Environmental Characteristics Assessment of Aggregates Materials Using Life Cycle Assessment

전과정평가를 이용한 골재 재료의 환경 특성 평가

전해표¹⁾· 이종윤²⁾· 방기문³⁾· 전효택⁴⁾*

Environmental Characteristics Assessment of Aggregates Materials Using Life Cycle Assessment

Hae Pyo Chun, Jong Yun Lee, Ki-Mun Bang and Hyo-Taek Chon

of environmental impacts were reduced in ozone layer depletion, abiotic depletion and photochemical oxidation, respectively. The results of multi-dimensional decision making model showed that NA was the optimal aggregate materials when freshwater aquatic ecotoxicity, marine aquatic ecotoxicity, terrestrial ecotoxicity and expediency were emphasized. RA was the optimal aggregate materials when prices was emphasized. SA was the optimal aggregate materials when abiotic depletion, eutrophication, global warming, ozone layer depletion and photochemical oxidation were emphasized. BA was the optimal aggregate materials when acidification and human toxicity were emphasized.

Key words : Life Cycle Assessment, Aggregate Materials, Construction Waste, Slag, Bottom Ash

요 약 : 이 논문에서는 전과정평가를 통해 천연 골재의 대체 재료로 사용 가능한 폐기물 재활용 골재의 환경 영향 특성을 평가하였다. 순환골재, 슬래그 골재, 바닥재 골재에 대하여 전과정평가를 실시하고 각각의 환경 영향 을 천연골재와 비교하였다. 순환골재의 경우 건설폐기물의 불균질성으로 인해 생산 공정이 가장 복잡하였으며 이에 따른 에너지 소비 수준도 상대적으로 높게 평가되었으나 건설폐기물 내 낮은 중금속 함량으로 인하여 중금속 용출에 의해 발생하는 환경 영향은 비교적 낮은 것으로 나타났다. 순환골재 현장 적용시 천연골재와 비교하여 자원고갈, 오존층 파괴 및 광화학적 산화 범주에서 각각 63.34%, 56.26%, 34.34%의 환경 영향이 감소하는 것으로 평가되었다. 슬래그 골재의 경우 슬래그의 균질성으로 인해 생산 공정이 가장 단순하였으며 이에 따라 에너지 소비 수준도 상대적으로 낮게 평가되었으나 슬래그 내 높은 중금속 함량과 수세 공정의 부재로 인해 중금속 용출 에 의한 환경 영향이 비교적 높은 것으로 나타났다. 슬래그 골재 현장 적용시 천연골재와 비교하여 오존층 파괴 및 자원 고갈 범주에서 각각 70.86%, 70.62%의 환경 영향이 감소하는 것으로 평가되었다. 바닥재 골재의 경우 에너지 소비 수준 및 중금속 용출로 인한 환경 영향이 중간 수준인 것으로 나타났다. 바닥재 골재 현장 적용시 천연골재와 비교하여 오존층 파괴, 자원 고갈, 광화학적 산화 범주에서 각각 64.79%, 64.50%, 51.80%의 환경 영향이 감소하는 것으로 평가되었다. 다차원 의사 결정 모형을 적용한 결과 천연골재는 담수생태독성, 해양생태독 성, 토양생태독성 및 편의성의 가중치가 커질수록 선호되었으며, 순환골재의 경우 가격의 가중치가 커질수록 선호 되는 것으로 평가되었다. 슬래그 골재의 경우 자원고갈, 부영향화, 지구온난화, 오존층 파괴의 가중치가 커질수록 선호되었으며 바닥재 골재의 경우 산성화 및 인체독성의 가중치가 커질수록 선호되는 것으로 평가되었다.

주요어 : 전과정평가, 골재 재료, 건축폐기물, 슬래그, 바닥재

2008년 4월 1일 접수, 2008년 11월 6일 채택

1) 삼두주식회사, 2) 대한주택공사, 3) 대우엔지니어링, 4) 서울대학교 에너지자원공학과

*Corresponding Author(전효택) E-mail; [email protected]

Address; Department of Energy Resources Engineering, Seoul National University 연구논문

Goal and Scope Definition

Inventory Analysis

∙ Constructing the Process Flow Chart

∙ Collecting the Data

∙ Defining the System Boundary

∙ Processing the Data

Impact Assessment

∙ Classification

∙ Characterization

∙ Normalization

∙ Weighting Factor

Improvement Assessment

∙ Result Interpretation

∙ Reporting

Fig. 1. The framework of life cycle assessment.

서 론

국내의 하상 골재 채취는 환경에 대한 관심이 증가함 에 따라 개발에 많은 어려움이 있어 최근에는 주로 쇄석 골재와 해사의 사용이 증가되고 있으나 이들도 환경 보 전과 운송 거리의 제약 등의 여러 가지 문제점을 내포하 고 있다(김주용, 2005). 2000 년 신도시 개발과 더불어 발생한 골재 부족 현상으로 인해 골재 가격이 큰 폭으로 상승한 바 있으며(이종윤 등, 2006) 현재도 운반 거리에 의해 결정되는 골재 가격 특성에 따라 일부 지역에서는 골재 부족 현상으로 대규모 토목 공사가 지연되고 있는 경우가 있어 공사계획 수립 시 골재 확보 방안이 매우 중요한 항목으로 평가되고 있다.

부족한 골재 문제를 해결하기 위해 대체 재료 개발에 대 한 연구가 활발히 진행 중이다. 대표적인 천연 골재의 재 료로써는 건설폐기물을 재활용하여 골재 재료로 사용하는 순환골재(Recycled Aggregate, RA), 슬래그를 재활용하여 골재 재료로 사용하는 슬래그 골재(Slag Aggregate, SA), 바닥재를 재활용하여 골재 재료로 사용하는 바닥재 골재 (Bottom Ash Aggregate, BA) 등이 있으며 상기한 재료 는 부족한 천연 골재의 대체 재료로써 활용 가능할 뿐만 아니라 매립되어지는 폐기물을 골재 자원으로 재활용한 다는 점에서 매립지의 보전과 더불어 환경 친화적인 재 료로써 관심을 받고 있다.

폐기물을 재활용하여 골재를 생산하는 방안은 매립지 를 보전하고 폐기물로부터 용출되는 중금속을 차단하여 토양 및 수계 환경 부담을 감소시키며 천연 골재 자원을 보전시킬 수 있는 긍정적 환경 측면이 존재하나 이를 생 산하기 위해 추가적인 에너지가 소모되며 생산 공정에서 발생되는 환경 부담으로 인한 부정적인 환경 측면도 존 재한다. 폐기물을 재활용하여 생산된 골재의 현장 적용 을 위해서는 앞서 언급한 긍정적인 환경 측면과 부정적 환경 측면을 모두 고려하여 결정하여야 하며 이를 위해 객관적이고 정량적인 환경 영향 평가 방법을 사용하여 각 골재 재료의 현장 적용에 따른 환경 영향을 평가하는 것이 필요하다.

이 연구에서는 순환 골재, 슬래그 골재, 바닥재 골재의 생산 공정에 대한 전과정평가(life cycle assessment)를 실시하여 각 골재 재료의 생산 공정에서 발생하는 환경 영향을 평가하고 각 골재의 현장 적용에 따라 발생하는 환경 영향을 천연 골재 현장 적용에 의해 발생하는 환경 영향과 비교하여 각 대체 골재 재료의 환경적 장단점을 평가하였으며 다차원 의사 결정 모형을 이용하여 의사 결정 요소의 가중치 변화에 따른 최적 골재 재료 선정 방안을 제시하였다.

이론적 배경

전과정평가

전과정평가는 하나의 상품 혹은 상품의 기능에 대하여 에너지 및 원료 물질 획득에서부터 폐기에 이르는 전과 정에 거쳐서 환경 부담을 식별하고 정량화하는 방법이 다. 전과정평가를 다른 환경 영향 평가 방법과 비교해 볼 때 전과정평가는 원재료 추출, 조립, 수송, 사용 및 재사 용, 유지, 재활용 및 폐기에 이르는 모든 공정을 고려한 다는 것이 특징적인 측면이라 할 수 있다.

전과정평가는 목적 및 범위 설정, 목록 분석, 환경 영 향 평가, 결과 보고 등으로 이루어져 있다(Fig. 1). 목적 및 범위 설정에서는 평가 대상 및 목적을 결정하고 투입 물질 및 배출 물질의 양을 표준화하기 위한 기능 단위를 선정한다. 목록 분석에서는 생산 공정에 따라 투입되고 배출되는 물질의 정량적인 자료를 수집하고 기능 단위를 생산하기 위한 물질의 투입량 및 배출량으로 환산한다.

환경 영향 평가에서는 정량화 된 물질을 각각의 환경 영 향 범주에 따라 범주화, 특성화 및 정규화하고 범주간의 비교를 위해서 가중치를 사용한다. 결과 해석 단계에서 는 각각의 물질 중 환경에 큰 영향을 미치는 물질을 규 명하고 그 개선 방안을 모색한다.

다차원 의사 결정 모형

의사 결정시 고려해야 할 요소가 많을 경우 각 요소의 단위가 상이하여 이를 직접적으로 비교하여 판단하기에 는 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해 각 의사 결정 요소의 범주별 평균을 구한 후 나누어 주면 의사 결정 요소는 무차원 값으로 변화된다.

ajave = Σ aji / n

aji : decision making factor of ith process in jth

category

ajave : average of decision making factor in jth category aji' = aji / ajave [unit in dimensionless]

aji' : dimensionless decision making factor of ith process in jth category

무차원 값으로 변환시킨 값이 1보다 클 경우 해당 범 주에서 평균치 미만의 기능을 수행하는 것이며 1보다 작 을 경우 해당 범주에서 평균치 이상의 기능을 수행하는 것으로 평가할 수 있다. 무차원 값으로 변환시킨 값의 단 위는 동일하지만 각 범주간의 중요도에 차이가 있으므로 직접적인 비교는 불가하며 가중치 선정을 통해 비교 가 능해 진다. 특히, 다차원 의사 결정 모형과 전과정평가를 병행하여 사용할 경우 친환경성과 더불어 경제성 및 기 타 사회적 가치관을 모두 고려한 최선의 방안을 선정할 수 있다는 장점이 있다.

대체 골재 재료 생산 및 현장 적용에 따른 환경 영향 평가

대체 골재 재료로 사용 가능한 물질 가운데 현재 국내 에서 적용 중이거나 적용 방안에 대한 연구가 진행되고 있는 건설 폐기물을 재활용한 순환골재, 고로 및 철강 슬 래그를 재활용한 슬래그 골재, 소각로의 바닥재를 재활용 한 바닥재 골재 등 세 가지를 선정하였으며 각 대체 골재 재료의 생산 공정에 대하여 전과정평가를 실시하였다.

전과정평가 연구 결과를 통해 각 공정의 환경적 특성을 분석하였고 천연골재 사용 방안과 비교하여 환경적 장단 점을 파악하였다. 전과정평가 수행을 위해 CML(Center of Environmental Science - Leiden University) 2001 가 이드라인(Guinée, 2002)과 Gabi 4.0의 데이터베이스를 참조하였으며 목록 분석을 위해 시스템 경계 내에서 실제 측정 가능한 자료를 우선적으로 사용하였고 실측이 불가 능하거나 에너지 및 원료 생산과 관계한 전과정 목록은 기존 문헌 자료 및 상용 데이터베이스를 이용하였다.

본 연구의 결과는 각 재료별로 1개의 생산 공정에서 1년 동안 수집된 자료를 바탕으로 전과정평가를 실시한

결과이며 생산 방법 혹은 생산 공정의 효율성 변동에 따 라 그 결과에도 차이가 발생한다. 따라서 이 연구에서 실 시된 전과정평가의 결과만을 통해 순환골재, 슬래그 골 재, 바닥재 골재의 일반적인 환경적 특성을 논하기엔 제 한이 있음을 밝힌다.

순환 골재

순환골재는 콘크리트 조각, 벽돌, 토사, 목재 등으로 이루어져 있는 건축폐기물을 수거하여 목재 및 철재 등 의 이물질을 제거한 후 토사를 회수하고 남은 폐콘크리 트 부분을 파쇄, 세척하여 재활용하는 골재를 말한다.

건설폐기물의 하루 발생량은 지난 1996년 28,425톤에 서 2006년 148,489톤으로 급증하는 추세를 보이고 있다 (통계청, 2006). 건설 폐기물은 건물 철거 및 공사 과정 에서 주로 발생하며 주로 콘크리트 조각, 벽돌, 토사, 목 재 등으로 이루어져 있으며 폐유를 제외한 부분은 일반 폐기물에 해당된다(김구대, 2006). 건설폐기물은 50%

이상이 폐콘크리트로 이루어져 있으며 과거에는 공사 현 장에서 임의적으로 재사용하는 경우가 많았으나 최근 폐 기물 문제가 사회화되면서 임의 처리가 불가해져 매립지 로 반입되어야 하는데 일일 발생량이 모두 매립지로 반 입될 경우 톤당 반입 비용이 8,000원 정도임을 감안할 때 하루 6억 원이 넘는 비용이 건설폐기물 처리에 사용 되어야 하고 이는 건설 사업의 경쟁력이 뒤처지게 되는 주요 원인이 될 수 있다.

2003년 12월 ‘건설폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률’

이 제정됨으로써 건설폐기물을 재활용하여 건설 자원으 로 활용하는 순환골재 활용 방안은 폐기물 매립지 부족, 환경보전 필요성, 급증하는 건설폐기물 활용, 자원 순환 형 건설 산업 체제 구축을 위한 해결책으로서 관심이 높 아지고 있으며, 정부발주 공사의 경우 일정비율 이상 순 환골재 사용을 권장하고 있어 순환골재 재활용 비율은 점차 증가할 것으로 예상된다.

이 논문에서는 경기도에 위치한 A사의 순환골재 생산 공정에 대해 전과정평가를 실시하여 순환골재 생산 공정 에서 발생하는 환경 영향을 평가하여 순환골재 생산 공 정의 환경 개선 방안 수립과 관련한 정보를 제공하고 순 환골재의 현장 적용시 발생하는 환경 영향과 천연골재 현장 적용시 발생하는 환경 영향을 비교하여 각 재료의 친환경성을 검토해 보았다.

A사의 순환골재 생산 공정은 건설폐기물에서 토사 및 자성체를 선별하여 재활용하는 공정, 순환골재로 사용 불가한 목재 및 기타폐기물을 선별하여 폐기하는 공정, 남은 폐콘크리트를 파쇄작업을 통해 입도를 조절하고 수 세 공정을 통해 오염물질을 제거하는 공정으로 이루어진

Table 1. Environmental impact of recycled aggregate production process

Category Environmental Impact Category Environmental Impact Abiotic Depletion 1.351E-02 kg

Sb equivalent Human Toxicity 1.988E+01 kg human body equivalent Acidification 7.301E-02 kg

SO2 equivalent

Marine Aquatic Ecotoxicity

7.200E+04 kg marine water equivalent Eutrophication 2.747E-02 kg

phosphate equivalent

Ozone Layer Depletion

1.041E-06 kg R11 equivalent Freshwater Aquatic

Ecotoxicity

1.213E+02 kg freshwater equivalent

Photochemical Oxidation

5.629E-03 kg ethene equivalent Global Warming 2.263E+00 kg

CO2 equivalent

Terrestrial Ecotoxicity

2.015E-01 kg soil equivalent Construction Waste

Jaw Crushing

Soil Screening Soil Recycling

Magnetic Screening Ferromagnetic Material Recycling

Waste Screening Solid Waste

Cone Crushing

Washing Waste Water & Sludge

Drying

Recycled Aggregate

Fig. 2. Recycled aggregate production process.

Fig. 3. Relative environmental impact of recycled aggregate application to natural aggregate application.

다(Fig. 2).

기능 단위를 순환골재 1톤으로 선정하고 전과정 목록 분석을 실시하여 순환골재 1톤 생산에 필요한 투입 물질 과 배출 물질의 양을 정량화하여 전과정평가를 실시하였 다. 생산 공정 경계 밖에서 이루어지는 원료 물질 및 에 너지 생산, 고체 폐기물 매립, 폐수 및 슬러지 처리와 관

련된 환경 영향은 기존 문헌 자료 및 데이터베이스를 이 용하여 산정하였다.

범주화 및 특성화를 거친 순환골재 생산 공정의 범주 별 환경 영향 평가 결과는 Table 1과 같다. 순환골재 생 산 공정에서 발생하는 환경 영향 가운데 폐기물, 폐수 및 슬러지 발생으로 인하여 환경 영향이 발생하는 부분은 건설폐기물을 재활용하지 않고 매립할 경우 유사하게 발 생하는 부분이다. 그러나 순환골재가 보다 환경 친화적 인 재료로 사용되기 위해서는 이에 대한 개선이 필요하 며 생산 공정 시스템 경계 외부로 방출되는 오염물질의 양을 최소화하기 위하여 건설폐기물 수거시 선별 및 분 리 절차 개선 방안 수립이 요구된다.

순환 골재 1톤을 이용하여 성토 작업을 하였을 경우 발생하는 환경 영향과 천연골재 적용시 발생하는 환경 영향을 비교하였다. Fig. 3은 천연골재 현장 적용을 기준 으로 한 순환골재 현장 적용시 발생하는 상대적 환경 영 향 결과이다. 순환골재를 사용할 경우 천연골재를 사용 하는 것과 비교하여 자원 고갈 범주에서 63.34% 감소하

Table 2. Environmental impact of slag aggregate production process

Category Environmental Impact Category Environmental Impact Abiotic Depletion 1.083E-02 kg Sb equivalent Human Toxicity 1.775E+01 kg

human body equivalent Acidification 6.749E-02 kg SO2 equivalent Marine Aquatic

Ecotoxicity

1.055E+05 kg marine water equivalent Eutrophication 1.706E-02 kg phosphate

equivalent

Ozone Layer Depletion

6.934E-07 kg R11 equivalent Freshwater Aquatic

Ecotoxicity

1.782E+02 kg freshwater equivalent

Photochemical Oxidation

2.851E-03 kg ethene equivalent Global Warming 9.706E-01 kg CO2 equivalent Terrestrial

Ecotoxicity

2.724E-01 kg soil equivalent Slag

Jaw Crushing

Magnetic Screening Ferromagnetic Material Recycling

Cone Crushing

Slag Aggregate

Fig. 4. Slag aggregate production process.

는 것으로 나타났으며 이는 천연골재 자원 보전에 의해 감소되는 부분으로 평가된다. 오존층 파괴 및 광화학적 산화 범주에서도 각 56.26%, 34.34%의 환경 영향이 감 소하는 것으로 나타났으며 이는 순환골재 사용 방안에서 화석연료 사용량이 감소함으로 인해 나타나는 부분이다.

지구온난화 범주에서는 환경 영향이 47.45% 증가하는 것으로 나타났으며 이는 순환골재 생산 공정에서 소모되 는 전력 사용량이 증가함에 따라 증가한 환경 영향으로 평가된다.

슬래그 골재

슬래그는 철강을 제조하는 과정에서 부산물로 생성되 며 철광석으로부터 선철을 추출하는 고로에서 발생되는 고로슬래그와 선철을 제강하는 과정에서 발생되는 제강 슬래그로 구분된다. 선철을 추출하는 고로에서는 용광로 에 철광석, 코크스, 석회석 등을 넣고 1400∼1500℃로 가열하여 코크스를 환원제로 한 철광석의 환원 반응이 발생한다. 고로에서 철광석의 환원반응이 완료되면 철광 석의 불순물과 회분 등이 석회석과 반응하여 슬래그가 생성되는데 선철 톤당 약 300∼330 kg 정도가 발생한다.

제강 공정은 고로에서 생산된 선철 내 불순물을 제거하 는 과정이며 용해선철과 고철 등의 주원료와 생석회, 석 회석, 백운석 등의 부원료를 사용한다. 선철 내 불순물의 산화물이 부원료 성분과 결합하여 슬래그가 발생하게 되 고 그 발생량은 제강 조건에 따라 차이가 있으나 일반적 으로 톤당 약 120∼150 kg의 슬래그가 발생한다.

이 논문에서는 경상북도에 위치한 B사의 슬래그 골재 생산 공정에 대해 전과정평가를 실시하여 슬래그 골재 생산 공정에서 발생하는 환경 영향을 평가하고 슬래그 골재의 현장 적용시 발생하는 환경 영향과 천연골재 현 장 적용시 발생하는 환경 영향을 비교하여 각 재료의 친 환경성을 검토하였다. 고로슬래그와 제강슬래그는 화학

적 성분에 차이가 있으며 일반적으로 고로슬래그는 그 성분이 일정하나 제강슬래그의 경우는 제강 공법에 따라 그 성분이 매우 다양하다. 일반적으로 고로슬래그 내에 는 SiO2 및 Al2O3의 상대적 함량이 높은 편이며 제강슬 래그 내에는 FeO의 상대적 함량이 높다(김지동, 2003).

B사의 슬래그 골재 생산 공정은 Fig. 4와 같으며 슬래그 골재 생산에는 고로슬래그 및 제강슬래그가 혼합되어 투 입되며 순환골재 생산 공정과 비교하여 보았을 때 선별 공정의 수가 적고 단지 자력 선별에 의한 강자성체만 회 수하여 재활용하고 크기 조절을 위한 파쇄 공정을 거쳐 생산된다. 이는 슬래그 골재의 경우 그 성분이 비교적 균 질하여 이물질 선별 과정이 크게 필요하지 않으며 슬래 그 골재 품질 관련 기준이 명확하지 않아 시공 후에 오 염원으로 평가될 수 있는 중금속 등의 물질을 제거하기 위한 수세 공정이 없기 때문이다.

슬래그 골재 생산 공정의 환경 영향을 평가하기 위하

Fig. 5. Relative environmental impact of slag aggregate application to natural aggregate application.

Table 3. Status of municipal waste treatment in Korea (Korea National Statistical Office web site, http://www.nso.go.kr/) [tonne/day]

Year Landfill Incineration Recycling Total

1996 34,116 2,725 13,084 49,925

1997 30,579 3,409 13,907 47,895

1998 25,074 3,943 15,566 44,583

1999 23,544 4,676 17,394 45,614

2000 21,831 5,441 19,166 46,438

2001 21,000 6,577 20,922 48,499

2002 20,724 7,229 21,949 49,902

2003 20,450 7,348 22,938 50,736

2004 18,195 7,224 24,588 50,007

여 전과정평가를 실시하였다. 기능 단위를 슬래그 골재 1톤으로 선정하고 전과정 목록 분석을 실시하여 슬래그 골재 1톤 생산에 필요한 투입 물질과 배출 물질의 양을 정량화하였다. 생산 공정 경계 밖에서 이루어지는 원료 물질 및 에너지 생산과 관련된 환경 영향은 기존 문헌 자료 및 데이터베이스를 이용하여 산정하였다. 범주화 및 특성화를 거친 슬래그 골재 생산 공정의 환경 영향 평가 결과는 Table 2와 같다.

슬래그 골재 1톤을 이용하여 성토 작업을 하였을 경우 발생하는 환경 영향과 천연골재 적용시 발생하는 환경 영 향을 비교하였다. Fig. 5는 천연골재 현장 적용을 기준으 로 한 슬래그 골재 현장 적용시 발생하는 상대적 환경 영 향 결과이다. 슬래그 골재를 사용할 경우 천연골재를 사 용하는 것과 비교하여 오존층 파괴 및 자원 고갈 범주에 서 각 70.86%, 70.62% 감소하는 것으로 나타났으며 이 는 천연골재 자원 보전 및 에너지 소비량 저감에 의해 감 소되는 부분으로 평가된다. 해양생태독성, 담수생태독성, 토양생태독성 범주에서는 각 48.80%, 47.91%, 35.47%

의 환경 영향이 증가하는 것으로 나타났다. 주요 원인은 슬래그 골재 시공 후 골재로부터 용출된 중금속에 의한 영향인 것으로 나타났다.

슬래그 골재 현장 적용시 발생하는 환경 영향 비교 결 과 슬래그 골재는 생산 공정에 소모되는 에너지가 순환골 재 생산 공정에 비하여 적은 편이여서 친환경적인 천연골 재 대체 재료로 평가되었다. 그러나 시공 후 중금속의 용 출로 인해 토양 및 수계생태독성 범주의 환경 영향이 발 생하여 친환경성이 저감되므로 골재 생산 공정에 수세 등 의 설비를 추가해 중금속 용출 가능성을 저감하면 친환경 성을 보다 극대화할 수 있을 것으로 평가되었다.

바닥재 골재

소각재는 생활폐기물 등을 소각 시설에서 연소시킨 후 바닥 및 집진장치에서 발생하는 재를 말한다. 일일 생활 폐기물 발생 현황은 1996년 49,925톤에서 2004년 50,007 톤으로 그 발생량에 변화가 거의 없으나 소각 처리되는 양은 1996년 2,725톤에서 7,224톤으로 크게 증가하여 생활 폐기물 가운데 소각 처리되는 비율이 5%에서 14%

로 높아진 것을 확인할 수 있다(Table 3). 소각재는 크게 바닥재와 비산재로 나눌 수 있다. 바닥재는 소각 후 소각 로의 바닥에서 배출되며 폐기물량의 10∼15% 정도 비 율로 발생한다. 바닥재는 중금속의 함량이 비교적 낮기 때문에 이를 재활용하여 골재로 활용하려는 연구가 진행 중이다(명호근 외, 2000). 비산재의 경우 연소가스 속 분 진의 형태로 발생하며 이를 포집하는 분진 제거 설비에 서 배출된다. 전체 폐기물량의 1.0∼1.5% 정도 비율로 발생하며 중금속의 함량이 비교적 높아 이를 재활용하기 위해서는 플라즈마 용융과 같은 추가 처리 시설이 필요 하다.

이 논문에서는 바닥재를 재활용하여 골재를 생산할 경

Table 4. Environmental impact of bottom ash aggregate production process

Category Environmental Impact Category Environmental Impact Abiotic Depletion 1.308E-02 kg

Sb equivalent Human Toxicity 1.761E+01 kg human body equivalent Acidification 6.523E-02 kg

SO2 equivalent

Marine Aquatic Ecotoxicity

8.128E+04 kg marine water equivalent Eutrophication 2.061E-02 kg

phosphate equivalent

Ozone Layer Depletion

8.378E-07 kg R11 equivalent Freshwater Aquatic

Ecotoxicity

1.516E+02 kg freshwater equivalent

Photochemical Oxidation

4.133E-03 kg ethene equivalent Global Warming 1.407E+00 kg

CO2 equivalent

Terrestrial Ecotoxicity

2.194E-01 kg soil equivalent Bottom Ash

Jaw Crushing

Magnetic Screening Ferromagnetic Material Recycling

Cone Crushing

Washing Waste Water & Sludge

Drying

Bottom Ash Aggregate

Fig. 6. Bottom ash aggregate production process.

Fig. 7. Relative environmental impact of bottom ash aggre- gate application to natural aggregate application.

우 발생하는 환경 영향을 평가하고 바닥재 골재를 사용 하여 현장 적용시 발생하는 환경 영향을 천연골재 현장 적용시 발생하는 환경 영향과 비교하여 각 재료의 친환 경성을 검토하였다. 바닥재 골재의 경우 현재 상업적으 로 생산하고 있는 업체의 접촉이 불가하여 기존 연구 결 과를 토대로 가상의 공정을 설계하고 바닥재의 알려진 물성을 이용하여 전과정평가를 실시하였다.

바닥재 골재의 생산 공정도를 작성하기 위해 일본 C사 의 바닥재 재활용 공정 개요를 참조하였다. 작성된 공정 도에 따르면 바닥재 골재 생산 공정은 일련의 파쇄 공정 을 거치며 자력 선별을 통해 강자성체를 회수하여 재활

용하고 수세 공정을 통해 생산된다. 순환골재 생산 공정 과 비교할 때 토양 회수 및 고체 폐기물 선별 공정이 없 으며 슬래그 골재 생산 공정과 비교할 때 수세 공정이 추가되어 두 공정의 중간 형태를 띠고 있다(Fig. 6).

바닥재 골재 생산 공정의 환경 영향을 평가하기 위하 여 전과정평가를 실시하였다. 기능 단위를 바닥재 골재 1톤으로 선정하고 전과정 목록 분석을 실시하여 바닥재 골재 1톤 생산에 필요한 투입 물질과 배출 물질의 양을 정량화하였다. 바닥재 골재 생산량 및 바닥재 골재 생산 에 투입되는 원료 물질인 바닥재 및 에너지 투입량은 순 환 골재 및 슬래그 골재 생산 공정의 장비 효율을 기준 으로 하여 산정하였으며 폐수 및 슬러지 내 중금속의 함 량은 바닥재의 화학 분석 실험 결과를 이용하여 산정하 였다. 생산 공정 경계 밖에서 이루어지는 원료 물질 및 에너지 생산과 관련된 환경 영향은 기존 문헌 자료 및 데이터베이스를 이용하여 산정하였다. 범주화 및 특성화 를 거친 바닥재 골재 생산 공정의 범주별 환경 영향 평 가 결과는 Table 4와 같다.

바닥재 골재 1톤을 이용하여 성토 작업을 하였을 경우

Table 5. Decision-making factor of aggregate materials Category Natural

Aggregate

Recycled Aggregate

Slag Aggregate

Bottom Ash

Aggregate Average Unit

Abiotic

Depletion 3.685E-02 1.351E-02 1.083E-02 1.308E-02 1.86E-02 kg Sb equivalent Acidification 6.702E-02 7.301E-02 6.749E-02 6.523E-02 6.82E-02 kg SO2

equivalent Eutrophication 2.741E-02 2.747E-02 1.706E-02 2.061E-02 2.31E-02 kg phosphate

equivalent Freshwater

Aquatic Ecotoxicity

1.204E+02 1.213E+02 1.782E+02 1.516E+02 1.43E+02 kg freshwater equivalent Global

Warming 1.535E+00 2.263E+00 9.706E-01 1.407E+00 1.54E+00 kg CO2

equivalent Human

Toxicity 1.972E+01 1.988E+01 1.775E+01 1.761E+01 1.87E+01 kg human body equivalent Marine Aquatic

Ecotoxicity 7.091E+04 7.200E+04 1.055E+05 8.128E+04 8.24E+04 kg marine water equivalent Ozone Layer

Depletion 2.379E-06 1.041E-06 6.934E-07 8.378E-07 1.24E-06 kg R11 equivalent Photochemical

Oxidation 8.574E-03 5.629E-03 2.851E-03 4.133E-03 5.30E-03 kg ethene equivalent Terrestrial

Ecotoxicity 2.011E-01 2.015E-01 2.724E-01 2.194E-01 2.24E-01 kg soil equivalent Price 1.200E+04 6.000E+03 6.300E+03 7.000E+03 7.83E+03 won / tonne Expediency 1.000E+00 2.000E+00 1.430E+00 1.710E+00 1.54E+00 - 발생하는 환경 영향과 천연골재 적용시 발생하는 환경

영향을 비교하였다. Fig. 7은 천연골재 현장 적용을 기준 으로 한 바닥재 골재 현장 적용시 발생하는 상대적 환경 영향 결과이다. 바닥재 골재를 사용할 경우 천연골재를 사용하는 것과 비교하여 오존층 파괴, 자원 고갈 및 광화 학적 산화 범주에서 각각 64.79%, 64.50%, 51.80% 감 소하는 것으로 나타났다. 이는 천연골재 자원 보전과 에 너지 사용량 저감으로 인해 감소하는 부분으로 평가되었 다. 담수생태독성, 해양생태독성 범주에서는 각 25.89%, 14.62% 증가하는 것으로 나타났으며 이는 수세 공정에 서 발생하는 폐수 및 슬러지의 영향과 시공 후 바닥재 골재로부터 용출되는 중금속의 영향으로 판단되었다.

바닥재 골재 생산 및 적용의 경우 순환골재 및 슬래그 골재의 중간 수준의 에너지가 소모되므로 지구온난화, 광화학적 산화, 부영양화 등의 환경 영향도 중간 수준이 었다. 순환골재 내 중금속 함량보다는 높은 수준의 중금 속을 함유하고 수세 공정을 통해 일정 부분 제거되어 담 수생태독성, 해양생태독성, 토양생태독성 범주에서도 중 간 수준의 환경 영향 평가 결과를 보였다. 향후 바닥재

골재를 실제 생산할 경우 상기 결과를 참조하여 에너지 소모량 및 중금속 용출량을 저감시키는 공정을 설계한다 면 바닥재 골재가 친환경적인 천연골재 대체 재료로 사 용될 수 있으리라 기대된다.

다차원 의사 결정 모형을 이용한 골재 선호도 평가

앞에서 대체 골재 재료인 순환골재, 슬래그 골재, 바닥재 골재에 대하여 현장에 적용시 발생하는 환경 영향을 검토 하였으나 최적 재료 선정시 각 재료를 대상으로 10 개 환 경 범주에 대한 평가 결과를 통해서는 각 재료의 장단점을 쉽게 파악할 수 없다. 여기서는 전과정평가의 결과와 가격 및 용이성을 의사 결정 요소로 선정하고 각 요소의 가중치 변화에 따른 최적 골재 선택 문제 해결 방법을 기술하였다. Table 5는 범주별 환경 영향 평가 결과와 가격 및 용 이성 대해 정리한 결과이다. 범주별 환경 영향 평가 결과 는 앞서 수행되었던 전과정평가의 결과에 의한 것이며 가격은 실제 골재의 톤 당 가격을 기재한 것이다. 재료의 용이성은 생산 공정이 필요하지 않은 천연골재를 1로 가

Table 6. Non-dimensional decision-making factor of aggregate materials

Category Natural Aggregate Recycled Aggregate Slag Aggregate Bottom Ash Aggregate Abiotic

Depletion 1.985 0.728 0.583 0.705

Acidification 0.983 1.071 0.990 0.957

Eutrophication 1.185 1.187 0.737 0.891

Freshwater Aquatic

Ecotoxicity 0.843 0.849 1.247 1.061

Global Warming 0.994 1.466 0.629 0.911

Human Toxicity 1.052 1.061 0.947 0.940

Marine Aquatic

Ecotoxicity 0.860 0.874 1.280 0.986

Ozone Layer

Depletion 1.922 0.841 0.560 0.677

Photochemical

Oxidation 1.619 1.063 0.538 0.780

Terrestrial

Ecotoxicity 0.899 0.901 1.218 0.981

Price 1.534 0.767 0.805 0.895

Expediency 0.651 1.303 0.932 1.114

Average 1.211 1.009 0.872 0.908

정하고 생산 공정이 가장 복잡한 순환골재를 2로 하여 세부공정의 개수에 맞게 할당한 값이다. 가격 및 용이성 을 포함한 각 범주의 의사 결정 요소 값은 단위가 상이 하여 직접적인 비교가 불가하다. 각 결정 요소의 값을 4 개 재료의 평균값을 구해 나누어 주면 해당 결정 요소를 무차원 값으로 변환할 수 있다. 각 결정 요소 값의 무차 원 변환 결과는 Table 6과 같다.

무차원 값으로 변환된 값이 1 보다 크면 해당 범주 내 에서 평균과 비교하여 부정적인 영향을 미치는 경우이며 1 보다 작을 경우 해당 범주 내에서 평균보다 긍정적인 영향을 미치는 경우를 뜻한다. 각 재료별 무차원 결정 요 소의 평균을 구하면 슬래그 골재 0.872, 천연골재 1.211 로 12개 범주를 동일하게 고려하였을 경우 슬래그 골재 에 대한 선호도가 가장 높으며 천연골재에 대한 선호도 가 가장 떨어지는 것으로 나타난다. 그러나 이러한 방법 은 각 결정 요소가 의사 결정에 동일한 정도의 영향을 미치는 경우로 제한되며 실제 의사 결정시에는 각 결정 요소별로 상이한 영향을 미친다. 각 결정 요소간의 중요 도는 가중치 선정을 통해 해결되는데 이는 의사 결정권 자의 결심 및 설문 조사 등을 통해 결정될 수 있다. 가중 치가 결정되면 해당 가중치를 각 결정요소에 곱한 후 합 을 구하여 각 재료의 선호도를 결정할 수 있다.

Fig. 8의 (a)는 의사 결정에 있어 중요한 요인인 가격

과 용이성을 고려한 재료 선택 모형이다. 가격에 대한 가 중치가 0.9 이상일 경우 순환골재에 대한 선호도가 가장 높아지며 용이성에 대한 가중치가 0.7 이상이면 천연골 재에 대한 선호도가 가장 높아진다. 그 외 구간에서는 슬 래그 골재에 대한 선호도가 가장 높은 것을 볼 수 있다.

Fig. 8의 (b)는 최근 들어 관심이 증가하고 있는 지구온 난화와 가격을 고려한 재료 선택 모형이다. 지구온난화 에 대한 가중치가 0.05 이상이면 슬래그 골재에 대한 선 호도가 증가하며 가격에 대한 가중치가 0.95 이상이면 순환골재에 대한 선호도가 증가한다. Fig. 8의 (c)는 인 체 독성과 토양생태독성을 고려한 재료 선택 모형이다.

인체 독성에 대한 가중치가 0.4 이상이면 바닥재 골재에 대한 선호도가 증가하며 토양생태독성에 대한 가중치가 0.6 이상이면 천연골재에 대한 선호도가 증가한다. 천연 골재와 순환골재의 선호도는 인체 독성과 토양생태독성 의 가중치 변화에 따라 유사하게 선호도가 이동하는 것 을 볼 수 있다. Fig. 8의 (d)는 산성화와 오존층 파괴를 고려한 재료 선택 모형이다. 산성화에 대한 가중치가 0.8 이상이면 바닥재 골재에 대한 선호도가 증가하며 오존층 파괴에 대한 가중치가 0.2 이상이면 슬래그 골재에 대한 선호도가 증가한다. 바닥재 골재와 슬래그 골재의 선호 도는 산성화와 오존층 파괴의 가중치 변화에 따라 유사 하게 선호도가 이동하는 것을 볼 수 있다.

(a) Impact of aggregate materials considering expediency and price

(b) Impact of aggregate materials considering price and global warming

(c) Impact of aggregate materials considering terrestrial ecotoxicity and human toxicity

(d) Impact of aggregate materials considering ozone layer depletion and acidification

Fig. 8. Result of the optimal aggregate materials considering two decision making factor.

전과정평가의 10개 범주와 가격 및 용이성을 의사 결정 요소로 고려하여 네가지 골재 재료에 대하여 다차원 의사 결정 모형을 적용하였을 경우 담수생태독성, 해수생태독 성, 토양생태독성 및 용의성에 대한 의사 결정 가중치가 강조될수록 천연골재에 대한 선호도가 크게 증가하였으며, 자원 고갈 및 가격에 대한 의사 결정 가중치가 강조될수록 순환골재에 대한 선호도가 증가하였다. 부영양화, 지구온 난화, 오존층 파괴 및 광화학적 산화에 대한 의사 결정 가 중치가 강조될수록 슬래그 골재에 대한 선호도가 증가하 였으며, 산성화 및 인체독성에 대한 의사 결정 가중치가 강조될수록 바닥재 골재가 선호되는 것으로 나타났다.

결 론

전과정평가를 통한 순환골재, 슬래그 골재, 바닥재 골 재의 환경 영향 특성 및 다차원 의사결정모형 적용 결과 는 다음과 같다.

1. A사의 순환골재 생산 공정에서는 에너지 소비량이 비교적 높은 편이고 시공 후 중금속 용출로 인한 환경 부 담이 비교적 낮은 것으로 평가되었으며 천연골재의 현장 적용 방안과 비교하여 골재 자원 보전 및 화석 연료 사용 량 감소로 인해 자원 고갈, 오존층 파괴 및 광화학적 산화

전 해 표

1996년 서울대학교 공과대학 자원공학 과 공학사

2002년 서울대학교 대학원 지구환경시 스템공학부 공학석사

2007년 서울대학교 대학원 지구환경시 스템공학부 공학박사

현재 삼두주식회사 전략기획부문 전무이사 (E-mail; [email protected])

방 기 문

1985 년 서울대학교 공과대학 자원공학 과 공학사

1992 년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사

2006 년 서울대학교 대학원 지구환경시 스템공학부 공학박사

현재 대우엔지니어링 토목그룹 상무 (E-mail; [email protected])

이 종 윤

2000년 중앙대학교 토목공학과 공학사 2005년 서울대학교 대학원 지구환경시

스템공학부 공학석사

현재 대한주택공사 오산신도시사업본부 대리 (E-mail; [email protected])

전 효 택

1971년 서울대학교 공과대학 자원공학 과 공학사

1973년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학석사

1979년 서울대학교 대학원 자원공학과 공학박사

현재 서울대학교 공과대학 에너지자원공학과 교수 (E-mail; [email protected])

범주에서 환경 영향이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

2. B사의 슬래그 골재 생산 공정에서는 에너지 소비량 이 비교적 낮은 편이고 시공 후 중금속의 용출로 인한 환경 부담이 발생하는 것으로 평가되었으며 천연골재의 현장 적용 방안과 비교하여 오존층 파괴 및 자원 고갈 범주에서 환경 영향이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

3. 바닥재 골재 생산 공정에서는 에너지 소비량 및 시 공 후 중금속의 용출로 인한 환경 부담이 중간 정도인 것으로 평가되었으며 천연골재의 현장 적용 방안과 비교 하여 오존층 파괴, 자원 고갈 및 광화학적 산화 범주에서 환경 영향이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

4. 다차원 의사 결정 모형을 적용한 결과 천연골재는 담수 생태독성, 해양생태독성, 토양생태독성 및 편의성의 가중치 가 커질수록 선호되었으며, 순환골재의 경우 가격의 가중치 가 커질수록 선호되는 것으로 평가되었다. 슬래그 골재의 경 우 자원고갈, 부영향화, 지구온난화, 오존층 파괴의 가중치가 커질수록 선호되었으며 바닥재 골재의 경우 산성화 및 인체 독성의 가중치가 커질수록 선호되는 것으로 평가되었다.

5. 상기 전과정평가 결과는 각 대체 골재 재료의 1 개 생 산 공정에서 1 년 동안 수집된 자료를 기준으로 평가된 결 과이며 생산 공정 및 효율성의 차이에 의해 결과가 달라질 수 있어 이를 일반화하여 특정 골재의 환경적 장단점을 평 가하기 위해서는 보다 많은 사례에 대한 연구가 요구된다.

사 사

이 연구는 서울대학교 공학연구소의 지원으로 수행되었다.

참고문헌

김구대, 2006, 폐콘크리트의 재생 골재와 파쇄된 미분말을 재활용할 수 있는 기술 개발, 환경부, 과천.

김주용, 2005, 골재자원부존조사연구 ^: 연차보고서, 산업 자원부, 과천.

김지동, 2003, 철강슬래그 활용 기술 동향, 한국과학기술정 보연구원, 대전.

명호근, 곽영훈, 박영식, 2000, 소각재 안정화 및 재활용기 술에 관한 연구, 환경관리공단, 인천.

이종윤, 반한용, 전해표, 2006, 연약지반 개량을 위한 순환 골재 샌드매트 대체재료 활용 방안에 대한 연구, 대한토 목학회 2006년 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, 김 대중 컨벤션 센터, 광주, pp. 22-25.

통계청 홈페이지, http://kosis.nso.go.kr/

Guinée, J., 2002, Handbook on Life Cycle Assessment - Operational Guide to the ISO Standards, Kluwer Academic Publisher, Boston.