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문제 정의
- 또한, 4가지 하수처리공법에서 발생한 슬러지에 대해 퇴비화, 소각, 매립 등의슬러지 처리 시나리오를 적용하며, 각각의 처리과정 중 배출되는 온실가스량을 계산하였다. 궁극적으로이러한 하수 및 슬러지 처리에 대한 시나리오의 비교를 통해 최소의 온실가스를 배출하는 최적의 시나리오를 선택하며, 환경성 평가를 통해 하수처리의 전 과정을 비교 연구하고자 한다.
- 한계점을 갖는다 [4]. 따라서 본 연구에서는 하수 및 슬러지 처리 과정에서 발생하는 온실가스에 대해 동시에 환경성 평가를 수행하며, 이를 통해 온실가스 배출을 최소화시킬 수 있는 하수처리공법과 슬러지 처리 방법을 찾는 것을 목적으로 한다. 하수처리공정에 따른 온실가스 발생량을 비교하기 위해 하수처리 시스템의 주요 생물학적 공정인 A2O, Bardenpho, VIP, UCT 공정에 대한 모델링을 수행하며, 이를 바탕으로 하수처리 중 발생하는 온실가스와 슬러지 배출량을 IPCC를 통해 계산하여 하수처리공법 별 비교를 수행하였다.
- 본 연구는 온실가스의 배출을 최소화하는 하수 및 슬러지 처리 방법을 제시하기 위해 수행되었으며, 이를 위해주요 생물학적 하수처리 공정 (A2O, VIP, UCT, Bardenpho)과 슬러지 처리방법 (퇴비화, 소각, 매립)에서 발생하는 슬러지 및 온실가스의 배출량을 계산하였다. 배출된 온실가스의 계산방법으로는 2006 IPCC 가이드라인 보고서에서 제시된 온실가스 계산식과 COD 물질수지식을 이용하였으며, 각 하수처리공정 별 성능평가를 위해 경제성 평가 역시 수행하였다.
- 본 연구는 하수처리장에서 발생하는 온실가스와 슬러지의 배출량을 계산하고, 온실가스 배출을 최소화시킬 수 있는 하수처리공법과 최적의 슬러지 처리 방법을 찾는 것을 목적으로 한다. 본 연구는 Fig.
- 본 연구에서는 2006 IPCC 가이드라인 보고서에서 제시하는 방법을 사용하여 하수처리장의 유출수로 인한 n2O를 산정하여, 수자원 환경에 배출된 하수처리 유출수로 인한 간접적인 N2O 배출량에 대해 설명하고자 한다. 단순화된 배출량 식은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 각 하수처리공정 별 GWP 와유출수 수질 지표, 즉 EQI를 통해 환경성평가를 해보았다. 먼저 EQI에서는 Bardenpho 공법이 가장 낮은 값을 나타내 다른 공법에 비해 유출수 수질이 좋은 반면, GWP 에서는 UCT 공법의 온실가스 배출량이 제일 낮아 환경부하가 낮은 공법이었다.
가설 설정
- 이 값들을 통해 탄소가스 (OUc)의 값을 구할 수 있고 이 탄소가스를 이용해 하수처리장에서 발생하는 이산화탄소와 메탄 가스를 구할 수 있다. 본 연구에서는 탄소가스는 이산화탄소와 메탄 가스로만 배출된다고 가정하였고, IPCC 가이드라인 보고서에 의한 CH4의 배출계수가 0.25 인 것에 의거하여, 각각의 이산화탄소와 메탄 가스는 75%와 25%의 비율로 배출된다고 가정하였다 [2].
- 이러한 EQI를 통해 유출수의 상태를 한눈에 파악하고 각 각의 네가지 하수처리공정들을 비교할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서의 시스템은 정상상태로 가정하였으며, EQI는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
제안 방법
- GPS-X 프로그램을 이용하여 하수처리공법들을 Fig. 2와 같이 공정 모사하고, 수리학적 계산을 통해 모델링과 시뮬레이션을 수행하였다. 본 과정 중, 각각의 반응조는 활성슬러지공정모델 중에서 질소와 인의 동시 제거가 가능한 ASM2d를 이용했으며 혐기성 소화 모델에서는 ADM1 을 사용하였다.
- 각 하수처리 공법에서 발생되는 온실가스 배출량을 비교하기 위하여, 4가지의 생물학적 하수처 리 공법인 A20, Bardenpho, VIP, UCT 공법에서 발생되는 온실가스 배출량을 산출하였으며, 그 결과는 Table 6과 같다. 이산화탄소의 경우, UCT 공법에서 그 양이 가장 적게발생하였으며 VIP 공법에서 이산화탄소 양이 가장 많이 발생하였다 또한 메탄 배출량의 경우, UCT 공법에서의 발생량이 가장 적으며 VIP 공법에서 가장 많은 양이 배출됨을 확인할 수 있었다.
- 1과 같이 진행하였고, 첫 번째 단계로 하수처리 공정을 선정하여 연구의 목적에 맞는 비교 분석이 가능한 공정들을 선택하게 된다. 그 후 하폐수 처리공정 모사 프로그램인 GPS-X를 통해 공정을 모사 및 시뮬레이션하여 연구에 필요한 자료들을 수집하며, 이 모델링 결과를 바탕으로 2006 IPCC 가이드라인에서 제시한 온실가스 배출량 산정식 과 COD 물질수지식을 이용하여 하수처리공정별 온실가스를 계산한다. 네 번째 단계로각 공정에서 발생된 온실가스 배출량을 지구온난화 지표인 GWP로 환산하여 지구온난화에 미치는 기여도를 비교해 본다.
- 그 후 하폐수 처리공정 모사 프로그램인 GPS-X를 통해 공정을 모사 및 시뮬레이션하여 연구에 필요한 자료들을 수집하며, 이 모델링 결과를 바탕으로 2006 IPCC 가이드라인에서 제시한 온실가스 배출량 산정식 과 COD 물질수지식을 이용하여 하수처리공정별 온실가스를 계산한다. 네 번째 단계로각 공정에서 발생된 온실가스 배출량을 지구온난화 지표인 GWP로 환산하여 지구온난화에 미치는 기여도를 비교해 본다. 다섯째, 하수처리공법에 따른 슬러지 발생량을 계산하며, 발생된 슬러지를 처리하는 시나리오에 따라 배출되는 온실가스량을 계산한다.
- 네 번째 단계로각 공정에서 발생된 온실가스 배출량을 지구온난화 지표인 GWP로 환산하여 지구온난화에 미치는 기여도를 비교해 본다. 다섯째, 하수처리공법에 따른 슬러지 발생량을 계산하며, 발생된 슬러지를 처리하는 시나리오에 따라 배출되는 온실가스량을 계산한다. 마지막으로 각 공법 별 하수처리 전 과정에 걸친 환경성을 평가하고 공정 성능 평가 및 경제성 평가를 수행하여 최적의 공법을 찾아낸다.
- 그 발생량 계산은 다루지 않는다 [2]. 따라서 본 연구에서는 온실가스 중 대표적인 탄소가스인 메탄 (CH4) 과 이산화탄소 (CO2)를 다음과 같은 COD 물질수지 식을 통해 계산된다 (Fig. 4).
- 하수처리공정에 따른 온실가스 발생량을 비교하기 위해 하수처리 시스템의 주요 생물학적 공정인 A2O, Bardenpho, VIP, UCT 공정에 대한 모델링을 수행하며, 이를 바탕으로 하수처리 중 발생하는 온실가스와 슬러지 배출량을 IPCC를 통해 계산하여 하수처리공법 별 비교를 수행하였다. 또한, 4가지 하수처리공법에서 발생한 슬러지에 대해 퇴비화, 소각, 매립 등의슬러지 처리 시나리오를 적용하며, 각각의 처리과정 중 배출되는 온실가스량을 계산하였다. 궁극적으로이러한 하수 및 슬러지 처리에 대한 시나리오의 비교를 통해 최소의 온실가스를 배출하는 최적의 시나리오를 선택하며, 환경성 평가를 통해 하수처리의 전 과정을 비교 연구하고자 한다.
- 또한, 하수처리공정별 유입수조건은 Table 1과 같이 설정하였으며, 설계 및 운전 조건으로 Kim and Yoo[5] 에서 제시한 각 공정 별 최적화된 반응조크기, 침전조 면적, 내부 반송률 등을 적용하였다 (Table 2).
- 다섯째, 하수처리공법에 따른 슬러지 발생량을 계산하며, 발생된 슬러지를 처리하는 시나리오에 따라 배출되는 온실가스량을 계산한다. 마지막으로 각 공법 별 하수처리 전 과정에 걸친 환경성을 평가하고 공정 성능 평가 및 경제성 평가를 수행하여 최적의 공법을 찾아낸다.
- 각 항목별 나타내는 단위가 모두 다르기 때문에 이를 한꺼번에 비교하고 운전 비용을 계산하기 위해서는 Table 5의 각 항목에 해당되는 cost factors를 곱하여 유로단위(€)로 변환하였다. 변환된 각각의 유로 단위의 비용을 더하여 총 비용 (total COST)을 산출하였다. 이 값을 우리나라 비용 산출에 맞도록 원(忙)단위로 환산하였고, 1€=1, 300话을 적용하였다.
- 슬러지 처리 방법을 찾는 것을 목적으로 한다. 본 연구는 Fig. 1과 같이 진행하였고, 첫 번째 단계로 하수처리 공정을 선정하여 연구의 목적에 맞는 비교 분석이 가능한 공정들을 선택하게 된다. 그 후 하폐수 처리공정 모사 프로그램인 GPS-X를 통해 공정을 모사 및 시뮬레이션하여 연구에 필요한 자료들을 수집하며, 이 모델링 결과를 바탕으로 2006 IPCC 가이드라인에서 제시한 온실가스 배출량 산정식 과 COD 물질수지식을 이용하여 하수처리공정별 온실가스를 계산한다.
- 기후변화협약에서의 지구온난화지수는 1995년도를 기준으로 하고 있으며, 각 온실가스별 지구온난화지수는 CO2=1, CH4=21, N20=310과 같다 [2]. 본 연구에서는 A2O, Badenpho, UCT, VIP의 4가지 하수처리공법에서 각각 발생하는 온실가스 량을 다음의 GWP 식을 통하여 산출하여 비교하였다.
- 하수처리공법 별로 발생하는 슬러지 양을 계산하였다. 본 연구에서는 슬러지 처리를 위한 기본 시나리오로써 침전지로부터의 슬러지 농축 후 혐기성 소화의 방법을 이용하였다. 이러한 폐슬러지는 소각, 매립, 퇴비화 등의 방법으로 후 처리되었으며, 이러한 슬러지처리 방법에 따라 발생하는 온실가스의 GWP를 Table 7과 같이 계산하였다.
- 본 연구에서는 하수처리장 모델링 프로그램으로써 동력학적 모델링 소프트웨어인 GPS-X(Hydromantis, Canada)롤 이용하였다. GPS-X 는 생활하수 및 산업폐수 처리장을 모델링 및 시뮬레이션할 수 있는 공정 모사 프로그램으로써, 이는 하수처리장의 공정을 정적 (steady state) 및 동적 (dynamic) 상태로 모사할 수 있는 프로그램인 동시에, 플랜트를 운전하고 설계하는데 기본이 되는 유입조건, 활성슬러지 특성 등 많은 parameter 를 이해하는 가장 강력한 도구이다 [12].
- 슬러지 처리방법에 따른 온실가스 발생량을 비교하기 위해 4가지 주요 하수처리공법 별로 발생하는 슬러지 양을 계산하였다. 본 연구에서는 슬러지 처리를 위한 기본 시나리오로써 침전지로부터의 슬러지 농축 후 혐기성 소화의 방법을 이용하였다.
- EQI는 하수처리장에서 배출되는 유출 오염물질들의 부하를 하나의 단일 지표로 정량화한 것을 나타낸다 [5]. 유출수에서 환경성 평가와 관련된 항목들은 여러 가지가 있지만, 본 연구에서는 유출수 수질의 많은 영향을 끼치는 TSS, BOD5, T-N, COD이 4가지 항목을 EQI 의 항목으로 선정하였다. 이러한 EQI를 통해 유출수의 상태를 한눈에 파악하고 각 각의 네가지 하수처리공정들을 비교할 수 있는 장점이 있다.
- 이 값을 우리나라 비용 산출에 맞도록 원(忙)단위로 환산하였고, 1€=1, 300话을 적용하였다. 이 후 각 하수처리공정들 간의 경제성 평가를 내려 보았다.
- 따라서, 하수처리 공정의 평가 과정을 돕기 위한 성능 지표를 개발하고 이 지표들을 이용하여 동역학적 반응을 비교분석하고 제어전략을 선정하는 과정이 필요하다. 이러한 성능지표로써 본 연구에서는유출수 중 COD, T-N, T-P, TSS 와 같은 여러 가지 변수들을 결합하여 하나의 독립된 지표인 Effluent Quality Index(EQI)로 계산하며, 또한 운전 비용으로써 유출 수질, 펌핑 에너지량, 폭기에너지량, 슬러지 생산량의 측정치를 포함한다 [5]. 이를 통해 하수처리 공정 별로 유출수의 수질을 평가해보고 각 각의 운전비용을 계산해 공정 별 경제성 평가를 한다.
- 본 과정 중, 각각의 반응조는 활성슬러지공정모델 중에서 질소와 인의 동시 제거가 가능한 ASM2d를 이용했으며 혐기성 소화 모델에서는 ADM1 을 사용하였다. 이러한 조건으로 모델링된 하수처리공법들을 시뮬레이션하여 각각의 온실가스 발생량을 산출하였다.
- 이러한 성능지표로써 본 연구에서는유출수 중 COD, T-N, T-P, TSS 와 같은 여러 가지 변수들을 결합하여 하나의 독립된 지표인 Effluent Quality Index(EQI)로 계산하며, 또한 운전 비용으로써 유출 수질, 펌핑 에너지량, 폭기에너지량, 슬러지 생산량의 측정치를 포함한다 [5]. 이를 통해 하수처리 공정 별로 유출수의 수질을 평가해보고 각 각의 운전비용을 계산해 공정 별 경제성 평가를 한다.
- 따라서 본 연구에서는 하수 및 슬러지 처리 과정에서 발생하는 온실가스에 대해 동시에 환경성 평가를 수행하며, 이를 통해 온실가스 배출을 최소화시킬 수 있는 하수처리공법과 슬러지 처리 방법을 찾는 것을 목적으로 한다. 하수처리공정에 따른 온실가스 발생량을 비교하기 위해 하수처리 시스템의 주요 생물학적 공정인 A2O, Bardenpho, VIP, UCT 공정에 대한 모델링을 수행하며, 이를 바탕으로 하수처리 중 발생하는 온실가스와 슬러지 배출량을 IPCC를 통해 계산하여 하수처리공법 별 비교를 수행하였다. 또한, 4가지 하수처리공법에서 발생한 슬러지에 대해 퇴비화, 소각, 매립 등의슬러지 처리 시나리오를 적용하며, 각각의 처리과정 중 배출되는 온실가스량을 계산하였다.
- 따라서 하수처리장의 경제성에 대한 평가 역시 수행되어야 하며, 이러한 운전비용 산출 과정에서 고려할 사항으로는 폭기, 펌핑, 혼합 등의 에너지비용과 슬러지 생산과 처리 비용, 시설비용, 화학약품 구입비용, 인건비용, 토지비용, 운송비용, 기타 유지비용 및 세금 등이 포함된다. 하지만 비용 계산을 위한 각각의 구체적 지표들이 적립된 바가 없고, 개략적인 공정의 비교를 위함이기 때문에 본 연구에서는 슬러지 생산량, 펌핑 에너지량, 폭기량의 세 가지 인자를 고려하여 계산하였다[5].
- 혐기성 조-무산소조-호기성조에 대해 한 개의 반응조로 구성되어 있으며 Fig. 2(d)와 같이 각각의 조건에 대하여 최소한 2개 이상의 완전 혼합 조를 직렬로 사용하여 첫 번째 호기성조에서 잔류 유기물농도를 높게 유지하여 인의 과잉 섭취 능력을 증가시켰다. 호기성조에서 질산화된 혼합액은 반송 슬러지와 함께 무산소조의 입구로 순환되며 무산소조의 혼합액은 혐기성조로 반송된다[5].
대상 데이터
- 본 연구에서는 질소와 인 제거를 목적으로 하는 생물학적 고도처리 공법의 대표적 공정인 A2O, Bardenpho, VIP, UCT 공정을 선정하였다. 또한, 하수처리공정별 유입수조건은 Table 1과 같이 설정하였으며, 설계 및 운전 조건으로 Kim and Yoo[5] 에서 제시한 각 공정 별 최적화된 반응조크기, 침전조 면적, 내부 반송률 등을 적용하였다 (Table 2).
- 따라서 이를 보안하기 위해서 5-stage Bardenphoprocess 인 기본공정의 앞부분에 혐기조를 추가함으로써 인의 제거 효율을 높이는 변형된 Bardenpho 공정도 개발되었다. 유입수의 T-P의 농도가 높지 않고 4 단계의 Bardenpho 공정의 시뮬레이션 결과의 유출수의 T-P 또한 기준치에 부합하기 때문에 본 연구에서는 기존의 4 단계 Bardenpho 공정을 사용하였다.
이론/모형
- 만드는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 IWA에서 제시한 유출수질지표인 Effluent Quality Index(EQI) 개념을 이용하였다 [13]. EQI는 하수처리장에서 배출되는 유출 오염물질들의 부하를 하나의 단일 지표로 정량화한 것을 나타낸다 [5].
- 계산하였다. 배출된 온실가스의 계산방법으로는 2006 IPCC 가이드라인 보고서에서 제시된 온실가스 계산식과 COD 물질수지식을 이용하였으며, 각 하수처리공정 별 성능평가를 위해 경제성 평가 역시 수행하였다. 본 연구 결과, UCT 공법에서 가장 적은 양의 온실가스를 발생한 반면, Bardenpho 공법은 낮은 EQI 값을 보이며 가장 높은 처리효율을 나타냈다.
- 2와 같이 공정 모사하고, 수리학적 계산을 통해 모델링과 시뮬레이션을 수행하였다. 본 과정 중, 각각의 반응조는 활성슬러지공정모델 중에서 질소와 인의 동시 제거가 가능한 ASM2d를 이용했으며 혐기성 소화 모델에서는 ADM1 을 사용하였다. 이러한 조건으로 모델링된 하수처리공법들을 시뮬레이션하여 각각의 온실가스 발생량을 산출하였다.
- 본 연구에서는 모델링을 통한 고도처리공정에서의 온실가스 량산정 및 비교가 주 목적이므로, 생물학적 질소와 인 제거를 포함하는 ASM2d를 기본모델로 사용하였다. ASM2d는 활성슬러지 시스템 내의 COD, 질소, 인 제거의 생물학적 공정에 대한 수학적 모델이며, 이 모델의 가장 큰 특징은 무산소 조건 하에서도 인을 과량으로 섭취할 수 있는 DPAOs(denitrifying phosphorus accumulating organism) 의 반응을 활성슬러지 모델에 도입하였다는 것이다.
- 여기에서, B는 각 항목들의 따른파라미터의 가중치이며 각 값은 Vanrollegiem and Gillot(2002) 에 의해 제시된 실험계수인 Btss=2, Bcod=1, Bbod=2, Btn=20을 적용하였다.
성능/효과
- 것이다. Table 8에서 처럼, 유출수 수질 지표인 EQI 항목에서는 Bardenpho공법의 유출수질이 가장 좋게 나타나 수질오염물질 처리효율이 가장 좋은 공법으로 선정되었으며, A2O, VIP, UCT 공법의 순으로 나타났다. 또한 전체적인하수 및슬러지 처리비용, 에너지 소비량 등의 비용적인 측면에서 Bardenpho 공법에서의 총운전비용이 가장 적었으며, UCT, VIP, A2O 공법의 순으로 운전비용이 증가하였는데, 이는 Bardenpho 공법이 무산소조와 산소조를 하나씩 더 추가함으로써 다른 공법에 비해 질소 제거 효율을 강화했기 때문에 Bardenpho 공법에서 유출수 수질 지표인 EQI가 가장 적은 값을 나타내었다.
- 이러한 결과는 하수처리과정 중 처리되는 질소로 인한 결과로 생각되며, 이는 유출수질지표인 EQI(Table 8)의 결과를 통해 유추해 낼 수가 있다. 각 하수처리공법 별 방류수 농도를 비교한 결과 (Table 4), UCT 공법은 다른 공법에 비해 방류되는 질소 농도가 높았으며 이에 따라 EQI 역시 높은 값을 나타내었다. 즉, UTC 공법은 반응조 내에서 질소가 잘 처리되지 않아 대기 중으로 질소가스 또는 아산화질소 가스로 방출되지 않고 그대로 유출수로 방류되었기 때문에 하수처리 중 적은 양의 아산화 질소가 방출되었음을 의미한다 .
- 또한 시뮬레이션 결과를 통해 UCT 공법은 가장 적은 값의 GWP의 값을 내지만 EQI 에서는 가장 좋지 않은 효율을 나타냈기 UCT 공법에서 환경적으로 가장 좋은 공법이 아닌 것으로 생각된다. 그러나 Bardenpho 공법에서는 EQI에서 가장 좋은 효율을 낼 뿐만이 아니라 GWP의 값도 다른 공법들에 비해서 비교적 적은 값을 나타냈다. 따라서 EQI와 GWP에 따른 환경성 평가에서는 Bardenpho 공법이 가장 효율이 좋은 것을 확인할 수가 있었다.
- 또한 전체적인하수 및슬러지 처리비용, 에너지 소비량 등의 비용적인 측면에서 Bardenpho 공법에서의 총운전비용이 가장 적었으며, UCT, VIP, A2O 공법의 순으로 운전비용이 증가하였는데, 이는 Bardenpho 공법이 무산소조와 산소조를 하나씩 더 추가함으로써 다른 공법에 비해 질소 제거 효율을 강화했기 때문에 Bardenpho 공법에서 유출수 수질 지표인 EQI가 가장 적은 값을 나타내었다. 내부반송율이 Bardenpho 공법에서 가장 적기 때문에 펌핑 에너지에 드는 비용 또한 다른 공법에 비해서 적게 드는 것으로 확인되었다. 따라서 Bardenpho 공법이 다른 공법에 비해 경제적인 측면에서 효율성이 좋은 공법임을 확인할 수 있었다.
- 내부반송율이 Bardenpho 공법에서 가장 적기 때문에 펌핑 에너지에 드는 비용 또한 다른 공법에 비해서 적게 드는 것으로 확인되었다. 따라서 Bardenpho 공법이 다른 공법에 비해 경제적인 측면에서 효율성이 좋은 공법임을 확인할 수 있었다.
- 그러나 Bardenpho 공법에서는 EQI에서 가장 좋은 효율을 낼 뿐만이 아니라 GWP의 값도 다른 공법들에 비해서 비교적 적은 값을 나타냈다. 따라서 EQI와 GWP에 따른 환경성 평가에서는 Bardenpho 공법이 가장 효율이 좋은 것을 확인할 수가 있었다.
- 소각의 경우, 다른 온실가스들은 적은 양이 발생되지만 그에 반해 이산화탄소의배출이 많으므로 제법 큰 값의 GWP를 나타냈다. 따라서 퇴비화가 다른 슬러지 처리 방법들에 비해 상대적으로 적은 양의 GWP값을 나타냈으며, 퇴비화를 통한 폐슬러지를 농경지에 화학 비료 대신에 사용함으로써 부가적으로 경제적인 이익을 도모할 수 있다.
- 이 값을 바탕으로 GWP의 값을 계산한 결과, UCT 공법이 가장 적은 값을, VIP 공법이 가장 큰 GWP 값을 나타내었다. 따라서 하수처리공법에 따른 지구온난화 기여도는 VIP 공법이 가장 높음을 확인할 수 있었으며, UCT 공법이 가장 낮은 기여도를 보였다. 이러한 결과는 하수처리과정 중 처리되는 질소로 인한 결과로 생각되며, 이는 유출수질지표인 EQI(Table 8)의 결과를 통해 유추해 낼 수가 있다.
- 본 연구 결과, UCT 공법에서 가장 적은 양의 온실가스를 발생한 반면, Bardenpho 공법은 낮은 EQI 값을 보이며 가장 높은 처리효율을 나타냈다. 또한 공정성능을 통한 경제성 평가에서는 Bardenpho 공법에서 가장 경제성이 좋은 공법임을 알 수가 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 GWP와 EQI를 종합한 환경성평가에서 Bardenpho 공법이 경제적인 동시에 환경적인 공법임을 확인할 수 있었다.
- 즉, Bardenpho 공법이 다른 공법들에 비해 환경부하가 가장 적은 공법 임을 확인할 수가 있다. 또한 시뮬레이션 결과를 통해 UCT 공법은 가장 적은 값의 GWP의 값을 내지만 EQI 에서는 가장 좋지 않은 효율을 나타냈기 UCT 공법에서 환경적으로 가장 좋은 공법이 아닌 것으로 생각된다. 그러나 Bardenpho 공법에서는 EQI에서 가장 좋은 효율을 낼 뿐만이 아니라 GWP의 값도 다른 공법들에 비해서 비교적 적은 값을 나타냈다.
- Table 8에서 처럼, 유출수 수질 지표인 EQI 항목에서는 Bardenpho공법의 유출수질이 가장 좋게 나타나 수질오염물질 처리효율이 가장 좋은 공법으로 선정되었으며, A2O, VIP, UCT 공법의 순으로 나타났다. 또한 전체적인하수 및슬러지 처리비용, 에너지 소비량 등의 비용적인 측면에서 Bardenpho 공법에서의 총운전비용이 가장 적었으며, UCT, VIP, A2O 공법의 순으로 운전비용이 증가하였는데, 이는 Bardenpho 공법이 무산소조와 산소조를 하나씩 더 추가함으로써 다른 공법에 비해 질소 제거 효율을 강화했기 때문에 Bardenpho 공법에서 유출수 수질 지표인 EQI가 가장 적은 값을 나타내었다. 내부반송율이 Bardenpho 공법에서 가장 적기 때문에 펌핑 에너지에 드는 비용 또한 다른 공법에 비해서 적게 드는 것으로 확인되었다.
- ASM2d는 활성슬러지 시스템 내의 COD, 질소, 인 제거의 생물학적 공정에 대한 수학적 모델이며, 이 모델의 가장 큰 특징은 무산소 조건 하에서도 인을 과량으로 섭취할 수 있는 DPAOs(denitrifying phosphorus accumulating organism) 의 반응을 활성슬러지 모델에 도입하였다는 것이다. 또한, COD로만 표시되었던 입자성 유기물질과 활성슬러지의 농도 정량방법에 총 부유물질 (TSS) 과 광물성 물질 (mineral)을 포함시킴으로써, 화학적 산소요구량(COD)으로는 확인할 수 없는 활성슬러지 내의 poly phosphate^ 영향을 파악할 수 있게 되었다. ASM2d는 9가지의 수용성 성분과 10가지의 입자성 성분과 독립영양생물, 종속영양생물의 성장과 사멸, 가수분해 등 21개의 공정을 포함하며, 각 공정과 성분의 관계를 효과적으로 나타내기 위하여 Table 3과 같이 행렬의 형태로 표현하였다.
- 통해 환경성평가를 해보았다. 먼저 EQI에서는 Bardenpho 공법이 가장 낮은 값을 나타내 다른 공법에 비해 유출수 수질이 좋은 반면, GWP 에서는 UCT 공법의 온실가스 배출량이 제일 낮아 환경부하가 낮은 공법이었다. 이러한 EQI와 GWP를 통한 환경성 평가를 동시에 나타내기 위해 Fig.
- 배출된 온실가스의 계산방법으로는 2006 IPCC 가이드라인 보고서에서 제시된 온실가스 계산식과 COD 물질수지식을 이용하였으며, 각 하수처리공정 별 성능평가를 위해 경제성 평가 역시 수행하였다. 본 연구 결과, UCT 공법에서 가장 적은 양의 온실가스를 발생한 반면, Bardenpho 공법은 낮은 EQI 값을 보이며 가장 높은 처리효율을 나타냈다. 또한 공정성능을 통한 경제성 평가에서는 Bardenpho 공법에서 가장 경제성이 좋은 공법임을 알 수가 있었다.
- 이러한 폐슬러지는 소각, 매립, 퇴비화 등의 방법으로 후 처리되었으며, 이러한 슬러지처리 방법에 따라 발생하는 온실가스의 GWP를 Table 7과 같이 계산하였다. 슬러지 발생량은 UCT 공법에서 가장 적었으며, 이에 따라 슬러지를 처리하는 과정에서 발생하는 온실가스의 양도 UCT 공법에서 가장 적었다. 반면 A20 공법에서는 가장 많은 양의 슬러지가 방출 되었고, 이에 따라 슬러지를 처리하면서 발생하는 온실가스 또한 A2O 공법에서 가장 많은 양이 발생되었다.
- 슬러지 처리 방법에 따른 GWP를 비교한 결과, 슬러지를 퇴비화로 처리할 시 가장 적은 GWP 값을 나타냈으며, 매립을 할 경우 가장 많은 온실가스를 방출하였다. 슬러지는 일반적으로 혐기성 조건에서 매립됨에 따라 다른 슬러지 처리 방법에 비해 상당한 양의 메탄가스가 발생된다.
- 이러한 결과를 바탕으로 GWP와 EQI를 종합한 환경성평가에서 Bardenpho 공법이 경제적인 동시에 환경적인 공법임을 확인할 수 있었다. 슬러지처리에 대한 연구 결과, 퇴비화 방법에서 가정 적은 양의 지구온난화 가스를 방출하였으며 이를 통해 퇴비화에 의한 슬러지 처리 방안이 지구 온난화에 적게 기여하는 현실적인 방안임을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 경제성 평가를 위해 cost 계산 시 운전비용의 각 항목별 cost factors를 유럽에서 제시한 기준으로 사용하였기 때문에, 국내에 이 값들을 적용했을 때 오차가 많이 발생할 수 있다.
- 이산화탄소의 경우, UCT 공법에서 그 양이 가장 적게발생하였으며 VIP 공법에서 이산화탄소 양이 가장 많이 발생하였다 또한 메탄 배출량의 경우, UCT 공법에서의 발생량이 가장 적으며 VIP 공법에서 가장 많은 양이 배출됨을 확인할 수 있었다. 아산화질소의 경우, UCT 공법에서 가장 적은 양이 배출되었고 A2O 공법에서 가장 많은 양의 아산화질소가 배출되었다. 이 값을 바탕으로 GWP의 값을 계산한 결과, UCT 공법이 가장 적은 값을, VIP 공법이 가장 큰 GWP 값을 나타내었다.
- 아산화질소의 경우, UCT 공법에서 가장 적은 양이 배출되었고 A2O 공법에서 가장 많은 양의 아산화질소가 배출되었다. 이 값을 바탕으로 GWP의 값을 계산한 결과, UCT 공법이 가장 적은 값을, VIP 공법이 가장 큰 GWP 값을 나타내었다. 따라서 하수처리공법에 따른 지구온난화 기여도는 VIP 공법이 가장 높음을 확인할 수 있었으며, UCT 공법이 가장 낮은 기여도를 보였다.
- Margarita 등 [3] 의 연구에서는 하수처리공법 별 시나리오를 나눠 하수처리 상에서 발생하는 온실가스 발생량을 산출한 후 최적의 하수처리 시나리오를 찾는데 중점을 두었다. 이 연구에서는 호기조와 혐기조의 비율을 9:1로 하고 바이오 가스의 재사용을 한 시나리오에서 가장 적은 양의 온실가스가 배출되었다. 또한 하수처리공정 중에 발생하는 아산화질소는 다른 가스들에 비해서 비교적 적은 양이 배출되지만 하수처리공정 전체의 지구온난화 기여도를 결정할 만큼의 잠재량이 있다는 사실을 증명하였다 [3].
- 또한 공정성능을 통한 경제성 평가에서는 Bardenpho 공법에서 가장 경제성이 좋은 공법임을 알 수가 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 GWP와 EQI를 종합한 환경성평가에서 Bardenpho 공법이 경제적인 동시에 환경적인 공법임을 확인할 수 있었다. 슬러지처리에 대한 연구 결과, 퇴비화 방법에서 가정 적은 양의 지구온난화 가스를 방출하였으며 이를 통해 퇴비화에 의한 슬러지 처리 방안이 지구 온난화에 적게 기여하는 현실적인 방안임을 확인할 수 있었다.
- Table 6과 같다. 이산화탄소의 경우, UCT 공법에서 그 양이 가장 적게발생하였으며 VIP 공법에서 이산화탄소 양이 가장 많이 발생하였다 또한 메탄 배출량의 경우, UCT 공법에서의 발생량이 가장 적으며 VIP 공법에서 가장 많은 양이 배출됨을 확인할 수 있었다. 아산화질소의 경우, UCT 공법에서 가장 적은 양이 배출되었고 A2O 공법에서 가장 많은 양의 아산화질소가 배출되었다.
- 따라서 그래프를 보면 Bardenpho 공법이 다른 공법들에 비해 가장 원점에 가까운 곳에 있는 것을 알 수가 있1다. 즉, Bardenpho 공법이 다른 공법들에 비해 환경부하가 가장 적은 공법 임을 확인할 수가 있다. 또한 시뮬레이션 결과를 통해 UCT 공법은 가장 적은 값의 GWP의 값을 내지만 EQI 에서는 가장 좋지 않은 효율을 나타냈기 UCT 공법에서 환경적으로 가장 좋은 공법이 아닌 것으로 생각된다.
후속연구
- 또한 IPCC 가이드라인을 통한 GHG 계산 시 우리나라에 맞는 배출계수가 따로 존재하지 않으므로 실측을 통하여 명확한 배출계수를 계산하여 접목할 필요가 있다. 그러나본 연구를 통하여 각 공법에서 배출되는 온실가스 양을 계산하여, 각 하수처리공법별 비교를 수행할 수 있는 새로운 방법론을 저】시하는 데에 본 연구의 의의가 있으며, 국내의 하수처리장에서 고도처리 공법으로의 전환이 이루어지는 현 시점에서 볼 때, 본 연구에서 제안된 방법에 입각하여 경제적이면서도 지구 온난화에 적게 기여하는 공법을 제시할 수 있을 것이다.
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