2.1 FRAM 방법론 개요

FRAM은 복잡계 시스템에서 발생하는 기능 간의 공명현상을 분석하기 위해 개발된 시스템 모델링 방법론이다. FRAM은 실패와 성공의 등가성, 근사적 조정, 창발, 그리고 기능적 공명이라는 네 가지 원칙에 기반한다^{(Hollnagel, 2012)}. 모델이 아니라 방법론이기 때문에, 조사 대상 시스템이 어떻게 구조화되어 있거나 조직되어 있는지, 또는 가능한 원인과 인과관계에 대해 어떠한 가정도 하지 않는다. 전통적인 원인-결과 분석과 달리, FRAM은 시스템의 기능들의 상호작용에서 나타나는 비선형적 변동성과 공명현상에 초점을 맞춘다.

본 연구에서는 안전분석용 FRAM을 운전진단에 적용하기 위해 다음과 같은 핵심 개선을 수행하였다: ①기능 정의를 사고 중심에서 운전 행위 중심으로 전환, ②FRAM 6요소(Input, Output, Precondition, Resource, Control, Time)를 하수처리 공정의 엔지니어링 파라미터로 구체화, ③공명 시나리오를 성능 저하 패턴 분석에 활용하였다.

FRAM의 핵심 특징은 기능 중심 접근, 변동성 인정, 공명현상 분석, 전체론적 관점이며, 각 기능은 6가지 구성요소 간의 연결을 통해 기능 네트워크를 형성한다(Fig. 1). 입력(Input)은 기능 수행에 필요한 선행 기능 또는 외부 입력이고, 출력(Output)은 기능의 결과물로 다음 기능의 입력으로 전달된다. 전제조건(Precondition)은 기능 실행 전 만족되어야 할 조건이며, 자원(Resource)은 기능 수행을 위해 필요한 자원이다. 제어(Control)는 기능 수행을 감시 또는 조정하는 규칙이고, 시간(Time)은 시간적 제약 또는 연속성 조건이다.

Fig. 1(b)는 Fig. 1(a)의 일반적 FRAM 6요소를 하수처리 공정의 구체적 엔지니어링 파라미터로 치환하여, 환경공학 전문가들이 FRAM을 직관적으로 이해할 수 있도록 보여준다. F07(폭기조) 기능을 중심으로 실제 운전 조건, 측정값, 제어 변수가 6요소와 어떻게 매핑되는지를 명확히 보여준다.

Fig. 1. Conceptual and domain-tailored FRAM schematics: (a) Graphical representation of a FRAM function; (b) Example of the six FRAM elements for the function “Biological reactor-aeration tank” (F07) in a sewage treatment plant (redrawn by authors, based on ^{Hill and Slater, 2024; Hollnagel, 2012)}.

본 연구의 FRAM 적용 절차는 다음 6단계로 수행하였다: ①사례 데이터 수집→②분석 템플릿 개발 및 매핑→③16개 기능 도출→④FRAM 6요소 매핑→⑤기능연결 네트워크 시각화→⑥공명 시나리오 해석.

한국환경공단 기술진단 사례집 368건을 수집하여 A2O 공정 중심으로 1차 정제한 후, 하수처리 전문가 협의를 통해 ①공정별 운전 문제→해당 기능, ②장비/설비 이슈→자원 요소, ③운전자 판단/제어→제어 요소의 3축 매핑 체계를 개발하였다. 이를 통해 16개 핵심 기능을 도출하고 각각에 대해 FRAM 6요소를 상세 정의하였다. FRAM Model Visualizer 3.1.0 pro로 기능 간 연결관계를 시각화한 결과, F07(폭기조) 중심의 허브-스포크 구조를 확인하였다.

허브 기능에 직접 영향을 주는 동절기 수온저하를 대표 공명 시나리오로 선정하여 보조적 정량 분석을 수행하고, 최종적으로 1차/2차/3차 변동성 단계별 연쇄 전파 경로를 분석하여 기존 개별 대응방식 대비 FRAM 기반 5단계 통합 대응전략의 구조적 우위성을 도출하였다.

본 연구는 구조적 모델링과 정량적 검증을 결합하여, 2.4절에서 제시한 4단계 정량분석 방법론을 통해 FRAM 기반 진단체계의 실증적 타당성을 확보하였다.

2.2 분석 대상 및 데이터 수집

진단 대상 데이터로는 한국환경공단에서 발간한 ｢공공하수도시설 기술진단 사례집｣(2018∼2019년)을 활용하였다. 이 사례집은 국내 중규모 총 54개소의 공공하수처리시설을 대상으로 실시한 기술진단에서 총 368건의 진단 사례를 체계적으로 정리한 자료로, 각 사례는 동일한 진단 양식과 작성체계를 갖추고 있다^{(KEC, 2020)}.

기술진단 보고서 분석을 위한 체계적 엑셀 템플릿을 개발하였다. 이 템플릿은 공공하수처리시설 운전 및 기술진단 전문가들과의 협의를 통해 진단보고서의 문제점과 개선점을 체계적으로 정리할 수 있도록 구성되었다.

수집된 데이터는 이 템플릿을 활용하여 다음과 같이 매핑을 수행하였다: ①공정별 운전 문제 유형과 해당 기능, ②장비 및 설비 관련 이슈와 자원 요소, ③운전자 판단 및 제어 관련 사항과 제어 요소(Table 2).

동절기 저수온 관련 사례는 2단계 접근법을 적용하여 선별하였다. 1단계에서는 2018-2019년 사례집에서 계절별 키워드(“겨울”, “저온”, “수온”, “동절기” 등) 검색을 통해 관련 사례를 추출하였고(6건), 2단계에서는 분석 신뢰성 확보를 위해 2013-2017년 사례집^{(KEC, 2018)}에서 동일한 기준으로 사례를 보완하여(16건) 동절기 사례를 구성하였다(총 22건). 이는 전체 사례 대비 소수에 해당하나, 계절성 요인의 명확성과 공명 패턴의 재현성 측면에서 대표적 분석 가치를 갖는다.

각 사례 텍스트에서 FRAM 기능 키워드를 탐지하여 등장 순서별 기능 시퀀스를 구성하고, 인접 기능쌍의 방향성 경로 빈도와 연결 패턴을 분석하였다. 또한 각 사례에 심각도, 근거수준, 개입단계 지표를 부여하여 분석의 객관성을 보완하였다.

2.3 기능 도출 및 구조화

본 연구의 기능 도출은 FRAM의 Work-as-Done 원리에 따라 368건 진단 사례에서 실제 수행되는 운전 행위를 상향식으로 추출하였다.

구체적 도출 과정은 다음과 같다: ①사례별 반복 언급되는 운전 행위 추출, ②문제 발생 시 실제 대응 활동 식별, ③개선방안의 구체적 운전 조치 분석을 통해 기능을 체계적으로 도출하였다.

Anaerobic-Anoxic-Oxic (A2O) 공정을 기준으로 하여, 전처리부터 슬러지 처리까지 전체 공정을 포괄하는 16개의 기능을 식별하였다. 도출된 주요 기능들은 전처리 관련 기능(유입수 특성 관리, 스크린 및 침사지 운전, 펌프장 운전), 생물학적 처리 기능(1차침전지 운전, 혐기조 운전, 무산소조 운전, 호기조-폭기조 운전, 내부순환 제어, 2차침전지 운전, 수소공여체 관리), 고도처리 기능(응집침전 운전, 여과지 운전, 소독시설 운전), 슬러지 처리 기능(슬러지 농축, 소화조 운전, 탈수기 운전, 반송슬러지 제어), 지원 기능(전기 및 전력 안정성, 계측 및 감시시스템, 방류수질 모니터링)으로 분류된다. 각 기능의 FRAM 6요소는 진단 사례 텍스트에서 입출력 관계, 제어 기준, 필요 자원, 선행 조건, 소요 시간을 체계적으로 추출하여 매핑하였다. 기능별 요소는 진단보고서 내 문제 항목에서 자주 언급된 조건과 자원, 제어 항목을 중심으로 기술되었으며, 공공하수처리시설 운전 및 기술진단 전문가의 검증을 거쳐 최종 확정하였다.

각 기능에 대해 FRAM의 6가지 요소를 적용하여 상세히 기술하였다(Table 3), 이를 바탕으로 기능 간의 입력-출력 관계를 매핑하여 기능 네트워크를 구성하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Overall functional connection network using FMV(FRAM Model Visualizer) (exported from FMV v3.1.0 PRO; edited by authors)

2.4 동절기 사례 정량 분석 방법론

동절기 22건 사례에 대한 보조적 정량 지표 산출을 위해 다음과 같은 4단계 분석 절차를 수행하였다.

1단계 - 기능 매핑 및 시퀀스 구성: 각 사례 텍스트에서 정규표현식 기반 키워드 사전을 이용하여 FRAM 기능(F01∼F16)을 자동 탐지하고, 본문 등장 순서에 따라 기능 시퀀스를 구성하였다. 예를 들어, [F13→F07→F08→F10] 시퀀스는 방류수 문제가 폭기조 운전 변경, 2차침전 부하 증가, 슬러지 농축 문제로 순차 전파되는 연쇄 구조를 나타낸다.

2단계 - 빈도 분석: 전체 22건 사례 중 각 기능이 언급된 사례 수와 전체 언급 횟수를 집계하여 상대빈도를 산출하였다. 사례빈도는 해당 기능의 문제 발생률을, 언급빈도는 문제의 상대적 심각도를 반영하는 지표로 활용하였다.

3단계 - 방향성 경로 집계: 구성된 시퀀스에서 인접한 기능쌍을 방향성 경로(From→To)로 추출하고 발생 빈도를 집계하였다. 예를 들어, F13→F07→F08 시퀀스에서는 (F13→F07)과 (F07→F08)의 두 방향성 경로가 생성되며, 이를 통해 영향 전파의 지배적 패턴을 식별할 수 있다.

4단계 - 연결강도 산정: 무방향 기능쌍의 연결강도는 다음 공식을 적용하여 산정하였다:

여기서 공동출현률은 두 기능이 동일 사례에서 함께 언급되는 비율이며, 평균근접도는 시퀀스 내에서 두 기능 간 거리의 역수 평균을 의미한다. 이는 발생 빈도와 시간적 밀접성을 종합적으로 반영한 실질적 연결성 지표이다.

본 정량적 분석을 통해 F07 허브기능의 지배적 경향을 확인하고, FRAM 모델의 정량지표가 해석을 뒷받침함을 보였다.

2.5 공명 시나리오 분석 및 시각화

도출된 기능 구조를 바탕으로 FRAM Model Visualizer 프로그램 Version 3.1.0 pro를 활용하여 기능 간 연결관계를 시각화하고, 진단에서 식별된 문제들의 전파 경로를 분석하였다. 특히 반복적으로 나타나는 문제 패턴과 복합적 영향 관계를 식별하여 주요 공명 시나리오를 도출하였다.

분석 과정에서는 다음 4가지 영향 전파 유형을 분류하여 적용하였다:

직렬형: 상류 공정의 변동이 하류 공정에 순차적으로 영향을 미치는 구조

병렬형: 공통 자원의 실패가 복수 기능에 동시 영향을 미치는 구조

순환형: 슬러지 처리 계통의 문제가 본류 처리로 역류하는 구조

제어형: 핵심 제어변수의 변동이 다수 기능에 광범위한 영향을 미치는 구조

3.1 공공하수처리시설 운전기능 구조화 결과

기술진단 사례 368건을 엑셀 템플릿으로 매핑한 결과, 공정 단위별 반복적으로 언급되는 운전 행위, 문제 유형, 개선 조치 등을 기준으로 총 16개의 주요 기능이 도출되었다(Table 4). 이들 기능은 물리적 처리공정, 생물학적 처리공정, 고도처리 및 슬러지 처리, 제어시스템, 통합관리 기능 등으로 구성되며, 실제 A2O 공정의 세부 운전 특성을 반영하여 생물반응조를 혐기조, 무산소조, 폭기조로 세분화하였다.

각 기능은 FRAM의 6가지 요소에 따라 구조화되었으며, 기능별 요소는 진단보고서 내 문제항목에서 자주 언급된 조건과 자원, 제어 항목을 중심으로 기술되었으며, 운전조건은 FRAM적용 일반화를 위해서 공공하수도 기술진단매뉴얼^{(ME, 2023a)}의 A2O공정의 표준운전조건을 일반 운전범위로 제시하였다. 예를 들어, 생물반응조-폭기조의 경우 입력은 $N H_{4}^{+}-N$, BOD, 폭기조반송, 저수온경보이고, 출력은 $N O_{3}^{-}-N$, 내부반송, Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS), 폭기조상태신호, 질산화효율 등이다. 전제조건은 DO 2 mg/L이며, 자원은 송풍기, DO센서이고, 제어(일반운전 범위)는 MLSS=3000∼5000 mg/L, F/M=0.1∼0.3 kgBOD/kgMLSS day, 내부반송 100∼200%이며, 시간(일반운전 범위)은 HRT 5∼8시간, SRT 4∼27일이다.

동절기 사례에 대한 보조적 정량 분석을 통해 기능별 출현 빈도와 연결 패턴을 규명하였다.

기능 간 연결강도 분석 결과, F07(폭기조)-F13(방류수) 간 연결강도가 0.208로 최고값을 보였으며, F07(폭기조)-F08(2차침전) 간 연결강도는 0.167로 뒤를 이었다. 이러한 수치는 연결강도 공식인 0.5×공동출현률 + 0.5×평균근접도를 통해 산정된 객관적 지표이다.

분석 결과 F07(폭기조)이 12/22건(54.5%)에서 언급되어 명확한 허브 기능으로 확인되었다. 이는 동절기 저수온 조건에서 질산화 미생물의 활성도 저하로 인해 폭기조 운전 조건이 전체 시스템 성능에 결정적 영향을 미침을 의미한다. 방향성 경로 분석에서는 방류수→폭기조 경로가 5/22건(22.7%)로 최고 빈도를 보였으며, 이는 방류수 기준 위반 우려가 폭기조 운전 조건 변경으로 이어지는 전형적인 제어 피드백 구조를 나타낸다. 또한 폭기조→2차침전지 경로(4/22건, 18.2%)는 폭기조 성능 변화가 침전 부하에 직접적 영향을 미치는 연쇄 전파 구조를 보여준다.

도출된 기능과 요소를 기반으로 FRAM Model Visualizer 프로그램을 활용하여 기능 간의 연결관계를 시각화하였다. 전체 기능망은 상호 연계된 복잡한 네트워크 형태를 나타냈으며, 다음과 같은 주요 특징이 확인되었다(Fig. 2). 중앙 집중적 네트워크 구조에서 F07(생물반응조-폭기조)이 전체 네트워크의 중심 허브 역할을 하며, 다수의 기능과 직간접적으로 연결되어 있다. 이는 실제 A2O 공정에서 폭기조가 질산화, 탈질, 인 제거 등 핵심 생물학적 반응의 중심이 되는 현실을 잘 반영한다. 계층적 기능 배치에서는 전처리→생물학적 처리→고도처리→슬러지 처리의 계층적 구조가 명확하게 나타나며, 각 계층 내에서도 세부적인 상호 의존성이 존재한다. 반송슬러지, 내부반송, 반류수 등을 통한 순환 구조가 적절히 모델링되어, 하수처리 공정의 특징적인 피드백 메커니즘이 표현되었다.

본 연구의 FRAM 모델링은 공공하수처리시설 운전 및 기술진단 전문가들과의 심층 협의 및 반복적인 검토를 통해 진행되었으며, 이는 분석 결과의 실증적 타당성과 신뢰성을 확보하는 데 기여하였다. FRAM 분석을 통해 식별된 주요 영향 전파 경로 분석 결과, 진단에서 개별적으로 식별된 문제들이 실제로는 단일 공정에 국한되지 않고, 복수의 기능 연계를 통해 상호 영향을 미친다는 점에서 기존 기술진단 결과 해석 방식의 보완 필요성이 제기되었다. 특히 연쇄적 영향 전파(상류 공정의 변동이 하류 공정에 누적적으로 영향을 미치는 구조), 병렬적 영향(공통 자원의 실패가 복수 기능에 동시 영향), 순환적 피드백(슬러지 처리 계통의 문제가 본류 처리로 역류하는 순환 구조), 제어변수 의존성(DO농도, SVI 등 핵심 제어변수의 변동이 다수 기능에 광범위한 영향)과 같은 시스템적 특성이 확인되었으며, 이는 2.4절 정량분석 결과와 일치하여 FRAM 모델의 해석을 뒷받침한다.

3.2 동절기 저온 사례의 공명 현상 분석 및 통합적 대응 전략

진단 결과에서 반복적으로 확인되는 대표적인 복잡 시나리오로 동절기 유입하수의 저수온으로 인한 연쇄 기능 저하 현상을 분석하였다. 동절기 저온 현상은 외부 환경 조건으로서 인간의 의사결정이나 조직적 요인에 영향받지 않는 순수한 기술요인 변동성을 나타내며, 매년 동절기 반복되는 현상으로 패턴 분석이 용이하고 생물학적 반응 전반에 걸친 광범위한 영향으로 시스템적 분석에 적합하다. 환경부 공공하수시설 진단매뉴얼^{(ME, 2023a)}에도 “수온이 10 ℃ 이하에서는 질산화미생물의 생장이 둔화되어 생물학적 질소제거가 어려워진다”고 명시되어 있어 기술적 영향이 명확하다.

동절기 저수온 조건에서의 변동성 요인 분석을 위해 기존 문헌 및 운전 매뉴얼을 검토한 결과, 1차 변동성은 수온 저하에 따른 질산화 미생물 활성도 감소, 2차 변동성은 미생물 활성 저하로 인한 DO 이용률 감소 및 제어 불안정, 침전성 악화, 3차 변동성은 성능 저하 대응을 위한 운전 조건 변경(잉여슬러지 인발량 감소를 통한 SRT 연장, 반송슬러지비 증가를 통한 MLSS 농도 확보)에 따른 슬러지 성상 변화, 반류수 농도 증가로 분류되었다.

공명 현상 분석 과정에서 F07(생물반응조-폭기조)이 저온 영향을 가장 직접적으로 받는 핵심 허브 기능으로 식별되었다. 수온 10℃ 이하에서 질산화미생물의 활성도가 급격히 저하되어 $N H_{4}^{+}-N$ 처리 효율이 감소하는 것이 1차 영향으로 나타났다. F07의 성능 저하는 연쇄 반응을 유발하는데, F07에서 F06으로의 영향은 질산화 저하로 인한 $N O_{3}^{-}-N$ 공급 부족이 탈질 효율 감소를 야기하며, F07에서 F05로의 영향은 단계별 복합 메커니즘으로 작용하여 인 제거효율에 영향을 미친다. 초기에는 질산화 효율 저하로 인한 질산염 농도 감소가 PAO 혐기성 조건을 일시 개선할 수 있으나, 저온 지속 시 ①미반응 DO의 혐기조 유입, ②운전적 대응(SRT 연장, MLSS 증가)에 따른 슬러지 라인 부하 가중, ③이로 인한 고농도 반류수 발생이 혐기조 환경을 교란하여 PAO의 VFA 흡수 능력을 저해하는 중장기적 순환 공명이 발생한다.

이러한 VFA 부족은 인 제거 효율 저하로 이어져 F07의 영양염 제거 성능을 추가로 악화시키는 순환 구조를 형성하며, 이는 22건 사례분석에서 확인된 지배적 연쇄패턴(22.7%→18.2%)의 정량적 근거와 정확히 일치한다. F07에서 F08로의 영향은 저온으로 인한 침전성 악화와 운전적 대응에 따른 MLSS 증가로 침전 부하가 가중된다. 저수온 영향의 시간적 복합성을 고려할 때, 단기적으로는 질산화 저하를 통한 질산염 농도 감소가 PAO 혐기성 조건을 일시 개선할 수 있으나, 지속적 저온과 운전적 대응(SRT 연장, MLSS 증가)으로 인한 슬러지 라인 부하 가중 시 고농도 반류수가 발생하여 혐기조 환경을 교란하는 중장기적 순환 공명이 더 큰 문제가 된다. 본 연구는 이러한 단기적 질산염 감소 효과보다는 시스템 전체의 순환 공명 차단에 초점을 맞춘 개입방안을 제시한다.

동절기 저온 조건에서는 두 가지 자기강화 순환 구조가 확인되었다. 1차 순환은 F07에서 F08로 이어지는 단기 순환으로, 침전성 악화가 불량 반송슬러지를 생성하고 이것이 다시 F07로 재유입되어 성능을 추가로 악화시키는 구조이다. 2차 순환은 F07-F10-F12-F05로 이어지는 중장기적 순환 공명 구조로, 저온 대응을 위한 SRT 연장이 슬러지 성상 악화를 야기한다. 이로 인한 탈수 효율 저하로 발생하는 고농도 반류수가 F05 혐기조로 재유입되면서 암모니아 독성과 산화환경을 조성하여 PAO의 VFA 흡수를 경쟁적으로 저해하고, 결과적으로 F07의 인 제거 성능을 저하시키는 순환 구조를 형성한다. 동절기 사례 분석을 통해 확인된 심각도 분포는 5등급(매우 심각)이 40.9%로 가장 높은 비율을 보였으며, 이는 동절기 저수온 문제의 현장 영향도가 상당함을 보여준다.

Fig. 3에서 붉은 실선은 직접 영향 경로, 붉은 점선은 순환 피드백 경로를 나타낸다, 화살표의 굵기는 FRAM의 핵심 개념인 공명(functional resonance) 현상을 시각화한 것으로, 초기의 작은 변동성이 기능 간 상호작용을 통해 점진적으로 증폭되는 과정을 표현한다. 이는 동절기 22건 사례 분석에서 도출한 기능빈도와 순차경로 패턴을 바탕으로 한 정성적 해석 결과이다.

Fig. 3. FRAM-based impact propagation pathways for winter low-temperature cases

기존 진단 결과에서는 각 공정별로 개별적인 대응방안이 제시되었다. 주요 권고사항으로는 NH4-N 기준 초과에 대한 송풍량 증가, T-P 기준 초과에 대한 응집제(PAC) 투입량 증가, 생물학적 처리 효율 개선을 위한 MLSS 농도 증가 등이 제시되었다. 그러나 이러한 권고사항들은 구체적인 실행 방안이나 단계별 접근법이 명시되지 않은 포괄적 제안에 머물러 있었다.

동절기 사례 분석에서 도출된 지배적 경로 패턴(방류수→폭기조→2차침전지)은 본 연구에서 제안하는 5단계 통합 대응전략의 타당성을 뒷받침한다. 특히 방류수 기준 준수 압력이 폭기조 설정 변경으로 이어지고(22.7% 사례), 폭기조 상태가 2차침전 부하에 연쇄 영향을 미치는 패턴(18.2% 사례)은 허브 기능 중심의 구조적 개입 필요성을 정량적으로 입증한다.

공명 경로 분석을 통해 도출된 통합적 대응 전략은 허브 기능(F07) 중심의 구조적 개입을 통해 연쇄 공명을 원천 차단하는 접근법이다. 5단계 개입 순서는 ①영향범위(허브/연쇄 정도), ②응답속도(즉시/지연 효과), ③비용/리스크(경제성/안전성)를 종합 고려하여 결정하였다. 이에 따라 DO 설정 최적화가 최우선 개입사항이다.

허브 기능인 F07 중심의 구조적 개입을 통한 연쇄 공명 원천 차단을 위해 5단계 통합대응전략을 개발하였다. 1단계에서는 F07의 DO 설정값을 2 mg/L에서 2.5 mg/L로 상향 조정하여 질산화 기능을 안정화하고, 2단계에서는 HRT를 6시간에서 7시간으로 연장하여 생물학적 반응시간을 확보한다. 3단계에서는 내부반송비를 150%에서 180%로 최적화하여 C/N비를 조정하며, 4단계에서는 외부 탄소원을 보강하여 C/N비를 5에서 8로 증가시켜 VFA 생성을 촉진한다. 5단계에서는 F07-F06-F05 연계 모니터링 체계를 구축하여 예방적 관리를 수행한다.(여기서, 제시된 수치는 운전범위 내 권고치이며, 근거는 환경부 공공하수도 기술진단 매뉴얼^{(ME, 2023a)}과 샘플사례의 개선사항의 조건을 참조함)

허브-스포크 구조에서 우선개입 순서는 네트워크 중심성 이론에 기반하여 ①연결정도 중심성(degree centrality), ②매개 중심성(betweenness centrality), ③반복 출현 빈도를 종합 고려하였다. 이에 따라 F07→F08, F07→F06 경로가 최우선 개입 대상이다.

이러한 통합 대응방안은 기존 개별 대응방식과 비교하여 체계적으로 도출되었다. 기존 권고사항을 분석한 결과, T-N 초과 시는 “송풍량 증가를 통한 DO 공급 증대”, T-P 초과 시는 “응집제 투입량 증가를 통한 화학적 제거”, SVI 상승 시는 “반송슬러지 증량을 통한 임시 개선”으로 분류되었다. 반면 FRAM 기반 접근법은 F07 중심 구조적 개입을 통한 연쇄 공명 원천 차단, 단계별 순차 적용을 통한 자원 효율성 확보, 순환 피드백 차단을 통한 자기강화 방지를 목표로 설계되었다.

동절기 사례 분석 결과를 바탕으로, 제안한 5단계 통합대응전략은 기존 개별 대응방식 대비 다음과 같은 구조적 우위성을 보인다: ①허브 기능(F07) 중심 개입을 통한 연쇄 영향 최소화, ②단계별 순차 적용을 통한 자원 효율성 확보, ③지배적 경로(F13→F07→F08) 기반 우선순위 설정으로 효과 극대화.

이러한 접근법의 핵심 장점은 기존의 증상 중심 처방(송풍량 증가, 응집제 투입량 증가)이 야기했던 에너지 비용 급증과 약품비 상승 문제를 해결하면서도, 공명 현상의 구조적 원인을 제어하여 시스템의 회복탄력성을 근본적으로 강화한다는 점이다. 특히 허브-스포크 구조를 활용한 우선순위 기반 개입은 한정된 자원으로 최대 효과를 얻을 수 있는 효율적 접근법임이 확인되었다.

기존 대응방식과 FRAM 기반 통합대응전략 간에는 근본적인 철학적 차이가 있다. 기존 방식이 증상 중심 처방과 동시 다발적 처치에 의존하는 반면, FRAM 기반 방식은 구조적 원인 해결과 단계적 순차 접근에 중점을 둔다(Table 5). 특히 기존 방식이 T-N 초과 시 송풍량 증가, T-P 초과 시 응집제 투입량 증가와 같은 개별적 대응을 하는 반면, FRAM 기반 접근법은 허브 기능 중심의 구조적 개입을 통해 연쇄 영향을 원천 차단하는 통합적 해결책을 제시한다.(Table 5).

3.3 FRAM 기반 구조적 진단체계의 적용 타당성 및 시사점

본 연구의 FRAM 기반 분석은 단순한 기능 시각화를 넘어 실제 진단 결과의 구조적 해석과 통합적 대응방안 설계를 지원하는 실용적 도구로 활용될 수 있음을 입증하였다. 기능 단위의 영향 분석을 통해 네 가지 주요 기여를 확인하였다. 첫째, 문제의 구조적 원인을 규명함으로써 특정 설비 이상이 아닌 시스템 연결망의 취약점을 확인할 수 있었다. 둘째, 핵심 허브 기능인 F07의 식별을 통해 대응 우선순위를 객관적으로 도출하였다. 셋째, 개별 문제를 시스템 관점에서 통합 해석할 수 있는 프레임워크를 제공하였다. 넷째, 기능 단위 운전지식의 체계화를 통한 예방적 관리 가능성을 제시하였다.

본 연구에서 제시한 구조적 접근 방식은 여러 측면에서 실무적 우위성을 보여준다. 경제적 측면에서는 기존 개별 대응 방식에서 발생하는 에너지 비용 급증 문제를 완화하면서도, 문제의 근본 원인에 대한 체계적 대응을 가능하게 한다. 효율성 측면에서는 허브-스포크 구조를 활용한 우선순위 기반 개입을 통해 한정된 자원으로 최대 효과를 얻을 수 있는 접근법을 제공한다. 예방적 측면에서는 연쇄 공명 차단을 통해 시스템 전체의 안정성을 확보하고 재발 방지 효과를 기대할 수 있다.

또한 본 연구에서 개발한 엑셀 템플릿 기반의 체계적 데이터 매핑 방법론은 현장 적용성을 높이면서도 객관적 분석을 가능하게 하였으며, 단일 문제-개별 해결 관계를 넘어선 시스템적 접근을 통해 복합적 문제의 구조적 해석을 가능하게 하는 방법론을 제공함으로써, 통합적 운전관리와 예방적 유지관리를 위한 기반을 마련하였다. 실제로 슬러지 벌킹과 같은 반복적 문제에 대해서도 기존의 SVI 상승→반송슬러지 증량→임시 처방의 사후 대응을 F05(혐기조)←F07(폭기조)←F08(2차침전) 연계 모니터링을 포함한 예방적 프로세스로 전환할 수 있음을 정량적 근거와 함께 입증하였다. 기존에는 SVI 상승→반송슬러지 증량→임시 처방의 사후 대응이었으나, FRAM 분석을 통해 F05(혐기조)←F07(폭기조)←F08(2차침전) 연계 모니터링을 포함한 예방적 프로세스를 도출하였다. 1단계 DO 변동 패턴 실시간 감시(F07), 2단계 MLSS/SVI 연동 알람 시스템(F08), 3단계 미생물 관찰 주기 조정(F05), 4단계 반송비 사전 조정 프로토콜, 5단계 통합 데이터 로깅 시스템을 구축하였다.

이러한 예방적 접근은 사후 처방 대비 안정적 운전 지속성을 확보하고, 운전자의 경험적 판단을 체계화된 프로세스로 표준화하는 데 기여하였다.