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2020년 12월 16일 (수) 01:46 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

밀웜을 이용한 폐 플라스틱 분해 공정 시스템 설계

(Design of waste plastic biodegradation process system using mealworm)

과제 팀명

RENV

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 장*태(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2017890083** 김*훈

서울시립대학교 환경공학부 2014300** 조*연

서울시립대학교 환경공학부 20174300** 이*경

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 최근 늘어만 가는 플라스틱 폐기물의 양과 이를 처리하기 위한 처리 비용이 늘어가고 있는 상황에서 이를 대처하기 위하여 친환경적이고 저렴한 폐플라스틱 처리공정을 개발한다.

◇ 재활용 폐플라스틱의 수출입이 제한되고 코로나로 인한 플라스틱의 사용량이 늘면서 쌓여가는 폐플라스틱 량은 지속적으로 증가하고 있다.

◇ 플라스틱 폐기물을 선별하여 파쇄 건조 등의 일련의 과정을 거친 후 밀웜을 이용하여 처리하는 공 정을 설계한다.

◇ 밀웜 장내 박테리아가 플라스틱을 분해한다는 사실을 기반으로 현재 폐플라스틱 처리 공정을 생물학적 처리로 전환함으로써 친환경적 분해 시스템을 설계하고자 한다.

◇ 처리부산물로는 갈색거저리(성충), 밀웜(유충), 알, 허물과 배설물 등이 있으며 이는 각각 목적에 맞 게 재이용 및 재활용 한다.

◇ 밀웜 생산 공정과 병행하여 요구되는 밀웜의 양을 자체적으로 보충할 수 있는 공정이다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 플라스틱 페기물의 증가

플라스틱의 내구성, 방부성 등의 편리함으로 인해 그 소비량은 급증하고 있으며 그 중 폴리스티렌의 주요 분야인 패키징 및 전자 부분이 성장하면서
PS 플라스틱의 사용량은 급속도로 증가하고 있다.
하지만, 폴리스티렌은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등보다 자연분해가 어려운 소재이며 부피가 커 수송비용이 과다하고, 소각 시 각종 유해가스가 발생하여 처분 방법이 어렵다. 더불어 중국의 폐플라스틱 수입을 중단한 여파로 미국과 일본, 유럽 주요국은 필리핀, 베트남, 인도네시아 등지로 보냈다. 최근 들어서는 상당량의 폐플라스틱을 국내로 수입하고 있어 한국이 폐플라스틱 처리장으로 전락될 우려가 높은 수준이다.

◇ 기존 폴리스티렌 처리 방법

폴리스티렌은 잉고트와 펠렛으로 재활용되는데, 재활용 배출 불가로 분류되며 품질 등급(A,B,C)이 A급이 아닌 유색, 코팅, 오염 스티로폼은 유가성이 떨어져 잘 재활용되지 않는 실정이다. 최근 5년간 폴리스티렌의 재활용률은 80.4%이며, 특히 코로나로 인해 포장재는 2~3배 증가한 데에 비해 유가하락으로 석유 원료 가격 또한 떨어져 플라스틱으로 만드는 신재생 원료가 가격 경쟁력을 잃었고 코로나19로 인해 폐플라스틱 수출이 감소되어 폐플라스틱이 그대로 쌓이게 되었다. 이로 인해 ‘쓰레기 대란’이 우려되고 있는 실정이다. 현재 이를 해결하기 위해 환경부에서 전국 11곳 창고에 공공비축을 진행하고 있다고 보도되었다. 또한 코로나로 인한 플라스틱과 비닐 사용량이 급격히 증가하여 플라스틱 처리 문제는 계속 심각해지고 있다.

◇ 기존 처리방식의 문제점

기존 폐플라스틱의 처리방식을 살펴보면 소각 처리의 경우 자원회수시설에서 열에너지 회수로 쓰이지만 다이옥신 배출 문제로 비록 다이옥신 처리 기술이 발전되었다고 하지만 여전히 자원회수시설은 기피대상 시설로 인식되어있다. 또 열분해 처리는 플라스틱 종류 별로, PET는질소 분위기하에서 약 300℃부근으로부터 분해하기 시작해 원료의 하나인 승화성 물질의 테레프탈산이 생성해, 열분해조나 배관부에 퇴적해 폐색하는 문제가 발생한다. 또, PVC 및 PET로부터 다량의 탄소의 찌꺼기를 생성하는 일도 문제를 가지고 있다.

◇ 대안의 개발

위와 같은 문제를 해결하기 위해 근본적인 처리 방식에 대한 새로운 방법을 제시할 필요가 있다. 밀웜이 플라스틱을 생분해할 수 있다는 사실을 기반으로 생물학적 처리를 시도함으로써 물리화학적 분해로 인한 환경오염 부산물을 제한하고 친환경적 처리를 할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

1. 개발 과제의 목표 ◇ 밀웜을 이용하여 폐플라스틱의 생물학적 분해 제거율을 높이는 것을 목표로 한다. ◇ 최적의 조건으로 플라스틱 분해 속도를 극대화시킨다. ◇ 폴리스티렌의 공급에 대응하여 충분한 제거 속도를 유지할 수 있도록 한다. ◇ 충분한 처리량을 유지할 수 있도록 하며 설비의 규모를 최소화 할 수 있도록 한다. ◇ 기존 처리공정에 비해 더욱 경제적인 공정을 개발한다. ◇ 기존 처리공정에 비해 더욱 친환경적인 공정을 개발한다.

2. 개발 과제의 내용 ◇ 밀웜 장내 박테리아를 추출해내어 밀웜을 제외한 미생물 분해의 가능성을 확인해본다.

  → 코로나로 인해 실험실 이용이 쉽지 않아 많은 시간을 보내야 하는 미생물 실험을 따로 진행하지 
      않았고 밀웜 자체를 이용함으로써 실질적 부가가치를 창출하는 공정을 계획했다.

◇ 밀웜의 환경과 영양 조건에 따라 플라스틱의 분해 속도를 알아본다. (최적의 분해 속도에 대한 조건)

  → 밀웜 관련 논문을 참조하여 최적의 조건에서 실험한 밀웜의 분해능 자료를 이용해 설계를 진행했  
     다. 실제 밀웜으로도 분해능을 직접 알아보기 위해 질량 변화를 실험하여 비교했다.

◇ 플라스틱의 종류에 따른 밀웜의 분해 속도를 알아본다. (최적의 분해 속도에 대한 플라스틱선정)

  → 밀웜이 쉽게 분해할 수 있는 스트리폼을 주 처리 대상으로 설계를 진행했다.

◇ 각 실험한 사실을 바탕으로 효율을 유지하며 공간을 최소화 하여 공정을 설계한다. ◇ 위 생물학적 처리가 실제 공정에서 적용되었을 때 전반적인 설계 시스템을 구축해본다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

가. 경쟁제품 조사 비교

 폐합성수지가 처리되는 방식을 2015년부터 2017년까지 표로 나타내면 다음과 같다.

구분 2015년 2016년 2017년 총 발생량 18,927 19,583 21,812 물질재활용(제품) 8,766 9,240 9,113 매립 949 1,000 999 소각 6,699 6,634 7,283 고형연료 2,502 2,709 4,417 표 2015년~2017년 폐합성수지 발생 및 처리 현황 (자료: 환경부) (단위: 톤/일)

 총 발생량의 5% 내외를 처리하는 매립을 제외하고 소각과 고형연료화에 대해 고려할 것이다. 
◇ 소각   소각의 경우 열회수를 통해 에너지 회수가 가능하지만, 방치폐기물처리이행보증보험금 산출을 위한 폐기물의 종류별 처리단가(시행 2019.12.30)에 의하면 273,000원/톤의 처리비용이 발생하며, 소각처리비용은 계속해서 증가하는 추세이다. 또한, 소각가스가 발생해 그 처리를 위한 설비가 필수적이며 중금속 등을 함유하는 소각재가 발생하며 이는 별도의 처리를 거쳐 매립한다.

◇ SRF  고형연료화의 경우 2019.10 기존 시설의 REC가중치가 1.0에서 0.25로 낮아졌으며 신규 시설의 경우 REC가중치를 부여하지 않기 때문에 발전사업자들의 의무수요가 적어질 것을 예상할 수 있으며, 주민반대에 부딪혀 사업을 포기하거나 중단되는 경우도 많다. (감사원. 2019) SRF는 성형 SRF와 비성형 SRF로 나뉘는데, 비교적 수요처가 많은 성형 SRF는 생산수율(생산량/폐기물량)이 29.1%로 낮으며 소각과 비교했을 때 단위처리량에 대한 에너지소비량이 두 배정도 높다는 특징이 있다. 
 SRF판매를 통한 편익이라는 경제적 강점이 있다.   REC 가중치 변동의 경우 비교적 최근 사건이기 때문에 이후의 변화에 대한 자료가 충분하지 않다.

◇ 해당 공정의 이점
 기존 시설의 문제점으로는 플라스틱 페기물 처리에 높은 에너지와 비용을 필요로 한다는 점과 처리과정에서 발생하는 오염물질을 재처리해야 한다는 점이 있으며, SRF의 경우 편익을 발생시킬 수는 있지만 그 생성수율이 낮을 뿐 아니라 생성과정에서 소각보다 더 높은 에너지를 필요로 함에 있다.
개발하고자 하는 공정은 위의 문제점들을 어느 정도 보완할 수 있을 것으로 예상되는데, 우선 위의 시설들 보다 현저히 적은 운영비로 플라스틱을 처리할 수 있을 것이다. 해당 공정은 밀웜의 생장 조건을 맞춰주는 것 이외에 특별한 에너지가 필요하지 않다. 또한 성충을 판매하거나, 배설물을 퇴비화 시키는 등 처리 부산물을 이용하여 부가가치를 창출 할 수 있다. 
해당 공정의 현실적 문제는 플라스틱의 처리량에 관한 것으로 처리량을 충족하기 위한 밀웜 수의 증가는 문제가 되지 않으나 관리 인력 증원을 동반하기 때문에 인력 소모의 핵심 요소인 사육장 관리의 자동화가 필수적이다. 또한 온도에 따라 처리량이 달라지는 밀웜의 특성상 사육공간의 온도를 최적의 처리효율을 보이는 온도로 유지해야 한다는 점이 있다. 하지만 위의 조건들을 잘 통제한다면 친환경적인 플라스틱의 처리 시설로서 사용될 수 있을 것이다.

◇ 경쟁제품과의 비교

여러 경쟁제품 중 가장 보편화된 처리시설인 소각시설과 경제적으로 비교분석을 해보았다. 대상 시설로는 해당 공정과 처리규모가 비슷한 연간 700톤을 처리하는 인천지역에 소재한 소각시설을 선정하였다. 해당 시설의 연간 운영비용은 2.8억이며, 설치비용은 17.4억 그리고 소요면적은 450m으로 나타났다. 이를 단순한 산술계산을 통해 연간 처리량을 1,000톤으로 변경하면 운영비용은 4억이다.
설계한 공정의 경우 계산된 운영비용은 연간 3.6억으로 전기세로 1.5억, 먹이 값으로 2.1억이다. 소요면적은 밀웜 사육실을 제외하면 16000m로 소각시설에 비해 확연히 크지만 해당 시설과 연계되는 밀웜의 생산시설에서 발생되는 수익을 고려한다면 충분히 경제적이라고 판단할 수 있다.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 재활용을 제외한 가장 경제적이고 친환경적인 폴리스티렌 처리 공정 개발
◇ 높아져만 가는 플라스틱 폐기물의 처리비용을 완화시킬 수 있음
◇ 플라스틱을 처리함으로써 발생하는 2차 오염물질을 최소화시킬 수 있음
◇ 자동화 공정을 적용함으로써 처리에 발생하는 유지비를 감축시킬 수 있음

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 소각이나 고형연료화 등 기존 공정에 비해 확연히 낮은 유지비로 공정 유지 가능
◇ 플라스틱 처리 과정에서 생산되는 밀웜 성충을 통하여 부가가치 창출 가능
◇ 플라스틱 처리 과정에서 발생하는 처리부산물(배설물, 탈피껍질) 등을 이용하여 부가가치 창출 가능
◇ 기존의 처리 시설이 유해하고 더러운 이미지였다면, 친환경적인 새로운 처리시설로서 시민들에게       친숙한 이미지로 다가갈 수 있음
◇ 플라스틱 처리비용에 대한 부담감을 어느 정도 덜어줄 수 있음

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

◇ 전체적인 공정은 크게 (1)유입부, (2)전처리부, (3)분해부, (4)선별부, (5)유출부의 형태로 구성된다. 이 중 (1)유입부와 (2)전처리부, (5)유출부의 경우 기존에 사용되고 있는 기기들을 참고하여 이용할 계획이다. 분해에 이용될 밀웜의 성장 주기를 고려하여 (3)분해부의 레일 시스템과 분변 분리 시스템, 그리고 (4)선별부의 선별 시스템을 구상하였다.

◇ 레일 시스템은 밀웜과 플라스틱을 포함한 사료를 담은 바구니를 기본 단위로 한다. 바구니는 정해진 레일을 이동하고 일정 주기마다 추가 사료나 밀웜의 생장에 필요한 야채 등이 주입된다. 분해 기간이 끝나면 수거되어 후단에 위치한 선별부로 넘어간다. 레일을 포함한 플라스틱 처리 및 분해 공간은 한 개 이상의 조로 나뉘며 각 처리 공간은 밀웜의 생산 조건에 맞추어 온도, 빛, 그리고 습도 조절을 위한 램프 등의 설비를 포함한다. 
◇ 처리 과정 중 밀웜의 밀집에 따라 분변이 분리되기 어려울 수 있으므로 진동을 이용해 분변을 분리하는 시스템을 이용한다. 걸러진 분변을 처리하기 위해 레일 시스템에 유입되는 밀웜 박스의 아랫면 자체를 체거름 할 수 있는 방식으로 제작된다. 체에 걸러져 레일에 떨어지는 밀웜의 분변은 레일에 의해 다른 경로로 빠지게 되고 밀웜 박스는 다시 성충이 되기 전까지 재이용 하는 방식으로 설계한 시스템이다. 이때 진동기는 전체 공정에 설치하는 것이 아닌 분변이 쌓이게 되는 부분만을 고려해 중간에 설치한다. 이는 밀웜의 박스를 사육통과 분변통으로 분리해 포개는 방식보다 경제적일 것으로 예상한다.

◇ (4)선별부에서 번데기, 유충, 먹이, 배설물을 포함하는 혼합물을 선별하기 위해 풍력을 이용하기로 하였지만, 상세설계 중 진공흡입 설비로 대체하였다. 이는 풍력 선별이 갖는 비산 문제와, 낮은 선별 효율 등의 단점을 보완하기 위해서이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

내용

조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

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결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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소프트웨어 프로그램 소스

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