음식물 쓰레기 처리의 과학

음식물은 인간의 생존에 가장 긴요한 것이다. 그러나 음식물 쓰레기는 환경오염의 주범으로 꼽힌다. 음식물 쓰레기를 효과적으로 처리할 수 있는 기술로는 어떤 것들이 있을까.

지난 93년 말 우리나라 일반폐기물 관리구역은 전체 면적의 53.7%인 5만3천3백67㎢이며 관리구역내 인구는 4천2백52만7천명(전체 인구의 94.5%이다. 여기에서 총 6만2천9백40t/일(연간 총 폐기물 발생량 5천2백58만t의 43.7%)의 생활 폐기물이 발생, 1인당 폐기물의 배출량은 1.5kg/일에 달하고 있다. 이중 음식물 쓰레기는 생활 폐기물 발생량의 31%인 1만9천7백64t/일 발생하고 있으며 1인당 배출량은 0.47kg/일로 세계에서 가장 높은 수치를 보이고 있다.

연간 음식물쓰레기 8조원어치 발생

이와 같이 폐기되는 음식물 쓰레기의 양은 식품의 원료 단가 가격으로 환산하면 연간 약 8조원을 넘고 있다. 지난 93년 정부에서는 11만9천t/일의 일반폐기물(일반생활폐기물 6만3천t/일, 사업장일반폐기물 5만6천t/일)관리를 위해 7천7백62억원의 예산을 집행했다. 음식물 쓰레기만의 관리 및 처리비용은 집계돼 있지 않으나 폐기물 발생비율로 보면 처리에 약 1천2백88억원을 지출한 것으로 추정할 수 있다.

음식물 쓰레기를 포함하는 일반 폐기물은 발생원에서 수집 운반돼 최종적으로 매립 소각되거나 또는 재활용된다. 현재의 실정은 주로 매립(86.2%)에 의해 처리되며 재활용 또는 소각 처리되는 양은 각각 11.5%, 2.4%로 아직은 낮은 수준에 머물고 있다.

그러나 매립 소각의 경우 이들 폐기물 처리 시설이 혐오시설로 인식돼 폐기물처리시설의 설치부지 선정에 큰 어려움을 겪고 있다. 즉 위생과 폐기물 처리로 인한 2차 오염을 최소화하기 위한 소요비용의 증가, 이에 따른 예산 확보의 어려움과 함께 협소한 국토면적으로 인한 장기적인 부지선정에 큰 문제를 안고 있다.

특히 음식물 쓰레기의 경우 높은 수분함량(계절 및 배출원별로 많은 차이가 있으나 평균 80% 이상)과 유기성 물질의 특성, 즉 오수 및 악취 등으로 인해 수거 운반시에 많은 지장을 초래한다. 또 매립지 침출수에 의한 토양 및 지하수 오염과 부패로 인한 악취 유해가스 대기오염 등 2차오염 발생을 유발하며 매립지의 안정화를 지연시켜 매립지 관리를 어렵게 하고 있다.

이밖에 높은 수분함량은 폐기물 소각시 효율을 저하시켜 보조연료의 공급 등 소각 비용을 높인다. 또 소각 온도 저하에 따른 다이옥신 등 대기 오염물의 생성을 유발할 가능성이 높아 혼입에 의해 재활용물의 분리를 어렵게 한다.

이러한 음식물 쓰레기의 발생장소로는 일반 가정 시장 백화점 등 음식물 유통업소, 음식물을 조리 판매하는 식품접객업소와 병원 관공서 일반 기업체 등에서 음식물을 제공하는 집단급식소가 있다. 음식물 쓰레기의 배출량은 식품접객업소가 전체의 42%로 가장 높고 가정 41%, 대형유통업소 13%, 집단급식소 4% 순이다(특히 가정의 경우 가구당 발생량은 0.71kg/일, 주택당 발생량은 1.13kg/일의 현황을 보이고 있다. 93년 말 현재).

음식물 쓰레기의 성상은 배출월별로 사용 또는 취급하는 음식물의 형태에 따라 차이가 나며 우리나라의 경우 계절에 따라 취급하는 식품의 형태도 달라서 이에 따른 변화도 크다. 평균 구성비는 채소류(53.1%), 어육류(18.6%), 곡류(14.7%), 과일류(13.7%)의 순으로 채소류가 가장 높은 발생량을 보이고 있다.

음식물 쓰레기를 포함한 일반 폐기물은 발생 후 수거 운송돼 최종 처리되는 과정을 거치게 된다. 처리는 크게 소각 중화 파쇄 고형화에 의한 중간 처리와 매립 해양배출 등에 의한 최종 처리로 나누어지나 각각 소각과 매립이 대표적인 방법이다.

그러나 매립과 소각의 경우 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 배출원에서 폐기물 발생을 저감하고 철저한 분리수거로 활용 가능한 물질을 최대로 재활용하는 감량화를 통해 매립과 소각에 따른 문제를 최소화하는 것이 무엇보다 중요하다.

음식물 쓰레기는 그 특성상 위의 처리 방법들 중 매립 소각과 재활용을 위한 퇴비화 사료화 연료화와 파쇄처리가 가능하다. 각 처리 방법에 대해 살펴보기로 하자.

현재 가장 많이 이용되는 매립

매립은 폐기물의 처리 단가가 저렴하고 특별한 처리기술이 필요하지 않으므로 현재까지 가장 많이 이용되고 있는 폐기물 처리 방법이다. 그러나 음식물 쓰레기를 도시쓰레기와 함께 매립할 경우 음식물 쓰레기의 높은 수분 함량과 유기성 물질이 매립지에서 침출수의 발생과 농도를 증가시킨다. 침출수는 토양 및 지하수 오염과 강수 유출 등에 의한 지표수 오염을 유발한다. 또 부패로 인한 악취 유해가스 및 파리 모기 쥐 등 병원성 매개체의 서식으로 인한 위생상 문제, 매립가스의 생성과 이로 인한 폭발 및 화재의 위험성 등의 경향이 있다.

이러한 문제는 위생매립을 전제로 한 매립 부지 선정과 적합한 매립방법의 사용, 적절한 사후처리기술에 의한 관리로 그 영향을 최소화할수 있다. 일반적으로 위생매립은 폐기물을 저류할 수 있는 댐이나 제방과 같은 구조물과 아울러 침출수에 의한 지하수 오염을 방지하기 위한 라이너(침출수 배제층 : 침토층이나 인공합성차단막) 시스템을 갖추어야 한다.

매립할 때는 폐기물층으로 침투하는 빗물을 최소한 억제하고 침출수 발생을 방지하기 위해 다짐과 복토의 철저한 실시가 있어야 한다. 다짐은 폐기물과 토양의 특수계수와 공극률을 줄이기 위한 작업이다. 중장비를 사용해 압축하는데, 재배열된 폐기물 한 층의 두께는 보통 1.5m를 유지하는 것이 바람직하다.

복토는 매립 도중에 흙 등으로 폐기물 층을 덮는 과정이다. 1일 매립 종료 후나 다짐 후 폐기물 층이 2-3m 두께에 이를 경우 15cm 이상 복토재로 덮어 주어야 한다. 매립이 어느 정도 진행돼 가스가 발생하기 시작하면 다시 30cm 이상 중간 복토를 해야 한다.

매립이 완료되면 최상층에 최종복토를 한다. 복토의 두께는 60cm 이상이 보통이나 식재를 하는 등 토지를 이용하기 위하여는 수목이나 초목의 종류에 따라 1.5-2m 정도로 한다. 복토재료로는 모래 점토 연탄재 침적토 또는 일반 흙을 사용한다.

마지막으로 침출수의 집·배수와 적정처리 시설, 매립지가스 포집 및 처리를 위한 시설을 설치한다. 또한 매립 완료 후에도 매립지 주변 지역에 대한 지하수 수질조사와 침출수 처리, 매립지 가스 발생조사를 계속해 수행한다.

소각은 태워 없애는 방법으로 엄밀한 의미에서 폐기물 처리의 중간 처리과정이다. 이는 고온 산화에 의해 가연성 물질을 부피의 90% 이상 감소시킬 수 있고 부패성 물질을 안정화시키는 방법이다.

부피 90% 감소, 부패성 물질 안정화시키는 소각

음식물 쓰레기를 태워서 처리하는 소각로들. 특히 병원 폐기물은 반드시 소각처리가 요구된다.

현재 매립에 따른 비용 상승(매립지 부지의 지가 상승, NIMBY 현상을 타개하기 위한 보상비 증가, 위생매립에 따른 유지, 관리 및 침출수 처리 등 처리비용 상승)으로 폐기물의 소각에 의한 중간처리가 증가하고 있는 실정이다. 특히 병원폐기물은 병원성 미생물에 의한 전염 및 감염 방지와 독성물질의 제거를 위해 소각처리가 요구된다.

고온산화를 통한 완전소각을 위해서는 충분한 온도와 산소의 공급, 소각시간 및 쓰레기의 공급 방식 등 소각로의 적정운전과 아울러 소각되는 쓰레기의 발열량이 충분히 높아야 한다.

쓰레기의 발열량은 쓰레기의 성상인 삼성분함량(수분 가연분 회분)과 원소함량에 의해 좌우된다. 음식물 쓰레기의 경우 건조함량에 의한 고위 발열량은 895kcal/kg이나 높은 수분함량으로 인해 저위 발열량이 3백88kcal/kg에 불과, 소각 가능한 저위발열량의 8백kcal/kg에 미달하고 있어 완전 소각을 위하여는 보조연료를 필요로 한다.

음식물 쓰레기를 단독 소각할 경우 1t을 처리하는 데 약 83L의 보조연료가 필요하다. 또한 부패성 쓰레기가 27% 혼입된 폐기물을 소각하는 데는 10.5L/t, 부패성 쓰레기가 분리된 폐기물은 4.5L/t의 보조연료를 필요로 한다.

음식물 쓰레기만의 소각은 실시하지 않는다. 그러나 음식물 쓰레기는 대개 일반폐기물에 혼입되기 때문에 일반가연성 쓰레기의 소각시 이로 인한 소각온도의 저하 등을 염두에 두어 불완전 연소가 일어나지 않게 해야 한다.

소각에 따른 2차 오염물질로는 황산화물 질산화물 염소화합물 불소화합물 등 유해가스와 미세한 분진 악취 중금속을 포함하는 유해물질 등이 있다. 이의 적절한 처리를 위해 흡수장치 (충전탑 스프레이탑 사이클론스크러버 벤트리스크러버 젓트스크러버 등), 제진장치(전자집진 세정집진 여과집진 원심력집진 중력침강 관성력집진 음파제진 등), 세정 후 폐수의 처리장치가 요구된다. 아울러 소각에서 얻어지는 열을 효과적으로 이용하기 위한 폐열회수장치도 필요하다.

유기물질을 미생물로 분해시키는 퇴비화

퇴비화는 쓰레기 내의 유기물질을 미생물에 의해 안정적으로 분해해 퇴비를 생산하는 공정이다. 동양에서는 아주 오래 전부터 농업 폐기물 축산폐기물 분뇨 등을 농업 분야에서 토질 개량이나 영양원 공급원으로 활용해 왔다. 그러나 대량의 유기성 쓰레기(음식물 쓰레기 포함)가 발생하고 퇴비화설비의 입자가 제한받고 있는 현 상황에서 퇴비화기간 및 수거 운반 배분 등 유통과정과 최종 산물로서의 퇴비의 상품성 시장성 등 여러가지 제약이 따르고 있다.

음식물 쓰레기는 양질의 유기성 폐기물이어서 퇴비를 생산하기 위한 기질로는 매우 적합하다. 퇴비화할 때 음식물 쓰레기는 미생물의 대사과정을 통해 보다 적은 분자량의 물질로 분해하게 된다. 퇴비화의 경우 주로 호기성 분해가 일어나게 되나 부분적으로 혐기성 분해도 진행, 고분자 유기물(탄수화물 단백질 지방 핵산 등)이 저분자의 안정한 유기물로 전환하게 된다.

호기성 분해에 의해서는 안정된 물질, CO₂, H₂O, ${NO}_{3}^{-}$, ${SO}_{4}^{2-}$이 최종산물로 얻어지며 혐기성 분해에 의해서는 안정된 물질과 CO₂ 이외에 ${CH}_{4}$, H₂S, NH₃ 등이 형성된다.

안정된 물질이라 함은 10-20%의 탄수화물과 20% 내외의 아미노산 등 질소성분, 10-20%의 지방산, 알케인 등을 함유한 분자량 10만 이하의 유기물(부식, Humus)을 일컫는다.

퇴비화는 감량화 후 수거 운반이 용이하며 발효중 유기물과 무기물의 유실을 최소화하고 C/N비를 조절함으로써 비료 또는 토양개량제 등으로 활용할 수 있다. 또 매립지의 복토재나 도로공사용 기저재 또는 사료로서의 이용 가능성도 있다.

음식물 쓰레기의 퇴비화는 음식물 쓰레기가 발생한 후 파쇄 또는 분쇄, 수분함량 조절을 거쳐 발효처리장치 내에서 발효 미생물의 작용으로 이루어진다. 음식물 쓰레기는 질적 특성상 퇴비화하는 데 많은 문제점을 가지고 있다.

일반적으로 퇴비화 과정에 필요한 쓰레기의 성상은 C/N비가 20-40, 수분함량이 50-60% 정도가 돼야 하나 음식물 쓰레기는 C/N비가 매우 낮은 반면에 높은 수분함량을 가지고 있다. C/N비가 낮은 경우는 퇴비화 과정중 질소가 암모니아가스 형태로 배출되기 때문에 강한 악취가 발생한다.

또한 높은 수분함량은 공기의 공급을 제한, 호기성 상태를 유지할 수 없게 해 결국 호기성 미생물의 역할을 저해하게 된다. 따라서 야적의 경우에는 뒤집기를 해 줌으로써, 발효조를 사용하는 경우에는 강제 통풍과 교반에 의해 공기를 공급해 주어야 한다.

미생물에 의한 분해과정인 발효가 끝나게 되면 퇴비의 안정화를 증진시키기 위한 양생과 퇴비사용에 장애가 되는 플라스틱 유리조각 쇠붙이 등 불순물을 제거하는 마무리 공정을 거쳐 최종적으로 퇴비가 생산된다. 양생 과정을 거치지 않은 퇴비는 토양에 직접 공급시 식물의 생장을 저해할 수 있어 주의가 요망된다. 양생기간은 퇴비화의 공정에 따라 약 7-1백20일 정도 소요된다.

음식물 쓰레기로부터 직접 유입되는 중금속의 농도는 매우 낮을 것으로 예상된다. 그러나 음식물의 분리 수거 수집 운송 중 부주의와 퇴비화 과정에서 중금속 등 독성물질로 Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, CN, 페놀 및 유기살충제 용해제 실균제 등이 유입될 소지가 크다. 중금속의 오염시 토양오염은 물론 작물재배로 인해 식물체로 전이돼 인체에 영향을 줄 수 있어 퇴비의 중금속 허용농도 기준을 설정하는 것이 바람직하다.

감량화 자원화 동시 달성 가능한 사료화

사료를 상당량 수입해오는 우리나라의 입장에서 음식물 찌꺼기의 사료화는 권장할 만한 사항이다.

사료화는 음식물 쓰레기를 가축의 사료로 재활용함으로써 감량화 및 자원화를 동시에 달성할 수 있는 방법이다. 전통적으로 농가에서는 이 방법을 통해 곡류 등 음식물 쓰레기를 폐기물화하지 않고 전량 재활용함으로써 에너지 및 자원이용의 극대화를 꾀했다.

대규모의 가축(주로 양돈)사육의 경우 인근의 군부대 등 집단급식소와 식당 등에서 배출되는 음식물 쓰레기를 수거해 사료화한다. 그러나 이는 수요 공급이 불확실하고 수거 운반시 인력시간소요 등 작업상 문제와 기계식 배식의 불가·질병발생 가능성·물질의 혼입으로 인한 가축피해 우려 등으로 인해 사용이 제한되고 있다. 또한 대도시 지역에서는 운반상의 문제가 음식물 찌꺼기의 사료화에 장애요인이 되고 있다. 그러나 사료의 상당부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라의 입장에서 사료화는 매우 바람직한 음식물 쓰레기 재활용 분야다.

음식물 쓰레기 사료화는 물리적인 처리로 간단히 이루어지는데, 열처리 탈수 건조분쇄 품질조정 가공 등의 공정이 요구된다. 특히 열처리 공정은 사료의 안정성을 높이고 또 병원성 미생물의 사멸 목적으로 1백20℃에서 20분간의 처리가 필요하다.

음식물 쓰레기의 부패를 최대한 방지하기 위해 수집, 운송 과정상 냉장장치와 이물질 제거를 위한 선별과정이 요구되기도 한다. 이렇게 하여 얻어진 사료는 가축에 직접 먹이거나 배합사료의 원료로 이용된다.

재생연료 바이오가스 액체연료로 가능한 연료화

음식물(식물체를 근간으로 하는)이 태양에너지의 변형된 에너지라는 점에서 기술적 경제적 문제만 해결된다면 음식물 쓰레기는 연료화를 위한 바람직한 기질로 재활용될 수 있다. 연료화에는 크게 재생연료(RDF, refuse drived fuel), 바이오가스(Methane gas), 액체연료(ethanol) 생산으로 구분할 수 있다. 국내에서 사용되고 있는 연료(화석 연료)의 전량을 수입에 의존하고 있는 실정에 비추어 볼 때 음식물 쓰레기의 연료화에 대한 연구는 매우 필요하다.

바이오가스(메탄가스) 생산은 고상소화 기술(Solid-Phase Anaerobic Digester 또는 혐기성 소화)이다. 음식물 쓰레기를 적정 수준으로 탈수한 후 혐기성 미생물을 통해 유기물을 가수분해, 액화 및 발효공정을 거쳐 유기산이나 알코올류로 전환하고 이것을 다시 메탄 형성 미생물을 통해 메탄 가스로 전환, 에너지원화하는 방법이다. 이 기술은 발효기간이 길며 시설비가 고가이고 발효조건의 최적화 때문에 고도의 발효기술과 생산된 메탄가스의 농축 등 연료화 설비가 요구된다.

액체연료(ethanol)생산은 음식물 쓰레기 중 탄수화물을 발효공정을 통해 알코올화하는 공정으로, 전분 셀룰로오스 헤미셀룰로오스 등 다당류를 단당류로 가수분해하고 알코올 생산균에 의해 다시 에탄올로 전환하는 방법이다.

재생연료 생산은, 직접 소각에 의해 에너지를 회수하기에는 발열량이 낮아 에너지 회수량이 적고 시설이 상대적으로 커지는 것을 방지하기 위해 폐기물의 특성에 알맞게 재처리, 연료로 만드는 것을 말한다. 음식물 쓰레기의 경우 수분함량이 가장 큰 장애요인이다. 연료화를 위하여는수분함량이 10% 이하가 되도록 해야 한다. 주요 처리공정은 파쇄 건조 혼합 성형과정이다.

분쇄기로 완전 파쇄하는 파쇄처리

주방오물 분쇄기(상품명 Disposer)에 의한 미세분쇄로 음식물 쓰레기를 완전 파쇄, 하수도를 통해 배출 처리하는 방법이다. 이는 원천적인 음식물 쓰레기의 처리방법중의 하나이나 이 기계를 사용했을 경우 수질오염을 방지하기 위해 별도의 폐수처리시설을 설치하거나 또는 설치된 곳에서만 사용이 가능하다. 그러나 우리나라에서는 수질오염을 가중시킨다는 이유로 1992년부터 분쇄기의 판매 및 사용을 제한하고 있다.