대양바이오테크㈜ 기술연구소·㈜광명전기 시스템개발팀  공동개발

수처리 공정진단 시스템 ‘WATERCOM TM’
전체 공정 한 눈에 볼 수 있도록 구현
실시간 계측값·실험실 등록 DB자료 일자까지 명확히 표기

최근 신설이나 증축되어지고 있는 하수처리장뿐만 아니라 기존 운영되어지고 있는 하수처리장에서도 공정에 대한 운전상태 분석에 큰 관심이 집중되어지고 있다. 운영자들은 단순 계측치의 값만을 조회하는 수준에서 벗어나 이 수치들을 실제 분석, 계산되어진 자료까지 보기를 원하게 됐다.

이에 동적으로 변화하는 처리공정의 생물학적 처리상태를 측정하여 실시간으로 분석 진단함으로써 진단 결과에 따라 운영자에게 운전상태와 대응전략을 제공하는 시스템이 필요함을 절실히 느끼게 됐다.

만약 이러한 시스템이 제공되어진다면, 운영자들은 제공되어지는 처리공정의 정확한 진단을 통해 처리공정의 효율화를 꾀할 수 있으며, 미래의 상황을 예측할 수 있게 됨으로써 수질사고의 발생을 예방할 수 있게 된다.

이러한 상황에서 대양바이오테크㈜ 기술연구소·㈜광명전기 시스템개발팀은  ‘수처리 공정진단 소프트웨어(WATERCOM TM)’를 개발했다.

지난 10월호에 ‘수처리 공정진단 시스템 WATERCOM의 구조와 기능’을 게재한데 이어 이번호에서는‘상호관련성 분석에서 통계적 결과 값을 해석하는 요령’을 게재한다.

1. 수질과 공정변수간 상호 관련성 분석

■ 산 점도  수질과 공정변수간의 상호 관련성을 분석하기 위한 것으로서, 두 변수 사이의 관계를 알아보고자 할 때 연구자가 가장 먼저 해볼 수 있는 것은 산 점도(scatterplot)를 그려 보는 것이다. 산 점도(산포도)를 이용하면 두 변수간의 상관관계를 시각적으로 파악 할 수 있다([그림 1] 참조).

▲ [그림 1] 수질과 공정변수간의 상관관계

상관계수 r값은 두 변수간의 선형성(linearity)의 정도를 나타내는 것이다. 즉, 산 점도를 그려보았을 때 그래프의 형태가 완벽한 직선의 형태를 띠면 1, 직선의 형태는 가지고 있지만, 좀 넓게 퍼져있다면 0에 가까운 값을 나타내도록 한 것이다. -r값의 범위는 -1>r<+1이다. ±1에 근접할 수록 상호 관련성이 큰 것을 의미하며 0에 근접할 수록 상호 관련성이 없는 것을 의미한다.

또한 양의 값은 수질데이터가 증가하면 공정변수도 증가, 감소하면 공정변수도 감소하는 관계를 음의 값은 수질데이터가 증가하면 공정변수는 감소, 감소하면 공정변수는 증가하는 관계를 의미한다(상관계수를 어떻게 해석할 것인지에 대한 절대적 기준은 없다).

■ 결정계수 r²    상관계수를 해석하는 또 다른 방법으로 상관계수의 제곱, 즉 결정계수 r² 을 사용한다. 상관계수 r은 두 변인 간의 상관의 정도뿐만 아니라 방향까지 알려주며, 결정계수 r²은 X공정변수에 대한 Y수질변수를 설명해 주는 비율을 나타낸다(한 변인으로 다른 변인을 얼마나 설명할 수 있는지를 나타내는 정도).

상관계수의 제곱인 결정계수(coefficient of determination)는, 한 변수의 전체변이 중 다른 변수가 설명해 주는 비율을 나타낸다. 예를 들어, 상관계수가 0.78이라면 결정계수는 0.6084가 되므로 한 변수의 변이 중 60.84%가 다른 변수에 의해 설명될 수 있다는 사실을 의미하며 한 변수의 값을 예측하는 데 있어서 다른 변수의 값을 고려하는 일이 유용함을 알 수 있다.

■ 공 변량   두 변인 X와 Y가 함께 각각의 평균에서 얼마나 퍼져 있는가를 나타낸다(산포도의 흩어진 정도를 양으로 계산). 측정 단위에 따라 값이 민감하게 변화하므로 두 변인간의 상관관계를 나타내는 좋은 지표는 되지 못한다.

▲ [표 1] 상관분석 결과표

■ 상관분석의 제한점     상관분석 결과 상관계수의 통계치에 지나치게 의존하여 변인간의 상호관련성을 분석하기보다는 이론적 배경의 충실도와 선행 연구결과에 바탕을 두고 해석해야 한다.

2. 진단-공정현황 감시

처리장의 전체 공정이나 반응조의 운영현황을 단순히 계측값 혹은 설정 값만을 보여주는 것이 아니라 실험실에서 등록한 일지와 계측된 데이터를 실시간으로 읽어 처리공식 및 설계 기초값에 의한 계산 된 수치를 동시에 볼 수 있도록 했다. 

[그림 2-1, 2-2]에 보이는 것과 같이 전체 공정 현황을 한눈에 볼 수 있도록 구현했으며 실제 계측치(볼드체), 실험실 등록데이터(일반체), 계산에 의해 표시되는 데이터(파란색 수치) 등을 정확히 구분토록 구성됐다. 또한 실시간 계측값과 실험실에 서 등록된 데이터의 일자가 명확히 표기되므로 운영자에게 혼동을 주는 것을 방지할 수 있다.

실시간으로 계산되어 나타내는 값은 다음과 같다. MLVSS, HRT, SRT, F/M비, C/M비, C/P비, ASRT, 수면적 부하, 유속, 체류시간, 월류웨어 부하 등으로 표기한다. 실험실 운영자에 의해 각 계측치 또는 계산데이터의 이상 범위 설정값이 등록돼 있다면 운전현황에서 범위에 벗어난 데이터는 경보성 메시지로 붉은색 수치로 디스플레이가 된다.

여러 개의 계열이 있는 처리장에서는 각 계열별 데이터와 평균데이터를 선택적으로 감시 할 수 있어 평균값에 많이 벗어나는 계열을 쉽게 구분할 수 있도록 구현됐다.

▲ [그림 2-1] 전체 공정현황

▲ [그림 2-2] 반응조 운전현황

반응조의 각 계열별 실시간 계측 값, 계산된 수치데이터를 처리장의 기초 설계 값에 대입하여 현재 상태를 진단할 수 있도록 구현했다. 현재 운영되고 있는 반응조의 데이터 상태를 실시간으로 체크하여 내부 알고리즘에 의해 처리장의 운전 방향을 제시할 수 있도록 메시지를 보여준다.

비교하는 기준값은 처리장 설계시 작성된 기초설계값이 등록되며, 처리장을 운영하며 설계 값의 변경이 필요시에는 관리자가 변경할 수 있도록 구성돼 있고 초기 기초설계 치를 디폴트로 재 설정이 가능하다.

계열별 반응조 종합 진단 이외에 각 공법별 전략메시지를 제공한다. 대표적으로 DNR공법을 기준으로 질산화, 탈질화, 인 방출, 인 흡수 등과 같은 진단내역을 볼 수 있다. 전략에 대한 메시지는 상·하한값에 의한 경보 메시지, 적합한 정상 메시지 최적의 상태인 최적메시지로 구분하여 보여진다.

▲ [그림 3-1] 1지 반응조 운전전략

▲ [그림 3-2] 질산화 측면

▲ 질산화 전략 메세지

▲ 탈질화 전략 메세지

일지 보고서 외에 일일 운전경향을 나타내는 ‘운전전략’ 보고서를 같이 출력할 수가 있다(일반 통합시스템에서의 보고서와 구분).

▲ [그림 4] 운전전략 보고서

처리장을 운영하면서 운영 중에 필요한 기술내역 혹은 운영 노하우에 관한 모든 기록을 관리자의 설정에 의해 분류된 목록 별로 등록, 검색, 삭제, 변경이 가능하도록 구성된 기능이다. 서로 다른 처리장과의 자료연계 및 업무 인수 인계, 처리장의 공통 정보를 유익하게 사용할 수 있도록 구현됐다.

▲ [그림 5] 수처리 기술정보 검색