2조. 흙으로 돌아가조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 담배꽁초와 커피찌꺼기 동시 퇴비화 장치 및 수거시스템 개발

영문 : Development of Composting Device and Collection System for Cigarette butts and Coffee grounds

과제 팀명

흙으로 돌아가조

지도교수

000 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20114300** 한**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 쓰레기로 취급되어 쓸모없다고 여겨지는 담배꽁초와 커피찌꺼기를 퇴비로 재활용하여 매립지 부족 문제를 해결하고 궁극적으로 자원순환사회를 구축하는 데 이바지하고자 한다.

◇ 국내에는 담배를 체계적으로 관리하는 방안이 미흡하며, 커피찌꺼기의 경우 퇴비로서의 가치가 충분하지만 수거 과정의 비용문제로 대부분 일반쓰레기로 버려진다.

◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기를 각각 퇴비화하는 방안은 존재하지만 둘을 동시에 처리하는 방안은 존재하지 않는다.

◇ 따라서, 동시에 퇴비화하는 장치 및 시스템을 설계하여 수거 문제를 해결하고 퇴비로의 활용도를 높이고자 한다.

◇ 본 장치의 수거량을 계산하기 위해 담배꽁초 및 커피찌꺼기의 발생량을 산정하였다. 또한 담배꽁초와 커피찌꺼기가 혼합된 퇴비의 안정성을 확인하기 위하여 담뱃잎 비율에 따른 식물의 성장 실험을 진행하였다.

◇ 경제성 타당성을 확인하기 위해 B/C 분석을 진행하였다. 또한 담배꽁초와 커피찌꺼기에 관한 설문 조사를 진행하여 본 장치와 시스템의 활성화하기 위한 방안을 도출하였다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 국내 매립지문제는 해가 지날수록 심각해지고 있으며 2025년까지 사용 가능할 것으로 예측됐던 수도권 매립지의 경우 조기 포화상태에 이를 것으로 보고되었다.

◇ 담배꽁초에는 독성물질과 미세플라스틱 등이 포함되어 있어 적절한 처리가 필요하나, 국내는 담배를 체계적으로 관리하는 방안이 미흡한 실정이다. 담배꽁초의 재활용을 통해 소각 시 배출되는 발암물질 및 미세플라스틱의 영향을 최소화한다.

◇ 한 해 수입량이 약 15만 8천 톤에 이르는 커피 원두는 1g 중 0.998g이 커피찌꺼기로 배출된다. 커피찌꺼기는 퇴비 가치가 충분하지만 수거 과정의 비용문제로 인해 대부분 일반쓰레기로 배출된다.

◇ 동시 퇴비화 기기를 개발을 통해 전처리를 하는 과정을 통해 담배꽁초와 커피찌꺼기를 자원화하여 재활용함으로써 지자체의 폐기물 처리 비용을 감축한다.

◇ 시민들의 폐기물 재활용 인식 개선을 통해 자원순환사회 구축한다. 또한, 시민들이 자발적으로 참여하는 수거 체계를 구축함으로써 커피찌꺼기 수거 비용을 최소화하여 재활용 시 가장 문제가 되었던 수거 문제를 해결할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기를 대상으로 혼합하여 퇴비화하는 장치를 개발하여 처리 비용을 절감하고, 1차 처리된 퇴비는 조경용 비료 및 토양개량제로 활용할 수 있도록 한다.

◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기를 수거하는 체계적인 시스템을 제안하고, 어플리케이션 및 포인트 제도를 활용하여 환경친화적인 사업에 소비자가 자발적으로 참여함으로써 궁극적으로 자원순환사회를 구축하고자 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 이지원바이오의 담배꽁초 퇴비화 기기
1) 작동 원리   
- 프로펠러에 갈린 후, 미생물이 담배 종이와 잎을 분해해 퇴비 원료를 배출한다.
- 투입부터 생분해까지 5시간 소요되며 이후 공장으로 수거돼 기능성 유기농 퇴비로 재탄생된다.
2) 현재 서울시청, 경기 구리시청, 경남 하동군청, 경남 양산의 넥센타이어 공장 등과 거래하며 사업 확장 진행 중이며, 월 관리비는 10만원이다.
3) 미생물을 이용한 담배꽁초 재활용 사업모델은 세계 최초로 시행 중이다.

◇ 이암허브의 커피찌꺼기 퇴비 및 식물재배키트
1) 사용 대상, 환경에 따라 적정 사용량을 제시한다.
2) 도시농업에 대한 관심이 증가함에 따라 아파트나 가정에서 이용 가능하도록 했고, 생분해성 화분을 사용해 친환경 기능성 재배 키트를 개발하였다.

마케팅 전략

◇ SWOT 요인 분석
1)내부적 요인
강  점 (S)
- 개발되지 않은 담배꽁초와 커피찌꺼기 동시 퇴비화기기 개발
- 시민들이 직접 커피찌꺼기를 퇴비화 기기에 투입하여 수거비용 절감
- 담배필터에서 추출한 미세플라스틱 재활용을 통해 해양 미세플라스틱 문제 해결 및 플라스틱 원료 확보 가능
약  점 (W)
- 커피찌꺼기와 담배꽁초 동시 퇴비화 사례는 존재하지 않아, 실제 퇴비화 했을때 적절한 퇴비 품질로 생산될지에 대한 우려 
- 담배꽁초 파쇄 등의 전처리 필요

2)외부적 요인
기  회 (O)
- 커피시장 규모 증가로 인한 커피찌꺼기 폐기물의 급속한 증가
- EPR 제도의 중요성이 대두되는 사회적 분위기 
- 미세플라스틱의 위험성에 대한 인식 증가 
위  협 (T)
- 담배꽁초 퇴비화기기를 운영하는 이지원바이오의 사업 확장
- 시민들의 커피찌꺼기 수거 참여에 대한 불확실성
- 해양 미세플라스틱의 주 원인이 담배꽁초라는 인식 미흡

◇ 운영 시스템 
흙조운영시스템.png
1. 흡연구역과 가까운 카페 A, B에서 발생한 커피찌꺼기를 흡연구역 내 퇴비화기기에 투입한다.
2. 흡연자는 담배꽁초를 퇴비화기기에 투입한다.
3. 커피찌꺼기와 담배꽁초는 함께 혼합되어 장치 내에서 1차 퇴비화처리가 진행된다.
4. 1차 처리된 퇴비는 수거업체에서 수거하며, 퇴비생산업체에서 추가적인 퇴비화과정을 통해 퇴비로 판매된다.

◇ 판매 대상
1. 퇴비화기기 : 현재 길거리에 위치한 흡연구역을 고려중이므로, 지자체와 협의하여 설치 예정이다.
2. 퇴비 : 담배꽁초를 재활용해 만든 퇴비이기 때문에 농산물 재배 시 사용하는 것은 시민들의 불안감이 있을 것이라 판단하여 주로 조경용 퇴비로 판매 예정이다. 주로 골프장, 공원, 아파트 단지 내 조경용, 체육관 등에 판매 예정이다.

◇ 홍보 및 활성화 방안
1. 카페입구 및 내부광고부착을 통해 수거 참여 혜택을 홍보하여 어플리케이션 다운로드 및 수거시스템의 참여를 유도한다.
2. 커피찌꺼기 수거 참여 카페에 자체마크를 부착하여, 친환경 이미지를 구축하며 카페홍보 및 수거 시스템을 홍보한다.
3. 카페 어플리케이션을 통해 주변 퇴비화장치가 어디에 위치해 있는지 표시함으로써 시민들이 커피찌꺼기를 버리러 갈 때 소요되는 시간을 확인할 수 있도록 한다.
4. 담뱃갑에 미세플라스틱의 위험성을 경고, 무단투기 방지 및 재활용에 대한 안내문구를 삽입한다.

◇ 제도 도입

1. 지방자치 조례안으로 커피찌꺼기 재활용을 의무화하며, 환경부담금을 부과한다.
2. 생산자책임재활용(EPR)제도 품목에 담배 포함하며, 폐기물부담금제도를 개정하여 담배 1갑당 5~10%을 부과하도록 한다.
3-1. 정부에서 퇴비 생산기관 및 수거 담당기관에 경제적 지원을 해주도록 하여 폐기물의 퇴비화 지원 및 커피찌꺼기의 수거체제를 확립할 수 있도록 한다.
3-2. 지자체와 대행계약을 체결한 업체 및 폐기물처리 신고자 외 폐기물 처리 가능한 자라면 누구나 자유롭게 수집·운반이 가능할 수 있도록 하여 수거 대상자 기준을 완화한다. 
4. 담배꽁초 및 커피찌꺼기 퇴비를 일정 비율 이상 사용하는 업체에 대한 인증마크를 부여한다.
5. 공중이용시설의 실내 흡연 단계적 금지 및 2025년 실내 흡연실 폐쇄 (실내흡연실 폐쇄정책)에 따라 야외 흡연 구역 사용 의무화에 따른 퇴비화 장치의 활성화가 예상된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 시민들이 자발적으로 참여하는 수거 체계를 구축함으로써 재활용 시 가장 문제가 되었던 수거 문제를 해결할 수 있다.

◇ 동시 퇴비화 기기를 개발하여 전처리까지 완료함으로써 담배꽁초와 커피찌꺼기의 자원화가 가능하다.
◇ 담배꽁초의 재활용을 통해 소각 시 배출되는 발암물질 및 미세플라스틱 영향을 최소화할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 카페 이용객들의 자발적 수거 참여를 유도함으로써 커피찌꺼기 수거비용을 최소화한다.
◇ 담배꽁초와 커피찌꺼기의 재활용을 통해 지자체의 폐기물 처리 비용을 감축한다.
◇ 시민들의 폐기물 재활용 인식 개선을 통해 궁극적으로 자원순환사회를 구축한다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

 가. 제품 요구사항  
◇ 시장조사 결과를 통해 제품의 요구사항을 목록으로 나타내보았다. 각 요구사항은 D(Demand)와 W(Wish)로 구분하였으며 중요도의 순에 따라 등급을 나누어 대, 중으로 표기하였다.

 나. 목적 계통도
본 설계의 요구사항을 반영하여 목적계통도를 5가지 요소인 기능성, 환경성, 심미성, 경제성, 효율성으로 나누어 나타내었으며 목적계통도에서 세분화한 항목이 지닌 장점에 대해 파악해볼 수 있다.

1) 기능성 : 아두이노를 활용해 퇴비화 조건을 측정하고 기기의 인식에 QR코드를 이용함으로써 적절한 기능을 수행할 수 있다.
2) 환경성 : 일반쓰레기로 버려지던 담배꽁초와 커피찌꺼기를 퇴비로 재활용함으로써 매립지문제를 해결할 수 있다.
3) 심미성 : 적절한 크기로 제작하며 주변 환경과 조화롭게 설치할 수 있다.
4) 경제성 : 커피찌꺼기 수거비용 최소화, 퇴비화기기 유지비용 최소화, 퇴비판매수익 및 광고수익 창출 등을 통해 경제성을 확보할 수 있다.
5) 효율성 : 담배꽁초와 커피찌꺼기를 동시에 퇴비화 할 수 있으며, 효율적으로 수거할 수 있다. 
 
 다. QFD

◇ Demanded Quality : 고객 요구사항
◇ Quality Characteristics : 기술적 요구사항
   (1) - 가압롤러 압축 : 소화부
      - 압착롤러 토크 : 담배꽁초 필터 및 가루 분리 
      - 매쉬망의 투과도 : 분리된 필터와 가루 분리수거
      - 미생물의 퇴비화 : 미생물의 퇴비화 능력
      - 수분함량조절 : 커피찌꺼기 건조 및 퇴비화 조건에 따른 수분 공급
   (2) - 온도센서 : 퇴비화 조건의 온도 유지
      - 습도센서 : 퇴비화 조건의 습도 유지
      - 중량센서 : 담배꽁초 및 커피찌꺼기의 퇴비화 비율 조정 및 수거부 포화현황 파악
   (3) - RFID : QR코드 태그를 통한 입구 개폐
◇ Weight / Importance : 고객 입장에서 각 항목의 중요도 표시 (1,3,5 = 하,중,상)
◇ Difficulty : 기기 제작에 있어서 기술적 요구사항 달성이 어려운 정도 (1~10)
◇ QFD 결과해석을 통해 고객 요구 및 기술적 요구의 중요도를 고려한 우선순위를 알 수 있었으며, 이에 따라 중요도가 가장 큰 RFID에 집중하여 연구를 진행해야 함을 알 수 있었다.

개념설계안

◇ 담배꽁초 및 커피찌꺼기 동시 퇴비화기기

본 발명의 퇴비화기기는 위 그림과 같이 구성된다. 담배꽁초와 커피찌꺼기가 투입되어 처리되기까지의 과정은 다음과 같다.
가. 태그인식
커피찌꺼기를 수거하는 용기의 상단에 QR코드를 부착하고, 퇴비화 기기에 설치된 리더기에 QR코드를 태그하면 여닫이 방식의 투입구가 개폐된다. 단, 시범 운영 중에는 QR코드 스티커를 대신 활용할 수 있도록 한다.
나. 분류
담배꽁초와 커피 찌꺼기의 투입구는 각각 다른 위치로 분리하여 설치하며, 이때 담배꽁초 투입구는 구멍을 작게 하여 담배꽁초 외의 다른 쓰레기는 들어갈 수 없도록 한다. 또한, 담배꽁초와 커피찌꺼기가 수거되는 속도와 부피를 고려하여 커피찌꺼기 수거부의 부피를 더 크게 한다.
다. 전처리과정
전처리과정은 담배꽁초의 소화 및 분리와 커피찌꺼기 수분조절 단계로 나누어진다. 먼저 담배꽁초가 투입되면 가압 및 압착롤러를 이용하여 담배꽁초에 남아있는 잔불을 소화시키고, 담배꽁초의 겉싸개(종이)는 찢어서 분리한다. 소화된 담배꽁초가 압착롤러를 통과하면서 회전력에 의해 담배가루와 필터로 분리되며, 분리수거부에 설치된 매쉬망을 통해 담뱃잎과 담배필터가 분리되어 수집된다. 수집된 담배필터는 따로 빼내어 플라스틱으로 재활용할 수 있도록 하고, 담뱃잎은 아래로 내려가 커피찌꺼기와 함께 1차 퇴비화된다. 커피찌꺼기 투입 후 건조단계를 거쳐 퇴비화 단계로 넘어간다.
라. 1차 퇴비화과정
교반기를 이용하여 가루가 된 담배꽁초와 커피찌꺼기를 혼합하고 2차적으로 건조시키도록 한다. 따라서 본 장치에서는 퇴비의 1차 전처리과정까지 수행된다.
마. 수거
일차 처리가 완료된 퇴비는 퇴비업체와 수거시기를 결정하여 수거할 수 있도록 한다.

위의 순서(가-나-다-라-마)에 따라 담배꽁초 및 커피찌꺼기의 수거와 처리가 이루어진다. 퇴비업체에서 추가적인 퇴비화 과정을 통해 활용도 높은 퇴비로 거듭나게 되고, 이후 곧바로 이용 가능한 시설과 연계되어 퇴비로 활용할 수 있도록 한다.

◇ 수거 시스템
 1. 어플리케이션 설명

퇴비화기기의 효율적인 운영을 위한 어플리케이션으로, 이름은 “커피씨가”로 한다. 이는 커피찌꺼기 및 담배꽁초(Cigarette)을 동시에 처리하는 퇴비화기기를 의미하며 커피찌꺼기의 커피와 담배꽁초(Cigarette)의 Ciga를 “씨가”로 발음하여 구상하였다.
본 어플리케이션을 통해 퇴비화기기의 실시간 수거 현황 및 위치를 확인할 수 있으며, 사용자에게는 포인트 및 할인권 제도를 이용할 수 있도록 한다. 어플리케이션의 쿠폰/적립금 목록에서 바코드 태그를 통해 카페는 수거에 참여한 사용자에게 일정금액을 포인트 혹은 할인권으로 지급하도록 한다. 어플리케이션의 하단에는 광고배너를 설치하여 게임, 쇼핑몰 등의 광고를 게시함으로써 수익창출을 통해 경제성에도 기여할 수 있도록 한다.

 2. 어플리케이션을 이용한 수거방법 및 활용방안
담배꽁초의 발생량은 한정적이므로, 업소당 일일 평균 3kg정도 배출되는 커피찌꺼기가 상대적으로 빨리 쌓일 것으로 예상된다. 효율적인 수거 및 기기 운영을 위해서 카페에서는 어플리케이션을 이용하여 실시간으로 수거 현황을 파악하고 커피찌꺼기의 투입가능여부를 판단한다.

또한, 만약 퇴비화 기기가 포화된 경우에는 빨간불로 표시하여 담배꽁초 혹은 커피찌꺼기를 넣을 수 없도록 하며 아직 포화되지 않았다면 초록불로 표시하여 담배꽁초 혹은 커피찌꺼기를 넣을 수 있도록 한다.

- 카페 입장 : 퇴비화기기의 설치위치 및 실시간 현황을 파악하여 커피찌꺼기의 투입여부를 판단한다. 커피찌꺼기의 수거에 참여하는 어플리케이션 사용자에게 혜택을 제공할 수 있도록 한다. 
- 사용자 입장 : 커피찌꺼기의 수거에 직접 참여하며, 어플리케이션을 통해 적립금 및 쿠폰 등을 활용하여 저렴하게 커피를 구매할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

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조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가



평가 결과, 6개의 평가항목 중 5개의 항목을 만족하였다. 
퇴비 품질 적합성의 평가 기준으로 지정한 비료의 품질검사방법 및 시료채취기준 만족 여부를 본 설계에서 평가할 수 없었기 때문에 자체 실험을 진행하여 작물의 생육 저해를 관찰하였다. 비중을 적용한 총 점수는 100점 기준으로 90점으로 평가하였다.

향후평가

◇ 국내 매립지 문제가 심각한 상황에서 담배꽁초와 커피찌꺼기의 체계적인 수거 및 관리 방안을 제안함으로써 폐기물 처리 및 비용 감축에 획기적인 기획안이 될 수 있다.

◇ 현재는 서울시 1304곳의 카페와 계약을 맺어 652개의 장치를 설치하는 것을 기준으로 설계하였지만 향후 서울시 야외 흡연구역 6200개소 전체에 설치하는 것을 목표로 한다.

◇ 공중이용시설의 실내 흡연 단계적 금지 및 2025년 실내 흡연실 폐쇄 정책에 따라 야외 흡연구역 사용이 강제되면서 본 장치의 사용이 더욱 활성화될 것이다.

◇ 담뱃갑에 경고사진과 함께 QR 코드를 삽입할 수 있다면 담배꽁초 수거 책임을 담배 회사에 부여하는 생산자책임재활용(EPR)제도의 도입을 가능하게 할 수 있다.

◇ 본 설계에서 제안하는 제도의 도입과 지자체와의 협력 등 추가적인 노력이 수반된다면 본 시스템이 폐기물 처리에 미치는 긍정적인 영향은 더욱 커질 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

[1] 김현숙. "커피부산물을 이용한 친환경적 퇴비화",광운대학교 환경대학원 석사논문.(2013)

[2] 그린포스트코리아.환경경제신문.(2018.08.24.)

[3] 테라사이클 홈페이지

[4] Minzae Lee et al 2014, Preparation of energy storage material derived from a used cigarette filter for a supercapacitor electrode, Nanotechnology Volume 25 Number 34.

[5] Brohi A.R., Aydeniz A., Karaman M.R. (1996) Tobacco-waste obtained from cigarette factories to be used as organic fertilizer. In: Rodriguez-Barrueco C. (eds) Fertilizers and Environment. Developments in Plant and Soil Sciences, vol 66. Springer, Dordrecht

[6] 중소기업청. “커피박을 이용한 친환경퇴비제조 및 식물재배키트 사업화”,중소기업기술개발사업 최종보고서.(2013)

[7] 세계일보. msn 뉴스. (2019.06.07)

소프트웨어 프로그램 소스

내용