KR101830150B1 - Model predictive control system and method for improving gas production performance of anaerobic digestion plant - Google Patents

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김민수
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Abstract

The present invention relates to a process model predicting and controlling system for promoting anaerobic digestion gas generation and a method thereof. The process model predicting and controlling system for promoting anaerobic digestion gas generation, according to the present invention, applies an ADM1 model provided by International Water Association (IWA), as an anaerobic digestion model for predicting an amount of digestion gases, and comprises an optimizing module which has a function of correcting errors between a real measuring value and a predicted value for improving a predicting reliability of the digestion model, and a scenario analyzing function which diagnoses whether the generation amount of anaerobic digestion gas is increased or decreased, and figures out a quantitatively operating condition for an amount of inflow and application of microorganism promoters at a satisfactory level of the generation amount of anaerobic digestion gas. The present invention draws operating conditions necessary for stable operation of anaerobic digestion facilities, a reference value of an amount of gas generation set by an operator, or maintaining a generation amount of digestion gas satisfying history information of an amount of gas generation during a predetermined period in the past, and provides the same for an unskilled operator or an operator necessary for objective information for determination in real time. Therefore, the present invention is greatly useful for operation of anaerobic digestion facilities using organic waste resources.

Description

혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템 및 그 방법{Model predictive control system and method for improving gas production performance of anaerobic digestion plant}Technical Field [0001] The present invention relates to a process control system for anaerobic digestion gas production,

본 발명은 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혐기성 소화가스의 발생량을 예측할 수 있는 혐기성 소화모델을 적용하여 사전에 혐기성 소화가스의 발생량을 예측함과 동시에 적정수준 미만으로 가스발생량이 예측되거나 현재 그렇게 모니터링될 경우 유입량 및 촉진제 적용 등에 따른 운전조건을 제공할 수 있는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process model predictive control system and method for promoting anaerobic digestion gas production, and more particularly, to an anaerobic digestion model capable of predicting the amount of anaerobic digestion gas generated, The present invention relates to a process model predictive control system and method for promoting the production of anaerobic digestion gas that can provide operating conditions based on an inflow amount and an accelerator application.

유기성 폐기물을 활용한 바이오가스화 산업의 성장으로 음식물 바이오가스화시설, 음폐수 바이오가스화시설, 하수슬러지 고형연료화시설, 병합 바이오가스화시설 등의 혐기성 소화시설이 많이 운영되고 있다.Because of the growth of the biogasification industry using organic waste, many anaerobic digestion facilities such as food biogasification facility, drinking water biogasification facility, sewage sludge solid fueling facility, and merged biogasification facility are operated.

그러나 가동중인 혐기성 소화시설의 대부분이 불규칙한 유입원의 공급, 소화조내 부산물의 축적 등에 따른 낮은 소화효율 및 낮은 가스 발생량 등으로 인하여 안정적 운영에 어려움을 안고 있다. However, most of the anaerobic digestion facilities in operation have difficulty in stable operation due to the low digestion efficiency due to the irregular supply of the influent source, accumulation of byproducts in the digestion tank, and low gas generation amount.

이는 혐기성 소화시설에서는 유입원의 혐기성 소화반응을 통해 소화가스가 발생하게 되는데 유입원의 성상과 운전조건에 따라 혐기성 소화반응의 시간 및 상태가 달라지기 때문에 소화가스 발생량에 차이를 가지게 되고, 또한 혐기성 소화반응은 천천히 진행되는 공정이어서 매일 소화조 유입원과 유출원의 수질상태를 확인하기 보다는 일정기간 간격을 두고 모니터링하여 혐기성 소화시설을 관리하고 있기 때문이다. In the anaerobic digestion facility, anaerobic digestion of the influent source generates digestion gas. Since the time and condition of the anaerobic digestion reaction vary depending on the characteristics of the influent source and the operating conditions, the amount of digestion gas is different, This is because the digestion process is a slow process, and the anaerobic digestion facility is managed by monitoring the digestion tank at a predetermined interval rather than checking the water quality of the source and outlet of the digester daily.

이와 같이 혐기성 소화시설의 안정적 운영이 한계를 가짐에도 불구하고 소화가스를 활용하는 에너지화시설 등에서는 안정적인 소화가스 발생량이 유지되기를 희망한다.Despite the limitations of stable operation of anaerobic digestion facilities, it is hoped that the stable generation of digestive gases will be maintained in the case of energy use schemes utilizing digestive gases.

소화가스의 생산량은 유입원의 성상조건에 따라 달라진다. 또한 소화조의 pH, 온도, 미생물 촉진제 주입 등으로 소화가스 발생량을 증진시킬 수 있다. 그러나 이러한 정보를 운영자가 다 판단하고 예측하여 인위적으로 제어하기는 어렵다. The amount of digestion gas production depends on the condition of the incoming source. In addition, the digestion gas generation rate can be increased by the pH, temperature, injection of microorganism promoter and the like. However, it is difficult for the operator to judge and forecast such information and artificially control it.

이에 비하여 수학적 모델은 혐기성 소화반응을 예측하고 사전에 운전조건 변경에 따른 소화가스 발생량의 증감에 대하여 확인이 가능하다는 특징을 가져 공정의 최적화 및 제어라는 측면에서 유용하게 활용되고 있다.On the other hand, the mathematical model predicts the anaerobic digestion reaction and can confirm the increase / decrease of the digestion gas amount due to the change of the operation condition in advance. Thus, it is useful in the optimization and control of the process.

IWA(국제물협회)의 업무추진그룹(Task Force Group)에서 제안한 ADM1 모델(anaerobic digestion model no.1)은 혐기성 소화공정에 필요한 생물학적 반응으로서 가수분해, 혐기성 미생물의 성장과 사멸 및 물리화학적 반응식이 함께 고려된 혐기성 소화의 수학적 모델로서 대표적인 예가 될 수 있다.The ADM1 model (anaerobic digestion model no.1) proposed by the Task Force Group of the International Water Association (IWA) is a biological reaction required for the anaerobic digestion process. Hydrolysis, anaerobic microbial growth and death, This can be a representative example of a mathematical model of anaerobic digestion considered together.

그러나 기존의 ADM1 소화모델이 다양한 상태변수들에 대하여 소화조에서 일어나는 시계열적 변화를 예측할 수 있는 도구로서는 유용하지만, 소화가스 발생량 등을 개선할 수 있는 소화조의 운전조건을 제공하기 위해서는 ADM1 소화모델을 기반으로 혐기성 소화공정을 평가하고 소화시설을 예측관리할 수 있는 공정모델 예측제어 시스템 및 그 예측제어 방법의 개발이 추가적으로 필요한 실정이다.However, the existing ADM1 digestion model is useful as a tool for predicting the time-dependent thermal changes in the digester with respect to various state variables. However, in order to provide digestion tank operating conditions that can improve the digestion gas generation, It is necessary to further develop a process model predictive control system and its predictive control method capable of evaluating the anaerobic digestion process and predicting and managing digestive facilities.

대한민국 등록특허공보 제10-0683477호(2007. 2. 9)Korean Registered Patent No. 10-0683477 (Feb. 9, 2007) 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0109172호(2010. 10. 8)Korean Patent Publication No. 10-2010-0109172 (Oct. 8, 2010) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0111675호(2015. 10. 6)Korean Patent Publication No. 10-2015-0111675 (Oct. 10, 2015)

본 발명은 혐기성 소화모델인 ADM1 모델을 기반으로 혐기성 소화가스의 발생량을 예측하고 혐기성 소화가스의 생산을 촉진하는 공정모델 예측제어 시스템 및 그 예측제어 방법을 통해 혐기성 소화시설의 운전자에게 유입유량 및 미생물 촉진제 적용에 대한 운전조건을 제공함을 목적으로 한다.The present invention relates to a process model predictive control system for predicting the generation of anaerobic digestion gas based on the anaerobic digestion model ADM1 model and promoting the production of anaerobic digestion gas, and a predictive control method for the anaerobic digesting facility, It is intended to provide operating conditions for accelerator application.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 혐기성 소화가스의 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제물협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고; 상기 소화모델의 예측 신뢰도를 향상시키기 위해 실측값과 예측값 간의 오차를 보정하는 기능과, 혐기성 소화가스 발생량의 증감 여부를 자체적으로 진단하여 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 혐기성 소화가스 발생량 수준에서의 유입유량과 미생물 촉진제 적용에 대한 정량적 운전조건을 도출하는 시나리오 분석기능을 가지는 최적화 모듈을 포함하여 이루어지며; 예측값의 신뢰도 제고와 함께 소화가스 발생량을 개선시키는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention adopts the ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) as an anaerobic digestion model for predicting the generation amount of anaerobic digestion gas; A function of correcting an error between an actual value and a predicted value in order to improve the predictive reliability of the extinguishing model; a function of diagnosing itself whether the amount of generated anaerobic digestion gas is increased or decreased and determining a gas generation amount reference value set by the operator, An optimization module having a scenario analysis function for deriving an influent flow rate at an anaerobic digestion gas generation level satisfying the following equation and a quantitative operation condition for application of a microbial promoter; Thereby improving the reliability of the predicted value and improving the amount of generated digestion gas. The present invention also provides a process model predictive control system for promoting anaerobic digestion gas production.

여기서 상기 오차보정 기능은 오차 피드백 과정에 의해 이루어지며, 상기 오차 피드백 과정은 상기 최적화 모듈이 혐기소화공정 데이터베이스로부터 실측값과 예측값의 차이에 대한 누적기록을 전송받아 선형 함수식을 도출 또는 상기 선형 함수식을 보정하여 오차값을 산출하고 상기 예측값과 상기 오차값을 합산한 값을 보정된 가스 발생량으로 예측하는 순서로 이루어진다.Wherein the error correction function is performed by an error feedback process, wherein the optimization module receives a cumulative record of the difference between the measured value and the predicted value from the anaerobic digestion process database to derive a linear function formula, Calculating an error value, and estimating a value obtained by adding the predicted value and the error value to the corrected gas generation amount.

여기서 상기 시나리오 분석은 유입유량과 미생물 촉진제에 대한 기본값 및 시나리오 우선순위가 설정되어 있는 시나리오 데이터베이스의 시나리오 우선순위를 바탕으로 상기 소화모델을 통해 이루어진다.Here, the scenario analysis is performed through the digestion model on the basis of the scenario priority of the scenario database in which the influent flow rate, the default value for the microbial accelerator, and the scenario priority are set.

여기서 상기 시나리오 분석의 유입유량과 미생물 촉진제에 대한 기본값으로 과거 운전이력에 대한 평균값을 적용한다. Here, the average value of the past driving history is used as the flow rate of the scenario analysis and the default value for the microbial accelerator.

여기서 유입유량이 시나리오 우선순위에서 미생물 촉진제보다 앞서도록 설정된다.Where the influent flow is set to precede the microbial promoter at the scenario priority.

여기서 상기 시나리오 분석은 기본값 대비 25%씩 상향조정하여 설계치 정보를 기반으로 범위를 설정하되 25~300%의 범위에서 비율을 달리 적용하여 분석을 수행한다.Here, the above scenario analysis is performed by setting the range based on the design value information by 25% up to the default value, but applying the ratio in the range of 25 ~ 300%.

또한 본 발명은 혐기성 소화가스의 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제물협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고; 혐기성 소화조에 설치되어 상기 소화모델에 필요한 측정변수들에 대한 정보를 취득하는 측정기기 어셈블리와; 상기 측정변수들에 대한 정보를 상기 소화모델에 필요한 입력변수로 전환 시키기 위한 데이터 전환수단과; 상기 데이터 전환수단을 통해 도출된 입력변수와 측정변수들에 대한 정보를 저장하는 혐기소화공정 데이터베이스와; 상기 입력변수를 상기 소화모델에 입력하여 혐기성 소화가스의 발생량을 예측하는 소화가스 발생량 예측수단과; 상기 혐기성 소화조의 pH, 온도를 일정수준으로 유지시켜 주는 고정제어수단과, 상기 혐기성 소화조에 유입되는 유기성 폐기물의 유입유량과 미생물 촉진제의 주입을 결정하는 가변제어수단을 포함하여 이루어지는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템을 제공한다.Further, the present invention applies the ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) as an anaerobic digestion model for predicting the generation amount of anaerobic digestion gas; A measuring instrument assembly installed in the anaerobic digestion tank for acquiring information on the measurement parameters required for the digestion model; Data switching means for switching information on the measurement parameters to input variables necessary for the digestion model; An anaerobic digestion process database storing information on input parameters and measurement parameters derived through the data conversion means; An extinguishing gas generation amount predicting means for predicting an amount of generated anaerobic digestion gas by inputting the input variable into the extinguishing model; A fixed control means for maintaining the pH and the temperature of the anaerobic digestion tank at a predetermined level and a variable control means for determining an inflow flow rate of the organic waste flowing into the anaerobic digestion tank and the injection of the microbial promoter, A process model predictive control system is provided.

여기서 상기 혐기성 소화조는 산발효조와 메탄발효조로 구분되는 이상 혐기성 소화조로 이루어지고, 고정제어수단을 통해 소화조의 온도를 유지할 수 있는 보일러와 소화조의 pH를 유지시키기 위한 완충조가 더 구비되며, pH 측정용 센서와 온도계가 상기 소화조와 완충조에 설치되고, 상기 pH 측정용 센서와 온도계로 측정된 상기 소화조와 완충조의 pH와 온도값이 메모리에 저장됨과 동시에 외부 모니터에 의해 실시간 모니터링된다.The anaerobic digestion tank is composed of an ideal anaerobic digestion tank divided into an acid fermentation tank and a methane fermentation tank. The boiler is capable of maintaining the temperature of the digestion tank through the fixed control means. The buffer tank is further provided with a buffer tank for maintaining the pH of the digestion tank. A sensor and a thermometer are installed in the digester and a buffer tank. The pH and temperature values of the digester and buffer measured by the pH measuring sensor and the thermometer are stored in the memory and monitored in real time by an external monitor.

여기서 상기 산발효조의 pH는 5~6, 상기 메탄발효조의 pH는 7~7.5로 유지된다.Here, the pH of the acid fermentation tank is maintained at 5 to 6, and the pH of the methane fermentation tank is maintained at 7 to 7.5.

여기서 상기 혐기성 소화조의 온도는 중온소화 온도인 33~38 ℃로 유지된다.Wherein the temperature of the anaerobic digester is maintained at a mid-temperature of 33-38 ° C.

여기서 상기 혐기성 소화조의 pH를 유지시키기 위한 고정제어수단은 상기 소화조의 pH 측정용 센서에서 수집된 pH값을 실시간으로 확인하고 상기 유지되어야 할 기준 pH값과 비교하여 상기 완충조에 연결되어 있는 약품 저장조의 유입펌프를 작동할지 여부를 결정하는 제어 알고리즘을 가진다.The fixed control means for maintaining the pH of the anaerobic digestion tank checks the pH value collected by the sensor for pH measurement of the digestion tank in real time and compares the pH value with the reference pH value to be maintained, And a control algorithm for determining whether to operate the inflow pump.

또한 본 발명은 소화가스 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제물협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고; 측정기기 어셈블리를 통해 상기 소화모델에 필요한 측정변수를 취득하는 단계와; 상기 측정변수 취득단계에서 취득된 실제 가스발생량이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 측정변수를 상기 소화모델에 적용하기 위한 입력변수로 전환시키는 데이터 전환 단계와; 상기 데이터 전환된 입력변수를 상기 소화모델에 적용하여 가스발생량을 예측하되, 상기 소화모델의 신뢰도 향상을 위하여 최적화 모듈의 오차 피드백 과정에 의하여 보정된 가스발생량을 예측하는 단계와; 상기 보정된 가스발생량 예측값이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 상기 소화모델에 시나리오 데이터베이스를 작동시켜 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하는 운전조건을 도출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 방법을 제공한다.Further, the present invention applies the ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) as an anaerobic digestion model for estimating the amount of generated digestion gas; Obtaining a measurement variable required for the digestion model through a measurement device assembly; When the actual gas generation amount acquired in the measurement parameter acquisition step does not reach the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past certain period, A data conversion step of converting the data into a data; Estimating a gas generation amount by applying the data converted input variable to the fire extinguishing model and estimating a gas generation amount corrected by an error feedback process of the optimization module to improve reliability of the fire extinguishing model; If the calibrated gas generation predicted value does not reach the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past period, the scenario database is operated on the fire extinguishing model to set the gas generation amount reference value And deriving an operating condition for reaching a gas generation amount satisfying the gas generation history information during a certain period of time in the past.

본 발명에 따른 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템 및 그 방법은 혐기성 소화시설의 안정적인 운영 및 기준 소화가스 발생량의 유지에 필요한 운전조건을 도출하여 미숙련 운전자 또는 의사결정에 객관적인 정보가 필요한 운전자에게 실시간으로 제공해 줄 수 있어 유기성 폐자원을 이용한 혐기성 소화시설의 운전에 매우 유용한 효과를 가진다.The process model predictive control system and method for promoting the production of anaerobic digestion gas according to the present invention derives the operating conditions necessary for stable operation of the anaerobic digestion facility and maintenance of the standard digestion gas generation amount so that it is necessary to provide objective information to the unskilled driver or decision- And it is very useful for driving the anaerobic digestion facility using organic waste resources because it can provide to the driver in real time.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예로서 측정기기 어셈블리를 통해 측정된 실제 가스발생량이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 측정변수를 혐기성 소화모델에 적용하기 위한 입력변수로 전환시키는 논리 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예로서 혐기성 소화모델의 신뢰도 향상을 위하여 최적화 모듈의 오차 피드백에 의하여 보정된 가스발생량을 예측하는 논리 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예로서 보정된 가스발생량 예측값이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 혐기성 소화모델에 시나리오 데이터베이스를 작동시켜 기준 가스발생량에 도달될 수 있는 운전조건을 도출하는 최적화 모듈의 논리 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 혐기성 소화조의 pH를 유지하기 위한 고정제어수단의 제어 알고리즘이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 혐기성 소화조의 온도를 유지하기 위한 고정제어수단의 제어 알고리즘이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정모델 예측제어 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정모델 예측제어의 개략적인 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 COD 성분을 용해도, 불활성, 입자성 등에 따라 세분화한 도표이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따라 평상시, 유입 유기물의 농도변화시, 최적화 모듈을 통해 가스 발생량이 개선된 후의 가스 발생량을 비교한 그래프이다.
FIG. 1 is a diagram illustrating a system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, when the actual gas generation amount measured through the measurement device assembly does not reach the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation amount history information during the past predetermined period And converting the measured variables into input parameters for application to the anaerobic digestion model.
FIG. 2 is a logic diagram for predicting the gas generation amount corrected by the error feedback of the optimization module in order to improve the reliability of the anaerobic digestion model according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates an example of a system according to an embodiment of the present invention. In an embodiment of the present invention, when the calibrated gas generation predicted value does not reach the gas generation reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation history information in the past period, A logic configuration diagram of an optimization module for operating a database to derive an operating condition that can reach a reference gas generation amount.
4 is a control algorithm of the fixed control means for maintaining the pH of the anaerobic digester according to an embodiment of the present invention.
5 is a control algorithm of the fixed control means for maintaining the temperature of the anaerobic digester according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic block diagram of a process model predictive control system according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic flowchart of a process model predictive control according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a chart of COD components measured according to an embodiment of the present invention, according to solubility, inertness, particleity, and the like.
FIG. 9 is a graph comparing the amount of generated gas after the improvement of the amount of gas generated by the optimizing module when the concentration of the influent organic material changes, according to an experimental example of the present invention.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부기함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 부호를 가지도록 기재하고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals denote the same or similar parts throughout the several views of the drawings.

또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

또한 본 발명은 소화가스 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제물협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고, 설명중의 '혐기성 소화모델', '소화모델', '공정모델', '모델'은 모두 ADM1 소화모델을 의미한다.In addition, the present invention applies the ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) as an anaerobic digestion model for predicting the amount of digestion gas generated, and the anaerobic digestion model, the digestion model, the process model, Are all ADM1 digestion models.

도 1은 측정기기 어셈블리를 통해 측정된 실제 가스발생량이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 측정변수를 혐기성 소화모델에 적용하기 위한 입력변수로 전환시키는 논리 구성도로서, 측정기기 어셈블리(S110), 수집정보의 저장을 위한 혐기소화공정 데이터베이스(S210), 실제 가스발생량 진단(S220) 및 데이터 전환수단(S230)으로 구성된다. FIG. 1 is a graph showing the relationship between the actual gas generation amount measured by the measurement device assembly and the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past period, And is configured to include a measurement device assembly S110, an anaerobic digestion process database S210 for storing collected information, an actual gas generation amount diagnosis S220, and a data switching means S230.

그리고 구성도의 진행순서에 따라 먼저 측정기기 어셈블리(S110)를 통해 혐기성 소화시설의 측정변수 값들이 측정 및 기록되며 측정기기 어셈블리(S110)를 통한 측정변수들에 대한 정보는 실시간 또는 하루 단위로 혐기소화공정 데이터베이스(S210)에 저장된다. The measurement parameters of the anaerobic digestion facility are first measured and recorded through the measuring instrument assembly (S110), and the information about the measurement parameters through the measuring instrument assembly (S110) And stored in the digestion process database (S210).

저장된 정보 중 실제 가스발생량을 진단(S220)하여 실제 가스발생량이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보에 도달하지 못할 경우 측정변수에 대한 정보를 데이터 전환수단(S230)에 전달하여 혐기성 소화모델(S310)에 필요한 입력변수로 전환한다.When the actual gas generation amount does not reach the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount history information in the past period, the information on the measured variables is sent to the data conversion means S230 And switches to an input variable necessary for the anaerobic digestion model (S310).

이와 달리 실제 가스발생량이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 상회할 경우에는 혐기소화공정 데이터베이스(S210)에 현재의 정보가 그대로 저장된다.Alternatively, when the actual gas generation amount exceeds the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount history information in the past period, the current information is stored in the anaerobic digestion process database S210 as it is.

측정기기 어셈블리(S110)는 혐기성 소화조에 설치되어 혐기성 소화모델에 필요한 수질항목(측정변수)들을 측정하는 것으로 총 COD(CODt), 용존 COD (CODs), 휘발성 슬러지(VS), 잠재 메탄 발생량, 총 킬달질소(TKN), 암모니아성 질소(HH4+-N), 노르말헥산 추출물질(HEM), 탄수화물, 단백질, 지질, 유기산(VFAt)으로서 아세트산염(acetate), 프로피온산염(propionate), 낙산염(butyrate), 발레르산염(valerate) 및 생물학적 메탄잠재력시험(BMP test)결과, 소화가스 발생량에 대하여 센서 및 실험을 통해 관련정보를 취득한다. The measuring instrument assembly (S110) is installed in the anaerobic digestion tank and measures the water quality items (measurement variables) necessary for the anaerobic digestion model. The total COD (CODt), dissolved COD (CODs), volatile sludge It is also possible to use acetate, propionate, and butyrate as the kjeldal nitrogen (TKN), ammonia nitrogen (HH4 + -N), normal hexane extract (HEM), carbohydrate, protein, lipid, butyrate, valerate and biological methane potential test (BMP test), sensor and experiment information on the amount of digestion gas is obtained.

실제 가스발생량의 진단(S220) 결과에 따라 데이터 전환수단(S230)은 측정변수를 SI (Soluble inerts, 용존성 불활성 물질), XI (Particular inerts, 입자성 불활성 물질), Ssu (용존성 sugar), Saa (용존성 amino acid), Sfa (용존성 LCFA), Sva (용존성 valerate), Sbu (용존성 butyrate), Spro (용존성 propionate), Sac (용존성 acetate), Sh2 (용존성 hydrogen), Sch4 (용존성 methane), SIC (inorganic carbon), SIN (inorganic nitrogen), Xc (입자성 물질), Xch (입자성 carbohydrates), Xpro (입자성 proteins), Xli (입자성 lipids), Xsu (입자성 sugar), Xaa (입자성 amino acid), Xfa (입자성 LCFA), Xc4 (입자성 valerate과 butyrate), Xpro (입자성 propionate), Xac (입자성 acetate,) Xh2 (입자성 hydrogen)의 값(입력변수)으로 전환시킨다.Data conversion means (S230) S I is the measured variable (Soluble inerts, soluble inert material), X I (Particular inerts, the inert particulate material) in accordance with the diagnosis result (S220) of the actual generation amount, S su (Soluble sugar), S aa (Soluble amino acid), S fa (soluble LCFA), S va (soluble valerate), S bu (Dissolved butyrate), S pro (dissolved propionate), S ac (dissolved acetate), S h2 (dissolved hydrogen), S ch4 (dissolved methane), S IC (inorganic carbon), S IN X c (particulate matter), X ch (particulate carbohydrates), X pro (particulate proteins), X li (particulate lipids), X su (particulate sugar), X aa (particulate amino acid) , X fa (particulate LCFA), X c4 (particulate valerate and butyrate), X pro (particulate propionate), X ac (particulate acetate), X h2 (particulate hydrogen) .

도 8은 COD 성분을 용해도, 불활성, 입자성 등에 따라 세분화하여 나타낸 관계도로서, 혐기성 소화모델에 직접 활용 가능한 상태변수(입력변수)들은 총COD(CODt), 용존 COD(CODs), 노르말헥산 추출물질(HEM), 유기산(VFAt) 등의 측정변수와의 관계 및 세분화 비율을 근간으로 산정된다. FIG. 8 is a diagram showing the COD component subdivided according to solubility, inertness, particulate property, etc. The state variables (input variables) directly applicable to the anaerobic digestion model are total COD (CODt), dissolved COD (CODs), normal hexane extraction (HEM), organic acid (VFAt), and the like.

도 8과 같이 COD와 같은 합성변수에 대한 세분화 비율과 생물학적 메탄잠재력시험(BMP test)을 통해 도출된 생분해도를 바탕으로 합성변수를 아래 표 1과 같이 더욱 세분화시키고, 세분화된 합성변수를 바탕으로 입력변수를 도출하게 된다. 각 변수의 계산방법은 표 1과 같으며 이를 통해 데이터 전환(S230)과 혐기성 소화모델(S310)을 수행하게 된다.As shown in FIG. 8, based on the subdivision ratio of the synthetic parameters such as COD and the biodegradability derived from the biological methane potential test (BMP test), the synthesis parameters are further subdivided as shown in Table 1 below, The input variable is derived. The calculation method of each variable is shown in Table 1, and data conversion (S230) and anaerobic digestion model (S310) are performed.

그리고 측정기기 어셈블리(S110)와 데이터 전환(S230)을 통해 취득된 정보는 혐기소화 공정 데이터베이스(S210)에 저장된다. The information obtained through the measurement device assembly (S110) and the data conversion (S230) is stored in the anaerobic digestion process database (S210).

구분division 계산식formula

합성변수



Composite variable

CODp = CODt - CODs COD p = COD t - COD s
CODpb = CODp x biodegradation(%)COD pb = COD p x biodegradation (%) CODpi = CODp x (100 - biodegradation(%))COD pi = COD p x (100 - biodegradation (%)) CODsb = CODs x biodegradation(%)COD sb = COD s x biodegradation (%) CODsi = CODs x (100 - biodegradation(%))COD si = COD s x (100 - biodegradation (%))









입력변수










Input variable
Xch = CODpb x Carbohydrates(%)X ch = COD pb x Carbohydrates (%)
Xpr = CODpb x Proteins(%)X pr = COD pb x Proteins (%) Xli = CODpb x Lipids(%)X li = COD pb x Lipids (%) Ssu = CODsb x Carbohydrates(%)S water = COD sb x Carbohydrates (%) Saa = CODsb x Proteins(%)S aa = COD sb x Proteins (%) Sfa = CODsb x Lipids(%)S fa = COD sb x Lipids (%) SI = CODsi S I = COD si XI = CODp x fxi X I = COD p xf xi XC = CODp x fxc X C = COD p xf xc Xsu = Effluent CODt x ㎛su X water = Effluent COD t x m water Xaa = Effluent CODt x ㎛aa X aa = Effluent COD t x 탆 aa Xfa = Effluent CODt x ㎛fa X fa = Effluent COD t x 탆 fa Xc4 = Effluent CODt x ㎛c4 X c4 = Effluent COD t x 占 퐉 c4 Xpro = Effluent CODt x ㎛pro X pro = Effluent COD t x 占 퐉 pro Xac = Effluent CODt x ㎛ac X ac = Effluent COD t x ㎛ ac Xh2 = Effluent CODt x ㎛h2 X h2 = Effluent COD t x 탆 h2 SIC = (αno·Sno + αnh·Snh + αalk·Salk)/αω2
- (αva·Sva + αbu·Sbu + αpro·Spro + αac·Sac + αIN·SIN)/αω2
S IC = (α no · S no + α nh · S nh + α alk · S alk ) / αω 2
- (a va S v a + a bu S bu + a pro s pro + a ac S ac + a IN s IN ) / a 2
SIN = Snh/14S IN = S nh / 14

도 2는 혐기성 소화모델의 신뢰도 향상을 위하여 최적화 모듈의 오차 피드백에 의하여 보정된 가스발생량을 예측하는 논리 구성도로서, 진행순서에 따라 혐기성 소화모델(S310)에 필요한 입력변수는 측정기기 어셈블리(S110) 또는 정보가 저장되어 있는 혐기소화공정 데이터베이스(S210)로부터 전달된다. FIG. 2 is a logic diagram for predicting the amount of gas generation corrected by the error feedback of the optimization module in order to improve the reliability of the anaerobic digestion model. The input parameters required for the anaerobic digestion model S310 according to the order of progress are as follows: ) Or from the anaerobic digestion process database S210 in which information is stored.

입력변수가 혐기성 소화모델(S310)에 입력되어 가스 발생량이 예측됨과 동시에 모델의 신뢰도를 향상시키기 위해 최적화 모듈(S320)에서는 실제 측정값과 예측값의 오차를 최소화할 수 있는 오차 피드백 과정을 거쳐 최종적인 가스 발생량을 예측하고 또한 운전조건을 도출하게 된다. 예측된 정보는 혐기소화공정 데이터베이스(S210)에 저장되고 동시에 운영자에게 정량적인 수치정보가 전달되도록 모니터에 전송된다. In order to increase the reliability of the model while the input variable is inputted to the anaerobic digestion model S310 and the gas generation amount is predicted, the optimization module S320 performs an error feedback process that minimizes the error between the actual measured value and the predicted value, The amount of gas generation is predicted and the operating conditions are derived. The predicted information is stored in the anaerobic digestion process database (S210) and simultaneously transmitted to the monitor so that quantitative numerical information is delivered to the operator.

상기 내용을 좀더 자세히 서술하면 최적화 모듈(S320)에 의한 공정모델 예측제어는 오차 피드백 과정을 통해 진행되는 것으로, 혐기성 소화조를 통해 실제 생성되는 가스량과 예측되는 가스량 간에는 차이가 있을 수 있기 때문에 최적화 모듈(S320)이 혐기소화공정 데이터베이스(S210)로부터 실측값과 예측값의 차이에 대한 누적기록을 전송받아 선형함수식을 도출 또는 그 선형함수식을 보정하여 오차값을 산출하는 오차 피드백 과정을 수행하게 된다. Since the process model predictive control by the optimization module S320 proceeds through an error feedback process, there is a difference between the gas amount actually generated and the predicted gas amount through the anaerobic digestion tank, S320) receives the cumulative record of the difference between the measured value and the predicted value from the anaerobic digestion process database (S210) and derives a linear function formula or corrects the linear function formula to calculate an error value.

이에 따라 최적화 모듈(S320)은 예측값과 오차값을 합산한 값을 보정된 가스발생량으로 예측하게 되고, 후술하는 바와 같이 가스 발생량을 향상시킬 수 있는 운전조건도 도출하여 운전조건을 제시(S330)하게 된다. Accordingly, the optimization module (S320) predicts a value obtained by adding the predicted value and the error value to the corrected gas generation amount, and derives an operation condition capable of improving the gas generation amount as described later (S330) do.

또한 가스 발생량 예측값과 운전조건에 대한 정보는 외부 사용자에게 전달되도록 모니터에 가시화되며 가스 발생량 예측값과 운전조건 이력은 혐기소화공정 데이터베이스(S210)에 저장된다. In addition, information on the predicted gas generation amount and the operation condition is visualized on a monitor so as to be transmitted to an external user, and the estimated gas generation amount and the operation condition history are stored in the anaerobic digestion process database S210.

도 3은 보정된 가스발생량 예측값이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 혐기성 소화모델에 시나리오 데이터베이스를 작동시켜 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달될 수 있는 운전조건을 도출하는 최적화 모듈의 논리 구성도이다.FIG. 3 is a graph showing the relationship between the gas generation amount set by the operator and the gas generation amount set by the operator by operating the scenario database in the anaerobic digestion model when the calibrated gas generation predicted value does not reach the gas generation reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation history information in the past period. A reference value or an operating condition that can reach a gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past certain period.

보정된 가스 발생량이 예측되면 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보와 비교하는 가스 발생량 진단과정(S321)을 거치게 된다. 진단결과가 만족스럽지 않을 경우 시나리오 데이터베이스(S322)에 설정된 시나리오 우선순위에 따라 만족스러운 운전조건을 도출할 때까지 소화모델을 통해 시나리오 분석을 수행하게 된다. If the corrected gas generation amount is predicted, the gas generation amount diagnosis process (S321) is performed to compare the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount history information in the past period. If the diagnosis result is not satisfactory, the scenario priority set in the scenario database (S322) The scenario analysis is performed through the digestion model until satisfactory driving conditions are derived.

이후 만족스러운 수준의 운전조건이 도출(S323)되면 운영자에게 제시(S330)하고 혐기소화공정 데이터베이스(S210)에 저장한 후 제어를 종료한다.Subsequently, when a satisfactory level of driving condition is derived (S323), it is presented to the operator (S330), stored in the anaerobic digestion process database (S210), and then the control is terminated.

상기 시나리오 분석은 수리학적 체류시간(HRT: hydraulic retention time)과 관련된 유입유량과 미생물 촉진제 주입량에 대한 정량적 수치가 결정되는 단계이다. 따라서 시나리오 데이터베이스(S322)에는 유입유량과 촉진제에 대한 기본값이 설정되어 있고 기본값으로는 과거 운전이력에 대한 평균값이 적용된다.The scenario analysis is a step in which quantitative values of inflow flow rate and microbial promoter injection amount related to hydraulic retention time (HRT) are determined. Therefore, the default value for the inflow flow rate and the accelerator is set in the scenario database (S322), and the average value of the past driving history is applied as a default value.

기본값 대비 25%씩 상향조정하여 설계치 정보를 기반으로 범위를 설정하되, 통상적으로 25~300%까지의 범위에서 비율을 달리 적용하여 분석하는 시나리오 분석을 수행하여 운전조건을 도출하게 되고 최종적으로 운영자에게 제시하게 된다.By setting up the range based on the design information by adjusting it up by 25% from the default value, the scenario is analyzed by applying the ratio differently in the range of 25 ~ 300%, and the operating condition is derived. Finally, I will present it.

도 1 ~ 도 3에 의하면 본 발명에 따른 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 방법은 소화가스 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제 물 협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고; 측정기기 어셈블리를 통해 상기 소화모델에 필요한 측정변수를 취득하는 단계와; 상기 측정변수 취득단계에서 취득된 실제 가스발생량이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 측정변수를 상기 소화모델에 적용하기 위한 입력변수로 전환시키는 데이터 전환 단계와; 상기 데이터 전환된 입력변수를 상기 소화모델에 적용하여 가스발생량을 예측하되, 상기 소화모델의 신뢰도 향상을 위하여 최적화 모듈의 오차 피드백 과정에 의하여 보정된 가스발생량을 예측하는 단계와; 상기 보정된 가스발생량 예측값이 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 가스발생량에 도달하지 못할 경우 상기 소화모델에 시나리오 데이터베이스를 작동시켜 가스발생량을 개선할 수 있는 운전조건을 도출하는 단계;를 포함하여 이루어진다.1 to 3, the process model predictive control method for promoting anaerobic digestion gas production according to the present invention is applied to the ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) as an anaerobic digestion model for predicting the amount of generated digestion gas; Obtaining a measurement variable required for the digestion model through a measurement device assembly; When the actual gas generation amount acquired in the measurement parameter acquisition step does not reach the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past certain period, A data conversion step of converting the data into a data; Estimating a gas generation amount by applying the data converted input variable to the fire extinguishing model and estimating a gas generation amount corrected by an error feedback process of the optimization module to improve reliability of the fire extinguishing model; If the calibrated gas generation predicted value does not reach the gas generation amount reference value set by the operator or the gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past period, the operation of the scenario database to improve the gas generation amount by operating the scenario database And deriving the condition.

도 4는 혐기성 소화조의 pH를 유지하기 위한 고정제어수단의 제어 알고리즘이다. 산발효조와 메탄발효조에 대하여 예시되었으며 단상 혐기성 소화조일 경우 메탄발효조에 대한 알고리즘을 적용하면 된다. 각각의 알고리즘은 센서에서 수집된 pH값을 실시간 또는 간헐적으로 확인하여 유지되어야 할 기준 pH값과 비교하고 약품 저장조의 유입펌프를 작동할지 여부를 결정하여 기준 pH값을 유지할 수 있도록 한다. 4 is a control algorithm of the fixed control means for maintaining the pH of the anaerobic digestion tank. Acid fermentation tank and methane fermentation tank, and in case of single phase anaerobic digestion tank, the algorithm for methane fermentation tank can be applied. Each algorithm allows real time or intermittent checking of the pH value collected from the sensor, comparing it with the reference pH value to be maintained, and determining whether to operate the inlet pump of the drug reservoir to maintain the reference pH value.

산발효조의 pH는 5~6, 메탄발효조의 pH는 7~7.5로 유지될 수 있도록 on/off 방식의 고정제어수단이 구비되는데, 산발효조의 pH가 해당범위를 벗어나면 산생성 미생물군의 활성에 영향을 주어 산발효가 효과적으로 이루어지지 않고, 메탄발효조의 pH도 해당범위를 벗어나면 메탄생성 미생물군의 활성에 영향을 주어 메탄가스 생산이 효율적으로 이루어지지 않게 된다.The pH of the acid fermentation tank is maintained at 5 to 6, and the pH of the methane fermentation tank is maintained at 7 to 7.5. On / off type fixed control means is provided. When the pH of the acid fermentation tank is out of the range, Acid fermentation is not effective and the pH of the methane fermentation tank is out of the range, it affects the activity of the methanogenic microorganism group and the methane gas production is not efficiently performed.

도 5는 혐기성 소화조의 온도를 유지하기 위한 고정제어수단의 제어 알고리즘으로 운영자의 설정값에 따라 보일러 작동 유무가 결정된다. FIG. 5 is a control algorithm of the fixed control means for maintaining the temperature of the anaerobic digestion tank, and the presence or absence of the boiler operation is determined according to the set value of the operator.

소화조의 온도는 중온소화 온도인 33~38℃로 유지될 수 있도록 보일러 on/off 방식의 고정제어수단이 구비된다.The boiler on / off type fixed control means is provided so that the temperature of the digester can be maintained at the mid-temperature extinguishing temperature of 33 to 38 ° C.

이와 같이 혐기성 소화조의 pH, 온도를 일정수준으로 유지시키는 이유는 pH와 온도가 혐기성 미생물의 거동에 크게 영향을 줄 수 있는 환경인자이기 때문이며 또한 혐기성 소화모델의 안정적인 예측성능을 보장하기 위해서도 일정한 pH, 온도에서 소화조가 운영되는 것이 바람직하기 때문이다. The pH and temperature of the anaerobic digester are maintained at a constant level because pH and temperature are environmental factors that can significantly affect the anaerobic microbial behavior. In order to ensure the stable prediction performance of the anaerobic digestion model, It is preferable that the digester is operated at a temperature.

도 6은 본 발명에 따른 공정모델 예측제어 시스템의 개략적인 구성도이다. 6 is a schematic block diagram of a process model prediction control system according to the present invention.

산발효조와 메탄발효조로 구분되는 이상 혐기성 소화조로 이루어지고, 고정 제어수단을 통해 소화조의 온도를 유지할 수 있는 보일러(미도시)와 pH를 유지시키기 위한 완충조가 더 구비되며, pH 측정용 센서와 온도계가 상기 소화조 및 완충조에 설치되고, 상기 pH 측정용 센서와 온도계로 측정된 상기 소화조 및 완충조의 pH와 온도값이 메모리에 저장되고 외부 모니터에 의해 실시간 모니터링된다.(Not shown) capable of maintaining the temperature of the digestion tank through a fixed control means and a buffer tank for maintaining the pH of the anaerobic digestion tank, wherein the anaerobic digestion tank is divided into an acid fermentation tank and a methane fermentation tank. And pH and temperature values of the digester and buffer measured by the pH measuring sensor and the thermometer are stored in a memory and monitored in real time by an external monitor.

완충조는 산 또는 알칼리성 약품의 저장탱크(미도시)와 연결되어 소화조의 pH 측정용 센서로 확인된 pH값이 기준 pH값을 만족하도록 완충조에 약품이 적용될 수 있도록 구성된다. The buffer tank is connected to a storage tank (not shown) of an acid or alkaline chemical, so that the pH can be applied to the buffer tank so that the pH value measured by the pH sensor of the digester can satisfy the reference pH value.

도 6에 의하면 산발효조와 메탄발효조의 가스 발생량(Gas flow)을 진단하여 공정모델 예측제어의 대상으로 결정하게 되면, 제어 우선순위에 따라 최적화 모듈을 통해 산발효조와 메탄발효조의 유입유량 변경에 따른 시나리오 분석이 수행되어 최종적으로 도출된 운전조건을 적용하게 된다. 이 과정에서도 가스 발생량이 개선되지 않을 경우 미생물 촉진제를 주입하여 가스 발생량을 향상시키도록 가변제어수단이 구동된다.As shown in FIG. 6, when the gas flow of the acid fermenter and the methane fermenter is diagnosed and determined as a target of the process model predictive control, the optimization module is applied to the acid fermenter and the methane fermenter Scenario analysis is performed and the finally derived operating conditions are applied. If the gas generation amount is not improved, the variable control means is driven to inject the microorganism promoting agent to improve the gas generation amount.

도 7은 본 발명에 따른 공정모델 예측제어의 개략적인 흐름도로서 본 발명의 주요 기술요소인 최적화 모듈을 통해 도출된 운전조건(유입유량, 미생물 촉진제)이 운영자에게 전달되어 혐기성 소화시설의 운영을 지원하게 되는 일련의 과정이 나타내어져 있다.FIG. 7 is a schematic flow chart of the process model predictive control according to the present invention. The operating conditions (influent flow rate, microorganism promoter) derived through the optimization module, which is a main technical element of the present invention, are transmitted to the operator to support the operation of the anaerobic digestion facility A series of processes are shown.

본 발명에서 제어해야 할 운전조건으로 유입유량과 미생물촉진제 주입량을 선택한 것은 가스 발생량에 직접적인 영향을 주는 유입유량, 온도, 유입 시료 등의 다양한 변수들에 대하여 일일이 제어할 수 없을 뿐만 아니라, 소화조가 혐기성 조건을 유지하기 위해 밀폐구조로 되어 있어 쉽게 제어할 수 있는 변수의 선택에 한계가 있으며, 유입유량, 미생물촉진제 주입은 원료가 소화조에 유입되기 전에 조절이 비교적 용이하기 때문이다. As a driving condition to be controlled in the present invention, the selection of the influent flow rate and the amount of the microbial promoter injection amount can not be individually controlled for various variables such as influent flow rate, temperature, inflow sample, etc., In order to maintain the condition, there are limitations on the choice of parameters that can be easily controlled because of the closed structure. Injection flow rate and microbial promoter injection are relatively easy to control before the raw material enters the digester.

[실험예][Experimental Example]

이하 실험실 규모의 혐기성 소화조를 대상으로 본 발명을 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to a laboratory-scale anaerobic digester.

먼저 본 실험예에서 적용하는 혐기성 소화모델(ADM1)도 실험실에서 수행된 결과를 바탕으로 개발된 것이어서 최소한의 오차를 가지는 조건에서 예측이 수행될 것으로 보여 가스발생량의 오차가 존재하지 않을 것이라는 가정하에 오차 피드백 과정을 생략하였다. First, the anaerobic digestion model (ADM1) applied in this experiment was also developed based on the results obtained in the laboratory. Therefore, it is assumed that the prediction will be performed under the conditions with the minimum error, The feedback process was omitted.

또한 본 실험예는 유입유량만을 제어하여 가스발생량이 촉진되는 것을 확인한 예시이며, 따라서 차순위 제어 인자인 미생물 촉진제는 적용되지 않아 그에 대하여 기술하지 않았다.In addition, the present experimental example is an example of confirming that the gas generation amount is promoted by controlling only the inflow flow rate, and therefore, the microorganism promoter, which is the second order control factor, is not applied, so the description thereof is not described.

소화조의 용적과 소화조에 적용되는 시료의 수질정보는 아래 표 2와 같다.The volume of the digester and the water quality information of the sample applied to the digester are shown in Table 2 below.

소화조 용적(㎥)Digestion tank volume (㎥) 0.030.03 체류시간(day)Time of stay (day) 26.326.3 유입유량(L/d)Inflow flow rate (L / d) 1.141.14 유입 CODt(kg COD/㎥)Inflow CODt (kg COD / m3) 55.0455.04 유입 CODs(kg COD/㎥)Incoming CODs (kg COD / m3) 0.040.04 가스발생량 기준치(L/d)Gas production reference value (L / d) 20.2520.25

소화조를 운영하는 동안 유입유량은 동일하게 유지되지만, 예를 들어 계절 및 폐기물(기질)의 발생 특성에 따라 평상시 유입되는 유입 COD가 감소한 상황이 나타날 수 있다. 이 경우 유기물질이 부족하게 되어 혐기성 미생물에 의한 가스 생산량에 변화가 초래된다. While the influent flow remains the same during the operation of the digester, there may be a situation in which the incoming COD, which is normally influenced by seasonality and the generation characteristics of the waste (substrate), is reduced. In this case, the organic matter becomes insufficient and the gas production amount by the anaerobic microorganism is changed.

도 9는 평상시, 유입 유기물 농도의 변화시, 최적화 모듈을 통해 가스 발생량이 개선되었을 때의 가스 발생량을 비교한 것이다. 9 is a graph comparing the amount of gas generated when the amount of gas generated is improved through the optimizing module when the concentration of the influent organic material changes in a normal manner.

도 9에 의하면 평상시에는 가스발생량 기준치에 해당하는 20.25 L/d의 가스가 발생하는 소화조에 유입 COD값이 감소된 시료가 유입되어 기준 가스량 20.25 L/d보다 낮은 10.830 L/d로 가스 발생량이 감소하는 상황으로 변경되었다.Referring to FIG. 9, in the normal case, a sample having a COD value of 20.25 L / d is introduced into a digester, which corresponds to a reference value of gas generation amount, and the amount of gas is decreased to 10.830 L / .

이에 따라 본 발명의 공정모델 예측제어에 의해 가스 발생량이 개선되어야 할 경우에 해당하게 되어, 도 3의 최적화 모듈을 통해 운전조건을 제시할 필요가 발생하였다. Accordingly, it is necessary to improve the gas generation amount by the process model predictive control of the present invention, and it is necessary to present the operating conditions through the optimization module of FIG.

최적화 모듈의 적용을 위해 우선 혐기성 소화모델(IWA1)을 통해 예측된 가스 발생량이 13.28 L/d로서 역시 기준 가스량 20.25 L/d보다 낮기 때문에 제어변수 우선순위에 따라 과거이력에 의해 설정된 기본 유입유량 값에 대하여 25%씩 상향조정하여 수리학적 체류시간(HRT)에 따른 가스 발생량을 예측함으로써 기준 가스량에 도달할 수 있는 운전조건을 검색하였다.In order to apply the optimization module, the gas generation amount estimated by the anaerobic digestion model (IWA1) is 13.28 L / d, which is also lower than the reference gas volume of 20.25 L / d. (25%) to estimate the amount of gas generated by the hydraulic retention time (HRT).

우선 소화조에 유입되는 유량을 기본 유입유량보다 25% 증가시켜 가스 발생량을 예측하였다. 그러나 아직 기준 가스량 20.25 L/d에는 도달하지 못하였으므로 시나리오 데이터베이스를 통해 유입유량을 점차 25%씩 증가시켜 통상적으로 운영되는 유입유량(1.14 L/d)의 2배에 해당하는 2.28 L/d로 증가시켰을 때 가스 발생량이 기준 가스량에 근접함을 나타내었다.  First, the amount of gas flowing into the digester was increased by 25% from the basic flow rate to predict the amount of gas generation. However, since the reference gas volume has not yet reached 20.25 L / d, the scenario flow rate is gradually increased by 25% through the scenario database to 2.28 L / d, which is twice the conventional flow rate (1.14 L / d) The amount of gas generated is close to the reference gas amount.

이러한 운전조건에 따라 소화조를 운전할 결과 기준 가스량(20.25 L/d)보다 As a result of operating the digester under these operating conditions, the reference gas volume (20.25 L / d)

0.25 L/d 높은 가스 발생량을 얻을 수 있어 본 발명에 따른 공정모델 예측제어 시스템 및 그 방법이 혐기성 소화가스의 생산촉진에 유용함을 확인할 수 있었다.0.25 L / d. Thus, it can be confirmed that the process model predictive control system and method according to the present invention are useful for promoting the production of anaerobic digestion gas.

S110: 측정기기 어셈블리
S210: 혐기소화공정 데이터베이스
S220: 실제 가스 발생량 진단
S230: 데이터 전환수단
S310: 혐기성 소화모델
S320: 최적화 모듈
S321: 예측가스 발생량 진단
S322: 시나리오 데이터베이스
S323: 운전조건 도출
S330: 운전조건 제시
S110: Measuring device assembly
S210: Anaerobic digestion process database
S220: Diagnosis of actual gas generation
S230: Data switching means
S310: Anaerobic digestion model
S320: Optimization module
S321: Diagnosis of predicted gas volume
S322: scenario database
S323: Derivation of operating conditions
S330: Present driving conditions

Claims (12)

혐기성 소화가스의 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제물협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고;
상기 소화모델의 예측 신뢰도를 향상시키기 위해 혐기소화공정 데이터베이스로부터 실측값과 예측값의 차이에 대한 누적기록을 전송받아 선형 함수식을 도출 또는 상기 선형 함수식을 보정하여 오차값을 산출하고 상기 예측값과 상기 오차값을 합산한 값을 보정된 가스발생량으로 예측하여 실측값과 예측값 간의 오차를 보정하는 기능과, 혐기성 소화가스 발생량의 증감 여부를 자체적으로 진단하여 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 혐기성 소화가스 발생량 수준에서의 유입유량과 미생물촉진제 적용에 대한 정량적 운전조건을 도출하는 시나리오 분석기능을 가지는 최적화 모듈을 포함하여 이루어지며;
상기 시나리오 분석이 유입유량과 미생물 촉진제에 대한 기본값 및 시나리오 우선순위가 설정되어 있는 시나리오 데이터베이스의 시나리오 우선순위를 바탕으로 상기 소화모델을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
The ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) is applied as an anaerobic digestion model to estimate the amount of anaerobic digestion gas generated;
In order to improve the predictive reliability of the digestion model, a cumulative record of the difference between the measured value and the predicted value is received from the anaerobic digestion process database, and a linear function expression is derived or an error value is calculated by correcting the linear function expression, And a function of correcting an error between an actual value and a predicted value by predicting a value obtained by summing up the amount of gas generated in the past period and a function of correcting an error between the actual value and the predicted value by automatically estimating whether or not the amount of generated anaerobic digestion gas is increased, And an optimization module having a scenario analysis function for deriving a flow rate at an anaerobic digestion gas generation level satisfying the history information and a quantitative operation condition for application of the microbial promoter;
Wherein the scenario analysis is performed through the digestion model based on scenario priorities of a scenario database in which default values and scenario priorities for influent flow rates and microbial accelerators are set, and process model predictive control for promoting anaerobic digestion gas production system.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 시나리오 분석의 유입유량과 미생물 촉진제에 대한 기본값으로 과거 운전이력에 대한 평균값을 적용하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the average value of past operating histories is applied to the flow rate of the scenario analysis and the default value for the microbial accelerator, and the process model predictive control system for promoting anaerobic digestion gas production.
제 4항에 있어서,
상기 유입유량이 시나리오 우선순위에서 미생물 촉진제보다 앞서도록 설정되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
5. The method of claim 4,
Wherein the influent flow rate is set prior to the microbiological promoter in the scenario priority.
제 4항에 있어서,
상기 시나리오 분석은 기본값 대비 25%씩 상향조정하여 설계치 정보를 기반으로 범위를 설정하되 25~300%의 범위에서 비율을 달리 적용하여 분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
5. The method of claim 4,
The scenario analysis is performed by setting the range based on the design value information by 25% up to the default value, and performing the analysis by applying the ratio in the range of 25 to 300%. The process model for promoting anaerobic digestion gas production Predictive control system.
혐기성 소화가스의 발생량을 예측하는 혐기성 소화모델로서 국제물협회(IWA)에서 제안한 ADM1 모델을 적용하고;
혐기성 소화조에 설치되어 상기 소화모델에 필요한 측정변수들에 대한 정보를 취득하는 측정기기 어셈블리와;
상기 측정변수들에 대한 정보를 상기 소화모델에 필요한 입력변수로 전환시키기 위한 데이터 전환수단과;
상기 데이터 전환수단을 통해 도출된 입력변수와 측정변수들에 대한 정보를 저장하는 혐기소화공정 데이터베이스와;
상기 혐기소화공정 데이터베이스로부터 실측값과 예측값의 차이에 대한 누적기록을 전송받아 선형 함수식을 도출 또는 상기 선형 함수식을 보정하여 오차값을 산출하고 상기 예측값과 상기 오차값을 합산한 값을 보정된 가스발생량으로 예측하여 실측값과 예측값 간의 오차를 보정하는 기능과, 혐기성 소화가스 발생량의 증감 여부를 자체적으로 진단하여 운영자에 의해 설정된 가스발생량 기준치 또는 과거 일정기간 중의 가스발생량 이력정보를 만족하는 혐기성 소화가스 발생량 수준에서의 유입유량과 미생물촉진제 적용에 대한 정량적 운전조건을 상기 소화모델을 통해 도출하는 시나리오 분석기능을 가지는 최적화 모듈과;
상기 혐기성 소화조의 pH, 온도를 일정수준으로 유지시켜 줄 수 있는 고정제어수단과;
상기 혐기성 소화조에 유입되는 유기성 폐기물의 유입유량과 미생물 촉진제의 주입을 결정하는 가변제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
The ADM1 model proposed by the International Water Association (IWA) is applied as an anaerobic digestion model to estimate the amount of anaerobic digestion gas generated;
A measuring instrument assembly installed in the anaerobic digestion tank for acquiring information on the measurement parameters required for the digestion model;
Data switching means for switching information on the measurement parameters to input variables necessary for the digestion model;
An anaerobic digestion process database storing information on input parameters and measurement parameters derived through the data conversion means;
And an error value is calculated by correcting the linear function formula, and a value obtained by adding the predicted value and the error value is converted into a corrected gas generation amount And a function of diagnosing itself whether or not the amount of generated anaerobic digestion gas is increased or decreased and calculating a gas generation amount reference value set by the operator or an anaerobic digesting gas generation amount satisfying the gas generation amount history information in the past period An optimization module having a scenario analysis function for deriving a quantitative operation condition for application of a flow rate at a level and a microorganism promoter application through the digestion model;
A fixed control means for maintaining pH and temperature of the anaerobic digestion tank at a predetermined level;
And a variable control means for determining an inflow flow rate of the organic waste flowing into the anaerobic digestion tank and the infusion of the microorganism promoter into the anaerobic digestion tank.
제 7항에 있어서,
상기 혐기성 소화조는 산발효조와 메탄발효조로 구분되는 이상 혐기성 소화조로 이루어지고, 고정제어수단을 통해 소화조의 온도를 유지할 수 있는 보일러와 소화조의 pH를 유지시키기 위한 완충조가 더 구비되며, pH 측정용 센서와 온도계가 상기 소화조와 완충조에 설치되고, 상기 pH 측정용 센서와 온도계로 측정된 상기 소화조와 완충조의 pH와 온도값이 메모리에 저장됨과 동시에 외부 모니터에 의해 실시간 모니터링되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
8. The method of claim 7,
The anaerobic digestion tank is composed of an ideal anaerobic digestion tank divided into an acid fermentation tank and a methane fermentation tank, a boiler capable of maintaining the temperature of the digestion tank through a fixed control means, and a buffer tank for maintaining the pH of the digestion tank. And a thermometer are installed in the digester and a buffer tank. The pH and temperature values of the digester and buffer measured by the pH measuring sensor and the thermometer are stored in a memory and monitored in real time by an external monitor. Process Model Predictive Control System for Production Promotion.
제 8항에 있어서,
상기 산발효조의 pH는 5~6, 메탄발효조의 pH는 7~7.5로 유지되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
9. The method of claim 8,
Wherein the pH of the acid fermentation tank is maintained at 5 to 6, and the pH of the methane fermentation tank is maintained at 7 to 7.5.
제 8항에 있어서
상기 혐기성 소화조의 온도는 중온소화 온도인 33~38 ℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
The method of claim 8, wherein
Wherein the temperature of the anaerobic digestion tank is maintained at a mid-temperature of 33 to 38 ° C.
제 9항에 있어서,
상기 혐기성 소화조의 pH를 유지시키기 위한 고정제어수단은 상기 소화조의 pH 측정용 센서에서 수집된 pH값을 실시간으로 확인하고 상기 유지되어야 할 pH값과 비교하여 완충조와 연결되어 있는 약품 저장조의 유입펌프를 작동할지 여부를 결정하는 제어 알고리즘을 가지는 것을 특징으로 하는 혐기성 소화가스 생산촉진을 위한 공정모델 예측제어 시스템.
10. The method of claim 9,
The fixed control means for maintaining the pH of the anaerobic digestion tank checks the pH value collected by the sensor for pH measurement of the digestion tank in real time and compares the pH value with the pH value to be maintained so that the inflow pump of the medicine storage tank connected to the buffer tank And a control algorithm for determining whether to operate the anaerobic digestion gas.
삭제delete
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