요  약  문

Ⅰ.	제목

시화, 반월공단에서 발생하는 슬러지 에너지화 적용에 관한 연구

Ⅱ.	연구의 목적 및 필요성

신재생에너지이용촉진법이 ‘10. 4월 12일 공포됨으로 ’11년부터 시범사업이 실시되고 ‘12년부터 의무 사용이 확대될 경우 신재생에너지의 활용이 더욱 촉진될 것으로 예상된다. 특히 원료의 수요처 확보는 정부가 주도하는 녹색성장 및 신재생에너지의 활용이 더욱 확대될 것으로 예측된다.

슬러지를 효과적으로 처리하기 위해서는 수분함량을 낮추어야 하는데 현재 산업현장에서 운영되고 있는 탈수기술로는 한계가 있다. 특히 수분함량이 높은 슬러지를 자원화하기 위해서는 막대한 에너지 비용이 소요됨으로써 수분함량을 최소로 낮추고 적은 에너지로 건조시키는 기술개발이 절실히 요구된다.

또한 유가가 점차 상승함으로써 보조연료 사용에 따른 처리비용도 계속 증가되고 있으며 슬러지를 배출하는 산업체는 물론, 정부에서도 대단히 큰 여려움을 겪고 있으며 처리에 막대한 예산이 투입되고 있는 실정이다.

지난 5년간 연구한 탈수장비를 사용하여 함수율 75% 내외로 탈수한 슬러지를 함수율 10%이하로 건조펠렛을 생산하여 이를 분석하고 고체연료로 활용(최대 저위발열량 달성)할 수 있도록 하여 슬러지를 신재생 에너지로 자원화 함으로써 저탄소 녹색성장 실현하고자 하였다.

아울러 온실가스 감축을 위한 탄소배출권 확보(CDM)하여 그 효과를 극대화 하는데 있으며, 본 연구를 통하여 슬러지를 신재생 에너지원으로 자원화 하는 실증효과를 창출함으로써 산업폐수처리시설이나 하수처리시설에 적용하여 실용화를 완성시키는데 있다.

Ⅲ.	연구의 내용 및 범위

본 연구는 당해연도(2010년)에 기초조사, Pilot Test 등 모든 연구개발을 완성하며, 다양한 산업슬러지의 기초연구를 통하여 그 결과를 검토하고 최종 1개 슬러지를 선택하여 건조한 후 신재생에너지로의 활용성으로 모색한다.

1.	연구개발기술의 확인 및 검증을 통한 최적요건 확립

•	슬러지의 함수율 분석

-	물리적, 화학적, 이화학적 성질

•	펠렛성형 인자 도출

-	펠렛의 크기, 형태, 압축강도, 연속생산, 적정함수율 결정 등

•	최적 건조인자 도출 및 조건 확립

-	온도, 열량, 표면적, 표면장력, 통풍량, 포화증기압력, 밀도, 상대습도, 시간 등

•	건조 펠렛의 에너지 분석

•	보조연료 없이 연소발열량을 자체 건조열원으로 재사용 가능성 검토

2.	최적요건에 의한 기술종합 검토

-	다양한 종류의 슬러지에 대한 검토작업을 완료하였으며, 슬러지 건조를 위한 기초자료 확보를 완료하였음

3.	Pilot장치의 성능평가와 실증Test 과정을 통한 기술개발완성

-	Pilot plant의 설계가 완료되었으며, 적정산업에 대한 슬러지의 물리적인 성상검토 완료

4.	현장 적용을 위한 펠렛성형기, 건조기 설계

-	펠렛 성형기는 물질의 특성에 따라 많은 차이가 있기 때문에 기존 방식을 배제하고 반복된 시험을 거쳐 최적의 시스템 설계를 완료하여 제작완료 하였음

5.	시제품을 제작 생산하여 대상 현장에 홍보 및 보급

-	소형 건조기의 염색 슬러지, 제지 슬러지, 및 유지 함량이 높은 음식물 스컴 슬러지에 대한 펠렛 및 건조 실험을 완료하여, 슬러지 건조 결과물을 바탕으로 현장 Pilot 설치를 업체와 논의하였으나, 이의 허용이 아직 결정되지 않아 어려움이 있음

-	건조펠렛의 시제품은 생산하였으며, 연소시험과 열량시험 및 분석시험을 완료하였음

Ⅳ. 연구결과

1.	현재까지 선정한 슬러지의 종류

염색슬러지	:	염색공장 슬러지 1종

제지슬러지	:	제지슬러지, 펄프슬러지 등 3종

농산물 유기성 슬러지 :	감귤착즙 후 발생하는 슬러지

하수슬러지	:	일반생활하수 슬러지

음식물스컴슬러지 : 대형 음식물 폐수처리장에서 확보

2.	탈수장비 및 함수율 분석결과

기존 탈수장비로 탈수한 슬러지의 함수율은 종류별에 따라 차이가 있었지만, 일반적으로 사용하고 있는 탈수장비는 Belt press가 주종이었으며, 원심분리기 및 chamber filter press 등으로 3 종류의 탈수장비가 주로 사용되고 있었으며, 염색슬러지의 경우 함수율은 약 70~74%를 나타냈으며, 제지슬러지는50~65%정도의 함수율을 나타냈다.

슬러지의 탈수효과는 무기물의 함량이 높을 경우, 탈수효과가 우수한 것으로 나타났으며, 경제성과 연속성에 대한 효과를 배제하고 탈수효과 및 비교하였을 경우, 챔버필타프레스(Chamber filter press : CFP)의 탈수가 가장 우수한 것으로 나타났다.

감귤슬러지의 경우 유기물함량이 약 95% 이르는 물질인데, 일반적인 탈수기로는 탈수가 불가능하였으며, 연속농축방식의 탈수기만 가능한 것으로 함수율은 75% 내외를 나타냈다.

3.	펠렛성형 인자 도출

일반적으로 탈수슬러지 함수율은 자체 생산공장이 보유하고 있는 탈수기 성능에 따라 많은 영향을 받으며, 무기질 함량이 높을 경우 낮은 함수율을 나타냈다.

펠렛화에 영향을 미치는 가장 중요한 인자는 수분으로 나타났으며, 슬러지의 종류에 따라 펠렛성형의 정도가 달랐다.

특히 펠렛은 일정한 형태와 강조를 지녀야 하며, 3 m에서 낙하시켰을 때 파쇄정도가 10% 이내여야 하며, 펠렛성형 시 자체절단이 이루어져야 한다.

그러나 함수율이 낮은 유지류 중심의 슬러지는 유동성이 있어서 고형화를 유도하여야 하는 기술개발이 필수적으로 요구되었으며, 이를 기술적으로 해결하였다.

점도는 펠렛 제작에 큰 영향을 미치지 않았으나, 생산속도에 영향을 미친 것으로 나타났다. 또한 펠렛의 크기(직경 및 길이)는 종류별에 따라 차이가 있으나, 생산속도 및 공급하여야 할 온도에 따라 성형도를 달리하여야 하는 것으로 나타났다.

4.	최적 건조인자 도출 및 조건 확립

펠렛으로 성형 된 슬러지 건조온도는 80~120 ℃이었으며, 건조시간은 2~6시간이었다.  물 1kg을 증발시키는데 소요되는 에너지량은 650 ㎉l/㎏으로 하였으며, 소형 건조기에서의 열량공급은 Hair dryer를 사용하여 조정하였다.

5.	건조펠렛의 에너지 함량 및 자체 건조열원으로 재사용 검토

건조펠렛의 에너지 함량은 제지슬러지의 경우, 고위발열량은 2,201.6 ㎉l/㎏, 저위발열량은 2,033.0 ㎉l/㎏, 염색슬러지의 경우, 고위발열량은 2,110.7 ㎉l/㎏, 저위발열량은 2,007.1 ㎉l/㎏(함수율 10%로 환산), 농산부산물인 감귤박의 경우 고위발열량은 4,131.1 ㎉l/㎏, 저위발열량은 3,735.1㎉l/㎏으로 함수율을 최대로 낮춤으로써 건조 후 저위발열량의 함량이 높아 이용 가능한 에너지 함량이 높게 나타남으로써 신재생에너지로의 활용가능성을 확인하였다.

특히, 슬러지의 탈수효율이 좋아 건조에 필요한 에너지 함량이 낮을 경우, 자체건조열원으로의 활용가능성이 높은 것으로 확인되었다.

한편 음식물폐수의 스컴에는 유지류의 함량이 높아 유동성이 큰 물질은 분말화하여 펠렛으로 제조한 후 건조한 펠렛의 저위발열량은 6,637.9 ㎉l/㎏으로 가장 높은 열량을 나타냈으며, 폐유의 신재생에너지로의 활용성을 크게 높인 것으로 판단된다.

표   . 함수율 70 및 75% 슬러지 건조에 필요한 에너지 함량(1000 kg 기준)

항 목	함수율 75%	함수율 70%
함수율 10%로 건조하기 위한 에너지 요구량(㎉ll)	469,300	433,550
건조슬러지 생산량 (㎏)	278	333
슬러지 에너지 함량 (저위발열량 ㎉l/㎏)	556,000	666,000
잉여 에너지 함량 (㎉l)	86,700	232,450
잉여열량 발전 (30% 효율 가정, ㎾)	30.2	81.1

6.	건조관련 종합 검토

본 연구를 통하여 하수슬러지를 비롯한 다양한 산업현장에서 발생되는 슬러지는 고형화 할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 건조에너지를 최소화 할 수 있는 다양한 방안을 강구할 수 있었다.

또한 폐열을 활용할 등, 다양한 건조열원(자체연소열 회수/스팀활용/전기/LNG 또는 LPG/대기 중에 발출되는 열량 등)을 활용할 수 있음으로써 건조에너지 절감효과에 크게 기여할 수 있었음은 물론, 유동성이 높은 유지류의 에너지화에도 성공함으로써, 오염된 폐유의 활용방안을 확보한 것으로 나타났다.

건조온도는 최소 35℃에서부터 120℃까지 다양하게 활용할 수 있었으며, 체류시간 조절에 따라 건조도를 조절할 수 있는 것으로 나타났다.

특히 건조온도는 건조하고자하는 슬러지의 성상(화학적 및 물리적)에 따라 다양하게 변경시킬 수 있으며, 악취방지를 위하여 저온건조가 요구될 때 적절한 건조조건을 설정하여 건조할 수 있는 방안을 확보할 수 있었다

7.	현장 적용용 펠렛성형기, 건조기 설계

펠렛기는 슬러지의 화학적 및 물리적 특성에 잘 적용되어 연속적인 생산이 가능하여야한다는 전제 조간을 확보하여야 한다. 본 연구를 통하여 다양한 시험을 실지하였으며, 펠렛의 크기와 성형도 측정에 많은 연구를 실시하였다.

이결과를 바탕으로 펠렛기 건조기 및 기타 장비의 Pilot plant는 설계와 제작을 위하여 제작업체와 계약을 완료하였으며, 다양한 검토를 통하여 설계를 완료하였고 제작 완료 하여, 이를 현장에 적용할 계획으로 있다.

특히 건조기를 비롯한 기타 장비의 설치 가동은 슬러지 생산업체와 협의 중에 있으나, 공장의 사정상 지연되고 있는 실정이나, 염색슬러지를 대상으로 실시하기 위하여 준비하고 있다.

Ⅴ. 연구결과의 활용계획

1.	기대효과

하수처리공정에 발생하는 하수슬러지는 물론, 다양한 산업현장에 발생되는 슬러지 건조를 통한 신재생 에너지지화 생산에 관한 연구결과에 따른 기대효과는 다음과 같다

<환경적 측면〉

-	슬러지의 신재생에너지화 달성에 따른 해양투기 금지를 대비한 당면과제를 해결할 수 있으며,

(육상폐기물의 완전 육상처리 기본원칙 추진 가능)

-	슬러지 건조를 효과적으로 달성하여 국내 최대현안 문제를 해결

(완전 재활용 효과 달성 : 슬러지 건조 에너지화)

-	저온건조방식은 낮은 건조온도에서 수분을 증발시키므로 악취나 독성 물질 배출이 적은 장점 보유.

(적은 건조열량으로 슬러지 건조문제를 해결할 뿐만 아니라 저온건조에 의한 악취문제 해결)

<기술적 측면〉

-	본 개발기술에서 채택하고 있는 펠렛성형기술, 저온열풍건조기술, 건조 펠렛의 최대 저위발열량 확보, 연소발열량의 자체 건조열원 재사용 기술, 잉여열량의 발전·스팀 생산 기술 등은 슬러지 처리의 창의성, 효율성, 경제성 등을 종합적으로 고려해 볼 때 기존방식과는 차별화되는 새로운 개념의 첨단 기술로 예측.

-	유지류 함량이 높은 스컴을 고형 분말화 함으로써 열량이 매우 높은 유동성 있는 물질을 건조 에너지화할 수 있었고, 이를 신재생에너지로의 활용이 가능할 수 있도록 하였음

-	산업현장에서 발생되는 다양한 슬러지의 건조화에 성공함으로써, 적용범위가 대단히 넓은 기술개발에 성공

(유지질 슬러지부터 무기질 슬러지까지 다양하게 적용 가능한 것으로 판단됨)

〈수요적(시장성) 측면〉

-	슬러지는 2012년부터 해양투기가 허용되지 않으므로 본 개발기술의 슬러지 탈수·건조 시스템의 수요는 큰 증가가 예상

-	동남아 지역의 신흥공업국가는 물론 일본 및 중국의 대규모 시장접근에 독보적인 기능을 발휘할 수 있을 것으로 예측됨

-	국내시장의 경우 관련분야 산업규모가 20조에 이르며, 본 기술의 적용범위가 호수, 준설토까지 적용범위를 확대할 경우 시장규모는 매우 클 것으로 예측됨

〈경제적 측면〉

-	슬러지의 해양투기 금지에 따른 막대한 육상처리비용을 효과적으로 절감할 수 있어서 환경비용을 획기적으로 절감할 수 있으며,

-	다양한 열원을 사용하여 건조할 수 있기 때문에 특히, 폐열을 사용할 경우 건조비용을 크게 낮출 수 있으며, 신재생에너지법에 따른 RPS 의무사용으로 인하여 최종처분 방식은 법적으로 보장받을 수 있기 때문에 이를 잉여소득으로 전환 시킬 수 있는 장점을 보유

-	본 개발기술은 함수율 75%내외로 탈수한 후 저온으로 건조하고 연소 후 에너지(발열량)를 자체건조열원으로 재사용하므로 보조연료가 필요없어 건조비용이 획기적으로 절감

-	건조된 펠렛은 취급, 저장 및 활용이 용이하므로 추가적으로 소용될 수 있는 비용을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있음

〈정책적 측면〉

-	본 개발기술은 슬러지 감량 및 처리비용을 획기적으로 줄여 기업 생산성 향상은 물론 국가와 지방자치단체의 예산절감에 기여

-	슬러지를 건조 에너지화 함으로서 신재생에너지법에 따른 효과적인 처분이 용이하고 녹색성장 및 탄소배출권을 확보할 수 있음

-	슬러지 폐기물을 연료로 만들어「신재생 에너지로 자원화」하므로써 「저탄소 녹색성장 실현」을 위한 정부정책에 크게 부합

-	다양한 신재생에너지의 활용폭을 크게 확대할 수 있음

-	따라서「온실가스 감축을 위한 탄소배출권 확보(CDM) 사업」으로 발전이  가능할 것으로 기대.

2.	향후 연구계획 및 사업성과 활용방안

-	본 개발기술의 기초연구결과 하·폐수슬러지뿐만 아니라 축산폐수, 음식물류 폐기물 등 고농도 폐수처리에 탁월한 효율을 나타낼 것으로 예상됨.

-	따라서 적용이 가능한 모든 분야에 실용화하여 적극 보급하므로써 지금까지 효과적인 처리가 어려웠던 고농도 폐수처리에 획기적인 전기를 마련코자 한다.

〈활용분야〉

▶ 하수슬러지, 정수슬러지

▶ 분뇨, 축산폐수, 도축폐수

▶ 음식물류 폐기물

▶ 각종 산업폐수 슬러지 : 제지, 염색, 피혁, 식품, 광물, 석재 등