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가설 설정
- 운영비에서도 하수처리 운영비에서 슬러지 처리계통 비용 또는 혐기성 소화조만의 비용을 별도로 관리하는 사업처가 없기에 본 연구에서 사용되는 실태조사표 또는 현장방문 조사 자료가 참값과 차이가 발생될 수도 있다. 소화조 가온에 필요한 연료비는 바이오가스를 전량 가온에 사용한 것으로 가정하였고 모자란 부분만큼만 별도의 열원을 사용한 것으로 가정하여서 추정하였다. 이는 바이오가스를 가온에 사용한 연료비를 별도로 비용으로 산정하는 시설은 없었기 때문이다.
- 슬러지 최종 처분시설 설치비는 하수처리시설 부지 내에 있는 슬러지 최종 처분시설의 설치비로 슬러지 처리 계통 경제성 검토에만 사용하였다. 슬러지 케이크의 외부 민간 위탁 처리의 경우, 최종 처분비에 처분시설의 설치비가 포함되어 있다고 가정하였다.
- 편익 항목에서 최종 처분비 절감액을 산정시 탈수케이크 발생량, 탈수 전 슬러지의함수율, TS, VS, 소화효율 등 항목에 대하여 실측한 것도 있지만 불충분한 경우는 평균 가정치를 사용하였다. 환경 편익 항목으로는 최종 배출수에서 COD 저감량만큼을 감안하여 주었으나, 실제적으로는 다른 많은 오염원들의 반영을 처리 방법별로 하지는 못하였다.
제안 방법
- 슬러지처분비는 탈수케이크의 최종 처분비로 소각, 탄화, 건조 등 여러 가지 슬러지 최종 처분까지 소요되는 금액을 산정하고, 두 가지 이상의 최종 처분 방안을 채택한 처리시설의 경우, 각 처리방법별 처리량 만큼씩을 비용으로 합산하였다. 2012년 이전 슬러지 최종 처분방법이 해양투기였던 처리시설의 경우, 해양투기 대신 다른 처분방법을 채택한 2012년 처분비 자료를 사용하였으며, 해양투기가 기존 슬러지 최종 처분방법이 아니었던 처리시설의 경우, 최근 3개년 처분비 평균으로 산정하였다.
- 슬러지처리 계통은 소화조로만 이루어진 것이 아니라 다양한 단위공정으로 구성되어 있기 때문에 보다 효율적인 경제성 분석을 위해 경제성에 대한 범위의 분할이 필요하다. 경제성 분석 분할 범위는 슬러지 처리계통 중 소화조만을 경제성 분석하는 방법과 소화조 있는 시설과 다른 처리방법들을 경제성 분석하기 위해서는 소화조와 탈수케익 최종처분을 같이 분석하는 방법으로 구분하였다.
- 현재 가동하고 있는 소화시설의 운영기간은 평균 15년이상 오래되었고 당시의 설치비 자료가 대부분 부재한 실정이다. 그래서 자료에 있는 11개 시설에 대한 사업비의 회귀분석에서 돌출된 비용함수식으로 사업비를 산출하였다. 일반적인 비용함수식 형태는 Y=A×(용량)B 이나 B가 1에 가까워지면 선형으로 나타난다.
- 실태조사 자료를 바탕으로 비용항목과 편익항목으로 구분하여 분석을 진행하였다. 비용항목의 개별 항목은 건설비, 인건비, 전력비, 개보수비, 슬러지처분비, 환경비용으로 구분하였고, 편익비용은 소화가스 편익으로 분석하였다.
- 소화조 가온에 사용하고 남는 소화가스를 다른 용도(발전, 기타 등)로 사용할 경우에는 소화조 가온에 사용한 소화가스량은 등가 에너지에 해당하는 LNG 양의 가격으로 환산하여 사용하였다. 소화조 가온 외에 사용한 소화가스량은 사용 형태에 따라 변환효율 등을 적용하고 해당 에너지 형태의 단가를 적용하여 산정하고 발전의 경우, 발전효율을 적용하여 소화가스로부터의 발전량을 구한 후 매전단가를 곱하여 산정하였다.
- 슬러지처분비는 탈수케이크의 최종 처분비로 소각, 탄화, 건조 등 여러 가지 슬러지 최종 처분까지 소요되는 금액을 산정하고, 두 가지 이상의 최종 처분 방안을 채택한 처리시설의 경우, 각 처리방법별 처리량 만큼씩을 비용으로 합산하였다. 2012년 이전 슬러지 최종 처분방법이 해양투기였던 처리시설의 경우, 해양투기 대신 다른 처분방법을 채택한 2012년 처분비 자료를 사용하였으며, 해양투기가 기존 슬러지 최종 처분방법이 아니었던 처리시설의 경우, 최근 3개년 처분비 평균으로 산정하였다.
- 실태조사 자료를 바탕으로 비용항목과 편익항목으로 구분하여 분석을 진행하였다. 비용항목의 개별 항목은 건설비, 인건비, 전력비, 개보수비, 슬러지처분비, 환경비용으로 구분하였고, 편익비용은 소화가스 편익으로 분석하였다.
- 약품비는 슬러지 처리계통에 사용하는 약품비를 산정하였고, 개보수비는 실태조사서에 나타난 슬러지 처리 계통의 소화시설 및 탈수시설의 대수선 및 소수선 비용을 합하여 산정하였다.
- 연료비는 소화조 가온에 필요한 연료 사용에 따른 비용으로 산정하고, 소화조 발생 소화가스 전량을 소화조 가온에 사용할 경우, 등가에너지에 해당하는 LNG양의 가격으로 환산하였고, 소화조 가온에 소화가스 외에 다른 연료를 추가로 사용할 경우, 소화가스의 등가에너지에 해당하는 LNG양의 가격과 추가 연료의 사용 금액을 합산하여 산정하였다.
- 인건비는 하수처리장 전체 인건비에 전체 운영인원 중 슬러지 계통 또는 소화조 운영 등의 인원 비율을 곱하여 산출하였다.
- 전력비는 공공하수처리장의 대상시설을 직접 방문하여 준공도서(기본 및 실시설계 보고서, 부록)를 조사하여 설비별 전력소요량을 구분하여 전체 전력소비량 중 슬러지 처리계통 또는 소화조 전력량의 비율을 적용하여 산정하였다.
- 소화조를 운영하는 경우 슬러지 처리비는 소화처리하고 남은 소화슬러지 처분비가 전체 비용의 약 70 % 정도를 차지하며 악품비와 연료비가 각각 10% 내외를 차지하고 있다. 톤당 처리비에 사용된 슬러지는 탈수한 후에 발생되는 탈수케익슬러지가 아니라 소화조에 투입되는 슬러지 투입량으로 하였다. 슬러지 투입량은 탈수율이 80∼83 % 정도로 이루어지는 것을 감안할 때 탈수케익슬러지량의 약 9배 정도에 해당된다.
- 하수슬러지 처리에서 소화조 운영 및 미운영시에 처리방법별 경제성 비교 분석을 위하여는 조사 시설수가 함수관계식을 산정하기에는 부족하지만 전수 조사의 물리적 한계 때문에 표본조사를 실시하였다. 이런 조사 결과를 바탕으로 보면, 소화조 운영시 소화슬러지의 소각처리 경우(소화+소각)에는 슬러지 유입량 전체 규모에서 소화조 운영을 하지 않는 처리(소각)보다 경제적인 것으로 나타났다.
- 환경비용은 소화처리 후 발생에 따른 하수처리 비용으로 폐수 내 BOD 처리비용으로 산정하였다.
대상 데이터
- 공공하수처리 시설용량 100 천톤/일 이하인 경우는 20 천톤/일 단위로 구분하여 2개소 이상을 선정하였다. 경제성 분석을 위한 대상시설은 공공하수처리 시설용량 100 천톤/일 초과되는 경우는 250 천톤/일 단위로 구분하여 2개소 이상을 선정하기로 하고, 공공하수처리시설에 설치되어 가동 중인 소화조 시설 57개소 중 33개소를 선정하고, 소화조 미설치(미가동)시설은 선정기준에 준하여 17개소를 선정하였다. 그리고 소화조 가동시설 중 80천㎥/일은 많으나 80~1000천㎥/일 미만시설은 수가 적어 1개 시설만 조사대상에 포함되었다.
- 경제성 분석을 위해서 2012년 기준 운영 중인 공공하수처리시설에서 혐기성 소화조시설을 가동하고 있는 시설과 미설치된(미가동시설 포함) 시설을 대상으로 하였다. 공공하수처리 시설용량 100 천톤/일 이하인 경우는 20 천톤/일 단위로 구분하여 2개소 이상을 선정하였다.
- 경제성 분석을 위해서 2012년 기준 운영 중인 공공하수처리시설에서 혐기성 소화조시설을 가동하고 있는 시설과 미설치된(미가동시설 포함) 시설을 대상으로 하였다. 공공하수처리 시설용량 100 천톤/일 이하인 경우는 20 천톤/일 단위로 구분하여 2개소 이상을 선정하였다. 경제성 분석을 위한 대상시설은 공공하수처리 시설용량 100 천톤/일 초과되는 경우는 250 천톤/일 단위로 구분하여 2개소 이상을 선정하기로 하고, 공공하수처리시설에 설치되어 가동 중인 소화조 시설 57개소 중 33개소를 선정하고, 소화조 미설치(미가동)시설은 선정기준에 준하여 17개소를 선정하였다.
- 경제성 분석을 위한 대상시설은 공공하수처리 시설용량 100 천톤/일 초과되는 경우는 250 천톤/일 단위로 구분하여 2개소 이상을 선정하기로 하고, 공공하수처리시설에 설치되어 가동 중인 소화조 시설 57개소 중 33개소를 선정하고, 소화조 미설치(미가동)시설은 선정기준에 준하여 17개소를 선정하였다. 그리고 소화조 가동시설 중 80천㎥/일은 많으나 80~1000천㎥/일 미만시설은 수가 적어 1개 시설만 조사대상에 포함되었다.
- 대상 시설 50개 중 3곳은 자료가 부족하여 제외하고 47개를 대상으로 경제성 분석을 수행하였다.
- 조사를 위해서 선정된 50개 시설에 대해서 2013년 7월에서 11월까지 설문조사를 통해서 운영실태조사서 수집, 현장방문 조사, 환경부 자료 및 준공 도서 등을 활용하여 2010년에서 2012년까지 3년간의 자료를 수집하였다.
이론/모형
- 소화조 건설비 산정을 위해 환경부와 한국토지공사가 공동 발간한 “주택단지 내 상수⋅오수 발생량 원단위 산정 및 하수처리시설 소요비용 연구”에서의 산정 방법을 적용하였다14).
성능/효과
- 일반적인 비용함수식 형태는 Y=A×(용량)B 이나 B가 1에 가까워지면 선형으로 나타난다. 결과적으로 시설용량이 커짐에 따라 사업비 증가분은 점차 감소하는 경향을 나타낼 수 있는 형태의 비용 함수식으로부터 소화시설 사업비를 산출했다.
- 농축후 슬러지 함수율을 95 %와 93 %로 낮추어서 소화조에 유입하는 경우의 경제성 분석 결과, 소화+탄화 처리의 경우 바이오가스 생성에 의한 편익 증가로 처리비가 함수율 95 %와 93 %에 대해 각각 톤당 약 2,000원과 1,000원 정도 낮아졌다. 소화+ 소각 처리의 경우 처리비는 함수율 95 %와 93 %에 대해 각각 톤당 500∼1,500과 500∼1,000원 정도, 소화+건조 처리의 경우 처리비는 95 %와 93 %에 대해 각각 톤당 500∼1,000원과 500원 정도 낮아지는 것으로 분석되었다.
- 이런 조사 결과를 바탕으로 보면, 소화조 운영시 소화슬러지의 소각처리 경우(소화+소각)에는 슬러지 유입량 전체 규모에서 소화조 운영을 하지 않는 처리(소각)보다 경제적인 것으로 나타났다. 또한 소화+건조 처리의 경우도 소화 처리만의 경우보다는 경제적인 것으로 나타났다. 소화+탄화 처리 경우는 보편적으로 탄화 처리만의 경우보다 비용이 더욱 높은 것으로 되었으나 소형의 한 시설에서 비용이 상대적으로 높게 나타나서 생긴 현상으로 보인다.
- 소화+ 소각 처리의 경우 처리비는 함수율 95 %와 93 %에 대해 각각 톤당 500∼1,500과 500∼1,000원 정도, 소화+건조 처리의 경우 처리비는 95 %와 93 %에 대해 각각 톤당 500∼1,000원과 500원 정도 낮아지는 것으로 분석되었다.
- 소화시설의 설치에 대한 B/C 분석을 실시한 결과, 유기물 분해율을 환경부의 에너지자립화에서 추진하고 있는 소화효율 45 %을 적용시 하수처리장 처리용량 270,000 ㎥/일, 소화조 투입 슬러지량으로는 1,150 ㎥/일 규모에서부터 B/C=1로 되었다. 소화조 투입하는 슬러지를 농축조에서 함수율을 95%로 하여 소화조를 운영하는 경우는 하수처리장 처리용양 100,000 ㎥/일, 소화조 투입 슬러지량으로는 400 ㎥/일 규모, 그리고 투입 슬러지의 함수율을 93%로 하여 소화조를 운영할시에는 하수처리장 처리용량 70,000 ㎥/일, 소화조 투입 슬러지량으로는 300 ㎥/일 규모에서부터 B/C=1로 되었다.
- 소화조 운영시의 처리방법별 경제성 비교에서는 소화슬러지를 탄화처리(소화+탄화)하는 경우의 처리비가 높게 나타났으며, 소화슬러지의 소각(소화+ 소각) 및 건조(소화+건조) 처리의 경우는 비슷한 처리비로 나타났다. 소화조 운영후 소화슬러지의 고 화(소화+고화) 처리 경우가 가장 저렴하게 나타났으나, 고화처리의 환경성 및 기술성 분석에서 살펴보았듯이 고화 복토재 활용시 일축압축강도가 기준치 보다 미만이어서 매립시 작업차량의 주행에 영향을 미치며, 지반하중이 받는 응력이 낮아져 지반침하가 우려되며 시설의 잦은 고장으로 유지보수가 많은 단점이 나타나고 있다.
- 소화시설의 설치에 대한 B/C 분석을 실시한 결과, 유기물 분해율을 환경부의 에너지자립화에서 추진하고 있는 소화효율 45 %을 적용시 하수처리장 처리용량 270,000 ㎥/일, 소화조 투입 슬러지량으로는 1,150 ㎥/일 규모에서부터 B/C=1로 되었다. 소화조 투입하는 슬러지를 농축조에서 함수율을 95%로 하여 소화조를 운영하는 경우는 하수처리장 처리용양 100,000 ㎥/일, 소화조 투입 슬러지량으로는 400 ㎥/일 규모, 그리고 투입 슬러지의 함수율을 93%로 하여 소화조를 운영할시에는 하수처리장 처리용량 70,000 ㎥/일, 소화조 투입 슬러지량으로는 300 ㎥/일 규모에서부터 B/C=1로 되었다.
- 유기물 분해율과 슬러지 함수율 변화 모든 경우에 경제성은 고화 ＞ 소각 ≒ 건조 >탄화의 순으로 양호한 것으로 나타났다.
- 유기물 분해율을 45 %로 향상시켰을 경우의 경제성 분석을 실시한 결과, 소화+탄화, 소화+소각 및 소화+건조 처리의 경우에 바이오가스 생성에 의한 편익 증가로 처리비가 톤당 3,000∼5,000원 정도, 소화+고화 처리의 경우 처리비는 톤당 약 2,000∼3,000원 정도 낮아졌다.
- 하수슬러지 처리에서 소화조 운영 및 미운영시에 처리방법별 경제성 비교 분석을 위하여는 조사 시설수가 함수관계식을 산정하기에는 부족하지만 전수 조사의 물리적 한계 때문에 표본조사를 실시하였다. 이런 조사 결과를 바탕으로 보면, 소화조 운영시 소화슬러지의 소각처리 경우(소화+소각)에는 슬러지 유입량 전체 규모에서 소화조 운영을 하지 않는 처리(소각)보다 경제적인 것으로 나타났다. 또한 소화+건조 처리의 경우도 소화 처리만의 경우보다는 경제적인 것으로 나타났다.
- 전체 운영비에서 슬러지 처분비가 차지하는 비용도 70∼80 % 정도를 소화조 운영시 슬러지 처분비보다 높게 나타났다.
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