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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.4 pp.427-440
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.4.427

A study on AHP application of selection method for the best treatment technology of public sewage treatment works

Dong-Hwan Jeong, Yangseok Cho, Kyunghee Ahn, In-Cheol Choi, Hyen-Mi Chung*, Jaekwan Lee
National Institute of Environmental Research
Corresponding author: Hyen-Mi Chung (hyenmic@korea.kr)
June 21, 2016 August 3, 2016 August 5, 2016

Abstract

Various kinds of processes are used in the Public Sewage Treatment Works(PSTWs) in order to achieve water quality criteria and TMDL in the watershed. The performance of the existing processes at PSTWs depends on influent characteristics, effluent quality target, amount of sludge production, power cost and other factors. In present, the Selection Guideline for the Available Treatment Process of PSTWs is used for a process decision in the country. But there are some problems regarding redundancy of assessment factors and complexity of assessment procedure in the guideline. In this study, we did a test application of AHP for process selection of PSTWs, which propose is to simplify assessment factors such as pollutant removal amount, sludge generation, electricity consumption, stability of operation, convenience of maintenance, easiness of existing process application, installation cost, and operating cost concerning of environmental factors, technical factors and economical factors. According to the study, the PSTWs selection procedure guideline can be improved using application of AHP method.


공공하수처리시설 공법 선정을 위한 계층화분석법 적용방안 고찰

정 동환, 조 양석, 안 경희, 최 인철, 정 현미*, 이 재관
국립환경과학원

초록


    1.서 론

    유역의 수질환경기준(중권역 목표기준) 또는 수질 오염총량관리 목표수질을 달성하기 위하여 유역 내 하수처리시설에서는 다양한 하수처리 공법을 사용하 고 있다. 하수처리시설에서는 처리성능의 안전성, 유 지관리의 용이성 등 운영관리의 기술적 요인에 따라 효율의 차이가 나기도 하지만 오염물질제거량, 슬러 지발생량, 전력사용량 등 환경적 요인, 시설설치비 및 유지관리비 등 경제적 요인에 따라 처리효율이 달라 질 수 있다. 이러한 다양한 요인을 종합적으로 고려하 여 하수처리시설에 적합한 하수처리 공법을 적용하는 것이 필요하다. 지자체의 하수처리시설에 적합하다고 제안되는 하수처리 공법을 선정하는데 있어 “공공하 수처리시설 공법선정을 위한 가이드라인”(MOE, 2015a) 을 적용하고 있다(Fig. 1). 이 가이드라인에서는 공공 하수처리시설 신규 설치 및 증설 시 적합한 공법을 선정하도록 하고 있으며, 처리효율이 높아 방류수 수 질이 깨끗하고, 설치비 및 운영비가 낮고, 유지관리가 용이한 공법을 선정하도록 기준을 정하고 있다. 그러 나 이 가이드라인의 일부 항목에서 평가항목간 중복 되는 항목이 있고 기준 페이지, 사진부착 등 불필요한 감점항목이 있으며, 공법보유사가 반드시 제시해야 할 기술지원 및 보증기간, 국내·외 적용실적 등의 필 수사항도 평가항목으로 점수화하고 있다. 또한 이 가 이드라인에서 평가항목은 기관평가 항목과 위원평가 항목으로 나누어져 있어 다소 복잡하다. 이러한 문제 점을 해결하기 위해 공공하수처리시설의 공법 평가기 준표의 평가항목을 단순화하고 평가위원도 행정, 사 회, 경제, 기술 등 분야별 전문가가 참여 가능한 계층 화분석법(Analytical hierarchy process, AHP)을 적용하 는 것이 바람직하다.

    다기준분석 의사결정방법의 하나인 계층화분석법 은 공공사업의 타당성 평가에서 경제성 분석에 의존 하는 비용편익분석법보다 환경성 내지 기술성 등 다 양한 정책효과들을 정량적으로 평가할 수 있으며, 다 수 평가자의 다양한 판단을 합의나 수치적 통합을 통 해 각 대안의 종합된 최종 우선순위 중요도 또는 우 선순위라는 가중치 산출과정을 통해 종합적인 최종 우선순위를 도출하는 강력한 계량적 의사결정 수단을 제공한다(KDI 2001, 2004). 또한, 계층화분석법은 복 잡한 의사결정 문제를 계층적으로 구조화하여 표현할 수 있으며, 직관적이고 합리적인 평가를 근거로 정량 적인 요소뿐만 아니라 정성적인 요소까지 고려하여 포괄적인 의사결정의 틀을 제공하며, 평가자들의 판 단에 대한 논리적 일관성을 검증할 수 있다는 점에서 신뢰성이 높다(Cho et al., 2005).

    기획재정부는 재정지출이 500억원 이상 소요되는 대규모 재정사업에 대한 재정운영의 효율성을 높이기 위해 예비타당성 조사를 실시하고 있으며, 재정사업 에 대한 종합평가는 경제성, 정책성, 지역균형발전, 기 술성 등 평가항목별 분석결과를 토대로 계층화분석법 (AHP)을 이용한 계량화된 가중치(우선순위)를 도출하 여 사업의 타당성 여부를 판단한다(MOSF 2015). 그 외 정부 성과관리전략 수립방안 마련(MOAFRA 2007), 연구과제 선정방법 개선(NRFK 2007), 친환경농업정 책 프로그램의 우순순위 결정(Shin et al., 2005), 구제 역 재난관리 정책의 상대적 중요도 분석(Yang, 2013) 등 다양한 분야에서 계층화분석법을 정책 결정을 위 한 도구로 활용하고 있다. 해외에서도 계층화분석법 을 활용한 사례가 많이 보고되어 있으며, 유럽 산업분 야에서 BAT(Best Available Techniques), 녹색기술, 복 원기술, 배출저감기술 등의 적합한 기술대안을 평가 및 선정하는데 계층화분석법을 활용하며, 환경적, 기 술적, 경제적, 사회적 관점에서 기업의 환경영향을 최 소화하려는 새로운 기술의 통합을 유도하는 기본적인 도구이다. 외국의 연구사례 조사결과 의사결정을 위 해 가중치를 도출한 96개 사례 중 28%가 계층화분석 법을 적용한 것으로 나타났다(Ibáñez-Forés et al., 2014). 또한 혐기성소화, 식물토양오염정화, 퇴비화 등 서로 다른 폐수처리기술 중 가장 지속가능한 처리기술을 선정하는데 있어 환경적 측면, 기술적 요인, 경제적 비용 등의 요소를 쌍대 비교하는 계층화분석법을 적 용하여 최적 대안을 찾기도 한다(Bottero et al., 2011).

    본 연구에서는 공법선정 가이드라인의 평가항목 중 복을 해소하고 복잡한 평가절차를 단순화하여 합리적 인 공법선정 방법을 도출하기 위하여 계층화분석법 적용방안을 고찰하였다. 이를 위해 국내 공공하수처 리시설 운영실태 조사표, 통합환경관리제도의 최적가 용기법(BAT) 기준서 작성을 위한 BAT 선정 및 평가 지침(안)을 이용하여 하수처리시설 공법 선정에 적합 한 평가항목을 선정하였고, 다양한 분야별 자문그룹 을 대상으로 전문가 설문을 실시하였다.

    2.연구방법

    2.1.계층화분석법의 원리

    계층화분석법(AHP)은 의사결정을 공식화하고 분석 하기 위한 직관적인 방법(Intuitive method)이다. 계층 화분석법은 최근 수십년동안 수많은 현안문제 해결에 적용되었다. 이 방법은 직관성과 유연성 때문에 공공 기관, 지방자치단체 및 정부가 정책결정을 하는데 많 이 이용되고 있다. 계층화분석법은 1980년 Saaty에 의 해 처음 제안되었으며, 의사결정 문제에 계층화분석 법을 적용하는 방법은 다음 4가지 단계가 있다(Cho et al., 2005).

    1단계는 의사결정 문제를 계층모형으로 구조화하는 것이다. 목표를 확인하고 구조화하는 것은 신중하고 경험적이고 문헌적인 조사가 요구된다. 목표는 기본 적인 목표와 평균적인 목표로 구분되며, 기본적인 목 표는 이해당사자가 고민하는 문제 또는 속성이고, 평 균적인 목표는 기본적인 목표를 달성하기 위한 수단 이다. 목표 계층은 이러한 분류를 통하여 구축된다. 의사결정 문제는 공동의 특성과 다른 수준을 갖는 계 층모형의 구성에 따라서 개별 요소로 분해하는 것이 필요하다. 계층에서 각 수준에 해당하는 요소는 공동 의 특징을 갖는다. 최상위 수준(계층)은 문제의 핵심 이며 목표이다. 최하위 수준은 의사결정 대안을 포함 하는 반면, 중간수준은 상위수준과 하위수준에 해당 한다.

    2단계는 계층내 요소간 쌍대 비교하는 것과 판정행 렬을 구하는 것이다. 이 단계에서 중간 상위수준 내에 있는 특정요소와 관련하여 개별 수준의 요소들은 쌍 대 비교된다. 판정행렬이 구성되고 해당 요소의 우선 순위를 계산하는데 이용된다. 첫째로 수준은 목표와 관련하여 쌍대 비교된다. 식 (1)과 같이 A로서 명명된 판정행렬은 비교에 이용하기 위해 구성될 것이다. 판 정행렬의 개별 기입항목 aij는 행요소인 Ai와 열요소인 Aj를 비교하여 구성되었다.

    A = (aij)[i, j = 1, 2,..., 수준의 개수(The number of criteria)]
    (1)

    Saaty(2000)는 어의적 판정에 의해 aij의 값으로 표 현되는 것을 수치적으로 정량화하기 위해 9점 척도의 사용을 제안하였다. 기입항목 aij에는 다음 규칙이 적 용된다(식 (2)).

    a ij > 0 ; a ij = 1 a ij ; a ij = 1  for  all  i
    (2)

    위의 규칙 때문에 판정 행렬 A는 양의 역수인 쌍대 비교 행렬이다.

    3단계는 부분적 우선순위와 적합도를 구하는 것이 다. 목표와 관련하여 수준의 비교 판정 행렬을 활용할 수 있다면, 수준의 부분적인 우선순위를 얻을 수 있고 판정의 적합도를 결정할 수 있다. 수준의 우선순위는 주요 고유벡터(Principal eigenvector) w를 구함으로써 추정할 수 있으며, 그것은 식 (3)과 같다.

    Aw = λmaxw
    (3)

    벡터 w가 정규화되었을 때 목표와 관련된 수준의 운선순위 벡터가 된다. λmax는 행렬 A의 가장 큰 고유 값이고, 대응 고유벡터 w(Corresponding eigenvector)는 양의 엔트리를 포함한다. 판정 매트릭스의 적합도는 적합도 비율(consistency ratio: CR)을 측정하여 결정할 수 있으며 식 (4)와 같이 정의된다.

    CR = CI RI
    (4)

    여기서 CI는 적합도 지수(Consistency index)라고 하고, RI(Random index)는 무작위 지수라고 한다. CI를 정의 하면 식 (5)와 같다.

    CI = λ max n n 1
    (5)

    RI는 역수를 갖는 9점 척도로부터 무작위적으로 생 성된 역수 행렬의 적합도 지수이다. Saaty는 500 표본 의 크기에 대한 무작위적으로 생성된 행렬(11×11 크 기까지)의 평균 적합도(RI 값)를 제공하였다. 또한 행 렬의 적합도 지수가 높으면 입력 판정은 적합하지 않 으며 신뢰할 수 없다는 것을 의미한다. 일반적으로 적 합도 지수가 0.10 또는 그 이하일 때 받아들일 수 있 는 것으로 고려된다. 그 값이 높다면 판정은 신뢰할 수 없으며 다시 도출되어야 한다. 이와 유사한 과정을 이용하여 개별 수준과 관련된 대안의 부분적 우선순 위가 추정된다.

    마지막 4단계는 부분적 중요도(우선순위)의 합을 구하는 것이다. 이전 단계에서 윤곽이 그려진 서로 다 른 수준 요소의 부분적 중요도(우선순위)가 적합하다 면 대안의 최종 우선순위를 구할 수 있도록 합산한다. 합산에 대하여 식 (6)의 계층구성 원리가 이용된다. 식 (6)은 단순히 중요도 합이다. 이렇게 얻어진 최종 우선순위는 문제의 핵심을 달성하는데 있어 대안의 중요도 또는 선호도를 나타낸다.

    대안  T 1 에 대한 최종 우선순위 = i 대안  T 1 의 평가요인별 부분적 중요도
    (6)

    2.2.하수처리시설 공법 선정 체계

    유럽에서의 최적 공법 평가방법은 수체에 직접 영 향을 미치지 않는 인체독성, 지구온난화, 산성화, 오존 층파괴, 광화학적 오존생성 등 전과정평가 기법(LCA) 에 기초한 항목을 평가항목으로 정하고 있다(EU 2010). 이러한 항목의 데이터베이스에는 시간과 비용이 필요 하다. 미국 NPDES에서 규정하고 있는 최적 공법 평 가방법(US EPA 2010)과 공공하수도시설 운영․관리 업 무지침의 운경결과 조사표(MOE 2015b) 및 국내 통합 환경관리제도에서 적용하는 “최적가용기법 기준서 작 성을 위한 BAT 선정 및 평가지침(안)“(NIER, 2014)의 평가항목을 참조하여 국내 여건에 적합한 공법 선정 방법을 마련할 필요가 있다. 이들을 참조하여 마련한 공법 선정 절차는 다음과 같다(Fig. 2).

    2.3.하수처리시설 공법 선정을 위한 계층화분석법 적용 및 가이드라인 개선 방안 도출

    하수처리시설 설치사업 기본 및 실시설계를 추진하 는데 있어 공공하수처리시설에 적합한 하수처리 공법 을 선정하거나 수질오염총량관리제도 시행으로 3차 처리 시설 설치가 필요하여 처리공법에 대한 기술 및 경제성 평가를 통해 해당 공공하수처리시설에 가장 적합한 3차 처리공법을 선정하는데 있어 “공공하수처 리시설 공법선정을 위한 가이드라인”(MOE, 2015a)에 따라 공법을 선정하도록 하고 있다. 이 가이드라인에 서는 최상위수준 평가항목을 크게 기술 분야와 경제 성 분야로 구분하고 있다. 하위수준에는 기술 분야의 평가항목으로 계획의 적정성, 수질관리의 적정성, 공 법사가 제공하는 기술지원 및 유지관리 용이성, 가동 의 적정성, 공법사의 적정, 또한 경제성 분야의 평가 항목으로 공법의 경제성을 선정하고 있다. 이들 하위 수준 평가항목에 따라 세부 평가항목을 두어 적합한 공법을 평가하는데 객관성을 필요로 하는 보증(목표) 수질의 적정성, 보증기간, 운영비, 공법의 경제성 등 기관평가 항목은 공공하수도관리청(시·군청)에서 평 가하고, 부하변동의 대응성, 유지관리의 용이성, 가동 의 적정성 등 위원평가 항목은 공법선정심의위원회의 에서 평가한다. 앞에서 설명하였듯이 계층화분석법과 통합환경관리제도의 평가지침(안)에서 사용하고 있는 평가항목을 수정하여 하수처리시설에서 적용 가능한 공법 선정방법을 검토하였다. 하수처리시설에서 적합 한 공법을 선정하기 위해 최상위수준으로 환경적 요 인, 기술적 요인, 경제적 요인으로 구분하고, 주요 대 표적인 하위수준으로 하수처리량당 오염물질제거량, 하수처리량당 슬러지발생량, 하수처리량당 전력사용 량, 처리성능의 안정성, 유지관리의 용이성, 기존 공정 에 대한 적용의 용이성, 하수처리량당 시설설치비, 하 수처리량당 유지관리비 등의 평가항목으로 세분화하 였다. 최종 선택을 위한 대안은 공법보유사가 제출한 기술제안서 상의 공법들 중에서 선정한다. 다음의 절 차에 따라 하수처리시설에 적합한 공법을 선정하는데 있어 계층화분석법을 적용하고 “공공하수처리시설 공 법 선정을 위한 가이드라인“에 대한 개선방안을 제시 하고자 하였다.

    공공하수처리시설에 적합한 공법을 선정하기 위해 서는 하수 처리기술(공법)에 대한 처리 효율 및 수질, 유지관리 등 현장 운영결과에 대해 공법보유사가 기 술제안서로 작성하여 공공하수도관리청(시·군) 및 공 법선정심의위원회에 제출하여 적합한 공법을 선정한 다. 이에 따라 운영실태 조사 결과표를 활용하여 기존 공공하수처리시설에 적용된 처리공법에 대해 하수처 리량, 유입수 및 방류수 수질, 시설비 및 유지관리비 등을 포함한 운영관리 자료를 수집한다. 가동 중인 공 공하수처리시설의 경우 최근 1년간 처리수질 및 효율 등 1년 이상 가동실적을 보유한 하수처리시설을 대상 으로 평가하고, 신기술이어서 가동실적이 없는 경우 제안된 공법의 신기술 검증시 제출한 운영실적(6개월) 을 대상으로 평가한다.

    제안된 공법(기술제안서)을 평가하기 위해서 제안 공법이 적용된 공공하수처리시설의 처리효율을 고려 하여 대상 하수처리시설수를 선정한다(NIER, 2003). 즉, 적용된 동일 공법의 공공하수처리시설이 30개 이 상인 경우 처리효율 순위가 상위 30% 이내 시설을 선 정하거나 30개 미만인 경우 50% 이내 시설을 선정한 다(Table 1). 여기서 처리효율은 방류수 수질기준 항목 인 BOD, COD, SS, TN, TP 처리효율의 평균값을 말하 며 처리효율 순위에 따라 대상시설을 선정하도록 한다.

    하수처리시설 공법 선정을 위해 환경적 요인 및 경 제적 요인의 평가항목에 대해서는 공공하수처리시설 운영실태 조사표를 이용하여 적용된 공법의 정량적인 값을 산출하고, 계층화분석법을 이용한 공법 선정에 대한 전문가 설문조사를 실시한다. 이를 통해 환경적 및 경제적 요인의 평가항목 가중치(중요도, 우선순위), 기술적 요인의 정성적 평가항목 가중치를 도출한다.

    첫째, 하수처리시설 공법 선정을 위해 AHP 설문조 사에 필요한 계층분석 구조도를 작성한다(Fig. 3). 즉, 하수처리시설에 대한 공법을 선정하기 위한 최상위수 준(계층1)으로 환경적 요인, 기술적 요인, 경제적 요인 이 있으며, 하위수준(계층2)으로 환경적 요인에 오염 물질제거량, 슬러지발생량, 전력사용량, 기술적 요인에 처리성능의 안정성, 유지관리의 용이성, 기존 공정에 대한 적용의 용이성, 경제적 요인에 시설설치비, 유지 관리비 등 8개 평가항목으로 구성하고, 마지막 최하위 수준의 대안(계층 3)에서 제안된 공법들로 구성한다.

    둘째, AHP 전문가 설문조사를 통하여 공법 선정을 위해 최상위수준(계층1)에서 평가요인별 가중치(중요 도)를 도출한다. 또한, 하수처리시설 공법 선정을 위 해 하위수준(계층2)에서 평가항목별 가중치를 도출한 다. 하수처리시설 공법 선정의 최하위수준인 대안단 계(계층3)에서 공법별 가중치를 도출하는 것이다. 제 안된 공법에 대한 평가항목 가중치가 높은 공법을 하 수처리시설의 최종 적합한 대안 공법으로 선정한다.

    3.결과 및 고찰

    공공하수도관리청(시·군)에서 공법선정심의위원회 를 개최하여 도입하고자 하는 하수처리시설에서 적용 공법을 심의하는 자료는 외부 유출이 곤란하고 또 연 구결과에서 선정된 공법이 지자제의 기존 심의결과와 다른 결과가 나온다면 논란의 소지가 있으므로 환경 부(2015b)에서 공개한 전국 하수처리시설에 대한 500 m3/일 이상 공공하수처리시설 운영실태 조사결과표 (엑셀자료)를 활용하여 하수처리시설의 공법 선정을 위한 계층화분석법을 이용한 의사결정방법을 검토하 였다. 그리고 본 자료는 하수처리시설의 처리 및 운영 관리와 관련된 자료가 대체적으로 잘 기록되어 공법 선정을 위한 평가 자료로 활용하는데 유용하다고 판 단되었다.

    하수처리시설에 적합한 공법을 선정하는데 혐기-무 산소-호기공법(A2O공법), 연속회분식 반응조공법(SBR 공법), 담체공법(Media공법), 생물막공법(MBR공법), 기타 공법(Others) 등 5개 공법(계층구조의 대안 T1~T5 에 해당)에 대한 기술제안서가 공법심의위원회에 제 출되었다고 가정하고 전국 500 m3/일 이상 공공하수 처리시설을 크게 5개 공법의 그룹으로 분류하여 평가 하였다. 주의할 점은 이들 공법이 이미 공공하수처리 시설에 설치되어 운영․관리되고 있으며 방류수 수질기 준을 준수하고 있기 때문에 해당 하수처리시설에 적 합한 공법으로 선정되어 적용되고 있다고 볼 수 있다. 또한 매년 분기별로 공공하수도시설 운영․관리 업무지 침(MOE 2015c)에 따라 기준초과 시설에 대해서는 지 도․점검을 받고 조치사항(방안)을 보완하여 효율적 운 영을 위해 개선하고 있다는 점이다. 이러한 점에서 시․ 군에서 기술제안서를 받아 공법을 선정하는 것과 본 연구에서 공법을 선정하는 것 간에 차이가 있으며, 본 연구에서는 국내 공공하수처리시설에서 사용하고 있 는 기존 공법의 운영 사례를 이용하여 예시적으로 계 층화분석법(AHP)의 적용방안을 고찰하였다.

    3.1.국내 하수처리시설 자료를 이용하여 공법 선정을 위한 계층화분석법 적용

    3.1.1.대상 하수처리시설 선정 및 계층화분석법 적용을 위한 평가자료

    하수처리시설 공법 선정을 위해 평가 대상시설수는 일반항목의 경우 공법계열별 공공하수처리시설이 30 개 이상인 경우 처리효율 순위에 따라 30% 이내 처리 시설을 선정하므로 A2O공법 시설 40개소, SBR공법 시설 60개소, Media공법 시설 39개소, MBR공법 시설 14개소, 기타 공법 시설 21개소를 선정하였다(Table 2). 이들 대상시설의 평가항목별 현황을 산정하여 계층화 분석법(AHP) 평가에 참여하는 전문가에게 제공하여 개별 평가항목에 대한 쌍대비교 시 판단할 수 있는 기초 정보자료로 활용하였다.

    먼저 최상위수준인 환경적 요인(Environmental factors) 에 대한 세부 평가항목으로 하수처리량당 오염물질제 거량(g/m3), 하수처리량당 슬러지발생량(g/m3), 하수처 리량당 전력사용량(wh/m3) 현황을 조사하였다. 중간수 준인 이들 세부 평가항목에 대한 처리효율 순위 30% 이내 공공하수처리시설에서 하수처리량당 오염물질 제거량은 BOD, COD, SS, TN, TP 제거량의 총합으로 구하였고, 공공하수처리시설의 규모에 따라 오염물질 제거량 및 슬러지발생량의 차이가 발생하므로 하수처 리량(m3/일)으로 나누어 평가단위(g/m3)를 조정한다.

    평가 대상시설을 설정하기 위해 공공하수처리시설 의 처리효율은 BOD, COD, SS, TN, TP에 대한 처리효 율 평균값으로 구하였고, A2O공법 94.5%, SBR공법 95.0%, Media공법 94.0%, MBR공법 95.6%, 기타 공법 94.2%로 나타나 MBR공법이 처리효율이 가장 좋은 것으로 조사되었다. 이 처리효율의 순위에 따라 30% 이내 처리시설을 평가대상 공공하수처리시설로 선정 하였다. 500 m3/일 이상 처리효율 상위 30% 이내 공공 하수처리시설에서 하수처리량당 오염물질제거량은 늘어나 전체 처리시설에서 오염물질제거량보다 공법 별 14.5~36.5% 정도 향상되었으며, 공법별 전체 하수 처리량당 오염물질제거량과 처리효율 상위 30% 이내 처리시설 하수처리량당 오염물질제거량의 차이를 보 면 Media공법 144.8 g/m3, 기타 공법이 145.8 g/m3으로 가장 차이가 큰 것으로 나타나 같은 공법계열 분류 내에서 처리방법의 차이와 운영관리에서 오염물질 제 거효율이 다르다는 것을 알 수 있다. 500 m3/일 이상 처리효율 상위 30% 이내 공공하수처리시설에서 하수 처리량당 슬러지발생량은 전체 공공하수처리시설의 평균값보다 높아졌고 MBR공법에서 921.3 g/m3으로 가장 높게 나타났다. 500 m3/일 이상 처리효율 상위 30% 이내 공공하수처리시설에서 하수처리량당 전력 사용량은 전체 공공하수처리시설에서의 전력사용량 보다 낮아졌으나, 처리효율 상위 30% 이내 MBR공법 처리시설의 전력사용량은 오히려 2,246.5 wh/m3으로 11.7% 높아지는 것으로 나타났다(Fig. 4).

    기술적 요인(Technical factors)으로 하위수준에서는 처리성능의 안정성, 유지관리의 용이성, 기존 공정에 대한 적용의 용이성 등을 평가항목으로 정하였고, 이 들은 정량적인 평가항목이 아니고 정성적인 평가항목 이다. 이들 항목에 대한 현황자료는 제공하지 않고 전 문가의 지식을 이용하여 상호비교 평가한다.

    경제적 요인(Economical factors)으로는 하수처리량 당 시설설치비(원/m3/일), 하수처리량당 유지관리비(원 /m3/일)를 하위수준 평가항목으로 선정하고 현황을 조 사하였다.(Fig. 13.). 2014년 공공하수처리시설 운영결 과 조사표를 기초자료로 활용하여 시설설치비는 2014 년을 기준년도로 정하고 소비자물가지수를 이용하여 물가산정계수로 환산하여 산출하였다. 또한 하수처리 량당 유지관리비(운영비)는 인건비, 전력비, 개·보수 비, 슬러지처리비, 약품비(일반․총인) 등을 포함하여 산출하였다. 500 m3/일 이상 처리효율 상위 30% 이내 공공하수처리시설에서 하수처리량당 시설설치비는 전체 공공하수처리시설의 하수처리량당 시설설치비 보다 낮았으나, 처리효율 상위 30% 이내 MBR공법 처 리시설의 하수처리량당 시설설치비가 가장 높은 19,509 원/m3/일으로 산출되어 전체 처리시설의 하수 처리량당 시설설치비 보다 10.8% 높아지는 것으로 나 타났다. 500 m3/일 이상 처리효율 상위 30% 이내 공공 하수처리시설에서 하수처리량당 유지관리비도 전체 공 공하수처리시설의 하수처리량당 유지관리비 보다 낮았 으나, 처리효율 상위 30% 이내 MBR공법 처리시설의 하수처리량당 유지관리비는 가장 높은 803.9 원/m3/일 으로 산출되었다. 그러나 처리효율 상위 30% 이내 A2O 및 기타 공법 처리시설의 하수처리량당 시설설치비는 전체 처리시설의 하수처리량당 시설설치비 보다 각각 23.2%, 8.7% 높아지는 것으로 나타났다(Fig. 5).

    3.1.2.분야별 전문가 구성 및 계층화분석법 적용

    환경적 요인 및 경제적 요인의 평가항목에 대해서 는 운영실태 조사표를 이용하여 정량적인 값을 산출 하고, AHP(계층화분석법) 평가를 위한 전문가 설문조 사를 통하여 환경적 및 경제적 요인의 평가항목 가중 치(중요도), 기술적 요인의 정성적 평가항목 가중치를 도출하였다. 계층화분석법 설문조사를 위한 전문가 구성은 4개 분야로 나누어 학계 4명, 공공기관 5명, 연구소 5명, 엔지니어 5명으로 구성하였다(Table 3).

    먼저 하수처리시설에 적합한 공법 선정을 위해 AHP 설문조사에 필요한 계층분석 구조도를 만든다 (Fig. 2). 적합한 공법을 선정하기 위한 최상위수준(계 층1)으로 환경적 요인, 기술적 요인, 경제적 요인이 있 으며, 하위수준(계층2)으로 환경적 요인에 오염물질제 거량, 슬러지발생량, 전력사용량, 기술적 요인에 처리 성능의 안정성, 유지관리의 용이성, 기존 공정에 대한 적용의 용이성, 경제적 요인에 시설설치비, 유지관리 비 등 8개 평가항목으로 구성하였고, 마지막 최하위수 준인 대안(계층3)으로 혐기-무산소-호기공법(A2O), 연 속회분식 반응조공법(SBR), 담체공법(Media), 생물막 공법(MBR), 기타 공법(Others)으로 구성하였다. 또한 이들 전문가에게 기술적 요인의 세부평가항목을 제외 한 나머지 하수처리량당 오염물질제거량, 슬러지발생 량, 전력사용량, 시설설치비, 유지관리비 등의 평가항 목에 대해 공법별 정량적인 현황자료를 설문자료로 제공하여 공법간의 자료 비교를 통하여 객관적인 평 가가 가능하도록 하였다.

    둘째, 하수처리시설에 적합한 공법 선정을 위해 최 상위수준(계층1)에서 평가요인별 중요도(가중치)를 도 출한다. 본 연구에서 전체 전문가 그룹은 환경적 요인 을 47% 정도로 가장 중요하다고 보았으며, 예외적으 로 교수 그룹에서 기술적 요인을 45% 정도로 가장 중 요하다고 평가하였다(Fig. 6).

    셋째, 하수처리시설에서 적합한 공법 선정을 위해 하위수준(계층2)에서 평가항목별 중요도(가중치)를 도 출한다. 본 연구의 전체 전문가 그룹에서 환경적 요인 평가항목 중 하수처리량당 오염물질제거량 65%, 기술 적 요인 평가항목 중 처리성능의 안정성 63%, 경제적 요인 평가항목 중 하수처리량당 유지관리비 72%로 이들 항목을 평가항목 중 가장 중요하다고 평가하였 다(Fig. 7).

    넷째, 하수처리시설 공법 선정 시 최하위수준인 대 안단계(계층3)에서 공법별 중요도(가중치)를 도출하는 것이다. 전체 AHP 전문가 설문 평가결과 A2O공법 33%, SBR공법 21%, Media공법 19%, MBR공법 17%, 기타 공법 10% 순으로 적합한 공법에 대한 중요도(우선순 위)를 평가하였다(Fig. 8). 공법별 대안에 대한 평가항 목 가중치는 하수처리량당 오염물질제거량, 처리성능 의 안정성, 하수처리량당 유지관리비 등의 평가항목 에서 가중치가 높은 것으로 나타났다.

    3.1.3.공공하수처리시설의 공법 선정을 위한 계층화분석법 적용결과 고찰

    계층화분석법(AHP)은 교수, 공공기관, 연구소, 엔지 니어 등 관련 전문가 및 종사자의 다양한 의견을 종 합적으로 반영하는 것이 가능하다. 또한 전문가 관점 의 차이에 의해 일관성이 없는 설문결과가 나올 수 있는데 계층화분석법에서는 이를 적합도 판정을 통하 여 차단할 수 있다는 장점이 있다. 또한 본 연구에 적 용된 계층화분석법(AHP)은 평가항목 간 가중치 계산 결과에 의해 최종 하나의 대안(공법)이 도출되므로 지 자체의 하수처리기술 선정 시 “공공하수처리시설 공 법선정을 위한 가이드라인”에서 사용할 수 있는 평가 방법으로 제안하는 것이 가능하다고 판단되었다. 이 렇게 예시적으로 계층화분석법을 적용한 결과, A2O공 법이 선정되는 것으로 결과가 도출되었지만(Table 4) 현재 설치되어 이용하고 있는 처리기술은 방류수 수 질기준을 모두 준수하면서 적정하게 운영되고 있으므 로 다른 공법의 30% 이내 하수처리시설도 적합한 공 법에 준해 운영된다고 볼 수 있다. 이에 따라 처리효율 상위 30% 이내 공법 대상 공공하수처리시설에 대한 방류수 수질기준 항목을 살펴보았을 때 대상시설수가 지역등급 구분에 따라 균형있게 선정된 것으로 나타 났다. 이는 방류수 수질기준이 엄격할수록 처리효율 이 좋아진다는 것을 나타내지 않으므로 처리효율 순위에 따라 대상시설을 선정하여도 편중되지 않는다 는 것을 뜻한다(Table 5).

    3.2.“공공하수처리시설 공법 선정을 위한 가이드라인” 개선 방안

    “공공하수처리시설 공법선정을 위한 가이드라인”의 평가방법은 객관성을 필요로 하는 기관평가 항목(보 증수질, 운영비, 경제성 등)은 공공하수도관리청에서 수행하여 평가하고, 위원평가 항목은 공법선정심의위 원회(외부자문위원 50% 이상)에서 평가하고 있다. 공 법평가는 참여 업체수에 따라 등급별 상대평가를 하 고 있으나, 평가항목에 대한 일관성을 유지하는 것이 곤란하다. 이러한 점을 해결하기 위해 평가항목별 평 가에 대한 일관성 검증이 가능한 계층화분석법을 적 용하는 것이 유리하다. 또한 계층화분석법은 많은 다 양한 분야의 전문가가 참여하여 종합적으로 하수처리 시설에 적합한 공법을 선정하는 평가가 가능하다.

    본 연구에서는 먼저 선정방법 개선을 위해 계층화 분석법의 상대측정 평가방법을 이용하여 하수처리시 설에 적합한 공법을 선정하는 것(Draft 1)과 객관성을 필요로 하는 기관평가 항목은 등급 구간을 나누어 평 가하고, 공법선정심의위원회 위원평가 항목은 평가항 목 등급척도를 평균하여 계층화분석법을 적용하여 평 가 및 선정 수행하는 것(Draft 2)을 제안하였다. 여기 서 기관평가 항목(보증수질, 운영비, 경제성 등)은 공 공하수도관리청에서 등급 분할하여 평가를 수행한다. 여기에 추가하여 “공공하수처리시설 공법선정을 위한 가이드라인”의 평가항목은 크게 기술분야와 경제성분 야로 구분되며 감점사항은 별도로 산출하도록 정해져 있어 평가항목간 중복성과 복잡성이 있었다. 이를 해 결하고자 계층화분석법을 적용하였고 본 연구에서는 3단계의 계층으로 구분하고 최상위수준(계층1)으로 환경적 요인, 기술적 요인, 경제적 요인으로 구분하고, 하위수준(계층2)의 세부 평가항목에서 하수처리량당 오염물질제거량, 하수처리량당 슬러지발생량, 하수처 리량당 전력사용량(이상 환경적 요인), 처리성능의 안 정성, 유지관리의 용이성, 기존 공정에 대한 적용의 용이성(이상 기술적 요인), 하수처리량당 시설설치비, 하수처리량당 유지관리비(이상 경제적 요인) 등 평가 항목을 축소하여 간소화하는 것을 제안하였다. 또한 감점사항은 공법사가 제출한 공법선정 제안서 자료를 검토하여 평가하는 것을 제안할 수 있다(Table 6).

    4.결 론

    지자체의 하수처리시설에서 적합한 공법선정 방법 을 개선하기 위해서는 공법선정 가이드라인의 평가항 목의 중복성 및 평가방법의 복잡성을 간소화하는 것 이 필요하다. 이를 위해 국내 공공하수처리시설 운영 실태 조사표, 통합환경관리제도의 최적가용기법(BAT) 기준서 작성을 위한 BAT 선정 및 평가지침(안)을 이 용하여 하수처리시설에 적합한 공법 선정을 위해 평 가항목을 축소하고, 다양한 분야별 자문그룹을 선정 하고 전문가 설문을 실시하여 하수처리시설 공법 선 정을 위한 계층화분석법을 적용하는 방안에 대해 고 찰하였다.

    하수처리시설에서 공법을 선정하는데 계층화분석 법을 적용하기 위해서는 우선 평가항목으로 대표되는 계층구조를 구성하여야 한다. 이를 위해 통합환경관 리제도의 BAT 선정·평가 지침(안)을 참고하여 하수처 리시설 적합한 공법 선정을 위한 최상위수준으로 환 경적 요인, 기술적 요인, 경제적 요인으로 구성하고, 하위수준으로 환경적 요인에는 하수처리량당 오염물 질제거량, 하수처리량당 슬러지발생량, 하수처리량당 전력사용량, 기술적 요인에는 처리성능의 안정성, 유 지관리의 용이성, 기존 공정에 대한 적용의 용이성, 경제적 요인에는 하수처리량당 시설설치비, 하수처리 량당 유지관리비를 각 요인별 평가항목으로 선정하였 다. 최하위수준인 최종 대안에서 기술제안서 상의 제 안 공법(T1~T5 등)을 선정하여 계층분석 구조를 구성 한다. 또한 하수처리시설에서 적절한 공법을 선정하 는데 계층화분석법을 적용하기 위해서는 학계, 공공 기관, 연구소, 엔지니어 등 다양한 분야 전문가 10~20 명 정도의 공법선정심의위원을 구성하고, 전문가들이 계층구조의 최상위수준, 하위수준, 최하위수준(대안) 등 계층별 평가항목에 대한 쌍대비교를 통해 등급척 도를 부여하고 가중치를 계산한다. 그리고 개별 전문 가의 평가자료에 대해 일관성 지수를 점검하고 적합 여부를 판정하여 개별 가중치를 산출하고 이들 가중 치를 종합하여 최종 계층화분석법 평가를 수행하고 가중치(우선순위)가 가장 높은 대안(공법)을 적합한 공법으로 선정한다. 또한 공공하수처리시설 공법 선 정을 위한 가이드라인 개선 방안으로 본 연구에서 제 시하였듯이 계층구조 구성 및 평가항목 단순화, 계층 화분석법의 평가방법을 이용하여 공공하수처리시설 에서 적합한 공법을 선정하는 것이 가능하다.

    본 연구에서는 앞서 밝혔듯이 공공하수처리시설 공 법 선정을 위한 지자체(공법선정심의위원회)에 제출 된 기술제안서와 관련 자료를 확보하기 어려워 공공 하수처리시설에서 현재 사용하고 있는 공법을 대상으 로 계층화분석법을 적용하였다. 비록 지자체의 공공 하수처리시설에 공법 선정을 위해 직접 적용하지 못 하고 전국 공공하수처리시설에서 현재 사용하고 있는 공법 사례 자료를 이용하여 대신 적용한 결과, 기존 공공하수처리시설 공법 선정 가이드라인을 개선하여 단순화된 평가항목과 다양한 분야 전문가를 활용하여 공법을 선정하도록 계층화분석법을 적용하여 기술제 안서를 평가하는 것이 기존 선정방법보다 적합하다고 판단되었다.

    Figure

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    Flowchart for current selection of the available treatment process in PSTW.

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    Framework for selection of the available treatment process.

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    Analytic hierarchy structure model for selection of the available treatment process (e.g.) (※ T1~T5 : Alternative sewage treatment processes).

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    Environmental factors of PSTWs within 30% of top grade as a removal efficiency for water pollutants.

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    Economical factors of PSTWs within 30% of top grade as a removal efficiency for water pollutants.

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    Priorities of factors to select the available treatment process (Level 1, Criteria) (CI: 0.01, CR: 0.02).

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    Priorities of factors to select the available treatment process(Level 2, Sub-criteria).

    JKSWW-30-4-427_F8.gif

    Priorities of alternatives to select the available treatment process(Level 3).

    Table

    Target facilities for assessment of the available treatment process according to removal efficiency

    ※Source : NIER, 2003.

    The status of PSTWs within 30% of top garde in 2014

    Construction of professional group for AHP survey

    Results of professional priorities for application of AHP to select the available treatment process

    Management scope of effluent water qualities within 30% of top grade to remove pollutants effectively

    Improvement of assessment method and items in selecting the available treatment process

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