KR101325659B1 - 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치 - Google Patents

연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 회분식으로 운영되는 하수 고도 처리공정, 즉 회분식 활성 슬러지(SBR, Sequencing Batch Reactor)에서 호기 조건에서 암모니아성 질소 농도를 미생물 호흡율 측정을 통해 질산화 반응 여부를 연속적으로 모니터링하고, 질산화 반응 종료가 인지되면 호기 반응을 종료시켜 다음 사이클(cycle)로 반응을 앞당기거나, 반응 시간 조절을 통한 HRT(Hydraulic Retention Time)제어 및 처리용량 증대를 가져 올 수 있는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기동력 제어 장치에 대한 것입니다.
본 발명에 따르면, 산소 소모율 측정으로 인해 질산화 반응이 종료되면 변곡점이 나타나는데, 변곡점 인지 로직에 의해 질산화 반응 종료 여부를 판단하게 되므로, 질산화 반응 종료 시 하수처리공정인 SBR에 호기 공정의 주요 제어 인자인 산소공급을 제어 또는 중단하여 하수 처리장에 소모되는 동력을 최소화하는 것이 가능하다.

Description

연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치{Apparatus for controlling aeration system by nitrification reaction in Sequencing Batch Reactor}
본 발명은 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 회분식으로 운영되는 하수 고도 처리공정, 즉 회분식 활성 슬러지(SBR, Sequencing Batch Reactor)에서 호기 조건에서 암모니아성 질소 농도를 미생물 호흡율 측정을 통해 질산화 반응 여부를 연속적으로 모니터링하고, 질산화 반응 종료가 인지되면 호기 반응을 종료시켜 다음 사이클(cycle)로 반응을 앞당기거나, 반응 시간 조절을 통한 HRT(Hydraulic Retention Time)제어 및 처리용량 증대를 가져 올 수 있는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기동력 제어 장치에 대한 것입니다.
통상적인 연속회분식활성슬러지법(SBR, Sequencing Batch Reactor)의 운영에 있어서, 1주기 운전은 유입, 반응, 침전 및 배출 등으로 구성되어 있으며, 질소 및 인 제거를 위해 각 반응의 단계에서 포기 및 비포기 운전 방법에 따라 제거 대상 물질 및 방류수 수질이 결정된다. 따라서 목표로 하는 방류수 수질을 달성하기 위해 다양한 SBR 변법 공정들이 개발되어 운전되고 있다.
하수고도처리 과정에서 질소제거는 질산화와 탈질산화에 의해 유입하수의 질소가 질소가스로 전환되어 제거되는데, 질산화 반응은 산화과정을 통해 질산성 질소로 전환되게 되며 반응식은 다음과 같다.
암모니아 아질산화 NH4 + + 1.5O2 -----> NO2 - + H2O + 2H+
아질산의 질산화 NO2 - + 0.5O2 -----> NO3 -
전체 반응 NH4 + + 2O2 -------> NO3 - + H2O + 2H+
이때 암모니아가 질산화되면서 1g의 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되는데 소모되는 산소는 4.6g 이다. 따라서 암모니아성 질소의 산화시에는 산소 호흡을 하며, 질산화가 종료되면 암모니아성 질소의 산화에는 더 이상의 산소가 소모되지 않는다.
따라서, 호기조건에서 나타나는 미생물의 호흡은 유기물 산화, 내생호흡, 질산화로 구분할 수 있으며, 대부분의 고도처리공정에서는 인 방출 및 탈질과정에서 대부분의 유기물이 전자 공여체로 사용되므로, 호기 조건에서의 대부분의 산소소모는 독립 영양 미생물(Autotrophic)의 질산화 반응 및 종속 영양 미생물(Heterotrophic)의 내생 호흡에 의해 나타난다.
도 1은 종래기술로서 한국공개특허번호 제2003-0075509호(발명의 명칭: 연속식 회분 반응기의 운전 제어시스템 및 운전 제어방법)의 개념을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 운전 제어 시스템은, 하수 고도처리를 위한 SBR 반응조, 반응조 내 용존산소 농도 측정을 위한 DO 미터, 측정된 DO를 이용 포기 및 비포기 시간을 제어하기 위한 제어 시스템으로 구성된다.
부연하면, 도 1에 도시된 종래기술은 반응조 내의 용존산소 농도를 모니터링하여 이를 이용하여 시간에 따른 용존산소의 변화량을 하수처리를 위한 반응조 내에서 측정 및 연산하여 유입수 암모니아성 질소농도의 예측과, 산화된 질산성 질소의 농도를 예측하여 포기 및 비포기 시간을 설정하여 질산화 및 탈질효율을 높이기 위해 최적화된 반응 시간을 설정하기 위함이다.
도 2는 종래기술로서 한국등록특허번호 제10-0582273호(발명의 명칭: 산화환원전위값에 따라 포기공정에서의 용존산소 농도를 자동제어하는 하폐수처리장치 및 하폐수처리방법)의 개념을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 하폐수처리장치는 반응조, DO, ORP 센서, 송풍기, 제어부로 구성된다.
부연하면, 도 2에 도시된 종래기술은 하수 유입 이후 반응조내 ORP를 측정 및 변화량을 연산하여 후속공정 호기조의 DO를 제어하는 기술로서 호기조 내 공급 공기를 유입 부하에 의해 제어하는 처리시스템이다.
통상적인 산소소모율(OUR, Oxygen Uptake Rate) 측정은 하수처리장으로 유입되는 유입수의 유기물 농도 중 이화학적으로 분석 불가능한 RBDCOD(Readily BioDegradable COD) 및 SBDCOD(Slowly BioDegradable COD)를 측정하기 위해 실시하는 방법이며, 하수처리장에서 채취한 슬러지(미생물)를 과포기 시킨 후, 이 슬러지와 측정(분석)하고자 하는 대상 시료를 특정한 F/M 비로 시료를 혼합하여 포기하면서 일정한 시간간격으로 혼합시료를 채취하여 소모된 산소량을 측정하고 시간에 따른 산소소모율을 계산한다.
도 3은 종래기술로서 한국공개특허번호 제2010-0099603호(발명의 명칭: 듀얼 센서를 이용한 급속 미생물 호흡률 측정장치 및 측정방법)의 개념을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 미생물 호흡률 측정장치는, 미생물호흡율 측정을 위해 슬러지를 전처리하는 사전포기조, 하수 또는 수돗물과 슬러지를 혼합하여 포기시키는 재포기조; 미생물 호흡률을 측정하기 위하여 각각 용존산소센서가 설치된 2개의 호흡률 측정챔버; 및 상기 호흡률 측정 챔버의 용존산소센서에서 수집된 용존산소 데이터를 저장하며, OUR(Oxygen Uptake Rate) 및 누적산소소모량(OC; Oxygen Consumption)을 연산하여 실시간 COD(Chemical Oxygen Demand) 분율을 계산하는 제어 및 데이터 연산/저장부로 구성된다.
부연하면, 도 3에 도시된 종래기술은 하수처리장으로 유입되는 하수와 전처리된 슬러지를 혼합하여 F/M 비 조건에 따라 소모된 산소소모율을 연산하고 이에 따라 하수의 RBDCOD를 실시간으로 연산하는 장치이다.
하수처리장 운영관리비 중 전력비가 차지하는 비율은 19.7%이며, 이중 포기조 송풍기가 40.1% 소비하고 있다(하수도 시설 에너지 자립화 타당성 조사 연구(2008.환경부).
국내에서 운영되는 대부분의 하수처리시설로 유입되는 하수는 수질 및 수량이 설계기준에 못 미쳐 유입되므로, 실질적으로 전체 공정은 체류시간이 증가되고 있으며, 이로 인해 동력 또한 과다하게 소비되고 있는 실정이다.
하수처리 공정에서 포기조의 용존산소 농도는 일반적으로 2 mg/L범위에서 운전되어야 되는데, 용존산소 농도가 낮게 운영될 때에는 질산화 및 유기물 산화가 완전하게 이루어 지지 않아 처리수질의 악화를 가져 올 수 있으며, 활성 슬러지 침전성에도 영향을 미치게 된다.
그러나 용존산소 농도를 4 mg/L이상으로 운전 시 처리수 수질 개선 효과는 거의 없으나, 포기에 소요되는 동력비가 과다하게 발생된다(Tchobanoglous, 1991).
하수처리 공정에서 포기조 내 용존산소 농도는 유기물 부하 등에 따라 변하게 되는데 송풍기 공기 유량을 고정된 상태에서 운영하게 되면 미생물 호흡에 따른 용존산소 농도를 반영할 수 없다는 한계가 있다.
따라서 반응조의 용존산소 농도를 모니터링하고 이에 따라 적절한 송풍량 제어를 위해 반응조 내 DO(Dissolved Oxygen) 및 ORP(Oxydation Reduction Potential) meter를 설치하여 송풍기의 출력을 제어하여 운영한 사례가 있다(한국수자원공사, 2003).
그러나 위와 같은 방법으로 호기조의 DO를 효율적으로 공급하여 동력비를 절감할 수 있지만, 유입 부하량에 따른 실질적인 제어 및 반응조의 수리학적 체류시간(HRT)의 제어는 직접적으로 불가능하다는 문제점이 있다.
또한, 반응조 내 이온물질의 분석을 통해 질산화 반응을 모니터링하기 위해서는 고가의 분석 장비가 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 호기조의 DO를 효율적으로 공급하여 동력비를 절감하면서도, 유입 부하량에 따른 실질적인 제어 및 반응조의 수리학적 체류시간(HRT)의 제어를 직접적으로 가능하게 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반응조 내 이온물질의 분석을 통해 질산화 반응을 모니터링하는 고가의 분석 장비를 사용하지 않고서도 포기동력을 절감하고, 유량 및 유입부하 변동에 대처가 용이하며, 처리수질을 향상시키는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 일실시예는 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치 및 방법을 제공한다. 이 포기 동력 제어 장치는, 연속 회분식 반응조 내에서 설정에 의해 순차적으로 혐기(또는 무산소), 호기 반응이 수행되는 연속 회분식 반응조(400); 상기 호기 반응에 의해 상기 연속 회분식 반응조(400) 내로 산소를 주입하는 산기기(410); 상기 연속 회분식 반응조(400) 내의 용존 산소 농도를 측정 및 모니터링하는 연속 회분식 반응조 DO 센서(450); 상기 연속 회분식 반응조(400)에서 이송된 미생물 내의 용존산소를 측정하는 미생물 호흡율 측정부(420); 및 측정된 용존 산소 농도를 이용하여 각 측정시간에서의 산소 소모율(OUR), 기울기 및 기울기 변화량을 연산하여 질산화 반응의 종료시간을 찾아내어 상기 호기 반응을 종료하는 연산 제어부(430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 미생물 호흡율 측정부(420)는, OUR-N(Oxygen Uptake Rate for Nitrification)으로 명명되며, 상기 연속 회분식 반응조(400)로부터 소정의 미생물 시료를 이송하는 시료 이송 펌프(427); 이송된 소정의 미생물 시료를 이송받고, 시료를 교반하는 프로펠러(423-1)가 부착된 산소 소모율 측정조(423); 상기 산소 소모율 측정조 내의 용존 산소 농도를 측정하는 DO 센서(425); 및 상기 산소 소모율 측정조(423)로부터 이송된 소정의 미생물 시료 배출을 위한 제 2 솔레노이드 밸브(421)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 연산 제어부는, 상기 산소 소모율 측정조 내에서 용존 산소 농도(DO)를 측정시 초기 1분 동안 측정값은 DO의 안정화를 위한 값으로 하고, 4분 동안 측정된 값을 이용하여 산소 소모율을 측정하며, 이때 4분 내에서 측정된 최대 DO 및 최소 DO와 각 구간에서의 시간으로 산소 소모율(OUR)을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연산 제어부는, 상기 연속 회분식 반응조의 호기 시간 동안 지속적으로 상기 시료 이송 펌프의 동작을 반복하여 상기 산소 소모율(OUR) 및 기울기 변화량을 연산하여 상기 기울기 변화량이 ±100 이하로 연속 2회 연산될 때 질산화 반응의 종료로 인지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연산 제어부는, 상기 기울기 변화량 연산시 30분 이하에서는 질산화 반응 종료 감지 로직을 적용하지 않고 운영하며, 측정된 상기 산소 소모율(OUR)이 연속 3회동안 2회 이상 동일하게 연산되어 기울기 변화량이 연속 2회 0이면 상기 산소 소모율(OUR) 측정 및 기울기 변화량을 추가로 연산하여 연속 3회 ±100 이하로 연산될 시 질산화 반응을 종료하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연산 제어부는 상기 산소 소모율 측정조에 의해 질산화 종료가 공정 설계 시 설정된 호기시간 이전에 인지되면 상기 연속 회분식 반응조의 호기성 반응을 종료하고 침전 및 배출 휴지를 포함하는 설계에 의한 공정 설정 시간 중 휴지시간을 연장하여 운영하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연산 제어부는 공정 설계시 설정된 호기시간까지 질산화 종료가 감지되지 않으면, 상기 질산화 종료 알고리즘이 인지될 때까지 운영하고, 이후 휴지, 침전 및 배출 시간을 연장된 호기시간만큼 연장하여 운영하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연산 제어부는, 질산화 반응이 종료되면 상기 연속 회분식 반응조의 브로워 펌프를 중지시켜 호기반응을 종료하고 휴지, 침전 및 배출시간 및 다음 사이클 운전모드로 변경 운영하는 호기시간을 중심으로 운영모드를 가변적으로 운영하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산소 소모율 측정으로 인해 질산화 반응이 종료되면 변곡점이 나타나는데, 변곡점 인지 로직에 의해 질산화 반응 종료 여부를 판단하게 되므로, 질산화 반응 종료 시 하수처리공정인 SBR에 호기 공정의 주요 운영 인자인 산소공급을 제어 또는 중단하여 하수 처리장에 소모되는 동력을 최소화하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 동일 공정에서 OUR-N에 의해 포기 시스템을 운영하게 되면 연간 약 15%의 동력비 절감이 예상되며, 기존 유입유량 대비 120% 초과 처리가 가능하고, 이에 따라 동일 물량-대비 31% 전력비 감소의 효과를 예상할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 유입 수량 및 부하변동에 따른 하수처리 시스템의 자동 운전으로 안정적인 수질을 확보할 수 있고, 인력 의존도를 낮춰 하수 처리장 운영 관리비를 줄이고 에너지 자립화에 기여할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 종래기술로서 연속식 회분 반응기의 운전 제어시스템의 개념을 보여주는 도면이다.
도 2는 종래기술로서 산화환원전위값에 따라 포기공정에서의 용존산소 농도를 자동제어하는 하폐수처리장치의 개념을 보여주는 도면이다.
도 3은 종래기술로서 듀얼 센서를 이용한 급속 미생물 호흡률 측정장치의 개념을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연속 회분식 반응조와 산소 소모율(OUR: Oxygen Uptake Rate) 측정을 위한 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 산소 소모율 측정에 의한 질산화 종료 연산 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 산소 소모율(OUR) 연산을 위한 DO point 산정 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 연산된 각 시간별 산소 소모율(OUR) 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연속 회분식 반응조(SBR: Sequencing Batch Reactor) 공정 운영에 따른 질산화 반응 모니터링 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 OUR-N(Oxygen Uptake Rate for Nitrification) 로직 적용에 따른 동력 소모 비교를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 OUR-N 적용 방법에 따른 SBR-type MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정에서의 전력 소모량 비교를 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 OUR-N 적용 방법에 따른 처리유량 비교를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 유입수 NH4-N 부하에 따른 SBR의 1 cycle 운영 방법 예시를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연속 회분식 반응조와 OUR 측정을 위한 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 포기 동력 제어 장치는, 설정에 의해 순차적으로 혐기(또는 무산소), 호기 반응이 수행되는 연속 회분식 반응조(400); 상기 호기 반응에 의해 상기 연속 회분식 반응조(400) 내로 산소를 주입하는 산기기(410); 상기 연속 회분식 반응조(400) 내의 용존 산소 농도를 측정 및 모니터링하는 연속 회분식 반응조 DO 센서(450); 상기 연속 회분식 반응조(400)에서 이송된 미생물 내의 용존산소를 측정하는 미생물 호흡율 측정부(420); 및 측정된 용존 산소 농도를 이용하여 각 측정시간에서의 산소 소모율(OUR), 기울기 및 기울기 변화량을 연산하여 질산화 반응의 종료시간을 찾아내어 상기 호기 반응을 종료하는 연산 제어부(430) 등을 포함하여 구성된다.
연속 회분식 반응조(400)는 하수 유입을 위한 유입 및 배출 장치가 포함되어 있는 반응조로서, 하수의 유입이 시작되면, 반응조(400)내에서 설계에 의해 혐기(또는 무산소), 호기 반응 등이 순차적으로 수행된다.
여기서, 미생물 호흡율 측정부(420)는, OUR-N(Oxygen Uptake Rate for Nitrification)으로 명명되며, 상기 연속 회분식 반응조(400)로부터 소정의 미생물 시료를 이송하는 시료 이송 펌프(427); 이송된 소정의 미생물 시료를 이송받고, 시료를 교반하는 프로펠러(423-1)가 부착된 산소 소모율 측정조(423); 상기 산소 소모율 측정조 내의 용존 산소 농도를 측정하는 DO 센서(425); 및 상기 산소 소모율 측정조(423)로부터 이송된 소정의 미생물 시료 배출을 위한 제 2 솔레노이드 밸브(421) 등이 구비된다.
물론, 시료 이송 펌프(427)와 산소 소모율 측정조(423) 사이에도 제 1 솔레노이드 밸브(429)가 배치될 수 있다.
또한, 산소 소모율 측정조(423)는 미생물 시료가 공기와 직접 접촉하지 않도록 이송된 미생물 시료의 완전 수밀 및 시료의 배출시 완전 배수를 이룰 수 있는 형상을 특징으로 하며, 반응조에 프로펠러를 부착하여 연속 회분식 반응조(400)로부터 이송된 미생물 시료를 교반하여 완전 교반 상태가 되게 함으로써 측정 오차가 없어지게 된다.
제 1 솔레노이드(429) 및 제 2 솔레노이드(421) 는 시료 이송 펌프(427)에 의해 미생물 시료의 유입 및/또는 배출이 종료될 때 솔레노이드 밸브를 연동하여 산소 소모율 측정조(423)의 미생물 시료가 안정적으로 반응할 수 있도록 한다.
또한, 제 2 솔레노이드 밸브(421)는 측정이 종료되면 산소 소모율 측정조(423) 내에 있는 미생물 시료가 완전히 연속 회분식 반응조(400)쪽으로 배수가 되도록 한다.
도 4를 바탕으로, 도 5를 참조하여 본 발명의 산소 소모율 측정에 의한 질산화 반응 종료 시간을 찾는 과정을 설명한다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 산소 소모율 측정에 의한 질산화 종료 연산 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 먼저 연속 회분식 반응조(도 4의 400) 내에서 설정에 의해 순차적으로 혐기(또는 무산소), 호기 반응이 수행되며, 이와 함께, 산기기(도 4의 410)가 상기 호기 반응에 의해 상기 연속 회분식 반응조(400) 내로 산소를 주입한다.
연속 회분식 반응조(400) 내로 산소가 주입됨에 따라 산기기(410)에서 토출된 산소에 의해 연속 회분식 반응조(400) 내 용존 산소 농도(DO)가 증가한다.
이에 따라 시료 이송 펌프(427)가 온(on)되어 산소 소모율 측정조(도 4의 423)로 시료가 이송되도록 한다(단계 S500).
약 5분정도 연속 회분식 반응조(400)에서 산소 소모율 측정조(423)로 슬러지가 연속적으로 이송되어, 산소 소모율 측정조(423)의 미생물 농도 및 용존 산소 농도(DO)가 균일해지면, 시료 이송 펌프(427)가 동작을 중지하고, 산소 소모율 측정조 DO 센서(도 4의 425)에 의해 용존 산소 농도(DO) 측정이 시작된다(단계 S510).
부연하면, 시료 이송 펌프(427)가 동작을 시작하면 제 1 솔레노이드(429) 및 제 2 솔레노이드(421)는 밸브가 열리도록 작동하여 시료의 이송 및 배출이 원활하도록 하고, 시료 이송 펌프(427)가 동작을 정지하면, 밸브가 잠겨 시료가 산소 소모율 측정조(423)에서 안정적으로 반응하도록 한다.
소정시간(예를 들면 5분) 동안 용존 산소 농도(DO) 측정이 이루어지고 측정된 데이터는 연산 제어부(도 4의 430)에서 노이즈 필터링 알고리즘을 도입하여 산소 소모율(OUR) 각 측정시간에서의 산소 소모율(OUR), 기울기 및 기울기 변화량을 연산한다(단계 S520).
여기서, 상기 산소 소모율은, 다음식과 같다.
Figure 112011065648926-pat00001
여기서, DO1, DO2는 산소 소모율 측정조 DO 센서(도 4의 425)에 의해 측정된 용존 산소 농도(DO)값을, T2, T1은 시간을 나타낸다.
여기서, 상기 기울기는, 다음식과 같다.
Figure 112011065648926-pat00002
여기서, 상기 기울기 변화량은, 다음식과 같다.
Figure 112011065648926-pat00003
부연하면, 금번 산소 소모율(OUR) 측정이 끝나면 소정시간(예를 들면 5분간) 펌프가 동작하여 연속 회분식 반응 조(도 4의 400)와 산소 소모율 측정조(423)의 미생물 시료가 균일하게 혼합할 수 있도록 한다.
다시, 시료 이송 펌프(도 4의 427) 동작을 중지하고, 연속 회분식 반응조 DO 센서(425)에 의해 용존 산소 농도(DO)를 측정하는 방법을 되풀이한다.
측정된 용존 산소 농도(DO)는 연산 제어부(도 4의 430)로 전송되고, 연산 제어부(430)에서는 이 용존 산소 농도(DO)를 이용하여 측정 시간에서의 산소 소모율(OUR)을 연산한다.
연산된 산소 소모율(OUR)은 직전 측정값과 금번 측정값의 두 점으로 선형화하여 기울기(Mt)를 연산하고, 각 시점에서 연산된 기울기 변화율(Change rate, C.R.)이 ±100% 이하가 연속 2회 연산되면 질산화반응을 종료한다(단계 S530,S540,S550,S531,S541,S550,S570,S571).
이때, 기울기가 30분 미만에서 측정된 산소 소모율(OUR)의 기울기일 경우에는 OUR측정을 반복하여, 30분 미만에서는 실험이 종료될 수 없도록 한다. 또한, Mt 또는 Mt=1이 0(즉, OUR 변화가 없을 때)일 경우에는 Mt+2를 측정 및 연산하여 연속 2회 C.R.이 ±100 이하일 때 OUR-N(Oxygen Uptake Rate for Nitrification)을 측정 종료하고 호기반응을 종료한다(S551,S553).
이는 유입하수의 암모니아성 질소 부하가 낮게 유입되더라도, 최소한의 호기시간을 두어 미산화된 유기물의 산화 및 후속되는 침전에도 영향을 미치지 않기 위함이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 산소 소모율(OUR) 연산을 위한 DO point 산정 그래프이다. 도 6을 참조하면, 케이스별(610,620 및 630)로 시간에 따라 최대 용존 산소 농도(DO max) 및 최소 용존 산소 농도(DO min)가 산정된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 연산된 각 시간별 산소 소모율(OUR) 그래프이다. 도 7을 참조하면, 시간(T5,T15,T25....)에 따라 산소 소모율(OUR)이 구해지고, 이에 따라 기울기(Mt)가 구해진다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 연속 회분식 반응조(SBR: Sequencing Batch Reactor) 공정 운영에 따른 질산화 반응 모니터링 결과를 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 시간(hr)에 따라 암모니아성 질소(NH4-N) 농도(800), 산소 소모율(810) 및 질산성 질소(NO3-N)(820)의 변화율이 도시된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 OUR-N(Oxygen Uptake Rate for Nitrification) 로직 적용에 따른 동력 소모 비교를 보여주는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 혐기(또는 무산소) 반응 구간(900), 질산화 반응 구간(910), 처리수 배출기간(920), OUR-N 적용에 의한 에너지 절감구간(930) 등으로 이루어진다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 OUR-N 적용시 사용전력은 OUR-N 미적용시 사용전력과 비교하여 적음을 볼 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 OUR-N 적용 방법에 따른 SBR-type MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정에서의 전력 소모량 비교를 보여주는 그래프이다. 도 10을 참조하면, OUR-N 적용 공정시의 전력 소모 그래프(1010) 및 OUR-N 미적용 공정시의 전력 소모 그래프(1000)가 도시된다. 부연하면, OUR-N 미적용 공정시의 전력 소모량이 OUR-N 적용 공정시의 전력 소모량보다 많음을 볼 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 OUR-N 적용 방법에 따른 처리유량 비교를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 도 11을 참조하면, OUR-N 적용 공정시의 처리유량 그래프(1100) 및 OUR-N 미적용 공정시의 처리유량 그래프(1110)가 도시된다. 부연하면, OUR-N 적용 공정시의 처리유량이 OUR-N 적용 공정시의 처리유량보다 많음을 볼 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 유입수 NH4-N 부하에 따른 SBR의 1 cycle 운영 방법 예시를 보여주는 도면이다. 도 12를 참조하면, 설계상 운영 사이클(1300), NH4-N 저부하 유입에 따른 운영 사이클(1310), NH4-N 저부하 유입 및 DO 제어 모드에 따른 운영 사이클(1320), NH4-N 고부하 유입에 따른 운영 사이클(1330)이 도시된다.

Claims (8)

  1. 연속 회분식 반응조 내에서 설정에 의해 순차적으로 혐기(또는 무산소), 호기 반응이 수행되는 연속 회분식 반응조;
    상기 호기 반응에 의해 상기 연속 회분식 반응조 내로 산소를 주입하는 산기기;
    상기 연속 회분식 반응조 내의 용존 산소 농도를 측정 및 모니터링하는 연속 회분식 반응조 DO 센서;
    상기 연속 회분식 반응조로부터 수정의 미생물 시료를 이송하는 시료 이송 펌프와, 이동된 소정의 미생물 시료를 이송받고, 시료를 교반하는 프로펠러가 부착된 산소 소모율 측정조와, 상기 산소 소모율 측정조 내의 용존 산소 농도를 측정하는 DO 센서와, 상기 산소 소모율 측정보로부터 이송된 소정의 미샐물 시료 배출을 위한 제 2 솔레노이드 밸브를 포함하여 구성되며, OUR-N(Oxygen Uptake Rate for Nitrification)으로 명명되며, 상기 연속 회분식 반응조에서 이송된 미생물 내의 용존산소를 측정하는 미생물 호흡율 측정부; 및
    측정된 용존 산소 농도를 이용하여 각 측정시간에서의 산소 소모율(OUR), 기울기 및 기울기 변화량을 연산하여 질산화 반응의 종료시간을 찾아내어 상기 호기 반응을 종료하는 연산 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 제어부는, 상기 산소 소모율 측정조 내에서 용존 산소 농도(DO)를 측정시 초기 1분 동안 측정값은 DO의 안정화를 위한 값으로 하고, 4분 동안 측정된 값을 이용하여 산소 소모율을 측정하며, 이때 4분 내에서 측정된 최대 DO 및 최소 DO와 각 구간에서의 시간으로 산소 소모율(OUR)을 연산하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 제어부는, 상기 연속 회분식 반응조의 호기 시간 동안 지속적으로 상기 시료 이송 펌프의 동작을 반복하여 상기 산소 소모율(OUR) 및 기울기 변화량을 연산하여 상기 기울기 변화량이 ±100 이하로 연속 2회 연산될 때 질산화 반응의 종료로 인지하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 제어부는, 상기 기울기 변화량 연산시 30분 이하에서는 질산화 반응 종료 감지 로직을 적용하지 않고 운영하며, 측정된 상기 산소 소모율(OUR)이 연속 3회 동안 2회 이상 동일하게 연산되어 기울기 변화량이 연속 2회 0이면 상기 산소 소모율(OUR) 측정 및 기울기 변화량을 추가로 연산하여 연속 3회 ±100 이하로 연산될 시 질산화 반응을 종료하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 제어부는 상기 산소 소모율 측정조에 의해 질산화 종료가 인지되면 상기 연속 회분식 반응조의 호기성 반응을 종료하고 침전 및 배출 휴지를 포함하는 설계에 의한 공정 설정 시간 중 휴지시간을 연장하여 운영하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 제어부는 공정 설계 시 설정된 호기시간까지 질산화 종료가 감지되지 않으면, 상기 질산화 종료 알고리즘이 인지될 때까지 운영하고, 이후 휴지, 침전 및 배출 시간을 연장된 호기시간만큼 연장하여 운영하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 제어부는, 질산화 반응이 종료되면 상기 연속 회분식 반응조의 브로워 펌프를 중지시켜 호기반응을 종료하고 휴지, 침전 및 배출시간 및 다음 사이클 운전모드로 변경 운영하는 호기시간을 중심으로 운영모드를 가변적으로 운영하는 것을 특징으로 하는 연속 회분식 반응조에서 질산화 반응과 연계한 포기 동력 제어 장치.



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