오사카부 도시정비부 이마이케관리센터 - 슬러지 처리 운용 개선으로 연료 절감

오사카부(부府: 일본 행정구역 중 하나)의 류이키(流域) 하수도 사업은 2008년에 대규모 제도 개혁을 실시해 '건설은 오사카부, 유지 관리는 일부 사무조합'이던 기존 방식을 건설과 유지 관리를 하나로 해 오사카부에서 관리하고, 공공회계도 '특별 회계'방식으로 이행해 조직을 슬림화하는 동시에 비용 감축에 힘을 쏟았다. 이러한 변화 속에 이마이케미즈미라이센터(이하, 이마이케센터)에서도 2004년부터 '계승-일본 사계절 위원회'에서 실시해 온 에너지 절약 활동에 박차를 가하는 한편, 그동안 현안이던 중력 농축 농도 개선에 주목했다. 그리하여 과거 4년간 거둔 연료 절감 실적으로 2009년 '에너지 절약 대상(조직 부문 · 업무 분야)'일본 경제산업대신상을 수상하는 영예를 안았다. 이에 그 내용을 소개한다.

활동 내용
많은 하수처리장에서 공정상 발생하는 슬러지의 부피를 줄이기 위해 탈수 설비를 갖추고, 이 설비를 효과적으로 이용하고자 최초 침전지에서 발생하는 고형물 농도가 낮은 슬러지를 중력 농축조에서 고액 분리해 농도를 높인다. 이마이케센터도 이와 별반 다르지 않으나, 수온 상승과 소화조 침출수 악화 등 여러 요인으로 말미암아 농축 농도가 떨어지고, 이어 탈수 슬러지 함수율 상승, 소각로 연비 악화 등의 문제를 파생시킴에 따라 개선이 시급했다.

현재 상태 파악과 분석 | 이마이케센터는 슬러지의 재순환 설비로 계란형 소화조를 설치했다. 배설물
반입과 중력 농축 슬러지 · 가압 부상 농축 슬러지 투입으로 생기는 메탄가스를 소각로의 보조 연료로 이용한다. 이전까지 이 소화조에서 탈리되는 소화슬러지를 단독 탈수 처리했으나, 이 처리가 어려운 저농도 슬러지가 여러 침전지를 순환하는 일이 빈번해 중력 농축조에서 침강성을 크게 떨어뜨렸다.
개선책으로 소화 슬러지를 침사지로 반송해 유입수로 세정한 후 중력 농축함으로써 문제를 해결했다.
한편, 고온기에 슬러지가 부패하는 일이 많아 중력농축조에서 슬러지 계면 관리 강화에 힘쓰는가 하면, 유입관 내에 슬러지 침강을 방지할 목적으로 유입 펌프정의 저수위 운전을 실시하는 등 농축 농도개선에 다양한 방책을 강구해 왔다. 여기에 만족하지 않고 더 나은 개선을 목표로 새로운 대책을 검토했다.
●현재 상태 파악 - 최초 침전지 Ⅰ · Ⅱ계(2008년 4월부터 Ⅲ계도 사용)에서 중력 농축조로 빼낸 슬러지는 고형분 1% 정도 농도를 기준으로 각각의 인발 펌프를 간헐적으로 운전했다. 그랬더니 중력 농축 후 농축 농도가 저온기에 올라가고 고온기에 떨어지는(<그림 2> 참조), 비유하자면 사람 혈압과 같은 변화를 반복하는 상황이었다.
●현재 상태 분석 - 농축 농도 개선을 위해 앞서 말한 다양한 방책을 실시했다. 특히 슬러지 순환 요인인 농도 2% 미만이 되는 기간을 조사했더니 5~10월이었다. 그중 8~9월은 한 달 중 1/2~1/3 기간에서 저농도가 되는 것을 확인했다(<그림 2> 참조).

활동 경과| '계승-일본 사계절 위원회'는 발족 이후 중력 농축 농도 개선안의 발안과 시행을 거듭해 서서히 안정화 경향을 보였음에도 1년에 여러 차례 저농도가 되는 현상만은 말끔히 해결하지 못했다.
2007년 여름, 중력 투입 슬러지 세정을 목적으로 직영直營으로 염화비닐 배관을 개량해 처리수로 슬러지를 세정 시험했으나 펌프 능력 과대로 운전이 제대로 이뤄지지 않아 부득이하게 재검토해야만 한 일도 있었다.

개선 내용 | 중력 농축조에서 농도 개선을 위해 지금까지 한 일련의 운전 방법(① 소화 슬러지의 침사지 반송, ② 슬러지 계면 관리 강화, ③ 유입 펌프정의 저수위 운전)에서 잘못된 점은 없는지, 현재 상태에서 간과한 것은 없는지 등 초심의 자세로 농축조 관리에 임하는 한편, 여기서 더욱 개선해야 할 사항을 찾아보기로 했다.
●개선 전 운전 방법 - <표 1>에서 운전 지표가 되는 체류 시간(HRT)의 경우 대책 시행 이전인 2007년 10월까지 일반 값인 12시간보다 적은 8~10시간 정도였으며, 고형물 부하(※2)의 경우도 지표 값인 90㎏ · ds/㎡ · d보다 낮은 50~70㎏ · ds/㎡ · d여서 특별히 침강을 저해하는 수치는 아니었다.
●개선 방법 검증(<표 1> 참조) - 중력 농축조로 투입 슬러지 고형물 농도를 1% 이하로 하는 저농도 투입을 권장하는 가운데 0.7~0.9% 정도로 투입을 계속해 왔다. 그리고 이 농도를 더욱 낮춰 농축 농도를 개선하는 방안을 2007년 10월부터 시행했다.
투입 슬러지 농도를 낮추는 방법은 최초 침전지에서 슬러지 체류 시간을 단축하는 것이다. 이는 최초 침전지 슬러지양을 많이 빼냄으로써 간단히 달성했으며, 더 나아가 중력 농축조의 HRT도 6~7시간으로 단축하는 결과를 얻었다.
●개선 결과 - 2007년 10월부터 실시한 투입 농도저감 대책은 <그림 2>에서 보듯이 중력 농축 슬러지 농도에서 달마다 높이 차가 약간 있으나, 2008년 농도가 2007년을 웃도는 것을 확인할 수 있었다.
덧붙여 실시 전인 2007년 1월~9월과 2008년 1월~9월 각각 9개월간 발생한 저농도(1%대) 횟수는 2007년 43회였던 것이 2008년 13회로 크게 떨어졌다. 한편, <표 1>에서 중력 농축 슬러지양과 중력 농축 농도를 2007년과 2008년 매달 수치로 비교했다. 중력 농도 평균 값은 각각 2.46%와 2.74%로 2008년에 0.28포인트 농도를 개선했다. 하수 처리장에서 중력 농축조는 자연의 힘인 중력을 활용한 간단한 구조로, 보통은 시방서에 따라 최초 침전지 배출 슬러지 농도를 1% 전후로 운전 관리하며, 일단 운전 패턴이 고정되면 자주 검토하지 않는 편이다. 관리 지표 값이 기준 내에 들면 더더욱 그렇다.
그러나 이번에 에너지 절약 관점에서 꾸준히 개선한 결과, HRT 관리 지표 값인 12시간을 50~60%까지 단축하는 데 성공했다. 최초 침전지 슬러지 인발펌프의 운전 시간 연장만으로 달성한 것이라 다른 하수처리장이나 폐액廢液플랜트가 있는 사업장에서도 충분히 시험해 볼 가치가 있다고 생각한다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

에너지 절약 효과
2004년부터 2008년에 이르기까지 연료 절감을 얻은 사례를 소개한다.

농축 개선으로 얻은 에너지 절약 효과 | 중력 농축 슬러지의 농도 개선은 후공정인 벨트 프레스 탈수 시 약품 사용량 감소와 탈수 슬러지(케이크Cake) 함수율 저하로 이어지고, 결국 소각로 연비를 절감하는 결과를 얻었다(<표 2> 참조).
콜로이드 상태의 미립자를 주체로 형성되는 슬러지 입자 표면은 음(-) 전하로 말미암아 서로 반발하는 성질이 있다. 약품을 투입해 반발을 완화하고, 입자 결합에 따른 고액 분리를 개선해 탈수성을 높였으나, 농도가 낮을 경우 콜로이드 상태의 미립자가 증가하기에 약품을 과다하게 첨가해야 했다. 그러나 농도 상승으로 이 부분을 개선한 데다 탈수 케이크 함수율도 감소했기에 소각로 내 유입 수분량이 줄면서 연료 소비량 절감으로도 이어진 것이다.
<표 2>에서 보듯이 탈수 케이크 발생량이 1550톤/년(약 6%) 증가했음에도 소모품이 감소해 탈수용약품이 2416㎏/년(약 338만 2000엔), 소각로 중유가 4만 3239ℓ/년(약 311만 3000엔) 줄었다. 반대로 최초 침전지 슬러지 배출량이 증가해 펌프 전력소비량이 7126㎾h(약 7만 엔) 증가했다. 차감 합계를 계산한 결과, 642만 5000엔/년 경비 절감을 달성했다. 한편, CO₂와 에너지 소비량(원유 환산)도 <표 2>에서 확인할 수 있다. 덧붙여 <표 2>에서 각각의 절감량은 이마이케센터에서 배출하는 CO₂의 약 5일분, 에너지는 약 3일분에 해당한다.

* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

연간 연료 절감 효과 | 이마이케센터는 이번에 절감대상이 된 소각로 연료 외에 오수 양수와 빗물 제거를 위해 엔진 펌프에도 중유를 사용한다. 2004년 이후 시작한 에너지 절약 활동에서 그동안 하수도 보급률이 상승함에 따라 슬러지(케이크) 발생량도 증가해 엔진 펌프를 포함한 연료 총 사용량은 <그림 3>과 같다. 그중 슬러지 부피를 줄인 덕분에 감소 효과를 얻은 것도 있으며, 거의 매년 저하 경향을 보였다.
이번에 대상이 된 연료 부문은 엔진 펌프의 기능유지와 운전 숙달을 목적으로 시행하는 시운전을 한계 범위까지 횟수를 줄임으로써 에너지를 절약하고, 소각로에서 피연소물(슬러지)의 상태 개선(수분 저하로 부피 감소)에 오랜 시간 도전을 계속한 성과다. 하수도 보급 증가로 유입 수량이 늘어난 이마이케센터에서 연료 총 사용량이 매년 저하 경향을 보이며 4년간 약 절반으로 줄인 사례는 일본에서 찾아보기 힘들다.

향후 과제
오사카부는 '작은 개선이라도 소홀히 하지 않는다'는 자세를 개혁의 큰 원동력으로 삼으며, 업무효율화와 비용 억제, 부민府民만족도 향상 등의 업무 개선을 꾸준히 추진 중이다. 이마이케센터도 그동안 해 온 유지 관리 측면 외에도, 오사카부 류이키 하수도 조직 개혁으로 일원화한 '유지 관리'와 '건설'공동 작업을 통해 건설 측면도 시야에 넣어 앞으로 유지와 건설의 협업에 의한 에너지 절약 활동을 전개하고 부청府廳의 업무 개선 작업에 일조하도록 에너지 절약 활동에 만전을 기할 예정이다

정리 전화영 기자