KR101287407B1 - 연속적으로 주입가능한 공기의 속도를 조절할 수 있는생물학적 반응기에 의한 수처리 방법 및 이에 상응하는장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투입 부하라고 불리는 물에 함유된 질소 오염물질을 타파하는 생물학적 반응기에 의한 수처리 방법에 관한 것이며, 여기서 상기 반응기는 공기 주입에 의한 바이오매스 공기 조절을 포함한다. 본 발명의 방법은 적어도 하나의 주입된 공기 속도 조절 단계를 포함하며 물에 함유된 상기 투입 N-NH4(Cv<SB>EDD</SB>)부하를 연속적으로 측정하여 이루어지며, 여기서 상기 측정된 투입 부하는 주입 가능한 공기의 시간-의존 속도 조절이 유래된 것과 같은 방법으로 특히 시간 오프셋에 의해 가중된다.

수처리, 질소 오염물질, 탈질소화, 질소화, 생물학적 반응기, 바이오매스, 폐수

Description

연속적으로 주입가능한 공기의 속도를 조절할 수 있는 생물학적 반응기에 의한 수처리 방법 및 이에 상응하는 장치{METHOD FOR TREATING WATERS BY MEANS OF A BIOLOGICAL REACTOR IN WHICH THE SPEED OF CONTINUOUSLY INJECTABLE AIR IS ADJUSTABLE AND CORRESPONDING DEVICE}

본 발명은 수처리(water treatment)에 관한 것이다. 보다 명확하게, 본 발명은 고체 물질 상의 자유 또는 고정 배양시 바이오매스(biomass)에 기인한 질소 오염물질 및 탄소 오염물질 제거 방법에 의한 도시 또는 공업 폐수 처리에 관한 것이다.

전통적인 물의 오염제거 기술은 바이오필터 또는 활성 슬러지 같은 생물학적 반응기를 사용한다.

이러한 기술에 의하면, 상기 반응기는 오염물질 처리를 위해 폭기된다. 종래 기술은 일반적으로 두 개의 상이한 처리 단계를 기초로 하며, 하나는 산소를 필요로 하는 질소화(N)이고, 다른 하나는 산소의 부재를 필요로 하는 탈질소화(DN)이 다. 이러한 두 가공 단계는 하나의 반응기 내에서 폭기 후 비폭기 기간(연속적 폭기)으로, 또는 하나의 반응기 내에서 두 개의 특별한 구획(하나는 계속하여 폭기되고 다른 하나는 전혀 폭기되지 않음)으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 반응들 중 하나 또는 다른 하나에만 사용되는 어떠한 특별한 구획이 없고 영구적으로 폭기되는 동일한 반응기 내에서 동시에 이러한 두 가지 상반된 반응(질소화/탈질소화)의 수행으로 이루어진다. 그러나, 상기 반응기 내 이용가능한 여분의 산소량이 많을수록 더 많은 탈질소화가 억제되고 그 역도 동일하기 때문에 상기 폭기의 수준은 정확히 제어되어야 한다.

따라서, 전체적인 탈오염화 방법의 효율은 상기 폭기 조절에 직접적으로 의존한다.

공지 기술에 따른 방법에서, 주어진 매개변수는 상기 반응기 내에서 또는 반응기로부터의 산출물(output)에서 일반적으로 측정되며, 그 결과 상기 바이오매스의 폭기가 조절될 수 있다. 이들의 목적은 일정한 시점에서 시스템의 상태를 결정하는 것이다. 이러한 상태가 결정되면 기체 흐름의 제어가 계산되고 이후 적용된다. 이것은 일반적으로 암모늄염, 질산염, 산화환원 전위 또는 용해된 산소의 측정이다. "합성 함수(composites)"라 불릴 수 있는 다른 매개변수 또한 사용된다. 이들은 측정된 변수의 선형 결합이다.

따라서, 도시의 잔류수(residual water) 처리 방법에 대한 제어의 틀에서, 오염물질 함량의 표준(폭기된 반응기의 일일 입방 미터당 N-NH4의 질량(kg))이 제어를 위한 유용한 자료로서 이미 확인되었다.

WO 01/02306 A1 번호로 공개된 특허 출원은 전도성(conductivity) 및 혼탁도(turbidity) 측정에서 시작하여 상기 오염물질 함량의 추정량을 정한다.

그러나, 이는 직접적인 측량이라기보다 오히려 하나의 추정량이다. 이러한 형태의 수단은 고도의 정밀도를 요구하는 조절에 사용될 수 없다.

이러한 추정량 사용을 위한 조정 중 하나는 특별한 분석기의 구입 및 유지비용에 기초를 둔다. 따라서, 낮은 비용은 매우 제한된 수행에 의해 수반될 수 있음이 이해될 수 있다.

현재, 첨단 기술은 조절 방법의 상이한 형태 사이의 차이를 만든다.

이러한 조절 방법 중 하나에 의하면, 상기 바이오매스에 의해 분배된 산소의 처리 효율 "Ct"가 상기 기체 흐름의 조절을 위해 계산된다. 이는 FR 2 764 817의 번호로 공개된 특허에 설명되어 있다.

본 기술은 그 자체로서 처리될 오염물질에 의존하는 참고 Ct(reference Ct)의 사용을 요구한다. 그러나, 난점은 상기 오염물질 함량이 시간에 따라 변하므로 이러한 참고 Ct가 언제나 일정하도록 정기적으로 변경될 필요가 있다는 사실에 있으며, 이는 매우 다양한 폐수의 경우에 있어서 적용을 배제한다.

다른 기술은, 특히 WO 93/07089 번호로 공개된 국제 특허 출원에서 설명된 바와 같이, 상기 시스템(암모늄염, 질삼염, 등.)에 대해 투입(input) 변수의 선형 결합을 이용하여 적용될 공기 흐름의 조절을 계산한다.

그러나, 이러한 기술은 실험적 또는 반-실험적인 모델에 기초한다. 사용된 상기 제어 함수는 본질적으로 사전 조작된 실험으로부터 유래한 자료에 기초한다. 만약, 상기 모델이 바이오매스 또는 여과 수행(filter performance)의 변화에 기인하여 더 이상 적합하지 않으면, 폭기는 더 이상 최적의 상태가 아닐 것이다.

선행 기술은 또한 "피드백/피드포워드"라 불리는 조절 루프(loop)를 사용한 제어 시스템을 제안하였다.

이러한 시스템에 대한 하나의 접근 방법에 따르면 몇몇 저자들은 투입물에서 암모늄의 측정을 이용함으로써 생물학적 반응기 내의 용존 산소 농도를 제어하는 전략을 제안한다.

다른 하나의 접근법에 따르면, 용존 산소 설정 값(set value)에 대한 필수적인 변화를 예측하기 위해 처리될 암모늄염 함량의 개념이 사용된다. 상기 발명은 이용가능한 산소만을 나타내고 바이오매스에 필요한 산소를 나타내지는 않는, 용존 산소의 측정을 사용하지 않는다.

다른 기술에 의하면, 폭기된 부피의 조절은 반응기의 칸 막음을 기초로 한다(그리고 기체의 흐름 또는 속도 조절에 기초하지 않는다.). 그러나, 근본적으로 이러한 형태의 방법의 별개의 특성(폭기된 부피의 일관성 없는 변화)은 저자들이 언제나 용해된 산소 조절로 그들의 시스템을 보조하는 이유이다.

어떠한 경우에서도, 대부분의 공개는 합성 수(synthetic water)를 이용한 모의 실험(활성 슬러지 모델) 또는 배치(batch) 실험으로부터 유래한 결과에 기초한다.

실제로, 극히 적은 실험이 실험용 규모로 또는 현장에서 수행되었다. 나아가, 수행된 실험은 대부분 단지 활성 슬러지 생물학적 반응기만을 위한 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 종래 기술의 불이익 및/또는 부적당함을 극복하기 위함이다.

보다 정확하게, 본 발명의 목적은 칸 막음이 없는 생물학적 반응기를 사용하는 수처리 방법으로, 종래 기술과 비교 시 공기 주입의 제어가 최적화된 연속적인 공기 주입으로 폭기된 바이오매스의 합계 방법을 제안하는 것이다.

본 문맥에서, 본 발명의 목적은 질소화와 탈질소화 그리고 탄소 감소 단계를 동시에 같은 공간에서 수행하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 처리될 물의 오염물질 함량이 시간에 따라 큰 변화가 있는 경우를 포함하는 모든 상황에서 효율적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바이오매스 수행(performance)의 함수로서 주입된 공기 제어의 조절 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 투자비의 상대적으로 빠른 회수 및 운영비 절감(operating savings)을 예견하는 방법을 제공하는 것이다. 이런 의미에서, 본 발명의 목적은 오염물질 함량의 일일 최고점에 의해 야기된 부가적인 영업상 비용의 회피 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용해된 산소의 측정이 필요 없는 주입된 공기의 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실행이 쉬운 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적, 및 하기에서 명백해질 다른 목적은 물 내에 함유된 투입 함량(input content)이라 불리는 질소 오염물질을 감하기 위해 생물학적 반응기 내 동일한 공간에서 일어나는 질소화 및 탈질소화 과정을 포함하는 수처리 방법을 목적으로 하는 본 발명으로 성취되었으며, 상기 반응기는 산소처리된 기체 주입에 의해 폭기된 바이오매스를 통합하며, 상기 방법은 주입된 기체의 속도를 조절하는 적어도 하나의 단계를 포함하며, 상기 기체 주입이 연속적이고 질소화 및 탈질소화 과정이 본질적으로 동시에 일어나는 점에서 특징지어지며, 상기 방법은 상기 물에 함유된 N-NH₄(CV_EDD) 투입 함량의 연속적인 측정을 포함하며, 상기 투입 함량이 측정되고 시간 오프셋(offset)에 의해 가중되어 시간의 함수로서 주입되는 상기 기체 속도 제어를 도출한다.

산소처리된 기체의 연속적인 주입은 영구적이지만 가변인 주입을 나타내는 것임에 유의한다.

투입 함량 CV_EDD은 하기와 같이 표현될 수 있음을 주목한다:

여기서

는 공급 유량(시간당 리터로 표현됨)이며, C_NH4는 측정된 투입 암모늄염 농도(리터당 mg N-NH4)이고 V_aerated는 폭기 반응기(aerated reactor)의 부피이다(m³).

여러 동일한 반응기를 병행하는 경우, 상기 폭기 부피는 작동중인 폭기 반응기의 수(nf) 및 각 반응기의 단위 표면적(Su) 및 단위 높이(hmat)를 곱한 결과와 동일하며, 즉 V_aerated = nf × S_u × h_mat 이고 S=nf × S_u이다(폭기된 반응기의 총 표면적).

따라서, 본 발명에 의한 방법은 공기 요구량(또는 보다 일반적으로 산소 요구)의 예측을 위한 수학적 모델에 대한 입력 매개 변수로서 함량의 직접적 측정에 기초한다.

이러한 방법으로, 하기에서 명백해지는 바와 같이, 종래 기술에 의한 방법보다 더 효율적이고 더 정확한 제어를 주는 수처리 방법이 획득된다. 상기 제어는 연속적이지만 바이오매스의 요구에 대응하여 시간에 따라 가변적이며 질소화 및 탈질소화를 동시에 가능하게 하는 가스 주입을 가능하게 한다.

투입 함량의 측정을 가중시키는 (변동할 수 있는)상기 시간에서의 오프셋은 특히 측정 지점에서 분해 위치까지의 경과시간(transit time)에 관한 오프셋을 고려할 수 있다.

이 오프셋은 물이 반응기로 들어가는 실제 시간과 암모늄염이 분해되기 시작하는 시간 사이의 오프셋에 실질적으로 대응하는 경과(transit)에 관한 것이다.

이 오프셋은 또한 반응기에서의 통과시간 또는 평균 잔류시간을 고려하는 고려 수단이다.

하기에서 명백해지는 바와 같이, 이러한 방법의 특히 흥미 있는 결과는 이 방법이 부가적인 작업비용을 끌어들이는 오염물질 함량이 일일 최고치인 동안에 과폭기(over-aeration) 또는 부족 폭기(under-aeration)를 제한할 수 있다는 것이다.

또한 본 발명은 동작 절감(performance savings)에 기인하여 투자에 대한 신속한 회수(1~2년 사이)를 가능하게 한다.

게다가, 본 발명의 방법은 바이오필터 및 대부분의 수처리 방법에 적용될 수 있으며, 특히 막분리생물반응기(membrane bioreactor)를 포함하는 활성 슬러지, 바이오필터(biofilter)와 같은 고정된 배양과 함께하는 방법, 유동상(fluidised bed), 혼합 배양과 함께하는 방법과 같은 방법에 적용될 수 있다.

바람직한 하나의 해결법에 따르면, 상기 조절 단계(들)는 시간에 대한 함수로서 하기의 공기 속도 제어 법칙에 기초한다:

Vair (t) = α(H(t)×CV_EDD(t)-CV_setvalue) + β,

여기서 CV_setvalue는 산출 함량 설정 값이고 H(t)는 상 지연 함수 H(S)의 라플라스 역변환이다.

"×" 표시는 콘볼루션 적분(convolution product)을 의미한다.

따라서, 상기 공기 주입 제어는 연속적으로 이루어진 측정에서 투입 함량의 변화의 함수로서 영구적으로 수정될 수 있으며, 그 결과 다른 폐수, 및 특히 시간에 따른 함량의 변화가 큰 폐수에 대한 높은 처리 효율이 성취될 수 있다.

이러한 경향 제어 법칙(trend control law)을 세우는데 사용된 추론의 과정은 하기에서 자세히 설명된다.

상기 제어 법칙의 목적은 생물학적 반응기로 들어가는 N-NH4 투입 함량(폭기 반응기/D의 N-NH4/m³의 kg)을 공기 흐름 그리고 나아가 공기 속도와 연관시키기 위함이며, 상기 N-NH4 투입 함량은 실제로 반응기에 가해진 함량으로, 환언하면 상기 함량은 정착된 물과 재순환된 물의 혼합으로부터 평가된다.

상기 변수는 흐름 및 농도 변화를 동시에 고려하기 위해 사용된다.

이것은 또한 산업 현장에서의 설계변수(design parameter)이다.

상기 제거된 실제 함량은 주어진 공기에 대해 24시간 동안 일정함이 관찰되었다. 상기 추정은 일정한 공기 흐름에서 완충수를 이용한 몇몇 실험 분석에 의해 입증되었다.

실험을 하는 동안, 상기 적용된 함량이 일정하게 잔존하도록 상기 암모늄 농도 및 공급 흐름은 변하였다.

이러한 실험들은 일시적인 상 이후에 상기 제거된 N-NH4 함량이 공기 흐름에서 유일한 불변의 매개변수로 동일한 수준으로 회복되는 것을 보여준다.

이는 시간에 따른 변화를 설명하는 도1의 도표에서 명백하게 나타난다:

-투입 함량 11;

-제거된 함량 12;

-산출 함량 13.

따라서 N-NH4 내의 상기 제거된 함량(C_Ve)과 안정한 상태의 공기 속도 사이의 선형 관계가 생성된다:

V_air(t) = α×CV_e (t) + β

여기서

그러나, 상기 획득된 관계는 일시적인 현상을 고려하지 않는다.

따라서, 본 발명의 특별한 특징은 상기 관계에서 매개변수를 얻기 위해 일시적 현상이 어떻게 고려되는가이다.

제거된 함량을 공기 속도와 관련짓기 위해, 상기 반응기 내의 경과 시간 또는 평균 잔류 시간 Tg(반응기 내 유체 입자의 평균 전이 시간이 참작됨)이 고려되어야 한다. 실제로, 상기 매개변수 Tg는 희석되고 경사로 따라진(decanted) 물의 농도(따라진 물 + 순환된 물)를 산출 측정 방법에 관련시키는 교차상관계수의 연구에 의해 획득된다.

이전의 관찰에 의하면, 고정된 공기 흐름에 대해 제거된 함량은 일정하고, 만약 공급 흐름이 고정되었다면, 유효한 결과는 일정한 N-NH₄의 감소이다(투입/산출 농도 간의 상이).

따라서, 상기 산출 암모늄 농도는 이후 희석된 투입 농도의 함수로서 표현된다.

[NH4], (t) = [NH4]_e(t-Tg) - Cst

여기서 Cst는 예를들어 측정에 의해 결정되는 상수이다.

나아가, 상기 교차 상관 계수는 시간 오프셋 Tg = nTe(여기서 Te는 견본 기간이다)에 대응하여 n 단계에 대해 최대이다.

그 연장으로서, 상기 제거된 함량은 Tg와 일치하는 지연 시간이 적용되는, 투입 함량과 산출 함량 사이의 차이를 취함으로써 계산된다. 그 후 시간 t에서의 상기 공기 속도는 동시에 계산되는 제거된 함량의 함수로서 표현될 수 있다(도 2, 곡선 (F(t)) 참조).

그럼에도 불구하고, 이 방법은 희석되고 따라진 물이 반응기를 통과하는 때와 암모늄이 분해되기 시작하는 때의 실제 시간을 고려하지 않으며, 이러한 오프셋은 측정 지점에서 분해 위치까지의 경과와 관련된다.

유사하게, 대체로 시스템의 수리학(hydraulics)에 직접의 영향을 갖지 않는 폭기의 변동은 고려되지 않는다.

이러한 모든 현상은 값의 분산을 유발하고(바이오필터의 경우 도 2에 나타낸 바와 같이), 따라서 공기 속도에 대한 불확실성은 7 Nm/h 근처에서 최고 ±15%까지 적용된다. 따라서 본 발명의 다른 특별한 특징은 이러한 실수를 수정하고 기대되는 선형성을 획득하는 상 지연 함수 H(s)의 적용에 관련된다(도 2에서 곡선 H(t)×F(t)에서 나타냄과 같이).

따라서, 시간에 따라 제거된 함량(CV_e)은 (상 지연 함수 H(s)의 라플라스 역변환)H(t)에 의해 합성곱(convoluted)된 입구(entry)(CV_EDD)와 상기 산출(Cv_e) 사이 함량 차이와 같다.

상기 방법론은 상기 공기 속도와 사전에 계산된 제거된 함량 사이의 선형 관계 획득에 사용될 수 있다. 따라서, 상기 제어 법칙은 하기와 같이 얻어진다:

Vair (t) = α(H(t)×CV_EDD (t) - CV_SETVALUE) + β

나아가, 실험적 매개변수를 이용하는 모델의 사용은 자리 배치(deployment on site)의 관점에서 불이익을 주는 것으로 알려져 있다.

설정을 위해 필수적인 값을 획득하는 것은 처리장에서의 작동 우선 순위와 언제나 양립가능한 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 사전 설정(preliminary setting)을 획득하는 이론적인 방법을 제공한다.

이는 크기 설정(sizing) 및 스케일 변환(scale transfer)의 문제를 극복하기 위해 관찰된 경험 법칙을 이론적인 법칙과 비교하는 모델의 확인에 의해 설명된다.

상기 실험적 법칙은 질소화 및 탄소 제거에 대응하는 이론상의 산소 요구 계산에 의존하여 획득된다. O2 요구는 하기의 알려진 관계를 사용하여 결정된다:

질소화: B.O2NH4 = 4.57 × 제거된 N-NH4의 양

탈질소화: B.O2NO3 = -2.86 × (제거된 N-NH4의 양 - 생산된 NO3의 양)

탄소: B.O2CODs = 0.90 × 제거된 CODs의 양.

따라서, 생물학적 반응기에 대한 상기 산소 요구는 사전의(previous) 요구들의 합으로서 표현된다. 공기 요구는 이러한 산소 요구로부터 유래된다. 이들과 공기 속도를 감소시키는 값인 이동 효율 사이에는 관련이 있다.

도 3은 바이오필터에 대한 경험적인 공기 요구 32와 이론적인 공기 요구 31 비교 시 사용되는 그래프이다. 이 그래프는 이론적인 공기의 필요를 나타내므로 경험 법칙과 잘 일치되어 계산된다. 따라서 현장에서 요구되는 매개변수의 획득을 위한 이론적인 기초가 된다.

두 선형 회귀분석에 대한 계수는 α 및 β 값(α는 이론적으로 25.7 및 측정에 의해 24.1에 상당하며, β는 이론적으로 -4.2 및 측정에 의해 -3.6에 상당한다.)에 대응하며, R²은 각각의 선형 회귀분석과 관련된 100%의 신뢰 계수(confident coefficient)를 나타낸다(먼저 측정에 의해 그리고 두 번째로 이론에 의해 획득된 계수는 실질적으로 동일하다.).

바람직하게는, 상기 제어 방법은 하기와 같이 개방 루프(open loop)로 표현된다:

Vair(t) = α(H(t)×CV_EDD(t) - CV_SETVALUE(t+△t)) + β

이러한 방식으로, 상기 용어 CV_SETVALUE(t+△t)는 산출 함량 설정 값의 앞으로의 변동을 예상한다.

상기 해법은 설비의 사용을 최적화하기 위한 무시할 수 없는 추가적인 융통성을 제공할 수 있다.

바람직한 일 구현에 따르면, 상기 지연 함수(delay function)는 하기의 유형이다:

- n은 상기 반응기(들)에서의 분포 조절 매개변수이며;

- V는 상기 생물학적 반응기(들)의 겉보기 부피이며;

-

는 처리될 상기 물의 공급 흐름이며;

- s는 변수 t의 라플라스 변환이다.

이 함수는 라플라스 공간에서 n으로 완벽히 교반된 반응기(RPA)의 일련의 전달 함수(transfer function)에 대응하며, 여기서 n은 양의 정수이다.

본 명세서에서 설명된 상 지연 함수는 완벽히 교반된 반응기(RPA)의 일련의 수학적 형태이며, 이의 매개변수들은 유량 및 부피이다. 겉보기 부피 V가 상기 함수를 조정하기 위해 사용되었기 때문에 상기 유량은 컬럼 여과 흐름에 종속한다.

보다 일반적으로, 이상적인 반응기 전달 함수의 조합을 사용하는 어떠한 수학적 표현도 사용될 수 있다.

따라서, 상기 상 지연 함수는 다른 가능한 구현에서는 상이한 형식일 수 있다.

예를 들어, 이 함수는 n=4인 네 개의 RPA로 나타내는 일련의 전달 함수의 형식으로 표현될 수 있다.

유익한 하나의 해법에 의하면, 상기 방법은 산출 함량(Cv_s) 및/또는 상기 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도를 측정하기 위한 적어도 하나의 단계를 포함한다.

이 경우, 상기 산출 함량(Cv_s)의 측정은 바람직하게는 하기의 방정식을 적용하여 상기 설정 값을 조절하기 위해 사용된다:

Cv_SETVALUE(t)-Cv_s=error(t)

여기서

상기 신호 e(t)는, e(t) = [NH₄]_SETVALUE(t)-[NH₄]_s(t)로 정의된다.

여기서 h_mat은 상기 반응기 내 바이오매스의 높이이고 S는 상기 반응기(들)의 표면적이며, h_mat과 S의 곱의 결과로 되는 부피는 상기 생물학적 반응기의 폭기 부피를 나타낸다.

상기 식은 함량 계산으로부터 유도되었으며, 상기 식에서 e(t)는 설정 값[NH4]_SETVALUE(t)와 상기 산출 측정값[NH4]_s(t) 사이의 농도 차를 나타낸다.

본 발명은 이러한 형태의 역작용(retroaction) 시스템을 사용하는 예측 모델에 대해 계속적인 수정을 제공하여, 언제나 실제와 일치한다.

따라서, 경향 곡선(trend curve) 모델에서의 오차 또는 측정 불가능한 장애(disturbance)는 역작용 항의 추가에 의해 보충될 수 있다. 경향 곡선과 함께하는 폐 루프(closed loop)는 단독의 "피드포워드" 또는 "피드백" 조정기보다 향상된 결과의 획득을 위해 사용될 수 있다.

따라서, 상기 역작용의 특별한 특성 중 하나는 오차의 수치를 구하는 데 있다.

이것은 단지 산출 값과 설정 값 사이에서의 용존 암모늄의 측정의 차이뿐만 아니라, 산출 함량과 설정 함량(error(t)로 표시됨) 사이의 차이이기도 하다.

e(t)와 error(t) 사이에 관련이 있음에도 불구하고, 상기 두 매개변수 간의 차이는 중요하다.

첫 번째 구현에 의하면, 산출 함량(Cvs) 및/또는 상기 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도의 측정은 연속해서 이루어진다.

상기 조정기의 내재는 적용될 실행의 계산에서 공급 흐름의 변화를 고려한다.

바람직한 일 구현에 의하면, 상기 방법은 상기 신호 e(t)의 변환 단계를 포함하며

- 만약 e > 0이면, f(e) = e

- 만약 e ≤ 0이면, f(e) = 1 - exp(-k, e)이며, 여기서 k>0이다.

k는 신호 변환의 강도에 등급을 매기는 수단을 제공하는데 유의한다.

따라서, 상기 신호 e(t)의 변환을 사용하여 개선이 이루어진다. 암모늄의 상기 산출 농도는 엄밀하게 기체 흐름의 선형 함수가 아니며, 그 이유는 영(zero)에 의해 제한되기 때문이다. 예를 들어, 설정 값이 2 mg N-NH4/L인 경우, 측정과 설정 값 사이의 상기 오차는 오직 [-2, +^∞[, 간격의 값만을 고려할 수 있고, 이런 경우에 조절 간격의 바라지 않은 비대칭이 있다.

따라서, 이러한 변환은 상기 비대칭을 고려할 수 있다.

상기 변환은 하한에 접근시 조절기의 반응의 증폭 수단을 제공한다.

설정 값이 2 mg N-NH4/L와 동일한 경우, 그때의 상기 오차는 k=1이라면 [-6.4, +^∞[ 간격 내의 값과 일치할 것이다.

따라서, 상기 작동 조건의 획득에 있어서의 증가에 기인하여 상기 포화 효과는 시스템의 약한 불안정화 값에서 제한된다.

설정 값에 가까울 때 작은 조절 변화량을 줄 수 있고, 설정 값으로부터의 오차가 증가함에 따라 큰 변화량을 줄 수 있는, f(x) = x² 같은 다른 변환이 상상될 수 있다.

결국, 상기 조절이 몇몇 신호의 조합이기 때문에 피드백 또는 피드포워드 조절 루프의 사용은 증가된 안정을 제공한다. 일부 정보가 결여된 경우, 비록 그 성취가 떨어질지라도 다른 정보가 여전히 조절을 제공할 수 있다.

본 발명은 또한 상기에서 설명된 바와 같이 생물학적 반응기의 동일한 방 내의 질소화 상 및 탈질소화 상을 포함하는 수처리용 장치에 관한 것이며, 상기 반응기는 공기 주입에 의해 폭기된 바이오매스 및 상기 주입된 공기의 속도 조절 수단을 포함하고, 하기를 포함하는 점에서 특색을 이룬다:

- 상기 유입 함량의 연속적인 측정 수단;

- 산출 농도 및/또는 산출 함량에 대한 설정 값(Cv_setvalue)의 구성 수단;

- 시간의 함수로서 그것으로부터 분사될 상기 공기의 속도에 대한 제어를 도출하기 위해서 상기 측정된 투입 함량이 특히 시간 오프셋에 의해 가중되는 제어 법칙에 기초한 상기 조절 수단에 작용하기 위해 설계된 계산 수단, 상기 공기 주입은 연속적이며 상기 질소화 및 탈질소화 과정은 본질적으로 동시에 일어난다.

이러한 계산 수단은 소프트웨어 수단의 사용을 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 이러한 목적들을 얻기 위해 어떠한 용존 산소 측정 또는 설정 값도 사용하지 않음을 유의해야 한다.

바람직한 일 구현에 의하면, 상기 장치는 산출 함량(Cv_s) 및/또는 상기 처리된 물에 용해된 암모늄 농도의 측정 수단을 포함하는 역작용 루프(retroactive loop), 및 상기 산출 함량을 상기 산출 함량 설정 값과 비교하기 위한 수단을 포함한다.

이 경우, 바람직하게는 상기 제어 법칙에 사용된 설정 값 조절을 위해 상기 비교 수단은 상기 계산 수단에 관련된 것이다.

본 발명의 다른 특별한 특징 및 이점은 예시적이고 발명을 한정하는 것이 아닌 실시예 및 부가적인 도면에서 주어진 본 발명의 바람직한 구현에 대한 하기의 설명을 읽은 후 보다 명확해질 것이다.

- 도 1은 완충수 내에서 일정한 함량에서의 암모늄 농도의 변화를 나타내는 그래프이며;

- 도 2는 바이오필터에 대해 계산되고 제거된 함량의 함수로서의 공기 속도의 두 기록을 나타내며;

- 도 3은 바이오필터에 대한 실험적인 그리고 이론적인 공기 요구의 비교를 나타내는 그래프이며;

- 도 4는 본 발명에 의한 파일럿 유닛(pilot unit)의 도식적 개관이며;

- 도 5는 본 발명에 의한 "피드백/피드포워드" 조절 블록의 도식적 개관이며;

- 도 6은 고정된 공급 흐름 및 재순환율을 가지고, 본 발명에 의한 방법으로 획득한 기록의 곡선을 나타내며;

- 도 7은 가변의 공급 흐름 및 고정된 재순환율을 가지고, 획득한 기록의 곡선을 나타내며;

- 도 8은 가변의 공급 흐름 및 재순환율을 가지고, 본 발명의 방법으로 획득한 기록의 곡선을 나타낸다.

본 발명에 의한 방법의 효율은 도 4에 나타난 바와 같은 파일럿 유닛을 사용하여 수행된 하기의 실험들에 의해 실증된다.

보는 바와 같이, 상기 유닛은 내부 직경이 29cm인 5m 높이의 두 플렉시글라스 컬럼으로 구성된다. 동시에 일어나는 질소화/탈질소화(NDN) 실험에서 사용된 상기 원료의 높이(h amt)는 2.75m이고 여기서 사용된 구슬의 평균 직경은 3.34 mm ± 0.19 mm이다.

상기 처리된 폐수는 도시의 물네트워크(water network)에서 얻어졌으며; 이는 중력에 의해 영구히 교반되는 30-리터 완충 탱크 (42) 내부로 보내지기 전에 먼저 침전(라멜라 침전 탱크)된다. 상기 유입수는 그 후 두 개의 가압 컬럼의 충전을 위해 두 SEEPEX 펌프에 의해 올려진다. 이것은 2.40 mCe의 최대 가용 압력 손실을 가져온다.

처리된 물 중 일부(43)는 질소화/탈질소화 체제에서 재사용되어 실험 단위를 제공한다. 상기 물은 가압 컬럼에서 급수(supply water)와 혼합된다. 다시 한번, 두 개의 Seepex 펌프가 사용되어 필요한 흐름을 재순환시킨다.

두 개의 컬럼에서 산출된 재순환되지 않은 처리수 (44)는 일반적인 10-리터 탱크에서 혼합하며 분석될 샘플이 그로부터 획득된다. 이러한 구성에서, 상기 실험 단위는 두 여과셀(filtration cell)을 포함하는 위치(site) 같이 작동한다. 따라서 상기 처리는 균질화되고 인라인(in-line) 측정은 잉여적이다(redundant).

각각의 컬럼 바닥으로부터 20cm에 위치한 두 공기 다기관(manifold)(나타내지 않음)이 상기 반응기를 통해 가공된 공기를 연속적으로 그러나 가변적으로 주입하기 위해 사용되며, 각각의 바닥에 있는 두 개의 다른 입구가 세척(washing) 공기 주입을 위해 사용된다. 양쪽의 경우에서, 공기 생산은 압축 공기 네트워크에 의해 확보된다.

총 원료에 대해 계산된 실험이 이루어지는 동안 적용된 상기 함량은 0.3과 0.6 kg N-NH4/m3/D 사이이며 평균 0.45 kg N-NH4/m3/D이다. 대응하는 평균 물 공급 유속 V_water는 1.2 m/h이며 평균 재순환율은 125%이다. 관련된 효율이 상이하기 때문에 상기 비율은 전통적인 NDN(환언하면 폭기된 영역 및 폭기되지 않은 영역을 가진 반응기)과 다르다.

세 연구의 경우가 본 발명의 수행을 설명한다; 첫 번째는(도 6) 고정된 흐름 및 고정된 재순환율을 갖춘 조절의 효율을 설명한다. 두 번째는(도 7) 가변의 흐름 및 고정된 재순환율을 갖춘 조절의 수행을 설명한다. 그리고 세 번째는(도 8) 가변의 흐름 및 가변의 재순환율로 획득한 결과를 나타낸다.

따라서 도 6은 공기의 요구를 예측함으로써 일일 최고(peak) 함량의 제거가 가능함을 보여준다. 종래 기술에 있어서와 달리, 최고 함량 이전 또는 이후에 부족 폭기 또는 과폭기 구역이 없다. 따라서, 상기 폭기 조절이 하루동안 정확히 동일한 암모늄 농도 유지 수단을 제공하기 때문에 질소화 목적을 성취하기 위해 탈질소화의 문제는 일어나지 않는다.

본 발명에 의한 조절은 가변의 공급 유량 조건 하에서 정확히 작동하고 최고 함량을 예측하는 것으로 나타난다(도 7). 함량이 그 정도인 동안의 단기간을 제외하고는 공기 속도에 있어서 포화가 도달되었다. 장치의 주요 부분을 나타내도록 폭기는 15 Nm/h를 초과하지 않도록 감소되었다.

결론적으로, 산업적 장치에서 전형적이지 않은 가변 공급 유량 및 가변 재순환율과 함께 사용되는 경우(도 8), 결과는 저하되지만 여전히 종래 기술보다 향상된다.

이러한 결과는 본 발명에 의한 방법의 바람직한 구현에 대응하는 도 5에서 설명된 바와 같은 조절 블록을 사용함으로써 획득된다.

보여진 바와 같이, 처리될 물 (51)은 생물학적 반응기 (52)로 향하며, 상기 공급 흐름

및 투입 함량의 자료는 상기 처리될 물과 관련이 있다. 본 발명의 원리에 의하면, 상기 질소화 및 탈질소화 과정은 반응기의 동일한 방에서 일어나고(상기 반응기는 실제로 오직 하나의 구획을 가짐) 이러한 질소화 및 탈질소화 과정은 본질적으로 동시에 일어남을 상기한다.

처리될 상기 물에 대한 측정은 특히 C_VEDD 사이의 함량을 연속적으로 측정하는 "피드백포워드" 조절기라 불리는 첫 번째 조절기 (53)을 사용하여 이루어진다.

상기 조절기는 또한 산출 함량 설정 값 Cv_setvalue에 대한 정보를 수용한다.

"피드백" 조절기라 불리는 다른 조절기 (54)는 정보 및 특히 연속적으로 측정된 산출 함량 C_vs를 수집한다.

상기 조절기 (54)는 또한 상기 산출 함량 설정 값 Cv_SETVALUE에 대한 정보를 수용한다.

상기 역작용 루프에 사용하는 상기 조절기는 PID(비례미적분조절 (proportional integral derivative regulator)) 형태 또는 PFC(예측함수제어(predictive functional control)) 형태일 수 있다.

이러한 조절기는 각각이 명령을 산출하도록 구성된다. 상기 대응하는 명령은 공기 속도 제어 법칙을 시간의 함수로서 적용하여, 공기 속도 V_air에 작용하도록 가공처리된다:

V_air(t) = α × (H(t)×Cv_EDD(t)-Cv_SETVALUE(t)) + β + Vair_Retroaction

상기 계수 α 및 β는 상기에서 설명된 바와 같이 측정 또는 계산으로 획득될 수 있다.

Vair 역작용은 역작용 루프 내의 조절기로 계산된 상기 공기 흐름 필요의 변 화에 대응한다.

나아가, 이전에 설명된 파일럿 유닛의 경우에서, 상 지연 함수 H(s)는 하기와 같이 표현된다:

나아가, 상기 조절기 (54)로부터 산출된 명령은 하기의 지시에 대응하는 계산에 의해 획득된다:

Cv_SETVALUE(t) - Cv_s = error(t)

여기서

상기 신호 e(t)는 e(t) = [NH₄]_SETVALUE(t) - [NH_{4 ]s}(t)로 정의된다.

상기에서 언급한 매개변수로(Vwater = 1.2 m/h 그리고 hmat = 2.75 m) 상기 error(t)는 error(t) = 1.05 × 10^-2e(t)와 같이 정의된다.

Claims (14)

1. 물에 함유된 N-NH₄의 투입 함량(CV_EDD)이라 칭하는 질소 오염을 감소시키기 위한 생물학적 반응기를 이용하며, 상기 생물학적 반응기는 공기 주입에 의해 폭기되는 바이오매스를 통합하고, 상기 주입된 공기의 속도(Vair) 조절을 위한 적어도 하나의 단계를 포함하는 수처리 방법에 있어서,

   상기 주입된 공기의 속도 조절을 위한 하나의 단계는,

   - 물에 함유된 N-NH₄의 투입 함량(CV_EDD)의 연속적인 측정,

   - 측정 지점에서 분해 위치까지의 경과시간(transit time)에 관하여, 시간의 오프셋에 의해 가중되는 연속적인 측정으로 적용되는 상기 N-NH₄의 투입 함량(CV_EDD)의 함수로서, 주입된 공기의 속도(Vair)의 계산을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 조절 단계(들)는 식 (1)에 기초한 시간의 함수로서 공기 속도 제어 법칙에 기초하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.

   Vair (t) = α(H(t)×CV_EDD(t)-CV_setvalue) + β (1)

   여기서 CV_setvalue는 산출 함량 설정 값이고 H(t)는 식 (2)에 기초한 함수 H(s)의 라플라스 역변환이다.

   

   여기서

   - n은 상기 생물학적 반응기(들)에서의 분포 조절 매개변수이며;

   - V는 상기 생물학적 반응기(들)의 겉보기 부피이며;

   -

   

   는 처리될 상기 물의 공급 흐름이며;

   - s는 변수 t의 라플라스 변환이다.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 조절 단계(들)는 식 (3)의 제어 법칙에 기초하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.

   Vair (t) = α(H(t)×CV_EDD(t)-CV_setvalue(t+△t)) + β (3)

   여기서 CV_setvalue(t+△t)는 산출 함량 설정 값(CV_setvalue)의 앞으로의 변동을 나타낸다.
4. 제 1항에 있어서, 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도 또는 산출 함량 (Cv_s)을 측정하기 위한 적어도 하나의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
5. 제 1항에 있어서, 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도 및 산출 함량(Cv_s)을 측정하기 위한 적어도 하나의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 산출 함량(Cv_s)의 측정은 하기 방정식을 적용함으로써 산출 함량 설정 값(Cv_SETVALUE)의 조절을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.

   Cv_SETVALUE(t)-Cv_s=error(t)

   여기서

   

   이며 ,

   신호 e(t)는 e(t) = [NH₄]_SETVALUE(t)-[NH₄]_S(t)에 의해 정해지며,

   h_mat는 상기 생물학적 반응기 내 상기 바이오매스의 높이이고,

   S는 상기 생물학적 반응기(들)의 표면적이며,

   h_mat과 S의 곱의 결과인 부피는 상기 생물학적 반응기의 폭기된 부피를 나타낸다.
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도 및 산출 함량(Cv_S)의 측정은 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도 또는 산출 함량(Cv_S)의 측정은 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
9. 제 6항에 있어서, 상기 방법은 상기 신호 e(t)의 변환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.

   - 만약 e > 0 이면, f(e) = e

   - 만약 e ≤ 0 이면, f(e) = 1 - exp(-k, e)(여기서 k > 0)
10. 공기 주입에 의해 폭기되는 바이오매스를 포함하는 적어도 하나의 반응기 및 상기 주입된 공기의 속도를 조절하는 수단을 포함하며,

    - 유입 함량을 연속적으로 측정하는 수단;

    - 산출 농도 또는 산출 함량에 대한 설정 값(Cv_setvalue)을 구성하는 수단;

    - 상기 조절 수단에 작용하도록 설계된 계산 수단을 포함하고,

    상기 계산 수단은 측정 지점에서 분해 위치까지의 경과시간(transit time)에 관하여 시간의 오프셋에 의해 가중되는 연속적인 측정으로 적용되는 상기 N-NH₄의 투입 함량(CV_EDD)의 함수로서 주입된 공기의 속도(Vair)를 계산하는 것을 특징으로 하는 제 1항의 수처리 방법의 사용을 위한 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 구성하는 수단은 산출 농도 및 산출 함량에 대한 설정 값(Cv_setvalue)을 구성하는, 수처리 방법의 사용을 위한 장치.
12. 제 10항에 있어서, 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도 또는 산출 함량(Cv_S)을 측정하는 수단; 및 상기 산출 함량과 상기 산출 함량 설정 값을 비교하는 수단을 포함하는 역작용 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 10항에 있어서, 처리된 물에 함유된 용존 암모늄 농도 및 산출 함량(Cv_S)을 측정하는 수단; 및 상기 산출 함량과 상기 산출 함량 설정 값을 비교하는 수단을 포함하는 역작용 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서, 상기 비교하는 수단은 상기 산출 함량 설정 값(Cv_setvalue)을 조절하기 위해 상기 계산 수단을 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.

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