KR101018886B1 - 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법 - Google Patents

혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 관한 것으로, 다수의 혼합기와, 다수의 펌프와, 슬러지전처리장치와, H2SO4용액 저장조와, 믹스기와, 소화조 가온 보일러와 혐기성 소화조와, 가액분리기와 가스저장조 및, 방류수조가 배관으로 연결 구성되어 소화조(9)에서 측정된 수치들을 모니터링하는 모니터링단계(S1단계)와; 파라미터 연산단계(S2단계)와; 데이터 저장단계(S3단계)와; 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)와; 데이터 설정단계(S5단계)와; 출력파일 저장단계(S6단계) 및; 폐기물 처리 분위기 조절단계(S7단계)로 이루어져 상기 S1 내지 S8단계의 반복 실행으로 혐기성 소화조의 상태를 모니터링하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY)의 모델링 프로그램과 제어프로그램인 PLC의 연동을 통해 사전에 실시간으로 혐기성 소화조를 예측제어할 수 있고, 소화조 내의 상태를 나타내는 인자의 분석으로 소화조의 상태 변화에 따른 대응 운전이 자유로우면서도 이상 예상시 사전에 소화조를 예측제어하여 소화조 운전의 실패를 예방함으로써 운전 정지 후 재운전에 따른 에너지의 낭비를 줄여 경제적으로 소화조를 운전할 수 있는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.
Figure R1020090027635
혐기성 소화조, 예측제어시스템, 유기성 폐기물, 하수슬러지.

Description

혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법{Predictive control system of anaerobic digestion vessel and processingmethod of organic waste using the same}
본 발명은 하수슬러지, 음식물쓰레기 등의 고농도 유기성 폐액 및 폐기물을 처리하기 위한 혐기성 소화 처리설비를 예측 제어하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혐기성 소화조를 운전함에 있어서 혐기성 소화조 예측시스템에 설치되어 있는 측정장비 등을 통해 현재 상태를 모니터링하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) PLC 프로그램의 연동제어를 통해 혐기성 소화조를 예측제어하는 혐기성 소화조 예측제어시스템에 관한 것이다.
음식물 쓰레기를 비롯한 오수정화시설에서 배출되는 슬러지, 농어촌 지역에서 발생하는 분뇨 및 축산폐수 등과 같은 유기성 폐액 및 폐기물의 처리는 환경보호는 물론 에너지로서 사용가능한 메탄과 이산화탄소로 이루어진 바이오 가스가 얻어진다는 점에 있어서 많은 연구가 진행되어 왔다.
특히 유기성 폐액 및 폐기물은 혐기성 소화에 의하여 에너지로 사용가능한 바이오 가스가 얻어진다는 점에 있어서 유기성 폐기물을 자원화할 수 있는 방법으 로 연구되고 있다. 바이오 가스가 얻어진 유기물질은 토양미생물을 이용하여 다시 퇴비화함으로써 유기성 폐기물이 모두 유용한 자원으로 쓰일 수 있다.
이와 같이 바이오 가스는 현재 신 재생에너지원으로 이를 연료로 이용하여 발전 및 열생산에 이용되고 있지만, 혐기성 소화공정의 특성상 시각적으로 관측하여 운영할 수 없는 문제점을 보유하고 있어 소화조의 상태변화에 따른 공정의 대응운전이 자유롭지 않은 단점을 보유하고 있다.
또한, 소화조 내의 상태를 나타내는 주요 인자의 분석 결과 이상 요인을 발견했을 때에는 이미 소화조 운영이 실패된 결과를 나타내는 것이 대부분이며, 이때 운전 조건을 변경하는 것은 늦은 대응 방법이 될 확률이 크다.
따라서 혐기성 소화 공정의 실패시 다시 정상상태로 복구하기에는 매우 오랜 시산이 걸리는 결점을 보유하고 있으며, 이와 같은 문제점들로 인하여 국내 혐기성 소화조 운영요원들이 소화조 운영을 꺼려하는 주요 요인인 것으로 조사되었다.
그러나 혐기성 소화조가 활발히 운영되고 있는 유럽의 사례에 비추어 보면, 운영기술의 최적화는 가능한 것으로 판단되며, 특히 독일과 네덜란드 등의 소화조 제어 기술은 혐기성 소화조 내의 최적 운전 조건을 데이터 베이스화 하여 반응조 내 주요 인자들을 주기적으로 피드백(feedback)하여 이를 컴퓨터에 입력하여 이상 징후 발생시 주요 운영 구성장치인 교반장치, 가온장치, 압력조절, 약품주입장치, 순환장치, 유량유입장치 등으로 자동 피드 포워드(feed forward)하여 적절하게 자동 제어하여 최적의 운전 상태를 유지하는 것으로 조사되었다.
이와 같이 하수슬러지, 음식물쓰레기 등의 고농도 유기성 폐액 및 폐기물 등 의 유기성 폐기물을 혐기성 소화공정에 투입하여 바이오가스를 재생에너지로 재활용하는 기술은 현재 고유가 상황에 비추어 자원재순환 측면에서 매우 중요한 기술로 판단되며, 특히 하수병합 공정의 확대 보급을 위해 자동제어 시스템의 개발은 매우 중요한 기술적 과제로 판단된다.
본 발명은 상기한 실정을 고려하여 종래 혐기성소화 공정이 예측 제어되지 못함으로 인하여 야기 되는 여러 가지 결점 및 문제점 들을 해결 하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 혐기성 소화조에 설치되어 있는 측정장비 등을 통해 현재 상태를 모니터링하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램과 PLC 프로그램의 연동제어를 통해 사전에 실시간으로 혐기성 소화조를 예측제어할 수 있는 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 실시간으로 혐기성 소화조를 예측제어함으로써 소화조의 상태변화에 따른 공정의 대응운전이 자유로운 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 소화조 내의 상태를 나타내는 주요 인자의 분석 결과 이상 요인의 예상시 사전에 소화조를 예측제어함으로써 소화조 운영이 실패로 진행되는 것을 미리 방지하여 운전 정지 후 재운전함이 없어 소화조의 운전에 소요되는 에너지의 낭비를 줄여 경제적으로 소화조를 운전할 수 있는 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템은 슬러지 저류조(1)와, 상기 슬러지 저류조(1)에 슬러지 원수 공급펌프(1a)와 슬러지전처리장치(2)를 통해 배관으로 연결되는 슬러지 저장조(3)와, 상기 슬러지 저장조(3)에 슬러지공급펌프(3a)를 통해 배관으로 연결되는 원수저장조(4)와, 상기 원수저장조(4)에 배관 및 음식물 쓰레기 공급펌프(5a)를 통해 연결되어 음식물 쓰레기가 저장되는 음식물 쓰레기 저장조(5)와, H2SO4용액이 저장되는 H2SO4용액 저장조(6)와, NaOH용액이 저장되는 NaOH용액 저장조(7)와, 상기 원수저장조(4)에 원수공급펌프(4a, 4b)를 통해, 상기 H2SO4용액 저장조(6)에 H2SO4용액 공급펌프(6a)를 통해, 상기 NaOH용액 저장조(7)에 NaOH용액 공급펌프(7a)를 통해 각각 배관으로 연결되는 믹스기(8)와, 상기 믹스기(8)에 배관으로 연결되는 소화조 가온 보일러(9a)가 설치된 혐기성 소화조(9)와, 상기 혐기성 소화조(9)에 가액분리기(10)와 성상분석기(11)를 통해 배관으로 연결되는 가스저장조(12)와, 상기 혐기성 소화조(9)에 배관으로 연결되는 방류수조(13)와, 상기 방류수조(13)에 배관으로 연결되어 방류조(13)에 저장된 처리수를 방류하는 처리수펌프(14) 및, 상기 각 구성요소 들을 제어하는 제어수단(20)으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법은 혐기성 소화조(9)에 설치되어 있는 측정장비를 통해 측정된 수치들을 PLC 프로그램을 통해 컴퓨터로 모니터링하는 모니터링단계(S1단계)와; 상기 모니터링단계(S1단계)에서 모니터링된 측정 결과를 인디케이션 파라미터(Indication Parameter)인 G/IP(Gas/Input flow-rate), G/DC(Gas/Digester capacity), M/C(CH4/ CO2), pH로 연산하는 파라미터 연산단계(S2단계)와; 상기 파라미터 연산단계(S2단계)에서 연산한 값을 시간별 데이터로 저장하는 데이터 저장단계(S3단계)와; 일정한 시간이 흐른 후 상기 데이터 저장단계(S3단계)에서 저장된 데이터의 평균값을 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 전송하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 의해 데이터를 분석함으로써 현재의 혐기성 소화조(9) 상태를 평가하는 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)와; 상기 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)에서 평가한 결과값으로 다음의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 설정하는 데이터 설정단계(S5단계)와; 상기 데이터 설정단계(S5단계)에서 설정된 데이터를 0 ∼ 1의 출력파일 형태로 변환하여 저장하는 출력파일 저장단계(S6단계)와; 상기 출력파일 저장단계(S6단계)에서 저장된 출력파일을 PLC 프로그램에 전송하여 출력파일에 따른 PLC 프로그램으로 차후 유기성 폐기물을 처리공정의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 조절함으로써 폐기물 처리 분위기를 조절하는 폐기물 처리 분위기 조절단계(S7단계) 및; 제어수단(20)이 시스템 정지신호를 수신하였는가의 여부를 판단하는 시스템정지 판단단계(S8단계)로 이루어져 상기 시스템정지 판단단계(S8단계)에서 시스템 정지신호를 수신한 경우 시스템의 폐기물을 처리실행을 종료하고, 시스템 정지신호를 수신하지 못한 경우 상기 모니터링단계(S1단계)로 되돌아가 S1 내지 S8단계를 반복하면서 유기성 폐기물을 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 혐기성 소화조에 설치되어 있는 측정장비 등을 통해 현재 상태를 모니터링하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY)의 모델링 프로그램과 제어프로그램인 PLC의 연동을 통해 사전에 실시간으로 혐기성 소화조를 예측제어할 수 있고, 소화조의 상태변화에 따른 공정의 대응 운전이 자유로울 뿐만 아니라 소화조 내의 상태를 나타내는 주요 인자의 분석 결과 이상 요인의 예상시 사전에 소화조를 예측제어함으로써 소화조 운영이 실패로 진행되는 것을 미리 방지하여 운전 정지 후 재운전함이 없어 소화조의 운전에 소요되는 에너지의 낭비를 줄여 경제적으로 소화조를 운전할 수 있는 각별한 장점이 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템의 구성도, 도 2는 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에서 데이터의 처리과정을 개략적으로 나타낸 도면, 도 3은 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법의 각 단계별 처리과정을 나타낸 순서도로서, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템은 슬러지 저류조(1)와, 상기 슬러지 저류조(1)에 슬러지 원수 공급펌프(1a)와 슬러지전처리장치(2)를 통해 배관으로 연결되는 슬러지 저장조(3)와, 상기 슬러지 저장조(3)에 슬러지공급펌프(3a)를 통해 배관으로 연결되는 원수저장조(4)와, 상기 원수저장조(4)에 배관 및 음식물 쓰레기 공급펌프(5a)를 통해 연결되어 음식물 쓰레기가 저장되는 음식물 쓰레기 저장조(5)와, H2SO4용액이 저장되는 H2SO4용액 저장조(6)와, NaOH용액이 저장되는 NaOH용액 저장조(7)와, 상기 원수저장조(4)에 원수공급펌프(4a, 4b)를 통해, 상기 H2SO4용액 저장조(6)에 H2SO4용액 공급펌프(6a)를 통해, 상기 NaOH용액 저장조(7)에 NaOH용액 공급펌프(7a)를 통해 각각 배관으로 연결되는 믹스기(8)와, 상기 믹스기(8)에 배관으로 연결되는 소화조 가온 보일러(9a)가 설치된 혐기성 소화조(9)와, 상기 혐기성 소화조(9)에 가액분리기(10)와 성상분석기(11)를 통해 배관으로 연결되는 가스저장조(12)와, 상기 혐기성 소화조(9)에 배관으로 연결되는 방류수조(13)와, 상기 방류수조(13)에 배관으로 연결되어 방류조(13)에 저장된 처리수를 방류하는 처리수펌프(14) 및, 상기 각 구성요소 들을 제어하는 제어수단(20)으로 구성되어 있다.
상기 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에는 측정기기로서 상기 슬러지 저장조(3)와 원수저장조(4) 사이의 배관에 슬러지 공급유량계(P1)가, 상기 원수저장조(4)와 음식물 쓰레기 저장조(5) 사이의 배관에는 음식물 쓰레기 공급유량계(P2)가, 상기 원수저장조(4)와 믹스기(8) 사이의 배관에는 유기물 공급유량계(P3)가, 상기 H2SO4용액 저장조(6)와 믹스기(8) 사이의 배관에는 H2SO4 공급유량계(P4)가, 상기 NaOH용액 저장조(7)와 믹스기(8) 사이의 배관에는 NaOH 공급유량계(P5)가 각각 설치되고, 상기 가액분리기(10)와 가스저장조(12) 사이의 배관에는 바이오가스 발생유량계(P6)와 성상분석기(11)가 설치되며, 상기 혐기성 소화조(9) 에는 소화조 가온 보일러(9a)와 더불어 pH미터(9b)와 온도측정기(9c) 및 ORP 측정기(9d)가 각각 설치되어 있다.
또한 상기 슬러지 저류조(1)와 슬러지 저장조(3), 원수저장조(4), 음식물 쓰레기 저장조(5) 및 NaOH용액 저장조(7) 각각은 교반기를 구비하는 혼합조로 구성하여 조 내의 저장물을 교반으로 혼합하여 저장하는 것이 바람직하다.
미설명부호 V1 ∼ V37은 밸브를 나타내고, X는 분쇄기를 나타내며, 상기 성상분석기(11)는 M/C(CH4, CO2)의 성상을 분석하는 것이다.
상기 제어수단(20)은 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램 저장부(21)와, 매트랩(MATLAB-FUZZY) 가동프로그램 저장부(22), PLC 프로그램 저장부(23), CPU(24) 및 모니터(25)를 구비하는 컴퓨터 시스템으로서, 제어수단(20)에는 상기 슬러지 공급유량계(P1)와 쓰레기 공급유량계(P2), 유기물 공급유량계(P3), H2SO4공급유량계(P4), NaOH 공급유량계(P5), 바이오가스 발생유량계(P6), pH미터(9b), 온도측정기(9c), ORP 측정기(9d), 원수 공급펌프(1a), 슬러지공급펌프(3a), 음식물 쓰레기 공급펌프(5a), 원수공급펌프(4a, 4b), H2SO4용액 공급펌프(6a), NaOH용액 공급펌프(7a), 처리수펌프(14) 및 밸브(V1 ∼ V37) 각각이 리드선으로 연결됨과 더불어 상기 슬러지 저류조(1)와 슬러지전처리장치(2), 슬러지 저장조(3), 원수저장조(4), 음식물 쓰레기 저장조(5), NaOH용액 저장조(7), 믹스기(8), 혐기성 소화조(9), 가액분리기(10) 및 성상분석기(11) 각각에 리드선으로 연결되어 있는바, 이와 같은 연결관계는 도시의 편의상 도 2에서는 생략하였다.
그리고, 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 혐기성 소화조(9)에 설치되어 있는 측정장비를 통해 측정된 수치들을 PLC 프로그램을 통해 컴퓨터로 모니터링하는 모니터링단계(S1단계)와; 상기 모니터링단계(S1단계)에서 모니터링된 측정 결과를 인디케이션 파라미터(Indication Parameter)인 G/IP(Gas/Input flow-rate), G/DC(Gas/Digester capacity), M/C(CH4/ CO2), pH로 연산하는 파라미터 연산단계(S2단계)와; 상기 파라미터 연산단계(S2단계)에서 연산한 값을 시간별 데이터로 저장하는 데이터 저장단계(S3단계)와; 일정한 시간이 흐른 후 상기 데이터 저장단계(S3단계)에서 저장된 데이터의 평균값을 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 전송하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 의해 데이터를 분석함으로써 현재의 혐기성 소화조(9) 상태를 평가하는 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)와; 상기 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)에서 평가한 결과값으로 다음의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 설정하는 데이터 설정단계(S5단계)와; 상기 데이터 설정단계(S5단계)에서 설정된 데이터를 0 ∼ 1의 출력파일 형태로 변환하여 저장하는 출력파일 저장단계(S6단계)와; 상기 출력파일 저장단계(S6단계)에서 저장된 출력파일을 PLC 프로그램에 전송하여 출력파일에 따른 PLC 프로그램으로 차후 유기성 폐기물을 처리공정의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 조절함으로써 폐기물 처리 분위기를 조절하는 폐기물 처리 분위기 조절단계(S7단계) 및; 제어수단(20)이 시스템 정지신호를 수신하였는가의 여부를 판단하는 시스템정지 판단단계(S8단계) 로 이루어져 상기 시스템정지 판단단계(S8단계)에서 시스템 정지신호를 수신한 경우 시스템의 폐기물을 처리실행을 종료하고, 시스템 정지신호를 수신하지 못한 경우 상기 모니터링단계(S1단계)로 되돌아가 S1 내지 S8단계를 반복하면서 유기성 폐기물을 처리한다.
다음에 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법의 원리에 대하여 설명한다.
〈모델입력변수〉
일반적으로 혐기성 소화조의 운전상태는 유입슬러지의 물리화학적 특성과 수리학적 체류시간, 유기물부하량, pH, 온도 등의 운전 및 환경조건에 의해서 결정된다. 즉, 혐기성 소화조 유입물의 주요 특성은 생분해성 유기물의 종류 및 함량과 pH, 알칼리도(alkalinity), 암모니아성 질소 등과 같이 혐기성 소화과정에서 혐기성 미생물의 활성에 영향을 직접 미칠 수 있는 항목들과 관련된다.
생분해성 유기물은 유입폐기물에 함유된 BPCOD(Biodegradable particulate COD), BSCOD (Biodegradable soluble COD) 그리고 유기산농도 등이다. 이와 같은 유입폐기물의 특성과 유입 유량에 대한 자료가 활용 가능한 경우 모델을 이용하여 혐기성 소화조(9)의 상태와 거동을 예측할 수 있다.
그러나, 혐기성 소화조의 경우 유입슬러지가 반고상의 슬러리형태이기 때문에 그 특성을 나타내는 모든 인자들을 실시간으로 자동 모니터링 하는 것은 불가능하다. 특히 하수병합 혐기성 소화조에서 실시간 모니터링 가능한 인자는 유입물의 유량과 유입폐기물의 pH, 암모니아 농도, 나트륨 농도, 소화조의 운전온도 등이다.
최근에는 알칼리도 모니터링을 위한 장비들이 개발되고 있는 것으로 알려지고 있으나, 아직까지 널리 활용되고 있지는 않은 상황이므로 혐기성소화조 예측제어시스템을 운전하기 위해 현재 혐기성 소화조의 운전 중 실시간으로 모니터링 가능한 인자들로부터 혐기성 소화조의 상태를 평가 및 제어할 수 있는 지시자(Indicating Parameter)로서 G/IP(Gas/Input flow-rate)와 G/DC(Gas/Digester capacity) 및 M/C(CH4/ CO2)를 선정하여 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 채용하였다.
〈매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램 구성〉
본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에 측정기기로서 설치되어 있는 슬러지 공급유량계(P1)와 쓰레기 공급유량계(P2), 유기물 공급유량계(P3), H2SO4공급유량계(P4), NaOH 공급유량계(P5), 바이오가스 발생유량계(P6), pH미터(9b), 온도측정기(9c) 및 ORP 측정기(9d)를 통해 측정된 측정값들을 연산하여 모델입력변수인 G/IP(Gas/Input flow-rate)와 G/DC(Gas/Digester capacity), M/C(CH4/ CO2) 및 pH 값을 구하고, 구해진 G/IP와 G/DC, M/C 및 pH값을 데이터 베이스화 하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램 저장부(21)에 저장하며, 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램 저장부(21)에 저장된 데이터를 매트랩(MATLAB-FUZZY) 가동프로그램에 의해 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램으로 전송하게 된다.
그에 따라 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 작성되어 있는 퍼지(FUZZY) 이론에 의해 G/IP와 G/DC, M/C 및 pH값의 상호 연관성을 모델링 및 분석하고, 그 분석 결과를 0 ∼ 1의 출력파일 형태로 변환하여 분석함으로써 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 판단하게 된다.
〈매트랩(MATLAB) 가동프로그램 구성〉
매트랩(MATLAB) 프로그램을 실행하는데 있어서 실행시간과 매트랩퍼지( MATLAB-FUZZY) 프로그램으로의 자료 입출력을 원할하게 도와주는 프로그램으로서 이코드퍼지(ecoad_fuzzy) 프로그램을 작성하여 실행하게 되며, 프로그램 내용은 아래와 같다.
(1) 시뮬레이션(모델링) 시작시간(Start Time)
(2) 시뮬레이션(모델링) 종료시간(End Time)
(3) 시뮬레이션(모델링) 가동시간(operation time)
(4) 시뮬레이션(모델링) 입력데이타 파일 경로 지정
(5) 시뮬레이션(모델링) 출력(결과)데이터 파일 경로 지정
〈PLC 프로그램 구성〉
매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램으로 지시자(Indicating Parameter)의 측정값을 수집하고 이를 데이터 베이스화 하여 매트랩퍼지 프로그램의 입력데이터로 전송하고, 매트랩퍼지 프로그램으로부터 나온 결과를 가지고 데이터 세트(data set)을 통해 혐기성 소화조를 제어하는 프로그램이다.
실시예
본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법을 실제로 채용하여 유기성 폐기물을 아래와 같 이 처리하고 그 결과를 평가하였다.
실시예에서 혐기성 소화처리할 유기성 폐기물로서, 슬러지 4,400ℓ, 음식물 쓰레기46,400ℓ를 각각 슬러지 저류조(1)와 음식물 쓰레기 저장조(5)에 투입하고, H2SO4용액 21ℓ와 NaOH용액 870ℓ를 각각 H2SO4용액 저장조(6)와 NaOH용액 저장조(7)에 투입하고 혐기성 소화처리를 실시하였다.
이때 혐기성 소화처리 초기의 혐기성 소화조(9)의 분위기는 초기에 온도 35℃, 7.6pH, 산화환원전위(ORP) 485mV 로 설정하고, 슬러지 공급유량계(P1)의 유량을 8.11㎥/hr, 유기물 공급유량계(P3)의 유량을 7.00/hr, H2SO4공급유량계(P4)의 유량을 0.5ℓ/min, NaOH 공급유량계(P5)의 유량을 0.3ℓ/min, 바이오가스 발생유량계(P6)의 유량을 5.00ℓ/min으로 각각 설정한 다음 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템을 가동시켜 유기성 폐기물을 혐기성 소화처리 하였다.
그에 따라 아래와 같이 S1 내지 S7단계를 반복하면서 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템을 제어하면서 유기성 폐기물을 혐기성 소화처리 하였다.
먼저 모니터링단계(S1단계)에서 컴퓨터 시스템에 있는 제어수단(20)의 모니터(25)를 통해 측정장비들 즉, 슬러지 공급유량계(P1), 음식물 쓰레기 공급유량계(P2), 유기물 공급유량계(P3), H2SO4 공급유량계(P4), NaOH 공급유량계(P5), 바이오가스 발생유량계(P6), pH미터(9b), 온도측정기(9c) 및 ORP 측정기(9d)가 측정한 측정치를 모니터링하고, 파라미터 연산단계(S2단계)에서 상기 모니터링단계(S1단계)에서 모니터링된 측정 결과를 인디케이션 파라미터(Indication Parameter)인 G/IP(Gas/Input flow-rate), G/DC(Gas/Digester capacity), M/C(CH4/ CO2), pH로 연산하며, 데이터 저장단계(S3단계)에서 상기 파라미터 연산단계(S2단계)에서 연산한 값을 시간별 데이터로 저장하고, 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)에서 1시간 후 상기 데이터 저장단계(S3단계)에서 저장된 데이터의 평균값을 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 전송하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 의해 데이터를 분석함으로써 현재의 혐기성 소화조(9) 상태를 평가하였다.
이어서 데이터 설정단계(S5단계)에서 상기 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)에서 평가한 결과값에 따라 다음의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)가 설정되도록 하고, 출력파일 저장단계(S6단계)에서 상기 데이터 설정단계(S5단계)에서 설정된 데이터를 0 ∼ 1의 출력파일 형태로 변환하여 저장하며, 폐기물 처리 분위기 조절단계(S7단계)에서 상기 출력파일 저장단계(S6단계)에서 저장된 출력파일을 PLC 프로그램에 전송하여 출력파일에 따른 PLC 프로그램으로 차후 유기성 폐기물을 처리공정의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 조절되도록 하는 S1 ∼ S7 단계를 반복실행으로 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템을 제어하면서 유기성 폐기물을 혐기성 소화처리 하고, G/IP, G/DC, M/C를 구하여 유기성 폐기물을 혐기성 소화처리 결과를 평가하였다.
평가결과 G/IP는 TS 함량 6%, VS 함량 80%, VSR 함량 45%인 조건에서 G/IP가 21.4 ∼ 21.8 로 일정하게 나타났다.
유입 슬러지의 물리화학적 특성이 일정한 경우 유입슬러지에 대한 발생가스 비는 일정하지만, 혐기성 소화조를 운전하는 과정에서 유입슬러지에 대한 발생가스비가 심하게 변한다면 유입 슬러지의 특성변화가 크거나 다른 요인에 의하여 혐기성 소화조가 정상적으로 운전되고 있지 않음을 나타낸다.
따라서 G/IP가 21.4 ∼ 21.8 범위로 일정한 것으로부터 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에 의한 유기성 폐기물의 혐기성 소화처리가 정상적으로 실행됨을 확인할 수 있었다.
또한 상기한 평가결과 HRT 15일 조건에서 G/DC는 1.50 ∼ 1.46로 일정하게 나타났다.
혐기성 소화조의 용량에 대한 발생가스의 비(G/DC)는 소화조의 운전상태를 보여주는 지표로서 소화조가 HRT 15일 조건에서 운전되고 있다면, 1.44 보다 크고, G/DC가 1 이하인 경우는 혐기성 소화조가 정상적으로 운전되고 있지 않음을 나타낸다.
따라서 G/DC가 1.50 ∼ 1.46 범위에서 일정하게 나타나는 것으로부터 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에 의한 유기성 폐기물의 혐기성 소화처리가 정상적으로 실행됨을 확인할 수 있었다.
그리고 상기한 평가결과 M/C(CH4/ CO2) 즉, 메탄과 이산화탄소의 비가 1. 55 ∼ 1.60으로 일정하게 나타났다.
메탄과 이산화탄소의 비(M/C)는 1.5 이상인 경우 혐기성 소화조가 정상적으로 운전되고 있음을 나타내고, 혐기성 소화조에서 메탄생성단계가 불안정한 경우 이산화탄소의 함량이 증가하여 M/C 가 1.5 이하로 감소하며, 유기산이 축적되고 pH 가 감소하는 것으로서, 이러한 현상이 지속되면 결국 혐기성 소화조는 정상운전 상태는 파괴되어 소화조 운전의 실패로 이어지게 된다.
따라서 메탄과 이산화탄소의 비(M/C)가 1. 55 ∼ 1.60으로 일정하게 나타나는 것으로부터 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에 의한 유기성 폐기물의 혐기성 소화처리가 정상적으로 실행됨을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 의하면, 혐기성 소화조 예측제어시스템 및 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법에 의하면, 혐기성 소화조 예측시스템에 설치되어 있는 측정장비 등을 통해 현재 상태를 모니터링하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) PLC 프로그램의 연동제어를 통해 혐기성 소화조의 유기성 폐기물혐기성 소화처리를 실시간으로 예측제어 할 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템의 구성도,
도 2는 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에서 데이터의 처리과정을 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법의 각 단계별 처리과정을 나타낸 순서도 이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 슬러지 저류조 1a : 슬러지 원수 공급펌프
2 : 슬러지전처리장치 3 : 슬러지 저장조
3a : 슬러지공급펌프 4 : 원수저장조
4a, 4b : 원수공급펌프 5 : 음식물 쓰레기 저장조
5a : 음식물 쓰레기 공급펌프 6 : H2SO4용액 저장조
6a : H2SO4용액 공급펌프 7 : NaOH용액 저장조
7a : NaOH용액 공급펌프 8 : 믹스기
9 : 혐기성 소화조 9a : 소화조 가온 보일러
9b : pH미터 9c : 온도측정기
9d : 산화환원전위(ORP) 측정기 10 : 가액분리기
11 : 성상분석기 12 : 가스저장조
13 : 방류수조 14 : 처리수펌프
20 : 제어수단
21 : 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램 저장부
22 : 매트랩(MATLAB-FUZZY) 가동프로그램 저장부
23 : PLC 프로그램 저장부 24 : CPU
25 : 모니터 P1 : 슬러지 공급유량계
P2 : 음식물 쓰레기 공급유량계 P3 : 유기물 공급유량계
P4 : H2SO4 공급유량계 P5 : NaOH 공급유량계
P6 : 바이오가스 발생유량계 V1 ∼ V37 : 밸브

Claims (6)

  1. 슬러지 저류조(1)와, 상기 슬러지 저류조(1)에 슬러지 원수 공급펌프(1a)와 슬러지전처리장치(2)를 통해 배관으로 연결되는 슬러지 저장조(3)와, 상기 슬러지 저장조(3)에 슬러지공급펌프(3a)를 통해 배관으로 연결되는 원수저장조(4)와, 상기 원수저장조(4)에 배관 및 음식물 쓰레기 공급펌프(5a)를 통해 연결되어 음식물 쓰레기가 저장되는 음식물 쓰레기 저장조(5)와, H2SO4용액이 저장되는 H2SO4용액 저장조(6)와, NaOH용액이 저장되는 NaOH용액 저장조(7)와, 상기 원수저장조(4)에 원수공급펌프(4a, 4b)를 통해, 상기 H2SO4용액 저장조(6)에 H2SO4용액 공급펌프(6a)를 통해, 상기 NaOH용액 저장조(7)에 NaOH용액 공급펌프(7a)를 통해 각각 배관으로 연결되는 믹스기(8)와, 상기 믹스기(8)에 배관으로 연결되는 소화조 가온 보일러(9a)가 설치된 혐기성 소화조(9)와, 상기 혐기성 소화조(9)에 가액분리기(10)와 성상분석기(11)를 통해 배관으로 연결되는 가스저장조(12)와, 상기 혐기성 소화조(9)에 배관으로 연결되는 방류수조(13)와, 상기 방류수조(13)에 배관으로 연결되어 방류조(13)에 저장된 처리수를 방류하는 처리수펌프(14) 및, 상기 각 구성요소 들을 제어하는 제어수단(20)으로 구성된 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조 예측제어시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 본 발명 혐기성 소화조 예측제어시스템에는 측정기기 로서 상기 슬러지 저장조(3)와 원수저장조(4) 사이의 배관에 슬러지 공급유량계(P1)가, 상기 원수저장조(4)와 음식물 쓰레기 저장조(5) 사이의 배관에는 음식물 쓰레기 공급유량계(P2)가, 상기 원수저장조(4)와 믹스기(8) 사이의 배관에는 유기물 공급유량계(P3)가, 상기 H2SO4용액 저장조(6)와 믹스기(8) 사이의 배관에는 H2SO4 공급유량계(P4)가, 상기 NaOH용액 저장조(7)와 믹스기(8) 사이의 배관에는 NaOH 공급유량계(P5)가 각각 설치되고, 상기 가액분리기(10)와 가스저장조(12) 사이의 배관에는 바이오가스 발생유량계(P6)와 성상분석기(11)가 설치되며, 상기 혐기성 소화조(9)에는 소화조 가온 보일러(9a)와 더불어 pH미터(9b)와 온도측정기(9c) 및 ORP 측정기(9d)가 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조 예측제어시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 성상분석기(11)는 M/C(CH4, CO2)의 성상을 분석하는 성상분석기인 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조 예측제어시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 슬러지 저류조(1)와 슬러지 저장조(3), 원수저장조(4), 음식물 쓰레기 저장조(5) 및 NaOH용액 저장조(7) 각각은 교반기를 구비하는 혼합조로 구성하여 조 내의 저장물을 교반으로 혼합하여 저장하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조 예측제어시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어수단(20)은 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램 저장부(21)와, 매트랩(MATLAB-FUZZY) 가동프로그램 저장부(22), PLC 프로그램 저장부(23), CPU(24) 및 모니터(25)를 구비하는 컴퓨터 시스템으로서, 제어수단(20)에는 상기 슬러지 공급유량계(P1)와 쓰레기 공급유량계(P2), 유기물 공급유량계(P3), H2SO4공급유량계(P4), NaOH 공급유량계(P5), 바이오가스 발생유량계(P6), pH미터(9b), 온도측정기(9c), ORP 측정기(9d), 원수 공급펌프(1a), 슬러지공급펌프(3a), 음식물 쓰레기 공급펌프(5a), 원수공급펌프(4a, 4b), H2SO4용액 공급펌프(6a), NaOH용액 공급펌프(7a), 처리수펌프(14) 및 밸브(V1 ∼ V37) 각각이 리드선으로 연결됨과 더불어 상기 슬러지 저류조(1)와 슬러지전처리장치(2), 슬러지 저장조(3), 원수저장조(4), 음식물 쓰레기 저장조(5), NaOH용액 저장조(7), 믹스기(8), 혐기성 소화조(9), 가액분리기(10) 및 성상분석기(11) 각각에 리드선으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조 예측제어시스템.
  6. 혐기성 소화조(9)에 설치되어 있는 측정장비를 통해 측정된 수치들을 PLC 프로그램을 통해 컴퓨터시스템의 모니터(25)로 모니터링하는 모니터링단계(S1단계)와; 상기 모니터링단계(S1단계)에서 모니터링된 측정 결과를 인디케이션 파라미터(Indication Parameter)인 G/IP(Gas/Input flow-rate), G/DC(Gas/Digester capacity), M/C(CH4/ CO2), pH로 연산하는 파라미터 연산단계(S2단계)와; 상기 파라미터 연산단계(S2단계)에서 연산한 값을 시간별 데이터로 저장하는 데이터 저장 단계(S3단계)와; 일정한 시간이 흐른 후 상기 데이터 저장단계(S3단계)에서 저장된 데이터의 평균값을 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 전송하여 매트랩퍼지(MATLAB-FUZZY) 프로그램에 의해 데이터를 분석함으로써 현재의 혐기성 소화조(9) 상태를 평가하는 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)와; 상기 혐기성 소화조 상태 평가단계(S4단계)에서 평가한 결과값으로 다음의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 설정하는 데이터 설정단계(S5단계)와; 상기 데이터 설정단계(S5단계)에서 설정된 데이터를 0 ∼ 1의 출력파일 형태로 변환하여 저장하는 출력파일 저장단계(S6단계)와; 상기 출력파일 저장단계(S6단계)에서 저장된 출력파일을 PLC 프로그램에 전송하여 출력파일에 따른 PLC 프로그램으로 차후 유기성 폐기물을 처리공정의 입력 유량(Input flow-rate)과 이송율(feed ratio) 및 알칼리도(alkalinity)를 조절함으로써 폐기물 처리 분위기를 조절하는 폐기물 처리 분위기 조절단계(S7단계) 및; 제어수단(20)이 시스템 정지신호를 수신하였는가의 여부를 판단하는 시스템정지 판단단계(S8단계)로 이루어져 상기 시스템정지 판단단계(S8단계)에서 시스템 정지신호를 수신한 경우 시스템의 폐기물을 처리실행을 종료하고, 시스템 정지신호를 수신하지 못한 경우 상기 모니터링단계(S1단계)로 되돌아가 S1 내지 S8단계를 반복하면서 유기성 폐기물을 처리하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화조 예측제어시스템으로 유기성 폐기물을 처리하는 방법
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