음폐수육상처리기술동향 한국생산기술연구원여국현연구원 Ⅰ. 개요 1. 음폐수처리의중요성 가. 음폐수처리현황과중요성 음폐수는일반적으로음식물류폐기물폐수 ( 음폐수 ), 음식물침출수, 음식물탈리액등으로불리며, 대부분음식물류폐기물의재활용과정에서염분제거를위한세척수와음식물류폐기물에함

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재모 인
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1 호 ( ) f 음폐수육상처리기술동향 - 1 -

음폐수육상처리기술동향 한국생산기술연구원여국현연구원 Ⅰ. 개요 1. 음폐수처리의중요성 가. 음폐수처리현황과중요성 음폐수는일반적으로음식물류폐기물폐수 ( 음폐수 ), 음식물침출수, 음식물탈리액등으로불리며, 대부분음식물류폐기물의재활용과정에서염분제거를위한세척수와음식물류폐기물에함유되어있는수분등에의해발생되고있다.

2 음폐수육상처리기술동향 한국생산기술연구원여국현연구원 Ⅰ. 개요 1. 음폐수처리의중요성 가. 음폐수처리현황과중요성 음폐수는일반적으로음식물류폐기물폐수 ( 음폐수 ), 음식물침출수, 음식물탈리액등으로불리며, 대부분음식물류폐기물의재활용과정에서염분제거를위한세척수와음식물류폐기물에함유되어있는수분등에의해발생되고있다. 처리시설로반입되는음식폐기물대비배출되는음폐수비율은퇴비화시설의경우약 50%, 사료화시설의경우약 70% 정도로그림에나타낸것과같이음폐수해양배출량과비율은 2004 년 1,989 톤 / 일 (49.6%) 에서 2006 년최대 5,420 톤 / 일 (65.9%) 까지증가하였으며, 년에는 4,007 톤 / 일 (42.2%) 로감소된것으로보고되었다. 이는하수처리장이나수도권매립지등에서침출수와의병합처리등육상처리량의증가에따른영향이다. < 그림 1> 음폐수발생및해양배출현황 - 2 -

3 농업화사회에서는지금의인구보다훨씬적고적절한자원사용으로인한폐기물발생이적어자연정화능력으로도충분히폐기물의처리가가능하였다. 하지만, 오늘날산업발전으로인한도시화에따른급격한인구증가는유해한폐기물을대량발생시켜그처리에한계성을갖게되었다. 음식물류폐기물의자원화과정은염분제거를위한세척과수분을제거하는탈수과정등을거쳐야한다. 이때고농도의유기성폐수인 음폐수 ( 음식물탈리액 ) 가발생한다. 일일약 8,470 톤에달하는음폐수가발생하는데, 이음폐수는부패하기쉬우며악취유발및침출수유출시 2 차오염이우려되는문제점을가지고있다. 그동안이러한음폐수의절반이상을해양투기로처리하였으나, 2006 년 3 월부터 런던 96 의정서 가발효되고 2013 년 1 월부터해양배출이금지됨에따라국내의음폐수의육상처리방안개발이시급해졌다. 현재중요한현안으로대두되고있는음폐수로인한문제점을해결함으로써환경오염부하를현장에서실질적으로절감할필요성이높아지고있다. 나. 음폐수처리기술 1) 혐기성음폐수소화공정 유기성폐기물의생물학적처리공정중혐기성처리방법은적은에너지소모와유용한가스로의전환, 고농도유기화합물을분해할수있는능력그리고잉여슬러지감소등으로다른생물학적처리나물리 화학적처리공정과비교하면환경오염방지측면과폐기물로부터에너지재활용이라는면을고려할때상당히바람직한폐기물처리공정이될수있다. 하지만유기성폐기물의혐기성소화공정에서는수일간에이르는장기간의처리시간과알코올의산생성과메탄생성간의불균형성장에서비롯되는안정도, 운전의어려움, 가스에서나오는악취, 발생메탄가스의정제와저장등문제해결을위한연구가계속되고있다. 혐기성소화를이용한유기물질분해는산소가없는상태에서여러가지미생물을이용해 CO2 와 CH4 로분해하는복잡한과정을거친다

4 < 그림 2> 혐기성처리공정에서일어나는유기물분해과정 혐기성소화공정에서분해과정은가수분해 (Hydrolysis), 산생성 (Acidogenesis), 초산 생성 (Aceto genesis), 메탄생성 (Methanogenesis) 의 4 단계로구분된다. 일반적인반응 식을살펴보면다음과같다. C10H19O3N 5.78CH CO C5H7O2N NH HCO3 첫번째단계는가수분해 (Hydrolysis) 단계로지방, 단백질등고분자화합물들이미생물이방출하는세포외효소 (Extracellular enzyme) 에의해지방산, 아미노산, 글리세롤등으로분해되고고리가긴유기산및알코올, 수소, 이산화탄소등을생성한다. 이단계는온도와 ph 및고형물의크기나형태등에도영향을받으며유기산에의해서저해를받을수있어전체혐기성소화단계중가장느린속도의반응단계인율속단계로볼수있다. 두번째단계는산생성 (Acidogenesis) 단계로유기산균이 Acetic acid, H2, CO2 를생성하는단계이다. 세번째단계는초산 생성 (Acetogenesis) 단계로초산생성균이 Acetic acid 를제외한물질들을초산으로 변화시키고다음단계로넘어가며 CO2 와 H2 를생성한다. 마지막메탄생 성 (Methanogenesis) 단계에서는 Acetic acid 을분해하여 CH4 및 CO2 를생성하고 - 4 -

5 CO2 와 H2 를 CH4 로전환한다. 단백질, 지방등모든유기물을메탄발효의기질 (Substrates) 로서이용할수있는데, 메탄생성균은메탄올, 메틸아민, 일산화탄소, 수소, 이산화탄소등을기질로이용한다. 메탄은초산에서약 70%, 수소와이산화탄소의반응으로약 30% 가생성된다. < 그림 3> 혐기성소화분해단계 2) 분리막 (Membrane) 을이용한공법 분리막을이용한공법은음식물폐수의처리에있어전처리 ( 고형물제거를위한응집, 고액분리 ) 공정과생물학적처리공정 ( 표준활성오니법 ) 을거친후남아있는오염물질 (BOD 500mg/L,COD 1,000mg/L 등 ) 을방류수준으로제거하기위한처리기술로서, 방류수준에따라 UF(Ultrafilteration) 와 NF(Nanofilteration) 가적용된다. 본공법은음식물자원화시설에서발생하는탈리액및전체시설에서발생하는모든폐수를집수처리하는방식으로, 고농도의탈리액을여과하면여과막의막힘현상으로여과막의교체주기가짧아져운영비용이상승한다 3) 감압증발방식 감압증발농축기 (Evaporator) 는열을가하여액상의용매 (solvent) 를증기로변화시켜물질분리 (MaterialSeperation) 하는방식으로, 많은공정을거치지않고공정이매우단순하다는장점이있다. 데칸타를거친탈리액을감압증발농축기안에서외부가온에의해액상과용매로분리후남은용매를처리하기때문에일반수처리공법에비해단순하여가동이용이하거나기계부분이많아유지에어려움이있다. 본시설의운영비용은외부가온에소요되는비용에따라변화폭이매우큰데, 일반적으로열원을유류로이용할경우여타처리공법에비해비용부담이크다

4) 호기 - 혐기성매립 호기-혐기성매립은운전방식을호기-혐기상태로바꾸어주어운전하는방식이다. 운전초기쉽게생분해가가능한물질은호기성상태에서처리한후, 나머지물질은혐기성상태로처리하는운전방법이다. 생물반응조형매립공법에서의매립방법에따른분류로는침출수재순환을중심으로많이수행되어왔다.

6 4) 호기 - 혐기성매립 호기-혐기성매립은운전방식을호기-혐기상태로바꾸어주어운전하는방식이다. 운전초기쉽게생분해가가능한물질은호기성상태에서처리한후, 나머지물질은혐기성상태로처리하는운전방법이다. 생물반응조형매립공법에서의매립방법에따른분류로는침출수재순환을중심으로많이수행되어왔다. 침출수재순환을통한매립지의운영목적은미생물에미생물활동을위한충분한수분공급으로매립종료후 5 년에서 10 년사이의분해가능한유기성폐기물의반응을촉진시켜빠르게안정화시키는것이며, 이러한방법은매립지의다른현상보다폐기물의분해와전환을 증가시키는효과적인방법이다. EPA 에서는최적의상태를유지할수있는함수율을 35~65% 로제시하고있으며, 생물반응조형매립에서는이상태를유지하기를권고한다. 현재이용되는침출수재순환방법으로는침출수를매립지에살수하는방법, 침출수를매립지표면에살포하는방법, 표면저류조를이용하는방법, 수직정을이용하는방법, 수평트렌치를이용하는방법등이있다. 가장일반적으로사용하는방법으로는수직정을이용하는방법이며 Delaware 의 Worcester County 매립지, Missouri 주의 Lemins 매립지등에서적용하였다. 이방식은유공부위를가진수직정을통하여침출수가폐기물매립지내부로주입되는방식이다. < 그림 4> 호기 - 혐기성생물반응조형매립 - 6 -

7 Ⅱ. 동향분석 1. 국내연구개발동향 가. 태안군음폐수처리최적화공법도입 음폐수처리에태안군이 ' 음폐수처리최적화공법 ' 을도입해위탁처리비를절감하고대기오염물질과약품사용량을대폭줄이는획기적인행정을펼쳤다 년 4 월부터 12 월까지 9 개월간 음폐수 에대해군환경관리사업소에서가동중인자체시설을연계활용해위탁처리비 2 억원을절감하고, 대기오염물질 ( 질소산화물 ) 발생저감과약품 ( 요소수 ) 사용량을 34% 나대폭줄이는큰성과를거뒀다. 군이도입한자체시설연계방법은 침출수처리시설 과 분뇨처리시설, 소각시설 을연계해처리하는방법으로침출수처리시설및분뇨처리시설을활용해물리 생물학적으로고도처리하거나고온 (850 이상 ) 의스토커방식소각로내로분사하여소각처리하는방법이다. 실제로 2013 년도에는음식물반입량 5912 톤에서음폐수가 3779 톤이발생해자체처리 838 톤 (22.1%) 을뺀 2941 톤을위탁처리해위탁처리비 2 억 84 백만원이소요된반면, 2014 년에는음식물반입량 6879 톤중 4000 톤의음폐수가발생해이중 3008 톤 (75.2%) 를자체처리하고 992 톤 (24.8%) 만위탁처리해지난해위탁처리비는 9 천여만원에그쳤다. 또한, 대기오염물질 ( 질소산화물기준 100ppm) 은약품 ( 요소수 ) 사용량을 2013 년 1 만 2906l 보다 4318l(34%) 가감소한 8588l 를사용했음에도 2013 년 48.3ppm 에서지난해는 34.6ppm 으로 13.7ppm(28%) 가줄어드는등음폐수자체시설연계처리방식은일석삼조의효과를거둔것으로나타났다. 특히, 이번자체연계처리는음폐수연계처리기반을조성해추진중인 음식물류폐기물공공처리시설설치사업 시공사비 25 억원이절감될것으로예측되고있으며, 앞으로음폐수위탁비및유지관리비등연간 5 억원의예산을절감하는등최적화된공법도입으로안정적인처리기반이구축될것으로기대되고있다. 나. 강원도홍천군소매곡리친환경에너지타운 강원도홍천군이환경혐오시설을선호시설로바꾸고환경과에너지문제를동시에해결하는국내최초로친환경에너지타운을조성하고있어주목을받고있다. 그동안유사사업들은가축분뇨와음식물쓰레기를혐기성미생물로소화시켜메탄가스를생산하고발전을하는형태이다. 하지만홍천군시범사업은같은방식으로생산한 - 7 -

8 메탄가스를도시가스회사에공급하고이를도시가스회사가정제해도시가스로전환, 지역주민들에게공급하는방식으로진행되고있다. 이를통해연간 60 만m3의도시가스를생산할예정이며이는 750 세대에공급이가능한도시가스량이다. 정부는친환경에너지타운조성사업을위해해외우수사례를참고했으며독일윤데마을은세계최초의바이오에너지마을로유명하다, 정부는시범사업추진을통해성공사례를만들어전국적으로확산시킨다는방침을세우고있으며현재소매곡리는등유 액화천연가스 (LPG), 화목등을연료원으로사용하고있다. 이를도시가스로전환하면연간가구당 91 만원 ( 마을전체 4200 만원 / 년 ) 의연료비절감과대기환경개선효과가나타날것으로기대되고있다. < 그림 5> 바이오가스저장탱크시설 다. 음식물폐기물처리통합시스템도입 음식물폐기물의환경적, 경제적측면에서최선의처리방식인혐기성소화방법을이용하여적절하게처리함과동시에바이오가스를생산하여폐기물에서에너지와열을회수하는시스템을적용해눈길을끌고있다. 에스엔에너지는최근오랜운영경험을가진유럽의회사들에대한엄격한검증을실시, 높은기술력과도입의적합성을가진이탈리아의 Austep( 아우스텝 ) 을선정해설비도입을추진중에있다. 아우스텝시스템의강점은 19 년동안 108 개에이르는성공적인설비시공과운영능력을통해음식물폐기물처리를위한일괄처리시스템을제공한다는것이다. 아우스텝만의콘크리트슬라브구조의소화조는견고하고밀폐성과단열성에서뛰어나며상이한높이에서작동하는다수의수직교반장치는소화를위한최적의혼합 - 8 -

상태및온도유지를가능하게해주며, 외부열교환장치는주입원료및소화조의온도관리와유지보수를용이하게해준다. 효율적운영을위하여적정온도의지속적유지가필수적인고온소화조에적용된이러한장점들과더불어상온의후소화조를통해고온은물론중온혐기성미생물의메탄생성을통해바이오가스생산을최대화하는동시에프로세스의안정화를증가시켜준다. < 그림 6> 아우스텝과혐기성소화방식바이오가스생산 에너지 열회수설비 2.

9 상태및온도유지를가능하게해주며, 외부열교환장치는주입원료및소화조의온도관리와유지보수를용이하게해준다. 효율적운영을위하여적정온도의지속적유지가필수적인고온소화조에적용된이러한장점들과더불어상온의후소화조를통해고온은물론중온혐기성미생물의메탄생성을통해바이오가스생산을최대화하는동시에프로세스의안정화를증가시켜준다. < 그림 6> 아우스텝과혐기성소화방식바이오가스생산 에너지 열회수설비 2. 해외연구개발동향 가. 영국바이오버스 영국의첫친환경버스는음식물쓰레기를연료로사용하며기술자들은이버스가도시의공기질을높이는동시에, 친환경적으로여러대중교통에연료로공급할수있을것이라고보고있다. 이가스는전통적인디젤엔진보다지속적이면서, 훨씬적은공기오염을야기하고, 재생가능한에너지이다. 음식물쓰레기를통해만들어진이가스는전국적으로꽤많은양의가스를공급할수있다. 이가스는 8,500 가구와많은수의친환경버스들에게가스를공급해줄수있다. 또한음식물쓰레기들이소중한자원이라는것을보여주며사람들이먹을수없는음식들은버려지는것이아니라, 혐기성소화과정을통해친환경가스와친환경비료로만들어진다는걸알려줄것이다

10 나. 음폐수를이용한유럽의바이오가스기술개발현황 최근 EU 는식용작물을원료로하는 '1 세대바이오연료 ' 에대한보조금을줄이고농 임업부산물이나하수오물 음식물쓰레기등을원료로하는 '2 세대바이오연료 ' 의개발과투자를촉진하기로했다. 스칸디나비안바이오가스는상업화바이오가스생산을선도하는기업으로플랜트의설계및운영에있어세계최고수준의전문성을보유하고있다. 바이오가스생산은유기성폐기물을고부가신재생에너지원으로전환하는것으로폐기물로인한환경문제를위한솔루션이다. 핵심기술은유기성폐기물을처리하여상업화규모의바이오가스생산및안정적인공정운용솔루션으로바이오가스플랜트의설계부터운용및전처리과정, 소화후물질의처리, 생산된바이오가스의천연가스품질의고순도화까지모든공정을책임진다. 스칸디나비안바이오가스는현재기존대비음식물쓰레기처리용량을 500% 향상시켜지난해국내기관으로부터국내에서가장효율적인플랜트로인정받은울산바이오가스플랜트를책임운영하고있다 Ⅲ. 향후전망 1. 음폐수육상처리기술개발전망 최근기초환경시설인하수처리장에서도에너지자립화사업이추진되고있는데, 막대한송풍동력이필요한기존의호기성처리방식은유기성폐수를처리하는데있어서더이상경제적인처리방법이라말하기어려운실정이다. 혐기성소화공정은유기성폐수의가장효율적이고도경제적인처리방법으로고농도의폐수에적용이가능하며, 생산되는바이오가스는에너지원으로회수가능하여향후유기성폐수처리를위한핵심기술로자리잡을수있다. 그러나국내에적용되어있는혐기성소화기술들은운전이어렵고시간이지날수록처리효율이저하된다는인식이지배적이다. 앞으로혐기성수처리기술개발의확립과함께소화탈리액의적정처리또는소화탈리액에함유되어있는고농도의질소와인을자원으로회수하는기술등에연구개발의노력이집중되어야할것으로사료된다. 특히시설을운영하기위한전문가양성은기술개발에못지않게중요한과제로이분야에기술력을모아발전시켜나아가야할것이다. 음폐수는계절별로성상및발

11 생량변동폭이큰편으로김장철에평소의 1.5배가량발생량이증가하기도한다. 따라서혐기성소화공정은최대부하를고려하여시설계획을수립하고, 혐기성소화조이외의대체처리방안을함께마련해둘필요성이있다. 수도권매립지관리공사 (SL 공사 ) 는수도권 3 개시 도에서발생하는음폐수안정적처리를통한바이오가스화시설을가동해자 타가공인하는폐기물자원화사업의성공적 ' 롤모델 로정착시켰다고밝혔다 년 8 월부터가동중인일일 500 톤규모의 ' 수도권광역음폐수바이오가스화시설 ' 은음폐수를바이오가스화하는시설로서, LNG 를대체한직접연료로활용해연간약 41 억원의연료비절감이기대된다. SL 공사에따르면국내유기성폐자원에너지화시설의설치 운영사례부족등사업초기기술 운영노하우부족으로전국대다수시설에서많은문제점이발생해정상운영이어려운실정이었다. ' 수도권광역음폐수바이오가스화시설 ' 의 2014 년도운영실적을분석한결과 14 만 7536 톤의음폐수를 BOD 99.7% 까지완벽하게처리했고, 바이오가스전환율도음폐수 1 톤당 74.7m3( 통상 50m3) 으로매우양호한것으로나타났다. 지난해환경부, 국립환경과학원등에서실시한관련시설전국전수조사결과에서도최고의안정적시설로평가됐다. 또한음폐수처리과정에서발생하는하루 2 만 5000N m3의바이오가스를공사에서운영중인슬러지자원화시설직접연료로활용하기위해시설을설치중에있으며, 2015 년 7 월가동할계획이다. 이럴경우, 연간약 41 억원의 LNG 절감효과가있어음폐수처리는물론바이오가스의에너지활용이라는일석이조의효과를거둘수있다. SL 공사는 이러한성공사례를적극홍보해동종시설물의설치및운영상시행착오를방지하고, 신재생에너지의보급 이용촉진및자원순환사회를선도할계획 " 이라고밝혔다. < 참고문헌 > 1. 태안군, 음폐수처리최적화공법도입성과, 국제뉴스, 에스엔에너지, 음식물폐기물처리통합시스템도입, 한경미디어, 문장권 침출수재순환매립지를이용한음식물류폐기물폐수처리에관한연구, 연세대학교공학대학원, 김경영 N-HTAD 고온혐기성음폐수소화공정에서질소의거동, 전남대학교대학원, 강줄기 고효율산소전달수직다단반응기를통한음식물폐수처리에관한연구, 공주대학교대학원,

목 차

목 차 폐기물처리시설국고융자사업의 경제적타당성검토보고서 2011. 7 목차 Ⅰ. 요약보고서 1 Ⅱ. 검토배경 4 1. 국가재정의합리적인지원방안모색 4 2. 민간투자사업의개선방안검토 4 Ⅲ. 무상보조 (BTO) 와무이자융자사업방식의경제성검토 5 1. 현행사업방식의검토 5 2. 제 3 섹터개발방식의검토 6 3. 사례검토 ( 광주광역시가연성폐기물연료화시설을사례로검 토