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도시쓰레기 자원화기술 연구와 시급한 해결과제

등록일
2004.09.30
내용


(中國環保産業 2004.8 王濤)


  도시의 규모, 숫자 및 거주인구 증가에 따라 도시쓰레기의 발생량은 빠른 속도로 증가하고 있다. 1979년도부터 중국의 도시쓰레기는 매년 평균 약 9%씩 증가하고 있다. 북경 등 일부도시의 증가속도는 15%~20%에 달하고 있다. 현재 전국 생활쓰레기의 연평균 발생량(수거량 기준으로 추정됨)은 약1.5억 톤인데 과거 수년간 매립한 쓰레기의 양은 이미 60억 톤에 달하고 약 5억 평방미터의 토지를 사용했고 도시는 현재 쓰레기에 포위되어 있다.  이는“쓰레기 발생량 증가-환경오염 가중-통제비용 상승-재정자금 부족”의 악순환을 초래하였다. 따라서 도시쓰레기의 자원화 기술연구에 박차를 가하는 것은 매우 중요하다.


  가. 도시쓰레기의 성분과 처리방법의 분류
  1) 도시쓰레기의 성분
  도시쓰레기의 구성은 주로 지리조건, 생활습관, 주민의 생활수준과 사용연료의 영향을 받는다. 중국의 도시쓰레기의 발생량이 급증함과 동시에 쓰레기의 구성에도 많은 변화가 나타났다. 이는 유기물의 증가, 가연성 물질의 증가, 이용가능한 가치 증대에서 나타난다.
  (1) 사용연료 구조가 쓰레기에 끼치는 영향
  도시쓰레기의 구성성분에 영향을 끼치는 중요한 요소는 연료소비구조이다. 중국은 석탄을 주요연료로 하는 국가이다. 에너지원의 75%가 석탄인데 석탄은 공업부문에 광범위하게 사용될 뿐만 아니라 동시에 가정연료에서도 주요한 구성부분이라고 할 수 있다. 최근 몇 년간 도시 난방이 가스로 보편화됨에 따라 민간연료의 소비구조에도 매우 큰 변화가 생겼고 이와 동시에 도시쓰레기 구성성분에도 변화를 가져왔다. 석탄사용구역에서 발생된 쓰레기중의 무기물 구성 비율은 확실히 가스사용구역보다 높았고 가스사용구역 쓰레기 중의 유기물 구성비와 재활용 폐품의 비율은 석탄사용구역보다 높았는데 변화가 가장 큰 구성성분은 바로 쓰레기 중의 매연량이라고 할 수 있다. 다른 한편으로 석탄구역 주민의 생활수준은 항상 가스구역 주민보다 낮았다. 가스구역에서는 쓰레기 중의 매연량이 감소하여 주방쓰레기가 주요구성성분이 되었고 이 때문에 쓰레기의 함수량이 상대적으로 증가하였다.
  
  (2) 주민의 생활수준과 소비구조가 쓰레기 발생에 미치는 영향
  주민의 생활수준과 소비구조의 변화는 도시쓰레기의 발생량에 영향을 끼칠 뿐 아니라 쓰레기의 성분에도 영향을 끼치는 중요한 원인이다. 생활수준의 향상에 따라 생활쓰레기 중 석탄재의 함량은 지속적으로 감소하고 썩기 쉬운 쓰레기와 폐품의 함량은 지속적으로 증가하였다. 이러한 영향은 같은 도시의 다른 지역에 반영되었다. 고급주택 지역의 쓰레기 중 재활용폐품(플라스틱, 종이류, 금속, 직물과 유리)의 발생량은 확실히 일반주택 지역보다 높았고 일반주택지역의 쓰레기 중에는 주방쓰레기 함량이 비교적 높아서 쓰레기 함수량이 높고 발열량이 낮은 편이다.
  
  (3) 쓰레기 발생지가 쓰레기에 미치는 영향
  중국의 도시쓰레기는 주로 주민 생활쓰레기, 도로 쓰레기, 집단 쓰레기(건물등에서 발생되는 쓰레기를 가르킴) 이렇게 크게 3종류로 구성된다. 주민 생활쓰레기의 수량은 1위를 차지하는데 성분이 복잡하고 시간과 계절의 영향을 많이 받는다. 도로 쓰레기는 주로 진흙, 낙엽, 포장물질 등으로 유기물 성분이 상대적으로 적고 함수량이 적다. 마지막으로 집단 쓰레기의 성분은 발생지의 변화에 따라 다르게 나타나는데 상대적으로 성분이 단일하고 안정적이며 평균함수량이 비교적 낮다. 특히 높은 발열량을 갖고 있어 가진 쉽게 타는 물질이 많다.
  
  (4) 도시의 특징이 쓰레기 구성에 끼치는 영향
  도시쓰레기의 발생량과 그 구성은 도시의 규모, 성격, 기능 및 지리적인 위치와 관계가 많은데 이는 다음과 같다.
  (a) 대도시와 중소도시 쓰레기의 구성은 뚜렷한 차이가 있다. 대도시의 생활쓰레기 구성 가운데 유기물 성분은 전체양의 31%~36%를 차지하고 무기물 성분은 약 60%, 폐품은 약 4%~6%를 차지한다. 중소도시의 생활쓰레기 가운데 유기물 성분은 전체의 약 20%를 차지하고 무기물 성분은 약 65%를 차지하며 폐품의 비중은 더 낮다. 대도시는 비록 지리환경 등의 기초조건이 다르지만 도시주민의 소비수준이 모두 높은 편이기 때문에 도시쓰레기 중 유기함량의 차이는 상대적으로 적은 편이다.
  (b) 중소도시 주민의 소비수준과 생활에너지원 가스화 비율은 모두 낮은 편인데 유기물 성분은 약 생활쓰레기 전체양의 22.48%를 차지하고 무기물 성분은 약 65%를 차지하고 나머지는 폐품이다. 남방지역 도시쓰레기 중에 있는 유기물의 비율은 북방도시보다 높다.
  (c) 도시가스화 비율, 난방집중 면적 및 1인당 평균 석탄 구매량은 쓰레기의 발생량과 구성에 뚜렷하게 영향을 끼친다. 도시가스화 비율이 낮고 난방집중면적이 작은 도시지역에서는 쓰레기 발생량과  매연의 함량은 그와 상응되게 된다.
  (d) 제품의 과대 포장과 일회용품의 대량소비로 인해 포장폐기물이 도시쓰레기 중에서 차지하는 비중이 증가했으며 큰 환경오염을 발생시켰다.
  
  2) 도시쓰레기 처리방법의 분류
  현재 국내외에서 광범위하게 사용되고 있는 도시생활쓰레기 처리방식은 주로 위생매립, 고온퇴비와 소각 등이 있다. 이 3종의 주요 쓰레기 처리방식의 비율은 지리환경, 쓰레기 성분, 경제발전 수준 등 요소의 차이에 따라 다르게 나타나는데 통일된 유형이 없다고 볼 수 있다. 하지만 최종적으로는 모두 무해화, 자원화, 감량화를 처리목표로 하고 있다. 응용기술에서 볼 때 해외에서는 주로 매립, 소각, 퇴비, 종합재활용 등의 방식을 사용하고 있는데 기계화 수준이 높은데다가 시스템을 갖춘 설비를 운영하고 있다. 해외의 다양한 처리방식은 일반적으로 다음과 같은 추세를 가지고 있다.
  (1) 공업이 발달한 국가에서는 에너지원, 토지자원이 부족해지기 때문에 소각처리의 비율이 점점 증가하고 있다.
  (2) 매립방법을 쓰레기의 최종처리수단으로 하는 것 많은 비중을 차지해 왔다.
  (3) 농업형의 개발도상국은 대다수가 퇴비위주이다.
  (4) 기타 일부의 신기술. 예를 들어 열분해법, 해양투기, 쓰레기 동산 조성 등과 같은 기술이 끊임없이 개발되고 있다.


  나. 도시쓰레기 퇴비기술
  1) 퇴비의 원리와 공예기술의 구성
  호기성 퇴비과정은 유기물이 산소가 있는 조건에서 미생물이 분비한 외부효소를 이용하여 유기물 고체폐기물을 용해성 유기물질로 분해시키고 다시 세포내로 침투하는 것이다. 미생물은 신진대사 활동을 통해 그중 일부분의 유기물을 간단한 무기물로 산화시켜 생물의 생명활동에 필요한 에너지를 제공하고 다른 한 부분의 유기물은 생물체에 필요한 영양물질로 변환되어 새로운 세포체를 형성하여 미생물이 끊임없이 번식하도록 한다.
  퇴비반응은 미생물을 이용하여 유기물을 분해하고 안정화 시키는 과정이기 때문에 미생물은 퇴비과정 중에 매우 중요한 작용을 한다. 퇴비 미생물은 자연계에서 생성될 수도 있고 인공선별을 거친 특수균종을 이용하여 접종시켜 퇴비반응의 속도를 높일 수도 있다. 퇴비 미생물에는 주로 세균, 진균과 방산균 등이 있으며 퇴비 과정 중 퇴비 미생물의 숫자와 종류는 끊임없는 변화가 발생한다.
  퇴비 과정은 대체적으로 다음과 같은 단계로 나뉘어 진다. 퇴비 초기에는 상온의 세균(또는 중온균이라고도 칭함)이 유기물 중에 쉽게 분해되는 당류, 전분, 단백질 등의 생성에너지를 분해시켜 온도를 급속하게 상승시키는데 이를 온도상승 단계라고 한다. 하지만 온도가 50 를 넘을 때 상온균은 활동이 억제되어 활성이 점차 줄어들고 포자상태를 띠거나 죽어버린다. 이때 기열성 미생물이 점차 상온성 미생물의 활동을 대체한다. 유기물 중에 쉽게 분해되는 유기질을 계속 분해되는 것외에 분자의 반 셀룰로스, 셀룰로스 등에 대해서도 분해를 시작한다. 이때 온도는 60 ~70 까지 달하는데 이를 고온단계라 한다. 온도가 70 가 넘을 때 대다수의 기열성 미생물이 적응하지 못하고 미생물이 대량으로 죽거나 동면상태에 접어든다. 퇴비과정이 고온의 상태로 일정한 시간이 지속된 후에 쉽게 분해되거나 비교적 쉽게 분해되는 유기물은 대부분이 분해되고 분해되기 힘든 유기물과 새로 형성된 부식질이 남게 된다. 이때 미생물 활동이 약화되고 발생되는 열량이 감소하며 온도가 점차 떨어진다. 상온의 미생물은 또 우위균종이 되어 잔여물질을 더욱 더 분해시키고 퇴비는 기온하강 및 부열 단계에 들어선다.
  현대화의 퇴비과정은 보통 호기성 퇴비과정이다. 호기성 산소의 퇴비 기술은 사전처리, 1차 발효, 2차 발효, 사후처리 및 저장 등의 순서로 구성되어 있다. 발효 과정은 크게 주로 야적식(野積式)과 발효창식(醱酵倉式) 2종류로 나뉜다. 발효창에는 칸막이식, 중간식, 입식, 가로식 등의 많은 형식이 있다.
  
  2) 국내외의 도시쓰레기 퇴비시스템 범례
  (1) 독일의 FLESBURG고속 퇴비시스템
  FLESBURG고속 퇴비공장은 독일의 FLESBURG에 위치해 있는데 매일 처리량은 350~400톤이다.  생활폐기물은 적재차량에 실려 저울로 무게를 잰 후 폐기물 창고에 내려진다. 기중기에서부터 폐기물을 단계적으로 공급장치 내에 설치하고 철강 수송기를 거쳐 분쇄기로 보내진다. 분쇄된 후의 자재와 찌꺼기 혼합물을 압축하고 사슬식 수송기로부터 자력 선광기를 거쳐 소화조로 보내진다. 자력 선광기로부터 분리된 철류물질은 압축기로 일정한 형태로 압축된다. 소화조 내에서 가장 우수한 패킹률은 총면적의 70%이다. 자재표면에 흙탕물 찌꺼기를 이용해 분무함으로써 가장 우수한 함수량을 유지하고 산소를 충분히 공급하며 자재와의 넓은 접촉거리를 확보한다. 혼합자재는 끊임없이 회전하는 조 내에서 뒤섞어지고 분쇄된다. 24~48시간 동안의 처리과정을 거치고 고온처리을 통해 미생물 분해과정을 빠른 속도로 거치며 비교적 좋은 살균효과까지 얻을 수 있다. 조 끝부분에 연결된 동시전동체 구멍의 치수는 40mm이다. 큰 자재는 끝부분에서부터 배출 운반되고 소각된다. 전동계 밑의 퇴비물은 전송대를 거쳐 분해선택기에 넣어져 최종적으로 미세한 1차 발효퇴비를 얻게 된다. 이러한 비료는 토양개량에 쓰일 수 없으며 2차 발효처리가 필요하다. 처리장측은 보통 이러한 비료를 농민에게 판매하여 농민이 스스로 분산시켜 퇴적시키고 안정적으로 부식된 후에 농경지에 사용된다.
  소화조내의 악취 기체는 수시로 드라이로 토양 악취제거 시스템에 압력을 가해 정화처리를 진행한다.
  
  (2) 프랑스의 SILODA 고속퇴비 시스템
  SILODA 고속퇴비 시스템은 프랑스의 베이루트 가정폐기물 처리장에서 상용되었는데 건축면적은 4500m , 일일 처리량은 700톤에 달하며 도시 생활쓰레기를 처리한다. 퇴비화 처리 시스템은 다음과 같이 3가지 부분으로 나눌 수 있다.
  (a) 사전처리
  이 과정은 주로 물리적 처리 과정이다. 도시 생활쓰레기는 분쇄, 선별, 자력 선광을 통해 상당한 입경(약5cm)의 퇴비가능한 물질을 얻을 수 있다.
  (b) 발효처리
  퇴비가능물질은 가역식(可逆式) 벨트를 통해 1차 발효장으로 진입한다. 여기에는 몇 개의 웅덩이로 나뉘어 지는데 선회식 믹서의 작용 아래 퇴비물은 웅덩이 내에서 모양을 바꾸거나 뒤섞여지거나 또는 운반되기도 한다. 충분한 산소와 수분이 공급되는 조건 하에 7~10일의 시간을 거쳐 1차 발효가 완성된다. 퇴비가능물질은 첫 번째 웅덩이에서 단계적으로 마지막 웅덩이까지 이동하여 처리장 밖의 벨트 펀치까지 보내진다. 2차 발효장소에 보내지고 난 후 유기물은 30일~60일간의 소화를 거쳐 최종적으로 완전히 부식되어 무해하고 안정적인 비료를 만들어 낸다.
  (c) 정교처리
  부식된 굵은 비료가 진동방식으로 절단되고 이물질을 제거한후 최종적으로 일정한 입경의 우수한 비료를 얻게 된다.
  
  (3) 북경 남궁쓰레기퇴비시설
  남궁퇴비시설은 독일정부가 자금을 지원해 북경시에 건설한 5개의 쓰레기처리 시설 중 하나이다. 마쟈로우(馬家樓) 중계운송역, 안정위생매립장과 함께 북경 서남부 쓰레기처리 시스템을 구성하여 현재 주로 쉬엔우(宣武)구와 펑타이(豊臺)구의 부분쓰레기를 처리하고 있다. 퇴비시설이 차지하는 면적은 63,000m 이고 남궁퇴비시설은 강제적 통풍터널식 산소 발효기술을 사용하여 쓰레기를 처리한다. 일일 쓰레기 처리능력은 400톤이고 매년 14만 톤의 쓰레기를 처리할 수 있다. 쓰레기는 주로 마쟈로우 쓰레기 중계운송 장소에서 오게 되는데 그 양은 매일 300톤 정도이다. 샤오우지(小武基) 중계운송 장소에서의 퇴비쓰레기는 매일 100톤 정도가 된다.
  퇴비쓰레기가 처리장에 들어온 후에는 먼저 계량하고 기계장치를 통해 쓰레기를 30개의 주요 발효터널에 보내는데 발효터널 하나당 200m 가 된다. 쓰레기는 2주일의 고온발효를 거친 후에 쓰레기 부피를 30%~40%가 떨어뜨릴 수 있다. 전송 시스템은 발효된 쓰레기를 사후 개량구역으로 이송시키고 다시 3주 동안의 개량을 진행한다. 체질 과정을 거쳐 쓰레기 비료와 찌꺼기로 나뉘어 지는데 찌꺼기는 안정매립장으로 보내져 매립된다. 쓰레기 비료는 최종발열구역에 들어가 다시 3주 동안의 발열공정을 진행한 후 체질 과정을 거쳐 0~12mm의 쓰레기 비료 완성품이 된다.
  생산 과정 중에 발생되는 기체(예를 들어 암모니아가스, 황화수소 등의 유해기체)는 생물여과 과정을 통해 제어한다. 발생되는 오수는 생산 과정에서 재사용된다. 생산 작업장은 밀폐식 작업방식을 사용하여 소음과 먼지가 환경에 끼치는 영향을 피한다. 환경과 쓰레기 비료는 정기적으로 검사, 측정하여  국가기준에 맞게 한다.


  다. 기타 도시쓰레기 자원화 기술
  1) 생활쓰레기의 에틸알코올과 기체추출 기술
  우크라이나, 미국과 영국에서는 생활쓰레기를 이용하여 공업용 에틸알코올을 추출하는 실험을 실시하였다. 주로 염산을 촉매제로 하여 고온에서 쓰레기 부유선광 후에 발생된 경질성분(대량의 셀룰로스를 함유)에 가수 분해를 진행함과 동시에 탄수화물을 추출한다. 설탕물 발효 후에는 에틸알코올로 환원되는데 가수 분해 과정 중에는 전기에너지도 발생된다. 실험실에서 추출한 에틸알코올의 농도는 1.6%이고 증류를 거친 후 이 농도는 95%에 달한다.
  
  2) 쓰레기 제지펄프 기술
  일본에서는 2년간의 “자원재활용 기술 설비” 연구실험을 실시했는데 본 공예에서는 정제펄프가 80%이상의 종이를 함유해야만 공정응용에 공급될 수 있다. 그렇기 때문에 사전처리설비에 대한 요구에 맞는 펄프화 원료의 제공은 공예목적을 실현시키는 키포인트라고 할 수 있다.


  3) 산소증발 쓰레기벽돌 기술
  산소증발 쓰레기벽돌은 일종의 수지성 규산염 건축자재로 산소증발 석탄재 벽돌, 산소증발 분말 석탄재 벽돌 등 건축자재의 생성원리와 같이 무기물 쓰레기 중의 활성Sio₂와 Al₂O₃(주로 석탄재 중에 있음)를 이용하는데 일정한 온도와 습도의 조건 하에 석회 중의 유효 CaO와 작용하여 응결능력이 있는 수화규산칼슘과 수화알류미늄산칼슘을 생성한다. 이 수화생성물이 보통의 규산염 수화물과 비슷한 성질을 가지고 있기 때문에 쓰레기벽돌은 벽자재가 필요로 하는 강도와 역학성능을 가지고 있다. 서안의 위북 탄전지역에서 테스트를 한 적이 있는데 이 방법은 실제상황에 따라 연료용 석탄 위주의 중소도시에서 응용될 수 있다.


  라. 도시쓰레기 자원화에서 시급히 해결해야 할 기술문제
  1) 쓰레기 성분 지표
  도시쓰레기의 성분은 매우 복잡하다. 현재 분류 수집을 광범위하게 실현할 수 없는 상황에서는 도시쓰레기 연구를 강화해야 하고 도시쓰레기 자원화에 관한 기준을 제정하고 끊임없이 개선해야 한다. 쓰레기 성분 지표를 세밀화하고 도시쓰레기 자원화기술의 발전을 위해 기초를 제공해야 한다.
  
  2) 쓰레기 분류선택의 세밀화
  쓰레기 분류선택의 세밀화는 쓰레기 자원화 실현가능성에 직접적으로 영향을 끼친다. 그러므로 쓰레기 분류선택 기술과 설비의 연구개발 강화는 도시쓰레기 자원화기술의 발전에 중요한 의의를 가진다.
  
  3) 2차 오염의 예방조치
  쓰레기 자원화 기술이 발전함과 동시에 2차 오염문제에 주의해야 한다. 특히 발생되는 폐수, 폐기 특징에 맞추어 전통의 처리방법을 개선하고 가공 목적을 실현함과 동시에 2차 오염을 방지한다.

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