일반적으로 폐기물 매립지에서 발생되는 매립가스(Landfill Gas)는 매립 폐기물중 유기물질의 혐기성 분해시 발생되는데, 이러한 매립가스의 성분은 지구온난화 유발물질인 메테인(CH4)과 이산화탄소(CO2)가 주류를 이루며, 인체에 유해한 휘발성유기화합물(VOCs)과 황화수소(H2S), 메르캅탄 등 악취유발물질이 함유되어 있어 매립지 표면으로 유출시 공공의 위생에 위해를 주거나 주변 생태계에 나쁜 영향을 미치게 된다.
따라서 매립완료 후에도 장기간 지속적으로 발생하는 매립가스의 처리를 위한 적절한 포집 및 처리시설의 설치와 운영은 공중보건 및 향후 토지활용도 향상과 매립지의 조속한 안정화를 위해서 매우 중요하다.
1. 매립가스 발생 기작
폐기물 매립층에서 발생하는 매립가스(LFG, Landfill Gas)는 매립 후 경과시간에 따라 일련의 분해과정(5단계)을 통하여 발생되는데, 다음 그림과 같은 추세를 가지게 된다.
♦ 1단계 (초기조정 단계, Initial Adjustment)
매립초기 단계로 쉽게 분해되는 물질이 CO2로 전환되면서 매립지 내부의 산소를 소비하는 호기성 분해 단계이다.
♦ 2단계 (전이 단계, Transition Phase)
매립층내 산소가 대부분 소비되어 호기성에서 혐기성으로 전이되며, 산형성 미생물이 혐기성 조건하에서 지방산, CO2, H2를 형성하는 초기 산형성단계로 침출수의 pH가 유기산의 형성 및 CO2의 증가로 하강하기 시작한다.
♦ 3단계 (산형성 단계, Acid Phase)
유기산의 생성이 급증하게 되고 CO2, H2가 점진적으로 감소하고 CH4 발생량이 점차 증가하는 단계로 pH가 5.0정도까지 하강하며, BOD 및 COD는 증가한다.
♦ 4단계 (메테인발효 단계, Methane Fermentation Phase)
산형성 단계에서 생성된 Acetic Acid와 H2가 미생물들에 의해서 CH4와 CO2로 전환되어진다. 이 단계의 미생물들은 완전한 혐기성 상태 하에서 생물학적 전환을 일으키는데, 이러한 과정에 참여하는 미생물들을 Methanogen 또는 Methane Former라 한다. 본 메테인발효 단계에서는 CH4와 CO2로 전환량이 커짐에 따라 산형성 비율이 현저히 감소된다.
♦ 5단계 (숙성 단계, Maturation Phase)
메테인 단계에서 생분해 가능한 유기물질들을 CH4와 CO2로 전환시켜 안정적으로 발생하게 되며, 수분은 폐기물을 통하여 지속적으로 공급되고 생분해 정도가 늦은 유기물질도 분해되어 CH4 와 CO2로 전환된다.
2. 매립가스의 특성
매립가스는 상당히 다양한 종류의 가스들로 구성되는데, 그 중에서 대부분의 양을 차지하는 것은 메테인(CH4)과 이산화탄소(CO2) 이며, 이중 CH4의 농도가 공기중에서 5~15%일 경우 화재 및 폭발의 우려가 있으므로, 만약 폐기물의 굴착작업 등을 시행할 경우에는 악취의 제거목적뿐 아니라, 메테인농도의 저하를 위한 사전대책이 필요하다. 일반적으로 유기성폐기물이 포함된 매립층에서 발생되는 매립가스의 통상적 구성비는 다음 표와 같다.
3. 매립가스 포집 및 처리방식 검토
매립가스의 처리를 위한 포집방식은 매립지 규모 및 매립경과년도, 주변여건 등에 따라 여러 가지 방식이 적용되고 있으며, 매립가스 처리의 가장 중요한 요인은 매립지의 안정성(폭발 등) 및 매립가스 확산에 의한 주변지역의 환경영향을 최소화하기 위하여 적절한 방법으로 포집․처리하는 것이다.
매립가스의 포집방식은 크게 강제포집방식과 자연배출방식으로 구분할 수 있으며, 일반적으로 매립지 규모가 크고, 자원화(전력생산, 연료화)가 가능하거나, 매립가스 발생량이 많아 누출시 주변지역 환경에 민감한 영향을 초래할 가능성이 많은 경우에는 강제포집방식을 적용하고, 비교적 매립지 규모가 작고 가스발생량도 적어 누출시 주변지역 환경영향이 미미하다고 판단되는 경우에는 자연배출 방식을 적용하고 있다.
본 내용은 매립가스 발전에 대하여 다루었으므로 상기 2개 방식중 강제포집방식에 대하여 살펴보도록 한다.
4. 매립가스 자원화시스템
일반적인 매립가스 자원화 사업의 주요공정은 매립가스 포집시스템, 전처리시스템, 발전시스템, 계통연계시스템으로 구성된다.
4.1 매립가스 포집시스템
LFG의 포집방식은 포집효율이 우수하고 유지관리가 용이한 수직포집방식이 주류를 이루는데, 가스의 포집 용이성 및 시공성을 고려하여 영향반경 중앙에 수직으로 폐기물층을 천공 후 유공관과 투과성이 우수한 자갈을 공간에 채우는 점(Point)포집방식과 최근들어 영향반경 모두에 플라스틱보드를 조밀하게 수직간격으로 설치 후 상부는 플라스틱보드를 수평으로 설치하여 가스 통로로 이용하는 면(Face) 포집방식 등이 활용되고 있다.
따라서 수직정에서 포집된 매립가스를 처리시설까지 이송하기 위해서 다음과 같은 2가지 이송단계를 가정하여 살펴볼 수 있다.
점(Point)포집방식 흐름도 : 수직정 → 개별배관 → 매니폴더 → 헤더관 → 전처리시설
면(Face)포집방식 흐름도 : 수직다발정 → 수평포집판 → 포집관 → 접합정 → 개별배관 → 매니폴더 → 헤더관 → 전처리시설
4.2. Manifold Station
Manifold Station은 LFG 포집설비중 가장 핵심적인 유지관리 설비로써 수직포집시설의 포집 압력, 유량 및 성상을 관리하고, 가스 자동 압력조절밸브에 의해 개별배관내 응축수에 의한 고임현상 및 각 개별배관 간의 압력균형을 유지한다. 또한, 각 개별배관에서 포집상태를 monitoring 하여 메테인농도가 낮은 경우에는 Bad gas 포집라인으로, 메테인농도가 양호한 경우 Good gas 포집라인으로 연결하여, Good gas는 엔진으로, Bad gas는 flare stack으로 이송함으로써 가스엔진에 보다 메테인함량이 높은 양질의 매립가스 공급이 가능한 설비이다.
Manifold Station의 구성
♦ 개별배관 약10~15라인이 1개소의 Manifold Station에 연결되도록 구성
♦ 각 개별배관별로 성상 및 압력 monitoring을 위한 측정구 설치
♦ 가스 자동 압력조절 밸브 및 차단밸브 설치
♦ Good / Bad 분리 포집관 설치
4.3 매립가스 전처리시스템
전처리시스템은 LFG를 엔진발전기 연료로 활용하기 위하여 수분 및 불순물을 제거하고, 적정 온도 및 압력을 유지하는 기능을 한다.
일반적인 전처리시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
♦ 매립가스의 수분을 제거하기 위한 냉각･응축･제습설비
♦ 냉각･응축･제습설비는 Gas Cooler, Chiller, Demister로 구성
♦ Gas Cooler는 shell‐tube 타입을 기본으로 하며, 매립가스를 5℃로 냉각하여 수분을 응축시키고, Demister에서 분리 제거
♦ 매립가스 포집을 위한 Blower를 설치하고 일정 압력을 유지하기 위한 By‐pass 및 Regulator 설치
♦ 매립가스 성상 중 CH4, CO2, O2 농도를 Monitoring 할 수 있는 측정장치를 설치
♦ 매립가스를 소각할 수 있는, Flare Stack을 설치
4.4. 매립가스 발전시스템
매립가스의 에너지회수는 보통 전기로 전환시키는데 일반적으로 5MW이하의 작은시설은 이중연료 내연기관엔진(Dual Fuel Internal Combustion Piston Engines)이나 가스터빈(Gas Turbines)을 사용하며 이 보다 큰 시설에서는 스팀터빈을 사용한다.
현재 대부분의 매립장에서 사용하고 있는 발전시스템의 기능을 살펴보면, 일반적으로 컨테이너 형 가스엔진발전기에 의해 전력을 생산하여 발전소내 전력 소비 후 국가 전력 망으로 송전한다. 가스엔진 발전기의 주요구성은 다음과 같다.
♦ Turbo Charger IC type Gas Engine
♦ Generator (380V or 6.6KV)
♦ 냉각수 순환시스템
♦ 엔진오일 순환시스템
♦ 공기 공급 및 배기 시스템
♦ 연료가스 및 연소공기 공급 및 혼합 시스템
♦ 엔진제어시스템
4.5 계통연계 시스템
계통연계는 발전소에서 생산된 전기를 전력계통에 병입시켜 안전한 병렬운전을 도모하고 불의의 사고 발생시 신속하게 감지하여 정확하게 차단하도록 구성된 전기설비로 그 구성을 살펴보면 변압설비, 스위치기어설비, 동기화설비 및 System 보호설비로 구성된다.
♦ 변압설비 : 전기를 감압 또는 승압시키기 위한 설비(변압기)로 발전기에서 생산된 전기를 전력계통과 동일한 전압으로 변압시키는 설비
♦ 스위치기어설비 : 각종 계기, 제어 개폐기, 계전기 및 모선을 금속함에 설치한 고압 배전반으로 발전소에서 생산된 전기를 전력계통에 안전하고 정확하게 연결시키는 설비
♦ 동기화설비 : 발전소에서 생산된 전기의 전압, 주파수, 위상을 전력계통과 동일한 상태로 만든 후 병렬운전하기 위한 설비
♦ System 보호설비 : 전기계통 및 전기기기의 이상 상태를 신속하게 검출하고 안전하게 차단하여 위험으로부터 생명과 재산을 보호하기 위한 설비
