폭염, 쓰레기산의 잠자던 메탄도 깨운다

- 인공지능으로 기온 상승 시 매립지 메탄 배출량 증가 확인 -

[연구필요성]

메탄(CH₄)은 이산화탄소(CO₂)보다 온실효과가 100년 기준 약 28배 강한 대표적인 온실가스다. 특히 쓰레기 매립지는 전 세계 인위적 메탄 배출의 약 19%를 차지하는 주요 배출원으로, 기후변화 완화를 위해서는 매립지에서 발생하는 메탄 배출량을 정확히 산정하고 관리하는 것이 중요하다.

매립지 메탄은 유기물이 혐기성 상태에서 미생물에 의해 분해되며 발생하기 때문에, 기온과 강수량 같은 기상 조건에 크게 영향을 받는다. 하지만 기존 매립지 메탄 발생량 산정 모델은 지역별 기상 특성과 계절 변화를 충분히 반영하지 못해, 실제 배출량 예측 불확실성이 존재한다. 특히 사계절 변화가 뚜렷한 한국에서는 기온 상승, 강수량 변화와 같은 기상 변동성이 매립지 메탄 발생량에 어떤 영향을 미치는지 정량적으로 규명할 필요가 있다.

[연구성과]

연구진은 2005년부터 2021년까지 수도권매립지에서 측정된 메탄 발생자료와 폐기물 반입량, 폐기물 조성, 기온 및 강수량을 활용해 인공지능 기반 예측모델인 ‘CLEENopt’를 개발했다. 이 모델은 현장자료를 학습해 각 매립지의 환경과 운영 특성을 반영한다.

분석 결과, 기온이 1℃ 상승할 때 매립지의 메탄 발생량은 약 0.8~1.0% 증가했다. 강수량은 하루 평균 9~10㎜까지 메탄 발생을 증가시켰지만, 그 이상에서는 매립지 내부가 물로 포화되면서 가스 이동이 제한돼 발생량이 감소했다.

또한 운영 중이거나 비교적 최근까지 폐기물을 반입한 매립지가 폐쇄·안정화된 매립지보다 기상변화에 더 민감한 것으로 나타났다. 새 모델은 IPCC 모델과 미국 환경보호청의 LandGEM 등 기존 모델보다 실제 관측된 메탄 발생 추세를 더 정확하게 재현했다.

[기대효과]

이번 연구는 폭염과 강수 변화가 매립지 메탄 발생량을 변화시킬 수 있음을 수치로 제시했다. 향후 기상예보와 기후전망을 매립지 운영에 연계하면 고온기에 메탄 발생 증가가 예상되는 시설을 사전에 파악하고, 가스 포집시설 점검과 누출 감시를 강화할 수 있다.

인공지능을 활용해 시설별 배출 특성을 반영할 수 있기 때문에 전국 매립지의 맞춤형 메탄 예측과 관리에도 활용될 수 있다. 장기적으로는 국가 온실가스 통계의 정확도를 높이고, 폐기물 부문의 메탄 감축정책과 국가 온실가스 감축목표 이행을 지원하는 데 기여할 것으로 기대된다.

[본문]

□ 현장 측정자료 기반 매립지 메탄 산정 모델 개발

서울대학교 환경대학원 연구진은 수도권매립지의 장기 현장 측정자료를 활용하여 매립지 메탄 발생량을 추정하는 CLEEN_opt 모델을 개발하였다. 연구진은 기존의 1차 분해 모델의 기본 구조를 유지하며, 실제 매립지에서 측정된 매립가스 회수량, 표면 발산량, 간이 소각량을 반영하여 매립지별 메탄 발생 특성을 보정하였다.

기존에 실험실 조건에서 산정된 분해 상수를 실제 매립지 환경에 맞게 조정하고, 기온과 강수량, 폐기물 매립량, 폐기물 조성, 매립 경과 시간 등 메탄 발생에 미치는 요인을 반영하여 모델을 최적화했다. 특히 랜덤포레스트 기반 머신러닝을 적용해 기상 조건과 매립지 현장 특성 사이의 복잡한 비선형 관계를 반영하였다.

□ 기존 모델보다 관측값에 가까운 메탄 발생량 재현

연구진은 매립지 현장 기상 조건을 반영해 보정한 CLEEN_opt 모델을 기존의 IPCC, LandGEM, CLEEN 모델과 비교하였다. 그 결과 CLEEN_opt는 현장 관측 자료와 가장 가까운 결과를 보였으며, 기존 모델에서 나타나는 과대 추정과 변동성 문제를 줄일 수 있음을 확인하였다.

특히 수도권매립지 1 매립장과 2 매립장을 대상으로 한 계절 단위 비교에서 CLEEN_opt 모델은 메탄 발생량의 증가와 감소 추세를 잘 재현하였다. 운영 중인 매립지에서는 폐기물 반입과 현장 조건 변화로 인해 관측값의 변동성이 크게 나타났지만, 모델은 전반적인 메탄 발생 특성과 계절적 변화를 잘 설명할 수 있었다.

□ 기온 상승은 메탄 증가, 강수량은 적정 수준에서 최대 영향

연구진은 기온과 강수량이 매립지 메탄 발생량에 미치는 영향을 정량화하였다. 분석 결과, 기온이 1℃ 상승할수록 메탄 발생량은 약 0.8~1% 증가하는 것으로 나타났다.

강수량은 단순히 많을수록 메탄 발생량이 증가하는 것이 아닌, 적정 수준에서 가장 큰 영향을 보였다. 강수량이 약 9~10mm/d 수준일 때는 적절한 수분 공급으로 미생물 활동이 촉진되어 메탄 발생량이 증가했지만, 그 이상으로 과도한 폭우가 발생하면 매립지 내부 공극이 물로 채워져 가스 이동이 제한되며 메탄 발생량이 감소하는 역 U자형 반응을 보였다.

[연구결과]

Quantifying meteorological impacts on local landfill methane emissions by using field measurements and machine learning


Donghee Kim, Sujong Jeong, Dong Yeong Chang, and Jaewon Joo

(Atmospheric Chemistry and Physics, https://doi.org/10.5194/acp-26-7789-2026)

매립지 장기 현장 측정자료와 AI 기반 모델을 활용해 기온과 강수량이 매립지 메탄 발생량에 미치는 영향을 정량적으로 규명했다. 기온 상승은 메탄 발생량 증가와 뚜렷한 관련성을 보였으며, 강수량은 적정 수준에서 메탄 발생을 촉진하지만, 과도할 경우 감소하는 비선형 반응을 나타낸다. 이 연구는 기상 변동성을 반영한 매립지 메탄 산정과 감축 정책 수립의 과학적 근거를 제시한다.