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[우수연구개발사례] 혐기성 소화조 운영비 절감 위한 수직왕복형 교반기 설치사례
이름 관리자 waterindustry@hanmail.net 작성일 2017.05.02 조회수 347
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우수연구개발사례
 

“대구환경공단, ‘수직왕복형 교반기’ 현장 적용
  혐기성 소화효율 개선·운영비 연간 7천만원 절감”


㈜우진과 공동연구개발…기존 가스 교반방식 대비 전력 소모량 91% 절감
소화조 내부 슬러지 혼합 통해 TS·VS 농도 감소…산자부 NEP 인증 획득
(총고형물) (휘발성슬러지)


혐기성 소화조 운영비 절감 위한 수직왕복형 교반기 설치사례

공동연구자 = 대구환경공단 김승민(달성사업소 운영파트장)·김동만(신천사업소 관리파트)·이용윤(북부사업소 수질파트장)·백상우(북부사업소 운영파트장)·이정길(북부사업소 운영파트)

 

대구환경공단(이사장 강형신·www.dgeic.or.kr)은 ‘수직왕복형 교반기’를  ㈜우진과 공동으로 연구·개발하여 대구광역시 북부처리장에 설치·운영한 결과, 소화조 내 수리학적 체류시간이 증가해 소화율이 개선되고 유지·관리 관련 업무량이 크게 줄어들고 있다. 이로 인해 혐기성 소화조 운영비를 절감, 연간 7천만 원의 경제적 효과를 얻고 있다. ‘혐기성 소화조 운영비 절감을 위한 수직왕복형 교반기 설치’ 우수연구·개발사례는 지난 3월 23일 광주광역시 김대중컨벤션센터에서 열린 ‘2017 WATER KOREA 상하수도 업무개선사례 발표회’에서 상하수도협회장상을 수상했다. 대구환경공단의 우수연구·개발 및 현장적용사례를 소개한다.     

[편집자 주]

1. 서 론

 

현재 국가적으로 녹색기술과 청정에너지를 이용해 신성장동력과 일자리를 창출하는 ‘신(新)국가발전 패러다임’의 일환으로 부각되고 있는 ‘저탄소 녹색성장’과 관련하여, 하수처리설비에도 녹색기술을 적용하여 에너지를 절감하고 청정에너지를 생산하는 방안이 요구되고 있다.

그 중에서 대표적으로 혐기성 소화조의 설비 개선 및 최적 운전 조건 도출로 에너지 사용량을 최소화하고, 바이오가스 발생량 증대와 더불어 바이오가스를 이용해 전력을 생산하는 방안은 하수처리시설의 에너지 절감 및 자립화에 기여할 수 있어 자원순환형 저탄소 녹색성장에 부합되는 방안이라 할 수 있다.

혐기성 소화는 하수의 생물학적 처리과정에서 발생하는 하수슬러지를 혐기성 조건에서 혐기성 미생물에 의해 유기물을 분해하는 공정을 말한다. 이를 통해 슬러지 감량과 더불어 최종처리공정에서 슬러지 부패현상을 저하시키고 병원체를 사멸시켜 위생 안정성이 확보되며, 특히 소화과정에서 유용한 에너지원인 메탄(CH4)을 주성분으로 하는 소화가스를 회수할 수 있는 친환경적 공법이다.

혐기성 소화조의 소화율을 높이기 위해서는 몇 가지 요소가 필요한데 우선적으로 소화조 내부 슬러지의 적절한 혼합이 요구된다. 이때 혼합을 위한 교반 방식은 소화가스를 이용하는 ‘가스 교반방식’과 ‘기계식 교반방식’으로 분류된다. ‘가스 교반방식’은 가스 송풍기를 이용해 발생된 소화가스를 블로어(Blower)를 이용하여 소화조 하부에 공급해 기포의 상승으로 상승류가 형성됨에 따라 소화조 내부 전체가 혼합되는 방식이며, ‘기계식 교반방식’은 교반기(임펠러)를 회전시켜 하부의 슬러지를 하강 또는 상승시켜 혼합과 침전을 방지하는 방식이다.

가스리프트식 교반방식은 대부분 루츠블로어(Roots blower)를 사용하여 가스를 소화조 하부에 공급하기 때문에 블로어를 가동하는 데 전기소모량이 많고 유지·보수에 많은 인력과 비용이 소요된다. 또한 루츠블로어 특성상 소음 발생이 심하며, 근무환경이 열악하거나 오일 사용량이 많을 경우 오일이 누출되거나 2차 오염물질(폐유)이 다소 발생한다.

이에 더해 가스 폭기 위치는 소화조 바닥으로부터 상당히 높게 설치되어 있어 소화조 바닥에 슬러지 퇴적이 많이 발생된다. 이는 소화조 용량이 줄고 슬러지 체류시간이 짧아져 소화율을 낮추는 원인이 되기도 한다.

 

2. 수직왕복형 교반기 개요

 

   

 

이러한 문제점을 해결하고자 대구환경공단과 ㈜우진은 ‘수직왕복형 교반기’를 공동으로 개발·설치함으로써 소화효율을 개선하고 운영비 절감을 달성하였다. ‘수직왕복형 교반기’는 대구환경공단과 ㈜우진이 함께 저동력 소화조용 교반기 개발을 목적으로 추진한 산산(産産)연구를 통해 개발한 교반기로서 지난 2010년 9월 ‘수직형 교반장치’로 특허 제10-0982690호를 취득한 데 이어 2015년에는 ‘소화조용 수직왕복형 교반기’로 산업통상자원부로부터 신기술 인증(NEP-MOTIE-2015-004)을 획득하였다.

교반기는 △구동장치 △축 △임펠러로 구성되어 있으며, 소화조 슬러지의 유동성 개선을 위해 하부 콘이 별도로 구성되어 있다. 구동장치는 캠구동 방식으로 전동기의 회전운동을 왕복운동으로 전환하고, 구동장치와 임펠러를 연결하는 축은 원형 파이프를 이용하며, 임펠러는 원형 모양의 도넛 형태로 가장자리에서 중심부로 하향 경사면 형태를 이루고 있다. 하부 콘은 중심부와 콘 경사면으로 유체의 흐름을 유도할 수 있도록 ‘절두체(Frustum of cone)’ 형태를 가지고 있다.

 

   

수직왕복형 교반기의 임펠러는 수직·상하운동을 하면서 유체 흐름을 발생시킨다. 임펠러가 상승하면 챔버(Chamber) 주위의 유체는 임펠러 경사면을 따라 흐르며, 유체가 중앙 홀(Hole)로 모이면서 많은 유량이 통과하게 되고, 하부평면이 이 유체를 아래로 밀어냄으로써 상향류가 일부 발생하는 동시에 하향류가 강하게 발생한다.

이처럼 상향류와 동시에 강한 하향류가 발생함에 따라 경사면 임펠러는 소화조 상부에 임펠러를 위치하여 교반이 가능하며, 축의 길이 감소로 교반기 무게를 줄일 수 있어 기존의 소화조 상부 구조물에 큰 문제점이 없다면 별도의 구조물 없이 설치가 가능하다.

또한 상하운동 과정에서 하강 시에는 자중으로 인해 부하가 적게 발생하나 상승 시에는 큰 부하가 발생하는데 이를 상쇄하는 효과가 있어, 교반기 동하중을 줄이고 구동부에 충격을 완화하는 효과와 더불어 전력 소모도 감소하는 효과가 있다.

 

   
 
   

실린더(Cylinder)형 혐기성 소화조는 대부분 바닥이 원추형 모양으로 되어 있어 하향류가 바닥에 부딪치면서 바닥영역에서 맴돌이 현상이 나타나 교반능력이 감소하는 결과를 초래하는데, 이를 해결하기 위해 소화조 하부에 콘을 설치하였다.

 

3. 수직왕복형 교반기 설치 개요

 

   
▲ 수직왕복형 교반기 설치 공사 현장 모습. 상단 왼쪽부터 시계방향으로 하부 콘 설치, 센터돔 체결, 교반기 축 연결, 진동 측정, 구동부 체결, 임펠러 체결 모습.

 

수직왕복형 교반기 설치는 정부의 2016년도 지역에너지절약사업에 ‘하수처리장 소화조 교반방식 변경사업’이 선정됨에 따라 국비를 지원받아 시행되었다. 공사는 2016년 6월 30일부터 2016년 12월 10일까지 진행되었으며, 혐기성 소화조 2개에 대하여 교대로 △소화조 준설 △구조안전진단 △교반기 설치 △소화조 정상화 과정을 단계적으로 실시하였다.

공사기간의 상당 부분은 소화조 준설과정이 차지하였으며, 실제로 교반기를 설치하는 데에는 7일 정도 소요되었다. 소화조 준설 후에는 먼저 소화조 바닥에 하부 콘을 설치한 다음 임펠러를 소화조 상부로 투입하고, 이후 소화조 상부에 센터돔을 설치, 소화조 콘크리트 구조물과 체결하는 순으로 이루어졌다.

 

또 교반 과정에서 가스 누출 방지를 위해 씰튜브를 센터돔과 체결하고, 교반기 축을 씰튜브로 삽입한 다음 소화조 내부에서 임펠러와 체결하고, 캠 구동부의 축과 체결하면서 교반기 설치는 간단하게 이루어졌다. 이후 전기연결 공사 및 센터돔·가스배관 연결 작업을 거쳐 최종 완료되었다.

 

   

수직왕복형 교반기를 설치하는 데에는 △교반기 구매·설치 5억3천900만 원 △소화조 준설 2억2천500만 원 등 약 7억6천400만 원의 비용이 소요되었으며, 소화조 내부에 슬러지가 많이 퇴적되어 있어 소화조 준설비용이 다소 많이 소요되었다.

 

4. 수직왕복형 교반기 가동 결과

 

   

 

수직왕복형 교반기 설치 완료 후 다른 소화조에서 슬러지를 이송하여 일정 수위를 채운 뒤 슬러지를 일정량 투입하면서 3일 정도 안정화를 거친 후 정상 가동하였다. 먼저 수직왕복형 교반기의 소화조 교반상태를 확인하기 위해 소화조의 일정 수위별로 온도 및 슬러지 TS(총 고형물)농도를 비교한 결과, TS농도 및 온도 편차율이 기준치 이내로 교반이 원활히 이뤄지는 것으로 나타났다.

 

   

또 같은 기간 동안 수직왕복형 교반기와 가스리프트 방식의 소화조 투입 전·후 슬러지 및 소화조 성상과 소화 특성을 비교해 본 결과, 수직왕복형 교반기가 더 우수한 것으로 나타났다.

수직왕복형 교반기를 가동한 경우와 같은 시기 가스리프트 교반방식의 소화조 운영자료를 비교해 보면, 소화조에 투입하는 슬러지 성상은 거의 대동소이하나, 소화조를 거친 후 슬러지의 TS농도는 수직왕복형 교반기를 가동하는 경우가 더 낮게 나타났고 있으며, 휘발성슬러지(VS)의 고형물량 역시 600㎏/일 정도로 더 많이 감량되었다.

 

   

교반방식별로 소화특성을 비교한 결과에서도 각 교반방식의 소화조 유기물 투입량은 거의 비슷했는데, 소화슬러지의 유기산은 비슷하게 나타났으나 소화율은 수직왕복형 교반방식의 소화조가 더 높게 나타났다. 이에 따라 가스 발생량 및 메탄가스 농도 또한 더 높게 측정됐다.

이는 과거 가스리프트 교반방식보다 교반상태가 개선됨에 따라 소화조의 내부 사영역이 감소하고 실제 수리학적 체류시간(HRT)이 늘어나면서, 투입되는 슬러지가 소화조 내부에서 확산이 잘 이뤄짐에 따라 소화율이 개선되는 것으로 판단된다.

 

5. 결 론

 

   

 

수직왕복형 교반기를 설치·운영한 결과 향후 상당한 운영비 절감과 더불어 유지·관리 관련 업무량이 크게 줄어들 것으로 기대된다. 수직왕복형 교반기 2대 가동에 실제 소요되는 전기는 약 154㎾/일(3.2㎾/대)로, 가스리프트 교반방식(1천776㎾/일) 대비 91% 정도 적게 소요되며 경제적으로는 연간 6천810만 원이 절감되는 것으로 나타났다.

또 수직왕복형 교반기는 수선 내역이 간단하여 루츠블로어 오버홀 등에 소요되는 수선비가 상당 부분 절감될 것으로 예상된다. 또한 기존 방식의 경우 블레이드, 윤활유 등의 소모품을 구입해야 했던 반면, 수직왕복형 교반기는 그리스(Grease)만 필요하기 때문에 관련 부속품 구매 비용이 상당 부분 절감되는 것으로 나타났다. 부수적으로 가스 발생량이 증가함에 따라 가스발전기 가동시간이 증가하여 발전량 증가로 처리장의 전기료도 절약할 수 있다.

아울러 슬러지 감량률 증대로 함수율 63% 기준 하루 3㎥의 탈수케이크가 감소되어 탈수케이크 최종 처리비용이 줄어들 것으로 예상되며, 순수 소요 비용은 연간 약 8천783만7천 원 절감될 것으로 파악된다. 한편, 투자 회수기간은 9년 정도 소요되는 것으로 나타났으나 부수적인 비용 절감을 감안하면 5년 이내로도 가능할 것으로 기대된다. 

[『워터저널』 2017년 5월호에 게재]

 

 

 

 

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