2조. 흙으로 돌아가조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 담배꽁초와 커피찌꺼기 동시 퇴비화 장치 및 수거시스템 개발

영문 : Development of Composting Device and Collection System for Cigarette butts and Coffee grounds

과제 팀명

흙으로 돌아가조

지도교수

이동훈 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2016890013 김수현(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2016890012 김수현

서울시립대학교 환경공학부 2016890053 이정민

서울시립대학교 환경공학부 2016890073 한민지

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 쓰레기로 취급되어 쓸모없다고 여겨지는 담배꽁초와 커피찌꺼기를 퇴비로 재활용하여 매립지 부족 문제를 해결하고 궁극적으로 자원순환사회를 구축하는 데 이바지하고자 한다.

◇ 국내에는 담배를 체계적으로 관리하는 방안이 미흡하며, 커피찌꺼기의 경우 퇴비로서의 가치가 충분하지만 수거 과정의 비용문제로 대부분 일반쓰레기로 버려진다.

◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기를 각각 퇴비화하는 방안은 존재하지만 둘을 동시에 처리하는 방안은 존재하지 않는다.

◇ 따라서, 동시에 퇴비화하는 장치 및 시스템을 설계하여 수거 문제를 해결하고 퇴비로의 활용도를 높이고자 한다.

◇ 본 장치의 수거량을 계산하기 위해 담배꽁초 및 커피찌꺼기의 발생량을 산정하였다. 또한 담배꽁초와 커피찌꺼기가 혼합된 퇴비의 안정성을 확인하기 위하여 담뱃잎 비율에 따른 식물의 성장 실험을 진행하였다.

◇ 경제성 타당성을 확인하기 위해 B/C 분석을 진행하였다. 또한 담배꽁초와 커피찌꺼기에 관한 설문 조사를 진행하여 본 장치와 시스템의 활성화하기 위한 방안을 도출하였다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 국내 매립지문제는 해가 지날수록 심각해지고 있으며 2025년까지 사용 가능할 것으로 예측됐던 수도권 매립지의 경우 조기 포화상태에 이를 것으로 보고되었다.

◇ 담배꽁초에는 독성물질과 미세플라스틱 등이 포함되어 있어 적절한 처리가 필요하나, 국내는 담배를 체계적으로 관리하는 방안이 미흡한 실정이다. 담배꽁초의 재활용을 통해 소각 시 배출되는 발암물질 및 미세플라스틱의 영향을 최소화한다.

◇ 한 해 수입량이 약 15만 8천 톤에 이르는 커피 원두는 1g 중 0.998g이 커피찌꺼기로 배출된다. 커피찌꺼기는 퇴비 가치가 충분하지만 수거 과정의 비용문제로 인해 대부분 일반쓰레기로 배출된다.

◇ 동시 퇴비화 기기를 개발을 통해 전처리를 하는 과정을 통해 담배꽁초와 커피찌꺼기를 자원화하여 재활용함으로써 지자체의 폐기물 처리 비용을 감축한다.

◇ 시민들의 폐기물 재활용 인식 개선을 통해 자원순환사회 구축한다. 또한, 시민들이 자발적으로 참여하는 수거 체계를 구축함으로써 커피찌꺼기 수거 비용을 최소화하여 재활용 시 가장 문제가 되었던 수거 문제를 해결할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기를 대상으로 혼합하여 퇴비화하는 장치를 개발하여 처리 비용을 절감하고, 1차 처리된 퇴비는 조경용 비료 및 토양개량제로 활용할 수 있도록 한다.

◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기를 수거하는 체계적인 시스템을 제안하고, 어플리케이션 및 포인트 제도를 활용하여 환경친화적인 사업에 소비자가 자발적으로 참여함으로써 궁극적으로 자원순환사회를 구축하고자 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 시민들이 자발적으로 참여하는 수거 체계를 구축함으로써 재활용 시 가장 문제가 되었던 수거 문제를 해결할 수 있다.
◇ 동시 퇴비화 기기를 개발하여 전처리까지 완료함으로써 담배꽁초와 커피찌꺼기의 자원화가 가능하다.
◇ 담배꽁초의 재활용을 통해 소각 시 배출되는 발암물질 및 미세플라스틱 영향을 최소화할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 카페 이용객들의 자발적 수거 참여를 유도함으로써 커피찌꺼기 수거비용을 최소화한다.
◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기의 재활용을 통해 지자체의 폐기물 처리 비용을 감축한다.
◇ 시민들의 폐기물 재활용 인식 개선을 통해 궁극적으로 자원순환사회를 구축한다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

 가. 제품 요구사항  
◇ 시장조사 결과를 통해 제품의 요구사항을 목록으로 나타내보았다. 각 요구사항은 D(Demand)와 W(Wish)로 구분하였으며 중요도의 순에 따라 등급을 나누어 대, 중으로 표기하였다.

 나. 목적 계통도
본 설계의 요구사항을 반영하여 목적계통도를 5가지 요소인 기능성, 환경성, 심미성, 경제성, 효율성으로 나누어 나타내었으며 목적계통도에서 세분화한 항목이 지닌 장점에 대해 파악해볼 수 있다.

1) 기능성 : 아두이노를 활용해 퇴비화 조건을 측정하고 기기의 인식에 QR코드를 이용함으로써 적절한 기능을 수행할 수 있다.
2) 환경성 : 일반쓰레기로 버려지던 담배꽁초와 커피찌꺼기를 퇴비로 재활용함으로써 매립지문제를 해결할 수 있다.
3) 심미성 : 적절한 크기로 제작하며 주변 환경과 조화롭게 설치할 수 있다.
4) 경제성 : 커피찌꺼기 수거비용 최소화, 퇴비화기기 유지비용 최소화, 퇴비판매수익 및 광고수익 창출 등을 통해 경제성을 확보할 수 있다.
5) 효율성 : 담배꽁초와 커피찌꺼기를 동시에 퇴비화 할 수 있으며, 효율적으로 수거할 수 있다. 
 
 다. QFD

◇ Demanded Quality : 고객 요구사항
◇ Quality Characteristics : 기술적 요구사항
   (1) - 가압롤러 압축 : 소화부
      - 압착롤러 토크 : 담배꽁초 필터 및 가루 분리 
      - 매쉬망의 투과도 : 분리된 필터와 가루 분리수거
      - 미생물의 퇴비화 : 미생물의 퇴비화 능력
      - 수분함량조절 : 커피찌꺼기 건조 및 퇴비화 조건에 따른 수분 공급
   (2) - 온도센서 : 퇴비화 조건의 온도 유지
      - 습도센서 : 퇴비화 조건의 습도 유지
      - 중량센서 : 담배꽁초 및 커피찌꺼기의 퇴비화 비율 조정 및 수거부 포화현황 파악
   (3) - RFID : QR코드 태그를 통한 입구 개폐
◇ Weight / Importance : 고객 입장에서 각 항목의 중요도 표시 (1,3,5 = 하,중,상)
◇ Difficulty : 기기 제작에 있어서 기술적 요구사항 달성이 어려운 정도 (1~10)
◇ QFD 결과해석을 통해 고객 요구 및 기술적 요구의 중요도를 고려한 우선순위를 알 수 있었으며, 이에 따라 중요도가 가장 큰 RFID에 집중하여 연구를 진행해야 함을 알 수 있었다.

개념설계안

◇ 담배꽁초 및 커피찌꺼기 동시 퇴비화기기

본 발명의 퇴비화기기는 위 그림과 같이 구성된다. 담배꽁초와 커피찌꺼기가 투입되어 처리되기까지의 과정은 다음과 같다.
가. 태그인식
커피찌꺼기를 수거하는 용기의 상단에 QR코드를 부착하고, 퇴비화 기기에 설치된 리더기에 QR코드를 태그하면 여닫이 방식의 투입구가 개폐된다. 단, 시범 운영 중에는 QR코드 스티커를 대신 활용할 수 있도록 한다.
나. 분류
담배꽁초와 커피 찌꺼기의 투입구는 각각 다른 위치로 분리하여 설치하며, 이때 담배꽁초 투입구는 구멍을 작게 하여 담배꽁초 외의 다른 쓰레기는 들어갈 수 없도록 한다. 또한, 담배꽁초와 커피찌꺼기가 수거되는 속도와 부피를 고려하여 커피찌꺼기 수거부의 부피를 더 크게 한다.
다. 전처리과정
전처리과정은 담배꽁초의 소화 및 분리와 커피찌꺼기 수분조절 단계로 나누어진다. 먼저 담배꽁초가 투입되면 가압 및 압착롤러를 이용하여 담배꽁초에 남아있는 잔불을 소화시키고, 담배꽁초의 겉싸개(종이)는 찢어서 분리한다. 소화된 담배꽁초가 압착롤러를 통과하면서 회전력에 의해 담배가루와 필터로 분리되며, 분리수거부에 설치된 매쉬망을 통해 담뱃잎과 담배필터가 분리되어 수집된다. 수집된 담배필터는 따로 빼내어 플라스틱으로 재활용할 수 있도록 하고, 담뱃잎은 아래로 내려가 커피찌꺼기와 함께 1차 퇴비화된다. 커피찌꺼기 투입 후 건조단계를 거쳐 퇴비화 단계로 넘어간다.
라. 1차 퇴비화과정
교반기를 이용하여 가루가 된 담배꽁초와 커피찌꺼기를 혼합하고 2차적으로 건조시키도록 한다. 따라서 본 장치에서는 퇴비의 1차 전처리과정까지 수행된다.
마. 수거
일차 처리가 완료된 퇴비는 퇴비업체와 수거시기를 결정하여 수거할 수 있도록 한다.

위의 순서(가-나-다-라-마)에 따라 담배꽁초 및 커피찌꺼기의 수거와 처리가 이루어진다. 퇴비업체에서 추가적인 퇴비화 과정을 통해 활용도 높은 퇴비로 거듭나게 되고, 이후 곧바로 이용 가능한 시설과 연계되어 퇴비로 활용할 수 있도록 한다.

◇ 수거 시스템
 1. 어플리케이션 설명

퇴비화기기의 효율적인 운영을 위한 어플리케이션으로, 이름은 “커피씨가”로 한다. 이는 커피찌꺼기 및 담배꽁초(Cigarette)을 동시에 처리하는 퇴비화기기를 의미하며 커피찌꺼기의 커피와 담배꽁초(Cigarette)의 Ciga를 “씨가”로 발음하여 구상하였다.
본 어플리케이션을 통해 퇴비화기기의 실시간 수거 현황 및 위치를 확인할 수 있으며, 사용자에게는 포인트 및 할인권 제도를 이용할 수 있도록 한다. 또한, 어플리케이션의 쿠폰/적립금 목록에서 바코드 태그를 통해 카페는 수거에 참여한 사용자에게 일정금액을 포인트 혹은 할인권으로 지급하도록 한다. 어플리케이션의 하단에는 광고배너를 설치하여 게임, 쇼핑몰 등의 광고를 게시함으로써 수익창출을 통해 경제성에도 기여할 수 있도록 한다.

 2. 어플리케이션을 이용한 수거방법 및 활용방안
담배꽁초의 발생량은 한정적이므로, 업소당 일일 평균 3kg정도 배출되는 커피찌꺼기가 상대적으로 빨리 쌓일 것으로 예상된다. 효율적인 수거 및 기기 운영을 위해서 카페에서는 어플리케이션을 이용하여 실시간으로 수거 현황을 파악하고 커피찌꺼기의 투입가능여부를 판단한다.

또한, 만약 퇴비화 기기가 포화된 경우에는 빨간불로 표시하여 담배꽁초 혹은 커피찌꺼기를 넣을 수 없도록 하며 아직 포화되지 않았다면 초록불로 표시하여 담배꽁초 혹은 커피찌꺼기를 넣을 수 있도록 한다.

- 카페 입장 : 퇴비화기기의 설치위치 및 실시간 현황을 파악하여 커피찌꺼기의 투입여부를 판단한다. 커피찌꺼기의 수거에 참여하는 어플리케이션 사용자에게 혜택을 제공할 수 있도록 한다. 
- 사용자 입장 : 커피찌꺼기의 수거에 직접 참여하며, 어플리케이션을 통해 적립금 및 쿠폰 등을 활용하여 저렴하게 커피를 구매할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

3.1 기기 크기 결정을 위한 계산

3.1.1 담배 및 커피박 발생량 산정
기기의 크기를 설정하기 위해 먼저 담배꽁초와 커피찌꺼기의 발생량을 계산하였다.
1. 수거된 담배꽁초 개수 산정
담배발생량을 산정하기 위해 회기 탐앤탐스 카페 내부 흡연구역과 야외 흡연구역에서 발생한 담배꽁초 개수를 참고하였다. 카페 오픈시간인 오전 9시부터 오후 2시 30분까지 카페 내부 흡연구역에서 발생한 담배꽁초 개수는 38개이고, 야외 흡연구역은 16개의 담배꽁초가 발생했다. 이를 토대로 5시간 반 동안 평균 30개의 담배꽁초가 발생한다고 가정하였다. 그러므로 하루동안 발생한 담배꽁초 개수는 150개이다.
2. 담배 필터의 총 부피 산정
담배필터의 부피를 산정하기 위해 다음과 같이 가정하였다.
1) 담배 내에 총 두 개의 필터가 있으며, 각각 높이 1cm 지름 0.7cm, 높이 1.2cm 지름 0.7cm이다.
2) 일주일 간 담배꽁초 발생량을 고려하였을 때, 총 담배 필터의 수거량은 이며, 담배 필터 수거함의 부피는 이 수치보다 커야 한다.
3. 담뱃잎 수거량 산정
커피찌꺼기와 퇴비화되는 담뱃잎을 산정하기 위해 다음과 같이 가정하였다.
1) 담배꽁초 한 개당 담뱃잎의 무게는 0.09g이다. (새 담배에 들어있는 총 담뱃잎의 무게는 0.356g이고 담배꽁초는 전체 담뱃잎의 ¼ 가 남아있다고 가정하였다.)
2) 하루에 발생하는 담배꽁초의 양은 150개 이므로, 일주일 간 발생하는 담뱃잎의 양은 150 * 0.09g * 7일=94.5g이다.
4. 커피찌꺼기 수거량 산정
1) 하루에 한 곳의 카페에서 3kg의 커피찌꺼기가 발생하고 총 2개의 카페에서 커피찌꺼기를 수거한다고 가정한다면, 총 3kg * 2* 7 = 42kg 의 커피찌꺼기가 퇴비화기기 내에 수거된다.
2) 커피 밀도 측정을 위한 실험을 진행하였다. 부피를 아는 용기 내에 커피찌꺼기를 담고 무게를 재어 밀도=부피/질량 이므로 밀도를 계산하였다. 5번 반복 실험 후 평균값을 사용하였다. 이를 통해 0.64g/mL 라는 값을 도출하였다.
3) 42kg의 커피찌꺼기의 부피는 이다.

3.1.2 장치 크기 산정
담배필터 수거함의 부피 , 커피찌꺼기 수거함의 부피 를 고려하여 기기의 크기를 계산하였다. 폭(W) 20cm, 너비(L) 80cm로 설정하였으며 높이(H) 100cm이다. 커피찌꺼기의 부피가 크므로, 하단에 위치하며 커피찌꺼기 수거함의 크기는 L 80cm* W 20cm* H 50cm이다. 담배필터 수거함의 크기는 L 7.7cm* W 20cm*  H 7.7cm 이다. 구체적인 수치는 다음과 같다.

3.1.3 매쉬망 크기 산정
본 장치에서 매쉬망의 역할은 담배꽁초 내에 있는 담배 필터는 걸러내고 담배잎은 매쉬망을 통과하여 한 곳에 모이도록 하는 것이다. 담배 필터의 크기는 지름 0.7cm, 길이 1~1.2cm이므로 매쉬망 구멍의 크기는 적어도 70mm보다 작아야 한다. 
매쉬망에서 매쉬(Mesh)란 일직선 상의 거리 25.4mm(1인치) 내에 씨줄과 날줄의 수, 즉 망목의 수로 명명된다. 예를 들어 100매쉬는 1인치 내에 씨줄, 날줄이 각각 100가닥이라는 의미이다. 
본 장치에서는 ‘영텍’의 매쉬망 규격을 따랐으며, 평직 매쉬망이고 4 Mesh,  와이어의 두께 1.19mm, 공간목 (Opening, 매쉬망 선과 선의 내부 직선거리)은 5.16mm이다. 공간목이 11.81mm이기 때문에 담배잎은 이보다 더 작은 크기여야 이를 통과할 수 있다. 담배꽁초가 압착롤러로 겉 종이가 찢길 때, 담배잎 또한 크기가 더 작게 부숴질 것이라 예상하여 이 매쉬망을 사용하기 적합하다는 판단을 하였다.

3.2 담뱃잎 비율에 따른 식물의 성장 실험
1) 목적 및 내용
가. 실험목적 : 담배꽁초 전처리부에서 퇴비화부로의 입구 개폐 중량 설정을 위해서
- 식물이 견딜 수 있는 담뱃잎/커피찌꺼기의 최대 비율 결정
- 생산된 퇴비의 안정성 확인 가능
나. 실험내용 : 4개의 화분에 각각 다른 비율로 커피찌꺼기(커피퇴비로 대체)와 담뱃잎을 혼합하고 장미를 옮겨 심은 후 2주간 성장 실험을 진행하였다. 시간의 경과에 따른 식물의 상태를 관찰하여 이론적인 계산을 바탕으로 결정한 혼합비율의 안정성을 확인하고, 담뱃잎의 최대 혼합비율을 결정한다.
2) 원리 및 계산
가. 원리
- C/N비
퇴비의 원료에 있어서 가장 적합한 탄질비(C/N비)는 약 20~30이라고 알려져 있다. 커피찌꺼기의 C/N비는 아래 표와 같다.

나. 계산
담배꽁초 1개와 그 중 담뱃잎의 질량을 측정하였을 때 각각 0.9g, 0.35628g/개로 나왔다. 화분 당 커피퇴비는 120g씩 분배하고, 배양토는 한 봉지를 균등분할하였다. 커피퇴비의 커피 함량이 90%이므로 화분 당 커피찌꺼기는 108g씩 분배된다.
- 1일 담뱃잎 발생량 = 담배꽁초 발생량 150개/day * 0.09g/개 = 13.5g/day (0.09g/개 : 담뱃잎 0.35g/개 * 1/4, 담배꽁초는 전체 담뱃잎의 ¼ 이 남아있다고 가정.)
- 1일 카페 한 곳당 커피찌꺼기 발생량 = 3kg/day
- 1일 커피찌꺼기 발생량 당 담뱃잎 발생량 = 13.5g / (3*10^3)*2g = 0.00225
- 따라서 실제 발생량을 통해 산정한 담뱃잎/커피찌꺼기 비율은 0.225%이다.
3) 실험방법
가. 실험환경
본 실험은 2020년 5월 21일부터 약 2주간 서울시립대학교 제 1공학관 CAD실 창가에 화분을 배치하여 진행하였다. 장미의 적정생육온도인 24~27℃에 적절한 20~25℃ 실온 조건에서 진행되었고, 평균 이틀에 한 번 주기로 화분에 물을 공급하였다.
나. 실험재료: 담뱃잎, 커피 퇴비, 분갈이용 배양토, 장미
다. 실험방법
담뱃잎은 니코틴 0.30mg, 타르 3.0mg의 담배꽁초를 분리하여 필터와 종이부분을 제외한 ‘’ 부분을 사용하였고, 커피찌꺼기는 ‘다농’에서 구매한 커피찌꺼기 함량 90%의 커피퇴비 1kg을 사용하였다. 커피 퇴비 중에 이미 미생물이 포함되어 있기 때문에 따로 미생물은 넣어주지 않았다. 아래 비율에 따라 4개의 화분을 채운 후 잘 섞어주고 장미의 분갈이를 진행하였다.

각 화분의 담뱃잎/커피찌꺼기 비율을 계산하면 다음과 같다. 화분 1의 혼합 비율은 실제 발생량으로 계산한 비율의 2배로 설정하였다.

4) 결과

약 2주간 실험을 진행한 결과 담뱃잎/커피찌꺼기의 비율이 1.38%로 가장 높은 화분 3은 실험 시작 4일째부터 잎이 노랗게 변하기 시작하였고, 2주 후 잎을 포함하여 꽃잎까지 전체적으로 건조하게 마른 상태로 관찰되었다. 각각 담뱃잎과 커피찌꺼기를 실제 발생량의 2배, 4배 비율로 혼합한 화분 1과 2는 시간이 경과함에 따라 잎이 조금 마르긴 했으나 담뱃잎 함량이 더 높은 화분 2가 화분 1보다 더 잘 성장하였다. 따라서 이는 화분에 물이 부족했거나 꽃이 지는 과정에서 자연스럽게 발생하는 현상과 같이 담뱃잎 때문이 아닌 생육과정에서 발생한 다른 원인으로 인한 결과일 것으로 판단된다.
이론적인 발생량을 통해 계산한 담뱃잎/커피찌꺼기 비율과 실험 결과를 종합하였을 때 대략 0.926% 이하의 비율에서 퇴비의 안정성을 확보할 수 있다. 하루 퇴비화기기 한 대 당 평균 2곳의 카페를 대상으로 커피찌꺼기를 수거하고, 기기로 투입되는 커피찌꺼기의 양은 6kg으로 예상된다. 따라서 설정한 비율에 의하면 하루에 수용 가능한 담뱃잎의 질량은 55.56g이다.
이론적 발생량 계산에 따르면 하루에 13.5g의 담뱃잎이 발생하기 때문에 본 설계에서 1차 처리된 퇴비의 유해성은 없을 것으로 판단되고, 일주일에 한 번 퇴비를 수거하기 때문에 대략 중량 40g을 초과하면 담배꽁초 전처리부의 하단 입구를 개폐하는 것으로 결정하였다.

장치선정 및 전력계산

3.4.1. 교반기 
- 커피찌꺼기와 담뱃잎이 잘 섞이기 위해 교반기를 설치하였으며, ribbon mixer를 사용하였다. Ribbon Mixer는 용기 내에 서로 이동 방향이 다른 2개의 리본을 외측과 내측으로 구성하고, 이를 좌, 우 대칭으로 배열하여 상하운동과 좌우운동이 유기적으로 이루어지면서 효과적인 혼합이 가능한 교반기이다.
- 반응조의 부피는 커피찌꺼기 수거함의 크기이며 L 80cm W 20cm H 50cm이고 부피는 80L 이다. 교반기의 부피는 총 부피의 70~80%정도이며 80L * 0.7=56L이다. 교반 속도는 60rpm으로 설정하였다. 하루 2회, 12시간마다 교반하도록 하였으며 12시~13시(중간부하시간대), 00시~01시(경부하시간대)에 1회씩 진행하였다. 한 번 교반 시 3분 동안 지속하였다.
- 한 달간의 소비전력: 3min/day*2*1kW*30days/month=3kWh/month 이다.

3.4.2 롤러 
1) 반지름(R) 0.025m, 길이 0.15m인 원기둥 모양의 스테인리스 롤러를 사용한다. 롤러 재료인 스테인리스의 밀도는 7.93g/cm^3이며, 이를 토대로 부피와 중량을 계산한다.
- 부피 : 294.52cm^2
- 중량 : 2.36kg
2) 회전력을 구하고, 회전수(N)은 120rpm으로 가정하여 필요 동력을 계산하였다. 
- 회전력 : T=R*W=0.059kg*m
- 동력: kW=T*rpm/974=0.0072kW 
3) 하루에 발생하는 담배꽁초 개수는 총 150개이며, 한 개의 담배꽁초가 투입될 때마다 5초 동안 롤러가 회전한다고 가정하였며, 롤러의 안정적인 운전을 위해 30%의 여유 전력을 고려하여 계산하였다.
- 하루 동안 가동시간: 5sec*150=0.21hr
- 한달 간 소비전력: 0.0072kW*0.21hr*30days*1.3=0.06kWh/month

3.4.3. RFID
- RFID는 본 장치에서 커피찌꺼기의 운반 통에 부착되어 장치에 태그하면 투입구가 열리게 하는 역할을 하며, 현재 상용 중인 두 기종을 비교하였다.

- 두 개의 기종 중 Type A를 사용한다고 가정하여 소비전력을 계산하였다.
- 동력: P=VI=12V*0.07A=0.84W
- 한달 간 소비전력: 0.84W*24hr/day*30days/month=0.6kWh/month

3.4.4 송풍기
- 송풍기는 커피찌꺼기를 건조시키기 위해 필요한 장치이다. 본 장치 내에 설치한 송풍기는 전원 220V, 50Hz, 4개의 극, 전류 0.17A, 전력 38W, 풍량 182m³/h, 정압 5.3mmAq, 회전수 1415rpm, 날개크기 100Ø * 57T (mm)이며 소음은 44dB이다. 
- 하루에 2번, 2시간씩 송풍기를 가동하며, 12시~14시, 20시~22시에 가동한다. 커피찌꺼기 수거 발생량에 따른 효율과 생활소음기준 (낮, 저녁 시간대), 전력부하를 고려(중간부하시간대, 여름 ~ 최대부하시간대, 겨울) 하여 운전 시간을 설정하였다.
- 송풍기 운전으로 인해 한 달간의 소비전력 계산식은 다음과 같다. 
- 한달 간 소비전력: 38W*4hr/day*30days/month=4.6kWh/month

전기요금

장치를 한 달간 운전하였을 때의 소비전력은 RFID, 롤러, 송풍기, 교반기의 총 소비전력과 같다. 0.6+0.6+4.6+3=8.8kWh로, 약 9kWh이다. 가정용 (저압)으로 계산하였을 때 예상 전기요금은 1130원/월 이다.

설계도안

SolidWorks 프로그램을 사용하여 기기 도안을 작성하였다.
1. 최종 도안(외부)

a. 통풍구 : 외부 공기가 유입될 수 있도록 하여 커피찌꺼기가 자연건조 될 수 있도록 한다.
b. 커피찌꺼기 투입구 : 커피찌꺼기를 투입하는 입구이다.
c. 송풍기 : 커피찌꺼기가 효과적으로 건조될 수 있도록 내부공기를 순환시킨다.
d. 담배 투입구 : 한 개피의 담배만 투입될 수 있는 크기로 제작하여 다른 물질의 유입을 방지한다.
e. 롤러 : 가압 및 압착 기능을 가진 롤러로, 가압기능을 이용하여 담배꽁초에 남아있는 불을 끄고 압착 기능을 통해 담배꽁초의 종이 (겉싸개)가 찢겨서 분리될 수 있도록 한다.
f. 매쉬망 : 담배꽁초에서 담뱃잎과 담배필터가 분리될 수 있도록 하여, 담뱃잎은 매쉬망을 통과하고 담배필터는 통과할 수 없도록 한다.
g. 담배필터 수거부 : 매쉬망을 통해 걸러진 담배필터를 수거할 수 있도록 서랍식으로 제작한다.
h. 교반부 : 1차 처리된 커피찌꺼기 및 담배꽁초의 혼합퇴비를 수거할 수 있도록 서랍식으로 제작하며 건조된 커피찌꺼기와 분리된 담뱃잎이 서로 섞일 수 있도록 교반기를 설치한다.

2. 아두이노 설계
아두이노를 이용하여 QR 코드 스캐너와 서보모터 연동을 제어부 및 회로 설계에서 설명한다.
전반적인 순서는 다음과 같다.
1. 스캐너를 통해 커피찌꺼기 수거함의 QR 코드를 인식한다.
2. 인식한 QR 코드를 아두이노에서 받아들인다.
3. 정확한 코드가 인식되었다면 입구가 열렸다 닫힌다.
아래에 아두이노에 브레드보드와 서보모터를 연결한 회로를 나타내었다.

아두이노의 코딩 세부내용과 그 설명은 다음과 같다.

경제성 분석

1. 개념
경제성분석은 투자사업의 비용(cost)과 편익(benefit)을 측정하고, 이에 따라 경제적 수익률(economic rate of return)을 계산함으로써 투자사업에 대한 타당성 여부를 결정하는 분석 방법이다. 경제성 분석 기법에는 비용편익비율(benefit-cost ratio)과 순현재가치(net present value : NPV) 그리고 내부수익률(internal rate of return : IRR) 세 가지의 방법이 주로 사용된다. 그 중에서 B/C분석은 사회 전체의 입장에서 비용과 편익을 비교하여 정책결정을 하거나 새로운 투자 기회가 존재할 때 투자여부를 결정할 때 쓰이는 기법으로, B/C≥1이면 경제적 타당성이 있다고 판단한다.

n：분석기간, r：사회적 할인율

또한 할인율을 결정할 때에는 다음 항목을 고려해야 한다.
- 할인율을 적용할 때 어떠한 할인율을 적용하는 것이 적정한가
- 모든 환경규제 정책 및 환경투자 정책에 동일한 할인율을 적용하여야 할 것인가 혹은 사업별로 다른 할인율을 적용할 것인가
- 위의 현안과 연관된 것으로 기후변화 방지 정 책과 같이 그 정책의 효과가 현재의 세대뿐만 아니라 미래의 여러 세대에 걸쳐 발생하는 경우에도 할인을 하여야 할 것인가

2. 본 과제에서의 편익과 비용 예상 항목
 다음 표와 같이 본 과제를 통해 발생하는 편익과 비용을 정리하였다. 편익은 다시 판매자인 커피씨가에서의 직접적인 이익(재생자원 판매, 광고비, 수거장치 판매)과 국가나 이용하는 시민, 지방자치단체가 누릴 수 있는 환경적 편익 등(폐기물 처리비용 절감, 미세플라스틱 노출 방지에 따른 편익, 도시환경 개선효과와 사회적 손실 비용 감소)으로 나눌 수 있다.

3. 기본 가정
- 서울시 내 지정된 야외 흡연구역에 설치함
- 일주일에 한번 수거하여 판매처에 납품
- 수거된 담배꽁초와 커피찌꺼기의 납품업체(수요처) 위치를 남양주시로 설정
- 설치할 장치 수 : 652개, 수거 계약을 맺을 카페 수 : 1304곳 
- 연간 수거할 목표 커피찌꺼기 양
(질량) 3kg/d * 365d/yr * 1304개 = 약 1,423ton
(부피) 밀도 0.62ton/m3 * 1423ton= 2,295m3

편익분석

1) 폐기물처리비용 절감
● 서울시(지방자치단체) 입장
- 연간 1,423ton의 쓰레기 발생량 감소 : 10년간 총 14,230톤 저감- 수도권매립지 생활폐기물 가정계 반입수수료(62076원/톤)
= (커피찌꺼기로 인한 부담금) 연간 최소 8,833만원- 2020년부터 시행되는 ‘쓰레기 반입 총량제’에서 서울시는 총3만1천 톤을 줄여야 함. 
- 장치 설치 시 할당량 중 약 4.6%에 해당하는 양을 줄일 수 있음.
● 매립지시설 대체 편익 계산
- 매립시설대체편익(원/년)= 매립시설조성비(원/년) + 운영비(원/년)- 연간 2295m3 매립용량 저감 - 2010년 서울시정개발연구원이 작성한 수도권매립지의 효율적 운영방안에 따라 계산함

- 신규매립시설 조성비 = 2295㎥/312000㎥ * (1622+13104+2336) = 12550만원/년
- 현지안정화 = 2295㎥/330000㎥* 6812 = 4737만원/년
- 2020년 기준(kostat.go.kr)으로 환산한 금액: 1.176*(12550+4737) = 20330만원/년

2) 미세플라스틱 노출 방지에 따른 편익 
- 해양생태계 손실: 유엔환경계획(UNEP)은 플라스틱 오염이 해양 경제에 미치는 경제적 손실만 연간 80억달러(약 9조4416억원)에 달할 것으로 추산했음
- 인체위해성 우려: KOSEN 분석리포트에 따르면 해염(sea salt)에서도 검출되었음또한 sbs스페셜 방송에서 조사한 바에 따르면 10개 중 4개의 생수에서도 미세플라스틱 검출되었음
- 회피행동 분석법으로 예상 편익 산출 (미세플라스틱 걸러내는 정수기 구입): 월 4만원 *12개월/년* 20%(미세플라스틱 위해성 인식) * 20%(신규 구입비율)  * 60%(정수기 사용률) * 3,914,820(서울시 가구 수) = 451만원/년

3) 사회적 손실 비용 감소
- 민원 감소: 흡연구역 관리 미흡과 담배 무단투기 등으로 인한 민원이 감소될 것으로 예측.
- 사회적 손실비용 저감: 2017년 서울시 한 해 빗물받이 청소비용 79억 원 지출
- 흡연자의 만족도: 생활폐기물 수거체계 및 수집운반차량 개선 시범사업(2016.12~2017.5)에서 담배꽁초 수거체계 개선을 위해 담배꽁초 수거함 설치 후 이용자 만족도는 79%
- 서울시 담배꽁초 무단투기 감소에 따른 편익: 무단투기 감소율(담뱃갑에 분리배출 홍보 이미지 삽입으로 인한 효과 + 본 장치에 의한 재활용 홍보효과) 70% * 청소비용 79억원 = 55,300만/년 
- 또한 본 과제에서 실시한 설문조사를 통해 환경수준에 대한 지불의사액(WTP: Willingness to Pay)을 도출하면 담배 1갑(20개피) 기준 적절 처리금액으로 200원 가정했을 때, : 연간 목표 처리량 * 지불의사액 = 365 * 150 * 652 * 200 / 20 = 39,267만원/년

4) 수거장치 판매(계약) 편익
- 서울시(지방자치단체)와의 계약
 관리비 : (첫 3년간) 장치 한 개 당 월 12만원 (이후 매년 물가상승률 반영)   
 첫 해 계약금: 12만원*652개*12개월 = 93,888 만원/년
- 이디야(카페)와의 계약
 (기존 방식) 종량제 봉투 사용 시 처리비용(100L, 2420원) = 연간 약 54,148만원
 따라서 계약금으로 (첫 3년간) 50,000만원을 제시함 (이후 매년 물가상승률 반영)

5) 재생재료 제품 판매
- 대상: 퇴비 제조 회사, 폐플라스틱 재활용 연구소 납품
- 퇴비: 연 약 1400톤, 3600만원 (월 평균 300만원)
  업체: 택배 30kg 배달요금 1만원 → 연간 1400톤 수거 시 약 46,666만원
  따라서 본 시스템 이용 시 연간 약 천만 원 절약 가능
- 담배 필터: 연구소 5년간 무료 제공 (연간 37m3 수거 가능)
  이후 기술 상용화 단계부터 담배 필터로 제조한 폐플라스틱 제품 판매

6) 광고비
- 앱 배너 설치
  보통 클릭당(노출 확률) 150원, 하루 평균 1300명이 접속할 경우 19.5만원의 광고비 창출
  따라서 앱 배너 설치로 받을 수 있는 연간 광고수입: 약 7118만원
- 수거함에 광고판 부착
  엘리베이터 내 광고판 부착(미디어보드) 평균 월 7천원/대
  수거함 652개의 연간 광고비: 0.7*12*652 = 약 5476만원
총 편익을 정리하면 다음 표와 같다.

비용분석

1) 인력
- 납품업체까지 운반인력: 652개/(하루 평균 6.5개 수거*5일 근무)= 20명
  주5일, 8시간 근무 월급: 약 180만원
- 정비+안내 인력: 3명/ 주5일, 6시간 근무 월급: 약 135만원
- 연간 인력 비: 48,060만원‬
- 서울시 따릉이 사업을 참고하여 필요 인력을 산출함.

2) 각 부품 판매비용을 고려한 제조비 계산
- 실제로 공장에 제조할 경우 원가와 운영비에 따라 가격 변동
- 믹서기(본 설계) 용량 80L, 선형적 비례 가정, 약 60만원 예상 
- 따라서 1개당 제조비로 100만원을 가정하였다.

3) 시민 참여 보상금
- 설문조사를 통해 희망하는 보상수단은 즉시 할인 또는 어플을 통한 적립이 우세하였다.
- 또한 설문조사를 통해 운반거리 당 희망하는 보상금액을 조사하였다.
- 다음 설문조사는 정문 이디야 커피에서부터 각 지점까지 (A)왕복3분, (B)왕복5분, (C)왕복12분, (D)왕복18분, (E)왕복25분 정도 소요될 때 기준으로 응답을 받았으며, 결과를 통해 왕복 12분 이내 거리에 수거함을 설치하는 것을 목표로 1회 운반 보상금으로 500원을 책정하였다.

4) 그 외
- 좌측은 수요처의 위치를 남양주시라 가정하였을 때 예상 왕복 주유비를 나타내었으며, 평균 7천원이다. 그러나 이는 전기자동차 또는 전기화물차를 구입할 경우 바뀔 수 있다.
- 우측은 앱 개발 대행업체의 제시 금액이다. 추후 본 장치 및 시스템 관리를 위한 앱을 만들 때 활용 가능하다.

최종적으로 정리한 비용은 다음 표와 같다.

B/C계산

1) 할인율의 결정
① 예비타당성조사에서 사회적 할인율은 4.5%를 적용한다. ▶ 초기투자비
② 기획재정부가 제공한 소비자물가지수 자료를 통해 구한 전년대비 소비자 물가상승률은 1986년부터 2018년까지 연평균 3.5%이다. ▶ 수거장치 판매, 광고비, 시민 참여 보상금
③ 정부 별 최저임금 상승률 평균(%, 고용노동부)
   김영삼 정부(8.1), 김대중 정부(9.0), 노무현 정부(10.6), 이명박 정부(5.2), 박근혜 정부(7.4), 문재인 정부(9.1) : 평균 8%를 적용한다. ▶ 재생재료 판매, 관리 인력비
④ 제 8차 전기수급계획안(산업부, 2017)에 따르면 2022년~2030년 연평균 인상률은 1.1~1.3%로 예측하였다. ▶전기요금, 주유(휘발유)비에 적용

2) 판매자(커피씨가)의 입장에서 B/C

- 분석 기간은 2021 - 2030년 (10년)
- 할인율에서 (-)는 상승률을 의미함
- 수거장치 판매는 계약 후 3년간 가격 동결, 이후 물가상승률 반영
- 엑셀로 직접 계산한 B/C비율은 약 1.05로 경제적 타당성이 있음을 확인하였다.

3) 구매자(서울시)의 입장에서 B/C
- 10년간을 목표로 사회적 할인율은 모든 항목을 동일하게 적용하면 B/C는 1.49로 나왔다.

설문조사

7.1 설문조사 시행
시민들의 인식 정도를 파악하기 위하여 ‘담배꽁초 및 커피찌꺼기에 관한 설문조사’를 진행하였다. Google 설문 링크를 통하여 설문을 진행하였으며, 5월 7일부터 5월 24일까지 진행하였다. 총 71명의 20대 남녀가 설문에 참여하였다. 설문을 통해 얻고 싶은 정보는 다음과 같다.
1. 흡연자의 비율 : 하루 담배꽁초 발생량 및 수거량 예측에 도움을 주기 위함.
2. 현재 흡연구역의 문제점 파악 : 본 수거함에 도입해야 할 기능 검토 위함.
3. 커피찌꺼기 및 담배꽁초 재활용 가능성 인식도 : 홍보 필요성 파악 및 전략 도출
4. 커피찌꺼기를 수거하여 장치까지 운반할지 의향 : 시민들의 예상 참여율 조사 (본 시스템의 실효성 파악을 위함)
5. 커피찌꺼기 1회 운반 시 희망하는 보상 비용 : 카페와의 계약, 지방자치단체와의 계약 등의 비용 산출 근거 및 본 시스템의 적정 보상 금액 도출 

설문 문항은 다음 표와 같다.

7.2 설문결과 및 분석, 반영
1) 보건복지부와 질병관리본부에서 국민건강영양조사에서 조사한 우리나라 19세 이상 성인 흡연율은 2018년 기준 22.4%이다. 설문의 1번 문항을 통해 도출된 흡연율은 18.3%이다. 이를 토대로, 본 설계에서는 흡연율 20%로 가정하여 계산하였다.
2) 야회 흡연구역의 문제점에 대해 묻는 3번 문항에서, 담배냄새를 문제점으로 꼽는 사람이 55명으로 가장 많았고, 미관 저해 (49명), 담배꽁초함 관리 부족 (43명)이 뒤를 이었다. 이를 토대로, 흡연구역에 본 설계 장치가 도입될 경우, 미관 저해와 불법 투기 문제를 해결할 수 있다. 부가적으로 악취를 제거할 수 있는 기능을 고려해야 할 것이다.
3) 담배꽁초가 재활용이 가능한지 묻는 2번 문항에서, 16.9%의 응답자만이 재활용이 가능하다 하였고, 83.1%는 재활용이 가능하다고 생각하지 않았다. 또한, 현재 카페에서 발생하는 커피찌꺼기가 어떻게 처리되는지 묻는 6번 문항에서는 일반쓰레기로 버려진다고 응답한 응답자수는 43명 (60.6%), 잘 모르겠다고 응답한 응답자는 27명 (38%)이다. 이는 재활용 가능성에 대한 인식이 부족하다는 것을 보여주고 있으며, 본 시스템이 활성화되기 위해서는 담배꽁초와 커피찌꺼기에 대한 재활용 홍보가 선행되어야 할 것이다.
4) 8번 문항을 통해 커피찌꺼기 운반 후 희망 보상수단을 파악한 결과, 응답자의 69.8%가 커피 주문 시 즉시 할인을 선호했으며 그 다음으로는 43.4%가 적립금(어플리케이션)을 선호하였다. 따라서 커피찌꺼기 수거 계약을 맺은 카페에서 보상금액을 사용가능하도록 한다.
5) 9번 문항에서는 커피찌꺼기 수거함까지 운반 거리에 따라 적절하다고 생각하는 보상금액을 조사하였다. 이해를 돕고자 출발지는 학교 앞 이디야로 가정하였고, (A)100주년관 왕복3분, (B)전농관 왕복5분, (C) 건설공학관 왕복12분, (D)학생회관 왕복18분, (E)중앙도서관 왕복25분으로 예시를 들었다. 조사 결과 1회 운반 시 500원 이하의 금액을 보상금액으로 제공하기 위해서는 운반 시간이 왕복 12분 이내가 되도록 해야 된다는 결론을 내렸다.

6) 우선 4번 문항에서는 담배꽁초 수거함 설치 및 처리 비용을 누가 책임져야 하는 지를 조사한 결과 정부(또는 지자체) 59.2%, 흡연자 52.1%, 담배회사 47.9% 순으로 응답을 하였다. 즉 정부(지자체)는 예산을 편성해 담배꽁초를 수거하기 위한 환경을 조성해야 할 책임이 있으므로 추후 지방자치단체 등과 협약을 맺을 때 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
7) 4번 문항과 이어서 흡연자와 담배회사는 이미 폐기물처리 부담금 명목으로 세금을 내고 있으나 5번 문항에서는 그 처리 비용을 얼마만큼으로 산정하는 것이 좋을지 조사하였다. 현행 담배세 기준 약 0.7%에 해당하는 비용이 폐기물부담금으로 정해져 있으나, 응답자의 85.9%가 그 비용을 더 늘려야한다는 것에 찬성하였다. 5번 문항 결과는 담배꽁초 처리에 관한 지불의사액으로 산정하여 편익 계산에 활용하였다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가



평가 결과, 6개의 평가항목 중 5개의 항목을 만족하였다. 
퇴비 품질 적합성의 평가 기준으로 지정한 비료의 품질검사방법 및 시료채취기준 만족 여부를 본 설계에서 평가할 수 없었기 때문에 자체 실험을 진행하여 작물의 생육 저해를 관찰하였다. 비중을 적용한 총 점수는 100점 기준으로 90점으로 평가하였다.

향후평가

◇ 국내 매립지 문제가 심각한 상황에서 담배꽁초와 커피찌꺼기의 체계적인 수거 및 관리 방안을 제안함으로써 폐기물 처리 및 비용 감축에 획기적인 기획안이 될 수 있다.

◇ 현재는 서울시 1304곳의 카페와 계약을 맺어 652개의 장치를 설치하는 것을 기준으로 설계하였지만 향후 서울시 야외 흡연구역 6200개소 전체에 설치하는 것을 목표로 한다.

◇ 공중이용시설의 실내 흡연 단계적 금지 및 2025년 실내 흡연실 폐쇄 정책에 따라 야외 흡연구역 사용이 강제되면서 본 장치의 사용이 더욱 활성화될 것이다.

◇ 담뱃갑에 경고사진과 함께 QR 코드를 삽입할 수 있다면 담배꽁초 수거 책임을 담배 회사에 부여하는 생산자책임재활용(EPR)제도의 도입을 가능하게 할 수 있다.

◇ 본 설계에서 제안하는 제도의 도입과 지자체와의 협력 등 추가적인 노력이 수반된다면 본 시스템이 폐기물 처리에 미치는 긍정적인 영향은 더욱 커질 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 김현숙. "커피부산물을 이용한 친환경적 퇴비화",광운대학교 환경대학원 석사논문.(2013)

[2] 그린포스트코리아.환경경제신문.(2018.08.24.)

[3] 테라사이클 홈페이지

[4] Minzae Lee et al 2014, Preparation of energy storage material derived from a used cigarette filter for a supercapacitor electrode, Nanotechnology Volume 25 Number 34.

[5] Brohi A.R., Aydeniz A., Karaman M.R. (1996) Tobacco-waste obtained from cigarette factories to be used as organic fertilizer. In: Rodriguez-Barrueco C. (eds) Fertilizers and Environment. Developments in Plant and Soil Sciences, vol 66. Springer, Dordrecht

[6] 중소기업청. “커피박을 이용한 친환경퇴비제조 및 식물재배키트 사업화”,중소기업기술개발사업 최종보고서.(2013)

[7] 세계일보. msn 뉴스. (2019.06.07)

2조. 흙으로 돌아가조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 목표와 내용

관련 기술의 현황

State of art

기술 로드맵

특허조사

특허전략

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적 및 사회적 파급효과

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

장치선정 및 전력계산

장치선정 및 전력계산

전기요금

설계도안

경제성 분석

편익분석

비용분석

B/C계산

설문조사

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

부록

참고문헌 및 참고사이트

관련특허

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