KR20170080908A - 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법 및 그 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법 및 그 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 하수처리장으로 유입/유출되는 과거의 축적된 각종 수질데이터와 그 표준화 된 공정운영자료들로부터 각 자료항목들에 대한 그 분포특성을 나타내는 제 3사분위수를 도출하여, 에너지를 절감하기 위한 새로운 운전 조건의 설정하고, 수학적 모델로 구성된 공정모사를 통해 새로운 운전 조건에 따른 공정운영에 의한 유출수의 교란발생 여부를 확인하여, 허용 가능한 유출수질의 변화범위 안에서 최적상태의 에너지 절감효과를 얻을 수 있는 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법 및 그 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 하수처리장으로 유입/유출되는 과거의 축적된 각종 수질데이터와 그 표준화 된 공정운영자료들로부터 각 자료항목들에 대한 그 분포특성을 나타내는 제 3사분위수를 도출하여, 에너지를 절감하기 위한 새로운 운전 조건을 설정하고, 수학적 모델로 구성된 공정모사를 통해 새로운 운전 조건에 따른 공정운영에 의한 유출수의 교란발생 여부를 확인하여, 허용 가능한 유출수질의 변화범위 안에서 최적상태의 에너지 절감효과를 얻을 수 있는 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
하수처리장의 에너지 소비량에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 생물학적 반응조의 폭기량으로, 전체 에너지 소비량의 50 % 이상을 차지하는 경우도 빈번하게 보고되고 있다. 생물반응조 내의 폭기유량은 유입수에 포함된 유기물을 산화하고 암모니아성질소를 질산성질소로 산화시키기 위하여 부족하지 않게 공급되도록 운전되고 있으므로, 유입수에 포함된 유기물 및 총질소 농도와 유량에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서 하수처리장의 폭기량이 부족하다면 안정적인 유출수질을 보장할 수 없으므로, 항상 넉넉하게 공급되어야 하는 것으로 인식되어 왔으며, 동시에 하수처리장의 에너지 과소비의 주된 원인인자로 지적받아 왔다.
그 외의 주요 인자로는 펌프 가동량이 있으며, 이는 일반적으로 기상조건과 해당 처리구역의 특성으로 인하여 결정되는 유입유량에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 유입유량에 일정한 비율을 곱한 크기의 유량으로 2차 침전조에서의 농축된 슬러지를 생물반응조로 회송시키고 같은 방법에 의해 생물반응조 내 호기조에서 무산소조로의 질산염회송유량이 결정되는 바, 시시각각으로 변하는 유입유량과 이에 따라 변동하는 펌프 가동량은 하수처리시설 에너지 소비량에 큰 영향을 준다고 볼 수 있다.
에너지 절감에 관한 사회적 관심이 높아짐에 따라, 하수처리장 내 소화조의 적정한 운영을 통해 얻어지는 소화가스를 에너지원으로 활용하여 하수처리장 내에서 소비되는 에너지를 최대한 절감하고자 하는 사례가 보고되고 있다. 더불어, 하수처리장의 폭기조 상부에 태양전지 시스템을 구축하여 태양열을 이용하거나, 하수처리장의 유출수 방류구에서 일정 높이의 낙차가 발생할 경우 적용 가능한 소수력 발전을 활용하는 등 신재생에너지를 하수처리장에 적용하는 사례 또한 활발하게 보고되고 있다.
하수처리장 에너지를 절감하기 위한 공정개선의 방안 또한 활발히 보고되고 있는데, 암모니아성 질소의 질산성 질소로의 전환 단계를 축소하여 일반 질소제거 활성슬러지 공정보다 소요 폭기량이 적은 ANAMMOX 공정이나 유기물의 분해과정에서 생성되는 전자를 전극을 통하여 이동시켜 전기를 생산할 수 있는 연료전지의 개념을 도입하는 등 획기적인 공정개선 방안이 다수 도출된 바 있다.
그러나 이러한 방안들은 현재 설치되어 운영되고 있는 활성슬러지공법 기반의 하수처리장에서의 운전 최적화를 통한 에너지 절감 가능성을 고려하지 않은 것이다. 신재생에너지의 적용이나 공정개선 등은 에너지 절감 효과를 얻어내기까지 초기투자비를 회수하여야 하는 적용상의 단점이 있다. 따라서 추가적인 설비의 시공이나 공정 개선사업을 동반하지 않고 에너지를 최대한 절감할 수 있는 방안을 도모하여야 한다.
지금까지 하수처리공정은 유출수 수질 규제치를 준수하는 유출수질 생산에만 주력하여 왔다. 모든 운전조건은 안정한 수준의 유출수질을 생산하기 위한 목적으로만 설정되어 운영되어 왔으므로, 에너지 절감을 목적으로 운전조건을 수정하는 것은 그로 인해 발생하는 유출수질의 교란 정도를 파악할 수 없어 적용에 한계가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하수처리장에서 에너지를 절감하기 위해 현재의 에너지 소비 상황을 감지 및 판단하고 에너지 소비를 줄이기 위한 운전방안을 제공하기 위해 현재 당면한 운전변수의 표준화값을 사용하여 어떤 운전변수를 먼저 조정해야 하는지를 표준화값의 크기를 기준으로 결정하고, 운전변수의 조절로 인해 유출수질의 교란이 있을 것인지를 수학적인 모델을 사용하여 확인한 후 운전자에게 적절한 운전방안을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템은, 하수처리장으로 유입되는 하수의 유입유량과 유입수질을 대변하는 수질항목 · 수온 · 하수처리시설의 주요 운전변수들의 매일의 평균값 · 유출수질항목, 그리고 각 항목들의 표준화된 값과 자료를 표준화하기 위해 필요한 각 항목의 표준화 기준값과, 에너지 소비 상태를 감지하기 위한 각 항목의 에너지 소비값을 저장하는 데이터 저장부; 데이터 저장부로 각 항목별로 매일 발생하는 값을 전송하는 데이터 입력부; 상기 표준화 기준값을 업로드한 갱신된 표준화 기준값의 제 3사분위수를 비교값으로 만들어내는 기준생성부; 저장된 에너지 소비값을 활용하여 에너지 소비 상태를 감지하는 에너지 소비조건 감지부; 에너지 소비 상태가 높을 경우 에너지 소비에 영향을 주는 공정 운전변수나 유입수 항목을 사전에 정해진 규칙에 의하여 원인을 탐색하는 원인탐색부; 탐색된 원인에 따라 운전변수를 조절함에 있어 표준화된 점수가 소정값 이상인 변수를 선택하여 조절량을 설정하는 대안생성부; 선택된 대안에 따라 공정을 운영하였을 경우 하수처리성능에 미치는 영향을 모사하는 공정모사부; 공정모사 결과를 해석하여 목표수질을 만족하는 범위에서 에너지를 절감할 수 있는 대안을 결정하는 대안결정부; 대안을 운전자에게 전달하는 정보표시부;를 포함하여서 됨을 특징으로 한 것이다.
그리고, 상기 데이터 입력부는 하수처리장의 유입유량과 수온, 그리고 생물학적 산소요구량(Biological Oxygen Demand, BOD), 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD), 부유물질(Suspended Solid, SS), 총질소(Total Nitrogen, T-N), 총인(Total Phosphorus, T-P)과 같은 유입수의 성분농도 및 유출수의 성분농도, 그리고 공정의 처리성능에 영향을 미치며 에너지 소비량과도 연관이 있는 생물학적 처리공정 내의 폭기량 및 호기조 내 용존산소(Dissolved Oxygen, DO), 슬러지반송유량, 질산염 회송유량, 1차 슬러지유량, 폐슬러지유량의 데이터를 운전자로부터 입력받거나 혹은 자동운전시스템으로부터 전달받아 데이터 저장부에 입력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 데이터 저장부는 표준화 기준값을 업로드하여 누적되는 데이터셋을 기준생성부에 전달하고 상기 데이터표준화를 위한 기준값들과 에너지 과소비 상태를 감지하기 위한 비교값들을 갱신하며, 해당 기준값 및 비교값들을 활용하여 각 항목을 표준화하는 것을 특징으로 한다.
상기 표준화 식은, 
로 하되, 상기 
는 각 항목의 당면한 날의 측정값이고, 
는 각 항목의 당면한 날이 포함된 누적자료들의 평균이며, 
는 각 항목의 당면한 날이 포함된 누적자료들의 표준편차로 됨을 특징으로 한 것이다.
한편, 상기 기준생성부는 데이터 저장부에 저장된 각 항목자료의 업로드 및 그 평균과 표준편차의 계산과, 에너지소비량 및 에너지소비량에 영향을 주는 유입유량과 각종 운전변수들에 대한 표준화 기준값의 제 3 사분위수를 결정하여 각각 에너지과소비 상태를 진단하기 위한 비교값과 에너지절감을 위한 조절변수의 선정을 위한 기준값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 에너지 소비조건 감지부는 일정 주기마다 데이터 저장부로부터 해당 주기에 기록된 에너지 소비량을 호출하여 평균을 계산하고, 계산된 평균값이 상기 에너지과소비 상태를 진단하기 위한 비교값과 대비하여 비교값보다 클 경우 에너지 과소비상태에 있다고 진단하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 원인탐색부는 일정 주기마다 데이터 저장부로부터 에너지 소비에 영향을 주는 공정 운전변수 및 유입수 유량과 수질 자료가 표준화되어 저장된 값들을 호출하여 평균을 계산하여 계산된 평균값을 바탕으로, 표준화 점수의 제 3 사분위수 이상의 표준화값을 가지는 변수를 가장 유력한 원인으로 판단하는 데 있어 조절이 불가능한 유입유량을 제외하고 폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송유량, 폐슬러지유량들 중 두 가지의 운전변수를 우선순위에 따라 선택하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 대안생성부는 원인탐색부에서 선택된 변수가 현재 운전되고 있는 값에서 일정비율로 하향조정 하되, 원인탐색부에서 복수의 변수가 탐색된 경우 폭기량, 질산염회송슬러지유량, 반송슬러지유량, 폐슬러지유량의 순으로 우선순위를 부여하여 최대 두 개의 변수씩 동시에 하향조정하는 대안을 생성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 공정모사부는 활성슬러지모델(Activated Sludge Models)이라고 불리는 활성슬러지 공정의 유출수를 생성해 내기 위한 미분방정식의 집합으로 이루어진 모델을 사용하여, 당면한 날로부터 과거 유입수 유량과 유입수질의 각각의 평균값을 유입조건으로 사용하고, 상기 대안생성부에서 마련된 공정 운전변수의 조절된 값들을 활용하여 유출수 수질을 계산하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 대안결정부는 상기 공정모사부에서 예측한 유출수질과 해당 하수처리시설에서 설정되어 운전되는 목표수질을 비교하여 목표수질보다 예측된 수질의 값이 높은 항목이 하나라도 존재하는 경우 대안에서 제외하며, 여러 가지의 대안이 목표수질을 만족시킬 경우 공정 운전변수의 변화폭이 가장 큰 대안을 제외하고 선택된 대안을 정보표시부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 정보표시부는 상기 대안결정부로부터 전달받은 대안들을 사용자에게 전달하는 것을 그 기능으로 하며, 전달의 수단은 운영시스템에서의 알람 메시지나 핸드폰의 SMS 기능을 활용 가능함을 특징으로 한 것이다.
그리고 본 발명에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법은, 하수처리장으로부터 유입유량과 유입성분농도 및 공정운영의 데이터를 입력받는 데이터 입력 단계(S110)와; 상기 입력된 데이터 항목별로 평균과 표준편차를 표준화 기준값으로 업로드하고, 에너지 소비 상태를 감지하기 위한 각 항목의 에너지 소비값과 매일 발생하는 상기 표준화 기준값을 업로드하는 기준치 재계산 단계(S120)와; 상기 각 항목의 갱신된 표준화 기준값을 표준화자료(제 3사분위수)의 비교값으로 만들어내는 표준화자료 생성 단계(S130)와; 일정 주기간의 에너지 소비량 자료를 호출하여 계산된 평균값과 상기 표준화 자료의 비교값의 크기를 판단하는 에너지 소비조건 감지 단계(S140)와; 에너지 소비량에 영향을 미치는 공정운전변수들의 일정 주기간의 표준화값을 호출하여 평균을 계산하여 가장 높은 표준화값을 가지는 두 가지 변수를 우선순위에 따라 선택하는 원인 탐색 단계(S150)와; 상기 원인 탐색 단계(S150)에서 선택된 변수의 현재 운전값 또는 일정주기간의 평균값에서 일정비율로 하향조정하여 여러 가지의 대안을 설정하는 대안 선택 단계(S160)와; 상기 선택된 대안을 수학적 미분방정식의 집합으로 이루어진 공정모델에 적용하여 상기 선택 대안에 대한 공정 유출수질을 가상으로 모의하는 공정 모사 단계(S170)와; 상기 공정 모사 단계를 통해 해당 하수처리장의 목표수질을 넘지 않는 조건을 만족하는 대안들 중에서, 가장 큰 변화량을 포함하는 대안을 제외하고 사용자에게 제공할 대안을 결정하는 대안 결정 단계(S180)를; 포함하는 것을 특징으로 한 것이다.
상기 대안 선택 단계는 일정 기간 동안 누적된 공정 유입수 관련 항목과 유출수질항목, 그리고 운전변수 항목을 사용하여 공정모델의 매개변수를 갱신하는 매개변수 조절 단계(S161)가 포함될 수 있다.
본 발명에 의한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법 및 그 시스템에 의해 하수처리장으로부터 확보된 운전변수들을 조절하면서 유출수의 교란이 없는 에너지 절감방안을 제안함으로서 안정적인 유출수질을 확보함과 동시에 에너지를 절감할 수 있는 대안을 도모할 수 있으며, 더불어 에너지 절감에 가장 큰 영향을 미치는 변수 순으로 우선순위를 주어 운전변수의 조절을 도모하고, 목표수질을 만족시킬 수 있는 대안이라고 할지라도 조절폭이 가장 큰 대안은 제외하고 운전자에게 제시하는 행위를 통하여 공정에 가해지는 큰 교란을 피하는 장점 및 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 데이터 준비부를 나타낸 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 공정모사부를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법을 각 단계별로 나타낸 블록도이다.
도 4a 내지 도 4g는 발명의 일 실시예에 따른 에너지 과소비 상태의 감지에 관한 실시예도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조절변수 선정을 위한 표준화 자료 생성 단계와 제 3사분위수 계산 단계 및 원인 탐색 단계를 나타낸 예시도이다.
도 2a는 본 발명의 데이터 준비부를 나타낸 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 공정모사부를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법을 각 단계별로 나타낸 블록도이다.
도 4a 내지 도 4g는 발명의 일 실시예에 따른 에너지 과소비 상태의 감지에 관한 실시예도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 조절변수 선정을 위한 표준화 자료 생성 단계와 제 3사분위수 계산 단계 및 원인 탐색 단계를 나타낸 예시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템(가)는 데이터 준비부(100), 에너지 소비조건 감지부(200), 원인탐색부(300), 대안생성부(400), 공정모사부(500), 대안결정부(600) 및 정보표시부(700)를 포함한다.
상기 데이터 준비부(100)는 매일의 하수처리장의 유입유량과 유입성분농도 및 유출성분농도, 운전변수 설정값의 데이터를 수집하고 각 항목의 표준화를 수행하여 표준화자료를 마련하여 보유하며, 표준화를 하기 위한 기준이 되는 평균과 표준편차를 계산하고, 에너지 소비수준 감지와 대안으로서의 조절되어야 할 운전변수의 선택에 기준이 되는 제 3 사분위수를 계산하여 보유하는 역할을 한다.
도 2a를 참조하면, 데이터 준비부(100)는 데이터 입력부(110), 데이터 저장부(120) 및 기준생성부(130)를 포함한다. 즉, 상기 데이터 입력부(110)는 하수처리장에서 1일 1회 측정하고 있는 유입유량과 유입성분농도(BOD5, CODMn, SS, T-N, T-P), 유출성분농도(BOD5, CODMn, SS, T-N, T-P), 공정운전변수 값(폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송슬러지량, 폐슬러지량)을 수집하게 된다. 상기 데이터 저장부(120)에서는 데이터 입력부(110)로부터 전달받은 각 항목의 자료들을 누적하여 저장하며, 기준생성부(130)에서는 데이터 저장부(120)에 새로이 입력된 값과 기존에 저장되어 누적된 값을 호출하여 각 항목별로 표준화를 위한 평균값과 표준편차 값을 매일 계산하여 다시 데이터 저장부(120)에 전달하며, 데이터 저장부(120)에서는 상기 평균값과 표준편차 값을 활용하여 각 항목별로 표준화자료를 생성하여 보유한다. 또한 기준생성부(130)에서는 데이터 저장부(120)에 저장된 에너지 소비량과 표준화과정을 통하여 생성되는 각 항목의 표준화값을 대상으로 제 3사분위수를 계산하여 데이터 저장부(130)로 전달하는 역할을 수행한다. 각 항목의 표준화과정은 아래 식 1을 따른다.
<식 1>
여기서, 
는 각 항목의 당면한 날의 측정값이며, 
는 각 항목의 당면한 날이 포함되어 누적된 자료들의 평균이고, 
는 각 항목의 당면한 날이 포함되어 누적된 자료들의 표준편차이다.
한편, 상기 기준생성부(130)는 데이터 저장부(120)에 저장된 각 항목의 평균과 표준편차이다.
상기 에너지 소비 조건감지부(200)는 사전에 설정되어 존재하는 일정한 주기를 가지고 데이터 저장부(120)로부터 직전의 주기 동안 발생한 에너지 소비량을 호출하여 평균을 계산하고, 계산된 평균값이 상기 에너지과소비 상태를 진단하기 위한 비교값과 대비하여 비교값보다 클 경우 에너지 과소비 상태에 있다고 감지하게 된다. 상세히 설명하자면, 매 월요일마다 데이터 저장부(120)로부터 지난 일주일간의 에너지 소비량을 호출하여 평균을 계산하고, 계산된 값을 바탕으로 에너지 과소비 상태를 진단하는 것이 바람직하다. 이 때 판단의 기준이 되는 비교값이라 함은 에너지소비량 누적 자료로부터 도출된 제 3사분위수로서, 상기 기준생성부(130)에서 매일 다시 계산되어 데이터 저장부(120)로 전달되어 저장되는 것을 활용한다.
한편, 상기 원인탐색부(300)는 일정한 주기를 가지고 데이터 저장부(120)로부터 직전 주기에 발생한 에너지 소비에 영향을 주는 공정 운전변수 및 유입수 유량과 수질 자료가 표준화되어 저장된 값들을 호출하여 평균을 계산하고, 계산된 평균값을 바탕으로 표준화 점수의 제 3 사분위수 이상의 값을 가지는 변수를 가장 유력한 원인으로 판단하게 되는데, 조절이 불가능한 유입유량을 제외하고 폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송유량, 폐슬러지유량들 중 두 가지의 운전변수를 우선순위에 따라 선택하는 것이다. 이 때 우선순위란 에너지 소비량에 큰 영향을 미치는 변수의 순서대로 부여한 순위로서, 폭기량, 질산염회송슬러지유량, 반송슬러지유량, 폐슬러지유량의 순으로 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 대안생성부(400)는 원인탐색부(300)에서 선택된 변수가 현재 운전되고 있는 값에서 5% 하향조정하는 방법을 사용하여 대안을 생성한다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 원인탐색부(300)에서 선택된 두 가지의 운전변수를 동시에 5% 하향조정하여 대안을 생성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 공정모사부(500)는 세계물협회(International Water Association, IWA)가 개발하여 세계적으로 적용되고 있는 활성슬러지모델(Activated Sludge Models)이라고 불리는 활성슬러지 공정의 유출수를 생성해 내기 위한 미분방정식의 집합으로 이루어진 모델을 사용하여, 당면한 날로부터 일주일 전부터 기록된 7개의 과거 유입수 유량과 유입수질의 각각의 평균값을 유입조건으로 사용하고, 상기 대안생성부(400)에서 마련된 공정 운전변수의 조절된 값들을 활용하여 유출수 수질을 계산하는 것을 특징으로 하며, 이 때 사용되는 수학적 모델은 해당 하수처리장의 설계사양과 최소한 1년 이상의 운영자료를 활용하여 해당 하수처리장의 처리성능을 유사하게 모사할 수 있도록 모델의 매개변수를 조정해놓은 것을 활용하는 것을 특징으로 한다.
이를 좀 더 상세히 설명하기 위해, 도 2b를 참조하면, 공정모사부(500)는 공정모델부(510)와 모델매개변수저장부(520)로 구성되어 공정모델부(510)는 수학적인 모델로 구성된 일련의 미분방정식의 집합으로 구성되고 모델매개변수저장부(520)는 주기적으로 데이터 저장부(120)로부터 하수처리장의 유입수 유량과 유입수질항목들, 유출수질항목들, 운전변수값들을 호출하여 모델의 매개변수를 조절하여 보유하는 것을 특징으로 한다. 매개변수 조절의 적당한 주기는 1년이 바람직하다.
한편, 상기 대안결정부(600)는 상기 대안생성부(400)에서 마련된 대안을 활용하여 공정모사부(500)에서 예측한 유출수질을 검토하여 해당 하수처리시설에서 설정되어 운전되는 목표수질에 비교하여 목표수질보다 예측된 수질의 값이 높은 항목이 하나라도 존재하는 경우 대안에서 제외하며, 여러 가지의 대안이 목표수질을 만족시킬 경우 공정 운전변수의 변화폭이 가장 큰 대안을 제외하고 선택된 대안을 정보표시부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 정보표시부(700)는 상기 대안결정부(600)로부터 전달받은 대안들을 사용자에게 전달하는 것을 그 기능으로 하며, 전달의 수단은 운영시스템에서의 알람 메시지나 핸드폰의 SMS 기능을 활용할 수도 있다.
따라서 본 발명에서는 대상 하수처리장을 운영하는 데 사용되었던 운전변수들의 누적된 자료의 평균과 표준편차를 활용하여 표준화함으로서 현재의 운전변수값이 가지는 위치를 표현하고, 높은 수준으로 운전되는 변수를 선택하여 에너지 소비량 절감을 위해 조절하는 방안을 검토함에 있어 수학적 공정모델을 활용하여 유출수질에 미치는 영향을 동시에 고려하여 공정의 에너지 소비량 감소와 유출수질의 안정성을 함께 도모할 수 있는 하수처리장 에너지절감방안을 제안하게 되는 것이다.
다음으로 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법은, 데이터 입력 단계(S110)와, 기준치 재계산 단계(S120)와, 표준화자료 생성 단계(S130)와, 에너지 소비조건 감지 단계(S140)와, 원인 탐색 단계(S150)와, 대안 선택 단계(S160)와, 공정 모사 단계(S170)와, 대안 결정 단계(S180)를 포함하고 있다.
먼저 본 발명의 데이터 입력 단계(S110)는 하수처리장으로부터 유입유량과 유입성분농도 및 공정운영의 데이터 즉, 하수처리장에서 1일 1회 측정하고 있는 유입유량과 유입성분농도(BOD5, CODMn, SS, T-N, T-P), 유출성분농도(BOD5, CODMn, SS, T-N, T-P), 공정운전변수 값(폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송슬러지량, 폐슬러지량)을 수집하는 단계에 해당한다.
그리고 기준치 재계산 단계(S120)는 상기 입력된 데이터 항목별로 평균과 표준편차를 표준화 기준값으로 업로드하고, 에너지 소비 상태를 감지하기 위한 각 항목의 에너지 소비값과 매일 발생하는 상기 표준화 기준값을 업로드 하는 역할을 수행하게 된다.
상기 표준화자료 생성 단계(S130)는 각 항목별로 갱신된 표준화 기준값을 표준화자료(제 3사분위수)의 비교값으로 만들어내어 표준화된 각 항목의 자료들과 에너지소비량 자료를 바탕으로 각 자료항목들에 대한 그 분포특성을 나타내는 제 3 사분위수를 도출하는 역할을 수행한다.
에너지 소비조건 감지 단계(S140)는 일정 주기간의 에너지 소비량 자료를 호출하여 계산된 평균값과 상기 표준화 자료의 비교값의 크기를 판단하는 단계로서, 상기 에너지 소비량 자료를 호출하여 계산된 평균값이 전술한 제 3사분위수보다 큰지 작은지를 비교하여 클 경우에는 후술하는 원인 탐색 단계(S150)를 진행하게 되고, 작은 경우에는 전술한 데이터 입력 단계(S110)로 피드백 시켜 공정운전변수 값(폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송슬러지량, 폐슬러지량)을 조절시키는 역할을 수행하게 되는 것이다.
다음으로 원인 탐색 단계(S150)는 에너지 소비량에 영향을 미치는 공정운전변수들의 일정 주기간의 표준화값을 호출하여 평균을 계산하여 가장 높은 표준화값을 가지는 두 가지 변수를 우선순위에 따라 상대적으로 적은 에너지를 소비하는 공정운전변수의 적용이 가능하게 되는 것이다.
본 발명의 대안 선택 단계(S160)는 상기 원인 탐색 단계(S150)에서 선택된 변수의 현재 운전값 또는 일정주기간의 평균값에서 5%씩 하향조정하여 최대 20%까지의 변화량 안에서 여러 가지의 대안을 선택 가능하게 하여, 에너지 절감 효율을 더 욱 더 증대시킬 수 있게 되는 것이다. 한편, 대안 선택 단계(S160)는 일정 기간 동안 누적된 공정 유입수 관련 항목과 유출수질항목, 및 운전변수 항목을 사용하여 공정모델의 매개변수를 갱신하는 매개변수 조절 단계(S161)를 더 포함하여 본 발명의 대안에 대한 선택범위를 더욱 더 확장할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 공정 모사 단계(S170)는 상기 선택된 대안을 수학적 미분방정식의 집합으로 이루어진 공정모델에 적용하여 상기 선택 대안에 대한 공정 유출수질을 사전에 가상으로 체크하여, 에너지 절감과 유출수의 수질악화를 방지 할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 대안 결정 단계(S180)는 상기 공정 모사 단계를 통해 해당 하수처리장의 목표수질을 넘지 않는 조건을 만족하는 대안들 중에서, 가장 큰 변화량을 포함하는 대안을 제외하고 사용자에게 최적 상태의 공정운전변수 값(폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송슬러지량, 폐슬러지량)을 제공할 수 있게 되는 것이다.
이하, 실시예를 기준으로 본 발명에서 언급하는 하수처리장의 유입유량과 유입성분농도의 예측방법을 설명하기로 한다.
먼저, 대상 하수처리장의 처리장 용량이 약 500,000m3/day인 하수처리장을 표준화 자료와 공정모사를 활용한 하수처리장 에너지절감방안 제안을 위한 대상 하수처리장으로 선정하였다.
대상 하수처리장에서 2014년 동안 실제 측정된 유입수 유량과 유입수질 데이터들(유량, BOD5, CODMn, SS, TN, TP), 그리고 유출수질 데이터들 및 공정운전변수값을 데이터 입력부(110)를 통해 수집하여 데이터 저장부(120)에 저장하였다. 기준생성부(130)에서는 데이터 저장부(120)에 저장된 데이터 항목별로 평균과 표준편차를 계산하여 표준화자료를 계산하기 위한 기준값으로 다시 데이터 저장부(120)에 저장하고, 데이터 저장부(120)에서는 매일 입력되는 데이터를 포함하여 재계산되어 제공되는 비교값을 활용하여 표준자료를 생성하여 보유하게 된다. 또한 기준생성부(130)에서는 에너지 소비량에 관한 제 3 사분위수를 계산하여 데이터 저장부(120)로 전송하고, 데이터 저장부(120)는 이를 저장한다.
도 4a는 상기의 과정에 의해 준비되어 데이터 준비부(100)에 저장된 데이터 중 전기사용량(에너지 소모량)의 6개월간 변화 패턴과 미세하게 변화하며 존재하는 에너지 과소비 감지 기준(전기사용량 자료의 제 3사분위수)의 변화를 보여주고 있다. 그래프의 초반, 2014년 7월에 기준치를 초과하는 전기사용량이 에너지 소비조건 감지부(200)에 의해 감지되었다.
도 4b 내지 도 4g는 2014년 7월부터 8월까지 유입수질 데이터들(유량, BOD5, CODMn, SS, TN, TP)의 변화를 보여주고 있다.
이후, 원인탐색부(300)에서는 데이터 준비부(100)에 저장되어 있는 에너지 소비량에 영향을 미치는 운전변수가 가지는 당면한 일자의 표준화값과 그에 따라 변화는 표준화값의 제 3 사분위수를 도 5에 나타낸 바와 같이 호출해오게 된다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 에너지 과소비 상태가 감지되었을 시점에서의 표준화된 운전변수의 값이 그 항목의 제 3 사분위수를 상회할 때 에너지 소비량을 줄이기 위한 대안으로서의 변수로 선정되게 된다(1이라는 값으로 표현되어 있음). 위 표에 제시된 실시예에 의하면, 에너지 과소비로 감지된 날은 7월 2일부터 4일, 8일부터 23일에 해당하는 구간으로, 날마다 이렇게 에너지 과소비 감지를 수행할 경우 지나치게 잦은 조절변수의 변동을 제안하여야 하므로 오히려 하수처리장에 큰 교란을 야기할 수 있으므로 본 발명은 일정한 주기를 가지고 에너지 소비를 감지해야 한다.
또한, 에너지 과소비로 감지된 기간에 원인으로 탐색된 조절변수는 대부분 유입유량이다. 하수처리장에서의 유량을 인위적으로 조절한다는 것은 불가능하므로, 이를 제외하고 선정된 폭기량을 조절하는 것을 대안 선택부(400)에서 수행하게 된다. 대안 선택부(400)에서는 제 1순위의 대안으로서 폭기량 5% 하향조정, 2순위로서 10%의 하향조정, 3순위로서의 15%의 하향조정, 4순위로서의 대안을 20%의 하향조정을 선택한다.
이에 따라, 공정모사부(500)에서는 제안된 폭기량의 조절량을 하수처리공정에 적용하였을 시에 야기되는 유출수의 변화를 모사하게 되며, 아래 <표1>와 같이 유출수의 변화를 이끌어내게 된다.
| BOD | COD | SS | T-N | T-P | |
| 초기값 | 0.2 | 5.8 | 1 | 9.402 | 0.142 |
| 대안 1 | 0.2 | 5.8 | 1 | 8.673 | 0.142 |
| 대안 2 | 0.4 | 6 | 1 | 8.541 | 0.168 |
| 대안 3 | 0.5 | 6.1 | 2 | 9.583 | 0.248 |
| 대안 4 | 0.7 | 6.2 | 2.5 | 10.438 | 0.312 |
| 목표수질 | 3 | 7 | 3 | 10 | 0.25 |
위 표 1에 제시된 바와 같은 공정모사부(500)의 결과를 바탕으로, 대안결정부(600)에서 대안을 결정함에 있어, 앞서 설명된 바와 같이 목표수질에 비교하여 하나의 항목이라도 목표수질을 상회하는 결과를 보이면 대안에서 제외하게 되어, 해당 하수처리장의 T-N의 목표수질 10 mg/L보다 큰 값을 보이는 대안 4는 제외된다. 대안 3은 모든 항목이 목표수질 내에 존재하지만, 조절변수를 큰 폭으로 조절하는 것을 지양하는 목적에서 앞서 설명된 바와 같이 제외되어, 최종적으로 운전자에게 제시할 대안은 대안 2로서, “현재의 폭기량에서 10%를 감소하여 운전하는 것“을 운전자에게 권하게 된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 데이터 준비부
110 : 데이터 입력부 120: 데이터 저장부
130 : 기준생성부
200 : 에너지 소비조건 감지부
300 : 원인탐색부
400 : 대안생성부
500 : 공정모사부
510 : 공정모델부 520 : 모델매개저장부
600 : 대안결정부
700 : 정보표시부
S100 : 데이터 입력 단계 S110 : 기준치 재계산 단계
S130 : 표준화자료 생성단계 S140 : 에너지 소비조건 감지 단계
S150 : 원인 탐색 단계 S160 : 대안 선택 단계
S161 : 매개변수 조절 단계 S170 : 공정모사 단계
S180 : 대안 결정 단계
110 : 데이터 입력부 120: 데이터 저장부
130 : 기준생성부
200 : 에너지 소비조건 감지부
300 : 원인탐색부
400 : 대안생성부
500 : 공정모사부
510 : 공정모델부 520 : 모델매개저장부
600 : 대안결정부
700 : 정보표시부
S100 : 데이터 입력 단계 S110 : 기준치 재계산 단계
S130 : 표준화자료 생성단계 S140 : 에너지 소비조건 감지 단계
S150 : 원인 탐색 단계 S160 : 대안 선택 단계
S161 : 매개변수 조절 단계 S170 : 공정모사 단계
S180 : 대안 결정 단계
Claims (13)
- 하수처리장으로 유입/유출되는 하수의 각 수질항목· 하수처리시설의 주요 운전변수항목들에 관한 각각의 데이터를 표준 설정값으로 변환하는 데이터 입력부와, 상기 각 설정값의 평균값과 표준편차를 표준화 기준값으로 도출 및 저장하고 에너지 예측소비값을 감지 및 저장하는 데이터 저장부와, 상기 표준화 기준값을 업로드 하여 갱신된 표준화 기준값의 제 3사분위수를 비교값으로 만들어내는 기준생성부로 이루어진 데이터 준비부;
상기 에너지 예측소비값을 활용하여 에너지 소비상태를 감지하는 에너지 소비조건 감지부;
상기 수질항목과 공정 운전변수항목의 변화에 의해 에너지 예측소비값의 변화범위를 추출하는 원인탐색부;
상기 원인탐색부에서 추출된 에너지 예측소비값의 변화범위에 따라 운전변수항목을 다른 운전변수항목으로 변경하여 에너지 예측소비값에 대한 조절량을 설정하는 대안생성부;
상기 대안생성부에서 선택된 대안에 따라 공정을 운영하였을 경우 하수처리성능에 미치는 영향을 모사하는 공정모사부;
상기 공정모사 결과를 해석하여 목표수질을 만족하는 범위에서 에너지를 절감할 수 있는 대안을 결정하는 대안결정부; 및
대안을 운전자에게 전달하는 정보표시부;를 포함하여서 됨을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 데이터 입력부는 하수처리장의 유입유량과 수온, 그리고 생물학적 산소요구량(Biological Oxygen Demand, BOD), 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD), 부유물질(Suspended Solid, SS), 총질소(Total Nitrogen, T-N), 총인(Total Phosphorus, T-P)과 같은 유입수의 성분농도 및 유출수의 성분농도, 그리고 공정의 처리성능에 영향을 미치며 에너지 소비량과도 연관이 있는 생물학적 처리공정 내의 폭기량 및 호기조 내 용존산소(Dissolved Oxygen, DO), 슬러지반송유량, 질산염 회송유량, 1차 슬러지유량, 폐슬러지유량의 데이터를 운전자로부터 입력받거나 혹은 자동운전시스템으로부터 전달받아 데이터 저장부에 입력하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 데이터 저장부는 표준화 기준값을 업로드하여 누적되는 데이터셋을 기준생성부에 전달하고 상기 데이터표준화를 위한 기준값들과 에너지 과소비 상태를 감지하기 위한 비교값들을 갱신하며, 해당 기준값 및 비교값들을 활용하여 각 항목을 표준화 식을 포함하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제3항에 있어서,
상기 표준화 식은,로 하되, 상기
는 각 항목의 당면한 날의 측정값이고,
는 각 항목의 당면한 날이 포함된 누적자료들의 평균이며,
는 각 항목의 당면한 날이 포함된 누적자료들의 표준편차로 됨을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 기준생성부는 데이터 저장부에 저장된 각 항목자료의 업로드 및 그 평균과 표준편차의 계산과, 에너지소비량 및 에너지소비량에 영향을 주는 유입유량과 각종 운전변수들에 대한 표준화 기준값의 제 3 사분위수를 결정하여 각각 에너지과소비 상태를 진단하기 위한 비교값과 에너지절감을 위한 조절변수의 선정을 위한 기준값으로 설정하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 소비조건 감지부는 일정 주기마다 데이터 저장부로부터 해당 주기에 기록된 에너지 소비량을 호출하여 평균을 계산하고, 계산된 평균값이 상기 에너지과소비 상태를 진단하기 위한 비교값과 대비하여 비교값보다 클 경우 에너지 과소비상태에 있다고 진단하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 원인탐색부는 일정 주기마다 데이터 저장부로부터 에너지 소비에 영향을 주는 공정 운전변수 및 유입수 유량과 수질 자료가 표준화되어 저장된 값들을 호출하여 평균을 계산하여 계산된 평균값을 바탕으로, 표준화 점수의 제 3 사분위수 이상의 표준화값을 가지는 변수를 가장 유력한 원인으로 판단하는 데 있어 조절이 불가능한 유입유량을 제외하고 폭기량, 반송슬러지유량, 질산염회송유량, 폐슬러지유량들 중 두 가지의 운전변수를 우선순위에 따라 선택하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 대안생성부는 원인탐색부에서 선택된 변수가 현재 운전되고 있는 값에서 일정비율로 하향조정 하되, 원인탐색부에서 복수의 변수가 탐색된 경우 폭기량, 질산염회송슬러지유량, 반송슬러지유량, 폐슬러지유량의 순으로 우선순위를 부여하여 최대 두 개의 변수씩 동시에 하향조정하는 대안을 생성하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 공정모사부는 활성슬러지모델(Activated Sludge Models)이라고 불리는 활성슬러지 공정의 유출수를 생성해 내기 위한 미분방정식의 집합으로 이루어진 모델을 사용하여, 당면한 날로부터 과거 유입수 유량과 유입수질의 각각의 평균값을 유입조건으로 사용하고, 상기 대안생성부에서 마련된 공정 운전변수의 조절된 값들을 활용하여 유출수 수질을 계산하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 대안결정부는 상기 공정모사부에서 예측한 유출수질과 해당 하수처리시설에서 설정되어 운전되는 목표수질을 비교하여 목표수질보다 예측된 수질의 값이 높은 항목이 하나라도 존재하는 경우 대안에서 제외하며, 여러 가지의 대안이 목표수질을 만족시킬 경우 공정 운전변수의 변화폭이 가장 큰 대안을 제외하고 선택된 대안을 정보표시부로 전달하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 제1항에 있어서,
상기 정보표시부는 상기 대안결정부로부터 전달받은 대안들을 사용자에게 전달하는 것을 그 기능으로 하며, 전달의 수단은 운영시스템에서의 알람 메시지나 핸드폰의 SMS 기능을 활용 가능함을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원시스템. - 하수처리장으로부터 유입유량과 유입성분농도 및 공정운영의 데이터를 입력받는 데이터 입력 단계(S110);
상기 입력된 데이터 항목별로 평균과 표준편차를 표준화 기준값으로 업로드하고, 에너지 소비 상태를 감지하기 위한 각 항목의 에너지 소비값과 매일 발생하는 상기 표준화 기준값을 업로드하는 기준치 재계산 단계(S120);
상기 각 항목의 갱신된 표준화 기준값을 표준화자료(제 3사분위수)의 비교값으로 만들어내는 표준화자료 생성 단계(S130);
일정 주기간의 에너지 소비량 자료를 호출하여 계산된 평균값과 상기 표준화 자료의 비교값의 크기를 판단하는 에너지 소비조건 감지 단계(S140);
에너지 소비량에 영향을 미치는 공정운전변수들의 일정 주기간의 표준화값을 호출하여 평균을 계산하여 가장 높은 표준화값을 가지는 두 가지 변수를 우선순위에 따라 선택하는 원인 탐색 단계(S150);
상기 원인 탐색 단계(S150)에서 선택된 변수의 현재 운전값 또는 일정주기간의 평균값에서 일정비율로 하향조정하여 여러 가지의 대안을 설정하는 대안 선택 단계(S160);
상기 선택된 대안을 수학적 미분방정식의 집합으로 이루어진 공정모델에 적용하여 상기 선택 대안에 대한 공정 유출수질을 가상으로 모의하는 공정 모사 단계(S170); 및
상기 공정 모사 단계를 통해 해당 하수처리장의 목표수질을 넘지 않는 조건을 만족하는 대안들 중에서, 가장 큰 변화량을 포함하는 대안을 제외하고 사용자에게 제공할 대안을 결정하는 대안 결정 단계(S180);
를 포함하는 것을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법. - 제12항에 있어서,
상기 대안 선택 단계는 일정 기간 동안 누적된 공정 유입수 관련 항목과 유출수질항목, 그리고 운전변수 항목을 사용하여 공정모델의 매개변수를 갱신하는 매개변수 조절 단계를 포함하여서 됨을 특징으로 한 표준화된 공정운영자료와 공정모사를 이용한 에너지 절감용 하수처리장 운영지원방법.
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