폭기기술서 에너지 사용 절약 혁신적인 기술(Innovation for Aeration Technology, Energy Saving)

유틸리티(utilites) 산업이 에너지 비용을 절감시키는 방향으로 전환됨에 따라 수처리 분야 폭기설비에 대한 기술혁신이 지속적으로 이루어지고 있다. 현재 진행하고 있는 기술혁신의 내용은 무엇이며 기술혁신을 도입하려는 유틸리티 업체가 경제적이고 환경적인 장점을 어떤 방식으로 추구하고 있는가에 대해 와이즈온워터(WiseonWater)사의 클레어 스미스(Claire Smith) 및 나타샤 와이즈먼(Natasha Wiseman)이 기술한 자료를 『Water&Wastewater International』 2015년 6∼7월호에 게재했다. 그 내용을 번역했다.  [번역 = 김덕연 본지 편집위원]

 

▲ 폭기설비를 업그레이드하면 에너지 절감 효과를 볼 수 있지만 비용 및 시간이 많이 소요된다[사진출처 = Water World].

활성슬러지 기술의 개발은 100년 이상 경과되었으며 오·폐수의 오염물질을 파괴하고 처리하는 데 미생물을 사용하는 방법은 폐수처리의 보편화된 필수적인 공정이다. 그러나 공기를 미생물에 공급하는 과정에는 다량의 에너지가 필요해 처리비용이 고가인 점이 문제점으로 부각되어 있다.

수처리 분야의 유틸리티 업체들은 이러한 고가의 에너지 비용절감 노력을 꾸준히 추진하고 있으며 일부 업체는 에너지 평형(energy neutral) 정책을 추구하는 등 폭기기술을 더욱 효과적으로 관리하기 위한 근본적인 기술개발이 점차 현안으로 떠오르고 있다.

블루테크(BlueTech)사는 폭기과정에서의 높은 비용은 필수적으로 이를 줄이기 위한 기술개발을 조장하고 있다고 주장한다. 박테리아는 기본적으로 영양물질을 섭취하고 공기를 흡입하는 특성을 갖고 있으므로 산소 및 영양물질을 흡수하고 난 후 이들을 이산화탄소 (CO2)로 변환시킨다.

그러나 산소는 물 속에서 잘 용해되지 않는 특성을 갖고 있으며 일반 공기 중에 21% 만이 함유되어 있어 물질을 용해시키기 위해서는 보다 많은 양의 공기를 물 속에 공급하는 것이 필요하다. 한 도시에서 총 에너지 사용 비용에 대한 청구금액 중 50%가 물 관련 서비스로 그 중 50%는 물의 송수·배수용, 25%는 폐수처리용으로 사용되며 폐수처리장 사용 에너지의 50%는 폭기운전을 위한 것이다.

▲ 활성슬러지 기술이 개발된 지 100년 이상이 경과되었다. 오·폐수의 오염물질을 파괴하고 처리하는 데 미생물을 사용하는 방법은 폐수처리의 보편화된 필수적인 공정이지만 폭기공정에서 발생하는 높은 에너지 비용이 최근 이슈로 부각되고 있다. 이에 따라 선진 수처리 기업들은 저에너지용 폭기기술 개발 및 설비 개조에 한창이다.

폭기기술을 근본적으로 변화시키려는 새로운 기술개발이 시도되고 있다. 폭기기술에 사용되는 에너지는 수처리 산업에서 가장 핵심적인 쟁점사항으로 커다란 이슈가 되며 대부분의 사람들은 수처리 회사가 얼마나 많은 에너지를 사용하는지를 알면 놀라움을 나타낸다. 따라서 보다 많은 수처리 회사들이 더 많은 폭기시설을 사용하거나 에너지를 재활용하는 방법으로 에너지 평형정책을 추구하고 있다.

덴마크, 호주, 미국 등의 플랜트는 이미 목표를 이루었으며 독일, 프랑스, 체코공화국, 인도 등 또한 에너지 평형 정책에 근접한 플랜트 건설을 권장한다. 아울러 다양한 에너지 절감을 목표로 하는 일부 프로젝트들이 영국에서도 진행되고 있다.

영국에서 많은 유틸리티 업체들이 폭기조 내에서 공기를 상부로부터 휘저어 주는 패들(paddle)을 교체하는 등 플랜트를 훨씬 효율성 있게 개조해 높은 에너지 절감을 보였다. 그러나 이는 비용 및 시간이 많이 소요되며 항상 실용적인 결과를 보장하지는 않는다.

영국에는 아직 표면폭기(surface aeration) 방식의 플랜트가 다수 있으며 이러한 플랜트에 대한 운전 최적화 방법은 다양하나 설비개조를 추진하는 것은 매우 어려운 실정으로 인식된다. 반면 버블(bubble)을 미세한 크기로 만들어 폭기설비를 활용해 효과적으로 운전하기 위한 여러 작업이 진행 중이며, 향후 미생물에 의한 처리방법 관점에서 활성슬러지 공정을 가속화시킬 수 있는 적합한 미생물의 개발 작업이 진행되고 있다.

활성슬러지 공법은 100년 이상 사용되었으며 매우 효과적인 공정으로 인식되고 있으나 플랜트 건설 당시의 에너지 가격은 낮은 수준이었다. 이후 지난 10∼15년간 에너지 비용이 크게 증가함에 따라 결과적으로 운전비용이 급격히 증가했으나 이러한 이유로 플랜트 가동을 중지시키는 것 역시 어렵다.

▲ 영국에서는 아직 표면폭기(surface aeration) 방식의 플랜트가 다수 있으며 이러한 플랜트에 대한 운전 최적화 방법은 다양하나 설비개조를 추진하는 것은 매우 어려운 실정으로 인식되고 있다.

▲ 웨식스 워터(Wessex Water)사는 운전이 적절히 이루어지지 않는 플랜트에서 에너지 사용 및 효율성을 지속적으로 모니터링하는 것은 커다란 장점을 가져올 수 있다고 믿고 있다.

앵글리안워터(Anglian Water)사는 에너지 비용을 줄이는 방법으로 매 분당 에너지 사용량을 측정하는 스마트 컨트롤 기술을 도입해 폐수를 얼마나 효율적으로 처리하는지 실시간으로 모니터링할 수 있다. 특히 에어 산기장치(air diffuser)에 의해 형성되는 공기방울의 크기를 가능한 작은 크기로 하는 유지보수 기법을 도입해 사용했다. 또한 이스라엘 마팔(Mapal)사가 개발한 부유식 미세버블 폭기장치(floating fine-bubble aerator)를 설치해 기존 시스템의 효율을 증대시켰으며 부대설비의 설치 없이 성능을 개선할 수 있었다.

개발에서 가장 흥미로운 것 중 하나는 마이크로버블에 의한 폭기장치(micro-bubble aerator)이다. 또한 장기간 운전에 따른 에너지 비용의 상승은 기존 폭기설비보다 에너지를 필요로 하는 설비로 △살수여과 필터(tricking filter) △갈대여과상(reed beds) △라군(lagoons) 등의 대체설비 도입을 검토하게 했다. 또한 크랜필드(Cranfield)대학에서 개발한 폐수처리 목적으로 빛에 의하여 활성화되는 조류(algae) 활용에도 관심을 나타냈다.

 

웨식스 워터(Wessex Water)사는 운전이 적절히 이루어지지 않는 플랜트에서 에너지 사용 및 효율성을 지속적으로 모니터링하는 것은 커다란 장점을 가져올 수 있다고 믿고 있다. 이에 일부 처리장에서 장기간 유지되고 있었던 불완전한 공정을 면밀히 검토하고 새로운 컨트롤 시스템을 도입해 보다 효율적인 플랜트로 전환시키는 방법을 추진했다.

한편, 기존 표면폭기 설비를  미세버블 산기장치(fine bubble diffuser)로 교체하는 전체적 개량을 추진하기도 했다. 한 예로 3만 명의 인구에 서비스를 제공하는 플랜트에서 표면폭기 설비를 미세버블 산기장치로 대체해 20%의 에너지 비용을 절감할 수 있었다.

영국계 수처리 회사의 재정적인 규제에 대한 변화는 새로운 프로젝트의 투자 및 운전비용의 통합 컨트롤을 목표로 하며, 이를 근거로 기본적인 개량을 추진하는 방안의 도입 절차를 간소화했다. 즉, 커다란 변혁이 아닌 단순화 변화를 추진하는 것을 효과적인 방법으로 인식해 서번트렌트워터(Severn Trent Water)사는 기존의 블로워 장치를  코벤트리(Coventry)사에서 개발한 저에너지 에어 컴프레셔(air compressor)로 대체해 20%의 투자·운전비용을 절감할 수 있었다.

기존 폭기설비의 효율 측정 분야에 정통한 영국 물 관련 혁신연구센터는 크랜필드대학과 공동으로 적외선 이미징 시스템을 사용하는 기술 연구를 추진하고 있다. 이 기술은 원래 원자력산업 분야에 사용하기 위해 개발된 것이다.

연구결과에 의하면 일반적으로 폭기설비에서의 높은 비용으로 산업체에서는 혐기성 시스템을 채택하는 폐수처리의 처리용량을 더 크게 고려하고 있으며, 또한 활성슬러지에서 처리해야 하는 물량을 줄이기 위한 목적으로 전처리에서의 처리용량을 크게 설계하는 경향이 있다. 그러나 영국에서는 영국 내 기후조건의 급작스러운 변화로 활성슬러지 공정을 대규모 용량으로 발전시키지는 않을 것으로 예상하고 있다.

▲ 앵글리안워터(Anglian Water)사는 에너지 비용을 줄이는 방법으로 매 분당 에너지 사용량을 측정하는 스마트 컨트롤 기술을 도입해 폐수를 얼마나 효율적으로 처리하는지 실시간으로 모니터링할 수 있다.

‘cage-based oxygen delivery system’을 개발한 아일랜드 기업인 옥시멤(Oxymem)사의 최고경영자 웨인 번(Wayne Byrne)은 폭기에서 버블이 절대적으로 필요하지는 않다고 주장한다. 이에 대한 해결책으로 중공사형 실리콘 멤브레인(hollow fibre silicon membrane)을 사용하는 기술을 이용해 고정필름(fixed-film)을 발생시켜 박테리아가 멤브레인에서 성장하게 만든다. 멤브레인은 산소에 투과성을 가지고 있어 산소가 직접 박테리아 주위에 도달되므로 산소의 손실을 방지해 비용 대비 효과가 큰 방법이다.

옥시멤사는 2014년에 42명의 직원으로 기술을 개발해 생산에 들어갔으며 사업을 확장시키고 있다. 지난해에는 7단위를 판매, 서번트렌트워터사에 대용량 시스템을 공급했다. 이는 500명의 인구에게 충분히 공급되는 규모로 MAPR(Mem-brane Aerated Propofilm Reaction)은 폐수처리에 적합하다. 현재는 스웨덴, 스페인, 미국 등의 고객과 협상을 추진해 용량을 배로 증가시킨 MAPR을 공급할 계획이다.

 

 

▲ 서번트렌트워터(Severn Trent Water)사는 기존의 블로워 장치를 코벤트리(Coventry)사에서 개발한 저에너지 에어 컴프레셔로 대체해 20%의 투자·운전비용을 절감하고 있다.

폭기기술에 대한 새로운 기술은 항상 연구·개발되고 있다. 앞서 언급한 △cage-based aeration △미세버블 산기장치 △pre-selected bugs 뿐만 아니라 최근에는 100m 이상 깊은 지하에 위치한 압력조건에서 버블이 용존상태로 존재하는 심층포기법(deep shaft aeration)에 대한 연구결과도 있다. 

실제 운전에서는 기존 플랜트의 상태를 점검하고 에너지의 유출·손실이 어디서 발생하는지, 폭기공정 최적상태 유지 등의 작업이 수행된다. 또한 발생되는 버블이 가능한 많은 산소를 이동시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 이러한 관점에서 영국에서의 투자·운전비용 규제에 대한 도입은 에너지 절감정책을 추진하고자 하는 기업에 많은 도움이 될 것이다.

 

 

▲ 이스라엘 마팔(Mapal)사가 개발한 부유식 미세버블 폭기장치(floating fine-bubble aerator)는 기존 시스템의 효율을 증대시켰으며 부대설비의 설치 없이 성능을 개선할 수 있다.

영국의 블루테크사는 이미 덴마크, 호주, 미국의 수처리 플랜트에 에너지 평형 정책을 실행하고 있으며, 앞으로 10년 내에 글로벌 수처리 플랜트 대부분이 이러한 방향으로 전개되어 커다란 정책 변화가 있을 것으로 전망한다. 보다 넓게 생각하면 폐수 내에는 잠재적으로 에너지원이 함유되어 있어 폐수처리에 에너지가 사용되는 구조는 에너지 평형 정책을 추진할 수 있는 좋은 기회가 될 수 있다.

영국 내에만 약 1만 개의 수처리 플랜트가 운영되고 있으며 일부는 과거 빅토리아 시대에 건설된 것이다. 활성슬러지의 기본 개념에 의한 시스템은 여전히 오·폐수처리장의 기본이 되고 있지만 에너지 비용 절감 및 에너지 평형을 지향하는 2가지 목표는 폭기설비에 대한 기술혁신 개발을 이끌어내는 견인차 역할을 하고 있다.