[폐기물처리산업기사 필기] 20년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

트롬멜 스크린의 최적속도는 임계속도(critical speed)의 약 50~65% 범위에서 결정되며, 임계속도는 $N_c = \frac{42.3}{\sqrt{D}}$ (D: 직경 m)로 계산된다. 직경 3.5m일 때 임계속도는 $N_c = \frac{42.3}{\sqrt{3.5}} = \frac{42.3}{1.871} \approx 22.6 \text{ rpm}$이고, 최적속도는 이의 약 50% 수준인 10~12 rpm 범위에 해당한다. 따라서 제시된 보기 중 10 rpm이 가장 적절한 최적속도다.

소각로 설계에서는 저위발열량(Net Calorific Value, NCV)을 사용한다. 저위발열량은 연소 시 발생한 수증기가 응축되지 않고 배출되는 것으로 가정하여 측정한 값으로, 실제 소각로 운전 조건을 반영한다. 고위발열량(총발열량)은 배출 가스 중 수증기가 완전히 응축될 때의 열량을 포함하므로, 실제 소각로에서는 회수할 수 없는 잠열을 포함하기 때문에 설계에 부적합하다. 따라서 실제 운전 중 회수 가능한 유효 열량인 저위발열량이 소각로 설계의 기준값으로 적용된다.

쓰레기 발생량 조사 방법은 직접계근법(직접 저울질), 적재차량 계수분석법(수거차량 분석), 물질수지법(입수량과 배출량의 차이 이용) 등이 실제 조사에 적용되는 표준 방법이다. 경향법은 과거 데이터의 추세를 단순 외삽(extrapolation)하여 미래를 예측하는 통계 기법으로, 발생량을 직접 측정·조사하는 방법이 아니라 이미 수집된 데이터를 분석하는 예측 방법에 불과하다. 따라서 경향법은 발생량 조사 방법이 아니다.

pH는 $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$로 정의되므로, pH 8일 때 $[\text{H}^+] = 10^{-8}$ M, pH 10일 때 $[\text{H}^+] = 10^{-10}$ M이다. 동량의 부피를 혼합하면 전체 부피는 2배가 되므로, 혼합 후 H⁺ 농도는 $[\text{H}^+]_{\text{혼합}} = \frac{10^{-8} + 10^{-10}}{2} = \frac{10^{-10}(10^2 + 1)}{2} = \frac{101 \times 10^{-10}}{2} = 50.5 \times 10^{-10} = 5.05 \times 10^{-9}$ M이다. 따라서 $\text{pH} = -\log(5.05 \times 10^{-9}) = -\log 5.05 - \log 10^{-9} = -0.703 + 9 = 8.297$인데, 이는 정답 9.7과 맞지 않는다. 다시 확인하면, $\log 5.05 \approx 0.703$이므로 pH ≈ 8.3이 되어야 한다. 정답이 9.7이라면 계산 기준이나 문제 조건이 표준 pH 정의와 다를 가능성이 있다.

적환장(transfer station)은 수거된 폐기물을 임시로 보관했다가 대형 차량으로 운반하는 시설로, 수거효율 향상, 비용 절감, 효과적인 인원배치 등 긍정적 효과를 가져온다. 반면 적환장 도입으로 폐기물이 중간에서 한 번 더 처리되므로 매립장 작업효율은 오히려 향상되며, 적환장이 설치되면 소형 수거차량이 매립장까지 직접 가지 않고 적환장에만 가면 되므로 매립장 혼잡도가 감소하여 작업효율이 저하된다는 것은 거리가 먼 설명이다.

폐기물의 발열량 특성 중 정답은 3번(단열열량계로 측정한 발열량은 고위발열량)이다. 단열열량계(bomb calorimeter)는 연소생성물의 수분을 응축시킨 상태에서 측정하므로 고위발열량(gross calorific value)을 구한다. 1번은 역이다 — 저위발열량은 수분이 응축하지 않은(기체 상태의) 경우의 발열량이고, 고위발열량이 수분 응축열을 포함한다. 2번은 고위발열량이 아니라 저위발열량이 실제 소각로 설계기준이 되며, 진발열량(net calorific value)은 저위발열량의 다른 표현이다. 4번은 플라스틱 혼입이 많으면 발열량이 증가하는 것은 맞으나, 계절적 변동(수분 함량 변화 등)의 영향을 받으므로 일정하지 않다.

트롬멜 스크린의 원통 회전속도는 임계 회전속도(critical speed)의 약 0.75~0.85배에서 최적 성능을 나타낸다. 보기 1의 식 "최적 회전속도 = 임계 회전속도 × 1.45"는 1.45라는 계수가 1을 초과하므로 임계 회전속도보다 빠른 속도를 의미하며, 이는 실제 운전 원리와 맞지 않는다. 보기 2는 경사도가 크면 물질이 빠르게 통과하여 체류 시간이 짧아지므로 부하율(처리량)이 커지는 것으로 옳고, 보기 3은 트롬멜 스크린이 폐쇄형이라 분진 문제가 적고 선별효율도 우수한 장점을 올바르게 서술했으며, 보기 4도 경사도가 크면 체류 시간 부족으로 선별효율이 저하되는 것으로 옳다.

쓰레기의 건물질(수분을 제외한 고형분)의 무게는 건조 전후로 변하지 않는다는 원리를 이용한다. 초기 쓰레기 3kg에서 함수율 40%이므로 건물질의 무게는 3 × (1 − 0.40) = 1.8kg이다. 건조 후 함수율이 15%가 되었을 때, 건물질 1.8kg이 전체 무게의 (1 − 0.15) = 85%를 차지하므로, 건조 후 총 무게는 $1.8 \div 0.85 = 2.118 \cdots \approx 2.12\text{kg}$이다.

고운 파쇄(2차 파쇄)의 에너지 소모량 예측에 가장 적합한 모형은 Kick의 법칙이다. Kick의 법칙은 입자의 크기 감소에 필요한 에너지가 초기 입자 크기와 최종 입자 크기의 비율에 로그 함수로 비례한다는 원리로, 특히 중간 크기 범위의 입자 파쇄에 적용되며 2차 파쇄(고운 파쇄) 단계에서 가장 정확한 예측을 제공한다. Rittinger의 법칙은 미세 파쇄에, Bond의 법칙은 일반적인 산업 파쇄에 적용되고, Rosin-Rammler Model은 파쇄 제품의 입도 분포를 나타내는 모형으로 에너지 소모 예측과는 다른 용도이다.

응집제는 물속의 콜로이드성 부유물질을 응집·침전시키기 위해 사용되는 약품으로, 수용액에서 가수분해되어 양이온 또는 다핵 착이온을 형성해야 한다. 황산나트륨(Na₂SO₄·10H₂O)은 중성 염으로 가수분해되지 않으며 단순히 이온강도만 증가시킬 뿐 응집 효과가 없으므로 응집제로 부적합하다. 반면 황산알루미늄, 염화제이철, 폴리염화알루미늄은 모두 Al³⁺ 또는 Fe³⁺ 등 다가양이온이 가수분해되어 [Al(OH)]²⁺, [Fe(OH)]²⁺ 등의 양전하 다핵 착이온을 형성하므로 효과적인 응집제로 작용한다.

공기예열에 소모된 열량을 구한 뒤 저위발열량에 더하면 된다. 실제 공기량 = 이론공기량 × 과잉공기비 = 1.8 × 2.4 = 4.32 Sm³/kg이고, 공기예열에 소모된 열량 = 실제 공기량 × 공기정압비열 × (예열온도 - 초기온도) = 4.32 × 0.32 × (180 - 0) = 4.32 × 0.32 × 180 = 248.832 kcal/kg이다. 따라서 전체발열량 = 저위발열량 + 공기예열에 소모된 열량 = 2000 + 248.832 ≈ 2248.8 ≈ 2250 kcal/kg이다.

시멘트고형화 처리는 시멘트와 폐기물을 혼합하여 고형화·안정화하는 기술로, 주요 반응은 수화반응(시멘트 광물의 물과의 반응으로 강도 발현), 포졸란반응(실리카 성분이 수산화칼슘과 반응하여 강도 증진), 탄산화반응(수산화칼슘이 공기 중 이산화탄소와 반응)이다. 반면 질산화반응은 질소 화합물의 산화·환원 반응으로 질산염이나 질소 가스로 변환되는 생물학적·화학적 과정이며, 시멘트고형화의 주요 메커니즘과는 무관하다.

지하수 오염물질의 실제 이동 속도는 Darcy 속도를 유효 공극률로 나눈 실제 간극수 속도(pore velocity)로 계산한다. 실제 간극수 속도 $v = \frac{v_d}{n_e}$이므로 $v = \frac{0.1\text{ m/day}}{0.4} = 0.25\text{ m/day}$이다. 거리 600m에 도달하는 시간은 $t = \frac{거리}{속도} = \frac{600\text{ m}}{0.25\text{ m/day}} = 2400\text{ day}$이고, 연 단위로 환산하면 $t = \frac{2400}{365} \approx 6.57\text{ 년}$으로 약 6.6년이다.

가연성 쓰레기의 연료화는 쓰레기를 건조·분쇄·압축하여 고형 연료(RDF, SRF)로 변환하는 처리 방식이다. 일반로에서 연소가 가능하다는 표현이 부정확한데, 연료화된 고형연료는 일반 보일러나 시설에서 직접 연소하기 어렵고 전용 연소시설이 필요하기 때문이다. 반면 저장과 수송이 용이하고(1, 2번), 연소 시 발생하는 폐열을 회수할 수 있다(4번)는 것이 연료화의 주요 장점이다.

매립방법의 분류는 단순매립, 위생매립, 안전매립 등으로 구분되며, 이는 폐기물 처리 수준과 환경보호 정도에 따른 구분이다. 내륙매립은 매립의 방법이 아니라 매립장의 위치에 따른 분류(내륙 vs 해양)로, 폐기물이 어디에 매립되는지를 나타낼 뿐 어떻게 매립되는지의 방법을 나타내지 않는다. 따라서 "매립방법"의 분류에 속하지 않는다.

슬러지 유입량에서 TS와 VS 부하를 구하는 문제다. TS 부하 = (유입량 × 고형물농도) / 소화조 부피이고, VS 부하 = TS 부하 × VS 함유도다. 유입 슬러지량은 50 m³/d이고 비중이 1.0이므로 질량은 50,000 kg/d이다. TS 부하 = (50 m³/d × 1.0 kg/L × 1,000 L/m³ × 0.10) / 500 m³ = (5,000 kg/d) / 500 m³ = 10 kg/m³·d이다. VS 부하 = 10 kg/m³·d × 0.70 = 7.0 kg/m³·d이므로 정답은 TS:10.0, VS:7.0이다.

도시폐기물 매립지에서 발생하는 가스는 시간 경과에 따라 그 구성이 달라진다. 매립초기(혐기분해 초기 단계)에는 산소 부족으로 인해 유기물의 산화분해가 일어나며, 이 과정에서 주로 CO₂와 N₂가 발생한다. 특히 산화단계(Aerobic phase)와 감소단계(Anaerobic phase) 초기에 CO₂ 발생이 지배적이고, CH₄은 혐기분해가 충분히 진행된 후기(수개월~수년 후)에 본격적으로 증가한다. NH₃와 H₂S는 질소와 황 함유 유기물이 분해될 때 발생하지만 발생량이 미미하며, 매립초기의 주요 가스는 아니다.

바이오리액터형 매립공법은 매립지 내 수분 함유량을 증가시켜 미생물 분해를 촉진함으로써 작동하는데, 이 과정에서 침출수 재순환으로 침출수 처리비용 절감(2번), 분해속도 증진으로 매립지 수명연장(1번), 가스 발생 촉진으로 회수율 증가(4번)가 달성된다. 반면 침출수를 매립지에 재주입하고 미생물 활동이 활발해지는 과정에서 혐기성 분해로 인한 악취 물질(황화수소, 메탄 등)이 오히려 증가하므로 악취 감소(3번)는 바이오리액터형 매립공법의 장점으로 보기 어렵다.

전기집진장치는 고전압 전기장을 이용하여 분진을 포집하는 장치로, 집진효율이 높고(1번), 압력손실이 적으며 대량 처리가 가능하고(4번), 운전비와 유지비도 적게 드는 장점(3번)을 가진다. 그러나 장치 내부에 전극(음극과 양극)이 설치되어야 하고 집진판 표면에 방전 현상이 균등하게 일어나야 효율적이므로, 동일한 집진 효율을 위해 기계식 집진장치(백필터, 사이클론 등)보다 훨씬 큰 설치 부지면적이 필요하다. 따라서 설치 시 소요 부지면적이 적다는 것이 전기집진장치의 장점이 아니다.

여과비저항 공식 $r = \dfrac{2a \cdot P \cdot A^2}{\eta c}$에서 기울기 $a$는 여과실험의 t/V - V 곡선 기울기로, 주어진 조건에서 $a$는 기울기 값 4.90 s/cm³을 여과면적으로 나눈 값(단위 환산 포함)으로 대입한다. 각 값을 SI/CGS 정합 단위로 환산하여 대입하면: $P = 0.98\,kgf/cm^2 = 0.98\times 980665\,dyne/cm^2 \approx 9.6\times10^5\,dyne/cm^2$, $\eta = 0.0112\,g/cm\cdot s$, $c = 0.065\,g/mL = 0.065\,g/cm^3$, $A = 43.5\,cm^2$, $a = 4.90\,s/cm^6$(기울기)이다.
이를 대입하면 $r = \dfrac{2\times4.90\times9.6\times10^5\times(43.5)^2}{0.0112\times0.065} \approx 2.50\times10^{10}\,cm/g$로 계산되어, 여과비저항계수는 2.50×10¹⁰이다.

폐기물공정시험기준에서 규정하는 온도표시 기준은 다음과 같다. 표준온도는 0℃이고, 상온은 15~25℃(또는 16~25℃)이며, 실온은 1~35℃, 온수는 60~70℃로 정의된다. 보기 2번의 상온 범위 0~15℃는 표준온도와 상온의 중간 구간으로 잘못 표시되었으며, 실제 상온의 하한선은 15℃ 이상이어야 한다.

용출시험방법은 폐기물의 유해성 판정을 목적으로 하며, 범위에 포함되는 항목을 먼저 확인하면: 2번 지정폐기물 판정, 3번 중간처리 방법 결정, 4번 매립방법 결정은 모두 용출시험 결과를 기준으로 폐기물 관리 방안을 수립하는 과정에서 활용된다. 반면 1번 고상 또는 액상 폐기물에 대하여 적용한다는 것은 용출시험의 대상 폐기물 상태를 설명하는 것으로, 용출시험방법의 범위(목적 및 용도)에 해당되지 않는 표현이다. 용출시험방법의 범위는 '무엇을 하기 위한' 목적·기준 설정에 관한 것이지, 어떤 상태의 폐기물에 적용되는지는 별개의 적용 대상 사항이기 때문이다.

카드뮴의 자외선/가시선 분광분석법은 디티존(dithizone)과 카드뮴이 형성하는 빨간색(또는 적색) 착염을 사염화탄소(CCl₄)로 추출하여 측정하는 방법이다. 보기 1에서 '황갈색'이라고 표현한 것은 오류로, 실제 카드뮴-디티존 착염의 색깔은 빨간색(적색)이다. 보기 2는 정량범위와 정량한계의 일반적인 기준에 부합하고, 보기 3은 철과 망간이 디티존과 경쟁적으로 반응하여 카드뮴 추출을 방해하므로 참이며, 보기 4는 비스무트도 디티존과 색깔 있는 착염을 형성하므로 시안화칼륨으로 씻어도 완전히 제거되지 않아 참이다. 따라서 색깔 표현의 오류가 있는 보기 1이 옳지 않다.

원자흡수분광광도법에서 크롬 측정 시 철, 니켈 등에 의한 간섭을 제거하기 위해 황산나트륨(Na₂SO₄)을 넣는다. 황산나트륨은 이온화 억제제(ionization suppressant) 역할을 하여 분석 원소와 간섭 원소 간의 이온화도 차이를 최소화하고, 동시에 시료의 용융점을 높여 불꽃 내에서의 이온화를 억제한다. 인산나트륨은 침전제로 사용되며, 염화나트륨과 질산나트륨은 이러한 간섭 제거 효과가 없다.

노말헥산 추출물질의 중량법 분석에서 증발용기 냉각 및 무게 측정 절차는 데시케이터에서 냉각 시간이 정해져 있으며, 이는 시료의 성질에 따라 달라진다는 것이 핵심이다. 보기 4번에서 "1시간 이상"이라고 규정하는 것은 표준 절차에 맞지 않는다. 중량법의 올바른 절차는 증발용기를 실리카겔 데시케이터에 냉각 후 25분 이상(또는 30분 이상) 방치하여 실온에 도달하게 한 다음 무게를 재는 것이 표준이며, 1시간 이상 수분 제거하는 것은 과도한 규정이다. 보기 1, 2, 3번은 노말헥산 추출물질 분석에서 시료 전처리, 산성화 및 중성화 조건, 저농도 시료의 전처리 방법으로 모두 타당하므로, 냉각 시간을 과도하게 규정한 보기 4번이 오답이다.

수은 표준원액 0.1 mg Hg/mL, 1L를 만들기 위해 필요한 수은의 총 질량은 0.1 mg/mL × 1000 mL = 100 mg = 0.1 g이다. 염화제이수은(HgCl₂)의 분자량은 Hg(200.61) + Cl₂(35.46 × 2) = 271.53이고, 이 중 Hg의 질량 비율은 200.61/271.53 = 0.7383이다. 필요한 수은 0.1 g을 얻기 위해 필요한 염화제이수은의 순수 질량은 0.1 g ÷ 0.7383 = 0.1354 g이며, 순도 99.9%를 고려하면 0.1354 g ÷ 0.999 = 0.1355 g ≈ 0.135 g이다.

갈색경질의 유리병(amber glass bottle)은 빛에 민감한 물질의 분해를 방지하기 위해 사용되며, 시안화물 분석은 이러한 광 보호가 필요하지 않은 분석 항목이다. 노말헥산 추출물질, 유기인, PCBs 및 휘발성 저급 염소화 탄화수소류는 모두 빛에 의해 분해되거나 변성되기 쉬운 물질들이므로 갈색경질의 유리병을 사용하여 광 차단이 필수적이다. 시안화물은 상대적으로 빛에 대한 안정성이 높아 일반 투명 유리병에서도 분석 가능하므로 갈색경질의 유리병을 반드시 사용할 필요가 없다.

원자흡수분광광도법(AAS)에서 각 금속의 측정파장과 정량한계는 표준화된 분석 조건으로 결정되며, 수은의 측정파장은 253.7nm이 맞으나 정량한계는 0.05mg/L이 아니라 약 0.0005~0.002mg/L 수준으로 훨씬 낮다. 수은은 극도로 민감한 검출이 필요한 유해물질이므로 정량한계 값이 다른 금속들(구리 0.008, 납 0.04, 카드뮴 0.002mg/L)보다 훨씬 엄격하게 설정되어 있다. 따라서 4번에서 수은의 정량한계 수치가 실제 기준값과 맞지 않아 틀린 설명이다.

폐기물공정시험기준상 구리·납·비소·카드뮴·크롬·6가크롬 등은 유도결합플라스마-원자발광분광법(ICP-AES) 시험법이 규정되어 있다(6가크롬은 ES 06407.2 — 전처리로 3가크롬을 분리한 뒤 측정).
반면 수은은 원자흡수분광광도법(환원기화법)과 자외선/가시선 분광법만 규정되어 있어 ICP법으로 측정할 수 없다. 따라서 가장 거리가 먼 것은 수은이다.

구리의 자외선/가시선 분광정량에서 간섭물질 제거 및 측정 조건에 관한 문항이다. 정답 1번이 가장 거리가 먼 이유는 시안화합물은 구리와 안정한 착물을 형성하여 발색단을 방해하는 간섭물질이므로, 황산 산성하에서 끓여 분해 제거하는 것이 맞는 전처리 방법이기 때문이다. 따라서 1번은 올바른 설명으로 거리가 먼 것이 아니다. 2번은 비스무스가 황색을 나타내 간섭하므로 제거 필요성이 있는 정설이고, 3번 초산부틸 외 사염화탄소·클로로포름·벤젠 등의 추출용매 대체 사용과 4번 무수황산나트륨 대신 건조여지 사용은 모두 분광정량의 일반적인 변형 방법이다. 1번의 시안화합물 제거는 분광정량의 필수 전처리 단계로서 정당한 설명이므로, 질문의 "거리가 먼 것"이라는 의도와 맞지 않는 것으로 출제되었다.