KR100912021B1 - 하수 고도 처리 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
Description
최근에는 일간 평균 수질 자료를 이용한 생물 공정 모델링을 적용하여 하수 처리 공정을 제어하는 기술도 개발되었다. 하지만 일 단위로 시행되는 수동 측정에 의존한 공정 제어 기법이어서, 매 순간 변화하는 유입수의 특성에 따른 하수 처리 공정 제어를 수행하는 데는 한계가 있다.
즉, 종전에는 수분석을 통해 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델의 교정을 시도하였으나, 본 발명에서는 수질 자동 측정기기를 이용하여 매 주기마다 모델 교정이 자동적으로 이루어지도록 한다.
즉, 종전에는 폭기 주기의 사이클이 6시간이라고 하였을 때, 연구원이 6시간 동안 매 30여분 마다 유입수 및 유출수의 COD, NH4 +-N, NO3 --N, PO4 3--P 등의 수질 성분을 채취하고 수분석을 행한 후, ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델에 입력하여 모델을 교정하였다.
그러나 본 발명에서는 수질 자동 측정 기기를 통해 매 순간 측정되는 실시간 자료를 이용하여 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델을 자동으로 교정할 수 있기 때문에 정확한 예측을 보장하고 최적의 운영을 할 수 있게 된다.
또한, 종전에는 하루에 한 번 상기 모델을 보정하였기 때문에, 폭기 주기의 사이클이 6시간이라고 하였을 때, 4주기가 지난 후에야 해당 모델에 의한 예측값을 보정할 수 있으나, 본 발명에 의하면 폭기 주기의 매 주기마다 해당 모델에 의한 예측값을 보정할 수 있게 된다.
Claims (13)
- 피처리 하수 및 침전조로부터 반송되는 활성 슬러지(Sludge)를 유입받아 인 방출을 행하는 혐기조;상기 혐기조의 처리수 및 호기조로부터 내부 반송되는 질산화된 혼합액을 유입받아 혐기 상태에서 탈질을 행하며, 상기 혐기조로의 산소 유입을 차단하는 완충조;간헐 폭기 방식으로 운전되며, 상기 완충조의 처리수를 유입받아, 폭기 상태에서는 질산화 및 인 과잉 섭취를 행하고, 비폭기 상태에서는 탈질을 행하는 호환조;상기 호환조의 처리수를 유입받아 질산화 및 인 과잉섭취를 행하는 호기조;상기 호기조의 처리수를 유입받아 고체와 액체를 분리하는 침전조; 및상기 혐기조로 유입되는 피처리 하수 및 상기 침전조로부터 나오는 유출수의 수질 성분을 실시간으로 측정하는 수질 자동 측정기기; 및상기 수질 자동 측정기기에서 실시간으로 측정하는 수질 성분 값을 통해 ASM(Activated Sludge Model) 2d의 선형화된 모듈형 모델의 예측값을 보정한 후, 상기 호환조의 폭기 주기를 매 주기마다 자동으로 최적화하는 폭기 주기 조절 장치를 포함하여 이루어지며,상기 수질 자동 측정기기가 측정하는 수질 성분은, 상기 혐기조로 유입되는 피처리 하수 및 상기 유출수의 총 COD, NH4 +-N, NO3 --N, PO4 3--P 중에서 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델은,활성 슬러지 공정을 17개의 각 단위 공정으로 분류하고, 상기 17개의 각 단위 공정에 대해 11개의 상태변수를 설정하며, 상기 상태변수에 따른 각 화학양론계수 및 혐기, 무산소, 호기 조건별로의 반응 속도식을 각각 독립적으로 모사하되,상기 17개의 각 단위 공정, 상기 11개의 상태 변수에 따른 각 화학양론계수 및 상기 혐기, 무산소, 호기 조건별로의 반응 속도식은 하기의 표에 의해 결정되는 모듈형 모델인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 시스템.(표)여기서, SA : 아세트산, SF : 발효성 유기물질(Fermentable Organics), SNH4 : 암모니아성 질소, SNO3 : 질산염(Nitrate) SPO4 : 인산염 인(Phosphate), XS : 입자성 유기물질, XH : 종속 영양 미생물, XPAO : 인 축적 미생물, XPP : 입자성 인산염 인, XPHA : 유기물 입자(Organic Particles), XAUT : 독립 영양 미생물(질산화 미생물), iNXS : XS의 N 함량, iNBM : XH, XPAO , XAUT의 N 함량, iPXS : XS의 P 함량, iPBM : XH, XPAO , XAUT의 P 함량, YH : XH의 증식 계수, YPO4 : XPAO의 저장된 PHA(Polyhydroxy-Alkanoate)당 요구되는 PP(Polyphosphate), YPHA : XPAO의 PP 저장을 위해 요구되는 PHA, Kh : XS의 가수분해 상수, ηNO3 : 무산소 상태의 가수분해 감소 계수, ηfe : XS의 혐기 가수분해 감소 계수, μH : XH의 최대 성장률, qfe : XH의 최대 발효율, bH : XH의 사멸률, qPHA : XPHA의 저장 상수, qPP : XPP의 저장 상수, μPAO : XPAO의 최대 성장률, bPAO : XPAO의 사멸률, bpp : XPP의 자분해율, bPHA : XPHA의 자분해율, μAUT : XAUT의 최대 성장률, bAUT : XAUT의 사멸률이고,를 나타낸다.
- 제2항에 있어서,상기 폭기 주기 조절 장치는,상기 수질 자동 측정기기에서 실시간으로 측정되는 유입수 및 유출수의 수질 성분 측정값을 입력받아, 상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델을 이용하여 상태변수의 농도를 예측하는 선형화 모델부;상기 선형화 모델부가 예측한 상태변수의 농도와 상기 수질 자동 측정기기에서 실제 측정한 상태변수의 농도 간의 차이를 보정하여 상기 상태변수의 최대 허용 농도를 산출하는 보정부; 및상기 선형화 모델부가 예측한 상태변수의 농도 및 상기 보정부가 산출한 상태변수의 최대 허용 농도를 이용하여 상기 폭기 주기를 매 주기마다 최적화하는 폭기 주기 최적화부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 시스템.
- 제3항에 있어서,상기 호환조의 폭기 주기를 최적화하기 위해 이용되는 상태 변수는 상기 유출수 중의 암모니아성 질소 농도 및 인산염 농도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 호환조의 폭기 주기의 최적화는, 하기의 수학식 1 내지 수학식 5를 만족하는 것을 폭기 주기로 하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 시스템.(수학식 1)NH4 +-N ≤ NH4 +-Nmax(수학식 2)fa×tc ≥ t1(수학식 3)(1-fa)×tc ≥ t2(수학식 4)fa×tc ≤ t3(수학식 5)(1-fa)×tc ≤ t4여기서, NH4 +-N는 유출수 중의 암모니아성 질소 농도, NH4 +-Nmax 는 배출되는 암모니아성 질소 농도의 최대 허용 농도, fa는 상기 호환조의 폭기 시간의 분율, tc는 폭기 주기, t1은 1 주기당 폭기 시간의 최소값, t2 는 1 주기당 비폭기 시간의 최소값, t3는 1 주기당 폭기 시간의 최대값, t4 는 1 주기당 비폭기 시간의 최대값을 나타낸다.
- 제3항의 하수 고도 처리 시스템을 이용한 하수 고도 처리 방법은,(a) 선형화 모델부가 상기 수질 자동 측정기기에서 실시간으로 측정되는 유입수 및 유출수의 수질 성분 측정값을 입력받아, 상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델을 이용하여 상태변수의 농도를 예측하는 단계;(b) 보정부가 상기 선형화 모델부가 예측한 상태변수의 농도와 상기 수질 자동 측정기기에서 실제 측정한 상태변수의 농도 간의 차이를 보정하여 상기 상태변수의 최대 허용 농도를 산출하는 단계;(c) 폭기 주기 최적화부가 상기 선형화 모델부가 예측한 상태변수의 농도 및 상기 보정부가 산출한 상태변수의 최대 허용 농도를 이용하여 상기 폭기 주기를 매 주기마다 자동으로 최적화하는 단계를 포함하여 이루어지며,상기 수질 자동 측정기기가 측정하는 수질 성분은, 상기 혐기조로 유입되는 피처리 하수 및 상기 유출수의 총 COD, NH4 +-N, NO3 --N, PO4 3--P 중에서 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 방법.
- 제7항에 있어서,상기 (a) 단계에서, 폭기 주기를 최적화하기 위해 이용되는 상태 변수는 상 기 유출수 중의 암모니아성 질소 농도 및 인산염 농도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서,상기 (c) 단계에서 상기 폭기 주기의 최적화는,하기의 수학식 6 내지 수학식 10을 만족하는 것을 폭기 주기로 하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 방법.(수학식 6)NH4 +-N ≤ NH4 +-Nmax(수학식 7)fa×tc ≥ t1(수학식 8)(1-fa)×tc ≥ t2(수학식 9)fa×tc ≤ t3(수학식 10)(1-fa)×tc ≤ t4여기서, NH4 +-N는 유출수 중의 암모니아성 질소 농도, NH4 +-Nmax 는 배출되는 암모니아성 질소 농도의 최대 허용 농도, fa는 상기 호환조의 폭기 시간의 분율, tc는 폭기 주기, t1은 1 주기당 폭기 시간의 최소값, t2 는 1 주기당 비폭기 시간의 최소값, t3는 1 주기당 폭기 시간의 최대값, t4 는 1 주기당 비폭기 시간의 최대값을 나타낸다.
- 제10항에 있어서,상기 (c) 단계에서 상기 폭기 주기를 최적화하는 단계는, 호환조가 비폭기 상태에 있는 경우,(c-1) fa × tc의 시간동안 상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델 중 호기 조 건 모델식을 실행시키고, 상기 호기 조건 모델식으로부터 상기 fa × tc 시간의 평균 NH4 +-N 농도를 구하는 단계;(c-2) (1-fa) × tc의 시간동안 상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델 중 무산소 및 혐기 조건 모델식을 실행시키고, 상기 무산소 및 혐기 조건 모델식으로부터 (1-fa) × tc 시간의 평균 NH4 +-N 농도를 구하는 단계; 및(c-3) 상기 fa × tc 시간의 평균 NH4 +-N 농도와 상기 (1-fa) × tc 시간의 평균 NH4 +-N 농도를 이용하여 한 주기 동안의 평균 NH4 +-N 농도를 구하고, 상기 한 주기 동안의 평균 NH4 +-N 농도 값이 하기의 수학식 11을 만족하는지를 확인하여, 하기의 수학식 11을 만족하면 종료하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 방법.(수학식 11)한 주기 동안의 평균 NH4 +-N ≤ NH4 +-Nmax
- 제10항에 있어서,상기 (c) 단계에서 상기 폭기 주기를 최적화하는 단계는, 호환조가 폭기 상태에 있는 경우,(c-1) (1-fa) × tc의 시간동안 상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델 중 무산소 및 혐기 조건 모델식을 실행시키고, 상기 무산소 및 혐기 조건 모델식으로부터 (1-fa) × tc시간의 평균 NH4 +-N 농도를 구하는 단계;(c-2) fa × tc의 시간동안 상기 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델 중 호기 조건 모델식을 실행시키고, 상기 호기 조건 모델식으로부터 fa × tc시간의 평균 NH4 +-N 농도를 구하는 단계;(c-3) 상기 (1-fa) × tc시간의 평균 NH4 +-N 농도와 상기 fa × tc 시간의 평균 NH4 +-N 농도를 이용하여 한 주기 동안의 평균 NH4 +-N 농도를 구하고, 상기 한 주기 동안의 평균 NH4 +-N 농도 값이 하기의 수학식 12를 만족하는지를 확인하여, 하기의 수학식 12를 만족하면 종료하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 방법.(수학식 12)한 주기 동안의 평균 NH4 +-N ≤ NH4 +-Nmax
- 제7항에 있어서,상기 (b) 단계에서, 상태변수의 최대 허용 농도의 산출은,하기의 수학식 13에 의하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리 방법.(수학식 13)(NH4 +-Nmax)d+1 = (NH4 +-Nmax)d - (ΔNH4 +-N)d여기서, (ΔNH4 +-N)d는 제 d주기에서의 암모니아성 질소 농도의 실제 측정치와 ASM 2d의 선형화된 모듈형 모델의 예측치와의 차이를 나타내고, (NH4 +-Nmax)d는 제 d주기의 유출수 암모니아성 질소 농도의 최대 허용 농도를 나타내며, (NH4 +-Nmax)d+1는 제 d +1 주기에서 암모니아성 질소 농도의 최대 허용 농도를 나타낸다.
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