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	*폐기음료수거 및 컵 세척장치(소규모 중수처리기술을 이용한 물 재이용 시스템)		*폐기음료수거 및 컵 세척장치(소규모 중수처리기술을 이용한 물 재이용 시스템)
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	::- 투입구에 악취 저감장치가 설치, 투입구가 닫혀 있어 악취 차단		::- 투입구에 악취 저감장치가 설치, 투입구가 닫혀 있어 악취 차단
	::- 설치 및 관리가 용이한 소형 장치		::- 설치 및 관리가 용이한 소형 장치

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2024년 6월 13일 (목) 02:44 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 잠실 야구장의 재활용 폐기물 분리배출 프로세스 설계

영문 : Design of Jamsil Baseball Stadium recycling waste separation process

과제 팀명

진.심.이.최.고.조

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 최*모(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 이*주

서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 문*진

서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 심*빈

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 잠실야구장을 대상으로 적합한 폐기물 분리배출 시스템을 적용하여 야구장의 폐기물 처리 및 관리 문제를 체계적으로 해결하고자 한다.

- 폐기물 분리배출 시스템의 도입은 야구장 내부에서 발생하는 음식물 및 일반 폐기물과 재활용품 등을 각각의 적절한 수거 및 처리 방법에 맞게 분리하여 배출할 수 있도록 설계할 것이다.

- 야구장 폐기물 배출의 체계성을 강화하여 무분별한 폐기물 배출을 1차적으로 방지하고, 재활용 자원의 활용을 증진함으로써 경제적인 이득을 얻을 수 있다.

- 관중들에게 폐기물 처리에 대한 인식을 높이고 쉽게 실천할 수 있는 방안을 마련할 것이다. 야구장에서의 폐기물 관리 문제를 체계적으로 해결하고, 환경 보호에 기여할 수 있는 프로젝트를 추진할 계획이다.

개발 과제의 배경 및 효과

- KBO(Korea Baseball Organization)에서 발표한 자료에 따르면, 최근 몇 년간 야구 경기의 인기가 급증하면서 관중수가 크게 증가하였고 그에 따라 경기장에서 발생하는 폐기물의 양도 눈에 띄게 늘어나고 있다.

- 제 5차, 6차 전국폐기물통계조사와 2022년 환경부 조사에 따르면, 2017년 우리나라 전국 스포츠시설에서 발생한 폐기물은 총 6,176t, 이 중 36%인 2,203t이 야구장에서 발생했다고 한다.

- 2021년 야구장에서 발생한 폐기물은 3,444t으로 크게 증가하였고, 야구장의 1인당하루평균발생량 또한 17년도 3.8(g/일/인)에서 21년도 7.95(g/일/인)으로 2배 가까이 증가한 상황이다.

- 폐기물 배출량은 빠른 속도로 증가해가고 있지만, 이에 대하여 야구장과 운영구단들은 폐기물 처리에 대한 적절한 시스템을 구축하지 않고 있다.

- 야구장 쓰레기 배출현황을 확인한 결과, 일반적인 분리수거는 고사하고 관중들에 의하여 버려진 음식물쓰레기와 일반쓰레기, 재활용쓰레기가 한 봉투에 혼입되어 무분별하게 배출되고 있다. 프로야구 10개 구단의 홈구장 중 9개 구장에서 쓰레기를 적절하게 분리배출하지 않고 있다는 문제가 지적되고 있다.

- 이렇게 혼합되어 버려진 쓰레기들은 오로지 환경미화직원들에게 이른 저녁부터 새벽이 넘어가도록 10시간에 가깝게 쓰레기 쓰레기 분류작업을 진행하도록 의존하여 처리되고 있는 상황이다. 이러한 기형적인 쓰레기 처리 방식은 빠른 시일 내에 개선되어야 할 문제이다.

- 설계의 대상 지역으로는 우리나라 내에서 최대 규모의 잠실야구장을 대상으로 설계를 하여 추후에 다른 유사한 규모와 형태의 체육시설에도 이러한 폐기물 분리배출 시스템을 도입함으로써 쓰레기 처리 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

- 잠실야구장의 무분별한 폐기물 배출 문제를 해결하기 위하여 폐기물 처리장치의 설계를 중점으로 잠실야구장 폐기물 분리배출 프로세스를 통하여 잠실야구장 폐기물 문제를 해결하는 것을 목표로 한다.

- 야구장에서의 폐기물의 종류는 일반 가정 및 산업단지에서 배출되는 종류와 달리 응원도구, 식음료 관련 폐기물 등으로 그 종류는 한정적이다.

- 잠실 야구장의 폐기물 특수성을 반영하여 폐기물을 적절한 수준으로 효율적인 공정의 설계가 가장 주요하다. 폐기물을 적정 수준으로 분류해내는 공정의 효율성과 더불어 전반적인 설계의 경제성도 고려해야한다.

- 폐기물 분류 공정에서 충분한 경제성을 확보한다면 단순히 폐기물을 분류할 뿐만 아니라 재활용품의 적절한 세척을 통하여 재활용률을 높이는 것도 목표한다.

관련 기술의 현황

관련 국내 기술의 현황 및 분석

- 현재 잠실야구장에는 분리수거 배출 쓰레기통이 구비되어 있고, 다양한 환경 캠페인을 통하여 관중들에게 일회용품 사용 규제 및 쓰레기 분리수거를 유도하고 있다.

- 그러나, 이에 대한 적극적인 제재는 이루어지지 않기에 근본적인 문제점은 해결되지 않고 있다.

- 발생된 쓰레기에 대하여 효과적으로 분류하기 위한 장비는 없기에 현재는 큰 규모의 야구장에서 배출되는 쓰레기의 분리 및 처리를 모두 미화직원들의 과도한 노동력으로 해결되고 있는 실정이다.

• 발리스틱 선별기

적용범위: 재활용폐기물 선별시설, 종이선별시설, 목재 선별시설

특징:

- 복합폐기물을 패들의 회전에 의한 탄도운동과 경사동반운동을 이용

- 폐기물을 3D(플라스틱 용기류)와 2D(플라스틱 필름/종이류)로 선별

- 그 외 협잡물들은 패들 스크린 홀을 통해 선별

- 패들의 길이가 길며, 처리용량이 큼

- 유리, 모래 등 마모성 폐기물에 내구성 있음

- 운영 효율 우수, 유지관리 용이

• 폐기음료수거 및 컵 세척장치(소규모 중수처리기술을 이용한 물 재이용 시스템)

적용범위: 플라스틱 용기 세척 및 재활용

특징:

- 투입구에 악취 저감장치가 설치, 투입구가 닫혀 있어 악취 차단

- 설치 및 관리가 용이한 소형 장치

- 중수도의 설치 목적은 절수 효과

- 설치 규모가 작기에 공간 확보가 쉽게 가능

• 특허조사

-발리스틱 선별기[10-2012-0055686]

-재활용품 세척기[10-2019-0135933]

- 비닐 선별기[10-2022-0085255]

관련 해외 기술의 현황 및 분석

• 미국 프로야구팀 워싱턴 내셔널스가 역자동판매기(Reverse Vending Machine)

- 미국 프로야구팀 워싱턴 내셔널스는 홈구장 내셔널스파크에 역자동판매기(RVM)를 도입하여 폐기물 관리를 혁신적으로 개선한 대표적인 사례로 재활용 가능한 폐기물인 캔이나 페트병 등을 투입하면 QR 코드를 스캔하여 영수증을 통해 경품 당첨 여부를 알려주는 방식의 폐기물 회수 자판기다.

- 이러한 시스템은 관중들이 자발적으로 재활용에 참여하도록 유도하여 폐기물 처리 효율성을 높인다.

• 미국 녹색 건축 인증 기관 GBCI의 TRU 프로그램

- 폐기물을 제대로 처리하는 경기장에 인증을 부여하는 제도도 있다. 미국의 녹색 건축 인증 기관인 GBCI는 TRUE (Total Resource Use and Efficiency) 프로그램을 통해 제로웨이스트(폐기물 최소화) 정책을 수립하고, 12개월 동안 평균 90% 이상의 폐기물 전환을 달성한 건축물에 녹색기업인증을 수여한다. 이 인증은 건축물의 지속 가능성을 증명하는 중요한 지표로 자리잡고 있다.

- 이러한 사례들은 잠실야구장에서도 적용 가능하다. 역자동판매기 도입과 같은 혁신적인 폐기물 회수 시스템을 통해 관중들의 참여를 유도하고, TRU와 같은 녹색 인증 프로그램을 목표로 하는 지속 가능한 폐기물 관리 정책을 수립할 수 있다. 이를 통해 잠실야구장은 환경 친화적이고 경제적인 폐기물 분류 모델을 구현할 수 있을 것이다.

경쟁제품 조사 비교

최근 인공지능(AI) 기술이 고도화되면서 폐기물을 분류하는 현장에서도 인공지능(AI) 로봇이 투입되고 있다. AI 로봇의 도입은 인간 작업자보다 빠르고 정확하게 폐기물을 분류할 수 있다. 이러한 로봇은 하루종일 쉬지 않고 작업할 수 있을 뿐만 아니라, 세부적인 분류 기준을 설정하여 인간보다 더 세분화된 분류 작업을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, AI 로봇은 야구장과 같은 특정 장소에서 폐기물 선별기로 활용하기에는 AI 로봇의 초기 설치 및 보수 비용이 상당히 높다는 문제가 있다. 또한, 규모가 크기에 설치 공간의 제약으로 인하여 현실적인 어려움이 존재한다.

• 에이트론

에이트론은 딥러닝 인공지능을 활용하여 재활용품 분류 과정을 자동화한 스마트 자원순환 선별 로봇으로 딥러닝 알고리즘을 통해 재활용품의 특징을 학습하여 빠르고 정확한 분류를 수행할 수 있다.

에이트론을 도입하면 기존의 사람에 의한 분류보다 더 빠르고 정확한 작업이 가능하며, 동일 시간 대비 2배 많은 작업을 선별할 수 있다.

- 대상폐기물(7종): PET, PE, PP, PS, Other, Glass, Can

- 객체 인식 정확도: 99.3%

- 선별속도: 최대 96ppm

• 인공지능 폐기물 선별 로봇

AI 기반 로봇 선별기 Dr. B는 딥러닝과 AI 비전 시스템을 활용하여 폐기물을 신속하고 정확하게 분류하는 기술이다. 카메라를 통해 컨베이어 벨트 위의 폐기물을 실시간으로 인식하고, 로봇팔을 사용해 선택적으로 선별한다. 이는 기존의 사람이나 고가의 센서에 의존하던 방식보다 훨씬 효율적이고, 진보된 폐기물 선별 기술을 제공하고 있다.

- 재질(PET, PE, PP, PS, 종이, 알루미늄 등)과 용도(우유통, 알루미늄캔, 우유팩, 투명 PET병, 종이, 잡지 등)로 품목을 구분

- 선별속도: Up to 90 picks/min

마케팅 전략 제시

• 마케팅 전략 제시

2) 마케팅 전략 제시 현재 잠실 야구장에서 진행되고 있는 친환경 캠페인은 단순히 경기를 진행하는 도중에 전광판에 안내되는 올바른 폐기물 배출법 안내와 다회용기 사용 유도가 전부이다. 그러므로, 야구장 이용객의 대다수는 자신이 응원하는 야구팀을 응원하기 위해 야구장을 방문한 야구팬이라는 특수성을 고려하여 경기를 하는 야구팀과의 제휴를 통한 마케팅이 가장 큰 효과가 있을 것이라고 예상한다. 이를 통하여 폐기물 분리 배출 및 혼합배출을 유도하여 야구장 전체의 폐기물 분리 배출 프로세스를 구축하고자 한다.

전략) 잠실구장 캠페인과의 접목 일회용품 줄이기 이벤트 진행: 잠실구장의 일회용품 줄이기 혹은 폐기물 분리수거 경쟁을 연동하여 우수한 팀에게 다음 경기 야구티켓 할인 판매 진행함.

분리배출 유도 및 혼합배출 금지 캠페인 연동: 경기 기간 동안 폐기물 캠페인을 진행하여 올바른 폐기물 배출에 동참한 관중들에게는 해당 팀의 야구선수 포토카드, 팀 굿즈 혹은 경기 관람권 등 다양한 혜택을 제공함. 야구장에서 발생하는 폐기물 분리수거로 얻는 경제적 이득의 일부를 환원함으로써, 관중들에게 다양한 이벤트로 보상함. 이는 참여율 및 분리수거율을 효과적으로 개선 가능함.

디지털 마케팅: 야구팬 커뮤니티 및 SNS를 활용하여 캠페인에 대한 홍보를 통해 참여를 유도함. 온라인 플랫폼을 이용하여 폭넓은 관심을 끌어내어 실질적인 참여율을 높임. 관중의 환경 인식 증진: 관중들의 활발한 참여로 폐기물 분리배출을 증가시키고, 혼합 배출을 금지하여 야구장 내 환경 관리에 대한 인식을 높임. 관중들의 자연스러운 환경 보호에 대한 중요성 이해 및 환경 보호를 예상함.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적 기대효과

사회적 기대효과 및 파급효과 2022년 11월부터 시행된 자원재활용법 시행규칙에서는 야구응원에 사용되는 플라스틱 응원봉의 사용을 금지하였다. 이에 발맞춰 KBO(한국야구위원회)와 환경부는 플라스틱 응원 풍선 금지, 일회용품 사용 감소 등을 포함한 환경 협약을 맺었다. 그러나, 이는 큰 제재가 이루어지지 않고 있기에 관중들의 자발적인 협조가 없다면 해결할 수 없는 문제점이다. 본 설계를 통하여 체계적인 야구장 쓰레기 분리배출 시스템을 도입함에 따라 분리배출의 효율을 증대시킴에 더해 KBO와 환경부의 환경협약의 적극적인 이행을 촉구할 수 있다.

또한, 체육경기 등의 관람이나 문화공연 등에서는 이와 같은 유사한 문제를 가지고 있다. 따라서, 본 설계는 잠실야구장에 초점을 맞추어 진행된 설계이지만, 더 넓은 범위에 관련 설계 내용을 적용한다면 사회전반의 크고 작은 쓰레기 분리배출문제의 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

기술적 기대효과

야구장 폐기물 분리배출 프로세스의 도입은 폐기물 처리 과정의 전반적인 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 기존 조사 결과에 따르면, 야구 시즌 중 하나의 경기 후 배출되는 쓰레기를 수선별하여 분리배출 할 때까지에는 수십명의 인력을 동원하여, 10시간 이상의 시간이 소요된다. 본 설계에서는 쓰레기를 투입하고, 배출된 폐기물을 수거하는 인력을 제외하고는 추가적인 인력이 필요하지 않기 때문에, 수선별에 필요한 인력을 감축 시킬 수 있다. 또한, 하나의 경기 이후, 배출된 폐기물이 4개의 출구에 나누어 배출된다고 가정하였을 때, 폐기물의 분리에서 세척까지 2시간이 채 안되는 시간이 필요하다.

경제적 기대효과

야구 경기의 특성상, 야구 시즌이 수 개월에 걸쳐 지속되고, 여러 경기장에서 다발적인 경기가 이루어진다. 설계의 대상이 된 잠실야구장 2023년 야구장 경기 수에 따른 폐기물 처리 비용을 계산 해 본 결과, 연간 1,146,353,400원의 비용이 발생하게 된다. 본 설계에서는 캠페인을 통한 혼합배출 방지 및 주요 배출 폐기물에 대한 기술적 해결책을 제시하여, 폐기물 분리 배출에 대하여 인건비 및 시간적 비용을 효과적으로 감축할 수 있다. 폐기물의 수선별을 위한 수많은 미화원의 장시간 노동 시간을 2시간 내로 큰폭으로 줄일 수 있었으며, 폐기물 분리를 자동화 시켜, 투입되는 인원을 효과적으로 줄일 수 있었다. 이로써 주된 비용 발생 부분이었던, 인건비 부분을 확실히 줄일 수 있었다. 또한, 충분한 내구성을 가진 장치로 제작하여 오랜 기간 사용할 수 있으며, 이동식 장치로 설계함에 따라 야구 경기가 없을 때에는 다른 사용처를 찾을 수 있다. 이에 따라 추가적인 수익이 발생하여, 장기적 관점에서 보았을 때, 경제적 효과는 더욱 커질 것으로 예상된다.

사회적 기대효과

SWOT 분석

SWOT 분석: 기업의 강/약점, 환경적 기회, 위기를 열거하여 효과적인 기업 경영전략을 수립함

설계

제품의 요구사항

표 1 제품 요구사항

개념설계안

- 집수 시설 : 지붕을 통해 집수한 우수를 ‘빗물을 효과적으로 모으는 시설’을 이용하여 우수관을 통해 저류시설에 송수

- 초기빗물 처리시설 : 오염도가 높은 초기빗물을 처리

- 저류시설 : ‘빗물 저류 연못 설계’ 그리고 ‘수질자동측정시스템’과 수질개선풍차’를 이용한 물 관리

- 송수 및 배수시설 : 저류한 물을 공장에 송수 및 배수

- 용수처리시설 : 우수 수처리 시설 기반으로 응집제, 약품투여, 여과막을 통한 처리 방안 고안

- 역세척수처리시설 : 여과막에서 생성되는 역세척수를 다시 재이용을 하기위해 고도산화, 응집제, 약품투여, 여과막을 통한 처리 방안 고안

평가 및 분석

- 평가 기준 : 실현 가능성, 경제성, 기술 범용성, 기능성

- 평가내용 : 시공 가능 여부, 타 공장 적용 가능 정도, 절수량과 설계비용을 고려한 경제성 고려, 처리수 공업용수 및 중수도 수질 기준 충족

이론적 계산 및 시뮬레이션

집수면 면적 계산

- 집수면 면적(m^2) = 공장(1) + 공장(2) + 공장(3) + 공장(4) + 공장(5) = 17283.30 + 28402.65 + 29894.06 + 10569.06 + 15047.44 (m^2) =101196.51 (m^2)

빗물 집수량 계산

- 빗물이용시설 설치 및 관리(환경부, 2010)에 따르면, 집수가능량(m^3/year) = 유출계수 * 강수량(m/year) * 집수면적(m^2) = 0.9 * 1.1584 * 101196.51(m^3/year) = 105503(m^3/year)

수직 우수관 관경 설정

- 빗물이용시설 설치 및 관리(환경부, 2010)의 관경별 수직배관 최대집수면적을 고려하여, 집수면 2700m^2당 관경 200mm인 우수관 1개로 설정

수직 우수관 개수 산정

- 우수관 개수 = 집수면 면적(m^2) / 2700(m^2) 이므로

- 공장(1)의 우수관 개수 = 17283.30/2700 = 6.40 (8개 설치)

- 공장(2)의 우수관 개수 = 28402.65/2700 = 10.52 (12개 설치)

- 공장(3)의 우수관 개수 = 29894.06/2700 = 11.07 (12개 설치)

- 공장(4)의 우수관 개수 = 10569.06/2700 = 3.91 (4개 설치)

- 공장(5)의 우수관 개수 = 15047.44/2700 = 5.57 (6개 설치)

수평 우수관 관경 설정

- SWMM을 이용하여 수평우수관의 관경을 설정할 것임.

- 최대 유속 3m/s를 넘지 않도록 우수관의 관경을 70cm으로 설정

- 여기서 우수관의 구배는 1.42로 설정 (Manning 공식)

- 최대 부하 관로의 최대유속은 1.33m/s가 출력되어 기준 만족함을 알 수 있음

<그림> 관로의 최대 부하량, 시뮬레이션 시간당 강우량

인공 연못 용적 계산

- 빗물이용시설 설치 및 관리(환경부, 2010)에 따르면, 저류량(m^3) = 집수면적(m^2) * 0.05 이상이 되어야함.

- 연못1의 용적(m^3) = (공장(1) + 공장(3) + 공장(4) + 공장(5)) * 0.05 (m^3) = 72793.86 * 0.05 (m^3) = 3639.639 (m^3)

- 연못2의 용적(m^3) = 공장(2) * 0.05 (m^3) = 28402.65 * 0.05 (m^3) = 1420.1325 (m^3)

인공 연못 면적 및 깊이 설정

- LID-설계.시방.유지관리 지침서에 따라, 수심 2.4m로 설정

- 연못1의 면적(m^2) = 3639.639 / 2.4 (m^2) = 1516.52 (m^2)

- 연못2의 면적(m^2) = 1420.1325 / 2.4 (m^2) = 591.72 (m^2)

수처리시설(EQPS프로그램) - 우수처리 급속혼화지1

- (1지 1단) 각 계열 1지당 유량 32787.7m^3/day = 0.38m^3/s

- 요구 용적 = 0.38m^3/s * 30s = 11.4m^3

- V = w * I * d = w * w * 1.5w 경험식을 통하여 w = 2.0m

- (체류시간) : 20 ~ 30 s / (속도경사) : G = 1000/s

수처리시설(EQPS프로그램) - 우수처리 플록형성지1(완속 혼화지)

- (1지 3단)

- 체류시간 : 각 단별 10분 총 30분

- 속도경사 : 1단 60/s, 2단 45/s, 3단 30/s

- 총 용적 = 0.38m^3 * 60s/min * 30min = 684m^3

- 단계별 용적 = 684m^3 / 3 = 228m^3 = 2*11*11m^3

수처리시설(EQPS프로그램) - 디스크 필터

- 고형물 처리효율은 90%로 설정

- 역세 유량 유입 원수 유량의 2%에 해당하는 유량

수처리시설(EQPS프로그램) - 역세척수 처리 급속혼화지2

- (1지 1단) 각 계열 1지당 유량 660m^3/day = 0.0076m^3/s

- 요구 용적 = 0.0076m^3/s * 30s = 0.228m^3

- V = w * I * d = w * w * 1.5w 경험식 사용하면 w = 0.60m

- (체류시간) : 20 ~ 30 s

- (속도경사) : G = 1000/s

수처리시설(EQPS프로그램) - 역세척수 처리 플록형성지2 (완속 혼화지)

- (1지 3단)

- 체류시간 : 각 단별 10분 총 30분

- 속도경사 : 1단 60/s, 2단 45/s, 3단 30/s

- 총 용적 = 0.0076m^3/s * 60s/min * 30min = 13.68m^3

- 단계별 용적 = 13.68m^3 / 3 = 4.56m^3 = 0.6*3*3m^3

이론적 결과(EQPS) 원수 수질

- 유입유량 : 32787.7m^3 (S사 반도체 회사의 유입수 특성은 공개할 수 없음)

이론적 결과(EQPS) 처리수 수질

표 2 처리수 수질 시뮬레이션 결과(EQPS)

EQPS 공정도 및 물 재이용 시스템 CAD 설계

EQPS 시뮬레이션 공정도

<그림> 우수처리 및 역세척수 처리 공정도

물 재이용 시스템 CAD 설계

<그림> 왼쪽 공장구조, 오른쪽 수처리 공정

자재소요서

표 3 자재소요서