하수처리장의 탄소중립 방안 연구

Measures for Achieving Carbon Neutrality in Domestic Wastewater Treatment Plants

Article information

J Korean Soc Environ Eng. 2024;46(7):370-381

Publication date (electronic) : 2024 July 31

doi : https://doi.org/10.4491/KSEE.2024.46.7.370

Seyoung Ahn ^,

, Haerim Kim

Water Engineering & Consulting, Inc., Republic of Korea

안세영^,

, 김해림

㈜수엔지니어링앤컨설팅

^†Corresponding author E-mail: syahn@waterenc.com Tel: 02-568-1941

Received 2024 February 19; Revised 2024 May 27; Accepted 2024 July 8.

Abstract

목적:

현대 사회에서 하수처리장은 필수적인 사회 기반 시설이지만, 동시에 온실가스를 방출하는 주요 배출원이다. 기후 위기를 완화하고 지속 가능한 사회로 나아가기 위해 하수처리장의 온실가스 배출량을 감축하는 것은 시급한 과제이며, 이를 위해서는 기술적 개선과 제도적 장치의 통합적 접목이 필요하다.

방법:

하수처리장의 온실가스 배출량 감축의 기본 전략으로는 배출원의 세분화와 정량화, 온실가스 감축 시설 도입, 물 사용량 절감 정책의 시행을 고려할 수 있다. 본 연구는 공정모델링 소프트웨어와 기존 배출계수를 활용하여 하수처리 과정에서 발생하는 온실가스 세부 배출량을 산정한다. 또한, 하수처리장의 기준선(baseline)을 설정하고, 기술적 방법인 혐기성소화조와 열병합발전 (combined heat and power, CHP) 시스템을 도입하여 각 시설의 온실가스 감축 효과를 분석한다. 제도적 접근 방식으로 물발자국 (water footprint, WF) 인증제에 의한 물 사용량 감소가 하수처리장의 온실가스 배출에 미치는 영향을 평가한다.

결과 및 토의

시나리오 분석에서 혐기성소화조를 도입한 결과, 기준선 대비 온실가스 배출량이 6.7% 감소하는 것으로 나타났으며, 혐기성소화조에 CHP 시스템을 추가할 경우 29.1%의 배출량 감소가 예측된다. 혐기성소화조에 CHP 시스템을 접목한 통합적 운영에 더하여 WF 인증제 적용으로 하수처리장의 온실가스 배출량은 기준선 대비 38.3%의 감소가 예상된다. 이러한 결과는 혐기성소화조와 CHP 시스템의 도입 및 WF 인증제 시행이 하수처리장의 탄소중립 목표 달성에 주요한 역할을 할 수 있음을 보여준다.

결론

이러한 기술적 방법과 제도적 접근의 통합적 적용, 그리고 공정모델링을 통한 세부항목별 배출량 산정은 하수처리장의 온실가스 감축을 위한 중요한 요소로 간주 될 수 있다.

Trans Abstract

Objectives

In modern society, domestic wastewater treatment plants are essential infrastructure. However these facilities are also major sources of significant greenhouse gas emissions. To mitigate the climate crisis and move towards a sustainable society, reducing greenhouse gas emissions from domestic wastewater treatment plants is an urgent task. Achieving this requires the integrated application of technological improvements and institutional measures.

Methods

Fundamental strategies for reducing greenhouse gas emissions from domestic wastewater treatment plants include detailed categorization and quantification of emission sources, the implementation of greenhouse gas reduction facilities, and the enforcement of water usage reduction policies. This study uses modeling software to estimate the detailed emissions of greenhouse gases generated during the domestic wastewater treatment process. Additionally, it establishes the baseline treatment process of the domestic wastewater treatment plant and analyzes the greenhouse gas reduction effects of each facility by incorporating technological methods such as anaerobic digesters and combined heat and power (CHP) systems. Furthermore, it evaluates the impact of reducing water usage through water footprint (WF) labeling on greenhouse gas emissions from the domestic wastewater treatment plant as an institutional approach.

Results and Discussion

In scenario analysis, the implementation of anaerobic digesters results in a 6.7% reduction in greenhouse gas emissions compared to the baseline, while the addition of CHP systems to anaerobic digestion is predicted to reduce emissions by 29.1%. By integrating CHP systems with anaerobic digesters and applying WF labeling, a reduction of 38.3% in greenhouse gas emissions from the domestic wastewater treatment plant compared to the baseline is anticipated. These results demonstrate the significant role of implementing anaerobic digesters, CHP systems, and WF labeling in achieving the carbon neutrality goal of domestic wastewater treatment plants.

Conclusion

The integrated application of technological methods, institutional approaches, and detailed emission calculations through process modeling can be considered crucial for reducing greenhouse gas emissions from domestic wastewater treatment plants.

Keywords: wastewater treatment plant; carbon neutrality; greenhouse gas; water footprint; modeling

Keywords: 하수처리장; 탄소중립; 온실가스; 물발자국; 모델링

1. 서 론

하수처리장은 오염물질 처리과정에서 온실가스를 직접 및 간접적으로 배출하는 주요 온실가스 배출원이다[1]. 유엔기후 변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)에 따르면, 2021년 기준으로 Annex I 국가들의 하수처리 분야에서 메탄(CH₄) 직접배출량은 전체 CH₄ 배출량의 2.5%, 아산화질소(N₂O) 직접배출량은 전체 N₂O 배출량의 4.2%를 차지한다[2]. 한편, 국가온실가스 인벤토리 보고서는 2020년 기준으로 국내 하수처리장에서 발생하는 CH₄와 N₂O의 직접배출량이 전체 해당 온실가스 배출량의 3.0%와 7.3%에 이른다고 보고했다[3]. 전 세계적으로 하수 및 폐수처리시설이 소비하는 전력은 전체 소비량의 약 3%를 차지하며, 이는 온실가스 간접배출로서 총배출량의 1.6%에 해당한다고 발표되었다[4].

정부는 관계부처 합동으로 2050년 탄소중립을 달성하는 방안으로, 폐기물 분야에서는 2018년과 비교하여 2030년까지 온실가스 배출량을 46.8% 감축할 것을 제시하였다[5]. 따라서, 하수처리 분야에서도 온실가스 배출량을 감축할 필요성이 증가하고 있다. 온실가스 배출량을 감축하는 방안으로는 기술적 측면과 제도적 측면으로 구분할 수 있다. 기술적 측면의 감축 방안으로는 공정효율 개선, 시설 개량, 재생에너지의 생산 및 사용, 그리고 물질 및 에너지의 저감과 대체 등이 있다[6].

공정효율의 개선은 운영관리에 사용되는 자원과 에너지의 투입량을 줄이는 방법으로, 이는 단위 자원 또는 에너지 당 온실가스 배출량의 저감으로 이어진다. 시설 개량 또는 자원 및 에너지 회수 설비의 설치는 에너지 절감, 자원 회수, 재생 에너지 생산을 통해 온실가스 배출량을 상쇄(offset)하며, 이에 따라 온실가스 총배출량을 감축할 수 있다[7].

혐기성소화조는 유기성 오염물질을 재생 연료인 CH₄로 전환하는 자원 회수시설이다[6]. 2021년 기준으로 국내에서 운영 중인 4,379개 하수처리장 중, 광역시 단위의 대형 하수처리장에 62개의 혐기성 소화시설이 설치되어 있으며, 혐기성 소화조에서 생산된 바이오가스는 하수처리장 자체에 사용되거나 판매, 발전, 바이오가스 정제를 통해 도시가스로 활용되고 있다[8].

열병합발전(combined heat and power, CHP) 시스템은 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스를 연료로 활용하여 열에너지와 전기에너지를 생산한다[6]. 따라서, 혐기성 소화시설의 온실가스 배출량을 온실가스 종류별, 배출원별로 분석하고, CHP 시스템의 재생에너지 생산에 의한 온실가스 상쇄 효과를 평가하는 것은 하수처리장의 온실가스 배출량을 감축하는 데 필수적인 과정이 된다.

제도적 측면의 저감방안으로는 물발자국(water footprint, WF) [9] 인증제의 도입을 고려할 수 있다. 이 방안은 처리 구역 내에서 물 사용량을 절감시키는 효과가 있다. 이에 따라 하수 처리장으로 유입되는 하수의 양이 감소하며, 결과적으로 하수 처리 과정에서 발생하는 온실가스 배출량이 감소하게 된다[10].

본 연구의 목적은 하수처리장의 온실가스 배출량을 절감하기 위한 시나리오를 작성하고, 이러한 시나리오별로 온실가스 감축 효과를 분석하는 것이다. 시나리오 분석은 기준선(baseline)과 3개의 시나리오로 구분하며, 기준선에 단계별로 혐기성소화조, CHP 시스템을 도입하고, 여기에 더하여 WF 인증제 시행에 의한 온실가스 배출량을 비교･분석함으로써, 온실가스 감축 정도를 평가하는 것이다.

하수처리장의 온실가스 직접배출량과 간접배출량을 산출하기 위하여 공정모델링 소프트웨어인 SUMO(EQPS 22, Dynamita, France)가 사용되었다[11]. 모델링 소프트웨어는 생물학적 처리 과정에서 발생하는 온실가스 직접배출량을 산출하며, 바이오 가스 발생량, 전력량, 물질 사용량, 탈수케익 발생량을 계산하여 온실가스 간접배출량을 산정할 수 있는 활동자료를 제공한다[12]. 공정모델링을 통한 시나리오 분석은 하수처리장의 온실가스 배출량 감축을 위한 구체적이고 실질적인 방안을 제시하는 데 유용한 도구로 활용될 수 있다.

2. 방 법

2.1. 하수처리장 구성 및 시나리오 설정

인구 65,262명이 거주하는 중규모 도시의 하수처리장을 설정하였다. 처리 구역의 수세화율은 100%이며 하수 배제 방식은 분류식으로, 분뇨는 하수관거에 직접 투입된다. 유입 하수량은 24,000 m³/일이며, 유입 수질은 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand, BOD) 200.0 mg/L, 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD) 440.0 mg/L, 부유 고형물(total suspended solids, TSS) 214.9 mg/L, 총질소 (total nitrogen, TN) 48.0 mg/L, 총인 (total phosphorus, TP) 5.9 mg/L이다(Table 1). 하수처리장의 방류수 수질은 「하수도법 시행규칙」에 따라 Ⅱ지역에 적용되는 법적 기준을 적용한다[13].

Table 1.

Influent water quality and effluent discharge criteria. (unit: mg/L)

2.1.1. 기준선(baseline)

하수처리장의 처리시설은 수처리시설과 슬러지처리시설로 구분된다(Fig. 1). 수처리시설은 스크린, 침사지, 생물반응조(A²O) 및 이차침전지, 그리고 총인처리시설로 구성된다. 슬러지처리시설은 농축기와 탈수기를 포함한다. 본 연구에서는 이러한 기준처리공정을 온실가스 배출량 분석의 기준선으로 설정한다(Table 2).

Fig. 1.

Flow diagram of domestic wastewater treatment plant.

Table 2.

Scenario-specific treatment facilities in modeling analysis.

2.1.2. 시나리오 1

시나리오 1에서는 기준선에 혐기성소화조와 소화 공정에 열원을 제공하는 보일러 시설이 추가된다(Table 2). 혐기성소화조에서 생성되는 바이오가스 중 약 60%는 CH₄이며, 이는 보일러에 공급되는 재생 연료로 활용되어 온실가스 배출량을 상쇄할 수 있다. 나머지 바이오가스는 잉여 가스 연소기(flare stack)에서 연소되며, 이 과정에서 배출되는 CO₂는 생물기원(biogenic)으로 분류되어 온실가스 총배출량에서 제외된다. 혐기성소화조에서 생산되는 바이오가스의 누출은 고려하지 않았다.

2.1.3. 시나리오 2

시나리오 2는 시나리오 1의 처리공정에 CHP 시스템을 추가한 것이다(Table 2). CHP 시스템은 혐기성소화조에서 생산된 바이오가스를 연료로 사용하여, 재생 가능 전기에너지와 열에너지를 생산한다. 생산된 전기는 시장에 판매되며, 생성된 열은 혐기성소화조 및 기타 시설을 가온하는 데 사용된다. CHP 시스템에서 생성된 재생에너지(열 및 전기)는 온실가스 총배출량을 상쇄하므로, 이 시스템에 의한 온실가스 감축량을 산정할 수 있다.

2.1.4. 시나리오 3

Shi et al.은 절수기기의 사용을 통해 물 사용량이 약 22% 절감한다고 보고하였다[14]. 하수처리구역에서 WF 인증제의 시행은 절수기기뿐만 아니라 물 사용에 관련된 모든 분야에 걸쳐 포괄적으로 적용되기 때문에, 물 사용량의 절감 효과를 더욱 증가시킬 수 있을 것이다. 본 연구에서는 WF 인증제의 시행으로 대상 처리 구역의 물 사용량이 감소하고, 이에 따라 하수처리장으로 유입되는 하수량은 15% 줄어든다고 가정한다. 시나리오 3에는 혐기성소화조와 CHP 시스템의 도입, 그리고 WF 인증제 시행을 포함한 통합적 감축 방안을 적용한다(Table 2).

2.3. 설계인자 및 운영조건

하수처리장의 단위공정과 운영인자는 “하수도시설기준”에 따라 설계되었다[15]. 기준선에서 일차침전지와 이차침전지의 수면적 부하는 각각 40 m³/m²·일과 24 m³/m²·일로 설정하였다(Table 3). 또한, A²O의 수리학적 체류시간(hydraulic retention time, HRT)은 총 11.9시간이며, 혐기조, 무산소조, 호기조 HRT는 각각 1.5시간, 3.0시간, 7.4시간이다. 총인처리시설은 인(phosphorus)을 제거하기 위한 응집제(Al₂O₃)가 투입된다.

Table 3.

Design and operation parameters for process modeling.

슬러지 처리시설인 혐기성소화조의 운전 온도는 35℃이며, 슬러지 체류시간(sludge retention time, SRT)은 21.4일이다(Table 3). CHP 시스템의 발전 효율은 40%, 열효율은 45%로 설정하였다(Table 3). 농축조와 탈수기에 유입되는 고형물을 원활하게 농축하고 탈수하기 위하여 고분자 응집제(polymer)가 주입된다. 시나리오 3에서는 WF 인증제 적용으로 하수 유입량이 감소하여 반응조 체류시간 등 설계 인자가 변동한다(Table 3).

Table 3는 기준선과 시나리오별 처리공정의 주요 운영 인자를 보여준다. 방류수의 법적 수질기준[13]을 준수하는 조건에서 처리시설의 운영 인자가 결정된다. 일차슬러지의 농도는 약 30,000 mg/L, 생물반응조 미생물혼합액(mixed liquor suspended solids, MLSS) 농도는 약 3,000 mg/L, 그리고 잉여슬러지(wasted activated sludge, WAS) 농도는 약 8,000 mg/L로 설정하였다. A²O 공정에서 내부반송(internal recycle, IR)과 외부반송(returned activated sludge, RAS)은 유입수량 대비, 200%와 60%로 운영된다. 농축기와 탈수기의 슬러지 제거율은 각각 90%와 95%, 탈수 케이크 함수율은 80%로 가정한다.

2.4. 공정모델링

기준선과 시나리오별 처리시스템은 모델링 소프트웨어의 인터페이스에 배치된다(Fig. 2). 이후, 각 단위공정의 설계 변수와 운영 변수를 입력하여 생물학적, 화학적, 물리적 처리공정을 시뮬레이션한다. 생물학적 반응에서 생성되는 온실가스인 CH₄ 배출량을 계산하기 위해 혐기성 소화 모델을 사용하며[12], N₂O 배출량을 추정하기 위하여 이중 경로 모델(two pathway model)16)과 질소 활성 슬러지 모델(activated sludge model for nitrogen, ASMN)17)이 적용된다.

Fig. 2.

Modeling layout by SUMO(EQPS).

혐기성 조건에서 CH₄ 생성모델은 유기물이 메탄으로 전환되는 과정을 나타낸다. 종속영양미생물(Ordinary Heterotrophic Organisms, OHOs)은 유기물을 분해하고 발효하여 VFA (Volatile Fatty Acids)와 용존성 수소(H₂)를 생성한다(Fig. 3). 혐기성 균주인 Acidoclastic methanogens는 메탄생성 과정에서 VFA를 용존성 CH₄로 전환하며, 부산물로 용존성 CO₂를 생성한다. 또한, Hydrogenotrophic methanogens는 CO₂와 H₂를 반응시켜 용존성 CH₄를 생산한다[12].

Fig. 3.

Typical anaerobic digestion processes pathway.

이중 경로 모델과 ASMN은 생물학적 질산화반응과 탈질화 반응에서 N₂O 생성과정을 단계별로 보여준다. 이중 경로 모델은 질산화 과정에서 AOB(ammonia oxidizing bacteria)에 의한 NH₂OH 산화 경로(NH₂OH oxidation pathway)와 NOB(nitrite oxidizing bacteria)에 의한 탈질화 경로(denitrification pathway)를 통해 N₂O가 생성되는 메커니즘을 제시한다(Fig. 4). ASMN은 OHOs가 4단계 탈질화(4-step denitrification) 반응을 거치면서 N₂O가 생성되는 과정을 나타낸다(Fig. 4).

Fig. 4.

Mechanism of N₂O production in nitrification and denitrification.

생물학적 처리과정에서 CH₄와 N₂O 생성에 관여하는 미생물인 OHO, Acidoclastic methanogens, Hydrogenotrophic methanogens, AOB, NOB의 성장, 사멸, 그리고 반포화 상수에 대한 모델계수는 SUMO [12], Pocquet [16], Hiatt and Grady [17]가 제시한 수치를 적용한다(Table 4).

Table 4.

Model parameters used in process modeling.

반응조 내 용존 CH₄와 N₂O의 대기 배출량은 부피전달계수(volumetric transfer coefficient, kLa)와 액체상의 농도 차에 따라 결정된다[19]. 모델링 소프트웨어는 반응조의 구조, 산기관의 깊이, 액체의 점성, 그리고 온도 등을 고려하여 반응조에 축적된 CH₄와 N₂O 배출량을 계산한다[20].

2.5. 온실가스 배출량 산정방법

하수처리장의 온실가스 배출원은 scope 1, scope 2, scope 3으로 나누고, scope는 다시 세분화된 배출항목으로 구분한다(Table 5). IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)의 second assessment report, SAR)에서 제시된 100년 기준 지구온난화지수(global warming potential, GWP)를 기반으로 CH₄와 N₂O의 배출량을 이산화탄소 등가(CO₂eq)로 환산한다[21]. CH₄와 N₂O의 GWP 값을 각각 21 kgCO₂eq./kgCH₄와 310 kgCO₂eq./kgN₂O로 적용하며, 이를 통해 산정된 온실가스 배출량은 이산화탄소 등가 단위인 CO₂eq로 표기한다.

Table 5.

Scope 1, 2, 3 emissions in domestic wastewater treatment plant.

2.5.1. Scope 1

생물학적 처리과정에서 발생하는 CH₄와 N₂O 배출량은 모델링을 통해 직접 산출된다. 하수처리장 설비 가동에 사용하는 화석 연료의 온실가스 배출은 scope 1에 포함된다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 생산되는 바이오가스를 재생 연료로 활용하며, 소화조 가온 보일러와 CHP 시스템의 열에너지 생산으로 발생하는 온실가스 상쇄량을 산출하기 위해 동일 열량을 가지는 도시가스(liquefied natural gas, LNG)를 적용한다. Table 6에 제시된 LNG 배출계수를 적용하여 활동자료(activity data)인 LNG 소비량에 대한 온실가스 배출량을 산정한다(식 1).

Table 6.

Emission factors of GHG emission source categories.

온실가스 배출량 = 활동자료 × 배출계수 (식 1)

2.5.2. Scope 2

공정 모델링은 scope 2에 해당하는 주요 단위설비의 전력 소비량을 계산한다. 본 연구에서는 Fig. 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 스크린, 침사지, 펌프, 송풍기, 교반기, 침전지, 농축기, 탈수기에서 소비되는 전력을 산출한다. 또한, Table 7의 전력 배출계수(소비단)를 적용하여 구매 전력에 대한 온실가스 배출량을 산출한다(식 1).

Table 7.

Operation results from process modeling and simulation.

2.5.3. Scope 3

Scope 3의 온실가스 배출항목은 응집제(Al₂O₃)와 고분자 응집제 사용, 그리고 협잡물과 탈수 케이크의 수송과 관련된다. 총인처리시설에 주입된 Al₂O₃와 농축기 및 탈수기에 적용된 고분자 응집제의 탄소 배출 계수는 Table 6에서 확인할 수 있다. 또한, 협잡물과 탈수케익의 수송과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 차량의 크기, 운행 속도, 운송 거리를 기반으로 계산된다(Table 6). 운송 차량의 크기는 “대형화물”에 해당하며, 하수처리장에서 협잡물 및 탈수 케이크 처분장까지의 운송 거리는 왕복 100 km이고, 운송 차량 속도는 60 km/h로 설정한다[23].

2.5.4. 총배출량과 순배출량

온실가스 순배출량(net emissions)은 총배출량에서 상쇄량을 차감한 값으로 정의한다(식 2) [6]. 바이오매스 처리과정에서 배출되는 생물기원(biogenic) CO₂는 총배출량에서 제외하는 데, 이는 생물기원 CO₂가 자연 순환 과정에서 다시 흡수되기 때문이다. 혐기성소화조의 바이오가스를 재생 연료로 활용하여 보일러 또는 CHP 시스템이 생산하는 열에너지는 화석 연료(LNG)를 연소할 때 발생하는 열에너지를 대체한다[6]. 이렇게 하면 LNG 연소로부터 발생하는 온실가스 배출량이 총배출량에서 상쇄된다[23]. 추가로, CHP 시스템이 생산하는 전력 에너지는 동일한 양의 구매 전력 발전 시 배출하는 온실가스 배출량을 상쇄한다.

순배출량 (net emissions) = 총배출량 (total emissions)– 상쇄 (offset) (식 2)

3. 결과 및 고찰

기준선과 시나리오의 시뮬레이션 결과, 일차침전지 농축슬러지 농도는 29,995에서 29,998 mg/L, 생물반응조 MLSS 농도는 2,996에서 3,002 mg/L, 이차침전지 WAS 농도는 7,972에서 8,056 mg/L의 범위를 나타낸다(Table 7). 또한, A²O 공정의 SRT는 12.6에서 15.1일로 산출되며, 슬러지반송율은 57.6에서 57.9%로 유지된다. 따라서 시뮬레이션 결과는 모델링 시 설정한 공정 운영조건을 충족시키고 있으며(Table 3), 이를 바탕으로 약품 주입량, 소화가스 생성량, 그리고 협잡물 및 탈수 케이크 발생량을 산정한다(Table 7).

3.1. 기준선 공정에서의 온실가스 배출량 분석

온실가스 프로토콜에 따라 직접배출(scope 1), 에너지 소비에 의한 간접배출(scope 2), 기타 간접배출(scope 3)로 구분하여 기준선의 온실가스 배출량을 산정하고, 시나리오별로 추가된 시설과 온실가스 상쇄 메커니즘을 통한 온실가스 배출량을 평가한다[6].

기준선 공정의 연간 온실가스 총배출량은 순배출량과 동일한 값인 2,490.4 tCO₂ 상당량(tCO₂eq)으로 산출된다. 이 중에서 생물학적 처리과정에서 발생하는 scope 1 배출은 총배출량의 48.7%, 구매한 전기를 통한 scope 2 배출은 47.5%, 약품주입과 탈수케익 운송에 의한 scope 3 배출은 총배출량의 3.8%로 산정된다. 생물학적 처리과정에서 발생하는 직접배출량(scope 1)과 구매한 전기를 통한 간접배출량(scope 2)의 합이 전체 배출량의 96.2%를 차지하며, 기타 간접배출량(scope 3)은 매우 낮은 값을 보인다(Table 8).

Table 8.

GHG emissions of baseline and scerarios (unit : tCO_2eq/yr)

기준선 공정의 scope 1 배출로 인한 CH₄ 및 N₂O의 단위 배출량은 공정 모델링과 설계 및 운영 변수를 통해 산정된다. 모델링 결과는 기존 문헌에 기재된 하수처리장의 측정 결과와 비교할 수 있으며, 이러한 결과는 Table 9에 제시되어 있다. 모델링을 통해 산정된 기준선에서의 CH₄ 및 N₂O의 단위 배출량은 IPCC 2019 RF [25]와 STOWA(Stichting Toegepast Onderzoek Watebeheer) [26]가 제공하는 데이터 범위 이내에 포함된다(Table 9).

Table 9.

Comparison of emission factors between actual plant and modeling

Xi et al.은 유입량 대비 CO₂ 상당량으로 온실가스 단위 배출량을 제시하였으며[27], Hwang et al.은 BOD 제거량을 기준으로 단위 배출량을 산정하였다[28]. 모델링 결과에서 계산된 CH₄와 N₂O 단위 배출량은 Xi et al. 및 Hwang et al.이 제시한 단위 배출량보다 상대적으로 높게 나타난다(Table 9).

Table 9에서 Xi et al.에 따르면 전력 기준 온실가스 단위 배출량은 0.214 kgCO₂eq/yr이며, 모델링 결과는 0.135 kgCO₂eq/yr로 산정된다. 이러한 기존 문헌과 모델링의 단위 배출량 차이는 온실가스의 측정 위치 및 측정 방법, 처리공정의 다양성, 운영 및 관리 조건, 하수 성상 등 물리적, 환경적 요인들에 기인한다고 볼 수 있다. 본 연구에서 scope 1과 scope 2의 온실가스 단위 배출량은 모델링 결과 및 2021년 전력 배출계수(소비단)에서 산출된다(Table 6).

3.2. 혐기성소화조의 온실가스 감축효과 분석(시나리오 1)

기준선 공정에 혐기성소화조가 추가된 시나리오 1에서 바이오가스(CH₄ 62.5%) 생산량은 1,470.7 m³/일(NTP)로 산정되며, 이를 CH₄로 변환하면 611.0 kg/일이다. 소화조 온도를 35℃로 유지하기 위하여 가온 보일러에 276.2 kg/일의 CH₄를 공급하며, 나머지는 잉여 가스 연소기(flare stack)에서 연소시킨다. 시나리오 1의 온실가스 총배출량은 2,605.1 tCO₂eq/yr, 순배출량은 2,322.7 tCO₂eq/yr로 산정된다(Table 8). 혐기성소화조로 인하여, 총배출량은 114.7 tCO₂eq/yr 증가하는 것으로 나타나며, 순배출량은 167.6 tCO₂eq/yr 감소가 예상된다.

온실가스 총배출량 증가는 혐기성소화조에서 발생하는 두 가지 요인에서 기인한다(Table 8). 첫째로는 소화조 유입 펌프와 교반기의 전력 소모로 인해 scope 2의 온실가스 배출량은 45.8 tCO₂eq/yr 증가하는 것으로 나타난다. 둘째로는 소화 과정에서 용존성으로 변환된 NH₃-N과 PO₄-P가 수처리시설로 반송되어 생물반응조의 질산화량 및 탈질화량을 증가시키며, 이에 따라 scope 1의 배출량이 63.8 tCO₂eq/yr 증가한다. 용존성 인의 반송으로 총인처리시설의 응집제 주입량이 늘어나며, 이에 따라 scope 3 배출량은 17.0 tCO₂eq/yr 증가한다.

시나리오 1에서 온실가스 순배출량이 감소하는 원인은 혐기성소화조의 고형물 감량과 바이오가스 생산에서 기인한다. 시뮬레이션 결과, 혐기성소화조의 고형물(TSS) 감량률은 30.4%로 예상된다. 이러한 고형물 감량으로 인해 고분자 응집제 사용량과 탈수 케이크 운송량이 줄어들어, scope 3 배출량은 각각 7.0 tCO₂eq/yr와 5.0 tCO₂eq/yr 감소한다. 바이오가스를 소화조 가온 보일러의 연료로 활용하여, 동일한 열량을 공급하는 LNG의 온실가스 배출량으로 상쇄된 양은 282.4 tCO₂eq/yr로 산정된다(Table 8).

시나리오 1에서 하수처리장의 온실가스 배출량을 기준선과 비교하였을 때, 총배출량은 4.6% 증가하지만, 순배출량은 6.7% 감소한다. 이러한 순배출량의 감소는 주로 바이오가스가 화석 연료인 LNG를 대체함으로써 발생하는 상쇄 효과에 기인한다. 그러나 시나리오 1의 혐기성소화조의 도입만으로는 만족할 만한 온실가스 감축 효과를 달성하기 어렵다. 효과적인 온실가스 배출량 감축을 위해 바이오가스를 CHP 시스템에 전량 사용하는 방안을 고려하였다. 바이오가스의 효율적인 사용이 온실가스 감축에 미치는 기여도를 시나리오 2에서 평가하였다.

3.3. 혐기성소화조와 CHP 시스템의 온실가스 감축효과 분석(시나리오 2)

시나리오 2에서는 CHP 시스템을 통해 생산된 열에너지를 혐기성소화조 및 기타 시설에 공급하고, 생성된 전기에너지는 재생에너지로 시장에 판매한다. 이러한 CHP 시스템의 열에너지와 전기에너지에 의한 온실가스 상쇄 효과는 각각 284.0 tCO₂eq/yr와 555.5 tCO₂eq/yr로, 전체 상쇄량은 839.5 tCO₂eq/yr로 계산된다(Table 10).

Table 10.

GHG mitigation potential by anaerobic digester and CHP system. (Unit: tCO_2eq/yr)

시나리오 2의 온실가스 총배출량은 시나리오 1과 동일한 2,605.1 tCO₂eq/yr로 계산되며, 상쇄 효과를 고려한 순배출량은 1,765.6 tCO₂eq/y로 산출된다(Table 8). 이는 기준선 대비 CHP 시스템에 의한 열에너지 및 전기에너지 생산으로 인해 온실가스 순배출량이 29.1% 감소한 결과이다. 이와 같은 결과는 혐기성소화조와 CHP 시스템의 도입이 하수처리장의 온실가스 배출량 저감에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 나타낸다.

3.4. 혐기성소화조, CHP 시스템, WF 인증제의 온실가스 감축효과 분석(시나리오 3)

제도적 방안인 WF 인증제 시행으로 온실가스 배출량 감축을 어느 정도 달성할 수 있는지 시나리오 3에서 조사하였다. WF 인증제 도입으로 처리 구역의 물 사용량을 줄여, 하수처리장으로 유입되는 하수량의 감소율을 15%로 설정하고, 시나리오 2와 동일한 처리공정에 하수 유입량 감소분을 적용한다.

시나리오 3의 온실가스 총배출량은 2,214.4 tCO₂eq/yr로 계산되며, 순배출량은 1,537.3 tCO₂eq/yr으로 산정된다(Table 8). 시나리오 2와 비교하면, scope 1의 온실가스 배출량은 15.1%, scope 2 배출량은 14.8%, scope 3 배출량은 16.0% 감소하는 것으로 나타난다. WF 인증제 시행으로 하수 유입량이 감소하여, 혐기성소화조의 바이오가스(CH₄ 62.9%) 생성량은 1,241.8 m³/일(NTP)로 산출되며, 이를 CH₄로 환산하면 519.4 kg/일이다(Table 7).

바이오가스를 CHP 시스템의 연료로 전량 활용하여 생산된 열에너지는 혐기성소화조 및 기타 시설에 사용된다. 또한, 생성된 전기에너지는 재생 가능 에너지로서 시장에 판매된다. 이러한 과정을 통해, CHP 시스템에서 발생한 열에너지와 전기에너지의 온실가스 상쇄 효과는 각각 229.1 tCO₂eq/yr와 448.1 tCO₂eq/yr로 산정된다(Table 11).

Table 11.

GHG mitigation potential by anaerobic digester, CHP, and WF labeling. (단위 : tCO_2eq/yr)

이에 따른 총상쇄량은 677.2 tCO₂eq/y이다. WF 인증제 시행을 통한 시나리오 3의 온실가스 순배출량이 시나리오 2의 순배출량 대비 12.9% 감소한다. 또한, 기준선의 순배출량과 비교했을 때, 38.3%의 감소된다. WF 인증제 시행을 통한 물 사용량 절감이 온실가스 배출량 감소에 기여함을 보여준다.

3.5. 온실가스 감축량 평가

혐기성소화조에 CHP 시스템을 결합한 시나리오 2는 기준선과 비교하여 온실가스 배출량을 29.1% 감축하는 것으로 나타난다(Table 8). 이러한 감소는 혐기성소화조의 고형물 감량과 바이오가스 발생, 그리고 바이오가스를 연료로 활용한 CHP 시스템에서 재생에너지(열 & 전기)를 생산함에 따른 결과로 분석된다.

그러나, 시나리오 2에서 혐기성소화조의 운영으로 인해 펌프와 교반기 등의 장비 운영 등에 필요한 전력이 소비되어 scope 2의 온실가스 배출량이 44.4 tCO₂eq/y 증가한다(Table 10). 더불어, 소화 과정 중 고형성 질소가 분해되고 인이 용출되어 수처리시설로 반송되며, 이는 질소의 생물학적 처리량이 늘어남으로 인해 scope 1에서의 배출량을 63.8 tCO₂eq/yr 상승시키고, 인의 유입에 의한 응집제의 화학적 처리량이 증대되어 scope 3의 배출량을 17.0 tCO₂eq/yr 증가시킨다(Table 10).

혐기성소화조에서의 고형물 감량은 고분자 응집제 주입량과 탈수 케이크 운송량을 줄여 scope 3의 온실가스 배출량을 12.0 tCO₂eq/yr 감축하였다. 혐기성소화조에서 발생된 바이오 가스를 연료로 사용하는 CHP 시스템은 발생한 열에너지와 전기에너지를 활용하여 scope 1과 scope 2의 순배출량을 839.5 tCO₂eq/yr 상쇄한다(Table 11).

이러한 배출량 감축으로 시나리오 2에서의 혐기성소화조와 CHP 시스템 도입으로 인한 온실가스 배출량은 기준선 대비, 총 724.8 tCO₂eq/yr 감축되는 것으로 나타난다. 이는 혐기성소화조와 CHP 시스템의 결합이 온실가스 저감에 상대적으로 크게 기여하며, 특히 재생 가능 에너지원의 활용이 전체 온실가스 배출량 감축에 중요한 역할을 하는 것을 보여준다.

시나리오 3은 혐기성소화조 및 CHP 시스템의 도입, 그리고 WF 인증제 시행이라는 통합적 방법을 통한 온실가스 배출량 분석으로, 기준선과 비교 시, 온실가스 감축량은 953.1 tCO₂eq/yr으로 산정된다(Table 11). 구체적으로 살펴보면, scope 1에서 온실가스 배출량은 129.4 tCO₂eq/yr 감축되며, CHP 시스템의 열에너지 상쇄 효과에 의해 추가로 229.1 tCO₂eq/yr가 감소한다. 또한, scope 2의 구매 전력에 의한 온실가스 감축량은 135.5 tCO₂eq/yr이며, CHP 시스템에서 생산된 재생 전기에너지의 상쇄 효과는 448.1 tCO₂eq/yr이다.

Scope 3에서는 혐기성소화조 운영과 WF 인증제 시행으로 협잡물과 탈수 케이크가 감소하여, 고분자 응집제 주입과 운송에서 배출되는 온실 가스량은 11.0 tCO₂eq/yr 감소되는 것으로 나타난다. 결과적으로 시나리오 3의 온실가스 배출량은 기준선과 비교하여 38.3%의 감축 효과를 보여준다.

이러한 결과는 기술과 제도의 통합적 접근이 하수처리장의 온실가스 배출량 감축에 유의미한 영향을 주는 것을 나타낸다. 기술적 개선과 함께 제도적 조치의 통합적 접근은 처리공정에서 온실가스 저감에 기여할 수 있음을 시사하며, 태양광 및 탄소저장 기술이 효과적으로 접목될 경우 하수처리장의 탄소중립 목표를 달성할 수 있을 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구에서는 하수처리장의 온실가스 감축을 위한 기술적, 제도적 접근 방식을 도입하여 공정모델링을 실시하였다. 기술적 접근 방식으로는 혐기성 소화공정과 열병합발전(CHP) 공정에서 예상되는 온실가스 배출량을 평가하였다. 제도적 접근 방식으로는 WF 인증제가 하수처리장에서 온실가스 배출량에 미치는 영향을 분석하였다. 기준선과 비교하여, 기술적 방법 및 제도적 방안이 적용된 3가지 시나리오의 온실가스 감축 효과는 다음과 같다;

1. 기준선에서 온실가스 총배출량 및 순배출량은 2,490.4 tCO₂eq/yr로 동일하게 산정되며, 온실가스 배출량은 scope 1이 48.7%, scope 2가 47.5%, scope 3은 3.8%를 차지한다.

2. 시나리오 1에서 혐기성소화조 도입으로 인한 온실가스 총배출량은 2,605.1 tCO₂eq/yr, 순배출량은 2,322.7 tCO₂eq/yr로 산정되며, 이는 기준선 대비 온실가스 배출량이 167.6 tCO₂eq/yr 감소하여 총 6.7% 감축한다.

3. 시나리오 2에서는 혐기성소화조와 CHP 시스템 도입으로 온실가스 총배출량이 2,605.1 tCO₂eq/yr, 순배출량이 1,765.6 tCO₂eq/yr로 산출되며, 이는 기준선 대비 724.8 tCO₂eq/yr 감소하여 총 29.1%의 감축 효과를 나타낸다.

4. 시나리오 3에서는 혐기성소화조의 슬러지 감량과 바이오 가스 발생, CHP 시스템의 재생에너지 생산, 그리고 WF 인증제 시행에 의한 하수 유입량 15% 감소로, 온실가스 총배출량은 2,214.4 tCO₂eq/yr, 순배출량은 1,537.3 tCO₂eq/yr로 산정되며, 이는 기준선 대비 953.1 tCO₂eq/yr 감소하여 총 38.3% 감축 효과가 관찰된다.

본 연구 결과는 기술적 및 제도적 방안을 통합적으로 적용함으로써 온실가스 배출량을 38.3% 감축할 수 있음을 나타낸다. 또한, 하수처리 공정모델링은 scope별 세부 항목에서 배출되는 온실 가스량 산출을 정량화하는 도구로서 유용함을 보여준다. 본 연구에 더하여, 향후 태양광 및 에너지 저장 기술 등을 복합적으로 적용하는 연구가 수행된다면, 하수처리장이 탄소중립(carbon neutrality) 목표를 실질적으로 달성하는 데 필요한 전략을 제공할 것이다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

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Scenario Categiries	Wastewater Treatment Units	Sludge Treatment Facilities			Water Footprint Labeling
Scenario Categiries	Preliminary, Primary, Secondary, and Teritiary Treatment	Thickenning, Dewatering	Anaerobic Digestion	CHP	Water Footprint Labeling
Baseline	○	○	-	-	-
Scenario 1	○	○	○	-	-
Scenario 2	○	○	○	○	-
Scenario 3	○	○	○	○	○

Scenario	Item	Unit	Value
Baseline	Inflow	㎥/d	24,000
	Surface loading rate of 1^st settler	㎥/㎡·d	40
	HRT of anaerobic reactor	hrs	1.5
	HRT of anoxic reactor	hrs	3
	HRT of aerobic reactor	hrs	7.4
	Total HRT	hrs	11.9
	Surface loading rate of 2^nd settler	㎥/㎡·d	24
	SRT of anaerobic digester	d	21.4
	1^st settler sludge concentration	mg/L	30,000
	IR ratio	%	200
	MLSS concentration	mg/L	3,000
	WAS concentration	mg/L	8,000
	RAS ratio	%	60
	Thickenner sludge removal rate	%	90
	Dewatering unit sludge removal rate	%	95
	Water content of dewatering unit	%	80
Scenario 1	SRT of anaerobic digester	d	21.4
Scenario 1	Opeartion temperature of anaerobic digester	℃	35
Scenario 2	Electric efficiency of CHP system	%	40
Scenario 2	Thermal efficiency of CHP system	%	45
Scenario 3	Water footprint labeling	-	influent 15% reduction

Model Parameter	Name	Unit	Value (20℃)
μ_H	maximum specific growth rate, OHOs	day^-1	4.0 [12]
b_H	decay coefficient, OHOs	day^-1	0.62 [12]
Y_H	yield, OHO on VFA	gCOD/gCOD	0.6 [12]
K_S	half-saturation of RBD substrate for OHOs	gCOD/㎥	5.0 [12]
K_S,NO3	half-saturation of RBD substrate for OHOs on NO₃	gCOD/㎥	5.0 [12]
K_S,NO2	half-saturation of RBD substrate for OHOs on NO₂	gCOD/㎥	5.0 [12]
K_S,NO	half-saturation of RBD substrate for OHOs on NO	gCOD/㎥	5.0 [12]
K_S,N2O	half-saturation of RBD substrate for OHOs on N₂O	gCOD/㎥	5.0 [12]
ηOHO, NO₃	reduction factor for anoxic growth of OHOs on NO₃	-	0.28 [17]
ηOHO, NO₂	reduction factor for anoxic growth of OHOs on NO₂	-	0.16 [17]
ηOHO, NO	reduction factor for anoxic growth of OHOs on NO	-	0.35 [17]
ηOHO, N₂O	reduction factor for anoxic growth of OHOs on N₂O	-	0.35 [17]
μ_AOB	maximum specific growth rate, AOBs	day^-1	0.91 [8]
ηAOB, NO, N₂O	reduction factor for NO reduction to N₂O by AOBs (NN pathway)	-	0.0015 [12]
ηAOB, NO₂, N₂O	reduction factor for HNO₂ reduction to N₂O by AOBs (ND pathway)	-	0.25 [12]
b_AOB	decay coefficient, AOBs	day^-1	0.17 [12]
Y_AOB	yield of AOB on NHX	gCOD/gN	0.15 [12]
K_O2,NHX,AOB	half-saturation of O₂ for NHX oxidation by AOBs	gN/㎥	0.25 [12]
K_{O2,NH₂OH,AOB}	half-saturation of O₂ for NH₂OH oxidation by AOBs	gN/㎥	0.15 [16]
K_NHX,AOB	half-saturation of NHX for AOBs	gN/㎥	0.01 [16]
K_{NHX-NH₂OH,AOB}	half-saturation of NHX to NH₂OH for AOBs	gN/㎥	0.7 [16]
K_NH₂OH,AOB	half-saturation of NH₂OH for AOBs	gN/㎥	0.9 [16]
K_HNO2,AOB	half-saturation of HNO₂ for AOBs	gN/㎥	0.004 [12]
K_NO-NO2,AOB	half-saturation of NO to NO₂ for AOBs	gN/㎥	0.0003 [16]
K_NO-N2O,AOB	half-saturation of NO to N₂O for AOBs	gN/㎥	0.008 [12]
K_iO2-AOB	half-saturation of O₂ to N₂O production by AOBs	gN/㎥	0.008 [16]
μ_NOB	maximum specific growth rate, NOBs	day^-1	0.65 [12]
b_NOB	decay coefficient, NOBs	day^-1	0.15 [12]
Y_NOB	yield, NOB on NO₂	gCOD/gN	0.09 [12]
K_NO2,NOB	half-saturation of NO₂ for NOBs	gN/㎥	0.1 [12]
K_{F by OHOs}	half-saturation of RBD in fermentation by OHOs	gCOD/㎥	5.0 [12]
K_{F by OHOs in digester}	half-saturation of RBD in fermentation by OHOs in digester	gCOD/㎥	350.0 [12]
μ_AMETO	maximum specific growth rate, acidoclastic methanogen	day^-1	0.30 [12]
b_AMETO	decay coefficient, acidoclastic methanogen	day^-1	0.030 [12]
Y_AMETO	yield, acidoclastic methanogen on VFA	gCOD/gCOD	0.10 [12]
K_AMETO	half-saturation of VFA substrate for acidoclastic methanogen	gCOD/㎥	400 [12]
μ_AMETO	maximum specific growth rate, hydrogenotrophic methanogen	day^-1	1.3 [12]
b_AMETO	decay coefficient, hydrogenotrophic methanogen	day^-1	0.13 [12]
Y_AMETO	yield, acidoclastic methanogen on VFA	gCOD/gCOD	0.10 [12]
K_AMETO	half-saturation of H₂ for hydrogenotrophic methanogen	gCOD/㎥	0.10 [12]

Scope Categories	Direct Emission	Indirect Emission	Offset
Scope 1	· Biological treatment process (CH₄ 및 N₂O)	-	· Biogas fuel
Scope 1	· Fossil fuel (LNG)	-	- Heat energy
Scope 2	-	· Electricity	- Electricity energy
Scope 3	-	· Al₂O₃, Polymer, Transportation	-

Emission Source	Emission Factor
Emission Source	CO₂	CH₄	N₂O	CO₂eq
LNG [22]	55,959.5 kgCO₂/TJ	1 kgCH₄/TJ	0.1 kgN₂O/TJ	-
Electricity (generation) [23]	0.4403 tCO₂/MWh	0.0116 tCH₄/MWh	0.0093 tN₂O/MWh	-
Electricity (consumption) [23]	0.4747 tCO₂/MWh	0.0125 tCH₄/MWh	0.01 tN₂O/MWh	-
Al₂O₃ [24]	-	-	-	1.23 kgCO_2eq/kg
Polymer [24]	-	-	-	2.20 kgCO_2eq/kg
Transport* [23]	Y=3321.2892X^(-0.4407)g/km	Y=0.3408X^(-1.0456) g/km	Y=0.0346+0.8961/X g/km