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2018년 6월 15일 (금) 07:34 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 음폐수 처리를 위한 M-THAD 공법 개발

영문 : A Study on the Development of M-THAD

과제 팀명

디스포조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20098900** 윤**

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 한**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 정**

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 한**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

-‘M-THAD’ 공법의 개발을 연구하였다. 디스포저를 사용한 고농도의 음폐수를 효과적으로 처리하기 위해 개발한 공법으로써 기존의 혐기성처리의 공정 효율을 높이고 경제성부분을 더욱 높이기 위하여 노력하였다.

-혐기성 소화 공정에 메탄발효조와 산발효조를 통합한 단일이상처리공법을 주 공법으로 활용하여 공간성을 높이고 지속가능한 개발을 실현하고자 노력했다. ‘Buffer zone’을 형성하여 메탄생성균과 산생성균의 공존을 가능할 수 있게 설계하였다.

-기존의 ‘N-THAD’ 공법에 단일이상혐기성 처리조의 개념을 융합시켜 ‘M-THAD’ 공법으로 발전시켰다.

개발 과제의 배경

1.1 음폐수 처리의 중요성

음폐수는 일반적으로 음식물류 폐기물 폐수(음폐수), 음식물 침출수, 음식물 탈리액 등으로 불리며, 대부분 음식물류 폐기물의 재활용 과정에서 염분제거를 위한 세척수와 음식물류 폐기물에 함유되어 있는 수분 등에 의해 발생되고 있다. 처리 시설로 반입되는 음식폐기물 대비 배출되는 음폐수 비율은 퇴비화시설의 경우 약 50%, 사료화 시설의 경우 약 70% 정도로 그림에 나타낸 것과 같이 음폐수 해양 배출량과 비율은 2004년 1,989 톤/일 (49.6%)에서 2006년 최대 5,420 톤/일 (55.9%)까지 증가하였으며, 2009년에는 4,007톤/일 (42.2%)로 감소된 것으로 보고되었다. 이는 하수처리장이나 수도권매립지 등에서 침출수와의 병합 처리 등 육상 처리량의 증가에 따른 영향이다.

농업화 사회에서는 지금의 인구보다 훨씩 적고 적절한 자원 사용으로 인한 폐기물 발생이 적어 자연 정화 능력으로도 충분히 폐기물의 처리가 가능하였다. 하지만, 오늘날 산업발전으로 인한 도시화에 따른 급격한 입구증가는 유해한 폐기물을 대량 발생시켜 그 처리에 한계성을 갖게 되었다. 음식물류 폐기물의 자원화 과정은 염분제거를 위한 세척과 수분을 제거하는 탈수과정 등을 거친 후 발생하는 고농도의 유기성 폐수인 ‘음폐수(음식물 탈리액)’의 문제가 대두되고 있다.  일일 약 8,470톤에 달하는 음폐수가 발생하는데, 이 음폐수는 부패하기 쉬우며 악취유발 및 침출수 유출 시 2차 오염이 우려되는 문제점을 가지고 있다. 그동안 이러한 음폐수의 절반 이상을 해양투기로 처리하였으나 2006년 3월부터 ‘런던 96 의정서’가 발효되고 2013년 1월부터 해양 배출이 금지됨에 따라 국내의 음폐수의 육상 처리 방안 개발이 시급해졌다. 현재 중요한 현안으로 대두되고 있는 음폐수로 인한 문제점을 해결함으로써 환경 오염 부하를 현장에서 실질적으로 절감할 필요성이 높아지고 있다.

1.2 온실가스 배출 감축 목표

교토 의정서에 의해 독일, 영국, 핀란드는 2050년까지 온실가스 배출량을 1990년의 80% 수준까지 감축해야 한다. 이를 위해 각국은 온실가스 감축을 위해 탄소 포집과 저장을 위한 연구와 개발뿐만 아니라 재생에너지 사용을 촉진하고 있으며 혐기성 소화 기술은 하나의 재생에너지 생산 방법으로 장려되고 있다.

1.3 재생에너지 최소 비율

대부분의 국가는 특정 기한 내에 전체 에너지 소비량 중 특정 비율만큼을 재생에너지로 공급하고자 하는 목표를 세우며 이를 renewable energy targets(RETs)라고 한다. 예를 들어, 유럽연합과 미국은 2020년까지 RETs를 각각 전체 에너지의 17%, 18%로 정하였고, 브라질은 70% 달성을 목표로 하고 있다. 뉴질랜드는 2025년까지 전체 에너지 사용량의 90%를 재생 에너지로 공급하고자 하는 목표를 가지고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해 각국 정부는 재생에너지 생산을 촉진할 수 있는 다양한 세제 혜택을 제공하고 있다. 예를 들어, 독일은 재생 에너지 생산을 촉진할 수 있는 다양한 세제 혜택을 제공하고 있으며, 재생에너지를 전력망에 우선 공급하도록 하고, 에너지 시장에서 바이오연료가 차지하는 최소 비율을 규정하고 있다. 이러한 정책과 규제로 인하여 독일은 전 세계에서 가장 많은 대규모 혐기성 소화 시설을 가지고 있으며 바이오가스 생산량의 65%가 전기 생산에 직접적으로 이용되고 34%는 열, 나머지 1%는 차량용 연료로 사용된다.

1.4 폐기물 관리 정책

유기성폐기물의 매립을 제한하는 법규는 혐기성 소화 기술의 사용을 촉진한다. 폐기물의 발생은 점차 증가하는 반면 NIMBY 와 인구증가에 따른 도시 확장 등으로 인하여 폐기물을 매립할 수 있는 부지의 확보는 점차 어려워지고 있다. 이에 따라 기존 폐기물 매립지의 사용연한을 증대시키기 위한 방법으로 재활용이 가능한 폐기물의 매립지 반입을 제한하고 있다. 또한 음식폐기물, 하수슬러지 등 수분을 많이 포함하고 있는 유기성폐기물은 침출수의 발생을 증가시키고 매립 시 분해로 인하여 매립지의 침하를 유발하기 때문에 수분 함량이 높은 유기성폐기물의 매립을 제한하고 있다. 이러한 폐기물 정책으로 인하여 수분함량이 높은 유기성폐기물의 처리에 혐기성 소화가 이용되고 있다.

1.5 세제 혜택

혐기성 소화는 많은 시설비, 장기간의 운영에 필요한 수선비용, 인건비, 교육훈련 등 많이 비용이 소요되는데, 농촌지역에서 혐기성 소화를 통해 발생되는 바이오가스의 이용 또는 판매만으로는 시설비와 운영비를 회수하기 어렵다. 따라서 다양한 세제 혜택과 인증서 발급으로 소요되는 비용을 보존하고 수익이 발생할 수 있도록 하여 혐기성 소화 기술의 보급을 촉진하고 있다.

발전차액 지원제도(feed-in tariff)는 재생에너지로 생산한 전기의 가격이 정부 고시 기준가격보다 낮을 경우 차액을 보전하는 제도이다. 독일에서는 혐기성 소화로 생산한 전기에 대해 최대 150kW 까지 kWh 당 $0.35 를 지원하고 있다. 게다가 독일에서는 혐기성 소화의 기질에 따라 별도의 보너스를 지급한다. 이러한 제도로 인하여 독일의 혐기성 소화조시설은 1992 년 140 개에서 2013 년 7,720 개로크게 증가하였다. 결론적으로 보조금 지원 등의 혜택이 혐기성 소화 기술을 장려하는 데 중요한 요소라고 할 수 있다. 혐기성 소화 기술을 적용하면 메탄의 배출을 감소시키고 청정한 가스로 전기를 생산하여 화석연료의 사용을 절감할 수 있기 때문에 탄소배출권을 부여받을 수 있으며, 이 탄소배출권은 거래가 가능하다. 호주에서는 돼지와 소 분뇨를 이용한 혐기성 소화 시 탄소배출권을 부여받으며, 미국의 캘리포니아에서도 혐기성 소화 적용 시 탄소배출권을 받는다.

세금 면제와 장려금 또한 혐기성 소화 기술의 보급을 촉진하는 중요한 정책 중 하나이다. 세금 면제는 혐기성 소화 시설의 설비 등에 대해서 가능하다. 핀란드에서는 바이오메탄의 생산과 소비 시 소비세를 면제해주고 있다. 또한 미국에서는 목질계 바이오매스 잔류물, 매립지 가스, 도시 고형 폐기물과 같은 유기물 물질로부터 생산한 전기에 대해 초기 10 년간 kWh 당 $0.11 의 장려금을 지급하고 있다. 일부 국가에서는 화석연료를 재생에너지로 대체하기 위해 재생에너지 차량 연료에 대한 규제를 하고 있다. 예를 들어, 미국에서는 연료의 일정 비율을 재생에너지로 생산된 연료와 혼합하여야 한다. 만약 이 비율을 혼합하지 않을 경우 재생에너지를 초과하여 혼합한 단체로부터 해당 권리(renewable identificationnumber)를 구매하여야 한다. 독일에서는 이산화탄소 배출량 저감을 위해 천연가스 차량의 보급을 늘리기로 결정하였으며 이를 위해 천연가스의 20%를 바이오가스로 혼합하는 계획을 추진하고 있다. 유기성폐기물의 혐기성 소화 처리는 환경으로 배출되는 질소와 인을 감소시키므로 캐나다, 이탈리아, 미국 정부는 감소된 양에 대해 인증서를 발급하는 제도를 운영하고 있다. 농가는 발급된 인증량만큼 자신의 경작지에 화학비료를 살포할 수 있는 권리를 가지며, 남은 인증량은 판매를 할 수 있다. 또한 이탈리아와 영국에서는 재생에너지를 이용하여 빌딩의 난방을 공급하면 건물 주인에게 장려금을 지원하는 제도도 운영하고 있다

개발 과제의 목표 및 내용

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 배경====
-내용
+.1 음폐수 처리의 중요성
+음폐수는 일반적으로 음식물류 폐기물 폐수(음폐수), 음식물 침출수, 음식물 탈리액 등으로 불리며, 대부분 음식물류 폐기물의 재활용 과정에서 염분제거를 위한 세척수와 음식물류 폐기물에 함유되어 있는 수분 등에 의해 발생되고 있다. 처리 시설로 반입되는 음식폐기물 대비 배출되는 음폐수 비율은 퇴비화시설의 경우 약 50%, 사료화 시설의 경우 약 70% 정도로 그림에 나타낸 것과 같이 음폐수 해양 배출량과 비율은 2004년 1,989 톤/일 (49.6%)에서 2006년 최대 5,420 톤/일 (55.9%)까지 증가하였으며, 2009년에는 4,007톤/일 (42.2%)로 감소된 것으로 보고되었다. 이는 하수처리장이나 수도권매립지 등에서 침출수와의 병합 처리 등 육상 처리량의 증가에 따른 영향이다.
+ 농업화 사회에서는 지금의 인구보다 훨씩 적고 적절한 자원 사용으로 인한 폐기물 발생이 적어 자연 정화 능력으로도 충분히 폐기물의 처리가 가능하였다. 하지만, 오늘날 산업발전으로 인한 도시화에 따른 급격한 입구증가는 유해한 폐기물을 대량 발생시켜 그 처리에 한계성을 갖게 되었다. 음식물류 폐기물의 자원화 과정은 염분제거를 위한 세척과 수분을 제거하는 탈수과정 등을 거친 후 발생하는 고농도의 유기성 폐수인 ‘음폐수(음식물 탈리액)’의 문제가 대두되고 있다.  일일 약 8,470톤에 달하는 음폐수가 발생하는데, 이 음폐수는 부패하기 쉬우며 악취유발 및 침출수 유출 시 2차 오염이 우려되는 문제점을 가지고 있다. 그동안 이러한 음폐수의 절반 이상을 해양투기로 처리하였으나 2006년 3월부터 ‘런던 96 의정서’가 발효되고 2013년 1월부터 해양 배출이 금지됨에 따라 국내의 음폐수의 육상 처리 방안 개발이 시급해졌다. 현재 중요한 현안으로 대두되고 있는 음폐수로 인한 문제점을 해결함으로써 환경 오염 부하를 현장에서 실질적으로 절감할 필요성이 높아지고 있다.
+.2 온실가스 배출 감축 목표
+ 교토 의정서에 의해 독일, 영국, 핀란드는 2050년까지 온실가스 배출량을 1990년의 80% 수준까지 감축해야 한다. 이를 위해 각국은 온실가스 감축을 위해 탄소 포집과 저장을 위한 연구와 개발뿐만 아니라 재생에너지 사용을 촉진하고 있으며 혐기성 소화 기술은 하나의 재생에너지 생산 방법으로 장려되고 있다.
+.3 재생에너지 최소 비율
+ 대부분의 국가는 특정 기한 내에 전체 에너지 소비량 중 특정 비율만큼을 재생에너지로 공급하고자 하는 목표를 세우며 이를 renewable energy targets(RETs)라고 한다. 예를 들어, 유럽연합과 미국은 2020년까지 RETs를 각각 전체 에너지의 17%, 18%로 정하였고, 브라질은 70% 달성을 목표로 하고 있다. 뉴질랜드는 2025년까지 전체 에너지 사용량의 90%를 재생 에너지로 공급하고자 하는 목표를 가지고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해 각국 정부는 재생에너지 생산을 촉진할 수 있는 다양한 세제 혜택을 제공하고 있다. 예를 들어, 독일은 재생 에너지 생산을 촉진할 수 있는 다양한 세제 혜택을 제공하고 있으며, 재생에너지를 전력망에 우선 공급하도록 하고, 에너지 시장에서 바이오연료가 차지하는 최소 비율을 규정하고 있다. 이러한 정책과 규제로 인하여 독일은 전 세계에서 가장 많은 대규모 혐기성 소화 시설을 가지고 있으며 바이오가스 생산량의 65%가 전기 생산에 직접적으로 이용되고 34%는 열, 나머지 1%는 차량용 연료로 사용된다.
+.4 폐기물 관리 정책
+ 유기성폐기물의 매립을 제한하는 법규는 혐기성 소화 기술의 사용을 촉진한다. 폐기물의 발생은 점차 증가하는 반면 NIMBY 와 인구증가에 따른 도시 확장 등으로 인하여 폐기물을 매립할 수 있는 부지의 확보는 점차 어려워지고 있다. 이에 따라 기존 폐기물 매립지의 사용연한을 증대시키기 위한 방법으로 재활용이 가능한 폐기물의 매립지 반입을 제한하고 있다. 또한 음식폐기물, 하수슬러지 등 수분을 많이 포함하고 있는 유기성폐기물은 침출수의 발생을 증가시키고 매립 시 분해로 인하여 매립지의 침하를 유발하기 때문에 수분 함량이 높은 유기성폐기물의 매립을 제한하고 있다. 이러한 폐기물 정책으로 인하여 수분함량이 높은 유기성폐기물의 처리에 혐기성 소화가 이용되고 있다.
+.5 세제 혜택
+ 혐기성 소화는 많은 시설비, 장기간의 운영에 필요한 수선비용, 인건비, 교육훈련 등 많이 비용이 소요되는데, 농촌지역에서 혐기성 소화를 통해 발생되는 바이오가스의 이용 또는 판매만으로는 시설비와 운영비를 회수하기 어렵다. 따라서 다양한 세제 혜택과 인증서 발급으로 소요되는 비용을 보존하고 수익이 발생할 수 있도록 하여 혐기성 소화 기술의 보급을 촉진하고 있다.
+ 발전차액 지원제도(feed-in tariff)는 재생에너지로 생산한 전기의 가격이 정부 고시 기준가격보다 낮을 경우 차액을 보전하는 제도이다. 독일에서는 혐기성 소화로 생산한 전기에 대해 최대 150kW 까지 kWh 당 $0.35 를 지원하고 있다. 게다가 독일에서는 혐기성 소화의 기질에 따라 별도의 보너스를 지급한다. 이러한 제도로 인하여 독일의 혐기성 소화조시설은 1992 년 140 개에서 2013 년 7,720 개로크게 증가하였다. 결론적으로 보조금 지원 등의 혜택이 혐기성 소화 기술을 장려하는 데 중요한 요소라고 할 수 있다. 혐기성 소화 기술을 적용하면 메탄의 배출을 감소시키고 청정한 가스로 전기를 생산하여 화석연료의 사용을 절감할 수 있기 때문에 탄소배출권을 부여받을 수 있으며, 이 탄소배출권은 거래가 가능하다. 호주에서는 돼지와 소 분뇨를 이용한 혐기성 소화 시 탄소배출권을 부여받으며, 미국의 캘리포니아에서도 혐기성 소화 적용 시 탄소배출권을 받는다.
+ 세금 면제와 장려금 또한 혐기성 소화 기술의 보급을 촉진하는 중요한 정책 중 하나이다. 세금 면제는 혐기성 소화 시설의 설비 등에 대해서 가능하다. 핀란드에서는 바이오메탄의 생산과 소비 시 소비세를 면제해주고 있다. 또한 미국에서는 목질계 바이오매스 잔류물, 매립지 가스, 도시 고형 폐기물과 같은 유기물 물질로부터 생산한 전기에 대해 초기 10 년간 kWh 당 $0.11 의 장려금을 지급하고 있다. 일부 국가에서는 화석연료를 재생에너지로 대체하기 위해 재생에너지 차량 연료에 대한 규제를 하고 있다. 예를 들어, 미국에서는 연료의 일정 비율을 재생에너지로 생산된 연료와 혼합하여야 한다. 만약 이 비율을 혼합하지 않을 경우 재생에너지를 초과하여 혼합한 단체로부터 해당 권리(renewable identificationnumber)를 구매하여야 한다. 독일에서는 이산화탄소 배출량 저감을 위해 천연가스 차량의 보급을 늘리기로 결정하였으며 이를 위해 천연가스의 20%를 바이오가스로 혼합하는 계획을 추진하고 있다. 유기성폐기물의 혐기성 소화 처리는 환경으로 배출되는 질소와 인을 감소시키므로 캐나다, 이탈리아, 미국 정부는 감소된 양에 대해 인증서를 발급하는 제도를 운영하고 있다. 농가는 발급된 인증량만큼 자신의 경작지에 화학비료를 살포할 수 있는 권리를 가지며, 남은 인증량은 판매를 할 수 있다. 또한 이탈리아와 영국에서는 재생에너지를 이용하여 빌딩의 난방을 공급하면 건물 주인에게 장려금을 지원하는 제도도 운영하고 있다
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 내용