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

발표자 : 충주대학교 강우정

충북지역환경기술개발센터

2004 년도 산학연구사업 최종평가회( 참여기업 : ㈜ 수테크 )

2005. 1. 11

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제 1 장 . 서 론 1.1 연구 필요성 1.2 연구 목적

제 2 장 . 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 3 장 . 연구 수행 3.1 건조 공정 분석 3.2 건조 공정 개선 3.3 건조 공정 개선 결과 및 고찰

제 4 장 . 결 론

발

표

순

서

3

제 1 장 . 서 론1.1 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 , 2 차 환경 오염 물질 발생 등 ) 로 인한

처리 기준이 점차 강화 되고 있음 .

따라서 , 가능한 효과적으로 하수 슬러지를 재활용하는 건조 처리법이

각광을 받고 있음 .

연도슬러지발생량 매립 해양투기 재활용재활용 소각 기타 미처분량

20022,073,09

5(100.0%)

254,919(12.3%)

1,471,472(71.0%)

106,624106,62499

(5.1%)(5.1%)

201,078

(9.7%)

38,879

(0.02%)

123(0.01%

)

20032,266,888(100.0%)

113,419(5.0%)

1,625,676(71.7%)

152,123152,123

(6.7%)(6.7%)

279,527(12.3%

)

95,915(0.04%)

227(0.01%

)

( 단위 : 톤 / 년 )

4

하수 슬러지 건조 처리법은 일반적인 처리법 ( 해양투기 , 매립 , 소각 ) 과

비교 할때 22 차 환경 오염 발생 감소차 환경 오염 발생 감소 , , 재활용 및 경제성의 극대화재활용 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 적용하여실증 플랜트에 적용하여 원가에

미치는 영향을 비교함으로써 생산성 향상생산성 향상 , , 운영비 절감 및 환경에 운영비 절감 및 환경에

미치는 영향을 최소화 미치는 영향을 최소화 하는데 목적이 있다 .

1.2 연구 목적

5

2.1 하수 슬러지의 시설 용량 및 발생량

제 2 장 . 이론적 고찰

처리장수시설용량( 톤 / 일 )

처리량( 톤 / 일 )

슬러지발생량( 톤 / 일 )

단위슬러지 발생량(g/ 톤 )

24220,884,7

4517,842,000 6,210 348

(2003년 )

2003 년말 현재 하수도 보급률은

78.8%. 하수도 보급률 증가하수도 보급률 증가 경향에 따라

하수 슬러지의 발생량도하수 슬러지의 발생량도 증가증가될 전망 임 .

일일 하수처리량은 17842000 톤 .

일일 하수 슬러지 발생량은 6210 톤 .

하수 1 톤당 348g 의 하수슬러지 발생 .

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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 .

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2.2.2 전과정 평가 구성

1) 목적 및 범위 설정

2) 목록 분석

3) 영향 평가 4) 결과 해석

목적 및 범위설정

목록 분석

영향 평가

결과

해석

적용 분야

제품 개발제품 개선전략 수립정책 수립마 케 팅기 타

< 전과정 평가의 구성도 >

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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 .

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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 .

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2.3 환경성 평가 방법

환경 영향 범주를 8 가지 항목으로 구분함 .

( 지구온난화 , 오존층 파괴 , 산성화 , 부영양화 ,

대기중 중금속 , 발암성 물질 , 겨울 스모그 ,

여름 스모그 )

영향 평가의 기준은

우측의 표와 같이

ISO 가 제시하는 방법론에

근거하여 작성된

ECO-INDICATOR 를 이용 하였음 .

( 네덜란드에서 제작된 전과정 영향 평가 선정 기준 )

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2.4 경제성 평가 방법

1) 노무비

직접 노무비는 생산에 소요되는 1 일 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 .

재경원에서 규정한 원가 계산에 의한 예정 가격 준칙을 기준 으로

비용을 산정 함 . ( 회계 예규 2200. 04-105-6, 99 ,12, 13)

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2.5 건조 공정 개선 방법

작업 방법 , 작업 순서 , 작업장 , 설비 및 원가 등을 종합적으로 분석하여

설비의 표준화 및 제조 원가의 경제성 추구설비의 표준화 및 제조 원가의 경제성 추구 .

생산 공정의 흐름을 분석 하여 건조 공정간의 유기적인 관계를 설정건조 공정간의 유기적인 관계를 설정

하고 개선 방향을 모색 .

건조 공정 분석을 통하여 생산설비 및 원가에 대한 문제점 파악생산설비 및 원가에 대한 문제점 파악 .

2.5.1 건조 공정 분석

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2.5.2 건조 공정 개선

생산성 향상을 위한 시설용량의 증대시설용량의 증대

( 투입 설비 , 건조 설비 및 배출 설비 개선 )

원가 절감을 위한 사용 연료의 절감사용 연료의 절감

( 건조 공정의 열원공급 방식 개선 )

환경 오염 방지를를 위한 환경 설비의 개선환경 설비의 개선

( 폐수 발생 최소화를 하기 위해 환경 설비 개선 )

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제 3 장 . 연구 수행

3.1 건조 공정 분석건조 공정 분석

본 연구의 참여 기업인 ㈜수테크 제 1 공장 플랜트의 건조처리 시설 및 하수 슬러지를 대상으로 함 .

대상 하수 슬러지의 평균 함수율은 76.2%, 발열량은 2553 Kcal/kg 임 .

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 )

3.1.1 범위 설정

전과정 평가 절차전과정 평가 절차 (( 범위 설정⇒목록분석⇒영향 평가범위 설정⇒목록분석⇒영향 평가 )) 에 따라 에 따라 하수 슬러지 건조 공정 분석을 수행하수 슬러지 건조 공정 분석을 수행 함 .

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2) 경제성 평가 범위는 일일 하수 슬러지 처리량 100 톤 , 년간 30,000 톤 처리를

기준으로 함 . ( 지자제 및 기업에서 위탁 기간을 10 년으로 가정 하여 비용을 산정함 )

3) 하수 슬러지 건조 시스템의 범위 설정도

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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

3.1.2 목록 분석

1) 건조 공정 개선 전의 건조로 플랜트 공정도 [ ㈜ 수테크 제 1 공장 ]

( 건조 설비 , 투입 설비 , 배출 설비 , 환경 설비 )

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2) 건조 공정 목록 작성

건조 공정의 목록 작성은 수송수송 , , 전력 및 건조 처리 시스템으로전력 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) 을 인용하여 대기 배출물 값을 계산 하였다 .

① ① 수송 시스템수송 시스템

하수 슬러지의 수송 ( 입고 , 출고 ) 시 연료는 8 톤 트럭 기준으로 디젤유 톤 당 2.54ℓ이 사용됨 .

이때 대기 배출물은 질소 산화물이 가장 많

았고 , 일산화 탄소 , 먼지 , 황산화물 순으로

나타남 .

18

② ② 전력 시스템전력 시스템

하수 슬러지 건조 처리 시

톤 당 15.6 kw( 일일 100 톤 ,

월 25 일 가동 기준 ) 의 전력이

사용됨 .

이때 대기 배출물의 양은

이산화탄소가 가장 많았고

이산화황 , 메탄 , 이산화 질소

순으로 나타남 .

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③ ③ 건조 시스템건조 시스템

⒜ ⒜ 공업 용수 공업 용수 (( 환경 설비→소석회 분사 장치환경 설비→소석회 분사 장치 , , 세정식 집진 장치 등세정식 집진 장치 등 ))

하수 슬러지 건조 처리 시 공업 용수는 톤 당 4013kg 이 사용됨 .

용수 사용으로 인한 대기 배출물 발생량은 이산화탄소가 가장 많았고

이산화황 , 질소 산화물 , 탄화 수소 , 메탄 순으로 나타남 .

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⒝ ⒝ 중유 중유 (( 건조 설비→ 회전 건조로건조 설비→ 회전 건조로 ))

건조 공정 중 투입 되는 중유의 양은 톤 당 40ℓ 사용됨 .

중유 사용으로 인한 대기 배출물 발생량은 이산화 탄소가 가장

많았고 메탄 , 질소 산화물 , 이산화황 , 탄화 수소 순으로 나타남 .

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하수 슬러지 건조 공정 처리시 전과정 영향 평가 ( 환경 영향 평가

기준 8 가지 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 .

3.1.3 영향 평가

1) 환경성 평가

22

2) 경제성 평가

하수 슬러지 건조 공정의 위탁 처리 비용은 톤 당 45,603 원 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%

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3.2 건조건조 공정 개선공정 개선3.2.1 시설 용량 증대 ( 생산성 향상 )

1) 투입 설비 개선 기존 건조로 플랜트의 투입설비에는 하수슬러지를 건조로에

원활하게 공급하는 설비가 없다 . 따라서 , 호퍼호퍼 (Hopper) 하부에 로터하부에 로터 (Rotor) 및 롤밀및 롤밀 (Roll Mill)

을 설치을 설치 하여 개선 함하여 개선 함 .

2) 건조 설비 개선 기존 건조로 플랜트는 회전건조로가 1 기만 구성되어 고장 및

수리시 장기간 설비가 가동하지 못하는 문제점이 있다 . 따라서 , 건조로 설비를 건조로 설비를 22 단으로단으로 (1 차 건조로 2 기 , 2 차

건조로 1 기 ) 구성하였으며 특히구성하였으며 특히 , , 건조효율 증대를 위하여 건조효율 증대를 위하여

하부에 하부에 22 차 건조로 차 건조로 11 기를 설치 함기를 설치 함 .

3) 배출 설비 개선 기존 공정은 건조처리 후 일정한 입자를 얻지 못하는

문제점있어 롤밀롤밀 (Roll Mill) 을 설치하여 개선 함을 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 이를 연속식 소각로 타입으로 개선하여 연료사용을

저감 하였음저감 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 하였음이를 용수 사용이 적은 반건식 집진기로 개선 하였음 .

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3.3 건조 공정 개선 결과 및 고찰건조 공정 개선 결과 및 고찰

3.3.1 건조 공정 개선 후 건조로 플랜트 공정도 [ ㈜수테크 제 2 공장 ]

1. 투입 크레인2. 1 차 슬러지 호퍼3. 로터4. 롤밀5. 2 차 슬러지 호퍼6. 2 열 스크류 콘베어7. 1 열 스크류 콘베어8. 1 차 회전 건조로9. 버너 및 팬10. 체인 콘베어11. 2 차 회전 건조로12. 롤밀13. Z 체인 콘베어14. 체인 콘베어15. 플랩 댐퍼16. 평탄 작업대17. 압롤 박스18. 백필터19. 소각로20. 환경 설비

( 1 차 건조로 2 기 , 2 차 건조로 1 기 , 투입 설비 , 배출 설비 , 환경 설비 , 소각로 )

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3.3.2 건조 공정 개선 후 오염물질 발생량

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3.3.3 건조 공정 개선 후 경제성 평가

( / )비용 원 톤 (%)비율

4, 667 10. 2

/전력비 용수비 4, 800 10. 6

연료비 59 0. 13

약품비 643 1. 4

재활용처리비 8, 920 19. 5

기타경비 4, 560 10

소 계 19, 030 41. 8

23, 697 52

21, 906 48

45, 603 100

구 분

노무비

운영비

위탁원가

일반관리비 및 이윤

위탁 처리비

- 노무비 10.2%

- 전력 및 용수비 10.6%

- 연료비 연료비 0.13%0.13%

- 약품비 1.4%

- 재활용 처리비 19.5%

- 기타경비 10%

- 일반관리비 및 이윤 48%

( 재경원에서 규정한 원가 계산에 의한 예정 가격 준칙 의거 )

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3.3.4 수행 결과 비교 및 종합 고찰

①① 전력전력 : 일일 1555Kw 에서 20000Kw20000Kw로 증가 됨로 증가 됨 .

②② 연료연료 : 일일 3995 ℓ에서 29ℓ29ℓ로 감소 됨로 감소 됨 .( 연료비 35% ⇒ 0.13%)

③③ 용수용수 : 일일 400 톤에서 9696 톤으로 감소 됨톤으로 감소 됨 .

기타항목은 큰 변화 없이 소량 증가 됨 .

건조로 용량이 일일 건조로 용량이 일일 100100 톤에서 톤에서 300300 톤으로 증가시톤으로 증가시 .

29

3.3.5 건조 공정 개선 후 대기 오염 물질 발생

개선 결과 먼지 및 매연의 농도는 전전 ,, 후 별다른 증감이 없음후 별다른 증감이 없음 .

100

21.46 23

0

25

50

75

100

배출허용기준치  개선전 개선후

2

1 1

0

0.5

1

1.5

2

배출허용기준치  개선전 개선후

먼지의 개선 전후 변화 매연의 개선 전후 변화

30

또한 , 공업 용수의 사용량이 개선 전 일일 400 톤에서 개선 후 일일 96 톤으로 감소하여 폐수 발생량이 감소폐수 발생량이 감소 하였다 .

20074.69

53

300

27.559

600

5520

0

100

200

300

400

500

600

질소산화물 황산화물 일산화탄소

질소산화물 , 황산화물 , 일산화탄소의 개선 전후 변화

그러나 질소 산화물과 황산화물 및 일산화탄소는 많은 양이 감소질소 산화물과 황산화물 및 일산화탄소는 많은 양이 감소 됨 .

31

제 4 장 . 결 론

본 연구는 하수 슬러지의 건조 처리를 전과정 평가 (LCA) 기법을 이용하여

환경성 및 경제성 영향평가를 실시하고 , 건조 공정을 분석 하여 시설 용량시설 용량 ,,

연료 사용 및 환경 설비 개선연료 사용 및 환경 설비 개선을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1. 건조 설비의 시설 용량을 일일 시설 용량을 일일 100100 톤에서 톤에서 300300 톤으로 확충 하였으나톤으로 확충 하였으나

오히려 , 연료비가 톤 당 연료비가 톤 당 14,36614,366 원에서 원에서 5959 원으로 절감원으로 절감 되었다 .

이는 , 직화식 버너를 연속식 소각로로 개선한연속식 소각로로 개선한 결과이다 .

2. 개선 된 설비의 운영비 항목 중 노무비는 톤 당 노무비는 톤 당 6,8406,840 원에서 원에서 4,6674,667

원으로원으로

절감절감 되었으며 , 이는 시설 용량 대비 소수 인원 증원의 결과시설 용량 대비 소수 인원 증원의 결과 이다 .

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3. 공업용수 사용량은 일일 공업용수 사용량은 일일 400400 톤에서 톤에서 9696 톤으로 절감톤으로 절감 되어

폐수 발생량이 감소 되었다 .

이는 세정식 집진 장치를 반건식 집진 장치로 개선한 결과이다세정식 집진 장치를 반건식 집진 장치로 개선한 결과이다 .

4. 먼지와 매연의 농도는 거의 변화가 없지만 질소산화물질소산화물 , , 황산화물황산화물

및 일산화 탄소는 각각 및 일산화 탄소는 각각 74.6ppm74.6ppm에서 에서 53ppm53ppm으로으로 , 27.6ppm, 27.6ppm

에서 에서 9ppm9ppm으로으로 , 55ppm, 55ppm에서 에서 20ppm20ppm으로 감소으로 감소 하였다 .

이는 환경 설비 중 집진 장치를 개선한 결과 이다집진 장치를 개선한 결과 이다 ..

5. 전력 사용량은 일일 1555kw에서 20000kw, 재활용 처리비용은

톤 당 6,840 원에서 8,930 원으로 증가 하였다 .

이는 설비의 용량 증가로 인한 결과이다설비의 용량 증가로 인한 결과이다 .

33

감사 합니다