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문제 정의
- 또한 이를 통해 향후 보다 체계적인 하수처리시설 에너지 효율성 평가를 위한 개선안을 제시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 국내 공공 하수처리시설의 에너지 소비 현황 분석 및 각 공공 하수처리시설의 특성을 고려한 에너지 효율성을 평가하였다. 또한 이를 통해 향후 보다 체계적인 하수처리시설 에너지 효율성 평가를 위한 개선안을 제시하였다.
- 예를 들면, 시설규모 또는 유입 부하량이 클수록 하수처리시설의 단위 전력량은 낮아지기 때문에 이러한 사항들의 고려 없이 단순히 어느 하나의 변수를 이용한 절대적인 평가로 각 하수처리시설 간의 에너지 효율성을 평가하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 본 연구에서는 하수처리시설의 운영조건 및 특성을 반영한 에너지 사용 효율성을 평가하기 위해 하수처리시설의 에너지 소비에 미치는 영향인자를 파악하고 이를 이용한 회귀모형 분석을 수행하였다.
제안 방법
- 공공하수처리시설의 전력 사용량에 미치는 영향인자를 파악하고 회귀분석을 통해 공공하수처리시설의 처리규모별, 공법별, 지역별로 구분하여 에너지 효율성을 비교하였다. 하수처리시설의 유입처리유량, 유입 COD 농도, 고도처리비율, 가동률이 하수처리시설 에너지 사용량의 주요 영향인자로 분석되었다.
- 연간 전력 사용량과 높은 상관관계를 보인 하수처리용량을 기준으로 하여 하수처리 시설의 에너지 사용에 영향을 미치는 변수들을 파악하기 위해 전력량과 유입처리량의 회귀식에 각 변수들을 독립적으로 더하여 통계적 유의성을 분석하였다. <표 6>과 <표7>은 하수처리시설 에너지 사용에 영향을 미치는 변수들의 t 통계량의 절대값 순으로, 유의수준 5% 이내에서 통계적으로 유의한 t 통계량이 |2| 이상인 변수들과 t 통계량이 |2| 이하인 변수로 구분하여 각각 나열한 것이다.
- 하수처리시설의 에너지 소비에 미치는 영향인자를 분석하기 위해 고려된 대상 변수들을 <표 5>에서와 같이 환경부 통계자료의 가용할 수 있는 데이터를 바탕으로 하수처리시설 운영의 변수를 오염변수, 공정변수, 기타변수로 구분하여 정리하였다. 오염변수는 하수처리시설의 평균유입처리량, 설계시설용량, 각 오염물질의 유입오염농도 및 부하량을 고려하였으며 공정변수에는 고도처리 유무를 구분하기 위한 고도처리비율, 소독방법, 슬러지 생산량, 슬러지 처리현황(농축, 소화, 탈수)을, 기타변수에는 처리시설 부지면적을 고려하였다.
- 위 누적분포로부터 각 하수처리시설의 규모별 처리공법 및 에너지 효율분포 현황을 살펴보았다. 에너지 효율성은 전력 사용량이 높은 것에서 낮은 순으로 배열하여 25백분위수 미만; 저조), 25백분위수 이상~50백분위수 미만, 50백분위수 이상~75백분위수 미만, 75백분위수 이상(우수)으로 구분하였다.
- 조사대상 처리시설을 하수도정비 기본계획∙공공하수처리시설 기술검토 사례집(한국 환경공단, 2009)에서 구분한 처리공법을 참조하여 담체(media) 고도처리계열, 분리막 (membrane) 고도처리계열, 기타고도처리 계열, SBR 계열, A2O 계열, 표준활성슬러지법, 산화구법, 접촉산화법, 회전원판법으로 분류하였다(표 3).
- 하수처리시설의 에너지 소비에 미치는 영향인자를 분석하기 위해 고려된 대상 변수들을 에서와 같이 환경부 통계자료의 가용할 수 있는 데이터를 바탕으로 하수처리시설 운영의 변수를 오염변수, 공정변수, 기타변수로 구분하여 정리하였다.
- 회귀모형을 이용하여 각 하수처리시설의 전력 사용량 예측값들을 구하고 각 하수처리시설의 특성을 고려한 에너지 사용의 상대비교를 위해 실측값의 보정된 에너지 사용량을 구하여 하수처리시설의 에너지 사용 순위를 산정하였다. 즉, 회귀모형에 의해 예측된 전체 하수처리시설의 평균 전력 사용량에 대한 각 처리용량의 전력 사용량의 비율로 보정계수를 산정하여 실측값의 전력 사용량을 보정하였다(Carlson and Walburger, 2007).
대상 데이터
- 공공하수처리시설의 전력소비 현황은 환경부 하수도 통계 자료(환경부, 2010b)를 활용하여 2009년 말 기준 하수처리 능력이 500㎥/일 이상인 시설을 대상으로 운영기간이 6개월 이상인 전력 소비량 통계 자료가 있는 처리시설들을 대상으로 총 359개 시설을 조사하였다.
- 하수처리시설의 전력 사용량 및 이와 관련된 자료는 환경부(환경부, 2010a; 2010b; 2010c) 자료를 사용하였다.
데이터처리
- 공공하수처리시설의 운영조건 특성을 고려한 에너지 사용 효율성 평가는 먼저, 전력 사용량에 미치는 주요 영향인자를 분석하고 이 인자들을 반영한 각 공공하수처리시설의 에너지 사용 효율성을 평가하기 위해 SPSS/WIN K18 통계프로그램을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 5만 톤/일 이상~10만 톤/일 이하의 하수처리시설에서 에너지를 효율적으로 운영하고 있는 시설의 비율이 가장 높은 것으로 나타났다.
- A2O 계열의 공공하수처리시설 에너지 사용현황을 분석한 결과 1만 톤/일 이상~10만 톤/일 미만과 50만 톤/일 이상 규모의 하수처리시설이 다른 규모보다 에너지를 효율적으로 운영하고 있는 것으로 분석되었다.
- SBR 공법을 운영하고 있는 하수처리시설의 상대적 에너지 효율성을 비교해 본 결과 10만톤/일 이상~50만 톤/일 미만을 제외하고는 각 시설규모에서 하수처리시설의 50% 가 대체적으로 에너지 효율성 평균 이상을 보였다.
- 담체를 이용한 고도처리 공법을 운영하고 있는 하수처리시설의 에너지 효율성 분포를 살펴보면, 5만 톤/일 이상~10만 톤/일 미만의 모든 하수처리시설이 75백분위수 이상에 속하여 상대적으로 에너지 효율성이 우수하였고 1,000톤/일 규모의 하수처리시설이 가장 에너지 효율성이 낮은 것으로 평가되었다.
- 또한 전체 하수처리시설 중 38점으로 에너지 효율성이 저조한 것으로 평가된 울산시 Y 하수처리장을 방문한 결과, 소화조에서 생산되는 가스 발생량의 50%를 외부로 공급･판매하여 하수처리시설의 대체 에너지를 생산･ 활용하고 있는 것으로 조사되었다.
- 또한 처리용량이 1만 톤/일 이상~10만 톤/일 이상 규모의 하수처리 시설의 50% 이상은 에너지 효율성이 평균 이상으로 분석되어 타 규모에 비해 상대적으로 높은 경향을 보였다.
- 반면에 처리용량이 1,000톤/일 미만에서 10만 톤/일 미만으로 증가할수록 에너지 효율성 50백분위수 이상에 속하는 공공하수처리시설 수의 비율이 증가하였으며 10만 톤/ 일 이상의 하수처리시설의 경우에는 에너지 효율성이 평균(50백분위수) 이하에 속하는 비율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 분리막을 적용한 고도처리 계열의 공공 하수처리시설에서는 50만 톤/일 이상의 하수처리시설은 75백분위수 이상으로 나타나 상대적으로 에너지 효율성이 높았다.
- 제주시의 J 하수처리장은 소화조의 바이오가스를 이용한 열병합발 전시설을 가동하여 하수처리장 부지 내에서 시설 가동에 필요한 전력의 약 30%를 절감하고 있으나 에너지 효율은 35.8점으로 평가되었다.
- 접촉산화법 계열의 6개소 공공하수처리시설 중 1개소만이 에너지 효율성 50백분위수 이상에 속하며 나머지 5개소는 에너지 소비순위 누적분포의 25백분위수에 속하는 것으로 타 공법의 하수처리시설에 비해 에너지를 가장 비효율적으로 운영하고 있는 것으로 분석되었다.
- 고도처리 공법을 비교해보면, 유입 하수량당 전력 사용량 은 A2O > SBR > 분리막 고도처리 > 기타 고도처리 > media 순으로 나타났다.
- 공공하수처리시설 규모별로 에너지 사용을 비교해보면 처리용량이 증가할수록 누적 분포의 25백분위수에 속하는 하수처리시설의 비율은 감소하는 것으로 나타났다(그림 4). 반면에 처리용량이 1,000톤/일 미만에서 10만 톤/일 미만으로 증가할수록 에너지 효율성 50백분위수 이상에 속하는 공공하수처리시설 수의 비율이 증가하였으며 10만 톤/ 일 이상의 하수처리시설의 경우에는 에너지 효율성이 평균(50백분위수) 이하에 속하는 비율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 공공하수처리시설의 시설규모별 전력 사용량을 조사한 결과 시설규모가 클수록 유입 처리유량의 톤당 처리단가는 감소하는 것으로 나타났다(표 2). 또한 유입 하수량당 전력 사용량의 경우 10만 톤/일 미만을 제외하고 처리용량이 클수록 감소하는 경향을 보이고 있어 1,000톤/일 미만 규모가 1.
- 공공하수처리시설의 에너지 사용 경향을 공법별로 살펴보면 SBR 계열, A2O 계열, 기타고도처리, 표준활성슬러지 공법을 적용하고 있는 하수처리시설의 50% 이상은 에너지 효율성이 평균 이상으로 상대적으로 양호한 것으로 나타났다(그림 5).
- 이들 영향인자를 반영한 각 하수처리시설의 에너지 효율성 비교 결과 규모별로는 소규모 > 대규모 > 중규모 순으로 에너지 효율성 개선의 필요성이 요구되었다. 공법별로는 고도처리 공법에서는 분리막고도처리, 2차 처리공법에서는 접촉산화법이 에너지 효율성 개선의 노력이 상대적으로 더 많이 필요한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 특정 공법 또는 특정 시설규모가 에너지 비효율적일 수도 있지만 동일 공법, 유사규모에서 다양한 에너지 효율성이 분석된 바, 하수처리시설이 운영 관리자에 의해 얼마나 에너지 효율적으로 운영되었느냐에 따라 나타난 결과일 수도 있다.
- 공법별로는 에너지 효율성 50백분위수 이상에 속하는 시설 수의 비율을 기준으로 A2O(61%) > 표준 활성슬러지(54.8%) > 기타고도처리(53.3%) > SBR(52.5%) > 고도처리(media, 45.3%) > 회전원판접촉법(33.3%) > 산화구법(30.8%) > 고도처리(membrane, 25%) > 접촉산화법(16.7%) 순으로 조사되었다.
- <그림 1>과 같이 실제 유입 처리유량(inf_avg) 대비 연간 전력 사용량과의 상관관계 를 분석한 결과 처리용량이 증가함에 따라 연간 전력 사용량이 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- <그림 7>은 2차처리공법별 규모에 따른 에너지 효율 현황을 나타낸 것으로 표준활성 슬러지법을 적용하고 있는 공공하수처리시설의 경우 1만 톤/일 이상∼10만 톤/일 미만 규모의 하수처리시설에서 상대적으로 에너지를 효율적으로 운영하고 있는 시설이 많은 것으로 분석되었다. 반면에 5,000톤/일 미만의 소규모와, 10만 톤/일 이상의 대규모에서는 50백분위수 미만에 속하는 하수처리시설의 비율이 높아 에너지 효율이 저조한 것으로 나타났다. 회전원판접촉법 계열은 공공처리시설 6개소에 설치･운전되고 있으며 전반적으로 에너지 효율성이 낮은 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서 살펴본 2009년 말 기준 전력사용 현황은 2008년 한국환경공단에서 수행한 연구보고서에 분석된 2007년 하수처리시설의 전력원단위보다 유입 하수량당 전력사용량(0.29kwh/㎥)이 37.9% 늘어난 0.40kwh/㎥으로 나타났으며 제거 BOD당 전력 사용량은 2007년 2.35kwh/kg BOD에서 2.89kwh/kg BOD로 23.0% 늘어난 것으로 나타났다.
- 산화구법 계열의 공공하수처리시설의 에너지 효율성을 살펴본 결과, 회전원판 접촉 법과 마찬가지로 각 용량별 에너지 효율성이 50백분위수 이하에 속하는 시설비율이 높아 전반적으로 에너지 효율성이 저조한 것으로 나타났다.
- 상기 에너지 사용에 미치는 영향인자와 전력 사용량의 관계를 회귀분석한 결과 하수 처리시설 에너지 사용 회귀모형의 최종 독립변수는 평균 유입유량, 유입 COD 농도, 고도처리비율, 가동률이다. 하수처리시설의 에너지 사용은 유입유량, 유입 COD 농도, 고도처리비율이 높을수록, 하수처리시설 설계용량 대비 실제 하수처리시설의 처리용 량이 낮을수록 증가하는 것으로 나타났다(표 8).
- 은 2차처리공법별 규모에 따른 에너지 효율 현황을 나타낸 것으로 표준활성 슬러지법을 적용하고 있는 공공하수처리시설의 경우 1만 톤/일 이상∼10만 톤/일 미만 규모의 하수처리시설에서 상대적으로 에너지를 효율적으로 운영하고 있는 시설이 많은 것으로 분석되었다.
- 이와 같이 공공하수처리시설의 에너지 효율성을 평가한 결과, 대체로 하수처리시설 규모가 증가할수록 에너지 효율성이 증가하는 것으로 분석되었으나 50만 톤/일 이상의 대규모 하수처리시설의 경우에는 에너지 효율성이 저조하게 나타났다.
- 제거 TN당 전력 사용량은 SBR > A2O > 기타 고도처리 > 분리막 고도처리 > media 순이며, 제거 TP당 전력 사용량은 SBR > A2O > 기타 고도처리 > media > 분리막 고도처리 순으로 나타났다. 전반적으로 SBR과 A2O 공법이 전력 소모량이 많은 것으로 나타났으며 media 고도처리 공법이 상대적으로 전력 소모량이 낮은 것으로 조사되었다.
- 제거 BOD당 전력 사용량은 회전원판 접촉법 > 산화구법 > 접촉산화법 > 표준활성슬러지법 순이며, 제거 COD당 전력사용량은 산화구법 >회전원판 접촉법 > 접촉산화법 > 표준활성슬러지법 순으로 나타났다.
- 제거 TN당 전력 사용량은 SBR > A2O > 기타 고도처리 > 분리막 고도처리 > media 순이며, 제거 TP당 전력 사용량은 SBR > A2O > 기타 고도처리 > media > 분리막 고도처리 순으로 나타났다.
- 제거 TN당 전력 사용량은 산화구법 > 회전원판접촉법 > 접촉산화법 > 표준활성슬러지법 순이며, 제거 TP당 전력 사용량은 산화구법 > 회전원판접촉법 > 접촉산화법 > 표준활성슬러지법 순으로 나타났다.
- 통계적으로 95% 신뢰수준에서 하수처리시설 에너지 사용량에 미치는 영향인자는 유입하수량, 유입 COD, 유입 BOD, 고도처리비율, 유입 TN, 유입 TP, 가동률(실제 처 리용량/설계용량 비율)로 분석되어 국내의 하수처리시설의 에너지 사용은 주로 하수 유입수의 성상 및 하수처리시설 가동률에 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 상기 에너지 사용에 미치는 영향인자와 전력 사용량의 관계를 회귀분석한 결과 하수 처리시설 에너지 사용 회귀모형의 최종 독립변수는 평균 유입유량, 유입 COD 농도, 고도처리비율, 가동률이다. 하수처리시설의 에너지 사용은 유입유량, 유입 COD 농도, 고도처리비율이 높을수록, 하수처리시설 설계용량 대비 실제 하수처리시설의 처리용 량이 낮을수록 증가하는 것으로 나타났다(표 8).
- 공공하수처리시설의 전력 사용량에 미치는 영향인자를 파악하고 회귀분석을 통해 공공하수처리시설의 처리규모별, 공법별, 지역별로 구분하여 에너지 효율성을 비교하였다. 하수처리시설의 유입처리유량, 유입 COD 농도, 고도처리비율, 가동률이 하수처리시설 에너지 사용량의 주요 영향인자로 분석되었다. 이들 영향인자를 반영한 각 하수처리시설의 에너지 효율성 비교 결과 규모별로는 소규모 > 대규모 > 중규모 순으로 에너지 효율성 개선의 필요성이 요구되었다.
- 하수처리시설의 처리용량이 5,000톤/일 미만의 소규모인 경우 SBR 계열의 공법이 타 공법에 비해 높은 비율을 차지하고 있으며 1만 톤/일 이상 규모의 하수처리시설에서는 A2O 계열, 담체 고도처리계열, 기타고도처리 계열이 주로 운영되고 있는 것으로 나타났다.
- 반면에 5,000톤/일 미만의 소규모와, 10만 톤/일 이상의 대규모에서는 50백분위수 미만에 속하는 하수처리시설의 비율이 높아 에너지 효율이 저조한 것으로 나타났다. 회전원판접촉법 계열은 공공처리시설 6개소에 설치･운전되고 있으며 전반적으로 에너지 효율성이 낮은 것으로 분석되었다.
후속연구
- 이와 같이 하수처리시설의 에너지 효율성 평가는 각 하수처리시설 간의 비교 척도로 검토될 수 있다. 더불어 향후 에너지 효율성 평가 자료를 정기적으로 구축할 경우 이를 토대로 에너지 효율적인 처리공법의 선별 및 기기설비 교체･보완･공정개선 등 각 하수처리시설의 특성에 맞는 에너지 절감방안 모색에도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
- 본 연구는 하수처리시설의 에너지 사용 관련 데이터 부족으로 인해 각 하수처리시설의 에너지 효율성 차이의 주요 원인 분석에는 한계가 있다. 예를 들면 에너지 소비 효율성 평가결과 전체 하수처리시설 중 29.
- 특히, 기존 하수도 통계자료에 i) 중계펌프 사용 전력량, ii) 단위공정별전력량, iii) 처리수 장거리 방류시 펌프 전력사용량, iv) 대체에너지 생산량 및 활용현황 등에 대한 정확한 자료가 보완되어야 한다. 이러한 기초자료가 제대로 구축될 경우 유사한 하수처리시설의 에너지 소비 형태를 구체적으로 비교･분석이 가능하며 분석결과를 활용하여 벤치마킹을 통한 각 하수처리장들의 특성에 따른 맞춤형 에너지 절감방안이 수립될 수 있을 것이다. <그림 2>의 각 하수처리시설 전력 사용의 누적분포도는 다른 하수처리시설의 에너지 효율성 점수 벤치마크를 통한 목표 에너지 절감량 산정을 가능하게 한다.
- 이러한 결과는 특정 공법 또는 특정 시설규모가 에너지 비효율적일 수도 있지만 동일 공법, 유사규모에서 다양한 에너지 효율성이 분석된 바, 하수처리시설이 운영 관리자에 의해 얼마나 에너지 효율적으로 운영되었느냐에 따라 나타난 결과일 수도 있다. 이에 대한 명확한 분석은 각 하수처리시설의 단위 공정별 에너지 소비량과 수처리 효율에 관한 정확한 데이터가 구축되어야 가능할 것이다.
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