A wastewater treatment plant (WWTP) specified carbon calculator has been developed to empirical and probabilistic model for accurate estimation via determining valid biochemical emission factors. Also the main processes involved in emitting greenhouse gases (GHGs: CO2, CH4, N2O) were identified by comparing the emissions from each unit process and sensitivity analysis. In this study the Y-WWTP (the real site: a primary clarifier, a five-stage Bardenpho process, a secondary clarifier, a filter bed, and an ultraviolet disinfection tank) was estimated using the carbon calculator. The biochemical emission factors calculated using contaminant loading in each unit were regarded as the most valid value for estimation. This results were applied to the carbon calculator, because estimated emissions (8,196 kg CO2 e/d) and distribution pattern of the emissions from this emission factors were the closest to that of measured emissions (8,817 kg CO2 e/d). Empirical approach was chosen for the carbon calculator as empirical model could estimate biochemical emissions in actual fact more than theoretical model. The biochemical emissions from the empirical and the theoretical model were 6,589 and 5,320 kg CO2 e/d, respectively. Total estimated GHG emissions were 8,311 kg CO2 e/d for deterministic model (between 6,072 and 11,363 kg CO2 e/d for probabilistic) when Y-WWTP treated 5,400 m3/d of wastewater. The portion of the biochemical emissions was approximately 3.8 times higher than that of the physical emission (1,722 kg CO2 e/d), indicating that the reduction of the biochemical emissions is also crucial as much as reduction of physical emission. The dominant factors driving GHG emissions of both physical and biochemical were significantly correlated to the parameters of the first aerobic process mainly due to the air blower. For reduction of GHGs, effective contaminant removal, and efficient energy consumption, optimization of air blower operation and replacement of facilities with high efficiency are required.
To propose a better and more adaptable Clean Development Mechanism (CDM) scenario on WWTPs, a CDM validity study was conducted. Four possible scenarios were considered as a case study for the CDM project on Y-WWTP: 1) CH4 recovery from anaerobic digester and electricity generation; 2) improvement of oxygen transfer efficiency by replacing air diffuser; 3) CH4 recovery from anaerobic treatment of wastewater and electricity generation; and 4) electricity generation through solar photovoltaic installation. To recognize the validity percentile of the CDM scenario, the net present value (NPV) of each scenario was calculated based on probability and sensitivity analysis with changeable factors. CH4 recovery from anaerobic treatment of wastewater and electricity generation was the best option for CDM business to be profitable with a 92.30% validity rate at a cost of 270 million KRW. This was followed by the improvement of oxygen transfer efficiency scenario and CH4 recovery from anaerobic digester and electricity generation, with 58.38% and 61.80% validity rates, respectively. Electricity generation through solar photovoltaic installation had the lowest validity rate at 57.04% validity. The purpose of the present study is to provide suggestions and strategies for effective CDM business. Ultimately, this research provides possible economic solutions for global warming problems by implementing CDM business. Moreover, the results would suggest the right direction for solving global warming problems with effective environmental and economic policies.
전 세계적으로 지구온난화가 심각한 문제로 부각되고 있는 가운데, 온실가스 감축에 대한 노력이 각국에서 활발하게 일어나고 있다. 본 연구는 중요한 온실가스 배출원으로 주목 받고 있는 하수처리시스템 중 five-stage Bardenpho 공정을 포함한 Y-하수처리장을 연구대상으로 선정하여 case study형식으로 진행되었다. 연구 목적은 하수처리시스템에 특화된 온실가스 산정모델을 개발하고 이를 통해 온실가스 배출 특성 및 주요 영향 인자를 파악하는 것이다. 또한 하수처리시스템에서의 다양한 온실가스 감축 방법론이 CDM사업으로 진출할 가능성을 비교??평가하고자 하였다.
정확한 생화학적 배출량 예측을 위해 4가지 생화학적 배출계수 산정방법을 제안하였고, 연구 결과 unit별 BOD, TN 부하량을 고려한 배출량 (8,196 kg CO2 e/d)이 실측량 (8,817 kg CO2 e/d)에 가장 근접하였기 때문에 부하량 기준의 배출계수 산정방법이 가장 타당한 방법으로 검증되었다.
온실가스 산정모델을 이용해 산정한 생화학적 배출량 중 46%와 8%는 N2O와 CH4이었고, 이를 통해 하수처리시스템에서의 non-CO2 배출량도 상당하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 생화학적 배출량은 1차 호기조에 집중되어 있었고, 특히 이론적으로 혐기조에서 생성되는 CH4 또한 1차 호기조에서 가장 많이 배출된 것으로 나타났다. 이는 혐기조와 무산소조에서 생성된 온실가스 대부분이 하수와 슬러지에 녹아 축적되어 흐르다가 주로 1차 호기조에서 aeration과 함께 gas stripping이 일어나 쉽게 대기 중으로 배출되기 때문인 것으로 판단된다. 또한 CH4은 생성기간이나 하수 내 체류시간이 길기 때문에 하수처리시스템 내에서 배출되는 양보다 하수처리시스템 유출수에 잠재된 배출량이 훨씬 높을 것으로 예측되었다.
생화학적 배출량을 선행 연구의 이론적 모델로 산출한 배출량과 비교한 결과, 이론적 모델 (5,320 kg CO2 e/d)을 이용한 배출량은 실측 모델 (6,589 kg CO2 e/d)인 온실가스 산정모델의 값보다 적은 것으로 나타났다. 이는 이론적 모델이 실제 온실가스를 배출하는 모든 화학양론 식을 포함하지 못하기 때문이며, 결과값이 실측 모델의 값보다 과소평가 될 위험이 있음을 의미한다.
온실가스 산정모델을 이용해 산정한 물리적 배출량 (1,722 kg CO2 e/d) 또한 호기조에 집중되어 있었고, 이는 전력 소모가 가장 큰 송풍기 때문인 것으로 밝혀졌다.
Y-하수처리장이 하루에 5,500 m3 하수를 97% BOD, 37% TN 제거율로 처리하는 동안 총 온실가스 8,311 kg CO2 e/d 이 배출되었고, 88%가 1차 호기조에서 배출되었다. 그리고 미생물의 활동 및 약품 사용에 따른 생화학적 온실가스 배출량이 79%로서 시설의 에너지 소비에 따른 물리적 배출량보다 3.8배 높았다. 이로써 하수처리시스템에서 에너지 절약만큼이나 생화학적 온실가스 배출량을 감축하기 위한 노력이 필요하다 판단된다.
민감도 분석 결과 온실가스 배출 주요인자는 대부분 1차 호기조의 송풍량과 관련이 있었다. 따라서 하수처리시스템에서 수질 향상과 온실가스 배출량 감축을 동시에 만족시키기 위해서는, 수질, gas striping, 에너지 소모량 모두를 고려한 송풍량 최적화에 관한 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한 고효율 산기관으로의 설비 개선도 하나의 해결책으로 제시할 수 있다.
하수처리시스템에서의 CDM 사업타당성 평가를 위해, Y-하수처리장에 적용 가능한 4가지 시나리오 (소화조에서 배출되는 CH4 회수 및 발전, 고효율 산기장치로의 교체, 하수에서 배출되는 CH4 회수 및 발전, 태양광 발전)가 CDM 사업으로 검토되었으며, NPV (Net present value)의 통계적 검증을 통해 사업의 타당성이 평가되었다.
연구결과 4가지 시나리오는 CERs을 포함하지 않은 NPV가 음의 값이었으므로 ‘추가성 (additionality)’을 인정받아 모두 CDM 사업으로 등록이 가능한 것으로 판단되었다. 혐기성 수처리 공정에서 배출되는 CH4을 발전에 이용할 경우 (시나리오 1), 연간 5,527 tonnes CO2 eq. 감축이 가능하며 92.30%의 사업 타당성과 2억7천만 원의 평균 수익으로 투자 우선순위가 가장 높게 평가되었다. 혐기성 슬러지처리 공정에서 배출되는 CH4을 발전에 사용할 경우 (시나리오 2), 연간 27,344 tonnes CO2 eq. 를 감축할 수 있고 CDM 사업 타당성이 61.80%인 것으로 나타났다. 시나리오 2는 시나리오 1보다 많은 양의 CO2를 저감하고 이에 따른 높은 수익을 낼 수 있으나, 초기투자비용 또한 높기 때문에 상대적으로 낮은 사업 타당성을 보였다. 수처리공정 중 포기조에서 고효율 산기장치로 교체할 경우 (시나리오 3), 전력량 절감에 따라 연간 132 tonnes CO2 eq. 를 감축하며 가장 낮은 수익률을 보였지만 비교적 낮은 초기투자비용으로 58.38%의 사업 타당성을 나타냈다. 마지막으로 204 kW 용량의 태양광 발전시설을 도입할 경우 (시나리오 4), 326 tonnes CO2 eq. 감축이 가능하고 높은 초기투자비용으로 인해 수익에 비해 57.04%의 낮은 사업 타당성을 보였다.
본 연구의 온실가스 산정모델을 통해 실측이 어려운 하수처리시스템에서도 온실가스 배출량을 정확하고 신속하게 예측할 수 있다. 또한 하수의 오염물질을 환경에 무해한 수준으로 제거??처리함과 동시에 온실가스 배출량을 최소화하는데 중요한 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
그리고 본 연구에서 제시한 CDM 사업의 타당성 평가 방법과 연구 결과는 추후 CDM 사업의 의사결정 지원 및 환경/경제 관련 가이드라인 제시를 위한 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.
