J. Kor. Soc. Environ. Eng., 36(7), 461~468, 2014 Original Paper http://dx.doi.org/10.4491/ksee.2014.36.7.461 ISSN 1225-5025 폐목재를이용한바이오차생산및토양적용의환경평가 Analysis of Environmental Impacts for the Biochar Production and Soil Application 김미형 김건하 Mihyung Kim Geonha Kim 한남대학교건설시스템공학과 Department of Civil and Environmental Engineering, Hannam University (2014 년 6 월 25 일접수, 2014 년 7 월 8 일수정, 2014 년 7 월 14 일채택 ) Abstract : Biochar is a carbon rich solid produced by the pyrolysis of biomass such as energy crops, forestry residues, and wood wastes. Biochar returned to soil is to mitigate climate change and the feedstock of wood wastes reduces fossil fuel consumption as well as disposal costs. This study was practiced to evaluate a biochar system by gasification in terms of global warming regarding the soil application of the produced biochar. Life cycle assessment methodology was used to analyze the environmental impacts of the system, and the functional unit was 1 tonne of wood wastes. The result shows that the biochar system by using wood wastes as feedstock produces 4.048E-01 kgco 2-eq from the pre-treatment process as chipping and drying, 4.579E-01 kgco 2-eq from the pyrolysis process, and 9.070E-02 kgco 2-eq from the spreading to agricultural land, therefore total 9.534E-01 kgco 2-eq are generated. About 252 kg of CO 2 is still stored in the produced biochar in soil after carbon offsetting of the system. Therefore, the net carbon of the system is -251 kg of CO 2-eq. Key Words : Biochar, Pyrolysis, Wood Waste, Carbon Sequestration, Life Cycle Assessment 요약 : 바이오차 (biochar) 는산소가제한된환경에서바이오매스를열분해를시켜얻을수있는고체물질을말한다. 원료가되는바이오매스는에너지작물, 임업부산물, 농업부산물등의폐기물을사용할수있으며, 토양으로적용시기후변화완화, 화석연료소비저감, 폐기물처리비용저감등의장점이있다. 본연구에서는폐목재를원료로바이오차를생산하는시스템을대상으로전과정평가기법에의해환경에미치는영향을평가하고자하였다. 폐목재 1 톤을기능단위로하였을때생산되는바이오차를토양에적용하는시나리오를구성하고지구온난화에미치는영향을중심으로환경영향을분석한결과, 파쇄및건조의전처리공정에서 4.048E-01 kg, 가스화열분해공정에서 4.579E-01 kg, 토양살포공정에서 9.070E-02 kg 의온실가스를발생하여총 9.534E-01 kg 의온실가스가발생하는것을확인하였다. 바이오차의토양적용시탄소저장효과는 252 kg 으로분석되어 251 kg 의탄소네거티브효과를보였다. 주제어 : 바이오차, 열분해, 폐목재, 탄소격리, 전과정평가 1. 서론 바이오차는산소가제한된환경에서목재등바이오매스를열분해를시켜얻을수있는고체물질을말한다. 유사한물질로서 charcoal, soot, black carbon, agrichar 등의형태로다양한연구가수행되어왔지만 biochar라는용어를이용하여탄소격리와관련된새로운시각으로주목을받고다양한연구를시작한것은최근의일이다. 1) Jirka and Tomlinson의연구결과 2) 에의하면 2013년약 100개이상의공공및민간기관에서바이오차와관련된연구를수행중이며, 2008년발표된논문은약 60편이었으나, 2013년에는약 360편으로급증한것으로보고되었다 (Fig. 1). Lehmann은바이오매스로부터바이오에너지를회수하는방법은탄소중립적인데반해바이오차를토양에넣는방법은진정한탄소네거티브방법임을제안하였다. 3) 바이오차는기후변화대응, 토양개량, 에너지생산, 폐기물관리측면에서중요성을내재하고있다. 4) 바이오차는유기물과달리안정성이뛰어나므로토양에투입하게되면분해가거의일 Fig. 1. Growth in peer-reviewed biochar-related publication from 2008-2013. 2) 어나지않아대기중의이산화탄소를장기간저장함으로써기후변화완화에기여할수있는친환경물질이다. 3,5) 또한 바이오차의생산과정에서발생하는부산물인바이오 - 오일 과바이오가스는에너지원으로이용될수있다. 6) 바이오차 의토양개량효과와관련하여서는많은연구가진행되고 Corresponding author E-mail: kimgh@hnu.kr Tel: 042-629-7534 Fax: 042-629-8366
462 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김미형 김건하 있다. 바이오차를토양에투입하면토양흡착능력증가, 토 양 ph 증가, 토양의양이온교환능력의증가등화학적특 성과미생물에서식처를제공함에따른생체량증가, 미생물 활성도증가등의생물학적특성, 토양의통기성증가, 토양 의수분보유능력증가, 토양의용적밀도감소등물리학적 특성에의해농업생산성을향상시킬수있다. 3) 또한항생물 질제거등다양한유기오염물질의제거에광범위하게적용될것으로판단되고있다. 7) 전과정평가 (life cycle assessment, LCA) 는 제품의전과정 에걸쳐서소모되는자원과발생되는배출물의양을정량화 하여, 이들이환경에미치는영향을종합적으로평가하는 환경영향평가기법 이다. 원료획득으로부터제조, 사용, 처리, 재활용, 그리고최종처분에이르기까지제품의전과정 ( 요람 에서무덤까지 ) 에걸쳐환경측면에서의잠재적인환경영향을분석하는방법이다. 8,9) 바이오매스열분해공정에의한에너지생산시나리오의전과정평가연구는몇편의연구결과로보고된바있다. Han 10) 은바이오매스고속열분해방법에의한에너지생산의전과 정평가를수행하고부산물인바이오차는토양으로환원하 는시나리오를분석하였다. Fiorentino 11) 은바이오매스열분 해로부터바이오기반화학제품과바이오연료등을생산하 는바이오리파이너리시스템을전과정평가방식으로분석 하였다. 이연구에서공정부산물인바이오차는리그닌과 혼합하여전력을생산하는것으로시나리오를구성하였다. Gaunt 12) 은바이오에너지작물 (switchgrass, miscanthus, forage corn) 과농업폐기물 (wheat straw, corn stover) 을원료로바이 오에너지생산공정을전과정평가접근법으로분석하고, 부 산물인바이오차를토양적용시탄소저감효과가높은것을 확인하였다. Huang 13) 은바이오차와석탄을혼합한전력생산 공정의전과정평가방법을이용한분석결과 10% 와 20% 혼 합비에따라각각연간 ha 당 4.32, 4.68 톤의탄소저감효과 가있는것으로보고하였다. 반면바이오차생산시스템을중심으로평가한연구는거의이루어지지않았다. Hammond 14) 은저속열분해공정의전과정평가기법에의한분석에서바이오차의토양환원에의한탄소격리효과를확인하였다. Roberts 15) 은전과정평가분석방법에의해바이오차의에너지적, 경제적, 기후변화대응적측면에서분석하고탄소저감의가능성을확인하였다. 본연구에서는폐목재를바이오매스원료로바이오차를생산하기위한열분해시스템을대상으로환경영향을평가하고자하였다. 분석방법은전과정평가방법의국제기준을준수하였으며, 환경영향평가범위는자원고갈, 산성화, 부영양화, 수계생태독성, 지구온난화, 인체독성, 오존층고갈, 광화학산화물생성, 육상생태독성등의영향범주별로특성화하였다. 본연구는국내에서아직까지연구가활성화되지않은바이오차생산공정의환경영향을분석하여기초자료를제공하는것을목표로하였다. 2. 연구방법 2.1. 연구목적및범위 본연구는열분해방식으로바이오차를생산하는공정을연구대상으로하여시스템경계를구성하고전과정평가분석방법에의하여환경영향을평가하고자하였다 (Fig. 2). 시스템에유입되는바이오매스를폐목재로선정하여바이오차생산공정의시스템내로투입되는모든물질들과배출되는모든물질들을기능단위에맞게정량화하여목록을구성하였다. 2.2. 바이오차생산공정및산업규모분석바이오차를생산하기위하여산소가제한된환경에서약 300~1,000 로가열하는열분해기술을이용하게된다. 목재를가열하면 100 전후에서수분이증발하고, 200 부근에서열분해하기시작하여, 일산화탄소, 수소, 메탄등의 Fig. 2. Schematic flowchart of biochar production system. Journal of KSEE Vol.36, No.7 July, 2014
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 폐목재를이용한바이오차생산및토양적용의환경평가 463 Fig. 3. Feedstocks reported by companies producing biochar. 2) 가연성가스가발생하게된다. 220~260 에서헤미셀룰로오스중펜토산이분해되어급속한중량감소를나타나게되며, 315 에대부분분해된다. 315 이후셀룰로오스의분해가시작되어 350 전후에서급속한중량감소를나타나게되며 400 까지지속적으로분해된다. 리그닌은비교적저온인 160 에분해가시작되어 900 까지지속적으로분해되면서서서히중량을감소시켜고온에서도약 40% 정도는남아있게된다. 16,17) 바이오매스의열분해로부터바이오차와바이오-오일, 바이오가스를생산한다. 6) 열분해공정의바이오매스원료로는목재가가장많이사용되고있지만농업부산폐기물, 임업부산폐기물, 하수슬러지등유기성폐기물을이용할수있으므로폐기물을재활용할수있는장점이있다 (Fig. 3). 바이오차는다양한바이오매스원료와다양한기술을통해생산이가능하다. 일반적으로바이오매스의열분해를통 해 syngas( 가스상 ), bio-oil( 액상 ), 그리고 biochar( 고체상 ) 의 부산물이생산된다. 바이오매스열분해공정은방식에따라 고속열분해 (fast pyrolysis), 저속열분해 (slow pyrolysis), 가 스화 (gasification), 열수탄화 (hydrothermal carbonization) 의방 식으로구분 6) 하며, 열분해방법중가열속도가느리고온도 가낮을수록생성되는고형물인바이오차의비율이증가한다. 18) 따라서바이오차생산을위해서는주로저속열분해 방법을적용하고, 바이오 - 오일생산을목표로할경우고속 열분해방법을적용한다. 일반적으로저속열분해를통해얻 는바이오차수율은 20~50% 정도로보고되고있다. 1) 가스화 방법은 800~1,800 의고온에서바이오매스로부터 syngas 와 바이오차를생산한다. 원료가되는바이오매스는파쇄, 건 조와같은전처리를거친후열분해반응기에투입된다. 공 정부산물로회수되는바이오차는토양개량제로이용되며, 바이오- 오일은산업용연료유로사용되거나개조후수송용 으로사용될수있을뿐아니라바이오가스에너지는열분 해공정을위한열원으로이용이가능하다. 1) 전세계적으로 약 84 개의산업체에서바이오차를생산하고있으며규모는 Table 1과같다. 지역별로는북미 40, 유럽 26, 아프리카 7, 오세아니아 6, 아시아 4, 남아메리카 1곳의산업체가분포되어있다. 2) 바이오매스가함유하고있는탄소량의약 50% 는공정중이산화탄소로대기배출되고나머지 50% 는바이오차에포획되어남아있게된다. 식물은광합성에의해대기중탄소를생체내이동하여저장함으로써탄소저감효과를가지므로, 공정중저장된탄소를모두배출하더라도탄소중립적순환으로평가된다. 그러나바이오차는생산공정및운반과정에서배출되는탄소를상쇄하고도상당한양의탄소를안정하게저장할수있으므로탄소네거티브효과를가진다. 바이오차를토양에적용하였을때생체저장량의 20% 를장기간격리할수있는것으로평가되고있다. 3,6) 2.3. 분석방법 전과정평가방법론의국제기준에의한절차는목적및범 위정의단계, 목록분석단계, 영향평가단계, 해석단계의 Table 1. Scales, examples, and numbers of biochar producing technologies 2) Scale Capacity (throughput) Example technology and use Numbers Large Mid Small Micro >10 tons/day 1-10 tons/day 10-1,000 kg/day <10 kg/day Industrial pyrolysis plant used to produce heat energy for power generation and a biochar byproduct for wholesale Mobile continuous feed pyrolyzer used to convert forestry slash in situ to biochar for forest soil regeneration Batch retort kiln used by small farmers to convert agricultural residues to biochar for retail sale via niche outlets High efficiency biochar-producing cookstove used in developing countries to cook meals and produce biochar for home gardens 30 29 17 8 대한환경공학회지제 36 권제 7 호 2014 년 7 월
464 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김미형 김건하 Table 2. Characteristics of the thermochemical carbonization plant 22) Materials of plant Value-Name Units Comments Capacity of plant 1,400 tons year -1 Assuming 4,000 hours annual operating and considering 350 kw electrical power Duration* <3 h Assuming that 1 kg of processed feedstock gives 1 kwe Temperature 1,200 Pressure Atmospheric - Gasifier works at atmospheric pressure Biochar yield* 0.1 tons Biochar yield strictly depends on feedstock chemical and physical properties (ash content, particle size, bulk density, etc). It is generally assumed yield from 5 to 15% (on dry matter bassis). Gas yield* 2,400 Nm 3 Gas (syngas) is a mix of carbon monoxide and dioxide, hydrogen, methane and nitrogen. Syngas low calorific power: 1,075 kcal Nm -3 Fate of gas Direct use - Syngas is used to power a diesel-cycle endothermic engine in order to produce electricity and heat Oil yield No L Other products No - *Reference value is 1 tonne of processed feedstock 4단계로구성된다. 19,20) 전과정평가기법을사용함으로써바이오차생산공정에사용된모든물질재료의종류별사용량과에너지사용량을분석하여각각의재료와에너지생산과정에서발생하는총오염물질의양을포함하여정량적으로평가할수있게된다. 2.4. 자료수집및분석모델생산시스템을평가하기위한입출력자료는국내현장자료가있을경우최대한사용하며, 국내자료가없을경우, 문헌조사를통하여수집하여이용하게된다. 바이오차의생산과관련하여국내에는실험실규모의연구가시도되고있는실정으로생산단계의신뢰할수있는데이터가없으므로, 문헌조사에의하여자료를수집하였다. 분석에필요한상위흐름과하위흐름자료는환경부와지식경제부에서구축한데이터베이스를이용하였으며, 분석도구는환경부에서개발한 TOTAL 4.0을사용하였다. 2.5. 기능단위및제한조건본연구에서는임업부산물및사업장부산물로발생되는폐목재 1톤을기능단위로바이오차생산시스템을평가하고자하였으며, 정량적평가를위한기준흐름 (reference flow) 은폐목재 1톤으로설정하였다. 그러나데이터수집의한계로인하여다음과같은제한이요구된다. 1) 전세계의바이오차생산량은 2005년기준 4,400만톤, 수율은바이오매스의 20% 정도이며, 국내의바이오차와관련된시장은아직형성되지않았다. 1,21) 국내에서바이오차와관련된연구는오염물질저감분야에서실험실규모로연구가진행되고있으며, 현장적용및실용화에대한구체적인연구는미미한실정이다. 그러므로국내에서생산시스템의부재를대체하여문헌자료를사용하였다. 2) 본연구에서바이오차생산의원료가되는바이오매스는폐목재로선정하여평가함으로써폐기물관리측면에서긍정적인효과를기대하였다. 3) 본연구에서시스템경계는폐목재의전처리, 열분해공정, 바이오차의토양살포로하고, 폐목재를처리시설로운반하는단계는제외하였다. 4) 본연구에서바이오차생산을목적으로열분해공정을평가하였으며부산물로발생하는 syngas는시스템내에서열분해공정의에너지원으로사용하였다. 5) 본연구는바이오차생산을중심으로지구온난화저감효과에중점을두어평가하였으므로생산된바이오차의토양적용시탄소격리효과를포함하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 인벤토리구축결과 3.1.1. 전처리공정 폐목재는파쇄공정과건조공정을거쳐열분해를위한적 합한상태로전처리한후, 열분해장치로투입된다. 파쇄및 건조공정의에니지사용량및물질수지자료는일정규모이 상생산및자료를구축한국내우드칩생산업체인 J사, W 사, H사, S사로부터담당자설문을통해수집하였으며, 물 질수지및신뢰성분석을통하여자료를선별하여이용하였 다. 폐목재파쇄공정의자료조사결과, 년간 7,936 톤의폐목 재로부터 7,508 톤의우드칩이생산되며, 107,120 kwh 의전 력과경유 53,650 kg 을소비하는것으로조사되었다. 폐목 재 1 톤에해당하는환경영향을평가하기위하여데이터를 재산정하면 0.703E-02 kwh 의전력과 5.746 kg 의경유를소 비하는것으로분석되었다. 이때 0.946 톤의우드칩이회수 되었다. 3.1.2. 열분해공정 열분해공정의에너지사용량및물질수지자료는 European Commission 의보고자료를이용하였다. 22) 1 톤의목재를투 입하여열분해시바이오차수율은유입바이오매스의물리 화학적성상에좌우되나건조중량기준일반적으로 5~10% Journal of KSEE Vol.36, No.7 July, 2014
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 폐목재를이용한바이오차생산및토양적용의환경평가 465 Table 3. Inputs and outputs for TC plant 22) Inputs Output-engines emissions in atmosphere** Inputs-outputs Value-name Units Input energy* 300 MJ Input-compressed air* 50 Total dusts <30 Carbon monoxide <300 Nitrogen oxides (as NO 2) <500 Sulphur oxides (as SO 2) <200 mgnm -3 ** Reference value is 1 tonne of processed feedstock (10% humidity) ** The gas clean system is associated to a closed-loop process that recovers tar and other impurities and continuously returns these back to the reactor. Engines exhaust gases are treated in a three-way catalytic converter reducing carbon monoxide, nitrogen oxides, and unburned hydrocarbons. The gasifier does not produce water waste. Emission of charcoal dusts is prevented by use of a closed dedicated extraction system. Each engine ensures the related minimum environmental performance. 로알려져있다. 발생되는가스는일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄, 질소등이혼합되어발생된다. 가스는회수되어 전력으로생산되거나또는폐열로이용된다. 본연구에서 분석대상인열분해시스템장비는 350 kw 전력을사용하여 연간 4,000시간운전능력을가지며처리용량은연간 1,400 톤에해당한다. 이장비는원료가되는바이오매스의물리 화학적특성에차이가있으나, 일반적으로 10% 의바이오차 생산수율을가지며, 이때회수되는 syngas 는 2,400 Nm 3 으로 보고되었다. 회수가스는디젤사이클엔진의동력으로공급 되어전력또는열에너지로생산된다. 본연구에서회수가 스는시스템경계내열분해시스템의에너지로공급된다. 열 분해시스템의특성은 Table 2 에나타낸바와같다. Table 2 에제시한고온열분해장비를사용하여바이오매 스원료인폐목재 1 톤의열분해시 300 MJ 의에너지를소비 한것으로조사되었다 (Table 3). 생산된가스는열분해장비 의열원으로리사이클링되어사용된다. 3.1.3. 바이오차토양적용 생산된바이오차는트랙터와스프레더를이용하여토양 1 ha 당 5,617 kg 의비율로토양으로적용된다 (Fig. 4). 트랙 터스피드는 3.4 km/hr 로운전되었으며, 스프레더는 540 rpm 으로운전되었다. 23) 적재량은 6 m 3 이다. Byne and Nagle 에 의하면바이오차의 bulk density 와목재의 bulk density 상관관계는다음과같다. 24) Biochar bulk density = 0.8176 wood bulk density 폐목재의 bulk density 는 230 kg/m 3 을적용하면바이오차 의 bulk density 는 188 kg/m 3 으로계산된다. 25) 1 톤의목재로 부터열분해공정에의해 100 kg 의바이오차가생산되므로 이는 0.530 m 3 에해당한다. Husk는현장적용실험에근거하여바이오차의미세한입 자의특성으로인하여토양적용과정에서손실율은약 30% ( 스프레더적재시 2%, 현장이동중 3%, 현장살포시 25%) 정도되는것으로보고하였다. 23) 바이오차를토양에적용하 기전에수분을추가하면운반과정및살포시손실량을줄 일수는있으나중량을증가시켜연료소비는증가하게된다. 따라서본연구에서는손실률 30% 를적용하여 1톤의목재 로부터바이오차 70 kg (0.371 m 3 ) 이최종토양적용되는 것으로가정하여연료소비량을산정하였다. 트랙터의연료소비량을 24 L/h로가정하고, 26) 적재량을최 대로한후중량할당에의하여연료소비량을산정하였다. 일반적으로트랙터의폭은약 2 m에해당한다. 도로의구 조시설기준에관한규칙 ( 국토해양부령제 101 호 ) 의지방지 역일반도로폭 3 m 기준을고려하면 1 ha (100 m*100 m) 의부지에바이오차를살포하기위하여트랙터는약 33회 반복운행하게된다. 이때트랙터의회전반경은무시하고 안전율 10% 를고려하면총운행거리는 3,630 m 가된다. 본 연구에서선정한트랙터의스피드를고려하면운행시간은 1.07시간, 경유소비량은 25.68 L로산정된다. 1 ha 기준 5,617 kg 바이오차를살포한다고가정하면, 적재량 1,128 kg인트 랙터는 5회반복운행하여야하므로총운행거리는 18,150 m이므로, 경유소비량은 128.4 L로계산되었다. 1톤의폐목 재로부터생산된바이오차는 70 kg 이므로, 살포를위한경 유사용량은비중 0.830 kg/l를적용했을때 1.6 L (1.33 kg) 로산정되었다. 3.1.4. 탄소격리효과 바이오차는미생물분해에대한강한저항성을가지고오 랜세월 ( 수천년까지 ) 동안토양내에존재할수있기때문에 Fig. 4. Biochar spreading (left) & after spreading (right). 25) 대한환경공학회지제 36 권제 7 호 2014 년 7 월
466 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김미형 김건하 Table 4. Mass balance results for wood waste treatment in pyrolysis facilities 27) Unit of output (MWhe) Process efficiency (%) Biochar yield Mass balance-waste input (tonnes) Biochar output (tonnes) Energy output Carbon stored in efficiency (MWh/tonne) biochar (tonnes) Carbon stored in biochar (tonnes/tonne feedstock) 1.00 25 0.10 0.80 0.08 1.25 0.36 0.45 1.00 25 0.35 1.11 0.39 0.90 0.36 0.33 초기바이오매스가저장한탄소의일부를토양속으로바이오차의형태로격리시킬수있다. 1) 바이오매스의열분해에 의해생산되는합성가스와바이오 - 오일로부터에너지를회 수하고바이오차는토양으로주입하여탄소를반영구적으 로저장할수있는데, 광합성에의해포획되는탄소의 20% 를바이오차로저장하는것으로보고된바있다. 3) 목재 1톤의 광합성에의한탄소함유량은약 0.5 톤이므로, 이산화탄소량 으로는 1.83 톤이된다. 따라서 1 톤의목재로부터생산된바 이오차는목재가함유한탄소의 20% 인 0.36 톤의이산화탄 소를저장할수있는것으로추산된다. Esteinou 의연구에서 도폐목재를원료로바이오차를생산하는공정의탄소저장 량분석에서 10% 수율로생산된바이오차는 Table 4 와같이 0.36 톤의탄소를저장하는것으로분석하였다. 27) 3.2. 바이오차시스템의환경영향평가 환경에미치는영향정도를정량적이고정성적으로추산하 기위하여전과정평가방법을이용하였다. 바이오차생산 공정이환경에미치는영향을종합적으로평가하기위하여 분류화단계에서영향범주별로분류하며, 특성화단계에서 는분류된천연자원및배출물들이각각의영향범주에미 치는영향을정량화하여특정영향범주에속하는모든목 록항목들의영향을합산하여수치로나타내었다. 영향범주 는자원고갈 (abiotic resource depletion potentials, ADP; 세 계자원매장량기준 reserve-base 접근법으로무생물자원고갈 의환경부하산정 ), 산성화 (acidification potentials, AP; 산성 화를유발하는물질에서방출되는 proton (H + ) 의수를 SO 2 의당량으로나타냄 ), 부영영화 (eutrophication potentials, EP; 부영양화를유발하는물질은 PO 4 의당량으로나타냄 ), 수계 생태독성 (freshwater aquatic ecotoxicity, FAETP; 수생태계 에미치는영향을화학적, 생물학적물질의양을 1,4 DCB 로 나타냄 ), 지구온난화 (global warming potentials, GWP; CO 2 가지구온난화에미치는영향을기준으로각각의온실가스가 지구온난화에기여하는정도를수치화한것으로 IPCC factor 이용 CO 2 를 1로볼때 CH 4 는 21, N 2O는 310, HFCs는 7000, SF 6 는 23900 기여함 ), 인체독성 (human toxicity potential, HTP; 대기, 수질및토양에배출되는오염물질이인간에미치는 영향을 1,4 DCB로나타냄 ), 오존층고갈 (ozone depletion potentials, ODP; 오존층을파괴하는물질의정도를 CFC11에 의한오존감소정도를기준 ), 광화학산화물생성 (photochemical oxidant creation potentials, POCP; NO 2 나 VOC 등이태 양광선과반응함으로써대류권내생성된산화물로 Ethene (C 2H 4) 을기준으로상대적인생성정도 ), 육상생태독성 (terrestrial ecotoxicity potential, TETP; 육상생태계에미치는영향을 화학적, 생물학적물질의양을 1,4 DCB 로나타냄 ) 등의영향범주별로특성화하였으며, 수식으로나타내면다음과같다. 28) (1) C ij : 목록항목 j 가영향범주 i 에미치는영향의크기 Load j : 목록항목 j 의환경부하량 eqv ij : i 영향범주에속한목록항목 j 의상응인자값 (2) C i : 특정영향범주 i 로분류된모든목록항목들이소속된 영향범주에미치는영향의크기 본연구의연구범위인열분해공정을이용하여폐목재 1 톤을원료로바이오차를생산하는시스템의환경에미치는영향을분석한결과, 자원고갈 3.665E-01/yr, 산성화 1.952E- 03 kg SO 2-eq, 부영영화 1.342E-04 kg PO 3-4 -eq, 수계생태 독성 3.589E-03 kg 1,4 DCB-eq, 지구온난화 9.534E-01 kg CO 2-eq, 인체독성 3.007E-03 kg of 1,4 DCB-eq, 오존층고갈 1.459E-09 kg of CFC11-eq, 광화학산화물생성 1.575E-04 kg C 2H 4-eq, 육상생태독성 4.623E-08 kg 1,4 DCB-eq로분석되 었다 (Table 5). Table 5. Result of the characterization for the biochar production system Unit Chipping/ drying Pyrolysis Spreading Total ADP 1/year 1.548E-01 1.767E-01 3.500E-02 3.665E-01 AP kg of SO 2-eq 8.281E-04 9.382E-04 1.858E-04 1.952E-03 EP kg of PO 3-4 -eq 5.731E-05 6.414E-05 1.270E-05 1.342E-04 FAETP kg of 1,4 DCB-eq 1.516E-03 1.730E-03 3.427E-04 3.589E-03 GWP kg of CO 2-eq 4.048E-01 4.579E-01 9.070E-02 9.534E-01 HTP kg of 1,4 DCB-eq 1.271E-03 1.449E-03 2.870E-04 3.007E-03 ODP kg of CFC11-eq 6.165E-10 7.033E-10 1.393E-10 1.459E-09 POCP kg of C 2H 4-eq 6.794E-05 7.478E-05 1.481E-05 1.575E-04 TETP kg of 1,4 DCB-eq 1.953E-08 2.229E-08 4.414E-09 4.623E-08 ADP : abiotic depletion potentials AP : acidification potentials EP : eutrophication potentials FAETP : freshwater aquatic ecotoxicity potentials GWP : global warming potentials HTP : human toxicity potential ODP : ozone depletion potentials POCP : photochemical oxidant creation potentials TETP : terrestrial ecotoxicity potential Journal of KSEE Vol.36, No.7 July, 2014
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 폐목재를이용한바이오차생산및토양적용의환경평가 467 Table 6. Normalized impacts of the biochar production system according to ministry of trade, industry & energy Impact category Factor Unit Normalized impacts ADP 24.9 kg/person-yr 2 1.473E-02 AP 39.8 kg SO 2-eq/person-yr 4.905E-05 EP 13.1 kg PO 3-4 -eq/person-yr 1.024E-05 FAETP 1.5 kg 1,4-DCB-eq/person-yr 2.393E-03 GWP 5,530 kg CO 2-eq/person-yr 1.724E-04 HTP 1,480 kg 1,4-DCB-eq/person-yr 2.032E-06 ODP 0.0407 kg CFC-eq/person-yr 3.585E-08 POCP 10.3 kg C 2H 4-eq/person-yr 1.529E-05 TETP 1.63 kg 1,4-DCB-eq/person-yr 2.836E-08 Table 7. Result of the GWP for the biochar production system Factor Chipping/ drying Pyrolysis Spreading Total Carbon dioxide (CO 2) 1 4.039E-01 4.570E-01 9.051E-02 9.514E-01 CFC-11 4,000 3.443E-10 3.928E-10 7.780E-11 8.149E-10 CFC-114 9,300 8.197E-10 9.353E-10 1.852E-10 1.940E-09 CFC-12 8,500 1.573E-10 1.795E-10 3.555E-11 3.724E-10 CFC-13 11,700 1.359E-10 1.551E-10 3.072E-11 3.217E-10 Halon-1301 5,600 3.451E-07 3.937E-07 7.799E-08 8.168E-07 HCFC-22 1,700 3.438E-11 3.923E-11 7.771E-12 8.138E-11 Methane 21 8.315E-04 8.894E-04 1.762E-04 1.897E-03 Nitrous oxide (N 2O) 310 5.356E-05 5.731E-05 1.135E-05 1.222E-04 4.048E-01 4.579E-01 9.070E-02 9.534E-01 바이오차시스템의정규화분석결과는 Table 6과같다. 정규화는각특성화된영향범주값의상대적중요성혹은지표결과의규모에대하여보다깊이있는해석을얻기위하여수행한다. 즉각기다른단위값을갖는영향범주값을 일정지역및시간하의총환경부하량, 인구수, GNP 등의공 동단위로나누어단위를없게만들어한경에대한영향범 주간상대적기여도를평가한다. 29) 본연구에서는산업자원 부의국내발생환경부하량의자료를이용하였다. 바이오차 시스템을대상으로분석결과자원고갈에미치는영향과지 구온난화에미치는영향이높음을알수있었다. 바이오차시스템의지구온난화에미치는영향을분석한결과는 Table 7에제시한바와같이파쇄및공정등의전처리공정에서온실가스 4.048E-01 kgco 2-eq, 열분해공정 에서 4.579E-01 kgco 2-eq, 토양살포공정에서 9.072E-02 kgco 2-eq 발생하여총 9.534E-01 kgco 2-eq가배출되었다. 폐목재 1톤으로부터생산된 70 kg의바이오차는토양에적용하였을때 252 kg의탄소저감효과를가지므로바이오차시스템의총온실가스배출량을상쇄한후 251 kg의탄소네거티브적영향을나타내었음을확인하였다 (Table 8). 4. 결론 본연구에서는임업부산물로발생하는폐목재바이오매스의재활용방법으로서바이오차생산방안의가능성을평가하고자하였다. 폐목재는대부분파티클보드, MDF (medium density fiberboard) 등으로가공하여물질재순환하는방안과우드펠렛으로가공하여열병합발전등에서원료로사용하는에너지재순환방안으로재활용된다. 폐목재자원의재활용흐름은시장의경제논리에따라영향을받게된다. 그러나대규모로발생하는사업장폐목재또는건설폐목재등과는달리임업부산물, 농업부산물등으로발생하는소규모목질계폐기물은재활용을위한사업장까지의운반및보관단계에서경제성을잃게될때, 그대로자연환경에방치되거나, 또는매립이나노천소각등의처분으로환경에부정적인영향을미치게될뿐아니라경관을해치게된다. 본연구에서는농촌지역등에서발생하는부산물인목질계폐기물을원료로소규모로처리가가능하며생산물의이용에있어토양으로환원이가능한바이오차생산방안에대한환경영향을평가하고자하였다. 바이오차생산공정의단계별환경영향과부산물인바이오차의토양적용시바이오차가가지는탄소격리효과를고려하여분석한결과, 탄소저감의편익이매우높은것으로평가되었다. 본연구는자료의부족으로인하여환경영향을정량화하는데있어한계를가지며, 향후추가적인연구로신뢰성을확보할필요가있다. 국내에는현재바이오차의토양적용과오염물질제거흡착능력과관련한연구가대학을중심으로활발히이루어지고있으나, 생산시스템의분석및평가와관련된연구는미미한상황이다. 이와같은상황을고려할때, 본연구의결과는관련분야에기초자료로제공될수있을것으로사료된다. 사사 본연구는환경부 GAIA 토양 지하수오염방지기술개발사업 으로지원받은과제이며, 이에감사를드립니다. Table 8. GWP of the biochar production system Chipping/ drying Pyrolysis Spreading Carbon sequestration Total 4.048E-01 4.579E-01 9.070E-02-2.520E+02-2.510E+02 References 1. Woo, S. H., Biochar for soil carbon sequestration, Clean Technol., 19(3), 201~211(2013). 대한환경공학회지제 36 권제 7 호 2014 년 7 월
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