[논문]하·폐수 슬러지 처리기술의 개발 동향에 관한 연구

이채영; 정우진; 김지태

doi:10.14481/jkges.2016.17.8.5

하·폐수 슬러지 처리기술의 개발 동향에 관한 연구
A Study on the Development Trends of Wastewater Sludge Treatment Technology 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.17 no.8, 2016년, pp.5 - 15

이채영 (Department of Civil Engineering, The University of Suwon) , 정우진 (Department of Environmental Energy Engineering, Graduate School of Kyonggi University) , 김지태 (Department of Environmental Energy Engineering, Kyonggi University)

초록
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국내 하수처리장의 증가 및 방류수 수질기준 강화 등에 따라 하수 슬러지의 발생량은 지속적으로 증가하는 추세이다. 기존 하수 슬러지는 소각과 해양배출 등으로 처리하였지만, 대기오염과 해양배출 금지 등에 따라 최근에는 자원화 또는 에너지화 방법 등을 연구하고 있다. 그러나 전반적인 기술의 수준 및 적용기술에 대한 체계적인 분석 등이 부족하여 관련 기술에 대한 향후 분석이 필요한 실정이다. 본 논문은 슬러지 처리기술, 고체연료화 및 바이오가스 증산 활용기술을 대상으로 관련 특허, 논문 동향을 조사하였다. 또한, 국내 외 연구개발 추이를 분야별 5개 국가별(한국, 일본, 중국, 미국, 유럽)로 조사 및 분석하였다. 향후 슬러지의 효과적 처리를 위해 필요한 기술 분야를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the increase of domestic sewage treatment plant and reinforcement of the standard of effluent water quality continues, the volumes of sewage sludge are consistently increasing. Existing treatment of sewage sludge, such as incineration and ocean dumping has been prohibited because of air pollution and prohibitions towards ocean dumping, and in turn, recycling and energy recovery from waste methods have being studied recently. However, the lack of technical level and systematic analyses of application technique are problems, that future analysis of such relative technique would be required. The present study has been investigated as follows, management technique of sludge, patent on refuse-derived fuel and increase biogas production and utilizable technology, trend of research paper. Furthermore, research development from five developed nations (Korea, Japan, China, United States, and United Kingdom), domestic and foreign have been investigated and analyzed by section. In this study, the future technical field which is required for effective management of sludge has been suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 바이오가스 관련 기술을 포함한 하･폐수 슬러지 처리기술의 분야별 특허 등록 및 논문 발표 추세를 조사･분석하고, 이를 토대로 국내 기술의 취약점과 보완･개선할 과제를 도출하여 슬러지의 효율적인 처리를 위해 필요한 기술개발 분야와 내용을 제시하고자 한다.

제안 방법

기술발전 단계는 특허 건수와 신장세를 토대로 지속적인 성장세를 보이는 성장기, 증가추세를 유지하는 발전기, 신장세가 감소되는 성숙기, 건수 자체가 감소하는 쇠퇴기로 구분하였다. 국가별 기술개발 추세를 분석하기 위해 한국, 일본, 중국, 미국, 유럽 등 5개 국가군으로 구분하여 비교하였다.
아울러 기술의 활용분야를 살펴보기 위하여 IPC (International Patent Classification) 기준에 따라 특허내용을 분석하였다. 기술발전 단계는 특허 건수와 신장세를 토대로 지속적인 성장세를 보이는 성장기, 증가추세를 유지하는 발전기, 신장세가 감소되는 성숙기, 건수 자체가 감소하는 쇠퇴기로 구분하였다. 국가별 기술개발 추세를 분석하기 위해 한국, 일본, 중국, 미국, 유럽 등 5개 국가군으로 구분하여 비교하였다.
바이오가스 관련 기술은 크게 증산기술(기질 전처리, CO2 메탄화 기술, 생물전기화학적 증산기술 등), 정제 및 고질 화기술(흡착, 흡수, 막분리 등), 활용기술(액화, 열병합 발전, 수송용 연료 등) 등 세 분야로 분류하여 기술동향을 분석하였다.
본 조사에서는 하･폐수 슬러지 처리기술을 농축, 안정화, 개량, 열 건조 및 고온 이용, 퇴비화 그리고 탈수로 구분하여 기술 수준을 국가별로, 분야별로 분석하였다. 농축, 안정화, 열 건조 및 고온 이용공정 분야에서는 일본이 가장 높은 점유율을 나타냈으며 개량, 퇴비화, 탈수 분야에서는 미국이 가장 높게 나타났다.
슬러지 처리 관련 학술 동향을 살펴보기 위해 국내･외 논문 건수를 분야별로 조사하였다. 안정화와 열 건조/열이용 기술이 높은 비중을 차지하였으며 탈수, 퇴비화, 농축기술은 상대적으로 낮은 비중을 나타내고 있다.
특허 분석 결과를 토대로 국내 바이오가스 기술의 취약 부분을 도출하였다. 중산기술 분야의 경우 효소, 미생물을 이용하여 생물학적 방법을 통한 바이오가스 응용기술(C12M)이, 정제 및 고질화기술 분야의 경우 화학/물리적 방법을 적용한 바이오가스 정제 및 고질화 관련 원천기술(B01J)이, 활용 분야에서는 화학적/전기적 에너지로 전환하는 활용기술(H01M) 과연소 기관 제어를 통한 바이오가스 활용기술(F02D)이 각각 취약한 것으로 나타났다.
특허 분석 결과를 활용하여 우리나라가 취약한 슬러지 처리기술 분야를 도출하였다. 기술 분야를 원천기술(처리기술 적용을 위한 기초 연구개발 단계), 응용기술(원천기술이 확보된 상태에서 슬러지 처리에 적용하는 단계), 활용기술 (응용기술을 확대 적용하는 단계)로 분류하였으며 기술별 우선순위는 활용, 응용, 원천기술 순으로 설정하였다(Baik et al.
하･폐수 슬러지 처리기술을 크게 농축(thickening), 안정화 (stabilization), 개량(conditioning), 탈수(dewatering), 열 건조 (heat drying)및 고온이용(high temperature), 퇴비화(composting) 등 여섯 가지 분야로 분류하고 Table 1과 같이 각 분야별 기술들의 키워드를 선정하여 특허 등록 추세를 조사하고 핵심기술을 분석하였다. 특허 분석은 5년 단위로 구분하였으며 특허 검색어는 분류된 기술 분야명과 키워드를 혼합하여 사용하였다. 아울러 기술의 활용분야를 살펴보기 위하여 IPC (International Patent Classification) 기준에 따라 특허내용을 분석하였다.
하･폐수 슬러지 처리기술을 크게 농축(thickening), 안정화 (stabilization), 개량(conditioning), 탈수(dewatering), 열 건조 (heat drying)및 고온이용(high temperature), 퇴비화(composting) 등 여섯 가지 분야로 분류하고 Table 1과 같이 각 분야별 기술들의 키워드를 선정하여 특허 등록 추세를 조사하고 핵심기술을 분석하였다. 특허 분석은 5년 단위로 구분하였으며 특허 검색어는 분류된 기술 분야명과 키워드를 혼합하여 사용하였다.

이론/모형

특허 분석은 5년 단위로 구분하였으며 특허 검색어는 분류된 기술 분야명과 키워드를 혼합하여 사용하였다. 아울러 기술의 활용분야를 살펴보기 위하여 IPC (International Patent Classification) 기준에 따라 특허내용을 분석하였다. 기술발전 단계는 특허 건수와 신장세를 토대로 지속적인 성장세를 보이는 성장기, 증가추세를 유지하는 발전기, 신장세가 감소되는 성숙기, 건수 자체가 감소하는 쇠퇴기로 구분하였다.

성능/효과

1) Patents is the highest share among the top five groups. But, there is no domestic sector.
국내의 경우에는 2010년대부터 정제 및 고질화 관련 분야의 특허 건수가 급증하여 총 30건(점유율 23%)으로 두 번째로 높은 점유율을 나타났다. 기술 분야를 보면 모든 국가에서 C02F 분야가 공통적으로 나타났으며, B01J 분야는 원천기술에 근접한 항목으로 점유율이 높은 유럽에서만 나타났다. 이는 유럽이 상대적으로 바이오가스의 활용도가 높은 것에 기인하는 것으로 판단된다.
우리나라의 경우에는 활용 분야 또는 단순 처리 분야에 집중되고 있는 것으로 나타났다. 기술개발 단계를 보면 미국의 경우 발전기와 성숙기를 반복하는 것으로 나타나 핵심 또는 원천 기술이 지속적으로 개발되고 있는 것으로 나타났다. 일본과 유럽의 경우에는 성숙기를 거쳐 점차 쇠퇴기에 진입하는 것으로 나타났으며 중국은 가장 늦게 특허가 등록되기 시작하여 현재는 발전기에 있는 것으로 나타났 다.
일본은 특허 점유율은 낮게 나타났으나 미생물 및 효소 관련 특허가 높게 나타나 이 분야의 기술을 선점하고 있는 것으로 판단된다. 기술개발 단계를 보면 점유율이 가장 높게 나타난 미국의 경우에는 성숙기를 지나 쇠퇴기에 접어든 것으로 나타났다. 유럽과 중국의 경우에는 각각 성숙기, 발전기인 것으로 나타났으며 일본의 경우에는 특허의 건수가 적고 신장률의 변동이 심한 것으로 보아 관련 분야의 기술 발전이 뚜렷하지 못한 것으로 보인다.
일본의 경우 A01G 그룹이 나타나 퇴비화의 활용 방안이 다수 개발된 것으로 나타났다. 기술발전 단계를 보면 점유율이 높은 미국과 일본의 경우 발전기-성숙기를 반복하며 지속적으로 기술 개발이 이뤄지고 있으며, 유럽의 경우에는 발전기-성숙기를 지나 쇠퇴기에 접어드는 것으로 나타났다. 한국과 중국의 경우에 는 발전기를 거쳐 성숙기에 근접해 가는 것으로 나타났다.
넷째, 열 건조 및 고온이용 공정에 관련한 특허는 일본이 650건(점유율 47%)으로 가장 높게 나타났다. 미국과 유럽에서는 열에 의한 공정은 비교적 낮은 비율을 보이고 있으며 큰 변화를 보이지 않았다.
본 조사에서는 하･폐수 슬러지 처리기술을 농축, 안정화, 개량, 열 건조 및 고온 이용, 퇴비화 그리고 탈수로 구분하여 기술 수준을 국가별로, 분야별로 분석하였다. 농축, 안정화, 열 건조 및 고온 이용공정 분야에서는 일본이 가장 높은 점유율을 나타냈으며 개량, 퇴비화, 탈수 분야에서는 미국이 가장 높게 나타났다. 국내의 하･폐수 슬러지 처리기술의 경우 취약한 분야는 F23G(연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 것), F26B(고체연료 또는 고형물에서 액체를 제거하는 것에 의한 건조), C10L(달리 분류되지 않는 연료) 등 고형연료 관련 분야로 나타났다.
다섯째, 퇴비화 기술은 다른 분야에 비해 특허 건수가 전체적으로 적게 나타났다. 미국이 91건(점유율 37%)으로 가장 많고 일본이 70건(점유율 29%)으로 두 번째이며, 국내의 경우 27건(점유율 11%)으로 중국 다음이었다.
둘째, 안정화 관련 기술의 경우 일본의 특허 점유율이 가장 높고, 기술 분야는 안정화 처리를 거쳐 발생되는 부산물 을 이용하여 건축 재료와 연료로 사용하는 C04B 및 F23G 그룹이 높은 것으로 나타났다. 두 번째로 점유율이 높은 미국의 경우에도 연료와 관련된 C10L 그룹이 나타났으며 중국의 경우에는 발효에 관련된 C12P 그룹도 나타났다. 전반적으로 단순 처리 단계를 넘어서 부산물을 활용할 수 있는 다양한 기술 분야의 특허가 있는 것으로 분석되었다.
둘째, 안정화 관련 기술의 경우 일본의 특허 점유율이 가장 높고, 기술 분야는 안정화 처리를 거쳐 발생되는 부산물 을 이용하여 건축 재료와 연료로 사용하는 C04B 및 F23G 그룹이 높은 것으로 나타났다. 두 번째로 점유율이 높은 미국의 경우에도 연료와 관련된 C10L 그룹이 나타났으며 중국의 경우에는 발효에 관련된 C12P 그룹도 나타났다.
둘째, 정제 및 고질화 관련 기술의 특허는 타 분야에 비해 건수가 적었으며 국가군별로는 유럽과 한국의 점유율이 높은 것으로 나타났다. 바이오가스 플랜트가 가장 많이 설치된 유럽이 특허 건수도 49건(점유율 38%)으로 가장 높게 나타났으며 1980년대부터 정제 및 고질화 관련 분야의 연구가 발하게 진행되어 지속적으로 특허 건수가 증가되었다.
IPC 코드별 특허 분야를 분석하면 모든 국가에서 B01D 분야 기술이 포함되어 있어 슬러지의 개량이 수분 또는 특정 물질 제거에 중요한 요소인 것으로 판단된다. 미국을 제외한 중국, 일본, 유럽, 한국은 C05F 분야 기술이 나타나 비료 사용을 위한 슬러지의 개량 기술이 적용 되는 것으로 판단되며, 점유율이 가장 높은 미국의 경우에는 슬러지 개량 기술 중 C07C 그룹(비환 또는 탄소환 화합물)이 유일하게 나타났다. C07C 그룹은 유기물 합성 분야 중 기초 분야에 해당되고 슬러지 개량의 핵심 기술 또는 원천기술을 다수 포함하고 있다.
첫째, 증산기술의 경우 2000년대 이후 바이오가스의 이용 가치가 높아짐에 따라 관련 특허가 급격하게 증가하였다. 바이오가스의 활용도가 높은 미국과 유럽에서 가장 큰 증가율이 나타났으며, 특허 점유율은 미국이 285건(점유율 60%)으로 가장 높게 나타났다. 일본은 미국을 제외한 타 국가에 비해 증산기술 관련 특허가 일찍 등록되었으나 이후 증가세가 미미하여 점유율이 가장 낮게 나타났다.
바이오가스화 기술과 관련한 기술 수준 분석에서는 미국, 유럽이 각각 증산기술과 정제/고질화 기술 분야를 선점하고 있는 것으로 나타났다. 국내의 취약 분야로는 C12M(효소 학 또는 미생물학을 위한 장치), B01J(화학적 또는 물리적 방법) 등 증산기술 분야, 정제/고질화 기술 분야, 활용기술 분야로 나타났다.
셋째, 개량 관련 기술의 특허는 미국이 530건, 점유율 45% 로 가장 높게 나타났으며 농축과 안정화 관련 특허 점유율이 가장 높은 일본이 269건(점유율 23%)으로 두 번째이고, 중국의 경우 125건(점유율 10%)으로 나타났다. 우리나라는 관련 기술 특허가 130건(점유율 11%)으로 중국보다 다소 높게 나타났다.
셋째, 바이오가스 활용기술 분야의 경우 중국이 81건(점 유율 22%)으로 가장 높게 나타났다. 중국의 경우 2000년대 초반까지 상대적으로 특허 건수가 저조했으나 2010년대부터 급증하고 있다.
농축기술 분야에서는 연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 활용기술(F23G)과 재료의 화학적, 물리적 성질의 검출에 의해 재료 조사 또는 분석을 통해 슬러지 농축에 따른 성상 변화를 분석하는 응용기술 분야(G01N)가 취약한 것으로 나타났다. 안정화기술 분야에서는 분리기술을 통해 슬러지 안정화 전･후 고액분리를 하는 기술 분야 (B01D)와 연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 활용기술(F23G) 등이, 개량기술 분야에서는 비환 화합물과 탄소환 화합물을 이용한 슬러지 개량과 이를 기초로 부산물 및 유용자원을 개발하는 원천기술(C07C), 고체연료와 고형물에서 액체를 제거하여 슬러지를 개량하고 이를 통해 고체 연료를 생산하는 활용기술 분야(F26B)가 취약한 것으로 나타났다. 퇴비화기술 분야에서는 식종, 파종, 시비를 이용한 슬 러지 퇴비화 관련 활용기술 분야(A01C), 화학/물리적 방법을 통한 퇴비화 관련 원천기술 분야(B01J), 파쇄･분쇄 등을 통한 슬러지 퇴비화의 후처리 활용기술 분야(B02C)가 미흡한 것으로 나타났다.
여섯째, 탈수기술의 경우 중국을 제외한 모든 국가에서 2000년대 이후 관련 특허가 감소하는 추세이다. 특허 건수를 보면 미국이 210건으로 전체 특허의 42%를 점하고 있으며 1970년대부터 슬러지 탈수 관련 특허가 등록되기 시작하여 2000년대 이전까지 지속적인 증가세를 보였다.
두 번째로 점유율이 높은 미국의 경우에도 연료와 관련된 C10L 그룹이 나타났으며 중국의 경우에는 발효에 관련된 C12P 그룹도 나타났다. 전반적으로 단순 처리 단계를 넘어서 부산물을 활용할 수 있는 다양한 기술 분야의 특허가 있는 것으로 분석되었다. 국내의 경우에도 부산물을 활용하는 기술 분야가 다수 포함되었고 이 중 비료로 활용하는 기술 그룹인 C05F가 상위권에 있다.
특허 분석 결과를 토대로 국내 바이오가스 기술의 취약 부분을 도출하였다. 중산기술 분야의 경우 효소, 미생물을 이용하여 생물학적 방법을 통한 바이오가스 응용기술(C12M)이, 정제 및 고질화기술 분야의 경우 화학/물리적 방법을 적용한 바이오가스 정제 및 고질화 관련 원천기술(B01J)이, 활용 분야에서는 화학적/전기적 에너지로 전환하는 활용기술(H01M) 과연소 기관 제어를 통한 바이오가스 활용기술(F02D)이 각각 취약한 것으로 나타났다.
첫 번째로 하･폐수 슬러지 처리기술 중 농축 관련 기술의 경우 특허 점유율은 일본이 41%로 가장 높게 나타났다. 최근 추세를 보면 2000년을 기준으로 일본의 농축 관련 특허는 감소하는 반면 중국의 경우 급격하게 증가하는 경향을 보였다.
첫째, 증산기술의 경우 2000년대 이후 바이오가스의 이용 가치가 높아짐에 따라 관련 특허가 급격하게 증가하였다. 바이오가스의 활용도가 높은 미국과 유럽에서 가장 큰 증가율이 나타났으며, 특허 점유율은 미국이 285건(점유율 60%)으로 가장 높게 나타났다.
안정화기술 분야에서는 분리기술을 통해 슬러지 안정화 전･후 고액분리를 하는 기술 분야 (B01D)와 연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 활용기술(F23G) 등이, 개량기술 분야에서는 비환 화합물과 탄소환 화합물을 이용한 슬러지 개량과 이를 기초로 부산물 및 유용자원을 개발하는 원천기술(C07C), 고체연료와 고형물에서 액체를 제거하여 슬러지를 개량하고 이를 통해 고체 연료를 생산하는 활용기술 분야(F26B)가 취약한 것으로 나타났다. 퇴비화기술 분야에서는 식종, 파종, 시비를 이용한 슬 러지 퇴비화 관련 활용기술 분야(A01C), 화학/물리적 방법을 통한 퇴비화 관련 원천기술 분야(B01J), 파쇄･분쇄 등을 통한 슬러지 퇴비화의 후처리 활용기술 분야(B02C)가 미흡한 것으로 나타났다. 탈수기술 분야에서는 물리/화학적 방법을 적용한 탈수 응용기술 분야(B01C), 고체연료와 고형물에서 액체를 제거하여 슬러지를 개량하고 이를 통해 고체 연료를 생산하는 활용기술 분야(F26B)가 취약한 것으로 나타났다(Mahmoud et al.

후속연구

우리나라는 발전기, 성숙기를 지나 쇠퇴기에 접어든 것으로 나타났으나 다른 국가의 발전 과정을 고려해 볼 경우 과도기적인 쇠퇴 현상인 것으로 보인다. 앞으로 우리나라도 핵심기술 성격의 개량기술 개발이 필요하며 미국의 발전 과정을 참고할 필요가 있는 것으로 판단된다.
이러한 조사 결과를 토대로 향후 우리나라에서 중점 개발되어야 할 분야를 살펴보면 먼저 슬러지 처리기술의 경우 고형연료 제조 기술의 국산화, 고효율 전용 보일러(또는 발 전) 시스템 개발, 그리고 2차 오염 저감기술로 분류할 수 있다. 이슈별 세부 기술로는 고형연료 제조를 위한 고효율 건 조/압축 기술 개발, 고형연료를 이용한 열병합 발전 기술 개발, 고형연료와 석탄의 혼소 기술 개발, 하･폐수 슬러지를 이용한 고형연료 생산 시 발생되는 악취 저감 기술 등의 개발이 필요하다.
이러한 조사 결과를 토대로 향후 우리나라에서 중점 개발되어야 할 분야를 살펴보면 먼저 슬러지 처리기술의 경우 고형연료 제조 기술의 국산화, 고효율 전용 보일러(또는 발 전) 시스템 개발, 그리고 2차 오염 저감기술로 분류할 수 있다. 이슈별 세부 기술로는 고형연료 제조를 위한 고효율 건 조/압축 기술 개발, 고형연료를 이용한 열병합 발전 기술 개발, 고형연료와 석탄의 혼소 기술 개발, 하･폐수 슬러지를 이용한 고형연료 생산 시 발생되는 악취 저감 기술 등의 개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라가 취약한 슬러지 처리기술 분야 중 농축기술 분야에는 무엇이 있는가?	, 2014). 농축기술 분야에서는 연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 활용기술(F23G)과 재료의 화학적, 물리적 성질의 검출에 의해 재료 조사 또는 분석을 통해 슬러지 농축에 따른 성상 변화를 분석하는 응용기술 분야(G01N)가 취약한 것으로 나타났다. 안정화기술 분야에서는 분리기술을 통해 슬러지 안정화 전･후 고액분리를 하는 기술 분야 (B01D)와 연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 활용기술(F23G) 등이, 개량기술 분야에서는 비환 화합물과 탄소환 화합물을 이용한 슬러지 개량과 이를 기초로 부산물 및 유용자원을 개발하는 원천기술(C07C), 고체연료와 고형물에서 액체를 제거하여 슬러지를 개량하고 이를 통해 고체 연료를 생산하는 활용기술 분야(F26B)가 취약한 것으로 나타났다.
	현재까지 하수 슬러지를 어떻게 처리해왔는가?	, 2014). 하수 슬러지의 처리는 종래 해양배출 방식에 크게 의존해 왔으나 슬러지의 해양배출이 금지됨에 따라 다양한 육상 처리기술이 적용되고 있다. 그러나 실제 적용되는 처리기술 수준은 여전히 미흡한 실정이다.
	하･폐수 슬러지 처리기술은 어떻게 분류되는가?	하･폐수 슬러지 처리기술을 크게 농축(thickening), 안정화 (stabilization), 개량(conditioning), 탈수(dewatering), 열 건조 (heat drying)및 고온이용(high temperature), 퇴비화(composting) 등 여섯 가지 분야로 분류하고 Table 1과 같이 각 분야별 기술들의 키워드를 선정하여 특허 등록 추세를 조사하고 핵심기술을 분석하였다. 특허 분석은 5년 단위로 구분하였으며 특허 검색어는 분류된 기술 분야명과 키워드를 혼합하여 사용하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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