초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
UV/H2O2와 O3/H2O2 고도산화를 이용한 하수 미량오염물질 처리기술 개발 및 1000m3/d 규모 실증 플랜트 성능평가

◼ 전체 내용
• UV/H2O2 및 O3/H2O2 고도산화를 이용한 하수처리기술 개발
- UV/H2O2와 O3/H2O2 kinetics 모델의 정확성 5% 이내 달성
- 제어기 실시간성 성능 1Hz이상, 제어기 이중화 동작 전환 시간 100 ms 이내 달성
• 실증을 위한 공정 플랜트 제작(1000m3/d)
- UV/

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
UV/H2O2와 O3/H2O2 고도산화를 이용한 하수 미량오염물질 처리기술 개발 및 1000m3/d 규모 실증 플랜트 성능평가

◼ 전체 내용
• UV/H2O2 및 O3/H2O2 고도산화를 이용한 하수처리기술 개발
- UV/H2O2와 O3/H2O2 kinetics 모델의 정확성 5% 이내 달성
- 제어기 실시간성 성능 1Hz이상, 제어기 이중화 동작 전환 시간 100 ms 이내 달성
• 실증을 위한 공정 플랜트 제작(1000m3/d)
- UV/H2O2 및 O3/H2O2공정을 각 1000m3/d 이상의 처리용량으로 개발
- 기존 기술과 차별화 된 H2O2의 현장 발생형 전기분해 장치와 산화제 최적 분산주입기술, 화학동역학 모델을 이용한 기술을 적용
• 오염물질 제거효율 평가, 경제성 평가
- 대상 잔류의약물질(Ibuprofen, Caffeine, Acetaminophen, Carbamazepine, Diclofenac, Sulfamethoxazole, Cimetidine), 소독부산물(NPYR, N-nitrosopyrrolidine), NDMA (N-nitrosodimethylamine), 내분비계장애물질(Bisphenol A, Nonylphenol, 2,4-Dichlorophenol, 2,4,6-Trichlorophenol), 독성유발물질(Microcystin-LR, Atrazine, Anatoxin-a, Progesterone)에 대하여 제거율 80% 이상, 항생제 내성균(E. coli, P. aeruginosa)와 항생제 내성유전자에 대하여 제거율 90% 이상 달성
- H2O2 발생 전력비용 10 kw/kg 이하, O3 발생 전력비용 10kw/kg 이하, UV ballast 전력효율 92% 이상 달성
- 에너지 비용을 기존기술 대비 운영약품/에너지 소모량 기준 20%의 비용 절감(280 원/m³)

◼ 1단계(1차년도)
❏ 목표
• 현장 H2O2 생산용 전기분해 시스템의 연구 및 small scale 시스템 제작
• 최적 OH radical 생성 조건 및 산화제 최적 주입 기술 연구
• O3/H2O2 및 UV/H2O2 시스템의 화학동역학 모델 개발 및 대상 오염물질 분석 방법 구축
• IoT 기반 제어 및 모니터링 인자 확보
❏ 내용
• 전기화학적 H2O2 발생 시스템 연구
- OH radical 생성에 필요한 전기분해 전해질 및 H2O2 최적 발생 농도검토
- 고내구성, H2O2 최적 발생 효율을 위한 음극 재질의 연구
- 양극, 음극 전극 종류, 이온투과 membrane 설정
- 최적 전류밀도 주입과 발생농도를 위한 전극 및 모듈 구조 연구
- Small scale H2O2 발생 장치 제작 및 평가(발생농도 5,000mg/L 이상, 발생효율 70% 이상)
- 전기분해 concept modeling(3D), simulation을 통한 Lab. 시험용 small scale H2O2 발생 장치 설계(그림 21, 그림 22)
- 발생장치 모듈 제작 및 조립
- 수압테스트 및 음극 전류효율(H2O2 발생 효율) 평가
• 수질인자 등 처리조건에 따른 산화제 평가, 예측 및 분석방법 확보
- 주요 수질 인자 및 처리 조건에 따른 시스템 별 산화제 노출량 변화의 정량적 평가
- 다양한 수질인자 및 처리 조건의 다변수 영향인자 실험을 통한 산화제 노출량 예측 모델 개발
- 대상 오염물질의 후보군 도출 및 분석방법 확보
- OH radical 생성을 위한 적정 UV 조건, O3 조건, H2O2 발생 농도 조건 확립
- UV 조사량, H2O2 농도 조건 별 OH radical 발생 최적 조건 평가
- O3 발생, H2O2 농도 조건 별 OH radical 발생 최적 조건 평가
• Contact chamber 모델링 및 시뮬레이션
- UV/H2O2, O3/H2O2 reactor 모델링, 시뮬레이션
- H2O2, O3 mixing 장치 모델링, 시뮬레이션
- 설계 데이터 확보
- UV module 및 cleaning 시스템 설계
- UV Lamp cleaning 메커니즘 설계 및 해석기술개발
• IoT기반 제어 및 모니터링
- IoT 환경 구성을 위한 고도산화 공정의 주요 제어/모니터링 시스템 설계인자 분석
- 적용 센서의 스펙 및 인터페이스 결정에 따른 실시간 제어기 설계
- 제어 요소 및 데이터 수집을 위한 데이터베이스 스키마 설계

◼ 1단계(2차년도)
❏ 목표
• 현장 H2O2 생산용 전기분해 시스템의 연구 및 1kg/day 급 스텍 설계 및 제작/시험
• 화학동역학 모델의 검증 및 보완과 연속식 시스템으로의 적용
• UV/H2O2 및 O3/H2O2 공정 설계 및 핵심요소기술 제작 및 시험
• IoT기반 제어 및 모니터링 핵심 디바이스 설계 및 제작
❏ 내용
• 전기화학적 H2O2 발생 시스템 제작 및 시험
- 발생량 1kg/day 급 스텍 설계 및 제작
- 하수처리장 처리수 이용 H2O2 발생 성능시험
- 양극수 순환 시스템 개발 및 시험
• UV lamp 모듈 설계
- H2O2 주입 구조 및 접촉효율 증대 연구
- UV unit의 효율증대를 위한 lamp cleaning tool 고안, 설계 연구
- 최적 UV lamp 모듈 기반 단위 bank 설계 및 시뮬레이션
• O3/H2O2 혼합 주입 적용을 위한 O3 generator 시험
- 기존 generator 방식에 대한 에너지 비용 분석
- H2O2 반응 최적 구조 및 최적 주입방식에 대한 기존 제품 종류별 분석
• 화학동역학모델의 반응기 검증 및 실험실 규모 반응기 제작
- 화학동역학모델의 회분식 반응기에서의 검증 및 보완
- 회분식 반응기 실험결과의 연속식 시스템으로의 적용
- 실험실 규모의 연속식 반응조 제작
- 화학동역학모델의 실험실 규모 연속식 반응조에서의 검증 및 보완
• 1,000m3/d 급 장치 설계
- 1,000m3/d UV/H2O2, O3/H2O2 반응기 설계
- 10kg/day 급 E-H2O2 스텍 모듈 설계
- 10kg/day 급 O3 발생기 및 부대설비 설계
- UV bank 설계 및 ballast 설계
• IoT기반 제어 및 모니터링 설계
- 실시간 분산 처리 운용을 위한 RTOS기반 임베디드 컨트롤러 설계/개발
- Fault Tolerant 시스템 구성을 위한 이중화(DMR;Dual Modular Recovery) 설계
- 표준 HTTP/1.1 프로토콜 기반의 모니터링 시스템 설계/개발
• 경제성 평가
- 실험실 규모 경제성 평가 예측
- H2O2 발생비용 분석, UV 및 O3 generator 에너지 비용 분석, 경제성 예측

◼ 1단계(3차년도)
❏ 목표
• 플랜트 반응기의 유체 흐름을 해석하기 위한 다중물리모델 설계
• 실증플랜트의 최적 산화제 주입 방안 및 운영 방안 도출
• UV/H2O2 및 O3/H2O2 각 1,000m3/d 규모의 실증 플랜트 제작
• 실증 플랜트 시운전 및 모델 현장 검증
• IoT기반 제어/모니터링 시스템 최적화 및 DB구축/분석
❏ 내용
• 실증 플랜트 운영을 위한 모델링 완성
- 산화제 최적 분산(Split)/점감(Tapered) 주입 기술 연구의 확립
- 처리 대상 물질 별 산화제 주입 조건 연구를 플랜트 운영에 반영
- 모니터링 제어기술 연구, 실증 플랜트 장비 구현
• 다중 물리모델을 이용한 플랜트 반응기 유체 해석 및 운영 방안 도출
- 유체의 흐름 내에서 물질전달과 운동량 해석을 위한 다중물리 모델의 설계
- 다중물리모델을 이용한 최적 산화제 주입 방안 및 운영 방안 도출
• 실증 플랜트 시험을 위한 수요처 설치 협의
- 수요처 협의 및 현장 설치관련 상황 확인
- 실증 플랜트 설치 부지 및 시험 공간 확보
• 실증 플랜트 제작, 수정보완, 실증 플랜트 시운전 및 모델 현장 검증
- UV/H2O2 및 O3/H2O2 각 1000m3/d 규모의 실증 플랜트 제작
- 플랜트 운전에 필요한 부가 장비 포함 플랜트 조립
- 무부하 단동, 연동 시험 실시, 장비 개선사항 도출 및 수정
- 실증 플랜트 시운전 및 모델 현장 검증
• IoT기반 제어/모니터링 시스템 최적화 및 DB구축/분석,
- 이종/다중 유무선 네트워크 환경 구성을 위한 전용 게이트웨이미들웨어 개발
- 실증 플랜트 운영을 통한 데이터베이스 구축(3개월 이상)
- 수명 예측을 위한 시계열 데이터 분석 모델 및 백엔드 모듈 개발

◼ 2단계(1차년도)
❏ 목표
• 실증 플랜트 시운전, 모델의 현장 검증
• 공정 운영의 영향인자 평가
• 미량 오염물질을 대상 효율 및 경제성 분석
• IoT 기반 실증플랜트 적용 시험운영 및 제어, 모니터링 최적화
• 국내외 인증 및 평가
❏ 내용
• 미량오염물질 제거 효율 검증, 유지관리 방안 확립
- 실증 플랜트(UV/H2O2, O3/H2O2 각 1,000m3/d 이상 용량) 운전
- 운전 조건 반영(수질, 유량, 유속 등) 산화제 주입, 혼합 화학동역학 모델 평가
- 미량 오염물질 타겟, 제거효율 시험 실시(잔류의약물질 7종 이상, 소독부산물 2종 이상, 내분비계 장애물질 4종 이상, 내성균 2종이상 내성유전자 4종 이상 외 독성 유발물질 분석 평가)
- 장기 안정성, 효율 데이터 확보(3개월 이상 연속 운전 평가)
- 또한 유입수 중 잔류 PAC에 의한 전기분해 효율에 미치는 영향을 평가함.
- 유지관리 point 및 방안 도출, 검증 시험, 운영 매뉴얼 작성, 하수처리 공정 설계서 확보
- 제거 대상 물질 분석 결과에 따른 산화제 주입 조건 수정, 목표 제거효율 검증(유입수 조건별 운영 최적화 기술 개발)
• IoT 기반 실증플랜트 적용 및 제어, 모니터링 최적화
- 실시간 분산 제어기의 실시간 성능 분석 및 최적화
- 이중화 기술 성능 분석 및 최적화
- Database의 쿼리 성능 분석 및 서버-클라이언트간 트랜잭션 성능 분석
- 수명 예측 모델의 성능 분석 및 최적화
- IoT 네트워크 환경에서의 RTT(Round Trip Time) 분석 및 최적화
• 비용 산출 및 경제성 평가
- capital cost 및 maintenance cost 산출
- 고도산화 기존 기술대비 경제성 비교 평가
- H2O2 single injection 과 split, tapered injection에 대한 약품 소비량 비교
- E-H2O2의 전력비용, 유지관리비용 측정 및 약품 구매/사용 대비 ROI 산출
- UV ballast 및 O3 generator 전력효율 측정 및 기존 제품과의 성능 비교

□ 연구개발성과
[최종 성과목표 및 달성률]

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 공정의 화학동역학(Chemical kinetics) 모델을 개발함으로서 오염물질의 유입에 따른 최적의 산화제 투입량을 정할 수 있으며, 생산/운영비용의 최소화, 수질의 변동에 따라 실시간으로 대처가 가능하여 효율적인 수처리가 가능할 것으로 예상.
- 본 연구에서 활용하고자 하는 E-H2O2는 현장에서 직접 약품 제조가 가능한 기술로 현장 적용에 있어 많은 강점이 있을 것으로 판단.
- 보다 안전, 안정, 경제적인 고도산화기술을 현장에 접목할 경우, 경제적 측면이나 운용관리 측면에서 많은 이점이 발생할 것으로 판단.
- 환경신기술 획득, 지적재산권 확보 등을 통하여 제품에 대한 권리 및 영업기반을 확보할 계획이며, 관련 전문인력 신규충원을 통해 엔지니어링 능력 또한 지속적으로 확대할 예정.
- 본 개발품은 기존의 고도산화기술 대비 경제성을 강화한 제품으로 개발하고, 유해한 신종오염물질을 효율적으로 제거하는 것이 목표인 만큼, 앞으로 추구되는 환경, 에너지 정책 목표에 부합하는 원천기술이 될 것으로 판단.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1) 연구개발 배경 ... 9
• 2) 연구개발 기술 개요 ... 10
• 3) 핵심 개발 내용 ... 13
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 19
• 1) 연차별 개발목표 및 내용 ... 19
• 2) E-H2O2 발생 시스템 개발 ... 30
• 가. E-H2O2 발생 시스템 설계 및 제작 ... 32
• 나. E-H2O2 발생 시스템 성능 Test ... 39
• 3) 신뢰성 기반 UV Lamp Cleaning 시스템 개발 ... 42
• 가. UV 램프 세척 시스템 성능 보완 제작 ... 43
• 나. UV Cleaning 시스템 고내구성 성능 예측을 위한 피로 해석 기술 개발 ... 47
• 다. UV Lamp Cleaning 시스템 제어기 개발 및 최적화 ... 60
• 라. UV Cleaning 시스템 FTA(Fault Tree Analysis)에 의한 고장 요인 분석 ... 66
• 4) 실증플랜트 설계/제작 및 현장 설치 ... 76
• 가. 실증플랜트 설치 현장 선정 및 사전 Test 진행 결과 ... 76
• 나. 실증플랜트 설계 및 제작 ... 103
• 다. 실증플랜트 현장 설치 및 운영 계획 ... 130
• 5) IoT 기반 시스템 제어/모니터링 시스템 최적화 기술 개발 ... 135
• 가. 무정지 시스템 유지/보수가 가능한 분산 제어기 최적화 ... 135
• 나. 분산 실시간 제어기 및 모니터링 시스템의 동기화 기술 최적화 ... 146
• 다. 공정 제어를 위한 백엔드서버 소프트웨어 모듈 개발 및 시스템 최적화 ... 148
• 6) 시험 운영 데이터베이스 구축 및 데이터 분석 기술 개발 ... 152
• 가. 소모성 장치의 수명 분석/예측 모델 개발 ... 152
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 154
• 1) 정량적 연구개발성과 ... 154
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 155
• 3) 계획하지 않은 성과 및 관련 분야 기여사항 ... 156
• 4) 연구개발비 사용실적 ... 157
• 4. 다음 연도 연구개발계획 ... 158
• 1) 연구개발 목표 및 내용 ... 158
• 2) 연구개발 추진전략 ... 159
• 가. 연구개발 추진전략 · 방법 ... 159
• 나. 연구개발 추진체계 ... 159
• 다. 추진 일정 ... 161
• 3) 연구개발비 사용 계획 ... 165
• 가. 연구개발비 총괄표 ... 165
• 나. 당해연도 연구개발비 ... 168
• 4) 사업화 추진 계획 ... 176
• 가. 사업화계획 ... 176
• 나. 사업화 전략 ... 177
• 다. 사업화를 위한 비즈니스 모델 ... 177
• 라. 무역수지 개선효과 ... 180
• 5) 연구개발 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 181
• 가. 연구개발결과의 활용방안 ... 181
• 나. 기대효과 ... 183
• 끝페이지 ... 185