[논문]식품폐수처리시설의 설비효율 개선에 따른 온실가스 배출량 평가

안상형; 송장헌; 김산; 정진도

doi:10.5762/kais.2019.20.2.378

식품폐수처리시설의 설비효율 개선에 따른 온실가스 배출량 평가
Estimation of GHGs Emission to Improvement of Facility Efficiency in the Food wastewater Treatment Process 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.2, 2019년, pp.378 - 384

안상형 (호서대학교 에너지기후융합기술학과) , 송장헌 (호서대학교 에너지기후융합기술학과) , 김산 (호서대학교 에너지기후융합기술학과) , 정진도 (호서대학교 에너지기후융합기술학과)

초록
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식품 폐수 처리 설비중 폐수처리장 폭기조 송풍 설비 개선을 통한 수질개선 효과 및 전기사용량 변화에 따른 온실가스 발생량을 평가 하였으며, 식품 폐수처리장에서 발생되는 슬러지를 탈수, 보관, 이송하는 설비의 효율적인 개선을 통한 전기사용량 개선전과 개선후 변화에 따른 온실가스 발생량도 함께 평가하였다. 폐수처리장 설비 개선에 따른 온실가스 배출량 평가는 폐수처리 공정으로 부터의 직접배출과 전력사용으로부터의 간접배출량으로 구분 된다. 폐수처리장 수질 개선 효과는 BOD 제거율이 63.3%, COD 제거율 42.0%, SS 제거율 71.0%, T-N제거율이 39.6%로 나타났으며, 폐수처리에 의한 온실가스 직접배출량(Scope 1)과 전력소비량 변화에 대한 온실가스 간접배출량(Scope 2)을 적용하여 온실가스 배출량을 산정한 결과 설비 개선전 3,668.8tCO2eq./yr 에서 설비 개선후 3,392.8tCO2eq./yr 으로 감소 하여 총 276.0tCO2eq./yr (8.0%)의 온실가스 감축 효과가 있는 것으로 평가 되었다. 이상의 결과는 배출원의 수질 개선 효과로 인한 것이 아니라 전기사용량 감소로 인해 온실가스 배출량이 감소하였기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the food wastewater treatment facilities, the water quality improvement effect and the greenhouse gas emission amount followed by the change in electricity usage through a change of the aeration tank ventilation system were evaluated. also, the amount of greenhouse gas emission followed by the change in electricity usage through the change of the sludge dewatering, storage, transporting method was also evaluated. The total GHG emission from food wastewater treatment facility improvement were divided into direct emissions from the treatment processes and indirect ones from electricity usage. The water quality improvement effect of wastewater treatment plant was found to be 63.3% for BOD removal rate, 42.0% for COD removal rate, 71.0% for SS removal rate and 39.6% for T-N removal rate. and according to the results of calculating output by applying both direct emissions of greenhouse gas (Scope 1) and the indirect emission (Scope 2) of greenhouse gas followed by changes in power consumption. It was estimated that there was a total of 276.0tCO2eq./yr(7.5%) greenhouse gas reduction effect from 3,668.8tCO2eq./yr before improvement to 3,392.8tCO2eq./yr after improvement. In this result is not due to the effects of water quality improvement of emission source, but because the reduction in electricity use has reduced the amount of greenhouse gas emissions.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Calculation tool of GHGs emission by scope 1 and scope 2
그림 Fig. 1. Schematic diagram of Sludge process in the Sludge hydroextractor
표 Table 2. Total reduction of GHGs to the Improvement of blower type in food wastewater process
그림 Fig. 2. Estimation of CO₂, CH₄ and N₂O emission to the improvement of blower type in food wastewater process
그림 Fig. 3. Estimation of CO₂, CH₄ and N₂O emission to the improvement of sludge transfer system in food wastewater process
표 Table 3. Total reduction of GHGs to the improvement of sludge transfer system in food wastewater process
그림 Fig. 4. Estimation of CO₂, CH₄ and N₂O emission to the improvement of facility efficiency food wastewater process

AI 본문요약
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문제 정의

둘째로 폐수처리 공정에서 발생된 슬러지를 Belt Press에서 탈수한 후 이송하는 기존의 공정을 에너지를 최소화 할 수 있는 시스템으로 개선하여 현장에 적용하고 효과를 비교 분석 하였다. 또한 상기 공정개선이 온실가스 배출량에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
본 연구는 N식품회사를 대상으로 식품폐수처리시설의 설비 효율개선에 따른 온실가스 배출 특성을 조사한 결과로 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 A시에 위치한 N식품회사 폐수처리장을 대상으로 수처리 효율 증대 및 에너지 소비량을 낮추기 위하여 폭기조 송풍기와 슬러지 탈수과정에 대하여 최적의 설비개선 방안을 도출하였고. 이에 따른 온실가스 배출량 평가를 위하여 첫째로 폭기조에 공급하는 기존의 축류형 송풍기인 Roots blower를 고효율인 Turbo blower로 교체하여 수질개선 및 에너지 사용량을 비교분석 하였다.

제안 방법

첫째로 탈수기에서 발생된 슬러지를 낙차를 이용 보관탱크에 받기 위하여 탈수기 본체를 H빔으로 3,500mm높이로 올려서 설치하였다. 둘째 Cake hopper를 철거하고 운반하는 암롤박스를 제작하여 탈수기 하부에서 직접탈수 Cake를 보관한 후, 암롤 차량으로 직접 견인하여 운반해 갈수 있도록 하였다. 셋째로 암롤박스에 쌓이는슬러지의 적체를 방지하기 위하여 암롤박스 하부에 레일을 설치하여 이동할 수 있도록 하였으며, 운반차량이 암롤박스 상․하차시 이동할 수 있도록 시스템을 개선하였다.
이에 따른 온실가스 배출량 평가를 위하여 첫째로 폭기조에 공급하는 기존의 축류형 송풍기인 Roots blower를 고효율인 Turbo blower로 교체하여 수질개선 및 에너지 사용량을 비교분석 하였다. 둘째로 폐수처리 공정에서 발생된 슬러지를 Belt Press에서 탈수한 후 이송하는 기존의 공정을 에너지를 최소화 할 수 있는 시스템으로 개선하여 현장에 적용하고 효과를 비교 분석 하였다. 또한 상기 공정개선이 온실가스 배출량에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
때문에 2006 IPCC 가이드라인의 산출방법을 이용하였으며, 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)의 배출계수는 IPCC 가이드라인에서 제시하는 기본 값인 0.25kg·CH4/kg·COD,0.005kg·N2O/kg·N을 사용하였다[4].
둘째 Cake hopper를 철거하고 운반하는 암롤박스를 제작하여 탈수기 하부에서 직접탈수 Cake를 보관한 후, 암롤 차량으로 직접 견인하여 운반해 갈수 있도록 하였다. 셋째로 암롤박스에 쌓이는슬러지의 적체를 방지하기 위하여 암롤박스 하부에 레일을 설치하여 이동할 수 있도록 하였으며, 운반차량이 암롤박스 상․하차시 이동할 수 있도록 시스템을 개선하였다.
현재 우리나라 대부분의 하수 및 폐수처리장에서 이 방식을 사용하고 있으며, 이 방식은 슬러지를 탈수, 이송에 공기압을 사용하기 위한 콤프레샤를 가동하는데 많은 전력이 소요되는 구조로 되어 있다. 슬러지 이송과정에 소요되는 동력을 절감하기 위하여 Belt press와 슬러지보관 박스의 낙차를 이용하여 슬러지를 공급하는 시스템으로 Fig. 1.과 같이 변경하였다.
3%)가 감소하는 효과를 거두었다. 슬러지 이송시스템 개선에 따른 연간 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)의 배출량을 전력사용량으로 인한 간접배출량(Scope2)을 온실가스 에너지 목표관리제의 산출 방법에 의한 배출계수를 적용하여 산정하였으며, 산정결과를 Table 3.에 나타내었다.
6%로 수질개선에 크게 기여하였으며, 전력감소 및 효율개선 뿐만 아니라 소음과 진동의 혁신적인 개선으로 민원 문제와 작업환경도 개선하는 효과를 가져올 수 있었다. 유량조정조 및 폭기조의 산소 공급을 위한 송풍방식 변경에 따른 연간 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)와 이산화탄소(CO₂)의 배출량을 폐수처리 수질 개선으로 인한 직접배출량(Scope1)과 전력사용량으로 인한 간접배출량(Scope2)로 구분하여 산정하였으며, 산정 결과를 Table 2.에 나타내었다.
본 연구에서는 A시에 위치한 N식품회사 폐수처리장을 대상으로 수처리 효율 증대 및 에너지 소비량을 낮추기 위하여 폭기조 송풍기와 슬러지 탈수과정에 대하여 최적의 설비개선 방안을 도출하였고. 이에 따른 온실가스 배출량 평가를 위하여 첫째로 폭기조에 공급하는 기존의 축류형 송풍기인 Roots blower를 고효율인 Turbo blower로 교체하여 수질개선 및 에너지 사용량을 비교분석 하였다. 둘째로 폐수처리 공정에서 발생된 슬러지를 Belt Press에서 탈수한 후 이송하는 기존의 공정을 에너지를 최소화 할 수 있는 시스템으로 개선하여 현장에 적용하고 효과를 비교 분석 하였다.
전기사용에 의한 배출량 산정은 IPCC 가이드라인에서 구체적인 배출계수를 제시하지 않았기 때문에 온실가스·에너지목표관리제에서 제시하는 이산화탄소(CO2) 0.4653ton·CO2/MWh, 메탄(CH4) 0.0054kg·CH4/MWh,아산화질소(N2O) 0.0027kg·N2O/kg·N의 국가배출계수를 이용하였으며 설비효율 개선에 따른 전기 절감량을 고려하였다[5].
첫째로 탈수기에서 발생된 슬러지를 낙차를 이용 보관탱크에 받기 위하여 탈수기 본체를 H빔으로 3,500mm높이로 올려서 설치하였다. 둘째 Cake hopper를 철거하고 운반하는 암롤박스를 제작하여 탈수기 하부에서 직접탈수 Cake를 보관한 후, 암롤 차량으로 직접 견인하여 운반해 갈수 있도록 하였다.

성능/효과

(1) 폭기조에 효율적인 산소공급을 위하여 송풍방식을 기존의 Roots blower에서 고효율 Turbo blower로 변경함으로써 BOD 63.3%, COD 42.0%, SS 71.0%, T-N 39.6% 각각 제거되어 수질개선이 크게 향상되었으며, 전력소비량도 약 367,555kwh/yr(46.8%)가 절약되었다. 수질개선에 따른 온실가스 직접배출량(Scope1)은 메탄(CH4)의 경우 456.
(2) 슬러지 이송시스템 개선결과 전력소비량은 149,301kWh/yr(60.3%)가 절약되는 효과를 거두었다. 이에 따른 간접배출량(Scope2)은 이산화탄소(CO2)의 경우 69.
또한, 기존의 Roots blower는 부로아에서 생산된 일정한 공기를 배출하는 방식인데 비하여 Turbo blower는 인버터에 의한 연동으로 적정한 산소를 공급할 수 있도록 설계되어 폐수처리 효율을 극대화 시켜 BOD 제거율이 63.3%, COD 제거율 42.0%, SS 제거율 71.0%, T-N 제거율이 39.6%로 수질개선에 크게 기여하였으며, 전력감소 및 효율개선 뿐만 아니라 소음과 진동의 혁신적인 개선으로 민원 문제와 작업환경도 개선하는 효과를 가져올 수 있었다. 유량조정조 및 폭기조의 산소 공급을 위한 송풍방식 변경에 따른 연간 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)와 이산화탄소(CO₂)의 배출량을 폐수처리 수질 개선으로 인한 직접배출량(Scope1)과 전력사용량으로 인한 간접배출량(Scope2)로 구분하여 산정하였으며, 산정 결과를 Table 2.
4%)이 증가한 것으로 산정되었다. 이처럼 직접배출량이 증가한 이유는 폐수처리시설의 미생물에 의한 유기물질 분해 과정에서 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)가 생성되고 있어 처리수질의 효율이 좋아질수록 메탄(CH4)에 기인한 온실가스가 많이 발생되는것을 확인할 수 있었다.
폐수처리시설의 산소공급을 위한 송풍방식은 2015년에 Roots blower를 Turbo blower로 전량 교체하여 가동한 결과 송풍량을 기준으로 Turboblower의 전력소모량은 폭기조에서 37.0%, 수위변동이 있는 유량조정조에서는 63.0%의 전력이 줄었으며, 전체 전력소비량은 연평균 사용량이 교체 이전(2013-2015) 8,585kWh/day에서교체이후(2016-2017) 4,569kWh/day로 4,016kWh/day(46.8%) 가 감소하는 효과를 나타내었다.
폐수처리시설의 슬러지 이송시스템 개선은 효율적인슬러지 적체를 위한 탈수기 본체의 높이 조절과 암롤박스 이동 시스템을 개선한 결과연간 전력소비량은 개선 이전에 47,583kWh/yr에서 개선이후에는 98,282kWh/yr로 크게 줄어 149,301kWh/yr(60.3%)가 감소하는 효과를 거두었다. 슬러지 이송시스템 개선에 따른 연간 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O)의 배출량을 전력사용량으로 인한 간접배출량(Scope2)을 온실가스 에너지 목표관리제의 산출 방법에 의한 배출계수를 적용하여 산정하였으며, 산정결과를 Table 3.
폐수처리시설의 효율개선으로 수처리 농도가 크게 개선되었음에도 불구하고 직접배출량(Scope1)의 메탄(CH4)에 의한 이산화탄소(CO2eq.) 배출량이 오히려 증가한 것으로 확인되었다.
0%)의 온실가스를 감축한 것으로 평가되었다. 호기성폐수처리공정에서 직접 발생되는 온실가스는 수처리 효율 증대로 인한 유입․유출 유기물의 농도차로 인해 온실가스 배출량이 증가하는 것으로 나타났고, 전력사용량 감소가 간접온실가스 발생량 감소에 크게 기여한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐수처리시설의 설비 및 공정개선은 어떤 효과가 있는가?	폐수처리시설의 설비 및 공정개선은 수처리 효율 개선뿐만 아니라 에너지 사용량 절감 및 온실가스 배출량 저감에도 크게 기여할 수 있을 것으로 판단되고 있다.
	기업의 경우 수질 개선 효율을 극대화 하여도 온실가스 배출량이 증가하지 않는 방안을 마련해야하는 이유는?	(4) 폐수처리시설의 폭기조 산소공급을 위한 송풍방식 변경으로 수처리 효율이 크게 개선되었음에도 불구하고 오히려 온실가스 배출량이 증가한 것은 하․폐수처리시설의 생물학적 처리과정에서 미생물에 의한 유기물질 분해시 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)가 생성되어 수질개선 효과가 좋아질수록 메탄(CH4)에 기인한 온실가스가 많이 발생되는 현상이 발생하였다. 따라서 기업의 경우 환경적 측면에서 수질 개선 효율을 극대화 하여도 온실가스 배출량이 증가하지 않는 방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
	음식료품 제조공정에서 발생되는 폐수의 특징은 무엇인가?	9%를 보이고 있다[2]. 음식료품 제조공정에서 발생되는 폐수는 유기물 부하량이 가장 높은 수준을 유지하고 있으며, 물환경보전법에서 요구하는 방류수의 배출허용기준 강화에 따라 폐수처리 설비에 대한 투자가 증가하고 있는 추세에 있다.

참고문헌 (5)

Australian Department of the Environment (2015), Assessment and Recommendations, Figure 30. Australia's greenhouse-gas emission reduction is now focused on the target for 2030, Version 2-Last updated, 23-Feb-2017. DOI: https://doi.org/10.1787/888933456919
Nazih K. Shammas, Lawrence K. Wang, "Handbook of Advanced Industrial and Hazardous Wastes Management", pages 539 to 576, 30 Oct 2017. DOI: https://doi.org/10.1201/9781315117423-17
Stefan Niederhafner, Journal Article published 2014 in SSRN Electronic Journal, The Korean Energy and GHG Target Management System: An Alternative to Kyoto-Protocol Emissions Trading Systems?, DOI: https://doi.org/10.2139/ssrn.2508143
Choon-Hwan Shin, Do-Hyun Park, Estimation of Greenhouse Gas Emissions and Environmental Assessment of Dye Wastewater Treatment Process, pages 1881 to 1888, 28 Nov 2014. DOI: https://doi.org/10.5322/jesi.2014.23.11.1881

원문보기 상세보기
British Standards Document, PAS 2395:2014 Specification for the assessment of greenhouse gas (GHG) emissions from the whole life cycle of textile products. DOI:https://doi.org/10.3403/30282110

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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