산업부산물 활용 해양환경 개선 및 생태계 보전방안
2019-11-19
org.kosen.entty.User@151e1b96
신우석(ehfus1977)
산업부산물 활용 해양환경 개선 및 생태계 보전 방안
신우석, ehfus77@naver.com
충남연구원, 기후변화대응센터
Key words
Industrial by-product, Marine environment, Improvement, Ecosystem, Preservation
산업부산물, 해양환경, 개선, 생태계, 보전
1. 개요
철강산업 현장에서 발생하고 있는 산업 부산물 또는 폐기물의 처리는 매립과 재활용에 의존하고 있다. 하지만 발생 부산물의 증가와 육상 매립 처리장의 부족 및 신규 처리장 건설의 어려움, 규제 강화 등에 의해 그 처리는 점점 어려워지고 있다. 더구나 최근 이슈가 되고 있는 순환형 사회를 만들고자 폐기물의 재활용에 대한 관심이 매우 높다. 따라서 제철 부산물의 발생량 감소와 함께 발생된 것을 자원화함으로써 재활용률을 높여 폐기물 수거·처리비용을 경감하고 환경오염 및 공해를 방지 해야 한다. 특히 고갈되어 가는 한정된 천연자원의 절약과 보호측면에서도 제철 생산과정에서 나오는 부산물과 슬래그는 최대한 활용되어야 한다.
제철 산업은 대량의 원료와 에너지를 사용하여 철강을 생산하는 과정에서 다양한 종류의 부산물과 폐기물 발생시키고 그 발생량은 주 제품 철강의 약 50%에 이를 정도이다. 예를 들어 모든 시스템을 갖춘 제철공정인 경우 복잡한 연결 생산 체제를 거치면서 많은 양의 부산물 및 폐기물을 발생시키고 있다. 이러한 폐기물에는 다시 재활용이 가능한 철, 탄소 및 석회석 등의 자원이 다량 포함되어 있어 폐기물로 육상 매립에 의해 버려지는 것은 자원 및 에너지 손실이다.
제강 산업의 부산물은 철강슬래그이고 이 철강슬래그는 다시 고로슬래그와 제강슬래그로 나눌 수 있다. 먼저, 고로슬래그는 콘크리트용 세골재, 미분말 등으로 거의 재활용 하고 있지만 제강 슬래그의 경우는 대부분 성토용 또는 도로용 골재와 같이 단순한 재활용 재료로 사용되고 있다1). 이러한 이유는 고로 슬래그와는 화학조성 차이가 크게 달라 시멘트 보조 재료로의 활용이 불가능하며, 또한 제강 슬래그에 포함되어 있는 유리석회(CaO)로 인하여 콘크리트 골재로의 재활용이 제한되고 있기 때문이다.
따라서 본 보고서에선 제강 슬래그의 일반적 특성과 더불어 해양환경 개선 및 생태계 보전에 활용할 수 있는 방안을 중심으로 서술하였다.
2. 제강슬래그의 현황 및 특성
2.1. 제강슬래그의 특성
철에서 강을 만들기 위해 쇳물에 녹아있는 성분( 탄소, 규소) 등을 제거하는 공정에서 나오는부산물인 철강슬래그가 있고, 이 철강슬래그는 다시 고로슬래그와 제강슬래그로 나눌 수 있다. 이 중 제강슬래그는 물로 식히거나 또는 공기 중에서 냉각시켜 괴상의 제강 슬래그가 만들어 진다. 제강슬래그는 고로슬래그 비하여 철 함유량이 높아 비중이 크다. 공정에 따라 전로 슬래그와 전기로 슬래그로 구분된다.
제강슬래그 발생량은 현재(2013년 기준) 10,300,000 톤(전로슬래그 6,798,000 톤, 전기로슬래그 3,502,000 톤)으로 철강슬래그 24,300,000 톤 중 42.3%를 차지하고 있다2).
2.2. 제강슬래그의 재활용에 있어 법적 보완요소
1997년 제정된 “철강 슬래그 및 석탄재배출 사업자의 재활용지침”은 2012년 개정(환경부 고시 2012-209호)된 법률3)에서는 고로슬래그와 제강슬래그의 재활용 용도가 합쳐져 철강슬래그로 재활용 방법을 제시하고 있다. 하지만 고로슬래그와 제강슬래그의 화학적 구성과 안정성이 크게 다른 점을 감안하면, 오히려 구분된 형태로 재활용 방법을 제시하는 것이 더 발전적이라고 볼 수 있다.
2.3. 제강슬래그의 재활용 및 환경적 문제점
2.3.1. 재활용의 문제점
부산물로 발생된 제강슬래그의 일부는 철을 회수하기 위해 사용되고 나머지는 야외 또는 야적장에서 긴 시간 숙성 시킨 후 골재로 이용 되지만 많은 양이 매립 처분되고 있다. 제강 슬래그 활용에 따른 몇 가지 문제점은 다음과 같다.
2.3.2. 제강슬래그의 환경적 문제점
일반적으로 제강 공정에서 발생하는 슬래그는 공기 중에서 상온으로 냉각하여 굳힌 다음 분쇄하여 처리하고 있다. 이러한 공정으로 발생되는 제강슬래그는 그대로 환경에 노출이 될 경우 몇 가지 문제점을 안고 있고 그 내용은 다음과 같다.
3. 해역환경 개선 및 생태계 보전 이용에 대한 연구 동향
2013년 기준 제강슬래그는 약 천 만톤이라는 부산물양이 배출되었으며 이는 지속적으로 증가할 것으로 사료된다. 하지만 현재 제강슬래그의 재활용 방법은 대부분 성토 및 도로 포장재료로 이용되고 나머지는 매립되고 있는 실정이다. 또한 이러한 단순한 재활용은 환경적 문제들(침출수 등)을 고려하지 못하고 있다. 이러한 요구에 따라 현재 해양에서 활용 가능한 다음 두 가지 형태(인공어초 조성과 저질 개선재)의 이용방안에 대해 서술하였다. 해수는 약 알칼리의 특성을 보이고 있어 제강슬래그의 문제점으로 지적되고 있는 물과 반응시 강 알칼리수에 대한 문제점을 보완할 수 있는 환경이 조성되어 있어 육상환경보다 좀 더 수월하게 재활용 가능한 환경이 조성되어 있는 것으로 판단된다.
3.1. 인공 어초로의 이용
3.2. 저질 개선재로서의 이용
제강 슬래그에 함유되어 있는 다양한 미량금속 성분들은 저질에서 오염을 개선 또는 정화하는 기능을 가지고 있다4). 예를 들어 제강 슬래그에 많이 포함되어 있는 칼슘(Ca)은 준설토 내 Si, Al 등과 반응하여 준설토 지반 강도를 상승시켜 준다. 또한 Ca나 Fe에 의해 오염토에 함유된 인산이나 황화수소 등의 발생을 억제시키는 기능도 작용한다. 국내 연구 사례에서는 제강슬래그를 활용하여 오염된 양식장 저질 퇴적물에 복토재로 적용한 결과 저질 퇴적물에서 황화수소 용출이 억제되었으며 주변 저서생물에 대한 악영향도 나타나지 않는 등 양호한 효과를 보였다. 국외 사례로는 일본 동경만, 오사카만 등의 유기물 퇴적층 오염개선 사업에 적용한 사례가 있다.
4. 결론
2013년 기준 철강 슬래그 부산물은 24,300,000 톤으로 이중 고로 슬래그는 14,000,000 톤, 제강 슬래그는 10,300,000 톤이 배출되고 있다. 이 중 고로 슬래그는 고급 재활용 소재로 고로 시멘트의 원료로 다량 재활용 되고 있다. 그러나 제강슬래그는 그 화학적 조성과 미 반응 유리석회(free-CaO)의 높은 함량, 알칼리 침출수 등 환경적 우려가 커 그 재활용이 성토재 또는 도료용 골재로 매우 한정되어 있다. 따라서 향후 철강 산업의 지속 가능한 발전과 자원 순환사회를 구축하기 위해서는 친환경적 재활용에 대한 다양한 연구 및 투자와 함께 정부의 행정·재정적인 지원이 매우 필요하다. 특히 현재 육상환경에서 골재 사용에 있어 다소 어려움이 있는 제강 슬래그의 재활용에 대한 문제를 해결하기 위해서는 육상뿐만 아니라 해양 환경에서 적용할 수 있는 다양한 연구가 우선되어야 할 것이다. 그 사례로 해양 인공어초, 철 공급 유닛, 저질 개선제와 같은 활용방안을 모색할 수 있다. 그러므로 철강 산업에서 이러한 부산물 및 폐기물의 자원화를 적극 추진할 수 있도록 제도의 보완 및 시설지원 등 정부의 대책수립이 필요하다
References
1. 김진만, 조성현, 철강산업부산물의 발생 및 재활용현황, 2010.
2. 오재현, 시멘트 산업에서의 자원재활용, 2017.
3. 환경부, 철강슬래그 및 석탄재 배출사업자의 재활용 지침, 2016.
4. 박광석, 김형석, 전희동, 수저 퇴적물 오염개선을 위한 제강슬래그 복토정화법의 활용, 2011.
신우석, ehfus77@naver.com
충남연구원, 기후변화대응센터
Key words
Industrial by-product, Marine environment, Improvement, Ecosystem, Preservation
산업부산물, 해양환경, 개선, 생태계, 보전
1. 개요
철강산업 현장에서 발생하고 있는 산업 부산물 또는 폐기물의 처리는 매립과 재활용에 의존하고 있다. 하지만 발생 부산물의 증가와 육상 매립 처리장의 부족 및 신규 처리장 건설의 어려움, 규제 강화 등에 의해 그 처리는 점점 어려워지고 있다. 더구나 최근 이슈가 되고 있는 순환형 사회를 만들고자 폐기물의 재활용에 대한 관심이 매우 높다. 따라서 제철 부산물의 발생량 감소와 함께 발생된 것을 자원화함으로써 재활용률을 높여 폐기물 수거·처리비용을 경감하고 환경오염 및 공해를 방지 해야 한다. 특히 고갈되어 가는 한정된 천연자원의 절약과 보호측면에서도 제철 생산과정에서 나오는 부산물과 슬래그는 최대한 활용되어야 한다.
제철 산업은 대량의 원료와 에너지를 사용하여 철강을 생산하는 과정에서 다양한 종류의 부산물과 폐기물 발생시키고 그 발생량은 주 제품 철강의 약 50%에 이를 정도이다. 예를 들어 모든 시스템을 갖춘 제철공정인 경우 복잡한 연결 생산 체제를 거치면서 많은 양의 부산물 및 폐기물을 발생시키고 있다. 이러한 폐기물에는 다시 재활용이 가능한 철, 탄소 및 석회석 등의 자원이 다량 포함되어 있어 폐기물로 육상 매립에 의해 버려지는 것은 자원 및 에너지 손실이다.
제강 산업의 부산물은 철강슬래그이고 이 철강슬래그는 다시 고로슬래그와 제강슬래그로 나눌 수 있다. 먼저, 고로슬래그는 콘크리트용 세골재, 미분말 등으로 거의 재활용 하고 있지만 제강 슬래그의 경우는 대부분 성토용 또는 도로용 골재와 같이 단순한 재활용 재료로 사용되고 있다1). 이러한 이유는 고로 슬래그와는 화학조성 차이가 크게 달라 시멘트 보조 재료로의 활용이 불가능하며, 또한 제강 슬래그에 포함되어 있는 유리석회(CaO)로 인하여 콘크리트 골재로의 재활용이 제한되고 있기 때문이다.
따라서 본 보고서에선 제강 슬래그의 일반적 특성과 더불어 해양환경 개선 및 생태계 보전에 활용할 수 있는 방안을 중심으로 서술하였다.
2. 제강슬래그의 현황 및 특성
2.1. 제강슬래그의 특성
철에서 강을 만들기 위해 쇳물에 녹아있는 성분( 탄소, 규소) 등을 제거하는 공정에서 나오는부산물인 철강슬래그가 있고, 이 철강슬래그는 다시 고로슬래그와 제강슬래그로 나눌 수 있다. 이 중 제강슬래그는 물로 식히거나 또는 공기 중에서 냉각시켜 괴상의 제강 슬래그가 만들어 진다. 제강슬래그는 고로슬래그 비하여 철 함유량이 높아 비중이 크다. 공정에 따라 전로 슬래그와 전기로 슬래그로 구분된다.
제강슬래그 발생량은 현재(2013년 기준) 10,300,000 톤(전로슬래그 6,798,000 톤, 전기로슬래그 3,502,000 톤)으로 철강슬래그 24,300,000 톤 중 42.3%를 차지하고 있다2).
- 전로 슬래그전로에서 사용되는 원료는 크게 주 원료(용융 선철과 철 부스러기), 부 원료(생석회, 석회석, 돌로마이트), 합금 철 등의 원료로 사용된다. 전로에서는 산소를 불어넣어 선철에 있는 불순물을 산화시키고 생성된 산화물은 부 원료와 결합하여 슬래그화 되어 비중차이에 의해 분리된다. 일반적으로 전로 슬래그는 돌보다 무겁고 단단한데 이는 철 일부가 제강공정에서 산화되었기 때문이다. 또한 전로 슬래그가 성토 및 도로용 재료와 같이 토목용 골재로서의 활용이 되지 못하는 것은 유리석회(free-CaO) 성분이 전로 슬래그에 포함되어있기 때문이며, 이 성분은 전로 슬래그 자체 화학성분과 직접적인 관계가 있다.
- 전기로 슬래그전기로 슬래그는 주 원료가 고철이며 고철원료에 열을 가하여 용해하고 정련하는 과정에서 슬래그가 발생하게 된다. 또한 운전 조건에 따라 산화와 환원 조건을 조절할 수 있으며, 이런 조건 환경에 따라 발생된 슬래그는 전기로 산화, 환원슬래그로 또 구분된다. 전기로 슬래그는 밀도가 크고 팽창 및 붕괴성이 낮은 것으로 알려져 있다.
2.2. 제강슬래그의 재활용에 있어 법적 보완요소
1997년 제정된 “철강 슬래그 및 석탄재배출 사업자의 재활용지침”은 2012년 개정(환경부 고시 2012-209호)된 법률3)에서는 고로슬래그와 제강슬래그의 재활용 용도가 합쳐져 철강슬래그로 재활용 방법을 제시하고 있다. 하지만 고로슬래그와 제강슬래그의 화학적 구성과 안정성이 크게 다른 점을 감안하면, 오히려 구분된 형태로 재활용 방법을 제시하는 것이 더 발전적이라고 볼 수 있다.
2.3. 제강슬래그의 재활용 및 환경적 문제점
2.3.1. 재활용의 문제점
부산물로 발생된 제강슬래그의 일부는 철을 회수하기 위해 사용되고 나머지는 야외 또는 야적장에서 긴 시간 숙성 시킨 후 골재로 이용 되지만 많은 양이 매립 처분되고 있다. 제강 슬래그 활용에 따른 몇 가지 문제점은 다음과 같다.
- 많은 양의 슬래그를 매립하므로 매립지 부족 현상을 가중시킨다.
- 국내의 경우 한정된 용도(성토 및 도로용 저가 골재)로 재활용 될 뿐 새로운 용도개발이나 제품 개발이 부족하다
- 토목용 골재이기 때문에 계절적 영향을 많이 받으며 수송비가 많이 든다.이와 같은 문제점을 해결하기 위해 공정 개선과 다양한 재활용 방법 등을 개발하고 있다. 이를 통해 슬래그 배출량 감소와 자원의 효율성 증대를 모색하고 있다.
2.3.2. 제강슬래그의 환경적 문제점
일반적으로 제강 공정에서 발생하는 슬래그는 공기 중에서 상온으로 냉각하여 굳힌 다음 분쇄하여 처리하고 있다. 이러한 공정으로 발생되는 제강슬래그는 그대로 환경에 노출이 될 경우 몇 가지 문제점을 안고 있고 그 내용은 다음과 같다.
- 숙성(aging)이 필요함: 제강슬래그에는 미반응 유리석회(free-CaO)의 함량이 최대 20%까지 포함되어 있다. 이 유리석회가 일상 환경에서 물과 반응하여 알칼리 화합물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)를 생성시키고 이 수산화칼슘은 환경악화 요인이자 화학적 풍화작용을 일으킨다.
- 침출수 문제점: 앞서 서술했듯이 제강슬래그는 물과 만나면 강한 알칼리 수를 발생하기 때문에 야적장에서 숙성(aging)을 시키는 과정이나 물과 첩촉하는 성토재로 사용할 경우 침출수에 의한 2차 환경오염(토양 및 지하수 오염 등)을 일으킬 수 있다.
- 비산먼지 문제점: 슬래그의 파쇄 및 야적 시 발생하는 비산먼지에 대한 철저한 관리가 필요하다.
3. 해역환경 개선 및 생태계 보전 이용에 대한 연구 동향
2013년 기준 제강슬래그는 약 천 만톤이라는 부산물양이 배출되었으며 이는 지속적으로 증가할 것으로 사료된다. 하지만 현재 제강슬래그의 재활용 방법은 대부분 성토 및 도로 포장재료로 이용되고 나머지는 매립되고 있는 실정이다. 또한 이러한 단순한 재활용은 환경적 문제들(침출수 등)을 고려하지 못하고 있다. 이러한 요구에 따라 현재 해양에서 활용 가능한 다음 두 가지 형태(인공어초 조성과 저질 개선재)의 이용방안에 대해 서술하였다. 해수는 약 알칼리의 특성을 보이고 있어 제강슬래그의 문제점으로 지적되고 있는 물과 반응시 강 알칼리수에 대한 문제점을 보완할 수 있는 환경이 조성되어 있어 육상환경보다 좀 더 수월하게 재활용 가능한 환경이 조성되어 있는 것으로 판단된다.
3.1. 인공 어초로의 이용
- 제강슬래그 인공석재·블록제강슬래그를 활용해 제조한 인공석재 등은 천연골재(규사 등)를 사용하지 않은 시멘트 콘크리트 대체 리사이클 재료이다. 최근 국내에서도 제강슬래그 인공어초가 해조류 부착과 성장에 뛰어난 효과가 있는 것이 보고되고 있다. 이러한 결과는 갯녹음 등으로 사막화되고 있는 연안 생태계를 복원하기 위한 해중림 조성 사업으로 이어지고 있다. 그 적용 지역은 강원, 경북지역으로 슬래그계 해중림초가 활발히 적용되고 있다. 이러한 제강슬래그를 이용한 인공석재 등은 다음과 같은 이점이 있다.
- 재료 전량을 재활용 가능한 해양·수산 자원 조성 인공 구조물로서 경제성이 탁월한 효과가 있다.
- 천연골재를 사용하지 않고 폐기물을 재활용 처리하는 효과가 있다.
- 제강슬래그(공극률 20∼30%)를 이용하기 때문에 해조류가 부착하기 용이하고 번식을 증진시키는 효과가 있다.
- 철분 공급 유닛제강슬래그와 폐 목재 칩을 사용하여 발효시킨 인공부식토를 혼합하여 만든 철분 공급 유닛은 해수에 부족한 철 이온을 공급해 줄 수 있다. 슬래그에 함유된 철 이온과 인공부식토에서 생성된 유기 부식산이 결합하여 안정한 부식산 철(철 이온)이 생성되고 해수 내에서 식물상에 철 이온을 공급된다. 이러한 이유로 일명 “해조용 비료”로 불리어진다. 철 이온의 해양 식물상 생육에 대한 유용성이 배양실험과 수조실험 연구에서 확인되었다. 게다가 해수에 철 성분을 인위적으로 추가로 공급할 경우 식물상의 증식을 촉진할 가능성이 높고 해양환경은 물론 지구 전체적으로도 다양한 이익됨이 보고되고 있다.
- 철 공급에 따른 식물상의 증가 또는 성장 과정에서 해수중의 CO2를 흡수하여 결국 대기중의 CO2를 저감하는 효과가 있다.
- 해양식물상의 증식 효과로 오염해역을 정화시키는 기능이 있다
- 해양 식물상에 필요한 철(Fe), 규소(Si) 등을 다량 함유하고 있어 해양 식물상의 부착 및 성장에 기여하는 효과가 있다.
3.2. 저질 개선재로서의 이용
제강 슬래그에 함유되어 있는 다양한 미량금속 성분들은 저질에서 오염을 개선 또는 정화하는 기능을 가지고 있다4). 예를 들어 제강 슬래그에 많이 포함되어 있는 칼슘(Ca)은 준설토 내 Si, Al 등과 반응하여 준설토 지반 강도를 상승시켜 준다. 또한 Ca나 Fe에 의해 오염토에 함유된 인산이나 황화수소 등의 발생을 억제시키는 기능도 작용한다. 국내 연구 사례에서는 제강슬래그를 활용하여 오염된 양식장 저질 퇴적물에 복토재로 적용한 결과 저질 퇴적물에서 황화수소 용출이 억제되었으며 주변 저서생물에 대한 악영향도 나타나지 않는 등 양호한 효과를 보였다. 국외 사례로는 일본 동경만, 오사카만 등의 유기물 퇴적층 오염개선 사업에 적용한 사례가 있다.
4. 결론
2013년 기준 철강 슬래그 부산물은 24,300,000 톤으로 이중 고로 슬래그는 14,000,000 톤, 제강 슬래그는 10,300,000 톤이 배출되고 있다. 이 중 고로 슬래그는 고급 재활용 소재로 고로 시멘트의 원료로 다량 재활용 되고 있다. 그러나 제강슬래그는 그 화학적 조성과 미 반응 유리석회(free-CaO)의 높은 함량, 알칼리 침출수 등 환경적 우려가 커 그 재활용이 성토재 또는 도료용 골재로 매우 한정되어 있다. 따라서 향후 철강 산업의 지속 가능한 발전과 자원 순환사회를 구축하기 위해서는 친환경적 재활용에 대한 다양한 연구 및 투자와 함께 정부의 행정·재정적인 지원이 매우 필요하다. 특히 현재 육상환경에서 골재 사용에 있어 다소 어려움이 있는 제강 슬래그의 재활용에 대한 문제를 해결하기 위해서는 육상뿐만 아니라 해양 환경에서 적용할 수 있는 다양한 연구가 우선되어야 할 것이다. 그 사례로 해양 인공어초, 철 공급 유닛, 저질 개선제와 같은 활용방안을 모색할 수 있다. 그러므로 철강 산업에서 이러한 부산물 및 폐기물의 자원화를 적극 추진할 수 있도록 제도의 보완 및 시설지원 등 정부의 대책수립이 필요하다
References
1. 김진만, 조성현, 철강산업부산물의 발생 및 재활용현황, 2010.
2. 오재현, 시멘트 산업에서의 자원재활용, 2017.
3. 환경부, 철강슬래그 및 석탄재 배출사업자의 재활용 지침, 2016.
4. 박광석, 김형석, 전희동, 수저 퇴적물 오염개선을 위한 제강슬래그 복토정화법의 활용, 2011.