폐수처리장 폭기시스템의 에너지 절약 및 탄소저감에 관한 검토
2020년 말까지 중국에는 4,326개의 지방{3}}급 이상 폐수 처리장(WWTP)이 있어 연간 655억 9천만 입방미터의 폐수를 처리하고 연간 전력 소비량은 337억 7천만 kWh로 전국 총 전력 소비량의 0.45%를 차지합니다. 2020년 처리수 입방미터당 단위 전기 소비량은 "도시 폐수 처리장의 오염 물질 배출 기준"(GB 18918-2002)의 A 등급 이상을 구현하는 WWTP의 경우 0.405kWh/m3, A 등급 이하의 표준을 구현하는 경우 0.375kWh/m3입니다. 이 수치는 선진국 평균보다 훨씬 높습니다. 중국 WWTP의 평균 유입 오염물질 농도는 선진국의 50% 미만이지만, 제거된 오염물질당 단위 전기 소비량은 최소한 100% 더 높습니다. 따라서 중국의 WWTP에는 에너지 절약과 탄소 감소에 대한 상당한 잠재력이 남아 있습니다.
WWTP의 탄소 배출에는 직접 배출과 간접 배출이 포함됩니다. '폐수 처리장의 저-탄소 운영 평가에 대한 기술 사양'(T/CAEPI 49-2022)에 따르면 직접 탄소 배출은 주로 화석 연료 연소로 인한 CH₄, N2O 및 CO2로 구성됩니다. 간접 배출에는 구매한 전기, 열, 화학 물질과 관련된 배출이 포함됩니다. IPCC(기후변화에 관한 정부 간 패널)에서 정의한 바와 같이, 폐수 처리 시 생물학적 분해 과정에서 배출되는 CO2는 탄소 배출 회계에 포함되지 않습니다. WWTP의 다양한 탄소 배출 요소 중에서 전력 소비가 가장 높은 비율을 차지합니다. Jiang Fuhai 등은 10개의 WWTP 샘플을 기반으로 탄소 배출에 대한 전기 소비의 기여 가중치가 31%에서 64% 범위에 있음을 발견했습니다. Hu Xiang et al.은 Chaohu 호수 유역의 22개 폐수 처리 시설을 분석하여 전력 소비로 인한 탄소 배출량이 61.55%~73.56%를 차지한다고 보고했습니다. 유입수 농도가 낮고 배출수 기준이 높을수록 직접 탄소 배출, 특히 전력 소비로 인한 탄소 배출 비율이 높아집니다. 폭기 시스템은 WWTP 총 전력의 50% 이상을 소비합니다. 폭기 시스템의 운영 효율성은 질소 및 인 제거에 직접적인 영향을 미칩니다. 과도한 폭기는 폐수 내 내인성 탄소원의 불필요한 소비를 초래하여 생물학적 질소 및 인 제거 효율을 감소시켜 외부 탄소원 및 인 제거 화학물질의 사용량을 증가시키고 결과적으로 화학물질 소비로 인한 탄소 배출량을 증가시킵니다. 결과적으로, 폭기 시스템의 에너지 절약은 WWTP의 탄소 감소의 핵심이므로 폭기 시스템의 에너지 절약 기술에 대한 연구가 매우 중요합니다.
1. 중국 하수처리장 폭기 시스템의 에너지 소비가 높은 이유
1.1 실제 유입수 부하가 설계 부하보다 낮음
낮은 유입수 부하는 낮은 유속과 낮은 오염물질 농도를 모두 포함합니다. 이는 과도한 통기의 주요 원인입니다. 과도한-공기는 전력 소비를 증가시킬 뿐만 아니라 폐수의 내인성 탄소원을 과도하게 고갈시키고 혐기성 및 무산소 탱크의 용존 산소 농도를 높여 질소 및 인 제거를 손상시킵니다. 이를 위해서는 탄소원과 인 제거 화학물질의 사용량을 늘려야 하며, 이로 인해 관련 탄소 배출량이 증가하게 됩니다.
1.1.1 저유량
일반적으로 WWTP 건설 후 초기에는 도시 개발이나 하수관망 건설 지연으로 인해 유입수 흐름이 설계 용량에 도달하지 못하는 경우가 많습니다. 더욱이, 합류식 하수 시스템 구역이나 우수와 하수 혼합이 심한 지역에서는 건기-기후 유량이 습기-기후 유량보다 현저히 낮기 때문에 유량 변동이 커집니다. 이를 위해서는 폭기율에 대한 보다 정확한 규제 및 제어가 필요합니다. 그렇지 않으면 유량이 낮은 기간 동안{4}}과잉 통기가-흔히 발생하여 탄소, 질소, 인 제거 효율에 영향을 미치고 전기 및 화학물질 소비가 모두 증가합니다.그림 1건기와 우기 사이 창사시의 폐수 처리량 변화를 보여줍니다. 우기-처리량은 건기보다 30%~40% 더 높습니다. 처리량의 계절적 변동으로 인해 보다 정밀한 폭기 시스템 제어가 필요합니다.
1.1.2 낮은 유입수 농도
중국의 도시 WWTP의 실제 유입 오염 물질 농도는 일반적으로 설계 값보다 훨씬 낮습니다. WWTP 설계에서 유입수 수질은 일반적으로 완전한 하수관망을 갖춘 중{1}}~-장기-예상을 기반으로 합니다. '야외 폐수 공학 설계 표준'(GB 50014-2021)에 따르면 생활 폐수의 5{21}}일 생화학적 산소 요구량(BOD₅)은 40~60g/(인·일)으로 계산되며 일반적으로 40g/(인·일)이 소요됩니다. 대부분의 도시에서 1인당 폐수 배출량이 200~350L/(인·일)인 경우 설계 BOD₅ 농도는 일반적으로 110~200mg/L 범위입니다. 통계에 따르면 중국 폐수처리시설의 68%는 실제 연평균 유입수 BOD₅가 100mg/L 미만이고, 40%는 연평균 50mg/L 미만인 것으로 나타났습니다. 유입수 농도와 필요한 폭기의 관점에서 볼 때, 대부분의 중국 WWTP는 실제 공기 수요가 낮으면서도 고용량 송풍기로 구성된 "소형 카트용 대형 모터" 상황-으로 설계된 폭기 시스템을-갖고 있습니다. 이러한 구성은 과도한 통기 및 에너지 소비 증가로 이어지기 쉽습니다.
1.2 폭기설비 수량의 무리한 구성
많은 WWTP에서는 빈번한 저부하 운영 조건을 고려하지 않아 폭기 장비 수를 부당하게 구성했습니다.- 예를 들어, 다수의 중소형-규모 WWTP는 일반적으로 송풍기실 설계에서 "2 듀티 + 1 대기"(총 3개) 설정으로 송풍기를 구성하며 이는 설계 흐름 및 품질 조건에서 최적입니다. 그러나 낮은 유입 부하 조건에서는 최소 출력으로 송풍기를 하나만 작동해도 과-통기가 발생하고 전력 소비가 증가할 수 있습니다. 공기 공급을 줄이기 위해 가변 주파수 드라이브(VFD) 또는 기타 수단을 설치하면 과도한 통기를 방지할 수 있지만, 이러한 조치는 송풍기 작동을 고효율 영역에서 벗어나게 하여{10}효율성을 감소시키고 에너지를 낭비할 수 있습니다. 일반적으로 유입수 농도가 낮다는 점을 감안할 때, 저부하 기간 동안 공기 수요 규제 요구 사항을 충족하려면 송풍기 수를 늘리면서 개별 장치 용량을 줄이는 것과 같은 전략을 고려해야 합니다.{12}} 역사적으로 제한된 예산과 수입된 고성능 송풍기의 높은 비용으로 인해 더 적은 수의-장치 구성이 발생했습니다. 국내 고성능 송풍기 기술이 성숙해지고 비용이 절감됨에 따라 이제 송풍기 구성을 최적화하여 에너지 절약 및 탄소 감소를 달성할 수 있는 여건이 조성되었습니다.
1.3 폭기장치의 낮은 효율성
당시의 기술로 구축된 일부 오래된 WWTP는 저-효율성, 고{1}}에너지-소비 폭기 장비를 사용합니다. 현재의 기술 및 에너지 효율성 표준에 따르면 루츠 송풍기, 다단계 저속-송풍기, 디스크 통풍기, 브러시 통풍기와 같은 장비는 효율성이 낮은 것으로 간주됩니다. 이는 일반적으로 최신 고속 원심 송풍기보다 효율성이 40%~65%{11}}15%~40% 낮습니다.- 또한, 혐기성-무산소-산소(A2/O) 또는 무산소-산소(A/O) 공정에서 미세-기포 확산 폭기를 사용하는 폐수처리 설비에서는 디퓨저의 노후화 또는 막힘으로 인해 산소 전달 효율이 감소하고 저항이 증가하여 송풍기 에너지 소비가 증가합니다.
1.4 생물탱크의 혼합기 구성이 불합리하다
표면 폭기 장치가 있는 산화 도랑에서 장비는 폭기 기능과 혼합/푸싱 기능을 모두 제공합니다. 이는 설계하중 조건에서 합리적인 설계이다. 그러나 낮은-부하 조건에서는 폭기를 줄이거나 중지해야 할 수 있지만 슬러지 침전이나 액체-고체 분리를 방지하려면 충분한 유속을 유지해야 하며 이로 인해 폭기 장치가 계속 작동하고 과도한-공기, 영양분 제거 불량 및 에너지 낭비가 발생합니다. 낮은 부하에서 보다 에너지{6}}효율적인 작동을 위해서는 산화 배수로에 적절하게 구성된 수중 혼합기를 장착해야 합니다.
A2/O 및 A/O 공정에서 호기성 탱크는 일반적으로 침전을 방지하기 위해 충분한 통기에 의존하여 전용 믹서 없이 미세{0}}기포 디퓨저로 완전히 덮여 있습니다. 부하가 낮은 경우 폭기를 줄이거나 과도한 통기를 피하기 위해 간헐적인 통기를 구현하면-쉽게 슬러지가 침전되어 처리에 영향을 줄 수 있습니다. 낮은 부하에서 보다 효율적으로 작동하려면 A2/O 및 A/O 호기성 탱크에 적절한 혼합기를 추가하는 것을 고려해야 합니다.
2. WWTP 폭기 시스템의 에너지 절약 및 탄소 감소를 위한 기술적 접근 방식
2.1 고-효율 폭기 장비로 교체
루츠 송풍기, 다단계 저속 원심 송풍기, 디스크 폭기장치 또는 브러시 폭기장치와 같은 저효율 장비를 사용하는 폐수처리시설 또는 심각하게 노후되고 비효율적인 장비를 사용하는 폐수처리시설은 에너지 -절약 및 탄소{4}}저감 관점에서 에너지 효율 평가를 수행하고 시기적절하게 새로운 고효율 모델로 교체해야 합니다.{5}} 현재 대형 WWTP에 사용되는 단일-고속-원심 송풍기, 자기 베어링 송풍기, 공기 베어링 송풍기와 같은 고속 송풍기는 일반적으로 80%~85%의 효율을 자랑합니다. 그러나 현재 시장에는 소용량-고속- 원심 송풍기 제품이 부족합니다. 용량이 2,000m³/d 미만인 WWTP는 여전히 루츠 송풍기와 같은 덜 효율적인 장비에 의존하고 있으며 일반적으로 효율성이 40%~65% 사이로 상당한 개선 가능성을 나타냅니다. 따라서 보다 효율적인 소규모{21}}폭기 장비를 개발하는 것은 소규모 WWTP의 에너지 절약 및 탄소 감소에 의미가 있습니다.
2.2 표면 폭기에서 미세-기포 확산 폭기로의 전환
적절한 수심이 주어지면 미세{0}}기포 확산 폭기가 표면 폭기보다 에너지 효율적입니다-. 표면의 산화 도랑을 미세한-기포 확산 폭기로 전환하면 우수한 에너지-절약 결과를 얻을 수 있습니다. 구현된 개조 프로젝트에서 이러한 전환은 상당한 에너지 절약을 달성할 뿐만 아니라 생물학적 영양소 제거 효율성도 향상시킵니다. Chen Chao의 연구에 따르면 하나의 WWTP를 전환한 후 총 전력 소비량이 24.7% 감소한 반면 암모니아 질소, COD 및 총 인 제거율은 각각 30.39%, 5.39% 및 2.09% 증가했습니다. Xie Jiciet al. 비슷한 변환 후 0.09~0.12kWh/m3의 에너지 절감 효과를 보고했으며 생물학적 영양소 제거 효율이 크게 향상되었습니다. 미세-기포 통기에서 산소 전달 효율은 수심과 선형적으로 양의 상관관계를 갖습니다. 특정 임계 깊이 이하에서는 표면 통기보다 효율이 낮아질 수 있습니다. 일반적으로 4m보다 큰 수심은 산화 도랑을 미세{20}}기포 확산 폭기로 전환하는 데 적합한 조건으로 간주됩니다.
3. WWTP 폭기 시스템의 에너지 절약 및 탄소 감소를 위한 기술적 접근 방식
3.1 고-효율 폭기 장비로 교체
루츠 송풍기, 다단계 저속 원심 송풍기, 디스크 폭기장치 또는 브러시 폭기장치와 같은 저효율 장비를 사용하는 폐수처리시설 또는 심각하게 노후되고 비효율적인 장비를 사용하는 폐수처리시설은 에너지 -절약 및 탄소{4}}저감 관점에서 에너지 효율 평가를 수행하고 시기적절하게 새로운 고효율 모델로 교체해야 합니다.{5}} 현재 대형 WWTP에 사용되는 단일-고속-원심 송풍기, 자기 베어링 송풍기, 공기 베어링 송풍기와 같은 고속 송풍기는 일반적으로 80%~85%의 효율을 자랑합니다. 그러나 현재 시장에는 소용량-고속- 원심 송풍기 제품이 부족합니다. 용량이 2,000m³/d 미만인 WWTP는 여전히 루츠 송풍기와 같은 덜 효율적인 장비에 의존하고 있으며 일반적으로 효율성이 40%~65% 사이로 상당한 개선 가능성을 나타냅니다. 따라서 보다 효율적인 소규모{21}}폭기 장비를 개발하는 것은 소규모 WWTP의 에너지 절약 및 탄소 감소에 의미가 있습니다.
3.2 표면 폭기에서 미세-기포 확산 폭기로의 전환
적절한 수심이 주어지면 미세{0}}기포 확산 폭기가 표면 폭기보다 에너지 효율적입니다-. 표면의 산화 도랑을 미세한-기포 확산 폭기로 전환하면 우수한 에너지-절약 결과를 얻을 수 있습니다. 구현된 개조 프로젝트에서 이러한 전환은 상당한 에너지 절약을 달성할 뿐만 아니라 생물학적 영양소 제거 효율성도 향상시킵니다. Chen Chao의 연구에 따르면 하나의 WWTP를 전환한 후 총 전력 소비량이 24.7% 감소한 반면 암모니아 질소, COD 및 총 인 제거율은 각각 30.39%, 5.39% 및 2.09% 증가했습니다. Xie Jiciet al. 비슷한 변환 후 0.09~0.12kWh/m3의 에너지 절감 효과를 보고했으며 생물학적 영양소 제거 효율이 크게 향상되었습니다. 미세-기포 통기에서 산소 전달 효율은 수심과 선형적으로 양의 상관관계를 갖습니다. 특정 임계 깊이 이하에서는 표면 통기보다 효율이 낮아질 수 있습니다. 일반적으로 4m보다 큰 수심은 산화 도랑을 미세{20}}기포 확산 폭기로 전환하는 데 적합한 조건으로 간주됩니다.
3.3 간헐적 폭기 기술
유입수 농도가 낮은 WWTP의 경우 연속-흐름 간헐적 폭기는 영양분 제거 불량 및 과도한 폭기로 인한 높은 에너지 소비 문제를 효과적으로 해결합니다.- 폭기 시스템은 폭기 켜기/끄기 주기로 작동하는 동안 지속적인 유입수 및 유출수 흐름을 포함합니다. ARAKI 등의 1986년 산화 도랑에서 질소 제거를 위한 간헐적 통기에 대한 연구에 이어 많은 학자들이 실험적 연구를 수행했습니다. Hou Hongxunet al. 산화 도랑에서 연속 흐름 간헐적 폭기를 사용하여 100,000m³/d WWTP에서 전체-시험을 수행하여 총 질소 제거율 20% 증가, 총 인 제거율 49% 증가, 전체 공장 에너지 소비량 21% 감소를 달성했습니다. He Quan 등은 2-시간 작동/2-시간 비주기를 사용하는 40,000m³/d WWTP 산화 배수로 시험에서 연속 폭기에 비해 간헐적 폭기는 폭기 에너지를 42% 절약하고 겨울철 저온 조건에서 총 질소 제거율을 9.6% 증가시키고 총 인 제거율을 6.9% 증가시키는- 것을 발견했습니다. Zheng Wanlin 등은 3-시간 작동/3시간 작동 중지 주기를 사용하는 40,000m³/d WWTP A2/O 공정 시험에서 안정적인 표준 준수 배출수 품질을 유지하면서 전기 소비량을 18.3% 절감했습니다. 현재 연속 흐름 간헐적 폭기의 본격적인 적용은 여전히 제한적이며 몇 가지 기술적 과제가 남아 있습니다.
미세{0}}기포 통기를 사용하는 A2/O 공정의 경우 두 가지 요인으로 인해 간헐적 통기의 광범위한 적용이 제한됩니다. 첫째, 고속-원심 송풍기는 시동 시 높은-데시벨의 날카로운 소음을 발생시킵니다. 간헐적인 작동을 위해 자주 사이클링하면 소음 공해가 발생합니다. 둘째, 자기/에어 베어링 송풍기의 빈번한 시작-정지 주기로 인해 비-비접촉 베어링이 하우징에 반복적으로 접촉하여 베어링이 쉽게 손상되고 고장률이 증가하며 수명이 단축됩니다.
산화 도랑이나 A2/O 공정에 간헐적인 폭기를 적용하는 경우, 폭기하지 않는 기간 동안 충분한 혼합 속도가 보장되어야 하며-슬러지 침전을 방지하기 위해 추가 믹서가 필요할 수 있습니다. 암모니아 질소 농도는 폭기하지 않는 동안 급격하게 상승하여 순간적으로 초과될 위험이 있습니다. 따라서 폭기 주기를 과학적으로 설정하고 조정하여 순간적인 암모니아 질소 초과를 피하면서 에너지 절약 및 오염 물질 제거를 더 잘 향상시키기 위한 추가 연구가 필요합니다.
잠재적인 순간 암모니아 질소 초과에 대한 WWTP의 우려는 간헐적 폭기의 광범위한 적용에 대한 주요 장벽입니다. 2022년 1월 생태환경부는 GB 18918-2002의 수정안 초안에 대한 협의를 발표했으며, 주로 단일 측정에 대한 최대 허용 한계를 추가할 것을 제안했습니다. 제안된 단일 측정 한도는 원래 일일 평균 한도보다 훨씬 높지만 일일 평균은 변경되지 않습니다. 예를 들어 A등급 표준의 경우 일일 평균이 5mg/L(12도 미만 8mg/L) 미만으로 유지되는 경우 10mg/L(12도 미만 15mg/L) 미만의 단일 측정이 허용됩니다. 이 개정안이 시행되면 간헐적 폭기로 인한 순간 초과에 관한 규제 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있으며 산화 도랑 공정에 적용이 용이해질 수 있습니다.
3.4 정밀 통기 기술
WWTP 유량과 유입수 농도는 하루 종일에도 크게 변동하여 공기 수요가 가변적입니다. 수동적인 경험-기반 조정에만 의존하면 정밀한 제어가 어렵고 배출수 품질 안정성이 손상될 수 있습니다. 빅데이터와 인공지능의 발전으로 정밀폭기라는 개념이 등장하게 되었습니다. 일부 폐수처리시설에는 정밀 폭기 기술이 적용되어 일반적으로 폭기 시스템에서 10~20%의 에너지 절감 효과를 달성합니다. 정밀한 통기와 다른 공정 수정을 결합하면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. Zhu Jieet al. 다단계 A/O 프로세스 WWTP에 정밀한 폭기 개조를 구현하여 폭기 시스템에서 49.8%의 에너지 절감을 달성했습니다. 정확하고 지능적인 통기는 에너지 절약과 탄소 감소를 위한 중요한 미래 방향을 나타냅니다. 이러한 시스템에 대한 실시간 기능과 데이터 수집 및 분석의 정확성에는 현재 제한 사항이 있습니다.{13} 송풍기와 밸브의 실시간 정밀 제어와 정확한 공기 분배를 위해서는 더 많은 기술적 혁신이 필요합니다.{15}}
4. 결론
폭기 시스템의 에너지 절약은 WWTP의 탄소 감소에 핵심입니다. 중국 WWTP 폭기 시스템에서 에너지 소비가 높은 주된 이유는 유입수 부하가 낮기 때문입니다. 이는 쉽게 과도한 폭기를 초래하고, 전기를 낭비하고 전력 및 화학 물질 모두에서 탄소 배출을 증가시킵니다. 다른 이유에는 노후화/낮은-효율성 장비, 폭기 및 혼합 장비의 불합리한 구성 등이 있습니다. 에너지 절약 및 탄소 감소를 달성하기 위한 효과적인 방법에는 낮은-효율을 높은-폭기 장비로 교체하고, 표면을 미세한-기포 확산 폭기로 전환하고, 연속-간헐 폭기 및 정밀 폭기와 같은 기술을 적용하는 것이 포함됩니다.