매립지의 정비는 매립지를 안정화시키는 공종이라 하는데 어떤 안정화 과정이 진행되는지에 대한 이해가 필요하다.
우선 매립된 쓰레기의 조성은 안정화 측면에서 보면 첫째, 분해가 되지 않는 무기성 쓰레기인 건축폐재류의 벽돌, 토사, 폐아스콘 등과 둘째, 분해는 되지만 매우 서서히 분해되는 합성 유기물질의 비닐, 폐플라스틱, 폐목, 폐지, 폐섬유 등과 셋째, 주어진 환경에 따라 신속히 분해될 수 있고 분해에 따른 액상, 기상 부산물이 매우 많이 발생되는 분해가 용이한 유기물질인 음식물쓰레기와 유기성오니 등으로 이루어진다.
상기의 언급된 세 가지 종류의 쓰레기성분중 분해가 용이한 유기물질은 매립직후 비교적 신속히 인근 토양에 흡수된다. 즉, 원래의 유기물질 형상이 분해되어 없어지고, 인접 토양에 포함(흡수)된 유기성 물질로 변화하게 되는 것이다. 이러한 유기물질이 침투한 토양이 매립가스(LFG)와 침출수를 발생시키는 오염원이 되며, 매립지가 안정화된다는 의미도 결국 매립지내의 토사가 더 이상의 매립가스와 침출수를 발생시킬 수 없는 상태로 무기질화된다는 것을 의미하는 것이다.
1. 안정화의 정의
매립지가 안정화되었다 함은 매립된 폐기물의 생물분해 및 물리․화학적 분해가 완료되어 더 이상 매립층 침하 또는 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2)등의 가스가 발생되지 않는 상태에 도달했음을 의미한다.
다음 그림은 매립지의 안정화를 시기별로 정리한 것으로 이는 일반적인 흐름을 제시한 것이다.
매립지의 안정화는 매립종료 후 20여년에 걸쳐 이루어지는 것으로 보고되고 있으며, 안정화의 진행속도는 매립된 폐기물의 성분, 압축정도, 수분함량, 방해물질의 존재와 온도 등에 영향을 받게 된다. 이때, 안정화에 이르기까지는 침출수의 발생, 매립가스의 발생, 매립지의 지반침하 등의 문제로 인해 주변환경에의 악영향, 주민민원의 발생, 매립 후 토지이용계획 면에서 큰 장애요인으로 작용하게 된다.
2. 단계별 매립지의 영향
매립지를 아래와 같이 4단계로 나눈다면 가장 환경오염이 우려되는 단계는 폐기물이 매립되기 시작하는 운영단계 및 사후관리 단계일 것이다.
2.1 운영단계의 영향
운영단계는 짧게는 몇 년에서 대규모 매립지의 경우 20년 이상 장기간 지속될 수 있다. 사후관리 단계는 사용종료된 매립지가 여전히 안정한 상태로 유지되고 있는지 여부를 검사하는 단계로 어느 정도 기간이 소요되는지를 예측하기는 매우 어렵다.
생활쓰레기 매립지의 경우 규모에 따라서 다소 차이가 있기는 하나 대체로 매립완료 후 5년이 경과하면 사람이 통제 할 필요성이 줄어들며, 10년이 지나면 거의 안정화가 완료된 것으로 볼 수 있다.
매립지에 의한 환경오염은 폐기물내로부터 배출되는 오염물질에 기인한다. 매립지를 부적절하게 설치, 운영할 때 야기되는 환경오염으로는 아래와 같은 것이 있다.
♦ 침출수에 의한 지하수 오염
♦ 우수 유출에 의한 지표수 오염
♦ 병원균 매개체 서식 – 파리, 모기, 쥐, 새 등
♦ 폐기물의 흩날림
♦ 악취, 먼지, 분해가스, 유해가스, 화재 등
또한, 이외의 매립지 운영에 따른 환경상의 영향은 아래와 같은 것을 생각할 수 있다.
♦ 미관 훼손
♦ 소음
♦ 교통체증
♦ 매립지 바닥 및 사면붕괴
♦ 동․식물 서식처의 파괴
2.2 사후관리단계의 영향
운영단계가 끝난 후 사후관리 단계에서는 위에서 언급한 바와 같이 5년이 경과하면 사람이 통제 할 필요성이 줄어들며, 10년이 지나면 거의 안정화가 완료된 것으로 볼 수 있듯이 환경에 대한 악영향이 다양하지 않고 대체로 아래와 같은 영향을 생각할 수 있으며 그 지속시간은 매우 길어질 수도 있다.
♦ 침출수에 의한 지하수 오염
♦ 매립가스 및 유해가스 발생
♦ 매립지 위에 서식하는 식물의 오염
이와 같이 매립지의 설치운영으로 인한 주변의 환경오염은 운영단계와 사후관리 단계에 걸쳐 매우 다양하지만 가장 장기간에 걸쳐 우려되는 영향은 침출수 누출로 인한 지하수 오염이다.
3. 매립지내 안정화 과정
3.1 매립지내 반응
매립지의 효율적인 운영 및 사후관리를 위해서는 매립기간 중이나 매립완료 후 매립지내의 반응을 이해하는 것이 중요하다. 생활쓰레기 등 일반폐기물 매립지의 경우는 분해 가능한 유기물이 폐기물내 다량 함유되어 있기 때문에 상당히 활발한 반응이 일어난다. 결과적으로 매립층을 통과하는 침출수는 매우 오염도가 높으며 가스발생량도 상당히 높은 편이다. 반응은 크게 생물학적, 물리적, 화학적 변화로 나누어 볼 수 있으며 좀 더 세분화하면
♦ 미생물학적 반응 – 부패하기 쉬운 유기물질의 호기성, 혐기성 분해
♦ 화학적 산화
♦ 매립지내 가스의 이동 및 배출
♦ 침출수의 발생 및 이동
♦ 침출수에 의한 유기물질과 무기물질의 용출
♦ 공극 사이로의 물질의 침투에 의한 불규칙적인 매립층 침하등으로 나누어 볼 수 있다.
3.2 매립지내 반응
폐기물내의 생물학적으로 분해가능한 유기성분은 매립과 동시에 분해가 시작된다. 처음에는 호기성상태 하에서 분해가 시작되어 매립지내 산소가 거의 소비되면 혐기성상태의 오랜 분해반응으로 이어진다. 유기물질의 분해율은 물질의 특성과 넓게는 수분함량에 의해 달라진다.
일반적으로 폐기물내 유기물질은 아래의 세가지로 분류할 수 있다.
♦ 섬유질(Cellulose)과 그 화합물을 포함한 유기물
♦ 탄수화물, 지방, 단백질 등 분해가 용이한 유기물
♦ 플라스틱, 고무, 가죽류
섬유질(Cellulose)은 종이, 목재, 자연섬유류의 주 구성물질로 분해속도가 비교적 느리며 단백질, 탄수화물, 지방 등은 분해속도가 매우 빠른 유기물이다.
제한된 양의 무기염류와 수분은 위의 물질과 결합되어 존재한다. 위의 폐기물 성분으로부터 혐기성 분해에 의한 주요 최종산물은 부분적으로 안정화된 유기물, 중간대사물질인 유기산 그리고 다양한 성분을 함유한 가스(CO2, CH4, NO2, H2, H2S 등)이다. 보통조건에서 분해율은 가스발생으로 측정하면 초기 2년내 최고에 도달하며 10년 이상 다량의 가스가 발생된 후 25년 이상 미량이나마 지속적으로 가스가 발생된다.
만약, 매립지내에 수분공급이 이루어지지 않는다면 유기물질의 분해는 이루어지기 어려울 것이다. 이는 수분함량이 매립지내 가스발생량에 커다란 영향을 주고 있음을 의미한다.
3.3 매립지의 안정화 과정
매립된 폐기물이 미생물 분해작용을 거쳐 안정화되고 있으며, 이에 따라 발생하는 매립가스, 침출수 또한 밀접한 관계가 있어 가스, 침출수의 발생특성을 조사하기 전에 매립지의 안정화 과정의 검토가 필요하다.
가. 매립가스
매립지에서 발생하는 가스를 가능한 조속히 배제하는 것은 위험방지뿐만 아니라 매립지 내부의 분해를 빠르게 하여 매립지의 안정화를 촉진시키게 되어 매립지 상부의 조기이용을 이룰 수 있게 한다.
또한, 매립층내에서는 다음 4단계에 의한 분해과정이 이루어지며, 매립지의 생물학적인 안정화 과정은 매립지에서 발생되는 가스성분과 침출수의 구성성분으로 구분된다.
전반적으로 매립층내에서 일어나는 분해과정에 따른 발생가스 구성변화를 보면 아래 그림과 같이 발생가스는 CO2, H2O 등이다.
제1단계는 호기성분해 단계로서 매립초기 혼입된 공기가 존재하여 호기성균에 의한 분해과정이 이루어진다. 고분자 지방질의 경우 가수분해되어 휘발성 지방산과 글리세롤로 전환된다.
제2단계는 임의성분해 단계로서 매립층내의 산소가 고갈됨에 따라 혐기성 분해로 전환되는 중간단계로 임의성 미생물(산생성 박테리아)에 의해서 산발효가 일어나므로 휘발성 산의 증가와 동시에 pH가 감소하며, CH4가 형성되지 않는 단계이다. 이 단계 초기에는 무기이온(Cl-, SO42-, Mg2+, Na+)이 증가하여 침출수의 특이한 성상에 많은 영향을 준다. 발생가스는 유기산, 알콜, CO2, NH3, H2 등이다.
제3단계에는 혐기성 분해 단계로서 매립 후 180~500일이 경과하는 동안 일어난다. 메탄생성 박테리아가 서서히 성장하기 시작하면서 매립지내에서 발생하는 가스중의 CH4 함유율이 증가함에 따라 CO2 와 H2의 비율이 낮아지게 된다. 발생가스는 유기산, 알콜 → 아세테이트, H2, CO2 및 아세테이트, H2, CO2 → CH4 의 전환단계를 거쳐 생성된다.
제4단계는 안정된 혐기성분해 단계로서 매립 후 2.5~6년이 경과한 후에 일어난다. 가스 발생량과 구성비가 일정한 상태의 안정적인 단계로서 전체 발생가스 부피의 CH4의 조성이 50~70%, CO2의 조성은 30~50%로 된다. 이 단계는 매립지가 생물학적으로 안정화되는 단계로서 수년간에 걸쳐 진행된다.
이 단계가 지나면 생물학적으로 분해되지 않는 난분해성 유기물이 잔존함으로서 더 이상의 분해가 일어나지 않으므로 메탄가스 발생율은 낮아지고 대기 중에 있는 질소와 산소가 매립지 내부로 분산되어 매립지 상층부는 호기성 조건이 되며, 매립방법 및 주위환경에 따라 단기간에서부터 수십년간에 걸쳐 진행된다.
매립지에서 발생하는 가스는 CH4, CO2, N2가 주된 성분이고 그 외에 NH3, CO, H2S, O2등으로 구성되어 있다. 유기성 폐기물의 혐기성 분해에 의해 발생되는 가스의 주성분은 CO2와 CH4이며, CH4의 경우 대체로 55%, CO2의 경우 45%를 차지한다. 초기에는 CO2의 농도가 CH4보다 높은데 이는 호기성 분해의 결과이며 산소가 소비되고 나면 혐기성분해로 이어진다.
일정한 기간이 지나고 나면 가스의 조성이 비교적 일정해지며 CH4의 양이 CO2의 양보다 다소 높아지는데 이는 시간이 지남에 따라 CH4의 발생이 증가하고 CO2는 매립지 아래층으로 확산되기 때문이다.
나. 침출수
침출수란 폐기물을 통하여 걸러지고 그것으로부터 용해되거나 부유되어 있는 물질이 추출된 액체이다. 매립지에서 발생하는 침출수의 대부분은 외부로부터 유입된 우수이며, 폐기물의 분해로 생성된 액체, 폐기물 자체의 보유수분도 포함된다.
침출수 수질은 폐기물의 종류, 매립방법, 매립규모와 매립기간에 따라 크게 차이가 있다. 좀더 정확히 침출수 수질을 결정할 때는 강우량, 매립방법, 매립년수, 매립지 지형, 기상조건 등을 고려해야 한다.
침출수의 특성을 살펴보면 장마철에는 많은 우수가 매립층 내를 통과하는 바 침출수의 수질이 악화되며, 매립초기 침출수는 미분해성 유기산 농도가 높아 휘발성 유기산 농도와의 비가 100 : 1 정도이다. 유기산은 분해되어 혐기성 및 호기성 매립에 의해 분해되기 쉬운 유기산으로 된다. 주로 호기성 매립시는 미분해 된 유기산이 적고 혐기성 매립시는 유기산 농도가 높다.
혐기성 매립시 침출수는 엷은 다갈색이나 암갈색이고 부패성 냄새를 풍기며, 매립초기는 pH 6~7로 약산성이지만 점점 높아져서 pH 7~8이 된다.
BOD는 용해성 BOD가 25,200~36,200㎎/ℓ로 높고 COD는 2,060~3,870㎎/ℓ로서 BOD보다 낮고 경년적 감소율이 완만하며, SS는 300㎎/ℓ이하다. NH3–N는 400~1,000㎎/ℓ로 과다 함유해 악취가 발생하며, 총질소 중 10%정도가 유기성 질소이며, 중금속은 침출수와 수처리 약품으로부터 발생한 Hg, Cd, Pb, Zn이 약간 함유되어 있다.
다. 매립지의 침하와 구조적 특성
매립완료된 매립지의 활용계획을 결정하기 이전에 매립지의 침하와 구조적 특성을 고려하여야 한다. 매립지의 침하는 초기다짐, 폐기물의 특성, 분해정도와 압밀의 효과 등에 영향을 받는다. 초기다짐 정도가 매립지의 침하에 미치는 영향을 그래프로 나타내면 다음 그림과 같고, 여러 연구를 통하여 최종침하의 90%가 초기 5년 이내에 일어난다고 알려져 있다.
상기 그림에서와 같이 다짐 정도에 따라 침하의 차이가 매우 심함을 알 수 있으므로 정확한 침하의 정도를 파악하기 위해서는 과거의 다짐 이력도를 파악하는 것이 침하량 추정에 상당한 도움을 준다.