KR20190012099A - 고온성 세균 컨소시움 및 이를 이용한 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법 - Google Patents

고온성 세균 컨소시움 및 이를 이용한 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주, 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물 및 이를 이용한 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고온성 세균 컨소시움은 고온의 매립가스와 높은 대기 온도에 의해 고온 환경이 된 바이오커버의 내부에서 매우 높은 메탄 및 악취 제거 효율을 보인다. 이와 같은 본원 발명의 고온성 세균 컨소시움은 고온 매립가스뿐만 아니라, 유기성 폐기물의 고온 혐기성 발효조, 유기성 폐기물의 퇴비화 장치, 동물 사체 매몰지 등 고온조건으로 배출되는 바이오가스의 메탄 및 악취유발 화합물 동시 처리에도 사용 가능한 유용한 미생물원으로 활용될 수 있다.

Description

고온성 세균 컨소시움 및 이를 이용한 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법{Thermophilic bacterial consortium and method for simultaneous degradation of methane and compounds inducing odor at high temperature using the same}
본 발명은 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주, 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물 및 이를 이용한 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법에 관한 것이다.
혐기성 조건하에서 유기물은 미생물에 의해 분해되어 메탄과 이산화탄소로 최종 분해되며, 이러한 분해과정에서 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 암모니아, 아민, 지방산 등의 악취유발 화합물이 발생한다. 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설 및 공정, 축사 등은 메탄과 악취를 동시에 배출하는 대표적인 발생원으로, 매립지의 메탄 발생량은 연간 35~73 테라그램(tera gram, Tg)으로 추정된다.
현재까지 매립지 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설(공정)에 대한 악취 관리는 악취 측정과 모니터링 중심으로 수행되었고, 악취제어대책으로는 탈취제 살포 등 소극적인 대응만 이루어지고 있었다. 향후 매립지, 분뇨/가축분뇨 처리시설, 기타 유기성 폐기물 처리시설 등과 같은 공공환경시설에 대한 악취배출시설 설치 신고가 의무화될 예정이다. 이에 따라, 매립지와 같은 폐기물 처리시설(공정)에서 발생하는 메탄과 악취를 제거하는 기술 개발의 필요성이 높아지고 있는 실정이다.
바이오커버(개방형 시스템)와 바이오필터(폐쇄형 시스템)을 이용하는 생물학적 방법은 메탄을 회수하여 자원화하기에는 메탄 농도가 너무 낮거나 가스 포집정이 설치되어 있지 않은 노후화된 매립지나 소규모 매립지로부터 메탄 배출을 저감할 수 있는 유용한 방법이다. 메탄을 유일 탄소원과 에너지원으로 활용하는 메탄산화세균은 이러한 생물학적 방법에 있어 메탄을 산화시켜 제거하는데 매우 중요한 역할을 담당한다.
한편, 대부분의 메탄산화세균은 중온성이므로 바이오필터 또는 바이오커버 충전재의 온도가 중온(25~36℃)일 때 그 성능이 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나, 매립가스 자체는 40℃ 정도의 고온이며, 특히 한여름에는 매립가스를 처리하기 위한 바이오커버의 온도가 45℃, 높게는 50~60℃까지 상승하여, 고온 환경에서의 메탄 및 악취유발 화합물 제거 방법 개발에 대한 필요성이 있다.
이에, 본 발명자들은 고온 환경에서의 메탄 및 악취유발 화합물 분해 방법을 개발하고자 노력한 결과, 음식물 폐기물로 만든 퇴비를 접종원으로 하고, 메탄과 DMS를 유일 탄소원으로 공급하면서 50℃에서 농화 배양하여 얻은 고온성 세균 컨소시움이 고온에서 메탄 및 악취유발 화합물을 효과적으로 동시 분해함을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 브레비바실러스 써모루베르(Brevibacillus thermoruber), 액티노마두라 루브로브루네아(Actinomadura rubrobrunea), 아미콜라톱시스 써멀바(Amycolatopsis thermalba) 및 인퀼리누스 진셍지솔리(Inquilinus ginsengisoli)를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물, 이를 포함하는 바이오커버 또는 바이오필터 및 상기 바이오커버 또는 바이오필터를 포함하는 동시 고온 분해 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 메탄 및 악취유발 화합물 발생원에 처리하는 단계; 및 상기 조성물이 메탄 및 악취유발 화합물을 분해시키는 단계를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 브레비바실러스 써모루베르(Brevibacillus thermoruber), 액티노마두라 루브로브루네아(Actinomadura rubrobrunea), 아미콜라톱시스 써멀바(Amycolatopsis thermalba) 및 인퀼리누스 진셍지솔리(Inquilinus ginsengisoli)를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 바이오커버를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 바이오필터를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 메탄 및 악취유발 화합물 발생원에 처리하는 단계; 및 상기 조성물이 메탄 및 악취유발 화합물을 분해시키는 단계를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 바이오커버 또는 바이오필터를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물은 고온의 매립가스와 높은 대기 온도에 의해 고온 환경이 된 바이오커버의 내부에서 매우 높은 메탄 및 악취 제거 효율을 보인다. 이와 같은 본원 발명의 고온성 세균 컨소시움은 고온 매립가스뿐만 아니라, 유기성 폐기물의 고온 혐기성 발효조, 유기성 폐기물의 퇴비화 장치, 동물 사체 매몰지 등 고온조건으로 배출되는 바이오가스의 메탄 및 악취유발 화합물 동시 처리에도 사용 가능한 유용한 미생물원으로 활용될 수 있다.
도 1은 50℃ 조건에서 고온 세균 컨소시움에 의한 메탄 및 DMS 분해능을 시간대별 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 40℃ 조건에서 고온 세균 컨소시움에 의한 메탄 및 DMS 분해능을 시간대별 그래프로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 브레비바실러스 써모루베르(Brevibacillus thermoruber), 액티노마두라 루브로브루네아(Actinomadura rubrobrunea), 아미콜라톱시스 써멀바(Amycolatopsis thermalba) 및 인퀼리누스 진셍지솔리(Inquilinus ginsengisoli)를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주를 제공한다.
또한, 본 발명의 혼합 균주는 메탄 및 악취유발 화합물의 분해 효율을 높이기 위하여 하이포마이크로비움 에스투아리(Hyphomicrobium aestuarii) 또는 키티노파가 속(Chitinophaga sp.) 균주를 더 포함할 수 있다.
본 발명자들은 일 실시예에서 음식물 폐기물로 만든 퇴비를 접종원으로 하고, 메탄과 DMS를 유일 탄소원으로 공급하면서 50℃에서 농화 배양하여 고온 메탄 및 악취유발 화합물 동시 분해 세균 컨소시움을 구성하고 있는 균주를 확인하였다. 상기 세균 컨소시움의 조성 분석 결과, 브레비바실러스 써모루베르가 전체 조성의 31%를 차지하며 가장 우점하였으며, 액티노마두라 루브로브루네아(24%), 아미콜라톱시스 써멀바(16%), 인퀼리누스 진셍지솔리(12%), 하이포마이크로비움 에스투아리(8%), 키티노파가 속(5%), 기타 균주(4%) 순으로 컨소시움을 조성함을 확인하였으며, 이를 통해 상기 브레비바실러스 써모루베르, 액티노마두라 루브로브루네아, 아미콜라톱시스 써멀바, 인퀼리누스 진셍지솔리, 하이포마이크로비움 에스투아리(Hyphomicrobium aestuarii) 및 키티노파가 속 균주를 메탄 및 악취유발 화합물의 동시 고온 분해에 활용할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물을 제공한다. 상기 '배양액'은 액체 배지에 균주를 접종하여 배양한 것을 의미하며, 상기 배양액에는 본 발명에 따른 균주가 포함되어 있다. 또한, 상기 배양액은 상기 배양액의 추출물 또는 배양액의 농축액을 포함할 수 있다.
본 발명의 조성물은 고온의 매립가스와 높은 대기 온도에 의해 고온 환경이 된 바이오커버의 내부에서 매우 높은 메탄 및 악취 제거 효율을 보이는바, 고온 조건으로 배출되는 바이오가스의 메탄 및 악취유발 화합물을 동시 처리하는데 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 악취유발 화합물은 사람을 포함한 동물의 후각을 자극하여 불쾌감을 느끼게 하는 물질로서, 악취는 식욕을 잃게 하고, 호흡을 곤란하게 하며, 멀미와 구토 등을 일으켜 정신의 혼란을 초래하는 것으로 알려져 있다.
상기 악취유발 화합물은 이에 제한되지는 않으나, 암모니아, 메틸메르캅탄, 황화수소, 다이메틸설파이드, 다이메틸다이설파이드, 트라이메틸아민, 아세트알데하이드, 스타이렌, 프로피온알데하이드, 뷰티르알데하이드, n-발레르알데하이드, i-발레르알데하이드, 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 메틸에틸케톤, 메틸아이소뷰티르케톤 및 뷰티르아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있다.
또한, 본 발명의 조성물은 메탄의 분해 효율을 높이기 위하여 통상의 메탄산화세균을 더 포함할 수 있다. 상기 메탄산화세균으로는 메틸로모나스속(Methylomonas), 메틸로마이크로비움속(Methylomicrobium), 메틸로박터속(Methylobacter), 메틸로칼둠속(Methylocaldum), 메틸로파가속(Methylophaga), 메틸로사르시나속(Methylosarcina), 메틸로써머스속(Methylothermus), 메틸로할로비우스속(Methylohalobius), 메틸로스파에라속(Methylosphaera), 메틸로시스티스속(Methylocystis), 메틸로셀라속(Methylocella), 메틸로캅사속(Methylocapsa), 메틸로시너스속(Methylosinus), 또는 메틸로코커스속(Methylococcus) 등을 단독 또는 2종 이상 포함시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 조성물은 고온 조건, 즉, 40 내지 70℃에서 메탄 및 악취유발 화합물을 동시에 분해하는 것을 특징으로 할 수 있다. 통상의 미생물들은 중온성이나, 본 발명에 따른 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물은 40 내지 70℃의 고온 환경에서도 메탄 및 악취유발 화합물 동시 분해능을 가져 이로부터 높은 산업적 유용성을 가진다.
또한, 본 발명은 본 발명의 조성물을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 바이오커버를 제공한다.
본 발명의 조성물을 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오커버에 넣어주고, 상기 바이오커버를 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물과 접촉시키면 메탄 또는 악취유발 화합물을 고온 환경에서 효과적으로 분해할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 조성물을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 바이오필터를 제공한다.
본 발명의 조성물을 바이오필터 내 담체에 넣어주고, 상기 바이오필터를 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 필터링하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 고온 환경에서 효과적으로 분해할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 조성물을 사용하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 동시 분해하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 분해 방법은 본 발명의 조성물을 메탄 및 악취유발 화합물 발생원에 처리하는 단계; 및 상기 조성물이 메탄 및 악취유발 화합물을 분해시키는 단계를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법을 제공한다.
상기 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원은 메탄 또는 악취유발 화합물이 발생하는 장소로서 이에 제한되지는 않으나, 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조 공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 바이오커버가 하나 이상 적층된 바이오커버층; 및 상기 바이오커버층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오커버층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물의 동시 고온 분해 시스템을 제공한다. 상기 바이오커버층, 이를 둘러싸는 통기층 및 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 동시 분해 시스템을 메탄 및 악취유발 화합물 발생원에 설치함으로써 메탄 및 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 바이오필터가 하나 이상 적층된 바이오필터층; 및 상기 바이오필터층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오필터층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물의 동시 고온 분해 시스템을 제공한다. 상기 바이오필터층, 이를 둘러싸는 통기층 및 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 동시 분해 시스템을 메탄 및 악취유발 화합물 발생원에 설치함으로써 메탄 및 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해할 수 있다.
상기 바이오커버층 및 바이오필터층은 본 발명의 조성물을 포함하고 있어 메탄 또는 악취유발 화합물을 고온 환경에서 생물학적으로 분해할 수 있다.
상기 바이오커버층 및 바이오필터층은 전술한 통상의 메탄산화세균을 더 포함할 수 있다.
상기 바이오커버층 및 바이오필터층은 산소를 공급하기 위한 통기층이 둘러싸고 있으며, 상기 통기층을 구성하는 성분은 산소 공급이 가능한 입자 크기를 갖는 것이라면 특별히 제한하지는 않는다. 예를 들어, 모래 또는 자갈로 구성될 수 있다. 또한, 상기 통기층에는 공기를 공급할 수 있는 통기관이 하나 이상 설치되어 있을 수 있으며, 상기 통기관을 통해 송풍기로 공기를 주입할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움 확보 및 활성
1-1. 배지 조성
균주 배양을 위해 NMS 배지를 사용하였고, 배지 조성은 표 1 및 표 2에 나타내었다. 배양을 반복함에 따른 영양원 고갈을 방지하기 위해 질소 농축액과 인 농축액을 준비하였으며, 그 조성은 표 3에 나타내었다.
NMS 배지 조성
Components 시료 양 (g/L)
MgSO4·7H2O 1.0
CaCl2·6H2O 0.2
KNO3 1.0
KH2PO4 0.272
Na2HPO4·12H2O 0.717
Trace element 0.5 mL/L
3,000 μM Cu2 + solution 10 mL/L
Trace element 조성
Components 시료 양 (mg/L)
FeSO4·7H2O 200
ZnSO4·7H2O 10
MnCl2·4H2O 3
H3BO3 30
CoCl2·6H2O 20
CaCl2·6H2O 1
NiCl2·6H2O 2
Na2MnO4·2H2O 3
질소, 인 농축액 조성
농축액 종류 Components 시료 양 (g/L)
질소 농축액 KNO3 2.0
인 농축액 KH2PO4 0.52
Na2HPO4·12H2O 1.65
1-2. 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움 배양
메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 얻기 위해, 음식물 폐기물로 만든 퇴비를 접종원으로 이용하였다. 600mL 혈청병에 퇴비 2g과 NMS 배지 20mL를 혼합해준 후, 메탄 50,000ppm 및 DMS(dimethyl sulfide, 황화메틸) 5,000ppm을 넣어주었다. 혈청병을 고무마개와 파라필름으로 봉하였다. 이후, 고온 배양에 의해 혈청병 내 가스 부피가 증가하여 고무마개가 열리는 것을 방지하기 위해 혼합된 기체 80mL을 주사기로 빼내고, 50℃, 150rpm 조건에서 진탕배양 하였다. 혈청병 상단부의 가스를 실린지로 포집하여 가스 크로마토그래피(gas chromatography)로 메탄 및 DMS 농도를 측정하였다. 메탄과 DMS가 모두 분해되면 혈청병을 개봉하여 1시간 동안 공기치환을 시킨 후, 메탄 50,000ppm 및 DMS 5,000 ppm을 재주입하였다. 영양원 고갈을 방지하기 위해 공기치환이 세 번 반복될 때 마다 질소와 인 농축액을 1mL씩 첨가해주었다. 메탄 및 DMS 분해 활성이 확인된 균주 10 mL와 NMS 배지 10mL를 새로운 600mL 혈청병에 혼합하여 균주를 증량해주었고, 증량을 10회 반복하여 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 확보하였다. 상기와 같은 과정으로 확보한 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움의 세균 조성을 표 4에 나타내었다.
메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움의 조성
세균명 비율( % ) 주요 특징
Brevibacillus thermoruber 31 그람 양성 세균, 운동성이 있고 포자를 형성하는 고온성 세균, 호기성 세균, Exopolysaccharide 생성 세균
Actinomadura rubrobrunea 24 그람 양성 세균, 운동성이 없는 호기성 세균, 포자를 형성하지 않는 고온성 세균
Amycolatopsis thermalba 16 그람 양성 세균, G+C 함량이 높은 방선균, 고온성세균
Inquilinus ginsengisoli 12 그람 음성 세균, 포자를 형성하지 않는 간균, 호기성 세균
Hyphomicrobium aestuarii 8 그람 음성 세균, 포자를 형성하지 않는 간균, 호기성 세균
Chitinophaga sp . 5 그람 음성 세균, 포자를 형성하지 않는 간균, 호기성 세균
기타 4 -
합계 100 -
실시예 2. 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움의 활성 평가
상기 실시예 1에 따른 세균 컨소시움의 메탄 및 악취유발 화합물의 일종인 DMS 제거 능력을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 600mL 혈청병에 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움 배양액 2mL를 NMS 배지 18mL와 혼합해준 후, 메탄 50,000ppm과 DMS(dimethyl sulfide, 황화메틸) 5,000ppm을 넣어주었다. 혈청병을 고무마개와 파라필름으로 봉한 후, 고온 배양에 의해 혈청병 내 가스 부피가 증가하여 고무마개가 열리는 것을 방지하기 위해 혼합된 기체 80mL을 주사기로 빼내주었다. 이후, 50℃와 40℃, 150 rpm 조건에서 진탕배양 하였다. 혈청병 상단부의 가스를 실린지로 포집하여 가스 크로마토그래피로 메탄 및 DMS 농도를 측정하였다. 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 50℃ 조건에서 메탄과 DMS 5,000ppm을 3번 반복 주입했을 때, 반복 횟수가 증가할수록 메탄과 DMS 분해 속도가 약간 빨라지는 경향을 보임을 확인하였다. 이는 메탄과 악취 동시 분해 세균 컨소시움의 메탄과 DMS 분해 효소가 충분히 발현되어 분해 속도가 빨라진 것으로 판단된다. 최종적으로, 본 발명의 세균 컨소시움은 50℃ 조건에서 메탄(50,000ppm)과 DMS(5,000ppm)를 약 75시간 이내에 분해할 수 있음을 확인하였다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 40℃ 조건에서는 메탄과 DMS 5,000ppm을 3번 반복 주입했을 때, 반복 횟수가 증가할수록 메탄과 DMS 분해 속도가 현저히 빨라지는 경향을 보임을 확인하였다. 최종적으로, 본 발명의 세균 컨소시움은 40℃ 조건에서 메탄(50,000ppm)과 DMS(5,000ppm)를 약 50시간 이내에 분해할 수 있음을 확인하였다.
이에 따라, 본원 발명에 따른 세균 컨소시움은 고온 조건에서도 메탄 및 악취를 효과적으로 동시에 분해할 수 있어 실제 고온 환경의 매립가스 처리에 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.
실시예 3. 본 발명의 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 이용한 바이오커버 성능 평가
3-1. 실험방법 - 바이오커버 설치
상기 실시예 1에 따른 세균 컨소시움의 메탄 및 악취유발 화합물 제거 능력을 규명하기 위하여 광양시 생활쓰레기 매립시설에 바이오커버를 제작하여 설치하였다.
구체적으로, 매립지 현장에 가로 2m, 세로 2m의 부지를 마련하고, 굴착기를 이용하여 깊이 1m까지 매립된 폐기물을 굴착한 후, 두께 10cm 의 스티로폼을 이용하여 바이오커버 외벽 틀을 설치하였다. 이후, 직경 20cm의 유공관 1개를 설치하고, 유공관의 막힘을 방지하고 매립가스가 바이오커버 층 내로 잘 분산될 수 있도록 자갈을 높이 0.25m까지 조성한 후, 유공관에 가스포집관을 연결하였다. 상기 가스포집관은 바이오커버에 유입되는 메탄과 악취 농도 분석을 위해 바이오커버 유입 가스 채취용으로 사용하였다.
자갈층 위에 부직포를 깔고, 그 위에 토양을 높이 0.25m까지 채워 넣었다. 토양층 위에 토양, 펄라이트, 퇴비, 고온 메탄 및 악취유발 화합물 동시 분해 세균 컨소시움 배양액 (토양 : 펄라이트 : 퇴비 : 세균 컨소시움 = 400 : 100 : 10 : 1, 부피비)의 혼합액을 0.5m 층 높이까지 채워넣었다.
바이오커버에 유입되는 메탄과 악취유발 화합물 농도 분석을 위해 바이오커버 하단에서 지상부까지 가스 포집관을 설치하였다. 또한, 바이오커버의 표면에서 배출되는 메탄과 악취유발 화합물 농도를 분석하기 위해 바이오커버 상단 표면에 가스 포집을 위한 static flux chamber(1.5 x 1.0 x 0.1 m, 아크릴)를 설치하였다.
3-2. 실험 방법 - 채취한 가스의 분석 방법
현장에서 채취한 가스 중 악취 분석은 [표 5]에 제시한 분석 장비를 이용하여 환경부 악취 오염공정시험방법에 따라 분석하였다. 복합악취를 측정하기 위해 진공형 간접채취(lung sampling) 방법으로 고순도 질소(99.999%)로 3회 이상 세척한 테들러 백(5 L, 동경주식회사, Japan)을 이용하여 1L/min의 속도로 5∼분간 시료를 채취하였다. 복합악취는 공기 희석관능법으로서 무취공기제조장치(일반공기를 활성탄과 흡수제에 통과)를 이용하여 조제된 무취공기에 원취시료를 단계적으로 주입하여 희석시료를 제조한 후 악취공정시험법에서 제시한 방식에 따라 희석배수를 산정하였다.
악취 물질 종류별 시료 채취 방법 및 분석 장비
Items Sampling Analytical instrument
Complex odor Dilution value Lung sampler Air dilution method,
Korea
Ammonia Ammonia Solution absorption UV/VIS(Shimadzu, Japan)
Sulfur Hydrogen sulfide,
Methyl mercaptane
Dimethyl sulfide
Dimethyl disulfide
Lung sampler GC/FPD plus TD
(Shimadzu, Japan)
Aldehydes Acetaldehyde,
Propionaldehyde,
Butyraldehyde,
n-Valeraldehyde,
iso-Valeraidehyde,
DNPH cartridge HPLC/UV
(Younglin, Korea)
Amine Trimethylamine Sulfuric acid
absorption
GC/NPD
(Shimadzu, Japan)
Hydrocarbons
(VOCs)
Styrene, Toluene, Xylene,
Methyl ethyl keton, Methyl isobutyl keton, Butyl acetate,
iso-Butyl alcohol
Tenax tube
adsorption
GC/MSD
(Agilent, USA)
Fatty acids Propionic acid,
n-Butyric acid,
n-Valeric acid,
i-Valeric acid
KOH solution
filter absorption
GC/FID
(Shimadzu , Japan)
메탄분석은 휴대용 측정기기(model: biogas check analyzer, UK)를 이용하여 현장에서 2~3회 반복 측정하였고, 정밀 분석을 위해 테들러 백에 가스 채취 후 분석실에서 GC/FID로 기기분석 하였다. 메탄 분석 조건을 표 6에 나타내었다.
메탄 분석 조건
구분 조건
GC Shimadzu 17A, Japan
Detector FID
Column MS-5A column (30 m×2.60 ㎜×1 ㎛)
Column temp. 40℃ (2 min) → 80℃ (10 min) → 200℃ (5 min)
Injector temp. 250℃
Detector temp. 250℃
Carrier gas He (99.999 %), 40 ㎖/min
Oven Temp. 60℃(30min)
3-3. 실험 결과 - 고농도 매립가스 처리 성능 평가
상기와 같은 실험 방법으로 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 접종한 바이오커버에 의한 고온 조건에서의 고농도 매립가스 처리 성능을 평가한 결과를 표 7에 나타내었다.
메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 접종한 바이오커버에 의한 고 농도 매립가스 중 메탄 및 악취 제거 성능
바이오커버온도 45.2~49.5oC
메탄 측정지점 농도( % ) 제거율( % )
입구 54.8 98.3
출구 0.9
악취 물질 측정지점 농도 ( ppb ) 제거율( % )
복합악취 공기희석(배) 입구 30,000 93.1
출구 2,080
질소화합물 암모니아 입구 938.45 46.0
출구 506.50
트리메틸아민 입구 0.56 -
출구 4.15
황화합물 황화수소 입구 23,527.81 93.9
출구 1,426.78
메틸메르캅탄 입구 185.69 76.7
출구 43.19
다이메틸설파이드 입구 77.08 7.2
출구 71.52
다이메틸다이설파이드 입구 38.95 -
출구 56.48
휘발성
유기화합물
아세트알데하이드 입구 13.69 72.2
출구 3.81
프로피온알데하이드 입구 0.00 -
출구 0.00
뷰틸알데하이드 입구 1.82 100.0
출구 0.00
i-발레르알데하이드 입구 13.78 100.0
출구 0.00
n-발레르알데하이드 입구 1.38 100.0
출구 0.00
스타이렌 입구 70.96 65.8
출구 24.28
톨루엔 입구 1,890.57 97.3
출구 51.61
자일렌(m+p+o) 입구 1,323.53 88.4
출구 153.56
메틸에틸케톤 입구 24.88 100.0
출구 0.00
메틸아이소뷰틸케톤 입구 37.37 100.0
출구 0.00
뷰틸아세테이트 입구 5.28 58.8
출구 2.18
i-뷰틸알콜 입구 3.30 100.0
출구 0.00
프로피온산 입구 0.00 -
출구 0.00
n-뷰틸산 입구 50.21 100.0
출구 0.00
i-발레르산 입구 0.00 -
출구 0.00
n-발레르산 입구 0.00 -
상기 표 7에 나타낸 바와 같이, 고온의 매립가스와 높은 대기 온도에 의해 바이오커버 내부 온도는 45.2℃∼49.5℃의 범위로 고온 조건이었다. 이 조건에서 바이오커버로 유입되는 메탄 농도는 54.8%이었으나, 바이오커버로부터 배출되는 메탄 농도는 0.9%로, 98.3%의 매우 높은 메탄 제거효율이 나타남을 확인하였다.
또한, 바이오커버로 유입되는 매립가스의 복합악취는 공기희석배수로 30,000배였으나, 바이오커버로부터 배출되는 가스의 복합악취는 공기희석배수로 2,080배였다. 바이오커버에 의한 복합악취 제거 효율은 93.1%로 매우 우수함을 확인하였다.
추가적으로, 우리나라 악취방지법에 의해 규제되고 있는 22종 악취물질 각각의 농도와 제거효율을 분석한 결과, 뷰틸알데히드, i-발레르알데히드, n-발레드알데히드, 메틸에틸케톤, 메틸아이소뷰틸케톤, i-뷰틸알콜 및 n-뷰틸산의 제거 효율은 100% 임을 확인하였다. 22종 악취 물질 중에서 가장 농도가 높은 황화수소(유입농도 23,527.81ppb)는 93.9% 제거됨을 확인하였다. 유입 농도가 1,890.57ppb인 톨루엔의 제거 효율은 97.3%, 자일렌(유입농도 1,323.53ppb)의 제거 효율은 88.4%임을 확인하였다. 질소계 악취물질인 암모니아의 제거 효율은 46% 였으나, 트리메틸아민은 유입 농도보다 배출 농도가 높음을 확인하였다. 다이메틸다이설파이드도 유입 농도보다 배출 농도가 약간 높았는데, 악취 물질에 따라 유입되는 농도보다 배출되는 농도가 높은 현상은 매립지 현장 실험에서는 흔히 발생하는 것으로, 증가된 농도가 그리 높지 않기 때문에 복합 악취에는 거의 영향을 미치지 않았다.
3-4. 실험 결과 - 저농도 매립가스 처리 성능 평가
상기와 같은 실험 방법으로 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 접종한 바이오커버에 의한 고온 조건에서의 저농도 매립가스 처리 성능을 평가한 결과를 표 8에 나타내었다.
메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움을 접종한 바이오커버에 의한 저농도 매립가스 중 메탄 및 악취 제거 성능
바이오커버온도 45.5 ~46.1oC
메탄 측정지점 농도( % ) 제거율( % )
입구 29.4 98.6
출구 0.4
악취 물질 측정지점 농도 ( ppb ) 제거율( % )
복합악취 공기희석(배) 입구 300 85.0
출구 45
질소화합물 암모니아 입구 66.11 -
출구 88.45
트리메틸아민 입구 0.00 -
출구 0.27
황화합물 황화수소 입구 19.02 97.1
출구 0.55
메틸메르캅탄 입구 33.72 96.9
출구 1.06
다이메틸설파이드 입구 29.70 95.1
출구 1.46
다이메틸다이설파이드 입구 14.63 100.0
출구 0.00
휘발성
유기화합물
아세트알데하이드 입구 1.10 -
출구 4.83
프로피온알데하이드 입구 0.00 -
출구 0.00
뷰틸알데하이드 입구 0.00 -
출구 0.78
i-발레르알데하이드 입구 3.41 100.0
출구 0.00
n-발레르알데하이드 입구 0.00 -
출구 0.00
스타이렌 입구 11.06 82.7
출구 1.91
톨루엔 입구 307.44 98.8
출구 3.65
자일렌(m+p+o) 입구 700.62 98.6
출구 10.00
메틸에틸케톤 입구 0.00 -
출구 0.00
메틸아이소뷰틸케톤 입구 3.15 100.0
출구 0.00
뷰틸아세테이트 입구 0.00 -
출구 0.00
i-뷰틸알콜 입구 0.00 -
출구 0.00
프로피온산 입구 0.00 -
출구 0.00
n-뷰틸산 입구 87.47 41.3
출구 51.37
i-발레르산 입구 0.00 -
출구 0.00
n-발레르산 입구 0.00 -
출구 0.00
바이오커버 내부 온도는 45.5℃∼46.1℃의 범위로 고온 조건이었다. 이 조건에서 바이오커버로 유입되는 메탄 농도는 29.4%였으나, 바이오커버로부터 배출되는 메탄 농도는 0.4%로, 98.6%의 매우 높은 메탄 제거효율을 나타냄을 확인하였다.
또한, 바이오커버로 유입되는 매립가스의 복합악취는 공기희석배수로 300배였으나, 바이오커버로부터 배출되는 가스의 복합악취는 공기희석배수로 45배였다. 바이오커버에 의한 복합악취 제거 효율은 85.1%로 매우 우수함을 확인하였다.
우리나라 악취방지법에 의해 규제되고 있는 22종 악취물질 각각의 농도와 제거효율을 분석한 결과, 다이메틸다이설파이드, i-발레르알데히드 및 메틸아이소뷰틸케톤의 제거 효율은 100%임을 확인하였다. 또한, 황화수소, 메틸메르캅탄, 다이메틸설파이드, 톨루엔 및 자일렌의 제거 효율은 95% 이상으로 매우 우수하였다. 스타일렌과 n-뷰틸산의 제거 효율은 각각 82.7% 및 41.3% 임을 확인하였다. 암모니아, 아세트알데하이드 및 뷰틸알데히드의 유입 농도보다 배출 농도가 약간 높았는데, 증가된 농도가 그리 높지 않기 때문에 복합 악취에는 거의 영향을 미치지 않았다.
상기 결과를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 세균 컨소시움은 40∼50℃의 고온 조건에서 매립가스 중 메탄과 악취유발 화합물을 매우 효율적으로 분해함을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 세균 컨소시움은 고온 매립가스뿐 아니라, 유기성 페기물의 고온 혐기성 발효조, 유기성 폐기물의 퇴비화 장치, 동물 사체 매몰지 등 고온조건으로 배출되는 바이오가스의 메탄과 악취유발 화합물을 동시 처리함에 있어서도 유용하게 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 브레비바실러스 써모루베르(Brevibacillus thermoruber), 액티노마두라 루브로브루네아(Actinomadura rubrobrunea), 아미콜라톱시스 써멀바(Amycolatopsis thermalba) 및 인퀼리누스 진셍지솔리(Inquilinus ginsengisoli)를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주.
  2. 제1항에 있어서, 하이포마이크로비움 에스투아리(Hyphomicrobium aestuarii) 또는 키티노파가 속(Chitinophaga sp.) 균주를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 혼합 균주.
  3. 제1항의 혼합 균주 또는 이의 배양액을 유효성분으로 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 악취유발 화합물은 황화수소, 메틸메르캅탄(methanethiol), 황화메틸(dimethyl sulfide), 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는, 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물.
  5. 제3항에 있어서, 상기 고온은 40 내지 70℃인 것을 특징으로 하는, 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 조성물.
  6. 제3항의 조성물을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 바이오커버.
  7. 제3항의 조성물을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해용 바이오필터.
  8. 제3항의 조성물을 메탄 및 악취유발 화합물 발생원에 처리하는 단계; 및 상기 조성물이 메탄 및 악취유발 화합물을 고온에서 분해시키는 단계를 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 메탄 및 악취유발 화합물 발생원은 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장인 것을 특징으로 하는, 메탄 및 악취유발 화합물 동시 고온 분해 방법.
  10. 제6항의 바이오커버가 하나 이상 적층된 바이오커버층; 및 상기 바이오커버층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오커버층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물의 동시 고온 분해 시스템.
  11. 제7항의 바이오필터가 하나 이상 적층된 바이오필터층; 및 상기 바이오필터층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오필터층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 및 악취유발 화합물의 동시 고온 분해 시스템.
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