(김용진).fm

한국도시환경학회지제 16 권 2 호 201-205 (2016.6.30) ISSN 1598-253X Journal of the Korean Society of Urban Environment (2016) Vol. 16, No. 2, pp. 201-205 Availability of Mixture of Cattle Manure and Used Coffee Grounds as Solid Refuse Fuel Hye-Sung Lee Da-Hye Hwang Yong-Jin Kim Department of Environmental & Biotechnology Engineering, Mokpo National Maritime University (Received 27 April 2016 : Revised 13 June 2016 : Accepted 16 June 2016) 우분과커피찌꺼기혼합물의고형연료로써의활용가능성 이혜성 황다혜 김용진 목포해양대학교환경 생명공학과 (2016년 4월 27일접수, 2016년 6월 13일수정, 2016년 6월 16일채택 ) Abstract On account of the increasing number of cattle heads per a cattle shed and the increasing amount of coffee bean, the waste amount of cattle manure and used coffee grounds also increases. Although the cattle manure and coffee grounds are still used as materials for composting, liquefied fertilizer, bio gasification or diesel and so on, various treatment or recycling methods are needed for the stable disposal system. In this study, thus, availability of the mixture of cattle manure and used coffee grounds as a solid refuse fuel (SRF) are investigated with the proximate and ultimate analyses, heating values, and heavy metal contents in accordance with quality criteria for solid fuel product in Korea. The results show that all of analysis items of the mixture meet the criteria. Key words : Cattle manure, Used coffee grounds, Solid refuse fuel, Quality criteria 요약문 가축사육두수와커피콩의이용량증가에의해가축분뇨와커피찌꺼기또한증가하고있다. 현재가축분뇨와커피찌꺼기를퇴비, 액화비료, 바이오가스화또는디젤등의원료로사용하고있지만, 더욱안정적인처리시스템의구축을위해서는다양한처리또는재활용방법이필요하다. 이에본연구에서는, 가축분뇨와커피찌꺼기의혼합물을고형폐기물연료 (SRF) 로서활용하고자우리나라의고형폐기물연료의품질기준으로제시하고있는 3 성분분석, 원소분석, 발열량분석과중금속함량분석을실시하였다. 그결과, 혼합물에대해실시한모든분석항목에서품질기준을충족하는것으로나타났다. Key words : 우분, 커피찌꺼기, 폐기물고형연료화, 품질기준 Corresponding author E-mail : yjkim@mmu.ac.kr Tel : 061-240-7315 201

202 이혜성 황다혜 김용진 I. 서론 최근인구증가와경제적인생활환경의향상으로육류소비가늘고있어축산의형태가대량사육, 고밀도사육등으로변해가고있는실정이다. 이에따라축사에서발생하는가축의분뇨도증가하고있다. 가축의분뇨에는유기물, 질소, 인등이포함되어있고그특성상발생량에비해오염물질부하량이매우큰폐수이다. 따라서적정처리하지않고공공수역에무단방류하거나부적절하게농지에살포할경우, 비점오염원으로써하천수질환경을악화시키는잠재요인이될수있다. (1-3) 가축분뇨를처리하는방법으로대표적으로바이오가스화, 퇴비화, 액비화등이있다. 바이오가스화의경우, 가축분뇨의유기성분을직접또는생 화학적, 물리적변환과정을통해전환시킴으로써메탄 (CH 4 ) 을얻을수있다. 하지만규모에따라높은시설투자비와운영수익부족등으로경제적이지못하다. (4,5) 퇴비화는고형물처리에매우효과적이지만부숙되지않은퇴비를시비했을경우유기물이나병원균의부작용을초래할수있다. (4,5) 액비화는부재료구입의최소화와분뇨처리비용을절감할수있어퇴비화보다경제적이지만장거리이송이불가하고, 살포시취급이어려운단점이있다. (5) 한편, 커피는전세계인들이선호하는기호식품이다. 우리나라에서는전량을수입하고있다. 그수입량은 2015 년에약 13 만톤 (ton) 으로, 2011 년의약 11 만톤에비해약 2 만톤이증가하였다. (6-8) 커피의수입량이증가하는만큼커피를추출하고남은커피찌꺼기의양도증가하고있다. 이렇게발생되어버려지는커피찌꺼기는대부분폐기되어매립되고있다. (9) 따라서이러한문제는매립폐기물량의증가에따른매립공간의차지, 그에따른환경적, 경제적인문제를야기할수있다. 커피찌꺼기에는목질계성분인셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌이목재수준으로함유되어있으며, 발열량은 5,855 kcal/kg, 회분함량은 2% 이하로연료가치가매우높다. (10) 산업혁명이후인류는화학공업의원료와연료로화석자원에크게의존하여산업을발달시켜왔다. 이러한화석자원은자원의유한성, 지역의편재에따른많은지역적분쟁이야기되어왔다. 특히우리나라는석유를포함한에너지의해외의존도가점차증가하는추세다. 따라서이러한화석에너지를대체할수있는새로운에 너지 ( 신 재생에너지 ) 의개발이시급한실정이다. (7,11) 우리나라에서는신 재생에너지의기술개발및이용 보급촉진과신 재생에너지산업의활성화를통하여에너지원을다양화하고, 에너지의안정적인공급, 에너지구조의환경친화적전환및온실가스배출의감소를추진함으로써환경의보전, 국가경제의건전하고지속적인발전및국민복지의증진에이바지함을목적으로 신에너지및재생에너지개발이용보급촉진법 ( 신재생에너지법 ) 을제정, 공포하였다. (12) 다양한신 재생에너지중폐기물고형연료 (SRF, solid refuse fuel) 의발열량은국내무연탄의발열량보다높다. 또한, 장점으로는안정적인원료확보, 연료비절감, 운반의용이성, 장기간보관가능등이있다. (13) 이에본연구에서는가축분뇨중연소성이좋은우분 (5) 을선정하여커피찌꺼기와혼합 성형물의고형연료화가능성을검토하였다. 우분만의저위발열량은고형연료평가기준에만족하지못한다. (14) 하지만커피찌꺼기의발열량은전술한바와같이매우높아혼합시에우분의낮은발열량을보완할수있을것이다. 고형연료로써검토하기위해서 자원의절약과재활용촉진에관한법률시행규칙 을기준으로하여적합여부를판단하였다. (15) 우분과커피찌꺼기혼합물을이용한고형연료화는폐기되는자원을줄여환경적으로도움이될뿐만아니라, 연료의수요자는값싼연료를제공받을수있어경제적손실을줄일것으로판단된다. II. 연구방법및재료 우분은전남 K 군한우사육농가에서 30 kg 정도를비닐에채취하여밀봉후냉장보관하였다. 커피찌꺼기는전남 M 시의 C 커피전문점에서 20 kg 정도를비닐에모아밀봉후냉장보관하였다. 실험에사용하기전에시료의균질화를위하여충분히섞었다. Table 1 의중량기준혼합비로시료를혼합한후구경이 4.5 cm 인피스톤압축기를이용하여길이 3 cm 의원통으로성형하였다. 성형후건조는건조기 (Hanbaek, HB-502M, 150L) 를이용하여 60 o C 에서 3 일간건조시켰다. 각성형비에따른성형정도 ( 굳기 ) 또한파악하였다. 고형연료평가기준적합여부를검토하기위하여성형시료를분쇄후삼성분, 원소분석, 발열량분석, 중금속분석을실시하였다. 삼성분의수분은폐기물공정시 Table 1. Mixing ratio of cattle manure and used coffee grounds (w:w) Cattle manure 1 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 0 Used coffee grounds 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1

우분과커피찌꺼기혼합물의고형연료로써의활용가능성 203 험방법에준하여건조기에서 110 o C 에서 4 시간건조후함수율을측정하였고, 가연분은시료에 25% 질산암모늄 (Ammonium Nitrate, NH 4 NO 3 ) 을적셔전기로 (Hanyang Science, MF-03, 3L) 를이용하여 600 o C 에서 3 시간강열감량후측정했다. (16) 회분은 100 에서수분과가연분을뺀값으로하였다. 분석한원소는탄소 (C), 수소 (H), 산소 (O), 질소 (N), 황 (S), 염소 (Cl) 이었으며, 염소는 Standard Test Method for Chlorine in Coal (D2361-02, ASTM International) 을이용하여분석하였고, (17) 나머지원소는원소분석기 (Thermo Scientific, Flash EA 1112) 를이용하여분석하였다. 고위발열량은연소열측정장치 (Parr, Calorimeter 6100) 를이용하였으며, 삼성분과원소분석결과를이용하여저위발열량으로환산하였다. 중금속은수은 (Hg), 카드뮴 (Cd), 납 (Pb), 비소 (As) 를분석하였으며, 수은은자동수은분석기 (Automatic Mercury Analyzer) 를이용하여분석하였고, 나머지카드뮴, 납, 비소는유도결합플라즈마분광광도계 (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer) 를이용하여분석하였다. 중금속분석은전문분석기관에의뢰하여그결과값을얻었다. III. 결과및고찰 삼성분과원소분석결과를 Table 2 에제시하였다. 우분의수분은 78.8%, 가연분은 15.9%, 회분은 5.3% 로, 기존연구결과와큰차이를보이지않았다. (18) 커피찌꺼기의경우, 수분 58.3%, 가연분 41.1%, 회분 0.6% 를보였으며, 이는커피찌꺼기를이용한기존연구의결과와도비슷했다. (19) 따라서커피찌꺼기는우분과혼합하여고형연료로사용할경우, 수분조절제의역할과회분을낮추는역할을할수있고가연분을높여발열량향상에영향을줄것으로사료된다. 원소분석결과, 가연분이높은커피찌꺼기의혼합비 가증가할수록탄소, 수소, 질소의함량이늘어나는반면황, 염소, 회분의함량은감소하였다. 우분의경우, 질소와황이함유되어있어대기오염물질인 NO X ( 질소산화물 ) 과 SO X ( 황산화물 ) 등의가스발생에기여할수있음을지적하고있다. (20) 따라서황성분이검출되지않았고질소성분이우분보다많은커피찌꺼기를혼합할경우연소시에 SO X 의발생량은저감되나, NO X 의발생량은오히려가중시킬것으로사료된다. 발열량분석결과를 Fig. 1 에제시하였다. 수분이 78.8% 인우분의고위발열량은 717 kcal/kg( 저위발열량 194 kcal/kg), 수분이 58.3% 인커피찌꺼기의고위발열량은 2,253 kcal/kg( 저위발열량 1,739 kcal/kg) 으로, 기존연구의우분과커피찌꺼기의건조고위발열량 3,549 kcal/kg, (20) 4,974 kcal/kg (10) 과큰차이는보이지않았다. Fig. 1 에서보인바와같이커피찌꺼기의혼합비가높아질수록건조고위발열량과저위발열량모두높아졌다. 따라서커피찌꺼기는우분의낮은발열량을보완해줄수있음을확인하였다. 우분 : 커피찌꺼기의 9:1 시료의고위발열량은 3,637 kcal/kg, 저위발열량은 3,350 kcal/kg 으로, 우분 : 커피찌꺼기의 1:9 시료의고위발열량 5,038 kcal/kg, 저위발열량 4,644 kcal/kg 보다각각약 1,400 kcal/kg, 약 1,300 kcal/kg 낮았다. 이와같이커피찌꺼기는우분의낮은발열량을보완할수있었다. 우분과커피찌꺼기의혼합고형연료중중금속함량분석결과를 Table 3 에제시하였다. 모든시료에서카드뮴은검출되지않았으며, 납은우분에서만 12 mg/kg 이검출되었다. 비소의경우, 일정한경향을볼수없었고, 커피찌꺼기에서비소가검출되었으나이에대한추가적인검토가필요하다. 이는유도결합플라즈마분광광도계의높은검출한계와높은희석배수때문에유발된것으로보이나, 고형연료품질기준보다월등히낮은값으로나타나고형연료로사용하기에는문제가없었다. Table 2. Proximate analysis and ultimate analysis of solid refuse fuel (SRF) produced according to mixing ratio of cattle manure and used coffee grounds Cattle Manure: Moisture Ash Combustible Component (%) Used Coffee Grounds (%) (%) C H O N S Cl Total 10 : 0 78.8 5.3 7.2 0.9 11.3 0.3 0.1 0.2 100 9 : 1 3.6 20.2 36.9 4.9 32.6 1.8 0.2 0.5 100 7 : 3 3.5 14.7 40.0 5.4 34.7 1.7 0.2 0.4 100 5 : 5 3.7 9.4 43.9 5.9 35.2 1.9 0.0 0.4 100 3 : 7 4.0 6.0 46.9 6.3 34.9 2.0 0.0 0.1 100 1 : 9 3.6 2.7 56.1 7.7 27.7 2.3 0.0 0.0 100 0 : 10 58.3 0.6 21.5 3.0 16.1 0.8 0.0 0.0 100

204 이혜성 황다혜 김용진 Fig. 1. Lower and higher heating value of SRF produced according to the mixed ratio of cattle manure and used coffee grounds. Table 3. Heavy metals in SRF produced according to the mixing ratio of cattle manure and used coffee grounds (Unit: mg/kg) Cattle Manure : Used Coffee Grounds Cd Pb As Hg 10 : 0 ND 12 7.5 0.020 9:1 ND ND 8.5-7:3 ND ND 3-5 : 5 ND ND ND - 3:7 ND ND 13.5-1:9 ND ND ND - 0 : 10 ND ND 6 ND Note) ND : not detected, - : not determined IV. 결 론 본연구에서는가축분뇨중연소성이좋은우분을선정하여커피찌꺼기와혼합 성형하여고형연료로써의활용가능성을검토하였다. 고형연료로써적합여부는 자원의절약과재활용촉진에관한법률시행규칙 을기준으로판단하였다. 그결과, 다음과같은결론을얻었다. 1. 혼합성형에있어우분 : 커피찌꺼기의 1:9 에서는발열량도높고모든고형연료평가기준을만족하지만부스러짐이많아유통에는부적합할것으로판단되었다. 2. 수분의경우, 모든혼합시료가 3~4% 대로비슷하였고고형연료평가기준의 10% 이하를만족하였다. 하지만우분 : 커피찌꺼기의 9:1 의경우, 회분이 20.2% 로고형연료평가기준의 20% 이하를 만족하지못한결과를보였다. 3. 염소와황함량은미량이었으며, 고형연료평가기준의염소 2.0%, 황 0.6% 미만을만족하였다. 4. 저위발열량의경우, 우분 : 커피찌꺼기의 9:1 의혼합시료는 3,350 kcal/kg 으로고형연료평가기준인 3,500 kcal/kg 이상을만족하지못한결과를보였다. 5. 중금속의경우우분 : 커피찌꺼기의 3:7 에서비소항목이 13.5 mg/kg 으로고형연료평가기준의 13 mg/kg 을초과하였으나, 이에대한추가보완검토가필요하다. 6. 평가항목을종합적으로볼때, 모든고형연료평가기준을만족하고발열량이높은우분 : 커피찌꺼기 5:5 가고형연료로써적합할것으로판단된다. 최종적으로우분과커피찌꺼기혼합물을이용한고형연료화는폐기되는자원을줄여환경적으로도움이

우분과커피찌꺼기혼합물의고형연료로써의활용가능성 205 될뿐만아니라, 연료의수요자는값싼연료를제공받을수있어경제적손실을줄일것으로판단된다. References 1. Jeong, T. Y., Cha, G. C., Choi, S. S., Choi, C. S., and Park, C. H., Evaluation of hydrogen production using livestock wastewater, Korea Organic Resource Recycling Association, Symposium and Oral presentation, Spring, pp. 187-188 (2007). 2. Yim, S. G., Operation condition and effective management about public livestock manure in treatment plant, Master s thesis, Mokpo National University, Korea (2011). 3. Kim, T. C., An effective management plan for animal waste in accordance with the enforcement of total amount management of water pollution, Master s thesis, Kwangwoon University, Korea (2010). 4. Lee, H. G., A study on the characteristics of solid fuel with sludge in animal excreta treatment Process, Master s thesis, University of Seoul, Korea (2012). 5. Jang, M. H., A study on the characteristic of coal and cattle feedlot Co-Combustion using a bubbling fluidized bed combustor, Master s thesis, Kwangwoon University, Korea (2012). 6. Korea Customs Service, Import and Export performance by item, http://www.customs.go.kr/ kcsweb/user.tdf?a=user.newtradestatistics.new TradestatisticsApp&c=1003&mc=STATS_INQU_T RADE_020 (2015). 7. Yu, S. H., A study on preparation of activated carbons from coffee waste, Master s thesis, Sunmoon University, Korea (1998). 8. Shin, H. G., Kim, C. G., Removal of heavy metal in wastewater with coffee grounds, Journal of the Organic Resource Recycling Association, 22(2), 44-49 (2014). 9. Kim, H. S., Using environmentally friendly composting coffee byproducts, Master s thesis, Kwangwoon University, Korea (2012). 10. Oh, D. G., Kim, Y. H., and Son, H. S., Fuel properties of spent coffee bean by torrefaction, New & Renewable Energy, 9(3), 29-35 (2013). 11. Lee, G. H., Study on the development of solid fuel of animal wastes for heating of agricultural facilities, Journal of Biosystems Engineering, 32(5), 316-323 (2007). 12. Ministry of Government Legislation, Act on the promotion of the development, use and diffusion of new and renewable energy (2013). 13. Jung, Y. H., A study on the production characteristics of solid fuel mixed pig slurry, Master s thesis, Keimyung University, Korea (2014). 14. Kim, S. J. and Lee, J. H., A study on the possibility that livestock waste to RDF, Journal of the Organic Resource Recycling Association, 21(2), 53-57 (2013). 15. Ministry of Government Legislation, Act on the promotion of saving and recycling of resources (2016). 16. Ministry of Government Legislation, Waste process testing criteria (2015). 17. American Society for Testing and Materials, ASTM D2361-02 Standard Test Method for Chlorine in Coal, http://www.astm.org/database. CART/ WITHDRAWN/D2361.htm (2008). 18. Lee, M. S., Energy Characteristics of carbonization residue from live-stock manure, Master s thesis, Kyunggi University, Korea (2014). 19. Jeong, Y. W., A study on the production of biocrude-oil by fast pyrolysis of coffee ground and kinetic analysis, Master s thesis, University of Science & Technology, Korea (2015). 20. Lee, G. H., Thermal and physicochemical characteristics of solid fuel extruded with cattle feedlot manure, Journal of Biosystems Engineering, 35(1), 64-68 (2010).