3조 졸업시켜조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 주방용 오물분쇄기 100% 활용을 위한 고액분리와 초음파 전처리 및 소화 공정 설계

영문 : Design of solid - liquid separation, Ultrasound Pretreatment and digestion process for 100% utilization of disposer

과제 팀명

졸업시켜조

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 장**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 간**

서론

개발 과제의 개요

가. 개발 과제 요약

본 과제는 수질환경과 하수관거에 대한 부정적인 영향이 예상되어 제한적으로 사용이 허가되고 있는 디스포저에 전처리 공정과 혐기성 소화공정을 추가로 적용하여 처리 된 음식물 쓰레기 부산물을 단지 내에서 100% 자원화 함으로써 디스포저의 사용 확대를 통해 얻는 이점을 극대화 하는 것을 목표로 한다.

디스포저란 싱크대에 설치 가능한 주방 오물분쇄기로서 음식물 찌꺼기를 전기모터로 잘게 갈아 생활하수와 함께 하천에 그대로 흘려보내도록 하는 장치이다. 이는 음식물 쓰레기 처리의 편리함과 경제성의 측면에서 장점이 있지만 하천 수질에 악영향을 줄 우려가 있다는 점에서 신중하게 고려되어야 한다.

현재 우리나라에서는 주방용오물분쇄기(디스포저)의 경우 인증서를 획득한 합법 제품에 한하여 일반 가정에 대해서만 일부 허용을 하고 있는 상태로, 합법제품이라 함은 음식물 찌꺼기의 80% 이상을 소비자가 반드시 회수하여야 하며, 2차 처리기(회수부)를 제거하거나 거름망이 없는 제품은 불법제품으로 규정하고 있다. 하지만 일부 사용자들의 경우 2차 처리기를 제거한 상태로 이용을 하고 찌꺼기를 회수 하지 않고 100% 배출하는 경우가 많아 문제가 되고 있는 상황이며, 설령 음식물 찌꺼기의 80%를 직접 회수하며 합법적으로 사용한다 해도 기존에 음식물쓰레기를 버리는 방식과 크게 차이가 없어 디스포저 사용의 장점이 없다고 판단하였다.

또한 최근 음식물쓰레기 건조분말의 유통이 막혀 포화상태에 이르렀는데, 이는 현행법상 음식물쓰레기 건조분말을 유기질 비료로 사용하는 것이 불법이기 때문이다.

이런 내용을 근거로 우리 조는 새로 조성되는 아파트 단지 혹은 기존의 아파트단지나 주택가를 단위 구획별로 나누어 설치할 수 있는 일련의 혐기성 소화와 고액분리, 퇴비화 과정의 설계를 통해 시민들이 음식물 쓰레기를 배출할 때 디스포저를 사용하여 음식물 쓰레기를 별도로 회수 할 필요 없이 그대로 배출 가능하도록 배출과정을 간소화하고, 기존에 음식물 쓰레기 배출에 사용되던 많은 양의 비닐사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 처리를 통해 발생하는 부산물은 바이오 가스, 액체 비료, 퇴비로 100% 자원화하여 이용이 가능하므로 이러한 과정을 통해 경제적, 환경적 이점을 극대화하고자 한다. 이를 위해 우리 조는 혐기성 소화와 고액분리, 퇴비화 공정의 처리 효율을 높이고 전처리공정을 추가하여 적당한 규모로 적용할 수 있도록 여러 가지 방안을 과제에 반영할 계획이다.

나. 개발 과제의 배경 및 효과

• 음식물 쓰레기 대란... 우리나라의 현재 상황

음식물 쓰레기 재활용을 위한 정부 고시 개정안 처리가 늦어지면서 `음식물 쓰레기 대란`에 대한 우려가 나오고 있다. 11일(2019.03.11.) 환경부 관계자는 "음식물 쓰레기 가운데 일부는 그동안 관행적으로 건조비료로 재활용돼 왔는데 이를 합법화하기 위한 고시 개정안이 확정되지 못하고 있다"며 "그 결과 재활용되지 못한 음식물 쓰레기가 처리시설에 쌓이고 있다. 이달 안에 재활용을 재개하지 못하면 처리시설에서 수용할 수 있는 용량을 넘치게 될 것"이라고 전했다. 개별 처리시설의 수용 가능 용량이 초과되면 음식물 쓰레기 수거가 중단되고 아파트 단지와 각 지역의 쓰레기통에 음식물 쓰레기는 그대로 방치된다. 농촌진흥청은 음식물 쓰레기 처리와 관련한 `비료 공정규격` 개정을 추진하고 있으나 농민을 포함한 이해관계자 간 의견 수렴이 선행돼야 한다는 입장이다. 지금도 음식물 쓰레기 건조분말은 돼지 사료 등에 이용되고 있으며 퇴비 원료로도 사용이 가능하다. 현재 추진 중인 것은 유기질 비료 원료로도 사용할 수 있도록 고시를 개정하는 작업이다.

• 주방용 오물분쇄기

1) 주방용 오물분쇄기의 의미

싱크대 하부에 음식물 쓰레기 분쇄기(디스포저, Disposer)를 설치하여 갈아서 물과 함께 하수도로 흘려 보내는 방식이 있다. 서구 가정에서 흔히 볼 수 있으며, 음식물 쓰레기 보관과 처리 과정에서 발생하는 악취, 해충, 불쾌감 등의 염려가 없는 가장 이상적인 방식이다. 환경오염을 우려할 수가 있는데, 이 하수는 그냥 흘려보내는 것이 아니라 재생센터로 모아져 집중처리하게 되며, 많은 연구를 통해 환경에 영향이 없도록 처리할 수 있는 용량이라고 한다. 사실 분리 배출되는 음식물 쓰레기도 바로 재이용할 수 없고 재처리 과정을 거친다는 점에서 중앙집중식 관리가 더 유리할 수 있다.

2) 우리나라의 제도

주방용 오물분쇄기는 하수도 시설에 미치는 부정적인 영향(하수도 악취와 퇴적, 하수처리장 수용 용량 초과 등)을 우려하여 1995년부터 판매․사용이 금지되었다. 지난 2012년에 국민 편의 제고를 위해 음식물 고형물을 20% 미만 배출하거나 80% 이상 회수할 수 있다고 환경부장관이 인증하는 제품만 부분적으로 판매․사용할 수 있도록 허용되어 있다. 이들 제품도 여전히 불편하다는 지적이 제기됨에 따라, 지난 2014년 분류식 하수관로가 설치된 지역에 한해 음식물 폐기물을 100% 분쇄, 배출할 수 있는 주방용 오물분쇄기를 허용하는‘하수도법’개정안을 입법예고했으나, 음식물 폐기물 자원화 정책과 상충되는 문제 등으로 입법이 중단된 바 있다. 현재 디스포저는 환경부 인증 제품만 가정용으로 사용할 수 있는데, 고형물 80%는 회수하고 하수관으로는 20% 미만으로 흘려보내는 세미디스포저 방식이다. 대부분의 고형물을 별도로 음식물쓰레기로 처리하는 것이 원칙이다 보니 디스포저의 이점은 별로 크지 않다. 또한 20%라고 해도 적은 양이 아니어서 20세기에 지어진 가정집들은 음식물쓰레기를 분쇄한 찌꺼기가 싱크대 배관에 고여 부패하면서 악취를 풍기는 경우가 많다. 하지만 이 시행령은 문제가 많이 있다. 디스포저의 동작원리를 제대로 파악하지 못한 채, 감량기를 기준으로 20% 배출, 80% 회수를 정하였다. 디스포저는 음식물 쓰레기를 분쇄하여 기본적으로 배출을 위한 목적의 기기이므로 80% 배출, 20% 회수로 정하거나 비중인 높은 물질이 하수관 퇴적 및 배수관 막힘을 발생시키는 원인이 될 수 있으므로 비중이 높은 물질을 걸러내는 방식으로 2차 처리기가 설계되어야 하지만, 현재는 20% 배출, 80% 회수의 시행령이 만들어졌다. 수용성 성분의 배출만으로도 20%가 넘는 것이 다반사이며, 따라서 거의 모든 음식물 쓰레기는 회수하라는 인데, 이는 배출을 기본으로 만들어진 디스포저의 원리에 반한다.

3) 음식물 찌꺼기가 하수도관에 퇴적될 우려

문제는 음식물 찌꺼기가 하수도관에서 고이지 않도록 해야 하는 것인데, 현재 설치된 하수도의 경사와 유속, 여유 용량으로는 이것이 어렵다는 주장이 있으나 이는 사실과 다르다. 2013년 환경부의 시범사업을 통한 주방용오물분쇄기의 공공하수도에 미치는 영향 연구에서 살펴보면 하수의 유속이 0.6m/s가 확보되면 하수관로의 퇴적이 발생하지 않고 따라서 퇴적과 동반하여 발생하는 악취 등의 환경오염 역시 발생하지 않는다. 환경부의 2002년부터 시작된 대규모 하수관거 정비 사업으로 하수의 유속이 최소 0.6m/s가 확보되었고, 이에 퇴적이 발생하지 않기 때문에 음식물쓰레기로 인한 환경오염은 근거가 없다.

배수관 막힘과 관련하여서는 2009년 서울특별시에서 진행한 주방용 오물 분쇄기 시범사업을 살펴보면, 배수관 막힘의 주원인은 지방 및 석회질에 의한 응고가 일부 발견되었고, 막힘이 발생한 세대의 배수관 확인 결과 칫솔 등의 이물질에 의한 배관 막힘이 보고되었고, 디스포저가 직접적인 원인을 제공한 것은 아니었다. 디스포저 사용 시 배관 막힘의 주원인으로 지목되고 있는 조개, 닭 뼈, 자갈 등 비중이 크고 음식물이 아닌 것을 분쇄하는 경우, 배관 막힘이 발생할 수 있으나, 이에 대해서는 모든 주방용오물분쇄기 사용법에서 안내하고 있는 사항이다. 또한, 물을 충분히 틀어놓고 분쇄기를 작동시켜야 배수관 막힘이 발생하지 않는다.

4) 하수도 시스템의 선진화

하수도 보급 현황은 국가하수도정보시스템에서 확인할 수 있는데, 1996년 하수도 보급률은 52.6%, 시설용량은 11,452천 톤/일, 처리개소는 79개소였다. 2016년에는 하수도 보급률 93.2%, 시설용량은 25,671천 톤/일, 하수처리개소는 3,963개소이다. 즉, 음식물 쓰레기를 직배출하는 것이 가능한 수준의 OECD 선진국 수준으로 하수도 시스템이 발전, 선진화되었음을 의미한다.

5) 음식물 쓰레기 자원화 정책

분리수거를 위하여 사용하는 수거차의 이산화탄소 배출량 및 분리수거를 위하여 모으는 음식물 쓰레기에서 메탄가스 발생이 초래하는 온실 가스양이 막대하다는 연구결과도 있다. 주방용 오물분쇄기의 사용은 수거 차량에서 발생하는 CO2가 줄어들 뿐 아니라, 24시간 내에 공공하수처리 시설로 도착하여 정화되어 방류된다. 2012년 서울연구원에서 작성한 서울도시연구를 살펴보면, 디스포저의 도입은 경제적, 환경적 영향은 충분히 긍정적인 것으로 판단된다는 연구 결과도 있다. 디스포저를 통하여 분쇄된 음식물쓰레기는 하수처리장으로 이동하여 1차 침전조와 2차 침전조에서 걸러져 하수슬러지로 재활용되는데, 우리나라의 하수슬러지 재 이용률은 2005년 4.8%에서 2013년 51.4%로 크게 개선하였으며, 하수슬러지의 에너지를 활용하여 바이오가스를 만들고, 화력 고형물을 만들어 전기를 생산하는 등 하수슬러지도 재활용되어 자원화 되고 있다.

6) 시민들의 편의

서울연구원에서 실시한 설문조사에 따르면, 가정 생활폐기물을 배출하는 데 있어서 가장 어려움을 느끼는 것이 음식폐기물의 배출(50.7%)이라고 응답하였고 주방용오물분쇄기(이하 디스포저) 사용이 허용된다면 사용할 의사가 있다는 응답이 매우 높았다(82.8%). 이에 따라 서울시에서는 디스포저 도입의 타당성을 평가하기 위하여 2009년과 2010년 및 2015년에 배수전처리, 정화조병합, 고액분리 등 총 3가지의 전처리시스템에 대한 시범사업을 실시하였다. 모니터링 항목에는 음식폐기물발생원단위, 디스포저 오수 발생량 및 오염 부하량, 디스포저 사용 전후 오수의 성상 변화, 및 주민설문조사 등이 포함되었다. 시범사업의 모니터링 결과, 음식물류폐기물 발생원단위는 0.12~0.15kg/cap･day로 측정되었는데, 이는 환경부 통계 자료의 30~50% 수준이었다. 시범사업을 통해 전처리시설을 설치하고 디스포저를 사용하는 경우에 공공하수도에 미치는 영향이 매우 적은 것으로 확인되었고, 사용 주민을 대상으로 한 설문조사에서도 현재 법으로 금지되어 있는 디스포저 사용이 허용될 경우 90% 이상의 주민이 사용할 의향이 있다고 조사되었다.

• 혐기성소화

1) 혐기성소화의 조건

1. 유기물이 산소가 없는 상태에서 소화 될 수 있도록 한다.
2. 빛이 없는 상태에서 소화
3. 소화 온도 : 고온 소화 50~55℃, 중온소화 36~38℃
4. pH : 7 (중성)

2) 혐기성소화 적용 대상 유기물 자원

1. 가축분뇨, 인분뇨, 동물사체 유기물, 도축장폐기물 등
2. 음식물쓰레기
3. 주정공장, 맥주공장, 유가공장 폐수
4. 농축수산물가공폐수, 볏짚, 옥수수대 등 농업부산물 등
5. 제지공장, 제당공장, 의약품 제조공장폐수
6. 하수슬러지, 매립장침출수 등
7. 기타 농도가 높은 유기물질

3) 혐기성 소화 공정

혐기성 소화과정은 가수분해, 산 생성, 메탄 생성 3단계로 이루어지며 각 단계를 거치며 미생물이 유기물을 순차적으로 분해한다.

그림 1. 혐기성 소화에 의한 유기물 분해 단계

• 기존 기술

DBS(Daewoo Biogas System)공법은 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지 등 고농도 유기성폐기물을 처리함과 동시에 신재생에너지인 바이오가스를 생산하는 기술이다. 생산된 바이오 가스는 열병합발전기의 연료로 이용되어 전기와 온수를 동시에 생산하여 에너지원으로 사용된다. 이는 해양배출 전면 금지에 따른 유기성 폐기물 전량 육상처리 정책에 부합되며, 바이오매스의 한 유형인 유기성 폐기물을 처리하는 탄소 중립적 시스템으로서 온실가스를 배출하지 않는다. 또한 DBS 공법은 신재생에너지 기술 개발 및 유기성 폐기물 에너지 화를 강력히 추진하는 정부의 정책에 완벽히 부합하며 부가적으로 탄소 배출권(CER : Certified Emission Reduction)도 확보할 수 있다.

DBS공법은 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지 등 여러 종류의 유기성 폐기물을 혼합하여 처리하는 통합 (병합) 소화 또는 한 종류의 유기성 폐기물만을 처리하는 단독 소화 모두 가능한 신공법 이다. DBS플랜트로 반입된 유기성 폐기물은 종류와 성상에 따라 선발, 파쇄 등 먼저 적절한 전처리 과정을 거친 후 발효조로 유입된 후 산발효조, 메탄 발효조에서 혐기성 소화과정을 거친다. 메탄발효조만으로 이루어진 기존의 단상 혐기소화 공정과 비교하여 산발효조가 전단에 추가되어 처리 효율이 향상된 이상 혐기소화 공정을 채택하였다. 산발효조에서 유기성 폐기물의 가수분해 및 산 발효가 2일 내외의 짧은 체류시간 동안 이루어지며, 양질의 유기산이 생성된 후 메탄 발효조에서 혐기소화 과정을 거쳐 바이오 가스가 생산된다. 생산되는 바이오 가스의 메탄가스 함량은 75~80%로서 기존 혐기소화 공정의 60% 내외보다 높아 바이오 가스 단위 부피당 에너지량이 25% 이상 향상되었다. 메탄 발효조의 체류시간은 5~7일 정도로 기존 공정의 20~40일에 비해 훨씬 짧아 반응조의 부피가 기존 공정의 20~30%에 불과하고, 반응조 내 상향 플러그 흐름을 유지하여 교반기가 불필요하므로 시설비/운영비를 절감할 수 있다.

그림 2. DBS 공정 모식도

• 과제의 방향성과 기대 효과

1) 국내 디스포저 사용 100% 확대 제도 개선

1. 디스포저 사용을 통해 시민들의 편의 증가
2. 비닐 사용량 감소
3. 기존의 음식물쓰레기 분리배출을 통해 발생하는 악취에 의한 시민들의 불쾌도 감소

2) 혐기성 소화과정 및 추가 처리 공정

1. 바이오 가스 생산
2. 수거 단계의 온실가스 배출 및 악취 감소
3. 기존의 음폐수 80% 회수, 20% 배출 제도 각 가정에서 각 공동주택 단지별로 준수
4. 음식물쓰레기 자원화 정책 준수

다. 개발 과제의 목표와 내용

• 개발 과제의 목표

본 과제는 가정에서 음식물을 100% 분쇄, 배출하여 편의를 제공하되, 배출된 음식물을 신재생에너지로 자원화 하여 폐자원을 효율적으로 이용하는 것을 목표로 한다.

• 개발 과제의 내용

위와 같은 목표에 의거하여 본 과제는 가정에서 디스포저로 배출된 음식물을 자동으로 수거하여 신재생 에너지화 하는 시스템을 도입한다.

가정에서 디스포저를 사용하여 음식물을 100% 분쇄·배출하면, 배출된 음식물 폐기물은 하수관로에 유입되기 전 지하 또는 별도 공간에 모아서 유량 조정조와 전처리 공정을 거치도록 한다. 그 후 혐기성 소화조와 고액분리, 호기성 퇴비화를 거쳐 바이오 가스, 액체 비료, 퇴비로 회수된다. 이를 통해 음식물 쓰레기의 별도 수거 · 운반비용이 저감 될 뿐 아니라 기존 쓰레기봉투를 사용하는 방식과 비교하여 비닐 사용량이 현저히 감소되는 2차적 효과를 기대한다.

그동안 환경부는 음식 폐기물을 100% 분쇄·배출할 수 있는 주방용 오물분쇄기를 허용하되, 배출된 음식물을 자원화 하는 방안을 모색해왔다. 그 일환으로 가정에서 배출된 음식물을 자동으로 수거하여 퇴비화 하는 시범사업이 추진되기도 하였다. 이 시범사업에서는 발생한 고형물을 음식물 자원화 시설을 통해 퇴비화 하여 단지 내 조경, 텃밭 등에 사용하는 방식으로 음식물 자원화를 추진하였다. 이와 달리, 우리 조는 혐기성 소화 공정과 퇴비화 효율을 높이기 위해 염분 제거를 할 수 있는 전처리 공정을 도입하여 한 단계 발전한 단지 내 음식물 쓰레기 자원화 시스템을 설계하였다.

개발 시스템은 아파트단지나 주택가를 단위 구획별로 나누어 이루어진다. 개별가정에서는 100% 분쇄·배출하며, 지하 또는 별도 공간에 설치된 공정을 통해 수집하여 고액분리, 고형물을 신에너지화 하는 시스템이다. 아래는 전체적인 시스템 모식도와 주요장치 설명이다.

그림 3. 시스템 모식도

관련 기술의 현황

가. State of art

• 혐기성 소화 이론

혐기성 소화공정은 분자상태의 산소가 존재하지 않는 상태에서 생물학적으로 분해 가능한 유기물이 이산화탄소로 분해되는 과정으로 슬러지에 포함된 유기물이 분해되어 슬러지 감량화 및 안정화가 되는 공정이다. 혐기성 소화공정은 크게 가용화/가수분해 단계, 산 생성단계, 메탄 생성단계의 3단계로 구성된다.

1) 가수분해단계

단백질, 지방, 탄수화물과 같은 불용성 고분자 화합물이 효소에 의해 용해성 저분자 화합물로 전환되어 에너지원 및 세포합성에 필요한 탄소원으로 이용되도록 하는 과정이다. 가수분해 단계는 반응속도가 가장 늦은 단계이며, 이 단계에서 전처리 공정을 적용할 수 있다.

2) 산 생성 단계

발효공정이라 하며, 가수분해 된 당, 아미노산 등 용존성 저분자 화합물이 산 생성 미생물인 Clostridium formicoaceticum, acetobacterium woodi 등에 의해 분해되어 휘발성 유기산, 알코올 산화생성물로 전환된다. 이 단계에서 산 생성의 최종생성물은 메탄형성 전구물질로 알려져 있다.

3) 메탄생성단계

바이오 가스인 메탄과 이산화탄소가 생성되는 단계이다. 혐기성 처리에서는 산소 주입 없이 유기물의 안정화는 메탄 생성을 통해서 일어난다.

• 연속교반반응기(CSTR)와 관형반응기(PFR)

지금까지 대부분의 폐수처리는 연속교반반응기(CSTR)을 채택해왔다. CSTR은 반응기 내에서 완전혼합상태를 이루므로 농도경사가 존재하지 않고, 반응기 전체에 균일한 온도를 유지시키는데 유리하며, 효율을 높이기 위해서는 반응기의 용량이 상당히 커져야 하는 문제가 있다. 반면, 관형반응기(PFR)는 CSTR에 비해 동일한 효율을 얻는데 상대적으로 짧은 시간이 요구된다. 즉, 처리효율이 더 높음을 의미한다.

• 복합 바이오처리 장치

고형물(음식폐기물)을 혼합 반응조에서 목질 바이오 칩과 혼합하여 발효되고 숙성조에서 부숙완료되어 최종 부산물은 퇴비로 배출된다. 1차 혼합 반응조에 투입된 음식물과 목질바이오 칩은 약 7일간의 교반활동에 의해 발효 소멸된다. 이후 2차 숙성조로 넘겨져 완전한 숙성을 위해 목질 바이오 칩을 5kg을 투입한다. 2일 이상의 교반 활동에 의해 발효 소멸하여 완전 부숙(퇴비)가 이루어진다. 2상 복합 바이오처리 장치의 내부 혼합 반응조 및 숙성조는 35℃를 유지한다. 고형물의 이동은 스크류를 통해 이루어진다.

• 수리동력학적 캐비테이션(Hydrodynamic Cavitation)

단면적이 급속히 감소되는 벤튜리관 또는 오리피스관 내에 유체가 통과하면서 유속이 급격히 증가하고, 압력이 감소되어 캐비테이션 버블이 발생되는 현상으로 후단면적이 확장시 압력이 회복되면서, 캐비테이션 버블이 파괴, 이때 발생되는 버블의 내파에 의해 발생되는 전단력과 충격파로 슬러지 플록이 해체되며 미생물의 세포벽을 파괴하는 가용화 기술이다.

• 초음파에 의한 캐비테이션(Ultrasound Cavitation)

하수슬러지의 분열 효율이 높고, OH라디칼의 발생을 통한 난분해성 물질의 이분해성 효과, 수리동력학적 방법에 비하여 초기투자비는 비교적 크다.

• 퇴비화공정

퇴비화 공정이란 미숙한 유기성 고형폐기물을 미생물로 안정화 시키고, 부식상의 토양개량재로 개량하는 방식으로 중, 고온의 호기성균으로 처리하기 위한 미생물의 활성도 즉, 미생물의 수나 종류, 또는 환경요인에 영향을 받는다.

나. 기술 로드맵

다. 특허조사 및 전략

관련 시장에 대한 분석

가. 경쟁제품 조사 비교

• 세대형 음식물 제로화 스마트 리사이클링 시스템

그림 4. 세대형 음식물 제로화 스마트 리사이클링 시스템

LH는 디스포저(분쇄기)를 각 가정에 설치하고, 가정에서 분쇄하여 배출한 음식물 쓰레기를 지하에 설치된 시스템에서 퇴비로 만드는 시스템을 시범설치운영하고 있다. 20%이하는 흘려버리고 80%는 회수하며 LH가 보유한 특허기술인 ‘바이오 칩’을 통해 양질의 퇴비로 변환시켜 단지 내 정원, 텃밭 등 농작물 재배에 활용하게 된다.

본 과제의 시스템은 경쟁제품과 비교하여 슬러지 전처리 공정이 추가되었다는 특징이 있다. 경쟁제품의 기술과 비교하여 우선 혐기성 소화 공정의 문제가 되고 있는 가수분해 단계에서의 긴 반응 시간을 줄임으로써 슬러지 처리 효율이 높아진다. 그리고 음식물쓰레기의 높은 염분을 분해하고 난분해성 물질을 잘게 쪼개어 슬러지를 가용화시킴으로써 미생물이 잘 분해할 수 있도록 한다. 마지막으로 바이오 가스의 생산량을 늘려 슬러지 건조 과정의 에너지로 사용하여 혐기성 소화 공정 자체의 에너지 자립화 목표치 50%를 달성하는 것을 잠재적 기대효과로 갖는다.

• 전처리 공정

기존의 전처리 공정을 비교 검토한 결과 초음파 공정이 가장 우수하고 경제적인 것으로 나타났다. 이에 따라 기존 초음파 전처리 기술 중에서 이종 캐비테이션 기술에 대해 알아보았다.

• 이종 캐비테이션 기술

그림 5. 이종 캐비테이션 시스템의 개발 배경(뉴엔텍(주), 2014)

수리동력학적 캐비테이션과 초음파 캐비테이션 각각의 장단점이 서로 상호 보완할 수 있도록 두 기술을 합친 이종 캐비테이션 기술을 이번 과제에서 채택하게 되었다.

나. 마케팅 전략

개발과제의 기대효과

가. 기술적 기대효과

• 초음파 발생장치의 경우 수리동력학적 캐비테이션(HCT)과 초음파 캐비테이션(UCT)을 합친 이종 케비테이션 기술을 이용하여 서로의 장단점을 보완하여 기술의 장점을 극대화
• 혐기성 소화공정에 초음파 캐비테이션 전처리를 적용함으로서 효과적으로 염분을 제거
• 전처리를 통해 혐기성 소화 공정의 문제가 되고 있는 가수분해 단계에서의 긴 반응 시간을 줄임으로써 슬러지 처리 효율을 높임
• 전처리를 통해 음식물쓰레기의 난분해성 물질을 잘게 쪼개어 슬러지를 가용화시킴으로써 미생물이 잘 분해할 수 있도록 함

나. 경제적 및 사회적 파급효과

• 디스포저를 활용함으로써 기존 음식물쓰레기 배출에 사용되던 수거비용, 처리비용 저감 등 사회적 비용 감소
• 기존 공정 대비 고품질 퇴비로 퇴비의 활용 증대 및 음식물쓰레기 자원화 정책에 기여
• 디스포저의 사용을 통해 시민들의 편의 증가 효과
• 기존의 음식물쓰레기 분리배출을 통해 발생하는 악취에 의한 시민들의 불쾌도 감소 효과
• 비닐 사용량 감소 효과로 인한 환경적 비용 감소
• 혐기성 소화공정을 통해 발생된 바이오 가스를 이용하여 에너지 자립화에 기여
• 활용되지 못하고 쌓여가는 음식물쓰레기 건조분말 문제 등 음식물쓰레기 처리문제 해결 가능성

구성원 및 추진체계

• 구성원

장현우, 김하진, 김성은, 간바야 둘궁

• 추진체계

설계

설계사양

가. 제품요구사항

• 전처리 공정에서 초음파만 쓸 때와 비교해서 이종캐비테이션 시스템을 사용하는 것이 적절한가?

초음파와 수리동력학적 캐비테이션을 함께 이용하는 것이 전처리 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한 수리동력학적 캐비테이션과 초음파 캐비테이션, 그리고 두 공정을 혼합한 이종캐비테이션에 대한 파일럿 실험의 비교 결과에 따르면 이종캐비테이션을 사용한 경우 초음파 캐비테이션을 단독으로 사용할 경우와 비교해 요구동력을 줄일 수 있다는 연구가 있어 우리 공정에 적용하기에 적절하다고 판단하였다.

• 소화가스 증산율을 충족하는가?

슬러지 전처리 시설을 도입함으로써 소화가스를 증산 할 수 있을 것으로 판단되며, 소화가스를 40% 이상 증산 시 경쟁력이 있을 것으로 판단하여 40% 증산율을 충족하는 것을 목표로 한다.

• 고액분리 효율을 충족하는가?

현재 하수도법으로 정하는 바에 따르면 디스포저의 합법적인 사용을 위해서는 배출되는 고형물의 80%이상을 회수해야 한다. 따라서 고액분리 단계에서 음식물 폐기물 처리수의 고형물을 80%이상 제거해 주어야한다.

• 악취발생을 방지가능한가?

혐기성 소화에서 발생하는 H2S와 NH3등의 물질로 인해 악취가 발생한다. 우리 공법은 주거단지에 설치하는 것을 목표로 하기 때문에 악취문제를 해결하는 것이 중요하다고 판단하였고, 수세법을 통해 NH3를 제어하며 활성탄을 이용하여 H2S와 수세법을 통과 한 이후 포함되는 미세한 물 입자를 제거하는 방법을 적용하고자 한다.

• 주택단지에 시공 가능한가?

저류조와 전처리시설, 소화공정에 걸친 일련의 공정을 주거단지에 설치한다는 목적에 맞게 미관상의 문제를 해결하기 위해 Closed System 공정으로 설치하는 것을 목표로 하고 있다. 공동주택에 수돗물을 공급하는데 있어서 배수지에서 바로 각 가정으로 수돗물을 공급하는 방식인 가압직결급수가 일반화됨에 따라 수돗물을 보관해 둘 물탱크를 설치 할 필요가 없어 Closed System 공정을 만족하는데 컨테이너 크기의 설치 공간 확보가 필요할 것으로 판단되며, 목표로 하는 세대수와 그에 따른 목표 처리수량에 맞게 적당한 규격을 산정할 필요가 있다.

나. 기능계통도

다.QFD(품질기능전개)

라. 설계사양

개념설계안

• 구조

전체 공정은 아래 그림6 에서 보는 바와 같이 묘사하였다. 먼저 각 가정 내 싱크대에 설치된 디스포저로 음식물쓰레기가 배출되면 하수도를 따라 내려오던 음식물쓰레기는 수집연결배관을 통해 따로 포집되어 내려온다.

이후 음식물쓰레기는 유량조정조로 이동하게 된다. 그리고 유량조정조 내부에 설치된 초음파 캐비테이션 장치가 음식물쓰레기를 잘게 쪼개어 염분제거율을 높여 준다. 이와 같은 방식으로 초음파 캐비테이션 과정을 여러 번 반복시킨다.

이렇게 초음파 처리한 음식물쓰레기는 2상 혐기성소화조의 산 생성조와 메탄 생성조 둘 중에서 먼저 산 생성 조로 이동하여 가수분해와 산 생성 반응이 일어난다. 이렇게 산 생성과 메탄 생성이 나뉘어 있는 이유는 각 단계에서 작용하는 미생물은 생리적인 특징 및 영양적 요구성이 매우 다르므로 외부의 조건이 바뀌면 두 생물군 사이의 균형이 깨어져 저해를 받게 된다. 따라서 두 반응을 나누었을 때 각각의 반응이 최적의 조건에서 효율적으로 일어날 수 있도록 하기 위해 두 반응을 나눈 2상 혐기성 소화조 기술을 채택했다. 그리고 산 생성조에는 수리동력학적 캐비테이션을 일으키는 벤츄리관이 연결되어 있다. 이 장치는 항상 가동되는 것은 아니고 가스저장소에 설치된 메탄 감지 센서에서 메탄 가스 생성이 원활하지 않을 때 신호를 보내주면, 이 장치를 가동시킨다. 벤츄리관을 통해 생성된 기포를 이용해 수리동력학적 캐비테이션 반응을 여러 번 순환시켜 음식물쓰레기의 입자를 미생물 반응이 활발해 지도록 가용화 시킨다. 그렇게 되면 혐기성 소화 과정에서 메탄 가스의 생성이 더욱 활발하고 빨리 일어날 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

다음으로는 메탄 생성조로 이동하여 메탄 가스 생성 반응이 일어나게 되고 생성된 가스는 메탄 생성조 위쪽에서 포집하여 수분 제거와 탈황 과정을 거쳐 정제된 상태로 가스 저장소에 저장되고 이후 가스 연료로 산 생성조에서 가온 과정에 사용이 가능하다. 이렇게 자원 순환을 시켰을 때 전체 공정의 에너지 자립률이 올라갈 수 있다.

혐기성 소화과정이 완료된 음식물쓰레기 소화슬러지는 이후 고액 원심분리장치로 이동하여 고형물 80~85%와 액체 20~15% 정도로 분리된다. 이 때 분리된 액체는 배출시켜 액체 비료로 가공하여 사용할 수 있도록 한다.

고액 원심분리가 완료되면 고형물은 호기성 퇴비화조로 이동하여 고온 호기성 미생물과 반응하여 난분해성 물질들이 분해되고 발효 소멸되어 퇴비화가 이루어지게 된다. 이 때 팽화제인 목질 바이오칩과 호기성 미생물을 동시에 첨가한다. 고형물과 교반하여 섞어주면 고형물의 함수율을 줄여주고 발효 소멸 과정이 더욱 잘 이루어지게 된다. 퇴비화가 완료되면 배출시켜 퇴비로 이용한다.

그리고 전체 공정이 Closed System 이므로 발생하는 가스들의 악취를 제거하기 위한 장치를 시스템 내부에 설치하여 각각의 공정에서 배출되는 악취물질을 한꺼번에 제거시킨다.

• 전체공정도

• 초음파전처리 공정비교

이론적 계산 및 시뮬레이션

• 유입유량산정

• 산생성조 규격

• 메탄생성조 규격

• 초음파 염분제거 효율

• 수리동력학적 캐비테이션 벤츄리관의 개수에 따른 효율

그림 9는 벤츄리관을 하나 또는 두 개 설치하였을 때 처리 시간에 따른 SCOD(Soluble Chemical Oxygen Demand : 용존성 화학적 산소 요구량)의 변화를 도시한 그래프이다. SCOD는 슬러지의 가용화 지표로 주로 사용되는 것이다.

벤츄리관이 하나인 경우, 운전 시작 후 처음 8시간 동안에는 SCOD의 변화가 미미하다가 그 후부터는 빠르게 증가하여 20시간 처리 후에는 1600mg/L의 SCOD 값을 보였다.

반면, 벤츄리관 두 개를 직렬로 연결한 경우에는 운전시작과 동시에 SCOD가 증가하여 14시간 처리 후에 SCOD 농도가 2700mg/L에 도달하였으며, 그 이후부터는 SCOD 증가량이 미미하였다. 20시간 처리 후의 SCOD 증가량은 벤츄리관 두 개를 직렬로 연결한 경우가 벤츄리관이 하나일 때보다 약 2배였다. 이는 벤츄리관 두 개를 직렬로 연결함으로써 캐비테이션 발생 영역이 2배로 확장되는 효과가 있었기 때문이다.

더 많은 수의 벤츄리관을 직렬로 연결하여 슬러지의 가용화 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 각 벤츄리관은 착탈 가능하게 연결되어 필요에 따라 벤츄리관의 수를 용이하게 조절할 수 있도록 구성될 수도 있다.

따라서 본 설계에서는 벤츄리관의 수를 3개로 설정하였다.

• 수리동력학적 캐비테이션 순환방법

수리동력학적 캐비테이션 발생 장치는 처리된 슬러지의 일부만 배출하고 배출된 양만큼 미처리 슬러지를 공급하여 재순환하도록 구성하여, 슬러지 배출량을 변경함으로써 간편하게 슬러지의 순환 횟수를 조절하여 필요한 슬러지 가용화 효율을 달성할 수 있다.

예를 들어, 벤츄리부 앞에서의 유량이 일 경우, 배출량을 로 설정하면 동일한 유량()의 미처리 슬러지가 새로이 유입되어 이미 장치 내를 순환하고 있는 슬러지 흐름과 합류된다.

즉, 배출밸브에서 전체 유량의 1/20이 배출되고 나머지 19/20은 다시 순환하여 벤츄리부로 공급되며 이러한 과정이 재차 반복됨으로써 결국 슬러지 저장조로부터 유립된 슬러지는 약 20회의 순환 후에 배출되는 것이다. 또한, 만약 하루 목표 처리량이 이라면, 배출량을 약 로 설정하여 이를 달성할 수 있다.

이와 같이, 단순히 슬러지 배출량을 변경함으로써 슬러지의 순환 횟수를 조절할 수 있으며, 이에 따라 필요한 슬러지의 가용화 효율을 용이하게 달성할 수 있다.

• 전처리공정 운영/유지비용 산정

조립도

• 유량조정조 / 초음파캐비테이션

• 산/메탄 생성조

• 수리동역학적 캐비테이션

• 고액원심분리기

• 호기성퇴비화조

• 전체공정모식도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

가. 프로토타입 사진

나. 포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

본 과제는 향후 평가해야 할 사항들이 몇 가지 더 남아있다.

먼저 법적으로 현행법상 디스포저 사용은 80% 고형물 회수, 나머지 20% 하수도 방출이라는 애매한 규제로 인해 디스포저 사용에 있어서 시민들이 불편함을 겪고 있고 이는 디스포저 사용의 이점이 거의 없는 규제로서 오히려 각 가정에서 디스포저 사용을 불법적으로 하는 사람들이 늘어나고 있는 실정이다. 또한 불법적으로 사용한다고 하더라도 각 가정을 일일이 살펴볼 수 없다는 점에서 법의 실효성에 대해 문제가 제기된다. 실제로 일본에서는 본 과제와 같은 시스템들이 많이 개발되어 있고 국내에서도 여러 가지 시범 사업들을 통해 성공적이라는 평가가 많았지만 바뀌지 않는 디스포저에 관한 규제로 인해 적용이 불가능한 상황이다. 만약 본 과제와 같은 시스템이 개발된다면 시민들의 편리성을 돕고 환경적으로도 음식물쓰레기 자원화에 있어서 더욱 이로운 방식으로 작용할 것이다. 따라서 이러한 시스템이 적용되기 위해서는 우리나라의 디스포저 규제가 100% 사용 가능하도록 바뀌어야 할 것이고 그렇게 되기 위해서는 환경부와의 소통이 잘 이루어져야 할 것이다.

그 다음으로는 본 과제에서는 경제성에 대해서 전처리 공정 부분에 대해서만 다루었는데 향후 전체적인 공정 시스템에 대한 경제적 효율성이 있는가에 대해 경제성 평가가 이루어져야 한다. 기술적인 비용도 고려해야 하고 시스템을 운영하는 데에 필요한 관리자 인건비, 유지 관리비, 자원순환을 통한 환경적 이익 등의 부가적인 비용들도 모두 고려하여야 한다. 현실적으로 운영이 가능한지 살펴보아야 정부에서 보조금이 지원된다면 어느 정도 지원을 받아야 하는지 등의 경제적 여건들을 고려할 수 있을 것이다.

또한 전체 공정의 부산물들인 혐기성 소화를 통한 바이오 가스, 고액분리를 통한 액체비료, 퇴비화를 통한 퇴비를 어떠한 공정을 거쳐 자원화 하는지 구체적인 설계가 필요하다. 바이오 가스는 탈황과 수분제거를 거쳐 연료화 시킬 수 있는 공정이 공간을 차지하지는 않는지, 열병합 과정을 거쳐 각 가정에 보일러 연료로 사용될 수 있는 공정이 경제적으로 효율적인지 등 여러 가지 활용 가능성을 고려하였으나 본 과제에서는 고온이 필요한 산 생성 단계에서 가온하는 데 재순환하여 사용하는 것으로 결정하였다. 따라서 향후 여러 가지를 더 고려하여 바이오 가스를 활용하는 방안이 변경될 수 있다. 액체비료는 음식물쓰레기를 걸러낸 액체를 액체비료로 사용 가능하다는 연구결과가 있어서 가공과정을 거쳐 액체비료로 만들 수 있는 공정을 설계해야 할 것이다. 또한 퇴비는 향후 단지 내 텃밭에 사용될 것인지 아니면 수거, 운반을 거쳐 판매할 것인지 등에 대해 생각해 봐야 할 것이다.

마지막으로 전체적인 공정이 Closed System으로 악취가 밖으로 빠져나가는 것을 막고 있지만 관리자들이 내부로 들어가 목질 바이오칩을 퇴비화 과정에 첨가하고 그 외 공정들을 운영 관리하게 되면 시스템 내부에 악취제거 공정이 있어야 하며 향후 적절한 악취 제거 공정을 선정하여 시스템 내부에 설계하여야 할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

- 서울통계서비스

- 연합뉴스,주요국 1인당 비닐봉지 사용량

- 쓰레기 종량제 현황, 쓰레기 종량제 현황(2015년도)_세부현황, 자원순환정보시스템

- 쓰레기 수수료 종량제 시행지침, 환경부

- 쓰레기 종량제, 서울정책아카이브 Seoul solution

- RFID기반 음식물쓰레기 종량제 성과분석 및 추진방안 Outcome Analysis and Promotion Programs of the Volume-based Food Waste Fee System Using RFID Technology, 부산발전연구원

- 부처 간 책임 떠넘기기에 음식물 쓰레기 대란 우려, 이유섭, 문재용 기자 (2019.03.11. 17:50:53)

- 환경부, 시범사업을 통한 주방용 오물분쇄기의 공공하수도에 미치는 영향 연구, 2013년

- LCC, LCCO₂, LCE 평가를 통한 국내 주방용 오물분쇄기 도입의 타당성에 관한 연구, 서울도시연구 13권 4호, 서울연구원

- 국가하수도 정보시스템

- 주방용오물분쇄기 도입 타당성 연구: 서울시 시범사업 사례를 중심으로, 한국폐기물자원순환학회 춘계학술대회, 2017년

- 주방용 오물분쇄기 시범사업 결과보고서, 서울특별시, 2009년

- 디스포저에 의한 음식물류폐기물 횡지관 유동성 평가, 한국유체기계학회 논문집, 제20권, 제1호, 2017

- http://blog.daum.net/biogas/5956666

- 유기성 폐기물 에너지화 기술 동향, 한국생산기술연구원 여국현 연구원, 한국환경산업기술원

- 디스포저 배출 시스템, 지디시스템 주식회사, 2016년

- 오물 분쇄 후 발효·소멸…LH ‘음식물쓰레기 제로’, 헤럴드 경제, 2017년

- 소 슬러리분뇨 고액분리기 개발, 농축산기계신문, 2016년

- 슬러지 연료화기술 기술지도

관련특허

파일:2상 복합 바이오 처리장치.pdf

파일:수리동력학적 캐비테이션 특허.pdf

파일:이종캐비테이션 특허.pdf

파일:자기 발열 2상 혐기소화 시스템.pdf