[신기술] 수처리 공정진단 시스템 ‘WATERCOM™’

2008년 10월 08일 (수)

 

▲ 대양바이오테크㈜ 기술연구소·㈜광명전기 시스템개발팀은 ‘수처리 공정진단 소프트웨어(WATERCOM)’를 개발, 이 시스템을 가평하수처리장에 적용하고 있다.

최근 신설이나 증축되고 있는 하수처리장뿐만 아니라 기존 운영되고 있는 하수처리장에서도 공정에 대한 운전상태 분석에 큰 관심이 집중되고 있다. 운영자들은 단순 계측치의 값만을 조회하는 수준에서 벗어나 이 수치들을 실제 분석, 계산된 자료까지 보기를 원하게 됐다.

이에 동적으로 변화하는 처리공정의 생물학적 처리상태를 측정하여 실시간으로 분석 진단함으로써 진단 결과에 따라 운영자에게 운전상태와 대응전략을 제공하는 시스템이 필요함을 절실히 느끼게 됐다.

만약 이러한 시스템이 제공된다면, 운영자들은 제공되어지는 처리공정의 정확한 진단을 통해 처리공정의 효율화를 꾀할 수 있으며, 미래의 상황을 예측할 수 있게 됨으로써 수질사고의 발생을 예방할 수 있게 된다.

이러한 상황에서 대양바이오테크㈜ 기술연구소·㈜광명전기 시스템개발팀은  ‘수처리 공정진단 소프트웨어(WATERCOM™)’를 개발했다.

1. WATERCOM 구조

수처리 공정진단 소프트웨어는 크게 세 가지 축으로 구성된다. 첫째로, 공정에 대한 자료를 수기로 기록하고, 다시 자료를 찾기 위해서 두꺼운 서류철을 뒤지는 상황에서 벗어나 인터넷을 통해 원하는 자료를 한 눈에 조회할 수 있도록 구성된다.

둘째로 기존 수집되어진 자료를 이용하여 어떠한 상황을 만들어 극한 상황을 시뮬레이션 할 수 있으며, 어떠한 시점에 대해 예측을 할 수 있게 구성된다. 셋째로 생물 반응조의 상태를 실시간으로 조회하여 현재상황을 분석하고, 퍼지이론을 접목하여 상황에 대한 운전전략을 운영자에게 제시함으로써 하수처리장의 운영에 도움을 주도록 구성된다. 이러한 세 가지 축이 어우러져서 수처리 공정진단 소프트웨어는 하수처리장의 운영에 도움을 주고자 개발됐다.

또한 수처리 공정진단 소프트웨어는 기존 HMI 시스템과 차별화를 두고자 여러 가지 시도를 했다. 로컬 컴퓨터에서의 분석도구에서 벗어나 인터넷을 통하여 세계 어느 곳에서나 접속이 가능하도록 개발됐으며 네트워크망을 이용함으로써 운영자는 어느 곳에서나 공정에 대한 자료를 분석, 컨설팅을 받을 수 있게 됐다.

이는 최근 유행하는 Web2.0의 개념으로 다른 하수처리장의 정보들도 동의만 한다면 손쉽게 공유할 수 있게 설계됐으며 최신 기술인 FLEX를 이용해 개발됐기에 기존 ActiveX형식의 문제점(Windows에서만 돌아가는 문제가 있음)을 극복했다는 점이다. Windows뿐만 아니라 Linux(Fedora core, Redhat Linux 등)에서도 별다른 설치 없이 공정진단을 이용할 수 있게 됐다.

2. WATERCOM 개발 과정  

기존 개발·운영되고 있는 공정진단이 있기는 하나, 실제 현장에서는 단순 조회의 기능으로만 사용이 되고 있다. 실제 계산되어 나오는 값들도 예상했던 수치들과 너무 많은 차이가 있었다.

따라서 수처리 공정진단 소프트웨어의 개발 방향을 크게 선회하였다. 보다 전문적이고 복잡한 내용을 더 많이 제공하자는 초기개발방향에서 쉽게 운영자들이 현장에서 사용을 할 수 있으며, 몇 번의 클릭으로 운전현황에 대한 컨설팅을 받을 수 있게 개발의 틀을 잡았다.

3. 공정진단 시스템 구성

▲ 공정진단 시스템의 공정진단도

■ 시스템 특징  Water Com은 이미 새로 설치됐거나 설치 운영되고 있는 통합시스템과 연계하여 처리장의 공정을 조회, 분석, 진단, 예측, 시뮬레이션을 할 수 있도록 구축된 시스템이다. Water Com의 서버는 기존에 운영하고 있는 통합시스템에 가능한 추가, 변경 건 없이 별도의 시스템에서 운영 될 수 있도록 설계됐으며, 통합시스템 없이 단독으로도 운영 가능하다.

Internet Web기반으로 Internet 이 되는 곳이면 언제, 어디서나 부여받은 아이디와 패스워드로 Water Com에 접속하여 처리장의 공정현황, 운전전략, 수질 시뮬레이션, 예측 실험데이터 등록을 할 수 있다.

4. WATERCOM 기능

■ 일일 자료 수처리 공정진단 소프트웨어는 모든 지점에서 필요로 하는 항목들을 한 번에 조회가 가능하도록 되어 있다. 일일 자료 조회에서는 가공, 계산되어진 값들이 아닌 수치들로 운영자들이 일차적으로 원래 값들을 볼 수 있게 했다.

이를 제공하는 것은 원래 데이터를 통해 운영자들에게 가공, 계산된 값들을 제공하기 때문에 가공되기 전의 값을 보여 줌으로써 공정진단에 사용되는 값들의 신뢰성을 갖기 위함이다.

조회에서는 월 단위 조회가 가능하여 월별로 데이터를 한 화면에서 비교하면서 볼 수 있게 되어있다. 하루마다의 조회도 가능하지만 다른 값들과의 비교가 불가능하기 때문에 한달 단위로 자료를 제공하여 어느 시점에서의 값이 높거나 낮은 것을 한눈에 판단 할 수 있을 것이다. 또한 간단한 통계분석자료도 제공하고 있다. 최저, 최고, 평균을 제공하여 한달 간의 자료를 손쉽게 분별할 수 있으며, 변동율을 제공하고 있어서 수치의 변화가 많은지 적은지를 판단할 수 있을 것이다.

■ 단위 공정별 자료 수처리 공정진단의 중요한 점은 탈질율, 탈인율 등과 같은 화학적 성분의 제거율에 관한 자료를 제공한다는 점에 있다. 이를 위해서는 NH4-N, NO2-N, NO3-N, PO4-P와 같은 자료들이 필요하다. 이를 위해 각 중요 지점마다 계측기를 달아서 지점별 공정진단 인자들에 대한 자료를 읽어 와야 한다.

허나 현실적으로 계측기를 지점마다 달 수 있는 상황이 아니기에 실험실 운영자는 일주일마다 지정된 지점에서 공정진단에 필요한 인자들의 수치를 측정해야 한다. 이렇게 측정된 자료들이 기본적인 공정진단에 필요한 자료가 되어 전반적인 운영현황 분석을 도와 줄 수 있는 것이다. 이 자료들을 월별로 조회할 수 있도록 구성됐으며, 기본적인 통계도 제공되고 있다.

■ 방류수 처리효율 실제 운영자들에게는 5개 인자에 대한 제거율이 매우 중요하다. 실제 수처리 공정진단에서는 큰 비중의 차지하고 있지는 않지만 운영자 측면에서는 유입에서의 BOD, COD, SS, T-N, T-P의 수치가 방류시점에서 얼마만큼 제거가 됐는지가 궁금할 수 있다.

또한 이러한 제거율이 실제 하수처리장에서의 처리율을 대변하고 있기에 보다 빨리 조회를 원하고 있다. 수처리 공정진단은 이러한 요구에 유입 대비 방류의 BOD, COD, SS, T-N, T-P의 제거율을 제공하고 있다.

■ 방류수 현황 방류수에서 5개 인자(BOD, COD, SS, T-N, T-P)에 대한 법적인 기준치가 잡혀져 있다. 이는 어느 하수처리장에도 동일하게 기준이 되는 것으로 항상 지켜져야 하는 것이다. 이를 지키기 위해 하수처리장에서는 방류수의 수치를 낮추기 위해 많은 노력을 한다.

이러한 노력들을 하루하루 체크하면서 보기 힘들기에, 수 처리 공정진단 소프트웨어는 한달 간 일자 별로 유입, 방류, 법적 기준치를 한 차트에 보여줌으로써 한달 간의 방류 수 처리 현황을 직관적으로 볼 수 있도록 제공하고 있다.

▲ WATERCOM 방류수 처리효율

■ 지점별 처리효율 실제 공정분석을 위해서는 법적으로 지정된 방류 수 수질만 파악해서는 힘들다. 중요 지점별로 제거효율을 알아야 할 것이며, 반응조의 경우에는 탈질율, 인흡수율과 같은 여러 항목에 대해 자료가 있어야 한다.

이러한 지점별 처리효율이 있어야 어느 지점에서 문제가 발생했는지를 파악할 수 있으며, 그에 따른 신속한 처리도 가능하기 때문이다. 수 처리 공정진단 소프트웨어에서는 이러한 자료들을 하루 단위로 계산하여 제공하고 있으며, 월 단위로 조회가 가능하도록 구성됐다.

▲ WATERCOM 방류수 현황

■ 유입·방류 유량 시간대별 유량자료는 하수처리장에 유입/유출수의 실시간 온라인 자료 또는 데이터베이스에 있는 자료를 가공 처리해서 조회하는 모듈로, 사용할 수 없는 자료(노이즈 등)는 필터링을 통하여 선별 가공처리된다. 필터링은 3단계를 거쳐 가공처리되며 가공처리된 최종 데이터는 기본자료로써 저장될 수 있다.

조회하는 데이터는 시간 흐름에 따라 유입/유출량을 파악할 수 있으며 유입/유출량을 각각 개별적으로 시간을 이동시킴으로 유입 시점과 유출 시점간의 관계를 파악 할 수 있다. 즉, 유입된 유량과 반응조를 거쳐 유출되는 유출량을 대입 비교함으로써 유입수 대비 반응조 효율을 간접적으로 확인 할 수 있게 된다.

월별유량자료는 유입/유출 하수의 동향을 파악할 수 있으며 하수량과 강우량을 같이 표시함으로써 하수량과 강우량의 관계를 파악 할 수 있다. 또한 각 요일 별 유입/유출 하수량을 분석 할 수 있으며 하수의 성상을 파악 할 수 있다.

▲ WATERCOM 유입·유출수

■ 수질·공정변수간 관련성 분석 수질에 영향을 끼치는 공정변수 사이에는 서로 알게 모르게 상호간에 영향을 끼치며 관련성을 맺고 있다. 예를 들어 SRT가 낮아질수록 T-P(총인) 제거효율이 높아진다는 가정이 있다고 한다면, 대략적으로 우리는 SRT가 낮아지면 T-P 제거효율이 높아질 것이라고 생각을 한다.

그러나 우리는 이런 모호한 말보다 어떤 사실을 수량화하는 것을 더 선호하기 때문에 두 공정변수들간의 관련성 정도를 정확하게 표현하기 위해 상관관계와 같은 통계학적인 기법을 사용하게 된다. 상관관계를 표현하는, 즉 관련성 정도를 나타내는 값을 상관계수라고 부른다.

두 측정값이 완전한 연관성을 보이면, 즉 한 공정변수의 값이 커지면 다른 공정변수의 값도 커지고, 작아지면 다른 공정변수의 값도 작아질 때, 완전한 양의 상관관계를 보인다고 하고 이때의 상관계수는 +1이 된다. 반면에 두 변수 사이에 연관성이 전혀 없으면 상관관계가 없다고 하고 이때의 상관계수는 0이 된다.

두 공정변수들간의 연관 정도는 완전한 관련성을 보이기보다는 ‘얕은’, ‘확실한’, ‘높다’, ‘아주 높다’ 는 식의 표현으로 관련성을 보일 것이다. 이러한 수치로 중간단계를 표현할 수 있으며 이것은 모호한 언어표현보다 더 쉽고 정확하다고 볼 수 있다. [표 1]은 이러한 단계를 표시한 것이다.

이러한 분석의 목적은 수질에 영향을 미치는 공정변수들과의 관계를 규명함으로써 수질에 영향을 끼치는 주위 현상을 이해하고 해석함에 있다. 또한 상관분석을 통해 수질에 영향을 미치는 공정변수들간에 관계가 있을 때 한 공정변수의 측정치로 다른 공정변수의 측정치를 가늠해 볼 수 있을 것이다.

하지만 이는 어느 정도의 관계 정도만 가늠하는 것이지 정확한 수치 값을 예측해 볼 수는 없다. 예측을 하기 위해서는 기존 상용화된 simulator 또는 통계적 기법 등의 방법을 이용해야 하며 이에 대한 공정프로그램의 기능은 다음호에서 서술하고자 한다.

▲ 수질·공정변수간 상호 관련성 분석