KR101287914B1 - 정수처리용 응집제 투입률 제어를 위한 유동전류 측정 셀 - Google Patents

정수처리용 응집제 투입률 제어를 위한 유동전류 측정 셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동흐름 전위를 이용하여 정수 처리용 응집제 투입률을 제어하기 위한 유동전류 측정 셀에 관한 것으로, 정수처리용 원수(原水)에 포함된 입자의 전하량을 측정하고, 증폭부를 통하여 피드백 제어하여 응집제 투입률을 결정하는 정수처리용 응집제 투입을 위한 유동전류 측정 셀에 있어서, 내측에는 저수 공간이 형성되어 샘플링된 원수가 저수되는 하우징; 원수의 흐름을 유도하기 위하여 하우징 내부에서 상하 왕복 운동하도록 설치되는 피스톤; 상기 하우징에 저수된 원수의 전하량을 감지하기 위하여 하우징의 일 측에서 상하로 설치되는 한 쌍의 감지 전극; 및 상기 한 쌍의 감지 전극과 전기적으로 연결되어 측정 전류를 증폭하기 위하여 상기 하우징의 일 측에 설치되는 프리-앰프(pre-amplifier);를 포함하여, 상기 프리-앰프에서 증폭된 신호를 상기 증폭부로 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

정수처리용 응집제 투입률 제어를 위한 유동전류 측정 셀{Streaming Current Detector Cell for coagulant feeding rate control of water purification precess}
본 발명은 응집제 투입률 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동흐름 전위를 이용하여 정수 처리용 응집제 투입률을 제어하기 위한 유동전류 측정 셀에 관한 것이다.
상수원의 오염과 고갈로 인해 정수처리의 중요성이 날로 증대되고 있다. 통상적인 정수처리공정은 정화 대상인 원수(原水)가 정수장의 착수정, 혼화지, 응집지, 침전지, 여과지를 거쳐 정수되고, 최종적으로 정수지에 도달함으로써 이루어진다. 이때, 혼화지에서는 원수에 포함된 입자성 오염물질을 제거하기 위해 응집제(coagulant)가 투입되는 공정이 도입된다.
응집제는 원수에 분산되어 있는 콜로이드성 입자를 플록(floc)형태로 응집시켜 침강을 촉진시키는 약품이다. 이때, 입자성 오염물질은 대부분 음이온이기 때문에 이를 전기적으로 중화시키기 위해 양이온성 응집제가 투입되고 있다. 한편, 응집제 투입공정에서 적정량의 응집제 투입률을 결정하는 것이 중요하다. 이는 이후 연속되는 공정에서 입자성 오염물질을 효과적으로 제거하여 정화효율을 높이고, 비용적인 측면에서도 고가의 약품이 낭비되는 것을 방지하기 위함이다.
응집제 투입률을 결정하기 위한 종래의 기술로는 Jar-test에 의한 방법, 누적 데이터를 이용하는 방법, 그리고 유동전류 측정기(SCD, streamin current detector)을 이용한 방법이 있다.
Jar-test에 의한 방법은 1일 1~2회 정도 원수의 샘플을 채취하여 소정의 실험을 통해 응집제 투입률을 결정하기 때문에 수질변화의 실시간 감시가 불가능하고, 이로 인해 장마철에 고탁도의 원수가 유입되는 것과 같은 급격한 수질변화에 능동적으로 대처할 수 없는 문제점이 있다.
누적 데이터에 의한 방법은 원수의 탁도, 유량, pH, 알칼리도 등의 수질인자를 누적 분석함으로써 응집제 투입률을 결정하게 된다. 그러나, 누적 데이터에 의한 방법은 원수의 플록 형성에 간접적으로 영향을 주는 수질인자를 주로 고려하여 데이터의 신뢰성이 떨어질 뿐만 아니라 데이터를 지속적으로 업데이트(update)해야 하는 번거로움이 있다.
유동전류 측정기를 이용하는 방법은 원수에 포함된 입자의 전하량(charge)를 측정하고, 피드백 제어함으로써 응집제 투입률의 적정 여부를 실시간으로 모니터링하면서 제어할 수 있다. 이러한 유동전류 측정기는 도 1에 도시된 바와 같이, 지지대(11), 지지대 상부에 설치되어 원수(原水) 샘플이 유입되는 하우징(12), 원수의 흐름을 유도하기 위하여 하우징 내부에서 상하 왕복 운동하는 피스톤(13), 원수의 전하량을 감지하기 위하여 하우징의 일 측에서 상하로 설치되는 한 쌍의 감지 전극(14) 및 하우징의 외부에서 상기 감지 전극에 각각 접촉되는 한 쌍의 스프링 전극(15)으로 구성되며, 상기 스프링 전극은 미세한 전위차를 증폭시키기 위한 증폭부(Amplifier, 16)로 연결된다.
특히, 상기 감지 전극(14)에서 측정된 전류(micro appere)는 스프링 전극(15)을 통하여 증폭부(16)로 전달되는데, 스프링 전극(15)은 감지 전극(14)과 분리되어 스프링의 탄성에 의하여 감지 전극(14)에 접점으로 접촉된다(A). 이때, 스프링 전극(15)과 감지 전극(14)의 접점 불량이 발생할 수 있으며, 특히 장기간 사용되는 경우 스프링 전극(15)의 단부가 마모 혹은 부식되어 접점 불량이 빈번히 발생한다. 이러한 접점 불량은 스프링 전극(15)을 주기적으로 교체하여야 하는 불편함을 초래한다. 또한, 접점 불량에 의하여 증폭부(16)에서 증폭된 신호에는 노이즈가 높은 비율로 포함되며, 이는 부정확한 응집제 투입률이 산출되는 심각한 문제점을 발생시킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 한 쌍의 감지 전극에서 측정되는 전류는 직접 증폭부로 전송되도록 구성됨으로써, 접점 불량을 방지할 수 있는 정수처리용 응집제 투입을 위한 유동전류 측정 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 측정 셀에 프리-앰프(Pre-amplifier)를 직접 연결하여 측정 전류(micro appere)를 증폭시킨 후 메인 증폭부(Power-Amplifier)로 신호를 전달시켜 신호에 포함된 노이즈 비율을 최소화하여 정확한 응집제 투입률을 산출할 수 있도록 하는 정수처리용 응집제 투입을 위한 유동전류 측정 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 정수처리용 원수(原水)에 포함된 입자의 전하량을 측정하고, 증폭부를 통하여 피드백 제어하여 응집제 투입률을 결정하는 정수처리용 응집제 투입률 제어를 위한 유동전류 측정 셀에 있어서, 내측에는 저수 공간이 형성되어 샘플링된 원수가 저수되는 하우징; 원수의 흐름을 유도하기 위하여 하우징 내부에서 상하 왕복 운동하도록 설치되는 피스톤; 상기 하우징에 저수된 원수의 전하량을 감지하기 위하여 하우징의 일 측에서 상하로 설치되는 한 쌍의 감지 전극; 및 상기 한 쌍의 감지 전극과 전기적으로 연결되어 측정 전류를 증폭하기 위하여 상기 하우징의 일 측에 설치되는 프리-앰프(pre-amplifier);를 포함하여, 상기 프리-앰프에서 증폭된 신호를 상기 증폭부로 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 프리-앰프(pre-amplifier)는 상기 하우징의 일 측에서 하우징과 일체형으로 구성된다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 감지 전극에서 측정된 전류가 직접 증폭부로 전송됨으로써, 종래의 스프링 전극에 의한 접점 불량을 방지하여 정확한 신호를 전달할 수 있다.
또한, 측정 셀에 프리-앰프(Pre-amplifier)가 일체형으로 부착되어 감지 전극에서 측정된 전류(micro appere)를 측정 셀에서 증폭시킨 후 본체의 메인 증폭부(Amplifier)로 신호를 전달시킴으로써, 신호에 포함된 노이즈 비율을 최소화하여 정확한 응집제 투입률을 산출할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 유동전류 측정 셀의 통상적인 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정수처리용 응집제 투입률 측정시스템을 나타낸 구성도,
도 3은 도 2의 주요부인 유동전류 측정 셀의 구조를 나타낸 도면, 및
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정수처리용 응집제 투입률 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정수처리용 응집제 투입률 측정시스템을 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 주요부인 유동전류 측정 셀의 구조를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정수처리용 응집제 투입률 측정시스템은 크게 샘플링부(100), 탁도측정부(200), 샘플챔버(300), 유기물 측정부(400), 양이온 요구량 측정부(500) 및 연산처리부(600)를 포함하여 구성된다.
여기서, 샘플링부(100)는 제1펌프(110)와 제1필터(120)로 구성된다. 제1펌프(110)는 정수장의 착수정으로부터 원수(原水) 샘플을 채취하여 탁도측정부(200)로 이송하는 역할을 한다. 그리고, 제1필터(120)는 원수 샘플에 포함된 돌, 모래, 나무조각과 같은 크기가 큰 이물질을 걸러내는 역할을 한다.
탁도측정부(200)는 수조(210)와 탁도계(220)로 구성된다. 수조(210)는 원수 샘플이 연속적으로 통과할 수 있는 구조를 갖는다. 그리고, 탁도계(220)는 원수 샘플의 탁도를 실시간으로 측정할 수 있도록 수조(210) 내부에 설치된다. 탁도계(220)는 통상 원수 샘플에 소정의 빛을 조사하여 산란정도를 측정하거나 흡광도법을 이용하여 빛의 흡수 정도를 측정함으로써 원수 샘플의 탁도에 관한 데이터를 얻게 된다.
샘플챔버(300)는 소정용량을 갖고, 제1펌프(110)에 의해 수조(210)를 통과한 원수 샘플이 임시 저장되는 곳이다. 샘플챔버(300)는 내부에 대략 300㎛ 이상의 크기를 갖는 모래, 실트질 입자 등의 이물질을 걸러내기 위한 제2필터(310)가 더 구비된다. 제2필터(310)는 앞서 설명한 제1필터(120)와 함께 원수에 포함된 비교적 크기가 큰 이물질을 걸러내 줌으로써 본 발명에 따른 응집제 투입률 측정시스템이 쉽게 파손되거나 측정값의 오차발생을 방지하는 역할을 한다. 한편, 샘플챔버(300)의 하부에는 제1배수관(320) 및 제1배수밸브(322)가 구비되고, 제어부(미도시)에 의해 임시저장된 원수 샘플을 배수시킬 수 있는 구조를 갖는다.
유기물 측정부(400)는 제2펌프(410)를 구비하여 샘플챔버(300)로부터 원수 샘플을 일정량 추출하고, 원수 샘플에 포함된 유기물함량을 측정하는 역할을 한다. 이때, 유기물 측정부(400)는 총유기탄소(TOC) 계측기와 자외선(UV) 계측기 중 어느 하나가 구비될 수 있고, 2가지 계측기가 모두 구비될 수 있다. 총유기탄소 계측기와 자외선 계측기는 각각 이산화탄소량과 자외선 흡수도를 측정함으로써 원수 샘플에 포함된 유기물함량에 관한 데이터를 얻게 된다. 본 실시예에 의하면 자외선 계측기는 UV 254㎚의 흡광도를 측정하는 것이 바람직하다. 그리고, 유기물 측정부(400)의 하부에는 제2배수관(420) 및 제2배수밸브(422)가 구비되고, 제어부(미도시)에 의해 원수 샘플을 배수시킬 수 있는 구조를 갖는다. 한편, 총유기탄소 계측기와 자외선 계측기는 공지된 계측기를 사용하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
양이온 요구량 측정부(500)는 정량 샘플링챔버(510), 유동전류 측정 셀(520), 증폭부(530) 및 적정시약 탱크(540)로 구성된다. 정량 샘플링챔버(510)는 제3펌프(511)에 의해 샘플챔버(300)로부터 일정량 추출된 원수 샘플이 임시 저장된다. 유동전류 측정 셀(520)은 샘플링된 원수에 포함된 이물질의 전하량을 측정하고, 그 결과를 증폭부(530)로 전송한다. 유동전류 측정 셀(520)의 하부에는 제3배수관(526) 및 제3배수밸브(527)가 구비되고, 제어부(미도시)에 의해 원수 샘플을 배수시킬 수 있는 구조를 갖는다. 증폭부(530)는 파워-엠프(power-amplifier)로 구성되어, 유동전류 측정 셀(520)에서 측정되는 미세 전위를 증폭시킨다. 그리고, 적정시약 탱크(540)는 적정시약 투입기(541)를 통하여 유동전류 측정 셀(520)로 시약을 투여한다.
특히, 유동전류 측정 셀(520)은 도 3에 도시된 바와 같이, 지지대(521), 지지대(521) 상에 설치되는 하우징(522), 하우징(522) 내부에서 상하 왕복 운동하는 피스톤(523), 하우징(522)의 상하에 설치된 한 쌍의 감지 전극(524) 및 상기 감지 전극(524)과 전기적으로 연결되며 상기 하우징(522)의 일 측에 마련되는 프리-앰프(pre-amplifier, 525)를 포함한다. 프리-앰프(525)에서 1차 증폭된 신호는 측정시스템 본체의 증폭부(530)로 전송된다.
여기서, 프리-앰프(525)는 감지 전극(524)에서 측정된 전위차에 포함된 노이즈를 최소로하여 신호를 증폭시킨 후 메인 증폭부(530)로 전송하여 신호 대비 노이즈 비율을 최소로하여 정확한 유동전위를 산출할 수 있도록 한다. 이러한, 프리-앰프(525)는 하우징(522) 일 측에 결합되어 하우징(522)과 일체형으로 구성될 수 있으며, 한 쌍의 감지 전극(524)은 프리-앰프(525)에 전기적으로 직접 연결되도록 구성된다.
본 실시예에 의하면, 유동전류 측정 셀(520)은 정량 샘플링챔버(510)로부터 약 15ml의 원수 샘플을 정량 공급받아 유동 전위(mV)를 측정하게 된다. 이때, 원수 샘플에 포함된 음이온성 입자로 인해 측정된 유동 전위값은 마이너스(-) 값을 갖게 되고, 이를 중화(응집)하기 위해 적정시약 투입기(541)로부터 양이온성 적정시약을 일정간격으로 공급받게 된다. 그리고, 유동전류 측정 셀(520)은 측정되는 유동 전위가 0 mV가 되는 적정시약의 양, 즉 양이온 요구량에 관한 데이터를 얻게 된다. 한편, 적정시약은 혼화지의 원수 전체에 투입될 응집제와 동일한 종류의 약품일 수 있고, 다른 종류의 약품일 수 있다. 적정시약은 Poly-dadmac, Alum, Raifix, Polyamine, PAC, PEI, PACS 등이 사용될 수 있다.
연산처리부(600)는 상술된 탁도계(220), 유기물 측정부(400) 및 유동전류 측정 셀(520)과 전기적으로 연결되고, 측정된 탁도 데이터, 유기물함량 데이터 및 양이온 요구량 데이터를 전송받는다. 연산처리부(600)는 소정의 연산프로그램이 내장되어 있고, 상술된 데이터를 연산처리함으로써 응집제 투입률을 결정하여 출력하게 된다. 이때, 상술된 데이터들은 A/D변환기(미도시)에 의해 디지털신호로 변환되어 연산처리부(600)에 전송되는 것이 바람직하다.
한편, 탁도, 유기물함량, 유동전위, 양이온 요구량과 같은 수질인자 데이터, 유동전위, 응집제 투입률 등을 표시하는 디스플레이부(700)가 연산처리부(600)와 유선 또는 무선으로 연결된다. 디스플레이부(700)는 작업 현장이나 제어룸 등에 설치되고, 작업자가 디스플레이부(700)를 통해 원수의 수질변화를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
또한, 세척수단(800)이 샘플챔버(300), 유기물 측정부(400), 정량 샘플링챔버(510) 및 유동전류 측정 셀(520)에 각각 설치된다. 세척수단(800)은 제4펌프(811)에 의해 세척수 탱크(810)로부터 세척수가 공급되고, 제5펌프(821)에 의해 세척시약 탱크(820)로부터 세척시약을 공급받는 구조를 갖는다.
그리고, 본 발명에 따른 응집제 투입률 측정시스템은 상술된 구성요소들과 전기적으로 연결된 제어부(미도시)가 구비됨으로써 응집제 투입공정 및 각 구성요소들의 세척을 자동화할 수 있다. 응집제 투입공정은 제어부(미도시)가 연산처리부(600)로부터 출력된 응집제 투입률에 관한 데이터를 전송받아 응집제 투입장치(미도시)를 제어함으로써 응집제를 응집제 투입률에 따라 정수장의 혼화지에 투입함으로써 이루어진다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정수처리용 응집제 투입률 측정 방법을 나타낸 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 측정방법은 제1단계(S100) 내지 제7단계(S700)를 거치게 된다.
구체적으로 살펴보면, 제1단계(S100)는 샘플링부(100)에서 정수장의 착수정으로부터 원수샘플을 채취하여 탁도 측정부(200)로 이송하게 된다. 즉, 제1펌프(110)에 의해 원수샘플이 탁도 측정부(200)의 수조(210)로 이송되고, 원수샘플에 포함된 돌, 모래, 나무조각과 같은 크기가 큰 이물질은 제1필터(120)에 의해 걸러지게 된다.
제2단계(S200)는 수조(210) 내부에 구비된 탁도계(220)가 원수샘플의 탁도를 실시간으로 측정하고, 측정된 탁도 데이터를 디지털신호로 변환하여 연산처리부(600)에 전송하게 된다.
제3단계(S300)는 제1펌프(110)에 의해 수조(210)를 통과한 원수샘플이 샘플챔버(300)로 이송되어 임시 저장된다. 이때, 원수샘플은 샘플챔버(300)에 내장된 제2필터(310)에 의해 모래, 실트질 입자와 같은 300㎛ 이상의 크기를 갖는 이물질이 걸러지게 된다.
제4단계(S400)는 제2펌프(410)에 의해 샘플챔버(300)에 저장된 원수샘플을 추출하여 유기물 측정부(400)로 이송하고, 유기물 측정부(400)가 유기물함량을 측정하게 된다. 그리고, 측정된 유기물함량 데이터를 디지털신호로 변환하여 연산처리부(600)에 전송하게 된다. 이때, 총유기탄소(TOC) 계측기는 이산화탄소량을 측정하고, 자외선 계측기는 자외선 흡수도(예를 들면 UV 254㎚의 흡광도)를 측정함으로써 원수샘플에 포함된 유기물함량을 측정하게 된다.
제5단계(S500)는 다음과 같다. 먼저, 정량 샘플링챔버(510)가 제3펌프(512)에 의해 샘플챔버(300)로부터 원수샘플을 약 15ml정도 추출하여 저장하게 된다. 다음으로, 정량 샘플링챔버(510)에 저장된 원수샘플이 유동전류 측정 셀(520)의 하우징(522)에 유입되고, 피스톤(523)이 하우징(522) 내부에서 상하 왕복운동함에 따라 발생된 유동전위를 측정하게 된다. 다음으로, 적정시약 투입기(541)가 하우징(522)에 일정량의 적정시약을 일정간격으로 공급하게 된다. 예를 들어 적정시약은 1회에 0.05ml씩 10초간 공급하고, 공급시마다 유동전위를 측정하게 된다. 측정된 전위는 프리-앰프(525) 및 증폭부(530)에 증폭되어 양이온 요구량을 결정하는 데이터로 활용된다. 이때, 유동전류 측정 셀(520)은 유동전위가 0 mV일 때 공급된 적정시약의 양, 즉 양이온 요구량을 측정하게 된다. 그리고, 측정된 양이온 요구량 데이터는 디지털신호로 변환되어 연산처리부(600)에 전송된다.
제6단계(S600)는 연산처리부(600)가 상술된 탁도, 유기물함량 및 양이온 요구량에 관한 데이터를 기초하여 소정의 연산처리를 통해 응집제 투입률을 결정하게 된다.
제7 단계(S700)는 연산처리부(600)로부터 전송받은 탁도, 유기물함량, 유동전위, 양이온요구량, 응집제투입률 등에 관한 데이터를 디스플레이부(700)에 표시하게 된다. 이를 통해 정수장 내의 현장 또는 제어룸에서 작업자가 응집제 투입공정을 실시간 감시할 수 있고, 응집제 투입공정의 오류발생시 즉각적인 대처가 가능하다.
한편, 앞서 설명한 제2단계(S200), 제4단계(S400) 및 제5단계(S500)의 각 단계 이후에 세척수단(800)이 세척수 탱크(810)와 세척시약 탱크(820)로부터 각각 세척수와 세척시약을 공급받아서 기계적인 방법 또는 역세척 방법 등으로 샘플챔버(300), 유기물 측정부(400), 정량 샘플링챔버(510) 및 유동전류 측정 셀(520)을 각각 세척할 수 있다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : 샘플링부 200 : 탁도측정부
300 : 샘플챔버 400 : 유기물 측정부
500 : 양이온 요구량 측정부 510 : 정량 샘플링챔버
520 : 유동전류 측정 셀 530 : 증폭부
600 : 연산처리부 700 : 디스플레이부
800 : 세척수단

Claims (2)

  1. 정수처리용 원수(原水)에 포함된 입자의 전하량을 측정하고, 증폭부를 통하여 피드백 제어하여 응집제 투입률을 결정하는 정수처리용 응집제 투입을 위한 유동전류 측정 셀에 있어서,
    내측에는 저수 공간이 형성되어 샘플링된 원수가 저수되는 하우징;
    원수의 흐름을 유도하기 위하여 하우징 내부에서 상하 왕복 운동하도록 설치되는 피스톤;
    상기 하우징에 저수된 원수의 전하량을 감지하기 위하여 하우징의 일 측에서 상하로 설치되는 한 쌍의 감지 전극; 및
    상기 하우징의 일 측에서 상기 하우징과 일체형으로 설치되고, 상기 한 쌍의 감지 전극과 전기적으로 직접 연결되어 측정 전류를 증폭하는 프리-앰프(pre-amplifier);를 포함하여,
    상기 프리-앰프에서 증폭된 신호를 상기 증폭부로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 정수처리용 응집제 투입률 제어를 위한 유동전류 측정 셀.
  2. 삭제
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