2016년 기준 시설 용량 500㎥/일 이상의 하수처리시설은 총 634개이다. 이 중 자립율 0%인 하수처리시설은 448개소이며, 에너지 자립율 20% 이상 되는 하수처리장은 52개로 약 8% 정도 밖에 되지 않는다. 또한 2019년 기준 전체 공공하수처리시설의 에너지 자립율은 14.8%로 여전히 그 결과 값이 미진한 상태이다. 환경부는 2050년까지 하수처리시설의 에너지 자립화 100%를 달성하기 위해 불철주야로 여러 방안들을 마련하고 있다.

하수처리시설 에너지 자립화의 핵심은 바로 하수처리시설 현장의 동기부여에 있다. 하지만 현재 에너지 자립화의 동기부여가 부족하여 이에 대한 관심이나 노력이 미미한 상황이다. 이에 동기부여의 방안으로 공공하수처리장의 탄소중립 기여도를 정량적으로 평가하여 그 노력을 인정하는 에너지 관리 평가제도가 제기되고 있다.

에너지 평가 중심 운영 서비스 인증제도 도입 필요

현행되고 있는 공공하수처리시설 에너지 평가기준을 보면 공공하수도 운영관리 실태 점검 기준, 대행성과 평가기준, 기술진단 평가기준 내용 안에 에너지 평가 기준이 포함돼 있지만 실제 공공하수처리장에서 사용될 에너지 절감이나 에너지 효율화에 대한 평가 배점은 거의 없는 상태이다.

이러한 공공하수처리 시설의 에너지 성과 및 저조 원인은 현재까지의 에너지정책 및 제도가 에너지 효율 및 에너지 회수율의 제고보다는 신생에너지 도입에 주력했기 때문이다. 또 공공하수처리장의 전체 전력 사용량만을 실시간으로 측정하고 단위공정별 에너지 계측장비가 미부착돼 에너지 모니터링 시스템이 미흡한 것도 주요 원인이다. 더불어 하수도 운영·관리 실태 점검 시 에너지평가도 미흡했다는 점도 있다.

공정별·기기별 에너지 효율 평가 및 진단

해외 공공하수처리시설 에너지 평가 관리제도의 사례를 보면 EU의 Horizon 2020 프로그램의 일환인 ‘에너워터(ENERWATER) 프로젝트’를 주목할 필요가 있다. 이 프로젝트는 RA(Rapid Audit)와 DS(Decision Support)로 분류되어 RA에서는 하수처리장의 유입과 유출수 조절을 평가하고 DS에서는 전처리, 1차〜3차 처리, 반송 슬러지, 악취처리 단계에 이르기까지 전체적으로 각 단계별로 에너지의 효율성을 평가한다. 그 전체 평가 값으로부터 개별 하수처리장에 A부터 G까지 총 7등급의 에너지 등급을 부여한다. 등급 부여를 통해 각각 공공하수처리시설 별 에너지 저감 및 에너지 효율화에 기여할 수 있도록 고안됐다.

또한 EU의 공공하수처리시설 평가 방법 중 독일의 가이드라인(DWA-A-216E)에 대해 관심을 기울일 필요가 있다. 독일의 가이드라인은 특정 장비의 에너지 효율성 확인에 중점을 둬 하수처리장의 기기 설비 별로 블로워, 컴프레서, 가스터빈 등 주요 에너지 소비량이 많은 기기들에 에너지 미터를 설치해 실시간으로 에너지 효율이 얼마인지를 확인한 다음, 개별하수처리장에 에너지 효율성을 평가하는 시스템이다.

향후 이러한 단위 공정 별 에너지 효율 평가, 기기 별 에너지 효율 평가를 산출하기 위해서 시범 단지를 선정하여 그 대상에 대해 ENERWATER에 대한 공법별 에너지 효율 평가 등급을 정리해서 중용하게 되면 효과적일 것으로 판단된다. 공공하수처리시설의 탄소중립의 능동적 대처를 위해서는 신재생 에너지 도입과 더불어서 공공하수처리시설의 에너지 전략 및 회수율을 최대한 촉진하는 것이 중요하다. 에너지 평가방법의 지향점은 실질적인 에너지 효율성 제고를 위해 하수처리단계(단위공정)별, 핵심 설비별 평가 및 진단이 가능한 새로운 평가방법이 필요하다.

이를 위해서는 하수도 에너지 평가 중심의 하수도 운영 서비스 인증 제도의 도입이 필요하다. 에너지 평가 중심의 공공하수처리시설 운영 서비스 인증제도는 공공하수처리시설 공법별 및 단계별, 핵심 설비별 에너지 평가 및 진단에 기반하여 하수처리시설 운영 서비스 인증을 뜻한다. 공공 하수도 운영 서비스 인증제도는 기관의 어떤 본연의 기능 수집목적이라든지 기능역할로 봤을 때 한국물기술인증원에서 담당하는 것이 적합하다.

PLS 모델링 개발로 평가 지표 정확성 높일 수 있어

현재 공공하수처리 에너지 평가 지표의 에너지 효율성 정량평가 방법은 단순 회기 분석 모델을 사용한 ‘연간 총 전력사용량(kWh/년)’으로, 유일하게 활용 가능한 에너지 소비 평가 지표이다. 환경부 2019년 하수도 통계 DB를 활용해 PLS(Partial Least Squares) 모델을 개발하면 훨씬 정확도가 높은 실제 에너지 사용량 대비 예측 값을 얻을 수 있다. PLS모델링은 독립변수가 많고 변수 간 선형 상관관계가 존재하거나 이상 수치가 포함된 DB 해석에 용이한 다변량 통계처리 선형 회귀분석 모델링 기법이다. T², SPE 등의 통계지표와 컨트리뷰선 플롯(contribution plot)을 이용하여 이상 에너지 소비 패턴을 나타낸 시설의 신속한 확인 및 원인 분석이 가능하다. 또 특이 변수 값에 대한 시설별 비교 분석도 할 수 있다.

PLS 모델을 사용하면 에너지 사용량 예측뿐만 아니라 각각의 개별 하수처리장 기기 공정별로 어떤 이상 진단이 있었다면 이상의 원인이 무엇인지 이런 진단 예측 시스템도 가능하다는 부가적인 장점도 있다. 그래서 향후 국내 공공하수처리 시설의 에너지를 평가할 때 공법별 내용을 충분히 고려해야 한다. 부가적으로 에너지 공법을 선정할 때 공법 자체의 에너지 효율을 반영해서 공법을 선정하는 것이 필요하다.

하수처리 단계(단위공정)별 에너지효율성 정량평가를 위한 요구조건으로 하수처리 단계별 에너지소비량 산출을 위한 에너지 미터 설치와 현 하수도통계 DB 관리항목 개선이 필요하다. 더불어 하수처리 단계별 에너지효율성 정량평가 모델 개발 전략도 요구된다.

 [『워터저널』 2022년 6월호에 게재]