이 장의 목적은 (MSW) 도시폐기물의 물리적, 화학적, 생물학적 특성과 도시폐기물의 형태와 조성에 영향을 미치는 도시폐기물의 물리적 특성, 화학적, 생물학적 처리에 대하여 소개하는 것이다. 이러한 내용은 포괄적 폐기물 관리 시스템을 개발하고 설계하는데 있어서 알아야 할 중요한 사항이다.
또한, 이 장에서 소개하는 물리적, 화학적, 생물학적 특성과 특성변화는 이 책의 나머지 부분에서 논의되는 주제의 기본이 된다.
4-1 도시폐기물의 물리적 특성
중요한 도시폐기물의 물리적 특성은 겉보기 밀도, 수분함량, 입자크기 및 크기분포, 현장수분 보유능력(field capacity), 압축된 폐기물의 공극률(porosity) 등이다. 이장에서 논의의 대상은 생활·상업폐기물과 몇몇 산업폐기물에 대한 것만으로 제한하며 도시폐기물에서 발견되는 유해 폐기물은 5장에서 따로 다루었다. 그러나 이 장과 다음 장에서 다룬 분석의 기본원리는 모든 형태의 폐기물에 대해서 적용할 수 있다. 그 밖의 폐기물에 대한 다양한 도시폐기물의 물리적, 화학적, 생물학적 시험법은 ASTM(American Society for Testing and Materials)에 있다..
- 도시폐기물의 물리적 특성: 겉보기 밀도
겉보기 밀도는 물질의 단위부피당 질량으로 정의된다(예, kg/m²). 폐기물의 겉보기 밀도는 종종 풀어 헤쳐진 상태(loose), 콘테이너에 저장된 상태 (as found in containers), 비압축상태 (uncompacted), 압축상태 (compacted) 등과 같이 조사시의 상태와 함께 나타내므로, 보고된 값에 대한 기준상태에 항상 주의해야 한다. 다시말해겉보기 밀도의 자료는 처리해야 할 폐기물의 부피와 전체 무게를 산정하는데 필요하나 문헌에는 폐기물의 겉보기 밀도를 보고하는 방법이 통일성이 없거나 기준상태의 표기가 결여되어 있다. 예를 들면 압축, 상태와 비압축 상태의 값을 구별하지 않고 나타내고 있다. 표 4-1에 콘테이너에서 발견되는 압축 또는 비압축 상태의 다양한 폐기물 성분에 대한 전형적인 겉보기 밀도를 나타내었다.
폐기물의 겉보기 밀도는 지리적 위치, 계절, 저장기간 등에 따라 많이 변하기 때문에 대표값을 선택할 때에는 세심한 주의가 필요하다. 압축차량으로 수거된 도시폐기물의 겉보기 밀도는 180∼420kg/m² 사이에 있으며, 대표값은 약 300kg/m²이다.
- 도시폐기물의 물리적 특성: 수분함량
폐기물의 수분함량은 다음의 두가지 방법 중의 하나로 표시한다. 습윤기준법에서는, 시료의 수분은 물질의 습윤기준의 분율로 나타내고, 건조기준법에서는 물질의 건조기준무게에 대한 분율로 표시한다. 폐기물 관리 현장에서는 일반적으로 습윤기준법이 사용된다. 습윤기준 수분함량은 다음과 같이 표현된다.
M-(-)×100여기서, M=수분함량, %w=시료의 초기 무게, kgd=105℃에서 건조후 시료의 무게, kg(4-1)
표 3-3에 나타낸 폐기물 성분을 포함하여 각종 폐기물 성분의 전형적인 수분함량을 표 4-1에 나타내었다. 미국의 경우 대부분 도시폐기물의 수분함량은 15~40% 사이이며, 폐기물의 조성, 계절, 습도 및 강우와 같은 기상조건과 저장기간에 따라 달라진다. 표 4-1의 자료를 이용하여 폐기물의 총괄적 수분함량을 계산하는 것을 예제 4-1에서 설명하였다.
표 4-1 가정, 상업, 산업 및 농업폐기물에 대한 대표적인 겉보기 밀도와 수분함량
겉보기 밀도, kg/m²폐기물의 형태범위 대표값범수분, 무게 %위 대표값 주거(비압축)음식물(혼합)130-48029050-8070종이 40-130904-106판 지 40-80504-85 플라스틱 40-130701-42섬유 40-100706-1510
- 도시폐기물의 물리적 특성: 입자크기 및 입자크기 분포
최종처분장 겉보기에도 다른일도.
폐기물의 구성물질의 입자크기 및 크기분포는 특히 트롬멜 스크린과 자력선별기 같은 기계적인 방법으로 물질을 회수할 때 중요한 고려사항이다. 폐기물 성분의 크기는 다음과 같은 방법 중 하나 또는 둘이상으로 정의할 수 있다.
가장 긴 길이와 체 통과율로 나타낸 도시 폐기물의 일반적인 입자크기 분포를 그림 4-1과 4-2에 나타내었고 각 성분의 대표적인 크기분포를 그림 4-3에 나타내었다. 식 (4-2)에 정의된 단일 길이 측정법 (single linear measurement)에 근거한 생활폐기물 성분의 평균크기는 180~200mm이다. 식 (4-5)에 근거한 알루미늄캔, 주석캔, 유리의 크기분포에 대한 대표적인 자료를 그림 4-4에 나타내었다. 측정방법에 따라 크기에 많은 차이가 있기 때문에 대상폐기물의 특성을 나타내는데 적합한 개별적인 측정법이 마련되어야 한다.
- 도시폐기물의 물리적 특성: 폐기물의 수분보유능력(field capacity)
폐기물의 수분보유능력은 중력 상태하에서 폐기물이 보유할 수 있는 수분의 총량을 말한다. 폐기물의 수분보유능력은 매립지의 침출수 발생을 결정하는데 아주 중요하다. 수분보유능력을 초과하는 물은 침출수로 발생하게 되는데 압력과 폐기물의 분해 상태에 따라서 달라진다. 부피비로 30%의 수분보유능력은 30cm/100cm에 해당한다. 생활폐기물과 상업폐기물이 혼합된 비압축 폐기물의 수분보유능력은 50~60%범위에 있다(폐기물과 토양의 수분보유능력에 대한 추가자료는 11장에 있다).
- 도시폐기물의 물리적 특성: 압축 폐기물의 투수성
압축된 폐기물의 투수성(hydraulic conductivity)은 중요한 물리학적 특성으로, 매립지 내의 액체와 가스의 이동에 큰 영향을 미친다. 투수계수는 일반적으로 다음과 같이 쓸 수 있다.
K=C. d²=k²
여기서, K=투수계수
C=무차원상수 또는 형상계수
d=평균 공극크기
μ μ
y=물의 비중량
4=물의 점성계수
500
적인 크기
k=고유(절대)투수계수
COT
C・d’은 고유투수계수로 공극크기분포, 곡률도(tortuosity), 비표면, 그리고 공극률(porosity) 등의 고형물질의 특성에만 의해 영향을 받는다. 매립지 내 압축된 폐기물에 대한 고유투수계수의 대표적인 값은 연직방향으로는 약 10-11~10-13m²이며, 수평방향으로는 약 10-19m²이다.
4-2 도시폐기물의 화학적 특성
도시폐기물을 구성하고 있는 성분의 화학적 조성에 대한 자료는 폐기물의 중간처리 및 자원화 공정을 평가하는데 중요하다. 예를 들면, 소각 가능성은 폐기물의 화학적 조성에 달려 있다. 전형적으로, 폐기물은 일부 수분이 함유되어 있는 가연성물질(semimoist combustible)과 불연성 물질(noncombustible material)의 혼합물이라고 생각할 수 있다. 만일 폐기물을 연료로 사용하고자 한다면, 다음 네가지의 중요한 특성을 알아야 한다.
① 4성분 분석(proximate analysis)
②재의 융점 (fusing point of ash)
③ 주요 원소분석(ultimate analysis-major elements)
④ 에너지 함량(energy content)
뿐만 아니라 도시 폐기물의 유기성분을 퇴비화하거나 다른 생물학적 변환법의 원료로 이용한다고 할 때, 폐기물을 구성하는 위의 주요 구성원소에 대한 정보 뿐만 아니라, 미량원소(trace element)에 대한 정보도 필요하다.
- 4성분 분석(proximate analysis)
도시폐기물의 가연성 성분에 대한 4성분 분석에는 다음과 같은 항목들이 있다.
① 수분(105℃에서 1시간 가열했을 때의 질량손실) 70% 24시간. 항탕.
② 휘발성 가연분(뚜껑을 덮은 도가니에서 950℃로 강열 후 추가적인 질량감소)
③ 고정탄소(fixed carbon, 휘발성분이 제거된 후 남아있는 가연성 잔재물)
④ 회분(열린 도가니에서 연소 후 잔재물의 질량)34분’ 소문, 기인분 회원
도시폐기물의 가연성분에 대한 4성분 분석자료를 표 4-2에 나타내었다. 4성분 분석에서 휘발성 가연분을 측정하기 위한 시험과 생물학적 실험에서의 휘발성 고형물(VS) 시험은 다르다는 것을 주의할 필요가 있다(4-3절 참조).
- 재의 융점문재가 녹는점
재의 융점은 폐기물 소각으로부터 생긴 재가 용융되었다가 응고되어 고형물인 클링커(clinker)를 형성시키는 온도로 정의된다.
폐기물로부터 클링커가 생성되는 대표적인 융점의 범위는 1,100℃에서 1,200℃(2,000F에서 2,200°F)이다.
- 폐기물 성분의 원소분석
고형물의 원소분석은 전형적으로 C(탄소), H(수소), O(산소), N(질소), S(황), 회분에 대한 비율을 결정하는 것이다. 연소 도중에 염소화합물이 배출되기 때문에, 종종 염소 등 할로겐물질도 원소분석에 포함된다. 원소분석 결과는 도시폐기물내 유기물의 화학적 조성을 파악하는데 이용된다. 이것은 또한 생물학적 처리에 있어서 적합한 C/N비를 얻기 위하여 폐기물의 적정혼합을 결정하는데도 이용된다. 각가연성물질에 대한 원소분석 자료를 표 4-3에 나타내었다.
표 4-3 에 주어진 도시폐기물 성분에 대한 대표적인 생활폐기물 원소분석 자료를 표 4-4에 나타내었다. 이들과 표 4-1 과표 4-2에 주어진 자료를 이용하여 폐기물의 평균 화학적 조성을 산정하는 방법을 예제 4-2에 설명하였다.
표 4-4 생활폐기물내 가연성분의 원소분석 자료
무 게, %(건조 기준)성분 CHNAsh 유기물음식폐기물 48.06:437.62.6종이 43.56.044.00.3판지 44.05.944.60.3 플라스틱 60.07.222.8- 섬유 55.06.631.24.6고무 78.010.0-2.0가죽 60.08.011.610.00.4정원폐기물 47.86.038.03.40.3목재 49.56.042.70.2 5.06.05.010.00.152.510.010.04.50.11.5 무기물 유리금속이 흙, 재등 참고문헌 60.50.10.4<0. -98.94.50.64.3<0.190.526.33.02.00.50.268.0
“코팅, 상표 및 부착물로부터 발생
보충설명: 기초자료의 정밀도를 보증할 수 없기 때문에 이 화학보통 반올림한다. 소ㅜ
- 폐기물 성분의 에너지 함량
도시 폐기물내의 유기성분의 에너지 함량은 (1) 열량계로 실규모 보일러(fullscale boiler)의 사용, (2) 실험실 단열열량계 (laboratory bomb calorimeter)의 사용, (3) 원소의 조성을 아는 경우는 계산에 의해 결정할 수 있다. 실규모 보일러 사용의 어려움 때문에 도시폐기물의 유기성분의 에너지 함량은 대부분 단열열량계 시험결과에 근거한다.
생활폐기물 성분의 에너지 함량과 불활성 잔류물에 대한 대표적인 자료(미국)는 표 4-5에 나타낸 바와 같다. 여기서 에너지 함량은 폐기상태 기준(as discardedbasis)이고, 표 4-5의 값은 식 (4-8)에 의해 건조기준(as dry basis)으로 환산할 수 있다.
kcal/kg(건조기준)=kcal/kg(폐기상태 기준)
이하는
100
100-%수분
(4-8)
0800
CHTS-
(a)
(b)
단열열량계 그림 4-5 폐기물의 에너지 함량결정에 사용되는 실험실 단열열량계
(a) oxygen bomb를 넣기 위해 뚜껑을 연 상태의 열량계
(b) 분해된 oxygen bomb 앞쪽에 sample cup이 있다
마찬가지 방법으로 가연분(회분을 제외한) 건조기준(as dry ash free basis)은 식(4-9)에 의해 환산할 수 있다.
kcal/kg(가연분 건조기준)= kcal/kg(폐기상태 기준)
100
100-%수분-%회분.
(4-9)
표 4-5의 자료는 예제 4-3과 같이 도시폐기물의 에너지 함량을 계산하는데 사용된다. 그 밖에 표 4-2에는 폐기물 각 성분의 에너지 함량에 대한 자료를 수거기준(as collected basis), 건조기준, 회분을 제외한 건조기준별로 각각 나타내고 있다.
Ms st
gig X 1kal /1.
Q= 21gxup killgc)
도시폐기물의 물리적 특성 등을 알아보았습니다. 도시폐기물의 물리적 특성 등을 참고하시고 도시폐기물의 필수 영양물질과 미량 원소에 대해서 알아보겠습니다.