01분반 3조 진심이최고조

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 의존하여 처리되고 있는 상황이다. 이들은 일일이 쓰레기를 분류하고 처리하기 위해 이른 저녁부터 새벽이 넘어가도록 10시간에 가깝게 쓰레기 쓰레기 분류작업을 진행하고 있다. 이러한 기형적인 쓰레기 처리 방식은 빠른 시일 내에 개선되어야 할 문제이다. 야구장에서 발생하는 대규모 쓰레기들을 일일이 분류하고 처리하는 작업은 노동 강도가 높고, 효율성이 낮은 일이다. 이에 따라 우리는 야구장의 쓰레기 분리배출 문제를 확인하고 이를 해결하기 위한 설계를 주요 과제로 결정하고자 한다. 설계의 대상 지역으로는 우리나라 내에서 최대 규모의 야구장인 서울종합운동장 내 잠실야구장을 선정하였다. 잠실 야구장은 최대 규모인만큼 한 해 쓰레기만 225만리터가 배출된다고 한다. 배출량이 가장 많기에 잠실야구장을 대상으로 설계를 한다면 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.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

- 현대차 울산, 인도 공장 폐수 재이용 시스템 https://www.hankyung.com/article/202308216267i

- 코웨이 엔테크 무방류 시스템 http://www.cowayentech.com/kor/solutions/zero_liquid_discharge.asp

- SK 에코플랜트 무방류 시스템

https://news.skecoplant.com/for-earth/2283/

• 마케팅 전략 제시

- 지속 가능성 강조 : ‘RE-WAT3R’ 만의 우수-농축수 재이용 시스템을 부각하여 환경 보전에 대한 긍정적인 영향성을 강조하고, 기업의 지속 가능성을 환기시킴

- 물 가격 분석 및 최적화 : 물 가격을 분석하고 최적화하여 비용을 절감하며, 물 가격이 높은 지역에서는 효율적인 사용과 재이용을 더욱 강조함

- 정부 지원 활용 : 정보의 환경 보호 정책 및 재정 지원 프로그램을 활용하여 프로젝트를 지원을 받아 프로젝트의 규모를 확장하고 비용을 절감 할 수 있음

- SWOT 분석으로 기업의 강/약점, 환경적 기회, 위기를 열거하여 효과적인 기업 경영전략을 수립함

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

- 버려지는 빗물을 재이용하여 물 사용량 절감

- 공업용수를 공장 내에서 자체적으로 재이용하여 3R 사이클을 구현

- 지하수 이용률 감소 및 광역상수도 취수량 감소로 인한 수도요금 감소

- 농축수 재이용을 통한 재이용률 증가

경제적, 사회적 파급효과

- 가뭄 및 기술적 문제로 공업용수가 부족해지는 긴급한 수급 문제에 대한 공장 내 자체 리스크 대응 및 관리 가능해지고, 생산 중단 비용을 감소시킬 수 있음

- 우수저류 인공연못을 통하여 저장한 물의 양에 따라 공업용수 사용 비용을 절감할 수 있음

- 우수저류 인공연못 설치를 통하여 도시 환경 개선 및 쾌적한 환경 제공함으로써 사회적 통합을 촉진하고, 사회적 유대감을 형성할 수 있음

SWAT 분석

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

Strengths(강점)

- 빗물과 농축수를 함께 재이용하여 효과적인 물 보전 및 지속가능성 증대

- 물 재이용률이 증가시킴으로써 최종적으로 ‘물 중립’ 을 달성하여 기업 이미지 제고 가능

- 공업용수 부족 리스크에 대한 대응 및 관리를 통하여 손실 최소화

Weaknesses(약점)

- 초기 시설 투자금이 기존 공장에 비해 높음

- 기존 기술 적용 사례가 부족하여 설계 및 시공 과정에서의 리스크 존재

Opportunities(기회)

- 국내 공업용수 부족 사태에 대한 리스크관리가 미흡함에 따라, 빗물 재이용 기술 및 설계 도입은 국내 공장의 리스크 관리 방안을 발전시킬 수 있음

- 기업의 물 재이용 시스템 도입에 의한 기업에 대한 소비자들의 인식 변화를 인지하여 다른 기업들의 관련 기술 적용을 확대할 수 있음

Threats(위협)

- 빗물이 제한적으로 내릴 때 우수 저류량 부족 가능성 존재

- 해수 담수화 기술 등의 물 재이용 기술 및 솔루션이 개발될 시, 경쟁에서 밀릴 가능성 존재

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