본 기술은 콤팩트한 설계를 통하여 소요부지를 절감 할 수 있으며, 막오염 부하를 경감시킬 수 있는 혼화/2단응집/침전지를 이용한 전처리 공정과 내염소성 병원성 미생물인 크립토스포리디움과 지아디아를 완벽히 차단할 수 있는 정밀여과막 공정, 유입수의 수질과 막오염지수를 모니터링하여 전처리공정과 막오염 완화세정을 자동화, 최적화, 자가진단할 수 있는 프로그램을 구축하여 다양한 국내 원수 수질변화에도 적극적으로 대응할 수 있으며, 운영자 친화적(User-friendly)이고 친환경적(Eco-friendly)인 고효율 고집적 막여과 정수처리 기술이다.
본 기술의 중요 내용은
1. 모델트리 기반 막오염지수 모델예측제어기에 의해
응집제 주입을 자동제어하고, 이를 이용한 전처리 수질 및 막오염지수 최적 관리기술,
2. 인공신경망 기반 막오염 예측모델을 통해 여과잔여일수 평가와 (비)가역적 막여과 저항 및 세정효율 감시기술을 이용한 막오염 완화 세정 자동제어기술,
3. 혼화-2단 응집-경사판 침전에 의한 탁도/용존 유기물을 제거하여 막오염물질 부하를 경감시킬 수 있는 전처리공정 및 탁도 물질과 내염소성 병원 미생물을 효과적으로 제거할 수 있는 PVDF 정밀여과막 선정,
4. 정수처리 공정 중 발생되는 막여과 역세척수 및 세정수 등을 섬유사 여과장치를 이용하여 재처리한 후 시스템 회수율을 향상시킨 재이용 기술이다.
1-2. 신기술 공정 구성
유입된 원수는 구의취수장으로부터 전염소처리되어 구의정수장으로 유입되는 한강수계의 원수이며, 스크린을 거친 후 본 시설의 원수조로 유입되게 하였다. 원수 조정조는 분말 활성탄 접촉조로 이용이 가능하며 이를 통해 통상의 정수 처리 방식인 응집, 침전, 여과, 오존, 염소소독으로 제거되지 않는 맛·냄새 원인물질, 합성세제, 페놀류, 트리할로메탄 전구물질, 유해화학물질을 제거하는데 사용할 수 있으며, 혼화조는 원수에 포함되어 있는 오염물질과 응집제를 매우 짧은 시간 내에 반응시켜 전기적 중화 및 흡착에 미세한 플록을 생성시키는데 사용된다.
혼화지에서 생성된 미세플록은 응집조에서 성장시켜, 여과가 가능하고 침전이 가능한 플록으로 만들어진다. 응집지에서 상장된 플록은 경사판 침전조에서 침전되고 상징수만 후속 막여과 공정으로 유입된다(그림 3). MF막에서 배출되는 역세배출수는 공극제어형 섬유여과기를 통해 처리되어 섬유여과 처리수는 착수정으로 반송되어 시스템의 회수율을 높이게 된다.
1-3. 국내 최초 수도막 인증된 가압막(제 KWWA-09-005호, 한국상하수도협회) 본 기술 개발에 사용된 국산 분리막은 공칭공경 0.05um, 중공사(hollow fiber)형태의 가압식 정밀여과막(MF, 제조사 에치투엘(주))을 이용하였으며 분리막에 유입되는 입자성 및 병원성 물질을 제거하는 역할을 담당한다. 공정은 여과(Feed) - 여과(Filtration)- 역세척+공기세정(AS+BW) - 배출(Drain)이 싸이클을 이루며 진행된다.
분리막 여과는 유입되는 원수를 가압하여 중공사막의 외부에서 내부 방향으로 여과가 이루어지는 외압식(outside-in) 여과방식을 채용하고 있다. 분리막은 내약품성과 기계적 강도가 뛰어난 PVDF(polyvinylidene fluoride) 재질이다. 모듈당 막면적이 75m2로서 정밀여과막으로서는 국내 최초 및 최대 집적율을 자랑하고 있다.
1-4. 핵심 자동화 기술
본 기술의 첫 번째 특징은 막오염 데이터 마이너 알고리즘(FDM)을 이용한 응집제 주입 자동제어 기능을 갖춘 것이다.
응집, 침전공정과 가압형 막분리 공정을 조합한 정수처리공정에서, 유입수질 및 수량 센서부와 이를 수질 이벤트로 분류하는 통계와 기계적 지도학습법에 의해 산출된 상대적 막오염지수와 이를 피드백하여 최종 응집제 주입량을 산출하여 가압형 막분리 전처리공정을 실시간 제어하는 기술이 가능하도록 하였다.
본 기술에 구축된 공정은 혼화조/2단 응집조-경사판 침전조-막여과조로 이루어지고, 상기 혼화조에 응집제를 투여하는 응집제 투여장치를 구비하는 정수처리설비의 응집제 주입량 제어 시스템에 있어서 유입원수의 수온, pH, 탁도, 클로로필-a, 유량계를 포함하는 수질/수량인자를 실시간으로 측정하는 수질모니터링부와 상기 수질모니터링부에서 측정된 수질인자를 이용하여 수질 특성을 통계적으로 분류하고, 수질 특성에 따라 응집제 예측 모델을 통해 응집제 주입량을 계산하는 주입량 계산부와 기계적 지도학습기법을 통해 상대적 막오염지수를 산출하는 막오염지수 산출부와 상기 막오염지수 산출부에서 산출된 상대적 막오염지수를 응집제 주입량에 피드백하여 보정하는 피드백 제어부와, 이를 하전중하 또는 스위피 응집기작에 적절하게 투여하고 있는지를 흐름전위 측정 장치를 이용하여 감시하는 장치, 응집제 주입량 감시부로 구성된 것을 특징으로 한다.
제어프로그램은 탁도, 클로로필 a, pH, 유량계로 구성된 Sensor부와 수잘에 따라 수질이벤트를 분류하고 1차 응집제 주입량을 산출하는 알고리즘이 내재된 프로그램으로 구성되니 Classifier부, 막오염지수를 여과주기 단위로 실시간 감시 및 평가하는 알고리즘이 내재된 Monitoring부, 자료들을 종합하여 데이터 마이닝 기능인 Decision tree 알고리즘으로 1차 응집제 주입량을 피드백하고, 최종 응집제 주입량을 산출하여 약품펌프를 모델예측기반 제어하는 프로그램 및 장치로 구성된 Data-Miner부로 이루어져있다. 본 기술의 두 번째 특징은 ANN 알고리즘 controller를 이용한 유지세정 자동제어 시스템을 구성한 것이다.
가압형 막분리 공정를 이용한 정수처리시스템에서, 인공신경망(ANN, artificial neural networks) 알고리즘을 이용한 막오염지수를 예측 프로그램에서 가동중인 막분리 공정의 막오염지수 모니터링 데이터와 운전데이타를 조합하여 막오염도 판정과 세정잔여일수를 예측하는 기능을 제공하고, 가압형 막여과공정의 EFM(enhanced flux maintenance) 운전시 계산된 막오염지수 분류에 따라 최적 약품주입농도를 주입 하도록 제어하며, 세정효과를 감시하는 기술이다.
제어프로그램은 막오염지수를 여과주기 단위로 실시간 감시 및 평가하는 기계적 지도학습 알고리즘이 내재된 프로그램과 Resistance in Series Model에 기초하여 Membrane Internal Resistance와 Membrane External Resistance를 각각 모니터링하여 화학약품의 세정효과를 감시할 수 있도록 하여주는 프로그램으로 구성된 Monitoring부와, 과거에 수집된 막오염지수 데이터와 운전인자 등을 기계적 지도학습 모델을 통하여 출력변수인 막오염지수를 예측하고, 이를 현재의 막오염지수와 비교평가하는 Prediction부, 막오염지수 공정관리에 적합한 빈도수 분석을 실시하여 이를 등급화 및 막오염도를 정량화 하고, 비가역적 막여과 저항을 CART 알고리즘을 이용한 기계적 지도학습 모델에 적용하여 유지세정 운전시 막여과 오염도별 최적약품모델을 이용하여 약품세정을 제어하고, 세정 후 세정효과를 분석하여 출력해주는 프로그램으로 구성된 Control부로 이루어져 있다.
2. 맺음말
대우건설기술연구원 환경에너지연구팀에서 개발한 대우 막여과 고도정수처리기술은 신설되는 고도처리 정수장 건설사업은 물론, 시설이 노후하여 설비의 보수가 필요한 정수장과 원수의 수질악화로 기존 처리공정으로는 처리 수질을 달성할 수 없는 정수장, 그리고 점차 강화되는 정수 수질기준을 만족하지 못하는 정수장 등의 공정 개선 사업에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 막여과 고도정수처리 공정의 설계, 시공 및 운영기술을 확보함으로써 사업비 절감은 물론 향후 해외 정수 시장에 진출할 수 있는 핵심기술로서 다양한 기대효과를 예상할 수 있다.
현재 개발된 기술과 더불어 향후 개발기술의 중심에 항상 사람을 두고 연구개발을 진행하고 있으며, 인간과 환경을 함께 고려하는 미래형 녹색 기술을 가장 먼저 선보이기 위한 노력을 계속하고 있다. 신재생에너지 및 그린기술 분야에 대한 기술력 집중과 축적된 기술력 및 인재를 바탕으로 사회 기반시설의 가치 창조 및 환경과 미래를 위한 기술혁신을 통하여 R&D의 선구자로서 역할을 충실히 수행해 나아갈 것이다.
[저작권자ⓒ 이미디어. 무단전재-재배포 금지]
