'07년 기준으로 전국의 하수처리장에서 7,631톤/일의 하수슬러지가 발생하고 있으며, 이중 약 70% 정도가 해양배출 되어 처리되고 있다. 폐기물관리법에서 온실가스 발생억제 및 재활용 촉진을 위해 유기성 슬러지의 직매립이 금지됨에 따라, 그동안 다른 방식에 비해서 처리비용이 상대적으로 저렴한 해양배출에 의한 처리 방식을 선호하였다. 그러나 이미 런던협약 ‘96의정서’ 발효와 함께 하수슬러지를 포함한 폐기물의 해양배출기준이 대폭 강화되었으며, '11년 이후 하수슬러지의 해양배출을 금지하는 해양환경관리법이 제정되어 향후 하수슬러지 처리에 큰 어려움이 예상된다.
정부는 이에 따른 하수슬러지관리 종합대책을 수립하여 현재 18% 정도의 재활용 비율을 ‘11년 말까지 60% 정도로 높이고자 하고 있다.
하수슬러지관리 종합대책 중 가장 큰 비중인 재활용 방법에는 복토재이용, 시멘트원료, 녹생토, 퇴비화, 탄화, 고형연료화 등이 있다. Peak Oil 시기 도래와 에너지의 자원민족주의에 대비하여 화석연료를 대체할 신·재생에너지의 확보와 온실가스 감축 등의 필요성이 제기되면서 폐기물에너지화의 중요성이 강조되고 있다. '08년 6월 정부에서 발표한 폐기물 에너지화 종합대책에 따르면 현재 약 1.8%의 폐기물 에너지화 비율을 ‘12년까지 약 3.1% 정도로 높이고자 한다.
특히 함수율 약 80% 내외의 유기성폐기물인 하수슬러지를 연료화 공정을 통하여 함수율 10% 이하의 고형연료로 전환할 경우 저위발열량이 약 3,000 kcal/kg이상으로 화력발전소 보조연료로 활용이 가능하다. 이와 같이 슬러지를 화력발전소 보조연료로 활용 시 '12년부터 시행될 신재생에너지 의무 할당제인 RPS(Renewable Portfolio Standard)법의 대체가 가능하고, CO2 발생량을 저감할 수 있기 때문에 기후변화협약에 대비한 CDM(Clean Development Mechanism) 사업이 가능하다.
(주)포스코건설 R&D CENTER의 하수슬러지 연료화기술은 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지를 2중 회전익 혼합기를 이용하여 pellet화 시켜서 함수율 10%이하, 입경 2～8mm의 연료탄으로 생산하는 기술로써, 2차 건조공정에 사용되는 열원은 1차 건조공정에서 발생되는 폐열의 응축잠열을 회수하여 사용하는 슬러지 연료화 기술이다. 또한, 생산된 연료탄은 저위발열량이 3,000kcal/kg이상으로 화력발전소의 석탄대용 보조연료로 활용이 가능한 바이오매스 연료가 된다.
하수슬러지 연료탄 생산공정
하수슬러지 처리방법 중 일반적인 슬러지 건조 처리법의 경우 함수율 80%의 하수슬러지를 별도의 혼합기에서 함수율 조절 없이 건조기에 직투입되며, 건조기에 공급되는 스팀 열에 의해 슬러지가 건조된다. 건조물은 분말상태로 상․하차시 비산먼지 발생에 따른 작업원 및 주변환경에 영향을 미치고, 건조시 점착력이 높은 함수율 범위 인 40～60%에서 운전되므로 슬러지 건조기 부착에 따른 운전효율 저하 등의 문제가 지적되어 왔다. 이런 기술적인 단점을 개선한 하수슬러지 연료화 생산기술을 '05년부터 '07년까지 연구 개발하여 하수슬러지 연료탄 생산시설(10톤/일)을 광양제철소 주거단지내 유리온실 인근에 건설하여 ‘09년 현재 운영 중에 있는 설비이다. 본 연료화 공정은 크게 4개의 공정으로 구분되며, 반입공정, 1차 건조공정, 2차 건조공정, 저장공정으로 구성되어 있다. 본 공정의 특징은 함수율 80%의 습슬러지를 기 건조된 건조물과 혼합하여 Pellet화하고, Pellet화된 혼합슬러지를 함수율 10%이하, 2~8mm의 슬러지 연료탄으로 생산하는 기술이며, 또 다른 특징으로는 1차 건조공정에서 발생되는 폐열을 회수하여 2차 건조공정의 건조열원으로 활용함으로써 전체 하수슬러지 처리량의 15%이상을 추가에너지 투입 없이 건조할 수 있는 장점을 가지고 있다.
하수슬러지 및 연료탄 특성 평가
전국 주요도시에서 발생하는 하수슬러지 15개 시료를 샘플링하여 분석한 결과, 공업분석 평균값은 air-dried 기준으로 수분 81.96%, 휘발분 12.82%, 회분 4.73% 및 고정탄소 0.49%를 나타났다. 이것을 건기준으로 환산하면 휘발분 71.06%, 회분 26.22% 및 고정탄소 2.72%로 가연성 성분인 휘발분 및 고정탄소 중에서 대부분이 휘발분이며, 나머지는 불연물인 회분으로 구성되어 있었다. 발열량은 유기물 함량과 밀접한 관계를 가지고 있으며, 하수슬러지의 발열량은 각 지역적으로 약간의 편차가 있으나 15개 시료의 평균값은 고위발열량(건기준)이 4,211 kcal/kg를 나타났다.
슬러지 연료탄 특성 평가
하수슬러지 건조 연료탄 생산시설에서 제조된 슬러지 연료탄의 공업분석 결과, Air-dried 기준으로 생슬러지 연료탄[KSF(R)]은 수분 6.2%, 휘발분 61.64%, 회분 22.79% 및 고정탄소 9.37%이고, 소화슬러지 연료탄[KSF(S)]은 수분 6.33%, 휘발분 53.15%, 회분 31.6% 및 고정탄소 8.92%로 분석되었다. 소화슬러지 연료탄은 생슬러지 연료탄보다 휘발분과 고정탄소 함량이 낮고 회분함량이 높음을 알 수 있는데, 이는 소화과정에서 하수슬러지에 함유된 유기물이 소화가스로 변환되면서 하수슬러지 내에 함유된 탄소 성분이 주로 소모되었기 때문으로 판단된다. 슬러지 연료탄의 발열량은 저위발열량(건기준)이 3,636～4,312 kcal/kg으로 나타났으며, 발열량 측면에서 화력발전소의 보조연료로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 하수슬러지 연료탄의 입도범위는 2～8mm 사이가 약 83% 정도로 균일한 granule 형상을 유지하고 있다.
슬러지 연료탄 용출액에 대해 폐기물관리법에서 규제하고 있는 중금속 함량을 분석한 결과 모두 규제 조건을 만족하고 있는 것으로 판단되어 중금속에 의한 2차 환경오염 영향은 미미할 것으로 판단 됐다.
슬러지 연료탄의 원소분석 결과, 건기준으로 탄소32.1～43.11%, 수소 4.81～6.16%, 질소 5.34～5.98%, 황1.17～2.35% 및 염소 0.08～0.13%를 나타닜다. 슬러지 연료탄의 경우 석탄에 비해서 특히 질소 및 황성분의 함량이 높아서 화력발전소 보조연료로 소량 사용할 경우, 연소특성 및 배가스의 환경유해성에 대한 영향이 미미할 것으로 판단되나, 어느 정도 이상 사용하고자 할 경우에는 이에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.
하수슬러지 연료탄 생산 시설에서 생산된 슬러지 연료탄을 실제 운영 중인 화력발전소(500MW×8기 중 1기)에서 슬러지 연료탄을 유연탄 투입량의 2.7%(총 46톤)를 투입하면서 혼소능 실증화 실험을 실시하였다. 혼소능 실험시 대기오염물질을 전기집진기(EP) 전단, 굴뚝(Stack)에서 채취하여 분석 평가했다.
슬러지 연료탄 투입지점은 분쇄선별실과 사이로 사이에 투입하였고, 배출가스 측정은 전기집진기 전단과 굴뚝에서 측정하였다. 분석항목으로는 먼지, 질소산화물 등 대기오염물질과 회분의 성상을 분석하였다. 전기집진기 전단에서의 오염물질 측정결과, 먼지와 질소산화물은 혼소에 따라서 오염물질이 약간 증가하였지만, 황산화물은 오히려 농도가 감소했다. 이에 따라서 슬러지 연료탄 혼소에 따른 오염물질 증가에 대한 상관관계는 없는 것으로 평가되었으며, 굴뚝에서의 먼지 배출농도는 감소하였고, 질소산화물과 황산화물의 배출농도가 약간 증가하는 것으로 평가되었으나, 그 증감량은 미미했다. 또한, 배출허용기준을 모두 만족하는 등 슬러지 연료탄을 3%이하 혼소시에는 배출오염물질에 영향이 없는 것으로 평가됐다. 혼소 후 잔재물 분석결과 유연탄 단독연소시의 잔재물 특성과 일치했다. 이는 연료탄 혼합비율이 2.7%로 낮기 때문에 잔재물의 성상에 별다른 영향을 미치지 않은 것으로 평가됐다.
화력발전소 실증실험 결과, 슬러지 연료탄 혼소율 3%이하일 경우 발전소 설비에 별다른 영향이 없었으며, 별도의 추가 시설 없이 기존 배가스 방지시설로 배출허용기준을 충족 시켰다. 또한, 잔재물은 기존 유연탄 단독 연소시의 성분과 일치하여 잔재물의 재활용에 문제가 없는 것으로 평가됐다.
이처럼, 슬러지 연료탄은 화력발전소 보조연료로 최적의 조건을 갖추고 있기 때문에 화력발전소 보조연료로 활용시 CO2 배출량 저감에 따른 CDM 사업과, 신재생에너지 의무할당제인 RPS법의 대체가 가능하여 정부의 녹색성장 정책에 기여 할 수 있을 것으로 판단된다.
실적현황은
본 하수슬러지 연료화 기술은 환경신기술(인증 제268호, 검증 제116호)로 지정되었으며, 특허등록 2건, 출원 8건이 진행 중에 있다. 또한, 수원시 하수슬러지 처리시설(450톤/일, ‘09. 10. 완공예정) 등 지자체 하수슬러지 처리시설을 건설 중에 있으며, 소규모 하수슬러지 처리시설은 대우엔지니어링과 기술협약을 통하여 나주시 하수슬러지 처리시설(8톤/일) 및 경주시 하수슬러지 처리시설(90톤/일)을 건설 중에 있다.
이 기술을 사업화에 적용함으로써, 하수처리장에서는 하수슬러지 처리에 대한 문제점을 해소할 수 있고, 화력발전소에서는 바이오매스인 슬러지 연료탄을 사용함으로써 CO2 발생량을 저감하고, 석탄사용량 저감에 따른 에너지 구입비용을 절약할 수 있으며, 신재생에너지 의무할당제인 RPS법에 능동적으로 대체할 수 있다. 또한, CO2 저감에 따른 CDM사업이 가능하여 국내 하루 발생되는 하수슬러지(7,631톤/일, ‘07년 기준) 전량을 연료화하여 화력발전소 보조연료로 사용할 경우 20만톤/년 이상의 CO2를 저감할 수 있으며, 이에 따른 CDM 수익으로 년간 20억원 이상 확보할 수 있을 것으로 예상되는 등 저탄소 녹색성장 사업에 이바지할 수 있다.
향후, 본 기술을 지자체 하수슬러지 처리시설 건설 및 정부가 추진하고 있는 폐기물 에너지화 종합타운 조성 사업에 적극 참여할 예정으로 있다. 또한 중국, 동남아 등의 해외 진출도 추진하고 있어 외화 창출과 일자리 창출에 커다란 핵심적 사업으로 발돋음 할 것으로 본다.
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