공공하수도시설에너지절감대책 수립에관한연구 ( 최종보고서 ) 2006. 10. 23 대한상하수도학회
제출문 환경부장관귀하 본보고서를 공공하수도시설에너지절감대책수립에관한연구 과제의최종보고 서로제출합니다. 2006년 10월 23일 사업주관기관명 연구책임자 공동연구원 : 대한상하수도학회 : 김응호, 홍익대학교교수 : 김병주, 홍익대학교교수 배재호, 인하대학교교수 박승호, 홍익대학교교수 이철모, 한국종합기술개발공사부사장 자문위원 : 강호정 김재구 김형우 ( 태영환경사업부 ) 권오상 ( 국립환경과학원배출시설과 ) ( 제일엔지니어링 ) 김충식 ( 부천물재생센터 ) ( 산업자원부에너지관리과 ) 박준택 ( 한국에너지기술연구원 ) 송영일 ( 한국환경정책ㆍ평가연구원 ) 옥용연 ( 에너지관리공단효율관리실 ) 이영성 이종규 홍승모 ( 서울시난지물재생센터 ) 이진수 ( 환경관리공단기술진흥처 ) ( 포항산업과학연구원 ) 정윤진 ( 아주대학교환경공학과 ) ( 대우기술연구원 )
요약문 1. 과제명 공공하수도시설에너지절감대책수립에관한연구 2. 연구목적및중요성공공하수도시설의에너지사용실태를파악하여에너지절감대책을수립함과동시에하수처리과정에서의부생물질의자원화와미활용 재생에너지의이용을극대화하여공공하수도시설의에너지자립화를위한정책적, 기술적대책을수립한다. 3. 연구내용및범위공공하수도시설의에너지사용실태와미활용 재생에너지의이용실태를조사하고국내외하수도시설의에너지절감및자원화사례를분석하여에너지절감을위한시설별절감방안을도출하고미활용 재생에너지의도입과부생물질의자원화방안과함께에너지절감목표와정책방향을정립하고세부시행계획과기대효과를제시한다. 4. 연구결과및기대효과 8개도와 6개시의총 233개소하수처리장에대한설문조사의결과하수처리전력 원단위 0.243 kwh/m 3, 제거 BOD 당소모전력 2.07kWh/kg BOD, 소화가스발 생량 382,000 m3/ 일중발전비율 7.3%, 소수력및태양광발전능력 1130kW 으로분석되었다. 공공하수도시설의에너지절감을위하여공공하수도시설의저 에너지소비구조실현, 부생가스자원화, 그리고재생에너지의점진적도입을정 책방향으로제시하고이를위한에너지절감장기목표를제거 BOD 당소모전력 1.5kWh/kg BOD 실현으로설정하였다. 향후 10년간의단기목표로하수처리에 너지를년간 1% 절감으로설정하였으며소화가스에의한발전과소수력및태양 광발전의목표치를하수처리시설전력소비량의 22.1% 와 1.2% 로설정하였다. 단 기목표가실현될경우하수처리전력소비량을매년 585.5 GWh 절감(2005년기 준) 할수있으므로 298,851 킬로리터/ 년의원유절약효과와함께 83,453 톤/ 년 의 CO 2 배출저감을기대할수있다. - i -
제1장개요 < 제목차례> 1.1 사업의배경및목적... 1 1.2 사업의기본원칙... 1 1.3 사업의내용...1 1.4 사업의단계별추진내용...3 제2 장공공하수도시설의에너지사용및자원화실태...4 2.1 공공하수도시설의구성및주요설비...4 2.1.1 일반사항...4 2.1.2 기계설비...6 2.1.3 전기설비... 12 2.1.4 계측제어설비... 14 2.2 부생물질의자원화및미활용 재생에너지이용기술... 15 2.2.1 하수열이용냉난방...15 2.2.2 소화가스발전... 19 2.2.3 태양광발전... 27 2.2.4 소수력발전... 28 2.2.5 풍력발전... 30 2.2.6 하수슬러지소각발전... 31 2.3 공공하수도시설의에너지사용실태... 32 2.3.1 일반사항... 32 2.3.2 기계설비의에너지사용실태... 36 2.3.3 전기설비의에너지사용실태... 66 2.4 부생물질의자원화및미활용 재생에너지이용실태... 85 2.4.1 부생물질의자원화실태... 85 2.4.2 미활용 재생에너지이용실태... 96 제3 장공공하수도시설의에너지절감방안및사례... 102 3.1 공공하수도시설의에너지절감기법... 102 3.1.1 기계설비의에너지절감을위한국내외검토기법... 102 3.1.2 전기설비의에너지절감기법... 107 3.2 공공하수도시설의에너지절감사례... 111 3.3 공공하수도시설의에너지절감방안...135 - ii -
제4장공공하수도시설의부생물질자원화와미활용 재생에너지이용 사례및방안... 142 4.1 공공하수도시설의부생물질의자원화방안... 142 4.1.1 소화효율향상을통한메탄가스발생량증가방안... 142 4.1.2 소화효율향상을통한발전시설규모증가량추정...147 4.2 공공하수도시설의미활용 재생에너지이용사례...152 4.2.1 하수열이용냉난방...152 4.2.2 소화가스발전...171 4.2.3 태양광발전... 188 4.2.4 소수력발전... 188 4.2.5 풍력발전...189 4.2.6 하수슬러지소각발전... 189 4.3 공공하수도시설의미활용 재생에너지이용방안... 190 4.3.1 재생에너지이용의필요성... 190 4.3.2 지역별/ 용량별최적이용방안... 190 제5 장공공하수도시설의에너지절감을위한대책......191 5.1 공공하수도시설에너지절감을위한정책방향... 191 5.2 공공하수도시설의에너지절감목표... 192 5.3 공공하수도시설의에너지절감을위한세부시행계획...197 5.3.1 국내하수처리장에너지절약을위한기간별대책...197 5.3.2 국내하수처리장에너지절약을위한세부시행계획... 201 5.3.3 부생가스자원화를위한세부시행계획... 207 5.3.4 에너지자립형하수처리장시범사업...208 5.4 공공하수도시설의에너지절감단기대책의기대효과...209 5.4.1 공공하수도시설의저에너지소비구조실현의기대효과... 209 5.4.2 부생가스자원화의기대효과... 210 5.4.3 미활용 재생에너지도입에대한기대효과... 211 5.5 공공하수도시설의에너지절감을위한제도개선및실천지침... 211 제6 장결론... 213 < 참고문헌>...217 < 부록 1. 공공하수도시설의에너지사용실태조사서>...220 < 부록 2. 공공하수도시설에너지저감실천지침서>...245 - iii -
< 표차례> < 표 2-1> 펌프장기계설비의구성과기능... 7 < 표 2-2> 수처리기계설비의구성과기능... 8 < 표 2-3> 슬러지처리기계설비의구성과기능... 10 < 표 2-4> 기타기계설비의구성과기능... 11 < 표 2-5> 전기설비의수전방식비교... 13 < 표 2-6> 유입펌프의제어방식비교... 14 < 표 2-7> 송풍기의제어방식비교... 14 < 표 2-8> 반송슬러지펌프의제어방식비교... 14 < 표 2-9> 열병합발전기의종류... 20 < 표 2-10> 전해질종류에따른연료전지의구분... 21 < 표 2-11> 초음파이용슬러지감량화예... 22 < 표 2-12> Cavitation 생성방법에따른장단점... 22 < 표 2-13> 볼밀파쇄에의한하수처리장잉여슬러지의가용화율... 23 < 표 2-14> 열적전처리의적용예... 24 < 표 2-15> 화학적처리의적용예... 25 < 표 2-16>...25 < 표 2-17> 슬러지전처리기술의경제성... 26 < 표 2-18> 지자체별실태조사응답처리장수...32 < 표 2-19> 실태조사응답하수처리장의처리공법별현황...33 < 표 2-20> 실태조사응답하수처리장의시설용량별처리공법...34 < 표 2-21> 실태조사응답하수처리장의가동율... 35 < 표 2-22> 실태조사응답처리장중정량적분석수행처리장수... 45 < 표 2-23> 하수처리설비중기계류의운전부하율비교...47 < 표 2-24> 주요성능지표 (KPI: Key Performance Indicator) 비교.. 49 < 표 2-25> 하수처리기법에따른제거 BOD 당소비전력... 51 < 표 2-26> 최근 4 년간하수처리비용항목당분석... 53 < 표 2-27> 처리공법별운영비비교 (2004 년도자료)... 55 < 표 2-28> 고도처리및비고도처리운영비비교 (2004 년도)... 56 < 표 2-29> 기계설비의전력소비율비교...55 < 표 2-30> 지역별하수처리설비운전부하율... 57 < 표 2-31> 지역별하수처리단가( 년간운영비/ 년간하수유입량: 원/ 톤)..58 - iv -
< 표 2-32> 지역별하수처리에너지원단위비교... 60 < 표 2-33> 지역별하수처리기계설비전력소비율 (%)...61 < 표 2-34> 해외처리장과의 KPI 비교 ( 등가인구기준: 1 pe = 60g BOD)... 62 < 표 2-35> 하수처리장별전력사용량 ( 단위 : kwh)... 66 < 표 2-36> 하수처리장별최대수요전력 (Peak) ( 단위 : kw)... 71 < 표 2-37> 하수처리장별하수유입량 ( 단위 : 천톤/ 일)... 75 < 표 2-38> 하수처리장별연간전력비용분석... 79 < 표 2-39> 실태조사응답하수처리장의전력소비량... 81 < 표 2-40> 실태조사응답하수처리장의하수처리전력원단위...82 < 표 2-41> 실태조사응답하수처리장의공법별하수처리전력원단위...82 < 표 2-42> 주요시설별전력소비율에대한통계대상하수처리장 현황... 83 < 표 2-43> 하수처리장의시설용량별주요전력에너지사용설비의 전력소비율과하수처리전력원단위... 84 < 표 2-44> 하수처리장별소화조체류일수분포... 86 < 표 2-45> 소화조가온연료사용현황... 94 < 표 2-46> 하수처리장미활용 재생에너지이용현황... 96 < 표 2-47> 미활용 재생에너지향후이용계획... 97 < 표 3-1> 환경관리공단의하수종말처리시설에너지절감기술 검토사항... 102 < 표 3-2> 환경관리공단의하수종말처리시설에너지절감방안... 103 < 표 3-3> 무비용절약단계기술 (PG&E, 미국)... 105 < 표 3-4> 저비용에너지절약단계기술 (PG&E, 미국)... 105 < 표 3-5> 고효율설비에대한투자 (PG&E, 미국)... 106 < 표 3-6> 고효율전력기기에의한에너지절감기법...109 < 표 3-7> 환경관리공단의하수종말처리시설에너지절감사례요약... 111 < 표 3-8> 환경관리공단의전력비용절감사례요약... 112 < 표 3-9> 환경관리공단의운전방법개선에따른에너지절감 효과요약...113 < 표 3-10> 환경관리공단의에너지절감사례요약...113 < 표 3-11> 환경관리공단의기타에너지절감사례요약...117 < 표 3-12> 환경관리공단의에너지절감방안에대한예상 - v -
절감비용요약... 118 < 표 3-13> 미국의상수처리및하수처리공정에서의에너지원단위... 122 < 표 3-14> 미국캘리포니아주의상하수도관련에너지절약사례...124 < 표 3-15> East Bay Municipal Utility ( 미국) 의에너지절약사례... 127 < 표 3-16> Encina Wastewater Authority ( 미국) 의에너지 절약사례... 128 < 표 3-17> WWTF ( 미국) 의에너지절약제안... 129 < 표 3-18> 영국의수처리및하수처리비용구성의예... 130 < 표 3-19> 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가기법... 133 < 표 3-20> 공공하수도시설의에너지절감방안도출을위한절차... 136 < 표 3-21> 공공하수도시설의에너지절감을위한고효율 기기/ 시스템의구축... 137 < 표 3-22> 공공하수도시설의에너지절감을위한운전방법개선...138 < 표 4-1> 안양박달하수처리장소화조개선사례... 142 < 표 4-2> 부산수영하수처리장소화조개선사례... 143 < 표 4-3> 울산용연하수처리장소화조개선사례... 143 < 표 4-4> 소화조효율개선사업전후의처리비용절감액... 144 < 표 4-5> 각하수처리장별소화효율개선사업의기대효과... 144 < 표 4-6> 대구서부하수처리장에서분뇨투입방볍변화에따른 소화효율변화... 144 < 표 4-7> Sonotrode 를이용한슬러지전처리적용예... 145 < 표 4-8> 수리동력학적 cavitation을이용한슬러지분해장치의 설치예... 145 < 표 4-9> 외국실플랜트에적용된감량화기술비교... 146 < 표 4-10> 감량화시설도입여부에따른슬러지처리비용... 146 < 표 4-11> 히트펌프설치사양... 153 < 표 4-12> 일본에서의하수열이용냉난방사례... 154 < 표 4-13> Koraku 1-chome 지구지역냉난방사업개요... 155 < 표 4-14> Koraku 1- chome 지구하수열원지역냉난방 주요기기구성표... 156 < 표 4-15> 마쿠하리신도시지역열공급조건...160 < 표 4-16> 플랜트의주요설비용량... 161 < 표 4-17> 열원사향별열펌프의성능계수(8 월/2 월)... 162 - vi -
< 표 4-18> 하수처리수이용시전력소비량비교 (1Tcal 당)... 162 < 표 4-19> 냉열제조연간평균성적계수... 162 < 표 4-20> 온열제조연간평균성적계수... 162 < 표 4-21> 하수처리수이용시전력소비량비교 ( 연간)... 162 < 표 4-22> 소르나하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태... 163 < 표 4-23> 하마비하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태... 164 < 표 4-24> 마루메시하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태... 165 < 표 4-25> 우프사라시하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태.. 166 < 표 4-26> 요테보리시하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태.. 167 < 표 4-27> 바륨산드윅카지구의생하수이용지역열공급시스템의 이용형태... 169 < 표 4-28> 스코얀웨스트지구의생하수이용지역열공급시스템의 이용형태... 170 < 표 4-29> 오슬로시의생하수이용지역열공급시스템의이용형태... 171 < 표 4-30> 요코하마시슬러지처리센터의운전상황(1992 년도)... 178 < 표 4-31> 소화탱크운전실적... 179 < 표 4-32> 소화가스성분농도... 179 < 표 4-33> 슬러지처리와관련된에너지수지...180 < 표 4-34> 아사히키와시의슬러지처리개요... 182 < 표 4-35> 소화조의상태... 183 < 표 4-36> 소화가스분석... 183 < 표 4-37> 소화가스이용현황... 183 < 표 4-38> 소화가스발전설비개요... 184 < 표 4-39> 아사히카와시의소화가스발전실적... 185 < 표 4-40> 마이크로가스터빈의적용예... 185 < 표 4-41> 외국가스엔진의적용예...186 < 표 4-42> 외국연료전지적용사례... 187 < 표 5-1> 공공하수도시설에너지절감을위한단기목표... 193 < 표 5-2> 소화가스를이용한전력생산및소화조가온열에너지의 생산목표... 196 < 표 5-3> 에너지절약기술과포텐셜... 199 < 표 5-4> 공공하수도시설의에너지절감을위한정책및담당기관...202 < 표 5-5> 에너지자립형하수처리장시범사업의주요내용... 209 < 표 5-6> 소화조효율개선사업전후의처리비용년간절감액... 210 - vii -
< 표 5-7> 공공하수도시설의에너지절감을위한제도개선... 211 < 표 5-8> 공공하수도시설의에너지절감을위한단기대책의기대효과. 212 < 표부록 2-1> 하수처리장에너지절감을위한유기적시스템... 246 < 표부록 2-2> 펌프의부하율에따른효율... 262 < 표부록 2-3> 하수도시설부하구룹별전력량계및운전시간기록계설치대상 264 < 표부록 2-4> 수처리계통 266 < 표부록 2-5> 슬러지처리계통 267 < 표부록 2-6> DO계측기측정원리별비교 271 - viii -
< 그림차례> < 그림 1-1> 공공하수도시설의에너지절감대책수립을위한단계별 추진내용...3 < 그림 2-1> 하수처리과정과에너지설비... 6 < 그림 2-2> 하수의유입량, 수온과외기온의월변화... 15 < 그림 2-3> 압축식히트펌프의원리... 17 < 그림 2-4> 흡수식히트펌프의원리... 18 < 그림 2-5> 히트펌프의 COP 예... 18 < 그림 2-6> 가스내연기관을이용한소화가스이용의예... 20 < 그림 2-7> 태양광발전시스템계통도... 27 < 그림 2-8> 실태조사응답하수처리장의처리공법별현황... 34 < 그림 2-9> 실태조사응답하수처리장의지자체별시설용량분포... 35 < 그림 2-10> 지역별실태조사응답처리장수...47 < 그림 2-11> 지역별하수처리설비대상실제인구대비등가인구... 47 < 그림 2-12> 하수처리설비중기계류의운전부하율비교... 48 < 그림 2-13> 각하수처리장처리용량에대한단위용량처리시 전력소비율비교 ( 미국은중규모및소규모처리장의 평균값임 )... 50 < 그림 2-14> 각하수처리설비의대상등가인구에따른제거 BOD 당소비전력... 51 < 그림 2-15> 각하수처리설비의대상등가인구에따른 유입하수처리량당소비전력... 52 < 그림 2-16> 각하수처리설비의대상등가인구에따른제거 BOD 당소비전력: 고도처리와비고도처리와의비교... 52 < 그림 2-17> 2005 년도하수처리항목당운영비구성비율 (%)... 54 < 그림 2-18> 단위제거 BOD 당처리비용비교 ( 전체및전력비용)... 54 < 그림 2-19> 하수처리기법에따른처리비용비교 (2004 년)... 55 < 그림 2-20> 하수처리기법에따른단위제거 BOD당처리비용 비교 (2004 년)... 55 < 그림 2-21> 기계설비의전력소비율비교... 56 < 그림 2-22> 지역별하수처리설비중유입펌프및송풍기의 운전부하율... 58 - ix -
< 그림 2-23> 지역별하수처리단가비교... 59 < 그림 2-24> 지역별하수처리비용항목중인건비, 전력비 슬러지처리비비교... 59 < 그림 2-25> 지역별하수처리에너지원단위비교... 61 < 그림 2-26> 지역별하수처리설비중포기조송풍기및유입펌프 전력소비율... 62 < 그림 2-27> 하수처리장 ( 또는각지역) 등가인구기준연간 에너지사용량비교 ( 미국및유럽은하수처리장별 자료이나, 대한민국은지자체( 시, 도) 별평균자료임)... 64 < 그림 2-28> 하수처리장 ( 또는각지역) 등가인구기준연간 에너지사용량비교 ( 미국및유럽은하수처리장별 자료이나, 대한민국은지자체( 시, 도) 별평균자료임)... 64 < 그림 2-29> 하수처리장 ( 또는각지역) 등가인구기준단위 제거 BOD 당소비전력비교 ( 미국및유럽은 하수처리장별자료이나, 대한민국은지자체( 시, 도) 별 평균자료임 )... 65 < 그림 2-30> 하수처리장등가인구기준연간에너지사용량비교... 65 < 그림 2-31> 실태조사응답하수처리장의하수처리단가중전력비... 83 < 그림 2-32> 하수처리장규모별소화조운영현황... 85 < 그림 2-33> 소화조규모별운영현황... 86 < 그림 2-34> 년도별소화가스발생량... 87 < 그림 2-35> 실제가스발생량대설계가스발생량... 88 < 그림 2-36> 년도별실제가스발생량대설계가스발생량비변화... 89 < 그림 2-37> 슬러지유입유량대가스발생량...89 < 그림 2-38> 국내외하수처리량대가스발생량... 90 < 그림 2-39> 유입 BOD 부하대가스발생량...90 < 그림 2-40> 하수처리용량과소화효율...91 < 그림 2-41> 년도별소화효율변화...91 < 그림 2-42> 소화가스이용현황...92 < 그림 2-43> 하수처리장규모별소화조가온연료이용현황... 93 < 그림 2-44> 잉여소화가스의활용방안... 94 < 그림 2-45> 가스발생량에따른마이크로터빈및가스엔진규모별 발전가능용량... 95 - x -
< 그림 2-46> 연료전지사용시가스발생량에따른규모별발전가능 용량... 95 < 그림 2-47> 미활용 재생에너지이용현황기술분야별분포... 97 < 그림 2-48> 향후도입을희망하는미활용 재생에너지이용 분야별분포... 99 < 그림 2-49> 미활용 재생에너지를적극활용하는데있어 극복해야할어려운점... 100 < 그림 2-50> 하수처리장내혹은처리장으로부터반경 500m 이내의 냉난방급탕에너지가필요한열수요처... 101 < 그림 2-51> 냉난방에너지를필요로하는관리동의연면적... 101 < 그림 3-1> 미국중대규모 (20MGD 급) 하수처리장에서의전력소비패턴... 121 < 그림 3-2> 미국소규모 (1 MGD 급) 하수처리장에서의전력소비패턴...122 < 그림 3-3> 전력에너지소비분포도 ( 미국)... 123 < 그림 3-4> 유연한 DO 농도조절을통한에너지절감가능성... 130 < 그림 3-5> 영국의하수처리장항목당소비비용구성도...131 < 그림 3-6> Pumping Monitoring and Scheduling에의한 효율상승 ( 영국 Littlehempston 수처리설비)...131 < 그림 3-7> 오사카시의 12개사업소중 6개사업소의 2004년도 수처리계전력원단위및단가의평가... 135 < 그림 4-1> 소화효율이설계값까지증가할때하수처리장규모별 가스발생량... 148 < 그림 4-2> 소화효율이 50% 까지증가할때하수처리장규모별 가스발생량... 149 < 그림 4-3> 소화조운영정상화시각하수처리장의발전가능량... 150 < 그림 4-4> 향후하수처리장의총소화가스발생량및총 발전가능량예측... 152 < 그림 4-5> 히트펌프시스템... 153 < 그림 4-6> 울진하수처리장의하수처리량... 154 < 그림 4-7> Koraku 1-chome 지구전경... 156 < 그림 4-8> Koraku 지구열공급용히트펌프... 158 < 그림 4-9> 하수열교환기... 158 - xi -
< 그림 4-10> 하수온도와외기온도...159 < 그림 4-11> 마쿠하리신도시 Hi-Tech business지역 열공급구역전경...160 < 그림 4-12> 하수처리수이용히트펌프열공급시스템... 161 < 그림 4-13> 마루메시하수처리수이용지역열공급시스템의구성도... 166 < 그림 4-14> 소화가스처리공정도... 172 < 그림 4-15> 열병합발전설비계통도...172 < 그림 4-16> 예상소화가스발생량... 173 < 그림 4-17> 굴포하수처리장 1, 2 단계전력사용현황... 174 < 그림 4-18> 요코하마시하수도국북부슬러지처리센터의 슬러지소화조와소화가스발전시설... 175 < 그림 4-19> 요코하마시슬러지처리센터의소화가스발전시설... 175 < 그림 4-20> 소화가스발전설비흐름도... 177 < 그림 4-21> 비등냉각엔진개념도... 177 < 그림 4-22> 소화탱크운전상황... 178 < 그림 4-23> 가스발전열수지... 180 < 그림 4-24> 슬러지잠재에너지벨런스... 181 < 그림 4-25> 아사히카와시의소화가스발전시스템흐름도... 184 < 그림 5-1> 하수처리용량별평균제거 BOD 당소비전력...197 < 그림 5-2> 평균하수처리량당소비전력... 198 < 그림 5-3> 에너지절약을위한 data-base 구축및흐름도 작성순서... 203 < 그림부록 2-1> 하수처리장에너지절감을위한유기적시스템및 역할에대한개략도... 246 < 그림부록 2-2> 펌프성능곡선의예... 262 < 그림부록 2-3> 하수처리장단선결선도( 변경전) 264 < 그림부록 2-4> 하수처리장단선결선도( 변경후) 265 < 그림부록 2-5> 공공하수도시설에너지관리감시제어계통도... 265 < 그림부록 2-6> 수위일정제어... 269 < 그림부록 2-7> 유량의존형수위제어...269 < 그림부록 2-8> 수위의존형제어...269 < 그림부록 2-9> 평활대수제어...269 - xii -
< 그림부록 2-10> 유량비율제어... 270 < 그림부록 2-11> DO 일정제어... 270 < 그림부록 2-12> 유량비율제어와 DO 제어... 270 < 그림부록 2-13> A2O법의송풍량제어- 추가... 270 - xiii -
제1장개요 1.1 사업의배경및목적 국내상하수도정책은시설확충및신기술도입에초점을추고상하수도시설의 증설, 고도처리시설도입, 하수관거정비사업등국가차원의상하수도인프라를 확충및재건중에있다. 대부분의공공하수도시설에도입되는환경기술은수질, 대기, 폐기물등각각의운영상의성능에초점이맞추어져처리공정에서의에너 지사용효율성을간과하는맹점이존재한다. 과소비는지구의환경적자정능력을초과하여지구온난화, 급속한경제성장에수반한에너지 사막화및산림파괴 등생태계의교란과같은지구환경문제를야기하고유류가격의급등에의한경 제활동의둔화를초래하고있다. 에너지고갈과지구환경문제에대한 1차적대 처방안은기기, 설비의효율성을제고하여에너지사용을절감하고미활용 재생 에너지를적극적으로이용하는것이다. 본연구에서는공공하수도시설의에너지사용실태를파악하여에너지절감대 책을수립함과동시에하수처리과정에서의부생물질의자원화와미활용 재생에 너지의이용을극대화하여공공하수도시설의에너지자립화를위한정책적, 기술 적대책을수립하고자한다. 1.2 사업의기본원칙가. 공공하수도시설에너지절감방안제시공공하수도시설의시설별에너지절감방안과처리과정및부생물질등을이용한자원화방안을제시한다. 나. 에너지절감방안에대한세부시행계획및기대효과제시실효성있는에너지절감방안을추진하기위한구체적인시행계획을제시한다. 1.3 사업의내용 가. 에너지사용실태제시 전국하수도시설의에너지사용현황을비교 분석하기위하여하수종말처리시설 별및지자체별로에너지사용현황을분석하고각시설별사용연료, 에너지사 용량, 그리고절감내역현황을분석한다. 하수도시설유지관리비중에너지비용 이차지하는비율을분석하고에너지절감가능량및비용과함께기대효과를분 석한다. - 1 -
나. 에너지절감목표, 정책방향제시 에너지절감을위한구체적인정책목표및방향을제시하고전국지자체별절 감내역을토대로향후 10 년간의절감목표를제시한다. 특히절감내역, 절감비용, 절감량등을분석하여년차별절감목표를제시한다. 다. 시설별기술적인에너지절감방안 처리공정별, 전기, 기계, 계측분야별로에너지절감방안을제시하고유사용량 의하수종말처리시설별로사용연료에따른에너지비용을분석하여절감방안을도 출한다. 라. 국내외에너지절감사례 선진 5개국이상의국외하수도시설에대하여에너지절감및자원화사례를 파악하기위하여각국가별로하수도시설설치및유지관리과정에서의에너지 절감사례를제시하고하수도시설을이용한자원화사례와하수처리공정및처 리수, 발생물질등을이용한자원화사례를제시한다. 또한국내하수도시설의에 너지절감및자원화사례를분석하기위하여독특한아이디어로에너지절감에 기여한우수사례와하수도시설을유용한자원으로탈바꿈한사례를발굴한다. 마. 하수처리과정및부생물질을통한자원화방안 하수처리과정및부생물질을이용하여자원화할수있는내역, 기술, 실효성, 경제성등을분석하고부생물질을대체에너지로활용할수있는새로운방안및 현실성, 경제성등을분석한다. 바. 에너지절감을위한세부시행계획및기대효과 에너지절감목표별구체적인시행방법, 지원사항, 행정사항제시하고에너지 절감중장기대책의기대효과로향후 5년간절감대책추진을통한절감비용분 석, 전체 CO 2 발생량대비하수처리장설치운영으로절감되는량분석, 에너지 절감대책을통해절감되는 CO 2 량분석및비용절감액제시, 대체에너지원활용 을통한절감량및절감비용분석을수행한다. 공공하수도에너지저감실천지침 서작성하고공공하수도에너지저감을위한제도개선사항을발굴하여제시한 다. - 2 -
1.4 사업의단계별추진내용 공공하수도시설의에너지절감대책수립을위한단계별추진내용은 1-1> 과같다. < 그림 < 그림 1-1> 공공하수도시설의에너지절감대책수립을위한단계별추진내용 - 3 -
제2장공공하수도시설의에너지사용및자원화실태 2.1 2.1.1 공공하수도시설의구성및주요설비 일반사항 가. 공공하수도시설의구성 일반적으로공공하수도시설은하수관거, 중계펌프장및하수처리시설로구성되 지만, 우리나라의경우분뇨, 정화조오니, 음식물쓰레기침출수등의연계처리를 다수하고있는실정이나, 가주연구대상이다. 본과업에서는하수처리시설에서의에너지관련분야 나. 하수처리설비의각공정별기능 공공하수도시설은침사지, 유입펌프장, 최초침전지, 포기조, 최종침전지, 농축 조, 소화조, 탈수설비및고도처리설비등으로구성되어있고, 각설비는아래와 같은기능을담당한다. 1 침사지 : 유입된하수중에협잡물및침사물을제거하고이후의처리공정에 있어서폐쇄등에의한기계손상을미연에방지하기위한설비로조목및세목 및미세목스크린으로협잡물을제거하고, 침사인양기를이용모래를제거한다. 2 유입펌프장 : 주거지역에서흘러나온하수는저지대인하수처리장으로중력 으로흘러오게되는데이를처리하여다시하천에방류하기위해서는일정수위 가필요하다. 침사지에서토사가제거된하수는펌프장에서양수, 분배조로올리 는데이때수위를상승시켜이후처리공정의흐름에중력으로흘러가도록하는 설비로이후최종방류될때까지의동력은필요없다. 3 최초침전지(1 차침전지) : 하수중에유입된침전가능한오염물질을제거하 기위한단위공정으로서침전된슬러지를제거하고스크린에서미처제거하지못 한부유협잡물과스컴 ( 하수내에부유물질. 유분덩어리) 을제거한다. 여기서침 전또는부상된생슬러지는농축조나소화조로보내짐. 일부시설의경우전처리 된분뇨를이곳에유입시켜수처리계통에연계처리하기도한다. 4 포기조 : 하수처리의중심이되는설비로서, 전처리된초침유출수와활성슬 러지를산기장치, 표면포기기등을이용한호기성조건하에서강제적으로접촉 시켜, 미생물에의한흡착, 산화, 동화작용등의생물반응을효율적으로진행시 켜, 오탁지표인 BOD원을산화분해시키는기능을수행한다. 여기서활성슬러지 란하수중의용존물질등을미생물의대사작용과산화및동화작용에의해산 화분해후미생물을서로응집하여침전하기쉬운형태로바꾸어제거하는것으 로그작용은하수중의유기물을먹이로하는세균및미생물이담당한다. 5 최종침전지 : 포기조에서생성된활성슬러지 Floc을본설비에서침강분리 - 4 -
시켜깨끗한상징수를얻는것을목적으로하며여기서깨끗한상징수는대개소 독후최종방류한다. 침강분리에의해침강된고형물은일부포기조로되돌려 보내는반송슬러지로서포기조활성유지에사용되고, 증식된여분의슬러지는 잉여슬러지로서인발하고농축조를시작으로하는슬러지처리시설로보내진다. 6 농축조 : 최초침전지에서분리된생슬러지와최종침전지에서발생한잉여슬 러지를혼합유입시켜중력으로농축시킨후소화조로이송한다. 이는슬러지용 량을줄여소화조의처리기능의향상시키기위한공정이다. 7 소화조 : 농축조에서농축되어감량화된슬러지를혐기성소화를통하여슬 러지의유기물을소화시켜슬러지의감량화, 안정화를꾀함과더불어탈수처리의 전처리로서슬러지탈수의용이성을도모한다. 9 탈수설비 : 슬러지를장외로배출하기위한최종설비로서슬러지농축과는 달리슬러지내의수분을강제적인수단에의해탈리시켜수분함량을줄인다. 결 국슬러지의체적을감소하여처분의경제성을증가시키고취급의편의성을도모 한다. 10 고도처리설비 : 하수의 3 차처리를포함하여폐수처리과정에서질소, 인등 을제거하는설비로공공수역의수질오염과관련되는환경기준의준수, 수역등에서의부영양화방지, 처리수의재이용등을목적으로한다. 폐쇄성 다. 공공하수도시설의기술분야별주요기기및운전특성 1 공공하수도시설에서운전중인기기류는기계분야, 전기분야, 계측/ 제어, 그 리고기타분야로구별할수있다. 2 기계분야의경우공정별로그특성과기능이상이한펌프, 송풍기, 협잡물의 제거를위한조목, 세목스크린, 제진기, 컨베이어, 그리고슬러지수집기, 소화가 스보일러, 탈수기등이있다. 3 다. 4 전기분야의경우수전/ 변전/ 배전설비, 각종전동기, 그리고비상발전기가있 계측/ 제어분야의경우감시제어설비와계측기기등으로 MLS( 자료송수신장 치), POS, PES ( 운전자, 관리자컴퓨터), MGP ( 중앙감시모자이크그래픽패널) 를들수있으며중앙관리동에서설비의모든운전상태를통제, 감시하고종합적 으로관리한다. 5 있다. 기타설비로관리동에서사용되는각종조명기기와냉난방및공기조화기기가 - 5 -
2.1.2 기계설비 하수처리시설에서에너지를소비하는분야는기계및전기설비로나누어지고, 기계설비는펌프장설비, 수처리설비, 슬러지처리설비, 고도처리설비및기타 설비로크게구분된다. 기계설비의설계및운용시에고려할사항은신뢰성, 경제성, 유지관리성, 적정 한규모, 합리적배치, 적합한재질특성, 용이한보수작업, 지역/ 환경조건, 부품의 호환성등을포함한다. 이중에너지와밀접한관계가있는사항은기계설비의효 율, 운전부하율, 내구성, 지역/ 환경조건등을들수있다. 기계설비를보다자세히분류하면펌프장설비에는수문설비, 스크린설비, 침사 제거설비, 펌프설비, 유량조정조설비등이있고, 수처리설비는일차침전지설비, 생물반응조설비, 2 차침전지설비, 고도처리설비등으로각종송풍기와펌프를포 함함. 슬러지처리설비는슬러지농축설비, 슬러지소화조설비, 슬러지탈수설비및 탈수케익반출저류설비등으로구성될수있고, 기타설비는용수설비, 소독설비, 탈취설비및공기조화설비등을포함한다. < 그림 2-1> 하수처리과정과에너지설비 가. 기계설비의구성 < 그림 2-1> 은일반적하수처리과정에대한개략도로서수처리공정과슬러지 ( 오니) 처리공정으로구분되며이두공정에서에너지가많이소비되는부분은각 - 6 -
종설비를운전하는데필수적인펌프및송풍기류, 가온장치, 슬러지탈수장치및 탈취설비이고, 부수적으로는하수처리장내공기조화시스템을포함한다. 나. 공정별기계설비의기능 하수처리시설에서의공정별기계설비의기능은 < 표 2-1>~< 표 2-4> 와같이 펌프장설비, 수처리설비, 슬러지처리설비및기타설비로구분하여설명할수 있다. 1 펌프장설비 : 펌프장기계설비의구성과기능은 < 표 2-1> 과같으며펌프장 에는처리장내펌프장 ( 유입펌프장+ 방류펌프장), 중계펌프장, 빗물펌프장이있다. < 표 2-1> 펌프장기계설비의구성과기능 설비명기능비고 수문 침사지의선택운전, 불시의정전및펌프장보수시의유입량을일시차단하거나, 합류식의경우호우시펌프장설비의침수방지를위해유량조절을하기위한목적 - 수동식, 전동식, 전동형자중강하식 스크린설비 침사제거설비 펌프설비 하수중의협잡물을제거하여펌프, 배관등의손상과막힘을방지함과동시에다음공정의처리시설을보호하여하수처리를용이 - 조목스크린: 수동제거식, 기계제거식 - 세목스크린: 연속체인식자동스크린, 간헐식(One Rake) 자동스크린, 협잡물종합처리기 - 미세목스크린: 스텝스크린, 전동마이크로바-스크린 주펌프, 슬러지펌프등의마모및막힘방지, 관로의모래퇴적으로인한유입하수의유입곤란, 반응조에모래가침적되는것을방지하기위하여유입하수중의모래를제거 - 종류: 그래브식, 주행버켓컨베이어식, 버켓체인컨베이어식, 스크류컨베이어식, 포기식, 선회류및선와류식, 협잡물종합처리기, 진공차등 - 자동스크린: 간헐운전 -운반기기는스크린과연동하여수위계및프로그램 timer에의해운전 - 제어방식: 수위제유입하수를처리시설로이송하는설비이며중계펌프와어, 유량제어처리장내의유입펌프및처리수이송펌프로분류 - 유량제어: 펌프의 -펌프는수위에의한 ON-OFF 운전 ( 주로조정조가있대수제어, 펌프의는경우) 을기본으로하고, 수위상승에따라속도제어회전수제어(VS방및대수제어를검토식, 인버터방식), -조정조이송펌프의정유량제어는일부속도제어를포함토출밸브의개도제하여대수제어또는분배계량조설치를검토어등 - 7 -
설비명기능비고 유량조정조설비 유입하수의유량과수질의변동을흡수해서처리시설의처리효율을높이고처리수질의향상을도모하는목적으로필요에따라설치하는시설 - 용량: 계획일일최대오수량을넘는유량을일시적으로저류하도록정함 -유입하수의조정방법: In-line방식 ( 비경제적), Off - line 방식 ( 경제적) ( 자료: 환경관리공단, 하수종말처리장기계설비공사설계지침, 환경부, 2001. 7.) 2 수처리설비 : 수처리기계설비의구성과기능은 < 표 2-2> 와같다. < 표 2-2> 수처리기계설비의구성과기능 설비명기능비고 일차침전지설비 반응조설비 침전가능한부유고형물을침전제거하기위한고액분리시설로써생물학적처리공정의부하감소, 후속처리시설의시설용량의감소및운전비용의안정적절감등을목적 - 슬러지수집기: 침전된슬러지를한곳에긁어모음 ( 연속운전, 일정한스크래핑속도유지) - 스컴스키머: 수면상에부상하는스컴제거 - 슬러지인발설비: 슬러지수집기에의하여모아진슬러지배출 ( 생슬러지펌프에의한강제인발방식) 활성슬러지미생물이유기물질을산화하고새로운세포의 동화작용에필요한산소의공급과반응조내혼합액의교 반을목적으로하는설비 - 산기장치: 산기식, 기계식및펌프순환식 - 산기식 ( 미세기포식, 조대기포식): 압축공기를포기조의 바닥에설치한산기장치에의한미세기포를분출하고, 기포의 상승작용에 따라서 발생하는 상향류에 의해서 하수와활성슬러지를혼합, 교반, 공기중의산소를공 급 - 기계식 ( 종축회전식, 횡축회전식, 수중교반식): 하수에 선회류를일으켜서대기중에물보라, 수막을형성시키 거나물결을일으켜서공기와접촉시켜공기중의산소 를하수에용입시키는형식으로, 수중축류펌프의회전차 하부에압축공기를분출하여미세기포화하는형식 - 펌프순환식: 펌프와송풍기의조합에의해, 펌프의토출 수에공기를혼입하여하수에산소를공급 -산기장치의인양설비 - 소포설비: 포기조등의공기공급또는교반등에의해서 거품이생기므로소포장치등으로소포하고, 거품의비 -인발슬러지펌프의제어방식은 VS방식, 대수제어방식, VVVF방식등을검토하고, 생슬러지펌프는 Timer 로정격운전 -반응조바닥부의슬러지퇴적을방지하기위하여 0.1 m/sec 이상의지바닥의유속을확보 - 8 -
설비명기능비고 이차침전지설비 송풍기설비 산을방지하기위한설비 침전가능한부유고형물을침전제거하기위한고액분리시설로써생물학적처리공정의부하감소, 후속처리시설의시설용량의감소및운전비용의안정적절감등을목적 - 슬러지수집기: 슬러지의긁어모으는속도는최종처리단계이므로일차침전지에비해서침전슬러지가가볍기때문에슬러지의부상을극소화할필요가있고, 수류나슬러지수집기에의한물의혼란에의해서부상되기쉬우므로침전지의형상이나슬러지수집기의기종에따라서방류, 수질에큰영향을미치기때문에장방형침전지가일차침전지에비해서느리게하는것이바람직함 - 스컴스키머: 일차침전지에비해서침전의부유물이발생하지않으므로처리공법등의현장조건에따라서설치를고려 반응조등에공기를압송하는설비로공기여과기, 송풍기, 전동기, 송풍관, 밸브류등으로구성 - 송풍기의토출압력: 5,000~7,000mmAq - 풍량: 5~550m 3 /min - 용량: 반응조 ( 주로), 예비반응조, 수로, 포기침사지, 에어리프트펌프등의필요공기량으로결정 - 반응조송풍기: 직결다단터보송풍기, 단단터보송풍기 ( 기어증속형, 자기부상형), 로터리( 루츠식) 송풍기등 - 공기여과기, 송풍기, 전동기등의설치위치는옥내로하고, 가능한한반응조에가까운장소 - 슬러지인발: 타이머에의한간헐운전이가능하고, 16시간으로잉여슬러지의전량이인발될수있도록설계, 원칙적으로펌프에의한방식 - 반송슬러지펌프: 최소구경을 80mm, 막힘이잘일어나지않는구조ㆍ잉여슬러지인발설비: 생슬러지펌프와같은형식 -터보송풍기의풍량제어: 흡입버터플라이밸브, 흡입베인, 가변토출디퓨져에의한방법 - 로터리( 루츠식) 송풍기의풍량조정 : 대수제어, 방풍밸브와회전수 ( 주파수변환) 제어와의조합을원칙 ( 자료: 환경관리공단, 하수종말처리장기계설비공사설계지침, 환경부, 2001. 7.) 3 슬러지처리설비 : 슬러지처리기계설비의구성과기능은 < 표 2-3> 과같으 며그목적은일차침전지슬러지, 로변환시키기위해서안정화, 감량화하는것이다. 잉여슬러지를효율적이고처분하기쉬운형태 - 9 -
< 표 2-3> 슬러지처리기계설비의구성과기능 설비명기능비고 슬러지농축설비슬러지소화조설비슬러지탈수설비 - 종류: 중력농축조, 기계농축설비( 원심농축기, 부상식농축기, 벨트농축기 ) - 중력식농축: 심한악취, 장기간체류로인한혐기화로고도 처리공정에서제거된인(P) 성분이방출되므로최근에는사용 되지않음 - 원심농축기: 처리규모가큰곳에서연속적인농축을하고자 할때아주유용한방법으로시설규모가작고, 냄새발생문제 를최소화, 2000-3000g, 농축슬러지의함수율(95~96%), 고 형물회수율 (90~95%) -부상식농축기 : 활성슬러지나살수여상슬러지와같이비교적가 벼운슬러지의농축에많이이용, 가압부상법( 전량가압법, 부 분가압법, 순환수가압법), 감압부상법( 진공부상법), 농축슬러지 의함수율(96~97%), 고형물회수율 (90~98%) - 벨트농축기: 유입되는슬러지를 3~7m/min 속도로 회전하는 GBT 의벨트위로유입분배하어, 슬러지의표면적을넓혀자 연압( 중력) 으로 하수처리에서 물리적, 화학적, 생물학적으로 발생되는슬러지를연속적으로농축시키는설비, 농축슬러지 의함수율 (96~97%) - 농축인발슬러지펌프: 최소구경은 100mm - 소화방식: 1단소화또는 2단소화 - 투입슬러지농도가높은경우: 고액분리를목적으로하는 2차소화조는설치하지않는것이좋음 -투입슬러지의유기분이 50~80% 정도의중온소화(30~ 35 ) 의경우소화일수 20일정도에서의소화율은 50% 정도로됨 - 교반방식: 가스교반방식 ( 가스압축기) 또는기계교반방식 ( 소화조내에교반기를부착 ) - 탈황설비: 건식또는습식 - 가온설비: 증기주입식 ( 표준형, 직접식) 또는외부가온방식 ( 열교환기이용, 간접식), 보일러설비 (10kg/cm 2 이하 ) - 잉여가스연소장치: 노( 盧 ) 내형또는노( 盧 ) 외형 - 소화슬러지인발설비: 수위차, 모노펌프( 일축나사식슬러지펌프) 또는원심나선형스크류슬러지펌프, 최소구경은원칙적으로 100mm 3 - 소화가스의저위발열량: 5,100~ 5,500 kcal/n m - 슬러지의조정공정: 후속탈수공정의효율을향상시키기위한수단으로약품조정( 주로), 열처리, 슬러지세정등 - 벨트프레스탈수기: 상하2매이상의여과포와이들에장력을걸어주는로울러및압력을가하는로울러에의해공급된슬러지를여과, 압착에의해연속적으로탈수 - 원심탈수기: 보울이라불리는고속회전하는외통내부에슬러지를공급하여원심효과에의해서슬러지의고액을침강분리 - 소규모처리장에서는발생슬러지량이적어탈수기가동율이낮으며초기 - 10 -
설비명기능비고 - 가압탈수기: 여과판에여과포를걸고, 이것을필요용량에맞는매수로나란하게한여과실을갖고, 슬러지를여과실내에압입하여가압탈수 - 다중원판외통형스크류프레스: 본체는일정하게회전하는스크류와그회전에따라미세하게상하운동을하는여과부로구성되어있고, 스크류는여과부를관통하므로그끝이항상유동링을밀어올리고있어링의유동에의해여과부의공극을청소하여막힘이발생하지않는구조의탈수기 - 유동판농축탈수장치: 본체는저속으로회전하는스크류와고정판, 유동판으로구성되어있으며, 농축부는유동판과고정판이번갈아가면서적층을형성하고, 고정판사이에서일정간격의틈새를유지하는유동판은 2개의편심축에의해미세한운동을하여농축ㆍ탈수하는장치ㆍ슬러지저류설비: 슬러지탈수기가통상주간에운전하므로슬 러지일시저류및슬러지균등화를도모하기위한설비 반송풍량 : 0.5~1.0m 3 /hr m 3 조 ) ( 공기교 ㆍ슬러지공급펌프, 약품공급펌프, 수압펌프, 여과포세정펌프, 공기조용송풍기등탈수탈수기로부터배출된탈수케이크를반출하여일시저류하기위케익한설비로벨트컨베이어, 스크류컨베이어, 뉴메틱컨베이어등반출을이용하고저류호퍼의개폐방식은전동유압, 공압컷게이트저류식이있음설비 ( 자료: 환경관리공단, 하수종말처리장기계설비공사설계지침, 환경부, 2001. 7.) 투자비가높고, 주변의악취발생방지, 설비의중복투자방지, 유지관리의간소화등을고려하여진공차등을이용한광역처리장과연계처리를검토 4 기타설비 : 기타기계설비의구성과기능은 < 표 2-4> 과같으며이에는용수 설비, 소독설비, 탈취설비및공기조화설비등이있다. < 표 2-4> 기타기계설비의구성과기능 설비명기능비고 용수설비 처리수를기계냉각수, 축봉수, 세척수및소포수등에 사용하기위한설비이고, 장래필요시재이용수의확 보를위함 - 용수의종류: 상수, 지하수, 공업용수, 사여과수, 2차 처리수( 스트레이너여과) 등 - 펌프, 전동기, 송풍기등의실링수및냉각수: 사여 과수사용을표준으로하지만, 상수를이용하는경우 는순환이용을원칙 - 11 -
설비명기능비고 - 탈수기의여포세정, 소각용세정탑용수등: 공업용수또는사여과수를표준으로함 - 소포수, 침사지( 침사세정수), 기타세정수등: 스트레이너여과수정도로함 - 탈취용수( 보급수, 희석수), 약품용해수등: 사여과수이상의용수가바람직함 소독설비 탈취설비 처리수중에생존할우려가있는병원성세균을사멸시켜처리수의위생적인안전성을높임 - 염소소독, 오존소독, 자외선소독등 부지주변의자연환경및주거환경과의조화를도모하며, 청결감이있는분위기있도록, 시설처리장 펌프장에서발생하는악취를제거 - 약액세정방식, 미생물탈취방식, 활성탄흡착방식 탈취팬은보수관리, 위험분산을고려해서 2 대( 병렬운전) 설치 기타설비 - 바닥배수펌프 ( 최소구경은 50mm 이상 ) - 상징수배출장치 ( 기계식, 밸브식, 공기식및펌프식) ( 자료: 환경관리공단, 하수종말처리장기계설비공사설계지침, 환경부, 2001. 7.) 2.1.3 전기설비일반적인하수처리시설은공공수역의수질보전을위한공공시설로서높은전력공급신뢰도가요구되므로정전으로인한처리시설의가동이중지되지않도록한국전력예비회선의인입또는비상발전기등의예비전원의확보가이루어져야한다. 가. 하수처리장의일반적인전기설비의구성 1 수전방식 : 하수처리장의일반적인수전설비가 < 표 2-5> 에주어져있으며 과거에건설된하수처리장은 건설된하수처리장의경우동일변전소에서 1회선수전과비상발전기를설치하였으나최근에 2 회선수전방식을취하고있다. - 12 -
< 표 2-5> 전기설비의수전방식비교 구분 1 회선수전+ 비상발전기동일변전소에서 2회선수전 회로도 특 징 -자가발전시설을확보함에따라외부사고( 선로정전등) 에영향을받지않고예비전력공급이가능 -초기투자비및유지관리비가고가임. -발전설비의운영유지를위한유지보수인력필요 -건축물및소요부지면적이커짐 -정전시간의최소화 -다소높은공급신뢰도 -무정전계통구성가능 -비교적경제적설비 - 예비선로의시설비추가부담. -전력비 기본요금의 5% 추가 부 담. -공급신뢰도에서다른변전소 2회 선수전보다다소떨어짐. 2 모선방식 : 단일모선방식과이중모선방식등이있으며대다수의하수처리장 은단일모선방식으로구성하고있다. 3 전압강압방식 : 대용량송풍기와유입펌프의경우 2단강압방식을취하고 중, 소용량설비의경우 1 단강압방식을취하고있다. 4 고있다. 5 변압기 Bank : 변압기뱅크수는 2Bank 방식(1 대상용, 1 대예비) 을적용하 배전설비 : 종류별배전특성은다음과같다. 저압배전간선 : AC 3ø 4W, 60Hz, 380/220V 전동기회로 : AC 3ø3W, 60Hz, 380V 조명회로 : AC 3ø 4W, 60Hz, 380/220V ( 간선) AC 1ø 2W, 60Hz, 220V ( 상시조명), DC 110V ( 비상조명) 리셉터클 : AC 3ø 3W, 60Hz, 380V AC 1ø 2W, 60Hz, 220V 제어및조작회로 : AC 1ø 2W, 60Hz, 110V, 220V DC 110V ( 차단기조작) - 13 -
2.1.4 계측제어설비 계측제어설비는감시제어설비와계측기기등으로구분되어운영되고있으며, 감시제어설비는크게 2 가지시스템으로설치운영되고있다. 가. 감시제어설비 1 분산제어설비 : 2000년이전에시설된대규모하수처리장 2 PLC 설비 : 2000년이후에시설된소규모하수처리장 나. 시설제어 1 유입펌프제어 : 유입펌프의제어방식비교가 < 표 2-6> 에주어져있다. < 표 2-6> 유입펌프의제어방식비교 항목제어요소제어방식 대수제어펌프정수위수위에따른펌프대수제어 회전수제어펌프정수위수위에따른회전수제어및대수제어 2 송풍기제어 : 송풍기의제어방식비교가 < 표 2-7> 에주어져있다. < 표 2-7> 송풍기의제어방식비교 항 목 제어요소 제어방식 대수제어 DO 농도 농도에따른송풍기대수제어 회전수제어 DO 농도 농도에따른회전수제어및대수제어 3 반송슬러지펌프제어 : 반송슬러지펌프의제어방식비교가 < 표 2-8> 에주 어져있다. < 표 2-8> 반송슬러지펌프의제어방식비교 항 목 제어요소 제어방식 대수제어 MLSS 농도농도에따른펌프운전시간제어 회전수제어 MLSS 농도농도에따른펌프회전수제어 - 14 -
2.2 부생물질의자원화및미활용 재생에너지이용기술 2.2.1 하수열이용냉난방 가. 냉난방시스템에서의하수열이용의유효성 냉난방시스템에하수열을이용할경우다음과같은장점이있다. 1 열교환효율이우수 하수는지하에매설된관거내를흐르고있으므로외기온의영향을받는것도 적으며, < 그림 2-2> 에나타낸바와같이대개동절기 12 에서하절기 25 정 도이고일교차도 2 정도로연간을통하여수온이안정되어있을뿐만아니라 여름은차갑고겨울은따뜻한특징이있어, 하수를열원으로한히트펌프(heat pump) 는공기열원열펌프보다냉매와의온도차가크게되므로열교환효율이좋 다. ( 자료 : 대전광역시원촌하수처리장) < 그림 2-2> 하수의유입량, 수온과외기온의월변화 2 열원으로서의안정되어있음 하수의유량은 < 그림 2-2> 에나타낸바와같이연간을통하여비교적일정하 여열펌프의열원으로서안정적이다. 3 부존열량이많음 전국에서하수처리수로서배출되는수량은연간 32 억m3를초과하고있으며, 이전량을이용온도차 5 로가정하여열에너지부존량을산출하면약 16,000 Tcal/ 년인데, 이는우리나라 1995 년도가정및상업용냉난방 급탕열소비량의 약 4 6.7% 에상당하는막대한양이다. 열수요지에근접하여존재 하수처리장은대개도심부에위치하고있으며, 따라서열원과열수요처가근접 - 15 -
하고있어열수송을위한배관비용이적게소요되어경제성면에서유리하다. 5 물을절약할수있음하수를열원으로이용할경우는원칙적으로냉각탑이불필요한데, 이는냉각탑을사용할경우, 그원리는물을증발시킬때기화잠열에의해냉각수를차갑게하기때문에증발손실분을수도물로보급할필요가있으나, 하수열을이용할때는냉각탑이필요없어물을절약할수있다. 6 열섬화현상을피할수있음공기열원의경우, 냉난방에따른배열은공기열원기설치장소근방의대기로국부적으로배출되지만, 하수열이용의경우에는지하에매설된관거를통하여확산되기때문에열섬화현상을피할수있다. 나. 하수열원히트펌프 하수또는하수처리수를냉난방, 급탕용열원으로사용하기위해서는기본적 으로열변환설비인히트펌프를사용해야한다. 서저온으로흐르며, 열은열역학법칙에따라고온에 그자신만으로는온도가낮은곳에서온도가높은곳으로 이동이불가능하므로열의이동에는반드시일(work) 이소요되는데, 물펌프 (water pump) 가물을낮은위치에서높은위치로퍼올리는기계라는의미와마 찬가지로, 히트펌프(heat pump) 란열을온도가낮은곳에서온도가높은곳으로 이동시킬수있는장치를의미한다. 물펌프는동력( 전력) 을필요로하는것과마 찬가지로히트펌프도동력 ( 전력) 을필요로하며, 물펌프가물을퍼올릴때높이 가높을수록더많은동력을필요로하는것과같이열펌프도온도차가클수록 큰동력을필요로함. 즉열펌프는저온의열원에서열을흡수하여고온의수열 체( 공기또는물) 에반송하는기계장치로서압축기구동에필요한입력에너지보 다더많은에너지를열에너지의형태로공급할수있는에너지절약적인열공급 장치이다. 이러한열펌프는사이클의구성과작동방법이냉동기와같으며단지 저온열의사용을목적으로하는경우에는냉동기, 고온열의사용을목적으로하 는경우에는히트펌프가되는것이상이할뿐인데, 히트펌프의종류는크게압축 식과흡수식으로대별된다. 압축식히트펌프는에어콘이라불리우는냉방장치의역사이클, 즉냉방전용의 에어콘은실내에설치된실내기의열교환기에서열을흡수하여실외에설치된실 외기의열교환기를이용하여열을방열시키는원리이며, 히트펌프는반대로실외 기의열교환기에서열을흡수하여실내에설치된실내기의열교환기를이용하여 열을방열시키는원리인데, 압축식열펌프사이클의기본적인구성요소는 < 그림 - 16 -
2-3> 과같이저온부열교환기인증발기, 압축기, 고온부열교환기인응축기, 팽 창변의 4개요소로구분되며작동유체인냉매가압축 응축 팽창 증발의사이 클조작을반복하는것으로, 이다. 냉수또는냉풍과온수또는온풍을제조하는장치 < 그림 2-3> 압축식히트펌프의원리 흡수식히트펌프는흡수냉동기의원리와마찬가지로리튬부로마이드(LiBr) 용액이진공중에서 < 그림 2-4> 와같이흡수 재생 응축 팽창 증발의사이클 조작을반복하는것으로서, 저온열원수(10~ 45 ) 로부터열을회수하여온수(5 5~ 90 ) 를만들수있는장치이다. 열펌프의성능은냉난방용의발생온열량혹은제거냉열량에대하여냉난방을 행하기위해투입된전기에너지( 단위: 열량) 의비로표시되며, 수 이것을성적계수 (COP) 라한다. 따라서냉난방용열량이동일하다면 COP 값이클수록전기에너 지가적어경제적이므로 COP 는냉난방효율의기본적지표로되는데, 히트펌프 의 COP 는 < 그림 2-5> 에서보듯이열원온도가같다면공기열원에비해수열원 의경우가높으며, 또한냉방시에는열원온도가낮을수록 COP 가높고, 난방시에 는열원온도가높을수록 COP 가높게된다. - 17 -
< 그림 2-4> 흡수식히트펌프의원리 < 그림 2-5> 히트펌프의 COP 예 다. 하수열의이용상의과제 하수처리수는수질에의해기기의부식이나스케일이부착할수가있으며, 하수의 배출량은비교적안정적이지만일일 계절변동이있으므로열수요와의밸런스를충 분히검토하여야하고, 우수가합류하거나눈이녹아들어갈때는수온이떨어지는 - 18 -
경우가있으므로주의를필요로한다. 또한하수처리장은주택단지가복잡하게난 립되어있어서열수송이효율적으로이루어지지않으므로경제성이떨어지는경우 가발생되며, 하수처리장시설과열공급시설과의소유구분을명확히할필요가있 다. 제도상으로의과제는하수및처리시설이하수도법, 지역냉난방시설은지역열공 급사업법의규제가있으므로이두관계에대해법제도상으로구분을명확히할필 요가있고, 도로를점유하는경우는도로법의사용허가, 하천이근접해있는경우는 하천법에의해하천관리자의허가가필요한다. 2.2.2 소화가스발전 가. 소화가스이용발전방안 소화가스이용방법을세대별로구분하면다음과같다 : - 1 세대: 가온및난방 - 2 세대: 발전과열회수를위한열병합발전 (co-generation system) 전기는 blower 용동력, 폐열은소화조가온및난방에사용 - 3 세대: 연료전지이용발전, 메탄으로부터수소를추출하여에너지생산 소화가스이용발전은내연기관을이용하는 2세대와연료전지를이용하는 3세 대로구분된다. 유럽, 미국등선진제국에서는처리장의소요에너지절감을위하 여소화가스이용발전을오래전부터적용하여왔다. 소화가스를발전에이용하기 위해서는일정량이상의가스가필요하며, 일반적으로연간소화가스발생량 100 만m 3 이상인경우가발전에적합하다. 소화가스발생량은하수처리장의특성에 따라다르지만, 일반적으로 1m 3 의하수를처리하는데발생슬러지의양은 120g 이고, 소화가스발생량은 42 l이며, 소화가스의열량은 240kcal/m 3 이다. 1 내연기관발전 내연기관발전은 < 그림 2-6> 에나타낸바와같이메탄가스가주성분인소화가 스를연료로사용하여발전기를구동하며전기를생산하는것이다. 내연기관은 < 표 2-9> 에제시된바와같이가스터빈과가스엔진으로구분된다. 가스터빈은 가스엔진보다는발전효율이나쁘지만, 기기중량당의발전출력이크고, 공기냉각이 가능하며, 단시간에서기동정지가가능할뿐만아니라, 소음대책이용이하다는특 징을가지고있다. 특히최근에소형분산전원장치인마이크로가스터빈은패키지 화에의한조작의용이성때문에외국에서는중소규모의하수처리장에급속하게 적용되고있다. 마이크로가스터빈은 1998년 30 kw 급상용화( 미국 Capstone 사) 이래많은회사들이경쟁적으로개발에참여하고있다. 가스엔진은경유나도시가 스를연료로하는종래의엔진과구조는거의동등이지만, 보수주기를짧게하는 - 19 -
등의배려가필요하다. < 그림 2-6> 가스내연기관을이용한소화가스이용의예 < 표 2-9> 열병합발전기의종류 구분마이크로가스터빈가스엔진 발전방식용량발전효율유지비용 팽창연소가스에의한터빈축회전 25-300 kw 30% $ 0.025/kWh 가스엔진구동 0.1-3 MW 30% $ 0.015/kWh 문제점소화가스내포함된미량의실록산(siloxane) 에의한막힘현상 2 연료전지(fuel cell) 발전 연료전지는소화가스에포함된메탄이가지고있는화학에너지를전기화학반 응에의하여직접전기에너지로변환시키는고효율의무공해발전장치이다. 연료 전지의각 cell은 cathod, anode, 전해질로구성되며, 여러개의 cell을조합하여 용량을변화시킬수있다. 공기극(cathode) 에는산소가, 연료극(anode) 에는수소 가공급되어물의전기분해역반응으로전기화학반응이진행되어전기, 열, 물이 발생한다. 연료전지의장점은다음과같다 : - 수소가스가풍부한소화가스를단독으로이용할수있다. - 연료의연소가없으므로오염물질(NOx, SOx, 미립자등) 배출없다. - 20 -
- 연소를위한기계장치필요없다. - 발전효율이높으며(40-50%), 작동이단순하고안정성높다. - 연료가공급되는한연속적으로운영될수있다. - 다양한연료( 천연가스, LFG, 메탄올, 소화조가스등) 의사용이가능하다. 연료전지는 < 표 2-10> 에나타낸바와같이전해질의종류에따라여러가지 종류로구분된다. 이중용융탄산염(MCFC) 가소화가스발전에널리사용된다. < 표 2-10> 전해질종류에따른연료전지의구분 구분 PAFC MCFC SOFC PEMFC DMFC AFC 전해질 인산 탄산리튬 / 탄산칼륨 지르코니아 수소이온교환막 수소이온교환막 산화칼륨 연료 H 2 H 2, CO H 2, CO H 2 MeOH H 2 원료도시가스, 도시가스, 도시가스, MeOH, LPG LPG, 석탄 LPG H 2, CH 4, MeOH H 2 효율 40% 45% 45% 45% 30% 40% 출력 (kw) 100-5,000 1,000-10,000 1,000-10,000 1-1,000 1-100 1-100 나. 슬러지전처리를통한메탄가스발생량증가방안 소화가스발생량을증가시키기위한슬러지전처리기술은크게초음파이용방 법, 열적전처리, 기계적전처리, 화학적전처리, 그리고이들방안을결합한복 합전처리기술로구분된다. 1 초음파이용슬러지전처리 초음파를이용한슬러지전처리기술의원리는다음과같다. 초음파발생기 (sonotrode) 를이용하여수중에강한초음파를조사하면격렬한가압, 감압이반 복된다. 20KHz 의경우, 초당 2,000 회의진공부(cavitation) 현상에의해발생한 미세한기포(cavity) 파괴시국소적인고온, 고압은초임계상태를발생시키며 슬러지를가용화하여소화성을향상시킨다. 초음파전처리는알칼리등과함께 이용될수있으며, 농축슬러지를대상으로적용하거나, 가용화슬러지는탈질조 로반송하여탈질에필요한탄소원으로사용할수도있다. 일반적으로초음파전 처리에의한슬러지가용화율은 70-85% 까지가능하다고알려져있으나, 잉여슬 러지에 ph 11 50% 의효율향상이기대된다. 전후가되도록알칼리를첨가하고초음파를투사하는경우약 슬러지가용화시설내의체류시간은조사강도및 목표가용화율등에따라달라지지만일반적으로 30초에서 3 분정도이다. - 21 -
초음파를슬러지감량화에적용한결과는 < 표 2-11> 에나타낸바와같다. < 표 2-11> 초음파이용슬러지감량화예 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 적용조건 -0.025 kw/kgds 일 -0.025 kw/kgds 일+ 알칼리전처리 -0.025 kw/kgds 일+ 알칼리전처리 슬러지감량화율 - 66% - 82% - 87% Cavitation 을발생하기위한또다른방안은수리동력학적원리를이용하는것 이다. 독일 Biogest사에서개발한 Crown disintegration system은벤튜리관의 목부분에서유체를고속으로흐르게하여음압을발생, cavitation을유발시키는 장치이다. 이장치는 homogenizer, progressive cavity pump(pcp), disintegrator 로구성되었으며, PCP에서 12 bar로가압후 homogenizer를거쳐 disintegration 에서슬러지가가용화된다. 2002년 10월독일 Tanusstein 하수처 리장에최초로 full scale로적용한결과소화가스발생량이 30% 증가하고, 탈수 성은 5% 향상되었으며, 슬러지발생량은 20% 이상감소되었다고보고되었다. 이 장치의적용슬러지 TS 농도범위는 3-8% 이다. < 표 2-12> 는 cavitation 생성방법에따른장단점을비교하여나타내었다. < 표 2-12> Cavitation 생성방법에따른장단점 방법장점단점 Sonotrode 수리동력학적 - 생분해도개선율: 20-90% -슬러지처리효율이높음 -고형물함량및점도의영향을비교적적게받음 -현장경험이비교적많음 -비용이저렴 -에너지효율이높음 -Cavitation 발생장치가간단 -시설유지비가적음 -Scale-up이비교적쉬움 - 에너지투입량이높음 - 시설유지비가비교적높음 - 열로인한에너지손실이큼 -Cavitation bubble 파괴에따른충격파의에너지가낮음 -고압의펌프가필요함 -고형물함량이나점도가높을경우 cavitation 발생이힘듦 -현장경험이많지않음 - 22 -
2 기계적전처리 기계적전처리는세포벽이견딜수있는한계이상의고에너지장력및압력으 로세포를파괴하는방법이다. 전처리시부산물이나부가적인반응등이발생하지 않아후처리에미치는영향이적다. 일반적으로운전및유지비용이높은편이며, 탈수성향상에는큰성과가없다. 기계적전처리는사용원리에따라 Ball mill 및 homogenizer 로크게구분된다. Ball mill 의특징및적용예는 < 표 2-13> 에나타낸바와같다. 이방법은고 속회전하는볼이충진된분쇄실로슬러지를유입시켜교반되는금속볼사이에 발생하는전단마찰력과열을이용하여슬러지를파쇄하는방식이다. 입경 0.5mm 정도의유리볼이나금속볼을파쇄실체적의 60-80% 정도충진시키며, 슬러지의파쇄실내체류시간은수초에서수분정도이다. 볼밀파쇄에의한가용 화율은볼의특성, 충진율, 파쇄시간, 교반속도( 교반기의선단속도) 등에의해좌 우된다. 일반적으로슬러지는고형물농도기준으로 5% 정도로유지하는것이바 람직하다. < 표 2-13> 볼밀파쇄에의한하수처리장잉여슬러지의가용화율 구분 전체 (mg/l) 상등액 (mg/l) 파쇄전파쇄후파쇄전파쇄후 가용화율 (%) BOD CODcr TOC 14,000 26,000 2,800 11,000 22,000 2,400 620 610 47 6,500 7,400 1,100 59.1 33.6 45.8 T-N T-P 1,300 350 1,400 450 160 29 730 110 52.1 24.4 적용조건: 0.25~0.5 mm 의유리볼, 볼밀파쇄시간 10분 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 고압 homogenizer의대표적인예는 Paradigm사 Microsludge 공법이다. 이공 법은알칼리로전처리이후가압(800 기압) 후순간적으로압력을감소시키는 homogenize 밸브를이용한다. VS 감량화율은 75% 이며, 소화가스증가량은 200-380% 로알려져있다. 그러나현재는캐나다하수처리장 1개소에만적용되 었다. - 23 -
3 열적전처리 열적전처리는열을가하여세포벽을파괴하거나용해하여내부수를방출시켜 고액분리를증진시키고, 가스발생량을증가시키는방법이다. 화학적개량슬러지 보다훨씬더건조한슬러지케이크생산가능하며, 부가적으로슬러지의살균과 탈수케이크의발열량증가등의효과가있다. 그러나고온처리로인하여경제성 이높지는않다. 열적전처리의적용예는 < 표 2-14> 에나타낸바와같다. < 표 2-14> 열적전처리의적용예 WAS (% TS) 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 전처리방법의조건가용화율 Temp. Time (%) HRT 공정및효율 Bio gas 생성 (% of control) 0.85 180 60 min 30 Batch 메탄 190% 증가 1.2 170 60 min 49.7 CSTR(5day) Biogas 200% 증가 2.3 130 30 min 30.5 CSTR(10day) Biogas 123% 증가 3.8 121 30 min 17.6 Batch 메탄 135% 증가 - 134 30 min 32 Batch Biogas 500% 증가 대표적인열적전처리기술은노르웨이 Cambi 사에의해개발되었다. 이방법은 - 165 로스팀가온시켜슬러지를분해시키는기술이다. 전처리로건조고형물 함량이 15-20% 로탈수하여야한다. 유럽에 8 개소에적용된실적이있으며, 슬러 지감량화율은 65-70%, 소화가스증가량은 30-50% 라고보고되어있다. ( 참조 : 서울특별시, 서울특별시 4개하수처리장하수슬러지처리시설증설기본계획보고 서, 2005.) 4 알칼리전처리 알칼리전처리에는 NaOH, KOH, Mg(OH) 2, Ca(OH) 2 등이사용되며, 이중슬러 지입자의가용화및생분해도측면에서 Ca(OH) 2 가가장효과적이다. 열적전처 리에알칼리를이용할경우처리온도가낮아경제성이높아지지만악취및타 난분해성물질이생성등의단점이있다. 또한, 과량의 NaOH가주입될경우혐 기성소화조의메탄생성균의활성을저해하거나독성으로작용하는경우도있다. - 24 -
< 표 2-15> 에는알칼리- 열전처리의적용예를나타내었다. < 표 2-15> 화학적처리의적용예 잉여슬러지 (%TS) Temp. 전처리방법 가용 NaOH투입량 Time 화율 (%) HRT 공정및효율 Bio gas 생성(% of control) 0.79 60 0.01N 48hrs 35 Batch 메탄 140% 증가 0.85 135 0.3 gnaoh/ gvss 30min 45 Batch 메탄 220% 증가 3.06 140 4.6 g/l 30min 80 Batch 생분해도 350 % 증가 3.8 121 7.0 g/l 30min 84.5 Batch 메탄 138% 증가 4.08 175 ph 12 30min 68 CSTR (7.5day) 4.30 175 300 meq/l 60min 55 Batch 메탄 157% 증가 메탄전환율 78% 증가 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 5 오존전처리 오존에의한직접반응과 OH 라디칼에의한간접반응에의해 세포벽을구성하 는점성물질을해체하고다당성분을분해하거나저분자화시켜세포벽을파괴한 다. 일반적으로 OH 라디칼이오존보다산화력이높고, 분해대상범위도더넓기 때문에 OH 라디칼을생성및이용할수있는공법이최근많이개발되고있다. 오존처리는병원균및사상균을사멸에도효과적이며, 다른화학약품을사용하지 않아도되며, 슬러지침전성및탈수성도향상된다는장점이있다. 그러나제2의 부산물이생성될수있으며과다한오존처리는경제성면에서불리하다. 오존처리 효율은 ph 의영향을받으며, OH 라디칼의경우방해물질(scavenger) 에의해저 해를받는경우도있다. 오존전처리의적용예는 < 표 2-16> 에예시하였다. 오존주입율 0.05 go 3 /gss 까지는슬러지가용화가주입량에거의비례하여증가하였다. < 표 2-16> 잉여 슬러지 (% TS) 전처리방법 Dosage of ozone 가용 화율 (%) HRT 공정및효율 Bio gas 생성 (% of control) - 25 -
잉여 슬러지 (% TS) 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 전처리방법 Dosage of ozone 가용 화율 (%) HRT 공정및효율 Bio gas 생성 (% of control) 0.2 50 mg O 3 /g VSS - CSTR-AS (SRT 10day) 잉여슬러지 70% 감소 0.4 0.5 g O 3 /g DS 25 CSTR-BNR(16.5day) 총질소 10% 감소 0.7 0.6 g O 3 /g SS 45.3 Batch 부피 55% 감소 0.95 0.2 g O 3 /g COD 29 Batch 메탄 180% 증가 1.2 0.2 g O 3 /g SS - Batch 메탄 200% 증가 1.8-1.6 0.05 g O 3 /g TS 37 CSTR-AD(14day) 메탄 180% 증가 6 슬러지전처리기술의비교 슬러지전처리기술중대표적인네가지공법을서울시하수처리장에적용하 였을때각공법의경제성을비교한결과가 < 표 2-17> 에제시되어있다. 건설비 면에서는초음파, 고압 homogenizer, 그리고열적전처리가운영비면에서는초음 파및열적전처리가, 케잌발생량면에서는심층습식산화가유리한것으로제시되 었다. < 표 2-17> 슬러지전처리기술의경제성 슬러지 가용화기술 처리량 ( 톤 DS/ 일) 건설비 ( 억원) 감가상각비 ( 천원/ 년) 운영비 ( 천원/ 년) 케익발생량 ( 톤/ 일) 초음파 191.5 383 2,553,808 1,747,763 1777 고압 homogenizer 191.5 460 3,064,570 5,872,482 1596 열적전처리 191.5 383 3,192,260 691,050 1734 심층습식산화 585 2340 15,599,476 59,784,992 545 자료 : 서울특별시, 서울특별시 4 개하수처리장하수슬러지처리시설증설기본계획보고서, 2005. - 26 -
2.2.3 태양광발전 태양광발전은무한정, 무공해의태양에너지를직접전기에너지로변환한다. 태 양전지의기본원리는반도체 pn 접합으로구성된태양전지(solar cell) 에태양광 이조사되면광에너지에의한전자- 양공쌍이생겨나고, 전자와양공이이동하여 n층과 p 층을가로질러전류가흐르게되는광기전력효과 (photovoltaic effect) 에의해기전력이발생하여외부에접속된부하에전류가흐르게되며, 이러한 태양전지는필요한단위용량으로직 병렬연결하여기후에견디고단단한재료 와구조로만들어진태양전지모듈(solar cell module) 로상품화되고있다. < 그림 2-7> 태양광발전시스템계통도 태양전지는비, 눈또는구름에의해햇빛이비치지않는날과밤에는전기가 발생하지않을뿐만아니라일사량의강도에따라균일하지않은직류가발생하 기때문에, 일반적인태양광발전시스템은수요자에게항상필요한전지를공급 하기위하여 < 그림 2-7> 과같이모듈을직 병렬로연결한태양전지어레이 (array) 와전력저장용축전지(storage battery), 전력조정기(power controller) 및직 교류변환장치 (inverter) 등의주변장치로구성한다. 태양광(photovoltaic) 발전은재생가능한태양광에너지를직접발전하는것으 로, 지표의어디서나설치할수가있으며, 유지관리에도거의일손이들지않고, 복잡한기기를필요로하지않으나, 태양광의에너지밀도는 1 kw/ m2정도이고, 고효율의태양전지를쓰더라도변환효율15% 가상한으로출력은 0.15 kw/ m2로 되기때문에하수처리에활용하고자하더라도큰부지가필요하다. 태양광발전에 서얻어지는전력은직류로, 태양광의강약에따라변화하기때문에직류출력을 안정화시키는직류 conditioner, 직류로부터교류로변환하는전력변환장치, 상 - 27 -
용전력계통에접속하는경우에는주파수나전압을제어하는계통연계장치가필요 하다. 태양광발전은재생에너지이라는점에서는우수하지만, 는단점이있다. 야간에는이용할수없 태양전지는고효율의결정화합물로서저비용의박막식태양전지가실용화되고 있으나, 하수처리장에서이용하는경우, 항상안정한전력을확보하기위해서축 전지나전력변환기등의보조기계가필요하다. 주문생산으로되어비싸게되는데, 로되어도일정규모의이익을얻기는어렵다. 하수처리장은광대한부지를갖고있고, 이들의기기는대용량으로하면 태양전지본체도모듈화되어있고대용량으 태양전지를부설하는데좋은입지여 건을갖고있으나, 하수처리장에서는전력회사부터의양질이고또한염가인전력 이공급되어있기때문에, 적으로설치하는이점은적다. 전력비용의점에서는장래에걸쳐태양광발전을적극 2.2.4 소수력발전 가. 소수력의정의및분류 소수력(small hydropower) 은엄밀하게정의를내리기는어려우나, 우리나라의 경우, 설비용량이 3,000kW 이하의수력발전소를말한다. 소수력은설비용량, 낙 차및발전방식에따라서분류하기도하며, 해세분하여다음과같이구분하고있다. - Micro hydropower : 100kW 미만 - Mini hydropower : 100-1.000kW - small hydropower : 1,000-1,0000kW 또한낙차에의해소수력을다음과같이구분하기도한다. - Low head( 저낙차) : 2-20m - Medium head( 중낙차) : 20-150m - High head( 고낙차) : 150m 이상 외국에서는소수력을설비용량에의 나. 소수력발전설비 소수력발전의가장중요한설비는수차이며, 하수처리장의방류수를이용한소 수력발전의편익을위해서는적합한수차의결정이가장중요한인자의하나인 데, 일반적으로수차의형식은충동형 (impulse tubine) 과반동형(reaction - 28 -
turbine) 수차로나눌수있다. 충동형은수차를통한수류가대기압을받게되어 고낙차에효율적이나, 반동형은수류의속도보다는압력에의해작용하며, 일반적 으로저낙차에이용되므로많은유량을요구한다. 최근의수차는낙차가 1.5m 이상이면설치할수있고, 효율도 90% 이상에이르고있으며, 여러가지수차중 소수력발전에적합한수차는설치될지점의유량과낙차에따라기종이결정된 다. 소수력수차발전기로사용되는발전기로는동기발전기와유도발전기가있으 며, 동기발전기는벽지오지등과같이격리된발전소, 계의역율개선이요구되는 곳, 대용량및송전말단지역에서의소수력발전기로써유리한데비해유도발전 기는대형전력망과연결하여사용할경우에유리하며, 우리나라의경우에는일 반적으로소수력발전소에서발전된전기를기존한국전력공사전력망에연결하 여판매하고있기때문에대부분의소수력발전소에서는유도발전기를많이사용 되고있다. 다. 소수력발전의장점 여러측면의사회적환경적잇점으로최근에는선진국에서도매우큰관심을 끌고있는데, 특히경제적잇점중의하나는초기의투자에반하여유지관리비용 이아주낮다는점이며, 에너지자원이빈약하여대부분석유수입에의존하는우 리나라는지역에너지로써소수력발전을적극개발하여야할필요가있다. 소수력 은대수력에비해일반적으로더많은투자단가가소요되는것으로알려져있으 나지역의특성(regional basis) 및개발형식(system basis) 에따라서도다르므 로복합적이라할수있는데, 특히소수력발전의편익은투자비용의이자율에 무척민감하므로정책적인뒷받침이고려되어야할것이다. 소수력의장점은디음과같다. - 비교적짧은계획, 설계및시공기간 - - - - - - 싼설비를포함한낮은투자비용 주위의인력이나자재를이용한쉬운설치 개인이나기업을통한투자참여 지역자금의참여및운영을통한지역개발효과 예상치않은돌발사고에대한유연성 사회적이점및적은환경적인피해등 특히하수처리장에소수력발전시스템을설치할경우다음과같은장점이있다. - 기존구조물의설비변경만으로설치가능 - 안정적인유량확보로가동율이하천의두배로발전량이증대 - 29 -
- 발전소운영은하수처리장운영요원으로가능하여유지관리비저렴 2.2.5 풍력발전 풍력발전(wind power) 이란공기의유동이가진운동에너지의공기력학적 (aerodynamic) 특성을이용하여회전자(rotor) 를회전시켜기계적에너지로변환 시키고이기계적에너지로전기를얻는기술로서, 풍력발전기는지면에대한 회전축의방향에따라수평형및수직형으로분류되고, 주요구성요소로는날개 (blade) 와허브(hub) 로구성된회전자와회전을증속하여발전기를구동시키는 증속장치(gear box), 발전기및각종안전장치를제어하는제어장치, 유압브 레이크장치와전력제어장치및철탑등으로구성된다. 풍력발전은태양광발전과마찬가지로재생에너지이고, 에너지밀도가작다는것 과간헐적인운전되는특징이있으나, 발전에는 cut-in풍속이라고불리는 3 m/s 5 m/s 의최저풍속이필요하다. 이러한입지조건은계절풍이기대되는지역이 나해안에면한하수처리장이해당하는데, 발전출력은풍차치수의 2 승, 풍속의 3 승에비례하기때문에풍차는큰쪽이효율이좋다. 풍력발전의도입실적은 90 년대에들어와본격적으로시작되어증가하는경향이며, 발전규모도대형화경향 으로 90년대전반은 100 kw 급이지만, 중간에는 300 kw 급이주류로되어, 최근 에는 600 kw 급으로높아지고있다. 인구밀집지역에서는풍차가소음원으로되는경우가있기때문에, 최근에는 풍차를발전기에직결하여증속치차를생략하여소음을감하는방식이주로사용 되고있다. 풍력발전은불안정한에너지로취급되기때문에, 하수처리장의풍력발전전력 량이부족할때에는상용전력으로부터보충하고, 잉여전력이발생할때에는공급 해야함으로상용전력과의계통연계가필요하며, 이때문에전력회사에서전압, 주파수, 위상등의보호협조, 무효전력조정장치등의설치가요구된다. 설비이용율및가동율은풍력발전을도입하는데있어중요한평가항목이며, 아 래식에나타낸값이클수록풍력발전의도입적성이높은것으로판단할수있 다. - 설비이용율={( 일정기간의발전량)/( 정격출력 일정기간의시간)} 100% - 설비가동율={( 일정기간의발전가능시간)/( 일정기간의전시간)} 100% - 년간가동율은 45% 이상, 년간설비이용율은 17% 이상이바람직함. - 30 -
2.2.6 하수슬러지소각발전 소각발전은열을취급하는플랜트이기때문에, 상할수가있는데, 규모를크게하면열효율을향 하수슬러지의집약화방법은주로배관에의한슬러지압송방 식이며, 그외에탈수슬러지의트럭수송, 선박수송, 열차수송등이있다. 슬러지 탈수는탈수조제인고분자응집제의진보와함께원심탈수기나고효율의밸트프 레스탈수기의도입으로안정한저함수율의슬러지를처리할수있게되며, 특히 슬러지처리에는전처리에있어농축공정이중요한역할을하지만, 난탈수성의잉 여슬러지나소화슬러지를원심농축기로기계탈수하는것이나, 탈수기전단의농 축탈수공정에알맞은고분자응집제를선정하는등의연구로저함수율의슬러지탈 수가실현되고있다. 탈수된하수슬러지는슬러지의감량화나안정화를위해소각하며, 최근사용되 고있는유동상소각로는고온의유동사내에슬러지를투입하여, 수초사이에서 건조 연소 배출하는고효율의소각로로석탄화력발전에이용되었던기술로서, 순 간적으로연소하기때문에불완전연소가스나다이옥신발생이어렵고, 로자체 도작게할수있고기동정지도용이하며, 하수처리의분야에서는슬러지가비교 적균질하기때문에유동상로가보급되고있다. 소각발전은하수처리로발생하는슬러지를농축 탈수하여소각하여, 여열을이용하여보일러로증기를발생시켜증기터어빈으로발전한다. 발생하는 탈수슬러 지는연료로서일반폐기물의주방쓰레기에가까운성질이기때문에, 하수슬러지 는당초는소각하는것도곤란하였지만, 슬러지처리의집약화로소각규모를크게 하는것이나, 된것과, 탈수기술의진보로안정한저함수율의슬러지를공급할수있도록 종래의다단로로부터열효율이나제어성이좋은유동상로로변경된것 등의결과, 보조연료를불필요한자기연소를실현하여, 여열에의한발전을가능 하게하였다. - 31 -
2.3 2.3.1 공공하수도시설의에너지사용실태 일반사항 가. 실태조사서문항의구성 ( 부록 1 참조) 공공하수도시설의에너지사용실태조사서는다음과같이 4 부분의총 70문항으로 구성하였다. 1 비용등 2 일반사항 : 시설용량, 처리방법, 설계및운영수질, 주요시설운영현황, 처리 18문항 기계설비 : 공정도, 주요기기의년간전력소비량, 기계설비의운전특성, 에너지 절감을위한기기/ 공정개선방안및사례, 주요설비의모니터링현황, 을위한장단기실천계획등 13 문항 ( 정성적문항 6 포함) 3 에너지절감 전기설비 : 전기설비의단선결선도, 수전방식, 변전설비, 예비발전기, 전력사용 량 (2004 년, 2005 년), 감시제어시스템및주요설비의제어방식등 17 문항 ( 감시제 어시스템의구성도포함 ) 4 미활용 재생에너지이용과부생물질의자원화현황 : 소화조용량, 운전방식, 소화가스발생량, 슬러지감량화시설및슬러지전처리시설채택여부, 미활용 재 생에너지의이용현황, 활용희망분야, 월별하수유입수및처리방류수의온도및 유량등 22 문항 ( 하수처리장전경사진포함) 나. 실태조사서중일반사항의분석 1 설문응답처리장 < 표 2-18> 과같이 8개도와 6개시의총 233개소가설문에응하였으며설문응 답처리장비율은하수처리장수기준 79.3%, 시설용량기준 94.5% 이다. < 표 2-18> 지자체별실태조사응답처리장수 지역 2005 년 처리장수 1 처리용량 ( 천톤/ 일) 설문응답 처리장수 시설용량 ( 천톤/ 일) 설문참여율 ( 처리장기준) 설문참여율 ( 용량기준) 강원 17 458.7 6 387.3 35.3 84.4 경기 71 4785.1 65 5,255.2 91.5 109.8 경남 32 1031.2 30 1,000.6 93.8 97.0 경북 34 1998.6 33 1,820.3 97.1 91.1 광주 2 720 2 720.0 100.0 100.0 대구 6 1862 6 1,564.0 100.0 84.0 대전 2 901 1 900.0 50.0 99.9 부산 7 1769 7 1,689.0 100.0 95.5-32 -
지역 2005 년 처리장수 1 처리용량 ( 천톤/ 일) 설문응답 처리장수 시설용량 ( 천톤/ 일) 설문참여율 ( 처리장기준) 설문참여율 ( 용량기준) 서울 4 5810 4 5,890.0 100.0 101.4 울산 6 596.6 4 231.6 66.7 38.8 인천 7 717 6 422.0 85.7 58.9 전남 36 629.2 19 190.4 52.8 30.3 전북 16 907.9 16 907.9 100.0 100.0 제주 4 173 3 165.0 75.0 95.4 충남 24 502.9 8 363.0 33.3 72.2 충북 26 531.7 23 593.5 88.5 111.6 계 294 23393.9 233 22099.7 79.3 94.5 ( 자료 1: 2005 년하수처리장가동현황, 한국환경정책평가연구원) 2 응답처리장의 처리공법 처리공법은표준활성슬러지법, 산화구법등이있으며 < 표 2-19> 및 < 그림 2-8> 과같이표준활성슬러지법를채택한처리장이 98 개소 ( 처리장수기준 42.1%, 시설용량기준 84.5%) 로가장많은비중을차지하고있다. < 표 2-20> 과같이시설용량기준으로대규모처리장 (100 천톤/ 일이상) 은표 준활성슬러지법 (89.5%), 중규모처리장(10-100 천톤/ 일) 은표준활성슬러지법 (62%) 과산화구법(6.2%) 일부, 소규모처리장(10 천톤/ 일미만) 은산화구법 (21.4%) 과기타공법 (40.8%) 을채택하고있다. 고도처리공법의경우대규모처리장은 A 2 O 공법, 소규모처리장은 SBR 공법 을다수도입하고있다. < 표 2-19> 실태조사응답하수처리장의처리공법별현황 처리방법처리장수처리장수시설용량시설용량비율 (%) ( 천톤/ 일) 비율 (%) 표준활성 98 42.1 18,666 84.5 장기포기 20 8.6 155 0.7 회전원판 8 3.4 66 0.3 접촉산화 7 3.0 72 0.3 산화구 26 11.2 266 1.2 기타 74 31.8 2,877 13.0 계 233 100.0 22,101 100.0-33 -
< 그림 2-8> 실태조사응답하수처리장의처리공법별현황 < 표 2-20> 시설용량 ( 천톤/ 일) 10 만톤 이상 만-10만톤 만톤 미만 실태조사응답하수처리장의시설용량별처리공법 처리공법 처리장수 시설용량 ( 천톤/ 일) 시설용량 비율 (%) 표준활성 34 16,647.0 89.5 장기포기 1 111.2 0.6 기타 6 1,845.0 9.9 소계 41 18,603.2 100.0 표준활성 53 1,969.1 62.0 회전원판 3 38.0 1.2 접촉산화 1 60.0 1.9 장기포기 1 12.0 0.4 산화구 7 197.5 6.2 기타 26 901.5 28.4 소계 91 3,178.1 100.0 표준활성 11 50.1 15.7 회전원판 5 27.6 8.6 접촉산화 6 11.6 3.6 장기포기 18 31.5 9.9 산화구 19 68.4 21.4 기타 42 130.5 40.8 소계 101 319.6 100.0 총계 233 22,100.8-34 -
3 지자체별시설용량분포 지자체별시설용량분포는 < 그림 2-9> 와같다. < 그림 2-9> 실태조사응답하수처리장의지자체별시설용량분포 4 응답처리장의가동율 < 표 2-21> 에주어져있듯이응답처리장의전국평균가동율은 76.8% 이고 광주가 96.6 % 로가장높으며울산이 46.5 % 로가장낮다. < 표 2-21> 실태조사응답하수처리장의가동율 지역처리장수시설용량 ( 천톤/ 일) 하수유입량 ( 천톤/ 일) 하수처리량 ( 천톤/ 일) 가동율 강원 6 387.3 253.5 206.2 65.4 경기 65 5,255.2 3578.2 3510.5 68.1 경남 30 1,000.6 766.2 757.3 76.6 경북 33 1,820.3 1324.3 1299.9 72.8 (%) - 35 -
지역처리장수시설용량 ( 천톤/ 일) 하수유입량 ( 천톤/ 일) 하수처리량 ( 천톤/ 일) 가동율 광주 2 720.0 695.4 680.8 96.6 대구 6 1,564.0 1342.9 1306.9 85.9 대전 1 900.0 641.0 641.0 71.2 부산 7 1,689.0 1252.4 1249.4 74.1 서울 4 5,890.0 4918.0 4824.0 83.5 울산 4 231.6 107.6 107.6 46.5 인천 6 422.0 395.4 351.6 93.7 전남 19 190.4 96.9 95.6 50.9 전북 16 907.9 742.6 708.8 81.8 제주 3 165.0 109.5 109.0 66.4 충남 8 363.0 291.9 285.4 80.4 충북 23 593.5 464.6 424.3 78.3 계 233 22,099.7 16,980.4 16,558.3 76.8 (%) 2.3.2 기계설비의에너지사용실태 가. 정성적분석 본과업에서실시한설문조사에대한답변을보낸국내 233처리장중 2006년 7월 10일이전에응답한 148 처리장의의견을바탕으로, 각하수처리시설의에 너지절감과효율성향상을위하여지속적으로노력하여야하는중요한설비와 그특성을다음과같이정리분류할수있다. 각하수처리장의기계설비를 1 에너지가많이소모되는부분, 2 내구연한에가 깝거나, 지나서시설노후화에기인하여기계적성능에영향을미치는경우, 3 과용량설비에기인한저부하운전의경우, 4 저용량설비로인한과부하운전이 심한경우, 5 부하변동이심하여효율이떨어지는부분, 6 간헐운전에기인한 효율저하의경우로분류하였고, 중요도에따라아래와같이정리하였다. 1 에너지가많이소모되는부분 분석의주대상: 전력비와연료비 [( ) 는응답처리장수] - 전력비 ( 처리장수: 대부분): 고압모터설비인유입펌프및송풍기설비로인 하여전체전력비의 50% 이상을차지함, 적절한운전모드선정으로부하분 담, 경부하, 중부하, 최대부하의적절한부하분담및최대부하시간억제, PEAK관리로인하여연간전체전력비의 3 % 이상절감가능하다. - 반응조송풍기(26): 폭기용송풍기의 Y- 기동을인버터방식으로변경하여 전기료절감, 송풍기 1대연속가동으로유입농도에따른잉여공기량발생 - 36 -
가능성, 1대로반응조에적정 DO 농도유지용공기공급및농축조포기용및 여과기역세척용공기공급, 모터가동방식이소프트스타트방식이라 RPM제 어가안되어에너지비용증가, 장기폭기로체류시간이길어송풍량이많이 필요함, 반응조별로타임시트에의해송풍기가간헐적가동으로기동전력이 많이소비되어타임시트(PLC) 조정을통한전력비절감, 로타리수냉식송 풍기는송풍효율이낮아에너지효율성이높은터보송풍기로교체, 미생물 에산소공급을위해가동중인멤브레인식을대체수중포기기로설치함으로 써산소전달율을향상시키면전체전기에너지 30% 에달하는송풍기전기에 너지약 30% 이상절감가능, 대용량의다단터보송풍기로서전력소비량이 많음. 대수제어와바이패스에의한송풍량조절로에너지이용효율이낮음. 풍량제어방법을베인제어에서속도제어방식으로변경하고봉형세라믹디 퓨져를멤브레인디퓨져로변경하여송풍량효율증대와함께에너지절감효 과기대. 루츠/ 터보브로와를별도로운전함으로서불필요한전력손실되고 있으며, 송풍기유지관리대수가많아유지관리비용증가의요인임, 로타리타 입의효율성저하로인버터가장착된터보형식으로교체희망 5% 정도절감예상, 선 - 유입펌프 (14): - 년동력비 고압의정격용량송풍기여서저압인버터형송풍기로개 유입펌프의리액터기동을인버터방식으로변경하여전기료 절감, 수위에의한자동운전을회전수가아닌밸브로조절, 하수유입량의 수위에의한자동제어로임의적으로제어불가함, 유입하수전량유입처리로 균등유입처리시설없음, 노후화로인한펌프의효율저하로전력비상승 수 중펌프로의교체로효율상승도모. 유량변동이심하여유입펌프운전잦음, 인버터가설치되어있지않아유입량변화에대처가되지않고가동펌프대 수로제어됨에따른전력소비 - 소화조 (5): 소화조바닥에침사물이다량누적되어소화효율이떨어짐, 소 화조준설, 및기기내구연한증대, 탈수기및소화조가온보일러의가동시간단축으로전력비절감 혐기성중온소화를위한소화조내부온도유지용 가온보일러연료( 경비) 비많음, 인근소각로의잉여증기를이용하여가온함 으로써연료비절감효과, 소화조와보일러간의거리가멀어열손실이과다하 여보일러실을소화조옆으로이동하여열손실율감소 - 교반기 (4): 교반기의스크레퍼날이너무긴데감속기의감속비율이너무 빨라서모터및감속기에부하가걸림, 감속비율을더적은것으로교체하여 회전수속도를늦추어에너지절감, 수중교반기 2.2kW 16대설치되어전력 비및보수비용증가, 산기관으로개선교체전력비및보수비절감예상 - 37 -
- 중계펌프 (3): 중계펌프장에서본처리장으로하수를가압이송하는설비, 유입하수압송을위해중계펌프 24 시간운전, 피크전력을줄이기위한대수 제어및야간시간대로운전시간증가 - 내부순환, 반송슬러지펌프 (3): 인버터에의한속도제어시 6극으로회전제 어의효과가없어극수변경으로회전수제어극대화, 밸브로조절 슬러지이송량을토출 - 침사지설비 (2) : 최종침전지유출플럭( 미생물) 에의해여과지의생물막형 성되어여과지수두상승, 역세주기단축문제점이예상되어월 1회여층내 고체염소로소독실시 - 역세주기연장 5 회/ 일 4 회/ 일), 침사인양기에서나 오는슬러지및협잡물에서수분이다량으로함유됨. - 25톤의암롤박스 에서나오는수분은전체 1/2 정도임. 현재협잡물박스반출주기는평균 1.5 개월임. - 개선방안 : 암롤박스내부를개조하여수분을제거하도록조치예 정. - 예상효과 : 협잡물반출주기를 2~2.5 개월로가능함. - 슬러지농축기 (2): 잉여슬러지의원심농축하기위한설비로에너지절감에 한계가있음, 잉여슬러지를탈수하기전계이며저농도(0.8%) 를고농도(4%) 농축하기위한설비, 기계식농축기의에너지절감, 중력식농축조이송배 관설치, 전기료및약품비절감 - 수중포기기 (2): 개선방식( 공기공급 산기관방식, 교반( 믹싱) 프로펠러 교반기개체) [ 멤브레인산기장치 + 수중포기기대당/ 교반기 1.5kw 2대로대 체 ] - 여과/ 소독시설 (2): 모래여과공정은광의의소독시설로서시설자체로 95% 이 상의대장균제거능이있어후단의 UV 소독시설의가동을 50%( 예방적기능) 만운영가능, 라 간헐적으로운영중임 연속적으로가동하면부하가발생하기때문에수질상태에따 - 소각로 (1): 슬러지함수율저하및시설노후화로소각연료증가, 대체연료( 재 생류) 사용및시설개선 - 탈질반응용연료 (1): 효과적인탈질반응을위해외부탄소원으로고가의메 탄올을투여에따른에너지비용증가, 대체탄소원 RCS5 이용으로개선 - 오니처리/ 고압탈수기 (1) - 급배기팬 (1): 시설물이지하실에설치되어환기가필요함 - 2 단계탈수기세척수펌프 (1): 탈수기가동대수에따라세척수펌프가자동으 로운전되는데, 현행의운전방식을인버터를이용한배관의압력에따른자 동운전개량 - 산화구설비 (1): 동절기용존산소계농도에따른간헐폭기. 동력비감소효과 - 38 -
- 탈수기 (1): 소화조소화효율저하및농축조효율저하로탈수기운전시간 증대, 기계식원심농축기설치예정 - 회전원판 (1): 동절기수온에따른처리효율감소, 회전원판철거후송풍기 대체 - 탈취기 (1): 탈취기설비 24시간가동을타이머설정에따른전기료절감 - 오수펌프 (1): 인버터설치로에너지절감효과증대및유량조정 - 분배조믹서기 (1): 믹서기로개선 이차침전지분배조믹서기를전동형믹서기에서에어형 2 내구연한에가깝거나, 지나서기계적성능에영향을미치는경우 [( ) 는응답 처리장수 ] 주요원인 : 부식성가스에의한부식, 장기간의지속적사용에의한마모, 내구연한경과에따른효율저하 - 유입펌프( 처리장수: 16): 하수와직접적으로접하여가동하므로본체부식및 베어링씰이마모가심함( 수중모터), 장시간사용시 rubber bearing의마모 가심하여 shaft 소손, 노후화에따른효율저하. 수중펌프로의교체로효율 증대및구조적불안정해소. 전력비및수선유지비절감효과. 임펠러, 케이 싱마모로펌프효율이저하됨, 오버홀로효율증대, 하수중모래유입에따 른임펠라및흡입카바마모로유량저하, 하수관거의지속적인준설필요 - 탈수기/ 부대설비 (9) : 각종부식성가스로인한기계설비부식심화, 설비노 후로인한부식및함수율증대로슬러지처리비증가, 여과포의공극막힘 현상, 구동베어링노후, 벨트프레스노후, 부식및고압탈수부기능저하 - 최종침전지/ 슬러지수집기 (7): 사이펀식슬러지수집기의슬러지인발배관 부식및제어설비의부식에의한효율저하, 일정주기로교체및내부식성재 질의배관사용, 최종침전지에서슬러지제거효율제고, 노후화에따른구동 부및스크레퍼의잦은고장. 구동부주요부품( 링기어, 감속기등) 의점진적 교체와스크레퍼의수선필요. 안정적수처리로처리장운영효율증대, 일반 스틸강재로부식정도가심하게진행. 기계( 축, 핀) 의마모가심함, 과거기계 수선유지비미선정으로수선비용확충미비 보완 증설계획에따라보류중 - 내부반송펌프(7): 반송오니와직접적으로접하여가동하므로본체부식및베 어링, 씰이마모가심함( 수중모터), 1일 24시간연속가동으로인한효율저 하, 축또는슬리브의마모가심함, Mechanical Seal Type 교체, 펌프의사 용연한연장 - 침사지침사세정장치/ 반출콘베이어 (4): 스크류와배관사이에설치된배관보 - 39 -
호대마모, 보호대두께를 4mm에서 9mm 로제작설치, 보호대성능지속기 간연장및안전적운전, 수해로인해기계의마모및부식이심하여신기술 제품으로교체, 침사물상태( 곤죽) 를탈수하여수분함량을감량시킴 - 1, 2 차침전지, 슬러지수집기 (4): 장기간지속적사용으로 sprocket 마모 높음, 기계( 축, 핀) 의마모가심함, 과거기계수선유지비미선정으로수선비 용확충미비 보완 증설계획에따라보류중 - 최초침전지/ 슬러지수집기 (3): 장기사용으로고장이잦음, 구조적으로가동 부분이많음, 체인- 플라이트식으로변경. 가동부분이적어고장빈도가적 음, 주변구동형방식으로겨울철눈오면구동불가, 중심허브베어링파손, 기계( 축, 핀) 의마모가심함, 과거기계수선유지비미선정으로수선비용확 충미비 보완 증설계획에따라보류중 - 초침/ 인발밸브 (3): 노후화에의한잦은고장. 자체수선등으로유지관리가 능하나일괄교체와증설로근본적해결필요 - 농축조/ 슬러지수집기 (2): 악취방지를위하여농축조에덮개를설치하여부 식성가스에의해부식및고장이잦음, 일정주기로전면교체필요, 잦은고 장에따른농축효율저하방지, 중심구동형으로설비변경진행중 - 방류펌프 (2): 고양정을펌핑하는관계로베어링및씰의마모가심하고부 대배관시설의내구성감소( 체크밸브, 플랙시블등, 수중모터) - 농축슬러지공급펌프 (2): 케이싱및피스톤이마모가심해이송량이현저히 줄음, 모래유입에따른모노펌프의스테이터및로라마모로유량저하, 인버 터에의한유량제어가가능한원심펌프로교체검토필요 - 분뇨협잡물처리기 (2): 장시간사용( 노후화, 2009. 9 설치) 및구성품마모, 분 뇨에서의가스로부식 - 유입동/ 협잡물제거장치( 조, 세목)(2): 분류식관거로하수가스발생량이많아 지하구조물의부식발생이심함. 악취방지시설흡입풍량증대, 침사지가 건물내부에설치되어있고밀폐식이어서전기판넬부식으로가동이어려움 - 오수펌프 (1): 설비노후로인한효율저하 - 포기용송풍기 (1): 설비노후로인한효율저하 - 유량조정조/ 수중믹서 (1): 되어사용제한이됨, 컴파운드씰링으로마감 - 탈수케익이송장치 (1): 수중믹서모터헤드부분과케이블사이로누수가 뉴메틱밸브를이용한공기압이송장치로밸브자체의 마모로인해공기가누출, 스크류를이용한이송 - 노통연관식보일러 (1): 89~90년에설치되어약 16 년간사용중으로, 노후 된보일러의경제성및효율성저하와안전성의우려로교체가필요함 - 40 -
- 약품공급설비 (1): 고상탱크 2 조가설치되어각각개별운전, 기계설비의효 율저하로투입량이일정하지않음. 고상탱크를 1조로운영하고프로그램수 정을 약품배관병렬연결하여사용 - 여포세정수펌프 (1): 많은압력을요하는기계인만큼고장의노출이심함, 예비기를확보하여사고위험에대처 - 협잡물반출콘베어(1): 콘베어길이가길어장력저하로가동중지상태 - 액화조설비 (1): 액화조교반기의부하등에따라임펠라등의소손 - 저류조/ 교반기 (1): 기계( 축, 핀) 의마모가심함, 과거기계수선유지비미선 정으로수선비용확충미비 보완 증설계획에따라보류중 - 소화조 (1): 배관부식및내ㆍ외부콘크리트부식, 소화조보수ㆍ보강 - 수배전설비 (1): 내구연한경과에따른효율저하및정전사고발생가능성증 가, - 2005년노후수배전설비교체완료 3 과용량설비에기인한저부하운전 주요원인 : [( ) 는응답처리장수] 여러가지이유로인한실제용량보다저부하로운전 - 포기조송풍기 ( 처리장수: 5): 시설용량대비최소(45%) 로운전함, 유입수 질이설계유입수질보다낮게유입되어산소필요량이적음, 1회운전에따 른송풍량과다, 토출라인에드레인배관을설치, 송풍량을감하여전달함으 로써운영개선, 2대상용운전으로계획되어있으나포기조적정용존산소에 필요한공기량은 1대운전으로충족 - 수로용송풍기 (4): 수로용송풍기가용량 (11kW, 10 m3/min) 으로과용량으 로시설되어사용하지않고포기조송풍기가동시에운영되고있음, 포기조 송풍기의송풍량조절을위해바이패스하는공기로수로포기가가능하여자 체수로포기용송풍기의운전시간은적음. - 2 단계반송펌프 (2): 실제양정보다저양정으로저부하발생, 전력비및운 전시발생되는진동저감 - 침사지/ 유입펌프 (2) : 빈도수가많음 - 침사지/ 조목스크린 (2): 새벽시간대에나용량이적은갈수기에는가동정지 협잡물이작은것만하수와함께썩여들어오는데 설비는과대한스크린을설치하여실제적인가동빈도수는매우적음. 관로스크린 - 방류펌프 (2): 어서설비효용성이적음 2 중화로조목스크린작동하지않아도됨, 차집 홍수위에대비한설비이지만가동되지않는일수가대부분이 - 유량조정조용송풍기(1): 유량조정조용송풍기가용량 (7.5kW 4.0 m3/min) 으 - 41 -
로시설되었으나, 포기조와유량조정조를동시에단일송풍기로사용하고, 포기조용송풍기는사용치않음 - 소화오니순환펌프 (1) - 잉여가스소각팬 (1): 설계대비가스발생량이적어발생한가스는전량소화 조가온에이용되어본설비를운전하는경우는거의없음 - 반송슬러지펌프 (1): 공정에따라유량가변을위해밸브로조절, 인버터설치, 전력량감소 4 저용량설비로인한과부하운전이심한경우 [( ) 는응답처리장수] 주요원인 : 일부설비용량부족또는처리효율저하, 부하량증가에기인한 가동시간증가 - 탈수기 ( 처리장수: 6): 오염부하량증가에따른슬러지발생량증가로가동 시간증가, 고효율탈수기로교체, 슬러지의적기처리로처리장슬러지부 하경감, 하수처리용량의증설에따름, 고도처리공법으로잉여농축및탈수 시많은가스발생됨으로탈수기/ 농축기동별도악취방지시설설치필요, 음식물처리장, 분뇨처리장, 침출수처리장연계처리로당초보다슬러지부하량 증가, 탈수기증설또는원심탈수기설치, 벨트프레스형식으로 1 대상용, 1 대예비. 폭 1M 로슬러지처리량이원활하지못함. 폭2M교체또는상용 대수를 2대로증가추진 탈수기함수율등을낮춤으로운영비절감을도 모, 벨트프레스방식으로탈수기가동시간이증가되고, 원심탈수기로교체, 함수율이낮고, 가동시간축소 - 포기조 (3) : 수리학적체류시간부족으로처리효율저하, 설계처리유량변 경및적정하수량유입, 유기물제거율향상및수질개선, 반응조용량에 비해포기기용량이작아사각지대에슬러지사영역이발생함, 슬러지사영역해결 용량증대로 - 침사인양기 (3): 버켓의길이가길고운전주기가짧아강우시다량으로유입 된침사물을한꺼번에처리할경우버켓이매몰되는등과부하현상초래. 버켓의길이를짧게하고강우시운전주기를조정하여과부하를방지하여효 율증대도모 - 농축조 (2): 농축조용량부족으로슬러지회수율저조, 기계식농축조등으 로교체, 슬러지회수율증가에따른반류수오염부하량경감 - 여포세정수공급펌프 (2): 노후화, 벨트프레스가동시의소요수량에못미 치는유량공급, 여포세척수노즐을자동노즐로변경으로압력손실, 여포세 정수펌프용량증가 - 42 -
- 중계펌프 (1): 우수또는하절기관광객증가에따른물량증가시용량부족 - 포기용송풍기 (1): 1대또는 2대의가동으로는 DO 조절의어려움이있음 - 농축슬러지공급펌프 (1): 탈수기의처리용량이 4 m3/hr 현재펌프용량은 0.07 m3 /min로설치되어적정 rpm운전이아닌최대 rpm운전이됨 - 슬러지발효조/ 슬러지교반기(1): 로이루어지지않아감속기소음이발생 교반기의회전속도및감속기비율이제대 - 스컴스키머 ( 최초침전지설비) (1): 2수로 1구동방식의파이프 Type의스컴 스키머는작동시 프를연결하는힌지가 stem이상하로이동하여야하는데구동스템과스키머파이 1개로되어있어과부하발생및기어슬립현상에 따른헬리컬기어마모로인하여작동상태불량 - 자동급수장치 (1): 용량부족으로자주운전됨, 용량증가또는부스터펌프로 교체 - 탈취팬 (1): 하수처리장과분뇨처리장취기를배기하는설비이지만처리공 간이방대하고이송배관의길이가길어탈취효과가미비한실정임. 기계식탈취로의전환으로효율증대와유지관리의편리성도모가필요. 구역별 - 슬러지저류조 (1): 잉여슬러지저류조및분뇨슬러지저류조의용량저하 로원활한슬러지인발이안됨 공정의원활화 기계식농축기의사용확대및저류조신설 - 제습기 (1): 콤프레샤의습기를제거하는과정에서용량부족으로과다운전 - 마이크로휠터 (1): 하여막세척시과부하발생 연속가동중이나휠터및노즐의막힘현상이빈번히발생 5 부하변동이심하여효율이떨어지는부분 주요원인 : [( ) 는응답처리장수] 가동시간대에따라유입유량이변화가심함 - 포기조 (6): 각배출업소별가동시간의변화에따라시간대별요일별유입유 량의변화가심하여안정적시설운영이불가능, 유량조정조의설치, 시간대 별요일별폐수량균등유입으로안정적처리수질확보, DO의변동폭이큼 에도불구하고대용량의송풍기로는대수조정에의한미세풍량조절은어 려운실정이며상대적으로바이패스되는량이많아운영효율이떨어짐. 절기, 하절기의유입유량변동폭이큼 - 유입펌프설비 (6): 대용량고압모터설비이므로유입유량증가에따른상위용 량펌프로운전변경시단계적으로변경함으로써급격한부하변동억제, 유입 하수의새벽시간대유입유량감소로유입펌프가동대수조정, 유입하수의전 량유입처리로저수조기능없음, 고압(6.6kV) 전동기의인버터제어검토중 동 - 43 -
이나현실성이없음, 차집관로가합류식이므로우천시, 평상시하수유입량의 차이가많으므로펌프가동율변동이심함, 유량조정조설치및차집관로의 분류식시행, 일정량정량적으로펌프가동함으로써전력비절감, 시간대별 로하수발생량변동이심함, 유량조정조설치 - 침사제거기 (2): 침사성분이갑자기많이유입되는경우교반기의회전축이 휘는현상발생, 모래가퇴적되면처음기동될때부하변동이심함 - 최종침전지 (2): 유입유량의변화에따른반송량및잉여량의탄력적운영이 불가능하여수처리효율저하, 최종침전지를탄력적운영이가능하도록계 열화추진, 유량변화에따른탄력적운영으로안정적처리수질확보, 고도처 리공법적용으로 T-N, T-P 효율상승되어잉여슬러지플럭강도약화되어 겨울철물의밀도증가시압밀침전불량으로벌킹현상또는반송슬러지량 증가로전기에너지상승됨. 설계시표면부하율을최대한용량을증대가필요 함. - 염색단지펌프장, 공장유입펌프장, 생활중계펌프장 (1): 각배출업소별가동 시간의변화에따라시간대별요일별유입유량의변화가심하며강우시에 유입유량의급격한증가로운영에어려움상존, 정조설치, 각시설물의안정적운영 - 최초침전지/ 생슬러지펌프 (1): 될때부하변동이심함 - 집수조교반용송풍기 (1): 차집관로의정비및유량조 최초침전지생슬러지농도에따라처음기동 처리수가빠른시간에유입되어수위가높아지면 송풍기모터에부하가많이걸리다가수위가낮아지면저부하가걸린다 차가 0.3kgf/ cm2) - 중계펌프 (1): 심야의하수유입이적어펌프의운전효율이낮아인버터를설 치하여수위에따라운전속도제어 ( 편 6 간헐운전에기인한효율저하부분 [( ) 는응답처리장수] 주요원인 : 균등처리를위한 On/Off제어및연속운전 - 산화구포기기(3): 간헐운전시산화구의미생물에지속적이고균등한산소공 급이이루어지지않아수질관리에어려움이발생, 인버터설치로원활한수 질관리및전력비절감, 4대중 2 대로간헐운전: 전력비및 TN 감소 - 생활, 공장계열포기조 (2): 포기조의 DO조절을위하여표면포기기의 ON/OFF 가잦음, 인버터의설치또는산기관포기방식으로변경, 전력비절 감및안정적처리효율확보, 운전, 간헐적으로운전함으로써전력비절감 포기조용존산소량유지를위하여간헐적으로 - 44 -
- 생오니및잉여오니인발펌프 (2): 24시간균등인발을위하여 ON/OFF가잦 음, 인버터의설치로연속운영, 고장율저하및후속슬러지처리공정처리 효율증가 - 중계펌프및유입펌프 (2), 방류펌프: 수위계자동운전으로인한 ON/OFF가 잦아고장발생빈도가높음, 펌프용량이 9 m3/min(13 천톤/ 일) 으로 2005년도 1 일유입유량이 4,719 m3/ 일에비해용량이크므로 4 m3/min 정도용량의유입 펌프 방 1대변경으로간헐운전시성능저하되는부문및기동시부하증가예 - 세목스크린 (2): 2시간당 1 회(15 분) 운전 [ 성능/ 운전에영향없음], 현세목 제진기운전방식 2hr 간격운전으로침사지의수위급변및협잡물유실발생, 타이머설치로운전간격조정, 협잡물유실방지및침사지적정유속유지 - 간헐포기조/ 발효액공급밸브 (1): 1시간에한번씩열고닫고를반복하여밸브 내부고무에마모를일으켜밸브의수명을줄임 - 탈수케익이송콘베어 (1): 슬러지를받는시간에는가동을하다가슬러지를 받지않는시간에는정지를함으로써처음기동시부하가큼( 가동정지반 복이많음) 연속적으로운전을하여모터및체인부분을보호 - 농축슬러지펌프 (1): 4시간에 2분가동속도조정하여분당 30사이클로가 동 - 용수공급장치 (1): 용수공급장치( 축봉수, 잡용수) 는압력탱크센서신호에의해 자동운전되나, 빈번한기동정지로전력낭비및펌프파손 인버터부스터펌프 채용으로전력비, 수선비절감및운정적운영도모 - 조목스크린 (1): 2시간당 1 회(15 분) 운전 [ 성능/ 운전에영향없음] - 침사인양기 (1): 2시간당 1 회(15 분) 운전 [ 성능/ 운전에영향없음] - 잉여펌프 (1): 현잉여펌프운전방식 2hr 간격으로지속적인잉여반출의어 려움 ( 반류수량많음), 통제실운전조건운전자조작가능, 운전조작의용이 나. 정량적분석 실태조사응답처리장중정량적분석수행처리장수는 < 표 2-22>, < 그림 2-10>, 및 < 그림 2-11> 과같이 9개도와 7개시의총 230 개소이고, 대상인구는 약 4000만명으로우리나라전체인구약 4700만명의약 85.4% 이다. 그러나, 유 입 BOD기준등가인구는실제인구의약 80 % 정도인약 3200만명으로실제인구 와상당한차이가있음을알수있다. 이때등가인구1인기준은일일유입수기 준 BOD농도 60g 이다. 그리고, 대부분의처리장소재지는등가인구대실제인구비 가 1이하이지만대구시의경우는 1.43으로유입하수의 BOD가상당히높음을알 - 45 -
수있다. < 표 2-22> 실태조사응답처리장중정량적분석수행처리장수 처리장소재지 ( 시, 도) 응답처리장수 ( 개소) 처리대상인구수 ( 명) 처리대상 등가인구 ** 수 ( 명) 실제인구대비 등가인구비 강원도 6 740,604 412,556 0.56 경기도 65 9,767,125 8,726,233 0.89 경남도 29 2,499,988 1,050,998 0.42 경북도 30 1,757,054 1,221,847 0.70 광주시 2 1,401,745 1,063,802 0.76 대구시 6 2,507,682 3,582,672 1.43 대전시 1 1,507,382 886,717 0.59 부산시 7 4,154,910 2,499,805 0.60 서울시 4 10,712,849 9,477,235 0.88 울산시 4 209,656 158,316 0.76 인천시 6 804,360 454,548 0.57 전남도 18 226,020 119,388 0.53 전북도 16 1,656,701 1,018,160 0.61 제주도 3 416,065 315,244 0.76 충남도 8 871,771 596,966 0.68 충북도 25 1,113,721 813,999 0.73 계( 평균) 230 40,347,633 * 32,398,484 *** (0.80) * 처리대상인구: 총인구의 85.4 % (2005 년도총인구수: 4,725 만명) ** 등가인구 1 인 = 60g BOD ( 자료: D. Voigt, Report on the Development of Energy Consumption Guidelines for Water/Wastewater, Wisconsin Focus on Energy, 2003) *** 각처리장에서제거 BOD량산정시연계이전유입수자료활용 - 46 -
응답처리장수 70 60 50 40 30 20 10 0 강원도경기도경남도경북도광주시대구시대전시부산시서울시울산시인천시전남도전북도제주도충남도충북도 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-10> 지역별실태조사응답처리장수 등가인구 / 실제인구 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 강원도경기도경남도경북도광주시대구시대전시부산시서울시울산시인천시전남도전북도제주도충남도충북도평균 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-11> 지역별하수처리설비대상실제인구대비등가인구 1 정량적지표-총괄 실태조사결과기계설비의성능은 < 표 2-23> 과 < 그림 2-12> 에정리하였다. 예상한바와같이유입펌프와송풍기의부하율은매우낮은것으로판단되었고, - 47 -
슬러지처리설비는과부하상태이나, 지역별로편차가극심하였다. 특히본과업 에서주된연구대상이아니지만검토항목인하수재이용율은 4.7 % 로매우낮아 서, 하수재이용에대한대책도시급히마련하여야할것으로사료된다. < 표 2-23> 하수처리설비중기계류의운전부하율비교 하수처리량 부하율 실제량/ 설계량 항목비율 (%) 비고 하수시설량대비처리비율 77.2 약간낮음 하수유입량대비처리비율 97.80 적정 하수재이용율 4.7 미흡 유입펌프 56.2 부하율이매우낮음 포기조송풍기 61 부하율이매우낮음 1차슬러지발생율 178.9 매우과부하 2차슬러지발생율 105.6 과부하 소화조슬러지유입율 100.5 과부하 탈수기처리율 104.6 과부하 탈수슬러지함수율 ( 설계함수율/ 운전함수율) 103.3 (78.8/76.3) 약간미흡 탈수케익발생율 68.5 약간미흡 하수처리공정주요항목 탈수케익발생율탈수슬러지함수율탈수기처리율소화조슬러지유입율 2차슬러지발생율 1차슬러지발생율포기조송풍기유입펌프하수재이용율하수유입량대비처리비율하수시설량대비처리비율 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 운전부하율 [%] < 그림 2-12> 하수처리설비중기계류의운전부하율비교 - 48 -
국내하수처리장의에너지소비특성을객관적으로파악하기위하여외국처리 장과의비교하여 < 표 2-24> 와 < 그림 2-13> 에정리하였다. 단위유입하수당순 소비전력은미국의중대형처리장과별큰차이가없었으나, 제거 BOD당소비전 력은상당한차이가있었다. 국가별총소비전력기준하수처리에소비되는전력은미국은약 1.2%, 일본은 0.81% 이지만, 우리나라는약 0.53% 로다소낮은편이었다. 이는우리나라의하 수처리설비가부족하거나, 사료된다. 아니면다른산업에서전력을많이소비하기때문이라 < 그림 2-13> 은하수처리장처리용량에대한단위용량처리시전력소비율을 비교하였다. 미국의중규모및소규모처리장의평균값과우리나라의전체평균을 비교하면, 앞서서언급한바와같이큰차이가없는것처럼보이나, 각처리장별 로비교하면상당한차이가있음을알수있다. < 표 2-24> 주요성능지표 (KPI: Key Performance Indicator) 비교 항목단위대한민국미국일본유럽 사람수당소모전력 사람수당유입하수량 유입하수당소모전력 유입하수당회수전력 [kwh/ 인/ 년] 36.3 [m3 / 인/ 년] 151.0 [kwh/m 3 ] 0.243 [kwh/m 3 ] 0 유입하수당순소비전력 [kwh/m3 ] 0.243 제거 BOD 당소모전력 등가인구당소모전력 [kwh/kg BOD] [kwh/pe/ 년] 전체평균 : 2.07 2 차처리: 1.88 고도처리 : 2.16 (1.38) a 0.31 0.3 e (1995년 0.35) c [ 오사카시] 0.08 (1995년 0.09) c 중대형 : 0.23 소형 : 0.36 (1995년 0.26) c 1.5 c [ 전체] 2.36 f [ 위스컨신주 ] 45.3 51.9 f (30.3) a [ 위스컨신주] 1.49 f 32.2 f - 49 -
항목단위대한민국미국일본유럽 등가인구당전력에너지비용 연간소모전력 / 국가연간총발전량 [ 원/PE/ 년] 2,879 1,793 f [ 위스컨신주] 3% 하수 : 0.45-0.53% b ( 상수:1.8%+ 하수 :1.2%) c 1.68% ( 상수:0.87%+ 하수 :0.81%) d 1,999 f a. ( ) 는연계이후유입수 BOD 기준 b. 기준자료 : 2005 년도총발전량: 332,413 GWh, 대상인구: 4,047 만명하수처리장연간전력소비량 : 1,504.0 GWh 총인구 4,725 만명의경우예상전력소비량 : 1,504.0 GWh*4,725/4,047 = 1,756.0GWh 국가연간총발전량중비중 = 1756.0 GWh/332,413 GWh = 0.53% c. 미국하수처리량 75.7 천톤/ 일 (20MGD) 급처리장기준 ( 자료1 :EPRI, Water and Wastewater Industries: Characteristics and Energy Management Opportunities, CR-106941, 1996. 자료2 :J. Jack, Aeration Control and Optimising Nitrification: Control Concepts and Benefits, Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006.) d. 일본 ( 자료 : 2003 년도일본수도통계, 일본수도협회및 2003 년일본하수통계, 일본하수도협회 ) e. 일본오사카시( 자료 : 이타미가즈오, 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가의대처, 일본하수도협회지, Vol. 42, No. 517, 2005. 11.) f. 미국( 위스컨신주) 와유럽( 익명) (1$=1,000 원) ( 자료 : D. Voigt, Report on the Development of Energy Consumption Guidelines for Water/Wastewater, Wisconsin Focus on Energy, 2003.) ( 참고) 등가인구 1 인 = 60g BOD < 그림 2-13> 소비전력 [ k W h / m 3 ] 10 1 0.1 대한민국미국 0.1 1 10 100 1000 하수처리량 [ 천톤 / 일 ] 각하수처리장처리용량에대한단위용량처리시전력소비율비교 ( 미국은중규모및소규모처리장의평균값임) - 50 -
하수처리기법에따른제거 BOD 당소비전력을 < 표 2-25> 에비교하였고, < 그 림 2-14>, < 그림 2-15>, 및 < 그림 2-16> 에서는각하수처리설비의대상등가 인구에따른제거 BOD 당소비전력을, 각하수처리설비의대상등가인구에따른 유입하수처리량당소비전력을, 그리고각하수처리설비의대상등가인구에따른 제거 BOD 당소비전력 ( 고도처리와비고도처리) 을비교하였다. 고도처리를하는경우가그렇지않은경우에비하여약간에너지소비가많았 지만, 특히 SBR 법을활용한경우에전력소비가매우많았다. < 표 2-25> 하수처리기법에따른제거 BOD당소비전력 2 차처리 고도처리 A2O SBR 산화구기타 계 ( 평균) 처리장수 84 15 30 9 92 230 제거BOD당소비전력 [kwh/kg BOD] 1.88 1.84 7.79 1.82 2.32 2.07 제거 BOD 당소비전력 [kwh/kg BOD] 100 10 1 0.1 1 10 100 1000 10000 등가인구 [ 천명 ] < 그림 2-14> 각하수처리설비의대상등가인구에따른제거 BOD 당소비전력 - 51 -
3 유입하수당소비전력 [kwh/m3] 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 10 100 1000 10000 등가인구 [ 천명 ] < 그림 2-15> 전력 각하수처리설비의대상등가인구에따른유입하수처리량당소비 제거 BOD 당소비전력 [kwh/kg BOD] 100 10 고도처리 2 차처리 1 1 10 100 1000 10000 등가인구 [ 천명 ] < 그림 2-16> 각하수처리설비의대상등가인구에따른제거 BOD 당소비전력: 고도처리와비고도처리와의비교 < 표 2-26> 및 < 그림 2-17> 은최근 4년간하수처리비용의항목당구성비를 보여주고있다. 총비용중전력비는약 20% 를차지하고있고, 인건비다음으로 많은부분을차지하고있다. - 52 -
< 표 2-26> 최근 4년간하수처리비용항목당분석 연도비용전력비약품비인건비개보수비슬러지처분 기타 계 연간운영비 ( 백만원) 93,282 20,651 145,302 72,388 75,387 61,650 468,631 2005 (230 개소현황 ) 처리단가 * % 19.9 4.4 31 15.4 16.1 13.2 100.0 ( 원/ 톤) 15.3 3.4 23.9 11.9 12.4 10.1 77.0 ** BOD당처리비용 ( 원/kg) 131.5 29.1 204.8 102 106.2 86.9 660.5 연간운영비 95,404 17,415 148,373 73,941 71,162 62,599 468,894 2004 % 20.3 3.7 31.6 15.8 15.2 13.4 100.0 처리단가 14.4 2.6 22.5 11.2 10.8 9.5 71.0 BOD당처리비용 133.2 24.3 207.4 103.3 99.4 87.5 655.1 연간운영비 85,914 15,435 139,717 66,134 61,367 55,799 424,366 2003 % 20.2 3.6 32.9 15.6 14.5 13.1 100.0 처리단가 13.4 2.4 21.8 10.3 9.6 8.7 66.2 BOD당처리비용 134 24 218 103 96 87 662 연간운영비 77,330 13,131 118,810 55,656 52,065 48,093 365,084 2002 % 21.2 3.6 32.5 15.2 14.3 13.2 100.0 처리단가 12.6 2.15 19.4 9.1 8.5 7.9 59.6 BOD당처리비용 118 20 181.4 85 79.5 73.4 557.3 * 처리단가 = 년간운영비/ 년간하수유입량 ** 연계수처리불포함 - 53 -
기타, 13.2 전력비, 19.9 슬러지처분비, 16.1 약품비, 4.4 개보수비, 15.4 인건비, 31 < 그림 2-17> 2005 년도하수처리항목당운영비구성비율 (%) < 그림 2-18> 은단위제거 BOD당처리비용을전체비용및전력비용의연차별 변화를설명한다. 전체비용은 2003 년이후조금씩증가하지만, 전력비는약 0.7 % 씩감소함을알수있다. 이는하수처리에소비되는전력을줄이기위하여가 처리장에서상당한노력을기울이고있음을간접적으로확인할수있다. BOD 당처리비용 [ 원 /kg BOD] 800 600 400 200 593.2 583.6 557.3 118 662 134 655.1 660.5 133.2 131.5 전체전력 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 조사년도 < 그림 2-18> 단위제거 BOD 당처리비용비교 ( 전체및전력비용) < 표 2-27>, < 표 2-28>, < 그림 2-19> 및 < 그림 2-20> 은처리공법별운영비 및제거 BOD 당처리비용을비교하였다. 이비교에활용된자료는 2004년도에 보고된자료를활용하였다. - 54 -
< 표 2-27> 처리공법별운영비비교 (2004 년도자료) 처리장 2차처리고도처리 표준활성장기폭기산화구회전원판접촉산화 A2O SBR 기타 계/ 평균 개소 95 15 27 11 8 36 39 32 263 용량 ( 천톤) 평균 용량 ( 천톤) 톤당처리 ( 원 / 비톤 ) B O D 처리 ( 비 /kg) 원 15009 29 160 61 20 4993 887 988 22147 158.0 1.9 5.9 5.5 2.5 138.7 22.7 30.9 84.2 65.9 313.6 209.2 191 312 61.9 232.9 139.2 71 633.6 4311.8 2518.7 2541.4 4140 506.3 3684. 8 1074 655.2 처리비용 [ 원 / 톤 ] 400 313.6 312 300 209.2 232.9 191 200 139.2 100 65.9 61.9 0 표준활성 장기폭기 산화구 회전원판 접촉산화 A2O 처리기법 SBR 기타 계 / 평균 71 BOD 당처리비 [ 원 /kg BOD] < 그림 2-19> 하수처리기법에따른처리비용비교 (2004 년) 5000 4000 3000 2000 1000 0 표준활성 633.6 장기폭기 4311.8 산화구 2518.7 회전원판 2541.4 접촉산화 4140 A2O 처리기법 506.3 SBR 3684.8 기타 1074 계 / 평균 655.2 < 그림 2-20> 하수처리기법에따른단위제거 BOD 당처리비용비교 (2004 년) - 55 -
< 표 2-28> 고도처리및비고도처리운영비비교 (2004 년도) 방류수질 하수처리 BOD제거슬러지재이용량운영인력단가단가발생량처리단가하수처리량재이용량비율 BOD SS T-N T-P ( 원/ 톤) ( 원/kg) ( 천톤/ 년) ( 원/ 톤) ( 명/ 천톤) ( 백만톤/ 년) ( 천톤/ 년) (%) 고도 7 4.6 12.8 0.9 77.6 637.5 780 23369 25 1703 138691 8.15 비고도 10.7 6.6 18.4 1.4 69.6 662.5 1772 29633 20 4802 220862 4.6 평균 9.7 6.6 16.9 1.3 71 655.1 2552 27680 22 6505 359553 5.53 < 표 2-29> 와 < 그림 2-21> 은하수처리장내기계설비에서소비되는전력을비 교하였다. 예상과같이포기조송풍기에서약 41%, 그리고유입펌프에서약 20% 의전력이소비되고있고, 다른전력소비설비도주로펌프및탈수설비로많은 전력을소비하고있음을확인하였다. 따라서전력소비를줄이기위한주된대책은 포기조송풍기및유입펌프, 그리고다수의펌프류에집중되어야함을예상할수 있다. 참고로, 국내처리장에서소화조가온용및냉난방등으로소비되는연료는 주로소화가스및등유이고그비용은전력비의 4.46 % 밖에되지않았다. < 표 2-29> 기계설비의전력소비율비교 구분 유입수펌프 방류펌프 농축조가동펌프 소화조가동펌프 포기조송풍기 소화조가스교반기 슬러지이송펌프 슬러지탈수처리설비 여포세척수펌프 비율 (%) 20.2 1.8 0.9 0.6 41.6 1.4 2.1 3.5 1.1 26.6 기타 포기조송풍기기타유입수펌프슬러지탈수처리설비슬러지이송펌프방류펌프소화조가스교반기여포세척수펌프농축조가동펌프소화조가동펌프 < 그림 2-21> 기계설비의전력소비율비교 - 56 -
2 정량적지표-지역별 앞서서정리한정량적지표중하수처리설비중유입펌프및송풍기의운전 부하율을지역별로정리하면 < 표 2-30> 과같다. 그리고 < 표 2-31> 및 < 그림 2-23> 은지역별하수처리단가 ( 년간운영비/ 년간하수유입량: 원/ 톤) 를비교하였 고, < 그림 2-24> 는지역별하수처리비용항목중인건비, 전력비슬러지처리비를 비교하였다. < 표 2-30> 지역별하수처리설비운전부하율 처리장 소재지 ( 시, 도) 응답 처리장 수 하수 시설량 대비 처리비율 하수처리율 (%) 부하율 (%) 하수 유입량 대비 처리비율 하수 재이용율 유입 펌프 포기조 송풍기 1 차 슬러지 발생율 (%) 2 차 슬러지 발생율 (%) 탈수기 처리율 (%) 탈수케익 발생율 강원도 6 64.3 98.3 10.0 65.7 56.7 192.1 177.2 51.7 64.8 경기도 65 72.4 98.4 6.5 57.8 68.4 149.0 132.3 140.7 83.4 경남도 29 77.0 98.9 4.0 55.9 56.3 97.9 71.7 43.5 56.1 경북도 30 84.7 97.3 1.7 61.3 56.7 189.8 80.7 64.6 55.4 광주시 2 94.6 97.9 2.4 96.6 47.2 245.7 69.0 39.7 68.1 대구시 6 70.2 97.3 13.9 73.1 43.3 113.6 50.9 273.3 58.2 대전시 1 71.2 100.0 1.7 43.5 604.8 104.2 84.8 부산시 7 74.0 99.8 1.7 74.5 72.1 161.6 82.1 100.2 48.9 서울시 4 83.0 98.1 1.8 43.2 65.7 273.1 144.1 111.6 75.3 울산시 4 43.6 100.0 2.7 65.3 62.2 159.2 73.1 18.7 27.5 인천시 6 95.7 88.7 16.7 46.3 38.1 315.5 66.6 41.6 65.3 전남도 18 58.3 98.6 3.8 65.3 55.6 14.4 28.2 47.0 60.7 전북도 16 78.1 95.5 2.4 79.9 65.1 98.1 145.5 53.4 105.2 제주도 3 66.1 99.6 2.6 47.4 56.9 213.7 158.5 27.1 36.5 충남도 8 78.6 97.8 7.8 61.4 65.6 128.5 94.8 25.2 111.4 충북도 25 87.3 91.6 5.0 89.8 86.8 223.7 89.8 127.8 59.3 계/ 평균 230 77.2 97.8 4.7 56.2 61.0 178.9 105.6 104.6 68.5 (%) - 57 -
120 100 80 60 40 20 0 강원도 경기도경남도 경북도 광주시대구시 대전시부산시 서울시 부하율 (%) 울산시인천시 전남도전북도 제주도 충남도충북도 평균 유입펌프송풍기 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-22> 지역별하수처리설비중유입펌프및송풍기의운전부하율 < 표 2-31> 지역별하수처리단가 ( 년간운영비/ 년간하수유입량: 원/ 톤) 처리장소재지 ( 시, 도) 응답처리장수 하수유입량 ( 천톤/ 일) 하수처리단가 인건비전력비약품비슬러지처리비 ( 원/ 톤) 개보수비기타계 강원도 6 253.5 49.1 19.9 2.6 16.2 31.0 22.5 141.3 경기도 65 3748.2 22.9 17.8 4.8 19.7 10.7 10.6 86.5 경남도 29 760.8 43.1 19.0 3.8 7.6 13.0 16.6 103.0 경북도 30 853.5 40.5 21.9 2.7 10.2 7.6 31.0 113.9 광주시 2 695.4 12.2 10.2 3.5 7.9 4.9 1.4 40.1 대구시 6 1342.9 16.7 18.2 2.3 8.6 5.7 7.5 59.0 대전시 1 641.0 15.7 9.9 1.6 6.6 3.7 4.3 41.8 부산시 7 1252.4 23.6 12.9 4.8 5.8 9.2 3.8 60.1 서울시 4 4918.0 15.4 11.2 2.7 12.3 15.4 6.0 62.9 울산시 4 107.6 56.1 27.6 2.4 6.0 9.0 72.1 173.1 인천시 6 396.3 24.5 12.7 2.4 7.7 18.2 15.0 80.5 전남도 18 92.8 83.4 35.3 6.6 9.0 38.2 21.0 193.5 전북도 16 742.3 24.8 16.7 2.3 8.3 5.5 8.7 66.4 제주도 3 109.5 49.4 27.3 2.8 11.2 16.8 18.5 126.0-58 -
처리장소재지 ( 시, 도) 응답처리장수 하수유입량 ( 천톤/ 일) 하수처리단가 인건비전력비약품비슬러지처리비 ( 원/ 톤) 개보수비기타계 충남도 8 291.9 35.7 16.9 6.4 16.8 22.5 16.1 114.1 충북도 25 481.2 59.4 20.5 3.1 17.1 18.7 15.2 134.0 계/ 평균 230 16687.4 23.9 15.3 3.4 12.4 11.9 10.1 76.9 하수처리단가 ( 원 / 톤 ) 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 강원도경기도경남도경북도광주시대구시대전시부산시서울시울산시인천시전남도전북도제주도충남도충북도평균 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-23> 지역별하수처리단가비교 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 강원도경기도경남도경북도광주시대구시대전시부산시서울시울산시인천시전남도전북도제주도충남도충북도평균 비용 ( 원 / 톤 ) 인건비전력비슬러지처리비 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-24> 지역별하수처리비용항목중인건비, 전력비슬러지처리비비교 - 59 -
< 표 2-32> 및 < 그림 2-25> 는지역별하수처리에소비되는에너지를원단위 로비교하였다. 전남도가제거 BOD당소비전력이처리유량당소비전력보다상 당히높았고, 반대로대구시의경우는처리유량당소비전력이더높았다. 이는 전남도의유입하수중 BOD 농도가매우낮고, 대구시의유입하수중 BOD 농도가 상당히높음을의미한다. 따라서, 효율적인에너지소비를위하여처리유량당소 비전력보다는제거 BOD 당소비전력을객관적인기준으로활용하여야하고, 또한 각처리장에서는유입하수중우수등이혼합되어하수농도를낮추는, 불필요한유량까지처리하여야하는경우를최대로억제하여야한다. 즉처리가 < 표 2-33> 및 < 그림 2-26> 은지역별하수처리기계설비전력소비율 (%) 및 에너지다소비설비인포기조송풍기및유입펌프에서소비되는전력을비교하였 다. < 표 2-32> 지역별하수처리에너지원단위비교 BOD 당처리장사람수당사람수당유입하수당등가인구당하수유입량처리대상인구소모전력소재지소모전력유입하수량소모전력소모전력 ( 천톤/ 일) ( 명) [kwh/kg ( 시, 도) [kwh/ 인] [m 3 / 인] [kwh/m 3 ] [kwh/pe] BOD] 강원도 253.5 740,604 34.6 124.9 0.277 2.83 62.1 경기도 3748.2 9,767,125 38.6 140.1 0.275 1.97 43.2 경남도 760.8 2,499,988 30.2 111.1 0.272 3.28 71.9 경북도 853.5 1,757,054 45.8 177.3 0.258 3.01 65.9 광주시 695.4 1,401,745 26.2 181.1 0.145 1.57 34.5 대구시 1342.9 2,507,682 59.7 195.5 0.305 1.91 41.8 대전시 641.0 1,507,382 24.1 155.2 0.155 1.87 41.0 부산시 1252.4 4,154,910 23.1 110.0 0.210 1.75 38.4 서울시 4918.0 10,712,849 32.5 167.6 0.194 1.68 36.8 울산시 107.6 209,656 55.9 187.4 0.298 3.38 74.0 인천시 396.3 804,360 35.4 179.8 0.197 2.86 62.7 전남도 92.8 226,020 59.6 149.9 0.398 5.15 112.8 전북도 742.3 1,656,701 56.7 163.5 0.346 4.21 92.2 제주도 109.5 416,065 15.8 96.1 0.165 0.95 20.9 충남도 291.9 871,771 39.3 122.2 0.322 2.62 57.4 충북도 481.2 1,113,721 47.2 157.7 0.299 2.95 64.5 계/ 평균 16687.4 40,347,633 36.2 150.5 0.243 2.07 45.3 75.7 천톤/ 51.9 외국 일 (20MGD) 급 0.23( 미국) 1.5( 미국) ( 위스컨신주) 32.2 ( 유럽) - 60 -
소비전력 6 5 4 3 2 1 처리유량당소비전력 [kwh/m3] x 10 제거 BOD 당소비전력 [kwh/kg BOD] 0 강원도 경기도 경남도 경북도 광주시 대구시 대전시 부산시 서울시 울산시 인천시 전남도 전북도 제주도 충남도 충북도 평균 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-25> 지역별하수처리에너지원단위비교 < 표 2-33> 지역별하수처리기계설비전력소비율 (%) 처리장 소재지 ( 시, 도) 응답 처리장 수 유입수 펌프 방류 펌프 농축조소화조소화조슬러지슬러지여포포기조가동가동가스교이송탈수세척수송풍기펌프펌프반기펌프처리설비펌프 강원도 6 28.5 0.0 0.0 0.3 47.1 3.2 0.8 2.2 0.7 17.2 경기도 65 14.6 5.1 1.4 0.1 28.1 0.4 1.5 1.9 0.6 46.3 경남도 29 19.4 0.0 1.5 0.6 43.0 1.0 2.7 6.9 1.8 23.2 경북도 30 23.1 0.0 1.3 2.6 35.9 1.9 1.2 3.4 1.8 28.6 광주시 2 46.8 0.0 0.4 0.8 39.8 2.1 5.0 1.8 0.5 2.8 대구시 6 15.8 0.4 0.3 0.3 52.0 2.2 4.7 0.6 1.1 22.6 대전시 1 39.0 0.0 0.1 0.2 49.8 0.2 0.2 0.3 0.1 10.2 부산시 7 25.0 6.2 2.2 1.7 37.9 0.4 2.6 2.9 2.4 18.7 서울시 4 21.8 0.0 0.6 1.1 52.9 2.5 0.6 6.4 1.4 12.8 울산시 4 21.5 0.6 0.5 0.0 48.1 0.0 3.8 1.4 0.9 23.1 인천시 6 35.6 0.0 0.7 0.0 26.7 0.0 0.5 2.5 0.9 33.1 전남도 18 20.0 2.0 1.2 1.8 29.9 1.0 2.7 5.8 2.0 33.5 전북도 16 15.7 0.1 0.2 0.0 36.8 0.2 2.5 5.2 0.2 39.2 제주도 3 30.2 0.0 0.0 0.0 50.5 0.0 0.0 0.0 0.0 19.3 충남도 8 24.8 2.1 0.5 0.0 36.1 4.0 1.4 0.8 8.0 22.2 충북도 25 12.9 0.3 2.5 0.2 35.6 1.9 15.1 2.4 1.3 27.9 계/ 평균 230 20.2 1.8 0.9 0.6 41.6 1.4 2.1 3.5 1.1 26.6 기타 - 61 -
60 50 40 30 20 10 0 강원도경기도경남도경북도광주시대구시대전시부산시서울시울산시인천시전남도전북도제주도충남도충북도평균 비율 (%) 포기조송풍기유입수펌프 처리장소재지 ( 시, 도 ) < 그림 2-26> 지역별하수처리설비중포기조송풍기및유입펌프전력소비율 < 표 2-34>, < 그림 2-27>~< 그림 2-29> 는개별해외처리장의주요성능지표 를우리나라지역별평균값과비교하였다. 하수처리장등가인구기준연간에너 지소비량을비교하면지자체평균자료와미국위스컨시주소재처리장의에너지 소비량은비슷하고유럽의처리장은상당히낮은수준을보인다. 그러나, 보다세 부적으로관찰하면 < 그림 2-30> 과같이국내각처리장에서의에너지소비가 미국위스컨시주및유럽의처리장보다상당히많은전력을소비함을확인할수 있다. < 표 2-34> 해외처리장과의 KPI 비교 ( 등가인구기준: 1 pe = 60g BOD) 하수처리장명 등가인구연간총전력연간총전력에너지연간총에너지사용량 (pe) 에너지비용비용 (1$=950 원) 지역 처리장 1000명 천kWh/yr kwh/pe/yr 천 $/yr $/pe/yr 천원 /yr 원 /pe/yr 강원( 평균) 68.8 4267 62.1 306905 4463 경기( 평균) 134.2 5793 43.2 375019 2793 경남( 평균) 36.2 2604 71.9 182014 5022 경북( 평균) 40.7 2682 65.9 227340 5582 대 광주( 평균) 531.9 18341 34.5 1297149 2439 한 대구( 평균) 597.1 24946 41.8 1486167 2489 민 대전( 평균) 886.7 36358 41.0 2308683 2604 국 부산( 평균) 357.1 13718 38.4 843740 2363 서울( 평균) 2369.3 87119 36.8 5023523 2120 울산( 평균) 39.6 2929 74.0 270780 6841 인천( 평균) 75.8 4750 62.7 306722 4049 전남( 평균) 6.6 748 112.8 66535 10031-62 -
하수처리장명 등가인구연간총전력연간총전력에너지연간총에너지사용량 (pe) 에너지비용비용 (1$=950 원) 지역 처리장 1000명 천kWh/yr kwh/pe/yr 천 $/yr $/pe/yr 천원 /yr 원 /pe/yr 전북( 평균) 63.6 5867 92.2 283243 4451 제주( 평균) 105.1 2197 20.9 364232 3466 충남( 평균) 74.6 4287 57.4 224926 3014 충북( 평균) 32.6 2101 64.5 144015 4423 국가평균 140.9 6375 45.3 405574 2879 Ashland 26.1 1911 73 82 3.14 77900 2983 Burlington 82 2654 32 118 1.44 112100 1368 Grassland 9.8 803 82 35 3.56 33250 3382 미국 1 Green Bay 421.1 35241 84 1171 2.78 1112450 2641 La Crosse 138.5 5535 40 242 1.75 229900 1663 Papermill A 506 17253 34 518 1.02 492100 969 Portrage 63.9 1223 33 61 1.66 57950 1577 Rhinelander 12.6 757 60 32 2.53 30400 2404 A 56 1613 29 81 1.45 76950 1378 B 77 3059 40 164 2.13 155800 2024 C 42.8 468 11 28 0.65 26600 618 D 61.6 1628 26 81 1.33 76950 1264 E 64.3 1306 20 77 1.19 73150 1131 F 13.8 41 2.94 38950 2793 G 82 2067 25 103 1.26 97850 1197 유럽 2 H 733.3 22132 30 1096 1.5 1041200 1425 I 17.3 189 10.9 179550 10355 J 406.4 15030 37 1024 2.52 972800 2394 K 61 2003 33 136 2.24 129200 2128 L 9 322 36 22 2.43 20900 2309 M 33 633 19 59 1.78 56050 1691 N 68 2000 29 155 2.28 147250 2166 O 275 12000 44 743 2.7 705850 2565 자료1: D. Voigt, Report on the Development of Energy Consumption Guidelines for Water/Wastewater, Wisconsin Focus on Energy, 2003. 자료 2: EPRI, Water and Wastewater Industries: Characteristics and Energy Management Opportunities, CR-106941, 1996. - 63 -
등가인구당연간에너지사용 [kwh/pe/yr] 120 100 80 60 40 20 0 미국유럽대한민국 0 200 400 600 800 1000 등가인구 [ 천명 ] < 그림 2-27> 하수처리장 ( 또는각지역) 등가인구기준연간에너지사용량비교 ( 미국및유럽은하수처리장별자료이나, 대한민국은지자체( 시, 도) 별평균자료 임 ) 등가인구당연간에너지비용 [ 원 /pe/yr] 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 200 400 600 800 1000 등가인구 [ 천명 ] 미국유럽대한민국 < 그림 2-28> 하수처리장 ( 또는각지역) 등가인구기준연간에너지비용비교 ( 미국및유럽은하수처리장별자료이나, 대한민국은지자체( 시, 도) 별평균자료 임 ) - 64 -
제거 BOD 당소비전력 [kwh/kg BOD] 6 5 4 3 2 1 0 미국유럽대한민국 0 200 400 600 800 1000 등가인구 [ 천명 ] < 그림 2-29> 하수처리장 ( 또는각지역) 등가인구기준단위제거 BOD 당소 비전력비교 ( 미국및유럽은하수처리장별자료이나, 대한민국은지자체( 시, 도) 별평균자료임 ) 등가인구당연간소비전력 [kwh/pe/yr] 1000 100 10 대한민국미국 ( 위스컨신주 ) 유럽 1 10 100 1000 10000 등가인구 [ 천명 ] < 그림 2-30> 하수처리장등가인구기준연간에너지사용량비교 - 65 -
2.3.3 1 전기설비의에너지사용실태 전력사용량 2005년 1월부터 12 월까지매월각하수처리장의전력사용량이 < 표 2-35> 에 주어져있다. < 표 2-35> 하수처리장별전력사용량 ( 단위 : kwh) 구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 부천 4,401,481 4,157,702 3,767,493 4,631,550 5,168,554 5,215,161 57,474,391 5,318,670 5,433,540 5,162,220 4,966,290 4,819,710 4,432,050 광주 1 광주 2 전주 2,425,260 3,814,560 2,248,200 2,215,020 2,473,050 2,329,320 29,222,570 2,365,380 2,319,380 2,268,420 2,304,540 2,195,460 2,263,980 709,974 665,694 752,580 727,578 752,346 767,916 805,914 790,398 712,674 717,696 687,690 706,302 76,425 114,949 761,106 80,219 81,729 81,843 93,582 77,907 77,472 74,871 78,516 79,740 8,796,762 1,678,359 달서천 4,378,392 4,270,012 5,223,627 5,132,314 5,113,839 4,743,480 58,507,784 5,312,160 5,294,100 4,664,520 4,853,940 4,547,760 4,973,640 북부 974,592 946,764 865,512 992,448 971,748 972,468 11,750,652 1,083,996 1,091,304 1,047,060 948,888 961,236 894,636 서부 4,712,585 4,254,396 4,844,480 4,731,684 4,841,295 4,614,480 55,394,560 4,620,000 4,571,520 4,449,600 4,557,840 4,480,320 4,716,360 신천 3,126,895 3,084,180 2,896,736 3,361,754 3,432,575 4,185,345 39,199,912 3,381,113 3,414,950 3,126,793 2,974,558 3,015,480 3,199,533 안심 518,760 473,328 522,432 507,408 519,912 503,208 518,256 515,448 486,120 502,512 487,952 532,272 6,087,608 대전 2,886,432 2,799,936 2,577,408 3,064,032 3,143,904 3,348,800 36,358,494 3,315,072 3,187,488 3,134,592 3,089,568 3,039,722 2,771,540 수영 1,877,280 2,138,100 1,982,460 2,431,980 2,251,380 2,321,640 36,039,100 2,237,700 2,446,920 2,318,040 2,070,600 2,089,020 1,873,980 강변 2,538,972 24,285,536 2,126,316 2,522,904 2,546,832 2,731,272 52,806,797 2,686,776 2,907,489 2,837,544 2,664,480 2,553,624 2,405,052 남부 1,978,860 1,917,540 1,768,200 1,968,660 1,974,000 1,989,180 23,561,001 1,950,000 2,110,740 2,021,040 1,987,680 1,980,060 1,915,041 녹산 신호 647,295 665,738 570,196 648,673 591,678 649,272 567,119 594,873 624,791 582,792 623,271 581,072 51,402 52,798 45,749 50,679 49,815 61,523 71,613 82,704 84,512 80,569 84,214 84,373 7,346,770 799,951-66 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 서부 99,110 113,028 106,665 100,842 96,171 92,118 97,719 96,207 100,726 96,249 94,247 92,021 1,185,103 해운대 594,764 518,839 588,251 547,831 548,462 518,956 6,131,974 247,219 542,003 503,614 515,123 494,778 512,134 성환 제천 177,924 147,840 144,600 141,132 167,016 181,056 156,758 153,720 150,064 308,808 323,172 300,960 324,060 306,504 309,094 309,456 334,548 302,574 304,020 283,338 1,560,150 3,679,720 천안 1,341,120 1,317,120 1,381,824 1,320,384 1,469,136 1,443,744 17,191,110 1,513,440 1,506,768 1,472,640 1,395,408 1,456,368 거제면 진영 40,849 42,250 37,754 40,673 38,610 38,732 40,760 40,788 39,413 35,938 38,031 36,453 146,412 128,729 135,640 132,934 136,311 136,699 143,626 151,625 135,519 139,031 134,827 140,940 470,251 1,662,293 화목 1,368,968 1,244,160 1,298,194 1,246,002 1,442,368 1,477,476 16,869,869 1,524,305 1,479,231 1,467,540 1,465,896 1,415,945 1,439,784 장유 1,363,968 1,244,160 1,298,194 1,242,002 1,442,368 1,477,476 16,851,869 1,524,305 1,479,231 1,467,540 1,465,896 1,415,945 1,430,784 거창 가조 고성 152,129 166,493 145,937 153,115 143,143 154,879 161,446 174,521 164,924 158,860 168,084 175,821 113,228 106,481 96,069 101,548 93,045 87,566 93,967 97,214 99,490 93,874 95,436 96,653 175,406 186,970 167,242 174,139 172,663 166,571 181,007 191,383 178,164 175,918 168,695 186,977 1,919,352 1,174,571 2,125,135 남해읍 118,937 106,336 105,459 80,280 81,424 89,122 1,173,631 105,661 102,221 92,484 82,887 93,872 114,948 마산 / 창원 밀양 삼랑진 하남 1,065,312 925,632 1,020,672 955,776 995,424 989,616 11,771,232 1,054,512 1,024,656 976,320 891,504 931,968 939,840 297,396 250,290 291,222 263,448 252,162 266,400 288,342 294,642 269,172 266,310 264,276 194,346 43,493 39,576 31,733 31,349 36,058 32,390 34,267 36,182 30,139 29,381 30,413 25,608 51,930 43,276 47,279 45,641 50,000 48,197 52,304 48,172 50,782 53,136 50,281 52,248 3,198,006 400,589 593,246 사천읍 281,136 300,540 252,864 308,460 282,240 291,432 3,436,500 291,444 300,300 289,716 278,952 282,276 277,140 삼천포 190,020 195,156 175,560 192,672 202,680 230,328 2,490,996 239,280 249,528 240,012 213,600 184,380 177,780-67 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 산청군 의령 부림 진주 사봉 문산 진해 창녕 남지 부곡 통영 하동 가야 함양 합천 공주 보령 65,902 68,249 58,348 61,638 59,400 62,992 57,470 69,912 71,387 64,209 63,252 65,714 161,712 146,880 151,392 133,258 111,888 65,434 75,140 76,559 123,696 179,212 162,557 178,071 22,925 22,498 21,817 23,707 22,675 27,895 22,319 23,672 23,686 21,010 22,142 19,998 731,760 671,760 736,608 812,232 798,816 844,848 852,048 821,160 819,840 824,328 697,320 680,376 40,352 37,253 41,512 38,833 36,248 33,375 37,670 35,687 33,830 35,103 34,373 38,322 47,401 43,975 46,515 35,681 35,064 36,266 69,701 41,965 36,033 35,244 36,115 35,086 343,788 311,700 363,516 360,780 352,512 353,566 397,404 399,492 370,476 345,348 311,760 327,720 49,126 49,259 48,101 54,395 45,816 44,385 45,281 48,172 49,507 45,883 44,479 48,545 70,230 64,306 71,406 67,478 63,338 67,082 78,948 64,361 76,507 58,140 58,141 65,521 37,958 37,696 36,209 40,723 37,199 37,390 37,728 37,790 36,644 33,383 35,672 37,735 192,846 189,437 160,594 169,932 184,933 208,087 202,532 226,345 179,916 183,972 206,307 206,008 89,688 89,180 66,379 72,140 70,834 68,962 74,553 80,808 79,113 73,464 71,812 69,374 83,368 81,356 95,544 68,736 63,676 56,744 62,532 63,072 56,524 57,348 51,324 56,501 210,348 213,030 199,440 239,238 219,474 227,124 190,458 181,908 187,794 173,736 181,818 168,588 122,376 122,890 98,841 118,031 112,205 114,504 108,850 111,058 108,748 103,920 108,802 113,026 380,364 402,120 353,220 388,068 370,464 373,548 368,220 358,128 352,560 344,556 349,512 372,312 132,825 139,036 125,040 135,552 133,660 143,780 159,159 176,266 160,262 143,309 130,655 135,609 768,473 1,565,799 274,344 9,291,096 442,558 499,046 4,238,062 572,949 805,458 446,127 2,310,909 906,307 796,725 2,392,956 1,343,251 4,413,072 1,715,153 대천 262,734 65,986 82,343 34,078 37,457 27,965 14,905 아산 353,970 335,664 370,746 364,014 390,150 396,342 411,732 409,532 377,532 400,374 393,912 430,002 4,633,970-68 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 서산 논산 264,654 264,185 237,755 256,606 235,523 243,828 224,174 224,551 222,195 214,552 231,785 247,224 103,464 94,976 107,935 111,304 126,756 116,323 117,727 116,143 116,208 114,250 111,982 103,817 2,867,032 1,340,885 청주 1,965,460 1,874,600 2,154,000 2,158,000 1,941,374 2,181,550 25,410,264 2,261,000 2,235,000 2,092,000 2,129,280 2,156,000 2,262,000 수안보 충주 송학 제천 58,182 61,232 52,862 58,396 76,701 85,812 82,144 94,871 90,226 86,898 82,167 85,283 623,304 623,142 516,780 588,762 557,334 532,638 523,530 568,530 593,946 583,704 601,722 579,240 20,249 17,500 12,795 14,282 14,922 15,524 12,549 14,166 13,980 14,623 16,328 19,059 308,808 323,172 300,960 324,060 306,504 309,094 309,456 334,548 302,574 304,020 283,338 273,186 914,774 6,892,632 185,977 3,679,720 노현 0 문의 0 미원 39,515 40,872 31,661 24,383 22,128 23,580 23,072 24,403 22,255 20,564 22,074 26,593 321,100 품곡 0 내속리삼승회북동이안남안내옥천이원 49,626 57,935 59,033 60,199 52,049 37,659 41,598 37,790 39,165 35,211 30,513 40,845 7,568 7,099 7,465 6,966 6,802 7,135 7,465 7,369 7,441 7,760 6,585 6,796 5,009 6,673 3,613 3,368 4,254 3,684 8,005 6,264 8,290 10,122 8,492 8,996 2,338 2,186 2,016 2,114 2,198 3,199 2,557 2,385 1,779 1,555 1,800 1,895 2,877 3,223 2,516 2,485 2,242 2,518 2,720 2,070 1,818 2,071 2,162 2,572 2,125 2,089 1,934 2,193 1,736 1,947 2,246 1,823 1,617 1,822 1,858 1,570 136,584 134,028 123,456 131,520 129,780 137,592 123,672 128,340 130,932 129,300 129,444 127,836 14,204 12,997 16,338 14,972 23,359 13,769 13,640 13,511 13,849 14,977 15,671 541,623 86,451 76,770 26,022 29,274 22,960 1,562,484 167,287-69 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 영동 증평 진천 괴산 금왕 음성 단양 243,000 227,311 248,162 228,939 220,119 212,328 211,766 212,975 200,793 218,499 223,279 262,123 160,300 199,598 196,624 193,709 162,037 160,272 140,997 147,599 146,491 146,851 156,801 177,732 87,224 90,137 78,462 83,891 85,129 84,017 79,740 72,360 98,438 89,183 101,275 86,087 71,805 72,180 64,001 70,380 63,014 68,458 65,938 64,576 65,555 66,046 64,324 62,222 166,983 170,222 146,851 134,049 119,858 118,945 115,603 123,113 118,397 99,007 119,880 151,041 137,404 125,690 116,734 97,028 96,394 96,250 117,497 117,965 112,090 94,655 94,655 125,804 59,036 60,231 55,076 62,478 69,922 66,554 62,661 58,385 56,771 57,409 48,111 33,728 2,709,294 1,989,011 1,035,943 798,499 1,583,949 1,332,166 690,362 수원 3,006,000 3,051,288 3,255,264 3,086,568 3,172,248 3,253,464 38,449,008 3,558,312 3,192,840 3,299,976 2,788,344 3,284,928 3,499,776 성남 2,486,664 2,273,544 2,564,948 2,452,063 2,688,147 2,692,084 31,661,256 2,729,952 2,842,468 2,773,146 2,783,964 2,669,754 2,704,522 부천 4,401,481 4,157,702 3,767,493 4,631,550 5,168,554 5,215,131 57,474,391 5,318,670 5,433,540 5,162,220 4,966,290 4,819,710 4,432,050 박달 1,241,520 1,097,928 1,354,344 1,467,840 1,539,744 1,422,456 16,377,312 1,497,312 1,450,896 1,322,256 1,268,448 1,406,952 1,307,616 석수 1,715,880 1,566,960 1,725,540 1,690,680 1,874,700 1,832,940 21,221,640 1,918,860 2,032,140 1,918,980 1,813,320 1,602,360 1,529,280 안산 1 안산 2 2,225,856 1,771,776 2,191,680 2,110,752 2,162,208 2,293,632 25,859,616 2,392,224 2,200,800 2,157,888 2,099,328 2,017,824 2,235,648 1,184,304 1,237,056 1,317,120 1,322,352 1,665,168 1,673,136 18,164,064 1,837,824 1,814,496 1,687,056 1,573,680 1,401,456 1,450,416 용인 통복 장당 304,200 347,680 317,556 350,556 349,495 345,306 306,114 352,261 340,718 316,318 304,840 207,666 198,144 224,820 213,282 212,688 203,310 194,274 195,696 180,684 187,650 187,128 3,939,496 2,405,952-70 -
2 최대수요전력 (Peak) 2005년 1월부터 12 월까지매월각하수처리장의최대수요전력이 < 표 2-36> 에주어져있다. < 표 2-36> 하수처리장별최대수요전력 (Peak) ( 단위 : kw) 구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 부천 광주 1 광주 2 전주 7,203 6,384 6,447 8,526 8,169 8,421 10,185 9,681 9,030 9,324 8,736 8,757 3,864 3,864 3,864 3,864 3,864 3,864 3,720 3,720 3,768 3,768 3,768 3,768 1,147 1,237 1,328 1,154 1,179 1,318 1,251 1,370 1,282 1,186 1,260 1,152 10,185 3,864 1,370 달서천북부서부신천안심대전수영강변남부녹산신호서부 8,820 8,820 8,820 8,820 8,820 8,820 8,820 8,862 8,862 8,862 8,862 8,862 1,667 1,476 1,530 1,595 1,559 1,645 1,764 1,822 1,674 1,660 1,573 1,490 7,176 7,068 7,308 7,476 7,260 7,260 7,044 6,960 7,044 6,936 7,200 7,284 6,126 6,664 6,860 6,692 7,112 7,168 6,888 6,888 6,888 6,888 6,888 6,888 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 4,906 4,522 5,002 5,405 5,309 5,462 5,693 5,386 5,222 5,232 5,153 8,862 3,318 3,690 3,750 4,056 3,756 3,810 3,984 4,026 3,918 3,810 3,594 4,198 3,918 3,956 4,283 4,412 4,507 4,470 4,496 4,586 4,592 4,130 3,258 3,192 3,222 3,180 3,210 3,192 3,228 3,264 3,228 3,174 3,174 1,009 1,056 1,038 1,045 1,027 948 869 930 977 1,024 930 228 202 141 141 193 165 145 145 202 180 164 289 295 273 213 195 200 237 209 211 197 230 8,862 1,822 7,476 7,168 900 8,862 4,056 4,592 3,264 1,056 228 295-71 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 해운대성환제천천안거제면진영화목장유거창 2,848 2,725 2,689 2,675 2,664 2,650 2,646 2,639 2,574 2,614 2,603 301 31 272 293 322 326 304 282 262 244 668 668 668 668 668 668 720 720 708 708 708 720 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 2,294 2,126 2,078 2,026 2,232 2,366 2,510 2,602 2,467 2,280 2,347 2,227 2,294 2,126 2,078 2,026 2,232 2,366 2,510 2,602 2,467 2,280 2,347 2,227 2,848 326 720 150 2,602 2,602 가조 고성남해읍마창밀양삼랑진하남사천읍삼천포산청군 270 275 252 202 173 215 221 217 194 189 236 266 1,963 1,896 1,901 1,829 1,810 1,872 1,896 1,848 1,814 1,709 1,848 1,570 19,656 18,198 12,024 11,340 11,484 10,458 10,908 10,440 15,768 9,612 9,846 10,026 1,718 2,083 4,368 1,642 1,622 1,445 1,550 1,858 1,248 1,123 1,373 1,349 3,330 1,760 2,012 1,789 3,247 2,092 2,758 2,012 1,958 2,045 2,250 2,506 481 484 434 468 452 557 544 523 540 470 480 490 135 136 135 132 122 125 121 125 125 130 130 146 275 1,963 19,656 4,368 3,330 557 146-72 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 의령 부림 진주 사봉 문산 진해 창녕 남지 부곡 통영 하동 가야 함양 합천 276 285 278 233 220 173 198 258 304 383 309 348 48 47 48 84 42 42 41 42 42 44 41 44 1,399 1,399 1,399 1,457 1,411 1,656 1,548 1,548 1,548 1,548 1,548 1,548 118 126 84 108 98 92 94 96 100 94 90 89 91 80 78 78 88 88 91 90 94 90 89 94 578 660 790 635 740 650 796 812 652 569 580 551 103 99 104 109 98 102 105 97 105 93 96 107 180 178 167 164 171 165 184 169 192 148 140 143 93 94 95 90 78 83 93 92 78 71 81 88 377 377 356 350 344 373 371 375 356 337 357 393 242 210 218 155 174 170 202 195 193 187 162 203 569 583 635 661 553 497 533 572 586 560 523 523 466 506 482 482 479 445 473 464 475 470 439 497 208 204 199 195 184 181 182 183 180 180 180 202 383 84 1,656 공주 0 126 94 812 109 192 95 393 242 661 506 208 보령 295 287 263 302 288 326 380 377 298 271 265 291 380 대천 227 221 227 93 100 70 73 아산 서산 698 707 715 698 704 778 833 841 841 841 841 841 474 494 492 624 481 458 447 421 409 390 408 442 841 624-73 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 논산 청주 237 235 260 250 265 254 282 309 305 230 228 237 690 640 700 720 680 700 690 690 650 650 680 736 수안보 0 309 736 충주 송학 제천 1,087 1,039 1,039 1,089 1,017 934 952 1,076 1,048 1,093 994 979 63 62 62 53 54 62 54 54 49 51 59 64 668 668 668 668 668 668 720 720 708 708 708 720 1,093 64 720 노현 0 문의 0 미원 100 88 80 77 68 75 74 72 68 67 55 73 100 품곡 0 내속리 157 120 133 121 91 91 101 128 124 84 109 133 157 삼승 0 회북 0 동이 0 안남 0 안내 0 옥천 이원 264 287 283 252 250 262 257 246 245 253 30 34 33 33 36 29 33 37 41 287 41-74 -
3 하수유입량 2005년 1월부터 12 월까지매월각하수처리장의하수유입량이 < 표 2-37> 에 주어져있다. < 표 2-37> 하수처리장별하수유입량 ( 단위 : 천톤/ 일) 구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 (day) 부천 광주 1 광주 2 전주 달서천 북부 서부 신천 안심 대전 수영 강변 남부 녹산 신호 서부 22,802 21,543 22,259 22,015 22,459 23,216 28,464, 28,940 27,408 24,490 22,429 20,292 16,833 15,988 17,174 16,920 18,042 18,330 21,018 20,429 17,760 52,231 52,730 16,647 3,069 2,912 3,317 3,420 3,782 4,260 4,557 4,681 3,600 3,007 2,910 3,007 9,413 8,706 9,667 9,278 9,928 10,489 12,703 12,232 10,142 9,389 8,933 9,278 6,417 5,740 7,533 7,200 7,471 7,290 7,998 8,246 7,020 6,851 6,390 6,477 3,875 3,248 3,878 4,320 4,495 5,010 5,177 5,611 4,350 3,720 3,630 3,441 14,353 12,376 16,182 16,440 16,399 15,780 16,430 16,585 12,420 10,664 10,560 10,323 12,555 11,760 14,601 14,040 13,795 15,330 17,701 18,910 15,930 13,640 12,540 12,028 248 196 248 270 279 270 279 279 270 279 270 248 18,693 15,876 17,670 17,610 18,972 20,010 22,816 25,141 22,080 20,119 17,340 17,174 394 409 448 442 449 459 549 541 512 443 439 420 305 307 364 377 394 396 458 485 428 360 358 323 292 294 323 323 331 334 378 361 350 315 307 299 41 39 44 44 45 43 46 45 45 44 46 42 1.42 1.52 1.39 1.23 1.07 1.07 1.45 1.71 1.94 2.08 2.65 2.27 4.78 5.16 5.20 5.44 5.37 5.44 6.09 6.52 5.65 4.94 4.94 5.04 784.4 778.4 116.5 329.2 231.9 233.6 461.7 473.5 8.6 639.7 15.1 12.5 0.3 46 3 7-75 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 (day) 해운대성환제천천안거제면진영화목장유거창가조고성남해읍마창밀양 1,069 1,011 1,122 1,069 1,109 1,116 1,189 1,202 1,119 1,069 1,070 1,105 20 13 11 13 18 18 17 13 11 10 1,359 1,262 1,436 1,421 1,438 1,489 2,109 2,024 1,880 1,733 1,407 1,370 107,981 124,745 130,838 134,770 132,293 139,957 164,086 183,234 157,424 151,155 139,274 136,077 20.8 22.0 30.4 33.2 35.5 28.4 37.4 31.4 27.1 21.0 20.2 18.7 204.0 173.6 204.6 210.0 195.3 198.0 223.2 226.3 177.0 210.8 192.0 186.0 1,500.0 1,428.0 1,798.0 2,040.0 2,139.0 2,190.0 2,790.0 2,728.0 2,130.0 2,046.0 1,680.0 1,674.0 1,320.0 1,484.0 1,612.0 1,650.0 1,767.0 1,770.0 1,798.0 1,922.0 1,830.0 1,767.0 1,650.0 1,581.0 567.0 481.6 551.8 558.0 607.6 645.0 713.0 700.6 708.0 657.2 627.0 589.0 78.0 78.4 83.7 84.0 102.3 117.0 124.0 130.2 120.0 83.7 75.0 74.4 222.0 232.4 260.4 255.0 310.0 267.0 269.7 306.9 261.0 241.8 234.0 248.0 4,754.0 4,103.0 5,281.0 5,177.0 5,779.0 5,765.0 5,701.0 5,541.0 5,859.0 5,852.0 5,758.0 5,682.0 225.0 238.0 250.0 260.0 254.0 266.0 319.0 334.0 290.0 261.0 264.0 249.0 1,072.9 912.9 1,003.0 909.8 904.8 946.1 970.0 991.3 871.3 836.3 851.1 967.1 1,202 0.4 51.9 141.8 0.9 6.6 66.1 55.2 20.3 3.2 8.5 5.4 267.5 30.8 삼랑진 38,269.0 36,679.0 52,719.0 47,814.0 47,000.0 37,524.0 1.5 47,193.0 69,448.0 49,423.0 41,555.0 32,586.0 41,502.0 하남 사천읍 삼천포 산청군 2,081.0 2,018.0 1,936.0 1,787.0 1,756.0 2,470.0 2,408.0 2,900.0 2,590.0 2,072.0 1,991.0 2,135.0 13.0 14.0 14.0 15.0 17.0 17.0 16.0 17.0 17.0 14.0 13.0 13.0 27.0 29.0 30.0 34.0 38.0 41.0 43.0 47.0 33.0 27.0 23.0 20.0 2.2 15.0 32.7-76 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 (day) 의령 부림 2.1 2.2 2.4 2.4 2.5 2.4 2.8 3.1 2.5 2.4 2.5 2.5 0.6 0.8 0.7 1.1 1.2 1.1 1.1 1.2 1.3 0.9 0.8 0.6 진주 101,127.0 107,953.0 109,437.0 112,477.0 118,371.0 126,732.0 113.7 128,146.0 128,796.0 112,148.0 108,354.0 107,036.0 103,676.0 사봉 문산 진해 창녕 남지 부곡 통영 31,812.0 35,431.0 38,437.0 35,183.0 33,765.0 32,385.0 36,394.0 36,460.0 34,867.0 31,790.0 27,549.0 25,220.0 66,372.0 76,092.0 86,182.0 87,428.0 89,981.0 97,005.0 124,693.0 128,750.0 103,670.0 70,391.0 65,739.0 63,017.0 41,406.0 39,573.0 42,587.0 45,861.0 47,511.0 48,201.0 63,876.0 54,595.0 45,780.0 41,990.0 38,138.0 37,673.0 4.6 4.8 5.4 5.1 4.4 4.7 5.4 6.0 5.3 4.3 4.8 4.7 5.9 5.8 5.7 4.8 4.1 5.1 6.5 5.6 4.2 3.6 5.2 7.1 5,320.0 5,117.0 5,266.0 5,151.0 4,058.0 4,339.0 5,569.0 3,577.0 3,939.0 3,385.0 3,892.0 4,343.0 2.5 1.0 1.1 2.9 45.6 5.0 5.3 4.5 하동가야함양합천공주보령대천아산서산 6.1 6.6 6.6 7.4 7.0 8.1 8.4 9.3 8.5 7.5 6.9 5.7 6.2 5.7 5.9 6.1 6.1 5.9 6.4 6.2 6.3 6.1 6.1 5.9 182.5 168.1 191.7 210.7 224.9 231.0 282.2 307.3 219.6 171.9 165.6 160.2 5.0 5.4 5.4 5.8 5.9 6.3 7.3 8.8 6.6 6.2 5.9 5.6 27.5 27.5 28.6 31.2 29.2 34.8 42.4 43.0 42.0 33.1 28.0 27.5 21 22 22 24 24 31 46 39 34 26 22 21 1.4 1.2 1.1 1.0 1.3 1.4 1.7 2.5 2.7 0.5 0.4 0.3 35.7 36.7 36.5 37.1 37.2 37.3 36.9 37.8 37.4 35.3 35.2 35.7 30.8 30.4 30.3 32.9 33.0 34.7 38.6 35.8 35.6 32.5 35.3 34.2 7.3 6.1 6.9 6.2 32.9 27.7 1.3 36.6 33.7-77 -
구분 1 월/7월 2 월/8월 3 월/9월 4 월/10월 5 월/10월 6 월/12월합계 (day) 논산 0.0 청주수안보충주송학제천노현문의미원품곡내속리삼승회북동이 254.5 257.6 266.8 271.4 276.5 302.2 322.5 332.0 326.0 297.7 279.9 254.1 6.8 6.8 6.3 6.1 5.6 6.5 8.3 8.5 6.5 7.1 6.1 6.4 51.6 52.9 49.9 54.2 53.4 57.4 61.9 56.9 57.3 55.6 51.4 46.1 457.0 444.0 390.0 410.0 546.0 666.0 1,038.0 723.0 627.0 600.0 690.0 865.0 1.359 1.262 1.436 1.421 1.438 1.489 2.109 2.024 1.880 1.733 1.407 1.370 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.2 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4 0.5 0.4 0.5 0.5 0.6 0.5 0.6 0.7 0.6 0.6 0.5 0.7 0.9 0.9 0.7 0.6 0.6 0.7 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 1.3 1.4 1.3 1.4 1.1 1.3 1.5 1.7 1.0 1.3 1.2 1.5 0.2 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.4 0.3 0.4 0.3 0.2 0.2 86 119 109 132 140 178 293 285 195 184 151 127 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 286.8 6.8 54.1 0.6 51.9 0.2 0.5 0.7 0.3 1.3 0.0 0.2 0.1 안남 0.0 안내 옥천 이원 125 122 139 134 133 124 115 127 121 125 99 111 15 15 15 16 17 17 20 20 19 20 18 17 364 441 439 424 444 559 702 738 533 470 477 513 0.1 17.4 0.5-78 -
4 연간전력비용분석 각하수처리장의연간전력비용분석현황이 < 표 2-38> 에주어져있다. < 표 2-38> 하수처리장별연간전력비용분석 구분시설용량 유입수량유입펌프송풍기연간전력연간전력 ( 천톤) ( 천톤) 전력량전력량사용량비( 천원) 처리공법 부천 900 784 9,718,125 18,189,045 57,386,401 3,610,542 표준활성 광주1 600 578 14,755,084 11,265,463 29,222,080 1,840,932 표준활성 광주2 120 117 2,413,380 3,328,800 7,460,716 440,182 표준활성 전주 403 324 7,095,600 15,724,420 51,366,432 1,560,000 표준활성 달서천 400 232 2,573,250 5,869,200 31,938,609 1,916,316 표준활성 북부 340 140 3,219,300 3,066,000 11,750,652 751,881 표준활성 서부 520 461 7,169,226 11,212,800 55,389,000 3,440,224 표준활성 신천 680 473 9,346,262 13,156,119 39,199,912 2,270,854 표준활성 안심 47 10 532,170 1,156,320 6,097,608 382,702 A2O 대전 900 641 14,182,400 18,106,920 36,358,494 2,308,683 표준활성 수영 550 459 6,144,716 10,806,336 26,039,100 1,653,123 표준활성 강변 615 380 30,338,340 표준활성 남부 340 326.0 7,997,778 8,455,392 23,561,001 1,471,376 표준활성 녹산 80 44 867,240 1,971,000 7,346,770 458,756 표준활성 신호 24 1.70 177,390 354,780 799,951 60,594 표준활성 서부 15 5.40 100,375 803,000 1,185,103 90,304 SBR 해운대 65 36 2,242,560 6,440,973 405,781 표준활성 성환 24 14 196,263 727,056 1,560,170 95,418 DNR 제천 70 51 912,500 1,460,000 3,679,720 243,882 표준활성 천안 150 141.9 17,191,104 902,365 DNR 거제면 2.00 0.90 44,671 16,560 470,251 90,559 표준활성 진영 30.00 6.60 1,683,251 109,292 표준활성 화목 259.00 66.00 1,927,200 6,135,285 368,117 표준활성 장유 97.00 55.00 1,642,500 4,555,200 12,664,500 759,874 DNR 거창 14.00 10.00 1,916,352 125,764 산화구 가조 5.50 3.20 1,174,571 77,106 접촉산화 고성 10.50 8.50 154,240 744,160 1,162,900 산화구 남해읍 5.60 5.60 144,540 569,400 1,179,252 79,366 산화구 마창 280.00 268.00 11,771,232 788,577 표준활성 밀양 30.00 30.79 802,128 1,020,932 3,266,760 217,824 표준활성 삼랑진 4.00 1.44 46,800 86,400 169,000 47,211 산화구 하남 4.00 2.20 97 355 1,444,532 54,656 MBP - 79 -
구분시설용량유입수량유입펌프송풍기연간전력연간전력처리공법 ( 천톤) ( 천톤) 전력량전력량사용량비( 천원) 사천읍 18.00 15.00 669,129 537,609 3,436,500 220,281 A2O 삼천포 43.00 33.00 2,278,104 1,773,900 4,769,100 342,126 표준활성 산청군 2.80 1.02 136,920 583,416 905,393 64,420 산화구 의령 4.00 2.48 262,800 1,565,799 67,320 산화구 부림 1.00 0.94 65,700 274,344 20,377 산화구 진주 150.00 114.02 2,496,600 3,188,640 9,291,000 593,000 표준활성 사봉 2.40 1.09 82,125 131,400 509,000 35,300 표준활성 문산 3.20 2.90 128,772 262,800 545,000 39,500 표준활성 진해 60.00 45.66 1,206,084 1,923,240 4,238,052 274,154 표준활성 창녕 6.00 4.97 11 11 49,545 35,507 회전원판 남지 5.25 5.37 805,458 95,546 표준활성 부곡 13.00 4.70 43,759 446,127 30,622 회전원판 통영 54.00 37.00 175,200 481,800 2,310,909 218,701 ASA 하동 7.50 7.30 906,307 63,424 표준활성 가야 6.80 6.10 160,388 357,603 796,725 54,877 산화구 함양 7.00 2.52 1,033,644 72,804 장기포화 합천 5.00 6.20 194,769 1,343,251 81,052 MEDIA 공주 35.00 32.90 1,248,300 919,800 4,413,072 307,372 HBR2 보령 30.00 10.00 1,715,153 116,162 표준활성 대천 11.00 1.90 192,720 27,010 730,000 45,260 ACS 아산 63.00 36.56 1,095,000 1,642,500 4,204,011 290,243 표준활성 서산 30.00 33.88 756,864 1,576,800 2,867,032 185,426 표준활성 논산 청주 280.00 286.91 25,652,000 1,609,000 표준활성 수안보 14.00 6.79 914,774 67,603 회전원판 충주 75.00 53.80 1,445,400 2,575,440 6,925,714 449,747 B3 송학 1.20 0.59 185,977 16,806 SBR 제천 70.00 52.00 912,500 1,460,000 3,679,720 243,882 표준활성 노현 0.20 0.20 60,834 6,631 장기포기 문의 1.00 0.48 312,371 34,020 장기포기 미원 0.70 0.68 28,105 14,180 321,100 23,660 SBR 품곡 1.00 0.27 312,371 34,020 산화구 내속리 4.00 1.00 19,622 48,480 541,623 38,574 SBR 삼승 회북 0.66 0.17 13,140 17,885 76,770 7,318 B3 동이 0.21 0.13 26,022 2,990 장기포기 안남 0.16 0.11 29,274 3,228 장기포기 - 80 -
구분시설용량유입수량유입펌프송풍기연간전력연간전력처리공법 ( 천톤) ( 천톤) 전력량전력량사용량비( 천원) 안내 0.18 0.12 22,960 2,445 장기포기 옥천 18.00 17.00 1,562,484 113,313 표준활성 이원 0.90 0.51 167,287 12,173 산화구변법 5 응답처리장의전력소비량 (2005 년) 실태조사응답하수처리장의전력소비량이 < 표 2-39> 에주어져있다. 전국전 력소비량중하수처리장의전력사용비율은 0.45% 이며일본의경우하수처리장 전력소비량은 6806 GWh로써일본내총소비량의 0.81% 를차지하고있다. 하수 처리장의전력사용비율은대구가 1.43 % 로가장높고울산이 0.06 % 로가장낮 다. < 표 2-39> 실태조사응답하수처리장의전력소비량 지역 지역별년간전력소비량비율처리하수처리장 (GWh) 1 장수시설용량전력소비량 (GWh) 하수처리장전력사용비율 (%) 강원 12,379.0 3.72 6 387.3 25.6 0.21 경기 68,750.4 20.68 65 5,255.2 391.8 0.57 경남 24,093.9 7.25 30 1,000.6 91.4 0.38 경북 33,161.1 9.98 33 1,820.3 83.2 0.25 광주 6,205.1 1.87 2 720.0 38.0 0.61 대구 12,363.4 3.72 6 1,564.0 176.2 1.43 대전 7,252.9 2.18 1 900.0 36.4 0.50 부산 16,589.0 4.99 7 1,689.0 94.3 0.57 서울 40,523.7 12.19 4 5,890.0 348.5 0.86 울산 20,851.7 6.27 4 231.6 11.6 0.06 인천 18,165.1 5.46 6 422.0 28.2 0.16 전남 18,803.2 5.66 19 190.4 20.9 0.11 전북 13,592.7 4.09 16 907.9 66.3 0.49 제주 2,768.1 0.83 3 165.0 7.9 0.29 충남 22,449.5 6.75 8 363.0 34.0 0.15 충북 14,464.2 4.35 23 593.5 49.8 0.34 계 332,413.0 100.00 233 22099.7 1504.0 0.45 ( 자료 1: 행정구역별판매전력량, 전력통계속보, 한국전력공사, 2006.1) - 81 -
6 응답처리장의하수처리전력원단위 용량별하수처리전력원단위가 < 표 2-40> 에, 그리고공법별하수처리전력원 단위가 < 표 2-41> 에주어져있다. 응답처리장의하수처리단가중전력비는 < 그림 2-31> 과같이시설용량이작을수록급격히상승하는것으로분석되었다. < 표 2-40> 실태조사응답하수처리장의하수처리전력원단위 시설용량 ( 천톤/ 일) 10 만톤 이상 만-10만톤 만톤미만 처리방법처리장수하수유입량 ( 천톤/ 일) 하수처리량 ( 천톤/ 일) 전력소비량 (kwh) 하수처리전력원단위 (kwh/ton) 표준활성 34 12,718.1 12,450.0 1,031,099,708 0.227 장기포기 1 100.0 100.8 13,053,960 0.355 기타 6 1,332.4 1,310.2 74,151,550 0.155 소계 41 14,150.5 13,861.0 1,118,305,218 0.221 표준활성 53 1,855.7 1,749.5 202,161,111 0.317 회전원판 3 29.1 29.1 3,149,579 0.297 접촉산화 1 26.8 26.7 8,374,758 0.859 장기포기 1 7.9 7.9 1,504,764 0.523 산화구 7 92.3 91.4 14,098,079 0.423 기타 26 586.5 574.1 96,779,319 0.462 소계 91 2,598.2 2,478.7 326,067,609 0.360 표준활성 11 36.7 35.1 7,250,598 0.565 회전원판 5 21.6 17.0 4,043,431 0.650 접촉산화 6 3.2 3.2 1,679,098 1.443 장기포기 18 20.7 19.5 6,737,331 0.945 산화구 19 52.5 51.4 13,881,760 0.741 기타 42 97.1 93.2 26,021,806 0.765 소계 101 231.7 219.4 59,614,024 0.744 총계 233 16,980.4 16,559 1,503,986,852 0.243 < 표 2-41> 실태조사응답하수처리장의공법별하수처리전력원단위 처리방법처리장수하수유입량하수처리하수처리량전력소비량전력원단위 ( 천톤/ 일) ( 천톤/ 일) (kwh) (kwh/ton) 표준활성 98 14,610 14,235 1,240,511,417 0.233 장기포기 20 129 128 21,296,055 0.454 회전원판 8 51 46 7,193,010 0.389 접촉산화 7 30 30 10,053,856 0.918 산화구 26 145 143 27,979,839 0.530 기타 74 2,016 1,977 196,952,675 0.268 계 233 16,980 16,559 1,503,986,852 0.243-82 -
< 그림 2-31> 실태조사응답하수처리장의하수처리단가중전력비 7 하수처리장의주요시설별전력소비비율 통계대상처리장의현황이 < 표 2-42> 에주어져있으며하수처리장의주요 전력에너지사용설비의전력소비비율이 < 표 2-43> 에주어져있다. < 표 2-42> 주요시설별전력소비율에대한통계대상하수처리장현황 10 만톤 이상 공법 응답처리장통계대상처리장통계비율 (%) 처리장수시설용량처리장수시설용량 ( 용량기준) ( 천톤/ 일) ( 천톤/ 일) 표준활성 34 16,647.0 18 11,483.0 68.98 장기포기 1 111.2 1 100.0 89.97 기타 6 1,845.0 1 211.0 11.44 소계 41 18,603.2 20 11,794.0 63.40-83 -
만-10만톤만톤미만 공법 응답처리장통계대상처리장통계비율 (%) 처리장수시설용량처리장수시설용량 ( 용량기준) ( 천톤/ 일) ( 천톤/ 일) 표준활성 53 1,969.1 20 896.6 45.53 회전원판 3 38.0 1 12.0 31.58 접촉산화 1 60.0 - 장기포기 1 12.0 - 산화구 7 197.5 2 20.5 10.38 기타 26 901.5 16 632.5 70.16 소계 91 3,178.1 39 1,561.6 49.14 표준활성 11 50.1 4 12.9 25.67 회전원판 5 27.6 2 1.5 5.29 접촉산화 6 11.6 2 10.6 91.38 장기포기 18 31.5 - 산화구 19 68.4 5 28.5 41.70 기타 42 130.5 19 64.2 49.21 소계 101 319.6 32 117.6 36.80 총계 233 22,100.8 91 13,473.2 60.96 < 표 2-43> 하수처리장의시설용량별주요전력에너지사용설비의전력소비율과하수처리전력원단위 시설용량 10만톤/ 일이상 만~10만톤/ 일미만 만톤/ 일미만 평균시설가동율 (%) 주요기기의전력소비비율 (%) ( 용량기준) 유입펌프송풍기계 기타설비의전력소비비율 (%) 하수처리전력원단위 (kwh/ton) 74.0 24.7 46.3 71.0 29.0 0.213 69.1 23.0 33.2 56.2 43.8 0.345 68.3 17.1 37.0 54.2 45.8 0.860 계 76.8% 24.5 44.7 69.2 30.8 0.243 대상처리장수 ( 설문응답처리장수 ) 20개소 (42 개소) 39개소 (90 개소) 32개소 (101 개소) 91개소 (233 개소) - 84 -
2.4 부생물질의자원화및미활용 재생에너지이용실태 2.4.1 부생물질의자원화실태 가. 소화조설치및가동현황 2006년현재전국 268개하수처리장중소화조가설치된처리장은 67 개소이며, 이중 4 개소는미가동, 1 개소는실온소화를하고있어, 60개소에대해서운영현황 자료를파악하였다. 소화조가설치된처리장을규모별로나누어보면 < 그림 2-32> 과같이 10-50 천m3/ 일규모가 17 개소(13 개소가동중, 2 개소미가동, 2개소자료 미비 ), 50-100 천m3/ 일규모가 16 개소(15 개소가동중), 100-250 천m3/ 일규모가 10 개소( 모두가동중), 250-500 천m3/ 일규모가 9 개소(8 개소가동중), 500 m3/ 일이상규모가 15 개소(15 개소가동중) 이다. 그리고 20 가동중미가동자료없음 15 개소 10 5 0 10-50 50-100 100-250 250-500 500 이상처리용량 ( 천톤 / 일 ) < 그림 2-32> 하수처리장규모별소화조운영현황 소화조를규모별로보면 < 그림 2-33> 와같이 5000 m3이하가 24 개소(38%), 5,000-10, 000 m3이 8 개소(13%), 10,000-20,000 m3규모가 12 개소(19%), 20,000-50,000 m3규모가 12 개소(19%), 그리고 50,000 m3이상이 7 개소(10%) 이다. 나. 소화조일반운영현황소화조운영현황을요약하면다음과같다. 가온방식은 37 개소가직접가온( 증 - 85 -
12 개소 (19% ) 7 개소 (11% ) 24 개소 (38% ) 소화조규모 ( m 3 ) 5000 이하 5000-10000 10000-20000 20000-50000 50000 이상 12 개소 (19% ) 8 개소 (13% ) < 그림 2-33> 소화조규모별운영현황 기주입식 ), 21 개소가간접가온( 열교환방식) 방식을사용하고있다. 교반방법으로 는대부분이가스교반방식(45 개소, 78%) 이며, 기계교반이 8 개소(13%), 그리고가 스및기계병행을하는곳도 5 개소(9%) 이다. 농축방법은생슬러지와잉여슬러지 를혼합하여농축하는시설이 43 개소(74%) 이고, 분리농축하는시설은 12개소 (26%) 이었다. 소화조온도를살펴보면 37 개소(64%) 는적정범위인 33-37 로운 전되고있으며, 33 미만으로운전되는처리장이 18 개소(30%), 37 이상이 3 개소(6%) 이었다. 소화조내상부와하부의온도차는대부분의처리장(41개 소,71%) 에서 2 이내로운영되고있었다. 체류일수는 < 표 2-44> 에나타낸바와 같이약 20-30일이가장많았으나 20 일이하로유지되는곳도다수있었다. < 표 2-44> 하수처리장별소화조체류일수분포 소화일수계 20일이하 20-30일 30-40일 40-50일 50일이상 처리장수( 개소) 58 12 23 15 5 3 비율 (%) 100 22 39 26 8 5 자료 : 환경부, 상하수도국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005.6 소화효율은여러운영인자에영향을받으며, 이를간단히요약하면다음과같 다. 소화조형태별소화효율을살펴보면단단소화보다 2단소화의효율이약 5% 높으며, 계란형소화조가가장효율이높았다. 가온방식에따른소화효율은 직접가온( 증기주입식) 보다간접가온( 열교환방식) 방식에서높았다. 소화효율은또 - 86 -
한소화조온도를적정범위인 35±2 에서유지하는처리장에서높았으며, 상 하 부온도차가 2 이내인경우에도높았다. 유입수질(BOD 기준) 이높을수록소화 효율이높게나타났으며, 특히 100 mg/l 이하인처리장의평균소화효율은매우낮 았다. 소화조 ph를적정범위인 7.0-7.5를유지하는경우소화효율이가장높았 다. 농축방법에따른소화효율은생슬러지와잉여슬러지를분리농축하는처리장 이혼합하여처리하는처리장보다높게나타났다. 또한고도처리시설로운영중인 처리장의그렇지않은처리장보다소화효율이높았다. 균 소화가스발생량현황은다음과같다. 설계발생량대비실제발생량의비율은평 68.4% 로낮았다. 이를구체적으로살펴보면설계대비발생가스량이 100% 이 상인처리장이 11 개소(19%), 70-100% 인처리장이 10 개소(18%), 50-70% 인처 리장이 19 개소(32%), 그리고 50% 이하인처리장이 18 개소(31%) 이었다. 농축슬 러지 VS l kg당가스발생량은적정범위(400~700 l) 또는그이상이 19개소 (32%) 이었으며, 나머지는 400 l 이하이었다. 다. 가스발생현황 소화조의총가스발생량의변화는 < 그림 2-34> 에나타낸바와같이 01년 281,000 m3/ 일부터 05년 382,000 m3/ 일까지꾸준히증가하였다. 이는하수의 BOD 증가및고도처리처리장개소의증가에기인한것으로판단된다. 400 가스발생량 (1000 m3/ 일 ) 350 300 250 200 150 100 01년 02년 03년 04년 05년 < 그림 2-34> 년도별소화가스발생량 실제가스발생량대설계가스발생량비의평균값은 69% 이지만 < 그림 2-35> - 87 -
에나타낸바와같이값의범위가 20-160% 로그변화폭이매우크다. 슬러지유 량가중평균값은 82% 로나타나비교적용량이큰소화조에서가스발생량이설계 값에다소근접하고있음을알수있다. 발생량 / 설계발생량 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 1 10 100 1,000 10,000 처리용량 ( 천톤 / 일 ) < 그림 2-35> 실제가스발생량대설계가스발생량 실제가스발생량대설계가스발생량비는 < 그림 2-36> 과같이 2001년 55% 부터 2004년 67% 로꾸준히증가하였다. 이기간동안소화효율은큰변화가없었 으므로(2.4.1. 라소화효율참조) 실제가스발생량대설계가스발생량비가증가 한것은관거정비등에따른하수의유기물농도증가및고도처리에따른외부 탄소원주입에의한슬러지발생량증가등에의한것으로판단된다. 가스발생량은 < 그림 2-37> 에나타낸바와같이슬러지유입량에비례하여증 가하며, 단위슬러지당가스발생량은평균 5.84 m3 / 톤슬러지(60 개소평균) 이었다. 하수처리량당가스발생량은 22.8 m3/ 천톤으로(< 그림 2-38>), 미국 Wisconsin주 하수처리장평균값(83.9) 의약 27% 로매우낮았다. 이는하수의낮은유기물농 도및운영미숙등에의한소화효율저하등에기인한것으로판단된다. 일예로 하수처리장유입 BOD 부하당가스발생량은 228 m 3 gas/ton BOD로서 < 그림 2-39> 와같이미국 Wisconsin 의약 55% 이었는바, 이는우리나라소화조운영효 율이미국에비하여낮기때문에나타난현상으로판단된다. 따라서소화조운영이 정상화되고, 관거정비사업수행및음식물및분뇨의하수도유입등으로하수의 BOD가증가하면가스발생량은현재보다약 4 배까지증가할것으로추정된다. - 88 -
70% 65% 60% 55% 50% 01년 02년 03년 04년 < 그림 2-36> 년도별실제가스발생량대설계가스발생량비변화 100,000 y = 5.9213x R 2 = 0.9407 가스발생량 (m 3 /day) 10,000 1,000 100 10 10 100 1,000 10,000 100,000 슬러지유입유량 (m 3 /day) < 그림 2-37> 슬러지유입유량대가스발생량 - 89 -
(m 3 gas /1,000 ton 하수 ) 300 250 200 150 100 Korea USA(Wisconsin) 50 0 1 10 100 1,000 Capicity (1,000 ton wastewater/day) < 그림 2-38> 국내외하수처리량대가스발생량 1,400 1,200 Korea USA(Wisconsin) (m 3 gas / ton BOD) 1,000 800 600 400 200 0 1 10 100 1,000 Capicity (1,000 ton wastewater/day) < 그림 2-39> 유입 BOD 부하대가스발생량 - 90 -
라. 소화효율현황 전국평균소화효율은 04년현재 35% 이며, < 그림 2-40> 에나타낸바와같이 각처리장별효율변화는크게나타났다. 유량가중평균소화효율도 어처리장규모와소화효율은큰상관관계를나타내지않았다. 소화효율 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1 10 100 1,000 10,000 하수처리량 ( 천톤 / 일 ) < 그림 2-40> 하수처리용량과소화효율 35% 로계산되 년도별소화효율변화는 < 그림 2-41> 에나타낸바와같이 01년부터 04년까지 큰변화를보이지않았다. 50 40 30 20 10 0 01년 02년 03년 04년 < 그림 2-41> 년도별소화효율변화 - 91 -
마. 소화가스이용현황 소화가스이용현황은 < 그림 2-42> 에나타낸바와같다. 대부분의소화가스는 소화조가온에사용되고있으며, 슬러지건조및판매에 4.9%, 발전에 7.3%, 처리장냉난방등에 0.5% 가이용되고, 그나머지 7.3% 는소각등으로폐기되 고있다. 소화가스를발전에활용하는처리장은서울특별시의 4 개소( 중랑, 탄 천, 서남, 난지), 부산광역시 2 개소 ( 수영및장림), 그리고제주하수처리장이 다. 중랑, 탄천, 서남및난지의년발전량은각각 4457, 2955, 6024, 2578 MWh 이었다. 수영하수처리장은발전용량 194 kw 급, 제주하수처리장은 420 kw 급 2 기가운영중이다. 또한서울특별시탄천하수처리장의경우연료전지를 이용한발전시범사업이현재진행중이다. 현재폐기되고있는가스를발전에이 용할경우발전용량은 2.56 MW 급이다. 가온슬러지건조및판매발전폐기냉난방 18,510 27,746 27,665 1,708 302,874 < 그림 2-42> 소화가스이용현황 일부하수처리장에서는소화가스발생량이부족하여가온을위하여소화가스 이외의연료를사용하고있다. < 표 2-45> 에나타낸바와같이 31 개(53%) 처리 장에서가온을위하여메탄이외에추가연료로경유등을사용하고있으며, 01~ 04년평균연간사용량을환산하면약 10억 5 천만원 ( 05년 5 월단가기준 ) 이다. < 그림 2-43> 에나타낸바와같이소화조가온을위한외부에너지투입( 추가가 스량) 이필요한하수처리장은그규모가작을수록그빈도가높았다. 그림에서가 온에너지는소화가스량으로환산한양이며, 잉여가스는타용도로사용되거나폐 기되는가스량이다. - 92 -
가스량 (m 3 /day) 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 20 만톤 / 일이상 추가가스량 잉여가스량 가온용가스량 10,000 0 서남 중랑 탄천 난지 굴포천 대전 광주 신천 서부 수원 성남 장림 구미 남부 승기 가좌 안산 마산 / 창원 달서천 수영 고양 박달 10,000 8,000 5-20 만톤 / 일 가스량 (m 3 /day) 6,000 4,000 2,000 0 용연 군산 의정부 구리 북부 순천 송대 춘천 진주 익산 제주 동두천 포항 김천 화목 목포 - 남해 강릉 용인 충주 정읍 제천 영주 3,000 2,500 5 만톤 / 일이하 2,000 1,500 1,000 500 0 안동 속초 통복 장당 원주 아산 가스량 (m 3 /day) 남원 서산 삼천포 점촌 밀양 경산 삼척 과천 옥천 운곡 완주 < 그림 2-43> 하수처리장규모별소화조가온연료이용현황 - 93 -
< 표 2-45> 소화조가온연료사용현황 구 분 추가연료미사용 추가연료사용현황 경유등유 LNG 처리장수( 개소) 27 19 9 3 이용량( l/ 년) - 657,101 505,323 326,387 소화조시설개선또는운영방법의개선으로인하여가스발생량이현저히증가 하여소화조가온후에도잉여가스량이많을경우활용방안은 < 그림 2-44> 에 나타낸바와같이주로발전(44%) 에활용할것으로계획하는처리장이가장많았다. 인근지역공급도 23% 로높았으며, 그밖에도음식물및슬러지건조, 소각시설이 용등다양한용도가제시되었다. < 그림 2-44> 잉여소화가스의활용방안 바. 소화가스를이용한발전가능성 전국소화조총발생가스량(05 년) 358,820 m3/ 일을모두발전에이용할경우마 이크로터빈및가스엔진의경우발전가능용량은 우발전가능용량은 - 메탄가스함량 : 60% 35 MW 규모이며, 연료전지의경 58 MW 로계산되었다. 계산에사용된가정은다음과같다: - 메탄가스열량: 9400 Kcal/Nm 3 - 발전효율: 마이크로터빈및가스엔진=30%, 연료전지= 50% - 1 kwh = 860 kcal - 94 -
마이크로터빈또는가스엔진을사용할경우각하수처리장소화조가스발생량을 근거로산정한규모별발전가능용량은 < 그림 2-45> 와같이 30 kw급이하 7개 소, 30-100 kw급 13 개소, 100-500kW급 24 개소, 500-1000kW급 6 개소, 그리 고 1 MW급이상 11 개소이다. 연료전지를이용할경우규모별발전가능용량은 < 그림 2-46> 과같이 30 kw급이하 4 개소, 30-100 kw급 7 개소, 100-500kW 급 23 개소, 500-1000kW급 12 개소, 그리고 1 MW급이상 14 개소이다. 총발전가능량 = 35 MW > 1,000 kw 10 개소 500-1,000kW 6 개소 100-500 kw 24 개소 < 30 kw 7 개소 30-100 kw 13 개소 < 그림 2-45> 가스발생량에따른마이크로터빈및가스엔진규모별발전가능용량 총발전가능량 = 58 MW > 1,000kW 14 개소 < 30 kw 4 개소 30-100 kw 7 개소 500-1,000kW 12 개소 100-500 kw 23 개소 < 그림 2-46> 연료전지사용시가스발생량에따른규모별발전가능용량 - 95 -
2.4.2 미활용 재생에너지이용실태 가. 미활용 재생에너지이용현황 공공하수도에너지사용실태조사결과, 설문에참여한전국 216개하수처리 장중에너지절약을위해미활용 재생에너지를이미이용하고있는하수처리장은 < 표 2-46> 에나타낸바와같이 30 곳(13.8%) 으로조사되었다. 또한이러한미 활용 재생에너지이용현황분야별분포인 < 그림 2-47> 을보면태양열이용이 7 곳으로가장많았고소화가스발전이 6 곳, 하수열이용냉난방이 5 곳, 그외소수 력발전 4 곳, 태양광발전 3 곳, 기타 3 곳으로조사되었으며, 풍력발전과지열이 용냉난방은이용사례전무함을알수있었다. < 표 2-46> 하수처리장미활용 재생에너지이용현황 미활용 재생에너지분류이용하수처리장명 1. 태양열이용 1. 과천시환경사업소 2. 남양주-제2화도하수처리장 3. 남양주 - 진건하수처리장 4. 구리환경사업소 5. 6. 진해하수처리장 울진하수처리장 7. 포항-흥해하수처리장 2. 태양광발전 1. 2. 진해하수처리장 환경시설공단신천사업소 3. 인천-강화수질환경사 업소 3. 풍력발전없음 1. 진해하수처리장 4. 아산환경사업소 4. 소수력발전 2. 환경시설공단신천사업소 5. 제주시하수처리장 3. 천안하수처리장 6. 울산용연하수처리장 5. 지열이용냉난방없음 6. 소화가스발전 1. 구리환경사업소 2. 부산-수영하수처리장 3. 충북-제천하수처리장 4. 서울-난지물재생센터 1. 안양석수하수처리장 4. 포항-흥해하수처리장 7. 하수열이용냉난방 2. 울진하수처리장 5. 인천-승기수질환경사 3. 구미하수처리장 업소 8. 슬러지소각발전 1. 구리환경사업소 2. 전남영암-대불하수 처리장 - 96 -
미활용 재생에너지분류이용하수처리장명 9. 기타 -소화가스보일러연료이용 -소화가스슬러지건조이용 1. 대구-북부하수처리장 2. 서울- 서남물재생센터 ( 소화 가스보일러연료이용 ) 3. 서울-중량물재생센터 ( 소화가스슬러지건조 이용 ) < 그림 2-47> 미활용 재생에너지이용현황기술분야별분포 나. 향후이용계획 공공하수도에너지사용실태조사결과, 설문에참여한전국 216개하수처리 장중에너지절약을위해미활용 재생에너지의향후도입을희망하는하수처리장 은 < 표 2-47> 과같이조사되었다. 미활용 재생에너지이용현황분야별분포를 보면 < 그림 2-48> 과같이, 태양열이용을희망하는곳이 23% 로가장높은비율 을나타내고있으며, 슬러지소각발전 (17%), 태양광발전 (16%), 소화가스발전 (16%) 등의순서로나타났다. < 표 2-47> 미활용 재생에너지향후이용계획 미활용 재생 에너지분류 1. 태양열이용 1. 경기평택-통복하수처리시설 2. 경기-과천시환경사업소 3. 경기-의정부하수처리장 4. 경기남양주-제2화도하수처 향후도입을희망하는하수처리장명 10. 경북구미-도개하수처리장 11. 경북-영덕군하수처리장 12. 경북영천-금호하수처리장 13. 서울-난지물재생센터 - 97 -
미활용 재생 에너지분류 리장 5. 경기남양주-진건하수처리장 6. 경기-구리시환경사업소 7. 부산-수영하수처리장 8. 부산-서부환경사업소 9. 경북문경-점촌하수처리장 향후도입을희망하는하수처리장명 14. 울산-당원리하수처리장 15. 전남-고흥하수처리장 16. 전남구례-지리산온천하수 처리장 17. 전북-김제하수처리장 18. 전북-오수하수처리장 1. 춘천하수처리장 7. 충북-송학하수처리장 2. 경기의왕-부곡하수처리장 8. 충북-제천하수처리장 3. 광주-제1하수처리장 9. 울산-당원리하수처리 2. 태양광발전 4. 대구-환경시설공단신천사업 10. 전남-승주하수처리장 소 11. 전북-남원하수처리 5. 대구-안심하수처리장 12. 전북-무주하수처리장 6. 천안-아산환경사업소 13. 제주하수처리장 3. 풍력발전 1. 경기- 안산시하수처리장(2단계 ) 2. 전남-승주하수처리장 1. 경기부천-굴포하수처리장 5. 경기-여주하수처리장 4. 소수력발전 2. 경기광주-경안하수처리장 3. 경기광주-곤지암하수처리장 6. 광주-제1하수처리장 7. 경북-안동하수처리장 4. 경기-광주하수처리장 8. 서울-난지물재생센터 5. 지열이용 냉난방 1. 태백하수처리장 2. 서울-난지물재생센터 6. 소화가스 발전 1. 태백하수처리장 2. 경기도-성남시하수처리장 3. 경기- 안산시하수처리장(1단 계 ) 4 경기- 구리시환경사업소. 5. 대구-북부하수처리장 6. 대전하수처리장 7. 부산-남부하수처리장 8. 충남-천안하수처리장 9. 경북-영주시환경사업소 10. 경북-경산시하수처리장 11. 서울-난지물재생센터 12. 전북-익산하수처리장 7. 하수열이용 1. 춘천하수처리장 5. 서울-난지물재생센터 냉난방 2. 경기-안양시하수처리장 6. 서울-중량물재생센터 - 98 -
미활용 재생 에너지분류 3. 충북-금황하수처리장 4. 충북-음성하수처리장 향후도입을희망하는하수처리장명 7. 인천-공촌하수처리장 8. 인천-송도하수처리장 8. 슬러지소각발전 1. 강원도-도계하수처리장 2. 경기-시흥맑은물관리센터 3. 경기-구리시환경사업소 4. 경기-연천하수처리장 5. 경남김해-진영하수처리장 6. 경남마산/ 창원하수 분뇨처 리장 7. 충북-청주시환경사업소 8. 충북-진천하수처리장 9. 경북-김천시환경사업소 10. 경북-안동하수처리장 11. 서울-난지물재생센터 12. 전남영암-대불하수처리장 13. 전북-순창하수처리장 9. 기타없음 < 그림 2-48> 향후도입을희망하는미활용 재생에너지이용분야별분포 다. 이용상의문제점 공공하수도시설에서의미활용 재생에너지를적극적으로활용하는데있어극 복해야할어려운점으로는 < 그림 2-49> 와같이설비구입/ 설치비의현실화부분 이 53% 의높은비율로조사되었으며, 그다음이설비운영시스템및운영비 (27%), 활용에대한필요성에대한인식미흡(15%) 등의순서로나타났다. - 99 -
< 그림 2-49> 미활용 재생에너지를적극활용하는데있어극복해야할 어려운점 라. 열수요처및관리동연면적 하수처리장내혹은처리장으로부터반경 500m 이내의냉난방급탕에너지가 필요한열수요처에대한조사결과, < 그림 2-50> 와같이관리동이가장높은비 율을나타났고, 그다음이아파트, 사택( 관사), 탈수동, 유입동순으로나타났으며, 기타로는수영장, 화장실, 음식물처리장, 역사, 소각로등으로조사되었다. 냉난 방에너지를필요로하는관리동의연면적은 < 그림 2-51> 에제시되었듯이작게 는 100평미만에서크게는 5000 평이상으로조사되었으며, 수요처의면적은 205~500평인부분이 47% 로가장높은비율을나타내고있으며 250평이하 (22%), 1000 평이상(17%), 500~750 평(14%) 순으로나타났다. - 100 -
< 그림 2-50> 하수처리장내혹은처리장으로부터반경 500m 이내의냉난방 급탕에너지가필요한열수요처 < 그림 2-51> 냉난방에너지를필요로하는관리동의연면적 - 101 -
제3장공공하수도시설의에너지절감방안및사례 3.1 3.1.1 공공하수도시설의에너지절감기법 기계설비의에너지절감을위한국내외검토기법 가. 에너지절감을위한국내검토기법 1 환경관리공단의기술검토 2000년 1월부터 2004년 12월말까지하수도정비기본계획및하수종말처리시설 설치와관련하여환경관리공단이수행한기술검토내용중기존의하수도설비에 대한진단결과 에너지절약또는효율적이용 의측면에서부적절하거나미흡하 다고평가한사항을 < 표 3-1> 에정리하였다. < 표 3-1> 환경관리공단의하수종말처리시설에너지절감기술검토사항 번호항목에너지절감을위한개선대상 1 유입하수량 2 슬러지처분 - - - - - - - - - - - 관광오수량과생활오수량의중복산정공장폐수량과생활오수량의중복산정공장폐수량및군부대오수량산정부적정연계처리수량산정근거미제시슬러지처리계획부적정슬러지농축기기종선정의부적정탈수기기종및용량재검토필요기종선정시경제성고려슬러지직매립금지에따른대책제시필요슬러지퇴비화에따른구체적계획제시필요소화조용량부족에따른대책제시필요 3 추가설비의용량 - 유량조정조설치계획부적절 - 협잡물처리기과다설치 - 송풍기및부대설비과다설치 - 목표연도별설비용량조정필요 4 단위공정별기종선정 - 냉난방방식의부적정 ( 중앙공조방식 각실별팩키지방식) - 송풍기기종선정부적정 ( 공기공급량에따라적절한기종선정) - 협잡물및침사반출설비기종선정부적정 ( 시간최대시의협잡물및침사발생량에따라적절한기종선정 ) -슬러지저류조교반방식부적정 -송풍기냉각방식부적정 -슬러지이송펌프기종선정부적정 -슬러지수집기회전속도부적정 - 기타전기 계측제어설비기종선정부적정 - 102 -
번호항목에너지절감을위한개선대상 5 단위공정별용량산정 -협잡물발생량과다산정 -송풍기용량과다산정 -여재충전량산정부적정 -펌프대수산정부적정 - 조명설비조도기준준수필요 ( 쾌적한근무환경) - 변압기용량산정부적정 ( 현단계기준산정, Peak 전력값에대한조사선행 ) 6 ( 자료 : 환경관리공단, 하수도정비기본계획 하수종말처리시설기술검토사례집, 2005. 11.) 전기/ 계측제어설비 - 수변전설비( 수전방식, 용량산정, 기기선정) 의적정성 - 시스템제어 ( 통합관리운영시스템, 운전방식선정) 의적정성: 유입펌프설치구조상설계양정과실제운전양정간차이가클확률이높아운영시설계보다과유량이이송될수있고, 운영초기에는저유량이유입될수있으므로원할한운전을위하여유입펌프중 1대이상은인버터제어방식을채택함이바람직함 2 환경관리공단제시기계설비분야에너지절감방안 하수처리장설치 운전 유지보수시참고자료로활용하기위하여, 2003년하수처리 시설기술진단사례집에제시된기계설비분야에너지절감방안검토사항을 < 표 3-2> 에정리하였다. < 표 3-2> 환경관리공단의하수종말처리시설에너지절감방안 번호 1 2 공정및설비 공통사항 유입및중계펌프장 에너지절감을위한고려사항 - 비효율적인운전설비검토( 가동시간) -노후화에따른효율저하설비 -Pump, 송풍기류 Discharge Valve Close 상태운전으로인한손실 -Pump, 송풍기류등 Belt 느슨함및노후화로인한손실 - 감속모타사용( 기계감속기사용설비): 교반기등감속기가들어가는모터설비는무부하시감속용모터로개선하여전력비절감 -저농도탈취에대한처리방법을생물반응조로유입처리 -공동구전등자동점멸시스템구축 - 유입펌프자동운전: 빈빈한기동정지검토( 양정 Setting), 수동운전에대한인력 Loss 점검, 유입량후단공정으로일정하게공급방안검토( 단속운전에서연속운전 ) -중계및유입 Pump류노후화로교체및신설시 Type을수중모터펌프로개선: 유지관리및운전비용절감( 고압인경우빈번한단속운전시재검토 ) - 103 -
번호 공정및설비 에너지절감을위한고려사항 -중계펌프장 TM/TC 검토로비상주에의한인력손실절감 -SCREW 펌프적정 Level에의한운전효율향상방안검토 3 침사지 - 미세스크린설치로후단부하감소 ( 중, 소형처리장 ) -침사수로적정유속유지에따른설비운전방안검토 4 최초침전지 - 슬러지수집기의재질변경(Non Metal) 으로운전및유지보수비용절감 - 슬러지수집기간헐운전절전도모: 수처리에지장이없는범위내 - 생오니인발펌프자동운전방안검토: 초침슬러지계면에의한자동인발기능 5 포기조 -Roots Type Blower 노후화교체시단단터보송풍기로교체( 중, 대형처리장 ) -노후산기관교체 - 포기조효율적운영관리를위한송풍기자동화: DO값에의한송풍기자동운전 6 최종침전지 - 반송펌프반송량조절을위한회전수제어방법검토: 인버터, Pully 조정 적정반송량이송 7 용수공급설비 8 농축조 9 소화조 - 용수공급장치의타입을가압식용수공급장치로검토: 압력식의경우 단속운전으로손실(Loss) 발생 - 사여과지형식을중력식으로 ( 대형처리장의경우) - 처리수( 중수도) 활용방안검토: 인근공단지역, 조경수, 화장실등 -여포세척수 Filtering 후재사용: 여포여액재활용방안강구, 세척수재 활용 - 농축슬러지펌프자동운전( 균등슬러지인발을위해) -GBT 적용으로농축효율및운전비용절감 - 소포수용수활용방안검토( 중간처리수) - 잉여가스재활용방안검토( 발전기등) -가스 Blower 단속운전방안검토 -소화조상부브리더밸브누설여부검토 - 열교환기, 보일러자동운전방안검토 ( 소화조적정온도유지) 10 탈수기 -여과포세척수압력적정유지 -여과포세척수량확인 -세척수펌프 Auto Strainer 압력감소여부확인 -Air Compressor 기동방법검토: 직입기동방식을 Soft Start 방식으로 -공기라인누설여부확인 ( 자료 : 환경관리공단, 2003 년하수처리시설기술진단사례집, 2004. 11.) - 104 -
나. 에너지절감을위한국외검토기법 1 미국 PG&E의제안 미국의 PG&E (Pacific Gas and Electricity) 사가제안하는 3단계에너지절약 방법은 - 무비용 (No-Cost) 에너지절약 - 저비용 (Low-Cost) 에너지절약 - 고효율설비구입또는고효율설비로개조등 에대한투자로구성되어있으며각각의단계에서중요한절약기술은아래의 < 표 3-3>, < 표 3-4>, 그리고 < 표 3-5> 로요약하였다. < 표 3-3> 무비용절약단계기술 (PG&E, 미국) Monthly Energy Item Air Activated Sludge System Lighting Lighting Heating, Ventilation and Air Conditioning Action Operate the system's blowers, if possible, on lower speeds or use fewer blowers during times of day when the Biological Oxygen Demand (BOD) loading in the aeration tank is not at its maximum for the day. Turn off lighting in unoccupied areas, when not in use, or where windows provide sufficient daylighting. Make sure lighting controllers (time clocks and photocells) are working and properly set. Make sure exterior lighting is off in the daytime! Keep doors and windows closed while HVAC system is running. Savings Up to 5-35% of aeration system usage Up to 10-20% of lighting system energy usage Up to 3% of lighting system energy use Up to 1-50% of space conditioning energy usage < 표 3-4> 저비용에너지절약단계기술 (PG&E, 미국) Monthly Energy Item Air Activated Sludge System Action Inspect air distribution system to assure that air is delivered evenly to the aeration tank, so that the minimum amount of air can be supplied to the Savings Up to 5-15% of aeration system usage - 105 -
Monthly Energy Item Action tank to do the work. This eliminates oversupply to one area of tank in order to achieve adequate supply to another. Savings Weatherization Ensure that doors and windows have tight seals and remain closed. Up to 50% of heating and cooling costs < 표 3-5> 고효율설비에대한투자 (PG&E, 미국) Monthly Energy Item Air Activated Sludge System Action Install variable frequency drives on aeration system blowers, as well as DO (Dissolved Oxygen) sensing to control the drives to the correct speed to supply the correct amount of DO needed at any time of the day. Savings Up to 10-25% of aeration system usage Air Activated Sludge System Energy Efficient Equipment Heating, Ventilation and Air Conditioning If aeration blower motor horsepower is significantly more than needed (ie, to accommodate future growth in influent to the plant), consider installing smaller blowers alongside existing larger ones. Until influent levels increase, use only the lower-horsepower blowers. Energy Efficient Equipment When re-roofing, install ENERGY STAR*- labeled roofing material with high reflectance. Up to 5-40% of aeration system usage Up to 5-40% of aeration system usage Up to 10% of air c o n d i t i o n i n g energy Energy Management System (EMS) Insulation Install EMS to control HVAC and lighting. Install insulation in exterior walls, ceilings, and wall cavities. Up to 5-20% of energy used by units controlled Up to 60-90% of heat loss or gain - 106 -
2 일본오사카시에서실시하는운영관리평가시스템 일본오사카시에서실시하는운영관리평가시스템은지역특성에적합한평가지 표의도입및이에따른적절한평가업무관리를주된내용으로되어있다. 관리평가시스템에서중요한사항은 으로관리하거나평가하지않고, (1) 운영 하수처리장에대한에너지소비를개별적 유사한처리장을서로비교평가하므로서구체 적으로개선할사항을쉽게파악하고실천할수있고, (2) 평가가아니라최소 로아래와같이요약할수있다. 단기간의실적기준 5년간의자료를바탕으로측정자료의신뢰성을높이는점으 ( 자료 : 이타미가즈오, 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가의대처, 일본하 수도협회지, Vol. 42, No. 517, 2005. 11.) - 평가지표의도입및평가항목 목표의정량화및평가업무항목및평가지표설정 - 평가방법 : 각사업소는 5년간측정된데이터등을수치로표시하고평가그 래프작성, 그래프를이용해목적별로평가지표를설정하고, 문제점이발견 되면운전방법등을재검토하여실태조사나목표달성율에따라실시, 연차보 고서작성 평가업무의항목 - 운전관리에관한항목: 작성된그래프로비교/ 검토 - 보수관리에관한항목: 비용절감대책, 고장경력, 장치분류, 수선 5개년계획 서, 전력사용량삭감을위한중장기계획, 온실효과가스배출량 - 설비기능에관한사항: 각설비의균형적운영능력 3.1.2 가. 부하관리 전기설비의에너지절감기법 여름철등부하의급증으로전기사용이일시적으로급격히늘어나게되는데연 중단며칠동안의전력수요를충족하기위하여많은발전설비를건설하는것은 비효율적이므로전력수급의안정과전력설비의효율적이용을위하여전력사용 이최고에달하는기간에자율적으로전력사용을줄이는것을말한다. 1 부하율개선 부하율은기간중의평균전력을기간중의최대전력으로나눈갓ㅂ으로표시되 며부하율을개선하면설비비절감, 기본요금의절감, 변압기손실절감, 그리고 수전기기의여유발생등을얻을수있다. 2 최대수요전력관리개선 - 107 -
최대수요전력관리개선의목적은최대수요전력의증가를방지하는것이며, 처리 장의쾌적한환경과처리효율을유지하는범위에서일시적으로차단할수있는 부하를제어함으로써최대수요전력을억제하는것이다. 음과같다. - 부하의 Peak Cut 제어방식 - 부하의 Peak Shift 제어방식 : 빙축열냉방시스템등 - Demand Controller 에의한제어방식 - 자가용발전설비에의한제어방식 전력수요제어방식은다 - 분산형전원에의한제어방식 : 태양광발전, 풍력발전, 연료전지발전등 최대수요전력개선효과로는부하관리개선효과와같은설비비절감, 의절감, 변압기등의손실절감, 수전기기의여유발생등을들수있다. 기본요금 나. 역율관리 피상전력에대한유효전력의비율을역률이라하며, 이는전기기기에실제로걸 리는전압과전류가얼마나유효하게일을하는가하는비율을의미한다. 그러므 로역률이큰경우는유효전력이피상전력에근접하는것으로서수용가측에서 보면같은용량의전기기기를최대한유효하게이용하는것을의미하며공급자 측에서보면같은부하에대하여적은전류를흘려보내도되므로전압강하가적 어지고전원설비의이용효과가커지는이점이있으므로관리가필요하다. 1 역율의개념 전압과전류의위상차를대변하며역율은유효전력[kW] / 100[%] 로표시된다. 피상전력[kVA] x 2 개선효과 : 전압강하의저감, V = Vs - Vr = I x (R cosθ - X sin θ), 변압기, 선로등의손실저감, 설비용량의실질적증가, 여유발생, 전기요금의 절감등을들수있다. 3 콘덴서용량계산방법 Q = P x (tanθ1 - tanθ2)-( 피상전력)2 =( 유효전력)2 +( 무효전력 - Qc)2 4 내선규정에의한계산방밥 : 콘덴서용량[kVA] = 부하용량 x 계수 역율제어방식 무효전력제어 : 회로의무효전력을측정, 초기설정값과비교하여콘덴서를 투입, 제거하는방식 역율제어 입, 제거하는방식 : 부하의역율을검출하여초기의설정값과비교하여콘덴서를투 프로그램제어 : 일정시간대에서무효전력을예측할수있는경우, 타임스위 - 108 -
5 치에의해콘덴서를투입, 제거하는방식 전력용콘덴서의적정설치장소 개별설치방식은저압의경우에적합하고집합설치방식은고압의경우에경제 적이다. 콘덴서는개별설치하는방식이가장효과적이나, 종합설비비가높아지 므로모선에일괄하여설치하는경우도있다. 다. 전압관리 일반적으로전기사용설비. 기기는그의정격전압에서사용하는경우, 가장효 율이좋고, 그것보다높거나낮아도효율은떨어진다. 또한보통전압강하에의한 저항손실이커지므로, 적정한전압으로유지하는것이중요하다. 그때문에전압 관리법으로는, 정기적으로부하말단에서의전압을측정하는것, 그리고, 부하설비 의설치상황, 가동상황에따른공정별, 회로별, 설비별의전류, 전력등을정기적 으로측정, 점검하여두는것이중요하다. 적정한전압을확보하기위해서는, 부 하의중심근처까지고압배전하든가, 의대책을실시하고있다. 1 적정전압유지 진상콘덴서의채택으로전압을개선하는등 일반적으로전기기기는정격전압에서사용하는경우가장효율이좋고, 그것보 다높거나낮아도효율이떨어지므로적정한전압을유지하는것이중요하다. 각 종기기류에대한전압의영향은다음과같다. - 전동기의토크는전압의제곱에비례하여변화하고, 반비례하여변화한다. 슬립은전압의제곱에 - 형광등, 수은등 : 정격전압이하의전압은부적당하고수명이심하게짧아 진다. - 백열전구 : 수명은전압의 13.5 곱에반비례한다. - 전열기 : 전압의제곱에비례하여발열량이변화한다. 대책으로 Tap 변환변압기에의한전압조정이나적정한전원분할을들수 있다. 2 전압변동의최소화 전압변동은계통의부하변화에의하여변압기, 강하가변화함으로써발생한다. 배선등에서생기는임피던스 이에대한대책으로변압기용량을충분히크게 하거나배선의굵기를충분히크게하거나배선말단에콘덴서를설치하여무효 전력을억제하는방법이있다. 3 전압불평형억제 전압불평형은계통에큰단상부하가있는경우, 부하의불평형에서전압의불 - 109 -
평형이발생하며, 전압불평형이있게되면역상전류가흐르고, 전동기에서는동 손, 철손이증가하고온도가상승하고소음도증가한다. 이에대한대책으로부 하불평형을시정, 내선규정을단상에서 40% 이하, 3상에서 30% 이하로규정하 는것등이있다. 라. 고효율기기사용 전력기기( 변압기, 전동기, 전등램프등) 의고효율화로인한에너지절감기 법이 < 표 3-6> 에주어져있다. < 표 3-6> 고효율전력기기에의한에너지절감기법 번호 항목 1 저손실형변압기 내용 - 무부하손이적은철심재료( 아몰퍼스메탈, 자구미세화강판등) 를사용하여변압기손실을적게한몰드변압기, 아몰퍼스변압기, 저소음고효율변압기등을사용 2 전구식형광등 - 일반적인다운라이트또는백열등기구설치시광원으로전구식형광램프( 또는콤팩트형광램프) 를사용. 3 형광램프선정 4 안정기선정 5 고효율방전램프 - 일반적사용의 40W급형광램프를고효율 32W 형광램프 로교체. - 형광등용안정기는전자식또는고효율자기식안정기를채택. - 건물내고천장부분및옥외등( 가로등, 보안등) 은고효울방전램프(HID) 등을사용 6 고효율반사갓채택 - 건물에서업무, 작업등명시적인환경으로서높은조도가요구되는경우는고효율반사갓을설치하여기구효율을높인다. ( 단, 글레어리스조명환경을필요로하는곳에서는적용시신중을기함.) 7 고효율유도전동기 - 기계설비구동용의전동기는고효율유도전동기를사용. 8 전동기의적합한기동방식채택 - 전동기용량이일정용량이상인경우현장조건을고려하 여기동방식(Y-, 리액터, 콘돌퍼등) 또는인버터제어 방식을채택. - 110 -
3.2 공공하수도시설의에너지절감사례 가. 국내하수도시설의에너지절감사례 1 환경관리공단의에너지절감에대한대표적개선사례요약 2003 년도환경관리공단실시기술진단에서분석한결과를 < 표 3-7> 에정리하 였다. < 표 3-7> 환경관리공단의하수종말처리시설에너지절감사례요약 유형기기명현황및문제점개선건수 개선방안 1 고효율조명기기 -기존의자기식안정기는재래식조명기기로효율이떨어지며, 전력소비가많음 ( 처리장조명기기의설치수량이많은장소 ) 3 -조명기기의노후화로교체시에는전력소비가상대적으로적은절전형형광램프(26mm, 32W) 등에너지절감효과가큰고효율조명기기로의설치검토필요 1 기계설비시설개선 - 용수공급동약품탱크의가압펌프는공급량에비해약품용해수및잡용수의사용량이적어펌프단속운전이빈번히이루어지고있음 - 유입펌프장용수공급탱크압력적정운전변경등 1 -압력탱크에압축공기가공급되도록역세용압축기에서토출배관에서분기하여자동급수장치압력탱크에연결되도록하고, 탱크수위계및공기공급배관에 Sol' 밸브를설치하여수위에의한밸브의개폐가되도록함. -가압펌프의용량이사용량에비해과대하므로 1대를작은용량의펌프로교체해서단속운전횟수줄임 2 제어개선 ( 반송펌프 ) -종침반송슬러지이송량대비펌프용량이커서개도를조정운전시동력손실및부하변동의유기적인대응이어려운실정임 ( 반송펌프는효율에비해동력소모가커서적정동력의펌프로교체필요 ) 1 -펌프의속도를조절할수있는인버터 (Inverter) 를적용설치하여부하변동에유기적대응및절전도모 검토착안사항: 인버터제어시펌프양정과유량( 회전수) 곡선확인 2 수로용송풍기 -수로용송풍기는용존산소공급의목적보다는수로에협잡물의침적방지나적체되는스컴의파쇄를목적으로운전되어지고있으나, 현재운전방법이 24시간연속운전하고있어전력소실측면에서비효율적임 ( 과다공기공급으로과포기풍량조절에어려움 ) 1-24시간수동운전방법을송풍기를처리장운전에지장이없는범위내에서간헐운전방식으로운전모드를변경하여자동이가능하도록개선하여전력비절감도모: 계절별운전방법및가동시간설정 (24 hr* timer) - 111 -
유형기기명현황및문제점개선건수 개선방안 2 포기조송풍기제어 -포기조는 1,2단계로표면포기방식으로생물학적처리를하고있으나, 부족한용존산소는별도의 Roots Blower를설치하여각조에필요송풍량을공급하고있는실정임 -송풍기의토출압력및소비동력을비교측정한결과 1단계송풍기는 2단계에비해동일조건하에서압력이더높게운전되어지고있음 1 -송풍기전력비를절감하기위해송풍 기후단배관( 산기관) 등의막힘을개선 하고, 송풍기회전수를조정하여운전 한다면, 전력소비분을 줄일수 있음: Roots Blower는정략식이므로동력은 회전수에 비례한다는 조건으로 검토 제시 2 질산화조송풍기외 -분뇨투입량은주간시간대에반입되어전 처리한후저류조에저장한후에후처리 공정인탈질조로주간시간대에 2/3, 야간 시간대에1/3 을보내고있으며, 분뇨투입 량에 따라 질산화조 송풍기 운전대수도 주간 2 대, 야간 1대가동되고있는실정 임 1 - 운전현황의도표에따라주, 야간의송풍운전시간대를변경시켜자동운전이되도록개선하면, 주야간전력사용량차이및적용요금에따라전력비를절감도모 ( 자료 : 환경관리공단, 2003 년하수처리시설기술진단사례집, 2004. 11.) 그리고 < 표 3-8> 은 2003년도환경관리공단실시기술진단에서분석한경제적 이득을설명하고, 변압기통합운전등에전기에너지의효율적활용에따른에너지 절감이가장효과적으로평가된다. < 표 3-9> 은 2004년도환경관리공단이실시한 기술진단에서운전방법개선에따른에너지절감효과를제시하고있다. < 표 3-8> 환경관리공단의전력비용절감사례요약 구 분 절감방안제시건수 예상절감금액( 천원) 수전용량개선 1 5 34,435 변압기통합운전 2 3 89,037 수전방식( 개선)3 4 83,989 자가발전 - - 제어개선 1 3,895 운전방법 3 56,566 고효율조명기기 3 6,718 시설개선 1 4,262 총계 20 278,902-112 -
( 자료 : 환경관리공단, 2003 년하수처리시설기술진단사례집, 2004. 11.) 2004 년도환경관리공단이실시한기술진단에서운전방법개선에따른에너지 절감효과를 < 표 3-9> 에제시. < 표 3-9> 환경관리공단의운전방법개선에따른에너지절감효과요약 구 분 제시건수 하수 비율 (%) 절감금액 ( 천원) 제시건수 분뇨 비율 (%) 절감금액 ( 천원) 계약전력변경 3 23.1 27,800 1 12.5 1,500 송풍기류 2 15.4 15,900 4 50 22,600 펌프류 1 7.7 2,700 2 25 3,800 운전방법개선 7 53.8 55,600 1 12.5 1,300 계(21 건) 13 100 102,000 8 100 29,200 ( 자료 : 환경관리공단, 2004 년하수처리시설기술진단사례집, 2005. 11.) 2 하수처리장별에너지절감사례최근까지전국에설치/ 운영중인하수처리장을대상으로, 방류수수질기준을준수함과동시에, 처리장운영시에너지절감을효율적으로달성하고있는사례를 < 표 3-10> 과같이주요항목인 - - - - 고효율설비의설치부하특성에따른효율적운전미활용에너지의활용기타에너지절감대책 으로분류하여하수처리장별로요약하였다. < 표 3-10> 환경관리공단의에너지절감사례요약 번호 항목하수처리장명 1 고효율설비의설치 경기여주하수종말처리시설 1 에너지절감사례 일반현황 : 15,000m 3 / 일, 표준활성슬러지법, 2002. 6. 이후 개선대용: 농축조슬러지의인발밸브판넬에타이머를설치 운영하여 탈수효과증대및농축조월류수의슬러지유실을방지 ( 기존: 간헐 적으로근무자가인발 ) 개선효과 - 결과: BOD(9.7 9.0), COD(14.2 12.5) 및 TP(2.0 1.6) 등일부 - 113 -
번호 2 3 4 5 항목하수처리장명 서울중랑하수종말처리시설 1 평택시통복하수종말처리시설 2 경기양평군초내마을하수도처리시설 2 창녕군구산마을 에너지절감사례 항목의수질이개선 환경부검토: 수질분석결과직접적인효과는판단하기어려우나전반 적인수질개선및운전자의운전편의도모등에개선노력이돋보임 일반현황 : 170,000m 3 / 일, 표준활성슬러지법, 2004. 1. 이후 개선대용: 하수처리장의운영을진단 ( 용역기관및용역비: ( 주) 대우건 설+ 미국 CH2M HILL; 437,440 천원) 하여문제점을파악하고시설개 선사업을시행하였으며이를탄천 서남 난지하수처리장에확대적용, 국 내최초로만들어진본하수처리장은 70 ~ 88년까지 18년에걸쳐건 설되어노후화된시설 슬러지처리시설보완 ( 처리능력부족량을 처리하기위하여원심농축기및탈수기추가설치) 및수처리계통유량 분배수위조절개선 개선효과 - 결과: 계절에따른방류수질개선효과를산정한결과 BOD와 T-P의 경우전체에대하여춘하추절기에개선효과가증가하였으나, 동절기 에는감소하였으며, COD, T-N 의경우큰변화가없었고, SS의경 우춘하추절기에비하여동절기에개선효과가증가, 건설공사비절 감 ( 고도처리시설변경공사비: 72,425백만원 시설개선사 업:16,645 백만원; 건설예산절감액 : 55,780 백만원) 환경부검토: 계열별및지별처리효율을극대화, BOD 및 TP는평균 10% 이상, SS는평균 25 % 정도의개선효과 일반현황: 30,000 톤/ 일, 표준활성슬러지법, 2004. 11. 이후 개선대용: 30,000 톤/ 일처리시설대비유입하수 41,200 톤/ 일 ( 증가 : 11,200 톤/ 일) 을기존시설을이용하여수처리의운전방식변화및단 위공정시설개량 (Retrofitting) 을통한비용절감 ( 반송슬러지투입지점 변경, 하수잉여슬러지를분뇨저류조에투입혼합, 포기조월류턱의높 이조정으로조용량증가, 소화조운전조건개선 ( 기계식농축기에서 슬러지를고농도로농축하여소화조로투입) 으로소화효율 향상및 메탄가스발생량증가 ) 개선효과 - 소화조시설개량가스발생량증가에따른연료비절감: 198,702,720 원 / 년 - 수처리공정개선에의한추가시설투자비절감 ( 추가시설을배재 한기존시설이용 ) 일반현황 : 80m 3 / 일, CNT 공법, 2005. 3. 이후 개선대용: 빈부하로인해길어진체류시간을줄이기위하여유량조정 조와무산소조를폐쇄하고수위가변형반응조를이용하여안정적인 처리효율을확보함으로써사여과기를가동하지않고도기존과동등한 처리효율을나타내므로, 공정의단순화로운영이용이하고동력비절 감효과 ( 시설투자비: 600,000 원) 개선효과: 안정적인처리효율을유지함과동시에공정의단순화로기 계장비의가동률이줄어동력비가연간 189만원정도의절감효과가 있어전체동력비의약 37.5% 절감예상 일반현황 : 100m 3 / 일, 혐기성및호기성생물학적처리방법 (KDHST), 2005. 6. 이후 - 114 -
번호 6 항목하수처리장명 하수도처리시설 2 전북남원비전지구마을하수도처리시설 2 에너지절감사례 개선내용: 효율낮은에어펌프철거후송풍기설치, 원형배관산기관 ( Φ3mm) 철거후 Membrane( Φ200mm) 산기관교체 ( 공사금액: 자체 여유분사용 ) 개선효과: 전력비 절감 (706,608 원/ 년) 및 기계 수선유지비 (2,900,000 원/ 년) 절감 일반현황 : 30m 3 / 일, 생물학적처리공법 (( 주) 세기종합환경의 YAN공법 ( 특허제0336263 호, 특허제0491552 호)), 2005. 4. 이후 개선대용: 대기중에생물막을노출시켜미생물에항상일정하고충분 한공기를안정적으로공급함으로써 미생물의농도를증가시켜처 리효율을향상, 미생물이대기중의공기를이용하여생장하므로별도 의브로워설치가불필요하여전력비가절감됨, 방류조의처리수가순 환펌프에의해생물막반응조를순환한후방류되도록함으로써순환비 에의해처리효율이결정되므로운전이쉬움, 잉여슬러지발생량이매 우적어별도의슬러지처리시설이불필요 개선효과: 송풍기구동전력절감및슬러지무방생으로인한약품비 절감으로약80,000,000원의예산절감처리수의수질향상 7 8 부하특성에따른효율적운전 대구지산하수종말처리시설 1 전남광영하수종말처리시설 1 일반현황 : 45,000m 3 / 일, 혐기/ 무산소/ 호기법, 2003. 4. 이후개선대용: 유입펌프에인버터를설치하여시간대물량변동에따른균등유입으로생물반응조에충격부하방지개선효과 - 유입량변동율최소화로안정적인방류수질확보 - 유입펌프인버터적용운전으로전력비절감 : 26,836 천원/ 년환경부검토: 생물반응조의체류시간이 13.5시간정도로유량변동에대한완충효과가이미존재하고, 또한설치전의 BOD 평균유입수질이 165mg/ l인데반해설치후의 BOD 평균유입수질이 145mg/ l로낮아져 BOD의처리수질향상이인버터설치로인한것인지에대한판단은어려우나, 향후, 유입수질향상및수량증가에따라인버터설치의효과가증대되리라판단됨일반현황 : 5,500m 3 / 일, 표준활성슬러지법, 2002. 이후개선대용: 하수처리장의유입하수량이설계대비 42% 정도유입(2003 년도기준), 유입수질은설계기준대비 BOD : 47%, SS : 55% 수준으로유입되어 BOD 유입부하량이설계대비약 19% 수준으로낮게유지됨 포기조 2지중 1 지만운영하고, 포기방식을기계식표면포기에서산기관에의한전면포기방식으로시설개선개선효과 - 결과: 9-12% 이상처리효율향상 (BOD : 92.1%, COD : 73.2%, SS : 89.2%) 으로설계기준(BOD 86%, SS : 80%) 에비해높게개선, 포기조운영전력비 50% 절감(2지에서 1 지만운영), 환경부검토: 포기조 2지중 1지만운영함에따라전력비가 30% 절감 ( 평균절감액은 1,048 천원/ 월( 년간 12,576 천원)), 시설개선에따른처리효율상승은미미한것으로판단됨 9 충남보령 일반현황 : 30,000m 3 / 일, 표준활성슬러지법, 2003. 1. 이후개선내용: 분뇨처리공정중호기성소화조를기존 2계열에서 1계열로 - 115 -
번호 항목하수처리장명 하수종말처리시설 1 에너지절감사례변형시키고영양염제거효율향상을위해내부반송펌프시설과간헐폭기실시, 호기성소화조후속설비를전부휴지시키고소화조혼합액을하수처리장침사지에유입시켜최초침전지에서 1차슬러지로인발제거, 침출수및음식물쓰레기폐액을운휴중인포기조에유입시키고이송펌프를설치타이머에의해균등하게하수처리장에유입, 송풍기의여유공기를이용유량조정조( 포기조) 의침출수를교반개선효과: 기존공정유지시와신공정의경제성을평가한결과공정개선후년간 47,000천원의운영비가절약되어개선전과비교하여 58% 수준의비용으로운영이가능 10 경북안동하수종말처리시설 2 일반현황 : 54,000m 3 / 일, 표준활성슬러지법, 2005. 6. 이후 개선대용: 포기조전단부에포기기를간헐포기하여무산소/ 혐기조건을 반복하여질산화된슬러지를반송후탈질및탈인한후포기조월 류수로에 PAC 를투입, 기존포기기운전방식은총 16기를 24시간 연속운전하였으며, 평균 DO 1.0 mg/ l로운영하였던것을, 각포기조 전단포기기 4기를간헐포기하여전단부 DO 0.05 ~ 0.5 mg/ l이하로 하였음 개선효과: 운영비 및 유지관리비는 기존과 동일하나, 전력비는 약 40,000 천원/ 년절감, 그리고방류수질향상 11 12 미활용에너지의활용 경기안양박달하수종말처리장 1 서울중랑하수종말처리시설 2 일반현황: 15 만톤/ 일, 표준활성슬러지법, 2001. 10. 19. 이후개선대용: 하수슬러지처리공정개선 ( 소화조직접가온방식 간접가온방식) 으로슬러지발생량최소화및메탄가스발생량을극대화하여대체에너지로활용, draft-tube 신규설치로기인한교반효과증대및이에따른소화효율증가개선효과 - 예상: 800,000 Nm 3 / 년메탄가스추가발생, 혐기성소화조처리용량증대, 슬러지발생량감소, 탈수성향상에따른응집제사용량감소등으로연간 200백만원의운영비절감 일반현황 : 170,000m 3 / 일, 표준활성슬러지법, 2004. 10. 이후개선내용: 소화가스로발전기를상시가동하여왔으나유가상승으로발전단가가상승되어경제성이저하됨 슬러지건조시설의가동연료인도시가스(LNG) 를혐기성소화조에서발생하는소화가스로대체하여수입증대및유지관리비용을저감시킴으로서경영관리효율을고양하였음 ( 사업비: 235 백만원), 가스발전기는상용운전에서비상용 ( 정전또는작업용) 발전기로전환하여운영개선효과 : 운전개선전, 후의경제성비교 - 도시가스절감액 860,139 천원/ 년 - 소화가스판매 598,878 천원/ 년 - 가스발전기운영관리개선 234,628 천원/ 년 - 대기오염방지시설설치비저감 350,000 천원/ 년 13 기타에너지절감 16 개하수처리장 ( 총 22 개처리장진단시설중) 에서약 2억8천여만원 의절감 < 표 3-9> 참조 - 116 -
번호 항목하수처리장명 대책 에너지절감사례 ( 자료 1 : 환경관리공단, 하수종말처리장운전개선방식우수사례집, 2004. 12., 자료 2 : 환경부환경관리공단, 하수종말처리장운전방식개선우수사례집, 2005. 10.) < 표 3-11> 환경관리공단의기타에너지절감사례요약 번 호 처리장명시설용량 1 DJ 90만톤 2 3 제시방안 -1,2단계 S/S 변전실통합운영개선: 변압기무부하 절감비용 ( 천원/ 년) 손실(3 단계시설) 절감 73,622 KS 12만톤 -변압기통합운전 1,160 -수로용송풍기운전방법개선으로전력비절감 9,000 소계 10,160 BS 55만톤 -슬러지처리동 S/S 통합운전 87,000 - 변압기통합운전시(2 개소) 877 소계 87,877 - 요금전력선택요금제변경( 계약) 4 SS 15천톤 요금전력선택요금제변경 1,800 변압기용량변경( 계약전력) 4,200 소계 6,000 5 CY 6천톤 - 계약전력변경으로전력비절감: 변압기무부하손실절감 3,200 6 JS 11천톤 -분뇨처리장전원공급 S/S 변경개선: 하수처리장으로분뇨연계처리시설 7,719 7 CJ 28만톤 - 포기조송풍기에너지절감방안검토: 1단계송풍기후단배관손실감소시절전효과 10,932 8 KP 6,500 - 계약전력변경으로전력비절감: 전기안전대행수수료예산절감 4,441 - 계약전력변경으로전력비절감: 설비사용전력에의 9 10 CP 6천톤 한계약변경 9,031 -고효율조명기기적용검토 2,006 소계 11,037 - 고효율조명기기적용( 검토) 으로전력비절감: 설치 JJ 13만톤 수(40W*2 등용*425 개) 1,654 -분뇨처리장수전계약전력변경 850 소계 2,504 - 고효율조명기기적용( 검토) 으로전력비절감: 설치 11 MN 10만톤 수(40W*2 등용*578 개) 5,063 12 PJ 4만톤 -계약전력변경으로전력비절감 11,556 13 TB 3만톤 - 전기( 에너지) 사용합리화방안: 종침반송슬러지펌 프효율적인운전방법개선( 전력비절감) 3,895-117 -
번 호 처리장명시설용량 제시방안 절감비용 ( 천원/ 년) 14 BS 55만톤 -종침반송펌프실양정및유량대비효율저하 19,131 15 PT 3만톤 -농축설비생오니인발방법개선 17,503 16 PJ 4만톤 -유입펌프장유입펌프토출밸브최적운전 4,262 합계 278,902 2004 년도환경관리공단실시하수처리장기술진단실적중에너지( 예산) 절감방 안에대한예상절감비용을조사한결과 < 표 3-12> 와같이 16 개하수처리장 ( 총 30 개처리장진단시설중) 에서약 1억3천1백2 십만원이었으며, 하수처리장이 102,000 천원, 분뇨처리장이 29,200 천원정도로제시되었음. 에너지절감가능대상 시설인 16개처리장의처리장별평균절감가능금액은 820 만원정도로평가된다. < 표 3-12> 환경관리공단의에너지절감방안에대한예상절감비용요약 번호 1 처리장명 SN하수 유형 제시방안내역 - 수로용송풍기운전모드변경을통한전력비절감운전방법개선 - 증설반송슬러지펌프운전조건변경을통한전력비절감 절감금액 ( 천원/ 년) 25,000 3,000 소계 28,000 포기조표면포기기부분별제어방법개선으로전력비 2 AD하수운전방법개선 - 절감 20,400 3 YJ하수운전방법개선 4 SC하수운전방법개선 5 HY하수운전방법개선 - 최대수용전력변압기설비용량 30% 이내전으로비효율적운전, 경부하변압기 1대정지로절전효과및기기효율증대 - 유량이송펌프운전조건변경및인버터제어로전력비절감 - 저류조송풍기운전방법개선으로처리효율향상및전력손실절감 2,300 1,000 3,400 6 SJ하수계약전력변경 - 계약전력변경을통한전력비절감 4,500 7 SC하수송풍기 - 수로용송풍기운전모드변경을통한전력비절감 4,400 8 HM하수 9 10 MS/CW 하수 SAB 하수 - 경부하시간대포기조운전방법개선으로전력손실송풍기절감피크전력관리를통한전력비절감계약전력변경 - - 사용설비에의한계약전력변경 11,500 11,500 11,800 소계 23,300 펌프/ 운전방법개선 - 사여과세정수펌프교체를통한전력비절감 - 탈수기가동시간감소에따른전력비절감 2,700 500 소계 3,200 하수계 102,000 11 KC분뇨펌프 - 용수공급펌프미가동에따른전력비절감 2,100-118 -
번호 처리장명 유형 제시방안내역 ( 자료 : 환경관리공단, 하수종말처리장운전개선방식우수사례집, 2004. 12.) 절감금액 ( 천원/ 년) 12 UJ분뇨운전방법개선 - 저류조운전방법개선으로전력비절감 1,300 13 CS 분뇨 14 YD분뇨 송풍기 / 계약전력변경 - 송풍기에인버터설치후부하량에따른송풍량조정전력비절감 - 2단계질산화조송풍기및수중교반기예비기로전환됨에따른에너지절감 - 월별최대수요전력감소에따라년간전력비중기본요금절감 1,700 11,300 1,500 소계 14,500 펌프 - 가압부상조원수공급펌프운전조건 변경및인버터운전 으로전력비절감 1,700 15 KH분뇨송풍기 - 송풍기운전방법및배관구조개선을통한전력비절감 3,300 16 JS분뇨 송풍기 - 송풍기, 펌프등대용량기기의운전방법개선으로에너 지절감 6,300 분뇨계 29,200 합계 131,200 소화조운영효율증가를위한최적의운전조건도출 및 부생가스활용확대 를위한기본자료구축 을위한 2005년도환경부상하수국생활하수과에서실 시한소화조운영실태정밀진단결과보고 ( 자료 : 환경부상하수국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005. 6.) 에따르면아래와같다. - 소화조가동중인처리장의농축슬러지 VS lkg당가스발생량을분석한결과 - - 적정범위 (400~700 l/vs kg) 또는그이상은 19 개소(32%) 에불과하며나머 지 (68%) 는 400l이하로발생되는것으로나타남 소화가스의설계발생량대비실제발생량의비율은소화조가동중인처리장 의평균이 68.42% 로서다소낮은편임 소화조가온에이용되는연료로는통상소화시발생하는메탄가스를주로 사용하나, 가스발생량이가온에필요로하는양에못미칠경우경유등추 가연료를사용하여야함 - 31 개(53%) 처리장에서추가연료를사용하고있으며, 01~ 04년평균연간 사용량을환산하면약 10억 5 천만원임( 05년5 월단가기준) 나. 국외하수도시설의에너지절감사례 1 미국의현황미국의하수도시설의에너지소비현황을정리하면아래와같다 - 119 -
총발전량의 3% 를상수및하수처리에사용한다. ( 자료 1 : EPRI, Water and Wastewater Industries: Characteristics and Energy Management Opportunities, CR-106941, 1996., 자료 2 :T. Elliot, Energy-Saving Opportunities for Wastewater Facilities, a Review, Energy Center of Wisconsin, 2003.) 최근 CIWEM 학술대회에서발표된자료를기준으로판단하면, < 그림 3-1> 과 < 그림 3-2> 와같이활성슬러지법을적용하는하수저리장의경우, 하수 처리량 75.7 천톤/ 일 (20MGD) 급의에너지원단위사용량은 0.26 kwh/m 3 으로판단됨. 이는 1995 년발표된자료를인용하고있으므로, 현재는상당 히낮아졌으리라사료된다. DOE Best Practices 프로그램 으로선정된미국 Fairfield시의 Ohio Wastewater Division의경우약13년간매년 1% 의에너지절감을달성하 였으므로이를기준으로판단하면현재약 0.23 kwh/m 3 로예측됨. 소형 처리장 (3.8 톤/ 일-1 MGD 급, 1996 년도) 의경우약 0.4 kwh/m 3 평가되고 있으나중대형처리장과는달리 biogas 루어지고있지않으므로만약다른처리장과같이연간 저감이이루어진다면현재는약 0.36 kwh/m 3 회수에의한에너지절감은거의이 1% 정도로예상된다 정도의에너지 < 그림 3-1> 과 < 그림 3-2> 의 2 차처리, 활성슬러지법에대한그래프를보면 전력소비의 30 % 는고형물질처리에소비되고있음. 소화가스재활용을통 하여약 0.09 kwh/m 3 를회수하고있으므로, 총전력소비는약 0.35 kwh/m 3 로평가된다. 이는 1995 년기준자료로, 현재를기준으로판단하면 약 0.31 kwh/m 3 로예측된다. 그러나평균하수온도가 20 가넘는고온 지역에서주로적용되는 anaerobic pretreatment 법을적용하면외부에너 지입력없이도, 즉, 발생 methane 가스를활용한열병합발전을통하여자 급자족이가능하다고보고하였다. - 120 -
( 자료 F. Rogalla, Energy Self Sufficient Wastewater Treatment: How Far from Reality? Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006.) < 그림 3-1> 미국중대규모 (20MGD 급) 하수처리장에서의전력소비패턴 미국의상수처리및하수처리공정에서사용된에너지를정리하면 < 표 3-13> 와같다. - 121 -
( 자료 : F. Rogalla, Energy Self Sufficient Wastewater Treatment: How Far from Reality? Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006) < 그림 3-2> 미국소규모 (1 MGD 급) 하수처리장에서의전력소비패턴 미국의상수처리및하수처리공정에서사용된에너지 : < 표 3-13> < 표 3-13> 상수처리하수처리 미국의상수처리및하수처리공정에서의에너지원단위 에너지 [kwh/m 3 ] 미국전체 ground water 0.373 ~ 481 위스컨신주 AB 등급, 0.454 C 등급 0.534 D 등급 614 Trickling Filter 0.255 Activated Sludge 0.353 Advanced Treatment 0.411 Advanced Treatment w/ Nitrification 0.510 ( 자료 : EPRI, Water and Wastewater Industries: Characteristics and Energy Management Opportunities, CR-106941, 1996.) - 122 -
미국대규모하수처리장에서소비되는전력의소비처에대한분포는 3-3> 와같고아래와같은특성을갖고있다. - 하수처리약 70% ( 수처리공정: 55%, 슬러지처리: 15%) - 유입펌프 16% - 조명및공기조화 7%, - 고형물질처리 (off-site) 7% - 전체에너지비용의절반정도를 2 차처리 ( 포기: aeration) 에소비 < 그림 - 에너지를가장많이쓰는공정인폭기공정, 슬러지처리공정, 펌핑등에에 너지절약대책이집중되어야함. ( 자료 : F. Rogalla, Energy Self Sufficient Wastewater Treatment: How Far from Reality? Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006) < 그림 3-3> 전력에너지소비분포도 ( 미국) 2 미국 Southern California Edison ( 자료 :L.E. Larson, "Energy-Saving Opportunities at Water/Wastewater Plant," Southern California Edison Co. 2002.) 미국 Southern California Edison 사에서는최근미국수처리공정에서 에너지 - 123 -
절약 이중요한이슈로대두된이유는아래와같이평가하고있고, 지절감대책을다음과같이소개하고있다. 앞으로의에너 수처리공정에서 에너지절약 이중요한이슈로대두된이유 - 대부분의처리장이건설된지 30-50년이지남 - 처리장이건설될당시 에너지 자체가중요한설계인자가아님 - 최근 50년간처리장설비교체및개선이별로없었음 에너지절약 ( 에너지효율개선) 을위한대책 - Equipment Modifications - Load Shifting - Energy Managements - Operational Changes - HVAC Changes - Lighting Retrofits 에너지절약 ( 에너지효율개선) 대책의결과 - 약 15~33% 의에너지절약 3 California 주 현재 California 주에서는매년 5억불을상하수도관련에너지비용으로소비하고 있어서, 이에대한절약이시급한상태로 California 주에너지위원회 (California Energy Commission) 에서 < 표 3-14> 와같은에너지절약대책제시 하고있다. < 표 3-14> 미국캘리포니아주의상하수도관련에너지절약사례 대책특성또는장점보완사항또는단점운영실적등 Variable Frequen cy Drives 1 고효율 ( 최대 50 % 의펌프동력절약 ) 1 비교적고가임 : $3000 for a 5 HP motor to $45,000 for a custom-engineered 300 HP motor 2 VFD can produce harmonic distortion - adversely affecting power quiality, and subsequently, other 1 Moulton Nuguel Water District: reduced pumping energy cost by about 4 %, cash rebate over $30,000 in 1993/1994 from San Diego Gas & Electric - 124 -
대책특성또는장점보완사항또는단점운영실적등 electrical mechinery 2 Payback period: 수개월 - 3년 3 각종 Incentive 혜택 Energy Efficient Motors 1 고효율펌프 ( 일반펌프에비하여 2-8 % 효율이높음 ) 2 Low failure rates ->longer warranties 정도 1In cases where the faster speed of the energy-efficient motor results in higher energy use without adding to the useful work performed, the energy-efficient motor may not be and economic option. 1 Encina Wastewater Authority: $15,000 annual saving. 2 Moulton Nuguel Water District: specifies for all motors in new construction and for replacements. Heating, Cooling, Ventilati on Improve ments 1High-Efficiency HVAC System 2 Computerized control system 3 Outside Economizer for Ventilation and regular maintenance 1 심각히고려되어야하는사항임에도불구하고, 일반적으로받아들이고있음 1 Wide experience has confirmed that HVAC improvements can lead to significant energy savings. Lighting Improve ments 1 Interior spaces: advanced fluorescent lighting 2 Outdoor/Warehouse applications: High - intensity discharge lighting 3 Lighting controls and regular maintenance 1 Payback: 2-3 years 1 Fluorescent lighting: 34 % saving 2 High-intensity discharge lighting: 30-80 % saving 3 Lighting controls and regular maintenance: 15-50 % saving 전기부하 manage ment 1 Rate Schedules: Time - of - Use - Rates, Interruptible Rates, Power Factor Charges, Future Pricing Options 1 Encina Wastewater Authority: reduced its demand charges $50,000 per year by manually shutting down select - 125 -
대책특성또는장점보완사항또는단점운영실적등 2 Demand Management Strategies: Conduct an Energy Survey, Reduce Peak Demand, Shift Load to Off-Peak, Improve Power Factor high-demand equipment on-peak. 2 Moulton Nuguel Water District: eliminated on-peak pumping at several large pumping stations by utilizing gravity flow from storage reservoirs, reducing by $329,000 per year. Cogener ation Optimiza tion 1 매우널리사용됨 2 열과전기를동시에생산 3 열효율 ~ 32 % 1 배기가스규제에따라환경처리비용추가부담 2 에너지/ 환경여건에따라운전/ 설비최적화가요구됨 1 Encina Wastewater Authority: lean-burn technology + upgraded the anaerobic digester gas management system, improvement cost ($1.5 M) vs annual savings ($0.33 M)-rate of return (23%) 연료전지 1 소화가스이용시열병합발전보다 SOx, NOx, CO 등이매우낮아환경적측면에서매우유리함 2 고효율 (40 % 이상) 3 진동및소음등이매우낮음 1 고비용 2 $750000-800000 for 200 kw unit and the gas processing equipment necessary for use with anaerobic digeter gas 3 Additional cost for installation $5000/kW, plus operation and maintenance costs of 1.5 cent/kwh 1 ONSI is working two US utilities to demonstrate the technology at wastewater treatment plants. 2 Financial incentives: $1000/kW rebate from US DOD, plus 1.5 cent/kwh tax credit (rebate) from IRS ( 자료 : http://www.energy.ca.gov/process/water/index.html) - 126 -
< 표 3-15> East Bay Municipal Utility ( 미국) 의에너지절약사례 4 처리장 캘리포니아주 일반사항 - 서비스면적: 84 mile 2 East Bay Municipal Utility District, Special District 1 - 용량: 425,000,000 gallons/day - 하수처리방법: secondary - 2 차처리방법: activated sludge - 연간전력구입비: $1,922,000 (30,000,000 kwh) - 설치된열병합발전설비용량: 7.1 MW - 에너지절약전략에따른연간절약비용: $2,796,000 에너지절약기법에따른경제적이득 : < 표 3-15> 하수 5 Encina Wastewater Authority 일반사항 - 서비스면적: 125 mile2 - 용량: 36,000,000 gallons/day - 하수처리방법: secondary - 2 차처리방법: activated sludge - 127 -
- 연간전력구입비: $174,300 (2,200,000 kwh) - 설치된열병합발전설비용량: 1.4 MW - 에너지절약전략에따른연간절약비용: $611,000 에너지절약기법에따른경제적이득 : < 표 3-16> < 표 3-16> Encina Wastewater Authority ( 미국) 의에너지절약사례 6 DOE Best Practices 프로그램하의프로젝트 ( 자료 :Office of Industrial Technologies, US DOE, Performance Improvement at Wastewater Treatment Plants, Best Practices Management Case Study, 2000.) - 하수처리장명 : City of Fairfield, Ohio Wastewater Division, Fairfield, OH, USA 에너지절약에대한정책 에너지절약기법도출에대한하수처리장관리자및조작자의참여동기부 여 - 전기에너지계약자, 컨설턴트, 전기공급자에대한조정 - 에너지절약기법에대한평가시스템도입 실시대책 - System Approach: Peak Demand의억제및이를위한 monitoring, 고성 능시스템의도입 ( 큰기포발생기 (aeration diffuser) 작은기포발생기), 전동기의성능특성모니터링 (MotorMaster+ program) - Teamwork: 조작자, 관리자, 시위원회, 전기계약자, 컨설턴트, 전기공급자 사이의효율적인정보교환및이해 - Teamwork between Operators and Management: 개선을위한조작자및관리자의발전적관계설정및동기부여 에너지절약및효율 - Energy Assessment: 에너지요금분석 Peak Load 억제, 펌핑시스템의 효율 (wire-to-water efficiencies) 평가 저효율의낡은펌프및전동기를 고효율시스템으로교체, power quality testing Power factor의개선을 - 128 -
위한 Capacitor 설치, 절약을위한지속적고찰 결과 - 강수량이많은 1995년과 1996 년을제외하고, 1986년이후매년에너지사 용량및 peak power 수요감소 - 일간에너지사용량감소: 10,000 kwh/ 일 (1986) 8,650 kwh/ 일 (1999) - System reliabilty 확보및종사자의사기함양 7 Gloversville-Johnstown Wastewater Treatment Facility (WWTF) 일반사항 - 서비스지역: Gloversville 및 Johnstown 시, Fulton County, NY, USA - 용량: 13,000,000 gallons/day - 하수처리방법: activated sludge process with the capability for separate-stage nitrification, two-stage anaerobic digestion - 소화가스활용엔진동력발생량: 150 kw - 기존시스템문제점중 2 단소화시스템 의보수비용, 연간에너지절약, 및 투자회수기간: $600,000, $175,000, 3.4년 경제성평가 - NYSERDA 사 ( 공공기관) 의제안 : < 표 3-17> < 표 3-17> WWTF ( 미국) 의에너지절약제안 개선안시설투자비 [$] 연간절약액 [$] 투자회수기간 [ 년] 1 기존발전시스템의 overhaul 41,400 21,575 2.2 2 Overhaul 및혼합연료사용시스템으로의전환 139,930 68,745 2.2 3 Micro-터빈설치 952,200 166,087 5.9 ( 자료 :NYSERDA, "Energy Efficiency Anaerobic Digester and Cogeneration Facility Improvement," www.nyserda.org/programs/techasst.asp.) 8 영국의현황및사례 최근 CIWEM 학술대회에서 J. Jack 은 < 그림 3-4> 와같이유연한 DO 농도조 절을통하여전체에너지소비의 10 ~ 15% 를절약할수있음을보여주고있다. 또한 CIWEM 학술대회에서 J.C. Whittaker는하수처리공정에서펌프에대한에 - 129 -
너지소비비용을 < 표 3-18> 과같이제시. 다른펌프류와는달리하수처리펌프 는인력비가 24% 정도차지하고, 그리고운전비는약 63 % 를차지한다고주장 하였다. 그리고 Littlehempston 수처리설비에서 < 그림 3-6> 과같이 Pumping Monitoring and Scheduling에의한효율상승이약 12 %, 최대 17.5 % 로평가 되었다. ( 자료 : J. Jack, Aeration Control and Optimising Nitrification: Control Concepts and Benefits, Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006.) < 그림 3-4> 유연한 DO 농도조절을통한에너지절감가능성 < 표 3-18> 영국의수처리및하수처리비용구성의예 Life Cycle Running Costs Pumps for Water and Waste Water Treatments Water Pump Waste Water Pump Process Pump Capital Cost 1 5 5 Running Cost 95 63 87 Maintenance Cost 4 8 8 Man Power Cost 0 24 0 ( 자료 :J.C. Whittaker, Reducing Pumping Energy Costs, Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006.) - 130 -
Man Power Cost 24% Capital Cost 5% Maintenance Cost 8% Running Cost 63% < 그림 3-5> 영국의하수처리장항목당소비비용구성도 < 그림 3-6> Pumping Monitoring and Scheduling에의한효율상 승 ( 영국 Littlehempston 수처리설비) 9 스페인의 Consorcio de Aguas Bilbao-Bizkaia ( 자료 :http://ec.europa.eu/energy/res/sectors/bioenergy_chp_en.htm) 본프로젝트는유럽의신/ 재생에너지분야에서지원한과제중의하나로성공 적인과제로분류됨 프로젝트명 : Optimization of Energy Recovery from Sludge Generated by a Waste Water Treatment Plant - 131 -
대상인구수및프로젝트요약 - 인구수: 1998년현재약 760,000 명이지만, 930,000명을대상으로함 - 요약 프로젝트목적 - 폐수처리공정에서발생하는슬러지의에너지회수로, 스페인의 Galindo Plant (Sestao, Bizkaia) 에열병합발전시스템을건설하여효율적인에너지 로의전환 소각로및생산증기: 유동층킬른, 발전용증기 (40 bar, 400 ) 탈수과정및탈수슬러지특성: Anionic polyelectrolyte를적용한슬러지 탈수, 58 wt/% 의유기물함유및 21.77 MJ/kg의저위발열량의슬러지 경제성 - 연간 10,750 톤 (dry) 의슬러지를소각하여 100,300,800 페세타 (1페세타 는약5 원) 을절약하고있음. 이프로젝트의비용은기존의혐기성소화를기 반공정보다약 38 % 저렴함 10 - 루마니아의 Aquaserv의폐수처리장 본프로젝트는네덜란드가보유하고있는에너지절약방법을루마니아의 Tirgu Mures의 Aquaserv의공공폐수처리장에적용하는과제로 3.5년이 걸리고, 네덜란드정부로부터자금을지원받은과제임 프로젝트명 : Energy saving measures at waste water treatment plant 프로젝트목적 일차적으로는폐수처리공정에서발생한바이오가스를활용하여열과전기 를효율적으로생산하는것이지만, 궁극적으로는온실가스인이산화탄소배 출을억제하기위함임 바이오가스특성: 65% 메탄, 30 % 이산화탄소, 5% 질소, 일산화탄소, 이 황화수소등 프로젝트이전과이후 - 기간: 1997. 10. - 2001. 5. - 이전: 생산된바이오가스를열에너지로만이용 - 이후: 총합효율 85.5% 의열병합발전설비설치및운영, 전기소비단가를 0.0495 EURO/kWh에서 0.0161 EURO/kWh로낮출수있었음 비용 - 네덜란드정부: 1,016,000 EURO - Aquaserv: 46,000 EURO - 132 -
경제성 - 총에너지생산: 3,059 MWh, 하수처리설비소비에너지의 57.93% 담당 - 전기에너지생산: 1.287 MWh - 경제성이득: 102,000 EURO 11 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가 오사카시는현재까지여러기술적지식이나경험을살려비용절감, 법에대한대응, ISO14001 에너지절약 등에너지절약대책은환경부하절감을위한개선책 을통하여하수도시설의운전관리나보수관리실시하고있고이를 < 표 3-19> 에 정리하였다. < 표 3-19> 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가기법 번호항목내용 1 2 운영관리평가의목적 영관리평가의진행 (PDCA Cycle) 업무의상황파악및향후과제의방향검토 경영적인관점에서현황평가 업무에대한개선점의명확화 운영관리평가의분석을통하여하수도운영에대한직원의의식및기술력향상도모 Check: 필요한데이터수집, 평가지표에의한분석및평가Action: 운영관리, 보수관리내용을재검토 Plan: Do: 개선책을입안 개선책을실시 3 4 평가지표의도입및평가항목 평가업무의항목 목표의정량화및평가업무항목 - 목표의정량화: 객관적척도 ( 원단위또는비율) 설정 - 평가업무항목: 운전관리, 보수관리, 설비기능 -> 평가지표( 경제성, 설비성능, 유지관리성, 환경대책) 평가방법 - 각사업소는 5년간월보에기재된데이터등을수치로표시하고평가그래프작성 - 그래프를이용해목적별로평가지표를설정하고, 문제점이발견되면운전방법등을재검토하여실태조사나목표달성율에따라실시 연차보고서작성: 운전관리, 보수관리, 설비기능등에대한평가를바탕으로일련의검토결과를기재한연차보고서작성 운전관리에관한항목: 수처리, 슬러지처리수량, 방류수질, 전기사용량, 약품사용량등을연도별수치로표시하고, 수량의연도별비교그래프나사업소별평가그래프를작성 보수관리에관한항목 - 비용절감대책: 처리장설비비용중구성비율이 1% 이상인항목을 - 133 -
번호 항목 내용 평가대상으로선정 - 고장경력: 통일된운영관리평가소프트웨어중고장경력데이터베 이스구축및활용 ( 고장보고서, 수선보고서, 경력전표) - 장치분류: 고장이나수선등을구체적으로분석하기위하여각설비 를대분류, 중분류및소분류로나눈후, 소분류단위에서구체적인 평가실시 - 수선 5 개년계획서: 대분류, 중분류, 및소분류단위의수선비구 성비율등을검토하여노후설비의교체및수선에대한 5개년대 책수립및이를바탕으로한효율적예산집행 - 전력사용량삭감을위한중장기계획: 시에서정한 열에너지사용 의합리화에관한법률 등을기준으로, 전력이나연료의절감목표 를달성하기위하여, 중장이계획을책정하거나정기보고서를작성 - 온실효과가스배출량: 시에서책정한온실효과가스배출억제계획 (1998년부터 2010년까지 5% 절감) 을달성하기위한대책수립및 실시 ( 에너지절약을위한운전, 설비의도입, 처리방식의개선등) 설비기능에관한사항: 오래전부터하수도를정비해왔기때문에, 기계나전기설비는건설당시와현재설비에기능상의차이가상당이 있음. 따라서, 설비성능평가에서문제점이발견된설비에대해서 는건설할당시의기준과현재의설계기준, 개선책을검토하여정 리 5 효과 문제점을명확히파악하여개선저렴하고수준높은서비스제공하수도시설의유지관리측면뿐만아니라, 인재육성을위한도구로서유효하게이용됨유지관리기술은설비교체시유용한정보제공 ( 자료 : 이타미가즈오, 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가의대처, 일본하수도 협회지, Vol. 42, No. 517, 2005. 11.) 에너지관련평가의실예 - 운전관리에관한항목 - 예를들면수처리계에서는전력을많이사용하는기계설비인펌프설비, - - 송풍기설비등에대한평가를실시한다. < 그림 3-7> 은오사카시의 12개 사업소중 6개사업소의 2004년도수처리계전력원단위및단가의평가 그래프이다. 수처리계전력원단위는수처리계전력사용량을맑은날오수량으로나눈 수치이며, 클수록수처리계전력원단위가높다는것을의미한다. 수처리계전력원단위에있어중앙치가넘는사업소가문제점추출의평가 치라면 A, B, C, D, E 사업소가그대상이된다. A 사업소는수처리계에 다량의반송수를처리할설비가있기때문에문제점추출대상에서제외한 - 134 -
- 다. 수처리계전력원단가는전력경비를많은날오수량으로나눈수치이며클 수록오수처리원단가가높다는것을의미한다. 따라서중앙치를넘은 B, C,D 사업소에대한설비성능평가를실시한다. - B, C, D 사업소의송풍기실제풍량, 처리수량의문제점을찾아검토해보면 B, D 다. 사업소는현재의처리수량에비해송풍기용량이크다고할수있 - C 사업소는인접해있는 F 사업소보다펌프장전력원단위가상당이높은 데, 이는유입간선이깊고펌프의양수높이가높기때문으로, 중요한개선 책이요구되고있다. - B, D 사업소의개선책은송풍기를교체하거나개량하여야하며, 관점에서본다면우선순위는 B 사업소가된다. 경제적인 < 그림 3-7> 오사카시의 12개사업소중 6개사업소의 2004년도수처리계전 력원단위및단가의평가 3.3 공공하수도시설의에너지절감방안 가. 에너지절감방안도출을위한절차 우리나라공공하수도시설의에너지절감방안은현재까지는각처리장엔지니어 가주도하는정책을기본으로하고있었다. 그러나, 미국, 유럽및일본과같이 에너지저소비형처리장을구현하기위하여, 에너지절감주체가각처리장의엔지 니어는물론, 지자체하수처리담당부서및각처리장의관리자등모든관련자가 유기적으로맡은바역할을담당하여야한다. 물론이에대한재정및기술적뒷받 침은환경부및하수도관련연구기관이담당하여야할것이다. 일단, 지자체이 하의기관에서수행하여야하는업무는아래와같이분류할수있고이를 < 표 - 135 -
3-20> 에요약하였다. 1 2 3 지역별처리장에너지절감대책수립 각처리장에서에너지절감계획단계 시스템단위에서의에너지절감기법적용 < 표 3-20> 공공하수도시설의에너지절감방안도출을위한절차 번호항목내용 1 지역별처리장에너지절감대책수립 지역단위에서유사한조건의하수처리장의성능을비교하여, 에너지가많이소비되고있는처리장을파악한후, 그처리장에서의문제점을구체적으로평가하여해결책을제시하는절차로, 일본의오사카시에서실시하는방안임 - 각처리장에서에너지를많이사용하고있는공정/ 설비에대한전력원단위및전력원단가의연도별 database 구축 - 각처리장의최근 5년간에너지관련자료정리및이를그래프로표현 - 유입하수량이비슷한사업장별로분류및평가하여얻은자료를지역내처리장자료와서로비교한후에너지가많이소비되는이유에대한분석 - 에너지가많이소비되는이유에대한대책수립및개선 - 문제가있었던처리장의에너지문제를해결한뒤처음부터반복 2 3 각처리장에서에너지절감단계 시스템단위에서의에너지절감 각처리장에서는발생하는문제는, 처리장작업자가가장깊이인식하고 있으므로, 이를정리하여, 에너지가많이소비되고있는처리장을파악 한후, 그처리장에서의문제점을구체적으로평가하여해결책을제시하 는절차로, 미국의 PG&E에서제안하는방안임 - 무비용 (No-Cost) 에너지절약대책의단계 - 저비용 (Low-Cost) 에너지절약대책의단계 - 고효율설비구입또는고효율설비로개조등에대한투자의 3단계로 기술을분류 - 경제성과시급성에따라, 적절한절약대책실시 일반적으로각처리장에서널리실시하는방법으로, 각공정또는설비에대한에너지진단후, 에너지절감대책실시앞절에서국내외에서실시한자료을기반으로아래의분류에따른세부적에너지절감대책을정리 - 고효율기계설비/ 시스템의구축 - 운전방법개선 - 하수처리후미활용에너지를활용 - 기타에너지절감방법 나. 고효율기계설비/ 시스템의구축 < 표 3-21> 은에너지절감을위한대책중시스템단위에서의에너지절감대책으로 - 136 -
1 2 3 노후설비교체 부하특성에따른설비로교체 효율적공정라인구축 을제시하고있다. < 표 3-21> 공공하수도시설의에너지절감을위한고효율기기/ 시스템의구축 번호항목내용 1 노후설비교체 부식등으로인해가동효율이저하되므로, 신규설비로교체하여정상운전노후되어성능이저하된설비의 overhaul을통한부품또는신규로교체기존시설내구연한및노후화등을분석후교체사유의타당성을제시하고이를근거로사업을추진 2 부하특성에따른설비로교체 밸브및배관등의손실수두를검토하여펌프의전양정에적합한펌프 교체용량이상이한공정임에도불구하고, 일률적용량의설비가설치된경우, 각각의용량에따른절적한설비로교체 용도에맞은적정사양의펌프로교체 목표연도별설비용량조정: 단계별증설계획을수립한경우설비용량은 최종목표년도를기준으로산정하고있는경우일반적으로과대설계이므 로, 각단계마다의목표연도기준으로설비용량을산정하고설치/ 운전하여 야하고, 각단계이후에는향후추진상황에맞추어증설및교체를검토 하여야함기존벨트프레스형탈수기의가동시간이 2대운전시일일약5시간으로전 량운전하는것으로산정되었는바, 탈수기가동시여포세정수펌프도병행 하여가동하여야세정효과가나타날수있으므로여포세정수펌프대수를 1대증설하여야함 고도처리설비도입의경우소화조등기존설비의용량부족에대한적절 한대책제시필요 슬러지발생량추정은계획유입오염부하량및제거오염부하량의관계 로부터산정하여야함. - 유입오염부하량은계획유입하수량과계획유입수질로부터산정하여야하 며, 시설용량과계획유입수질로부터오염부하량을산정하는것은부적절 함 3 효율적공정라인구축 기존벨트프레스형탈수기의가동시간이 2대운전시일일약 5시간으로전량운전하는것으로산정되었는바, 탈수기가동시여포세정수펌프도병행하여가동하여야세정효과가나타날수있으므로여포세정수펌프대수를 1대증설하여야함고도처리설비도입의경우소화조등기존설비의용량부족에대한적절한대책제시필요슬러지발생량추정은계획유입오염부하량및제거오염부하량의관계로부터산정하여야함. - 유입오염부하량은계획유입하수량과계획유입수질로부터산정하여야하 - 137 -
번호항목내용 며, 함 시설용량과계획유입수질로부터오염부하량을산정하는것은부적절 다. 운전방법개선 < 표 3-22> 는기존의설비를큰개조가없이, 현재상태를보완하는방법으로 적절한운전방법개선으로에너지절감을달성하는방법을설명하고있다. 주된 설비는에너지를많이소비하는 1 송풍기류, 2 펌프류, 3 기타를위주로설명 하였다. < 표 3-22> 공공하수도시설의에너지절감을위한운전방법개선 번호항목내용 포기조송풍기: 새벽등경부하시간대유입부하량에맞춰시간대별로송풍 량을제어 수로용송풍기: 처리장운전에지장이없는범위내에서간헐자동운전 질산화조송풍기: 분뇨투입량의시간대조정및송풍기운전대수조정 ( 전력 비가비싼주간보다는야간에운전), 송풍기회전수제어로부하변동에대응 송풍기 1 대로여러공정에소요공기공급: 각각의공정에적절한용량의송 풍기를추가설치부하변동에따른송풍기풍량조절: 인버터설치또는송풍기 V-Pulley 조절 필요공기량에여유(20~43%) 를고려하여송풍기용량을결정하고있으나, 터 보송풍기인경우특성상설계용량을크게벗어난운전을할경우운전이어렵 고비효율적이므로하수유입량및유입농도에따른필요공기량, 공기공급계통 의저항곡선, 송풍기특성곡선등으로송풍기사양을재검토하여최적운전이 될수있도록하여야함 반응조내 DO농도조절은직입기동방식의송풍기와공기조절밸브에의해자동 조절하는것으로되어있으나용적식의 Rotary Roots Blower로는송풍량조 1 절이어려우므로기종변경또는제어방식변경이필요함송풍기류반응조내송풍기운전방식은조내의 DO값에의하여송풍량을조절하는방식 이어야하나본설계에적용한소프트스타터는전동기의기동방식으로풍량제 어가불가능하므로 DO값에의한풍량제어가가능한인버터방식또는다른기 종의송풍기등이선정되어야함 로터리( 루츠식) 송풍기의냉각방식은압력에따라서다르나통상 6,000mmAq 까지는자연공냉식, 6,000mmAq 이상은수냉식으로냉각하고있음. 만약수냉 식링경우냉각탑, 냉각수공급펌프, 배관설비등의추가설비가필요하게되므 로경제성을고려한냉각방식으로검토하여야함 송풍기의기종은공기공급량의규모및풍량제어범위에따라선정되므로소 풍량인경우에는경제성및유지관리를감안하여기종을선정할필요가있음. 따라서단단증속형터보송풍기는흡입베인및가변토출디퓨져에의해풍량 제어범위가넓어전력비절감효과및효율은높으나가격이고가이므로초기 투자비에대한경제성을고려할때중 대규모용량의처리장에적합한기종으 로판단되므로, 소풍량인경우용적식( 루츠형) 송풍기로검토하여야함 신설처리장으로서초기가동에따른다음사항을검토 제시하여야함. - 하수처리장초기가동시하수는일반적으로저농도(BOD : 30~50mg/l, T- - 138 -
번호항목내용 -N : 20mg/l 이하) 로유입되는경향이있고, 계획대비유입수질저하에따라반응조에서소요산소량도계획대비 1/6~8정도로소요산소량의저하에따른송풍기의적정운영이불가능한바이에대한대응방법을제시하여야함. - 저유량- 저농도, 저유량- 고농도, 고유량-저농도등유입하수변동부하에따른각 case별운전방법및예상문제점과대책등이제시되어야함 - 주중및주말, 계절별하수량의변동이심한관광지역임을고려하여처리시설의운영방안을제시하여야함 - 경우에따라 2계열중 1계열만운전할수있는방안을수립하여야함중소규모하수처리장의경우야간(22시~06 시) 운전시유입하수량이극소치에도달되어정상적인운전이어려울것으로예측되므로하수유입량및수질( 유입농도) 변동폭을고려하여유사처리장운영실태를조사 분석하여대책의제시가필요함 2 펌프류 3 기타 새벽등경부하시간대유입부하량에맞춰시간대별로슬러지반송량을제어 함 ( 인버터제어등) 펌프용량또는양정이과대설계된경우인버터제어 여러대의펌프를사용할경우, 가급적부하율을 100 % 로유지하도록운전대 수조절 다수의유입펌프를운전할경우: 만약, 설계양정과실제운전양정간차이가 클확률이높아운영시설계보다과유량이이송될수있고, 운영초기에는저 유량이유입될수있는경우, 원할한운전을위하여유입펌프중 1대이상은 인버터제어방식을채택함이바람직함 슬러지를농축탈수하기위한슬러지이송펌프를수중펌프로계획하였으나, 기 계식의원심농축탈수기는막힘이없는무폐쇄형의펌프로정량의슬러지를일 정하게공급하여원활한연속운전을하여야하므로기종선정시유의하여야 함 병렬공정의불균형해소: 최초침전지슬러지인발적정화를통한농축효율증대및농축조부하감소-슬러지인발의불균형현상해소및동력절감기계설비가 2 대이상( 예비포함) 설치된장소의설비이용률이낮거나부하분담률의차이가현저하게나타날때통합운전 라. 하수처리후미활용에너지를활용소화가스자가발전설비의운전으로잉여전력을활용하여에너지절감을꾀할수있고소각설비의설치및개선을통한열회수의최대화로공정열을공급받을수있다. 마. 기타에너지절감방법하수유입량및유입수질이설계치에미치지못할경우, 수전설비용량에대한설비이용률이매우낮게운전되어계약용량에비해설비이용률이낮아요금적용전력상에불이익을받고있으므로, 사용설비용량에의한계약전력을변경한다. 고효율절전형조명기기를적용한다. 변압기용량계산은이용율향상및무부하손 - 139 -
실저감을위하여하수도시설기준에제시된효율, 역률, 수용률을적용하여산정 하여야한다. 추가신설되는변압기는운전중인변압기의전력사용현황및 Peak 전력값에대한조사가선행된후증설부하수용여부를판단하여결정하여야하 는바, 현장조사자료와용량검토내용을제시하여야한다. 저층에조리실및화장실등의급수를위하여별도의옥탑층물탱크실을계획 할경우, 통상저층의층고로는수두차가적어급수에비효율적이므로옥탑층을 없애고지하에물탱크를두어부스터펌프에의한급수방식이합리적이다. 조대협잡물의간헐적인유입으로후속설비에악영향을줄수있는경우, 조대 협잡물포집을위해유입부에수동제거식조목스크린설치를검토하여야한다. 협잡물처리기과다설치의경우소규모처리장의침사설비인침사및협잡물처리기 를시간최대기준으로 2 대이상을계획한경우, 1대만설치하고청소및기기고 장등유지관리를고려하여우회배관또는수로를계획하는것으로검토하여야 한다. 탈수기에서탈수된탈수케이크를케이크이송펌프와이송배관을통하여반출용 콘테이너로이송 보관후장외로반출하는경우, 계획된이송배관의구조상배관의 고착등으로처리장운영에악영향을줄수있으므로운영상용이성, 유지보수성, 경제성등을고려하여탈수케이크이송설비의최적화검토가필요하다. 하수처리장은 24시간운영되는시설로서각실별냉난방이필요한시간대가 달라야간에부분냉난방을위해서도공조설비를운영하여야하기때문에중앙공 조방식은유지관리비의과다로경제성이없으므로각실별팩키지방식으로우선 검토하여야한다. 방류수중일부를처리장재이용수로사용하는경우방류수전량에대한여과설 비를설치할것이아니라재이용에필요한수량만큼만여과하는것으로설치하여 야한다. 처리수를고도처리하기위한사여과설비의자동역세척하향류여과기는 여러가지장단점이있지만특히소규모처리장에서는경제성이없으므로타기종과 경제성, 유지관리성, 기술성등을비교 검토하여선정하여야한다. 자외선설비의형식중에관로형과수로형, 접촉식과비접촉식에따라서시설비 및유지관리비와처리효율, 유지관리상에영향을줄수있는바, 램프당자외선출 력효율이양호한것으로선정하여적정한램프개수로서사용시간에따른교체비 용을절감하는방안으로검토하여야한다. 분뇨처리장의전처리분뇨가월요일에일평균량의약 입되어, 3배가하수처리장으로유 하수처리장에영향을미치므로연계처리시분뇨를균등하게유입할수 있는방안( 유량조정조등) 을검토하여야한다. 다수의오수원이있을경우중복산 정에따른과대산정의위험이있으므로, 중복적용된부분을제외하여재산정하여 - 140 -
야한다. 생활하수량, 공장폐수량, 지하수유입량, 군부대오수량산정시적용원 단위의타당성여부를확인하여야한다. 적용원단위의산정시고려사항은급수원 단위, 유효수율, 오수전환율등의설정치에대한타당성여부등이다. - 141 -
제4장공공하수도시설의부생물질자원화와미활용 재생에너지이용사례및방 안 4.1 4.1.1 공공하수도시설의부생물질의자원화방안 소화효율향상을통한메탄가스발생량증가방안 가. 소화효율향상방안적용사례 현재까지수행된혐기성소화조개선사업의내용및효과사례는 < 표 4-1> 에 서 < 표 4-3> 에나타낸바와같다. 안양박달하수처리장의경우가온방식변경, 잉여슬러지분리농축, 보일러증설및교체, 소화조내부준설및교반효율향상 등을통하여소화효율이크게향상하고, 슬러지발생량이감소하였다. 부산수영 하수처리장의경우유입하수의 BOD 증가및미생물제재의투입만으로도소화효 율향상효과가있었다. 울산용현하수처리장에서는잉여가스를 SK 케미칼( 주) 보 일러열원으로판매하여수익을창출하고있어소화가스를발전뿐만아니라다양 한용도로사용할수있음을제시하고있다. < 표 4-1> 안양박달하수처리장소화조개선사례 문제점및개선방안 개선비용및효과 문제점 저효율직접가온설비 잉여슬러지침전성불량 설비( 보일러등) 노후 소화조에침사퇴적 낮은교반효율 1,582 개선비용 백만원 개선방안 열교환기에의한간접가온 잉여슬러지분리농축( 원심농축기사용) 보일러등증설및교체 소화조내부준설 스컴파쇄기, 드래프트튜브, 가스압축기설치 개선효과 800,000 N m3/ 년매탄가스추가발생 ( 소화효율 29.7% -> 38.7% 로향상 가스발생량 0.27 -> 0.39 m3/ kg유입vss 로증가) 소화조처리용량증대및슬러지발생량감소 ( 탈수케익 56.9 -> 38.3 톤/ 일로감소) 탈수성향상에따른응집제감소등으로연간 200 백만원/ 년운영비절감예상자료 : 환경부, 상하수도국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005.6-142 -
< 표 4-2> 부산수영하수처리장소화조개선사례 문제점및개선방안 개선비용및효과 자료 : 환경부, 상하수도국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005.6 < 표 4-3> 울산용연하수처리장소화조개선사례 문제점및개선방안 개선비용및효과 이산화탄소발생량감소 : 700 톤/ 년자료 : 환경부, 상하수도국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005.6 환경부는 문제점 신규 apt 분뇨, 오수직유입 에의한유입고형물증가 2006년현재하수처리장소화조효율개선사업을시행중에있다. 대 상하수처리장은경기과천, 경기부천, 경기용인, 충북제천, 전북익산 5개소이 다. 사업의기대효과는탈수능력증가및소화효율향상에의한슬러지발생량감 소를통하여경제성을확보하고, 소화가스를대체에너지원활용하며, 유기물분 해및병원균사멸등으로슬러지의안정화를도모함에있다. 5 개시범사업장의소화조효율개선사업시행효과는 < 표 4-4> 및 < 표 4-5> 에제시한바와같으며, 이를요약하면다음과같다. 사업총투자금액은 80억원 으로사업종료(2006) 후 3 년에손익분기점이발생하여흑자로전환된다. 경제성 향상은메탄가스발생량 20% 증가, 슬러지처리비용 30% 감소, 약품비 10% 감소 등으로인하여발생한다. 미생물제재투입 개선방안 개선비용개선효과(04 년) 154 백만원가스발생량증가: 전력비 161 백만원 문제점잉여가스의소각처리 보일러가온량:1,838 m3/ 일 소각처리량: 8,962 m3/ 일개선비용 385 백만원( 전액업체부담) 슬러지처리및응집제비용감소:128 백만원 미생물제제비용: 48.5 백만원 순절감액:241 백만원 개선방안잉여가스를 SK 케미칼( 주) 보일러열원으로판매 개선효과 2004년 9월-12월간잉여가스판매량및금액 - 판매량: 576,521 m3( 평균 5,289 m3/ 일) - 판매금액: 16, 백만원( 평균 148 천원/ 일) 향후 5년간 39 백만원/ 년, 6년이후 81백만원 판매수익기대 - 143 -
< 표 4-4> 소화조효율개선사업전후의처리비용절감액 메탄발생량 ( 천m 3 / 년) 메탄의경제적가치 ( 억/ 년) 슬러지처리비절감액 ( 억/ 년) 약품비절감액 ( 억/ 년) 개선전개선후개선전개선후개선후개선후 10989 13187 48 58 16 1 ( 개선사업을실시한안양박달처리장을기준으로산정, 메탄가격은 438 원/1m3 CH 4 ) < 표 4-5> 각하수처리장별소화효율개선사업의기대효과 처리 장 소화효율 가스량 (m 3 / 일) 탈수케익 ( 톤/ 일) 잉여가스용도 개선전개선후증가율개선전개선후증가율개선전개선후감소율 부천 44% 50% 14% 10,439 17,941 70% 253 234 8% 슬러지건조 용인 712 1290 80% 37 29 22% 보일러연료 제천 45% 55% 22% 1,165 1,698 46% 18.3 14.3 22% 280kW 발전 익산 39% 45% 15% 4,915 6,144 25% 64.6 56.2 13% 슬러지건조 과천 21% 40% 92% 659 908 38% 8.8 7.2 18% 보일러연료 자료 : 환경부, 상하수도국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005.6 소화가스발생량증가방안의하나로분뇨의소화조직접투입을들수있다. 대구서부하수처리장에서는분뇨를침사지대신슬러지농축조에유입시켜소화 조로직접투입한결과메탄발생량이증가하였다(< 표 4-6> 참조). 농축조로분 뇨를투입한경우 VS량이증가한만큼가스발생량이증가하고, 그에따른보일러 가동율의증가가소화조온도를상승시켜소화율이약 45% 증가하였다. 소화조 가온용으로사용후잉여스팀을본관및탈수동난방등에사용하여년간 1,800 만원의유류비용절감효과가부수적으로발생하였다. < 표 4-6> 대구서부하수처리장에서분뇨투입방볍변화에따른소화효율변화 구분 TS VS VS (%) 월류수 슬러지인발량 온도소화 ( 조 ) 가발생량스 ( 단위: mg/ l, m3/ 일) 소화율 (%) 침사지투입 23,227 11,757 51.8 152.9 970 32.4 6.193 35.0 농축조투입 27,994 14,252 51.1 125.4 584 37.2 8,888 50.7 자료 : 환경부, 환경관리공단, 하수종말처리장운전개선방식우수사례집, 2004-144 -
나. 슬러지전처리적용사례 슬러지전처리방안중 sonotrode 및수리동력학적 cavitation을이용한방법 의적용예를각각 < 표 4-7> 및 < 표 4-8> 에제시하였다. < 표 4-7> Sonotrode를이용한슬러지전처리적용예 적용예 나가노현마쯔모토시영케이정화센터( 일본) 운영및효과 -쇼유바라제작소의초음파발생시설을설치운영 -기존에너지의 20% 만을사용하여소화가스수율 16.3% 증가 브리스톨 Avonmouth 하수처리장 ( 영국) 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 Bramstedt 하수처리장 ( 독일) Greifswald 하수처리장 (90,000 PE) ( 독일) 초집적화, 2005. -2001. 7월부터 1년간 full scale로운전 -소화조유입전농축잉여슬러지를초음파로처리함 -소화조에서의휘발성고형물가용화는 30-50% 증가 -소화가스발생량약 50% 증가 -STN ATLAS Elcktronik GmbH사의 Sonoreactor 사용 -소화조에서의휘발성고형물가용화는 30% 증가 -소화가스발생량은 520-730 L/ kgvs, 메탄함량 67-72% 로향상됨 -IWE Tech 슬러지처리장치설치. 04년 6월부터 full-scale로운영 -Input power는 12KW -소화가스수율은 30~45% 정도증가 -기타유기물분해는 30-45%, 슬러지내고형물감량은 15-25% 증가 < 표 4-8> 수리동력학적 cavitation을이용한슬러지분해장치의설치예 설치장소 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 설치년도 처리인구 ( 명) 유량 ( m3/h) 설치전력 (KW) 에너지/ 톤 (KWh/ m3) Tanusstein 10/02 30,000 6 18.5 3.1 Ingelheim 12/02 20,000 7 16 2.3 Gifhorn 07/03 70,000 6 20 1.83 Stockholm -Kapalla 09/03 75,000 10 27.2 1.8 Meissen 08/03 105,000 4 15.4 0.54 Weisbaden 05/03 355,000 20 52 2.6 Ginheim 11/03 32,000 2.5 13.2 2.6-145 -
외국실플랜트에적용된대표적인감량화기술의적용예및도입효과, 우리나라처리장에도입가능성을 < 표 4-9> 에나타내었다. 그리고 < 표 4-9> 외국실플랜트에적용된감량화기술비교 감량화기술종류 기계적 열적 화학적 생물학적 Sonix Ultrawaves Microsludge Thermal Hydrolysis GPV ATAD 적용기술 초음파이용세포벽파괴 초음파이용세포벽파괴 호모지나이저이용세포분쇄 고온고압이용가수분해 심층고온고압유기물산화 고온호기성자체산화열세포벽파괴 국내외적용실적 유럽 / 동남아 (15 개소) 유럽 / 일본 (16 개소) 캐나다 (1 개소) 유럽 (8 개소) 유럽, 미국 (4 개소) 미국 (1 개소) 소화조활용여부 시설변경없이사용가능 시설변경없이사용가능 시설변경없이사용가능 탈수기증설소화조 농축조후단시설불용 일부소화조호기조로개조필요 도입효과 VS:+30-50% Gas:+50-90% VS:+20-30% Gas:+20-50% VS:75% Gas:+200-380% VS:+65-70% Gas:+30-50% VS:90% Gas: 0 VS:55-60% Gas: 0 검토대상채택 도입가능 도입가능 도입가능 도입가능 기술미공개 기술검증어려움 소화슬러지비중차이용국내기술시설변경 VS:60% 기술검증물리적감소및가스소화조미생물실적없음없이사용가능 Gas:+20% 어려움증량기술고농도유지자료 : 서울특별시, 서울특별시 4개하수처리장하수슬러지처리시설증설기본계획보고서, 2005. 초음파시설과같은감량화시설을도입할경우 < 표 4-10> 과같이서울시 4개 하수처리장에서슬러지처리비용은 260 억원/ 년으로약 40 억원/ 년이상절감가 능한것으로예상되었다. < 표 4-10> 감량화시설도입여부에따른슬러지처리비용 2004년발생량감량화도입시처리비감량화비도입시처리비처리장 ( 톤/ 일) ( 천원/ 년) ( 천원/ 년) 중랑 586 7,603,750 9,214,714 탄천 271 5,486,061 6,497,900 서남 647 8,500,789 9,718,971 난지 291 4,363,467 4,693,824 계 1,795 25,954,068 30,125,409 자료 : 서울특별시, 서울특별시 4개하수처리장하수슬러지처리시설증설기본계획보고서, 2005. - 146 -
4.1.2 소화효율향상을통한발전시설규모증가량추정 가. 소화조운영정상화에따른발전시설규모산정 소화조개선사업의수행등의효과로인하여소화조운영이정상화되면소화가 스발생량은증가한다. 이경우가스발생량은다음두가지로나누어생각할수 있다: 소화조설계값까지증가하는경우( 시나리오 1) 및소화효율이이론값인 50% 까지증가하는경우( 시나리오 2). 소화가스발생량이설계값까지증가할때 각하수처리장에서가스발생량의증가분은 < 그림 4-1> 에채워진사각형으로나 타내었다. 가스발생량증가량이표시되지않은처리장은 05년현재가스발생량이 설계값또는그이상인곳이다. 전체하수처리장에서가스발생량증가량은 123,390 m 3 / 일로이는 06년현재가스발생량 381,582 m 3 / 일의약 32% 에해당 하는값이다. 각하수처리장의가스발생량증가분을고려하면발생가스를모두 사용한다고가정할경우총발전당량은 35 MW에서 46 MW로증가하는것으로 계산되었다. 소화효율이이론적인값인 50% 까지증가할때각하수처리장가스발생량변 화는 < 그림 4-2> 에나타낸바와같다. 참고로 2004년현재우리나라소화조의 평균소화효율은 35% 이다. 각처리장에서소화효율이 50% 까지증가하면전체 하수처리장에서가스발생량증가량은 144,028 m 3 / 일로, 이는 06년현재 381,582 m 3 / 일의 38% 에해당하는값이다. 각하수처리장의가스발생량증가분 을고려하면발생가스를모두사용한다고가정할경우총발전당량은 서 48 MW 로증가하는것으로계산되었다. 현재진행중인소화조개선사업완료시 35 MW에 5개하수처리장평균가스발생량증가 율이(4.1.1. 가참조) 52%, 평균소화효율이 48% 임을고려할때, 향후소화조운전 이정상화될경우가스발생량은최소 30% 증가할것으로예상된다. 보다보수적 인예측을위하여각처리장에서가스발생량이시나리오 1과시나리오 2중작은 양만큼증가할경우를소화조운영정상화시가스발생량으로가정할때처리장 별발전가능량은 < 그림 4-3> 에나타낸바와같다. 그결과총발전가능량은현 재 35 MW에서 42 MW 로증가할것으로산정되었다. 또기존대도시지역의하 수관거재정비로단독정화조를폐쇄하고수세분뇨를하수도로직배출하면하수처 리장에서혐기성소화처리를하는경우소화조운영효율은더제고될것이다. - 147 -
가스발생량 (m3/ 일 ) 5000 4000 3000 2000 1000 5 만톤 / 일이하 현발생량 증가분 0 가스발생량 (m3/ 일 ) 10000 8000 6000 4000 2000 완주 운곡 옥천 과천 삼척 경산 밀양 점촌삼천포서산남원 5-20 만톤 / 일 아산 원주 장당 통복 속초 안동 0 가스발생량 (m3/ 일 ) 100000 80000 60000 40000 20000 영주 제천 정읍 충주 용인 강릉 목포 - 남해화목김천포항동두천제주익산 20 만톤 / 일이상 진주 춘천 송대 순천 북부 구리 의정부 군산 용연 0 박달고양수영달서천마산 / 창원안산가좌승기남부구미장림성남수원서부신천광주대전굴포천난지탄천중랑서남 < 그림 4-1> 소화효율이설계값까지증가할때하수처리장규모별가스발생량 - 148 -
가스발생량 (m3/ 일 ) 5000 4000 3000 2000 1000 5 만톤 / 일이하 현발생량 증가분 0 가스발생량 (m3/ 일 ) 10000 8000 6000 4000 2000 완주 운곡 옥천 과천 삼척 경산 밀양점촌삼천포서산남원 5-20 만톤 / 일 아산 원주 장당 통복 속초 안동 0 영주제천정읍 충주용인 강릉목포 - 남해화목 김천포항동두천 제주익산진주 춘천송대 순천북부구리 의정부군산용연 100000 80000 60000 40000 20000 20 만톤 / 일이상 0 박달고양수영 달서천마산 / 창원 안산가좌승기 남부구미장림 성남수원서부 가스발생량 (m3/ 일 ) 신천광주 대전굴포천난지 탄천중랑서남 < 그림 4-2> 소화효율이 50% 까지증가할때하수처리장규모별가스발생량 - 149 -
발전가능량 (kw ) 250 200 150 100 50 5 만톤 / 일이하 0 완주운곡옥천과천삼척경산밀양점촌삼천포서산남원아산원주장당통복속초안동 발전가능량 (kw ) 1000 800 600 400 200 5-20 만톤 / 일 0 발전가능량 (kw ) 영주제천정읍충주용인강릉목포 - 남해화목김천포항동두천제주익산진주춘천송대순천북부구리의정부군산용연 10000 8000 6000 4000 2000 20 만톤 / 일이상 0 박달고양수영달서천마산 / 창원안산가좌승기남부구미장림성남수원서부신천광주대전굴포천난지탄천중랑서남 < 그림 4-3> 소화조운영정상화시각하수처리장의발전가능량 - 150 -
음식물쓰레기를하수도에직접유입시킴으로써, 소화가스발생량을증가시킬 수있으며, 이를통해발전량또한증가시킬수있다. 음식물폐기물을분쇄기를 이용하여하수처리장으로유입시킬경우 BOD부하는약 25% 증가하는효과가있 는것으로보고되어있다 ( 자료 : 김응호, 하수도자원와개념의정책제안방향, 한국물환경학회지, 17권 5 호, 549-555. 2001) 이렇게증가한하수의 BOD에비 례하여소화가스는증가할것이다. 분쇄기를이용한음식물쓰레기투입은하수관 거벙비및소화조운영정상화이후에가능하며, 대안으로음식물쓰레기를직접 소화조에투입하는방안도고려할수있다. 음식물쓰레기를하수에투입할경우 < 그림 4-4> 에나타낸바와같이전체하수처리장의가스발생량은현재(381,582 m 3 / 일) 보다약 181,000 m 3 / 일, 발전가능량은현재(35 MW) 보다약 17 MW가 증가할것으로예상된다. 또한음식물쓰레기를하수도에유입시키는경우열병합 발전을통해소화조가온에별도의보조연료가필요하지않을것으로계산되었다. 음식물쓰레기이외에분뇨를직접소화조에투입하는경우에도가스발생량이증 가하므로 (4.1.1. 가참조) 발전량을증가시킬수있다. 슬러지전처리기술을서울특별시하수처리장에도입할경우가스발생량은약 60% 증가하는것으로보고되어있다( 자료 : 서울특별시, 서울특별시 4개하수처리 장하수슬러지처리시설증설기본계획보고서, 2005.). 그러나소화조운영이정상 화된후슬러지전처리를도입하면가스발생량증가분은 60% 에는미달할것으로 예상되며, 본연구에서는그값을 40% 로추정하였다. 슬러지전처리기술은소화 조운영이정상화및음식물분쇄기도입이후에적용하는것이바람직하며, < 그 림 4-4> 에나타낸바와같이전체하수처리장의가스발생량은현재보다 406,000 m 3 / 일, 발전가능량은현재보다약 38 MW 가증가할것으로예상된다. 슬러지전처리기술도입시에도열병합발전을하면소화조가온에별도의보조 연료가필요하지않다. - 151 -
1,000 800 600 400 200 - 가스발생량 현재 소화조운영정상화 음식물쓰레기유입 전처리기술도입 가스발생량 ( 천 m3/ 일 ) 80 발전가능량 60 40 20 - 현재 소화조운영정상화 발전가능량 (MW) 음식물쓰레기유입 전처리기술도입 < 그림 4-4> 향후하수처리장의총소화가스발생량및총발전가능량예측 4.2 공공하수도시설의미활용 재생에너지이용사례 4.2.1 하수열이용냉난방 가. 울진하수처리장 하수처리장개요 울진하수종말처리장은연면적 2,961 m 2 이고건축면적이 1,477m 2 로서관리동 은연면적 1,560m 2 로지하 1 층, 지상 3 층으로구성되어있으며, 지하1층은기계 실이고냉난방이필요한지상 3층은 1,340m 2 이다. 1일하수처리량은약 5,000톤 / 일로서이중약 19% 인 39 톤/ 시간을열펌프의열원으로이용하도록설계되어있 다. 히트펌프시스템 - 152 -
관리동의냉난방을위한히트펌프의용량은압축기정격용량 30kW로서냉방 용량 30USRT 를기준으로설치되어있으며, 구체적인설치사양은 < 표 4-11> 과 같다. 냉난방운전을위한히트펌프시스템의구성은하수를직접증발기및응축 기로흐르지않고판형열교환기(110,000kcal/h) 를사용하여간접적으로열을회 수하여열원으로활용하도록하였고, 냉방과난방운전시열원수의유동방향을서 로바꿀수있도록밸브를사용하여운전되도록하였고, 냉방과난방은중앙식으 로하여사무실의휀코일을사용하여냉난방을할수있도록구성되었다. 관리동의지하 1 층인기계실에설치되어있는열펌프의사진이 < 그림4-5> 에 주어져있다. 울진하수처리장의년중하수온도는동절기에는 10 내외, 하절기 에는 25 내외를기록하고있으며, 하수의년중방류량은 < 그림 4-6> 에나타낸 바와같이약 4,000~7,000 톤/ 일정도방류하고있다. < 표 4-11> 압축기응축기증발기 히트펌프설치사양 구분사양 형 식 스크류 용 량 냉방 : 30kW (3 φ 380V 60Hz) 난방 : 45kW (3 φ 380V 60Hz) 냉 매 R-22 형 식 Shell & Tube 입출구온도 42/45 유 량 650LPM 형 식 Shell & Tube 입출구온도 7/4 유 량 650LPM < 그림 4-5> 히트펌프시스템 - 153 -
12,000 Flow rate(m^3/day) 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 Uljin 5 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 4 Month < 그림 4-6> 울진하수처리장의하수처리량 나. 일본의하수열이용사례 1986 년, 동경도落合 ( 오치아이) 하수처리장에서관리동의냉난방에하수처리수 를열원으로서하수열의이용이시작하여, < 표 4-12> 에서보는바와같이일본 의경우하수열을냉난방열원으로이용한것이일반화되어있다. < 표 4-12> 일본에서의하수열이용냉난방사례 No 처리장명 관리자 냉방/ 난방용량 [Mcal/h] 하수의종류운전개시 1 樂合처리장 東京都하수도국 530/498 처리수 1986년 2 湯鳥펌프장 3 中部하수처리장 4 定山溪처리장 5 金澤처리장 6 各城처리장 7 木場펌프장 8 芦屋하수처리장 9 新河岸처리장 東京都하수도국 344/126 생하수 1988년 橫浜市하수도국 60/60 처리수 1988년 札幌市하수도국 71/111 처리수 1988년 橫浜市하수도국 362/420 처리수 1988년 名吉屋市하수도국 330.2/360 처리수 1988년 東京都하수도국 240/240 생하수 1989년 芦屋시 116/135 처리수 1989년 東京都하수도국 604.8/580 처리수 1990년 10 今池처리장大販府 272/370 처리수 1990년 11 幕場테크노가든東京電力 34,776/35,290 처리수 1991년 12 森森崎수처리센터 13 露橋하수처리장 14 洋蘭센터 15 三河鳥처리장 東京都하수도국 304/292 처리수 1991년 名吉屋市하수도국 27/34 처리수 1991년 東海市하수도과 53/63.5 처리수 1991년 東京都하수도국 360/380 처리수 1992년 - 154 -
No 처리장명 관리자 냉방/ 난방용량 [Mcal/h] 하수의종류운전개시 16 北多摩一號처리장 東京都하수도국 110/100 처리수 1993년 17 奈良縣정화센터 18 小菅처리장 奈良縣流城하수도 354/350 처리수 1993년 東京都하수도국 850/776 처리수 1993년 19 堀留分室名吉屋市하수도국 145/162.4 처리수 1993년 20 後樂펌프장 東京都하수도국 21,470/26,324 생하수 1994년 1 년 後樂一丁目 (Koraku 1-chome) 지구지역냉난방 Koraku 1-chome 지구지역냉난방사업의개요는 < 표 4-13> 과같으며, 1994 7 월에열공급을개시하였다. < 표 4-13> Koraku 1-chome 지구 지역냉난방사업개요 도입사업자 동경하수도에너지( 주) 사업허가 1992. 11. 11 공급개시 1994. 7. 1 공급구역 동경도문경구 Koraku 1-chome 지구 구역면적 21.6ha 2001. 3. 31현재 바닥면적 294,800m 2, 2001. 3. 31현재 공급건물 오락시설, 업무시설, 호텔등 ( 자료 : 박준택, 미처리하수열이용에의한 koraku 지구지역냉난방, 설비, 21(4),, 98-102, ( 04. 5).) 열공급구역 Koraku 1-chome 地區 지역냉난방시설은 東京都文京區의남부에위치하고있 으며, JR 水道橋驛북측의 21.6ha 의구역을대상으로하고있다.(< 그림 4-7> 참 조). 열공급대상은 IP 빌딩, 주택금융금고빌딩, 後樂펌프소등업무용및상업용 건물로, 연면적은약 332,000m 2 ( 사업허가단계에서) 이며, 공급능력은냉수(7 공 급) 약21Gcall/h, 온수(47 공급) 약 26Gcal/h 이며, 지역배관은냉 온수 4관식이 다. - 155 -
< 그림 4-7> Koraku 1-chome지구전경 열공급시스템 본플랜트는 < 그림 4-8> 및 < 표 4-14> 과같이냉수 온수를공급하는열공급 설비와하수열을열공급설비에공급하는열원수공급설비로구성되어있다. 열공 급설비는전전기방식을채용하고있으며, 열원기, 축열조, 펌프류, 이들의설비를 접속하는배관류, 전기설비, 감시설비로구성되어있다. 열원기는전동기구동의 열원기로서 10.5MW(3,000RT) 전동터보식열펌프 2대와다목적으로이용이가 능한 3.87MW(1,100RT) 2중콘덴서형터보식열회수열펌프 1대로구성되었고 냉매는 HCFC 123 을사용하고있다. 축열조는냉온수합계로 1,520m 3, 그중 470m 3 은냉수조/ 온수조이용의절환이가능하며계절변동에따른열수요에유연 하게대응할수있도록하였다. 열원수공급설비는취수펌프, strainer, 열원수조, 공급펌프및열교환기로구 성되어취수펌프로부터취수된미처리수는 strainer에의해협잡물을제거하고 열교환기에서미처리수의열을열공급설비측으로이동시킨후하수도간선으로 되돌린다. 열교환기는튜브내를미처리하수가통과하기때문에내식성이높은 티타늄튜브를채용하였다. 열교환기 1대당 10Gcal/h의열교환능력이있으며 열교환된물은냉각수 열원수로서열공급설비로공급된다. (< 그림 4-9>) < 표 4-14> Koraku 1-chome 지구하수열원지역냉난방주요기기구성표 열원수 기기종류 기기형식 기기사양 취수펌프 착탈식수중모타펌프 1,800 m 3 /h 8.5m 자동여과기 회전드럼식여과기처리능력 1,800 m 3 /h - 156 -
공급설비 열원수조 강제각형수조 용량 6 0m 3 공급펌프 사류펌프 1,800 m 3 /h 16.5m 열교환기 Shell&Tube형열교환기 냉수시교환열량 10Gcal/h 하수측 1,800 m 3 /h, 25.0 /30.6 지역냉방측 1,230 m 3 /h, 35.2 /27.0 온수시교환열량 7,700Mcal/h 하수량 1,800 m 3 /h, 15.0 /10.7 지역냉방측 1,230 m 3 /h, 6.5 /12.8 터보히트펌프 냉수제조능력 3,000RT(6 ) 온수제조능력 11,000Mcal/h(48 ) 열원기 터보히트펌프 냉수제조능력 3,000RT(6 ) 온수제조능력 11,000Mcal/h(48 ) 가열탑 2 중콘덴서형터보식열회수펌프 Cross flow 냉수제조능력 1,100RT(6 ) 온수제조능력 4,324Mcal/h(48 ) 냉수시 4,040Mcal/h(36 /31 ) 온수시 1,613Mcal/h(-11 /-7 ) 열공급시설 축열조펌프 성층형냉온수조 Single suction volute pump 용량 300 m 3 ( 냉수시 2,040Mcal, 온수시 2,550Mcal) 용량 170 m 3 ( 냉수시 1,156Mcal, 온수시 1,455Mcal) 용량 1,050 m 3 ( 냉수시 7,140Mcal) 냉수냉각기측 1,134m 3 /h 53m 온수콘덴서측 1,059 m 3 /h 51m 냉수냉각기측 1,134 m 3 /h 53m 온수콘덴서측 1,059 m 3 /h 51m 냉수냉각기측 416 m 3 /h 57m 온수콘덴서측 432 m 3 /h 58m 냉각수콘덴서측 812 m 3 /h 37m 냉수방열1차측 567 m 3 /h 15m 냉수방열2차측 567 m 3 /h 51m 온수방열1차측 110 m 3 /h 10m 온수방열2차측 110 m 3 /h 49m - 157 -
< 그림 4-8> Koraku 지구열공급용히트펌프 < 그림 4-9> 하수열교환기 설비의특징및하수열이용효과 이지구는신쥬쿠동부의약 940ha 로부터배출되는하수를이송하는後樂펌프 소에인접되어있으며, 後樂펌프소에유입되는하수는 1일당약 130,000m 3 로 서, 이유입하수의온도는 < 그림 4-10> 과같이계절변화가적고대기온도에비 해하절기는평균 7 낮고동절기는 10 높아하수의온도차에너지를이용하 여에너지절약을도모하고있다. 이로인해종래의공기열원방식과비교하여약 20% 의에너지절약이가능하며, 아울러 NOx, SOx, CO 2 의삭감에도기여함고아 울러대기중으로배열을방출하지않으므로열섬화현상의억제에도공헌하고있 다. 특히본시설에있어서는동일건물의지하 5 층에열공급시설을, 또한지하 1 층에열원수공급설비를설치하여열원수배관거리를짧게하였으며, 또한대형 열원기기를채용함으로시스템의간소화와공간절약화를달성하고있다. - 158 -
< 그림 4-10> 하수온도와외기온도 2 幕張신도심지구지역냉난방 열공급사업개요 일본동경千葉市에위치해있는幕張 (Makuhari) 신도시는幕張신도시지역과 幕張 신도시확대지역으로이루어져있는총면적 522ha 의대규모개발지구이다. 본신도시는에너지절약및환경문제에대응할수있는일본에서최대규모의 미래형신도시조성을추진하고있으며, 현대적오피스빌딩, 정보및리조트기능 등다양하고, 고도화된기능과국제적인환경기능을가진도시로개발되고있다. 幕張 신도시가개발됨에따라대량의물과에너지의수요가예상되어 千葉市에서 는印施沼流域下水道와花見川終末處理場에서배출되는하수처리수를재활용하 고또한지역냉난방의열원으로서이용하고자하였다. 하수처리수의재활용에있어서는고도처리한처리수를사무실, 호텔등의화장 실과연못, 분수등에재활용하며, 하수열원이용에있어서는 < 그림 4-11> 과같 이幕張신도시 Hi-Tech business지역약 48.9ha에 1990년 4월부터일본최초 로하수처리수를열원으로하는지역냉난방사업을시작하였다. 이사업은미활용 에너지이용열공급시스템사업에의한보조금을받아추진하였고, ( 재) 치바현도 시공사가사업주체가되어 1988년에사업을착수하여 1991년 6월부터열원수로 서하수처리수를이용하였으며, 총사업비는약 68 억엔이다. 하수처리수송수설비는송수펌프설비와송수관으로구성되어있으며, 花見川 終末處理場의하수처리수는송수펌프에의해송수관과열원수도관을통해플랜트 에공급하고花見川第二次終末處理에서처리된하수는재이용한후하마다 - 159 -
(Hamada) 천으로방류된다. < 그림 4-11> 마쿠하리신도시 Hi-Tech business지역열공급구역전경 열공급플랜트개요 하나미가와종말처리장의하수처리수배열을열원으로한전기구동히트펌프에 의해연중상시로온수와냉수를제조하여지역도관에의해동지구내의수요가 에공급하며, 본지구에서의열공급조건은 < 표 4-15> 와같다. 플렌트의주요설 비의용량은 < 표 4-16> 와같으며, 하수처리수를이용한히트펌프시스템의개 략도를 < 그림 4-12> 에나타내었다. < 표 4-15> 마쿠하리신도시지역열공급조건 구 분 온도( 허용범위) 또는압력범위 송수온도 냉수 7 (6-8 ) 온수 47 (45-49 ) 환수온도 냉수 14 (13-15 ) 온수 40 (38-42 ) 압력 송수관 2.0-5.5kg/cm 2 G 환수관 2.0-5.5kg/cm 2 G - 160 -
< 표 4-16> 플랜트의주요설비용량 설비명 단위 용량 냉각 (RT) 3,000 x 4 대, 1,250 x 2대 하수처리수열원히트펌프 가열 (Mcal/h) 9,510 x 4 대, 4,279 x 2대 냉각 (RT) 1,500 x 1 대, 750 x 2대 가열 (Mcal/h) 4,984 x 1 대, 2,747 x 2대 3,000 x 1 1,690 x 2, 700 x 1 공기열원히트펌프 ( 열회수형) 냉동기 냉각 (RT) 대 전기식증기보일러증기발생량 kg/h 대 대 냉열 ( 합계) (RT) 20,500 온열 ( 합계) (Mcal/h) 57,076 증기 ( 합계) kg/h 4,080 < 그림 4-12> 하수처리수이용히트펌프열공급시스템 에너지절약효과 8 월( 냉수), 2 월( 온수) 에있어서하수처리수를열원으로한히트펌프의성적계수 (COP) 와전력소비량을비교하여 < 표 4-17> 과 < 표 4-18> 에나타내었는데, 소비 전력량을기준으로하여비교할때, 냉열제조에는약 13%, 온열제조시에는약 43% 의에너지절약효과가있다. 또한연간냉열및온열제조시절약효과를비 교하기위하여연간평균성적계수와전력소비량을비교하여그결과를 4-19>, < 표 4-20>, < 표 4-21> 에나타내었으며, 연간에있어서소비전력량을 기준으로하여비교할때냉열제조시에는약 7%, 온열제조시에는약 33% 의에 너지절약효과가있음을알수있다. 공기열원열펌프이용및발전소에서배출되는연소배가스와비교하여계산할 < 표 - 161 -
때, 이산화탄소는약 39%( 약 6,800t), 질소산화물은약 40%( 약 2,900kg) 을저감 시킬수있었고, 더불어하수열원을이용한마꾸하리열펌프시스템은공기열원 이용열펌프시스템에비교할때연간 로나타났다. 12만톤의냉각수를절약할수있는것으 < 표 4-17> 열원사향별열펌프의성능계수 (8 월/2 월) 냉수제조 온수제조 구 분 공기 하수처리수 압축기 COP 4.69 4.75 시스템 COP 3.80 4.37 압축기 COP 3.73 6.07 시스템 COP 3.06 5.36 < 표 4-18> 하수처리수이용시전력소비량비교 (1Tcal 당) 구분 공기열원 하수처리수열원 전력절약효과 냉열 306 MWh 266 MWh 13% (40 MWh) 온열 380 MWh 217 MWh 43% (163 MWh) < 표 4-19> 냉열제조연간평균성적계수 공기열원시 구분 하수처리수열원시 제조열량 (Gcal/ 연) 사용전력량(MWh/ 연) ( 본체+ 보조기기) COP ( 시스템) R-1 11,606 3,413 3.95 R-2 2,696 858 3.36 합계 14,302 4,271 3.89 R-1 15,808 4,289 4.28 R-2 5,294 1,596 3.86 합계 21,102 5,885 4.17 < 표 4-20> 온열제조연간평균성적계수 제조열량사용전력량(MWh/ 연) COP 구분 (Gcal/ 연) ( 본체+ 보조기기) ( 시스템) 공기열원시 R-2 555 191 3.38 하수처리수열원시 R-2 663 153 5.04 < 표 4-21> 하수처리수이용시전력소비량비교 ( 연간) 구분 공기열원 하수처리수열원 전력절약효과 냉열 6,984 MWh 6,515 MWh 7%(469 MWh) 온열 640 MWh 429 MWh 33%(211 MWh) - 162 -
다. 스웨덴에서의하수열이용지역열공급 1 스톡홀름소르나 도입개요 소르나하수처리수이용지역열공급플랜트는소르나지역남서부에건설되어 있으며소르나산디파크시의일부에배관망을묻어오피스빌딩, 공장, 집합주택 등의난방, 급탕용으로열공급을하고있다. 플랜트는 1985년봄부터가동을개 시하였으며금후에는대단위산업용의수요확대를목표로하고있으며현재스 웨덴철도의엔진재상용으로의사용도검토되고있다. 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-22> 와같으며, 히트펌프출력합계는 120MW 이고, 공급열매는고온수형태로공급온도는 78 이며, 주로오피스빌딩, 공장, 집합 주택의난방급탕용으로이용되고있다. < 표 4-22> 소르나하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태 열원 종별/ 용도하수처리수 규모 ( 전기/ 열 MW) 열조건 ( 온도, 압력계) 처리수량: 평균 1,800 l/s 히트펌프출력 :30MW 4 수온 :13 공급온도78 회수온도 40 수요 오피스빌딩, 공장, 집합주택의난방급탕용 공급면적: 약 12km2인구:50000명 공급온도 : 급수 80 환수 40~ 50 ( 자료 : 박준택, 하수열이용에의한오슬로 Sandvika 지역냉난방, 설비, 21(1), 117-120, (04. 1)) 공급지역 공급지역은약 12km2인구약 50000 명으로외관을통일한오피스빌딩거리, 집 합주택거리로구성되어있다. 시스템구성 하수처리수는지역열공급플란트로부터 4.7 km 떨어진하수처리장으로부터파이 프라인으로운반되어플란트지하의저장탱크에저장해두고펌프로각히트펌 프유니트의증발기로공급되고있으며, 각수요가에공급하고있다. 시스템특징 히트펌프유니트로부터가열된온수를 이용할수있는하수처리장은평균 1,800 l /s( 수온 13 ) 이지만강수량의영향 - 163 -
을받아공급량이변동하며, 특히동계에수량확보가곤란하기때문에일부인 접한메라렌호수의물을펌프로끌어와시스템수량을확보하는방식을취하고 있다. 연간을통하여평균히트펌프성적계수는 3.0 정도이며, 히트펌프에이용된 후의하수처리수( 수온 0.5 이상) 는발트해로방류되고, 히트펌프에의해가열된 온수는엄동시에피크부하에대응하는 6대의전기보일러로재가열되어수요가 에공급되는데, 공급수온도는외기온도에따라변동이발생한다. 2 스톡홀름하마비 도입개요 스톡홀름에너지사의하마비플랜트는열원으로써스톡홀름최대의하수처리장 Henriksdal 에서정화처리된배수를이용한지역난방을하고있으며, 하마비플 랜트는 1986년 9 월에영업운전을개시하여, 1989년현재고객수 350 호, 판매열 량 750GW 이다. 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-23> 과같다. 히트펌프출력합계는 114MW 이며, 공 급열매는고온수형태로공급온도는동계 120, 기타계절 70 이다. 주택 350 호난방용으로이용되고있다. < 표 4-23> 하마비하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태 열원 수요 종별/ 용도하수처리수히트펌프보조보일러( 전기, 오일) 주택 350호난방용 규모 ( 전기/ 열 MW) 열조건 ( 온도, 압력계) 수량 1-5 m3/s 6-20 32 MW 2 25 MW 2 전기 :40 MW 2 오일 :80 MW 2 기타동계에는전기, 오일보일러로추가난방을한다. 공급온도공급: 동계 120 기타계절 70 환수: 동계60 기타계절 45 공급지역 시스템특징 : 350호의주택에공급 하수처리수의온도는연간을통하여 6-20, 하수처리수(1-5 m3/s) 는하수처리 장에서암반으로된터널을통하여하마비플랜트까지펌프로보내어져흡열된 후 3-10 가된다. 하수처리수를환수하는과정에터빈발전기(0.3 kw) 를설치하 - 164 -
여 10m의낙차를이용해발전을하고취수펌프소비전력의 1/3을회수하고있 다. 하수처리수를이용하고있기때문에증발기에전열면의오염되기쉬우므로 컴퓨터관리에의한클리닝을매 2 시간마다실시하고있다. 한겨울에는히트펌프 만으로는수요를감당할수없기때문에피크로드의대책으로써보조보일러( 전 기, 오일) 를설치하여운전하고있다. 3 마루메시 도입개요 마루메시의지역난방은 1951년부터시작하여코스트다운을위하여적극적으 로노력하여, cogeneration, 쓰레기소각열이용, 하수처리장발생열이용, 인접 의각공장배열이용등으로축열조를이용하여효과를높이고있으며, 루메시주민의 시스템이용형태 90% 에게열공급을실시하고있다. 현재마 시스템이용형태는 < 표 4-24> 과같으며, 히트펌프출력합계는 40MW 이고, 공급열매는고온수형태로공급온도는통상 85 이고최대 120 이며, 주택대상 이 80%, 공장및상점등기업이 20% 로난방용으로이용하고있다. < 표 4-24> 마루메시하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태 종별/ 용도 규모 ( 전기/ 열 MW) 열조건 ( 온도, 압력계) cogeneration 열용량 300 MW 쓰레기소각플랜트 75 MW 열원 하수처리플랜트 40MW ( 히트펌프) 공장배열 설탕공장 20 MW카본필렛 18 MW페리크롬 20 MW 온도: 공급85 ( 통상)-120 (max), 환수 50-60 압력 :16 bar (16.53kgf/ cm2) 보일러 석탄 125 MW천연가스 5 MW전기 100 MW공정가스 4 0 MW오일 320 MW 수요 주택대상이 80%, 공장및상점등기업이 20%: 난방용 전력 1.2TWh / 년난방 2.2TWh/ 년 (1,892T cal) 최대열부하는 850MW 기타 축열조있음 km 공급지역 마루메시의 90% 주민에게열공급을하고있으며, 지역배관은총연장 460 구경 150-1100ø의 2 관식이다. 시스템구성 마루메시하수처리수이용지역열공급시스템의개략적인구성도는 < 그림 - 165 -
4-13> 과같다. Cogeneration 300MW 쓰레기소각플랜트 75 MW 하수처리플랜트 40MW 공장배열이용 58MW 보일러 590MW 고온수 85-120 C 16 bar 50-60 C 수요가 : 주택 (80%), 공장및상점등기업 (20%) < 그림 4-13> 마루메시하수처리수이용지역열공급시스템의구성도 시스템특징 열공급온도는외기온도에따라변화하며, 통상 85 이고외기온도가 10 이 하가되면온도를높여최대 120 로한다. 4 우프사라시 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-25> 와같이히트펌프출력합계는 39MW 이며, 공급 열매는온수형태로공급온도는 60-70 로서가정, 업무의난방용과산업프로 세스용으로이용하고있다. < 표 4-25> 우프사라시하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태 종별/ 용도 규모 ( 전기/ 열 MW) 열조건 열원하수처리수 ( 히트펌프:2단압축전동 터보 ) 처리수량: 평균 6,300 m3/ 일 히트펌프출력:13MW 3대처리수온도 :10-18 ( 온도, 압력계) 배수온도 2-4 기타연간평균 COP = 약 3 수요 가정, 업무, 산업용 : 난방, 공급온도 프로세스용 : 공급수 50-70 환수 60~ 80 공급지역 - 166 -
지역열공급은시내전역을공급대상으로하고있으며, 시열수요의약 98% 를 공급하고있다. 메인공급플랜트이외에는태양열플랜트, 하수처리배열이용열 펌프를중심으로한소규모공급지역이 2 개소있으며, 배관은공급관(85-120 ), 환수관(55-75 ) 의 2관식으로총연장은약 310 km 이다. 시스템특징 센터플랜트가 Wood chip, 피트, 도시쓰레기등을연료로하는발전플랜트에 의한전력과온수를공급하고있으며, 기타플랜트에서는하수배열이용히트펌프 에의한온수공급이나태양열이용지하축열식공급( 전기보일러병용) 이열량가 격을고려하여복합적으로이용하고있다. 하수폐열이용히트펌프플랜트는우프 사라시내의하수처리수를열원으로하며총열량은 39MW 이다. 약 350m 떨어져 있는하수처리플랜트에서처리후의배수를직경 1m 파이프로끌어들여히트펌 프로열회수한후다시펌프스테이션으로부터방류한다. 열원수 ( 하수처리수) 는 6,300 m3 / 일, 온도10-18 으로서연간을통하여시스템성적계수는약 3 정도를 달성하고있다. 플랜트의운전은약 2km 떨어진 Center Control Room에서원 격으로조정하고있다. 5 요테보리시 도입개요 요테보리시의지역난방열공급 Network는 1986년에현재의모양을갖추었으 며, 열( 온수) 공급배관의총길이는 390km 에달하고, 배관은최대직경1,100 mm, 말단의직경 22 mm 가사용되고있다. 압력은 16 bar 이며, 온도는겨울의 경우최대치인 120 로, 통상적으로 80-90 로운전된다. 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-26> 과같으며, 열수요는집합주택 60%, 개인주택 5%, 오피스 35% 이다. < 표 4-26> 요테보리시하수처리수이용지역열공급시스템의이용형태 열원 종별/ 용도공장배열쓰레기소각배열 하수처리수배열 수요 집합주택60%, 개인주택 5%, 오피스 35% 규모 ( 전기/ 열 MW) 연간 582 MW 연간 602 MW 75-88 까지승온 열조건 ( 온도, 압력계) 압력 16bar, 온도는겨울의 peak시 120, 통상 80-90 - 167 -
공급지역 요테보리시는인구 43 만명, 스웨덴제2 의도시인데, 이곳에전기, 열, 가스를 공급하는요테보리에너지공사이며, 열공급사업은계약자수 4700, 계약열량 1,600 MW, 배관연장 390 km, 연간열공급량 2,800 Wh로 60% 가집합주택, 5% 가개인주택, 나머지 35% 가오피스이다. 시스템구성 요테보리시의열공급열원은주로석유정제소의폐열, 쓰레기소각열, 히트펌 프에의한하수폐열회수등의각종폐열로서전체약 시스템특징 60% 를점하고있다. 히트펌프에의한하수폐열이용에는 4 기가도입되어, 열매체로는 R12를이용하 여 8-18 의하수로부터열을끌어올려회수온도 55-60 의온수를 75-88 까 지승온하여수요처에공급하고있다. 다. 노르웨이에서의생하수열이용사례 1 바륨산드윅카지구 도입개요 오슬로시교외약 10KM에위치하는산드윅카지구의지역열공급계획은 1985 년가을에시작하여경제성검토와함께에너지문제, 환경문제등의검토 결과하수를열원으로한히트펌프방식이최적시스템이라는결론을얻었으며, 에너지국의지원하에서바륨에너지공사에의해사업화가추진하였다. 1986년 가을부터시스템의실시설계를하여 1987년 3 월에열플랜트, 5월에지역열공급 관의건설공사에착공하고 1988년여름에 TEST 가동하였다. 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-27> 과같이히트펌프냉온수출력합계는 23MW이 며, 공급열매는고온수 78, 냉수5 로서오피스빌딩, 상업용빌딩, 주택의냉 난방용으로이용하고있다. 공급지역 공급대상지역은산드윅카지구의약 27 만m2로, 지역내의오피스빌딩, 상업 빌딩, 주택을대상으로하고있으며, 공급대상건물의연바닥면적은신설건물 30 만m2, 기존건물 20 만m2, 계 50 만m2이다. 시스템구성 열플랜트는하수터널에인접하여파놓은바위굴내에건설되어있으며, 하수 터널에서생활하수를취해열펌프의열원으로하였다. 연간을통하여냉수, 온수 - 168 -
의동시공급이가능한시스템이며, 고있다. 시스템특징 각건물로의공급은열교환기방식으로행하 열원으로이용되는하수는오슬로의서쪽에서배출되어하수장에도달하며, 열 플랜트는이하수터널에인접하여파놓은바위굴속에건설되었으며하수터널 에서생활하수를끌어들여히트펌프의열원으로하고있다. 지역배관은온수관이 총연장 10 km, 최대직경 450 mm, 냉수관의총연장 4km, 최대직경 450 mm 으로매설되어있다. 연간을통하여냉수, 온수의동시공급이가능하며, 수요가는 회수온수를이용하여건물앞의도로융설을할수있으므로기계적제설에필요 한비용에비해약절반의비용으로제설이가능한셈이다. < 표 4-27> 바륨산드윅카지구의생하수이용지역열공급시스템의이용형태 종별/ 용도생활하수 규모 ( 전기/ 열 MW) 열원 수열원히트펌프 2 대 하수량 : 3 m3/s 온수 14MW 냉수 9MW 오일보일러 21.5MW 3 대 수요오피스빌딩, 상업용빌딩, 주택연면적 50만m2온열: 60GWh/ 연냉열: 12GWh/ 연 열조건 ( 온도, 압력계) 수온 10 공급 78 회수 40 5 13 2 오슬로시스코얀웨스트 도입개요 스코얀웨스트지역난방플랜트는 1936년에오슬로시내에건설된하수의파이 프라인에주목하고생활하수를이용한지역난방플랜트로서 개시하였다. 1985년에열공급을 하수의경우자연흐름에의해하류의처리장으로모아처리하므로 하수처리수를이용하는경우거기서열교환하여만든온수를다시파이프라인으 로멀고도높은위치의수요가까지압송해야하기때문에, 이시스템에서는하수 처리장의도중에플랜트를설치하여생활하수를열원으로하는지역난방플랜트 를채용하였다. 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-28> 과같이히트펌프출력합계는 8MW 이며, 공급 열매는고온수 85 으로오슬로시 2,500 호의난방용으로이용하고있다. 공급지역 : 오슬로시내 2,500호 - 169 -
시스템특징 하수처리장은열수요지에서위치적으로낮기때문에하수처리수를이용하기 위해서는하수처리장보다도위치적으로높은수요지까지이송해야하기때문에 이시스템은하수처리장의도중에플랜트를만들고생활하수를이용하고있다. 공급처와의높이차는 55m 이나되므로수압을높이고, 동시에시스템내에열교 환기를직접설치하는시스템을채용하고있으며증발기는화학세제( 가성소다 등) 의화학처리와고압수에의한세정에의해쓰레기나오염의부착을경감시키 고있다. < 표 4-28> 스코얀웨스트지구의생하수이용지역열공급시스템의이용형태 열원 종별/ 용도생활하수전기보일러오일보일러 규모 ( 전기/ 열 MW) 히트펌프 2MW 4 대처리수량 3.5 m3/s 6MW 2 대 2MW 5MW 수요오슬로시 2,500 호의난방 열조건 ( 온도, 압력계) 수온 : 10 ( 초봄최저7-8 ) 증발기입구 11 출구 10 기타전기보일러및오일보일러는 Back up 용 공급온도 : 급수 85 환수 65 3 오슬로시 도입개요 오슬로는노르웨이의수도로 45 만의인구가살고있는데, 오슬로시에있어서 의지역열공급시스템은 4 개의열공급설비로구성되어있으며, 75,000명의주 거와사무실에열공급을하고있다. 시스템이용형태 시스템이용형태는 < 표 4-29> 와같이히트펌프출력합계는 21MW 이며, 공급 열매는고온수 공급지역 오슬로시내의 70-80 이다. 4개지역은각각독립한파이프라인으로열을공급하고있으 며, 열공급온도는히트펌프이용지역은 70-80, 기타지역은 120 ( 회수80 ) 이다. 시스템특징 오슬로시내의 Soyen Vest 지역의암반을굴착한중간에있으며, 현재 1대의 - 170 -
히트펌프, 2 대의전기보일러, 2 대의오일보일러로구성되어있으며, 연간 28GWh 의열을공급하고있다. 생활하수는오슬로시의지하를흐르는것으로 평균온도 10-11 로초봄의저온의경우는 7-8 이다. 증발기는 plate형열교환 기이며, 하수는열교환기를들어가기전에 2대의회전형 filter로커다란쓰레기 를걷어내고그후정화처리되어바다에방류한다. 압축기는스크류형이고, 냉 매는 R12, 승온된공급열은 70-80 이며, 공급량이부족할때에는전기보일러 와오일보일러로추가로운전한다. < 표 4-29> 오슬로시의생하수이용지역열공급시스템의이용형태 열원 종별/ 용도열펌프( 하수처리수) 전기보일러오일보일러 규모 ( 전기/ 열 MW) 열조건 ( 온도, 압력계) 2MW 4 12 MW 고온수 :70-80 5MW (2MW Back up 용) 4.2.2 소화가스발전 가. 소화가스이용발전예 우리나라에서소화가스를이용한발전은제주하수처리장, 부산수영하수처리장, 서울중랑, 난지, 탄천하수처리장등에서시행되고있다. 제주도에서는 2005년도지역에너지사업으로제주시하수처리장에서발생하는 메탄가스를소화조온도상승용연료로사용하던것을열병합발전을통해생산되 는전력으로대체할목적으로소화가스발전사업을추진하였다. 열병합발전용량 은 420kw 2 기이고, 소수력발전량을포함, 총전력사용량의약 21% 인 1.200 MWh(76 백만원/ 년) 를대체할수있을것으로기대하고있다. < 그림 4-14> 에는 소화가스처리공정도가, < 그림 4-15> 에는열병합발전설비계통도가, 그리고 < 그림 4-16> 에는예상소화가스발생량이제시되어있다. - 171 -
< 그림 4-14> 소화가스처리공정도 < 그림 4-15> 열병합발전설비계통도 - 172 -
< 그림 4-16> 예상소화가스발생량 부산수영하수처리장에서는 7500kw급발전기 1 기를준공하여가동중이다. 탄 천물재생센터에서는 2006년 4월부터소화가스를연료전지발전에이용하고있 다. 연료전지는 250 kw 로, 전해질은용융탄산염이며, 발전효율은 47% 로알려져 있다. 연료전지설치비용은 30 억원이며, 소화가스사용량은 2,400 m3/ 일이다. 연 간 1억 9 천만원에너지절감효과 ( 전력 180만Kwh, 온수 33 천m3) 를기대하고있 다 나. 부천시굴포하수처리장의에너지자급율산정예 부천굴포하수처리장의처리용량은하수 750,000 톤/ 일(1단계-600,000 톤/ 일, 2 단계1차-150,000 톤/ 일), 분뇨 500 톤/ 일, 재이용 45,000 톤/ 일이다. 처리방식은 1 단계시설은표준활성슬러지법, 2 단계시설은고도처리(4-Stage BNR) 공법을이 용하고있으며, 재이용처리시설입상황생물막여과 (SBF) 공법을사용하고있다. 전력사용량현황은 < 그림 4-17> 에나타낸바와같다. 1 단계활성슬러지처리(60 만톤) 공정의총전력사용량은 4.3MW 이며, 이중송풍기가전체전력사용량의 35%, 유입펌프가 29% 를소모하고있다. 전력사용율은설계용량의 38% 이다. 2단계 4 stage BNR(15 만톤) 공정의총전력사용량은 1.87MW 이며, 이중송풍기 가전체전력사용량의 49%, 유입펌프가 33% 를소모하고있다, 전력사용율은설 계용량의 31% 이다. - 173 -
4% 7% 6% 1 단계활성슬러지 5% 8% 3% 2 단계 BNR 5% 9% 31% 침사및 1차침전지유입펌프 34% 송풍기 2 차침전지 38% 총전력사용량 4.3 MW / 60만톤 건축부대장내급수소화설비 50% 총전력사용량 1.87 MW / 15 만톤 < 그림 4-17> 굴포하수처리장 1, 2 단계전력사용현황 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 굴포하수처리장의슬러지처리현황을살펴보면소화효율은 42%, 가스발생량 은 15,789 m3/day 이며, 발생가스중 11,924 m3/day는가온등을위한보일러에이 용하고있으며, 그밖의 3,864 m3/d 는소각처리하고있다. 현재발생가스를이용한 발전잠재력은가스엔진( 발전효율 30%) 의경우 929 kw 이며, 이를통해하수처리장 에너지자급율 15% 를달성할수있다. 발전효율이높은연료전지( 발전효율 50%) 를이 용할경우발전량은 1548 kw 로, 이경우에너지자급율은 25% 로높아진다. 한편 하수 BOD를기준으로한발전잠재력및에너지자급율은가스엔진의경우각각 1928 kw 및 26%, 연로전지의경우각각 3123 kw 및 43% 로산정되었다. 다. 일본의소화가스발전예 1 요코하마시하수슬러지처리센터 요코하마시슬러지처리센터에서는복수의처리장에서발생하고있는슬러지를 모아처리하고있다. 슬러지유입량은평균약 5,700 m3/ 일( 고형물농도약2.1%) 으 로약 4,000,000 m3의대량의소화가스가발생하고있으며, 종래소화가스는소화 탱크의가온에만이용되고있었지만, 동처리센터에서는그유효이용을한층꾀하 기위해가스발전을도입함으로써에너지형태로서범용성이있는전기에너지로 변환을하여소화가스유효이용의확대를도모하고있다. ( < 그림 4-18> 와 < 그림 4-19> 참조). 협기성소화법은중온소화를채택하고있으므로소화탱크내의슬러 지를필요한온도로가온하여유지해야한다. 종래의소화프로세스에서는소화가 스를연료로이용한보일러로증기를발생시켜, 그증기를직접사용하는방법으 - 174 -
로 가온했었지만, 동 처리센터에서는 소화가스 엔진에 의한 코제너레이션시스템으 로부터의 회수열로 온수를 얻어 슬러지와의 열교환에 의해 가온하고 있다. <그림 4-18> 요코하마시 하수도국 북부슬러지처리센터의 슬러지소화조와 소화가스발전시설 <그림 4-19> 요코하마시 슬러지처리센터의 소화가스발전시설 소화가스발전설비의 흐름도는 <그림 4-20>에 나타낸 바와 같다. 소화가스를 연료로 하는 가스엔진은 일반적으로 2중 연료식 가스엔진과 불꽃점화식 가스엔진 (spark ignition engine)의 두 가지로 분류된다. 2중연료식 가스엔진은 기체연료 인 소화가스가 부족할 때에 액체연료만으로 운전을 계속할 수 있는 특징이 있어, 구미에서 많이 채용하고 있는 형식이나, 연료공급계통의 구조가 비교적 복잡하고 항상 8 15%의 파이롯트 연료를 필요로 하기 때문에 발전원가가 비싸다는 등의 문제가 있다. 불꽃점화식 가스엔진은 점화플러그가 소모품이고, 그 수명이 짧다는 - 175 -
문제가있지만, 엔진구조가자동차용가솔린엔진과유사하여비교적단순하고소 화가스만으로운전할수있는장점이있어, 로, 동처리센터에서도불꽃점화식가스엔진을채용하고있다. 일본에서널리채용되어있는방식으 소화가스엔진으로는열병합발전시스템을채용함에의해배기가스의폐열을회 수하고있다. 폐열회수방법에는온수회수방식과증기회수방식이있는데, 온수회 수방식은엔진의폐열을온수로서온수보일러로회수하는방법으로열회수율은 50 55% 로비교적높지만, 통상 100 이하의온수이기때문에여열을그외에 이용하는경우에는제약이있다. 증기회수방식은엔진의폐열을폐가스보일러혹 은비등냉각엔진을이용하여증기로서회수하는방법으로여열이용에증기를쓸 수있기때문에이용범위가넓기때문에, 동처리센터에서는이증기회수방식에 의해서배열을회수하여고온열원으로서잉여열량의유효이용을꾀하고있다. 소화가스엔진의폐열회수에사용되고있는비등냉각엔진시스템의개념도는 < 그림 4-21> 에나타낸바와같다. 비등냉각엔진은보일러의드럼에해당하는기 수분리기를엔진의상부에마련한것으로, 엔진의자켓및실린더헤드에유입하여, 하부에있는포화수에가까운온수는 여기서가열되어다시기수분리기로유 입되며, 여기서더욱배기가스의열을흡수하고압력1.05kg/ cm3 G, 온도121 의증 기가만들어지는데, 증기회수방식은구미에서많은실적이있다. 소화가스발전기에의한전원과상용전원을상시병렬운전으로사용하는경우, 발전기의기종으로서는유도발전기와동기발전기가있다. 유도발전기의경우, 상 용전원과의병렬운전은지극히용이하지만, 상용전원이소실하면발전할수없게 되고, 동기발전기의경우는단독운전, 병렬운전과도가능하다가상용전원과병렬 운전중에상용전원이소실하면그때의부하가단숨에발전기측에이행하여과부 하로돌발정지할우려가있고, 또한정지하지않은경우에는상용전원측에역송 전할우려가있다. 따라서발전설비단독으로운전이가능하고, 상용전원의정전 시에도운전이가능한동기발전기를채용하고있다. 1992 년도의운전상황을보면, < 표 4-30> 과같고, 또한소화조의월별운전상 황은 < 그림 4-22> 에, 운전실적과소화가스의성분농도를각각 < 표 4-31> 와 < 표 4-32> 에나타낸바와같다. 이들의도표로부터알수있듯이, 유기물부하및투 입슬러지량은하기에저하하여동기에상승하고있다. 또한투입슬러지의 VS 농 도는 4월의 73% 부터다음 3월의 79% 로점증경향을보이고있다. - 176 -
< 그림 4-20> 소화가스발전설비흐름도 < 그림 4-21> 비등냉각엔진개념도 - 177 -
< 표 4-30> 요코하마시슬러지처리센터의운전상황(1992 년도) 유입슬러지량기계농축공급량소화탱크투입량소화슬러지량탈수케이크량소각량소각회발생량소화가스발생량발전전력량 처리량 TS (%) VS (%) 2,078 10³ m3/ 년 5,154 ~ 6,913 m3/ 년 1.7 ~ 2.4 74 ~ 84 2,104 10³ m3/ 년 5,269 ~ 7,047 m3/ 년 1.7 ~ 2.4 72 ~ 81 511 10³ m3/ 년 1,683 ~ 2,343 m3/ 년 4.3 ~ 5.8 72 ~ 81 510 10³ m3/ 년 1,610 ~ 2,169 m3/ 년 2.7 ~ 3.6 54 ~ 64 96,000 t/ 년 239 ~ 283 t/d 20 ~ 22 54 ~ 63 102,509 t/ 년 243 ~ 303 t/d 10,825 t/ 년 23 ~ 35 t/d 14,779 10³ N m3/ 년 33,920 ~ 48,210 N m3/d 18,425 10³ kwh/ 년 44,130 ~ 59,320 kwh/d 투입VTS(%) + 인발VTS(%) 감소량(%) 소화율(%) 가스발생율 유기물부하(-10kg VTS/ 탱크m3 D) < 그림 4-22> 소화탱크운전상황 - 178 -
< 표 4-31> 소화탱크운전실적 투입농축슬러지량 소화슬러지량 소화일수 항목 운전실적 1992 년도 ( m3/ 일) 1,018 ~ 1,898 TS(%) 4.3 ~ 5.8 VTS (%) 72 ~ 81 ( m3/ 일) 1,052 ~ 1,797 TS(%) 2.6 ~ 3.6 VTS (%) 54 ~ 64 ( 일) 21 ~ 41 소화온도 ( ) 36.0 용적부하 (kgvts/ m3/ 일) 1.0 ~ 1.6 고형물감소율 (%) 34 ~ 146 유기물감소율 (%) 50 ~ 58 가스발생량 (N m3/ 일) 21,240 ~ 39,800 가스발생율 (N m3/kg-vts) 0.53 ~ 0.62 가스발생율 (N m3/ m3 투입슬러지량) 20 ~ 25 < 표 4-32> 소화가스성분농도 구성성분 농도 (v/v%) 1992년도 메탄 58.5 ~ 59.7 이산화탄소 34.6 ~ 37.6 그외 3.3 ~ 6.1 < 그림 4-23> 로부터알수있는것과같이가스발전의열수지상으로볼때소 화가스발생량의약 57% 를이용하고있는것에불과하며, 배기가스등으로손실 하고있는것중에서약 다. 20% 정도는더이용하는것이가능할것으로계산되었 - 179 -
< 그림 4-23> 가스발전열수지 농축슬러지는슬러지처리의과정에서여러형태로변화하지만, 슬러지의 VS의 변화결과를슬러지가가진잠재에너지벨런스로서제시한것이 < 표 4-33> 이고, 이를그림으로변환한것이 < 그림 4-24> 이다. < 그림 4-24> 로부터슬러지의잠 재에너지중에서 1992년도에서는 24.2% 를유효이용되고있음을알수있다. < 표 4-33> 슬러지처리와관련된에너지수지 전력 연료도시가스소화가스소계 합계 kwh/ 일 Mcal/ 일 구성비 Mcal/ 일 Mcal/ 일 Mcal/ 일 구성비 Mcal/ 일 구성비 슬러지수송 4,586 3,944 0 0 0 3,944 슬러지수입설비 3,166 2,724 5 0 0 0 0 2,723 0.8 기계농축설비 10,752 9,247 17 0 0 0 0 9,247 2.7 소화설비 9,784 8,414 15 0 0 0 0 8,414 2.5 가스발전설비 2,336 2,009 4 16 153,393 153,409 54 155,418 45.5 탈수설비 8,538 7,343 13 0 0 0 0 7,343 2.1 소각설비 29,373 25,261 46 92,060 41,129 133,189 46 158,450 46.4 센터소계 63,949 54,997 100 92,076 194,522 286,598 100 341,595 100 합계 68,535 58,941 92,076 194,522 286,598 345,539-180 -
< 그림 4-24> 슬러지잠재에너지벨런스 2 旭川市 북위 하수처리장 43도에위치하는아사히카와시는일본내에서도가장추위가심한엄한다 설지역이고, 또한하수처리장은시민생활을지탱하는도시기반시설로서동결이나 눈에의해처리장기능의저하나정지되는일이없도록안정한에너지시스템의 구축과함께, 자원및에너지절약에의한처리장비용을저감하는것이과제로되 어왔다. 이에착안한것이소화가스발전시스템이며, 가동후 17년이경과한현재 소기의성과를올리고있다. 아사히카와시의하수도사업은 1964년 11 월에龜吉 (Kameyoshi) 하수종말처리 장의운전을시작한이래, 대규모단지조성등시가화가순조롭게진행되고주요 간선이정비됨과동시에아사히카와광역권하수도계획이마련된것등에의해 1976년 9월에서부하수종말처리장의건설에착수하여 1981년 4월에고급처리시 설 1계열 18,000 m3/ 일운전이시작되었다. 1999년도말아사히카와시의정비 상황을보면, 처리구역면적은시가화구역면적의 90% 인 7,058ha의정비를끝내고 관총연장 1,708km, 처리구역내인구 332,260 명, 총인구보급율은 91.7% 로되어 2000년현재보급률 95% 를목표로정비를진행시키고있다. 하수종말처리장은 1처리구 2처리장으로서하수처리센터가일처리능력 126,000 m3, Kameyoshi 하수종말처리장이 45,000 m3로현재운전하고있다. 두 - 181 -
처리장모두표준활성오니법을채용하여슬러지처리는처리의일원화로효율화 를꾀하기위해 Kameyoshi 하수종말처리장의발생슬러지를약 4km 떨어진하 수처리센터까지펌프로압송하여통합처리하고있다. 또한 1996년 4월부터슬러 지소각로( 유동상방식, 소각능력 80t/ 일) 를가동하고있다. 아사히카와시의슬러지처리방식은 < 표 4-34> 와같이농축후감량화와안정 화를꾀하기위하여혐기성소화법을채용하고, 최종적으로는소각재로서쓰레기 최종처분장으로반출하여매립처분하고있다. 하수슬러지에는다량의유기분이포 함되고있기때문에소화처리의단계에서는슬러지중의유기분의분해에의해메 탄가스를주성분으로하는소화가스를발생하며, 운발열량을가지고있기때문에그이용방법도다양하다., 이소화가스는도시가스에가까 아사히카와시에서는 노통연관보일러의연료로서관내의난방이나소화조의가온을하거나가스발전기 의연료혹은슬러지소각로의보조연료등으로이용하고있다. < 표 4-34> 소화조 탈수처리 소각처리 아사히카와시의슬러지처리개요 소화조투입 소화조인발 슬러지량 ( m3) 145,781 인발량 ( m3) 155,602 TS(%) 4.44 TS(%) 2.19 VS(%) 82.9 VS(%) 67.3 농축슬러지 소화슬러지 슬러지량 ( m3) 48,778 슬러지량 ( m3) 157,767 TS(%) 4.10 TS(%) 2.19 소각량 최종처분 탈수케잌 (t) 26,684 건조회분 (t) 1,099 잔사 (t) 157 가습회분 (t) 1,587 계 (t) 26,841 모래 (t) 126 소화조의상태는 < 표 4-35> 에, 소화가스분석결과는 < 표 4-36>, 소화가스이 용현황은 < 표 4-37> 에제시되어있다. - 182 -
< 표 4-35> 소화조의상태 소화율소화일수유기물부하율가스발생배율 % 일kg/ m3 평균 56.4 38.5 0.99 17.2 최대 65.1 64.7 1.61 22.8 최소 46.2 26.9 0.42 11.1 배 < 표 4-36> 소화가스분석 탈황전 탈황후 CH 4 CO 2 H 2 S CH4 CO 2 H 2 S % % mg/ l % % mg/ l 평균 59.1 38.0 490 64.9 31.0 140 최대 60.5 41.5 580 68.5 33.5 240 최소 56.5 33.5 350 62.0 25.5 45 < 표 4-37> 소화가스이용현황 소화가스이용상황 소화가스발생량 ( m3) 2,418,532 발전기 ( m3) 273,201 보일러 ( m3) 930,931 슬러지소각로 ( m3) 1,193,296 잉여연소 ( m3) 21,843 아사히카와시의하수도보급율이증가됨에따라서처리장의유지관리비도증 가하고, 그중에서도전기요금이상당한비율을차지하여 1983년당시에인건비 를제외한처리장유지관리비의 47% 에도달하고있었다. 또한보일러에사용된 나머지미사용소화가스는잉여가스로서소각처분되고있었으며, 그리고재해 때혹은정전사고때에도하수처리를계속하기위해서비상용발전기가필요하여 왔지만, 정전하더라도단시간이기때문에비상시이외의발전설비의효율적운용 을꾀하는것이과제이었다. 이에 1984년 4 월에 < 표 4-38> 및 < 그림 4-25> 에나 타낸소화가스발전시스템을도입하였다. 이발전시스템은상용전력( 홋카이도전 력) 과병렬운전하여처리장내사용전력을조달하고있으며, 가스엔진의배기가스 를폐열보일러로열회수하여소화조의가온에이용하여에너지절약을꾀하고있 다. 열회수율은소화가스열량을 100% 로하면, 전력회수가 38.4%, 폐열회수가 31.2% 로둘을합하면회수율은약 70% 이다. 또소화가스의발생이적을때의비 상시대응도고려하여중유연소로도운전이가능한 2중연료방식을채용하고있 - 183 -
다. < 표 4-38> 소화가스발전설비개요 대 형식 능력 가스엔진 1 4Cycle 출력 750PS Dual-Fuel Engine 회전수 750rpm 발전기 1 동기발전기 출력 625KVA 전압6,600V 폐열보일러 1 다관식온수열교환기 교환열량 240,000kcal/h 슬러지열교환기 1 2중원관식향류형열교환기 교환열량 450,000kcal/h < 그림 4-25> 아사히카와시의소화가스발전시스템흐름도 - 184 -
발전실적은 < 표 4-39> 에제시한바와같다. < 표 4-39> 아사히카와시의소화가스발전실적 발전용가스소비량 ( m3) 가스발전량 (kwh) 전력자급율 (%) 발전일수 ( 일) 발전시간 (H) 1984년 1985년 1986년 1987년 1988년 1989년 1990년 1991년 352,963 853,404 973,341 908,803 1,123,157 1,429,743 1,241,059 1,474,344 842,690 1,717,000 1,963,930 1,992,270 2,199,660 3,338,720 2,896,430 3,364,320 14.1 24.2 27.4 26.9 25.6 37.9 32.9 37.2 244 282 284 265 312 328 325 309 1,720 3,781 4,209 4,276 5,307 6,801 5,643 6,939 발전용가스소비량 ( m3) 가스발전량 (kwh) 전력자급율 (%) 발전일수 ( 일) 발전시간 (H) 1992년 1993년 1994년 1995년 1996년 1997년 1998년 1999년 1,555,736 1,155,240 1,136,126 1,395,677 1,395,379 1,457,546 30,160 273,201 3,714,650 3,262,390 3,051,750 3,227,180 3,695,180 3,919,600 86,800 690,370 40.6 35.5 31.0 32.6 28.7 29.4 0.7 4.9 333 346 313 332 354 336 23 120 7,659 6,343 6,129 7,126 7,817 7,632 166 1,545 라. 국외가스발전기종류별적용예 < 표 4-40> 에는소화가스발전에마이크로가스터빈을적용한예를나타내었다. < 표 4-40> 마이크로가스터빈의적용예 적용예난코엔처리장 ( 일본, 홋카이도) 운영및효과 - 발전효율 25-40% - 발전폐열이용시종합에너지이용효율 80% 이상 - 30 kw 급소화가스발전및배열회수시스템 - 185 -
적용예 Puente Hills 매립지 ( 미국 LA, CA) Albert Lea WWTP ( 미국 Albert Lea, Mn) Palmdale Water Reclamation Plant ( 미국 LA, CA) 운영및효과 - 35% 메탄함량 LFG 사용 - 오염물배출농도: NOx 1.3 ppm, CO 36 ppm, 메탄 2.2 ppm - 30 kw급 4 기, 설치비용: $62,500/30 kw - 60% 메탄함량소화가스이용 - 발전용량: 250 kw, 메탄함량 55% 소화가스이용 - 설치비용: $228,000/30 kw, 전력생산비용: $0.093/kW-hr - 발생전력: $0.128/kW-hr, 연간이익: $227,000/yr Lancaster Water Reclamation Plant ( 미국 LA, CA) 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. - 발전용량: 230 kw, 55% 메탄함량소화가스이용 - 설치비용: $93,913/30 kw, 전력생산비용: $0.043/kW-hr - 발생전력: $0.127/kW-hr, 연간이익 $200,000/yr < 표 4-41> 에는소화가스발전에가스엔진을적용한예의일부를나타내었다. < 표 4-41> 외국가스엔진의적용예 적용예 Garmerwolde 하수처리장 ( 네덜란드) Point Loma 하수처리장 ( 미국, 샌디에고) Robert O. Pickard 하수처리장 ( 케나다, Ottawa) Hyperion 처리장 ( 미국, LA CA) 오다이하수처리장 ( 일본, 동경) 운영및효과 - 처리인구: 30 만명, 투자금액: 4억 5천만원 - 452,600m3천연가스당량의에너지절감 - 전기는폭기조송풍기, 폐열은가온용으로이용 - 회수기간 : 약 8.4 년 ( 연평균 5천 3 백만원절감) - 2.25 MW급 2 기, $ 3 백만/ 년의전기비절감 - 잉여전기판매수입 $ 1.4 백만/ 년 - 처리용량 450,000 톤, $450 만투자(1998) - 발전효율 32%, 열회수 48% - 810 kw급 3 기 (2.4MW, 2,000 가구분) - 폭기조와원심분리기에이용 - $ 650,000/ 년의전기료절약, 투자금회수기간은 8년 - 처리인구 : 4백만명 - 용량 : 15 MW - 소화가스를가스엔진(1100PS) 에투입하여발전(1988) - 폐열은회수하여슬러지소각로의열원으로이용 - 약 950만 kwh/ 년의전력발전( 처리장사용전력의 20%) - 186 -
적용예 모리카사끼수처리센터 ( 일본, 동경) 이시카와현 ( 일본) 운영및효과 - 3,654ton CO 2 /year의온실효과가스삭감 : 동경요요기공원 19개숲이 1년간흡수할수있는양 - 등유겸용가스엔진발전설비 - 폐열은소화조가온용으로이용 - 3,070kWh의전력공급능력과온수공급능력확보 - 4,800tonCO 2 /year 삭감: 1,325ha 삼림이흡수하는양 - 전력저장형전지( 나트륨- 우황전지) 를도입 - 300m3 bio-gas/day 생산 - 30 kw 2 기(20 동의가정에서사용할수있는전력) - 연평균센터전체전력비의 2% 인 300만엔비용절감 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. < 표 4-42> 에는소화가스발전에연료전지를적용한예의일부를나타내었다. < 표 4-42> 외국연료전지적용사례 적용예 후쿠오카시 Direct Fuel Cell (DFC) 발전소 ( 일본) 고베( 일본) 동경성남성슈퍼에코타운사업 ( 일본) Portland Columbia Blvd 하수처리장 ( 미국) Seattle Renton King's county 남부처리장 운영및효과 - 하수처리장처리용량: 1억 1,900 만겔론/ 일(6 개단위공정) - 후쿠오카서부수처리센터에서메탄가스를원료로출력 250 kw MCFC(FCE 社 ) 의실증실험중 - 발전전력은시내에서소비, 배열은소화조열원으로이용 - 음식물쓰레기를원료로 100 kw급 PAFC 시스템운영 - 음식물쓰레기확보의어려움으로가동율약 40% - 식품폐기물소화가스를이용한 MCFC 발전 - 250 kw MCFC(FCE 社 ) 와 750 kw 가스엔진(MHI 社 ) 병렬운전 - 110 톤/ 일의음식물쓰레기를중온소화후, 발생가스를이용 - 사업소내소요동력을제외한전력은매각 - 총사업비 39 억엔, 2005년에조업개시예정 - 하수처리용량: 30 만톤/ 일 - 200 kw급 phosphoric acid fuel cell(onsi 社 ) 을미국최초로운영(1999 년) - 170 kw 발전, $ 60,000/ 년비용절감, 736톤 CO 2 / 년배출량절감 - 가스전처리: halogens(fluorine, chlorine, bromine), 물, H 2 S(potassium hydroxide impregnated 활성탄필터로제거) - 하수처리용량: 30 만톤/ 일 - 1 MW(DFC1500, 1,000 가구분) 급을 2003년부터운영 - 향후 4 MW로확장하여에너지자급목표 - 187 -
적용예 자료 : 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005. 운영및효과 ( 미국) - $ 2,200 만투자(EPA $ 1,250 만지원) - 250kW(DFC300A) 급 2 기, 2004년부터운영 Santa Barbara - Fuel Cell Energy, Inc. and Alliance Power El Estero - 주정부로부터 $ 2.25 백만 incentive 제공받음하수처리장( 미국) - 35,000lb NOx/year 및 500 ton CO 2 /year 감량효과 Palmdale Water - 250kW 급(2004 년) Reclamation - 주정부로부터 $ 1,125,000 incentive 제공받음 Plant ( 미국, LA ) Cologne - 200kW(150 가구분) 발전, 열은처리장에서이용하수처리장 ( 독일) 야마가타현하수처리장( 일본) - 약 4 만톤/ 일하수처리용량 - 메탄가스 68% 를 PAFC(178 kw, 후지전기) 연료로사용 (02 년) - 폐열은퇴비를위한슬러지가열에이용 4.2.3 태양광발전 가. 대구신천하수처리사업소 대구시는태양광발전시설의실증및확산보급에기여하고, 태양광발전시설로 생산된전기를사용하여전기에너지절감하며, 아울러신재생에너지관련현장 투어및교육 홍보의장으로활용할목적으로신천하수사업소에태양광발전사업 을추진하였으며 05년 6월에시설이완료되었고사업비는 44 억원 ( 국비 31, 지 방비13) 이투입되었다. 시설용량은 479 kw ( 국내최대) 로서연간예상발전량은 612MWh/ 년이며, 전기 요금절감액은연간 32 백만원( 산업용기준 : 52 원/ kw) 으로나타났는데, 이시설 은시민과내방객에대한첨단도시를보여주는홍보및관광자원으로활용할뿐 만아니라환경친화적지역에너지사업시범모델로서 활용할계획이다. 에너지절약교육의장 으로 4.2.4 소수력발전 가. 충남천안/ 아산하수처리장 충청남도는하수처리장의미활용방류수를이용한대체에너지개발과소수력발 전으로생산된전기로전기에너지절감하며, 아울러에너지절약교육 홍보의장으 로활용할목적으로천안/ 아산하수종말처리장에소수력발전사업을추진하였으며 사업비는 368 백만원 ( 국비 300, 지방비 68) 이었으며, 시설용량은 76 kw ( 천안 20 kw 2 기, 아산 36kW 1 기) 이소요되었다. 소수력발전을위한낙차는천안 2.5m, - 188 -
아산 7.2m 이다. 04년도전력생산량은 600천kWh ( 천안 315, 아산 284) 으로전기 요금절감액은연간 2 천만원이었으며, 환경친화적지역에너지사업시범모델로서 에너지절약교육의장 으로활용할계획이다. 나. 제주시하수처리장 는 하수처리장의방류수는수량이일정하므로고효율발전이기대되어제주도에서 2005년도지역에너지사업으로제주시하수처리장에서의하수처리후방류수 를이용하여소수력발전으로전력비절감사업을추진하였으며, 30kw 이다. 소수력발전용량은 다. 신천하수처리장 소수력발전용량은 139kW이고낙차는 3.8m 이다. 라. 진해하수처리장 소수력발전용량은 10kW이고낙차는 1.6m 이다. 4.2.5 풍력발전 일본우노케지구의경우풍력발전에의해, 연평균으로하수처리장의전력을모 두감당하고도잉여전력이발생하며, 가동율을고려한효과를평가하면 CO 2 삭감 율은 92% 정도이다. 4.2.6 하수슬러지소각발전 997 년, 동경도의동부슬러지처리플렌트에서는 30 톤/ 일의처리능력을갖는 유동소각로에폐열보일러를설치하여 이것으로서출력 350, 30 kg/ cm2의과열증기를발생하여, 800 kw의발전기를구동하는장치를도입하므로서소내동력의 자급 ( 이규모의소각로는 1기당 1,000kW 정도의전력소비가예상), 열섬화현상 의억제 ( 소각로부터의배열을전력으로변환함에의해배열량을삭감하는데, 이 소각로에서는배열의 5.5% 가전력으로변환), CO 2 삭감효과 (800 kwh의발전함 에의해 1시간에 69 kg의 CO 2 를삭감) 를기대하고있다. - 189 -
4.3 공공하수도시설의미활용 재생에너지이용방안 4.3.1 재생에너지이용의필요성 하수처리장은미활용 재생에너지의보고( 寶庫 ) 로써대부분의하수처리장에서 미활용 재생에너지를이용하면필요한에너지의거의전량(100%) 충당하는것이 가능하다. 참고로일본국토교통성하수도부는 2005.9.2, 하수도의금후 100년 의장래상과이것을실현할아이디어를나타낸 하수도비젼 2100 에서에너지 자립형하수도를최종목표로하고있다. 4.3.2 지역별/ 용량별최적이용방안 지역별이용방안 하수처리장이해안에입지하여사시사철을통하여바람이강한경우에는풍력 발전시설도입이바람직하고그이외의태양열, 태양광발전, 지열등과같은재생 에너지이용은거의모든하수처리장에도입이가능하다. 용량별이용방안 하수열이용은관리동등열수요처의공조면적이적어도 500평이상으로중앙 열공급방식에도입하는것이바람직하다. 소수력발전의경우하수처리용량이 20,000 톤/ 일이상이면도입이가능하다. 소화가스발전의경우처리용량 5 만톤/ 일 이하인하수처리장의경우 30 kw 급마이크로터빈을, 5 만톤/ 일이상인하수처리 장의경우가스엔진또는연료전지를설치하는것이바람직하다. 그러나연료전 지는현재설치비가고가이어서경제성이낮으나향후설치비가낮아질경우적 극적으로고려할필요가있다. - 190 -
제5장공공하수도시설의에너지절감을위한대책 5.1 공공하수도시설에너지절감을위한정책방향 공공하수도시설에너지절감을위한정책방향은다음과같다. 공공하수도시설의하수에너지원의고효율회수및저에너지소비구조실현 부생가스자원화 재생에너지의점진적도입 가. 공공하수도시설의하수에너지원의고효율회수및저에너지소비구조실현 공공하수도시설의하수에너지원의고효율회수및저에너지소비구조실현을 위하여하수관거( 재) 정비, 하수처리공정의최적설계, 에너지다소비기기에대 한효율성제고, 통합제어를통한운전기법의개선, 통합관리시스템을통한에너 지소비량의관리, 에너지관리협의체의운영을통한하수처리장관리기법의개선, 그리고에너지절약이요구된다. 나. 부생가스자원화 부생가스자원화를효율적으로달성하기위하여선결하여야할과제및정책방 향은다음과같다 : - - 하수관거정비사업을통한유입하수유기물의고부하화 소화조운영정상화를위한효율개선사업선행으로소화가스발생량증대 - 가스엔진및마이크로터빈, 공급용전력과소화조가온용열에너지동시생산 - 소화가스이용발전은운영인력확보가용이하고, 연료전지에의한열병합발전으로하수처리장 20 만톤/ 일규모이상의하수처리장부터순차적으로적용 소화가스발생량이많은 - 발생소화가스의활용방안다양화 - 발전이외에냉난방연료, 가스정제후 - 판매등방안고려 음식물및분뇨의소화조투입에따른문제점및소화가스의불순물제거를 위한전처리기술개발 - 소화가스의자원화방안을 CDM 사업과연계추진하여경제적이익확보 다. 재생에너지의점진적도입재생에너지의점진적도입을위하여소수력발전의도입, 공공하수도시설의건물과부지를이용한태양광발전으로청정에너지공급, 하수열에너지를이용한냉난방및급탕용수공급, 하수열에너지의지역냉난방공급을위한시범사업실 - 191 -
시등이요구된다. 5.2 공공하수도시설의에너지절감목표본연구에서는국내외에서실시혹은계획중인에너지절약기법을바탕으로우리나라의공공하수도시설의현실과특성을감안하여에너지절감목표를설정하였다. 가. 공공하수도시설에너지절감의최종목표 : 에너지자립화 유입하수의보유에너지를최대한회수하여하수처리시설의자립적운영을최 종목표로설정하였다. 그러나현실정은주요에너지다소비기기의에너지효율 성열악하고, 적정계측을통한통합제어체계가부족하며, 에너지저감을위한 지속적협의조직이없고, 미확보된상태이다. 에너지자립화를위한처리기술및에너지회수기술이 그리고부생가스자원화의한계성과미활용하수열에너지의 잠재력에대한이해부족및그활용을위한인프라가전무하므로공공하수도시 설의에너지자립화를위한막대한연구개발과투자가요구된다. 나. 공공하수도시설에너지절감을위한장단기목표설정의기본방향과사례 1 기본방향 공공하수도시설의에너지절감을위한장단기목표를설정함에있어우선선 진국의경험을토대로달성가능한목표를설정하고자노력하였으며운영실적의 절대적수치보다상대적절약실적을목표로설정하고자한다. 단국내의기술수준 및여건이갖추어졌을때선진국의목표를지향할수있다. 2 사례 공공하수도시설의에너지절감을위한장단기목표를설정함에있어분석한 선진국의사례는다음과같다. Ohio Wastewater Division ( 미국 Ohio주 Fairfield 시) - 13년동안매년 1% 의전력소비절감 (1986 년: 10,000 kwh/ 일 1999 년: 8,650 kwh/ 일) 오사카시 ( 일본) : 전력소비절감목표치약 1%/ 년으로설정하여운영 전문기업 ( 도시바, 일본) 의권장사항 : 년간 1% 의전력소비절감 다. 공공하수도시설에너지절감을위한장기목표 ( 향후 10 년이후) 공공하수도시설에너지절감을위한장기목표로단위 BOD당소비전력을현 - 192 -
재 2.07 kwh/kg BOD 수준에서미국과유럽의 1.5 kwh/kg BOD로향상 (27.5% 에너지절약) 하는것으로설정하였다. 이러한장기목표의달성을위한 전제조건에는하수관거( 재) 정비를통한유입하수의유기물부하증가, 중/ 대형 공공하수도시설에대한소화가스열병합발전설비의무화, 공공하수도시설의통 합제어운전, 공공하수도시설의통합관리와에너지소비모니터링체제확립, 미활 용 재생에너지의지속적도입, 하수열에너지의범국가적공급체계확립, 그리 고공공하수도시설의자동운전과저에너지소비구조실현을위한핵심기술및운 전기법의지속적인연구개발수행등이있다. 라. 공공하수도시설에너지절감을위한단기목표 ( 향후 10 년간) 공공하수처리시설의에너지절감을위한단기목표중년간전력에너지절감 목표를 < 표 5-1> 과같이년 1% 로설정하였으며소화가스에의한발전용량을 44.4 MW로향상시켜하수처리장전력수요의 22.1% 를공급하도록하였다. 그리 고소수력및태양광발전의재생에너지도입으로하수처리장전력수요의 1.2% 공급할수있도록설정하였다. < 표 5-1> 공공하수도시설에너지절감을위한단기목표 전력 소화가스 소수력 항목 2005 년현재 1단계 (+3 년) 시행후 2단계 (+7 년) 비고 하수처리전력원단위 (kwh/m 3 0.243 0.233 0.219 ) 하수처리전력소비량은하수처리전력소비량 1,756 1,686 1,580 2005 년기준임. (GWh) 2005 년기준비율 (%) 100 96 90 발생량 (m 3 / 일) 382,000 430,000 580,000 소화조효율개선사업 ( 효율 2005 년기준비율 (%) 100 136 152 목표치 1단계 40%, 2단계 년간예상발전량 (GWh) 18.7 82.2 388.7 45%) 과열병합발전시스템 2005 년기준비율 (%) 100 439 2,080 구축의동시집행 1 하수처리전력소비량중소화가스발열량5640kcal/m 3 1.06 4.68 22.14 비중 (%) 발전효율 0.28 발전용량 (kw) 650 1,300 2,600 발전기준가격 73.69 원/kWh 년간예상발전량 (GWh) 5 10 20 낙차 1.5m 이상, 2005 년기준비율 (%) 100 200 400 처리용량 2 만톤/ 일이상 하수처리전력소비량중비중 (%) 국내하수처리장부존자원 0.28 0.57 1.14 5300 kw 3 중 50% 활용 목표 - 193 -
태양광 하수열에너지 합계 4 항목 1: 산출근거 < 표 5-2> 참조. 2005 년현재 2: 산업자원부고시 2004-104 호 " 대체에너지이용발전전력의기준가격지침" 3: 에너지경제연구원, 신재생에너지개발및이용보급촉진법방향과내용, 2003 4: 단기목표달성시의년간전력량및절감율임. 1단계 (+3 년) 시행후 2단계 (+7 년) 발전용량 (kwp) 479 599 958 발전기준가격 716.4 원/kWh 2 년간예상발전량 (GWh) 0.612 0.765 1.224 기술수준 : 상업화 70% 2005 년기준비율 (%) 100 125 200 지역에너지사업으로점진적하수처리전력소비량중추진 0.03 0.04 0.07 비중 (%) 2005년기준 200% 증설목표 부존량 16,000Tcal/ 년시범사업으로지속적으로추진함하수열에너지의지역냉난방적용을위한필요성과당위성홍보 전력에너지절감량 ( 절감율) 175.6 GWh (10%) 소화가스발전전력량 ( 전력자립율) 388.7 GWh (22.1%) 소수력/ 태양광발전전력량 ( 전력자립율) 21.2 GWh (1.2%) 하수처리장소비전력총절감량 ( 절감율) 585.5 GWh (33.3%) 비고 1 공공하수처리시설의전력에너지절감주요내역 : 1 단계 (+3 년) 공공하수도시설의에너지절감단기목표의달성을위한 1단계사업으로대 용량하수처리장에대한에너지관리진단과에너지절약사업타당성검토와함께 각처리장의운전방법개선등에대한자체노력이경주되어야한다. 전력에너지 4% 절감목표달성을위한주요사업은다음과같다. 시설용량 10 만톤/ 일(1차에너지사용량약 2,000TOE) 이상의처리장(41개 소, 국내하수처리장총시설용량의 84.1%, 총전력소비량중 74.4% 사용) 에대한에너지관리진단의실시및에너지절약사업타당성검토 시설용량 40 만톤/ 일 (1차에너지사용량약 10,000TOE) 이상인처리장(16개 소, 국내하수처리장총시설용량의 60.9%, 총전력소비량중 51.0% 사용) 중선별적으로펌프및송풍기에대하여고효율전동기채택과적정용량 / 적정대수교체운전사업으로에너지절감달성효과분석 시설용량 40 만톤/ 일이상인처리장에대한역율개선( 90% 이상) 및변압기 용량의적정성확보와저손실형변압기의적용 시설용량 용의무화 40 만톤/ 일이상인 고효율조명기기등기타고효율절전형기기사 - 194 -
전하수처리장의주요에너지소비기기류력감시시스템구축소화조개선사업을통한소화효율향상 ( 펌프류및송풍기류) 에대한 전 2 공공하수처리시설의전력에너지절감주요내역 : 2 단계 (+7 년) 공공하수도시설에너지절감단기목표의달성을위한 2단계사업으로중용 량하수처리장에대한에너지관리진단및절약사업타당성검토가확대적용되어 야하며처리장을지원하는지방자치단체및환경부등의적극적협조로지속적인에 너지절약목표의달성을추구하여야한다. 전력에너지 6% 절감목표달성을위한주요사업은다음과같다. 시설용량 1-10 만톤/ 일의처리장(91 개소, 국내하수처리장총시설용량의 14.4%, 총전력소비량중 21.7% 사용) 중 1차에너지사용량 500TOE이상 인처리장에에너지관리진단의확대실시및절약사업타당성검토 1단계사업에서배제된시설용량 40 만톤/ 일이상인처리장의펌프및송풍 기에대하여고효율전동기채택및적정용량/ 적정대수교체운전확대 적용. 시설용량 3-40 만톤/ 일인처리장(70 개소, 국내하수처리장총시설용량의 34.1%, 총전력소비량중 39.5% 사용) 의펌프및송풍기에대하여고효율 전동기채택및적정용량/ 적정대수교체운전사업 시설용량 3-40 만톤/ 일인처리장에대한역율개선( 90% 이상) 및변압기용 량의적정성확보와저손실형변압기의적용 시설용량 3-40 만톤/ 일인처리장에대한 전형기기사용의무화 주요계측기 ( 예 :DO 센서등) 에대한연구개발및적용 핵심요소부품 ( 예 : 미세기포산기장치 고효율조명기기등기타고효율절 등 ) 에대한연구개발및적용 하수처리공정의통합제어시스템으로부하특성에따른효율적운전 유입유기물량의증가를위한하수관거정비및음식물쓰레기의유입 에너지진단에의한소화가스열병합발전시스템의효율성제고및경제성 확보 3 소화가스에의한발전 년도별소화가스를이용한전력및열에너지생산목표는 < 표 5-2> 에나타낸 바와같다. 궁극적으로소화가스발전의목표는하수처리시설전력소비량의 22.1% 공급함에있다. 현재발생가스를모두발전에이용할경우발전용량은 - 195 -
32 MW 이지만, 1단계에서는소화효율 40%, 발전용량 9 MW 실현을목표로한 다. 2단계에서는소화효율 45% 달성하여발전용량 44.4 MW 구현함을목표로 한다. 이를위하여슬러지전처리및 GBT 등을이용한탈수효율향상등의조작 이필요하다. 또한소화가스열병합발전실현으로소화조가온용열에너지와전 력동시생산한다. 소화가스이용발전은 20 만톤/ 일규모이상의하수처리장부 터연차적으로적용함을원칙으로한다. 또한소화가스자원화방안의다각화를 모색하기위하여가스정제후판매및냉난방을위한에너지원으로활용하는방 안도적극적으로검토할필요가있다. < 표 5-2> 소화가스를이용한전력생산및소화조가온열에너지의생산목표 항목 현재 1 향후 소화효율 (%) 35.0 40.0 1 45.0 2 45.0 3 소화가스발생량 (m 3 /day) 382000.0 430000.0 520000.0 580000.0 소화조가온가스량 (m 3 /day) 305600.0 307407.7 210000.0 0.0 소화가스보일러열공급율 (kw) 83506.0 84000.0 57383.1 0.0 발전가스량 (m 3 /day) 27886.0 122592.3 310000.0 580000.0 발전용량 (kw) 2133.6 9379.6 23718.3 44376.3 발전기폐열발생율 (kw) 5486.3 24119.1 60990.0 114110.4 년간전력생산량 (GWh) 18.7 82.2 207.8 388.7 2005년기준하수처리장소비전력중비율 (%) 1.06 4.68 11.8 22.1 1. 소화가스보일러에의한소화조가온 2. 소화가스발생량의 50% 열병합발전적용 3. 슬러지 전처리공정의 도입에 의한소화가스 발생량 증대 및소화가스 발생량의 100% 열병합발전적용 4 미활용 재생에너지의점진적도입 하수처리장의고유에너지로써소수력발전을적극적으로도입하여하수처리시 설전력소비량의 경제성을검토하여야한다. 1.2% 를공급하며태양광발전은시범사업을통하여효율성및 환경부의소화조개선사업과산업자원부의지역에너지사업을통합하여하수처리 장의에너지자립화를위한시범사업으로추진하는것이바람직하며그결과를 바탕으로미활용 재생에너지도입에의한에너지자립형하수처리장모델을개 발하는것이필요하다. 향후하수열원을이용한지역냉난방에너지공급을위하 여하수처리장에대하여하수열히트펌프에의한냉난방을지속적으로보급함과 동시에지역냉난방적용을위한사회적인프라구축의필요성과당위성을홍보하 는것이필요하다. - 196 -
5.3 공공하수도시설의에너지절감을위한세부시행계획 5.3.1 국내하수처리장에너지절약을위한기간별대책국내하수처리장에너지절약을위한대책은단기및중장기대책으로나누어설명한다. 선진국과같은에너지절감을달성하기위하여일차적으로단기대책을달성하여야하고, 이단기대책은일본오사카시에서실시하는지역내처리장의비교를통하여달성목표를설정하고, 이를구현하기위한설비의고효율화및설비의운전특성모니터링을기본으로하고있다. 1 단기대책 단기목표는매년 1% 의전력에너지를절감하는것이다. 이를위하여다음의 항들이수행되어야한다. 각하수처리장의에너지저감평가: < 그림 5-1> 에주어진단위제거 BOD [kgbod] 당전력에너지 [kwh] 소비율의목표치에의한각하수처리장의평가 와 < 그림 5-2> 에주어진단위유입수처리량 [m 3 ] 당전력에너지 [kwh] 소비 율의목표치에의한각하수처리장의평가로에너지저감성능을평가할수있다. 항목 일일하수처리량 평균제거 BOD 당소비전력목표치 단위 [1000 톤/ 일] [kwh/kg BOD] 중소규모 0~300 13.45/FLOW 0.365 중대규모 300 이상 1.67 < 그림 5-1> 하수처리용량별평균제거 BOD 당소비전력목표치 - 197 -
항목일일하수처리량평균하수처리량당소비전력목표치 단위 [1000 톤/ 일] [kwh/m 3 ] 중소규모 0~300 0.9/FLOW 0.293 중대규모 300 이상 0.2 < 그림 5-2> 평균하수처리량당소비전력목표치 에너지사용에대한관리체계구축: 에너지절감목표달성을위하여에너지 사용에대한관리체계를다음요소들에대하여구축하는것이필요하다. - 하수처리장에대한주요에너지소비기기류 ( 펌프류및송풍기류) 에대한 전력감시시스템구축 - 에너지절약을위한 data-base 구축및흐름도작성 - 에너지절약을위한에너지소비량및요금분석 에너지절약기술과포텐셜의이해및적용 : < 표 5-3> 에주어진고효율기 기및설비의채택과운전기법개선에의해에너지절감을실천하여야한다. - 1차에너지사용량 500 TOE이상의처리장에대한에너지관리진단제도의 실시및에너지절약사업타당성검토 - 펌프및송풍기에대하여고효율전동기채택및적정용량/ 적정대수개 선및교체운전사업 - 역율개선( 90% 이상) 및변압기용량의적정성확보와저손실형변압기의 적용 - 수, 변전실위치의적정화, 변전설비의강압방식및전압강하방식개선 - 주요계측기( 예 :DO 센서등) 와요소부품( 예 : 미세기포산기장치등 ) 에대 - 198 -
- - 한연구개발및적용 하수처리공정의통합제어시스템의적극활용을통한부하특성에따른효 율적운전 현재보유한자료를바탕으로각공정에서의에너지절약을위한운영기 법/ 기술검토 소화가스발전효율증대는다음세가지방안으로추진할수있다 : - 소화조개선사업을통한소화효율향상 - 유입수 BOD량증가를위한하수관거정비및음식물쓰레기의유입 - 에너지진단에의한소화가스열병합발전시스템의효율성제고및경제성 확보 미활용 재생에너지의도입 : 지역에너지사업을통한소수력발전확대, 태양광 및하수열에너지활용의시범사업을통한타당성및경제성검토, 그리고공공하 수도시설에대한미활용 재생에너지를통한자립화모델사업추진이시행되어야한 다. < 표 5-3> 에너지절약기술과포텐셜 공정 절약기술 설비특성 첨두부하( 동력) 에대한절약효과 전체에너지절약측면 투자회수기간 [ 년] 경제성 비용 평가 비고 고효율전동기 3 ~ 10 % 3 ~ 10 % 가변적임중간좋음 일반사항전처리 2차처리 회전수조절 구동기 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 2 ~ 5 년중간매우좋음 측정/ 제어설비 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 2년이상 첨두부하용 가스/ 디젤엔진 유량균등분배 (flow equalization) 미세기포 산기장치 20% 이상 3 ~ 10 % 가변적임 중간또는 많음 저렴또는 중간 좋음 매우좋음 10 ~ 20 % 3 % 미만가변적임고비용보통 20 % 이상 20 % 이상 2년이상 중간또는 많음 매우좋음 DO 제어 3 ~ 10 % 3 ~ 20 % 5년이하중간매우좋음 송풍기: 가이드 3 ~ 10 % 10 ~ 20 % 2 ~ 5 년저렴또는매우좋음 - 199 -
공정고도처리소독 절약기술 베인제어필터 (Trickling Filter) Tricking filter/solid contact process Sequence batch Reactors 설비특성 첨두부하( 동력) 에대한절약효과 전체에너지절약측면 투자회수기간 [ 년] 경제성 비용 중간 평가 20 % 이상 20 % 이상가변적임고비용보통/ 미흡 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 가변적임고비용좋음 3 ~ 10 % 3 % 미만가변적임고비용좋음 Oxidation ditch 3 ~ 10 % 가능성있음가변적임고비용좋음 Dual power aerated lagoons 4단 Bardenpho system 5단 Bardenpho system Sodium Hypochlorite 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 가변적임고비용좋음 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 가변적임고비용좋음 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 가변적임고비용좋음 10 ~ 20 % 10 ~ 20 % 가변적임고비용좋음 UV radiation 가능성있음가능성있음가변적임고비용보통/ 좋음 비고 2 중장기대책 중장기대책의목표는단위 BOD당소비전력을 1.5 kwh/kg BOD로향상하는 것이다. 이를위하여다음의사업들이수행되어야한다. 에너지자립화의기반구축을위한사업으로지자체/ 전국단위의하수처리장 에대한운영정보통합관리체계구축, anaerobic pretreatment 법등에너지 자립화를위한신공정기술적용, 공공하수도시설의통합제어운전, 중/ 대형공공 하수도시설에대한소화가스열병합발전설비의무화, 미활용 재생에너지의확 대도입, 하수열에너지의범국가적공급체계확립, 그리고공공하수도시설의자 동운전과저에너지소비구조실현을위한핵심기술및운전기법의지속적인연구 개발이필요하다. 에너지자립형공공하수도시설의모델개발을위하여에너지저소비형공공 하수도시설의하수처리공정확립, 에너지저소비형공공하수도시설의설계기법, 에너지저소비형공공하수도시설의운전관리기법, 소화가스의활용에대한용 량/ 지역/ 환경별최적방안, 미활용 재생에너지의도입대상및용량에대한기 - 200 -
술적및정책적정립이필요하다. 5.3.2 국내하수처리장에너지절약을위한세부시행계획 가. 하수처리장에너지절약을위한계획수립및운용시주의사항 하수처리장에너지절약을위한계획수립및운용시숙지하여야할주의사 항은다음과같다. 특히, 에너지절약목표를달성하는과정중하수처리성능이저 하될소지가있는지와경제성이충분한지를반드시검토하여야한다. 1 하수처리설비에대한에너지절약대책을실시함에있어다음의기본적이고중 요한공정/ 설계인자에아무런영향이없도록하여야한다. 일일하수유입량충족 수질기준유지 설비투자비용 (capital cost) 의최소화 2 3 연간에너지비용이수백만원이하의설비의경우우선순위를낮춘다. 에너지절약을통하여비용이반드시줄어든다는것이보장되지않기때문에, 최소한현가분석및투자회수기간분석등의경제성분석을통하여확인한후, 에 너지절약대책을실시한다. 4 에너지절약대책을수립/ 실시하기위하여담당자가각설비의구체적에너지 소비특성뿐만아니라, 강조한다. 에너지요금체계세밀한내역까지이해할필요가있음을 나. 하수처리장에너지절약을위한계획수립및운용과정요약 하수처리장에너지절약을위한계획수립및운용과정시반드시검토하여야하 는사항은업무분장, 경제성검토, database 구축및이를통한운영기법개선및 기술적 upgrade 로아래와같이요약할수있다. 1 에너지절약을위한담당부서 ( 국가기관, 관련연구소, 하수처리장관리자및 엔지니어) 가담당사항에대하여인식및운영/ 개선대책에대한업무분장 : < 표 5-4> 2 3 4 에너지절약을위한 data-base 구축및흐름도작성 에너지절약을위한에너지소비량및요금분석 각공정에서의에너지절약을위한운영기법/ 기술검토 - 201 -
5 6 에너지절약을위한기기/ 설비의개선대책검토 에너지절약을위한신에너지기기/ 설비의도입검토 < 표 5-4> 는각처리장에서에너지절감목표설정및이를달성하기위한업무분장으로크게는환경부등국가기관에서담당하여야하는일과작게는시스템단위를담당하는엔지니어가수행하여야하는일을설명하고있다. < 표 5-4> 공공하수도시설의에너지절감을위한정책및담당기관 번호 1 2 3 4 담당자 ( 기관) 환경부등국가기관 에너지절감을위한정책 에너지절약의중요성인식, 홍보, 및하부조직구성원에대한교육 국가전체/ 지역별/ 처리장별에너지원단위 database 구축을위한경제/ 정책적 지원 수립된에너지절약대책실시를위한경제적지원 에너지절약에대한동기부여등 에너지절약대책수립및이에대한경제성분석에너지관리 하수처리장효율개선을위한에너지기기의지속적모니터링공단, 국립 구축된 database를비교검토하여문제점제시및동시에대응책제시환경연구원, 국내외하수처리장에너지원단위 database 구축및비교등상하수도협 에너지절약을위한지속적연구또는연구지원회등 에너지절약의중요성인식, 홍보, 및하부조직구성원에대한교육 지역단위에서유사한조건의하수처리장의성능을비교하여, 에너지가많이 소비되고있는처리장을파악한후, 그처리장에서의문제점을구체적으로 평가하여해결책을제시 - 각처리장에서에너지를많이사용하고있는공정/ 설비에대한전력원단 지역( 지자체 위및전력원단가의연도별 database 구축 ) 별처리장 - 각처리장의최근 5년간에너지관련자료정리및이를그래프로표현 연합 - 유입하수량이비슷한사업장별로분류및평가하여얻은자료를지역내 처리장자료와서로비교한후에너지가많이소비되는이유에대한분석 - 에너지가많이소비되는이유에대한대책수립및개선 - 문제가있었던처리장의에너지문제를해결한뒤처음부터반복 에너지절약의중요성인식, 홍보, 및하부조직구성원에대한교육 각처리장에서는발생하는문제는, 처리장작업자가가장깊이인식하고있 으므로, 이를정리하여, 에너지가많이소비되고있는처리장을파악한후, 그처리장에서의문제점을구체적으로평가하여해결책을제시 - 무비용 (No-Cost) 에너지절약대책의단계 - 저비용 (Low-Cost) 에너지절약대책의단계각처리장 - 고효율설비구입또는고효율설비로개조등에대한투자의 3단계로기관리자및술을분류정책수립 - 경제성과시급성에따라, 적절한절약대책실시담당자 실제업무를담당하는엔지니어에대한에너지절약기법에대한교육 ( 에너 지요금체계, 각설비의효율적운전을위한제반사항, 고효율기기활용, 내구연한등 ) 시간, 일, 월단위의에너지관련자료정리 에너지절약대책에대한경제성분석 - 202 -
번호 6 담당자 ( 기관) 시스템단위를담당하는엔지니어 에너지절감을위한정책 에너지절약에대한동기부여등 공공하수도시설에너지저감실천지침서를기반으로각처리장고유의지 침을수립 일반적으로각처리장에서널리실시하는방법으로, 각공정또는설비에대 한에너지진단후, 에너지절감대책실시 앞절에서국내외에서실시한자료을기반으로아래의분류에따른세부적 에너지절감대책을정리 - 고효율기계설비/ 시스템의구축 - 운전방법개선 - 하수처리후미활용에너지를활용 - 기타에너지절감방법 실제기기의효율적운전 시간, 일, 월단위의에너지관련자료수집등 공공하수도시설에너지저감실천지침서숙지및이를응용 다. 에너지절약을위한 data-base 구축및흐름도작성 < 그림 5-3> 은각처리장내에너지소비설비의측정에서부터이를분석/ 평가 하여에너지개선대책을도출하는과정을설명한다. 특히, 우리나라의하수처리장 설비의에너지절감을효율적으로달성하기위하여필수적인사항은처리장각 설비의전력측정및시간, 일, 월기준데이터의자료정리이다. < 그림 5-3> 에너지절약을위한 data-base 구축및흐름도작성순서 - 203 -
라. 에너지절약을위한에너지요금분석각처리장의효율적운전을통하여달성코자하는최종목표는에너지요금의최소화이므로이에대한정책적대책은아래와같다. 1 2 3 에너지요금체계및명세서의이해 하수처리수요대부분을담당할수있는설비용량을최대설비용량으로설계 전력수요의효율적조절 다른펌프설비의기동전에사용하고있는설비를정지 용 ) (ratchet charge Off-peak 시간중에공정운전: 첨두부하억제를위한저류설비 ( 저류조, 비상펌프등) 구축및효율적펌프운전프로그램의운용으로다에너지 소비설비의운전을전력 on-peak 시간대에서 off-peak 시간대로변경 각설비의저부하운전억제 ( 특히펌프및송풍기류) On-peak 시간중에운전할경우경유발전, 이를이용한펌프운전 4 효율적측정및제어설비구축 저류설비등이없을경우 효용성이양호한대책 peak-clipping을위한비상용발전시스템구축 비효율적펌프를교환하거나조정 ( 임펠러, 프로펠러등) 고효율조명시스템사용 Variable Frequency On-peak 구동모터사용 부하시비상용발전시스템사용 고효율시스템으로대체: 내구연한에따른정상적교체시에만추천 ( 현재 운전중인저효율시스템을대체하는것은경제적이지않음 ) 사 마. 각공정에서의에너지절약을위한운영기법/ 기술검토각처리장에서의에너지절감을위한대책중운영기법또는기술은아래와같이정리할수있다. 1 Screening/ 침사제거(Grit removal): 비교적작은에너지소비 스크린: 간헐적운전 에어레이션침사지: 공기유동의적절한제어 2 일차침전 kwh/m 3 ) (Primary Settling): 비교적작은에너지소비 (0.0027 ~ 0.0053 효율적일차침전: 슬러지의함수율저감, 이에따른소화, 농축및펌핑시 - 204 -
3 4 5 6 7 8 9 소요에너지절약효과유도 필터 (Trickling Filter): Synthetic media 사용 유출수처리시펌핑에너지소비 활성슬러지처리: 산소전달, 혼합, 반송슬러지펌핑, 슬러지펌핑, 2차정화 (secondary clarification), 슬러지처분등에에너지소비 각세부공정에대한에너지최소화기법적용 폭기공정 (aeration): 최대전력에너지소비 DO 농도의유연한조절을통한포기용공기공급: 전체에너지의 10 ~ 15 % 절약 에너지효율이가장높은 ( 높은산소전달능력과작은송풍기에너지소비 특성) 미세기포산기장치 (fine bubble diffuser) 활용 운전중인활성슬러지탱크수의최적화 최소 DO 농도유지및이를제어/monitor할설비구축 교축(throttling) 을통한공기유량제어시원심송풍기앞단에입구가이드 베인 (guide vane) 설치 기계적폭기장치의경우 2-speed 구동기활용: 부하가작은경우저속운전 슬러지농축장치: 비교적많은에너지소비 ( 전동식 skimmer, 바닥 scraper, 압축기, 순환펌프등으로구성) 폴리머사용 연속운전 공급공기조절을통한공기/ 고형물비최적화 혐기성소화 작음 (anaerobic digestion): 고형성분이높을수록가열에너지량이 슬러지내함수율을낮출수있도록슬러지농축및탈수공정운용 자외선소독 (UV disinfection): 파장 253.7 nm 빛램프사용 저압시스템: 35~40 % radiation 효율, 소비전력 0.00085 ~ 0.0013 kwh/m 3, 전자식안정기 (electronic ballast) 사용, 수직램프시스템사용 (dead zone turning off) 중압시스템: 강도가강한자외선방출, 그러나광대역파장대, 1대의중압 시스템은 10 대의저압시스템에상응, 전자식안정기 (electronic ballast) 사용, 수직램프시스템사용 (dead zone turning off), 수질에따른제어가 능 ( 투과도가 50 % 일때 0.0037 kwh/m 3 소비, 반면에투과도가 60% 일 때 0.0027 kwh/m 3 소비 ) 소화가스이용열병합발전: 현재는전력비의약 35 % 를충당할수있음 - 205 -
10 에너지절감효과가거의없는장치/ 공정: 공기압축기, 중력농축설비, 기계적 탈수설비등 바. 에너지절약을위한기기/ 설비의개선대책검토각처리장에서의에너지절감을위한대책중많은비용을요구하는대책으로각기기의고효율화를위한대책은아래와같다. 1 2 3 전동기 50 % 이상과대용량의경우적정용량의고효율전동기로대체 최소 5 년이상, 정규운전시간의 75 % 이상운전된전동기를교체 전동기의효율및부하율을측정한후, 간이 1년정도인경우교체 회전수조절이가능한고효율전동기사용 구동기 경제성분석을통하여투자회수기 ( 엔진또는전동기로부터의전기에너지를펌프또는송풍기의기계적 에너지로전환하는역할을함 ) 정속구동기/ 교축장치에의한운전보다는가변속도구동기로교체 내구연한에가까운구동기는고효율신규구동기로대체 적절한유지관리 펌프 부하특성 ( 유량, 양정) 에따른펌프, 구동기, 및전동기조합의선택 유량에따른최적운전을위한가변속도구동기활용 설계용량보다많은유량을처리할수있도록임펠러크기를증가시킬수 있는펌프선택 평균/ 기본유량을처리할수있는펌프를선택, 우를대비한보조펌프설치 그리고유량이급증한경 양정최소화를위한대책실시: 불필요한수위변동 (elevation change) 최소 화및밸브/ 곡관등사용억제, suction storage tank를적극활용 펌프운전비인식 : 에너지비용 하수관거불량에의한우수등의침윤 리용량최소화 On-peak 유량양정에너지비용펌프효율 (infiltration) 억제를통한하수처 부하시비상용발전시스템사용을통한전력비용절약 실제운전용량보다과잉설계/ 설치된경우에는펌프토출부의부분폐쇄운 전이일반적이나, 이는많은에너지를낭비하게됨. 따라서설계용량보다 90% 미만으로운전되는경우임펠러의 trimming을통하여약 25% 까지 - 206 -
4 5 에너지소비를줄일수있음 수두손실이작은밸브사용 (Ball Check Valve, Flapper Check Valve 등 ) 펌프운전에대한적절한 scheduling/monitoring: 펌프성능효율 12 ~ 17.5 % 상승의경우즉, 운전효율 68 % 에서 78 % 로상할경우: 전체에너지 3.6% 절약 ( 유입수펌프등펌프류전력소비율 = 전체의약 30%) 송풍기 교축 (throttle) 을통한원심송풍기의송풍유량제어의경우: 송풍기입구에 있는밸브폐쇄 (Closing the valve on the inlet side if a centrifugal blower must be throttled) 압력변동의 monitoring과필터의주기적세척 원심송풍기의경우정격용량의최소 적산전력계로일간부하를 monitoring 제조사가추천한속도로송풍기운전 50 % 이상운전 조명: 하수처리설비의총전력에너지중 2% 이상소비 2 조명에너지계회수립/ 실천: 공정설비공간-10 W/m, 사무공간-15 W/m 2 매일 10 시간이상사용하는조명의경우전자식안정기 (electronic ballast) 사용 형광등의교체시안정기도동시교체 간헐조명의경우: timer, control switch, 광스윗치, 또는 occupancy motor 사용 6 공기조화: 다른설비와달리비교적작은에너지소비 단열강화 5.3.3 부생가스자원화를위한세부시행계획 미국등의선진국에서는중형이상의처리장에서는미활용및재생에너지를적 극적으로활용하고있고, 특히소화가스발전을활용하여소비전력의 30% 를절약 하고있다. < 표 2-24> 에서설명한바와같이우리나라의유입하수당평균소비전 력은미국과크게다르지않지만, 제거 BOD당소비전력은상당히높으므로우리 나라의유입하수의 BOD 가낮음을간접적으로알수있다. 따라서우리나라에서 도소화가스발전을적극적으로도입하기위하여유입하수의 BOD 증가가선행되 어야하고, 미국과같이높은 BOD의유입하수일경우약 30% 의전력을절약할 수있으므로, 달성할수있다면가장효율적인에너지절약대책이될수있다. 소화조운영정상화방안을추진하기위한세부시행계획은다음과같다 : - 207 -
- 시설용량 20 만톤/ 일의처리장에대하여연차적으로시행 - 현재전국 5개하수처리장에서수행중인하수처리장소화조효율개선사업 을확대추진 - 현재환경관리공단에서수행중인하수처리시설기술진단사업에있어소화 - 조운영정상화를위한기술진단및대처방안을보다구체적으로제시 할필요가있음. 특히소화조에대한정확한운영자료를확보하고, 정확 한분석( 농축조등소화조와연계된공정포함) 을통하여소화조운영 정상화방안을제시할필요가있음 소화가스발생량증가를위하여하수관거정비사업이완료된지역에는음식 물쓰레기, 분뇨, 기타고농도유기성폐수등을직접하수도또는소화조에 유입시키는방안을모색할필요가있음 5.3.4 에너지자립형하수처리장시범사업 환경부의소화조개선사업과산업자원부의지역에너지사업을통합하여하수처리 장의에너지자립화를위한시범사업으로추진하고그결과를바탕으로미활용 재생에너지도입에의한에너지자립형하수처리장모델을개발하여야한다. 에너지자립형하수처리장시범사업의최종목표는하수처리장소비에너지의 100% 자립에있으며 1 단계사업(+3 년) 으로소화가스에의한발전및가온열에 너지생산, 소수력및태양광발전에의한청정전력에너지생산, 그리고하수열 히트펌프에의한처리장시설동및관리동의냉난방구현등을통하여현하수처리 장소비에너지의 40% 를자립적으로공급할수있어야할것이다. 시범사업의 대상하수처리장은처리용량 10 만톤/ 일이상의처리장으로기존의소화조개선사 업이수행되고있으며소수력발전을위한낙차가크고태양광일사량이큰지역 에소재하는하수처리장이어야한다. 본사업은환경부와산업자원부의부처공동사업으로추진하여야하며한국에 너지기술연구원사업기간등에너지관련주요연구소와관련대학이참여할수있 을것이다. 사업기간 3년중 1 차년도에는시범사업대상처리장의조사및선정, 에너지이용시스템계획및설계, 시스템구성기기의발주가수행되고, 2차년도 에는시스템설치및운전, 성능및효과분석, 효율성제고방안도출이수행되어 야한다. 개선된에너지이용시스템을 3차년도에운전하여에너지자립형하수 처리장의모델을개발하고확대보급방안을제시하여야한다. 에너지자립형하수처리장시범사업을통하여각단위기술에대한에너지절약 효과를검정할수있으며시스템성능및운전신뢰성의확보가가능하다. 궁긍 적으로시범사업의결과는에너지자립화를위한미활용 재생에너지의보급가 - 208 -
능성을타진하는시금석이될것이다. 에너지자립형하수처리장시범사업의주요내용을 < 표 5-5> 에정리하였다. < 표 5-5> 에너지자립형하수처리장시범사업의주요내용 5.4 5.4.1 1 2 공공하수도시설의에너지절감단기대책의기대효과 공공하수도시설의저에너지소비구조실현의기대효과 공공하수도시설의저에너지소비구조실현의기대효과는다음과같다. 전년대비 1% 의전기에너지절약 : 2005년소비전기에너지 1,756 GWh 중 17.6 GWh 절약 전년대비전력비용 1,113,834 천원절약 (2005년총에너지비용 111,383,478 천원중) 10년후현재기준약 10% 이상의에너지절감 ( 연간약 110억원의전력비 용절감 ) 매년 사업명 4,481 kl 원유추가절약 석유환산발전연료소비량 = 224.96TOE/GWh 원유의석유환산계수 1.075 원유의비중 0.82 석유의발열량 10,000 kcal/kg 전력 1 GWh 에너지자립형하수처리장시범사업 사업목표하수처리장의에너지자립화 40% 실현 사업기간 사업추진방법 사 업 내 용 1 차년도 2 차년도 3 차년도 사업기대효과 3년 환경부와산업자원부의부처공동사업 시범사업대상처리장의조사및선정 에너지이용시스템계획및설계 시스템구성기기의발주 시스템설치및운전 성능및효과분석 효율성제고방안도출 에너지자립형하수처리장의모델완성 확대보급방안제시 단위기술에대한에너지절약효과를검정 시스템성능및운전신뢰성의확보 미활용 재생에너지의보급가능성타진 상당원유량 - 209 -
(224.96)(10 7 )/(1.075)(10000)(0.82)(1000)= 255.2 kl 전력절감량상당원유량 (17.56)(255.2)=4,481 kl 3 매년 7,445 ton CO2 배출추가저감 전력의이산화탄소배출계수 0.424 ton CO2/MWh ( 에너지경제연구원정책 보고서, 2005.8) 전력 1 GWh 당 CO2 배출량 = 0.424(1000)=424 ton 전력절감량상당 CO2 배출저감량 (17.56)(424)=7,445 ton 5.4.2 부생가스자원화의기대효과 1 하수처리장소화조효율개선사업을확대추진할경우의기대효과 2006년현재진행중인소화조개선사업 5개시범사업장의투자액이 60 억원임 을감할할때, 전국 61개하수처리장에소화조개선사업을적용할경우소요예 산은 730 억원( 개수기준)-860 억원( 유량기준) 으로추정된다. 효율개선사업을 전국소화조에적용할경우사업전후의처리비용년간절감액 ( 안양박달처리장 의사례기준) 은 < 표 5-6> 에나타낸바와같다. 개선사업이완료된후연간절감 액은 386억원으로사업시작후 3년이내에손익분기점에도달할것으로추정된 다. < 표 5-6> 소화조효율개선사업전후의처리비용년간절감액 메탄발생량 ( 천m 3 / 년) 메탄의경제적가치 ( 억/ 년) 슬러지처리비절감액 ( 억/ 년) 약품비절감액 ( 억/ 년) 개선전개선후개선전개선후개선후개선후 157,210 188,655 687 830 229 14 2 음식물쓰레기를혐기성소화할경우의 기대효과 전국하수처리장에서음식물쓰레기에투입에의해추가로발생하는메탄량은 41,245 천m 3 / 년으로이를금액으로환산하면 180.6 억원/ 년이다. 음식물쓰레기 발생량이 11,484 톤/ 일이고, 처리장소요비용이 10-20 만원/ 톤( 수거비용 4-8 만원, 설치및운영비용약 6 만원등) 이므로연간처리비용은약 4 천억원정도이다. 따라서음식물쓰레기를음식물분쇄기를이용하여직접하수로유입시킬경우 처리비용의상당부분을절감할수있을것으로예상된다. 분뇨의경우도단독정 화조를철거할경우개별설치및처리비용을감소시키고, 발생량을증가시키는효과를기대할수있다. 하수처리장에서메탄 - 210 -
3 슬러지전처리의 서울특별시 액은약 기대효과 4개하수처리장에슬러지전처리시설을도입할경우처리비감소 41.7 억원/ 년으로산정되었으므로이를전국하수처리장으로적용할경우 경제적인효과는슬러지발생량기준으로할때약 200 억/ 년으로추정된다. 4 소화가스발전에의한예상발전량 (10 년후) 은년간약 388.7 GWh 이다. 5.4.3 미활용 재생에너지도입에대한기대효과 1 소수력발전과태양광발전에의한기대효과는다음과같다. 재생에너지에의한발전량 (10 년후) : 년간 21.2 GWh 2 년간 8,999 ton CO2 배출저감 (10 년후) 결국단기목표가달성되는 10년후전력에너지의절감과소화가스및재생에 너지에의한발전에따른원유절감및이산화탄소배출저감의기대효과는 5-7> 과같다. < 표 < 표 5-7> 공공하수도시설의에너지절감을위한단기대책의기대효과 항목전력량 (GWh/yr) 원유절감량 (kl/yr) 이산화탄소배출저감량 (ton/yr) 전력에너지절감 175.6 44,813 74,454 소화가스발전 388.7 104,613 소수력/ 태양광발전 21.2 5,416 8,999 합계 585.5 298,851 83,453 5.5 공공하수도시설의에너지절감을위한제도개선및실천지침 공공하수도시설의에너지절감을효율적으로달성하기위한제도개선사항을 < 표 5-8> 에정리하였다. 특히, 각처리장의독자적해결능력배양을위한필수 사항으로 - 각처리장에서의개선방향 ( 목표) 의명료화 - - - 재정적지원시스템의구축 기술적지원시스템의구축 객관적인평가시스템의구축 등을들수있다. - 211 -
< 표 5-8> 공공하수도시설의에너지절감을위한제도개선 항목개선전개선후이유또는목적 에너지원단위 에너지평가기준 에너지절약주체 인센티브 에너지소비모니터링 소화가스발전 유입수량기준 kwh/m 3 인구수 ( 명) 각처리장 여러처리장실적과의비교단기적(1 년) 실적기준 제거 BOD 기준 유입수질이각처리장마다매우다름 kwh/kg BOD 일관성있는기준이필요함 유입수량 (kwh/m 3 ) 은 미국및유럽에서중요한성능인자 (KPI) 로 보조기준으로활용 설정 유입수질이각처리장마다매우다름 일관성있는기준이필요함등가인구 (PE) 미국및유럽에서중요한비교인자로설정 (1 PE = 60 g BOD/ 일) 각처리장이담당하는실제인구도지역특성 에따라크게다름 지방자치단체 여러처리장자료비교분석을통한개선대책도출 ( 일본오사카시) 각처리장 단위처리장에서의 전년대비개선실적 ( 설정목표달성여부) 중장기 (3 년이상) 실적 기준 처리장단위/ 설비단위에서의에너지절감대책 ( 미국 PG&E 등) 단일제품과달리, 각처리장의상황이크게상이하기에동일기준으로평가하는것은불공평함 단기적개선보다는, 장기적이고지속적인절약대책실시가중요함 필수사항선택사항 에너지소비평가에가장중요한요소임 ( 송풍기및펌프류등) 적극적대책 ( 유입 BOD 외국수준으로절약하기위한대책임증가대책등 ) 유입수 BOD 가높으면, 단위제거 BOD 당소극적대책 ( 예: 연계수적극처리전력에너지소비가낮아지고, 소화가스가많또는 garbage disposer 이생산되어, 소화가스발전이효율적이므로활성화등 ) 전체적인에너지구입비용이절감됨 공공하수도시설의효율적인운영을위하여지자체에너지환경담당부서, 처리 장운영자및정책수립담당자, 공정및계통관리자, 기계설비관리자, 그리고 전기및계측제어설비관리자를위한에너지저감실천지침서가 < 부록 2> 에주 어져있다. - 212 -
제6장결론 본연구에서실시한공공하수도시설에대한에너지사용실태의조사결과중 주요사항은다음과같다. 1 2 3 4 5 6 7 설문응답처리장은 8개도와 6개시의총 233개소 - 설문응답처리장비율은하수처리장수기준 79.3%, 용량기준으로 94.5 % 응답처리장의가동율 : 전국평균 76.8% 설문응답하수처리장의전력사용량 : 1,504.0 GWh - 국내총인구환산하수처리장의전력사용량 : 1,756.0 GWh - 전국전력소비량중설문응답하수처리장의전력사용비율 : 0.45% 연료비/ 전력비=4.46 % 하수처리전력원단위 0.243 kwh/m 제거 BOD 당소모전력 2.07kWh/kg BOD 유입펌프와포기조송풍기전력사용비율 69.2% 8 소화가스발생량 382,000 m3/ 일 9 소화가스사용현황 : 소화조가온 80 %, 판매 4.9%, 발전 7.3%, 10 소수력및태양광발전능력 3 1130kW, 발전량 5610 MWh 공공하수도시설의에너지절감을위하여미국 PG&E는 3단계에너지절약방법 으로무비용 (No-Cost) 에너지절약, 저비용 (Low-Cost) 에너지절약, 고효율 설비구입또는고효율설비로의개조에의한에너지절감을제시하였다. Ohio Wastewater Division ( 미국 을장기간 미국의 Ohio주 Fairfield 시) 은매년 1% 의전력소비절감 (13 년) 을통하여서서히수행한전례가있다. 일본오사카시에서실시하 는운영관리평가시스템은하수처리장에대한에너지소비를개별적으로관리하거 나평가하지않고, 유사한처리장을서로비교평가하므로서구체적으로개선할 사항을쉽게파악하여에너지절감을실천하고단기간의실적기준평가가아니라 최소 5년간의자료를바탕으로절감목표를정량화하고평가업무항목및평가지 표를설정하고있다. 국내의경우공공하수도시설의에너지절감을위한체계적인기법의개발이나 적용은전무한상태이나각처리장별로기계설비의개선, 반송펌프에대한제어 개선, 수로용송풍기의운전개선, 포기조송풍기제어, 수전용량및방식개선, 변 압기통합운전, 고효율조명기기사용등에의한개선사례가있다. 특히최근에 들어소화가스발전, 소수력발전, 태양광발전, 그리고하수열히트펌프에의한 - 213 -
냉난방공급등이지역에너지사업등으로수행되고있다. 본연구에서는공공하수도시설의에너지절감을위한정책방향을다음과같이 제시하고자한다. 1 2 3 공공하수도시설의하수에너지원의고효율회수및저에너지소비구조실현 부생가스자원화 재생에너지의점진적도입 공공하수도시설의에너지절감을위한단기목표 ( 향후 10 년) 로공공하수도시 설의년간전력에너지절감목표를 1 % 로설정하였으며소화가스에의한발전용 량을 2600kW로향상하여하수처리장전력수요의 25.8% 를공급하도록하고재 생에너지의도입을통하여소수력및태양광발전으로하수처리장전력수요의 1.4% 를공급하도록설정하였다. 그리고하수열원을이용한냉난방, 급탕용수의 생산을시범사업으로중점추진하도록하였다. 전력에너지절감의단기목표달성을위한 1 단계(+3 년) 주요대책은다음과 같다. 시설용량 10 만톤/ 일이상인처리장에대한에너지관리진단제도의실시및에 너지절약사업타당성검토 시설용량 40 만톤/ 일이상인처리장의펌프및송풍기에대하여고효율전동기 채택및적정용량/ 적정대수교체사업, 역율개선( 90% 이상) 및변압기용량의 적정성확보와저손실형변압기의적용, 고효율조명기기등기타고효율절 전형기기사용의무화 전하수처리장의주요에너지소비기기류 감시시스템구축 ( 펌프류및송풍기류) 에대한 전력에너지절감의 2 단계(+7 년) 주요대책은다음과같다. 전력 시설용량 1-10 만톤/ 일의처리장중 1차에너지사용량 500TOE이상인처리 장에에너지관리진단제도의확대실시및절약사업타당성검토 시설용량 3-40 만톤/ 일이상인처리장의펌프및송풍기에대하여고효율전동 기채택및적정용량/ 적정대수교체, 미세기포산기장치등기타고효율절전 형기기사용의무화 주요계측기 ( 예 :DO 센서등) 및핵심요소부품 ( 예 : 미세기포산기장치등 ) 에대한연구개발및적용 하수처리공정의통합제어시스템의적극활용을통한부하특성에따른효율적 - 214 -
운전 소화가스발전의단기목표달성을위한주요대책및방안으로는첫째, 소화조 개선사업을통하여소화효율을 50% 정도로향상시키고, 이는 20 만톤/ 일이상의 처리장에대하여연차적으로집행한다. 추가적으로하수관거가정비되면유입수 BOD 량증가를위하여음식물쓰레기를직접하수도에유입시킬수있는방안을 모색한다. 또한에너지진단에통하여소화가스열병합발전시스템의효율성및경 제성을확보한다. 미활용 재생에너지도입의단기목표달성을위하여지역에너지사업을통한 소수력발전을확대하여야한다. 환경부의소화조개선사업과산업자원부의지역에 너지사업을통합하여하수처리장의에너지자립화를위한시범사업으로추진하 여야하며, 미활용 재생에너지도입에의한에너지자립형하수처리장모델개 발등을실시하여야한다. 에너지자립형하수처리장시범사업의최종목표는하 수처리장소비에너지의 100% 자립에있으며 1 단계사업(+3 년) 으로소화가스에 의한발전및가온열에너지생산, 소수력및태양광발전에의한청정전력에너 지생산, 그리고하수열히트펌프에의한처리장시설동및관리동의냉난방구현 등을통하여현하수처리장소비에너지의 40% 를자립적으로공급할수있어야 할것이다. 시범사업의대상하수처리장은처리용량 10 만톤/ 일이상의처리장으로 기존의소화조개선사업이수행되고있으며소수력발전을위한낙차가크고태 양광일사량이큰지역에소재하는하수처리장이어야한다. 공공하수도시설에너지절감을위한장기목표 (10 년이후) 는제거 BOD 당 소모전력 1.5kWh/kg BOD를실현하는것이며에너지자립화의기반구축을위 한대상사업으로지자체/ 전국단위의하수처리장운영정보통합관리체계구축, 에너지자립화를위한신공정기술적용, 중/ 대형공공하수도시설에대한소화가 스열병합발전설비의무화, 미활용 재생에너지의확대도입을들수있다. 또 한에너지자립형공공하수도시설의모델개발을위하여에너지저소비형공공하 수도시설의하수처리공정을확립하고에너지저소비형공공하수도시설의설계 및운전관리기법을개발하여야한다. 공공하수도시설의저에너지소비구조실현에따라매년전년대비 1% 의전기 에너지의절약 ( 매년 17.6 GWh 추가절약, 전력비용 1,113,834 천원추가절 약) 이가능하므로매년 4,481 kl의원유가추가로절약되며매년 7,445 ton의 CO 2 배출을추가로저감할수있다. 부생가스자원화의기대효과를살펴보면소 화가스발전에의한발전량은년간 388.7 GWh 이다. 또한하수처리장소화조효 율개선사업을모든소화조에대해수행할경우완료시연간절감액은 386억원 - 215 -
으로추정되었다. 소수력과태양광발전도입에대한기대효과로는발전량년간 21.2 GWh와년간 8,999 ton의 CO 2 배출저감을들수있다. 공공하수도시설의에너지절감을위한제도개선사항으로주요성능지수인에너지원단위를유입수량기준으로부터제거 BOD 기준으로수정하고에너지평가기준을인구수로부터등가인구수기준으로수정하는것을제안하고자한다. 또한공공하수도시설의처리능력에대한객관적평가시스템의구축, 주요에너지소비기기에대한에너지소비모니터링의제도화, 각처리장의독자적해결능력배양을위하여자체노력으로각처리장의개선방향과목표를명시토록하고공공하수도시설에대한재정적, 기술적지원시스템의구축을제안한다. - 216 -
< 참고문헌> 구자균, 하승규; 하수열이용지역난방시스템의히트펌프도입경제성연구, 지역 난방기술, 제6 호, 한국지역난방공사, 1999. 12. 김응호, 하수도자원화개념의정책제안방향, 한국물환경학회지, 17권 5 호,549-555. 2001 박준택, 미처리하수열이용에의한 koraku 지구지역냉난방, 설비, 21(4),, 98-102, ( 04. 5). 박준택, 유럽( 스웨덴, 노르웨이) 에서의하수열이용지역열공급, 설비, 21(6), 96-102, (04. 6) 박준택, 아사히카와시하수처리장에서의소화가스발전사례, 설비, 23(2), 88-91, ( 06.2) 박준택, 요코하마시하수슬러지센터에서의소화가스발전사례, 설비, 22(12), 85-89, ( 05.12). 박준택, 하수열이용의현상과과제, 설비, 16(6), 119-124, ( 99.6) 박준택, 하수열이용에의한오슬로 Sandvika 지역냉난방, 설비, 21(1), 117-120, (04. 1) 박준택, 하수처리수열이용에의한幕張신도심지구지역냉난방, 설비, 21(3), 83-87, (04. 3). 산업자원부, 지자체에너지절약시책사례집. 2005. 7. 15 서울특별시, 서울특별시 4개하수처리장하수슬러지처리시설증설기본계획보고 서, 2005. 환경부, 통합운용시스템과 retrofitting 기법을이용한하수처리장의고효율 초집 적화, 2005.7 이타미가즈오, 오사카시의하수도시설에대한운영관리평가의대처, 일본하수도 협회지, Vol. 42, No. 517, 2005. 11. 환경관리공단, 하수도정비기본계획 하수종말처리시설기술검토사례집, 2005. 11. 환경관리공단, 하수종말처리장기계설비공사설계지침, 환경부, 2001. 7. 환경관리공단, 2003 년하수처리시설기술진단사례집, 2004. 11. 환경관리공단, 2004 년하수처리시설기술진단사례집, 환경관리공단, 2005. 11. 환경관리공단, 하수슬러지처리및자원화방안, 2004. 환경관리공단, 하수종말처리장운전개선방식우수사례집, 환경관리공단, 2004. 12. - 217 -
환경부, 상하수국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005. 6. 환경부, 상하수도국생활하수과, 소화조운영실태정밀진단결과보고, 2005.6 환경부, 환경관리공단, 하수종말처리장운전방식개선우수사례집, 2005. 10. 환경부, 환경관리공단, 하수종말처리장운전개선방식우수사례집, 2004 환경부, 생활하수과 -719 호, 하수처리장소화조효율개선사업추진계획, 부생가스 를이용한에너지이용효율확대 3 개년( 05~ 07) 계획, 2005. 2 http://www.energy.ca.gov/process/water/index.html http://ec.europa.eu/energy/res/sectors/bioenergy_chp_en.htm D. Voigt, Report on the Development of Energy Consumption Guidelines for Water/Wastewater, Wisconsin Focus on Energy, 2003. EPRI, Water and Wastewater Industries: Characteristics and Energy Management Opportunities, CR-106941, 1996. F. Rogalla, Energy Self Sufficient Wastewater Treatment: How Far from Reality? Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006.) J.C. Whittaker, Reducing Pumping Energy Costs, Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006. J. Jack, Aeration Control and Optimising Nitrification: Control Concepts and Benefits, Proceedings of CIWEM Energy Saving Strategies in Water and Wastewater Treatment, Nottingham, UK, 2006. L.E. Larson, "Energy-Saving Opportunities at Water/Wastewater Plant," Southern California Edison Co. 2002. NYSERDA, "Energy Efficiency Anaerobic Digester and Cogeneration Facility Improvement," www.nyserda.org/programs/techasst.asp. Office of Industrial Technologies, US DOE, Performance Improvement at Wastewater Treatment Plants, Best Practices Management Case Study, 2000. T. Elliot, Energy-Saving Opportunities for Wastewater Facilities, a Review, Energy Center of Wisconsin, 2003. 2003 년도일본수도통계 ( 일본수도협회) 및 2003 년일본하수통계( 일본하수도협 회 ) 山登亮太와木岡宏海, 에너지와비용의절약을지향하는상하수도플랜트, 제31회 공공시스템연구회, 2005. - 218 -
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< 부록 1. 공공하수도시설의에너지사용실태조사서> - 220 -
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순번공정기기명 형식 주요규격 ( 양정, 용량등) 수량 (ea.) 상용 동력 (kw) 예비정격운전평균피크최소 일평균운전시간 (hr/day) 운전방식 ( 자동/ 수동/ 인터버등 ) 설치년도 - 225 -
순번공정기기명 형식 주요규격 ( 양정, 용량등) 수량 (ea.) 상용 동력 (kw) 예비정격운전평균피크최소 일평균운전시간 (hr/day) 운전방식 ( 자동/ 수동/ 인터버등 ) 설치년도 - 226 -
순번공정기기명 형식 주요규격 ( 양정, 용량등) 수량 (ea.) 상용 동력 (kw) 예비정격운전평균피크최소 일평균운전시간 (hr/day) 운전방식 ( 자동/ 수동/ 인터버등 ) 설치년도 - 227 -
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번호 설비 구분 설비명형식주요설비규격제작사설치 년도 용도설치장소 상태 예시 EVH-1 K공업 2000-238 -
번호 설비 구분 설비명형식주요설비규격제작사설치 년도 용도설치장소 상태 번호형식 1 차/2차전압용량대수 %Z 제작사설치연도설치장소상태 - 239 -
월 1 2 3 4 5 6 전력사용량월 7 8 9 10 11 12 전력사용량 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-240 -
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< 부록 2. 공공하수도시설에너지저감실천지침서> 가. 본실천지침의배경 본과업을통하여도출한공공하수도시설에너지저감실천지침서작성의배 경은아래와같고, 각처리장에서본지침서에서제시한방법을적용할경우, 각 처리장의특성에따라활용하여야함을강조한다. - - - - - - - 하수처리설비는단일기계/ 전기설비와달리다수의기계, 전기, 환경설비로 이루어져있어유기적인연결특성이전체운전능력을좌우함 수처리장방류수의수질은규격화되어있지만, 유입수의경우는지역마다, 시 기마다다르므로일관된최적운전조건을유지하기가매우어려움 최종목표로고려하였던, 하수처리장에일관성있게적용할수있는구체적 에너지절약기법도출이실제처리장에대한적용시에는다음과같은이유 로충분한도움이되지않을수있음을인지해야함. 하수처리장운전여건이지역적계절적으로매우다름 각처리장담당엔지니어가에너지절약을위한기법을어느정도숙지하고 있으나, 현실화할여건( 기술적또는경제적) 이조성되어있지않음 각처리장담당엔지니어가에너지절약에대한중요성을인식하지못하고 있거나, 운전시효율적인운전을수행하기어려운상황에있음 에너지절약을위한대책을무리하게실시할경우수질기준을유지하기가 어려울경우가있음 고에너지소비설비에대한자동계측장치를통하여비효율적에너지소비 를판단하여야하나, 이는단시간에달성할수있는사항이아니라, 지속적 인투자와비교연구의노력이요구됨 해외사례 : 모든처리장에적용이가능한에너지절약대책을각처리장에게 강요하지않고, 에너지절약기회(Energy Saving Opportunities)" 라는제목 으로에너지절약기법을단순히제시하고각처리장에서는이들중적용가 능한절약기법을선택함 선진외국의에너지사용결과와국내하수처리장의경우기계/ 전기설비관련 기술보다는운영하는기법에있어서는많은개선이필요함. 국내공공하수도시설의운영에있어취약점 여러하수처리장을담당하고있는지방자치단체환경담당부서의역할 하수처리장엔지니어에대한에너지절감교육 - 하수처리장에관련된유관기관 ( 엔지니어, 관리자, 지자체, 전기공급자, 컨설 - 245 -
턴트등) 사이의유기적협동체계 : < 표부록 2-1> 과 < 그림부록 2-1> < 그림부록 2-1> 개략도 하수처리장에너지절감을위한유기적시스템및역할에대한 < 표부록 2-1> 하수처리장에너지절감을위한유기적시스템 - 246 -
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나. 지자체에너지환경담당부서를위한실천지침우리나라공공하수도설비에너지절감을효율적으로달성하기위하여본과업에서도출한사항은지자체에서담당하여야하는업무가각처리장에서담당하는업무만큼중요하다는것이다. 이를정리하면아래와같다 1 2 지자체관내하수처리장에너지소비량조사및 database 구축 ( 최종보고서 부록- 공공하수도시설의에너지사용실태조사서) 각처리장에에너지소비비교 ( 아래는 가 지자체의예로서가상자료임) - 가 지자체의경우 'D 처리장' 이타처리장에비하여제거BOD당소비전력 (1.39kWH/kgBOD) 이가장작고, 미국기준 (1.5 kwh/kgbod) 보다도낮으 므로 가 지자체의 Benchmarking 대상이될수있음. - 'D 처리장' 과타처리장과비교를통하여, 타처리장의에너지절감대책수립 - 또는각처리장에서최종보고서 < 그림 5-1> 과 < 그림 5-2> 에서제시한평균 에너지소비 ( 아래표참조) 보다많은경우, 그이유를분석 항목일일하수처리량평균제거 BOD 당소비전력 단위 [1000 톤/ 일] [kwh/kg BOD] 중소규모 0~300 Energy = 13.45/FLOW 0.365 중대규모 300 이상 Energy = 1.67 항목일일하수처리량평균하수처리량당소비전력 단위 [1000 톤/ 일] [kwh/m 3 ] 중소규모 0~300 Energy = 0.9/FLOW 0.293 중대규모 300 이상 Energy = 0.2 3 4 에너지절약의중요성인식, 홍보, 및하부조직구성원에대한교육 유관기관또는전문가집단으로부터지속적인정보획득및자문요청 - 248 -
아래는 가 지자제관내하수처리장에너지소비비교의예로서, 관내처리장 의운전특성을서로비교하므로써각처리장의장점과단점을도출하여에너지 절약을위한개선책을도출하는과정을설명한다. < 가 지자체관내하수처리장에너지소비비교> 지자체명: 가 지자체 처리장명: A, B, C, D 물재생센터 하수처리량및처리수재이용량 ( 조사연도: 2010 년) 유입펌프설비 - 249 -
포기조송풍기설비 1 차슬러지처리설비 2차슬러지처리설비 - 250 -
소화조슬러지처리설비 탈수기처리설비 탈수케익함수율 - 251 -
탈수케익발생량 연간전력사용량 ( 총괄) 포기조송풍기유입수펌프기타슬러지탈수처리설비소화조가스교반기여포세척수펌프소화조가동펌프농축조가동펌프슬러지이송펌프방류펌프 - 252 -
연간전력사용량 (BIG 4) 기타기계설비및공조설비등 13% 펌프류및슬러지탈수설비 ( 유입수펌프제외 ) 13% 유입수펌프 22% 포기조송풍기 52% 연간전력사용량 ( 유입수량기준) - 253 -
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연간연료사용량 ( 총괄) - 256 -
에너지원단위 - 257 -
다. 처리장운영자및정책수립담당자를위한실천지침 아래는처리장운영자및정책수립담당자를위한실천지침으로운영의효율성, 에너지요금체계에대한이해및교육, 에너지절약을위한운전, 및고효율시스템 을갖추기위한다각적노력을요구하고있다. 특히, 지차체관내하수처리장에 대한에너지소비비교에적극적참여및이를통한개선책도출을적극적으로 수행하여야한다. 1 2 3 4 5 6 각설비/ 공정의설계자료및실제운전자료에대한비교검토및이를통한 문제점과해결책수립 에너지고소비설비에대한운전자료정리및지자체에보고 에너지절약을위한에너지요금분석 에너지요금체계및명세서의이해 현재상태에서불필요한에너지비용발생원도출및개선 하수처리수요대부분을담당할수있는설비용량을최대설비용량으로설계 되었는지확인 에너지를많이소비하는펌프류및송풍기류에대한실제운전부하율 일, 월별) 조사및운전효율에대한 database 구축 구축된운전 database에따른전력수요의효율적조절 다른펌프설비의기동전에사용하고있는설비를정지 용 ) (ratchet charge ( 시, Off-peak 시간중에공정운전: 첨두부하억제를위한저류설비 ( 저류조, 비상펌프등) 구축및효율적펌프운전프로그램의운용으로다에너지 소비설비의운전을전력 on-peak 시간대에서 off-peak 시간대로변경 각설비의저부하운전억제 각설비의과부하운전억제 ( 펌프및송풍기등) ( 슬러지처리설비등) On-peak 시간중에운전할경우경유발전, 이를이용한펌프운전 7 효율적측정및제어설비구축 저류설비등이없을경우 peak-clipping을위한비상용발전시스템구축 효용성이양호한대책의우선집행및집행계획수립 개선책에대한경제성분석 비효율적펌프를교환하거나조정 ( 임펠러, 프로펠러등) 고효율조명시스템사용 Variable Frequency On-peak 구동모터사용 부하시비상용발전시스템사용 사 - 258 -
고효율시스템으로대체: 내구연한에따른정상적교체시에만추천 8 9 환경관리공단에서제시한에너지절감방안중당처리장에적합한기술검토 하수처리장에너지절약을위한체크리스트의지속적숙지( 아래의 사 항에 제시함 ) 지차체관내하수처리장에대한에너지소비비교시도출된질문( 검토) 사항에 대한구체적토의참여, 그리고이를통한개선책도출 라. 공정및계통관리자를위한실천지침 공정및계통관리자를위한실천지침으로 최종보고서 5.3.2. 마 의사항과같 이각공정에서의에너지절약을위한운영기법/ 기술검토가주된내용이다. 공통적인사항은기계설비의운전효율이 90% 이하가되지않도록저부하또 는과부하운전을억제하여불필요한에너지손실을줄이는데그목적이있다. 라서, 각설비의운전 manual 을숙지하여최적운전조건에따른, 실제의운전부하 율을도출한후이에대한대책을수립하여야한다. 을위한제안은아래와같다. 따 각설비에대한효율적운전 1 2 하수처리장에너지절약을위한체크리스트지속적숙지( 아래의 사 항에제 시됨) 및각설비에대한운전부하율 database 구축 Screening/ 침사제거장치 스크린: 간헐적운전 에어레이션침사지: 공기유동의적절한제어 3 4 일차침전 (Primary Settling) : 슬러지의함수율저감, 이에따른소화, 농축 및펌핑시소요에너지절약효과유도 필터 (Trickling Filter) : Synthetic media 사용 5 활성슬러지처리: 각세부공정에대한에너지최소화기법적용 6 폭기공정 (aeration) DO 농도의유연한조절을통한포기용공기공급: 전체에너지의 10 ~ 15 % 절약 에너지효율이가장높은 ( 높은산소전달능력과작은송풍기에너지소비 특성) 미세기포산기장치 (fine bubble diffuser) 활용 운전중인활성슬러지탱크수의최적화 최소 DO 농도유지및이를제어/monitor할설비구축 교축(throttling) 을통한공기유량제어시원심송풍기앞단에입구가이드베 인 (guide vane) 설치 - 259 -
8 7 9 10 기계적폭기장치의경우 2-speed 구동기활용: 부하가작은경우저속운전 슬러지농축장치 폴리머사용 연속운전 공급공기조절을통한공기/ 고형물비최적화 혐기성소화 (anaerobic digestion): 지농축및탈수공정운용 혐기성소화조를최적온도에서운전 혐기성소화조에열회수장치설치운전 슬러지내함수율을낮출수있도록슬러 혐기성소화의경우, 생산된 biogas ( 주로 methane) 를열병합발전또는가 온보일러용연료로활용토록하고, 그렇지않을시에는반드시태워서배출 자외선소독 (UV disinfection): 파장 253.7 nm 빛램프사용 저압시스템: 35~40 % radiation 효율, 소비전력 0.00085 ~ 0.0013 kwh/m 3, 전자식안정기 (electronic ballast) 사용, 수직램프시스템사용 (dead zone turning off) 중압시스템: 강도가강한자외선방출, 그러나광대역파장대, 1대의중압 시스템은 10 대의저압시스템에상응, 전자식안정기 (electronic ballast) 사용, 수직램프시스템사용 (dead zone turning off), 수질에따른제어가 능 ( 투과도가 50 % 일때 0.0037 kwh/m 3 소비, 반면에투과도가 60% 일 때 0.0027 kwh/m 3 소비 ) 기타 가급적 On-peak off-peak 시간대에펌프등고에너지소비기기운전 시간대를회피하기위하여저류설비등을적절히운용 동시운전이필요없는경우, 한기기의정지이후다른기기를기동 ( 운전 시간의중복을회피 ) 펌프/ 송풍기등주요기기에대한에너지효율조사실시및이를바탕으로가 장효율이높은기기순서대로작동 현재처리용량에가장적절한펌프를사용하고, 장래에처리용량이증가할 경우에는현재펌프의 impeller 크기를증가시켜서사용하거나, 추가로펌프 를설치 기기의성능에대한주기적점검 부하변동이심할경우회전수조절구동 용 (variable speed drive) Peak 시간중에는각종테스트회피 (periodic motor testing 등) 시스템사 - 260 -
Power factor charge를억제하기위한 Capacitor 전력의 등운용 Peak 수요를억제하기위하여비상용발전기 ( 현장에서발전이가능한경우) 설치 (Standby generator) 마. 기계설비관리자를위한실천지침 기계설비관리자를위한실천지침으로 최종보고서 5.3.2. 바 의사항과같이 각공정에서의에너지절약을위한기기/ 설비의개선대책의현실화가주된내용 이다. 1 2 3 4 모든설비에공통적인사항으로최적운전조건기준실제운전부하율자료획득 전동기 50 % 이상과대용량의경우적정용량의고효율전동기로대체 최소 5 년이상, 정규운전시간의 75 % 이상운전된전동기를교체 전동기의효율및부하율을측정한후, 이 1년정도인경우교체 회전수조절이가능한고효율전동기사용 구동기 경제성분석을통하여투자회수기간 정속구동기/ 교축장치에의한운전보다는가변속도구동기로교체 내구연한에가까운구동기는고효율신규구동기로대체 적절한유지관리 펌프 부하특성 ( 유량, 양정) 에따른펌프, 구동기, 및전동기조합의선택 유량에따른최적운전을위한가변속도구동기활용 설계용량보다많은유량을처리할수있도록임펠러크기를증가시킬수있 는펌프선택 평균/ 기본유량을처리할수있는펌프를선택, 를대비한보조펌프설치 그리고유량이급증한경우 양정최소화를위한대책실시: 불필요한수위변동 (elevation change) 최소 화및밸브/ 곡관등사용억제, suction storage tank를적극활용 펌프운전비인식 : 에너지비용 하수관거불량에의한우수등의침윤 용량최소화 유량양정에너지비용펌프효율 (infiltration) 억제를통한하수처리 실제운전용량보다과잉설계/ 설치된경우에는펌프토출부의부분폐쇄운전 이일반적이나, 이는많은에너지를낭비하게됨. 따라서설계용량보다 - 261 -
90% 미만으로운전되는경우임펠러의 trimming을통하여약 25% 까지 에너지소비를줄일수있음 수두손실이작은밸브사용 펌프운전에대한적절한 scheduling/monitoring 펌프성능곡선을확인한후효율이최대효율의 95% 선이내에서운전 ( 아래 의예의경우최적유량의 80~120% 이내운전) < 표부록 2-2> 펌프의부하율에따른효율 운전유량/ 최적유량비(%) 운전유량효율/ 최적유량효율비(%) 122.2 95.5 100.0 100.0 77.8 95.5 55.6 83.6 33.3 59.1 22.2 40.9 < 그림부록 2-2> 펌프성능곡선의예 5 송풍기 교축 (throttle) 을통한원심송풍기의송풍유량제어의경우: 송풍기입구에 있는밸브폐쇄 (Closing the valve on the inlet side if a centrifugal blower must be throttled) - 262 -
압력변동의 monitoring과필터의주기적세척 적산전력계로일간부하를 monitoring 제어방법은방풍( 교축) 이나회전수제어방법이있음. 일반적으로방풍은동 력손실이크고, 회전수제어는정회전수운전보다약 10% 정도효율이저하 됨은물론전기장치가고가여서주로대수제어하는경우가많음. 흡입댐퍼 로제어가능하나흡입저항( 동력손실) 이크고흡입풍량을 80% 이하로줄 이면서징한계에부딪혀운전이불가함. 회전수변화의범위는 20% 이내이 며이상으로변경하면내부의기류혼란, 손실등의영향에의해비례관계가 무너지게됨. 따라서송풍기의운전은펌프와마찬가지로최적유량의 80~120% 이내운전. 제조사가추천한속도로송풍기가운전되는지확인한후, 90% 이하가되지않도록운전 6 공기조화: 단열강화 7 공조기를적절히제어운전 간헐적으로사용하는공간의공조설비운전을전자센서로 on/off 송풍기효율이 제어 하수처리장에너지절약을위한체크리스트숙지 ( 아래의 사 항에제시됨) 바. 전기및계측제어설비관리자를위한실천지침 1 전기설비전기설비는공공하수도시설에설치되는수처리기계설비에전력을공급하는중요설비이다. 또한하수도시설은국민복지를위한공공의시설이므로어떠한경우에도전력설비공장또는전력인입의문제에의하여하수처리장의운영이중단되어서는안된다. 그러므로전기설비는 - 2 회선수전(1 회선상용, 1 회선예비) - 2BANK SYSTEM( 변압기 1 대상용, 1 대예비) 로기본적으로계획및시설되어야한다. 전력에너지의관리를위하여다음의 < 표부록 2-3> 과같이하수도시설부하 Group별로전력량계및운전시간기록계 를설치하여야한다. - 263 -
< 표부록 2-3> 하수도시설부하구룹별전력량계및운전시간기록계설치대상 부하 Group 전력량계설치 운전시간기록계설치 비고 인입계통 - 주전력량계 유입펌프설비 송풍기설비 수처리동력설비 - 건축동력설비 - 또한공공하수도시설의에너지절감및관리가가능한전력계통을구성하여야 한다. < 부록그림 1-3> 및 < 부록그림 1-4> 은기존시설의전력단선결선도및 변경단선결선도이다. 또한전력량및운전시간 Data는기존하수도시설감시제 어 System의 H/W 및 S/W 수정에의하여전산화관리되도록하며환경부 하 수종말처리시설전기 계측제어설비공사설계지침 에의해시설되는시 군단위로 산재된환경기초시설의중앙집중, 원격감시제어를위해도입되는 통합관리시 스템 에이 에너지관리위한 Data 들이집중관리될수있도록관리항목으로추 가되어야한다. 이를위한감시제어계통도는 < 부록그림 1-5> 의공공하수도시설 에너지관리감시제어계통도와같이구성되어야한다. < 그림부록 2-3> 하수처리장단선결선도( 변경전) - 264 -
< 그림부록 2-4> 하수처리장단선결선도( 변경후) < 그림부록 2-5> 공공하수도시설에너지관리감시제어계통도 - 265 -