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민정 낭
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1 환경논문 제 11 회전국학생환경논문 수필경시대회논문부문최우수상 하수슬러지와음식물쓰레기의통합소화효율평가 충남대학교대학원환경공학과전문환 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 이론적배경 Ⅲ. 실험재료및방법 Ⅳ. 실험결과및고찰 Ⅴ. 요약및결론 Ⅰ. 서론 1980년대부터 1990년대초반을폐기물의소각과자원화의논쟁시대라하고, 년을쓰레기종량제의시대라한다면 1996년부터는음식물쓰레기와의전쟁시대라고하여도무리가없을만큼음식물쓰레기는사회적인문제로대두되고있다. 음식물쓰레기는농 축 수산물의수송및판매과정중에서버려지는쓰레기, 가정및음식점등에서조리과정중식품을다듬고버리는식품쓰레기, 보관했다가그냥버려지는식품폐기물을말한다. 현재우리나라는경제성장과함께식생활패턴의변화에의해발생되는음식물쓰레기의발생량이증가하고있는추세이다. 1999년현재음식물쓰레기에의해연간 8조원이낭비되고있으며이의처리비용도연간 4천억원이상에이르고있다. 현재우리나라는식량자급률이약 30% 로써 1년에약 11조 3천억원의식량을수입하고있는상황으로미루어볼때음식물쓰레기는한국가에게는심각한경제적손실이아닐수없다. 또한음식물쓰레기가지니는발생특성상의높은수분함량과쉬운부패성에의하여야기되는환경오염도경제적인손실못지않게큰문제가되고있는실정이다. 현재음식물쓰레기처리의방법에는매립, 퇴비화, 소멸화, 소각, 혐기성소화, 사료화등이있으나대 54 環境保全 /2

2 제 11 회전국학생환경논문 수필경시대회논문부문최우수상 환경논문 부분매립에의존하고있다. 매립은별도의전처리과정없이처분할수있는장점이있으나고농도의침출수발생과그로인한지하수와토양의오염을유발시킬수있는단점이있다. 또한 2005년부터는음식물쓰레기의직매립이전면금지될예정이므로새로운처리방법의모색이필요한시점이다. 매립이자원의회수가불가능한단점이있다면앞으로음식물쓰레기의새로운처리방법은자원회수측면을고려해야할것이다. 현재하수종말처리장에서슬러지처리방법으로써의혐기성소화공정은유용한메탄가스를부산물로획득할수있다는이점때문에에너지값의변동에도불구하고줄곳인기있는 Biotechnology중의하나로인식되어왔다. 호기성처리공정은산소를불어넣어주어야하므로많은운전비용이소모되나, 혐기성소화공정은산소공급이불필요하며슬러지생산량도호기성처리의 10% 에불과하여월등히경제적이라고할수있다. 또한, 현재운전되고있는혐기성소화공정은과대설계되어있기때문에낮은유기물부하율로운전되고있어여유처리능력을보유하고있다. 이에기존의혐기성소화조에생분해가가능한 biosolids를투입하여소화효율증가및높은메탄가스량을회수할수있다. 이를 Co-Digestion이라하는데생분해가가능한 biosolids로써음식물쓰레기를자원화하는연구가이루어지고있는추세이다. 그러나우리나라의경우본공정에대한연구가미비할뿐만아니라운전경험이풍부한인력이부족한상황으로우리실정에맞는효과적인기술개발이절실히요구되고있다. 1.1 음식물쓰레기특성및처리현황 음식물쓰레기의특성음식물쓰레기의특징중가장두드러진것은수분함량이높다는점으로대략 80 85% 로써기계적으로물을분리하는데에도한계가있다. 따라서보관이어렵고수분이많기때문에이용할수있는부분이상대적으로적으며퇴비화, 사료화를할경우에감소되는수분으로인해생산수율이매우낮다. 또한소각처리할경우에도음식물쓰레기자체의낮은열량과많은수분으로인하여소각효율을저하시키고있으며이에따른보조연료사용량이증가될뿐만아니라불완전연소로인해각종유해물질의배출가능성을증가시킨다. 음식물쓰레기는쉽게부패되는유기성물질로구성되어있어분리수거및처리과정에서발생되는수질오염물질은 BOD 기준으로 60, ,000ppm 정도의오염농도를나타낸다. 특히, 여름철의경우에는발생단계에서악취발생으로인하여파리, 모기, 쥐등의해충번식을유발시킬수있다. 또한, 매립처리할경우에는고농도침출수발생에의하여처리비용이증가될뿐만아니라매립지관리가소홀한경우에는폐기물문제에국한된것이아니고대기 수질 토양 지하수오염문제로까지확대될수있다. 음식물쓰레기는매립으로처리할경우에별다른전처리과정없이처분하기때문에음식물쓰레기내에존재하는이물질이별다른문제점이되지않는다. 그러나자원화등의처리방법을이용할경우에는비닐, 플라스틱, 일반쓰레기등의이물질에의하여자원화처리하는데장애요인이될수있다. 이들을분 /2 環境保全 55

3 환경논문 제 11 회전국학생환경논문 수필경시대회논문부문최우수상 리하기위해서는최소한의수작업이나기계적분리등을거쳐아하며이로인하여비용이증가하게되고자원화퇴비나사료의품질저하의요인이될수있다. 또한, 음식물쓰레기의대부분은채소류이기때문에우리나라의독특한음식문화에의하여염분의농도가상당히높다. 따라서음식물쓰레기가사료화나퇴비화로자원화될경우에는그원료로써적당치않으며완성된제품도그효용가치가떨어지게된다. 이에염분을세척하는공정이필요하게되며그로인하여발생되는폐수의처리가문제시되기도한다. 그러나 Co-Digestion을이용할경우에는소화조내에서염분의농도가낮은하수슬러지에희석되어염분농도가낮은유출수가발생하게된다 음식물쓰레기발생량 Table 1.1은 1993년부터 1999년까지의생활폐기물과음식물쓰레기발생량변화를나타낸것이다 년이후로생활폐기물과음식물쓰레기의발생량은해마다꾸준히감소하였으며특히, 1995년의쓰레기종량제실시이후로는대폭감소하였음을알수있다. 이는종량제실시로원천적으로생활폐기물의발생량을줄이고자하였던정부의정책이주요하였으며또한, 이로인하여음식물쓰레기의발생량도감소되었다. 생활폐기물양은 1993년의 62,940ton/day에서 1999년 45,614ton/day로발생량이약 30% 가줄어들었으며음식물쓰레기양은 19,794ton/day에서 11,577ton/day로약 40% 가줄어들었음을알수있다. 또한, 음식물쓰레기가생활폐기물중점유하는비율도 31.4% 에서 25.4% 로줄어들었다. Table 1.1 Yearly Variation of MSW and Food Wastes Generation Rate 2 구분 생활폐기물발생량 (ton/day) 음식물쓰레기발생량 (ton/day) 62,940 58,118 47,774 49,925 47,895 44,583 45,614 19,794 18,055 15,075 14,532 13,063 11,798 11,577 점유율 (%) 음식물쓰레기처리현황 Table 1.2는 1995년부터 1999년까지의음식물쓰레기처리현황에대하여나타냈다. 매립에의한처리가점진적으로줄어들면서상대적으로소각과자원화비율이증가하는것으로나타났고자원화의경우는 2.1% 에서 33.9% 로대폭증가한것을알수있다. 또한, 2005년부터는음식물쓰레기의직매립이전면금지될예정이므로자원화가차지하는비중이더욱증가되리라예상된다. 매립은음식물쓰레기를별도분리과정없이쉽게처리할수있다는장점으로보편적으로사용되고있지만, 고농도침출수의다량발생으로지하수오염과토양오염그리고지반침하라는문제점을유발할뿐만아니라매립후의안전화기간이너무길어지고자원회수가실제적으로거의불가능한단점이있다. 56 環境保全 /2

4 제 11 회전국학생환경논문 수필경시대회논문부문최우수상 환경논문 Table 1.2 Yearly Variation of Food Wastes Generation and Treatment System 구 분 음식물쓰레기발생량 (ton/day) 15,075 14,532 13,063 11,798 11,577 매립 (ton/day) 14,387 13,486 10,973 8,308 6,803 ( 점유비율, %) (95.4) (92.8) (84.0) (70.4) (58.8) 소각 (ton/day) ( 점유비율, %) (2.5) (3.9) (6.2) (7.8) (7.3) 자원화 (ton/day) ,275 2,566 3,928 ( 점유비율, %) (2.1) (3.3) (9.8) (21.8) (33.9) 소각은폐기물을연소시켜폐열을회수할수있으며높은감량율을보여주지만음식물쓰레기를소각처리할경우높은함수율로인하여소각효율저하및많은보조연료를필요로한다. 또한불완전연소로인하여각종유해물질의배출가능성을증가시키는단점이있다. 음식물쓰레기의자원화현황은 Fig. 1.1과같다. 현재까지는사료화가 60% 이상으로대부분을차지하고있으나광우병사건이후로음식물쓰레기로만든사료의사용처가전무한실정으로점점줄어들고있는실정이다. 퇴비화의경우는부패성폐기물이비교적빠른시일안에안정화되나부가가치가높지않으며장기간사용할경우에는염분의축적으로인하여토양이경화될우려가있다. 혐기성소화법 (Co-Digestion) 은유용한메탄가스가생산되고소화후슬러지의생산량이적으며, 또한장기간의체류시간으로처리시키기때문에슬러지나폐수내의병원균을죽일수있는장점이있다. 그러나체류시간이길기때문에시설용량이크며미생물이주어진조건에민감하다는단점이있다. 현재까지는하수종말처리장의혐기성소화조에부족한유기물로분뇨를많이이용하였으나음식물쓰레기를이용한공정의연구가많이이루어지면서점차적으로증가되리라예상된다. 혐기성소화 274톤 / 일 (7.0%) 퇴비화 1,254톤 / 일 (31.9%) 합계 3,928톤 / 일 (100%) 사료화 2,400톤 / 일 (61.1%) Fig. 1.1 Present Status of Food Wastes Recycle System(1999) /2 環境保全 57

5 환경논문 제 11 회전국학생환경논문 수필경시대회논문부문최우수상 퇴비화는부패성유기물질을환경에대한 2 차오염이없는상태로안정화시켜퇴비나토지개량제로사용할수있으나음식물쓰레기를분리수거하지않을경우각종유해물질들로양질의퇴비생산이어렵고, 높은수분함량으로산소전달이느리게되어부패시악취와병원균발생을유발할수있는단점이있다. 또한, Bulking Agent 로써톱밥등의소요가많을뿐만아니라퇴비의후숙처리장소및탈기를위한부대시설이반드시필요하며음식물쓰레기자체에염분의농도가높기때문에토양이경화될우려가있다. 사료화는퇴비화와마찬가지로분리수거를통해가축에유해한물질들을배제시켜야하며영양성분이고르지못하므로음식물쓰레기만으로의사료화는효용에있어한계를가진다. 또한광우병사건이후로음식물쓰레기로만든사료의수요처가전무한실정이다. 혐기성소화는하수종말처리장에서하수슬러지를처리하고있는혐기성소화조의경우설계기준보다유기물부하율이낮고체류기간이길어처리능력의여유가있는것으로확인되었다. 따라서부족한유기물로써도시고형폐기물중 Biosolids 부분이나기타가능한유기물질을투입하여유기물부하율을높혀운전하는방식이다. 투입가능한유기물질로는흔히분뇨가사용되어왔는데음식물쓰레기의처리가문제시되면서음식물쓰레기를투입하여혐기성소화하는방식이많이이용되고있다. 이는음식물쓰레기를혐기성소화조에투입시켰을때하수슬러지내에부족한유기물질을보충해주고부족한영양소는하수슬러지가보충해줌으로써상호보완관계로혐기성소화조의운전효율을증대시키는것으로알려져있다. 1.2 연구의필요성 기술적측면 (1) 음식물쓰레기처리음식물쓰레기는생활폐기물의약 30% 까지점유하고있으며이로인하여음식물쓰레기의처리가큰문제점으로대두되고있다. 그러므로폐기물관리행정의성공여부는음식물쓰레기의효율적인처리에달려있다해도과언이아니다. 음식물쓰레기는수분함량이높아서쓰레기압축에의한부피감소효과를거둘수없고소각처리시에는발열량이낮아비경제적이다. 또한대부분이생분해성이기때문에아주빠른속도로분해하여악취가발생하므로보관, 운반및취급하기가용이하지않다. 현재음식물쓰레기의처리방법은대부분매립에의존하고있으나냄새및고농도침출수발생등의 2차공해요인이되기도하며무엇보다도매립지확보의어려움때문에음식물쓰레기의효과적인처리방안을강구해야할시점에놓인것이다. 음식물쓰레기의고형물함량은 15 20% 로써고체상혐기성소화 (Solid State Anaerobic Digestion) 공정이유럽에서성공적으로운전되고있다. 그러나우리나라는아직까지음식물쓰레기에의한혐기성소화공정이완전치않으며아직도연구가진행중에있다. 따라서우리나라의실정에맞는혐기성소화공 58 環境保全 /2

6 제 11 회전국학생환경논문 수필경시대회논문부문최우수상 환경논문 정을개발함으로써음식물쓰레기의처리에기여할수있으리라본다. (2) 하수슬러지처리 1999년말우리나라에설치된하수종말처리시설은 70여개지역에 155개소이며시설용량은 17,332천톤 / 일규모이다. OECD 가입국가인미국 (70.8%), 영국(86.0%), 독일(89.0%), 스위스(94.0%) 등선진국에비해서우리나라하수보급률은 63.6% 로현저하게낮은수준이다. 이에앞으로정부에서는 2005년까지하수보급률을 80% 까지향상시키고전국 195개하천구간의수질환경기준달성비율을 95% 에이르게할계획으로처리시설을새로이설치하거나증설할계획이다. 생물학적폐수처리전 후에발생되는슬러지는유기물함량이높고부패성이강하므로이의적정한처리가매우중요하며따라서활성슬러지처리시설에서슬러지제거및탈수작업은전체수처리공저의절반이상을차지하는중요한공정이다. 1998년말슬러지생산량은연간 1,630천톤에달하며이는하수 4,466톤이발생하는것으로하수 1톤당발생비율은 0.27% 에달한다. 게다가하수종말처리장의설치및증설에따라 2001년에는 21,729m 3 /day, 2011년에는 24,329m 3 /day가발생할것으로예상된다. 이같이막대한슬러지의발생이예상되는데지금까지의슬러지처리는주로매립에의존해온실정이나다른산업폐기물과마찬가지로매립지확보가점점어려워지고있을뿐만아니라 2003년 7월부터는하수슬러지의직매립이금지될예정이다. 이때문에보다효울적인슬러지감량화및재활용자원화를위한고효율의슬러지처리시스템개발의필요성이대두되고있다. Fig. 1.2는하수슬러지-음식물쓰레기의통합소화시스템의흐름도를나타내었다. 아래의공정은유럽지역에서실용화된공정으로써본연구의공정흐름도와유사하였으며여기에서발생한 Biogas를이용하여발전을시켜전기에너지와열에너지로자원재활용을이루었다. 또한, 통합소화슬러지를탈수한후에퇴비화로다시재활용하는기술적인대안을보여주고있다. 특히음식물쓰레기이외에도지방, 단백질등식품산업폐기물등도통합소화를통해쉽게처리될수있는전기가마련될수있으리라본다. Fig. 1.2 Flow Diagram of Biosolids Co-Digestion Treatment System /2 環境保全 59

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