고압가스 배관 내진설계 및 지지 구조 기준 완벽 정리

날짜:

수질 기준변경 대비 방류수 시뮬레이션 실무 가이드

날짜:

이 글의 목적은 폐수·하수 처리시설에서 수질 기준변경이 예고되었을 때, 방류수 데이터를 활용하여 기준 초과 위험을 정량적으로 평가하고 최적의 공정 개선 방안을 도출할 수 있는 시뮬레이션 방법을 정리하는 것이다.

1. 수질 기준변경이 미치는 영향 이해하기

수질 기준변경은 단순히 숫자가 바뀌는 문제가 아니라 공정 설계 여유율, 약품비, 전력비, 설비 투자 계획, 심지어 생산량까지 연쇄적인 영향을 주는 관리 이슈이다.

우리나라에서는 주로 물환경 관련 법령과 지방자치단체 조례를 통해 배출허용기준이 개정되며, 대표적으로 BOD, COD, TOC, SS, T-N, T-P, 특정 유해물질 등의 강화가 반복적으로 이루어지고 있다.

또한 TMS(수질 원격감시체계) 부착 사업장의 경우 일평균, 시간최대 등 다양한 판단 기준이 적용되기 때문에, 기준변경 시 단일 수치뿐 아니라 통계적 분포와 시간 변동성을 함께 고려해 평가해야 한다.

2. 기준변경 대응 시뮬레이션의 기본 개념

수질 기준변경 대응 시뮬레이션이란, 과거 방류수 품질 데이터와 공정 운전 데이터를 활용해 새로운 기준이 적용될 경우 어느 정도의 초과율이 발생할지, 추가 공정 개선 없이 유지 가능한지, 또는 얼마만큼의 제거율 향상이 필요한지를 사전에 계산하는 절차를 말한다.

핵심 개념은 다음 세 가지이다.

  • 여유율(Margin) 분석: 현재 실적이 현행 기준보다 얼마나 낮은지, 그리고 강화안 대비 얼마의 여유가 있는지 계산하는 것이다.
  • 초과율(Exceedance Rate) 분석: 과거 데이터에 새로운 기준을 대입해 초과 일수·초과 비율을 산정하는 것이다.
  • 개선 시나리오 분석: 공정 효율을 일정 비율 향상시켰다고 가정하고 새로운 기준 만족 여부를 재계산하는 것이다.
주의 : 시뮬레이션 결과는 어디까지나 가정에 기반한 예측값이므로, 최종 설비 투자 결정이나 대관 보고 시에는 보수적인 안전계수와 추가 검증을 반드시 반영해야 한다.

3. 기준변경 시 영향 받는 항목 체계적으로 정리하기

기준이 변경될 때는 특정 항목만 바뀌는 것처럼 보이지만, 실제로는 연관 항목이나 공정 전체에 영향을 미치는 경우가 많다.

다음 표는 기준변경 영향 검토 시 반드시 함께 묶어서 검토해야 할 대표 항목을 예시로 정리한 것이다.

구분 기준 항목 연관 항목 주요 영향 공정
유기물 지표 BOD, COD, TOC SS, 색도, DO 생물학적 처리, 고도처리, 활성탄
영양염류 T-N, T-P, NH₃-N pH, 알칼리도, DO 질소·인 제거 공정, 탈질조, 화학침전
고형물 SS 탁도, 슬러지 농도 침전지, 막여과, 여과지
특정 유해물질 중금속, 페놀류, 시안 등 pH, ORP 전처리, 중화·환원·산화, 흡착

실무에서는 기준변경 공문을 받으면, 단순히 해당 항목만 보는 것이 아니라 위와 같이 관련 항목과 공정을 묶어서 영향 범위를 식별하는 것이 중요하다.

4. 시뮬레이션을 위한 데이터 준비 절차

신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 위해서는 데이터 정합성 검토가 필수이다.

4.1 분석 데이터 범위 설정

  • 가능하면 최소 1년 이상 일별 또는 주별 방류수 수질 데이터를 사용하는 것이 좋다고 한다.
  • 계절 변동이 크거나 우·건기 영향을 받는 사업장은 2년 이상 데이터를 확보하면 더 안정적인 결과를 얻을 수 있다고 한다.
  • 신규 공정이 최근에 가동된 경우, 공정 안정화 이후의 구간만 따로 추출하는 것이 바람직하다고 한다.

4.2 데이터 정제와 결측치 처리

실측 데이터에는 종종 결측값, 오타, 비정상 고농도 값 등이 포함되어 있으므로 정제 과정을 거쳐야 한다.

  • 분석 미실시일은 명확히 구분해 별도의 코드로 표시한다.
  • 장비 이상, 공정 사고 등 특수 원인으로 인한 값은 주석을 달고 별도 시나리오에서만 포함하도록 한다.
  • 결측치를 임의 평균값으로 채우는 것은 가급적 피하고, 해당 일자를 시뮬레이션에서 제외하는 편이 안전하다.

4.3 유량 및 공정 데이터 연계

기준 초과 위험은 농도뿐 아니라 방류 유량과도 밀접하게 연결된다.

가능하다면 다음 항목을 수질 데이터와 같은 날짜 기준으로 연계해 두는 것이 좋다.

  • 일일 방류 유량
  • 주요 공정 운전 데이터(송풍량, 반송슬러지율, 약품 주입량 등)
  • 기상 조건(강우량, 기온 등)과 생산량 데이터

5. 현행 기준 대비 실적 진단 방법

시뮬레이션에 앞서 현재 기준에서의 성능을 명확히 진단하는 것이 필수이다.

5.1 기본 통계 지표 산출

각 항목별로 최소값, 최대값, 평균, 표준편차, 95백분위수 등을 계산해 분포 특성을 파악한다.

예를 들어 BOD 현행 기준이 20 mg/L인 사업장에서 최근 1년치 데이터를 분석한 결과를 아래와 같이 정리할 수 있다.

지표 값 해석
평균 8 mg/L 평균적으로 기준의 40% 수준이다.
최대값 18 mg/L 최악 조건에서도 기준 이내이다.
95백분위수 14 mg/L 상위 5% 고농도 조건까지 고려한 값이다.

이러한 지표를 통해 기준이 강화되더라도 어느 수준까지는 무리 없이 대응 가능한지를 1차적으로 판단할 수 있다.

5.2 여유율 계산

여유율은 다음과 같이 정의할 수 있다.

여유율(%) = (기준값 - 평균 실적값) / 기준값 × 100

예를 들어 기준 20 mg/L, 평균 실적 8 mg/L일 경우 여유율은 60%이다.

향후 기준이 10 mg/L로 강화된다고 가정하면, 동일한 실적을 전제로 한 여유율은 20%가 된다.

6. 새로운 수질 기준을 적용한 초과율 시뮬레이션

다음 단계는 과거 데이터를 그대로 둔 상태에서 새로운 기준을 가정하고 초과율을 계산하는 것이다.

6.1 엑셀을 활용한 기본 로직

엑셀을 활용하면 다음과 같은 단순 로직으로도 유용한 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

예시 시트 구조 - A열: 날짜 - B열: 방류수 BOD (mg/L) - C열: 방류수 T-N (mg/L) - D열: 방류수 T-P (mg/L) - E열: 시나리오1_BOD 기준값 - F열: 시나리오1_BOD 초과 여부
F2 셀 예시 수식
=IF(B2 > $E$2, 1, 0)

초과일수 합계
=SUM(F:F)

초과율(%) 계산
=SUM(F:F) / COUNTA(B:B) * 100

동일한 방식으로 T-N, T-P 등 다른 항목에도 기준값을 바꿔 넣으며 시나리오별 초과율을 비교할 수 있다.

6.2 일평균·시간최대 등 복합 기준 시뮬레이션

TMS가 설치된 사업장은 일평균, 시간최대 등 복합 기준이 적용되는 경우가 많다.

이때는 다음과 같은 단계로 시뮬레이션을 구성할 수 있다.

  1. 시간별 데이터에서 일자별 평균값과 최대값을 각각 계산한다.
  2. 일평균 기준에는 평균값을, 시간최대 기준에는 최대값을 적용해 초과 여부를 계산한다.
  3. 두 기준 중 하나라도 초과하는 날을 기준 초과일로 집계한다.
주의 : 시간별 데이터에 이상치가 포함되면 시간최대 기준 초과율이 과도하게 높게 나올 수 있으므로, 장비 점검 기록과 함께 교차 검토하는 절차가 필요하다.

7. 공정 개선 시나리오를 반영한 재시뮬레이션

기초 시뮬레이션 결과 기준 초과 위험이 크다고 판단되면, 공정 개선 시나리오를 가정해 재시뮬레이션을 수행해야 한다.

7.1 제거효율 향상 가정

가장 단순한 접근은 특정 공정의 제거효율이 일정 비율만큼 향상된다고 가정하는 방법이다.

예를 들어 BOD 제거효율이 평균 90%에서 93%로 향상된다고 가정하면, 유입농도 데이터를 알고 있는 경우 다음과 같이 계산할 수 있다.

방류수 농도 = 유입농도 × (1 - 제거효율)
예:
유입 BOD = 200 mg/L
기존 제거효율 = 90%
방류수 BOD = 200 × (1 - 0.9) = 20 mg/L

개선 제거효율 = 93%
개선 후 방류수 BOD = 200 × (1 - 0.93) = 14 mg/L

유입농도 데이터가 없을 경우에는 방류수 실적 값에 보수적인 개선율을 곱해 추정할 수 있지만, 가능하면 유입·방류 데이터를 함께 활용하는 것이 바람직하다.

7.2 희석수, 재이용수 도입 시나리오

공정 효율 개선뿐 아니라 공정 내 희석수 투입, 재이용수 순환 등 유량 조정을 통해 농도를 낮추는 방법도 있다.

이 경우 기본 계산식은 다음과 같다.

혼합 농도 = (Q1×C1 + Q2×C2) / (Q1 + Q2)
예:
공정수(Q1) 900 m³/d, 농도(C1) = 15 mg/L
재이용수(Q2) 100 m³/d, 농도(C2) = 5 mg/L

혼합농도 = (900×15 + 100×5) / 1000 = 14 mg/L

이러한 계산을 엑셀에 구현해 재이용수 유량을 변수로 두고 기준 만족 여부를 시뮬레이션할 수 있다.

8. 시뮬레이션 결과 정리 및 의사결정 지원

시뮬레이션의 목적은 숫자를 많이 계산하는 것이 아니라, 명확한 의사결정 근거를 제공하는 것이다.

8.1 항목별 리스크 매트릭스 작성

각 항목별로 다음 정보를 한눈에 볼 수 있도록 요약표를 만드는 것이 좋다.

항목 현행 기준 강화 기준(안) 현재 초과율 강화 기준 적용 초과율 개선 시나리오 적용 초과율 평가
BOD 20 mg/L 10 mg/L 0% 8% 0.5% 경미한 리스크
T-N 40 mg/L 20 mg/L 2% 25% 5% 중간 수준 리스크
T-P 2 mg/L 1 mg/L 0% 15% 3% 우선 개선 대상

이 표를 기반으로 설비 개선의 우선순위를 설정하고, 투자 규모와 일정, 단계별 목표값을 설정할 수 있다.

8.2 대관 협의 및 내부 보고 자료 활용

시뮬레이션 결과는 지자체, 환경청과의 사전 협의나 내부 투자 심의 자료로 활용될 수 있다.

  • 사용한 데이터 기간, 개수, 출처를 명확히 밝힌다.
  • 가정한 공정 개선 조건과 계산 로직을 문서화해 재현 가능성을 확보한다.
  • 보수적인 전제와 여유계수를 적용했음을 설명해 신뢰도를 높인다.

9. 실무용 엑셀 시뮬레이션 모델 구조 설계

현장에서 바로 사용할 수 있는 형태로 엑셀 모델을 설계할 때는 시트 구조를 명확히 나누는 것이 좋다.

9.1 권장 시트 구성

  • 1. RAW_DATA 시트: 날짜, 유입·방류 농도, 유량, 공정 운전데이터를 원본 그대로 저장한다.
  • 2. CLEAN_DATA 시트: 결측치 제거, 이상치 정리 등 정제 후 데이터를 저장한다.
  • 3. STANDARD 시트: 현행 기준, 강화안, 자가 기준 등을 표 형태로 정리한다.
  • 4. SCENARIO 시트: 시나리오별 기준값, 제거효율, 재이용수 유량 등 가정치를 입력한다.
  • 5. RESULT 시트: 항목별 초과율, 그래프, 리스크 매트릭스를 출력한다.

9.2 간단한 자동화 예시

시나리오 번호를 바꾸면 자동으로 기준값과 초과율이 바뀌도록 VLOOKUP, INDEX-MATCH 등 기본 함수만으로도 충분한 자동화를 구현할 수 있다.

예시: SCENARIO 시트에서 선택한 시나리오의 BOD 기준 불러오기 =VLOOKUP(선택_시나리오셀, 시나리오_표범위, 해당열번호, FALSE)
예시: RESULT 시트에서 항목별 초과율 계산
=SUMIFS(초과플래그_범위, 항목_범위, "BOD", 시나리오_범위, 선택_시나리오)
/ COUNTIFS(측정값_범위, ">0", 항목_범위, "BOD")

필요에 따라 파이썬, R 등을 활용해 더 고급 통계 분석과 자동화 리포팅을 구현할 수도 있다.

10. 기준변경 대응 시 자주 발생하는 오류와 주의사항

실무에서 자주 발생하는 오류를 미리 인지하고 피하는 것이 중요하다.

  • 단기 데이터만으로 장기 리스크를 과소평가하는 오류를 범하기 쉽다.
  • 이상치 제거 기준이 모호해, 결과를 재현할 수 없는 상태가 되는 경우가 많다.
  • 개선 시나리오에서 지나치게 낙관적인 제거효율을 가정해 실제 운영 시 기준초과가 발생하는 사례가 보고된다고 한다.
  • 특정 항목만 집중 개선하고, 연관 항목의 악화를 간과하는 경우도 많다.
주의 : 기준변경 대응 시뮬레이션은 “최소한 이 정도는 확보해야 안전하다”라는 관점에서 보수적으로 설정해야 하며, 설비 노후화, 운전 인력 변동, 기상 이상 등 불확실성을 반영한 추가 안전 마진을 두는 것이 좋다.

FAQ

1년 미만의 데이터만 있어도 수질 기준변경 시뮬레이션이 의미가 있는가?

1년 미만 데이터라도 계절 변동이 크지 않은 공정이라면 기초적인 경향 파악에는 충분히 의미가 있다고 한다.

다만 기준 강화 폭이 크거나, 우기·동절기 편차가 큰 업종이라면, 추가 데이터를 확보하거나 보수적인 여유계수를 크게 잡는 방식으로 리스크를 보정하는 것이 바람직하다고 한다.

기준이 일평균·시간최대·월평균처럼 복잡하게 바뀌면 어떻게 시뮬레이션해야 하는가?

시간 단위 데이터가 있을 경우, 먼저 시간 데이터를 일평균, 일최대, 월평균 등으로 집계한 뒤 각 기준에 대해 별도로 초과 여부를 산정하는 것이 기본이다.

최종 판단은 여러 기준 중 하나라도 초과하는 날을 기준초과로 보아 집계하는 방식으로 정리하는 것이 안전하다.

TOC로 지표가 전환될 때 COD 데이터로도 시뮬레이션이 가능한가?

공정·배출수 특성에 따라 COD와 TOC 사이에 통계적 상관관계를 도출해 회귀식으로 추정하는 방법이 활용되기도 한다고 한다.

그러나 이 경우 추정 오차가 발생할 수 있으므로, 실제 TOC 분석 데이터를 일정 기간 병행 확보한 뒤 상관관계를 보정하고, 시뮬레이션 결과를 보수적으로 해석하는 것이 좋다.

시뮬레이션 결과를 대관 보고나 법적 근거 자료로 그대로 사용할 수 있는가?

시뮬레이션은 어디까지나 설비 개선 방향과 투자 규모를 검토하기 위한 참고자료로 활용하는 것이 원칙이다.

대관 보고나 승인 절차에서는 실제 측정 데이터, 공인 시험결과, 설계 검토 보고서 등과 함께 보조자료로 제시하는 형태가 일반적이라고 한다.

:
추천·관련글