하수슬러지 소각재의 가치상향형 재활용, 4차 산업혁명 주요 기술인 3D 인쇄용 복합소재로 활용
3D 인쇄용 복합소재에 하수슬러지 소각재 활용으로 재활용 방안 다각화
3D 인쇄(또는 3차원 인쇄, 3D printing, 3DP)는 기존 제조 방식인 조형 또는 절삭 방식이 아닌 적층 방식으로 원하는 형상을 한층씩 적층하여 제작하는 기술이다. 4차 산업혁명 주요 기술 중 하나로 불리며, 산업 전반에 걸쳐 제조 기술의 큰 변화를 가져올 것으로 예상하며 다양한 분야에 적용되고 있다. 본 연구에서 용융수지압출(Material Extrusion- Fused Deposition Modeling) 방식 또는 FDM 방식으로 적용성을 구체화하여 하수슬러지 소각재 재활용 방안을 다각화 하였다. FDM 방식은 3D 인쇄 유형 중 가장 대중화된 방식으로 일반적으로 열가소성 물질(고분자화합물질, 플라스틱)을 재료로 사용하고, 최근 기능성 강화 등의 이유로 복합소재를 개발하여 사용하는 사례가 늘고 있다. FDM-3D 인쇄에 고려해야 할 인자들로서 소재, 필라멘트 제작, 3D 프린터, 챔버, 노즐 등의 운영 조건, 출력물의 품질, 상태 등이 있다. 아직까지 하수슬러지 소각재를 3D 인쇄용 소재로 사용한 사례는 없었다. 따라서 먼저 본연구를 진행함에 있어서, 무기물질 위주 성분의 소각재와 기반소재(고분자화합물질)를 혼합한 복합소재의 제작 여부 및 출력 가능성 등을 제시하기 위해 고분자화합물질(플라스틱) 기초자료, 기존 특허, 신기술, 연구문헌 등을 검토하여 플라스틱 기반소재 8개를 선정하였다.
서울시 물재생센터에서 배출되는 하수슬러지 소각재 처리량 및 비용 계속적 증가
서울시 관할지역 내 오수 및 하수를 처리하기 위한 4개의 물재생센터(공공하수처리시설)에서 발생하는 하수슬러지를 소각으로 자체처리(중간처리)하는 시설은 난지, 서남 물재생센터 두 곳에 설치·운영되고 있다. 소각처리 후 발생하는 하수슬러지 소각재는 2020년 기준 각 센터에서 일평균 12톤 이상 발생하고, 전량 고화시멘트(보조제)로 민간위탁 처리되고 있다. 2017년부터 하수슬러지 소각재 처리량(톤/년) 및 비용(원/톤)은 꾸준히 증가하고 있음을 확인하였으며, 최근 들어 처리비용이 급격히 증가하고 있음을 알 수 있다(그림 2 참조). 비용 상승의 원인으로 처리해야 하는 소각재 발생량이 증가하기도 했지만, 고화시멘트 처리 업체 수가 줄어듦에 따른 영향인 것으로 조사되었다. 이는 소각재의 처리 및 재활용 다각화가 더욱 필요한 이유이기도 하다.
FDM-3D 인쇄용 복합소재와 시편 특성 분석을 통한 최적 비율 및 적용 가능 고분자화합물질(플라스틱) 제시
난지 물재생센터에서 배출하는 하수슬러지 소각재와 선정된 기반소재 고분자화합물질(플라스틱) 중 Acrylonitrile-Butadiene-Styrene(ABS), Polycarbonate(PC)를 사용하여 복합소재 합성·제작을 시도하였다. 제작에 사용한 하수슬러지 소각재(난지 물재생센터)의 성분은 2020년 연구에서 6개월 동안 모니터링 했던 결과와 유사하게 규소, 알루미늄, 인, 철 순이었다. 또한 유해물질(6대 중금속[Cr6+, Cu, Cd, Pb, As, Hg] 및 시안화합물[CN])은 대부분 불검출되었으며, 지정폐기물 분류기준치 이하였다. 준비된 재료인 하수슬러지 소각재의 함유 비율을 0~23%(중량비)로 달리한 상태에서 오버헤드 교반기를 사용하여 혼합하였다. 혼합된 복합소재를 제습, 건조하여 균질화한 후, 압축기에 투입하여 압출, 냉각시켜 필라멘트를 먼저 제조하였다. 3D 인쇄에 사용되는 복합소재 형태는 사용하는 3D 프린터 사양에 맞게 필라멘트를 칩 형태로 재가공하였다.
3D 프린터에 사용되는 복합소재 칩의 물리·화학적 특성 분석(열중량, 시차주사열량계, FT-IR, 성분 분석 등)을 통해 소각재 혼합비율대로 화학결합 구조상 큰 변화 없이 복합소재 합성이 성공적으로 잘 되었음을 확인하였고, 중금속 및 시안화합물 함량에 대한 유해물질 모두 불검출됨을 확인하였다. 또한 플라스틱 재질의 기본 기계적 물성인 인장강도, 하중변형온도 분석을 위해 하수슬러지 소각재 함유 비율에 따른 시편을 3D 인쇄로 출력하였고, 그림 3에서 보는 바와 같이 ABS에 소각재를 17%까지 혼합할 경우 0% 혼합에 비해(소각재 혼합되지 않은 경우) 인장강도는 2.5배 증가, 하중변형온도는 6도 상승하여 소각재 혼합할 경우 기계적 우수성을 확인하였다. 이에 대한 상세한 원인 규명을 위해 추가적 실험과 연구가 필요하다. 반면, PC는 소각재를 0% 혼합한 경우에 비해 인장강도는 최대 4배 이상, 하중변형온도는 22도 감소하였다. 하수슬러지 소각재를 사용한 복합소재의 기계적 물성 향상은 ABS 재료일 때만 있었으며, 최적 소각재 혼합비율은 9~17%임을 알 수 있었다.
최적 소재인 ABS에 하수슬러지 소각재를 17% 혼합한 복합소재를 이용하여 시작품으로 밸런스바이크(Balance Bike)를 출력하였으며, 비교를 위해 소각재를 혼합하지 않은 ABS만을 사용한 밸런스바이크도 출력·제작하였다.
하수슬러지 소각재 혼합 복합소재의 활용 분야로서 건설 분야, 조경시설물 등을 제시, 더 나아가 플라스틱 일반성형 공정(사출 또는 압출)에도 활용 가능
앞선 연구 결과 및 현황을 토대로 하수슬러지 소각재를 사용한 3D 인쇄용 복합소재 적용 가능 분야를 제시하였다. 하수슬러지 소각재는 가장 일반적으로 건설자재로 활용될 수 있기 때문에 3D 인쇄용 소재로 사용할 경우에도 건설 분야에 적용될 수 있다. 그림 5에 제시한 현재 3D 인쇄로 적용되고 있는 예시처럼 콘크리트 구조물, 건설에 활용되는 비정형 거푸집, 조경시설물, 기타 생활 분야에 적용이 가능하다.
하수슬러지 소각재는 「폐기물관리법」 재활용 유형으로 적용 가능하나 재활용 활성화를 위한 순환자원인정제도의 적용은 현 시점에서 어려움
하지만 앞에서 언급한 대로 현재 하수슬러지 소각재는 「폐기물관리법」상 사업장배출시설계 폐기물로 분류되어 있기에 허가된 폐기물 관련 처리·운반업자만 운반할 수 있고, 정해진 재활용 유형으로 재활용되어야 한다. 하수슬러지 소각재의 경우 사업장폐기물 소각시설 소각재(바닥재, 비산재)의 한 종류로 구분되어 그에 따른 재활용 유형은 R-3-3, R-3-4, R-4-2, R-4-9, R-10으로 재활용될 수 있으며, 본 연구에서 제안하는 3D 인쇄용 복합소재의 경우 R-4-2 유형에 해당한다. 반면 폐기물 발생을 최대한 억제하고 발생된 폐기물의 순환이용 및 적정한 처분을 촉진하여 천연자원과 에너지 소비를 줄임으로써 환경을 보전하고 지속가능한 자원순환 사회를 만드는 데 기본적인 사항을 규정하는 「자원순환기본법」이 2016년에 제정되었으며, 동법 제9조, 제4조 9항에 따라 순환자원인정제도가 도입되었다. 폐기물이 순환자원으로 인정받게 되면 더는 폐기물이 아닌 물질 또는 물건이 되어 처리 및 이동이 유연해진다. 이는 하수슬러지 소각재가 순환자원으로 인정된다면 활용도가 더 높아질 수 있음을 의미한다. 환경부고시 제2017-252호에 따른 세부사항에 서울시 배출 하수슬러지 소각재의 순환자원 인정 여부를 검토한 결과 1) 사람의 건강과 환경에 유해하지 않을 것, 2) 경제성이 있어 유상 거래가 가능하고 방치될 우려가 없을 것, 3) 그 밖에 대통령령으로 정하는 순환자원의 기준을 충족할 것 중 2) 항목 내 지속적으로 유상 거래되고 있는지 여부, 시장 수요가 충분한지 여부에서는 부적합한 것으로 판단되었다. 이러한 주된 이유는 현재 순환자원인정제도가 이미 직접적인 유가성이 있는 폐기물 대상이기 때문이다. 하수슬러지 소각재의 경우 현재 비용을 지불하여 고화시멘트업체를 통해 처리하고 있고 그 비용 역시 가파르게 증가하고 있기 때문에, 다른 분야로 자원 활용이 원활이 잘 된다면 유가성이 직·간접적으로 입증될 수 있고, 이를 통해 시장 수요의 활성화 및 시장 가격 형성도 가능할 것이다. 이러한 측면에서 「자원순환기본법」의 대전제인 “폐기물 발생을 최대한 억제하고 발생된 폐기물의 순환이용 및 적정한 처분을 촉진하여 천연자원과 에너지 소비를 줄이기” 위해서는 일부 안정적인 폐기물 대상으로는 순환자원의 인정 기회의 확대를 제안하며, 그렇다면 현재 기준으로 되어 있는 유가성 입증과 시장수요 충분에 관한 부분은 자연스럽게 충족이 될 것이라 판단된다. 제도적 개선 전에는 유해하지 않은 하수슬러지 소각재 재활용 활성화를 위해 단기적으로는 관내 환경기초시설에 재활용 시설 제작·활용할 것을 제안하며, 필요하다면 의무비율 적용 관련 조례의 신설을 제안한다.