CH[eqn: {} _{4}] 저감을 위한 커피 찌꺼기 충전제를 이용한

바이오 윈도우 설계

유석용

환경공학전공 2017210057

초록 : 온실가스에는 이산화탄소(CO[eqn: {} _{2}]), 메탄(CH[eqn: {} _{4}]), 아산화질소(N[eqn: {} _{2}]O)가 있으며 이 중 메탄은 이산화탄소에 이어 2번째로 발생하지만, 메탄의 온실효과(Global Warming Potential, GWP)는 이산화탄소의 28배 이상인 대표적인 non-CO[eqn: {} _{2}] 온실가스이며, 이러한 메탄의 발생지에는 폐기물 매립지, 화석연료, 천연가스 등이 있다. 이 보고서에서는 폐기물 매립지에서 발생하는 메탄을 메탄 산화 세균을 이용하여 저감 시키고자 생각하였고, 이때 점점 소비량이 늘고 있는 커피 찌꺼기를 충전제로 사용하여 바이오 윈도우에 활용하는 방안을 조사해보았으며, 이 중 바이오 커버 충전재로 실험된 BSG (맥주 제조 후 폐곡물) 가 퇴비와 혼합 후 메탄산화세균 서식 영향 인자를 적절히 맞추었을 경우, 메탄 제거율 60-100% 효과를 보여주었고, 이 둘을 커피 찌꺼기와 비교분석을 하였으며, 이때 BSG와 커피 찌꺼기의 화학적 성분이 비슷하여 BSG의 실험내용을 토대로 커피 찌꺼기가 바이오 윈도우에 사용되었을 경우 수도권매립지 제3 매립장을 대상으로 시뮬레이션했을 때 커피찌꺼기랑 퇴비를 혼합했을 때도 60~100% 메탄 저감 효과를 나타낼 수 있다고 예상하였고, 매립지의 메탄을 산화시켜 탄소중립 정책을 위한 도움이 될 것으로 생각한다.

주제어 : 탄소중립, 온실가스, 메탄, 커피 찌꺼기, 바이오 윈도우, 메탄산화세균, 매립지

목차

1. 서론 ………………………………………………………………………‧…………………………………… 4p

2. 본론 ………………………………………………………………………‧…………………………………… 6p

2.1 커피 찌꺼기 …………………………………………………………‧…………………………………‧‧… 6p

2.1.1 커피 찌꺼기 소개 …………………………‧……………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧……… 6p

2.1.2 커피 찌꺼기 물리, 화학적 성분 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧… 6p

2.2 바이오 윈도우 …………………………‧………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧…… 7p

2.2.1 바이오 윈도우 설계 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧… 9p

2.2.2 LFG 유도 방안 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧… 9p

2.3 충전제 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 11p

2.3.1 메탄 산화 세균 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧… 11p

2.3.2 생물학적 메탄 제거에 미치는 주요 영향 인자 ……………‧………………………………‧‧… 11p

2.3.3 충전제 연구 사례 …………………………‧……………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12p

2.3.4 BSG와 커피 찌꺼기의 화학적 성분 비교 분석 …………………………‧……………………‧‧ 13p

2.3.5 BSG를 이용한 바이오 커버 실험 …………………………‧…………………………………‧‧‧… 13p

2.3.6 커피 찌꺼기를 이용한 충전제 설계 …………………………‧…………………………………‧‧‧ 14p

2.4 바이오 윈도우 시뮬레이션 …………………………‧……………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 15p

3. 결론 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧… 17p

4. 참고문헌 …………………………‧…………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧… 18p

그림

Fig. 1 우리나라 LFG 에너지화 시설 여부 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5p

Fig. 2 바이오 커버 단면도 …………………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧………………………………… 5p

Fig. 3 바이오 윈도우 단면도 ………………………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧………………………… 8p

Fig. 4 폴리에틸렌 다공관 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‧‥‥‥‥‥‥‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 9p

Fig. 5 PVC 다공관 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‧‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‥‥‥‥‥ 9p

Fig. 6 파이프라인을 이용한 바이오 윈도우 개략도 ………………………………‥‥‥‥‥‥‥‥‧‧‧‧‧‧‧‧‥ 10p

Fig. 7 메탄 산화 세균의 메탄 산화 과정 …………………………………………‥‥‥‥‧‥‥‥‥‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 11p

Fig. 8 바이오커버 주요 인자에 따른 메탄 제거효율 ………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 14p

Fig. 9 바이오커버 두께별 시간에 따른 메탄제거효율 ……………‧‧‧‧‧‧‧‧‧………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧…‧‧‧‧‧‧ 14p

Fig. 10 제3 매립장 중 한 구역 ………………………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧…………………‧‧‧‧‧‧ 16p

Fig. 11 제3 매립장 메탄 발생량 변화 ………………………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧…‥‥‥‥‥‥‧‧‧ 16p

표

Table. 1 커피 찌꺼기 발생 추정량 …………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧…………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6p

Table. 2 커피 찌꺼기 pH 및 입경 ……………………………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6p

Table. 3 커피 찌꺼기 삼성분 ………………………………………………………‥…‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6p

Table. 4 커피 부산물의 화학적 성분 …………………………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧  7p

Table. 5 커피 찌꺼기의 최종 분석 결과 ……………………………………………‥‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 7p

Table. 6 커피 찌꺼기의 유기물 함량 및 탄질비 ……………………………………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 7p

Table. 7 생물학적 메탄 제거에 미치는 주요 영향 인자 조건	…………………‥‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12p

Table. 8 바이오커버 충전제 연구 사례 …………………………………‥………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 13p

Table. 9 BSG와 커피 찌꺼기 성분비교 ………………‧‧…………………‧‧……‧…‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 13p

Table. 10 실험에 사용된 BSG와 퇴비의 화학적 성분 …………………‧………‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 14p

1. 서론

산업혁명 이후 온실가스 증가로 인한 기후변화는 지구생태계를 위협하는 전 지구적인 문제로 대두되고 있다. 2015년 12월 UN 기후변화협약 제21차 파리 당사국 총회(COP21)는 파리협정을 채택하였으며, 이에 2021년부터 교토의정서를 대체하는 신 기후변화체제에 돌입하게 되었다. 또한, 저탄소 녹색 성장기본법 제정 이후 국가 에너지 기본계획, 폐자원 및 바이오매스 에너지 대책 실행계획을 통해 폐기물 에너지화 기술개발 및 보급 확대를 지원하였으며, 감량화(Reduce), 재사용(Reuse), 재활용(Recycle) 중심이었던 폐기물 정책은 에너지화(Recovery)를 포함한 4R 정책으로 변화하였다.

특히, 선진국과 개발도상국 모두가 감축 의무를 부담하는 신기후체제 하에서, 미국, EU 국가, 일본은 2050년까지 탄소중립 목표를 가졌으며, 미국은 2005년 대비 50~52% 감축 목표를, 일본은 2013년 대비 26% 감축 목표를 46%로 높이겠다고 밝혔고, 영국은 1990년 대비 78%까지 줄이겠다는 2035년 감축 목표까지 내놨다. 우리나라는 2030년 온실가스 감축 목표 2018년 대비 40% 이상 범위 설정하였다(환경부, 2022).

이러한 온실가스에는 대표적으로 이산화탄소(CO[eqn: {} _{2}]), 메탄(CH[eqn: {} _{4}]), 아산화질소(N[eqn: {} _{2}]O)가 있으며 이 중 메탄은 이산화탄소에 이어 그 기여도가 2번째로 발생하지만, 메탄의 온실효과(Global Warming Potential, GWP)는 이산화탄소의 28배 이상인 대표적인 non-CO[eqn: {} _{2}] 온실가스이다(IPCC, 2014). 메탄은 무색, 무취의 가스로 매립 가스뿐만 아니라 천연가스의 주성분이기도 하다(Chun, 2016). 유기물의 혐기성 분해의 부산물로 생성되는 메탄은 자연적인 배출권으로부터 전체 대기 배출량의 30%가 배출되는 반면, 인위적으로 배출되는 양은 전체의 70%를 차지한다고 한다. 이러한 인위적 발생의 대표적인 것은 폐기물 매립지의 매립 가스와 천연가스 및 화석연료 연소로 발생이 있으며, 그중 우리는 폐기물 매립지에서 발생하는 매립 가스를 중점으로 알아보았다.

폐기물 매립지에서 발생하는 매립 가스(landfill gas, LFG)는 주로 45~60%의 메탄과 40~45%의 이산화탄소, 소량의 황화수소, 암모니아, 휘발성 유기물질 등으로 구성되어 있으며 매립 기간에 따라 조성비는 달라진다(Fang, 2015 ; Chun, 2016). 이에, 폐기물 매립 및 소각을 에너지화로 대체함으로써 온실가스 배출을 최소화할 필요가 있다(구지선, 2016).

현재 우리나라 전체 매립지 중 운용 중인 곳을 살펴보면, LFG를 에너지화할 수 있는 시설을 갖춘 곳은 전체 매립지 중 약 26%이며 나머지 74%는 LFG를 대기로 확산시키고 있다.

앞에서 말했듯이 LFG를 에너지화를 통하여 온실가스를 최소화할 수 있지만 에너지화 시설을 설치하기 힘든 곳에서는 다른 대책 방법이 필요하고, 이 중에는 친환경 매립 방식인 바이오 커버가 있다(Fig. 1). 바이오 커버는 매립지의 복토재 부분에 메탄을 산화 시킬 수 있는 메탄 산화 세균이 잘 서식할 수 있는 충전제를 두어 이를 통해 표면발산 하는 메탄을 산화시켜 온실가스를 최소화할 수 있다, 하지만 이 바이오 커버도 단점이 존재하는데 첫 번째로 넓은 매립지를 완전히 뒤 덮을 수 있는 충전제를 구하는 데 힘들 수 있고, 두 번째로 설치비, 관리비 등의 비용이 많이 발생할 수 있으며, 세 번째로 넓은 부지인 만큼 메탄산화세균이 잘 서식할 수 있게 만드는 영향 인자들을 모니터링하고 관리하기가 매우 힘들다는 것이 단점이다. 이에 이러한 단점을 보완할 수 있는 것을 조사하다 바이오 윈도우라는 또 다른 친환경 매립 방식을 알게 되었고 과연 이게 효율이 높을지 살펴보았고, 현재 커피의 소비량이 증가하면서 점점 처리가 힘들어지는 커피 찌꺼기를 바이오 윈도우의 충전제로 이용하면 좋은 효율이 나올지를 조사해보았다.

Fig. 1 우리나라 LFG 에너지화 시설 여부

Fig. 2 바이오 커버 단면도 (조경숙, 2017)

2 본론

2.1 커피 찌꺼기

2.1.1 커피 찌꺼기 소개

대부분 우리가 먹는 커피들은 커피를 내릴 때 커피 원두의 약 0.2%만 사용하고 나머지 약 99.8%는 버려지게 되는데 이때 버려지는 것들을 커피 찌꺼기라고 한다. 이러한 커피 찌꺼기는 음식물 폐기물로 분류되는 것이 아닌 일반폐기물로 분류가 되어 매립되거나 소각된 채 버려지고 있다(남근우, 2017).

Table 1과 같이 우리나라는 ‘식후에는 커피’라는 말이 있듯이 커피의 수요가 증가하여, 커피 수입량은 꾸준히 늘어나고 있으며, 2019년 기준 커피 찌꺼기는 연간 약 14만 9,038t이 발생 되고 있다(국회입법조사처, 2020). 이를 처리하기 위한 비용은 연간 약 7,642억 원 정도로 추정되고 있다(남근우, 2017).

이러한 커피 찌꺼기를 처리하기 위한 수송, 매립, 소각 등 처리 과정에서 나오는 이산화탄소([eqn: CO _{2}])도 무시할 수 없는 정도여서 이를 버리는 것만 하는 게 아닌 다르게 처리하는 방안들이 나오고 있다. 대부분 현재 커피전문점들은 커피 찌꺼기 처리를 위해 무상으로 손님들에게 일부 제공하고 있으며, 이를 가지고 방향제, 재떨이 정도로 활용하고 있으며, 최근에는 다양한 기술을 바탕으로 커피 찌꺼기를 활용하는 방안들이 버섯재배, 바이오가스 및 연료 생산, 퇴비 등으로 활용되고 있다. 하지만 이러한 활용방안에도 불구하고 커피 찌꺼기 발생량을 못 따라가고 있다.

Table 1. 커피 찌꺼기 발생 추정량 (국회입법조사처, 2020)
	2016	2017	2018	2019	2020 (1~7월)
생두+원두 수입량 (t)	152,956	159,296	158,384	167,578	101,774
찌꺼기 발생 추정량 (t)	135,541	141,313	140,696	149,038	90,571

2.1.2 커피 찌꺼기 물리⦁화학적 성질

커피 찌꺼기의 물리⦁화학적 성질을 Table 2~6에 나타냈으며, 커피 찌꺼기는 헤미셀룰로스, 지방산, 셀룰로스, 리그닌, 단백질, 지질 그리고 기타 다당류를 비롯한 다양한 유기 화합물이 포함되어 있다. 선행 연구에 의하면 발화 손실법으로 얻은 커피 찌꺼기의 유기물 함량은 86~89%로 보고되었고 높은 수분함량과 다공성 표면으로 이루어져 있고, 악취 제거와 습기 제거가 뛰어난 것으로 알려져 있다(김장영, 2021 ; Battista, 2020 ; Sousa, 2019 ; Kua, 2016).

Table 2. 커피 찌꺼기 pH 및 입경

Parameters	Value
pH	4.53 ~ 5.93
Particle size	0.225mm – 0.85mm

Table 3. 커피 찌꺼기 삼 성분

Parameters	Value (%)
수분함량	56.44
가연분	42.97
회분	0.59

Table 4. 커피 부산물의 화학적 성분

	펄프	껍질	은피	찌꺼기
셀룰로스	63.0 ± 2.5	43.0 ± 8.0	17.8 ± 6.0	8.6 ± 1.8
헤미셀룰로스	2.3 ± 1.0	7.0 ± 3.0	13.1 ± 9.0	36.7 ± 5.0
리그닌	17.5 ± 2.2	9.0 ± 1.6	1.0 ± 2.0	0.05 ± 0.05
총 섬유	60.5 ± 2.8	24.0 ± 5.9	62.4 ± 2.5	-
단백질	11.5 ± 2.0	8.0 ± 5.0	18.6 ± 4.0	13.6 ± 3.8
총당류	14.4 ± 0.9	58.0 ± 20.0	6.65 ± 10	8.5 ± 1.2

Table 5. 커피 찌꺼기의 최종 분석 결과

Parameters	Value (%)
Carbon	50.77
Hydrogen	7.19
Oxygen	39.89
Nitrogen	2.164
Sulfur	0

Table 6. 커피 찌꺼기의 유기물 함량 및 탄질비

Parameters	Value
유기물 (g/kg)	379 ± 3.1
총질소 (%)	2.4 ± 0.2
탄질비 (C/N)	21.9 ± 1.9

2.2 바이오 윈도우

바이오 윈도우는 매립지에서 표면 발산하는 LFG를 최소화하기 위하여 매립지 위에 투과성이 낮은 토양을 덮은 후 매립지에서 발생하는 LFG가 표면 발산을 못하게끔 만들어 LFG를 특정 구역으로 유도를 시켜주게 되고, 그 유도된 장소에서 메탄 산화가 잘 일어나도록 설계된 충전제를 복토제 대신 넣어주어 LFG 중 메탄이 그곳으로 통과되면서 산화되도록 만드는 것을 바이오 윈도우라고 한다(Fig. 3).

이렇게 만들어 주게 되면 서론에서 말했던 바이오 커버의 단점을 보완할 수 있게 되는데 첫 번째로 넓은 부지를 충당할 충전제를 구할 필요 없이 특정 구역의 충전제만 구하면 돼서 비용과 수고가 덜게 되며, 두 번째로 매립지 전체면적을 설계해야 되는 바이오 커버와 달리 바이오 윈도우가 설치된 부분만 설계하면 돼서 경제적인 면에서 저렴하며, 세 번째로 바이오 커버와 달리 좁은 면적을 통해 메탄이 산화되기 때문에 모니터링이 쉬어지며 메탄 산화 세균이 잘 서식할 수 있게 만들어 주는 영향 인자들의 관리가 매우 쉬어지게 된다 (정혜경, 2019 ; Charlotte Scheutz, 2011).

Fig. 3 바이오 윈도우 단면도 (Charlotte Scheutz, 2011)

2.2.1 바이오 윈도우 설계

바이오 윈도우는 위에서도 설명했듯이 특정 구역에만 메탄 산화를 위한 충전제를 설치하고, 나머지 부분에 투과성이 낮은 Soil을 깔아주는 것이다.

이러한 바이오 윈도우의 설계 방법으로는 초반은 위에 설명한 바이오 커버와 비슷하게 진행이 된다. 먼저 폐기물로 채워져 있는 매립지 위에 매립지 크기에 맞는 부직토 시트를 깔고, 그 위에 직경 2~3cm 정도 되는 자갈을 50~60cm 정도의 높이로 얹어 준다. 그 후 그 위에 다시 부직토 시트를 깔아준다. 그런 다음 그 위에 두께 0.5~ 2mm Geo membrane 시트로 덮어주고 바이오 커버를 만들지 않은 곳은 투과성이 낮은 Soil로 깔아주고 바이오 커버를 설치하는 곳은 너비 약 3m, 높이 1m로 기존에 생각해둔 바이오 커버 충전제를 넣어주면 된다 (Charlotte Scheutz, 2011).

이렇게 설계를 해주게 되면 매립지 내에서 발생하는 LFG가 Geo membrane 시트가 표면발산이 억제되면서 LFG가 자갈층을 통해 충전제가 설치된 장소로 유도가 되면서 메탄이 산화되게 된다. 다음은 이러한 LFG가 유도가 더 잘되게 하는 방법을 소개하려고 한다.

2.2.2 LFG 유도 방안

위와 같이 설계하게 되면 LFG의 표면발산을 억제하고 특정 구역으로 이동으로는 하게 되겠지만 조금 더 확실히 LFG가 유도될 수 있도록 정혜경 외(2019)의 파이프라인을 이용한 바이오 윈도우를 생각하였고 이에 대한 설계 방법을 설명하자면 기존 바이오 윈도우 설계 시 자갈층 사이에 주 파이프로 직경 0.23m 폴리에틸렌 다공관 (Fig. 4)을 두고 모세혈관처럼 주 파이프에 PVC 다공관 (Fig. 5)을 이어줘, 그 파이프 안으로 LFG가 들어와 파이프라인에서 배출되는 곳은 직경 10~20cm 정도의 돌을 놓아주어 파이프를 통해 포집된 LFG가 그 위의 충전제로 지나게 되면서 메탄이 산화되는 것이다(정혜경, 2019).

Fig. 4 폴리에틸렌 다공관	Fig. 5 PVC 다공관

Fig. 6 파이프라인을 이용한 바이오 윈도 개략도 (정혜경, 2019)

2.3 충전제

2.3.1 메탄 산화 세균

바이오 윈도우의 핵심 인자인 충전제에 커피 찌꺼기를 이용하면 효율이 높을지에 대해 알아보려고 한다. 효율이 높다는 것은 충전제 내에 메탄이 산화가 잘 되게끔 미생물이 잘 서식할 수 있는 곳을 만들어 주는 것을 의미하는데 이때 미생물을 메탄산화세균이라고 한다.

메탄 영향 세균(methanotrohic bacteria) 또는 메탄산화세균이라고 불리며, 이 세균은 메탄을 유일 탄소원과 에너지원으로 활용하여 생육하는 그람 음성의 호기성 세균으로 (Hanson, 1996 ; 조경숙, 2017) methane monooxygenase(MMO) 라는 효소를 이용하여 Fig. 7에 보이는 것처럼 메탄을 메탄올로 산화하고 마지막에는 이산화탄소로 광물화(mineralization) 시킨다(Hanson, 1996 ; 조경숙, 2017).

Fig. 7 메탄 산화 세균의 메탄 산화 과정

2.3.2 생물학적 메탄 제거에 미치는 주요 영향 인자

생물학적 메탄 제거에 미치는 주요 영향 인자들의 조건들을 Table 7에 정리하였다. 이 조건들은 메탄산화세균이 최적의 환경에서 서식하여 메탄 제거 성능을 직접 좌우하기 때문에 매우 중요하다. 먼저 메탄산화세균의 서식지가 되기 때문에 표면적이 넓어야 하며 뛰어난 수분 보유 능력을 지녀야 한다(조경숙, 2009 ; Majdinasab, 2017). 또한, 매립지 내에서 발생하는 가스와 공기 중에 있는 산소가 잘 통과되어야 하므로 입자들의 평균 크기는 0.5~2mm가 적당하다. 이보다 작으면 다짐 현상이 심해져 공극이 줄어들어 막힘 현상이 발생하게 된다. 수분함량은 너무 높으면 매립지 내에서 발생하는 매립 가스와 공기 중에 있는 산소의 흐름을 방해하여 전달 원활하게 이루어지지 않게 된다(조경숙, 2009 ; Huber-Humer, 2009).

적정온도는 현재 연구자들이 여러 연구 결과를 발표했지만, 각각 토양 수분함량에 따라 온도가 다 제각각이다. 그래도 평균적으로 25~36℃ 사이에서 나타나고 있다(Majdinasab, 2017). 다음으로 영양분 같은 경우는 인과 황산염 같은 경우는 둘 다 메탄 산화에 매우 유리하기 때문에 많으면 좋다. 염화나트륨 같은 경우는 존재할 경우 메탄 산화를 억제하기 때문에 없는 것이 최적의 조건이며 구리는 산화작용에 약간 자극을 주는 정도라 0.02ppm 정도 첨가해주는 것이 좋다고 한다(조경숙, 2009 ; Huber-Humer, 2009).

Table 7. 생물학적 메탄 제거에 미치는 주요 영향 인자 조건(조경숙, 2009 ; Majdinasab, 2017)

Parameters		Value
물리적 특징	구성 / 질감	• 표면적이 넓어야 함 • 뛰어난 수분 보유 능력 • 저렴해야 함
	입자의 평균 크기	0.5 ~ 2mm
	pH	6.5 ~ 8.5
	수분함량	• 퇴비 / 생물학적 잔류물 : 25 ~ 50 % • 토양 : 11 ~ 30 %
온도		• 퇴비 / 생물학적 잔류물 : 29 ~ 30℃ • 토양 : 25 ~ 36℃
영양분	N	• NH4[eqn: {} ^{+}]-N: <400 ppm • NO2[eqn: {} ^{-}]-N: <0.1 ppm • NO3[eqn: {} ^{-}]-N • N total: >0.5%
	P	> 0.3%
	SO[eqn: {} _{2} ^{-}]	> 500ppm
	NaCl	-
	Cu	0.02ppm

2.3.3 충전제 연구 사례

밑에 Table 8에 정리한 충전제 연구 사례들은 모두 바이오 커버에 사용하려고 실험을 한 충전제들이다. 하지만 바이오 윈도우의 충전제와 똑같으므로 바이오 커버를 위한 실험 데이터를 이용하려고 한다.

먼저 실험실에서 진행한 사례로 중국의 Lu 외(2011)가 실험한 정원폐기물과 매립지 복토층 토양을 혼합하여 만든 바이오 커버이다. 이 실험에서는 110cm H × 32cm D 크기의 실험기구에서 진행하였으며 이때 혼합비율은 3 : 7(정원폐기물 : 매립지 복토층 토양)이며, 이렇게 실험을 진행하였을 경우 메탄 제거효율이 100% 결괏값을 얻었다고 한다. 두 번째는 말레이시아의 Shangari 외(2012)가 실험한 맥주를 만들고 남은 폐곡물 (이하 BSG)와 퇴비를 혼합하여 만든 바이오 커버이다.

이 실험에서는 100cm H × 15cm D 실험기구에서 진행하였으며, 혼합비율은 7 : 3 (BSG : 퇴비)였으며, 이때 메탄 제거효율은 60~100%가 나왔다. 다음으로 실제 현장에서 진행한 사례로 미국 플로리다에서는 갓 만들어진 정원폐기물을 이용하여 바이오 커버 충전제로 사용을 하였을 때 두께를 30cm로 하였을 때는 0~40%, 두께를 60cm로 하였을 경우 20~70%의 메탄 제거효율을 보여주었고, 네덜란드의 한 매립지에서는 표토와 심토를 혼합하여 바이오 커버 충전제로 사용하였을 경우 두께를 100cm로 하였을 때, 24.5~99.6%의 메탄 제거효율이 나왔다고 한다.

위와 같은 사례를 봤을 때 메탄 제거효율이 100%가 나오는 BSG의 화학적 성분을 커피 찌꺼기와 비교분석을 하여 바이오 커버 충전제로 사용할 시 커피 찌꺼기의 메탄 제거효율을 예측해보려고 한다.

Table. 8 바이오 커버 충전제 연구 사례

Scale	충전재 재료	실험 크기	나라	메탄 제거율 (%)
실험실	BSG[eqn: {} ^{*}] : 퇴비 7 : 3	100cm H × 15cm D	말레이시아	60-100
	정원폐기물 : 매립지 복토층 토양 3 : 7	110cm H × 32cm D	중국	100
플로리다 매립지	갓 만들어진 정원폐기물	30cm H	미국	0-40
		60cm H		20-70
매립지	표토(양토,20cm) + 심토(양토,80cm)	100cm H	네덜란드	24.5-99.6

*BSG : 맥주를 만들고 남은 폐곡물

2.3.4 BSG와 커피 찌꺼기의 화학적 성분 비교 분석

다음으로는 메탄 제거효율이 60~100%가 나오는 BSG와 커피 찌꺼기의 화학적 성분들을 비교해 보았다. Table 9에 나타냈듯이 위 정원폐기물과는 다르게 커피 찌꺼기와 BSG가 수분함량을 제외하고 많은 부분이 비슷한 값을 지니고 있다는 것을 알 수 있었다.

따라서 우리는 BSG를 커피 찌꺼기로 교체하였을 경우 비슷한 값을 도출할 수 있다고 생각이 되어 말레이시아 Shangari 등의 BSG를 이용한 실험 논문을 더 자세히 찾아보게 되었다.

Table 9. BSG와 커피 찌꺼기 성분 비교
Parameters (%)	BSG	커피 찌꺼기
pH	4.41±0.12	4.53 ~ 5.93
Moisture content	70.58±0.14	56.44
C	45.2 ± 5.73	50.77
H	6.04	7.19
O	38.51	39.89
N	2.132	2.164
S	< 0.3	0
C/N	22.5±1.29	21.9±1.9

2.3.5 BSG를 이용한 바이오커버 실험

말레이시아의 Shangari 외(2012)는 BSG와 퇴비를 혼합하여 실험실에서 100cm H × 15cm D 정도의 규모에서 실험을 진행하였다. 실험실에서 사용한 BSG와 퇴비의 화학적 성분들을 Table 10에 작성하였다. 이때 혼합비율은 7 : 3 (BSG : 퇴비)일 경우에 60~100%의 메탄 제거효율을 보였다. 이때의 변수 요인으로는 pH와 온도, 수분함량, 바이오 커버 두께였으며, 다른 변수들은 pH는 6~6.6, 수분함량은 60~66%, 온도는 30~40℃일 때 최대 메탄 제거효율이 Fig. 8과 같이 나왔으며, 바이오 커버 두께를 조정하면 Fig. 9처럼 시간이 지남에 따라 최대 100%까지 나올 수 있다는 것을 알게 됐고, 이때 두께는 50cm일 경우 100%가 제거되었다.

Table 10. 실험에 사용된 BSG와 퇴비의 화학적 성분

Parameter	퇴비	BSG
Moisture content (%)	62.17±0.14	70.58±0.14
pH	6.33±0.12	4.41±0.12
Organic matter (%)	63.6	73.6
Total carbon (%)	20.3	45.2 ± 5.73
Total nitrogen (%)	1.2	2.132
C/N	16.92	22.5±1.29

Fig. 8 바이오커버 주요 인자에 따른 메탄 제거효율 (Shangari, 2012)

Fig. 9 바이오커버 두께별 시간에 따른 메탄 제거효율 (Shangari, 2012)

2.3.6 커피 찌꺼기를 이용한 충전제 설계

위에 언급한 바와 같이 커피 찌꺼기는 BSG와 비슷한 성분을 지니고 있다. 따라서 우리는 Shangari 등의 실험에 BSG를 커피 찌꺼기로 대체하면 비슷한 결과 값을 나타낼 것으로 보인다. 커피 찌꺼기와 퇴비의 혼합물의 pH를 계산해보았을 때, 시료와 증류수 1:5 비율로 혼합하였고 이때 두 시료의 혼합물의 pH를 구해보았다.

퇴비의 pH : 6.33 ⟹ [H[eqn: {}^{+}]] = 10^(-6.33)

커피 찌꺼기의 pH : 5.93 ⟹ [H[eqn: {}^{+}]] = 10^(-5.93)

혼합물의 [H[eqn: {}^{+}]] =  10^(-6.33) * 3 + 10^(-5.93) * 7 / 10 = 9.6274*10^(-7)

혼합물의 pH = -log (9.6274*10^(-7)) = 6.02

퇴비와 커피 찌꺼기 비율이 3:7일 경우 pH는 6.02가 나온다. 위에 언급했듯이 pH가 6~6.6이 메탄 제거효율이 높으므로 커피 찌꺼기 또한 좋을 것으로 판단되며, 수분함량 또한 복토재로 활용했을 때 필요한 주요 인자에 근접하여 메탄 제거효율에 적합하다고 보인다.

다음으로 바이오 커버의 두께는 메탄 제거효율에 가장 많은 영향을 끼치는데 50cm일 때 메탄 제거효율이 100%가 나왔으므로 BSG와 커피 찌꺼기의 성분이 비슷하므로 설계 시 바이오 윈도우 충전제의 두께를 50cm로 설계하였을 시 메탄 제거효율이 높을 것으로 예상하였다.

2.4 바이오 윈도우 시뮬레이션

다음으로는 위 같이 설계하였을 경우 실제 매립지 내에서 발생하는 메탄을 어느 정도 산화 시키는지에 대한 시뮬레이션으로 장소로 수도권매립지를 선택하였다. 2020년도 수도권매립지 조사 결과 보고서에서는 1~3 매립장의 매립가스를 측정하여 보고하였으며, 각 매립장의 크기는 제1 매립장 4,089 천[eqn: m ^{3}], 제2 매립장 3,779 천[eqn: m ^{3}], 제3 매립장 1,033 천[eqn: m ^{3}]이고, 이때 매립장별로 2020년도 평균 메탄의 발생량은 제1 매립장 14,754,818m³/year (45.4%), 제2 매립장 158,577,865m³/year (46.4%), 제3 매립장 15,601,048m³/year (46.3%)로 측정하였고 약 40~50%의 메탄이 강제 포집되기 때문에 50%를 강제 포집한다고 가정할 시, 포집이 안 되고 표면 발산하는 메탄의 양은 각각 약 7,377,409m³/year (22.7%), 79,288,932m³/year (23.2%), 7,800,524m³/year (23.2%)가 된다.

그중 현재 매립이 진행 중인 제3 매립장을 대상으로 시뮬레이션을 해볼 생각이다. 먼저 제3 매립장의 매립된 매립지 면적은 1,033 천m³이고, 총 16구역으로 나누어져 있으며 위성 사진으로 면적을 측정했을 시 한 구역당 면적은 약 51,000m³이다.

Charlotte Shheuz 외(2011)는 바이오 윈도우 한 개당 최대 5000m³를 감당할 수 있다고 하였으므로, 5000m³로 가정하면 제3 매립장 한 구역에 총 12개의 바이오 윈도우를 설치할 시 매립지 내의 메탄을 감당할 수 있을 것이다.

바이오 윈도우 설계는 위에 설명한 정혜경 외(2019) 방식을 이용하며 이때 주 파이프인 폴리에틸렌 다공관은 바둑판 형식으로 충전제 설치장소를 지나가게 배치해주고 다른 파이프인 PVC 다공관은 가지 형식으로 주 파이프를 이어주어 LFG를 충전제로 유도할 수 있게끔 만들어 준다.

다음으로 충전제는 바이오 커버 실험을 하였던 Shangari 외(2012)의 충전제의 높이가 50cm 일 경우, 메탄 산화율 100%를 보여주었으므로 충전제의 높이를 50cm로 설계해준다.

이렇게 설계할 시 계절별 온도 및 강수량 등 환경적 요인을 생각하면 메탄 산화 효율은 최소 60%에서 최대 100% 효율을 볼 수 있을 것이라고 예상하고, 따라서 표면 발산하는 메탄 발생량을 최소 3,120,209m³/year (13.9%)에서 최대 0%까지 줄일 수 있을 거라고 예상하였다.

또한 바이오 커버로 설계 시 충전제에 필요한 커피 찌꺼기의 양은 약 17,850t이 필요하지만, 바이오 윈도우로 설계하면 약 54t의 커피 찌꺼기가 필요하다는 것으로 바이오 커버의 단점이었던 많은 양의 충전제를 확실히 줄인 모습을 볼 수 있었다.

245M

Fig. 10 제3 매립장 중 한 구역

210M

Fig. 11 제3 매립장 메탄 발생량 변화 및 커피 찌꺼기 소요량

3. 결론

바이오 윈도우를 커피 찌꺼기와 비료를 혼합한 바이오 커버로 사용 시 현재 많은 수요가 있는 커피 찌꺼기의 처리가 환경적인 측면에서 좋은 대체재로 활용될 것이며, 매립지에서 나오는 메탄과 악취 제거에 탁월한 효과를 볼 수 있을 것이다. 여러 논문을 살펴본 후 바이오 윈도우의 충전제를 pH 6~6.6, 수분함량 60~66%, 온도 30~40℃, 충전제의 두께 50cm 같이 영향 인자를 맞춰 줄 때 약 800만m3 정도의 표면 발산하던 메탄의 양을 약 60~100%의 메탄 제거효율을 보여줄 것이라고 예상했으며, 이때 바이오 커버로 설계 시 커피 찌꺼기는 약 17,850t을 충전제로 사용해야 하지만 바이오 윈도우로 설계 시 약 54t 정도 소요되며 바이오 커버에 비해 엄청나게 줄어드는 모습을 볼 수 있다. 하지만 이는 실험실에서 측정한 데이터이기 때문에 현장과는 다를 수도 있으므로, 따라서 앞으로 직접 설치할 때 바이오 윈도 설계에 필요한 면적, 높이, 파이프 재질 등 설계 인자의 최적화가 계속해서 연구되어야 할 것이다.

또한 현재 수도권매립지 같이 포집 시설이 잘 갖추어져 있는 대형 매립지에 같은 경우는 표면 발생량이 적어 굳이 바이오 윈도우 같은 친환경 매립시설을 설치 안 해도 된다고 생각할 수도 있지만 서론 부분에서 언급한 전 세계 공통과제인 탄소중립 정책으로 인해 우리나라는 2030년까지 2018년 대비 약 40%를 줄이겠다고 선언하였고, 지금 같은 체제들로 하면 힘들 수도 있다는 여러 기사 들을 보았다. ‘티끌 모아 태산’이라는 말이 있듯이 대형 매립지에서 나오는 소수의 온실가스를 억제하는 것도 앞으로 우리나라 목표에 도움이 된다고 생각한다.

따라서 바이오 윈도우를 설치하는 것은 우리나라 탄소중립 목표에 한 발자국 다가갈 수 있게 만들 것이다.

4. 참고문헌

구지선, 최승원, 어머니 선(Emission)의 에너지화를 위한 법제적 대응 - 폐기물의 자원화를 위한 기술개발에 대응한 법제 개편을 중심으로, 법학 논집 20권 4호, 207-226(2016)

국회입법조사처, 커피 찌꺼기 수거체계 확립을 통한 바이오에너지 연료자원화 방안, 보도자료, 2020

김현숙, 커피부산물 퇴비의 혼합비율이 원예식물생장에 미치는 영향에 관한 연구, 한세대학교 대학원 도시환경공학, 2016

김장영, 조우리, 이진주, 최정우, 이재섭, 이재영, 수열탄화를 이용한 커피 찌꺼기 BIochar의 최적 생성 조건 및 중금속 흡착 평가, J. Korea Soc. Waste Manag., Vol. 37, No. 8, 557-563(2020)

김장영, 조우리, 이재영, 열수가압탄화를 이용한 커피 찌꺼기 BIochar의 최적 생성 및 Toluene 흡착 평가, J. Korea Soc. Waste Manag., Vol. 38, No. 2, 76-184(2021)

남근우, 김민숙, 안지환, 커피부산물의 최근 연구 동향 및 서울시의 커피 찌꺼기 현황 분석, 4, 14-22(2017)

농촌진흥천 국립농업과학원, 커피박을 이용한 퇴비 제조 및 활용 매뉴얼, 유기농업기술서 18(2016)

수도권매립지관리공사, 2021 수도권매립지관리공사 통계연감. 제20호, 224-225(2022)

박지희, 커피 찌꺼기를 첨가한 배양물질에서 노루궁뎅이버섯과 느타리버섯의 재배 가능성에 대한 연구, 연세대학교 보건환경대학원 환경공학전공

정혜경, 고집약 하이브리드 바이오커버의 메탄 및 악취 동시 저감 특성 22(2018)

최희정, 혐기성 공동소화 공정에서 커피 찌꺼기 산 발효액이 바이오가스 생산에 미치는 영향, KSWST NO.4, 37-45(2021)

환경부, 지방자치단체의 LFG 재활용 사업 타당성 조사, 보고서, 2009

환경부 과학기술정보통신부 원천기술과, 보도자료 – 탄소중립 기술혁신 추진전략 발표, 2022

환경부 한국환경공단, 전국폐기물발생 및 처리 현황[2020년], 2021

Ana Cervera-Mata, Miguel Navarro-Alarcónb, José Ángel Rufián-Henares, Silvia Pastoriza, Javier Montilla-Gómez, Gabriel Delgado, Phytotoxicity and chelating capacity of spent coffee grounds: Two contrasting faces in its use as soil organic amendment : Science of the Total Environment 717, 137247(2020)

Chun, S.-K., “The Analysis of Main Factors Which Impact on Operation Rate and Power Production of Landfill Gas Power Plant,” J. Korean Soc. Environ. Eng., 38(3), 128-134 (2016)

Charlotte Shheuz, Anders M. Fredenslund, Jeffrey Chanton, Gitte Bunk Pedersen, Peter Kjeldsen, Mitigation of methane emission from Fakse Landfill using a biowindow system, Waste Management 31 (2011) 1018-1028

Feng, S.  J., and Zheng, Q.  T., “A Two-dimensional Gas Flow Model for Layered Solid Waste Landfills,” Computers and Geotech., 63, 35-145(2015).

Federico Battista, Serena Zanzoni, Giuseppe Strazzer, Maro Andreolli, David Bolzonella, The cascade biorefinery approach for the valorization of the spent coffee grounds : Renewable Energy 157, 1203-1211(2020)

Hyekyeng Jung, Kyung Cheol Oh, Hee Wook Ryu, Jun Min Jeon, Kyung Suk Cho, Simultaneous mitigation of methane and odors in a biowindow using a pipe network, Waste Management 100 (2019) 45-56

IPCC, Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part B: Regional Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2014

L. Massaro Sousa, M.C. Ferreira, Spent coffee grounds as a renewable source of energy: An analysis of bulk powder flowability, 43, 92-100(2019)

Lu WJ, Chi ZF, Mou ZS, Long YY, Wang HT, Zhu Y, Can a breathing biocover system enhance methane emission reducꠓtion from landfill? J. Hazard. Mater. 191, 228-233(2011)

Sagarika Panigrahi, Debajyoti Kundu, Rintu Banerjee, Brajesh Kumar Dubey, Enzyme pretreatment of yard waste to improve anaerobic biodegradability:Modeling the intheractive effects of enzme dose, tretment temperature and treatment duration on dilignification, Fuel 317 (2022) 123313

Siva Shangari, G.*, Agamuthu, P., ENHANCING METHANE OXIDATION IN LANDFILL COVER USING BREWERY SPENT GRAIN AS BIOCOVER, Malaysian Journal of Science 31 (2) : 91-97 (2012)

Teck-Ang Kua, Arul Arulrajah, Suksun Horpibulsuk, Yan-Jun Du, Shui-Long Shen , Strength assessment of spent coffee grounds-geopolymer cement utilizing slag and fly ash precursors : Construction and Building Materials 115 565–575(2016)