전과정 평가 (LCA) 를 통한 하수 슬러지 건조공정 분석과 건조로 플랜트의 공정 개선 연구

1. 충북지역환경기술개발센터 2004년도 산학연구사업 최종평가회 ( 참여기업 : ㈜ 수테크 ) 전과정 평가(LCA)를 통한 하수 슬러지 건조공정 분석과 건조로 플랜트의 공정 개선 연구 2005. 1. 11 발표자 : 충주대학교 강우정

2. 제 1장. 서 론 1.1 연구 필요성 1.2 연구 목적 제 2장. 이론적 고찰 2.1 하수 슬러지의 시설 용량 및 발생량 2.2 전과정(LCA) 평가 기법 2.3 환경성 평가 방법 2.4 경제성 평가 방법 2.5 건조 공정 개선 방법 제 3장. 연구 수행 3.1 건조 공정 분석 3.2 건조 공정 개선 3.3 건조 공정 개선 결과 및 고찰 제 4장. 결 론 발 표 순 서

3. 제 1장. 서 론 1.1 연구 필요성 • 생활 수준의 향상과 경제 발전 및 인구 증가로 인한 하수 슬러지의 • 발생량도 점차적으로 증가 하고 있음. • 하수 슬러지의 처리는 매립, 해양 투기, 소각 등이 있으나 각종 규제 • (직매립 금지, 해양 투기 금지, 2차 환경 오염 물질 발생 등)로 인한 • 처리 기준이 점차 강화 되고 있음. • 따라서, 가능한 효과적으로 하수 슬러지를 재활용하는 건조 처리법이 • 각광을 받고 있음. (단위:톤/년)

4. 1.2 연구 목적 • 하수 슬러지 건조 처리법은 일반적인 처리법(해양투기, 매립, 소각)과 • 비교 할때 2차 환경 오염 발생 감소, 재활용 및 경제성의 극대화가 • 가능함. • 따라서 본 연구는 하수 슬러지의 건조 처리를 전과정 평가(LCA) 기법을 • 이용한 환경성 및 경제성 영향 평가를 실시하고, 기존 플랜트의 공정 • 분석을 통하여 제시된 개선안을 실증 플랜트에 적용하여 원가에 • 미치는 영향을 비교함으로써 생산성 향상, 운영비 절감 및 환경에 • 미치는 영향을 최소화 하는데 목적이 있다.

5. 제 2장. 이론적 고찰 2.1 하수 슬러지의 시설 용량 및 발생량 (2003년) • 일일 하수처리량은 17842000 톤. • 일일 하수 슬러지 발생량은 6210톤. • 하수 1톤당 348g의 하수슬러지 발생. • 2003년말 현재 하수도 보급률은 78.8%. • 하수도 보급률 증가 경향에 따라 하수 슬러지의 발생량도증가될 전망 임.

6. 2.2 전과정(LCA; Life Cycle Assessment) 평가 기법 2.2.1 정의 • 특정 제품의 전과정(서비스 포함)에서 소모되고 배출되는 에너지, • 원료 및 배출 물질의 양을 정량화 하고 이들이 환경에 미치는 영향을 • 총체적으로 파악, 평가하고 이를 기준으로 환경 개선의 방안을 • 모색하고자 하는 객관적이고 적극적인 환경 영향 평가 방법. • 제품의 모든 단계에서 환경적인 부하를 정량화하기 때문에 • 환경 개선 방안의 도출이 가능한 기법 임. • 원래 전과정 평가는 제품의 환경성을 평가하는 도구로 사용 되었으나 • 점차 서비스, 정책 방향 결정 및 평가를 하는 도구로 그 사용 범위가 • 확대 되고 있음.

7. 목적 및 범위설정 결 과 해 석 적용 분야 • 제품 개발 • 제품 개선 • 전략 수립 • 정책 수립 • 마 케 팅 • 기 타 목록 분석 영향 평가 2.2.2 전과정 평가 구성 1) 목적 및 범위 설정 2) 목록 분석 3) 영향 평가 4) 결과 해석 <전과정 평가의 구성도>

8. 1) 목적 및 범위 설정 • 전과정 평가의 목적이 무엇인지를 결정하고 결과의 활용 방법을 설정 한다. • 범위의 설정은 평가 시스템의 기능 및 경계 조건, 기능 단위, 영향 평가 방법, • 자료의 요구 조건, 연구의 가정 및 제한 요인 등을 포함하여 설정 한다. 2) 목록 분석 • 투입 되는 원료, 에너지 등에 해당하는 항목들을 투입(Input) 항목과 • 배출(Output) 항목들로 정량화 하는 과정임.

9. 3) 영향 평가 • 목록 분석의 정보 및 자료를 사용하여 잠재적 환경 영향들의 • 중요성을 평가하는 과정임. 4) 결과 해석 • 전과정 평가의 최종 단계. • 실제 평가 결과, 설정된 목적의 신뢰성 및 유효성을 비교 검토 • 하는 과정임.

10. 2.3 환경성 평가 방법 • 환경 영향 범주를 8가지 항목으로 구분함. • (지구온난화, 오존층 파괴, 산성화, 부영양화, • 대기중 중금속, 발암성 물질,겨울 스모그, • 여름 스모그) • 영향 평가의 기준은 • 우측의 표와 같이 • ISO가 제시하는 방법론에 • 근거하여 작성된 • ECO-INDICATOR 를 이용 • 하였음. • (네덜란드에서 제작된 • 전과정 영향 평가 선정 기준)

11. 2.4 경제성 평가 방법 • 재경원에서 규정한 원가 계산에 의한 예정 가격 준칙을 기준 으로 • 비용을 산정 함. (회계 예규 2200. 04-105-6, 99 ,12, 13) 1) 노무비 직접 노무비는 생산에 소요되는 1일 노무 단가를 계산함. 간접 노무비는 실제 발생 비용을 적용함. 2) 운영비 운영비는 생산을 수행하기 위해 소요되는 실제 비용을 적용함. 3) 일반 관리비 기업을 유지하기 위해 관리 활동 부문에서 발생되는 실제 비용을 적용함. 4) 이윤 이윤은 예정 가격 작성 준칙에 규정된 비율을 적용함.

12. 2.5 건조 공정 개선 방법 2.5.1 건조 공정 분석 • 생산 공정의 흐름을 분석 하여 건조 공정간의 유기적인 관계를 설정 하고 개선 방향을 모색. • 건조 공정 분석을 통하여 생산설비 및 원가에 대한 문제점 파악. • 작업 방법, 작업 순서, 작업장, 설비 및 원가 등을 종합적으로 분석하여 설비의 표준화 및 제조 원가의 경제성 추구.

13. 2.5.2 건조 공정 개선 • 생산성 향상을 위한 시설용량의 증대 (투입 설비, 건조 설비 및 배출 설비 개선) • 원가절감을 위한 사용 연료의 절감 (건조 공정의 열원공급 방식 개선) • 환경 오염방지를 위한 환경 설비의 개선 (폐수 발생 최소화를 하기 위해 환경 설비 개선)

14. 제 3장. 연구 수행 3.1 건조 공정 분석 • 전과정 평가 절차(범위 설정⇒목록분석⇒영향 평가)에 따라 하수 슬러지 건조 공정 분석을 수행 함. 3.1.1 범위 설정 • 본 연구의 참여 기업인 ㈜수테크 제 1공장 플랜트의 건조처리 시설 및 • 하수 슬러지를 대상으로 함. • 대상 하수 슬러지의평균 함수율은 76.2%, 발열량은 2553 Kcal/kg임. 1)환경성 평가 범위는 • 수송(입고)부터 시작하여 슬러지의 재활용을 위해 업체로 내보내어지는 • 수송(출고)까지의 단계 임. • (단, 수질 배출물은 100% 하수 처리장으로 연계 되어 처리 되므로 • 환경성 평가 범위에서는 제외 함)

15. 2) 경제성 평가 범위는 일일 하수 슬러지 처리량 100톤, 년간 30,000톤처리를 기준으로 함. (지자제 및 기업에서 위탁 기간을 10년으로 가정 하여 비용을 산정함) 3)하수 슬러지 건조 시스템의 범위 설정도

16. 3.1.2 목록 분석 1) 건조 공정 개선 전의 건조로 플랜트 공정도[㈜ 수테크 제 1공장] 1. 싸이클론 2. 멀티싸이클론 3. 소석회분사장치 4. 백 필터 5. 세정 집진 장치 6. 홴 7. 백연 처리 장치 8. 보조 슬러지 호퍼 9. 벨트 콘베이어 10. 스크류 컨베이어 11. 스크류 컨베이어 12. 메인슬러지호퍼 13. 드래그체인컨베이어 14. 회전건조로 15. 건조슬러지 저장사이로 16. 트럭 17. 버켓엘리베이터 18. 벨트컨베이어 19. 패들스크류컨베이어 20. 유류탱크 21. 오일펌프 ( 건조 설비, 투입 설비, 배출 설비, 환경 설비)

17. 2) 건조 공정 목록 작성 • 건조 공정의 목록 작성은 수송, 전력 및 건조 처리 시스템으로 • 구분하여 현장에서 필요한 데이터를 측정, 수집 하여 • 세부 목록표를 작성하고, 환경부 LCI 목록 (환경 마크 협회, • LCI 정보망-국가 인프라 http://www.kela.or.kr)을인용하여 • 대기 배출물 값을 계산 하였다. ① 수송 시스템 • 하수 슬러지의 수송(입고, 출고)시 연료는 • 8톤 트럭 기준으로 디젤유 톤 당 2.54ℓ이 • 사용됨. • 이때 대기 배출물은 질소 산화물이 가장 많 • 았고, 일산화 탄소, 먼지, 황산화물 순으로 • 나타남.

18. ② 전력 시스템 • 하수 슬러지 건조 처리 시 • 톤 당 15.6 kw(일일 100톤, • 월 25일 가동 기준)의전력이 • 사용됨. • 이때 대기 배출물의 양은 이산화탄소가 가장 많았고 이산화황, 메탄, 이산화 질소 • 순으로 나타남.

19. ③ 건조 시스템 ⒜ 공업 용수 (환경 설비→소석회 분사 장치, 세정식 집진 장치 등) • 하수 슬러지 건조 처리 시 공업 용수는 톤 당 4013kg이 사용됨. • 용수 사용으로 인한 대기 배출물 발생량은 이산화탄소가 가장 많았고 • 이산화황, 질소 산화물, 탄화 수소, 메탄 순으로 나타남.

20. ⒝ 중유 (건조 설비→ 회전 건조로) • 건조 공정 중 투입 되는 중유의 양은 톤 당 40ℓ사용됨. • 중유 사용으로 인한 대기 배출물 발생량은 이산화 탄소가 가장 • 많았고 메탄, 질소 산화물, 이산화황, 탄화 수소 순으로 나타남.

21. 3.1.3 영향 평가 1) 환경성 평가 • 하수 슬러지 건조 공정 처리시 전과정 영향 평가 (환경 영향 평가 기준 8가지 항목, ECO-INDICATOR)에 대한 결과로 가장 • 큰 영향을 미치는 것은 지구 온난화 임을 알 수 있음. • 그 이유로는 이산화탄소 발생량이 다른 오염 배출물 보다 월등히 • 많이 발생 되었기 때문인 것으로 판단 됨.

22. 2) 경제성 평가 • 하수 슬러지 건조 공정의 위탁 처리 비용은 톤 당 45,603원 계산됨. (재경원에서 규정한 원가 계산에 의한 예정 가격 준칙 의거) • -노무비 15% • -전력 및 용수 비용 6% • -연료비 35% • -약품비 3% • -재활용 처리 비용 15% • -기타 경비 5% • -일반 관리비 및 이윤 25%

23. 3.2 건조공정 개선 3.2.1 시설 용량 증대( 생산성 향상) 1) 투입 설비 개선 기존 건조로 플랜트의 투입설비에는 하수슬러지를 건조로에 원활하게 공급하는 설비가 없다. 따라서, 호퍼(Hopper)하부에 로터(Rotor)및 롤밀(Roll Mill)을 설치하여 개선 함. 2) 건조 설비 개선 기존 건조로 플랜트는 회전건조로가 1기만 구성되어 고장 및 수리시 장기간 설비가 가동하지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 건조로 설비를 2단으로(1차 건조로 2기, 2차 건조로 1기) 구성하였으며 특히, 건조효율 증대를 위하여 하부에 2차 건조로 1기를 설치 함. 3) 배출 설비 개선 기존 공정은 건조처리 후 일정한 입자를 얻지 못하는 문제점있어 롤밀(Roll Mill)을 설치하여 개선 함.

24. 3.2.2 연료 사용 저감 기존공정은 하수슬러지 건조에 필요한 열원을 직화식 버너에 의존하여 연료 사용량이 많은 단점이 있다.(연료비 35%) 따라서, 이를 연속식 소각로 타입으로 개선하여 연료사용을 저감 하였음. 3.2.3 환경 설비의 개선 기존 환경설비 공정은 세정식 집진기가 설치되어 공업용수 사용량이 많고, 폐수가 발생하는 문제점이 있다 따라서, 이를 용수 사용이 적은 반건식 집진기로 개선 하였음.

25. 3.3 건조 공정 개선 결과 및 고찰 3.3.1 건조 공정 개선 후 건조로 플랜트 공정도[㈜수테크 제 2공장] 1. 투입 크레인 2. 1차 슬러지 호퍼 3. 로터 4. 롤밀 5. 2차 슬러지 호퍼 6. 2열 스크류 콘베어 7. 1열 스크류 콘베어 8. 1차 회전 건조로 9. 버너 및 팬 10. 체인 콘베어 11. 2차 회전 건조로 12. 롤밀 13. Z 체인 콘베어 14. 체인 콘베어 15. 플랩 댐퍼 16. 평탄 작업대 17. 압롤 박스 18. 백필터 19. 소각로 20. 환경 설비 ( 1차 건조로 2기, 2차 건조로 1기, 투입 설비, 배출 설비, 환경 설비, 소각로)

26. 3.3.2 건조 공정 개선 후 오염물질 발생량

27. 3.3.3 건조 공정 개선 후 경제성 평가 (재경원에서 규정한 원가 계산에 의한 예정 가격 준칙 의거) • 노무비 10.2% • 전력 및 용수비 10.6% • 연료비 0.13% • 약품비 1.4% • 재활용 처리비 19.5% • 기타경비 10% • 일반관리비 및 이윤 48%

28. 3.3.4 수행 결과 비교 및 종합 고찰 • 건조로 용량이 일일 100톤에서 300톤으로 증가시. • 전력: 일일 1555Kw 에서 20000Kw로 증가 됨. • 연료: 일일 3995 ℓ에서 29ℓ로 감소 됨.(연료비 35% ⇒ 0.13%) • 용수: 일일 400톤에서 96톤으로 감소 됨. • 기타항목은 큰 변화 없이 소량 증가 됨.

29. 3.3.5 건조 공정 개선 후 대기 오염 물질 발생 • 개선 결과 먼지 및 매연의 농도는 전,후 별다른 증감이 없음. • 먼지의 개선 전후 변화 • 매연의 개선 전후 변화

30. 그러나 질소 산화물과 황산화물 및 일산화탄소는 많은 양이 감소 됨. • 질소산화물, 황산화물, 일산화탄소의 개선 전후 변화 • 또한, 공업 용수의 사용량이 개선 전 일일 400 톤에서 개선 후 일일 96 톤으로 감소하여 폐수 발생량이 감소 하였다.

31. 제 4장. 결 론 • 본 연구는 하수 슬러지의 건조 처리를 전과정 평가(LCA) 기법을 이용하여 환경성 및 경제성 영향평가를 실시하고, 건조 공정을 분석 하여 시설 용량, 연료 사용 및 환경 설비 개선을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 건조 설비의 시설 용량을 일일 100톤에서 300톤으로 확충 하였으나 오히려, 연료비가 톤 당 14,366원에서 59원으로 절감 되었다. 이는, 직화식 버너를 연속식 소각로로 개선한 결과이다. 2. 개선 된 설비의 운영비 항목 중 노무비는 톤 당 6,840원에서 4,667원으로 절감 되었으며, 이는 시설 용량 대비 소수 인원 증원의 결과 이다.

32. 3. 공업용수 사용량은 일일 400톤에서 96톤으로 절감 되어 폐수 발생량이 감소 되었다. 이는 세정식 집진 장치를 반건식 집진 장치로 개선한 결과이다. 4. 먼지와 매연의 농도는 거의 변화가 없지만 질소산화물, 황산화물 및 일산화 탄소는 각각 74.6ppm에서 53ppm으로, 27.6ppm 에서 9ppm으로, 55ppm에서 20ppm으로 감소 하였다. 이는 환경 설비 중 집진 장치를 개선한 결과 이다. 5. 전력 사용량은 일일 1555kw에서 20000kw, 재활용 처리비용은 톤 당 6,840원에서 8,930원으로 증가 하였다. 이는 설비의 용량 증가로 인한 결과이다.

33. 감사 합니다