하수처리공정에서 발생하는 하수슬러지 처리잔재물, 가치상향형 순환자원으로 활용
다양한 하수슬러지 처리잔재물 재활용 방안이 제시되여야
공공하수처리시설에서 발생하는 하수슬러지(또는 탈수케이크, 하수찌꺼기) 중간처리 방법은 현재 건조, 소각, 용융, 탄화, 고화, 퇴비화 등이 있다. 중간처리 후 처리 방법별로 발생하는 처리잔재물은 매립과 재활용 방법으로 최종처리된다. 현재 우리나라 대부분 지역에 자유롭게 매립할 부지가 없어서 매립지 부족 문제는 앞으로도 더욱 가속화할 것으로 전망된다. 따라서 발생하는 매립량을 가능한 최소화 하여야 하고, 특히 전 세계적으로 ‘순환경제’ 정책 추진에 따라 모든 폐기물의 유용 가능한 자원은 재활용이 우선시되어야 한다. 사업장배출시설계폐기물인 하수슬러지 처리잔재물의 재활용은 크게 연료화, 토양이용, 건설자재화, 기타 방법으로 구분할 수 있으며, 각각의 재활용 방법에 대해 연료화는 화력발전 연료로, 토양이용은 비료화·토양개량제로, 건설자재화는 요업제품·자재·골재로, 기타 방법은 복토재·활성탄 등으로 세분화된다([그림 1] 참조). 각각의 방안에 대해 장단점, 경제성, 환경성, 지역적 특성 등을 고려하여 최적의 재활용 방법이 결정되어야 한다. 또한 시간이 지남에 따라 환경 여건은 변화하기 마련이기 때문에 한 가지 제한적 방법으로 활용하기보다는 가치상향형 순환자원으로 이용될 수 있는 다양한 재활용 방안이 제시되어야 한다.
서울시 하수슬러지 발생량 꾸준히 증가, 자체처리시설 확충으로 처리잔재물도 역시 증가할 것으로 예상
최근 5년간 하수슬러지 발생량은 꾸준히 증가하여 처리할 양이 일평균 약 2,000t이다(2015년 1,782t/일 → 2019년 1,932t/일). 서울시 4개 물재생센터(중랑, 난지, 탄천, 서남)에서 자체처리(건조, 소각)로 일평균 995t, 외부처리(수도권매립지[고형화, 건조], 민간위탁[고화시멘트, 퇴비화])로 937t을 처리한다([표 1] 참조). 물재생센터 내 건조처리 시설은 중랑, 탄천, 난지, 서남센터 4곳 모두, 소각처리 시설은 서남과 난지센터에 설치되어 있다. 2019년 기준 하수슬러지 처리잔재물인 건조재와 소각재의 발생량은 각각 일평균 183t, 24t으로, 이는 건조처리량(총 730t/일), 소각처리량(총 260t/일)의 25%, 9%이다. 처리 후 발생하는 건조재는 화력발전소 보조연료로 t당 약 1만 2,000원의 판매수익을 창출하고 있으며, 소각재는 고화시멘트 업체에 민간 위탁하여 t당 약 4만 9,000원의 비용을 지출하여 처리 중이다. 서울시 하수슬러지 처리를 위해 자체처리 용량을 지속적으로 확대하여 2022년 이후에는 일평균 2,120t을 처리할 수 있도록 처리시설을 증설할 계획이며, 이로인해 최종처리해야 할 처리잔재물의 양이 증가할 것으로 예상된다.
시기별 하수슬러지 처리잔재물 모니터링으로 성분 안정성 확인, 하수슬러지 소각재 가치상향형 재활용 방안 재료로 적용
하수슬러지 처리잔재물은 여러 가지 방법으로 재활용할 때 사용되는 원료로서 성분이 시기별로 크게 변하지 않고 안정한지와 위해한 성분이 함유하고 있지 않은지가 중요한 인자다. 시기별 성분 변화가 큰지를 확인하기 위해 연구기간 내 6개월 동안 매달 1회 샘플링하여 건조재, 소각재의 물리적(입도, 함수율, 유기물함량), 화학적(산화화합물) 성분 분석을 수행하였다. 건조재, 소각재의 평균입경은 각각 240~405㎛, 38~49㎛, 함수율은 각각 5.9~8.6%, 0.2~0.3%, 유기물함량은 각각 53~60%, 0.5~1.2%였다. 산화화합물은 각 물재생센터 간 성분 조성 비율의 차이는 있었지만, 각 센터 내에서 6개월 동안 큰 차이 없이 안정적이었다. SiO2, Al2O3, P2O5, Fe2O3, CaO가 건조재, 소각재 대부분을 차지하였다. 서울시 물재생센터에서 분기별로 하수슬러지와 건조재, 소각재 중금속, 유해물질 분석을 하고 있다. 이와는 별도로 본 연구에서 소각재를 활용한 가치상향형 재활용 방안 실험 진행을 위해 1회 소각재의 중금속 용출 분석을 수행하였다. 분석 결과 6개 중금속(Cr6+, Cu, Cd, Pb, As, Hg) 모두 불검출 또는 기준치 이하였다.
건조재는 재활용 방법 중 연료화(화력발전 보조연료)로 판매수익을 얻고 있다. 따라서 본 연구에서는 가치상향형 재활용 적용 방안 대상으로 소각재 활용에 집중하였다. 소각재 성분 분석으로부터 낮은 유기물함량(1% 이하), 건조재보다도 안정적 화학적 성분은 가치상향형 재활용 위한 재료로 활용되기에 적합할 것으로 판단된다. 특히 서남 물재생센터의 소각재 철성분(Fe2O3)이 약 23%를 차지한 반면, 난지 물재생센터의 소각재 알루미늄성분(Al2O3)은 약 24% 차지하여 각각 다른 용도로 활용할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 1년 이상의 장기 모니터링은 아니었지만 6개월간 분석을 통해 소각재 물리·화학적 성분의 변화가 일어나지 않음을 확인하였고, 이는 재활용을 위한 재료로서 소각재 품질 확보 가능성을 의미한다. 가치상향형 재활용에 세라믹 재료와 3차원 인쇄기술 재료로 적용 가능성을 제시하였다. 세라믹 재료로는 철성분이 상대적으로 많이 함유된 서남물재생센터의 소각재를, 3차원 인쇄기술 재료로는 알루미늄성분이 상대적으로 많이 함유된 난지물재생센터의 소각재를 사용하였다.
4차산업혁명 기술인 3차원 인쇄기술 재료로 하수슬러지 소각재를 활용하여 친환경 건축물 제작 가능성 제시
전자, 항공, 의료, 패션 등 다양한 분야에서 사용되는 3차원 인쇄기술은 재료를 자르거나 깎아서 생산하는 절삭가공과 대비되는 개념으로 적층제조기술이다. 건설 분야에도 3차원 인쇄기술을 적용하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 전통적인 건설공법에 사용되는 시멘트, 콘크리트와 다른 기계적 특성을 요구하기 때문에 본 연구에서는 소재의 고부가가치화를 위하여 3차원 인쇄기술의 재료로 소각재 활용 가능성을 도출하였다. 특히 건설산업 중 치장블록, 담장 등 비정형 건축자재 같은 3차원 비정형 건축물 적용 가능성을 도출하였다. 3차원 인쇄 기술 적용 7가지 방식 중 소각재를 활용할 때 분말소재 적용성, 수분과 반응성, 플라스틱 소재와 물리적 결합 가능성, 용융성 등을 고려하여([표 3] 참조), 재료압출방식(ME: material extrusion), 용융수지압출적층방식(ME-FDM: ME-fused deposition, modeling), 접착제분사방식(BJ: binder jetting)을 적용기술 후보군으로 선정하고([그림 2] 참조), 방식별 연구개발 과제제안요청서(REP: request for proposal)를 제시하였다.
본 연구에서는 3가지 후보군 중 실험을 통해 접착제분사방식(BJ 또는 BJ3DP)의 가능성을 구체화하였다. 이는 소각재 분말 자체를 원료로 사용하고, 소형 시작품을 목표로 진행하는 점을 고려하였기 때문이다. 하수슬러지 소각재와 상용 재료인 초속경시멘트를 혼합하여 복합재료 배합 최적 비율 산정을 위해 후처리 조건을 달리하여 시편 테스트를 진행하였다(소각재 혼합비율 0~50% 실험). 하수슬러지 소각재를 25% 혼합하고, 낮은 농도의 알칼리성분을 유지하는 sdodium silicate(pH ~11, Na2SiO3)를 후처리 용액으로 사용하였을 때, 시편 양생 중 파괴되지 않고(50% 혼합 시 파괴), 치장콘크리트 블록 기준(KS F 4038: 2019)의 압축강도(7.8 MPa)와 흡수율(20% 이내) 기준을 만족하였다. 시편 실험 결과를 기반으로 중량비 25% 소각재를 초속경시멘트와 혼합하여 200×80×20mm 크기의 시작품을 출력하였다([그림 3] 참조).
하수슬러지 소각재를 활용한 세라믹 점토 및 안료 재료, 친환경 도자기로 새활용
점토 적용은 접착제분사방식 3차원 인쇄 적용 실험과 마찬가지로, 상용 점토인 백자토와 하수슬러지 소각재를 혼합(중량비 ~33%까지)하여 시편 테스트를 진행하였다. 소각재의 혼합비율이 높아질수록 진한 적색계열이 짙어졌고, 수축률은 10% 정도로 소각재를 혼합하지 않은 일반 백자토의 값과 유사했다. 시편 휘어짐은 1,145℃ 소성온도에서는 소각재 혼합비 33%까지 휘어짐 없이 안정적이었으나, 1,245℃ 소성온도에서는 소각재 혼합비 29% 이상부터 휘어짐이 발생하기 시작했다. 흡수율은 소각재를 혼합할 경우 상용 백자토만 사용했을 경우에 비하여 소성온도 1,145℃, 1,245℃에서 모두 감소하는 경향이 있어, 도자기 입자 사이가 치밀해지고 강도가 높아지는 소각재 혼합의 장점을 확인하였다. 이를 통해 1,245℃까지 소성하는 경우 23%까지 소각재를 혼합하여, 식기, 공예품 같은 석기질 또는 연질자기가 제작 가능하고, 1,145℃ 또는 그 이하의 소성온도에서는 33% 정도까지 소각재를 혼합하여, 내외장용 타일, 위생도기, 토분, 기와 같은 석기, 도기, 토기로 제작이 가능하다([그림 4] 참조). 식품의약품안전처 ‘기구 및 용기포장공전’ 유해물질 검토 결과 중금속 항목 모두 불검출되어 하수슬러지 소각재를 활용한 제작품이 유해물질로부터 안전함을 확인하였다.
안료 적용에 사용한 서남센터 소각재의 철성분은 약 23%로서, 입도는 약 40㎛로, 상용안료 철성분(약 36%), 입도(약 3㎛)와 비교해 개선이 필요했다. 미분쇄, 농도 조절, 첨가물 혼합 등으로 안료로서 개선 가능한 부분이 있는지 평가하였다. 장석, 투명유, 백자토를 첨가제로 사용해 철성분 추출 가능성에 대해 자석을 이용한 철 분리 후 각각의 경우 5~100시간의 분쇄 시간을 달리하여 재활용 안료를 제작한 후 발색, 농담 표현, 발림성 등을 평가하였다. 안료 발색은 적갈색, 흑갈색을 띠었으며, 농담 표현이 가능하였고, 분쇄 시간이 길수록 입자가 작아져 발림성이 개선됨을 확인하였다([그림 5] 참조). 적정 분쇄 시간은 입자감소속도(2㎛/hr)가 완만해지고, 상용철사 평균입도 3㎛ 이하로 되는 20시간 이상이 적절할 것으로 판단된다([그림 6] 참조).
하수슬러지 소각재, 가치상향형 재활용을 위한 고부가가치 재료로 폭넓은 재활용산업 창출 가능성 제시
본 연구에서 하수슬러지 소각재가 가치상향형 재활용 재료로서 품질 확보가 가능함을 확인하고, 전통 세라믹스 점토 및 안료, 4차 산업혁명 기술의 하나인 3차원 인쇄 재료로서 활용 방안을 제시하였다. 세라믹 점토, 안료로 활용될 경우의 장점은 소각재 혼합비율을 조절하여 도제품 제작에 적색계열 발현이 가능한 점, 유약 없이도 광택이 나는 점, 일반 상용 백자토만 사용할 때와 비교하여 흡수율이 감소하여 입자 사이가 치밀해지고 강도가 높아져 소성온도를 낮출 수 있는 점, 분쇄 시간을 조절하여 첨가물 혼합을 통해 안료로 사용 가능한 점 그리고 마지막으로 폐기물 활용을 통해 원재료(상용 점토와 안료) 절감이 가능한 점이라고 할 수 있다. 3차원 인쇄 기술의 재료로 활용될 경우의 장점도 마찬가지로 재생 복합재료(또는 친환경 재료[친재])를 생산하여 기존 재료의 절감이 가능한 점과 펠릿 또는 필라멘트를 생산하여(ME-FDM 방식 적용 시) 유통 가능한 친재 생산 및 판매가 가능한 점이라고 할 수 있다. [그림 7]에 제시한 바와 같이 상용재료(신재)를 사용하면, 당장은 기능성이나 경제성 측면에서 가장 유리해 보일 수 있지만, 지속가능한 경제·환경성 측면에서는 낮을 수밖에 없다. 본 연구는 재활용 재료인 소각재를 사용하거나, 기능성 증진을 위한 첨가제 등이 사용된 친재를 이용한 제품화 가능성을 제시하였다. 각각의 진행 과정에서 향후 최종 목적 제품에 맞게 세밀한 최적화 도출이 필요하다. 소각재의 세라믹 적용성 확인으로부터 인터로킹블록, 특히 철성분이 많이 함유된 서남센터 소각재를 이용한다면, 컬러아스콘의 적색계열 착색 안료로 활용이 가능하며, 향후 적정 사용량, 발색 정도에 대해서는 추가 연구가 진행될 필요가 있다.
정책 개정 및 시민 홍보를 통한 폐기물 사용 친환경 재료 및 제품에 대한 인식 개선 필요
공공하수처리시설인 물재생센터에서 발생하는 하수슬러지 또는 하수슬러지 처리잔재물(건조재, 소각재)은 사업장배출시설계폐기물이기 때문에 보다 효율적인 활용을 위해서는 법, 제도를 포함한 정책 개선이 필요하다. 순환자원인정제도를 통해 하수슬러지 처리잔재물이 더 이상 폐기물이 아닌 순환자원으로 인정받아야, 재활용 사업자가 이송 및 사용에 어려움이 없을 것이다. 하수슬러지 처리잔재물을 재활용한 재료 또는 제품의 사업화와 관련해서는 정부·지자체의 보조 강화, 공공기관 우선 구매, 우수재활용 제품, 탄소성적표지 인증 등의 적용 가능성을 적극 검토한다면 처리잔재물 배출 주체인 서울시 시도성과관리제도 대응력을 높이고, 자원순환시행계획 관리지표인 순환이용률의 개선도 가능할 것이다. 무엇보다 폐기물 사용에 대한 시민의 인식이 가장 큰 장벽이라고 할 수 있다. 친환경 재료를 활용하는 최종 사용자인 시민이 하수슬러지 처리잔재물 또는 폐기물 재활용에 대한 인식 개선(환경성, 기능성, 안정성)을 위한 대시민 홍보, 새활용플라자 내 소재 가공 및 제품판매, 관심 업체 입주 등의 적극적인 안내가 필요하다.