하수처리장 방류수 수질 자동제어 로직 설계 완벽 가이드

이 글의 목적은 하수·폐수처리장에서 방류수 수질을 법적 기준 이내로 안정적으로 유지하기 위한 자동제어 로직 설계·운영 방법을 실제 현장에서 바로 적용할 수 있는 수준으로 정리하는 것이다.

1. 방류수 수질 자동제어의 개념과 필요성

방류수 수질 자동제어란 온라인 수질계측기와 유량계, 수위계 등 실시간 데이터를 활용하여 블로워, 펌프, 약품주입 설비를 자동으로 제어함으로써 방류수 BOD, COD, SS, T-N, T-P, pH, 수온 등 항목을 목표값 이내로 유지하는 시스템을 말한다.

기존 수동운전 방식에서는 운영자의 경험과 정기 실험실 분석 결과에 의존하여 송풍량, 반송슬러지량, 응집제 주입량 등을 조정하였으나, 하·우기 강우 변동, 공정 부하 급변, 유입수질 불확실성을 실시간으로 대응하기 어렵다는 한계가 있었다.

자동제어 로직을 도입하면 다음과 같은 장점이 있다.

방류수 수질 초과 가능성을 사전에 감소시킬 수 있다.
에너지(송풍·펌핑), 약품 사용량을 최적화하여 운영비를 절감할 수 있다.
야간·휴일 등 무인 또는 소인원 운영 시에도 일정 수준 이상의 수질을 유지할 수 있다.
운전 데이터의 표준화로 시설 증설·공정 변경 시 비교 분석이 용이하다.

주의 : 자동제어 시스템은 수질기준 위반에 대한 책임을 면제해 주지 않으며, 설계·검교정·감시가 미흡할 경우 오히려 방류수 수질을 악화시킬 수 있으므로 초기 설계와 단계적 검증이 필수이다.

2. 방류수 수질 자동제어 시스템 구성요소

2.1 온라인 계측기 구성

자동제어 로직의 신뢰성은 온라인 계측기의 품질과 설치 위치, 유지관리 수준에 의해 좌우된다.

계측항목	대표 설치 위치	제어 목적	주요 제어 대상
pH	유입수, 반응조, 방류수	중화제 주입, 공정 안정성 확보	알칼리제/산 주입펌프, 우회밸브
DO(용존산소)	호기조 각 구간	질산화·유기물 제거 효율 확보	블로워 풍량, 폭기량 제어
SS/탁도	침전지 유출부, 방류수	부유물질 제거, 슬러지 비산 감시	반송슬러지 펌프, 고액분리 설비
NH₄-N	반응조 후단, 방류수	질산화 정도 평가, 송풍량 제어	블로워, 내부재순환 펌프
NO₃-N	무산소조 후단, 방류수	탈질 효율 평가, 탄소원 투입 제어	내부반송, 외부탄소원 주입펌프
PO₄-P 또는 T-P	반응조 후단, 방류수	인 제거 효율 감시, 응집제 제어	금속염 응집제 주입펌프
CODcr / TOC	유입수, 방류수	유기물 부하 추정, 공정부하 대응	공정 우회, 희석수 투입, 운전모드 전환
유량(Q)	유입·반송·재순환·방류 라인	부하 산정, 제어량 환산 기준	펌프 운전대수·주파수 제어

주의 : 온라인 계측값은 정기적인 시료 채취·실험실 분석 결과와 비교하여 상관관계를 확인하고, 허용 오차 범위 밖으로 벗어날 경우 즉시 보정 또는 센서 점검을 실시해야 한다.

2.2 제어 대상 설비

실제 자동제어 로직에서 제어 신호를 보내는 대상은 다음과 같이 구분할 수 있다.

제어 대상	제어 방법	대표 제어 목적
블로워/송풍기	인버터 주파수 제어, 단계별 기동/정지	DO 유지, 질산화·탈질 균형, 에너지 절감
반송슬러지(RAS) 펌프	유량 비율 제어(%Qin), 기동 대수 제어	MLSS 유지, 침전지 슬러지 축적 방지
내부반송(IR) 펌프	고정·가변 유량 제어	탈질용 질산화액 공급, 총질소 제어
외부탄소원 주입펌프	유량 비례 제어, 온라인 NO₃-N 피드백 제어	탈질 효율 향상, T-N 저감
응집제 주입펌프	유량 비례·피드백 제어	T-P, PO₄-P 저감, 탁도 개선
우회밸브(바이패스)	ON/OFF 또는 개도율 제어	우기 초기우수 우회, 공정 과부하 방지
희석수 투입 펌프	유량 피드포워드 제어	고농도 유입 시 부하 완화, pH 조정

3. 수질 자동제어 로직의 기본 구조

3.1 피드백 제어(Feedback Control)

피드백 제어는 방류수 또는 공정 특정 지점의 측정값이 목표값과 비교되어 그 오차를 줄이도록 제어 출력을 조정하는 구조이다.

입력: 방류수 T-N, T-P, NH₄-N, NO₃-N, DO 등
출력: 내부반송 유량, 탄소원 주입량, 응집제 주입량, 블로워 주파수 등
장점: 목표값 중심 운전, 법적 기준 초과 위험 감소
단점: 응답이 늦고, 측정 지연이 길수록 안정성 저하 가능성이 있다.

3.2 피드포워드 제어(Feedforward Control)

피드포워드 제어는 유입수 유량·농도 등 부하 정보를 미리 이용하여 공정 조건을 선제적으로 조정하는 구조이다.

입력: 유입수 Q, COD/BOD, NH₄-N, 수온 등
출력: 블로워 기동 대수, 반송슬러지 비율, 탄소원·응집제 기본 주입량 등
장점: 부하 급변에 대한 사전 대응 가능, 방류수 변동폭 축소
단점: 유입계측의 오차와 예측 모델의 부정확성이 크면 오히려 제어 오차가 커질 수 있다.

엑셀 파일이 열리지 않을 때 오류 해결 →

3.3 캐스케이드 제어(Cascade Control)

캐스케이드 제어는 상위 제어루프가 목표값을 설정하면, 하위 제어루프가 실제 설비 동작을 세밀하게 제어하는 구조이다.

상위 루프: 방류수 T-N 또는 반응조 NH₄-N 기반 DO 목표값 설정
하위 루프: DO 목표값을 기준으로 블로워 주파수를 PID 제어
장점: 안정적이고 부드러운 제어, 과도 응답 감소
단점: 로직이 복잡해지고 튜닝 시간이 길어진다.

4. 항목별 방류수 수질 자동제어 로직 설계 예시

4.1 총질소(T-N) 제어 로직

총질소 제어는 일반적으로 질산화·탈질 공정이 포함된 A2O, MLE, BNR 공정에서 적용한다. 제어 전략은 다음의 결합 형태로 설계하는 것이 일반적이다.

유입수 NH₄-N, 온도, 유량 기반 피드포워드 제어
반응조 후단 또는 방류수 NH₄-N, NO₃-N 기반 피드백 제어
내부반송(IR)·외부탄소원 주입·송풍량 간 캐스케이드 또는 상호 연동 제어

예시 로직(의사코드)을 다음과 같이 구성할 수 있다.

// 입력 신호 TN_EFF := Online_TN_Effluent; // 방류수 T-N NH4_REAC := Online_NH4_Reactor_Out; // 반응조 후단 NH4-N NO3_ANOX := Online_NO3_Anoxic_Out; // 무산소조 후단 NO3-N Q_IN := Flow_Influent; // 유입수 유량 T_WATER := Water_Temperature; // 수온
// 1단계: 유입부하 기반 기준 운전점 설정(피드포워드)
Base_IR_Flow := a1 * Q_IN; // 내부반송 기본 비율
Base_C_Source := a2 * Q_IN; // 탄소원 기본 주입량

// 2단계: 무산소조 NO3-N 피드백에 의한 탄소원 보정
IF (NO3_ANOX > NO3_SP) THEN
C_Source_Set := Base_C_Source + Kc * (NO3_ANOX - NO3_SP);
ELSE
C_Source_Set := Base_C_Source;
END_IF;

// 3단계: 반응조 NH4-N 피드백에 의한 송풍량 보정
IF (NH4_REAC > NH4_SP) THEN
DO_SP := DO_Base + Kd * (NH4_REAC - NH4_SP);
ELSE
DO_SP := DO_Base;
END_IF;

// 4단계: 방류수 T-N 초과 시 강화 제어(상위 루프)
IF (TN_EFF > TN_EFF_LIMIT) THEN
IR_Flow_Set := Base_IR_Flow + Ki * (TN_EFF - TN_EFF_LIMIT);
DO_SP := DO_SP + Kd2 * (TN_EFF - TN_EFF_LIMIT);
END_IF;

주의 : 탄소원 주입 제어는 과잉 주입 시 방류수 COD 상승·운영비 증가·슬러지 발생량 증가를 초래하므로, 상한값과 상승 속도 제한을 반드시 설정해야 한다.

4.2 총인이(T-P) 및 Orth-P 제어 로직

총인은 생물학적 인 제거와 화학적 응집 제거가 병행되는 경우가 많다. 자동제어의 핵심은 온라인 PO₄-P 또는 T-P 측정값과 유입 부하를 기반으로 응집제 주입량을 제어하는 것이다.

유입 COD/T-P 비, 부하 변동이 크면 유입수 또는 반응조 중간지점에서 Online PO₄-P를 모니터링한다.
방류수 기준에 여유가 적은 시설은 방류수 지점 Online T-P를 설치하여 최종 피드백 제어에 활용한다.

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응집제 제어 기본식은 다음과 같이 설정할 수 있다.

// 유입 부하 기반 기본 주입량 Base_Coagulant := k1 * Q_IN * TP_IN; // Q_IN: 유입유량, TP_IN: 유입 T-P 추정값
// 방류수 Online T-P 기반 보정(PID 제어 가능)
Error_TP := TP_SP - TP_EFF; // 목표값 - 방류수 T-P

Coagulant_Set := Base_Coagulant
+ Kp * Error_TP
+ Ki * INT(Error_TP)
+ Kd * DERIV(Error_TP);

// 상·하한 제한
IF (Coagulant_Set > Coagulant_MAX) THEN
Coagulant_Set := Coagulant_MAX;
ELSIF (Coagulant_Set < Coagulant_MIN) THEN
Coagulant_Set := Coagulant_MIN;
END_IF;

주의 : 응집제 과다 주입은 슬러지량 증가와 운전비 상승으로 직결되며, 슬러지 탈수성 악화까지 유발할 수 있으므로, 사전 Jar Test와 운전 데이터 분석을 통해 k1, Kp, Ki, Kd 값을 단계적으로 조정해야 한다.

4.3 pH 및 알칼리도 제어 로직

pH 제어는 산·알칼리 주입량을 제어하여 생물학적 공정 최적 pH 범위를 유지하고, 방류수 기준을 만족시키는 것이 목적이다.

생물반응조 최적 pH: 일반적으로 6.5~8.5 범위를 목표로 설정한다.
방류수 기준: pH 5.8~8.6(예시) 등 지역·법령에 따라 설정된 범위를 준수해야 한다.

pH 제어 로직 예시는 다음과 같다.

pH_IN := Online_pH_Influent; pH_EFF := Online_pH_Effluent; pH_SP := 7.0; // 목표 pH
Error_pH := pH_SP - pH_REACTOR;

IF (Error_pH > DeadBand) THEN
// pH 낮음 → 알칼리제 주입
Alkali_Dose := KpA * Error_pH;
ELSIF (Error_pH < -DeadBand) THEN
// pH 높음 → 산 주입
Acid_Dose := KpB * ABS(Error_pH);
ELSE
Alkali_Dose := 0;
Acid_Dose := 0;
END_IF;

주의 : pH 제어용 약품 주입 지점은 혼합이 충분히 일어나는 구간이어야 하며, 센서 위치는 주입 지점에서 적절한 거리를 두어야 한다. 주입 위치와 센서 위치가 너무 가까우면 국부 농도 변화로 인한 제어 불안정이 발생한다.

4.4 방류수 SS 및 탁도 제어 로직

방류수 SS는 침전지 운전과 고액분리 설비(막여과, 디스크필터 등)의 상태에 크게 좌우된다.

침전지 유출부 SS 또는 탁도 Online 값을 모니터링하여 슬러지 비산 여부를 감시한다.
SS 또는 탁도 상승 시 반송슬러지량 증가, 방류수량 감소, 비상우회 등을 단계적으로 수행한다.

예시 로직은 다음과 같다.

SS_EFF := Online_SS_Effluent;
IF (SS_EFF > SS_Warning) THEN
// 1단계: 반송슬러지량 증가
RAS_Flow_Set := RAS_Flow_Base * 1.1;
END_IF;

IF (SS_EFF > SS_Alarm) THEN
// 2단계: 방류량 감소 및 재순환
Effluent_Valve := PARTIAL_CLOSE;
Recycle_Pump := ON;
END_IF;

IF (SS_EFF > SS_Shutdown) THEN
// 3단계: 비상조로 우회
Bypass_Valve := OPEN;
Alarm_To_Operator := ON;
END_IF;

5. 제어 파라미터 설정 및 튜닝 절차

5.1 목표값 및 운전범위 설정

자동제어 도입 시 가장 먼저 해야 할 일은 각 항목의 목표값, 경보값, 비상정지 기준을 명확히 수치로 정의하는 것이다.

법적 방류기준보다 여유를 두고 운전 목표값을 설정한다.
계절, 수온, 유입부하 패턴에 따라 목표값을 다르게 운용할 수 있도록 모드별 설정을 준비한다.
경보값은 방류기준과 목표값 사이에 위치시키되, 공정 응답시간을 고려하여 설정한다.

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5.2 단계적 튜닝 절차

수동운전 상태에서 유입·공정·방류 데이터를 최소 1~2개월 이상 축적한다.
온라인 계측값과 실험실 분석값의 상관관계를 분석하여 보정식을 확정한다.
제어 대상 설비별로 Step Test(제어량을 일정 폭 변화) 후 공정 응답곡선을 분석한다.
P, I, D 파라미터를 조심스럽게 상향 조정하면서 Overshoot, Oscillation이 최소가 되는 구간을 찾는다.
초기에는 제어 범위를 좁게 설정하고, 안정성이 확보되면 점차 제어 폭을 확장한다.

주의 : 한 번에 많은 루프를 동시에 자동으로 전환하면 원인 분석이 어려워진다. 반드시 항목별·공정부별로 순차적으로 자동제어를 적용하고, 각 단계에서 최소 1~2주 이상 모니터링 후 다음 단계로 진행해야 한다.

6. 예·경보 및 인터록 설계

6.1 센서 이상 진단 로직

온라인 계측기 이상으로 인한 잘못된 제어를 방지하기 위해 다음과 같은 진단 로직을 구현하는 것이 바람직하다.

불가능한 값(예: 음수 DO, pH < 0 또는 > 14 등)이 발생하면 즉시 해당 루프를 수동으로 전환한다.
값 변화 속도가 비현실적으로 큰 경우(예: DO 1분 이내 2 mg/L 이상 급변), 센서 이상 또는 청소 필요로 판단하여 경보를 발생한다.
설정된 시간 동안 값이 전혀 변하지 않으면 센서 고정 또는 통신 오류로 판단한다.

6.2 운영자 개입을 고려한 인터록

실무에서는 운영자의 수동 개입을 완전히 배제할 수 없으므로, 자동제어 로직은 다음 사항을 포함해야 한다.

각 제어 루프별 AUTO/MAN 모드 전환 스위치 제공
수동 모드에서 운전자가 설정한 값은 자동제어 로직이 강제로 변경하지 않도록 한다.
비상시 수동 모드 일괄 전환 기능(ALL MANUAL)을 제공한다.
모드 변경 이력과 주요 제어값 변경 이력을 서버에 기록하여 추적 가능하도록 한다.

주의 : 자동제어 로직이 설계 의도와 다르게 작동할 경우를 대비하여, 모든 제어 대상 설비에는 현장 로컬 제어판을 두고 최악의 상황에서는 완전 수동운전으로 전환할 수 있어야 한다.

7. 데이터 기반 고도제어 및 최적화

7.1 계절·시간대별 운전 패턴 분석

SCADA 및 데이터 수집 시스템에서 축적한 유량·수질·제어출력 데이터를 분석하면 다음과 같은 고도화 방안을 도출할 수 있다.

시간대별 유입부하 패턴에 따라 송풍량을 사전에 조정하여 피크부하 대응 능력을 향상할 수 있다.
수온에 따라 질산화 속도가 크게 달라지므로, 겨울철에는 DO 목표값을 상향 조정하는 등 계절별 제어 모드를 구축할 수 있다.
에너지 요금이 높은 시간대에는 일부 설비를 사전운전·후진운전으로 분산하여 비용을 절감할 수 있다.

7.2 모델 기반 예측제어(MPC) 도입 방향

대규모 하수처리장이나 고도처리를 요구하는 폐수처리시설에서는 질소·인의 반응 동역학을 반영한 간략 모델을 구축하고, 예측제어(MPC)를 적용하는 사례가 증가하고 있다.

공정 모델을 기반으로 향후 수 시간의 방류수 수질을 예측하고, 최적의 송풍·반송·약품 주입 패턴을 계산한다.
제약조건(방류수 기준, 설비 최대용량, 슬러지 농도 제한 등)을 동시에 고려할 수 있다.
구현 난이도가 높으므로 기존 PID 기반 제어를 충분히 안정화한 후 단계적으로 도입하는 것이 바람직하다.

8. 방류수 수질 자동제어 실무 체크리스트

마지막으로, 실제 현장에서 방류수 수질 자동제어 로직을 도입·운영할 때 점검해야 할 항목을 정리하면 다음과 같다.

구분	체크 항목	확인 방법	주기
계측기	Online 수질계와 실험실 분석값 상관성 확보 여부	상관도 그래프, 회귀분석	월 1회 이상
계측기	센서 청소·교정 이력 관리	점검 기록부 및 전산 로그 확인	주 1회 이상
제어로직	각 루프별 목표값, 경보값, 비상값 설정 적정성	운전지침서·시퀀스 다이어그램 검토	반기 1회 이상
제어로직	PID 파라미터 및 Deadband, 상·하한값 설정 여부	PLC/SCADA 화면 및 설정값 점검	연 1회 이상
안전·인터록	센서 이상·통신 장애 시 자동 수동전환 기능	모의시험(FAIL 테스트)	반기 1회 이상
운영	AUTO/MAN 전환 기준 및 절차 명문화 여부	운전매뉴얼, 교육자료 확인	연 1회 개정
교육	운영자 대상 자동제어 이해·활용 교육	교육 이수 기록, 시험 등	연 1~2회
데이터	유량·수질·제어출력 장기 데이터 축적 및 분석	보고서, 대시보드 확인	월 1회 이상

주의 : 자동제어 시스템은 한 번 구축하고 끝나는 설비가 아니라, 데이터를 기반으로 지속적으로 개선해야 하는 운영 시스템이다. 방류수 기준과 공정 특성, 기상·유입 조건 변화를 반영하여 제어 로직을 주기적으로 검토·보완해야 한다.

FAQ

온라인 수질계측기 신뢰도가 낮을 때 자동제어를 어떻게 적용해야 하나?

온라인 계측기의 신뢰도가 낮다고 판단되는 초기 단계에서는 완전 자동제어가 아니라, 계측값을 모니터링 위주로 사용하고 일정 범위에서만 보조 제어에 활용하는 단계적 접근이 필요하다. 예를 들어, Online NO₃-N 값을 탄소원 주입량의 미세 조정에만 사용하고, 기본 주입량은 유입수 COD/T-N 비와 운전 경험에 따라 고정값 또는 단순 비례식으로 설정하는 방식이다. 또한 온라인 계측값이 실험실 분석값과 일정 오차 범위 이내에서 반복적으로 일치한다는 것이 확인되기 전까지는, 방류수 기준 준수 여부 판단에 직접 사용하지 않는 것이 안전하다.

강우 시 방류수 수질 자동제어 로직은 어떻게 전환하는 것이 좋나?

우기에는 유입 유량과 수질이 급변하므로 평상시와 동일한 제어 파라미터로 운전하면 불안정해질 수 있다. 일반적으로 강우 감지(우량계, 유입유량 급증 등)를 트리거로 하여 강우모드로 전환하는 로직을 추가한다. 강우모드에서는 DO 목표값을 다소 상향하여 유입부하 증가에 대비하고, 탄소원 주입량은 유입수 유기물 농도 저하 가능성을 고려해 상한값을 줄이거나 피드백 제어 비중을 확대하는 방법이 사용된다. 또한 초기우수 우회설비가 있는 경우, 일정 기준 이상의 유량 또는 탁도가 감지되면 우회밸브를 자동 개방하는 로직을 추가하여 공정 과부하를 방지한다.

소규모 폐수처리시설에서도 방류수 수질 자동제어를 적용하는 것이 효과적인가?

소규모 시설에서는 고가의 복합 Online 분석기를 다수 설치하기 부담스러울 수 있지만, 최소한의 계측기와 단순 로직만으로도 의미 있는 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, DO 센서 1~2개와 유량계만으로 송풍량과 반송슬러지 비율을 자동 제어하면 에너지 절감과 수질 안정성 향상에 기여할 수 있다. 추가적으로 방류수 pH와 간이 탁도계를 연동하여, 특정 기준을 초과할 경우만 경보와 함께 운전자의 개입을 요청하는 구조로 설계하면 구축비 대비 효율이 높다.

기존 수동운전 시설을 자동제어로 전환할 때 우선순위는 무엇인가?

기존 시설을 전면 자동화하기보다, 영향도가 크고 구현 난이도가 낮은 항목부터 단계적으로 적용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 ① DO 기반 송풍량 제어, ② 반송슬러지 비율 제어, ③ 응집제 주입량 유량 비례 제어, ④ 방류수 SS·탁도 경보 연동이 우선적으로 도입된다. 이후 데이터가 충분히 축적되면 ⑤ Online NO₃-N/PO₄-P 기반 탄소원·응집제 피드백 제어, ⑥ 계절·강우 모드 전환 로직, ⑦ 고도 예측제어 순으로 확대하는 방식이 실무에서 적용하기 용이하다.

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