연구개발

연도별 연구사업

연도별 연구사업 상세
기술개발 인천지역 매립대상 가연물의 에너지 자원화 및 물질재활용 불가능 폐지의 대체물질 자원화방안 연구
작성일 2020/06/24 조회수 221

  Ⅰ. 연구개요


   세계적으로 폐기물 해양투기와 기후변화에 따른 경제적, 생태학적 재앙을 막기 위한 준비와 노력이 '96 런던협약 및 '05 교토의정서 등 국제협약을 통해 확대되고 있다. 특히, 에너지와 자원의 사용량이 폭발적으로 증가됨에 따라 세계경제가 불안해 지고 자원고갈의 속도도 점차 심화되고 있다. 이와 같은 문제를 효율적이고 현실적으로 해결하기 위해 많은 나라들이 재생에너지원의 비중확대, 폐기물의 유가자원, 에너지회수를 포함한 폐기물 재활용 활성화정책 수립 등 재생에너지 관련 산업을 육성하고자 많은 노력을 기울이고 있다.  

   우리나라는 좁은 국토와 국민의 생활환경 개선 요구가 거세짐에 따라 새로운 매립지 건설이 매우 어려운 환경에 처해 있으며 광물자원의 90%, 에너지의 97%를 수입에 의존하는 대표적인 자원․에너지 빈국이다. 우리나라는 지속적인 국가 성장을 위해 국토면적이 작은 선진 유럽이나 일본과 같이 현재 매립 폐기물의 56%를 차지하는 자원회수 가능 폐기물의 재활용을 통해 광물자원을 확보하고 에너지 수입을 대체할 수 있는 구체적이고 실효적인 폐기물 관리체계 확립이 절실한 상황에 놓여 있다. 정부에서는 폐기물 정책을 폐기물의 발생저감, 적정처리, 물질회수에 따른 재활용률 향상 등 단순한 폐기물관리 차원에서 벗어나 재활용 개념을 선진국형인 에너지회수까지 확대함으로서 자원순환형 경제․사회구조로의 전환을 꾀하고 있다. 이를 위해 최근 매립을 최소화시키고 재활용을 극대화하여 천연자원과 에너지의 소비를 혁신적으로 감소시키는 구체적 방안을 추진하고자 하고 있다.

   우선 이를 제도적으로 뒷받침하기 위해 ‘자원순환사회전환촉진법’을 2015년 시행을 목표로 2013년 9월에 입법예고를 하였다. 이는 2020년까지 재활용자원 매립 제로화 달성을 목표로 하고 있으며, 이를 통해 연간 재활용량 1,000만톤 증가, 5조원의 재활용시장 확대, 11,568개의 일자리 창출성과가 얻어질 것으로 기대하고 있다. 법안에 포함될 주요 내용으로는 크게 ① 재활용 가능자원의 확보방안 ② 재활용시장창출 및 업계지원 방안 ③ 재활용 기반확충 방안을 들 수 있다. 현재 폐기물의 재활용 촉진 저해요인 중 대표적인 문제점으로 지적돼온 소각∙매립 비용과 재활용비용과의 불균형 해소를 위해 소각∙매립 부담금제를 전격적으로 도입함으로서 폐기물의 재활용을 자연스럽게 유도하는 선순환구조를 만들고 폐자원 에너지화 촉진을 위해 폐자원 에너지화 시설을 구축하는 등 재활용 폐기물의 매립 제로화를 달성, 매립부지의 효율적 활용이 가능해 질 것으로 기대하고 있다.



  Ⅱ. 연구의 필요성 및 목적


   우리나라는 유럽이나 일본 등 선진외국에 비해 폐자원 활용에 대한 법적 규제나 경제적 지원이 비교적 늦게 이루어지고 있어 이를 해결하기 위한 기술개발 수준 역시 낮은 상황에 있다. 종이류 폐자원의 재활용을 위해 많은 해결책이 연구되어야 하지만 아직까지 뚜렷한 경제적 처리방안은 제시되지 않고 있다.

   본 연구에서는 인천지역에서 발생하는 폐지류를 대상으로 혐기성 발효공정을 통한 유가자원회수 방안 및 상용화 가능성에 대해 타진해 보고자 한다.

   폐자원 회수에 있어서 중요한 몇 가지 내용은 ① 폐자원의 경제적 가치가 높은가? ② 폐자원 회수공정이 단순하며 저렴한가? ③ 자원회수 공정에서 2차 오염물질을 발생시키지 않는가? ④ 폐기물로서 매립되어 매립장 수명을 단축시키는가? 등이다. 폐자원의 경제적 가치는 회수공정상 단순화에도 연관되어 있고 손익 분기점 등 경제적 관점에서 그 타당성을 검토하여야 하지만 물질 재활용의 경우 주로 폐자원의 원료가치나 생산공정에 따라 많은 차이가 있다. 재활용전략이 물질 재활용이 아닌 에너지 회수라면 매립부지 수명연장 등 정책적이나 정성적 평가를 배제할 경우 주로 폐자원의 발열량에 의지한다. 폐지류는 물질 재활용이 아니더라도 발열량이 커서 에너지 재활용이 가능한 형태이나 소각로 부족 문제, 고발열량에 따른 소각로 열화 등의 문제가 있다. 폐지류는 폐목재류와 함께 RDF(refuse derived fuel)의 형태의 고형연료화도 가능하나 이를 위해 막대한 비용이 소요되는 제조시설을 구비하여야 하므로 폐지류의 유일한 재활용 대안이라 하기 어렵다. 현재 우리나라의 폐기물 정책이 단순히 환경보존적 관리차원에서 자원순환사회 구축을 위한 자원회수 차원으로 급속히 패러다임을 변화시키고 있음을 비추어 보면 자원 재활용 측면에서 특히, 물질 재활용 측면에서 원 물질 자체가 아니라 경제적 가치가 있는 타 물질로 전환하여 회수하는 공정에 대한 연구가 절대적으로 필요한 상황이다.

   따라서 본 연구에서는 또한 폐지류를 혐기성 환경에서 액상으로 슬러리화하여 아세트산의 형태로 회수하는 친환경적 자원회수 공정을 제안하고자 한다. 이를 위해 본 연구에서는 ① 재활용 가능자원을 포함하여 인천시의 각 지역별 폐기물의 발생량 및 특성을 파악하고 폐기물 에너지화 현황 조사를 통해 인천시의 폐기물 재활용 가능자원 매립률 제로를 위한 기초자료를 마련 ② 현재 인천시의 매립대상 폐기물 중 가연성 폐자원 발생량 추정 및 특성파악을 통해 인천시의 매립량을 최소화하고 최적화된 자원순환모델을 제시 ③ 가연물 중 생물학적 방법으로 물질재활용이 불가능한 폐지류의 유기성 대체 물질 기술개발 및 물질전환에 따른 자원화 활성화방안 및 가능성을 타진하며, 폐기물 자원화 선순환구조의 조기정착을 위한 우리시의 장․단기 대응방안에 대해 고찰하고자 한다.



  Ⅲ. 연구의 내용 및 범위


○ 인천지역 폐기물 발생 현황 파악

○ 인천지역 매립대상 폐기물 중 가연물질 발생 추이조사

○ 인천지역 발생 매립대상 가연성 폐자원 특성조사

○ 인천지역 폐지류 중 물질재활용 현황조사

○ 인천지역 물질재활용 비대상 폐지류의 유기성 대체물질 기술개발

○ 인천지역 발생 매립대상 가연성 폐자원의 물질재활용 및 자원화 방안 연구

○ 인천시 재활용율 촉진 및 매립최소화를 위한 정책적 대응방안 마련



  Ⅳ. 연구결과


(1) 인천지역 매립대상 가연물의 에너지 자원화방안

 - 인천시 1인 1일 배출원단위 계산

  ○ 2007년부터 2013년까지의 1인 1일 배출원단위 평균값은 약 7.565kg/인·일

  ○ 2015년 6.285kg/인·일에서 2021년 4.749kg/인·일 으로 감소할 것으로 추정됨

  ○ 총 폐기물양은 2015년 18,862톤/일에서 2021년 15,326톤으로 감소추세


 - 국내 폐지류 재활용 현황

  ○ 우리나라 폐지류 재활용률은 2013년 기준 92.1%로 세계 최고 수준

  ○ 종이ㆍ판지를 생산하는데 총 1,305만 톤의 펄프와 폐지류를 주원료로 사용

     하였으며, 이 중 77.8%가 폐지류였음

  ○ 2014년 기준 전체 원료소비량 중 약 78.87%가 재생용지로 재활용되며 펄프 사용량을 고려하면 약 9.23%가, 재활용 폐지만을 고려하면 11.7%가 물질재활용 불가능 폐지류로 배출

 - 매립대상 종이류의 발열량과 회수 가능 에너지화 잠재성 산출

  ○ 생활폐기물 종이류

     고위발열량은 3,431.1 kcal/kg, 저위발열량은 2,990.1 kcal/kg으로 산출

  ○ 건설폐기물 종이류

     고위발열량은 2,592.65 kcal/kg, 저위발열량은 2,163.05 kcal/kg으로 산출


 - 저위발열량 계산결과를 가지고 에너지계산 및 1년간 생산 전기료 산출

  ○ 생활폐기물 중 종이류는 산술적으로 연간 약 3.49×106 GJ의 에너지를 생산

  ○ 건설폐기물 중 종이류는 산술적으로 연간 약 4.58×105 GJ의 에너지를 생산

  ○ 1kwH 당 100원의 전기료로 계산하면

     생활폐기물 중 종이류의 전기료는 약 969.6억원

     건설폐기물 중 종이류의 전기료는 약 127억원으로 각각 산출


(2) 물질재활용 불가능 폐지류의 대체물질 자원화방안

 - 폐지류의 물질자원화 방안 중 재활용이 불가능한 폐지류의 셀룰로오스 성분을 가수분해하여 당화시킨 후 아세트산으로 회수하는 공정에 대해 연구

  ○ 반추위 내 대표적인 혐기성 섬유소 분해균인 Ruminococcus albus Hungate,

     Fibrobacter succinogens과 rumen microbes를 혐기성 조건에서 배양한 후

     각각 1:1:1로 혼합사용 


 - 휘발성유기산 및 잔류 셀룰로오스 측정방법에 대해 정립하였으며 문헌연구를 통해 연구를 위한 기초적 이론체계 구축


 - 연구는 우선 순수한 셀룰로오스를 대상으로 하였으며 회분식 및 연속식 실험을 통해 연구의 가용성(feasibiity)를 검토한 후 폐지류를 대상으로 확대할 예정

  ○ 셀룰로오스의 회분식 실험에서 15g/L, 20g/L, 25g/L의 기질 셀룰로오스 농도

     에서 생성되는 아세트산의 농도변화 관찰 결과

  ○ 셀룰로오스의 회분식 실험에서 기질 셀룰로오스의 농도를 25g/L로 고정시킨

     후 생성되는 생성물의 종류 및 농도변화 관찰 결과

  ○ 셀룰로오스의 연속식 반응기 설계 및 제작에 필요한 다양한 인자에 대해 고찰

     하였으며 이를 바탕으로 반응기를 설계하여 제작



  Ⅴ. 연구결과의 활용계획


   본 연구 성과의 활용방안을 요약하면 다음과 같다;

  1) 재활용 가능자원을 포함하여 인천시의 지역별 폐기물 발생량 및 특성을 파악하여 유가자원인 가연물질 특히, 폐지류의 매립량을 최소화하고 궁극적으로 매립 제로화를 달성함으로서 매립지 수명을 연장하는 방안으로 활용


  2) 인천시 산업체 폐기물 현황 및 특성 분석을 통해 인천시에서 사업장 폐기물의 활용방안과 폐기물에너지화 정책을 수립하기 위한 기초자료로 활용


  3) 인천시 산업공단(남동인더스파크, 주안공단 등)의 저공해 산업구조 개편을 위한 정책수립을 위해 활용될 수 있다.


  4) 인천시 발생 재활용가능자원의 조사 및 평가를 통해 폐기물에너지화 사업투자 등 법령도입에 따른 인천시 재활용산업 활성화 계획 수립 및 추진전략 마련을 위한 기초자료로 활용


  5) 생물학적 방법으로 현재 실용화 사례가 없는 폐지류 유기성 대체 자원재활용 및 에너지 재활용 방안 마련


  6) 인천 자원 재활용 유관 사업자에게 기초자료를 제공하여 유관산업 촉진


  7) 2016년도에 새롭게 도입되는 ‘자원순환사회전환촉진법’에 대비하여 정책적으로 추진될 수밖에 없는 자원순환도시로서의 폐기물 에너지화 실행목표, 폐기물 에너지화 시설 신․개축 계획안 등 인천시의 장․단기 정책방안 마련을 위한 자료로 사용