KR102584330B1 - 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법 - Google Patents
생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 관한 것으로, 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조에서 시간에 따른 막간차압을 측정하고, 측정값으로부터 선형함수 및 지수함수 모델을 도출하고, 상기 함수들의 관계로부터 잠정 유지 세정 시기를 설정하는 과정을 반복하여, 잠정 유지 세정 시기가 소정 오차 범위 내로 변화할 경우를 1차 유지 세정 시기로 설정하고, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정함으로써, 유지 세정 주기를 최적화하여 무분별한 화학 세정을 방지하여 화학 세정약품의 사용량을 절감하고, 충분한 막여과 시간을 확보할 수 있는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 관한 것이다.
활성 슬러지 공정은 활성 슬러지 조건에서 하수를 산화하는 세균 군집과 함께 폭기조에서 공기를 공급하여 하수 속의 콜로이드 상태 또는 용해한 물질이 침전하거나 활성 슬러지에 흡착되어 정화되는 하·폐수처리 공법의 하나이다.
활성 슬러지 공정 중에서, 정화작용을 수행한 활성 슬러지를 다시 본처리과정으로 반송하고, 2차 고형물을 제거하기 위해 분리막을 이용한 것을 생물막반응조(Membrane Bioreactor, MBR)라 한다.
분리막을 이용한 생물막 반응조는 다른 여과 공정에 비해 응집제 등 약품의 사용량이 적고, 소요되는 부지면적을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 슬러지 및 고형물이 포함된 콜로이드 입자가 분산된 현탁 수용액이 분리막을 통과하거나 분리막에 의해 배제될 때, 분리막 표면 혹은 세공 내에 흡착되어 막오염이 발생된다. 막오염이 발생되면 여과 중에 분리막 표면이 오염물질 축적물에 의해 덮히거나, 막세공이 줄어들거나 막혀 원수의 투과유속과 성능이 저하되므로, 여과 중에 주기적으로 분리막을 세정하여 분리막의 성능을 회복시켜 주어야 한다.
분리막을 세정하는 방법은 물리적 세정과 화학적 세정으로 나눌 수 있다. 이중 물리적 세정은 물을 이용한 역세척과 공기를 이용한 폭기가 대표적이다. 역세척은 주로 생산수를 여과 방향과 반대 방향으로 가압을 하여 막에 통과시킴으로써 막표면 혹은 막세공에 쌓인 물질들을 제거하는 방법이다. 폭기는 막표면에 공기를 불어 쌓인 오염물질들을 제거하는 방법이다.
그러나 위와 같은 물리적 세정만으로는 가역적 막오염을 제거할 수 있지만, 비가역적 막오염을 제거하고 분리막의 성능을 회복시키는데 한계가 있고, 따라서 화학 세정약품을 이용하여 주기적으로 유지 세정(maintenance cleaning) 및 회복 세정(recovery cleaning)을 시행하고 있다. 그러나 종래 유지 세정 및 회복 세정은 막오염 상태에 관계없이 일정한 주기 예를 들어 유지 세정의 경우 주 1회 실시하기 때문에 유지 세정에 투입되는 시간 동안 막여과 시간이 감소하고, 화학 세정약품이 필요 이상으로 낭비되고 있다.
이를 위해 한국특허 제10-0889915호, 제10-1542617호 및 제10-2082284호 등에는 시간에 따른 막간차압의 변화 예측모델을 통해 분리막의 세정 주기를 예측하는 방법을 제시하고 있으나, 실제 운용에 있어서 예측모델과 실제 측정값의 차이가 크고, 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비한 생물막반응조에서 복수개의 분리막조 사이에 세정 주기가 중첩되었을 때의 처리 방법에 대해서는 해결 수단을 제시하고 있지 않은 한계가 있었다.
본 발명은 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조에서 시간에 따른 막간차압을 측정하고, 측정값으로부터 선형함수 및 지수함수 모델을 도출하고, 상기 함수들의 관계로부터 잠정 유지 세정 시기를 설정하는 과정을 반복하여, 잠정 유지 세정 시기가 소정 오차 범위 내로 변화할 경우를 1차 유지 세정 시기로 설정하고, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정함으로써, 유지 세정 주기를 최적화하여 무분별한 화학 세정을 방지하여 화학 세정약품의 사용량을 절감하고, 충분한 막여과 시간을 확보할 수 있는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 있어서,
a) 일정 시간 동안 복수 회에 걸쳐 상기 각각의 침지형 분리막조의 분리막의 시간에 따른 막간차압을 측정하는 단계;
b) 상기 막간차압을 측정하는 단계에서 얻은 결과로부터 시간에 따른 막간차압의 변화에 관한 선형함수 및 지수함수 모델을 도출하는 단계;
c) 상기 측정된 막간차압과 상기 선형함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를 상기 측정된 막간차압과 상기 지수함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를 나눈 값(r)이 1에 수렴하는 시간을 잠정 유지 세정 시기(Tr)로 설정하는 단계;
d) 상기 a) 단계에서 최초 막간차압을 측정한 시점부터 소정 시간 경과 후 상기 a) 내지 c) 단계를 수행하는 과정을 반복하는 단계;
e) 상기 c) 단계 및 d) 단계에서 설정된 잠정 유지 세정 시기(Tr)의 시간에 따른 변화를 확인하고, 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)에 비해 소정 오차 범위내로 변화하는 시기의 잠정 유지 세정 시기(Tr)를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 단계; 및
f) 상기 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계;를 포함하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 관한 것이다.
상기 a) 단계에서 일정 시간은 0.5 내지 12 시간, 상기 일정 시간 동안 5 분 내지 1 시간마다 1회씩 막간차압을 측정하는 것일 수 있다.
상기 d) 단계에서 소정 시간은 0.5 내지 12 시간인 것일 수 있다.
상기 e) 단계에서 소정 오차 범위는 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)을 100이라 할 때 10 이하인 것일 수 있다.
상기 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계는 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기를 중앙값으로 하는 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 1차 유지 세정 기간은 24 내지 48 시간이고, 상기 최종 유지 세정 기간은 12 내지 24 시간인 것일 수 있다.
상기 f) 단계에서 중첩 여부의 판단은, 각각의 침지형 분리막조의 유지 세정 기간이 중첩되지 않을 경우 각각의 1차 유지 세정 기간 범위 내에서 최종 유지 세정 기간을 결정하고, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간이 중첩될 경우 각각의 지수함수 모델의 기울기를 비교하여 기울기가 작은 분리막조의 유지 세정이 나중에 수행되도록 각각의 침지형 분리막조의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 것일 수 있다.
상기 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계 후에, 각각의 침지형 분리막조의 과거 운전 정보로부터 하·폐수 유입량이 많은 시간을 회피하는 단계를 포함하거나, 1차 유지 세정 기간에서 하수처리장의 일과 시간 내에 작업이 이루어지도록 일과 시간 외의 시간을 회피하는 단계를 포함하거나, 또는 상기 2가지 회피하는 단계를 모두 포함하는 것일 수 있다.
각각의 침지형 분리막조의 최종 유지 세정 기간이 중첩될 경우 지수함수 모델의 시간에 따른 막간차압 하강 속도를 비교하여 하강 속도가 느린 분리막조의 막오염 속도를 낮추도록 운전조건을 변경시키거나, 상기 하강 속도가 빠른 분리막조의 막오염 속도를 높이도록 운전조건을 변경시키거나, 또는 하강 속도가 느린 분리막조의 막오염 속도를 낮추면서 동시에 하강 속도가 빠른 분리막조의 막오염 속도는 높이도록 운전조건을 변경시켜 각각의 침지형 분리막조의 최적 유지 세정 기간이 차이가 생기도록 각각의 침지형 분리막조의 여과 유량을 조절하는 단계;를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
상기 막오염 속도를 낮추는 운전조건은 분리막의 여과 유량 감축, 흡입 시간 감축, 역세 시간 증대 및 역세 주기 단축 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 막오염 속도를 높이는 운전조건은 분리막의 여과 유량 증대, 흡입 시간 증대, 역세 시간 감축 및 역세 주기 증대 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
본 발명은 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법은 무분별한 화학 세정을 방지하여 화학 세정약품의 사용량을 절감하고, 충분한 막여과 시간을 확보할 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비한 생물막반응조에서 각각의 분리막조의 1차 유지 세정 시기를 설정한 후, 그들 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정함으로써, 각각의 분리막조의 유지 세정 시기 중첩으로 인한 타 분리막의 부하 발생을 예방할 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 상기 1차 유지 세정 기간 또는 최종 유지 세정 기간을 설정함에 있어서 각각의 분리막조의 유지 세정 기간 또는 나아가 유지 세정 준비 기간 또는 유지 세정 후 안정화 기간이 중첩되어 타 분리막의 부하 발생이 예상되는 경우 각각의 분리막조의 여과 유량을 증감시키거나 흡입 또는 역세 시간의 주기를 변경함으모로써 각각의 분리막조의 최적 유지 세정 기간에 시간적 차이가 발생하도록 운전조건을 조절함으로써 분리막 유지 세정 시기를 자동제어할 수 있다.
도 1은 하나의 생물반응조에 연통되는 1 내지 4 계열의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조에서 하나 또는 두 계열이 유지 세정을 실시할 때 나머지 분리막에 부과되는 부하를 평상시와 대비하여 나타낸 설명도이다.
도 2는 본 발명의 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법을 수행하는 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명에서 1차 유지 세정 시기를 설정하는 단계까지의 설명도로서, 도 3a는 계측부에서 시간에 따른 막간차압을 측정한 결과 그래프이고, 도 3b는 도 3a의 결과 그래프로부터 선형함수 및 지수함수 모델을 도출한 결과 그래프이며, 도 3c는 도 3b의 선형함수 및 지수함수 모델간 비율(r)로부터 잠정 유지 세정 시기(Tr)을 설정하는 과정을 나타난 그래프이고, 도 3d는 잠정 유지 세정 시기(Tr)의 시간에 따른 변화를 살핀 후 잠정 유지 세정 시기(Tr)가 소정 오차 범위 이내로 안정화 되는 시기를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 4에서 도 4a는 분리막의 흡입 10분 및 역세 1분 주기의 운전 조건에서, 121분 동안 11회 막간차압을 측정한 후, 그로부터 도출된 선형 함수와 지수 함수 모델간 비율(r)로부터 1차 잠정 유지 세정 시기(Tr-1)를 설정하는 단계의 그래프이고, 도 4b는 1차 잠정 유지 세정 시기(Tr-1) 설정을 위한 최초 막간차압 측정 시점부터 121분 경과 후 도 4a의 과정을 반복하여 2차 잠정 유지 세정 시기(Tr-2)를 설정하는 단계의 그래프이며, 도 4c는 2차 잠정 유지 세정 시기(Tr-2) 설정을 위한 최초 막간차압 측정 시점부터 121분 경과 후 도 4a의 과정을 반복하여 3차 잠정 유지 세정 시기(Tr-3)를 설정하는 단계의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계, 각각의 침지형 분리막조의 과거 운전 정보로부터 하·폐수 유입량이 많은 시간을 회피하는 단계, 및 1차 유지 세정 기간에서 하수처리장의 일과 시간 내에 작업이 이루어지도록 일과 시간 외의 시간을 회피하는 단계를 포함하는 일 실시예의 블록도이다.
도 6은 도 5의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서 시간에 따른 막간차압의 변화 곡선으로부터 최종 유지 세정 기간을 결정하는 방법을 설명하는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법을 수행하는 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명에서 1차 유지 세정 시기를 설정하는 단계까지의 설명도로서, 도 3a는 계측부에서 시간에 따른 막간차압을 측정한 결과 그래프이고, 도 3b는 도 3a의 결과 그래프로부터 선형함수 및 지수함수 모델을 도출한 결과 그래프이며, 도 3c는 도 3b의 선형함수 및 지수함수 모델간 비율(r)로부터 잠정 유지 세정 시기(Tr)을 설정하는 과정을 나타난 그래프이고, 도 3d는 잠정 유지 세정 시기(Tr)의 시간에 따른 변화를 살핀 후 잠정 유지 세정 시기(Tr)가 소정 오차 범위 이내로 안정화 되는 시기를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 과정을 나타낸 그래프이다.
도 4에서 도 4a는 분리막의 흡입 10분 및 역세 1분 주기의 운전 조건에서, 121분 동안 11회 막간차압을 측정한 후, 그로부터 도출된 선형 함수와 지수 함수 모델간 비율(r)로부터 1차 잠정 유지 세정 시기(Tr-1)를 설정하는 단계의 그래프이고, 도 4b는 1차 잠정 유지 세정 시기(Tr-1) 설정을 위한 최초 막간차압 측정 시점부터 121분 경과 후 도 4a의 과정을 반복하여 2차 잠정 유지 세정 시기(Tr-2)를 설정하는 단계의 그래프이며, 도 4c는 2차 잠정 유지 세정 시기(Tr-2) 설정을 위한 최초 막간차압 측정 시점부터 121분 경과 후 도 4a의 과정을 반복하여 3차 잠정 유지 세정 시기(Tr-3)를 설정하는 단계의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계, 각각의 침지형 분리막조의 과거 운전 정보로부터 하·폐수 유입량이 많은 시간을 회피하는 단계, 및 1차 유지 세정 기간에서 하수처리장의 일과 시간 내에 작업이 이루어지도록 일과 시간 외의 시간을 회피하는 단계를 포함하는 일 실시예의 블록도이다.
도 6은 도 5의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서 시간에 따른 막간차압의 변화 곡선으로부터 최종 유지 세정 기간을 결정하는 방법을 설명하는 설명도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 있어서,
a) 일정 시간 동안 복수 회에 걸쳐 상기 각각의 침지형 분리막조의 분리막의 시간에 따른 막간차압을 측정하는 단계;
b) 상기 막간차압을 측정하는 단계에서 얻은 결과로부터 시간에 따른 막간차압의 변화에 관한 선형함수 및 지수함수 모델을 도출하는 단계;
c) 상기 측정된 막간차압과 상기 선형함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를 상기 측정된 막간차압과 상기 지수함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를 나눈 값(r)이 1에 수렴하는 시간을 잠정 유지 세정 시기(Tr)로 설정하는 단계;
d) 상기 a) 단계에서 최초 막간차압을 측정한 시점부터 소정 시간 경과 후 상기 a) 내지 c) 단계를 수행하는 과정을 반복하는 단계;
e) 상기 c) 단계 및 d) 단계에서 설정된 잠정 유지 세정 시기(Tr)의 시간에 따른 변화를 확인하고, 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)에 비해 소정 오차 범위내로 변화하는 시기의 잠정 유지 세정 시기(Tr)를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 단계; 및
f) 상기 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계;를 포함하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 생물막반응조는 생물반응조와 분리막조가 분리된 것으로, 생물반응조의 처리용량 또는 부피의 1/5 내지 1/20, 바람직하게는 1/10 내지 1/15의 분리막조를 구비하므로, 분리막조의 유지 세정 또는 회복 세정에 사용되는 화학 세정약품의 사용량을 줄이고, 막여과 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 분리막조에 구비되는 분리막은 압력구동식 분리막으로 세공의 크기에 따라 정밀여과막, 한외여과막, 나노여과막으로 구분될 수 있고, 재질에 따라 고분자 유기막과 세라믹 혹은 금속 등의 무기막으로 구분될 수 있으며, 분리막의 설치 형태에 따라 관형, 중공사형, 나선형, 평판형, 회전판형 모듈로 구분될 수 있다.
상기 분리막은 종류에 따라 단위면적당 처리 유량, 즉 여과 유량에 차이가 있으나 최대 여과 유량을 100으로 할 때 통상 분리막조의 운전이 수행되는 적정 여과 유량은 70 내지 80 정도로 한다. 최대 여과 유량을 초과하거나 최대 여과 유량 이하에서도 적정 여과 유량을 초과하여 장시간 예를 들어 120분, 100분, 80분, 60분, 40분, 20분 또는 10분 이상 운전하는 경우 분리막에 비가역적인 오염이나 손상이 발생할 수 있고, 따라서 분리막의 수명이나 여과 효율을 저하시킬 수 있다.
또한 상기 분리막조는 하나의 생물반응조에 대하여 복수개, 바람직하게는 3 내지 6개, 더욱 바람직하게는 4 내지 5개의 침지형 분리막조 계열을 구비하는 것이 바람직하다.
도 1은 하나의 생물반응조에 연통되는 침지형 분리막조가 4개의 계열로 분리된 생물막반응조를 예시한 것으로, 하나의 생물반응조(미도시)는 1 내지 4 계열의 침지형 분리막조를 구비하고 있다. 평상시 생물반응조에서 분리막조로 12Q의 유량이 유입될 경우 1 내지 4 계열의 분리막조는 각각 3Q 유량을 처리할 수 있고, 분리막의 적정 여과 유량에서 상기 3Q의 유량을 처리가능하도록 설계한다.
이때 1 계열의 분리막조에서 유지 세정 시기에 도달하여 유지 세정을 실시할 경우, 나머지 2 내지 4 계열의 분리막조에서는 1계열의 분리막조에서 유지 세정이 수행되는 시간 동안 유입 유량이 일정할 경우 적정 여과 유량에 비해 33% 증가된 4Q씩 처리하게 되고, 이는 분리막의 적정 여과 유량은 초과하나 최대 여과 유량 범위 이내로 분리막에 비가역적인 오염이나 손상을 가져올 가능성은 낮다.
그러나 분리막조의 유지 세정 시기에 중첩이 발생하는 경우, 예를 들어 1 계열 및 2 계열의 분리막조의 유지 세정 시가가 중첩되는 경우 나머지 3 계열 및 4 계열의 분리막조만으로 유입 유량이 일정할 경우 각각 6Q의 유량을 처리해야 하므로, 이는 적정 여과 유량의 2 배이고, 최대 여과 유량을 초과하게 되므로 분리막에 비가역적인 오염이나 손상을 가져올 수 있고, 유입 유량을 감축하여야 해야할 수 있다.
따라서 하나의 생물반응조에 대하여 복수개의 침지형 분리막조가 연통되어 있는 생물막반응조에서는, 각각의 분리막조의 유지 세정 시기만을 예측하는 것만으로 충분하지 않고, 각각의 분리막조의 유지 세정 시기에 차이가 발생하도록 최적의 최종 유지 세정 기간을 도출하거나, 그와 같은 최적의 최종 유지 세정 기간이 도출되도록 운전조건을 조절하는 것이 필요하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법을 구동하기 휘한 시스템의 블록도이다. 도 2를 참조하면 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법을 구동하기 위한 시스템은, 운전조건 입력부(110), 계측부(120), 예측모델 시뮬레이션부(200), 1차 유지 세정 시기 판단부, 최종 유지 세정 기간 결정부, 운전조건 제어부 및 데이터 저장부를 포함한다.
먼저 운전조건 입력부(110)는 침지형 분리막조의 여과 유량, 흡입 시간, 역세 시간 및 역세 주기 등의 운전조건을 설정한다. 또한 필요에 따라 유지 세정이 필요한 막간차압을 미리 설정할 수 있다.
계측부(120)는 침지형 분리막조에 설치된 압력센서로부터 일정 주기 또는 운전일수에 따른 막간차압(TMP)을 측정하여 데이터 저장부(700)로 저장한다. 또한 계측부(120)에서는 필요에 따라 온도, MLSS 등을 추가로 측정할 수 있다.
예측모델 시뮬레이션부(200)는 운전조건 입력부(110)의 운전조건, 계측부(120)의 측정값, 데이터 저장부(700)로부터 과거 동일 또는 유사 운전조건의 생물막반응조의 데이터로부터 각각의 침지형 분리막조의 시간에 따른 막간차압 변화 예측모델을 시뮬레이션한다.
상기 예측모델 시뮬레이션부(200)는 선형 및 지수 모델 도출부(210) 및 잠정 유지 세정 시기(Tr) 설정부(220)로 구성될 수 있다.
상기 선형 및 지수 모델 도출부(210)는 계측부(120)에서 얻은 일정 시간 동안 복수 회에 걸쳐 상기 각각의 침지형 분리막조의 분리막의 시간에 따른 막간차압을 측정값으로부터 선형함수 및 지수함수 모델(또는 관계식)을 도출한다.
상기 잠정 유지 세정 시기(Tr) 설정부(230)는 상기 측정된 막간차압과 상기 선형함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를 상기 측정된 막간차압과 상기 지수함수 모델에에서 예측된 막간차압의 차이를 나눈 값(r)이 1에 수렴하는 시간을 잠정 유지 세정 시기(Tr)로 설정한다.
일정 시간의 막간차압 측정값으로부터 상기 선형 및 지수 모델 도출부(210) 및 잠정 유지 세정 시기(Tr) 설정부(220)를 반복하여 잠정 유지 세정 시기 Tr-1, Tr-2, Tr-3, … Tr-(n-1), Tr-n을 얻고, 상기 잠정 유지 세정 시기(Tr) 안정화 판단(230)을 통해 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr-(n-1))에 비해 잠정 유지 세정 시기(Tr-n)이 소정 오차 범위 이내인 경우 1차 유지 세정 시기 설정부(300)에서 1차 유지 세정 시기를 설정한다.
최종 유지 세정 기간 결정부(400)는 1차 유지 세정 시기를 중앙값으로 해서 얻은 1차 유지 세정 기간 범위 내에서 각각의 분리막조의 유지 세정 기간 중첩 여부, 일과 시간, 과거 운전 데이터로부터의 고유량 유입시간 정보 등을 고려하여 최종 유지 세정 기간을 도출한다.
운전조건 제어부(600)는 최종 유지 세정 기간 결정부(400)에서 도출된 최종 유지 세정 기간에 차이를 제공하는 것이 필요할 경우, 각각의 분리막조의 운전조건을 변경함으로써 각각의 분리막조의 유지 세정 시기를 변경 또는 조절할 수 있다.
운전조건은 분리막을 일정한 압력으로 운전하는 정압 운전과 일정한 여과 유량으로 운전하는 정유량 운전으로 구분될 수 있고, 본 발명의 운전조건은 정유량 운전으로 분리막에서 일정한 양의 여과수를 얻기 위해 막오염이 발생할 경우 운전압력이 지속적으로 증가한다. 도 3a는 시간에 따른 막간차압의 변화를 나타낸 그래프의 일 예로서, 유지 세정이 이루어지지 않을 때 막간차압이 선형적으로 감소하다가 일정 임계치를 넘어설 경우 지수적으로 감소하는 현상을 보여준다(도 3b 참조).
본 발명 방법은 각각의 침지형 분리막조의 분리막의 시간에 따른 막간차압을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 단계에서는 침지형 분리막조에 설치된 압력센서로부터 일정 주기 또는 운전일수에 따른 막간차압(TMP)을 측정한다.
본 발명은 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 있어서, a) 일정 시간 동안 복수 회에 걸쳐 상기 각각의 침지형 분리막조의 분리막의 시간에 따른 막간차압을 측정하는 단계를 포함한다(도 3a 참조). 도 3a에 도시된 것처럼 정유량 운전에서 막오염 현상에 의해 유량 감소가 발생하는 최대 막간차압은 40 내지 50 kPa이고, 음압이므로 마이너스(-)로 표시된다.
상기 a) 단계에서 일정 시간은 0.5 내지 12 시간, 바람직하게는 1 내지 9 시간, 더욱 바람직하게는 2 내지 6 시간이고, 상기 일정 시간 동안 5 분 내지 1 시간, 바람직하게는 10 분 내지 30분마다 1회씩 막간차압을 측정하는 것일 수 있다.
본 발명은 b) 상기 막간차압을 측정하는 단계에서 얻은 결과로부터 시간에 따른 막간차압의 변화에 관한 선형함수 및 지수함수 모델을 도출하는 단계를 포함한다(도 3b 참조).
상기 모델을 도출하는 단계는 분리막의 여과 유량, 흡입 시간 및 역세 시간을 포함하는 운전조건에 따른 막간차압-시간 사이의 선형함수 및 지수함수 모델(관계식)을 도출한다(도 . 상기 운전조건은 침지형 분리막조에 유입되는 유입수의 온도 또는 점도를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 c) 상기 측정된 막간차압과 상기 선형함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를 상기 측정된 막간차압과 상기 지수함수 모델에에서 예측된 막간차압의 차이를 나눈 값(r)이 1에 수렴하는 시간을 잠정 유지 세정 시기(Tr)로 설정하는 단계를 포함한다(도 3c 참조).
상기 선형함수 및 지수함수 모델간 비율(r)이 1에 수렴한다는 것은 막간차압의 변화가 선형함수에서 지수함수 형태로 급격하게 변화하기 시작하는 시점으로 그 시기를 유지 세정을 수행하는 최적의 시기로 해석할 수 있다.
본 발명은 d) 상기 a) 단계에서 최초 막간차압을 측정한 시점부터 소정 시간 경과 후 상기 a) 내지 c) 단계를 수행하는 과정을 반복하는 단계를 포함한다(도 4a 내지 c 참조).
상기 d) 단계에서 소정 시간은 0.5 내지 12 시간, 바람직하게는 1 내지 9시간, 더욱 바람직하게는 2 내지 6 시간일 수 있다.
도 4a 내지 4c는 150 L 랩스케일 분리막조를 구비한 생물반응조에서, 공극이 0.03 ㎛, 내경과 외경은 각각 0.8, 2.1 ㎜이고, 표면적이 표면적은 0.8 m2인 폴리비닐리덴 플로라이드 재질의 중공사막을 사용하여, 22.1 LMH의 유량으로 정유량 운전하고, 원수는 생활하수를 이용하되 생물반응조의 평균 MLSS 농도는 호기조 기준 약 4,000 ± 1,000 mg/L, 분리막조의 MLSS 농도는 약 5,000 ± 1,000 mg/L이며, 분리막은 10분 및 1분 주기로 흡입과 역세를 반복하며 운전한 것이다.
상기 운전 조건에서 각 흡입과 역세 주기마다 1회, 총 11회 막간차압을 측정하여 그 결과로부터 상기 선형함수 및 지수함수 모델을 도출한 후, 모델간 비율(r) 및 잠정 유지 세정 시기(Tr-1, Tr-2 및 Tr-3)를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 e) 상기 c) 단계 및 d) 단계에서 설정된 잠정 유지 세정 시기(Tr)의 시간에 따른 변화를 확인하고, 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)에 비해 소정 오차 범위내로 변화하는 시기의 잠정 유지 세정 시기(Tr)를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 단계를 포함한다(도 3d 참조).
상기 e) 단계에서 소정 오차 범위는 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)을 100이라 할 때 10 이하, 바람직하게는 5 이하, 더욱 바람직하게는 3 이하일 수 있다.
상기 도 3d는 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)과의 오차가 3% 이내인 경우를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 것을 나타낸 그래프이다.
상기 1차 유지 세정 기간은 24 내지 48 시간이고, 상기 최종 유지 세정 기간은 12 내지 24 시간일 수 있다.
상기 1차 유지 세정 시기를 중앙값으로 그 전후로 각각 12 내지 24 시간 범위의 완충기간을 두어 1차 유지 세정 기간을 설정한다. 예를 들어 1차 유지 세정 시기 전후에 완충기간을 24 시간을 설정하는 경우 1차 유지 세정 기간은 48 시간이 될 수 있고, 완충기간을 18 시간 설정하는 경우 1차 유지 세정 기간은 36 시간이 될 수 있다.
본 발명은 f) 상기 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 f) 단계에서 중첩 여부를 판단은, 각각의 침지형 분리막조의 유지 세정 기간이 중첩되지 않을 경우 각각의 1차 유지 세정 기간 범위 내에서 최종 유지 세정 기간을 결정하고, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간이 중첩될 경우 각각의 지수함수 모델의 기울기를 비교하여 기울기가 작은 분리막조의 유지 세정이 나중에 수행되도록 각각의 침지형 분리막조의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 것일 수 있다.
도 5는 본 발명의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서, 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계, 각각의 침지형 분리막조의 과거 운전 정보로부터 하·폐수 유입량이 많은 시간을 회피하는 단계, 및 1차 유지 세정 기간에서 하수처리장의 일과 시간 내에 작업이 이루어지도록 일과 시간 외의 시간을 회피하는 단계를 포함하는 일 실시예의 블록도이고, 도 6은 도 5의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서 지수함수 모델의 시간에 따른 막간차압의 변화 곡선으로부터 최종 유지 세정 기간을 결정하는 방법을 설명하는 설명도이다.
도 6의 ①에서는 1 계열 및 2 계열의 분리막의 1차 유지 세정 기간이 중첩되는 영역을 음영으로 표시하였다. 1차 유지 세정 기간은 전부 중첩될 수도 있고, 일부만 중첩될 수 있다.
각각의 분리막조의 유지 세정 기간이 중첩될 경우 각각의 분리막조의 지수함수 모델의 기울기를 비교하여 기울기가 큰 분리막조, 즉 막 오염 속도가 큰 분리막조부터 유지 세정이 이루어질 수 있도록 기울기가 큰 분리막조의 유지 세정 기간은 1차 유지 세정 기간 중 초반 80%, 70%, 60% 또는 50% 범위로, 또한 기울기가 작은 분리막조의 유지 세정 기간은 1차 유지 세정 기간 중 후반 80%, 70%, 60% 또는 50% 범위로 2차 유지 세정 기간을 설정할 수 있다. 도 6의 ②에는 1 계열의 분리막조의 지수함수 모델의 기울기가 크므로 이를 초반 50%로, 제2 계열의 분리막조는 후반 50%로 유지 세정 기간을 설정하였으나 이때 설정된 유지 세정 기간 사이는 일부 중첩이 있을 수 있다.
또한 필요에 따라 하수처리장의 일과 시간, 다수의 작업자가 근무하는 낮 시간이 포함된 기간, 예를 들어 오전 9시부터 오후 6시 사이에 유지 세정이 이루어 질 수 있도록, 일과 시간 이외의 시간은 제외시킨 범위로 2차 유지 세정 기간을 설정할 수 있다. 도 6의 ②에는 하수처리장의 일과 시간을 음영으로 표시하였고, 각각의 제1 계열 및 제2 계열의 분리막조의 유지 세정 기간을 다른 일자에 수행되는 것으로 분리된 경우를 예시하였다.
또한 필요에 따라 과거 하수처리장 운영 데이터를 기반으로 일평균 유입량을 초과하는 고유량 유입 시간대를 제외시킨 범위로 2차 유지 세정 기간을 설정할 수 있다. 도 6의 ③에는 과거 하수처리장 운영 데이터에서 일평균 유입량을 초과하는 고유량 유입시간을 음영으로 표시하였고, 2차 유지 세정 기간은 상기 고유량 유입 시간을 제외하여 설정할 수 있다.
상기 최종 유지 세정 기간은 12 내지 24 시간, 바람직하게는 12 내지 20 시간, 더욱 바람직하게는 12 내지 16 시간 이내 기간으로 설정할 수 있다.
따라서 본 발명은 생물반응조에 연통되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비한 생물막반응조에서 각각의 분리막조의 시간에 따른 막간차압 예측모델에서 예측된 세정 시기에 기간의 범위를 부여하여 1차 유지 세정 시기 및 기간을 설정한 후, 적정성 검토를 통해 최종 유지 세정 기간을 설정함으로써, 각각의 분리막조의 유지 세정 시기 중첩으로 인한 타 분리막의 부하 발생을 예방할 수 있도록 한다.
본 발명의 방법에서 각각의 침지형 분리막조의 최종 유지 세정 기간이 중첩될 경우 지수함수 모델의 시간에 따른 막간차압 하강 속도를 비교하여 하강 속도가 느린 분리막조의 막오염 속도를 낮추도록 운전조건을 변경시키거나, 상기 하강 속도가 빠른 분리막조의 막오염 속도를 높이도록 운전조건을 변경시키거나, 또는 하강 속도가 느린 분리막조의 막오염 속도를 낮추면서 동시에 하강 속도가 빠른 분리막조의 막오염 속도는 높이도록 운전조건을 변경시켜 각각의 침지형 분리막조의 최적 유지 세정 기간이 차이가 생기도록 각각의 침지형 분리막조의 여과 유량을 조절하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 막오염 속도를 낮추는 운전조건은 분리막의 여과 유량 감축, 흡입 시간 감축, 역세 시간 증대 및 역세 주기 단축 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며, 상기 막오염 속도를 높이는 운전조건은 분리막의 여과 유량 증대, 흡입 시간 증대, 역세 시간 감축 및 역세 주기 증대 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 운전조건 제어부를 통한 운전조절 제어를 통해 각각의 분리막조의 유지 세정 기간 또는 나아가 유지 세정 준비 기간 또는 유지 세정 후 안정화 기간이 중첩되어 타 분리막의 부하 발생이 예상되는 경우 각각의 분리막조의 여과 유량을 증감시키거나 흡입 또는 역세 시간의 주기를 변경함으모써 각각의 분리막조의 최적 유지 세정 기간에 시간적 차이가 발생하도록 운전조건을 조절함으로써 분리막 유지 세정 시기를 자동제어할 수 있다.
Claims (10)
- 생물반응조 및 상기 생물반응조에 연동되는 복수개의 침지형 분리막조를 구비하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법에 있어서,
a) 일정 시간 동안 복수 회에 걸쳐 상기 각각의 침지형 분리막조의 분리막의 시간에 따른 막간차압을 측정하는 단계;
b) 상기 막간차압을 측정하는 단계에서 얻은 결과로부터 시간에 따른 막간차압의 변화에 관한 선형함수 및 지수함수 모델을 도출하는 단계;
c) 막간차압의 변화가 선형함수에서 지수함수 형태로 변화하기 시작하는 시점을 특정하기 위해, 상기 측정된 막간차압과 상기 선형함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이를, 상기 측정된 막간차압과 상기 지수함수 모델에서 예측된 막간차압의 차이로 나눈 값(r)이 1에 수렴하는 시간을 잠정 유지 세정 시기(Tr)로 설정하는 단계;
d) 상기 a) 단계에서 최초 막간차압을 측정한 시점부터 소정 시간 경과 후 상기 a) 내지 c) 단계를 수행하는 과정을 반복하는 단계;
e) 상기 c) 단계 및 d) 단계에서 설정된 잠정 유지 세정 시기(Tr)의 시간에 따른 변화를 확인하고, 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)에 비해 소정 오차 범위내로 변화하는 시기의 잠정 유지 세정 시기(Tr)를 1차 유지 세정 시기로 설정하는 단계; 및
f) 상기 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기 사이의 중첩 여부를 판단하여 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계;를 포함하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계에서 일정 시간은 0.5 내지 12 시간이고, 상기 일정 시간 동안 5 분 내지 1 시간마다 1회씩 막간차압을 측정하는 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 d) 단계에서 소정 시간은 0.5 내지 12 시간인 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 e) 단계에서 소정 오차 범위는 직전 잠정 유지 세정 시기(Tr)을 100이라 할 때 10 이하인 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계는 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 시기를 중앙값으로 하는 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제5항에 있어서,
상기 1차 유지 세정 기간은 24 내지 48 시간이고, 상기 최종 유지 세정 기간은 12 내지 24 시간인 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제6항에 있어서,
상기 f) 단계에서 중첩 여부를 판단은,
각각의 침지형 분리막조의 유지 세정 기간이 중첩되지 않을 경우 각각의 1차 유지 세정 기간 범위 내에서 최종 유지 세정 기간을 결정하고,
각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간이 중첩될 경우 각각의 지수함수 모델의 기울기를 비교하여 기울기가 작은 분리막조의 유지 세정이 나중에 수행되도록 각각의 침지형 분리막조의 최종 유지 세정 기간을 결정하는 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제7항에 있어서,
상기 최종 유지 세정 기간을 결정하는 단계에서 각각의 침지형 분리막조의 1차 유지 세정 기간 사이의 중첩 여부를 판단하는 단계 후에,
각각의 침지형 분리막조의 과거 운전 정보로부터 하·폐수 유입량이 많은 시간을 회피하는 단계를 포함하거나,
1차 유지 세정 기간에서 하수처리장의 일과 시간 내에 작업이 이루어지도록 일과 시간 외의 시간을 회피하는 단계를 포함하거나,
또는 상기 2가지 회피하는 단계를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제8항에 있어서,
각각의 침지형 분리막조의 최종 유지 세정 기간이 중첩될 경우 지수함수 모델의 시간에 따른 막간차압 하강 속도를 비교하여 하강 속도가 느린 분리막조의 막오염 속도를 낮추도록 운전조건을 변경시키거나,
상기 하강 속도가 빠른 분리막조의 막오염 속도를 높이도록 운전조건을 변경시키거나, 또는
하강 속도가 느린 분리막조의 막오염 속도를 낮추면서 동시에 하강 속도가 빠른 분리막조의 막오염 속도는 높이도록 운전조건을 변경시켜 각각의 침지형 분리막조의 최적 유지 세정 기간이 차이가 생기도록 각각의 침지형 분리막조의 여과 유량을 조절하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법. - 제9항에 있어서,
상기 막오염 속도를 낮추는 운전조건은 분리막의 여과 유량 감축, 흡입 시간 감축, 역세 시간 증대 및 역세 주기 단축 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며,
상기 막오염 속도를 높이는 운전조건은 분리막의 여과 유량 증대, 흡입 시간 증대, 역세 시간 감축 및 역세 주기 증대 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생물막반응조의 분리막 유지 세정 시기 예측 및 자동제어 방법.
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