유기성 폐기물 통합처리가 에너지 잠재에 미치는 영향 = Effect of Organic Waste Integration Treatment on Energy Potential

국문 초록 (Abstract)

국문초록

有機性 廢棄物 統合處理가 Energy 潛在量에 미치는 影響

金 孝 秀

嶺南大學校 環境保健大學院
環境工學科 環境工學 專攻

指導敎授 李 淳 和


2015년 11월 파리에서 열린 21차 유엔기후변화협약(UNFCCC) 당사국 총회(COP21)가 2020년 이후의 새 기후변화 체제 수립을 위한 최종합의문인 「파리협정(Paris Agreement)」에서 신기후 체제에 참여하는 모든 국가는 자발적으로 온실가스 감축량을 결정하여 지구의 기온을 1.5℃이하로 제한하는 신기후 체제 합의가 있었다.
우리나라는 파리회의에서 2030BAU대비 37%의 높은 수준의 공약을 발표 하였고, 정부는 2016년 12월 국무회의에서 기후변화대응 기본계획을 확정 하였으며, 기본로드맵에 따르면 부분별 목표 감축량에서 폐기물 부분은 에너지화 등으로 3.6백만톤을 감축(23%)하는 것으로 계획 하였다.
기후변화대응을 위한 주요 과제에는 신재생에너지 보급확대 등이 포함되어 있으며 환경부는 2016년 폐자원에너지 활성화 대책을 수립하면서 국가온실가스 감축 2020 로드맵 마련을 통해 2020년 온실가스 배출전망치 BAU 대비 총 233백만CO2톤 감축목표를 설정하고 이중 폐기물 부분에서는 12.3%인 1.7백만 CO2톤을 감축하는 목표로 이중 유기성폐기물 에너지화 부분은 2012년 5.8%에서 2020년 44%로 확대할 계획을 수립하였다.
또한 2017년 출범한 신 정부에서는 국민의생명과 안전부분에서 미세먼지 배출량 감축과 연계하여 화석연료 발전소 감축운전과 탈 원전 등을 추진예정에 있으며 이에 대한 대안으로 친환경에너지 패러다임을 전환 및 발전차액제도(FIT) 부활과 재생에너지의무할당제 강화(RPS), 재생에너지의 전력생산 비율을 2030년까지 20%로 상향 조정한다는 방침이다.
이러한 국제적 합의 및 정부정책, 신정부의 계획에 따라 재생에너지의 확대 보급이 향후 활발하게 추진 될 것으로 예상되며 세부 실행 방안으로 현재 대부분 단일기질의 혐기성소화로 처리되고 있는 유기성폐기물 에너지화 방식을 계획, 집행, 관리의 일원화를 통한 기지별 통합처리를 함으로서 에너지 활용량 극대화 및 국가온실가스 감축기여와 더불어 재생에너지로서의 화석연료 대안으로 미세먼지 저감을 통한 쾌적한 공기질 확보로 국민의 건강한 삶을 영위토록 하는 세부 이행 방안이 필요하다.
유기성폐기물통합처리를 통한 에너지 잠재량 예측을 위해 유기성폐기물 발생량 조사결과 2015년 기준 정부 통계에 따르면 유기성폐기물 발생량은 274,905톤/일이며 2014년 「환경부 유기성폐기물 에너지화시설조사」결과 유기성폐기물에너지화시설에서 처리되는 유기성폐기물량은 약 43,350톤/일 처리하면서 바이오 가스는 약 643,800N㎥/일 발생되는 것으로 조사 되었고, 나머지 유기성폐기물은 개별 자원화시설을 통해 사료화 및 퇴비화 등으로 자원화하여 재이용되고 있는 것으로 조사 되었다.
우리나라 유기성폐기물 발생량 특징은 음식물폐기물과 하수슬러지는 인구수와 밀접한 상관관계가 있어 대도시 중심으로 발생량이 높고, 가축분뇨는 면적에 따른 상관관계로 주로 지방자치단체 중심으로 가축분뇨가 많이 발생되고 있다.
2020년 유기성폐기물 발생량 예측결과 통계청 인구증가율 적용 시 도시 및 지자체별로 인구증가가 2015년과 비교하여 소폭 증가 또는 감소세 있어 인구수와 관계있는 음식물폐기물, 하수슬러지 발생량은 미비한 수준으로 증가가 예상되고 가축분뇨 발생량은 2015년기준 약 14%증가 되는 것으로 예측되었다.
향후 유기성폐기물 발생량 증가가 미미한 상태에서 국가온실가스 감축 및 화석연료를 대체를 위한 재생에너지 이용 측면에서 유기성폐기물을 기질별 단독처리보다는 통합처리를 통해 에너지활용을 극대화 하는 방안이 필요할 것으로 사료된다.
유기성폐자원 통합처리시 에너지잠재량 예측을 위해 음식물, 하수슬러지, 병합처리, 가축분뇨의 국내 유기성바이오가스화 16개 시설의 원물과 혐기성소화조의 원물을 분석하였고, BMP 테스트를 실시한 결과 음식물폐기물과 슬러지는 71:29 비율에서 297mL CH4/g CODin, 가축분뇨와 슬러지의 경우 45:55비율에서 187mL CH4/gCODin, 음식물류폐기물과 가축분뇨는 92:8비율에서 270mL CH4/gCODin에서 각각 최대의 메탄가스가 발생되는 것으로 나타났고, 음식물과 가축분뇨의 30:70비율에서는 197mL CH4/g CODin 메탄가스가 발생되는 분석 되었다.
향후 2020년 기준으로 유기성폐기물을 통한 온실가스 감축량 측면에서 전국 단위 지자체별 광역단위로 통합하는 기준으로 CH4 Gas 잠재량이 가장 높은 7개 권역을 검토한 결과 에너지잠재량은 1,158천㎥/일이 발생될 것으로 예상되며 0.9백만톤 CO2톤/년의 온실가스 감축이 예상된다. 이는 2016년 환경부 폐자원에너지 활성화 대책의 2020년 폐자원에너지화부분에서 1.7백만 CO2톤 온실가스 감축과 비교하여 유기성폐자원에너지화 부분에서 역할을 할 것으로 기대되나, 실행적 측면에서 정책, 추진일정 등 고려시 다소 장기간의 일정이 필요할 것으로 판단된다.
유기성자원통합처리에 대한 효과는 선행연구 들 에서와 같이 기질별 단독처리시 보다 전문가들간에 대체로 공감대가 형성되어 있고 각 기질간 상호작용 및 보완 개념측면에서 처리효율 향상이 기대되고, 경제적 우위성을 확보할 수 있으며, 본 연구결과에서와 같이 에너지 잠재량이 향상 될 수 있는 개연성 클 것으로 기대된다. 또한 우리나라 지방자치단체의 경우 가축분뇨 발생량이 높아 에너지원으로 이용할 경우 이종 또는 삼종간 기질별 통합처리시 메탄수율이 단독처리시보다 통합비율에 따라 크게 향상 될 수 있다.
이러한 통합처리는 에너지잠재량과 경제적 우위성에도 불구하고 국가온실가스 감축, 화석연료 대체 및 쾌적한 환경조성을 통한 국민의 삶 질 향상을 위한 목표로 활성화 하고 실행하기 위해 선행되어야 할 전제조건들이 있다.
첫째 정책적 측면에서 국가 유기성폐기물 통합처리 계획, 집행, 관리의 효율성을 위한 관리부서 일원화와 지방자치단체 적극 참여유도를 위해 온실가스 감축시 인센티브제도 도입 방안과,
두 번째로 기술적 측면에서 유기성폐기물 통합처리에 따른 소화 및 탈리액의 효율적, 안정적 처리를 위한 기술적 방안 마련과 유기성폐기물 통합처리시설 운영관리 전문성 확보를 위한 방안 마련, 가축분뇨 혐기성소화시 암모니아성 질소 영향에 따른 에너지 잠재량 저해 방지를 위한 기술개발 또는 연구가 필요할 것으로 판단되고,
세 번째 사업적 측면에서 사업물량 대비 국고, 지방비 과다 투입에 따른 재정적 부담 경감을 위한 사업방식 다각화와 사업타당성 확보를 위한 에너지 인센티브제도 마련, 운영비 및 처리비 현실화가 필요할 것으로 판단되며,
네 번째로 사업위치 측면에서 주민들의 혐오시설 기피, 악취민원의 영향에 따른 운전의 연속성 확보 차원에서 주거지역과 이격된 위치에 대형화, 집적화가 필요할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

M. S. Thesis


Effect of Organic Waste Integration Treatment on Energy Potential
Hyo Su Kim

Major in Environmental Engineering
Department of Environmental Engineering
Graduate School of Environment & Public Health
Youngnam University

(Supervised by Professor Sun Hwa Lee)


Abstract


The Paris Agreement (November 2015) has been signed to declare that all the countries participating in this agreement pursue efforts to limit the temperature increase to 1.5℃. Korea has declared to reduce its greenhouse gas emissions by 37% of business-as-usual (BAU) by 2030, and the plan for waste sector is to reduce 3.6 million CO2 ton/yr (23%) by promoting renewable energy generation. Korea Ministry of Environment has announced "national greenhouse gas reduction 2020" roadmap for reducing 233 million CO2 ton/yr, in which the waste sector aims to decrease 1.7 million CO2 ton/yr and the fraction of energy production from organic wastes targets 44% in 2020 (which was 5.8% in 2012). The new government of Korea also targets to increase the renewable portion from the electricity generation by 20% by 2030, with achieving the legislative goals of reducing PM10 and PM2.5, reducing electricity from fossil fuels, reintroducing feed-in-tariff and consolidating renewable portfolio standard. To achieve these goals, a new scheme is required to unify the management of the organic wastes, most of which are managed individually now, and to enhance energy production by co-treatment.
The generation amount of the organic wastes in Korea has been estimated as 274,905 ton/yr (2015), of which only 43,350 ton/yr (2014) are used at energy facilities to produce 643,800 N㎥/d of biogas. The rest is treated by other facilities to produce such as animal feed and fertilizer. Region-wide, the generation amounts of food waste and sewage sludge correlated with the population size and the generation amount of animal waste is roughly proportional to the area. The generation amounts estimated for 2020 for food waste and sewage sludge were similar to those in 2015 due to small population increase and that for animal waste was 14% higher compared to 2015. Given that the waste generation amount would not increase sharply, it is more appropriate to maximize energy production from the wastes by promoting the co-treatment of different wastes.
For the estimation of the energy potential from the organic wastes, 16 biogas production facilities treating food waste, sewage sludge, animal waste, or a combination of them have been studied to characterize the wastes and the digester samples and to estimate the biochemical methane potential (BMP) of the organic wastes. The results showed that the maximal CH4 generation was observed as 297 mL CH4/g CODin for food waste/sewage sludge (71/29 ratio), as 187 mL CH4/g CODin for animal waste/sewage sludge (45/55 ratio), and as 270 mL CH4/g CODin for food waste/animal waste (92/8 ratio). Food waste/animal waste at 30/70 ratio was estimated to produce 197 mL CH4/g CODin.
The top seven regions in Korea in terms of organic wastes generation were anticipated to cover 1.1 million CO2 ton/yr out of 1.7 million CO2 ton/yr goal of greenhouse gas reduction if all the organic wastes in the regions would be co-digested to produce biogas. However, the realization of this goal should require longer time to promote legislative support, financing, etc.
The co-digestion of organic wastes have been reported to be beneficial in terms of the synergistic effects between different substrates, the increased energy production potential, and economic feasibility. Because most councils in Korea have the animal waste as the major waste source, co-digesting two or three wastes can promote energy production compared to treating each waste individually.
Although the co-digestion of organic wastes are beneficial, four prerequisites need to be fulfilled to promote co-digestion. First, decent incentives must be planned to attract councils to participate in the plan. Second, technical solutions must be suggested to treat the digestate and leachate, to develop operation strategies for the co-digestion facilites, and to mitigate inhibition effects of the highly-concentrated ammonia originating from animal waste. Third, diversification of the business models and supplementation of economic feasibility are required, for example by promoting energy incentive policies and increasing the treatment revenue. Finally, to avoid civil complaints, the treatment facilities need to be placed in remote areas and to be planned as larger, integrated scales.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이론적 고찰 3
• 2.1 우리나라 유기성폐기물 발생 및 처리현황 고찰 3
• 2.1.1 유기성폐기물 관리의 일원화 필요성 3
• 2.1.2 유기성폐기물 발생량 특징 4
• 2.1.3 유기성폐기물 발생현황 6
• 2.1.4 음식물폐기물 처리현황 8
• 2.1.5 음폐수 처리현황 11
• 2.1.6 하수슬러지 처리현황 13
• 2.1.7 가축분뇨 처리현황 16
• 2.2 유기성폐기물 에너지화시설 운영현황 고찰 19
• 2.2.1 유기성폐기물 에너지화시설 처리현황 19
• 2.2.2 유기성폐기물 에너지화시설 가스 발생량 현황 20
• 2.3 유기성폐기물 발생량 예측 23
• 2.3.1 유기성폐기물 발생량 산정 기준 23
• 2.3.2 유기성폐기물 발생량 예측결과 23
• 2.3.3 유기성폐기물 에너지화에 따른 가용량 예측 26
• 2.4 선행연구의 유기성폐기물 통합처리 효율성 제시 29
• 2.5 통합소화 효율성 제고를 위한 하드웨어적 접근방법 32
• 2.6 혐기성소화 35
• 2.6.1 혐기성소화 이론 35
• 2.6.2 혐기성분해와 관련된 각종 미생물 41
• 2.6.3 혐기성소화에 관여하는 반응조건 42
• Ⅲ. 실험 및 분석방법 43
• 3.1 조사대상설비 43
• 3.2 분석항목 및 측정방법 44
• 3.2.1 습식분석 방법 44
• 3.2.2 고급분석 방법 45
• 3.3 BMP TEST 45
• 3.4 에너지잠재량 평가 47
• Ⅳ. 결과 및 고찰 50
• 4.1 유기성폐기물 성상분석 50
• 4.2 유기성폐기물 물질수지 59
• 4.3 유기성폐기물 성상에 따른 메탄함량 상관관계 도출 60
• 4.4 BMP TEST 결과 64
• 4.4.1 기질별 단독 BMP TEST 64
• 4.4.2 기질별 통합 BMP TEST 74
• 4.5 통합 BMP 결과 비교 86
• 4.6 유기성폐기물 에너지잠재량 예측 88
• 4.7 온실가스 감축량 예측 98
• Ⅴ. 결 론 100
• 참고문헌 103
• 국문초록 105
• Abstract 109