SCADA 데이터 기반 고도정수처리 소독 부하 저감을 위한 O3/TOC 최적화 연구 = Optimization of Specific Ozone Dose （O3/TOC） for Disinfection Load Reduction in Advanced Water Treatment Processes Using SCADA Data

국문 초록 (Abstract)

최근 기후 변화로 인한 상수원수의 수질 변동성이 증대되고 소독부산물（DBPs） 발생 우려가 커짐에 따라, 고도정수처리 공정의 최적 운영 및 경제성 확보가 필수적인 과제로 대두되고 있다. 본 연구는 고도정수처리 공정이 도입된 실제 정수장의 장기 운영 빅데이터（SCADA）를 바탕으로, 오존 주입이 후속 소독 공정（후차염 요구량）에 미치는 영향을 정량화하여 현장에서 즉각 활용 가능한 실무적 제어 지표를 도출하는 데 목적을 둔다.
이를 위해 경기도 OO시 A정수장의 24개월간 시계열 데이터를 수집하고 엄격한 품질 제어（QC） 알고리즘을 거친 후, 수온 구간별 다중선형회귀분석 및 비선형 국소 가중 산점도 평활（LOESS） 기법을 융합하여 산화제 간의 상호작용 메커니즘을 복합적으로 분석하였다.
첫째, 산화 부하 분담（Load Sharing）과 소독부산물 억제를 동시에 달성할 수 있는 비오존 주입률（O3/TOC） 최적 제어 구간을 0.15~0.20으로 도출하였다. 현장 실증 운전 결과, 해당 제어 구간 유지 시 후차염 요구량이 평균 0.35 mg/L 수준으로 하향 안정화되었으며, 고온기 과투입 대조군（0.89 mg/L） 대비 약 60%의 염소 감축 효과를 실측 데이터로 입증하였다. 이를 통해 불필요한 산화 에너지 낭비를 방지하고 연간 약 2,200만 원의 약품 투입 비용을 절감할 수 있음을 확인하였다.
둘째, 수온 20°C 임계점에 따른 산화제 기작 역전 현상을 고찰하였다. 수온 20°C 미만의 환절기 및 저수온기에는 오존 주입 비율 제어가 후차염 감축에 긍정적으로 작용하였으나, 고온기에는 오존의 자가 분해 가속화와 잔존 생분해성 유기물（BDOC）의 활성탄 유출（Slip）로 인해, 오존 주입을 늘릴수록 오히려 염소 요구량이 선형적으로 가중되는 현상이 발생함을 확인하였다.
셋째, 화학적 제어 기작 외에 수리학적 교란 요인인 정방향 월류（Overflow）가 소독 부하에 미치는 영향을 고찰하였다. 후차염 요구량과 접합정 유입 밸브 개도율 및 여과수 유량을 변수로 분절 회귀 분석（Segmented Regression）을 수행한 결과, 밸브 개도율 19.36% 이하 및 여과수 유량 8,869 m³/hr 이상 조건이 결합될 때 미처리 여과수가 소독 공정으로 우회 직유입되는 통계적 임계점（Breakpoint）임을 도출하였다.
이는 국지적인 후차염 요구량 폭증을 유발하는 수리학적 파괴 한계선임을 파악하였다. 결론적으로 본 연구는 단순한 약품 주입량 절대치에 의존하던 기존의 단편적 운영 방식에서 탈피하여, 유입 유기물 부하와 계절적 수온 변동, 그리고 수리학적 한계를 종합적으로 고려하는 동적 제어 패러다임으로의 전환을 제시한다. 도출된 정량적 실무 지표는 고도정수처리 공정의 경제성과 수질 안전성을 동시에 담보하며, 향후 지능형 정수장（AI WTP） 구축을 위한 핵심 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 13
• 1. 연구배경 및 필요성 13
• 2. 연구의 목적 및 범위 15
• 가. 실제 장기 운영 데이터를 활용한 산화제 주입률 결정 인자 규명 15
• 나. 오존 주입에 따른 유기물 성상 변화 및 후차염 소모 메커니즘 해석 15
• 다. 구체적 실증 데이터를 활용한 경제적 실무 제어 지표 도출 15
• 라. 수리학적 현상 고찰 및 잠재적 영향 인자 평가 16
• Ⅱ. 이론적 배경 17
• 1. 정수처리 및 소독 공정 17
• 2. 오존 산화 및 생물학적 활성탄（BAC） 흡착 공정 18
• 가. 오존 산화 공정의 원리 및 유기물 성상 변화 18
• 나. 생물학적 활성탄（BAC） 기작 및 수온의 영향 19
• 3. 소독 공정의 화학적 메커니즘 및 수리학적 거동 20
• 가. 염소 소독 메커니즘 및 후차염 요구량（Chlorine Demand）의 공학적 개념 20
• 나. 소독 부산물（DBPs） 생성 및 고도 공정 간의 상충 관계（Trade-off） 20
• Ⅲ. 연구방법 22
• 1. 연구 대상 시설 22
• 가. 시설 개요 22
• 나. 정수 처리 공정 및 다단 소독 체계 23
• 다. 주요 설비 제원 및 수질 계측 지점 26
• 2. 데이터 수집 및 전처리 알고리즘 29
• 가. 데이터 수집 기간 및 항목 29
• 3. 연구 모형의 변수 선정 및 조작적 정의 34
• 가. 변수 선정 개요 34
• 나. 오존접촉지 전단 유입 총유기탄소（TOC） 대리 지표 채택 및 당위성 검증 37
• 4. 통계 분석 방법 41
• 가. 상관관계 분석 （Pearson Correlation） 41
• 나. 다중회귀분석 （Multiple Regression Analysis） 41
• 다. 모형의 적합성 검증 （VIF, Durbin-Watson, 잔차 분석） 41
• 라. 국소 가중 산점도 평활（LOESS）을 이용한 비선형 최적화 분석 42
• 마. 분절 회귀 분석（Segmented Regression）을 이용한 수리학적 파괴 한계선（Breakpoint） 추정 43
• Ⅳ. 연구결과 44
• 1. 기초 통계 및 수온 구간별 상관관계 44
• 가. 유입 원수 및 공정별 수질 특성 （기술통계량） 44
• 나. 수온 구간별 다차원 공정 변수 간 상관관계 심층 해석 47
• 2. 후차염 요구량 결정 요인 및 산화제 상호작용 분석 51
• 가. 수온 구간 분할 다중선형회귀모형 수립 및 적합성 진단 51
• 나. 수온 구간별 주요 인자 영향력 및 화학적 메커니즘 고찰 55
• 다. 교호작용（Interaction） 인자 분해 및 하절기 역기작 심층 해석 56
• 라. 비오존 주입률（O3/TOC）에 따른 화학적 산화 한계점 및 최적 제어 구간 도출 59
• 3. 현장 실증 운전을 통한 최적 제어 구간 타당성 검증 62
• 가. 실증 데이터를 활용한 최적 궤적（Valley） 교차 검증 62
• 나. 수온 계층별（Stratified） 산화-소독 부하 분담 특성 및 소독부산물（DBPs） 저감 당위성 64
• 다. 비선형 최적화（LOESS） 궤적 이탈 구간의 수화학적 요인 심층 고찰 66
• 4. 후차염 요구량 증가에 따른 소독부산물（THMs, HAAs） 생성 특성 분석 67
• 가. 소독부산물 발생 추이 및 체류시간（HRT）을 고려한 수화학적 상관성 분석 67
• Ⅴ. 결과 및 고찰 2: 경제적 기대효과 및 수리학적 교란 요인 심층 고찰 72
• 1. 오존 주입 최적화에 따른 경제적 기대효과 분석 72
• 2. 염소혼화조 격벽 구조에 따른 정방향 월류（Overflow） 현상 종합 고찰 73
• Ⅵ 결론 및 제언 76
• 1. 연구 요약 및 결론 76
• 2. 연구의 한계 및 향후 과제 77
• 참고문헌 80
• 1. 국내 문헌 및 기준 80
• 2. 국외 문헌 및 기준 81
• 부록 82
• ABSTRACT 90
• 감사의 글 94
• 학위논문 공개 동의서 96