오수공장 오니 처리에서 소각공법의 응용
(中國環保産業 2004.01 李媛)

 

가. 오니 소각공법의 부흥 및 발전
현재 세계 각국에서 매립, 퇴비화 및 소각은 도시 오니를 처리하는 주요방법으로 되고 있다. 매립방법은 오니 처리에서 간편하고 쉬운 방법이나 각 국은 동 방법을 선호하지 않고 있다. 이는 사람들이 점차 매립방식에 따른 대량 토지의 점용과 대량 운송비용을 감안하고 있으며 매립장 주변의 환경도 악화되고 침출수와 악취에 시달리고 있는 것이 주 요인으로 작용하고 있다. 이외에 매립에 적합한 토지도 점차 줄어들고 있다. 미국은 향후 20년 내 6천500개의 매립장 중 5천개를 철폐할 계획이며, 유럽에서는 2000년이후부터 오니처리 중 매립처리가 빠른 속도로 감소하고 있으며, 2005년까지 10%수준으로 줄일 예정이다. 매립 물질도 유기물질 함유량이 5%미만의 폐기물로 한정하고 있다.

각 국은 오니를 농업퇴비로 광범위하게 응용하고 있는 데, 이러한 추세는 향후 일정한 기간 내에도 여전히 지속될 것이다. 오니 농업응용 비중은 안정적으로 증가해 1985년의 35%에서 2005년에는 45%수준에 달할 것이다. 동 방법은 자연 순환이용의 개념에 부합되는 동시에 비교적 경제적이다. 그러나 오니 중의 중금속의 침적과 유기물 오염문제로 농업 퇴비에 이용되는 오니는 반드시 선택적으로 사용해야 한다. Poletschny가 독일의 6천800여 종의 오니 샘플에 대해 실험을 진행, 실험결과를 일반 농업용 토양과 비교한 결과에 따르면, 무한정으로 오니를 토양에 응용하면 농업용 토양에 중금속이 누적되는 것으로 나타났다. 따라서 현재 오니의 농업과 임업분야에서의 응용에 대해 엄격히 제한해야 한다. 오니의 사용을 규범화하기 위해 유럽 각 국과 미국은 모두 상응한 기준을 제정하고 있다. 중국정부도 농업에 응용되는 오니에 대해 반드시 농업부가 제정한 "농업용 오니 중 오염물질 제어기준"(GB4284-84)에 부합되어야 한다고 규정하고 있다. 

소각공법의 응용 전망은 점차 주목을 끌고 있다. 동 기술은 현재 오니 처리의 최적 방법중의 하나이다. 1) 소각은 오니의 체적을 크게 감소할 수 있으며, 기계로 탈수한 오니에 비해 최종적으로 소각한 후 발생물질의 체적은 최초의 10%에 불과하다. 2) 소각은 모든 병원체를 소멸할 수 있다. 일체 유기물질은 소각과정을 거친 후 최대로 분해되며 병원체와 세균도 예외가 아니다. 이외에 소각과정에 오니의 악취문제도 해결할 수 있다. 3) 탈수과정을 거친 오니의 열량은 갈탄의 수준에 상당하다. 따라서 일정한 정도에서 오니소각의 비용을 경감시킬 수 있다. 동시에 소각설비의 부단한 개선과 소각기술의 향상으로 기존 연기의 2차 오염문제도 타당하게 해결되고 있다. 예측에 따르면, 소각처리가 차지하는 비중은 1992년의 10%에서 2005년에 38%로 늘어날 것이다.

 

나. 오니소각공법의 국내외 응용현황
유럽의 독일, 덴마크, 스웨덴, 스위스 등 많은 국가 및 일본은 20세기 90년대부터 소각공법을 도시오니처리의 주요방법으로 응용했다. 독일은 40개에 가까운 오수처리공장에서 다년간 오니소각기술을 실제적으로 운영한 경험이 있다. 그중 생활쓰레기와 도시오니 혼합 처리공장 10개, 도시오수오니 소각공장 20여개, 공업폐수오니 전문 소각처리공장 9개에 달한다. 독일에서 오니소각로는 최초의 복식 수직로에서 후에 유동화 침상 소각로(Fluidize bed)로 대체했다. 현재 유동화 침상 소각로의 시장점유율이 90%를 웃돌고 있다. 덴마크는 매년 약 25%의 오니를 소각처리하고 있으며, 스위스는 2003년 1월 1일부터 오수처리공장 오니의 農用化를 금지하고 있으며, 모든 오수처리공장의 오니는 전부 소각처리를 하고 있다. 이는 스위스정부가 매년 5천800만 유로를 오니소각공법에 소모하고 있다는 것을 의미한다. 소각방법에 따른 오니처리는 일본에서 제일 넓게 응용되고 있으며, 1984년 처리량이 72%를 차지했다. 1992년 일본은 1천892개의 소각로로 시정 오니의 75%를 처리, 현재 일본에서 규모가 비교적 큰 오수처리공장은 모두 소각방법으로 오니를 처리하고 있다.

현재 중국은 오니처리분야에서 대부분의 연구는 오니의 퇴비화처리에 그치고 있으며, 오니의 에너지화이용은 매우 적으며, 엄청 큰 에너지낭비를 초래하고 있다. 특히 오니의 소각처리는 소모가 크고, 설비가 복잡하며, 조작인원의 자질과 기술수준에 대한 요구가 높기에 동 분야에서 추진한 업무는 더욱 적다. 현재 절강대학(浙江大學), 중국과학원(中國科學院), 청화대학(淸華大學) 및 화중이공대학(華中理工大學)에서만 오니의 소각원리에 대해 일정하게 연구하고 있다. 실제공정분야에서 특히 다년간 운영하고 처리효과가 양호한 공정사례는 국내 보도가 매우 적다. 오직 심천특구의 오수처리공장에서만 오니를 소각처리하고 있다.

절강대학 열에너지연구소(熱能所)는 혼탁 유동화 침상 가연성 세탄 오니의 기초 위에 1992년부터 국내에서 최초로 계통적으로 오니 유동화 침상소각기술 연구를 전개했으며, 이미 크게 성공했다. 청화대학의 석사연구생 봉화(奉華)는 2001년 최초로 북경지역의 도시시정오니의 소각처리에 대해 연구했다. 그는 고비점(高碑店)오수처리공장의 오니를 주요 연구대상으로 오니의 성분특성과 소각특성에 대해 분석, 2차오염 방지분야에서도 중금속 원소의 오니중의 존재형태에 대한 분석을 통해 오니소각 전후 중금속함량의 변화에 대해 테스트하고, 중금속의 소각과정에서의 이전특성에 대해 연구했으며, 오니 소각재처리 건의를 제출했다.

 

다. 유동화 침상소각공법
유동화 침상은 기체발생 보일러공업화이후 화학공업을 위주로 하는 각종 공업의 각 공법과정에 널리 응용되고 있다. 유동화 침상 소각로의 구조는 매우 간단하며 그림과 같다(유동화 침상 소각로 구조도). 주체설비는 원형 탑으로 하단에 기체를 분배하는 분배보드가 설치되어 있으며, 로벽은 내화재로 되었으며, 일정한 량의 내열 캐리어가 부착되어 있다. 기체분배보드중 일부는 多孔 보드, 일부는 일정한 형태와 수량의 전문 노즐로 되었다. 기체는 하단에서 유입, 일정한 속도로 분배보드를 경과해 침상 내 캐리어가 "비등"해 유체상태에 달하게 한다. 폐기물은 탑 측면 혹은 탑 꼭대기로부터 투입되며, 유동화 침상 내에서 건조, 파쇄, 기화 등 과정을 거친 후 신속하게 연소한다. 연기는 탑 꼭대기로부터 배출되며, 폐기 중에 캐리어 입자와 찌꺼기는 집진장치로 수집하며 캐리어는 유동화 침상 내로 반환된다. 유동화 침상 소각로는 하기의 특성을 지닌다.

1) 단위 면적 처리 능력이 뛰어나다.
2) 유동화 침상 내에 주입한 고체 폐기물은 순식간에 고루게 분산된다.(특별히 굴직한 덩어리는 제외)
3) 급냉 혹은 급열 현상이 발생하지 않는다.(1차적으로 비교적 많은 가연소성 폐기물을 주입해도 마찬가지이다.)
4) 휘발성 물질(오일이 포함된 오니 등)이 대량 함유된 폐기물 처리 시에도 복식 소각로와 같은 폭발 위험이 발생하지 않는 다.
5) 유동화 침상의 구조가 간단해 기계 전동부품이 설치되어 있기에 고장이 적고 제조비용이 저렴하다.
6) 공기 과잉계수가 비교적 작다.     
7) 특히 연료의 적응범위가 넓어 유해 기체 SO2와 NO2 등에 대한 컨트롤이 용이하며, 비교적 높은 연소율을 볼 수 있는 등이다.

 

라. 오니 소각공법의 영향 요인
소각은 양호한 연소를 기반으로 하며, 연료가 완전히 연소되어야 하며, 연소과정을 지배하는 3개 요소는 시간, 온도 및 폐기물과 공기의 혼합정도이다. 동 3개 요소는 상호 의존하는 관계이며, 매 요소는 단독으로 연소에 영향을 준다.
1) 시간 : 연소시간은 고체 폐기물 입자크기의 1∼2 평방과 정비례되며, 가열시간은 입자의 평방과 근사한 수치와 정비례된다. 따라서 폐기물이 연소실내에서 머무는 시간 확정시 반드시 고체입자의 크기를 감안해야 한다.
2) 온도 : 일반적으로 온도가 높으면 연소속도가 빠르며, 폐기물이 소각로에 머무는 시간이 짧다. 한편 동 기간 중 연소속도는 확산 제어를 받으며 온도의 영향은 비교적 적다. 온도가 40  상승해도 소각시간은 1% 감소에 그치며, 소각로벽 및 파이프 등은 파손되기 쉽다. 온도가 비교적 낮을 경우, 소각속도는 화학반응의 제어를 받으며, 온도 영향이 크고, 온도가 40  상승되면 소각시간은 50% 감소된다. 따라서 적합한 온도를 컨트롤하는 것이 매우 중요하다. 
3) 폐기물과 공기간의 혼합정도 : 고체 폐기물이 완전 연소되게 하기 위해서는 반드시 소각실내에 과량의 공기를 주입해야 하며, 산소 농도가 높으면 소각속도가 빠르다. 그러나 충족한 공기를 공급하는 외에 공기의 연소실내에서의 분포, 연료와 공기 중 산소의 혼합정도에 주의해야 한다. 혼합이 충분하지 못하면 불완전 소각물질의 발생하게 된다.

 

마. 결론 
소각방법은 하기와 같은 돌출한 장점이 있다. 1) 소각방법은 오니의 체적과 중량을 크게 감소시키며, 2) 모든 병원체를 소멸할 수 있으며, 3) 오니처리속도를 가속화하며, 장기 보관할 필요성이 없으며, 4) 현지에서 소각할 수 있어 장거리 운송할 필요성이 없으며, 5) 회수한 에너지는 발전과 열 공급에 이용할 수 있다. 그러나 소각로의 높은 제조비용과 연기처리문제가 오니 소각공법을 제약하는 주 요인으로 되고 있다. 따라서 열 효율이 높고 환경오염을 최소한도로 통제할 수 있는 소각공법을 개발하는 것이 급선무로 되고 있다.