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예측모델 기반의 A²/O 하폐수처리 공정 자동화 시스템
천성표(Seong-Pyo Cheon),백경동(Gyeongdong Baek),김성신(Sungshin Kim) 한국생산제조학회 2011 한국생산제조시스템학회 학술발표대회 논문집 Vol.2011 No.4
생물학적 하폐수처리공정에서는 유입수 성상은 물론이고 개별 반응조 내의 생물학적 특성과 이들 생물학적 반응에 영향을 주는 다양한 변수들을 고려하여 제어해야 함으로 자동화에 많은 어려움이 있었다. 특히, 고도처리공정의 경우에는 유기물 제거만을 목적으로 하는 표준 활성슬러지 공정에 비해 내부 메커니즘이 복잡하기 때문에 고도처리공정에 대한 장기간의 경험과 지식을 가진 전문가 의해 관리 되어야 한다. 본 논문은 운영 전문가들의 지식과 데이터마이닝 기법을 통해 대상 공정에 대한 예측이 가능함 모델을 구현했으며, 이를 바탕으로 공정 자동화 시스템을 제안한다.
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Zero waste를 위한 기계적·생물학적처리(MBT) 최신 동향
김원규,박재람,배성진,이동훈 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2014 No.1
폐기물의 기계적·생물학적 처리(Mechanical Biological Treatment, 이하 MBT)는 매립량 최소화와 에너지 회수를 포함한 재활용의 극대화를 추구하기 위한 방법이다. 독일을 중심으로 유럽에서는 매립에 대한 전처리 개념으로서 생물학적 처리를 통한 유기물질의 탈매립과 기계적 선별을 통한 매립 처분량 저감을 목적으로 적용되어 왔다. 한편, 우리나라에서는 2006년부터 “폐자원 에너지화” 정책의 일환으로 MBT 시설 도입이 추진되고 있으나, 유럽과 달리, MBT 시설은 매립 처분량 저감보다는 폐기물 고형연료 생산을 목표로 운영되고 있으며, 생물학적 처리공정이 배제되어 있는 실정이다. 본 연구에서는 해외 선진국들에서의 MBT 시설 현황에 대한 최신 동향 파악 및 적용 사례 조사 등을 통해 Zero waste를 위한 국내 MBT 시스템의 발전 방향을 제시하고자 하였다. 2011년 기준 유럽에서 약 330개소의 MBT 시설이 운영 중이며, 연간 약 3,400만 톤의 생활폐기물이 처리되고 있다. 2013년 기준 22개의 MBT 기술사가 소개한 생활폐기물 MBT 시설 220개소를 조사한 결과, 시설에 적용되는 생물학적 처리공정은 Bio-drying, 퇴비화, 혐기성 소화 각각 40개소, 114개소, 66개소(중복 포함)인 것으로 조사되었다. 또한, 생물학적 처리공정중 Bio-drying은 고품질의 폐기물 고형연료 생산 및 매립 처분량을 최소화한다는 측면에서 적합한 기술인 것으로 분석되었다. MBT 기술을 통한 생활폐기물의 매립 처분량 저감 및 매립에 의한 환경적 부하의 최소화를 위해서는 생물학적 처리공정에 대한 검토 및 적용이 필수적일 것으로 판단된다.
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GBGP 시스템에 기반한 다변량 동적 공정 모델을 이용한 KNR 생물학적 고도처리공정의 성능예측
백병천 한국도시환경학회 2022 한국도시환경학회지 Vol.22 No.3
Biological wastewater treatment systems are characterized by large temporal variability of inflow, variable concentrations of components in the incoming wastewater to the plant, and highly variable biological reactions within the process. This paper proposes an automatic process model induction system using an evolutionary computional intelligence, called grammar-based genetic programming (GBGP), that is specially designed to automatically discover multivariate dynamic process models that best fit observed process data. This automatic process model induction system combines an evolutionary self-organizing system of genetic programming paradigm with various mathematical functions for a multivariate nonlinear model evolution using a grammar system via the mechanism of genetics and natural selection. In the GBGP, a four-step modelling procedure was performed: (1) initialization: generatr an initial population of P models using contex-free grammar. generation K=0; (2) optimize each model (variables and constants) in the population; (3) execute and evaluate the fitness of each model in the population; (4) genetic loop: repeat until termination criterion is met (maximum generation Kmax). The results demonstrate that the multivariate dynamic process modelling technique presented using a grammar-based genetic programming (GBGP) provides a valuable tool for predicting the out puts with high levels of accuracy and identifying key operating variables for the full-scale KNR biological nutrient removal process. These modells are derived automatically in the form of understandable mathematical formulas that enable engineers to extract important knowledge hidden in the data and develop better operation and control strategies. 생물학적 폐수처리 시스템은 시간에 따른 유입 폐수량의 변화가 크고 , 처리장으로 유입되는 폐수내의 다양한 성분과 농도의 변화 가 클 뿐 만 아니라 , 처리공정 내에서 매우 가변적인 생물학적 반응을 나타내는 특징을 가진다 . 본 논문에서는 측정된 공정 데이터에 가장 적합한 다변량 동적 공정 모델이 자동으로 생성되도록 고안된 학습기반 유전자 프로그래밍 (GBGP)이라는 진화적 전산 지능을 사용한 자동 공정 모델 유도 시스템을 제안하였다 . 이 자동 공정 모델 유도 시스템은 유전자 프로그래밍의 진화적 자기구성 시스템 과 유전학 및 자연선택 메카니즘을 통해 학습 시스템을 사용하여 만들어진 다변형 비선형 모델 진화를 위한 다양한 수학적 기능과 결합되어 있다 . GBGP에서 4단계의 모델링 절차가 수행되었다 . (1) context-free grammar를 이용하여 P 모델의 초기 개체군 (세대 K=0)을 생성시키는 초기화 , (2) 변수와 상수의 각 모델에 대한 최적화 , (3) 각 모델에 대한 적합도 실행 및 평가 , (4) 세대 K=Kmax 가 될 때까지 반복 실행하는 유전자 루프 (genetic loop). 모델링 결과 학습기반 유전자 프로그래밍 (GBGP)으로 만들어지는 다변량 동 적 공정 모델링 기술이 실제 처리장 규모의 KNR 생물학적 고도처리 공정을 높은 정확도로 출력을 예측하고 주요 작동 변수를 식별 하는 데 유용한 도구임을 보여주었다 . 이 모델은 엔진니어가 데이터에 숨겨진 중요한 지식을 알아내고 더 나은 처리장 운영 및 제어 전략을 개발할 수 있도록 이해하기 쉬운 수학 공식의 형태로 자동적으로 생성된다 .
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박완철 ( Wan-cheol Park ),김태형 ( Tae-hyung Kim ),이미애 ( Mi-ae Lee ),최근형 ( Geun-hyung Choi ),조길영 ( Gil-young Cho ),박제철 ( Je-chul Park ) 한국환경기술학회 2009 한국환경기술학회지 Vol.10 No.1
본 연구는 가정과 대중음식점 등에서 배출되는 음식물쓰레기를 처리하기 위한 공정개발을 위하여 수행되었으며 처리공정에 대한 실험결과는 다음과 같다. 생물학적 처리공정의 운전기간 동안 최종 유출수의 평균 유기물질 농도는 BOD<sub>5</sub> 134mg/L, COD<sub>Cr</sub> 1,398mg/L, SS 419mg/L를 보였고, 전체 평균 제거효율은 BOD<sub>5</sub> 99.8%, COD<sub>Cr</sub> 99.1%, SS 99.6%로 매우 높게 나타났다. 간혹 슬러지의 유출 등으로 유기물질 농도가 일시적으로 높아지는 경우도 있었으나 전반적으로 안정된 처리효율을 보였다. 음식물쓰레기의 질소형태는 유기성 질소가 대부분을 차지하여 전체 TKN 중 97%를 넘는 것으로 분석되었다. 운전기간 동안 유출수의 질소는 TKN의 경우 농도 변화폭이 심하였으나 평균131mg/L를 보였고, NH<sub>4</sub>-N 평균 농도는 60mg/L를 나타냈다. 유출수의 TKN 중 NH<sub>4</sub>-N의 비율은 45.8%를 차지했으며, 유출수의 평균 NO<sub>x</sub>-N 농도는 8.3mg/L를 나타낸 것으로 보아 대부분 탈질이 이루어진 것으로 판단된다. 또한, 유출수의 T-P 농도는 31∼89mg/L로 평균 52mg/L를 보이며 90.9%의 제거효율을 나타냈다. This study was conducted to develop a treatment system to remove existing contaminations in food wastes from houses, restaurants and distribution centers. The results of the experiment in this study are as follows: On average, organic concentrations of final effluent during the biological treatment process were recorded BOD<sub>5</sub> 134mg/L, COD<sub>Cr</sub> 1,398mg/L and SS 419mg/L. And overall removal efficiencies with respect to our treatment operation showed positive results with BOD<sub>5</sub> 99.8%, COD<sub>Cr</sub> 99.1% and SS 99.6%. Sometimes, organic concentrations of final effluent were temporarily high due to sludge outflows. In general, however, the experiment showed stable treatment efficiency. Nitrogen form in food waste was mostly organic nitrogen, and it was analyzed that over 97% of total TKN was organic nitrogen. Despite of the huge variation during the operation, the amount of effluent nitrogen in effluent TKN was an average of 131mg/L and NH<sub>4</sub>-N concentration was an average of 60mg/L. The percentage of NH<sub>4</sub>-N in effluent TKN was 45.8% and concentration of NO<sub>x</sub>-N was 8.3mg/L. The results above showed us that nitrogens in food wastes were mostly denitrified. In addition to the denitrification, during the treatment operation, the concentration amount of effluent phosphorus was around 31~89mg/L. The average effluent phosphorus concentration was 52mg/L and overall phosphorus removal efficiency was 90.9%.
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생물학적 영양염류제거 하수처리장의 설계 및 운전 최적화를 위한 지식기반 전문가시스템
장덕,신영진,성문성 대한상하수도학회 2003 상하수도학회지 Vol.17 No.3
As there are many difficulties in the optimal design and operation of municipal wastewater treatment plant for biological nutrient removal (BNR) due to complexity of diversified influential factors and its associated requirements of extensive professional knowledge and experience, introduction of an artificial intellectual expert system to the domain of BNR was believed to be useful for problem-solving and decision-making in the design and operation of BNR processes. Research on embodiment of an integrated knowledge based expert system was carried out to provide optimized BNR expertise to process designers and operators by simulating the problem-solving methodology of the domain experts. An original powerful logical model designated as Domain Definition Box Diagram, which can clarify the problem domain of BNR simplifying and systematizing complex process parameters, was devised for structural analysis of the problem domain, and used in data mining for scenario analysis and extraction of cellularized unit boxed and blocked knowledges. A problem-solving strategy named Strategic Scenario Analysis was also designed in order to establish and analyze classified object-oriented scenarios for potential problems in the BNR processes. A number of structured elements comprising the strategic scenarios were systematically classified and relatively evaluated using Factor Matrix devised in this study. These originally designed methods ensured systematicness, standardization, accuracy, easiness, expandability, and quickness indispensable to the successful construction of BNR knowledge base and its inference rules. A hybrid knowledge base for a typical basic BNR process, A^2/O process, was able to be constructed using an expert system development tool of Blaze Expert based on the strategic scenario and its constituent unit knowledges represented as standardized objects and rules. Through the case verification process employing the integrated BNR expert system comprised of knowledge base, inference engine, graphic user interface and database, it was confirmed that the expert system could provide satisfactory logically inferred expertise, professional diagnostic advice or countermeasures, and speedy search for related information while enhancing user friendly and system efficiency.
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