우수사례
탄천물재생센터, 바이오가스 증산 방안 연구
바이오가스 증산제 투입 결과, 가스발생량 증산시켜 효율적 공정 운영
하수처리·슬러지 공정에 문제 발생 및 악취로 인한 민원발생 없어
소화조 반송시스템 도입방안도 연구…가스발전기 가동으로 전력비 절감
| ㈜탄천환경 물환경연구소
㈜탄천환경(대표 고태규·www.tancheon.com)은 소화조 가스발생량 증산을 위해 바이오가스 증산제 투입 및 소화조 반송시스템 적용을 통해 가스발생량을 증가시킨 연구사례인 ‘탄천물재생센터 바이오가스 증산 연구사례’ 중간보고서를 최근 발표했다. 그 내용을 게재한다.
순수하수 유입으로 가스발생량 적어
서울시 강남구 소재의 탄천물재생센터는 시설용량 90만㎥/일의 규모로, 강남구·송파구·서초구·강동구를 비롯해 하남시·과천시 등 서울시 4개 구 및 경기도 2개 시의 하수를 처리하고 있다. 주요 처리공법으로 MLE(순환식질산화탈질법)공법 · 응집약품·3차처리(MDF)를 거치는 처리과정을 채택하고 있으나, MLE 등 고도처리공법을 운영하기 시작한 이후 소화조 투입슬러지 중 생슬러지의 비율이 감소하면서 가스발생량이 감소하는 추세이다.
또한 탄천물재생센터는 순수 생활하수 위주의 하수가 유입되어 타 센터에 비해 소화조 가스발생량이 부족하며, 건조시설, 발전기 등 자체 시설에서 사용되는 가스량에 비해 발생량이 적어 이를 보충하기 위한 증산이 필요한 상황이다. 이에 ㈜탄천환경은 지난 2013년 바이오가스 증산을 위해 일정 기간 음폐수(음식물쓰레기 폐수)를 투입하는 연구를 진행, 투입 전 대비 16%의 증산효과를 얻었으나 부가적으로 발생하는 여러 문제점으로 인해 새로운 대안이 요구됐다.
음폐수를 소화조에 투입할 때 발생할 수 있는 문제점은 △악취로 인한 민원발생 △음폐수 유분으로 인한 스케일(scale)로 배관 막힘현상 △소화조 상부 스컴층 발생 △바이오가스 내 황화수소(H2S) 함량 증가 △슬러지발생량 증가로 인한 처리비용 증가 등이 있다. 이에 탄천물재생센터는 소화조에 바이오가스 증산제를 투입할 경우 가스발생량을 증가시키는 동시에 이러한 문제점을 최소화할 수 있을 것으로 보고 업체와 공동연구 MOU를 체결, 가스발생량 증가 연구를 추진하고 그 결과를 발표했다.
탄천물재생센터의 바이오가스 발생량은 2014년 기준 1만7천㎥/일 규모로, 시설 운영을 위해 필요한 바이오가스량은 건조시설 1개소(1만7천㎥/일) 및 가스발전기 2대(각 7천㎥/일)를 포함해 모두 3만1천㎥/일 규모다. ㈜탄천환경은 발생할 수 있는 문제점을 최소화하는 동시에 바이오가스를 증산시키기 위해 △고농도 유기물 투입을 통한 바이오가스 증산제 투입 연구 △고농도 유기물 최적 소화방법을 적용한 소화조 반송시스템 도입 연구를 추진했다.
바이오가스 증산제는 음폐수 원액에서 유분, 부유물질(SS), 악취를 제거한 후 효모나 미생물을 이용한 산발효 과정을 통해 총휘발성유기산(VA)이 풍부하게 함유된 약품으로, 부유물질의 농도가 낮고 VS가 높으며 악취가 발생하지 않아 음폐수 투입 시 발생하는 문제점을 최소화할 수 있다. 또한 소화조 미생물에 필요한 미량원소 및 영양염류를 다량 함유하고 있어 가스발생량의 증가를 유도할 수 있다.
4개월간 하루평균 증산제 9.2톤 투입
국내에서 바이오가스 증산제를 투입한 사례는 대표적으로 원주하수처리장이 있다. 원주하수처리장의 경우 기존에 건조시설 보일러와 CNG 운영방식을 채택하다가 음폐수 투입에 대한 대안으로 증산제를 투입했으며, 유량계를 부착하지 않아 정확한 산정이 어려우나 가스발생량 증가효과가 있는 것으로 밝혀졌다. 반면 소화조 pH 및 황화수소 농도에는 변화가 없었으며, 수처리 및 슬러지 공정에는 영향이 없는 것으로 판단됐다.
㈜탄천환경은 2014년 12월 서울시로부터 ‘바이오가스 증산제 투입을 통한 가스발생량 증가 연구’를 승인받으며 민간기업인 대성E&A와 공동연구 협약을 체결, 이듬해인 2015년 6월부터 증산제를 적용·투입해 본격적인 연구를 수행했다. 1단계 연구는 증산제(50톤/일)를 3개월 투입해 가스증산량(3천N㎥/일)이 15일 간 지속되는지 여부를 지켜보는 단계이며, 1단계 만족 여부에 따라 증산제 투입량을 증가하여 2단계 연구를 진행할 예정이다. 2단계 연구에서는 증산제를 150톤/일 규모로 3개월 간 투입하여 가스증산량(9천N㎥/일)이 15일 간 지속되는 경우 만족하는 것을 목표로 하고 있다.
증산제는 혼합슬러지 저류조에 투입됐으며, 9월 14일부터 10월까지 임시저장탱크를 설치해 24시간 투입을 실시했다. 또 7∼10월 기간 동안 혼합슬러지 저류조에 투입량을 단계적으로 늘려 하루 평균 9.2톤의 증산제를 투입했다. 가스증산량 기준은 2013년 진행한 음폐수 실증시험 시 발생한 가스발생량을 적용해 산정한 결과로, 투입 후 4개월 간 지켜본 바 수처리 및 슬러지 공정에 걸쳐 문제 및 악취가 발생하지 않은 것으로 관찰됐다.
2015년 6월 18일부터 10월 31일까지의 현장적용 결과 부유물질(SS), 총질소(T-N), 총인(T-P), 총휘발성유기산 등 4개 시험항목 모두 환경부고시 관련 유기탄소원 사용기준을 만족하는 결과를 얻었다. 7월에서 10월까지 약 4개월 간 하루 평균 9.2톤의 증산제를 투입한 결과 전년 동기대비 가스발생량은 약 6천N㎥/일로 56.3% 증가했으며, 이는 연구 1단계 증산목표인 3천N㎥/일보다 2배 증가한 양이다.
하절기(7∼9월)에는 대개 가스발생량이 감소추세를 보임에도 불구하고 바이오가스 증산제를 투입한 결과 전년보다 감소추세가 완만하며 가스발생량도 증가한 것으로 확인됐다. 연구가 진행된 2015년 하절기에는 전년 동기대비 강우량이 22% 감소하고 소화조 투입량이 24.6% 증가한 반면, 소화조 투입 슬러지 내 생오니 비율은 100% 감소했다.
이러한 악조건에도 불구하고 가스발생량이 기존 1만1천431N㎥/일에서 1만7천865N㎥/일로 크게 증가한 점은 매우 의의 있는 연구결과로 판단된다. 한편, 소화조 투입DS는 3.9%로 투입DS 대비 가스발생량은 약 47.4% 증가했다. 슬러지발생량(탈수 케익량)은 증산제 투입으로 인한 영향을 받지 않는 것으로 확인됐다.
소화조 운영 분석결과 소화온도와 소화율은 비슷하게 유지됐다. 소화가스 내 메탄(CH4) 함량은 증산제 투입 전과 변화가 없었고, 황화수도 농도 또한 500㎎/L 수준의 저농도로 비슷하게 유지됐다. 별도의 저장탱크를 설치해 증산제를 24시간 투입한 경우와 1일 1회 투입한 경우의 투입방법에 따른 가스발생량은 비슷한 것으로 확인됐다. 1톤당 가스발생량은 24시간 투입한 경우에 비교적 많았으며, 사용량에 따라 투입방법을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 가스발생량 증가로 가스발전기 사용량이 52.5% 증가함에 따라 월 1천100만 원의 전력비가 절감되어 4개월 간 총 전력비 4천500만 원의 절감효과를 얻었다. 이 외에도 슬러지 건조시설의 가스사용량이 51.4% 증가함에 따라 건조시설 투입량이 1.9% 늘어 결과적으로 슬러지 매립처분비용 6천700만 원(월 1천600만 원)이 절감됐다. 슬러지매립량은 모두 7.1% 감소했다.
투입DS톤과 생슬러지 비율이 감소해도 가스발생량은 증가
가스발전량 증산으로 전력비 하루 184만원 절감 예상
올해 바이오가스 증산제 투입 연구 및 소화조 반송시스템 적용 병행 실시
소화슬러지 약 30~50% 소화조로 재투입
아울러 바이오가스 증산제는 음식물처리장과 하수처리장, 매립지의 악순환을 해소해 환경부담을 더는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 현재는 음식물 처리장에서 유입되는 음식물 폐수로 하수처리장의 슬러지처리량 및 매립량 부담이 늘어남에 따라 매립지의 매립량이 증가해 사용연수가 단축되는 문제를 보이고 있으나, 음식물처리장에서 하수처리장으로 폐수가 유입되는 과정에 증산제를 투입할 경우 개선이 가능하다고 판단된다.
음식물처리장에서 음폐수 처리수를 증산제화하여 투입함으로써 △하수처리비용 감소 △수질관리 용이 △바이오가스 증산으로 인한 에너지 절감 △바이오가스 내 황화수소 함량 감소 등의 효과를 얻을 수 있게 되며, 매립지로 보내지는 슬러지 케익량을 감소시켜 매립지 사용연수 증가가 가능할 것으로 기대된다.
소화슬러지의 30∼50%를 혼합슬러지 저류조에서 충분히 식종한 후 소화조로 재투입하는 방식의 이 기술은 2015년 4월 7일∼5월 6일(1차), 2016년 2월 4일∼3월 15일(2차) 등 총 2차례의 운영기간 동안 현장에 적용되었다. A계열 소화슬러지를 소화조 투입 전단으로 전량 반송하는 형식이며, 추가 설비 없이 기존 배관을 활용해 자연유하 방식으로 반송이 이루어졌다.
1차 현장적용 결과 투입DS가 감소했음에도 불구하고 가스발생량은 25.6% 증가했으며, 전년 동월과 대비해 가스발생량 약 6천㎥/일 및 소화율 11.9%가 증가했다. 또한 추가로 생산된 바이오가스로 가스발전기 추가 가동이 가능해지면서 월 4천200만 원의 전력비 절감효과도 얻었다. 1차 운영기간 동안 얻은 소화슬러지 반송률은 39.6%로, 투입DS톤당 가스발생량은 77.4% 늘어난 반면 소화온도, 소화슬러지 pH, 알칼리도, 유기산도 등은 전년과 비슷한 수준으로 유지됐다.
2차 현장적용 기간의 소화슬러지 반송률은 1차 기간보다 증가한 41.6%로 나타났다. 이 기간 가스발생량은 약 3천500N㎥/일로 전년 동기대비 15.2% 증가했다. 동절기 가스발생량은 증가추세로, 전년 동기대비 소화조 투입량이 2천715㎥/일에서 2천285㎥/일로 15.9% 늘고, 소화조 투입슬러지 내 생슬러지 비율은 19.6%에서 10.1%로 48.5% 감소함에도 불구하고 가스발생량이 이처럼 증가했다는 점은 주목할 만한 결과라고 판단된다.
특히 2015년 3월 실시된 1차 현장적용 시운전으로 가스발생량이 다소 높았던 점을 감안한다면 실제 전년 동기대비 증가한 가스발생량은 더 많은 것으로 예상된다. 투입DS톤은 18.8% 감소했으나 투입DS톤당 가스발생량은 24.2% 증가했으며, 소화율 및 소화조 고형물 감량률은 각각 10.1%, 8.6%씩 증가했다.
한편, 소화조 반송시스템은 지난 3월 15일을 끝으로 4월 12일까지 약 한 달 간 운영이 중단되었으나 약 3만N㎥/일의 가스발생량을 유지하는 것으로 확인됐다. 이는 소화일수(약 37일)의 영향으로 가스발생량 증산효과가 지속된 것으로 판단된다.
소화조 온도 및 pH는 전년과 비슷하게 유지되었고, 가스발생량 증가에 따라 가온보일러의 가스사용량이 증가했다. 가스발전기는 1대만 가동되어 가스사용량이 적고, 전년 동기대비 발전량도 감소한 실정이나 추후 가스발전기를 분해·정비할 경우 사용량 및 발전량이 증가할 것으로 예상된다. 경제적으로는 가스발생량이 3천500N㎥/일 증산됨에 따라 발전기 가동 시 예상되는 전력비는 하루 184만 원이 절감 가능할 것으로 예측된다.
소화조 반송시스템 1차 및 2차 현장적용 결과 투입DS톤 및 투입 슬러지 내 생오니 비율이 줄며 1차 대비 증산량은 감소했으나 가스증산량은 비슷한 것으로 분석된다. 소화조 투입량 대비 반송률은 평균 40.6%대로 운영되었으며, 1차 대비 투입DS톤 및 투입 슬러지 내 생오니 비율은 각각 10.6%, 46.8%씩 감소했다.
㈜탄천환경은 지난 2∼3월 소화조 반송시스템 2차 적용 연구를 통해 동절기 반송에 따른 효과를 분석한 데 이어 지난 4월부터 오는 9월까지 6개월 간 바이오가스 증산제 투입을 50톤일 및 150톤/일로 나누어 연구를 진행, 단계별 투입량 증가에 따른 가스발생량 증산효과를 분석하여 악취발생 및 공정에 미치는 영향을 파악할 계획이다. 또한 오는 10월부터 12월까지 3개월 간 두 가지 방법을 병행해 추가적인 가스발생량 증가를 분석할 예정이다. [문의 = (02)3410-9815]
[『워터저널』 2016년 7월호에 게재]