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회분식 하수처리공정(SBR)의 운전제어를 위한 모델개발 및 적용연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 회분식 하수처리공정(SBR)의 운전제어를 위한 모델개발 및 적용연구 | 2004 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 김신걸(서울시립대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00031
Year(selected) 2004 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 03월 22일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research Summary
  • Korean
  • 1960년대 산업화의 시작과 함께 하수발생량은 가파른 증가와 함께 부영양화, 악취, 상수원 오염 등의 문제가 발생하였으며 이에 대처하기 위해 하수처리장의 증설이 이루어졌다. 이후 시민의식의 향상에 따라 단순한 오염의 대처가 아닌 친수공간으로서의 요구가 높아지고 환경오염에 대한 대처가 적극적으로 바뀌어 하수처리도 질소, 인 등의 고도처리가 도입되었으며 이들 항목들이 규제사항이 되었다. 이에 질소와 인에 대해 안정된 유출수질을 얻기 위한 제어전략이 필요하게 되었다. 이에 본 연구에서는 이들 물질을 제어하기 위해 모델의 간략화를 통한 유출수질의 제어를 목적으로 ASM No. 1 모델과 ASM No. 2 모델의 간략화 및 이들 모델을 통해 유출수중의 암모니아와 인산염에 대해 제어하였다.

    본 연구에서는 유출수중의 NH4+-N를 제어하기 위해 ASM No. 1 모델을 대상으로 모델의 간략화를 실시하였다. 물질분류에 있어서는 11종의 분류를 COD, NH4+-N, NO3--N 등의 3가지로 분류하였다. 물질의 제한사항을 다루기 위해 종속영양 미생물에 의한 반응은 COD, 독립영양 미생물의 반응에는 COD와 NH4+-N에 대한 모노드식을 두었다. 반응조건은 무산소와 호기조건으로 나누어 모델이 성립되었다. ASM No. 1 모델과 간략화 모델을 비교하기 위해 SBR 반응조를 포기시간을 달리한 Phase Ⅰ과 Ⅱ로 운영하였으며 트랙 스터디를 하였다. Phase Ⅱ의 트랙스터디 자료를 이용하여 ASM No. 1 모델과 간략화 모델의 파라미터를 결정하여 모델을 성립시켰다. 그리고 Phase Ⅰ의 자료를 이용하여 성립된 모델의 성능을 결정계수를 이용하여 비교하였다. 비교 결과 NH4+-N에 대해서 ASM No. 1은 0.9445, 간략화 모델은 0.9885이었으며 질산성 질소에 있어서는 ASM No. 1 모델이 0.5632, 간략화 모델이 0.8750로 더 나은 값을 보여주었다.

    ASM No. 1 모델의 간략화 모델을 이용하여 모델의 최적 포기시간 제어를 실시하였다. 제어의 목표는 유출수중의 NH4+-N 농도를 1.0mg/L로 하는 것이며 분단위로 가능해 영역을 모두 탐색하여 최적포기시간을 산출하였다. 그리고 유출수중의 NH4+-N 농도가 유입수로 보정되도록 Adaptive control을 도입하였다. 제어결과 유출수중의 NH4+-N 농도는 평균 1.1mg/L이었으며 0.22~3.1mg/L의 범위를 가졌다.

    ASM No. 2 모델에 대해서도 간략화 모델을 구성하고 검증하였다. 우선 물질분류에 대해 17종에서 SA와 COD, NH4+-N, NO3--N, PO43--P 등의 5가지로 축약시켰다. 반응조건 호기, 혐기, 무산소로 나누어 모델화 되었다. SBR 반응조를 혐기-호기-무산소로 운전하였으며 운전모드는 Phase 1~3까지 변화를 두어 운전하였다. ASM No. 2 모델과 간략화 모델을 비교하기 위해 Phase 1과 2를 이용하였다. Phase 2는 두 모델의 파라미터를 결정하여 모델이 성립되는 데에 이용되었다. 이후 Phase 1에 두 모델을 적용하여 성능을 비교하였다. ASM No. 2 모델에 있어서 결정계수는 인산염 0.9745, 암모니아 0.9815, 질산성 질소는 0.868이었다. 간략화 모델의 결정계수는 인산염 0.9187, 암모니아 0.9250, 질산성 질소 0.7914였다. 간략화 모델의 결정계수 값이 ASM No. 2 보다 낮았지만 모두 상당히 높은 수준의 결정계수로서 충분한 근사능력을 가진 유효한 모델이라고 판단하였다.

    간략화 모델에 기초하여 SBR 반응조의 제어를 실시하였다. 제어의 목표는 유출수질중 인산염 농도를 1.0mg/L로 유지하는 것이며 이를 위한 방법은 포기시간을 제어하는 것이다. 포기시간을 제어하는 방법은 DO와 IF구문을 통한 최적 포기시간을 산출하는 것이며 또한 제어결과가 그 다음제어에 반영되도록 Adaptive control을 사용하였다. 33일간 제어하였으며 이때 유출수중의 인산염 농도범위는 0.2~3.2mg/L였으며 평균은 1.0mg/L로서 만족스러운 제어가 이루어졌다.

    또한 혐기-호기-무산소로 운전한 SBR 반응조에서 인의 섭취가 제한되는 현상이 발생하였다. 인의 섭취가 제한되는 현상이 두 번 발생하였는데 첫 번째 인의 섭취가 제한되는 현상은 트랙 스터디 결과 암모니아의 부족이 원인이라는 것이 밝혀졌다. 그리고 두 번째 발생한 인의 섭취 제한은 문헌고찰과 반응조의 운전을 고찰한 결과 과다포기임을 알아내었다.
  • English
  • The active industrialization in Korea began in 1960s and environmental pollution has been sharply increased. And wastewater plants have been constructed to reduce the pollution load. The target pollution material was only COD in the initial day, but the advanced wastewater treatment including nitrogen and phosphorous has been introduced because of the europhication and requests of citizens. And the more complex control in the wastewater plant has been requested. The target of this study is the control of wastewater treatment.

    The wastewater treatment control in this study is based on wastewater process models. The representative wastewater process models are ASM No. 1 and 2. But they are inappropriate in controlling wastewater treatment because they have many material division and parameters. So it is necessary to simplify them. So, the first purpose of this study is simplification of ASM No. 1 and 2.

    Firstly ASM No. 1 model was simplified. The material divisions were reduced from 11 to 3(COD, NH4+-N and NO3--N). And they were modeled in aerobic and anoxic condition. The SBR(Sequencing reactor) were running with aerobic-anoxic condition and two phases. And the track study was executed in the phase Ⅰ and Ⅱ running with different aeration time. Parameters of ASM No. 1 and simplified model were estimated using data of phase Ⅱ. And the data of phase Ⅰ was used to assess model's fitness. In NH4+-N, R2 is 0.945 in ASM No. 1 model and 0.989 in simplified model. In NO3--N, R2 is 0.563 in ASM No. 1 model and 0.875 in simplified model. So the simplified model has enough ability to express the wastewater treatment.

    The control of SBR running aerobic-anoxic condition was performed. The purpose of control was maintaining the effluent NH4+-N with 1.0mg/L. The optimum aeration time was decided as searching the feasible solution area. And adaptive control that the difference was compensated into influent ammonia was also used. The control of it has been performed for 27 days. The effluent NH4+-N is between 0.22~3.1mg/L and the average is 1.1mg/L

    And ASM No. 2 model was simplified. The material divisions were reduced from 17 to 5(SA, COD, NH4+-N, NO3--N and PO43--P ). And they were modeled in anaerobic, aerobic and anoxic condition. The SBR(Sequencing reactor) were running with anaerobic-aerobic-anoxic condition and three phases. And the track study was executed in the phase 1 and 2 running with different aeration time. Parameters of ASM No. 2 and simplified model were estimated using data of phase 2. And the data of phase 2 was used to assess model's fitness. In PO43--P, R2 is 0.974 in ASM No. 2 model and 0.919 in simplified model. In NH4+-N, R2 is 0.981 in ASM No. 2 model and 0.925 in simplified model. So the ability of simplified model has lower than it of ASM No. 2. But the simplified model has enough ability to show the wastewater treatment because it has high R2 value.

    The control of SBR running anaerobic-aerobic-anoxic condition was performed. The purpose of control was maintaining the effluent PO43--P with 1.0mg/L. The optimum aeration time was decided as searching the feasible solution area. And adaptive control that the difference was compensated into objective phosphate was also used. The control of it has been performed for 33 days. The effluent PO43--P is between 0.2~3.2mg/L and the average is 1.0mg/L

    And while the SBR was running it showed that the luxury uptake of phosphate was limited two times. we knew the first reason was ammonia's deficiency according to track study, and it was solved as ammonia was added. And the other reason is the excessive aeration that cause the early exhaustion of ammonia.
Research result report
  • Abstract
  • 1960년대 산업화의 시작과 함께 하수발생량은 가파른 증가와 함께 부영양화, 악취, 상수원 오염 등의 문제가 발생하였으며 이에 대처하기 위해 하수처리장의 증설이 이루어졌다. 이후 시민의식의 향상에 따라 단순한 오염의 대처가 아닌 친수공간으로서의 요구가 높아지고 환경오염에 대한 대처가 적극적으로 바뀌어 하수처리도 질소, 인 등의 고도처리가 도입되었으며 이들 항목들이 규제사항이 되었다. 이에 질소와 인에 대해 안정된 유출수질을 얻기 위한 제어전략이 필요하게 되었다. 이에 본 연구에서는 이들 물질을 제어하기 위해 모델의 간략화를 통한 유출수질의 제어를 목적으로 ASM No. 1 모델과 ASM No. 2 모델의 간략화 및 이들 모델을 통해 유출수중의 암모니아와 인산염에 대해 제어하였다.

    본 연구에서는 유출수중의 NH4+-N를 제어하기 위해 ASM No. 1 모델을 대상으로 모델의 간략화를 실시하였다. 물질분류에 있어서는 11종의 분류를 COD, NH4+-N, NO3--N 등의 3가지로 분류하였다. 물질의 제한사항을 다루기 위해 종속영양 미생물에 의한 반응은 COD, 독립영양 미생물의 반응에는 COD와 NH4+-N에 대한 모노드식을 두었다. 반응조건은 무산소와 호기조건으로 나누어 모델이 성립되었다. ASM No. 1 모델과 간략화 모델을 비교하기 위해 SBR 반응조를 포기시간을 달리한 Phase Ⅰ과 Ⅱ로 운영하였으며 트랙 스터디를 하였다. Phase Ⅱ의 트랙스터디 자료를 이용하여 ASM No. 1 모델과 간략화 모델의 파라미터를 결정하여 모델을 성립시켰다. 그리고 Phase Ⅰ의 자료를 이용하여 성립된 모델의 성능을 결정계수를 이용하여 비교하였다. 비교 결과 NH4+-N에 대해서 ASM No. 1은 0.9445, 간략화 모델은 0.9885이었으며 질산성 질소에 있어서는 ASM No. 1 모델이 0.5632, 간략화 모델이 0.8750로 더 나은 값을 보여주었다.

    ASM No. 1 모델의 간략화 모델을 이용하여 모델의 최적 포기시간 제어를 실시하였다. 제어의 목표는 유출수중의 NH4+-N 농도를 1.0mg/L로 하는 것이며 분단위로 가능해 영역을 모두 탐색하여 최적포기시간을 산출하였다. 그리고 유출수중의 NH4+-N 농도가 유입수로 보정되도록 Adaptive control을 도입하였다. 제어결과 유출수중의 NH4+-N 농도는 평균 1.1mg/L이었으며 0.22~3.1mg/L의 범위를 가졌다.

    ASM No. 2 모델에 대해서도 간략화 모델을 구성하고 검증하였다. 우선 물질분류에 대해 17종에서 SA와 COD, NH4+-N, NO3--N, PO43--P 등의 5가지로 축약시켰다. 반응조건 호기, 혐기, 무산소로 나누어 모델화 되었다. SBR 반응조를 혐기-호기-무산소로 운전하였으며 운전모드는 Phase 1~3까지 변화를 두어 운전하였다. ASM No. 2 모델과 간략화 모델을 비교하기 위해 Phase 1과 2를 이용하였다. Phase 2는 두 모델의 파라미터를 결정하여 모델이 성립되는 데에 이용되었다. 이후 Phase 1에 두 모델을 적용하여 성능을 비교하였다. ASM No. 2 모델에 있어서 결정계수는 인산염 0.9745, 암모니아 0.9815, 질산성 질소는 0.868이었다. 간략화 모델의 결정계수는 인산염 0.9187, 암모니아 0.9250, 질산성 질소 0.7914였다. 간략화 모델의 결정계수 값이 ASM No. 2 보다 낮았지만 모두 상당히 높은 수준의 결정계수로서 충분한 근사능력을 가진 유효한 모델이라고 판단하였다.

    간략화 모델에 기초하여 SBR 반응조의 제어를 실시하였다. 제어의 목표는 유출수질중 인산염 농도를 1.0mg/L로 유지하는 것이며 이를 위한 방법은 포기시간을 제어하는 것이다. 포기시간을 제어하는 방법은 DO와 IF구문을 통한 최적 포기시간을 산출하는 것이며 또한 제어결과가 그 다음제어에 반영되도록 Adaptive control을 사용하였다. 33일간 제어하였으며 이때 유출수중의 인산염 농도범위는 0.2~3.2mg/L였으며 평균은 1.0mg/L로서 만족스러운 제어가 이루어졌다.

    또한 혐기-호기-무산소로 운전한 SBR 반응조에서 인의 섭취가 제한되는 현상이 발생하였다. 인의 섭취가 제한되는 현상이 두 번 발생하였는데 첫 번째 인의 섭취가 제한되는 현상은 트랙 스터디 결과 암모니아의 부족이 원인이라는 것이 밝혀졌다. 그리고 두 번째 발생한 인의 섭취 제한은 문헌고찰과 반응조의 운전을 고찰한 결과 과다포기임을 알아내었다.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구에서는 ASM No. 1모델과 ASM No. 2 모델을 간략화 하여 이것을 실제 SBR 반응조의 운전을 통하여 검증하였다. 또한 검증된 간략화 모델을 이용하여 최적 포기시간을 결정하여 유출수의 암모니아와 인산염의 농도를 제어하는 실험을 하였다. 그리고 부가적으로 호기공정에서 인산염의 흡수가 제한된느 현상을 발견하였으며 그 원인에 대해서 다양한 실험을 통하여 암모니아의 부족과 과다폭기에 의한 것임을 알았다.

    이러한 결과는 고도하수처리의 공정제어에 매우 유용한 결과이다. 이 내용은 정리되어 학회지에 게재신청이 되어 있으며 이 방법을 기초로 하여 센서제어까지 복합된 안정된 제어처리를 위한 방법으로 발전되면 세계적인 연구결과가 될 것이라 판단된다. 이것은 수질규제가 심하지 않은 곳에서는 모델에 의한 단순제어를 수질규제가 심한 곳에서는 센서가 결합된 제어를 통하여 안정된 결과를 얻을 수 있다. 이것은 경제성 면에서 이익을 주는 데 그것은 포기시간의 절약에 따른 에너지 비용의 절감이며 안정성 면에서는 과부하시에도 안정적인 유출수질을 얻을 수 있다는 것이다.
  • Index terms
  • 간략화, 암모니아, 인산염, 인과다섭취제한, 최적제어, 하수처리모델, adaptive control, ASM No. 1 ASM No. 2
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