KR101293581B1 - 미생물의 호흡률 분석을 통한 하수처리공정의 송풍량 및 에너지 절감을 위한 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송풍기 제어방법에 관한 것으로서, 포기조의 하수를 샘플링하는 단계, 상기 샘플링된 하수로부터 측정된 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계, 방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 방류수의 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계, 및 상기 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계를 포함함으로써, 미생물의 호흡률 분석을 통해 산출된 최적의 용존산소량 농도, 화학적 산소요구량, 및 총질소량을 이용하여 송풍량을 절감할 수 있다.

Description

미생물의 호흡률 분석을 통한 하수처리공정의 송풍량 및 에너지 절감을 위한 제어방법{Control method for amount of blast and energy reduction in sewage treatment process through oxygen uptake rate analyzing}

본 발명은 송풍기 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미생물의 호흡률 분석을 통해 산출된 최적의 용존산소량 농도, 화학적 산소요구량, 및 총질소량을 이용하여 송풍량을 절감할 수 있는 송풍기 제어방법 및 송풍기 제어장치에 관한 것이다.

2012년 하수처리장의 방류수 수질기준의 규제가 강화되면서, 수질을 안정적으로 유지시키면서 처리 비용을 절감시키기 위해 하수처리시스템의 고도화 및 최적 운전의 필요성이 대두되고 있다. 하수처리공정에서 유입 원수 내 오염물질을 제거하기 위해 생물학적 처리를 주로 수행하며, 오염물질 중 탄소와 질소는 생물반응조 내 산소를 이용한 산화반응을 통해 제거된다. 즉, 미생물이 유기물을 제거(유기물 산화)하거나 질소를 제거(질산화)하기 위해서는 산소가 반드시 필요하며, 일반적으로 산소는 송풍기를 통해 생물반응조로 공급되는 공기에 포함된다.

미생물이 유기물 산화와 질산화를 수행하기 위해서는 포기조 내 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)가 적절한 농도로 유지되어야 한다. 만약 용존산소농도가 미생물이 성장하기에 부족한 경우 사상균이 우점하게 되어 활성슬러지의 침전성이 나빠져 방류수 수질이 악화되는 요인이 되며, 용존산소가 필요 이상으로 존재할 경우 처리수 수질의 개선 효과는 거의 없으나 과량의 용존산소는 미생물에 의해 사용되지 않고 공기 중으로 빠져나가게 된다. 그러므로, 과부하에 의한 처리능력감소를 미연에 방지하고 일정부하율에 의한 처리능력 향상 및 적정 공기공급에 의한 운전비용을 감소할 필요가 있다.

특히 하수처리장 전체 운영비용 중 전력비가 약 40%를 차지하며, 전력비용 중 포기조 내 공기 공급을 위한 송풍기에 의한 비용이 많은 비율을 차지한다. 이에 송풍기 가동에 의한 전력비용을 절감함으로써 하수처리공정의 전체 운영비용을 상당부분 절감할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 미생물의 호흡률 분석을 통해 산출된 최적의 용존산소량 농도, 화학적 산소요구량, 및 총질소량을 이용하여 송풍량을 절감할 수 있는 송풍기 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 미생물의 호흡률 분석을 통해 산출된 최적의 용존산소량 농도, 화학적 산소요구량, 및 총질소량을 이용하여 송풍량을 절감할 수 있는 송풍기 제어장치를 제공하는 것이다.

또한, 상기된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 포기조의 하수를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링된 하수로부터 측정된 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계; 방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 방류수의 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계; 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계; 및 상기 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계를 포함하는 송풍기 제어방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계는, 상기 샘플링된 하수에 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후, 단위시간당 상기 용존산소량의 감소량으로부터 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하는 단계; 및 상기 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계를 포함하는 송풍기 제어방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 미생물의 호흡률이 시간에 따라 증가하는 구간이 존재하거나 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가하는 구간이 없는 경우 상기 최적 용존산소량 농도의 산출 오류로 판단하고 상기 포기조의 하수를 다시 샘플링하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 최적 용존산소량 농도는, 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하는 경우에만 상기 송풍기의 송풍량을 제어하는데 이용하고, 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도 조건이 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하인 경우 만족하며, 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용하는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률의 개수가 임계치 이상일 경우 만족하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계; 및 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계를 더 포함하는 송풍기 제어방법 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계는, 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비와 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비 중 큰 값에 현재 최적 용존산소량 농도 및 안전계수를 곱하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계는, 운전 중인 송풍기가 최적효율구간에서 운전되도록 다단으로 송풍기를 제어할 수 있고, 송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용하여, 상기 최적 용존산소량 농도의 증감정도에 따라 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택하여 다단으로 송풍기를 제어하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법일 수 있다.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 포기조의 하수에 산소를 공급하여 미생물의 호흡률을 측정하는 반응기; 상기 반응기에 산소를 공급하는 산소공급부; 상기 단위시간당 미생물의 호흡률로부터 최적 용존산소량 농도를 산출하고, 방류수의 화학적 산소요구량 및 총질소량에 따라 상기 최적 용존산소량을 재산출하는 처리부; 및 상기 최적 용존산소량 농도에 따라 송풍기의 송풍량을 제어는 제어부를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어장치를 제공한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기된 송풍기 제어방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.

본 발명에 따르면, 미생물의 호흡률 분석을 통해 산출된 최적의 용존산소량 농도, 화학적 산소요구량, 및 총질소량을 이용하여 송풍량을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용하여, 필요한 송풍량에 따라 최적의 운전조건으로 송풍기를 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 제어장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적 용존산소량 농도를 측정하는 방법을 그래프로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송풍기 제어장치의 반응기의 다른 구성들과의 연결관계를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 제어방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송풍기 제어방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 송풍기 제어방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송풍기 제어방법에 따른 최적 용존산소량 농도 결과를 도시한 것이다.

본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 제어방법은 포기조의 하수를 샘플링하는 단계, 상기 샘플링된 하수로부터 측정된 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계, 방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 방류수의 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계, 및 상기 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 제어장치의 블록도이다.

본 발명에 일 실시예에 따른 송풍기 제어장치(100)는 반응기(110), 산소공급부(120), 처리부(130), 및 제어부(140)로 구성되고, 송풍기(150)를 더 포함할 수 있다.

반응기(110)는 포기조(160)의 하수를 샘플링하여 저장한다.

보다 구체적으로, 샘플링한 포기조(160)의 하수를 저장하고, 산소공급부(120)로부터 산소를 공급받아 미생물의 호흡이 이루어지는 곳이다.

산소공급부(120)는 반응기(110)에 산소를 공급한다.

보다 구체적으로, 반응기(110)에 저장된 하수에 포함된 미생물의 호흡률을 측정하기 위하여, 산소공급부(120)는 반응기(110)에 저장된 하수에 산소를 공급한다. 산소는 반응초기에만 공급될 수 있다.

처리부(130)는 반응기(110)에 저장된 하수를 이용하여 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하고, 상기 단위시간당 미생물의 호흡률로부터 최적 용존산소량 농도를 산출하며, 방류수의 화학적 산소요구량 및 총질소량에 따라 상기 최적 용존산소량을 재산출한다. 처리부(130)는 상기 샘플링된 하수에 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후, 단위시간당 상기 용존산소량의 감소량으로부터 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하고, 상기 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출한다.

보다 구체적으로, 처리부(130)는 산소공급부(120)에서 산소가 최대로 공급된 후, 반응기(110)에서의 변화를 측정하여, 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정한다. 하수를 이용하여 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하고, 상기 측정된 단위시간당 미생물의 호흡률로부터 최적 용존산소량 농도를 산출하여, 산출된 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 조절하는데 이용한다. 여기서, 최적 용존산소량 농도는 하수처리에 적용하고자 하는 목표 용존산소량 농도이다.

반응기(110)에 저장된 하수에 산소공급부(120)로부터 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후, 단위시간당 상기 용존산소량의 감소량으로부터 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정한다. 미생물이 기질(Substrate)을 분해할 때 소모시키는 산소량은 일반적으로 단위시간당 소모되는 산소량인 호흡률 또는 산소섭취속도(OUR, Oxygen Uptake Rate)로 측정될 수 있다. 미생물의 호흡률은 포기조 내의 미생물의 대사활동을 직접 측정하는 상태변수로써, 미생물량의 증가 및 기질 제거와 직접적인 연관이 있으므로 이를 측정하는 것은 활성슬러지 공정의 운전을 위해서 유용하다. 포기조로 유입되는 생물학적 분해 가능물질의 농도가 높을수록 또는 포기조 내 미생물의 활성이 높을수록 미생물의 호흡률은 높은 값을 나타낸다.

미생물이 전자수용체로 산소를 사용함으로써 유기물 산화와 질산화가 진행된다. 전자수용체로 사용되는 적당한 양의 산소가 지속적으로 미생물에게 공급되어야 하는데, 이때의 필요한 산소량을 측정하기 위하여 호흡률 측정법을 사용한다. 반응기(110)에 포기조의 하수 주입 후, 산소를 공급, 즉 과폭기를 하여 용존산소량 농도 추이를 통해 미생물의 호흡률을 측정할 수 있다. 여기에서 측정된 미생물의 호흡률을 이용하여 산출되는 최적 용존산소량 농도를 유지함으로써 안정적이고 효율적인 포기조 운영이 가능하게 된다.

미생물의 호흡률 측정 과정 중 하수를 반응기 안에 채우고 과폭기하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후 폭기를 중단하면 용존산소량 농도가 감소하는데, 이를 통해 미생물이 산소를 소비한다는 것을 확인할 수 있다. 단위시간당 미생물의 호흡률은 다음 수학식 1과 같이 구할 수 있다.

상기 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출할 수 있다.

상기 단위시간당 미생물의 호흡률로부터 최적 용존산소량을 산출하는 방법은 도 2를 이용하여 설명하도록 한다. 도 2는 미생물의 호흡률 측정 결과 그래프를 나타내며, 그래프를 통해 최적 용존산소량 농도를 산정할 수 있다. 산소공급부(120)를 통해 산소를 최대한 넣음으로써 과폭기되고 용존산송량 농도는 최대가 된다. 그 후, 미생물이 유기물 산화 및 질산화를 위해 산소를 사용하게 되고, 용존산소량 농도는 감소한다. 미생물이 더 이상 유기물 산화 및 질산화를 할 수 없을 때에 용존산소량 농도는 일정해 진다. 호흡률 곡선(210)을 보면, 용존산소량 농도가 높을 때에는 미생물의 활성도가 증가하여 그에 따라 산소호흡률이 높다. 용존산소량 농도가 감소하면서 미생물의 호흡률이 서서히 낮아지다가 용존산소량 농도가 일정해지면 상기 미생물의 호흡률이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 용존산소량 농도가 일정하다는 것은 이미 미생물이 산소를 사용할 필요가 없다는 것을 의미하며, 그 직전까지의 호흡률, 즉 호흡률 곡선(210)의 감소기울기가 급격히 감소하기 직전까지가 미생물에게 필요한 최대 용존산소량 농도가 될 수 있고, 최대 용존산소량 농도 이상으로 공기가 주입되어도 미생물은 더 이상 산소를 사용하지 않는다. 이때의 A 면적(220)이 최적 용존산소량 농도가 된다. 상기 A 면적(220)과 최적 용존산소량 농도는 비례한다.

상기 미생물의 호흡률이 시간에 따라 증가하는 구간이 존재하거나 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가하는 구간이 없는 경우 상기 최적 용존산소량 농도의 산출 오류로 판단하고 상기 포기조의 하수를 다시 샘플링할 수 있다. 미생물의 호흡률이 시간에 따라 감소하여야함에도 불구하고, 미생물의 호흡률이 시간에 증가하는 구간이 존재하는 경우, 오류로 판단한다. 또한, 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가하는 구간을 최적 용존산소량 농도 산출구간으로 임계 기울기 이상으로 증가하는 구간이 없는 경우, 어느 구간까지를 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출할지를 결정할 수 없기 때문에 상기 포기조의 하수를 다시 샘플링할 수 있다.

최적 용존산소량 농도는 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하는 경우에만 상기 송풍기의 송풍량을 제어하는데 이용하고, 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도 조건이 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하인 경우 만족하며, 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용하는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률의 개수가 임계치 이상일 경우 만족하는 것일 수 있다. 최적 용존산소량 농도가 하수처리에 적합한 용존산소량 농도인지를 판단하기 위하여, 두 가지 조건을 이용할 수 있으며, 상기 두 가지 조건을 만족하는 경우에만 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 송풍기의 송풍량을 제어하는데 이용할 수 있다. 제 1 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 산출된 최적 용존산소량 농도가 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하인지 여부이다. 하수처리에 있어서 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하를 벗어나는 경우, 상기 산출된 최적 용존산소량 농도는 유효하지 않다고 판단한다. 상기 최소 용존산소량 농도 및 최대 용존산소량 농도는 경험치 또는 기존 데이터에 의해 결정될 수 있고, 처리장 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다. 제 2 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용하는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률의 개수가 임계치 이상일 경우 만족하는지 여부이다. 도 2에서 살펴본 바와 같이, 상기 최적 용존산소량 농도는 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 산출하는데, 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용되는 단위시간당 미생물의 호흡률인 유효 단위시간당 미생물의 호흡률이 임계치 이상일 경우에만, 최적 용존산소량 농도를 산출하도록 할 수 있다. 상기 임계치는 경험치 또는 기존 데이터에 의해 결정될 수 있고, 처리장 특성에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 일반적으로 상기 임계치는 5 개 이상일 수 있다.

방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 총질소량이 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출한다. 상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하는 경우, 상기 최적 용존산소량 농도를 이용하여 송풍기를 제어하기 전에, 상기 최적 용존산소량 농도가 적합한지 검증하기 위하여, 화학적 산소요구량 및 총질소량을 이용한다. 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 산출된 최적 용존산소량 농도를 이용하여 하수를 처리하는 경우, 그에 따른 화학적 산소요구량 또는 총질소량 또한 적합한지를 판단함으로써 산출된 최적 용존산소량 농도가 적합한지 판단한다.

상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 방류수질의 상태에 따라 최적 용존산소량 농도의 적용 여부를 결정하고 보정함으로써, 공정의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있도록 하였다. 하수처리장에 원격수질감시체계(Tele-Monitoring System, TMS)를 구축하여 총부유물질(TSS), 화학적 산소요구량(COD), 총질소량(TN), 총인량(TP) 농도의 방류수질을 실시간으로 측정 및 모니터링할 수 있다. 이 중, 용존산소량 농도에 의해 영향을 받을 수 있는 화학적 산소요구량 및 총질소량 농도가 기준 임계치보다 낮을 경우 정상으로 판단하여, 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어할 수 있으며, 방류수의 화학적 산소요구량 및 총질소량 농도가 기준 임계치보다 높을 경우, 이는 부적합한 것으로 판단하여, 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 재산출한다.

방류수의 화학적 산소요구량 및 총질소량 중, 어느 하나의 항목이 기준 임계치보다 높을 경우에는 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 높여 산화반응이 더 많이 일어나도록 유도한다. 다음 수학식 2와 같이 현재 방류수의 화학적 산소요구량(CODt)과 임계 화학적 산소요구량(CODc)의 비 및 방류수 총질소량(TNt)과 임계 총질소량(TNc)의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출할 수 있다. 즉, 상기 화학적 산소요구량(CODt)과 임계 화학적 산소요구량(CODc)의 비 및 방류수 총질소량(TNt)과 임계 총질소량(TNc)의 비 중 큰 값을 현재 최적 용존산소량 농도(DOt)에 곱한 후 안전계수(safety factor, s.f)를 적용하여 최적 용존산소량 농도를 재산출한다.

여기에서 화학적 산소요구량 및 총질소량의 기준 임계치는 운영자가 방류수질 변동 범위를 고려하여 설정할 수 있고, 방류수질기준의 70~80%로 결정할 수 있다.

방류수질을 통해 최적 용존산소량 농도를 산정함으로써 최종적으로는 하수처리장의 운영에 가장 중요한 기준이 되는 방류수질기준을 만족시킬 수 있고, 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출시 기기 오류 및 문제점 발생하거나 공정 이상 및 급격한 유입 부하 등이 발생하였을 때에도 안정적인 방류수질을 제공하도록 최적 용존산소량 조절이 용이하다.

상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인지를 판단하여, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출할 수 있다. 상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 최적 용존산소량 농도는 유효하지 못한 것으로 판단한다. 상기 최적 용존산소량 농도는 유효하지 못한 경우, 방류수의 화학적 산소요구량 및 총질소량을 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용한다. 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인지를 판단하여, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지한다. 이번에 산출된 최적 용존산소량 농도는 유효하지 않은바, 이전의 최적 용존산소량 농도를 그대로 유지할지 판단한다. 이전의 최적 용존산소량 농도에서의 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우, 이전의 최적 용존산소량 농도에서 하수를 처리함에 적합한 것인바, 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지한다. 하지만, 이전의 최적 용존산소량 농도에서의 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우, 상기 이전의 최적 용존산소량 농도는 하수처리에 부적합한 것인바, 이전의 최적 용존산소량 농도를 재산출하여야 한다. 상기 이전의 최적 용존산소량 농도는 다음 수학식 3과 같이 산출할 수 있다.

여기서, CODt는 현재 방류수의 화학적 산소요구량이고, TNt는 현재 방류수의 총질소량이고, CODs와 TNs는 각각의 기준 임계치로써, 기준 임계치 이상일 때에는 더 많은 용존산소량 농도가 필요하다고 판단된다. 상기 기준 임계치는 운영자가 방류수질 변동 범위를 고려하여 설정할 수 있고, 방류수질기준의 70~80%로 결정할 수 있다. DOs는 용존산소량 농도 기준 임계치를 의미하며 마찬가지로 운영자에 의해서 결정될 수 있다. 또는 이전의 최적 용존산소량 농도를 이용할 수도 있다. s.f는 안전계수를 나타낸다.

제어부(140)는 상기 최적 용존산소량 농도에 따라 송풍기(150)의 송풍량을 제어한다.

보다 구체적으로, 제어부(140)는 처리부(130)가 단위시간당 미생물의 호흡률에 따라 산출된 최적 용존산소량 농도, 화학적 산소요구량, 및 총질소량을 이용하여 최종적으로 결정된 최적 용존산소량 농도에 따라 송풍기(150)의 송풍량을 제어한다. 하수처리에 이용되는 산소의 공급은 송풍기(150)의 송풍량에 따라 결정된다. 제어부(140)가 제어하는 송풍기(150)는 송풍량이 상이한 복수의 송풍기일 수 있다. 송풍량의 절감 효과를 높이기 위하여, 송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용할 수 있다.

송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용하여, 제어부(140)는 상기 최적 용존산소량 농도의 증감정도에 따라 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택하여 운전 중인 송풍기가 최적효율구간에서 운전되도록 다단으로 송풍기를 제어할 수 있다. 하나의 송풍기를 제어하는 경우, 송풍기의 최적효율구간에서 운전되도록 제어하기 어려운바, 복수의 송풍기를 이용하여 송풍량을 제어할 수 있다. 나아가, 송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용하여 송풍량을 제어함으로써, 각 송풍기의 최적효율구간에서 운전되도록 제어할 수 있다. 상기 최적 용존산소량의 증감에 따른 송풍량의 변화 및 각 송풍기의 최적효율구간을 이용하여 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택할 수 있다. 예를 들어, 송풍량이 큰 하나의 송풍기를 추가하는 경우와 송풍량이 작은 복수의 송풍기를 추가하는 경우 중, 어떤 경우가 각 송풍기의 최적효율구간에서 운행되는지 또는 어떤 경우가 소비전력이 적게 소비되는지를 비교하여 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택할 수 있다.

상기 송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 제어하기 위하여, 각 송풍기의 소비전력 및 송풍량에 따른 송풍기 최적 가동 범위를 산출하고, 상기 산출된 송풍기 최적 가동 범위, 상기 최적 용존산소량 농도, 및 최소 용존산소량 필요치를 이용하여 상기 각 송풍기의 최적 운전 조건을 산출할 수 있다. 소비전력을 최소화할 수 있는 송풍기의 최적 운전 조건을 산출하기 위하여, 각 송풍기의 소비전력 및 송풍량에 따른 각 송풍기 최적 가동 범위, 및 최적 용존산소량 농도, 및 최소 용존산소량 필요치를 이용할 수 있다. 송풍기의 소비전력 및 송풍기의 송풍량을 실시간으로 감지할 수 있다. 상기 송풍기의 소비전력은 송풍기에 전력을 공급하는 배전반(MCC)에서 감지할 수 있으며, 송풍량은 송풍기에 의해 공기가 통과하는 관에서 감지할 수 있다. 또한, 용존산소량은 용존산소량 메터(DO meter)에서 감지할 수 있다. 송풍기의 소비전력 및 송풍량을 이용하여 송풍기 최적 운전 범위를 산출할 수 있다. 여기서, 송풍기 최적 운전 범위는 상기 송풍기가 소비하는 전력대비 송풍량의 효율이 가장 좋은 범위이며, 상기 송풍기 최적 가동 범위는 송풍기의 효율곡선을 이용하여 산출할 수 있다. 상기 송풍기 최적 가동 범위를 벗어나는 경우에는 운전하는 송풍기의 수를 늘리거나 줄일 필요가 있다. 즉, 상기 송풍기 최적 가동 범위는 일정 이상의 송풍량을 이용하면서, 소비전력 대비 송풍량의 효율이 좋은 범위이며, 상기 송풍기의 효율곡선과 추세선을 이용하여 상기 송풍기 최적 가동 범위를 산출할 수 있다. 상기 송풍기의 효율곡선은 상기 송풍기의 소비전력 대비 상기 송풍기의 송풍량의 곡선일 수 있다. 상기 송풍기의 효율은 소비하는 전력량이 커질수록 송풍량이 줄어든다. 따라서, 효율곡선은 소비전력이 커질수록 송풍량이 주는 방향으로 기울기가 변화한다. 상기 송풍기 최적 가동 범위를 산출하기 위하여 상기 효율곡선의 추세선을 산출한다. 상기 추세선은 종래의 다양한 방법으로 산출할 수 있다. 상기 상출된 추세선은 효율곡선을 가로질러 그려지게 된다. 상기 송풍기 최적 가동 범위는 상기 송풍기의 효율곡선의 값이 상기 효율곡선의 추세선의 값보다 커지는 지점부터 상기 효율곡선의 기울기가 상기 추세선의 기울기와 같아지는 지점까지의 범위로 설정할 수 있다. 상기 추세선은 상기 송풍기의 소비전력 전반에 걸친 평균효율로 볼 수 있고, 상기 효율곡선의 값이 추세선의 값보다 커지는 지점, 즉, 특정 소비전력에 대한 효율곡선에 따른 송풍량이 해당 소비전력에 대한 추세선에 따른 송풍량보다 커지는 지점을 송풍기 최적 가동 범위의 최저 지점으로 산출할 수 있다. 상기 지점 이상에서 송풍기의 효율이 높은바, 상기 지점 이상의 소비전력을 이용하도록 송풍기를 제어할 수 있다. 또한, 상기 효율곡선의 기울기가 추세선의 기울기와 같아지는 지점을 상기 송풍기 최적 가동 범위의 최대 지점으로 산출할 수 있다. 상기 효율곡선의 기울기는 상기 송풍기 최적 가동 범위의 최저 지점부터 작아지며, 상기 효율곡선의 기울기가 작아져 추세선의 기울기가 같아지는 지점을 상기 송풍기 최적 가동 범위의 최대 지점으로 산출할 수 있다. 추세선의 기울기는 상기 송풍기의 평균소비전력인바, 송풍기의 평균소비전력이상이 되는 범위에서 송풍기를 이용하도록 송풍기를 제어할 수 있다. 상기 최적 운전범위를 벗어남에 따라 송풍기의 수를 늘리거나 줄이는 경우, 상기 변경된 송풍기에 따른 최적 운전 범위를 다시 산출할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송풍기 제어장치의 반응기의 다른 구성들과의 연결관계를 나타낸 것이다.

도 3a와 같은 구성을 통해 미생물의 호흡률을 측정할 수 있다. 첫 단계에서는 포기조 1계열(Oxic reactor #1)에 설치된 설치밸브와 유입펌프가 가동되며 반응조 유입조절밸브가 열리면서 하수가 전량 반응기에 채워진다. 다음으로 반응기 내 전기기포발생기 및 산기관에 의해 미세한 산소가 연속적으로 공급되어 하수 내 용존산소량 농도를 증가시키며, 교반모터 작동에 의해 하수의 완전혼합을 유지한다. 수질계측센서로 용존산소량을 측정하며, 1분 간격으로 약 20분간 용존산소량 농도를 측정하도록 설정할 수 있다. 측정이 완료되면 반응기 하부에 연결되어 있는 배출배관의 전동구동밸브가 열리면서 공압식으로 센서를 세척하고, 반응기에 있는 하수는 모두 배출이 되고 일정기간의 지점별 휴지기를 거친 후, 포기조 2계(Oxic reactor #2)열의 샘플밸브가 열리면서 앞의 기작이 연속적으로 수행된다.

도 3b는 전체 공정을 나타낸다. 포기조 1, 2 계열에서 샘플링해 OUR 분석기에서 호흡률을 측정하여 현장 PLC, 감시제어시스템, 통신서버를 통해 DB 서버에 저장된다. 분석서버에서 실시간 호흡률 값을 가져와 분석하여 최적 용존산소량 농도가 산출되고, 이 최적 용존산소량 농도를 최종적으로 송풍기로 보냄으로써, 송풍기에서 최적 용존산소량 농도를 설정치로 유지되도록 송풍량을 제어할 수 있다.

도 3c는 실제로 구현된 예로써, 호흡률 측정기, 하수의 유입과 유출 라인, 반응기, DO센서, 기포발생기와 유입 라인을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 제어방법의 흐름도이다.

410단계는 포기조의 하수를 샘플링하는 단계이다.

보다 구체적으로, 포기조의 하수를 이용하여 송풍기를 제어하기 위한 최적 용존산소량 농도를 산출하기 위하여, 포기조의 하수를 샘플링한다. 본 단계에 대한 상세한 설명은 도 1의 반응기(110)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 반응기(110)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.

420단계는 샘플링된 하수로부터 측정된 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계이다.

보다 구체적으로, 샘플링된 하수에 포함되어 있는 미생물의 호흡률을 이용하여 송풍기를 제어하기에 적합한 최적 용존산소량 농도를 산출한다. 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 방법에 대해서는 도 5에서 구체적으로 살펴보도록 한다. 아울러, 본 단계에 대한 상세한 설명은 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.

430단계는 방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 방류수의 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계이다.

보다 구체적으로, 420단계에서 산출한 최적 용존산소량 농도가 하수처리에 적합한지 검증하기 위하여, 방류수의 화학적 산소요구량 및 방류수의 총질소량을 이용한다. 즉, 방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 방류수의 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단한다. 본 단계에 대한 상세한 설명은 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.

440단계는 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계이다.

보다 구체적으로, 430단계의 판단 결과, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우, 420단계에서 산출된 최적 용존산소량 농도는 유효한 것인바, 420단계에서 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지한다. 하지만, 430단계의 판단 결과, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우, 420단계에서 산출된 최적 용존산소량 농도는 하수처리에 적합하지 않은바, 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출한다. 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비와 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비 중 큰 값에 현재 최적 용존산소량 농도 및 안전계수를 곱하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출할 수 있다. 본 단계에 대한 상세한 설명은 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.

450단계는 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계이다.

보다 구체적으로, 440단계에서 최종적으로 산출된 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어한다. 송풍기의 송풍량을 효율적으로 제어하기 위하여, 다단으로 송풍기를 제어할 수 있다. 운전 중인 송풍기가 최적효율구간에서 운전되도록 다단으로 송풍기를 제어할 수 있다. 나아가, 송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용하여, 상기 최적 용존산소량 농도의 증감정도에 따라 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택하여 다단으로 송풍기를 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 송풍기 제어방법의 흐름도이다.

510단계는 샘플링된 하수에 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후, 단위시간당 상기 용존산소량의 감소량으로부터 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하는 단계이다.

보다 구체적으로, 410단계에서 샘플링된 포기조의 하수를 이용하여 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정한다. 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높여 과폭기한 후, 시간이 지날수록 미생물의 호흡에 따라 얼마나 산소가 소비되는 지를 측정하는 것이다. 본 단계에 대한 상세한 설명은 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.

520단계는 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계이다.

보다 구체적으로, 유효범위에서의 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출한다. 상기 미생물의 호흡률이 시간에 따라 증가하는 구간이 존재하거나 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가하는 구간이 없는 경우 상기 최적 용존산소량 농도의 산출 오류로 판단하고 상기 포기조의 하수를 다시 샘플링할 수 있다. 또한, 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하는 경우에만 상기 송풍기의 송풍량을 제어하는데 이용하고, 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도 조건이 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하인 경우 만족하며, 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용하는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률의 개수가 임계치 이상일 경우 만족하는 것일 수 있다. 상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계 및 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 단계에 대한 상세한 설명은 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 처리부(130)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 송풍기 제어방법의 흐름도이다.

610단계에서 포기조에서 샘플링된 하수를 이용하여 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정한다. 620단계에서는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출한다. 630단계에서는 620단계에서 산출된 최적 용존산소량 농도가 최적 조건을 만족하는지 판단한다. 최적 용존산소량 농도가 최적 조건을 만족하는 경우, 640단계 및 650단계에서 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지와 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단하고, 640단계 및 650단계를 만족하면 620단계에서 산출된 최적 용존산소량 농도를 이용하여 송풍기를 제어한다. 만약, 640단계 또는 650단계를 만족하지 못하면, 670단계에서 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 화학적 산소요구량 및 총질소량을 이용하여 재산출하고, 재산출된 최적 용존산소량 농도를 이용하여 송풍기를 제어한다. 만약, 630단계에서 최적 용존산소량 농도가 최적 조건을 만족하지 않는 경우, 640단계 및 650단계에서 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지와 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단한다. 641단계 및 651단계를 만족하면 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지하여 송풍기를 제어한다. 만약, 641단계 또는 651단계를 만족하지 못하면, 690단계에서 이전의 최적 용존산소량 농도를 화학적 산소요구량 및 총질소량을 이용하여 재산출하고, 재산출된 최적 용존산소량 농도를 이용하여 송풍기를 제어한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송풍기 제어방법에 따른 최적 용존산소량 농도 결과를 도시한 것이다.

실제 가동 중인 D 하수처리장을 테스트베드로 이용하였다. D 하수처리장은 용량 4,000m3/일 규모의 처리장으로, 음식물쓰레기 산발효액을 이용한 하수처리고도처리 공법인 TEC-BNR 공법이 적용되었다. 2012년 10월 ∼ 2012년 12월의 3개월동안 테스트베드에 호흡률 측정기를 설치하고 모니터링하여 연구, 분석하였다. 호흡률측정 장비는 포기조 1계열과 2계열에서 배관을 연결하여 샘플링하여 분석하였고, 계열별로 하수 샘플링 및 반응기 내 유입(4분), 과폭기(2분), 1분 단위의 OUR 측정(20분), 하수 유출 및 휴지(4분)으로 연속측정 하였으며, 1, 2계열을 1 cycle(1시간)로 측정하였다. 2012년 12월 8일부터 2012년 12월 15일까지의 송풍기 제어방법에 따른 최적 용존산소량 농도 결과는 도 7과 같다. 12월 11일부터 최적 용존산소량(DO) 농도 산출 및 설정치 적용을 수행하였으며, 12월 8일부터 11일 이전까지의 포기조 용존산소량(DO) 농도는 평균 3.3mg/L로 2.3mg/L ~ 4.3mg/L의 범위로 운전되고 있었으며, 11일 이후 최적 용존산소량(DO) 농도는 평균 1.75mg/L로 1.3 ~ 2.4 mg/L 범위의 농도로 산정되었다. 적용 결과 실제 용존산소량(DO) 농도는 평균 1.98mg/L로 1.59mg/L ~ 2.85mg/L 범위로 적용 이전보다 약 40% 정도 낮게 나타났다. 이를 통해 기존에는 포기조가 과폭기 상태로 운전되고 있다고 판단할 수 있고, 송풍기 제어운전 후 실제 용존산소량(DO) 농도가 낮아지는 것으로 제어로직이 정상적으로 수행되었음을 알 수 있다. 최적 용존산소량(DO) 농도로 운영시, 방류수의 화학적 산소요구량(COD) 및 총질소량(TN) 농도는 다소 높아졌만, 방류수질 기준을 넘지 않았다. 즉, 기존의 높은 용존산소량(DO) 농도는 미생물에게 필요 이상의 공기가 공급되었다는 것을 확인할 수 있으며, 최적 용존산소량(DO) 농도 산정을 통한 송풍기 제어운전으로 미생물이 최적으로 활용가능한 산소량을 포기조에 공급할 수 있었다. 위 기간동안의 포기조 용존산소량(DO) 농도는 기존 대비 약 40%로 감소시킴으로써 송풍기에 대한 전력비용을 감소시킨 것으로 판단된다.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 송풍기 제어장치
110: 반응기
120: 산소공급부
130: 처리부
140: 제어부
150: 송풍기
160: 포기조

Claims (14)

1. 포기조의 하수를 샘플링하는 단계;
   상기 샘플링된 하수로부터 측정된 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계;
   방류수의 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 방류수의 총질소량이 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계;
   상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계; 및
   상기 최적 용존산소량을 이용하여 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계를 포함하는 송풍기 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계는,
   상기 샘플링된 하수에 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후, 단위시간당 상기 용존산소량의 감소량으로부터 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하는 단계; 및
   상기 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계를 포함하는 송풍기 제어방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 미생물의 호흡률이 시간에 따라 증가하는 구간이 존재하거나 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가하는 구간이 없는 경우 상기 최적 용존산소량 농도의 산출 오류로 판단하고 상기 포기조의 하수를 다시 샘플링하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 최적 용존산소량 농도는,
   제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하는 경우에만 상기 송풍기의 송풍량을 제어하는데 이용하고,
   상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도 조건이 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하인 경우 만족하며,
   상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용하는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률의 개수가 임계치 이상일 경우 만족하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하지 못하는 경우,
   상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인지를 판단하는 단계; 및
   상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 단계를 더 포함하는 송풍기 제어방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 단계는,
   상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비와 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비 중 큰 값에 현재 최적 용존산소량 농도 및 안전계수를 곱하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 송풍기의 송풍량을 제어하는 단계는,
   운전 중인 송풍기가 최적효율구간에서 운전되도록 다단으로 송풍기를 제어하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 이용하여, 상기 최적 용존산소량 농도의 증감정도에 따라 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택하여 다단으로 송풍기를 제어하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
10. 포기조의 하수를 샘플링하여 저장하는 반응기;
    상기 반응기에 산소를 공급하는 산소공급부;
    상기 반응기에 저장된 하수를 이용하여 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하고, 상기 단위시간당 미생물의 호흡률로부터 최적 용존산소량 농도를 산출하며, 방류수의 화학적 산소요구량 및 총질소량에 따라 상기 최적 용존산소량을 재산출하는 처리부; 및
    상기 최적 용존산소량 농도에 따라 송풍기의 송풍량을 제어는 제어부를 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 화학적 산소요구량이 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 임계 총질소량 이하인 경우 상기 산출된 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 재산출하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 샘플링된 하수에 산소를 공급하여 용존산소량 농도를 최대로 높인 후, 단위시간당 상기 용존산소량의 감소량으로부터 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 측정하고, 상기 용존산소량 농도를 최대로 높인 후부터 상기 미생물의 호흡률 곡선의 감소기울기가 임계 기울기 이상으로 증가할 때까지의 상기 단위시간당 미생물의 호흡률을 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 최적 용존산소량 농도는,
    제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하는 경우에만 상기 송풍기의 송풍량을 제어하는데 이용하고,
    상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도 조건이 최소 용존산소량 농도 이상 최대 용존산소량 농도 이하인 경우 만족하며,
    상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건은 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는데 이용하는 상기 단위시간당 미생물의 호흡률의 개수가 임계치 이상일 경우 만족하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 최적 용존산소량 농도가 상기 제 1 최적 용존산소량 농도 조건 및 상기 제 2 최적 용존산소량 농도 조건을 만족하지 못하는 경우,
    상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하인지 또는 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인지를 판단하여, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량 이하이면서 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량 이하인 경우 이전의 최적 용존산소량 농도를 유지하고, 상기 화학적 산소요구량이 상기 임계 화학적 산소요구량을 초과하거나 상기 총질소량이 상기 임계 총질소량을 초과하는 경우 상기 화학적 산소요구량과 상기 임계 화학적 산소요구량의 비 및 상기 총질소량과 상기 임계 총질소량의 비를 이용하여 상기 최적 용존산소량 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어장치.
14. 제 10 항에 있어서,
    송풍량이 상이한 복수의 송풍기를 더 포함하고,
    상기 최적 용존산소량 농도의 증감정도에 따라 운전을 추가하거나 중지할 송풍기를 선택하여 운전 중인 송풍기가 최적효율구간에서 운전되도록 다단으로 송풍기를 제어하는 것을 특징으로 하는 송풍기 제어장치.
    
    

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