KR102088859B1 - 사전 감지 센서를 이용하여 에너지를 절감하는 하수처리장 송풍기 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 시티 구현을 위한 에너지 절감 기술에 관한 것으로 특히 하수 처리장의 생물반응조에 공기를 공급하는데 사용되는 송풍기의 제어 방법에 관한 것으로, 1차침전지 유입단 이전의 사전 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사전 감지 모드와, 2차 침전지에서의 사후 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사후 감지 모드를 포함한다.

Description

사전 감지 센서를 이용하여 에너지를 절감하는 하수처리장 송풍기 제어 방법{A control method of air blower in sewage treatment plant using pre-sensing sensors for energy-savings}

본 발명은 4차 산업혁명에 대비하고 스마트 시티, 스마트 팩토리 구현을 위한 에너지 절감 기술에 관한 것으로 특히 하수 처리장의 생물반응조에 공기를 공급하는데 사용되는 송풍기의 제어 방법에 관한 것이다.

최근 수자원에 대한 관심이 높아지고, 하수처리장의 방류수 수질기준의 규제가 강화되면서, 하수처리장의 방류수질을 안정적으로 유지시킴과 동시에 처리 비용을 절감시키기 위하여 공정의 고도화 및 최적 운전의 필요성이 대두되고 있다. 하수처리공정이 고도화되면서 생물학적 처리공정이 도입되어 유입원수의 오염물질을 제거한다. 특히, 생물반응조에서 미생물이 오염물질 중 유기물을 제거하거나 질소를 변환하기 위해서는 산소가 반드시 필요하며, 일반적으로 산소는 송풍기를 통해 공기를 넣어 줌으로써 생물반응조로 유입된다. 미생물이 유기물 산화와 질산화를 수행하기 위해서는 포기조 내 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)가 적절한 농도로 유지되어야 한다. 만약 용존산소 농도가 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, 미생물이 필요로 하는 용존산소 농도를 유지시키며, 필요 이상의 공기를 주입하여 폐기되는 용존산소를 줄이는 등 처리능력 향상 및 적정 공기공급에 의한 운전비용을 절감할 필요가 있다.

도1은 하수처리장 전체에서 각 요소별 에너지 소비 비중을 도시한 그래프로써, 생물반응조에서 포기 활성화(activated sludge aeration) 56%, 1차침전지 및 슬러지 펌프(Primary clarifier and sludge pump) 10%, 가열(Heating) 7%, 탈수(solid dewatering) 7%, 유입수 펌프장(Influent pump station) 4%, 기타(Others) 16% 인 것을 알 수 있다. 이중 생물반응조에서 포기 활성화에 소비되는 에너지, 즉 송풍에 소요되는 에너지가 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.

송풍기 에너지 절감을 위한 방법으로는 고효율 모터, 고효율폭기기, 인버터, 고효율산기관등 효율이 높은 기기를 사용하는 방법이 고려될 수 있다. 또는 수질 오염 지표에 따른 송풍기 제어를 수행하는 방법이 고려될 수도 있다. 수질 오염 지표는 암모니아성질소(NH4-N), 유기물(COD), 유량 등의 직접 지표가 사용되거나, 또는 pH, 활성도(OUR), 산화환원전위(ORP), NADH 등의 간접 지표가 사용될 수도 있다.

종래 하수처리장의 송풍기 에너지 절감을 위한 기술의 일예로써, 대한민국 특허 공개 제10-2018-0076454호는 에너지 절감을 위한 하수 처리장에서의 에너지 제어 방법으로써 “소정의 시간 단위로 하수 유입량을 측정하는 단계; 상기 시간 단위로 측정된 상기 하수 유입량을 이용하여 포기조로 공급되는 송풍량을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 송풍량을 기초로 송풍량을 제어하는 단계”로 구성되는 에너지 제어 방법을 개시하고 있다. 이러한 종래 송풍기 에너지 제어 방법은 하수의 유입량에 비례하여 생물반응조에 공급되는 송풍량이 제어되도록 구성되어 있었다. 그러나 이러한 종래 기술은 하수의 유입량에만 대응할 수 있을 뿐, 송풍량 산정에 중요한 요소인 유입하수에 포함되는 유기물, 질소 등 오염물의 농도에 따른 대응은 이루어 지지 않아 효과적인 송풍량 제어가 이루어질 수 없는 한계가 있었다. 또한, 이러한 종래 기술은 특정 하수 처리장에서 시험한 결과에 기초하여 송풍량과 하수유입량의 상관 관계가 통계적으로 산출된 것으로써 모든 하수 처리장에 일반화하여 사용될 수 없는 문제가 있었다.

전술한 공개 특허에 개시된 송풍기 에너지 제어 방법 이외에도 종래 다른 기술도 사용되어 왔으나, 대부분은 생물반응조의 수질 오염 지표를 이용하거나 수질원격감시시스템(TMS, Tele-Monitoring System)을 통한 수처리후 지표를 기반으로 하는 것으로 뒤늦은 제어가 이루어지는 문제가 있었다.

대한민국 특허 공개 제10-2018-0076454호

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생물반응조로 유입되기 이전 단계에서 하수의 수질 오염 농도를 사전에 감지하여 이를 기반으로 송풍기 에너지 제어를 수행함으로써, 송풍기 에너지 부하에 대한 선제적인 대응이 가능한 송풍기 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 유입 하수의 유량에 기초한 것이 아닌, 유입하수의 오염물 농도 지표에 기반하여 송풍기 부하에 대한 제어를 최적화 할 수 있는 송풍기 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 유입 하수의 오염물 농도에 대응하여 송풍기 작동을 제어함으로써 소비 에너지를 절감 할 수 있는 송풍기 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 유입하수의 오염물 농도에 기반하여 선제적 대응을 실시함과 아울러 송풍기의 과잉 운전을 방지할 수 있도록 사후 오염 지표인 2차침전지의 pH값을 활용하여 연계 제어를 수행함으로써 과잉 에너지 소비를 방지할 수 있는 송풍기 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법은 1차침전지 유입단 이전의 사전 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사전 감지 모드와, 2차 침전지에서의 사후 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사후 감지 모드를 포함하는 하수처리장 송풍기 제어 방법에 있어서,

상기 사전 감지 모드는 송풍기 운전 조건의 초기 기준값을 설정하는 운전 조건 설정 단계와, 사전감지부를 통해 사전 오염 지표인 CODcr 농도 및 NH4-N 농도를 측정하는 사전 오염 지표 감지 단계와, 상기 사전 오염 지표 단계에서 감지된 CODcr 농도 및 NH4-N 농도를 이용하여 생물반응조에서 요구되는 산소 농도를 정성적으로 예측하기 위한 지표인 사전 감지 인자(PSF)를 아래 수식(1)에 의해 산출하는 사전 감지 인자 산출 단계와,

PSF = (a) X (CODcr 농도) + (b) X (NH4-N 농도) ---- 수식(1) (a=0.3, b=4.6)

상기 운전 조건 설정 단계에서 설정되는 사전 감지 인자 값인 PSF_sv의 하한값PSF_sv Low 및 상한값 PSF_sv High와, 상기 사전 감지 인자 산출 단계에서 산출된 사전 감지 인자 값인 PSF_pv의 크기를 비교하는 사전 감지 인자 비교 단계와, 상기 사전 감지 인자 비교 단계에서의 비교 결과에 따라 송풍기의 온/오프 타임을 변경하는 송풍기 온/오프 타임 조정 단계와, 상기 송풍기 온/포트 타임 조정 단계에서 조정 온/오프 타임에 따라 송풍기를 작동시키는 송풍기 작동 단계와, 상기 운전 조건 설정 단계에서 설정된 단위 운전 시간이 경과되었는지 여부를 판단하는 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계와, 상기 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계에서 단위 운전 시간이 경과된 것으로 판단된 경우 상기 송풍기 온/오프 타임 조정 단계에서 조정된 온 타임 및 오프 타임을 새로운 기준값으로 설정하고, 직전 단위 운전 시간 동안 산출한 PSF_pv 의 하한값 및 상한값을 사전 감지 인자의 기준값 PSF_sv Low 및 PSF_sv High로 재설정하는 운전 조건 재설정 단계를 포함하고,

그리고 상기 사후 감지 모드는 2차침전지에서의 pH 기준값인 pH Low를 6.5 ~ 6.7 범위 내에서 설정하는 사후 오염 지표 기준값 설정 단계와, 사후감지부를 통해 사후 오염 지표인 2차 침전지에서의 pH 값을 측정하는 사후 오염 지표 감지 단계와,

상기 사전 감지 모드에 따라 송풍기가 온 상태인지 오프 상태인지 여부를 판단하는 송풍기 온/오프 판단 단계와, 상기 송풍기 온/오프 판단 단계에서 송풍기가 온 상태인 것으로 판단된 경우 상기 사후 오염 지표 기준값 설정 단계에서 설정된 pH Low 값과 상기 사후 오염 지표 감지 단계에서 측정된 pH값인 pH_pv 를 비교하는 사후 오염 지표 비교 단계와, 상기 사후 오염 지표 비교 단계에서 pH_pv가 pH Low 보다 작은 것으로 판단된 경우 송풍기를 오프 상태로 변환하는 송풍기 오프 변환 단계를 포함한다.

또한, 상기 송풍기 온/오프 타임 조정 단계는 PSF_pv 가 PSF_sv Low 보다 작은 경우 송풍기 온 타임을 감소시키고, PSF_pv 가 PSF_sv Low 와 PSF_sv High 사이 값인 경우 송풍기 온/오프 타임을 초기 기준값으로 유지하고, PSF_pv 가 PSF_sv High 보다 큰 경우 송풍기 온 타임을 증가시킨다.

또한, 상기 운전 조건 설정 단계는 송풍기 온 타임에 대한 최소값 및 최대값을 설정하는 단계를 포함하고, 상기 송풍기 온/오프 타임 조정 단계는 상기 운전 조건 설정 단계에서 설정된 송풍기 온타임에 대한 최소값 및 최대값 사이의 범위 내에서 온 타임 조정이 이루어진다.

본 발명에 따른 송풍기 제어 장치는 적어도 1차침전지(12) 유입단 이전의 사전 오염 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행할 수 있도록 구성됨으로써 송풍기 부하에 대한 선제 대응이 가능하고, 효율적인 제어가 이루어 질 수 있다.

또한, 생물반응조에서 요구되는 산소량을 예측하는 지표인 사전 감지 인자(PSF) 값에 따라 송풍기 온/오프 타임을 제어함으로써 불필요한 공기 공급을 억제하여 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법은 송풍기 온 타임에 대한 최소값 및 최대값이 설정됨으로써, 송풍기의 내구성이 유지되도록 하고, 탈질기능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법의 사후 감지 모드는 전술한 사전 감지 모드와 연계되어 부가적으로 활용됨으로써, 산소 공급 과잉에 의한 송풍기 에너지 소비를 방지할 수 있다.

도1은 하수처리장에서 소요되는 에너지의 요소별 비중을 도시한 그래프.
도2는 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법이 구현되는 하수처리장의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도3은 수질 오염 지표 감지 지점별 대응 지연 시간을 표현한 이미지.
도4는 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법 실시를 위한 장치 구성을 도시한 블록도.
도5는 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법의 사전 감지 모드를 도시한 순서도.
도6은 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법의 사후 감지 모드를 도시한 순서도.

이하에서는 본 발명의 다양한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 가해질 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명을 해당 실시예로 한정하기 위해 기술되는 것이 아니다. 본 발명은 이하의 실시예 뿐만 아니라 본 명세서 전체로부터 이해되는 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형물, 대체물, 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 사용될 수 있는 “포함한다”, “구성된다”, “가진다” 등의 표현은 추가적인 구성 요소나 기능을 배제하지는 않은 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 사용될 수 있는 “제1…”, “제2…”, “첫째”, “둘째”등의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 구성 요소들 사이의 순서나 중요도 등을 한정하는 의미로 해석되어서는 안 된다.

이하에서 용어의 사용에 있어서 단수의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 복수의 표현을 배제하지 않은 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 송풍기 제어 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법을 설명하기에 앞서 우선 송풍기 제어 방법이 구현되는 하수처리장의 구성을 도2를 참조하여 설명한다. 도시된 바와 같이, 하수처리장은 유입부를 통해 흘러 들어온 하수가 처리되는 순서에 따른 집수조(11), 1차침전지(12), 생물반응조(13), 2차침전지(14), 후처리조(15) 등을 포함한다.

집수조(11)는 유입되는 하수와 함께 흘러 들어온 큰 오염물을 제거하는 구성이다. 오수 속에 포함된 모래나 흙을 비롯하여 기타 물보다 무거운 입자 성분의 물질들은 스스로 침전되고, 이와 같이 침전된 물질은 침사인양기 등을 통해 바닥에서 제거된다. 물에 뜨는 물질이라도 비닐이나 유기체 조각, 나무나 헝겊 등 부피가 큰 물질은 스크린을 통해 걸러진다. 이에 따라 시설 내 기계류의 마모나 관로의 막힘을 방지하고, 후속 공정에서의 처리효율을 높일 수 있게 된다.

1차침전지(12)는 집수조(11)로부터 모래 등이 제거된 오수를 받아 오랜 시간 동안 체류 시킴으로써, 오수 중 비교적 미세한 물질들까지 침전시킨다. 1차침전지(12)에 가라앉은 침전물(즉, 생슬러지)은 별도의 농축조로 보내져 처리된다. 1차침전지(12)의 상등수(즉, 위에 뜬 물)는 표면에 떠다니는 부유물 등이 기계적 설비를 통해 제거된 후 다음 공정인 생물 반응조(13)로 보내진다. 도시되어 있지는 않으나 1차침전지(12)에 유입되는 유량을 분배 및 조절하여 유입 부하량을 균질화하기 위한 별도의 유량조정조가 1차침전지(12) 앞단에 마련될 수도 있다.

생물반응조(13)는 생물학적 처리 공정 또는 활성슬러지 공정이 이루어지는 구성이다. 구체적으로, 생물반응조(13)에는 송풍기를 통해 공기가 공급되어 오수 중의 산소 농도를 적절히 유지시킨다. 즉, 용존 산소(DO) 농도가 유지되어 미생물의 대량증식이 가능하도록 한다. 혐기성 미생물은 무산소 영역에서 탈질소화 과정을 통해, 그리고 호기성 미생물은 호기 영역에서 질산화 과정을 통해 오수 속의 유기물을 활발히 분해, 섭취하여 몸체를 불리게 된다. 미생물은 플록(floc)이라는 덩어리를 이루어 오수 속의 미세한 유기물에 흡착하기도 한다. 이와 같이 생물 반응조(13)에서 성장한 미생물의 덩어리는 유기물을 활발히 섭취하여 제거하는 능력이 있어 활성슬러지라고 불린다.

2차침전지(14)는 생물반응조(13)에서 성장한 활성슬러지를 제거하는 구성이다. 다시 말하면, 활성슬러지의 침전성을 이용하여 2차침전지(14)에 침전시킨 후, 오염물이 제거되어 깨끗해진 상등수만을 후처리조(15)로 유출한다. 활성 슬러지의 표면에는 미처 분해되지 못한 유기물이 같이 부착되어 있으므로, 침전에 의해 분리된 고형물 중 일부는 생물반응조(13)로 반송될 수 있다. 반송되지 않은 여분이 슬러지 즉, 잉여슬러지는 별도의 농축조로 보내져 처리된다.

후처리조(15)는 2차침전지(14)의 처리수에 함유되어 있는 세균류를 염소 소독이나 자외선 조사 등을 통해 살균하고, 소독 처리된 물을 최종적으로 수역에 방류한다.

도3은 이러한 하수처리장에 있어서 각 처리 단계별 하수의 체류 시간과, 수질 오염 지표 감지 지점별 그에 따른 제어의 대응지연시간을 도시한 그래프이다. 이를 참조하면 하수의 체류 시간은 집수조(11) 1시간, 1차침전지(12) 1~2시간, 생물반응조(13) 10~15시간, 2차침전지(14) 3~5시간, 후처리조(15) 1~3시간으로 나타난다. 따라서 집수조(11)에서 수질 오염 지표를 감지할 경우는 하수 유입 이후 1시간 가량의 대응 지연 시간이 발생하고, 1차침전지(12)에서 수질 오염 지표를 감지할 경우는 하수유입 이후 3시간 가량의 대응 지연이 발생하며, 생물반응조(13)에서 수질 오염 지표를 감지할 경우는 18시간 가량의 대응 지연이 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고 수질 TMS부에서의 지표를 참조로 할 경우는 26시간 가량의 대응 지연이 발생하여 너무 늦은 대응으로 인해 제어가 효과적으로 이루어지기 어렵다. 본 발명에 따른 하수처리장의 송풍기 제어 방법은 생물반응조에서의 부하를 사전에 감지하여 선제적으로 제어를 수행함으로써 효과적인 제어가 가능한 제어 방법을 제공하는 것이다.

다음은 이러한 하수처리장 구성에 있어서 생물반응조(13)에 공기를 공급하는 송풍기의 제어를 위한 장치에 대하여 상세히 설명한다. 도4를 참조하면 본 발명에 따른 송풍기 제어 장치는 제어부(21), 사전감지부(22) 및 사후감지부(23)를 포함한다.

제어부(21)는 기기의 전체적인 작동을 제어하는 구성으로써, 사전감지부(22) 및 사후감지부(23)로부터 측정된 수질 오염 지표를 참조하여 송풍기 작동에 대한 제어를 수행한다. 제어부(21)는 중앙처리장치, 메모리, 디스플레이, 사용자인터페이스 등을 포함하는 컴퓨터로 구현될 수 있다.

사전감지부(22)는 생물반응조에서 예상되는 송풍기 공기필요량을 사전에 산정하기 위한 구성으로, 하수의 유입부, 집수조(11), 또는 1차침전지(12) 유입단 등 적어도 1차침전지(12) 유입 이전 단계에서의 수질 오염 지표를 감지할 수 있도록 유입 하수 오염 부하 사전 감지 센서를 포함한다. 이하에서는 사전감지부(22)에서 측정되는 수질 오염 지표를 “사전 오염 지표”라 한다. 사전감지부(22)에서 측정된 사전 오염 지표는 제어부(21)에 전달되어 송풍기 온/오프 타임을 제어하는데 사용된다. 사전감지부(22)에서 측정되는 사전 오염 지표는 유기물 오염의 지표가 되는 CODcr(화학적산소요구량) 농도와 질소 오염의 지표가 되는 NH4-N(암모니아성질소) 농도일 수 있다. 이를 위하여 사전감지부(22)는 사전 감지 센서인 CODcr 센서 및 NH4-N 센서를 포함한다. 사전감지부(22)는 집수조(11)에 침지되는 방식으로 설치되거나 또는 집수조(11)에서 배수되는 관로상에 설치될 수 있다.

제어부(21)는 사전감지부(22)에서 측정된 CODcr 농도 및 NH4-N 농도 값을 참조하여 송풍기 부하를 예측하기 위한 사전 감지 인자(Pre Sensor Factor, PSF)를 산출한다. 사전 감지 인자는 생물반응조(13)에서 요구되는 산소 농도(OD, Oxygen Demand)를 정성적으로 예측하기 위한 지표로써 아래 수식으로 정의된다.

PSF = (a) X (CODcr 농도) + (b) X (NH4-N 농도)

위 수식에서 a 및 b는 가중치를 의미하며, a = 0.3 , b = 4.6일 수 있다.

가중치 a는 유기물(BOD)을 산화 시키는데 필요한 산소 요구량을 예측하기 위한 것으로써, 유기물(BOD) 1mg을 산화시키는데 필요한 산소량은 0.5 ~ 0.7 mg인 것으로 알려져 있으며, 하수의 경우 BOD값이 CODcr값의 절반수준임을 감안하여 0.3으로 설정될 수 있다.

가중치 b는 암모니아성질소(NH4-N)를 산화 시키는데 필요한 산소 요구량을 예측하기 위한 것으로써, NH4-N 1mg이 질산염으로 산화되는데 필요한 이론적 산소 요구량은 4.6mg이므로 이를 반영하여 4.6으로 설정될 수 있다.

제어부(21)는 산출된 사전 감지 인지(PSF)를 기초로 하여 소정의 조건에 따라 송풍기 작동을 제어한다. 본 발명에 따른 송풍기 제어 장치는 적어도 1차침전지(12) 유입단 이전의 사전 오염 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행할 수 있도록 구성됨으로써 송풍기 공기필요량에 대한 선제 대응이 가능하고, 효율적인 제어가 이루어 질 수 있다.

사후감지부(23)는 2차침전지(14)로 유입된 하수의 수질 오염 지표를 측정한다. 사후감지부(23)는 생물반응조(13)에서 생물반응을 거친 이후의 오염 지표를 측정하는 구성이다. 이하에서는 사후감지부(23)에서 측정되는 수질 오염 지표를 “사후 오염 지표”라 한다. 사후 오염 지표는 생물반응조(13)에서 질산화 정도를 반영하는 지표로써, pH일 수 있다. 사후감지부(23)는 pH 센서를 포함하며, 사후감지부(23)에서 측정된 pH 값은 제어부(21)에 전달되어 송풍기 작동 제어를 위해 사용된다.

이하에서는 도5 및 도6을 참조하여 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 송풍기 제어 방법은 사전 오염 지표를 참조하여 제어를 수행하는 사전 감지 모드와, 사후 오염 지표를 참조하여 제어를 수행하는 사후 감지 모드를 포함한다.

도5를 참조하면, 사전 감지 모드에 따른 송풍기 제어 방법은 사전 감지 모드에 따른 송풍기 운전 조건을 설정하는 운전 조건 설정 단계(S11)를 포함한다. 제어부(21)는 송풍기가 작동하는 단위 운전 시간, 온(on) 타임, 오프(off) 타임에 대한 초기 기준값을 설정한다. 또한, 제어부(21)는 송풍기가 초기 기준값으로 운전되도록 하기 위한 사전 감지 인자(PSF)의 초기 기준값 PSF_sv도 함께 설정한다. 송풍기 운전 조건에 있어서 단위 운전 시간은 송풍기 동작의 주기를 의미하며 예를 들어 1시간(one hour)일 수 있다. 온 타임은 단위 운전 시간 동안 송풍기가 작동하는 시간을 의미하며 예를 들어 30분일 수 있다. 오프 타임은 단위 운전 시간 동안 송풍기가 작동하지 않는 정지 시간을 의미하며 단위 운전 시간이 1시간이고, 온 타임이 30분인 경우 오프 타임은 30분이 된다. 사전 감지 인자 기준값(PSF_sv)은 소정의 범위로 설정될 수 있으며, 예를 들어 소정의 하한값(PSF_sv Low)과 상한값(PSF_sv High)의 범위로 설정될 수 있다.

또한, 송풍기 제어 방법은 사전 오염 지표를 감지하는 사전 오염 지표 감지 단계(S12)를 포함한다. 사전 오염 지표 감지 단계(S11)에서는 전술한 사전감지부(22)를 통해 CODcr 농도 및 NH4-N 농도가 측정되어 제어부(21)로 전달된다.

또한, 송풍기 제어 방법은 또한 사전 오염 지표 감지 단계(S12)에서 측정된 CODcr 농도와 NH4-N 농도를 이용하여 사전 감지 인자 값 PSF_pv를 산출하는 사전 감지 인자 산출 단계(S13)를 포함한다. 사전 감지 인자 산출 단계(S13)에서 제어부(21)는 사전 오염 지표 감지 단계(S12)에서 측정된 CODcr 농도와 NH4-N 농도를 참조하여 전술한 사전 감지 인자(PSF) 산출 수식에 따라 사전 감지 인자 값 PSF_pv 을 계산한다.

또한, 송풍기 제어 방법은 운전 조건 설정 단계(S11)에서 설정된 사전 감지 인자값 PSF_sv 와 사전 감지 인자 산출 단계(S13)에서 산출된 사전 감지 인자 값 PSF_pv를 비교하는 사전 감지 인자 비교 단계(S14)를 포함한다. 사전 감지 인자 비교 단계(S14)에서 제어부(21)는 운전 조건 설정 단계(S11)에서 설정된 사전 감지 인자 값 PSF_sv 와 사전 감지 인자 산출 단계(S13)에서 산출된 사전 감지 인자 값 PSF_pv의 크기를 비교하고, 비교 결과에 따른 후속 처리가 수행되도록 한다.

다음으로 송풍기 온/오프 타임 조정 단계(S15)가 수행된다. 제어부(21)는 사전 감지 인자 비교 단계(S13)의 비교 결과에 따라 송풍기 온/오프 타임을 변경한다. 좀 더 구체적으로는 PSF_pv 가 PSF_sv Low 보다 작은 경우(PSF_pv < PSF_sv Low), 생물반응을 위해 요구되는 산소량이 초기 기준값보다 적은 것으로 판단되어 송풍기 온 타임을 감소시킨다. 감소된 시간만큼 오프 타임은 증가된다. PSF_pv 가 PSF_sv Low 와 PSF_sv High 사이 값인 경우( PSF_sv Low < PSF_pv < PSF_sv High)는 생물반응에 요구되는 산소량이 초기 기준값 범위 내에 있으므로 송풍기 온/오프 타임을 초기 기준값으로 유지한다. 그리고 PSF_pv 가 PSF_sv High 보다 큰 경우(PSF_sv High < PSF_pv)는 생물반응을 위해 요구되는 산소량이 초기 조건보다 많으므로 송풍기 온 타임을 증가시킨다. 증가된 시간만큼 오프 타임은 감소된다.

온 타임의 증가 또는 감소는 예를 들어, PSFpv가 PSFsv의 20%이하의 범위내에 있으면 5분, 21% ~ 50% 범위내에 있으면 10분, 51~75% 범위내에 있으면 15분, 76%이상에서는 20분을 조정(증가 또는 감소)하는 방식으로 변경될 수 있다. 그러나 현장의 여건에 따라 그 방식은 달라질 수도 있다.

한편, 전술한 운전 조건 설정 단계(S11)에서 송풍기 운전 조건과 관련하여 온 타임에 대한 최소값 및 최대값이 설정될 수 있다. 예를 들어 단위 운전 시간이 1시간인 경우, 온 타임 최소값은 20분, 최대값은 40분으로 설정될 수 있다. 온 타임의 최소값은 송풍기 온/오프의 빠른 변환으로 인해 송풍기에 무리가 가해지는 것을 방지하기 위해 설정될 수 있다. 온 타임의 최대값은 생물반응조(13)의 탈질 기능이 저하되는 것을 방지하기 위해 설정될 수 있다.

이와 같이 운전 조건 설정 단계(S11)에서 송풍기의 온타임에 대한 최소값 및 최대값이 설정되어 있는 경우는 전술한 송풍기 온/오프 타임 조정 단계(S15)에서는 설정된 온 타임 최소값 및 최대값 범위 내에서 온 타임에 대한 조정이 이루어 진다. 즉, PSF_pv 가 PSF_sv Low 보다 작아 송풍기 온 타임을 감소시키는 경우 온 타임 최소값을 한도로 하여 감소가 이루어 지며, PSF_pv 가 PSF_sv High 보다 커 온 타임을 증가시키는 경우 온 타임 최대값을 한도로 하여 증가가 이루어지도록 제어된다.

다음으로 송풍기 작동 단계(S16)가 수행된다. 제어부(21)는 송풍기 온/오프 타임 조정 단계(S15)에서 증가 또는 감소된 온 타임 및 오프 타임의 운전 조건에 따라 송풍기 운전을 제어한다.

다음으로 단위 운전 시간이 경과 되었는지 여부를 판단하는 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계(S17)가 수행된다. 제어부(21)는 운전 조건으로 설정된 단위 운전 시간이 경과되면 운전 조건 재설정 단계(S18)를 수행한다.

운전 조건 재설정 단계(S18)에서 제어부(21)는 전술한 송풍기 온/오프 타임 조정 단계(S15)에서 조정된 온 타임 및 오프 타임을 새로운 기준값으로 설정한다. 또한, 직전 단위 운전 시간 동안 PSF_pv 를 산출하여 그 하한값 및 상한값을 PSF_sv Low 및 PSF_sv High 로 재설정한다. 운전 조건 재설정 단계(S18)에서 재설정된 운전 조건 기준값 및 사전 감지 인자 기준값 PSF_sv 에 의해 전술한 오염 지표 감지 단계(S12) 이후 절차가 다시 반복된다.

이러한 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법의 사전 감지 모드는 1차침전지(12) 보다 앞단에서 유입하수의 수질 오염 지표를 감지하여 송풍기 제어를 수행할 수 있도록 구성됨으로써, 생물반응조에서의 부하에 대한 선제 대응을 가능하게 하는 장점이 있다. 또한, 생물반응조(13)에서 요구되는 산소량을 예측하는 지표인 사전 감지 인자(PSF) 값에 따라 송풍기 온/오프 타임을 제어함으로써 불필요한 공기 공급을 억제하여 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법은 송풍기 온 타임에 대한 최소값 및 최대값이 설정됨으로써, 송풍기의 내구성이 유지되도록 하고, 탈질기능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 송풍기 제어 방법은 전술한 사전 감지 모드에 따른 송풍기 제어에 부가하여 사후 감지 모드에 따른 송풍기 제어를 더 포함할 수 있다. 사후 감지 모드는 전술한 사후 오염 지표를 참조한 송풍기 제어 방법에 관한 것이다. 사후 감지 모드는 사전 감지 모드와 연계되어 수행될 수 있다.

사후 감지 모드에 따른 송풍기 제어 방법은 2차침전지(14)에서의 pH 기준값인 “pH Low”를 설정하는 사후 오염 지표 기준값 설정 단계(S21)를 포함한다. pH 값은 생물반응조(13)에서의 NH4-N에 대한 질산화 정도를 감지하기 위한 지표로써 6.5 ~ 6.7의 범위에서 설정될 수 있다. pH가 6.5 ~ 6.7 보다 작은 경우는 생물반응조(13)에서의 질산화가 과도하게 이루어 있는 것을 의미한다.

사후 감지 모드는 또한 사후 오염 지표인 2차침전지(14)에 저장된 하수의 pH 값을 측정하는 사후 오염 지표 측정 단계(S22)를 포함한다. 2차침전지(14)에 저장된 하수의 pH는 전술한 사후감지부(23)의 pH 센서를 통해 측정되어 제어부(21)로 전달된다.

다음으로 송풍기 온/오프 판단 단계(S23)가 수행된다. 제어부(21)는 전술한 사전 감지 모드에 따라 제어되고 있는 송풍기가 온 상태인지 오프 상태인지 여부를 판단하여 후속 단계를 수행한다. 송풍기가 온 상태일 경우 후속 단계를 수행한다.

송풍기 온/오프 판단 단계(S23)에서 송풍기가 온 상태로 확인되면 사후 오염 지표 비교 단계(S24)가 수행된다. 제어부(21)는 사후 오염 지표 측정 단계(S22)에서 측정된 pH_pv 과 초기화 단계(S21)에서 설정된 pH Low를 비교하고, 비교 결과에 따라 후속 단계를 수행한다. pH_pv 이 pH Low 보다 작은 경우(pH_pv < pH Low), 질산화가 충분히 이루어진 것을 의미한다. 따라서 산소 공급 과잉 상태에 있으므로 제어부(21)는 온 상태인 송풍기를 오프 상태로 변환하는 송풍기 오프 변환 단계(S25)를 수행한다. pH_pv 이 pH Low 보다 큰 경우(pH_pv > pH Low)는 추가적인 질산화가 요구되므로 송풍기는 온 상태로 유지된다.

이러한 본 발명에 따른 송풍기 제어 방법의 사후 감지 모드는 전술한 사전 감지 모드와 연계되어 부가적으로 활용됨으로써, 산소 공급 과잉에 의한 송풍기 에너지 소비를 방지하는 기능을 제공한다.

전술한 실시예에 따른 송풍기 제어 방법에 있어서 생물반응조(13)에서 요구되는 공기량에 대한 제어는 송풍기의 온/오프 타임을 조절하는 방식으로 이루어졌다. 그러나 또 다른 실시예로써 송풍기에 내장되는 모터의 회전수를 가변시키거나 또는 여러 대의 송풍기의 작동 개수를 가변시키는 방식에 의해서도 공기량에 대한 제어가 이루어질 수 있다. 즉, 단위 운전 시간 동안 생물반응조(13)에 공급되는 공기의 총량을 가변시킬 수 있는 다른 여하한 수단에 의해서도 본 발명의 목적은 달성될 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, 전술한 사전 감지 모드에 따른 송풍기 온/오프 다음 조정 단계(S15)는 “송풍량 조정 단계”로 대체될 수 있다. 송풍량 조정 단계에서 제어부(21)는 사전 감지 인자 비교 단계(S13)의 비교 결과에 따라 단위 운전 시간 동안 공급되는 송풍량을 변경한다. 즉, PSF_pv 가 PSF_sv Low 보다 작은 경우(PSF_pv < PSF_sv Low), 산소 요구량이 초기 기준값보다 적으므로 송풍기 회전수를 감소시키거나, 작동 송풍기 개수 감소시키는 방식으로 송풍량을 감소시킨다. PSF_pv 가 PSF_sv Low 와 PSF_sv High 사이 값인 경우( PSF_sv Low < PSF_pv < PSF_sv High)는 산소 요구량이 초기 기준값 범위 내에 있으므로 송풍량을 초기 기준값으로 유지한다. PSF_pv 가 PSF_sv High 보다 큰 경우(PSF_sv High < PSF_pv)는 산소 요구량이 초기 조건보다 많으므로 송풍기 회전수를 증가시키거나 작동 송풍기 개수를 증가시키는 방식으로 송풍량을 증가시킨다. 한편, 이러한 송풍량 조정 단계 수행을 위하여 운전 조건 설정 단계(S11)에서는 단위 운전 시간 동안 공급되는 송풍량에 대한 초기 기준값이 설정될 수 있다. 또한, 단위 운전 시간 경과 후 운전 조건 재설정 단계(S18)에서는 송풍량에 대한 새로운 기준값이 설정될 수 있다.

11 : 집수조
12 : 1차침전지
13 : 생물반응조
14 : 2차침전지
15 : 후처리조
21 : 제어부
22 : 사전감지부
23 : 사후감지부
S11 : 운전 조건 설정 단계
S12 : 사전 오염 지표 감지 단계
S13 : 사전 감지 인자 산출 단계
S14 : 사전 감지 인자 비교 단계
S15 : 송풍기 온/오프 타임 조정 단계
S16 : 송풍기 작동 단계
S17 : 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계
S18 : 운전 조건 재설정 단계
S21 : 사후 오염 지표 기준값 설정 단계
S22 : 사후 오염 지표 감지 단계
S23 : 송풍기 온/오프 판단 단계
S24 : 사후 오염 지표 비교 단계
S25 : 송풍기 오프 변환 단계

Claims (4)

1차침전지 유입단 이전의 사전 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사전 감지 모드와, 2차 침전지에서의 사후 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사후 감지 모드를 포함하는 하수처리장 송풍기 제어 방법에 있어서,
상기 사전 감지 모드는 송풍기 운전 조건의 초기 기준값을 설정하는 운전 조건 설정 단계와,
사전감지부를 통해 사전 오염 지표인 CODcr 농도 및 NH4-N 농도를 측정하는 사전 오염 지표 감지 단계와,
상기 사전 오염 지표 단계에서 감지된 CODcr 농도 및 NH4-N 농도를 이용하여 생물반응조에서 요구되는 산소 농도를 정성적으로 예측하기 위한 지표인 사전 감지 인자(PSF)를 아래 수식(1)에 의해 산출하는 사전 감지 인자 산출 단계와,
PSF = (a) X (CODcr 농도) + (b) X (NH4-N 농도) ---- 수식(1) (a=0.3, b=4.6)
상기 운전 조건 설정 단계에서 설정되는 사전 감지 인자 값인 PSF_sv의 하한값PSF_sv Low 및 상한값 PSF_sv High와, 상기 사전 감지 인자 산출 단계에서 산출된 사전 감지 인자 값인 PSF_pv의 크기를 비교하는 사전 감지 인자 비교 단계와,
상기 사전 감지 인자 비교 단계에서의 비교 결과에 따라 PSF_pv 가 PSF_sv Low 보다 작은 경우 송풍기 온 타임을 감소시키고, PSF_pv 가 PSF_sv Low 와 PSF_sv High 사이 값인 경우 송풍기 온/오프 타임을 초기 기준값으로 유지하고, PSF_pv 가 PSF_sv High 보다 큰 경우 송풍기 온 타임을 증가시키는 송풍기 온/오프 타임 조정 단계와,
상기 송풍기 온/오프 타임 조정 단계에서 조정 온/오프 타임에 따라 송풍기를 작동시키는 송풍기 작동 단계와,
상기 운전 조건 설정 단계에서 설정된 단위 운전 시간이 경과되었는지 여부를 판단하는 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계와,
상기 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계에서 단위 운전 시간이 경과된 것으로 판단된 경우 상기 송풍기 온/오프 타임 조정 단계에서 조정된 온 타임 및 오프 타임을 다음 단위 운전 시간 동안의 송풍기 운전을 위한 온 타임 및 오프 타임의 기준값으로 재설정하고, 직전 단위 운전 시간 동안 산출한 사전 감지 인자 값 PSF_PV의 하한값 및 상한값을 다음 단위 운전 시간 동안 산출되는 사전 감지 인자 값과 비교하기 위한 사전 감지 인자의 하한값 PSF_SV Low 및 사전 감지 인자의 상한값 PSF_SV High로 재설정하는 운전 조건 재설정 단계를 포함하고,
상기 사후 감지 모드는 2차침전지에서의 pH 기준값인 pH Low를 6.5 ~ 6.7 범위 내에서 설정하는 사후 오염 지표 기준값 설정 단계와,
사후감지부를 통해 사후 오염 지표인 2차 침전지에서의 pH 값을 측정하는 사후 오염 지표 감지 단계와,
상기 사전 감지 모드에 따라 송풍기가 온 상태인지 오프 상태인지 여부를 판단하는 송풍기 온/오프 판단 단계와,
상기 송풍기 온/오프 판단 단계에서 송풍기가 온 상태인 것으로 판단된 경우 상기 사후 오염 지표 기준값 설정 단계에서 설정된 pH Low 값과 상기 사후 오염 지표 감지 단계에서 측정된 pH값인 pH_pv 를 비교하는 사후 오염 지표 비교 단계와,
상기 사후 오염 지표 비교 단계에서 pH_pv가 pH Low 보다 작은 것으로 판단된 경우 송풍기를 오프 상태로 변환하는 송풍기 오프 변환 단계를 포함하는 송풍기 제어 방법.

삭제

제1항에 있어서,
상기 운전 조건 설정 단계는 송풍기 온 타임에 대한 최소값 및 최대값을 설정하는 단계를 포함하고,
상기 송풍기 온/오프 타임 조정 단계는 상기 운전 조건 설정 단계에서 설정된 송풍기 온타임에 대한 최소값 및 최대값 사이의 범위 내에서 온 타임 조정이 이루어지는 송풍기 제어 방법.

1차침전지 유입단 이전의 사전 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사전 감지 모드와, 2차 침전지에서의 사후 오염 감지 지표를 참조하여 송풍기 제어를 수행하는 사후 감지 모드를 포함하는 하수처리장 송풍기 제어 방법에 있어서,
상기 사전 감지 모드는 송풍기 운전 조건의 초기 기준값을 설정하는 운전 조건 설정 단계와,
사전감지부를 통해 사전 오염 지표인 CODcr 농도 및 NH4-N 농도를 측정하는 사전 오염 지표 감지 단계와,
상기 사전 오염 지표 단계에서 감지된 CODcr 농도 및 NH4-N 농도를 이용하여 생물반응조에서 요구되는 산소 농도를 정성적으로 예측하기 위한 지표인 사전 감지 인자(PSF)를 아래 수식(1)에 의해 산출하는 사전 감지 인자 산출 단계와,
PSF = (a) X (CODcr 농도) + (b) X (NH4-N 농도) ---- 수식(1) (a=0.3, b=4.6)
상기 운전 조건 설정 단계에서 설정되는 사전 감지 인자 값인 PSF_sv의 하한값PSF_sv Low 및 상한값 PSF_sv High와, 상기 사전 감지 인자 산출 단계에서 산출된 사전 감지 인자 값인 PSF_pv의 크기를 비교하는 사전 감지 인자 비교 단계와,
상기 사전 감지 인자 비교 단계에서의 비교 결과에 따라 PSF_pv 가 PSF_sv Low 보다 작은 경우 송풍기 회전수를 감소시키거나 작동 송풍기 개수를 감소시키고, PSF_pv 가 PSF_sv Low 와 PSF_sv High 사이 값인 경우 송풍량을 기준값으로 유지하고, PSF_pv 가 PSF_sv High 보다 큰 경우 송풍기 회전수를 증가시키거나 작동 송풍기 개수를 증가시키는 송풍량 조정 단계와,
상기 송풍량 조정 단계에서 조정된 송풍량에 따라 송풍기를 작동시키는 송풍기 작동 단계와,
상기 운전 조건 설정 단계에서 설정된 단위 운전 시간이 경과되었는지 여부를 판단하는 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계와,
상기 단위 운전 시간 경과 여부 판단 단계에서 단위 운전 시간이 경과된 것으로 판단된 경우 상기 송풍량 조정 단계에서 조정된 송풍량을 다음 단위 운전 시간 동안의 송풍기 운전을 위한 송풍량의 기준값으로 재설정하고, 직전 단위 운전 시간 동안 산출한 사전 감지 인자 값 PSF_PV의 하한값 및 상한값을 다음 단위 운전 시간 동안 산출되는 사전 감지 인자 값과 비교하기 위한 사전 감지 인자의 하한값 PSF_SV Low 및 사전 감지 인자의 상한값 PSF_SV High로 재설정하는 운전 조건 재설정 단계를 포함하고,
상기 사후 감지 모드는 2차침전지에서의 pH 기준값인 pH Low를 6.5 ~ 6.7 범위 내에서 설정하는 사후 오염 지표 기준값 설정 단계와,
사후감지부를 통해 사후 오염 지표인 2차 침전지에서의 pH 값을 측정하는 사후 오염 지표 감지 단계와,
상기 사전 감지 모드에 따라 송풍기가 온 상태인지 오프 상태인지 여부를 판단하는 송풍기 온/오프 판단 단계와,
상기 송풍기 온/오프 판단 단계에서 송풍기가 온 상태인 것으로 판단된 경우 상기 사후 오염 지표 기준값 설정 단계에서 설정된 pH Low 값과 상기 사후 오염 지표 감지 단계에서 측정된 pH값인 pH_pv 를 비교하는 사후 오염 지표 비교 단계와,
상기 사후 오염 지표 비교 단계에서 pH_pv가 pH Low 보다 작은 것으로 판단된 경우 송풍기를 오프 상태로 변환하는 송풍기 오프 변환 단계를 포함하는 송풍기 제어 방법.

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