에11), 공학적으로 잘 운영되고 있는 캘 리포니아 주에서의 메탄 배출량은 예측된 회수량보다 실제 회수량이 약 2 ~ 3배에 이르는 것으로 보고하고 있다12).
FOD 모델 산정 결과와 현장 측정 결과의 차이가 발 생하는 요인은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째는 실제 폐기물매립지를 대상으로 한 현장 측정 결과와 FOD 모델 예측 결과와의 비교 사례가 매우 제한적이 고, FOD 모델에 적용되는 매개변수 및 배출계수 개발 사례가 한정적이라서 FOD 모델에 적용되는 배출계수 는 대부분 IPCC 가이드라인에서 제시하는 기본값만을 적용한다는 것이다13). 배출계수에 대해 국가고유값을 개발하기도 하지만 이것이 개별 매립지들의 현장 특성 을 반영하지는 못한다. 둘째는 폐기물매립지 내부에서 이루어지는 폐기물의 다양한 물리·생물·화학적 반응, 가스 이동, 메탄 산화 공정 등이 매우 복잡하게 이루어 지기에 활동 자료(매립량)에 배출계수를 곱한 간단한 계산만으로 폐기물매립지의 실제 메탄 배출량을 추정 하기에는 한계점이 매우 명확하다는 것이다. 즉, 유기 탄소의 양만을 고려하고 기상 및 토양 조건 등 다양한 요인에 의한 배출량 변동은 고려하지 않으면서 메탄 산화 및 폐기물 분해에 관한 동력학적 특성과 같은 공 정은 너무 과도하게 단순화시켰기에 FOD 모델을 통한 폐기물매립지의 정확한 메탄 배출량 추정은 처음부터 매우 지난한 일이라는 것이다14).
폐기물매립지 현장 측정 연구결과에서 지속적으로 제기하고 있는 것은 폐기물매립지에서의 메탄 배출 기 작은 혐기성 소화조의 바이오가스 발생 기작과 관련이 없으며, 폐기물매립지의 메탄 배출에 영향을 미치는 주 요 인자로는 복토층의 메탄산화에 영향을 미치는 토양 의 물리화학적 특성, 기후조건, 매립가스 회수 시스템 설치 유무 등으로 혐기성 소화조에서는 고려하지 못하 는 요인들이다12).
이러한 주요 인자들 중에 특히 FOD 모델 결과의 불 확실성을 높이는 요인은 메탄 산화율임에도 불구하고 우리나라를 포함한 대부분의 국가 인벤토리 보고서에 서의 폐기물매립지 메탄 산화율은 IPCC 가이드라인 기본값인 10%를 일괄적으로 적용하고 있다7). 그러나 폐기물매립지 복토층 내 메탄 산화는 기후 및 토양 내 조건에 따라 시공간적으로 영향을 받기에 메탄산화율 10%의 단순 적용은 적합하지 않다. 더욱이 메탄 산화 율 10%는 New Hampshire 매립지의 연간 평균값을 적 용한 것이기에 이를 다른 폐기물매립지들에 일괄적으 로 적용하는 것은 타당하지 않다15-16).
폐기물매립지 복토층 내의 메탄산화는 폐기물매립 지별 복토층 내 온도, 수분 변화 등에 영향을 받는다 12-13,17-18). 즉, 복토층 내 메탄산화율은 복토층 두께, 복 토층 하부에서의 메탄 유입량, 기후 등에 영향을 받기 에 메탄산화율은 거의 0%에서 최대 100% 이상을 나 타낼 수 있으며, 100% 이상의 메탄산화율은 높은 메탄 산화율의 복토층에 대기 중의 메탄이 유입될 때 발생 할 수 있다12). 미국 EPA에서는 복토층 두께와 복토층 하부에서 유입되는 메탄 플럭스에 따라 메탄 산화율 기본값을 IPCC 가이드라인보다는 세분화하여 제시하 였다19). 예로 복토층 두께가 최소 24인치(약 61 cm)이 고, 복토층 하부에서 유입되는 메탄 플럭스가 10 g CH4/m2/d 미만일 경우 메탄 산화율은 35%로 가정할 수 있으며, 70 g CH4/m2/d를 초과할 경우 메탄 산화율 기본값은 10%로 가정한다. 다만 대규모 매립지의 경 우에는 추가 현장 검증이 필요하다. 그러나 이러한 분 류도 정확한 것은 아니며, 매립 대상 폐기물, 기후 조 건, 복토층 상태 등에 따라 복토층 하부에 유입되는 메 탄 플럭스가 유사하여도 메탄 산화율은 다를 수 있다. Aghdam et al.20)은 덴마크의 2개 매립지를 대상으로 메탄 산화율을 평가한 결과, 하부에 유입되는 메탄 플 럭스는 평균 1.4 g CH4/m2/d로 추정될 때 메탄 산화율 은 평균 18%(6 - 37%)로 보고하고 있어 미국 EPA에서 제시한 메탄 산화율과 다른 값을 나타내었다.
매립된 폐기물의 양과 메탄 발생 및 회수에 관한 상 관성은 단순한 선형 관계식으로 표현할 수 있다. 캘리 포니아주 내 128개소의 운영 및 사용종료 매립지들을 대상으로 메탄 회수량과 매립량을 조사한 결과 선형적 관계가 있음이 나타났으며, 매립폐기물 1Mg 당 회수 된 메탄은 약 126 × 10-6Nm3 CH4/hr로 분석되었다21). 또한, 메탄 회수량과 관련해 기후조건, 매립연령, 매립 지 상태(운영 중, 사용종료)는 통계학적으로 유의성이 없는 것으로 분석되었다. 이는 FOD 모델에서 가정한 매립 직후 메탄 발생량이 피크(peak)에 도달한다는 가 정과 상반되는 것으로 실제 폐기물매립지에서의 메탄 발생은 매립 종료 후에도 일정기간 증가하는 상태를 유지한다는 것을 의미한다. 폐기물 매립 후 최대 메탄 발생량을 나타내기까지 폐기물매립지 내·외부의 다양 한 영향에 의해 약 5 ~ 7년 정도가 소요될 수 있다22).
요약하면 폐기물매립지 내에서의 유기탄소 분해 및 메탄 발생은 FOD 모델에서 가정한 혐기성 소화조의 반응기작보다 더욱 복잡한 반응 기작이 매우 장기간에 걸쳐 이루어지고, 복토층에서의 메탄 산화율은 매립지 별로 매우 다르다. 따라서 모델 결과와 현장 측정 결과 를 비교하여 모델에 적용되는 배출계수의 보정도 필요 하다. 하지만 FOD 모델 결과만으로 추정하는 현재의 국가 인벤토리 보고서에도 매립지별 현장 측정 결과가 반영되도록 하여야 하며, 현장 측정이 이루어진 매립지 들은 메탄 배출량에 따라 개별적인 메탄 저감 전략을 수립하여야 할 것이다.
III.
폐기물매립지 시·공간적 메탄 배출 특성
폐기물매립지 내부에서 대기로 배출되는 메탄 가스 의 이동에 복토층은 가장 제한적인 층으로 고려된다12). 더욱이 복토층 특성이 매립지 전체의 메탄 배출에 영 향을 미치지만 미기상학적(micrometeorology) 요인과 결합되면 메탄 가스의 이동은 상당히 복잡하게 되어 복토층을 통과하는 메탄 배출은 공간과 시간적 측면에 서 크게 다른 특성을 나타낸다23-24). 주요 요인으로 복 토층 특성으로는 두께, 핫스팟(hot spot) 등이 있으며, 미기상학적 요인으로는 강수량, 기압, 대기 온도 등이 있다25-27).
1.
복토층 두께 및 핫스팟
복토층 두께는 메탄 산화율에 영향을 미치기에 표면 메탄 배출량에도 영향을 미친다. Abichou et al.28)은 복 토층 두께가 15 cm와 45 cm일 때의 메탄 플럭스를 측 정한 결과 15 cm에서는 37.5 mg/m2·min, 45 cm에서는 15.3 mg/m2·min으로 복토층 두께가 두꺼워질수록 메탄 플럭스는 감소하는 것으로 보고하였다. 그러나 동일한 복토층 두께에서도 핫스팟으로 알려진 메탄 가스 이동 을 촉진하는 경로가 있다. 이는 육안으로 확인 가능한 복토층 균열에 기인하기도 하나 때때로는 표면에 특이 성이 없음에도 불구하고 토양입도, 다짐 등의 차이로 인해 핫스팟 지점이 발생할 수 있으며, 이러한 지점은 기기를 이용하여 측정하기 전에는 찾아내는 것이 불가 능하다.
메탄 배출량 측정 시 우선적으로 핫스팟 지점의 식 별이 필요한 것은 핫스팟을 통해 배출되는 메탄 배출 량이 매립지 전체 배출량의 상당 부분을 차지하기 때 문이다. Gonzalez-Valencia et al.29)은 메탄 배출량의 50%가 전체 매립 면적의 0.4 ~ 5.6%에서 발생한다고 보고하였으며, Delgado et al.30)은 측정된 지점의 10% 에 불과했지만 전체 메탄 배출량의 73%를 차지한다고 나타내었다. Jeong et al.31) 도 배출유량이 가장 많은 지역의 면적 20%가 전체 메탄 배출량의 68% 이상을 차지하였다고 보고하였다. Gámez et al.32)의 연구결과 에서도 조사 대상 매립지에 핫스팟 지역(메탄 표면 배 출량 100 g/m2·d)이 명백하게 있었으며, 중간복토를 재 시공하였을 때 포집된 메탄 가스 농도가 기존 50%에 서 60%로 증가하였고 포집 효율도 15% 증가하였다. 따라서 현장 측정 이전에 핫스팟 지점의 확인 여부는 매우 중요하며, 특히 점 측정 방식인 플럭스 챔버를 이 용할 경우 핫스팟 지역을 찾는 것이 우선적으로 선행 되어야 한다.
핫스팟을 찾기 위한 기법으로는 매립지를 격자 간격 으로 구분한 후 Fig. 1과 같이 레이저 메탄 검지기 (laser methane detector)를 이용해 매립지 표면의 메탄 농도를 측정하는 방법이 있다33-34). 이론적으로 토양과 대기의 경계면 부근에서의 메탄 농도는 매립지에서 배 출되는 메탄 플럭스와 상관관계가 있다. 다만, 이러한 상관관계는 복토층 특성, 기상 조건 등에 영향을 받는 다. Lando et al.33)은 휴대용 레이저 메탄 검지기를 이 용해 표면의 메탄 농도를 측정하였을 때 풍속에 반비 례한다는 것을 발견하였으며, 이에 지표면의 메탄 농도 측정은 풍속 1m/s 미만에서 실시해야 한다고 제시하 고 있다.
핫스팟을 식별하는 다른 방법으로는 열적외선 카메 라를 사용하는 방법이 있다. 다만 메탄 산화가 매우 활 성화되어 있거나, 지표면의 토양 상태, 식생 여부 등에 따라 온도 분포가 다를 수 있기에 주의하여야 하며, 매 립 가스와 주변 온도 차이가 큰 계절(예: 겨울) 또는 시 간(예: 새벽 또는 밤)에 수행하는 것이 좋다. Fjelsted et al.35)은 열적외선 카메라를 이용하여 핫스팟 지점을 식별할 수 있는 최소 조건으로 1m2 이상의 면적과 메 탄 플럭스 150 g CH4/m2/d 이상이라고 제시했다.
2.
미기상학적 요인
2.1.
대기압
Delkash et al.36)은 폐기물매립지의 메탄 배출에 영향 을 미치는 미기상학적 요인으로 대기온도, 풍속, 대기 압 등이 있으며, 이들이 종종 동시에 메탄 발생에 영향 을 미치는 것으로 보고하고 있다. 이에 메탄 발생이 증 가하는 기상학적 조건은 대기온도 및 풍속이 증가하고 대기압이 낮아지는 반면에, 메탄 플럭스가 감소하는 조 건은 반대로 대기온도 및 풍속이 낮아지고 대기압이 높아진다고 설명하고 있다. 이러한 원인을 살펴보면 우 선적으로 매립된 폐기물이 분해되는 동안 매립지 내부 의 가스(메탄, 이산화탄소 등)가 생성되면서 압력은 증 가하게 된다. 이러한 변화는 매립지 내외부의 압력 차 이를 만들어 가스 농도 차이에 의한 확산뿐만 아니라 가스 이류를 초래하고37), 이에 따라 대기압과 메탄 배 출 사이에 음의 상관관계가 있다24-25,38-39). 압력 차이에 의한 메탄 플럭스는 식 (1)과 같이 Darcy의 법칙을 이 용하여 나타낼 수 있다40-41).
where,
Fv : Volumetric methane flux emission (m3/m2/s)
P : Average value of absolute static pressure (Pa)
Patm : Atmospheric pressure (Pa)
u : Viscosity of methane (Pa·S)
ΔZ : Thickness of surface coverage of landfill (m)
KZ : Vertical permeability of surface landfill (m2)
대기압과 메탄 배출량 사이의 관계를 설명하기 위해 서는 2가지 가설이 고려된다36). 첫째는 특정 시점의 대 기압과 메탄플럭스에는 음의 상관관계가 있지만, 매립 지 복토층 하단의 가스 압은 대기압 변화에 영향을 받 지 않는 것이다23,42). 매립지 내·외부의 단기간 압력 구 배는 오직 대기압의 변화에만 기인하는 것으로 가정한 것이다. 만일 t1 시점의 대기압이 낮고 t2 시점의 대기 압이 높으면 t1 시점일 때가 t2 시점보다 메탄 배출량 이 더 많게 되며, 이는 시간에 따른 압력 변화율과 상 관이 없다.
두 번째는 특정 시점의 대기압 대신 시간에 따른 대 기압 변화율(dPatm/dt)이 메탄 플럭스와 음의 상관관계 가 있는 것으로39), 복토층 하부의 가스압이 대기압 변 화율에 영향을 받는 것이다. 이는 대기압의 급격한 변 화는 복토층 하부의 가스압의 지체된 변화를 유발하여 토양 내 가스압의 수직 구배를 변하게 만든다24,39). 예 로 대기압과 복토층 하부의 가스압은 연동되어 변화하 나 시간적으로 차이가 발생하여 대기압이 낮아질 경우 가스압이 낮아지기까지의 시간차이가 발생하면서 수직 압력 구배가 커지게 된다. 수직 압력 구배와 가스 투과 성이 충분히 크면 매립지 복토층에 상당한 이류 흐름 이 발생할 수 있다. 또한, 대기압의 변화는 분산가스 플럭스에도 영향을 미친다36).
이러한 2가지 가설에 대해 주요 연구 결과들을 살펴 보면 특정 시점의 대기압보다는 시간에 따른 대기압의 변화가 메탄 배출에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보고 하고 있다39,43-46). 대기압 변화 1 hPa 미만에서도 매립 가스 배출 특성은 즉각적으로 반응한다45). Kissas et al.24)은 폐기물매립지에서의 메탄 배출량에 영향을 미 치는 요인들 중 시간변화에 따른 대기압 변화(dPatm / dt)가 가장 중요한 요인으로 보고하였다. 그러나 dPatm / dt는 단순한 선형적 관계보다 더 복잡한 특징을 나타낸 다44). Fig. 2에서 나타낸 사례와 같이 dPatm/ dt > 0일 때 메탄배출은 매우 강하게 억제된 반면 dPatm/ dt < 0 일 때에는 메탄 배출량이 일정량까지 증가하였다. 이에 대해 연구진들은 수직 압력 차이에 의해 발생하는 이 류 수송 메커니즘이 폐기물매립지 내부에서 복토층을 통과하여 대기로 나아가는 주요 원인으로 가정하였다. dPatm/ dt가 0보다 크면 수직 압력차가 감소하여 표면 의 매립가스 배출이 억제되며, 이때 지속적으로 발생하 는 메탄 가스는 매립지 내부에 누적된다. 반면 dPatm / dt가 0보다 작을 때는 매립지 표면에서 메탄 가스가 배 출되게 된다. 이러한 경우 최대 표면 플럭스는 폐기물 분해에 따른 메탄 가스 생산 속도에 의해 제한되며, 누 적된 메탄 가스가 배출될 때에만 단기간에 최대 표면 배출량을 초과할 수 있다. 이는 극단적으로 0보다 작은 dPatm/ dt에서 나타난 현상이 대표적이다. 0보다 작은 dPatm/ dt 조건에서는 누적된 매립가스로 인해 폐기물 매립지 내에서의 압력이 증가할 것이며, 이는 가스 발 생률, 가스 저장 용량, 대기압 증가 기간에 따라 달라 질 수 있다. 연구가 수행된 미국 네브라스카 주 지역 의 경우 이러한 대기압 저하는 여름보다 겨울철에 크 게 나타나 겨울철의 메탄 표면 배출량이 여름보다 더 많을 수 있다39). Delgado et al.30)은 대기압 변화를 고 려할 경우 연간 메탄 배출량 추정치가 약 14% 정도 변경되는 것으로 보고하였다. Kissas et al.47)은 dPatm / dt가 메탄배출량 변화의 실질적 주요 요인임을 가정하 여 dPatm / dt와 메탄배출량에 대한 경험적 비선형회귀 모델을 개발 후, 이를 기반으로 시간변동에 따른 dPatm/ dt 데이터를 지속적으로 측정하여 해당 폐기물 매립지에 대한 연간 메탄배출량을 추정하는 방법론을 제시하였다.
그러나 메탄 발생량이 매우 많거나 가스 포집 시스 템을 설치한 매립지, 복토층의 다짐이 잘 된 구역, 식 생된 복토층에서는 대기압에 의한 영향이 크지 않을 수 있다24,30). 다만 Xin et al.48)은 식물이 존재할 때와 식물의 표면 윗부분을 절단 후 바세린(vaseline)으로 밀봉하였을 때의 메탄 플럭스를 측정한 결과 절단 후 메탄 플럭스가 감소한 것으로 나타났으며, 이는 식물 이 존재할 경우 기상조건과 상관없이 식물 주변 토양 의 입단화(aggregation), 식물 뿌리의 성장을 통한 공극 형성 등을 유발시켜 통기성을 향상시키기 때문 이다49).
2.2.
대기 온도 및 태양 복사
대기 온도는 미생물의 메탄 산화에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 이는 복토층에서의 메탄 배출량을 감소시킬 수 있다13,46). 대기 온도 상승은 분 자 확산계수를 증가시켜 메탄 이동을 증가시키지만, 메 탄 산화율도 증가시키기에 55°C 미만의 온도에서는 메 탄배출량을 감소시키기 때문이다12). Wang et al.50)은 복토층 온도가 4 ~ 30°C 범위일 때 온도 상승에 따라 메탄 산화율이 기하급수적으로 증가한다고 제시했다. 그러나 대기 온도가 메탄 배출량과 상관관계가 없을 수도 있으며24,43), 이는 높은 투과성을 나타내는 복토층 의 경우 가스 체류시간이 매우 짧아 메탄 산화가 거의 이루어지지 않기 때문이다42). 오히려 투과성이 높은 복 토층에서의 메탄 배출량은 대기압 변화에 의한 영향이 매우 크다. 다만 매립지 내부 온도가 유기물 분해에 의 해 상승 시 메탄 생성에 영향을 미치는 것과 동시에 Fick의 법칙에 따라 확산계수는 온도와 관계하기에 가 스의 확산에 영향을 미쳐 대기 중으로의 메탄 배출에 영향을 미칠 수 있지만, 이에 대한 부분은 추가적인 연 구가 필요하다.
태양 복사(solar radiation)는 지면과 지표면 부근의 대기를 따뜻하게 하여 부력(buoyancy)과 불안정안 (unstable) 대기 상태를 유발할 수 있다. Xin et al.48)은 식생이 되어 있는 폐기물매립지 복토층에서 대기 온도 보다 태양 복사가 메탄 플럭스에 더 큰 영향을 미치는 반면에 식생이 없을 경우 대기 온도도 주요 요인이 되 는 것으로 보고하였다.
2.3.
풍속
매립지와 같은 불규칙한 지형을 가로질러 부는 바람 은 가스의 이류를 촉진시키는 압력 차이를 유발할 수 있다. Massman et al.51)은 바람에 의해 유발되는 표면 의 압력장(pressure fields) 형성에 의해 발생하는 가스 의 이류현상 또는 압력 펌핑 효과(pumping effect)를 제시했다. 압력 펌핑 효과는 짧은 기간의 대기 난류, 불규칙한 지형을 가로질러 부는 바람에 의해 유발된다. 이러한 압력 변화는 토양 내 가스 흐름의 변화를 유발 한다. Pourbakhtial et al.52)은 가스의 이류 흐름이 없는 건조한 다공성 매질에서 풍속이 매질 내 가스의 혼합 을 증가시켜 표면에서 바람에 의한 가스분산 계수가 분자확산 계수보다 커진다고 나타내었다. 또한, 난류가 표면에 가까운 토양 내 가스 분산에 영향을 미치지만 심도가 더 깊은 곳의 가스 농도 변화에 영향을 미친다 고 보고하고 있다. 이에 풍속이 충분히 강할 경우 매립 지 표면과 매립지 내부 간에는 가스 농도 및 압력 차이 가 발생하여 매립지에서의 가스 추출과 배출에 간접적 인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다53-55). McBain et al.23)은 풍속이 3 ~ 5m/s로 증가하면 메탄 배출량도 증가하는 것으로 보고하였다.
Poulsen and Møldrup56)도 풍속 증가가 복토층과 대 기 사이의 확산 및 압력 구배 변화를 유발하여 표면 가 스 배출을 증가시킬 수 있다고 나타내었다. 또한, 토양 내 수분함량이 높을 경우 가스 확산계수가 낮아지기에 바람에 의한 가스 이동이 주요 메커니즘이 된다고 보 고하였다. 투과도가 낮은 토양에서 이류에 의한 가스 이동은 가스 확산보다 중요하다53). 이는 토양 내 수분 이 많아지면 모세관 현상으로 가장 작은 공극이 먼저 채워지게 되고 가스 확산은 가스로 채워진 공극들 간 의 연결이기에 확산에 대한 저항이 커지는 반면, 가스 이류는 공극이 가장 큰 부분에서 우선적으로 발생하기 때문이다. 따라서 수분함량이 증가하면 분자 확산에 대 한 저항은 이류에 대한 저항보다 증가하여, 가스 이류 의 중요성은 상대적으로 증가하게 된다54). 따라서 복토 층의 높은 수분함량과 동시에 풍속이 강하면 이류가 발생하여 메탄 배출량이 증가할 수 있다43).
이외에도 수분함량이 낮고 풍속이 강할 경우 표면의 메탄 농도를 감소시켜 복토층 외부와 하부의 농도 구 배를 증가시켜 확산에 의한 표면 배출량을 증가시킬 수 있다43,46). Bahlmann et al.57)은 투과성이 낮은 토양 에서도 바람이 지표면 아래의 수직 농도 구배를 증가 시켜 토양에서의 확산을 증가시킨다고 나타내었다. 반 면에 Rees-White et al.58)은 풍속 증가에 따른 메탄 배 출량이 감소한 것으로 나타내었으며, 이것이 다른 요 인에 의한 것인지 추가적 연구가 필요하다고 보고하 였다.
2.4.
강수
강수량은 토양 내 수분함량과 밀접한 관련이 있으며, 수분함량은 메탄 배출량과 상관성이 있다59). Rachor et al.25)은 복토층 내 수분함량이 water field capacity에 도 달하기 까지는 메탄 배출량이 증가하나 이를 초과하게 되면 감소하는 것으로 제시했다. 일반적으로 복토층 내 의 수분이 증가하면 메탄산화를 활성화시켜 메탄 배출 량 감소에 영향을 미칠 수 있다60). 그러나 지속적인 강 수로 토양 내 수분함량이 증가하면 가스 이동에 사용 될 수 있는 공극 부피가 감소되어 산소가 메탄산화 구 역으로 확산되는 것을 저해하여 메탄산화가 지연될 수 있지만 반대로 가스 투과도 감소로 메탄의 이동이 저해 될 수 있다56,61). Springer et al.62)은 water field capacity 이후 공기 투과도는 점차 감소하며, 미사토(silty sand) 의 경우 공기 유입이 가능한 수분함량은 약 32%(vol.) 이내로 제시했다. Héroux et al.63)은 수분함량 증가에 따라 메탄 플럭스가 감소함을 나타내었으며, Haro et al.22)은 우기 때보다 건기 때에 메탄 배출량이 증가하 는 것으로 보고했다. 그리고 수분함량이 이보다 더 증 가하게 되면 폐기물매립지와 대기 사이의 가스 교환을 완전히 차단할 수 있으며, 이때 복토층 하부의 가스 압 력은 증가될 수 있다25,60). McBain et al.23)은 강수에 의 해 빗물이 일시적으로 지표면 복토층의 공극 대부분을 차지하기 때문에 강수 기간 동안 가스 배출량이 감소 하지만 강수 종료 후에 가스 배출량이 증가한 것으로 나타내었다. 따라서 강수로 인한 메탄 배출량에 영향을 미치는 특징을 정리하면 토양 내 수분함량이 water field capacity에 도달하기 이전까지는 가스 이동에 충 분한 공극 부피와 메탄 산화가 낮아 메탄 배출량이 많 으나, water field capacity 이후에는 메탄 산화 활성화 또는 공극 부피 감소로 인해 점차 메탄 배출량이 감소 하는 것으로 사료된다.
3.
시사점
Table 1은 상기에서 나타낸 메탄 배출량에 영향을 미치는 미기상학 관련 요인들의 주요 연구 결과를 요 약한 것이다. 연구 결과를 살펴보면 대기압에 대한 연 구가 가장 많았으며, 메탄 배출량은 대기압 절대값과 대기압 변화율이 영향을 미치지만 최근 연구들에서는 대기압 변화율이 더 큰 영향을 미치는 것으로 보고하 고 있다. 강수는 복토층 수분함량과 연계하여 수분함량 이 water field capacity 기준으로 메탄 배출에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 다만 water field capacity 이 후로는 메탄 배출량이 감소할 수 있으나 풍속이 높을 경우 압력 펌핑에 의해 메탄 배출량이 증가할 수 있다. 대기온도는 다짐이 잘 된 복토층의 메탄산화에 영향을 미쳐 메탄 배출량을 줄일 수 있으나, 투과성이 높은 경 우에는 메탄 배출에 미치는 영향이 미미한 것으로 판 단된다. 다만, 아직까지 메탄 배출 특성에 대한 요인들 의 영향은 다양한 연구 결과를 나타내었으며, 향후 특 정 구역뿐만 아니라 전체 현장의 시간적 배출량 변화 를 장기적으로 평가할 수 있는 연구도 필요한 것으로 나타났다.
Table 1.
Summary of the impact of meteorological parameters on methane gas emission reported from previous studies (△: positive correlation, ▼: negative correlation, ×: no correlation)
| Barometric pressure | ATa) | STb) | WSc) | SMd) | SIe) | Reference | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Absolute value | dPatm/ dt | ||||||
| ▼ | △ | ▼ | McBain et al.23) | ||||
| ▼ | Kissas et al.24) | ||||||
| ▼ | ▼ | △ (up to field capacity) | Rachor et al.25) | ||||
| ▼ | △ (during winter) | Gonzalez-Valencia et al.29) | |||||
| ▼ | ▼ | △ | △ | Delkash et al.36) | |||
| ▼ (during periods of falling pressure, but not during periods of rising pressure) | Nwachukwu and Anonye38) | ||||||
| ▼ | Park et al.41) | ||||||
| ▼ | × | Czepiel et al.42) | |||||
| ▼ | ▼ | × | × | Aghdam et al.43) | |||
| ▼ | Fredenslund et al.44) | ||||||
| ▼ | Gebert and Groengroeft45) | ||||||
| ▼ | ▼ | ▼ | ▼ | Christophersen et al.46) | |||
| △ (during daytime) | △ (at night) | △ (during daytime) | Xin et al.48) | ||||
| ▼ | △ | ▼ | Poulsen and Møldru56) | ||||
| ▼ | ▼ | Rees-White et al.58) | |||||
| ▼ | △ | Zhang et al.59) | |||||
| ▼ | ▼ | ▼ | Héroux et al.63) | ||||
폐기물매립지에서의 메탄 배출량 측정 시기는 각 계 절별 대표적인 환경 조건에서 수행해야 하며, 이때 대 기압 영향을 최소화하도록 하여야 할 것이다. Scheutz et al.64)은 가장 이상적인 측정 시점으로 측정 시작 6시 간 이전부터 측정 종료 시까지 대기압 변화가 ± 3 mbar 미만으로 제시하였으며, 강수는 복토층의 투과성 을 감소시킬 수 있으므로 강수 직후에는 측정을 실시 해서는 안된다. 그러나 현장 측정 시 대기압 변화를 예 측하는 것은 불가능하며, 이러한 조건을 충족 시까지 현장 측정을 반복하는 것은 시간적·경제적으로 매우 어 려울 것이다. 따라서 가급적이면 점 측정방법인 플럭스 챔버 방식보다는 짧은 시간에 폐기물매립지의 전체 메 탄 배출량 측정을 반복할 수 있는 추적자 분석 방법이 나 에디 공분산과 같이 메탄 배출량의 연속 측정이 가 능한 기법의 적용을 고려해야 하며, 메탄 배출의 변동 성과 배출량 변화에 영향을 미치는 주요 요인들을 이 해하고 있어야 측정 결과의 신뢰성을 높일 수 있을 것 이다65-66).
IV.
결 론
FOD 모델을 통한 폐기물매립지 메탄 배출량 추정은 실제 폐기물매립지 메탄 배출량과 유사한지에 대한 의 문이 지속적으로 제기되고 있으며, IPCC 가이드라인 에서도 이를 보완하기 위해 현장 측정을 실시하도록 권고하고 있다. 또한, 폐기물매립지 전체 면적의 메탄 배출량을 정량화하기 위한 신뢰할 수 있고 비용 효율 적인 측정 방법의 존재는 메탄 저감을 위한 현실적이 고 실제적인 전략을 수립할 수 있는 가능성을 열어준 다67). 따라서 현장 측정 방법의 개발·적용이 필요하며, 현장 측정 시 메탄 배출량 변동에 영향을 미치는 다양 한 시·공간적 요인들에 대한 기본적인 이해가 있어야만 측정 결과의 신뢰성을 확보할 수 있다.
폐기물매립지 메탄 배출에 영향을 미치는 인자들에 는 복토층 특성 및 두께, 미기상학적 요인인 대기압(절 대 대기압, 대기압 변화율), 풍속, 강수, 토양 내 수분함 량, 대기 온도, 태양 복사 등이 있으며, 이에 현장 측정 시기 선정 및 배출량 데이터 해석 시 이러한 인자들을 고려해야 할 것이다. 또한, 현장 측정 전에 해당 매립 지 내의 핫스팟 지점을 식별하도록 하여 공간적 불균 질성에서 오는 메탄 배출량 결과의 정확성을 높이도록 하여야 할 것이다.
마지막으로 2030년 메탄 감축 목표 달성을 위해서는 폐기물매립지의 메탄 감축이 필수적임에도 불구하고 아직 구체적인 감축 방안과 감축 가능량의 파악도 못 하고 있는 실정이다. 이를 위해서는 개별 매립지들의 현장 측정을 통한 메탄 배출량 추정 및 데이터 구축이 시급히 이루어져야 한다. 이는 메탄 감축 잠재력이 큰 폐기물매립지의 우선 순위 선정 및 메탄 배출량에 따 른 매립가스 자원화, 호기성 공법, 바이오커버 등의 메 탄 감축 방법의 적용 가능성 및 감축 가능량을 검토할 수 있기 때문이다.
