소각-하수 에너지 통합 모델을 통한 탈수 케이크 함수율 저감과 슬러지 처리 효율 개선 = Reducing Water Content of Sludge Cake and Improving Sludge Treatment Efficiency through Incineration-Sewage Energy Integration Model

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The process of treating sewage sludge, the final by-product of sewage treatment, requires high costs and environmental impact. In order to reduce transportation costs, the water content of the sewage sludge is removed to make sludge cakes. And more than 18% of the operating budget of WWTP. Accordingly, removing the water content of sludge cakes to reduce quantity of dewatered sludge cake has become a major process management indicator of WWTP. In addition, decreasing sludge temperature in winter causes increasing viscosity of sludge and decreasing the treatment efficiency of the polymer coagulant. These factors contribute to an increase in sludge cake volume. To address these issues, this study proposes "Incineration-Sewage Energy Integrated Model" that can heat sludge by supplying energy form incineration facilities to WWTP and reduce the production volume of sludge cakes. And economic assessment was carried out to examine the on-site applicability of the proposed model. Heating sludge, especially under winter operating conditions, can lower sludge viscosity and consequently improve dewatering performance, leading to reductions in both sludge cake water content and overall sludge cake generation. In addition, elevated sludge temperature was found to positively influence the treatment efficiency of polymer coagulants. On this basis, the “Incineration–Sewage Energy Integrated Model” is characterized by its utilization of waste heat recovered from an incineration facility to offset the energy demand associated with sludge heating. The feasibility of the proposed model was investigated through facilities operated by the Incheon Environmental Corporation, Songdo Incineration Plant and Seunggi Wastewater Treatment Plant, which are situated near each other. The assessment examined how changes in sludge temperature influenced sludge cake water content as well as the performance of polymer coagulants during the dewatering process. In addition, plant-specific operational information, such as the saturated steam generation capacity at the Songdo Incineration Plant, was utilized to assess whether the proposed system could be realistically implemented under actual operating conditions. As a result of linear regression analysis using the sludge temperature as an independent variable and the sludge cake water content and the sludge-coagulant ratio as dependent variables, the P-value was less than 0.05 and this result was confirmed in the sludge treatment according to the sludge temperature change. In other words, as the temperature of the sludge increases, the sludge cake water content decreases and the sludge-coagulant ratio increase, increasing the sludge treatment efficiency and reducing the production of sludge cake. In this study, target sludge heating temperature was set to 40°C by referring to previous research data. The cost of saturated steam required to heat the sludge to the target temperature was compared with the reduction in sludge cake transportation and treatment costs resulting from the decreased water content. As a result of the analysis, it was analyzed that the reduction in sludge cake treatment cost significantly exceeded the saturated steam cost for sludge heating, and the economic feasibility of this model was predicted to be secured. In conclusion, this study demonstrated its applicability by presenting "Incineration-Sewage Energy Integration Model" that can reduce the production of sludge cakes by heating sludge in the WWTP by using energy of incineration facilities, especially in winter, lowering the viscosity of sludge and improving the treatment efficiency of polymer coagulants. However, to supplement this study, it is necessary to measure the viscosity of sludge according to future sludge temperature changes, and to normalize it by using energy according to various sludge heating conditions and expanding the research subject.

국문 초록 (Abstract)

하수 처리의 최종 부산물인 하수 슬러지를 처리하는 과정은 높은 비용과 환경적 부담을 수반한다. 처리비용을 절감하기 위해 하수 슬러지의 수분을 제거하여 탈수 케이크 형태로 반출되며 이를 처리하기 위해 공공하수처리시설 운영 예산 중 약 18% 이상 사용된다. 이에 따라 탈수 케이크의 함수율을 저감하여 생산량을 감축하는 것이 하수처리장의 주요 공정 관리 지표로써 자리 잡았다. 또한 동절기 슬러지의 수온 저하로 인해 슬러지의 점도 증가와 함께 고분자 응집제의 처리 효율이 저하되어 탈수 케이크의 함수율 증가와 생산량이 증가하는 문제점이 존재한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 소각시설에서 생산된 에너지를 하수처리시설에 공급하여 슬러지를 가온하고 탈수 케이크의 생산량을 저감할 수 있는 “소각-하수 에너지 통합 모델”을 제시하고 해당 모델의 적용 가능성을 평가하였다. 하수처리장의 슬러지를 가온함으로써 특히 동절기 슬러지의 점도 저하 및 고분자 응집제의 처리 효율을 향상시켜 탈수 케이크의 함수율 및 생산량을 저감할 수 있다. 이때 슬러지 가온 비용을 절감하기 위해 소각 시설의 열에너지를 이용하는 것이 “소각-하수 에너지 통합 모델”의 특징이다. 해당 모델의 적용 가능성을 평가하기 위해 지리적으로 인접한 인천환경공단 송도사업소와 승기사업소를 예시로 하여 슬러지 온도 변화에 따른 탈수 케이크의 함수율 측정과 고분자 응집제의 처리 효율을 분석하였다. 또한 송도사업소의 포화 증기 생산량 등 운영 자료를 기반으로 제시한 모델의 적용 가능성을 평가하였다. 슬러지 온도를 독립변수로 하고 탈수 케이크 함수율과 슬러지- 응집제 비율을 각각 종속변수로 하여 선형회귀 분석을 진행한 결과, P- value 가 0.05 미만으로 나타나며 슬러지 온도 변화에 따른 슬러지 처리에 유의미한 결과를 확인하였다. 즉, 슬러지의 온도가 증가할수록 탈수 케이크 함수율은 감소하고 슬러지-응집제 비율이 증가하여 슬러지 처리 효율이 증가하고 탈수 케이크의 생산량은 감축할 수 있다. 본 연구에서는 선행연구 자료를 참고하여 슬러지 목표 가온 온도를 40℃로 설정하였다. 해당 온도까지 슬러지를 가온하기 위한 포화증기 비용과 함수율 저감에 따른 탈수 케이크 운반 및 처리비 절감 효과를 비교하였다. 분석 결과 탈수 케이크 처리비 절감액이 슬러지 가온을 위한 포화증기 비용을 크게 상회하는 것으로 분석되어 본 모델의 경제적 타당성이 확보될 것으로 예측되었다. 결론적으로 본 연구에서 소각시설의 에너지를 이용하여 하수처리장의 슬러지를 가온하여 특히 동절기 슬러지의 점도를 저하시키고 고분자 응집제의 처리 효율을 향상시켜 탈수 케이크의 생산량을 저감할 수 있는 “소각-하수 에너지 통합 모델”을 제시하며 적용 가능성을 입증하였다. 다만 본 연구를 보완하기 위해 향후 슬러지 온도 변화에 따른 슬러지의 점도 측정 실험과 다양한 슬러지 가온 조건에 따른 에너지 사용 및 연구 대상 확대를 통한 정규화가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 iv
• 표 목 차 vi
• 그림목차 vii
• 제1장 서론 1
• 1.1 서론 1
• 1.2 연구 목적 4
• 제2장 문헌 연구 9
• 2.1 하수 슬러지 처리의 역사 9
• 2.2 원심탈수기의 탈수 원리 11
• 2.3 슬러지 온도에 따른 하수 슬러지의 탈수성 변화 13
• 2.4 슬러지 온도에 따른 고분자 응집제의 탈수 효율 변화 15
• 제3장 연구 재료 및 방법 17
• 3.1 탈수 케이크 시료 채취 및 함수율 측정 17
• 3.2 유입 하수 및 농축 슬러지 온도 자료 21
• 3.3 슬러지 온도에 따른 고분자 응집제의 탈수 효율 분석 22
• 3.4 선형회귀분석을 이용한 탈수 케이크 함수율 변화 예측 23
• 3.5 슬러지 가온을 위한 에너지 및 열교환기 면적 계산 24
• 제4장 연구 결과 25
• 4.1 슬러지 온도와 탈수 케이크 함수율의 상관성 분석 25
• 4.2 슬러지 온도와 고분자 응집제의 처리 효율 변화 분석 34
• 4.3 슬러지 가온을 위한 포화 증기량 분석 39
• 4.4 슬러지 가온에 따른 탈수 케이크 저감 및 경제성 평가 42
• 4.4.1원심탈수기 A호기의 경제성 평가 45
• 4.4.2원심탈수기 B호기의 경제성 평가 47
• 4.4.3원심탈수기 C호기의 경제성 평가 48
• 4.4.4원심탈수기 E호기의 경제성 평가 50
• 4.5 슬러지 가온을 위한 열교환기 면적 계산 55
• 제5장 결론 57
• 5.1 결론 57
• 참고문헌 61
• Abstract 66
• 감사의 글 70