정수장의 효율적 운전 및 최적 상태 유지
  • 월간 FA저널
  • 승인 2011.01.25 15:07
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상수 공정진단시스템 현황

정수공정에 대한 진단은 정수장을 진단하고 평가함으로써 개선사항들을 도출하고, 최소의 비용으로 최대의 수질 개선 효과를 얻고자 하는 것이다. 공정진단시스템은 정수장의 각 공정이 효율적으로 운영되고 있는지, 취약한 공정이 있는지 등을 파악해 최적의 상태를 유지하는데 도움을 준다.


LS산전 자동화솔루션사업본부 자동화기술팀 이 승 훈 과장


인간에게 있어 물은 생명을 유지하는데 필수적인 요소로서 우리나라 국민의 1일 평균 물 소비량은 396리터이며, 먹는 물은 평균 2리터 정도로 파악된다. 이를 위해 물을 생산하는 상수도시설은 수자원공사가 관리하는 광역상수도와 지방자치단체가 관리하는 지방상수도로 구분되며, 전국적으로 522개의 정수장이 운영되고 있다. 또한, 모든 국민이 안전한 수돗물을 마시기 위해서는 상수원에 대한 취수로부터 가정으로의 급수에 이르기까지 전 분야에 대한 평가와 개선이 실시돼야 하며, 특히 원수를 음용수로 변환하는 정수공정은 가장 중요한 부분 중 하나라고 할 수 있다. 따라서 정수공정에 대한 진단이란 정수공정이 이뤄지는 정수장을 진단하고 평가함으로써 개선사항들을 도출하고, 최소의 비용으로 최대의 수질 개선 효과를 얻고자 하는 것이다.


국내외 동향

선진국들은 정수를 생산하는 정수장의 상태를 진단하고 개선하기 위한 많은 진단 기법들을, 오랜 시간에 걸쳐 많은 시행착오를 거치며 확립해왔다.


미국을 중심으로 정수장 최적화를 위한 노력을 살펴보면 우선, 종합개선프로그램(CCP : Composite Correction Program)이 대표적이다. 종합개선프로그램(CCP)은 정수장이 아닌 하수처리장에 먼저 적용해 발전돼 왔다. 1960년대 후반부터 1970년대에 걸쳐 건설된 많은 하수처리장의 운전이 새롭게 강화되는 수질기준을 만족하지 못하는 것에 자극돼 원인을 조사했는데, 운전 및 유지 관리가 철저하지 못하며 행정지원 미비 및 설계결함이 원인으로 밝혀졌다. 이러한 조사를 바탕으로 해 하수처리장의 운전성능을 큰 투자 없이 개선할 수 있는 프로그램을 개념화하고 시행했는데 이것이 종합적 개선프로그램(CCP)이다.


이 프로그램의 시행으로 하수처리장 운전성능 향상에 크게 효과를 보자, 1986년 음용수 안전법 개정(Safe Drinking Water Act Amendment) 이후에 새롭게 강화되는 먹는 물 수질기준을 만족하기 어려운 많은 중소 규모의 정수장에 도움을 주기 위해 정수장에 확대 적용됐다. 종합개선프로그램(CCP)은 1단계인 종합성능평가(CPE : Comprehensive Performance Evaluation)와 2단계인 종합 기술지원(CTA : Comprehensive Technical Assistance)의 2가지 단계로 구성된다. CCP는 주요 단위공정 평가(Evaluation of Major Unit Process), 정수장 현황 파악(Assessment of Plant Performance), 효율 한계요인의 색출과 개선 우선순위 작성(Identification & Prioritization of Performance-Limiting Factors), 기술지원(CTA) 부분의 CCP 적용 가능성 평가(Assesment of Applicability of a Follow up CCP) 및 보고서 작성(Report) 등으로 수행된다.


또한, 지표수를 원수로 하는 소규모 정수장 진단을 위한 DWTP Advisor이라는 응용 프로그램을 EPA에서 개발해, 각 단위공정과 경영, 설계, 운전, 유지관리에 대한 진단항목을 정해 입력 데이터를 작성한 후 프로그램을 수행해 진단결과를 도출하고, 도출된 진단결과는 정수장 진단수행시 참고 자료로 활용됐다.


국내에는 미국에서 실제로 적용돼 큰 효과를 나타낸 종합개선프로그램(CCP)을 기초로 한 진단기법들이 가장 많이 이용되고 있다. 이외에도 CCP뿐만 아니라 ISO의 체계를 도입한 상수도 서비스 분야의 평가제도도 도입했다.



[그림 1. 공정진단시스템 개요.]

 

정수장 주요 공정 진단

응집공정 진단

응집이란 약품을 주입해 물속의 아주 작은 콜로이드상 물질을 서로 뭉치게 해 크게 만든 다음 후속되는 침전이나 여과공정에서 제거되도록 하는 공정이다. 정수장에서 가장 중요한 공정의 하나이며 혼화공정과 플록 형성공정으로 나뉜다. 혼화공정은 원수의 오염물질과 응집제를 서로 반응시켜 침전성이 양호한 플록(Floc)을 생성하는 것을 목적으로 하며, 플록 형성공정은 혼화로 생성된 미소 플록을 크고 무거운 플록으로 성정시켜 다음 공정인 침전지에서 원활히 침강 제거하는 것을 목적으로 한다.


침전공정 진단

침전공정은 플록이나 현탁물질을 가장 효과적으로 침전/제거시켜서 후속 공정인 여과지의 부담을 경감시킬 목적으로 운영되며, 침전, 완충 및 슬러지 제거의 3가지 기능을 가지고 있다.


여과공정 진단

여과지는 약품으로 응집된 현탁물질이 비교적 빠른 속도로 입상층을 통과해 여재에 부착되거나 여층에서 체 거름 작용에 의해 제거될 수 있도록 한다. 여과지 진단은 입자성 물질을 제거하는 최종단계로서의 여과지 기능이 올바르게 작동하고 있는가를 판단하는데 목적이 있다. 여과공정은 전처리의 혼화 응집 침전 공정 등 여러 공정과 연계돼 타 운전요소의 영향을 받게 되며, 타 공정에 비해 다양한 수리적 제어방법과 직접조사가 불가능한 부분 등 구조적인 조건이 미치는 영향이 적지 않기 때문에, 다양한 측면에서 세심한 조사가 필요하고 조사결과의 평가와 판정에서도 엄밀함과 균형감이 요구된다.


소독공정 진단

정수지는 정수처리 시설의 운전관리에서 발생하는 여과수량과 송수량간의 불균형을 조절하고 완화시키고, 사고 등의 이상 발생시 수량 변동에 대처하며 시설점검과 보수작업 등에 대비해 정수를 저류하는 정수처리공정 최종단계의 시설이다. 따라서 정수지는 수요량의 시간적인 변동에 대응할 수 있어야 하며, 적절한 소독 접촉시간(C·T) 용량 등을 확보함으로써 소독능을 달성할 수 있어야 한다.




LS산전 상수 공정진단시스템

진단시스템이란 사전적 의미로 ‘고장난 부분을 찾아내기보다는 전반적인 시스템의 기능 결함을 탐지하는 프로그램’이라 할 수 있으며, 공정진단시스템이란 특정한 공정에 대한 진단 및 공정 상호 간의 유기적인 관계에 대한 진단이라 할 수 있다. 예를 들어, 현재의 공정에서 이상 현상이 나타났을 때 그 원인이 해당 공정에서 나타난 것인지 혹은 전 공정에서의 조치가 현재 공정에 영향을 미쳤는지 그 여부를 진단하는 것이라 할 수 있다. 그러므로 상수 공정진단시스템이란 먹는 물로 사용되는 상수를 생산하는 정수장의 공정을 진단하는 시스템이라 하겠다.


정수장의 물 생산은 일반적인 제조업의 생산과 다를 바 없이 좋은 수질의 물을 최소한의 비용으로 최대한 생산하는 것이 대단히 중요하다. 과거에는 수돗물 공급에 부족함이 없도록 최대한 생산하는 것이 일반적인 경향이었으나 근래에 들어서는 적정한 양의 물을 효과적으로 생산하는데 중점을 두고 있으며, 이를 위해 통합운영, 자동운전, 수요예측, 관망해석 등의 다양한 시스템을 도입했다. 이러한 시스템들의 관점은 취수 후 정수 생산 및 배, 급수에 이르는 과정이 효과적으로 운영되도록 하는 것이었으나, 공정진단시스템은 정수장 내의 혼화, 응집, 침전, 여과 등의 개별 공정들이 얼마나 효과적으로 운전되는지 진단하고 공정 상호간의 유기적인 운전이 수행되도록 유도함으로써 안정적이고 효과적인 생산이 이뤄지도록 하는데 그 목적이 있다. LS산전은 수처리 분야에서 광역상수도 통합운영시스템 구축 등을 비롯한 풍부한 시스템 구축 실적을 보유하고 있으며, 상수 부문과 하수 부문의 수처리 전 분야에 걸쳐 다양한 솔루션을 제공하고 있다. 그 중에서도 LS산전 상수 공정진단시스템은 안전하고 안정적인 먹는 물 생산과 정수장의 운전성능 최적화 및 경제적인 시설운영을 위해 정수공정을 진단하고 문제점을 개선하는 시스템이라 할 수 있다.


[그림 2. 공정진단시스템 구성.]

 

시스템 구성

LS산전 상수 공정진단시스템의 크게 실시간공정진단, 종합성능평가, 공정시뮬레이션, 질의응답시스템으로 구성된다.


● 실시간공정진단 : 온라인 계측기를 이용해 수질(TOC, pH, 온도 등) 및 운전 데이터(수위, 체류시간 등)와 실험분석 데이터를 유기적으로 연결하고 실시간으로 연산해, 공정의 현재상태 및 적정여부 등의 정수센터의 운영 상태를 진단하고 문제점을 파악해 비상시 대응능력을 향상시킨다.


● 종합성능평가 : 각 공정별의 성능평가를 전산화함으로써 정수장 운영 효율을 상시 점검하고 문제점을 파악한다. 주요 기능으로 공정의 잠재적 성능 평가 및 적정 성능 및 운영 평가가 가능하고, 응집제, 소독제 과다 투입으로 발생 가능한 소독부산물의 위해성을 평가한다.


● 공정시뮬레이션 : 정수 공정은 다양한 공정의 조합으로 이뤄져 있으며, 공정전체에 대한 물질수지(Mass Balance)가 유기적으로 연결돼 있으므로, 공정의 유량 변동 및 목표수질의 변화시 공정에 대한 사전 분석이 이뤄져야 한다. 그러나 공정변화로 인한 문제 발생시 안정적인 수질을 확보하는데 위험이 따를 수 있으며 기계적 결함을 유도할 수 있으므로, 시간과 경제적 제약이 적고 위험이 없는 시뮬레이션을 이용해 사전 진단을 수행한다.


● 질의응답시스템 : 정수장의 운영을 위한 사용자의 질의응답과 시뮬레이션으로 분석하기 어려운 상태에 대한 운전자의 경험과 전문가의 지식을 데이터베이스 기반화해 탐색 및 비상시 신속한 대응이 가능하도록 한다.


공정별 진단항목

정수장의 공정진단을 위해서는 물리, 화학, 생물학적인 수처리 공학기술과 시설물에 대한 이해가 요구되며, 각 공정을 효과적으로 운영하기 위한 진단 항목 및 필요기술을 정리하면 그림 3과 같다.



[그림 3. 공정별 진단항목.]


기대효과

정수공정에 대한 공정진단시스템 도입을 통한 기대효과는 다음과 같다.


● 먹는 물의 안전하고 안정적인 생산능력.

  - 기술 측면 : 온라인 계측값과 현장실험값에 대한 이해능력 추가.

  - 기능 측면 : DB가 유기적으로 연결 및 연산 가능해 공정 현황 파악.


● 비상시 대응능력 및 업무처리 능력 향상.

  - 확장성 : 현장의 지식과 경험을 담당자가 지속적으로 보완 및 확장.

  - IT 지원 : S/W와 H/W 부문의 유지보수로 역할 축소.


● 최적화를 통한 비용절감.

  - 직접비용 절감 : 인건비, 유지보수, 등의 직접 비용 절감을 통한 수익성 향상.

  - 정수장 수익성 향상 : 업무생산성 향상을 통한 에너지 절약 및 수익성 향상.


● 운전 스킬 향상.

  - 기술 측면 : 질의 응답시스템 기술 적용.

  - 기능 측면 : 시뮬레이션 형식의 실습.


안정적 물 생산 위한 대비책

정수장의 생산 결과로 나오는 수돗물은 사람이 직접 음용하는 것이며, 물 공급의 중단은 생활에 큰 불편을 초래하므로, 먹는 물의 안전한 수질과 안정적인 공급은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 이렇게 중요한 정수장의 운영은 먹는 물 생산에 관한 깊은 이해와 풍부한 경험을 통해 이뤄지며, 1년 356일 중단 없이 연속적으로 운영돼야만 한다.


하지만 정수장에 대해 정기적인 진단과 점검을 소홀히 한다면 예기치 않은 돌발 사태에 의해 정수 기능이 중단될 수 있다. 그러므로 현재 아무런 이상 없이 운영되고 있는 정수장이라도 공정진단시스템을 통해 평상시에 각 공정이 효율적으로 운영되고 있는지, 취약한 공정이 있는지 등을 사전에 파악해, 만약의 사태를 사전에 준비하고 정수장의 효율적 운전 방안을 모색하며 최적의 상태를 유지하는 것이 안정적인 물 생산을 위한 대비책이라 할 것이다.


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