01분반 5조 NPC조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 성읍구룡동 소규모하수처리시설을 모방한 HBR-II 공법의 피드백 방안 구축

영문 : Development of Feedback Strategies for HBR-II Method Modeling Small-Scale Sewage Treatment Facility in Sung-eup Guryong-dong

과제 팀명

NPC (Nitrogen Phosphorous Control)

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890041 이서준(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2018890083 노준호

서울시립대학교 환경공학부·과 2020890014 김여경

서울시립대학교 환경공학부·과 2020890041 양현주

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

내용

개발 과제의 배경 및 효과

• 소규모 하수처리장의 TN, TP 제거 문제

하수도통계(2021)에 따르면 몇몇 제주특별자치도의 소규모 하수처리장에서 TP(총인, Total Phosphorus)과 TN(총질소, Total Nitrogen)의 배출량이 공공하수처리시설의 방류수수질기준을 초과하는 문제가 확인되었다. 이로 인해 수질 저하가 우려되며, 특히 TP와 TN의 과다 배출은 유기물질의 분해와 함께 악취물질의 생성을 촉진할 수 있어, 주변 지역에서 악취 문제가 발생할 가능성이 높아진다. 따라서 하수처리장에서 TP와 TN 배출을 최소화하는 노력을 더욱 강화할 필요가 있다.

• 악취 민원 현황

악취란 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 그 밖에 자극성이 있는 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새를 말한다.3 국민이 건강하고 쾌적한 환경에서 생활할 수 있도록 사업장 등에서 발생하는 악취를 방지하는 것은 매우 중요하다. 하수도통계(2021)에 따르면, 전국 악취민원현황에서 제주특별자치도 하수처리인구10만명당 악취민원건수는 47건으로 전국 5위를 차지하고 있다. 따라서, 제주도 내 하수처리장 악취원인의 철저한 조사와 대책이 필요할 것으로 보인다.

• 제주도 하수처리장의 현대화

제주특별자치도는 전통적으로 농어촌 위주의 소형 하수처리장을 운용하고 있다. 입도(入島)인구 증가에 따라 처리가 필요한 하수량이 증가하여 기존 하수처리장의 설계용량을 넘어 제대로 처리되지 않은 하수가 바다로 방류되고 있다. 증설을 위한 입찰을 시작해도 사업자를 선정하지 못하거나 주민의 반대로 진전을 보이지 못하다가 2023년 6월 현대화 사업이 개시되었다.

• 기대효과

본 과제를 통해 제주도 하수처리장 현대화사업의 타당성을 평가하고 개선점을 도출한다. 또한, 악취물질을 모니터링함과 동시에 방류수 수질 기준을 충족시킬 수 있는 스마트 하수처리장을 설계하여 제주도 시민에게 건강하고 쾌적한 환경을 제공하고 지역 사회에 긍정적인 영향을 줄 것으로 판단된다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 제주도 하수처리장의 안정적 제거율 달성 방안 제안

제주도의 소규모 하수처리장에서 나타나는 고농도의 방류수 TP와 TN 인한 문제를 해결하기 위해, 여러 설계 인자를 조정하여 효율적인 TP와 TN 저감 방안을 구현한다. 또한 이러한 방안의 실제 효과를 검증하기 위해 시뮬레이션을 활용하는 과정을 수행한다.

• 제주도 하수처리장 현대화 사업의 적절성 검증

2028년 준공을 목표로 4000억의 국세가 제주도 하수처리장의 현대화를 위하여 투입되었다. 이 과정에서 많은 잡음이 있었던 만큼, 2023년 6월에 시작된 제주도하수처리장의 현대화 사업의 현재 방안을 분석하여 악취물질 추적과 하수 방류기준 충족을 위하여 적절한지 판단한다. 최신ICT기술을 이용하여 주민들의 걱정을 더는 친화적인 제주도 하수처리장 모델을 개발한다.

• 소규모 하수처리장 대상 현대화의 기본틀 마련 기여

본 과제에서 설계한 하수처리장 모델을 기반으로, 제주도 외의 해당 시설용량과 비슷한 소규모 하수처리장(1일 처리용량이 500㎥/일 미만)에 적용할 수 있는지 평가한다.

관련 기술의 현황

추진목표

• 하수처리장의 비전- 인간과 환경이 공존하기 위한 인위적 수질 오염의 처리
• 최종목표- 다양한 유입수 부하에 따른 소규모하수처리장의 안정적 수질 배출
• 전략목표- HBR-II 공정 시뮬레이션과 아두이노 프로토타입 구성을 통한 공정 피드백 모사
• 세부목표- 배출수 암모니아 최소화에 따른 방류수 독성 최소화, 온실가스 배출 최적화, 방류수 인산염 최소화

기술 로드맵

• (1970년대) 개별적인 정화조로 오수를 처리, 인구 증가와 산업 발전으로 인해 대규모

하수처리시설이 필요. 국내 최초의 공공하수처리장인 청계천 하수처리장이 건설.

• (1980년대) 전국적으로 공공하수처리장이 확대되기 시작하였으며, 고도처리공법 등 새로운 기술들이 도입.
• (1990년대) 대형화, 현대화 추세가 이어졌으며, 질소와 인 등의 영양염류를 제거하는 고도처리공법이 보편화 됨
• (2000년대) 수처리 분야에서의 IT 기술 활용이 증가하였고, 에너지 절약 및 친환경적인 공법 개발. 또한, 악취 방지와 주민 친화적인 시설 조성에도 많은 노력을 기울이는 추세.
• (2010년대) 수처리 분야에서 AI 기술의 활용을 통해 문제를 미리 예측하고 조치함으로써 용이한 시설 관리와 수처리 공정의 개선을 위한 발전.

특허 조사

• 하수처리시설을 관리하기 위한 방법 및 이를 수행하는 스마트 중앙제어 분석시스템 (공개특허 10-2022-0021323 )
• 빅데이터 및 인공지능 기반의 하수처리시설의 유입수 환경 정보 관리 방법, 장치 및 컴퓨터 판독가능 기록매체 (10-2022-0002536)
• 웹 기반 스마트 수질원격감시 데이터 분석 시스템 (10-2015-0179971)
• 스마트 하폐수 처리 운영시스템 (10-2020-0066370)
• 강화학습을 이용한 하수처리장 모델 자율 보정시스템과, 그 시스템을 이용한 공정 운영 다중 최적화시스템 (10-2022-0025288)

특허 전략

• 틈새시장전략: 제주특별자치도 서귀포시의 문제점(예: TN, TP 배출량 문제)을 중점적으로 해결하는 특화된 기술 개발. 이를 통해 해당 지역의 특수한 문제에 대응하는 기술로서 경쟁 우위 확보
• 기술 결합 전략: 이미 공개된 특허 중에서 관련된 기술들을 조합하여 새로운 목적이나 효과를 만들어내 특허의 진보성 요건 극복
• 지속적 기술 업데이트 전략: 하수처리 기술과 관련된 최신 연구와 트렌드를 지속적으로 모니터링하여, 새로운 기술 동향에 빠르게 대응하고 기술을 업데이트

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

• 대구시 스마트 하수처리장 선도사업 - ICT계측장비를 통한 하수처리 공정 진단
• 전북시 스마트 하수처리장 선도사업 - 지능화 등 스마트 하수처리장 관리체계 구축
• 청호환경개발, 소규모 공공하수처리 - IoT 기반의 스마트 유역물관리 기술, 악취발생이 없고 화학약품을 사용하지 않는 친환경 하수처리공법

마케팅 전략

• 소규모 하수처리장에 적용된 공정별 스마트 피드백 방안 제시로 범용성 추구
• 기업의 ESG 달성을 위한 수단으로써 홍보
• 독성이 최소화된 처리수임을 홍보하여 주민 만족도 향상 추구

경제성 분석

1. 편익비용비 (B/C ratio)

총편익과 총비용의 할인된 금액비율

B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단

1. 편익 (Benefit)
2. 비용 (Cost)

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

개발일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

평가 내용

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

HBR-II 처리장 설계 내용

내용

EQPS를 이용한 HBR-II 처리장 설계 내용

내용

HBR-II 저농도 MLSS 조건 시뮬레이션

1. 스마트 피드백 전
2. 스마트 피드백 후

낮은 유입 유량 조건 시뮬레이션

1. 스마트 피드백 전
2. 스마트 피드백 후

HBR-II 처리장 낮은 C/N비 유입수 조건

1. 스마트 피드백 전
2. 스마트 피드백 후

각 시나리오별 전력 수요량 비교

내용

각 시나리오별 인(P)과 질소(N) 농도 비교

내용

조립도

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료 작품 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

개발사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용