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1. 서론 1.1 연구배경우리나라는 2015년파리협정체결로 2020년이후적용될신기후체제 (Post-2020) 에대응하기위해 2030년온실가스배출전망치 (BAU) 대비 37% 감축 목표를부문별 업종별로구체화한 2030 국가온실가스감축기본로드맵 을확정한바있다 [1]. 국가온실가스목표를달성하기위한법적체계로서 2010년 저탄소녹색성장기본법 을제정하고 온실가스 에너지목표관리제 를도입하였으며, 2015년부터 온실가스배출권거래제 를본격시행하고있다. 음식료품부문폐수발생량은 357천m3 / 일로전체산업폐수발생량 4,951천m3 / 일의 7.2% 를차지하고있으며, BOD발생부하량은 666천kg/ 일로산업폐수전체부하량 2,226천kg/ 일의 29.9% 를보이고있다 [2]. 음식료품제조공정에서발생되는폐수는유기물부하량이가장높은수준을유지하고있으며, 물환경보전법에서요구하는방류수의배출허용기준강화에따라폐수처리설비에대한투자가증가하고있는추세에있다. 온실가스배출권거래제의대상업체인각기업에서는할당받은온실가스목표를달성하기위하여신재생에너지설치및사용, 고효율모터교체, LED전등교체등고효율설비투자를확대하고있으며, 할당목표에미달될경우배출권을구매해야하는것이현실이다. 폐수처리시설의설비및공정개선은수처리효율개선뿐만아니라에너지사용량절감및온실가스배출량저감에도크게기여할수있을것으로판단되고있다. 1.2 연구목적본연구에서는 A시에위치한 N식품회사폐수처리장을대상으로수처리효율증대및에너지소비량을낮추기위하여폭기조송풍기와슬러지탈수과정에대하여최적의설비개선방안을도출하였고. 이에따른온실가스배출량평가를위하여첫째로폭기조에공급하는기존의축류형송풍기인 Roots blower를고효율인 Turbo blower로교체하여수질개선및에너지사용량을비교분석하였다. 둘째로폐수처리공정에서발생된슬러지를 Belt Press에서탈수한후이송하는기존의공정을에너지를최소화할수있는시스템으로개선하여현장에적용하고효과를비교분석하였다. 또한상기공정개선 이온실가스배출량에미치는영향에대하여연구하였다. 2. 연구방법 2.1 대상시설대상사업장은식품폐수 2,351m3 / 일가발생되며, 물리 화학적처리시설과생물학적처리시설 ( 활성슬러지법 ) 으로폐수를처리하고있다. 식품제조시설에서배출되는폐수는주로유기물질을많이함유하고있으므로폭기조의생물학적처리전에화학적처리과정을거쳐유기물질을 40-50% 제거한후미생물처리후 2차침전조의상등수를모래여과기, 활성탄여과기를거쳐고도처리공정을거치게된다. 2.2 온실가스배출량산정방법일반적으로폐수처리시설에서발생하는온실가스는폐수처리공정에의한직접배출원과전력사용으로인한간접배출원이대부분을차지하는것으로알려져있다. 온실가스배출원은폐수처리공정에의한메탄 (CH 4), 아산화질소 (N 2O) 의직접배출원 (Scope1) 과전기사용에의한이산화탄소 (CO 2), 메탄 (CH 4), 아산화질소 (N 2O) 의간접배출원 (Scope2) 으로구분되며각각의배출원에서발생되는온실가스배출량을온난화지수 (GWP) 를고려하여이산화탄소 (CO 2eq.) 로환산된다. 현재온실가스 에너지목표관리제 [3] 에서는폐수처리공정중호기성에의한폐수처리는배출량산정을하지않는다. 때문에 2006 IPCC 가이드라인의산출방법을이용하였으며, 메탄 (CH 4) 과아산화질소 (N 2O) 의배출계수는 IPCC 가이드라인에서제시하는기본값인 0.25kg CH 4/kg COD, 0.005kg N 2O/kg N을사용하였다 [4]. 전기사용에의한배출량산정은 IPCC 가이드라인에서구체적인배출계수를제시하지않았기때문에온실가스 에너지목표관리제에서제시하는이산화탄소 (CO 2) 0.4653ton CO 2/MWh, 메탄 (CH 4) 0.0054kg CH 4/MWh, 아산화질소 (N 2O) 0.0027kg N 2O/kg N의국가배출계수를이용하였으며설비효율개선에따른전기절감량을고려하였다 [5]. 배출원별온실가스배출량은온난화지수 (GWP) 를적용하여산정하였으며, 산정방법은 Table 1. 에나타내었다. 379

한국산학기술학회논문지제 20 권제 2 호, 2019 Table 1. Calculation tool of GHGs emission by scope 1 and scope 2 Emission Sources Wastewater treatment (Scope1) Electricity (Scope2) GHGs CH 4 N 2O CO 2 CH 4 N 2O Method CH 4 emissions = (COD in Q in COD out Q out) 10-6 EF R] F j CH 4 emissions : CH4 emissions from wastewater treatment(ton CO 2eq) COD in : COD concentration in the influent wastewater(mg/l) COD out : COD concentration in the effluent wastewater(mg/l) Q in : influent wastewater flows(m 3 /yr) Q out : effluent wastewater flows(m 3 /yr) EF : Emission factor((ton CH 4/Ton COD) R : Methane recovery amount((ton CH 4) F j : Greenhousgas(j) GWP(CH 4=21, N 2O=310) N 2O emissions = (TN in Q in TN out Q outl) 10-6 EF 1.571 F j N 2O emissions : N 2O emissions from wastewater treatment(ton CO 2eq) TN in : TN concentration in the influent wastewater(mg-t-n/l) TN out : TN concentration in the effluent wastewater(mg-t-n/l) Q in : influent wastewater flows(m 3 /yr) Q out : Effluent wastewater flows(m 3 /yr) EF : Emission factor((kgn 2O-N/kg-T-N) 1.571 : kg N 2O-N kg N 2O conversion factor ER = ( E EF F j) ER : Reductions of GHGs emissions E : Reduction of Electricity(MWh) EF : Emission factor(ton GHG/Mwh) F j : Greenhousgas(j) GWP(CO 2=1, CH 4=21, N 2O=310) 3. 폐수처리시설설비효율개선 3.1 산소공급용송풍기설비개선식품폐수와같이유기물농도가높은폐수는부패방지를위하여유량조정조에부패방지를위한충분한산소를공급해주어야하며, 활성슬러지공법의폭기조에충분한산소를공급해주어야생물학적산화반응이잘일어난다. 산소공급을위한송풍방식은축형 Blower인 Roots blower가현재가장많이사용되고있다. 그러나 Roots blower는소음과진동이발생되고, 유지관리에많은비용이드는문제와에너지손실이높아송풍효율이저하되는가장큰단점을가지고있다. 이에따라 N식품폐수처리시설에서는높은효율을가지고사용이편리한구조의송풍기의도입이필요하여송풍방식을항공기의엔진기술을폐수처리분야에접목시킨신기술의고효율 Turbo blower로개선하였다. 3.2 슬러지이송시스템개선 N식품공장은감자원료를가공하여감자칩을만드는주요공정을가지고있으며고농도폐수의특성상함수율 99% 이상의슬러지가 240m3 / 일발생된다. 슬러지탈수방식은 Filter press, Belt press, 원심탈수기, 유동판탈수기등이널리사용되고있으며, N식품에서는 Belt press 방식을사용하고있다. Belt press는 6단의롤러를거쳐함수율 75-80% 상태로처리되어진다. 탈수된 cake는 공기압컨베이어이송시스템 에의하여슬러지보관 hopper에이송되어지게된다. 이송방식은벨트나스크류콘베어에의하여슬러지압력탱크에이송하고, 이송된슬러지는일정간격고압의공기압으로 cake hopper에이송하는방식으로구성되어있다. 현재우리나라대부분의하수및폐수처리장에서이방식을사용하고있으며, 이방식은슬러지를탈수, 이송에공기압을사용하기위한콤프레샤를가동하는데많은전력이소요되는구조로되어있다. 슬러지이송과정에소요되는동력을절감하기위하여 Belt press와슬러지보관박스의낙차를이용하여슬러지를공급하는시스템으로 Fig. 1. 과같이변경하였다. 첫째로탈수기에서발생된슬러지를낙차를이용보관탱크에받기위하여탈수기본체를 H빔으로 3,500mm 높이로올려서설치하였다. 둘째 Cake hopper를철거하고운반하는암롤박스를제작하여탈수기하부에서직접탈수 Cake를보관한후, 암롤차량으로직접견인하여운반해갈수있도록하였다. 셋째로암롤박스에쌓이는슬러지의적체를방지하기위하여암롤박스하부에레일을설치하여이동할수있도록하였으며, 운반차량이암롤박스상 하차시이동할수있도록시스템을개선하였다. 380

Before 개선으로민원문제와작업환경도개선하는효과를가져올수있었다. 유량조정조및폭기조의산소공급을위한송풍방식변경에따른연간메탄 (CH 4), 아산화질소 (N 2O) 와이산화탄소 (CO 2) 의배출량을폐수처리수질개선으로인한직접배출량 (Scope1) 과전력사용량으로인한간접배출량 (Scope2) 로구분하여산정하였으며, 산정결과를 Table 2. 에나타내었다. 폐수처리수질개선으로인한직접배출량 (Scope1) 은메탄 (CH 4) 의경우 2,136.5tCO 2eq./yr 에서 2,593.3tCO 2eq. /yr으로 456.8tCO 2eq./yr(21.4%) 이증가하였으며, 아산화질소 (N 2O) 는 77.9tCO 2eq./yr에서 72.5tCO 2eq./yr으로 5.4tCO 2eq./yr에 (6.9%) 감소하는것으로산정되었다. Table 2. Total reduction of GHGs to the Improvement of blower type in food wastewater process (Units : tco 2eq./yr) After Fig. 1. Schematic diagram of Sludge process in the Sludge hydroextractor 4. 결과및고찰 4.1 설비개선에따른온실가스배출량산정 4.1.1 산소공급용송풍기설비개선폐수처리시설의산소공급을위한송풍방식은 2015년에 Roots blower를 Turbo blower로전량교체하여가동한결과송풍량을기준으로 Turboblower의전력소모량은폭기조에서 37.0%, 수위변동이있는유량조정조에서는 63.0% 의전력이줄었으며, 전체전력소비량은연평균사용량이교체이전 (2013-2015) 8,585kWh/day에서교체이후 (2016-2017) 4,569kWh/day로 4,016kWh/day (46.8%) 가감소하는효과를나타내었다. 또한, 기존의 Roots blower는부로아에서생산된일정한공기를배출하는방식인데비하여 Turbo blower는인버터에의한연동으로적정한산소를공급할수있도록설계되어폐수처리효율을극대화시켜 BOD 제거율이 63.3%, COD 제거율 42.0%, SS 제거율 71.0%, T-N 제거율이 39.6% 로수질개선에크게기여하였으며, 전력감소및효율개선뿐만아니라소음과진동의혁신적인 Emission Sources Waste water treatment (Scope 1) GHGs Before After Reduc tion CH 4 2,136.5 2,593.3-456.8 N 2O 77.9 72.5 5.4 Sub -Total 2,214.4 2,665.8-451.4 CO 2 365.7 194.6 171.0 CH 4 82.5 43.9 38.6 Electricity (Scope 2) N 2O 657.8 350.1 307.6 Sub 1,106.0 588.7 517.3 -Total Total 3,320.4 3,254.5 65.9 전기사용량절감에따른간접배출량 (Scope2) 은이산화탄소 (CO 2) 365.7tCO 2eq./yr에서 194.6tCO 2eq. /yr으로 171.0tCO 2eq./yr 이감소하였고, 메탄 (CH 4) 경우 82.5tCO 2eq./yr 에서 43.9tCO 2eq./yr 으로 38.6tCO 2eq./yr 이감소하였으며, 아산화질소 (N 2O) 는 657.8tCO 2eq./yr 에서 350.1tCO 2eq./yr으로 307.6tCO 2eq./yr이감소하여전체이산화탄소 (CO 2) 배출량은 46.8% 감소한것으로산정되었다. 따라서폐수처리시설송풍방식변경에따른온실가스총배출량은 65.9tCO 2eq./yr(1.98%) 감축한것으로평가되었다. 폐수처리시설의효율개선으로수처리농도가크게개선되었음에도불구하고직접배출량 (Scope1) 의메탄 (CH 4) 에의한이산화탄소 (CO 2eq.) 배출량이오히려증가한것으로확인되었다. 381

한국산학기술학회논문지제 20 권제 2 호, 2019 이는 2006 IPCC 가이드라인에서제시하고있는하 폐수처리시설의온실가스산정방식을적용할경우하수는처리시설의유입수 방류수의 BOD 농도를변수로하고있고폐수는처리시설의유입수 방류수의 COD 농도를변수로하고있어수처리효율이좋아질수록온실가스배출량은증가하게되어있다. Table 3. Total reduction of GHGs to the improvement of sludge transfer system in food wastewater process (Units : tco 2eq./yr) Emission Sources GHGs Before After Reduction CO 2 115.2 45.7 69.5 Electricity (Scop 2) CH 4 26.0 10.3 15.7 N 2O 207.2 82.3 125.0 Total 348.4 138.3 210.1 Fig. 2. Estimation of CO 2, CH 4 and N 2O emission to the improvement of blower type in food wastewater process 온실가스간접배출량 (Scope2) 의배출계수를적용하여산정한결과, 이산화탄소 (CO 2) 배출량은 115.2tCO 2eq./yr 에서 45.7tCO 2eq./yr으로 69.5tCO 2eq./yr(60.3%) 이감소하였고, 메탄 (CH 4) 의경우 26.0tCO 2eq./yr 에서 10.3tCO 2eq. /yr으로 15.7tCO 2eq./yr(60.3%) 이감소하였으며, 아산화질소 (N 2O) 는 207.2tCO 2eq./yr에서 82.3tCO 2eq./yr으로 125.0tCO 2eq./yr(60.3%) 감소한것으로산정되었다. 따라서슬러지이송시스템개선에따른온실가스총배출량은 210.1tCO 2eq./yr(60.3%) 감축한것으로평가되었다. 하 폐수처리시설의생물학적처리에서는미생물에의한유기물질분해과정에서메탄 (CH 4) 과아산화질소 (N 2O) 가생성되며미생물의활성화정도에따라처리수질의효율이좋아질수록온실가스가많이발생되는것으로판단된다. 4.1.2 슬러지이송시스템개선폐수처리시설의슬러지이송시스템개선은효율적인슬러지적체를위한탈수기본체의높이조절과암롤박스이동시스템을개선한결과연간전력소비량은개선이전에 47,583kWh/yr에서개선이후에는 98,282kWh/yr 로크게줄어 149,301kWh/yr(60.3%) 가감소하는효과를거두었다. 슬러지이송시스템개선에따른연간이산화탄소 (CO 2), 메탄 (CH 4), 아산화질소 (N 2O) 의배출량을전력사용량으로인한간접배출량 (Scope2) 을온실가스에너지목표관리제의산출방법에의한배출계수를적용하여산정하였으며, 산정결과를 Table 3. 에나타내었다. Fig. 3. Estimation of CO 2, CH 4 and N 2O emission to the improvement of sludge transfer system in food wastewater process 4.2 설비개선에따른온실가스배출량평가식품폐수처리시설의설비효율개선에따른총온실가스배출량을산정한결과는다음과같다. 온실가스직접배출량 (Scope1) 은산소공급을위한송풍방식변경으로수처리효율이크게개선되었음에도불구하고오히려 451.4tCO2 eq./yr(20.4%) 이증가한것으로산정되었다. 이처럼직접배출량이증가한이유는폐수처리시설의미생물에의한유기물질분해과정에서메탄 (CH 4) 과아산 382

화질소 (N 2O) 가생성되고있어처리수질의효율이좋아질수록메탄 (CH 4) 에기인한온실가스가많이발생되는것을확인할수있었다. 전력소비량감소로인한온실가스간접배출량 (Scope 2) 은총 727.4tCO 2eq./yr(50.0%) 이감소한것으로산정되었다. 따라서송풍방식변경으로 517.3tCO 2eq./ yr(46.8%) 이감소되었으며슬러지이송시스템개선으로 210.1tCO 2eq./yr(60.3%) 이감소한것으로평가되었다. 따라서본연구에서온실가스총배출량은설비개선전 3,668.8tCO 2eq./yr에서개선후 3,392.8tCO2eq./yr 으로감소하여총 276.0tCO2eq./yr(8.0%) 의온실가스를감축한것으로평가되었다. 호기성폐수처리공정에서직접발생되는온실가스는수처리효율증대로인한유입 유출유기물의농도차로인해온실가스배출량이증가하는것으로나타났고, 전력사용량감소가간접온실가스발생량감소에크게기여한것으로나타났다. Fig. 4. Estimation of CO 2, CH 4 and N 2O emission to the improvement of facility efficiency food wastewater process 4.3 결론본연구는 N식품회사를대상으로식품폐수처리시설의설비효율개선에따른온실가스배출특성을조사한결과로다음과같은결론을얻었다. (1) 폭기조에효율적인산소공급을위하여송풍방식을기존의 Roots blower에서고효율 Turbo blower로변경함으로써 BOD 63.3%, COD 42.0%, SS 71.0%, T-N 39.6% 각각제거되어수질개선이크게향상되었으며, 전력소비량도약 367,555kwh/yr(46.8%) 가절약되었다. 수질개선 에따른온실가스직접배출량 (Scope1) 은메탄 (CH 4) 의경우 456.8tCO 2eq./yr(21.4%) 이증가하였으며, 아산화질소 (N 2O) 는 5.4tCO 2eq./yr (6.9%) 감소하는것으로나타났으며, 전기사용량절감에따른간접배출량 (Scope2) 은이산화탄소 (CO 2) 의경우 171.0tCO 2eq./yr이감소하였고, 메탄 (CH 4) 은 38.6tCO 2eq./yr 이감소하였으며, 아산화질소 (N 2O) 는 307.6tCO 2eq./yr감소한것으로나타났다. 따라서폐수처리시설의송풍방식변경에따른온실가스는총 65.9tCO 2eq./yr(1.98%) 이감축된것으로평가되었다. (2) 슬러지이송시스템개선결과전력소비량은 149,301kWh/yr(60.3%) 가절약되는효과를거두었다. 이에따른간접배출량 (Scope2) 은이산화탄소 (CO 2) 의경우 69.5tCO 2eq./yr이감소하였고, 메탄 (CH 4) 은 15.7tCO 2eq./yr이감소하였으며, 아산화질소 (N 2O) 는 125.0tCO 2eq./yr감소한것으로산정되었다. 따라서슬러지이송시스템개선에따른온실가스총배출량은210.1tCO 2eq./yr감축한것으로평가되었다. (3) 본연구대상시설의온실가스총배출량은설비개선전 3,668.8tCO 2eq./yr 에서개선후 3,392.82tCO 2eq. /yr으로총 276.0tCO 2eq./yr(7.5%) 의온실가스를감축한것으로평가되었다. (4) 폐수처리시설의폭기조산소공급을위한송풍방식변경으로수처리효율이크게개선되었음에도불구하고오히려온실가스배출량이증가한것은하 폐수처리시설의생물학적처리과정에서미생물에의한유기물질분해시메탄 (CH 4) 과아산화질소 (N 2O) 가생성되어수질개선효과가좋아질수록메탄 (CH 4) 에기인한온실가스가많이발생되는현상이발생하였다. 따라서기업의경우환경적측면에서수질개선효율을극대화하여도온실가스배출량이증가하지않는방안이마련되어야할것으로판단된다. References [1] Australian Department of the Environment (2015), Assessment and Recommendations, Figure 30. Australia s greenhouse-gas emission reduction is now focused on the target for 2030, Version 2 - Last updated, 383

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