KR101791502B1 - 차집 및 방류 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체의 수위를 감지하는 수위센서와 유체의 전기전도도를 감지하는 전기전도도측정센서를 포함하는 감지부; 차집관로의 수문을 개폐하는 구동부; 상기 구동부를 제어하여 수문을 개폐하되, 우천시에는 상기 수위센서에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차집 및 방류 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

차집 및 방류 제어 시스템{A controlling system of intercepting and discharge}

본 발명은 수위와 전기전도도의 상관관계를 고려하여 수문제어를 통해 차집 또는 방류를 자동적으로 제어할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

우수토실은 합류식 하수관로에서 우천시에 어떤 일정량의 오수 및 우수를 차집하여 하수처리장에 수송하고 나머지 오수 및 우수는 하천 등의 수역으로 방류하기 위한 시설을 의미한다. 즉 합류식 하수관로에서 청천시에는 생활 오수를 전량 차집하게 되나 우천시와 같이 대량의 우수가 유입되는 경우에는 대량의 우수를 모두 차집하여 하수처리장으로 보내 처리하는 경우 처리장의 건설비와 유지관리비가 커지며 하수처리장의 부하가 발생되고 또한 초기우수 등 오염도가 높은 상태에서 그대로 하천에 방류하는 경우 하천오염의 문제가 생기게 되는 것이다.

따라서 오염도가 높은 초기우수를 가급적 많이 차집하여 하천의 오염부하를 줄이고 오염도가 비교적 낮은 중기 이후의 하수를 방류하여 차집량를 줄임으로써 하수처리 부하를 줄이는 것이 바람직한데, 종래 고정식 월류웨어와 오리피스에 의한 차집방법은 수위에 따라 일정한 유량을 받아들이므로 수질특성을 감안한 유량의 조정이 불가한데 이는 일중에도 하수의 유량 및 수질의 변화 폭이 크며, 강우시 우수토실로 유입되는 하수의 수질 및 유량은 강우강도, 강우지속시간, 배수구역의 크기, 관로의 정비상태(청천시 퇴적부하량), 토지이용 현황, 지표의 경사도, 선행무강우 일수 등 많은 변수가 작용하는데 기인한 것이다.

이러한 한계점을 극복하고 선별적 차집을 위해서는 유량 및 수질을 변수로 하여 차집유량을 제어할 필요성이 있다. 그러나 실시간으로 수질을 측정할 수 있는 계측기는 제한적이며 매우 고가이고 현장 설치에 많은 문제점이 있다. 또한 계측기의 유지관리에도 많은 노력이 필요하므로 수질의 간접계측에 의한 방법이 모색되어 왔으며 이중 대한민국 특허등록 제10-0447049호에서는 전기전도도(EC)와 수질의 직접적인 상관관계를 이용한 제어 방법이 제안되었다.

이는 전기전도도와 유체의 오염도가 비례할 것이라는 가정에 의한 기술로 대체적으로는 상관관계가 유지되어 우천시 유량이 증가함에 따라 오염물질의 희석으로 전기전도도가 저하되는 경향을 보이기는 하나, 초기세척효과나 우천시 관로내 소류력의 증가로 건기시 퇴적물의 유출 등 다양한 인자에 의해 우수 초기에는 이러한 상관관계가 존재하지 않아 차집 또는 방류에 의해 차집부하 또는 하천오염 등의 문제를 유발할 수 있다.

대한민국 특허등록 제10-0447049호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수위와 전기전도도 값의 상관관계 분석을 통해 합리적인 수문제어시점을 도출함으로써 하수처리장의 부하 및 하천의 오염을 방지할 수 있는 차집 및 방류 제어 시스템을 제공하고자 함이다.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 차집 및 방류 제어 시스템은 유체의 수위를 감지하는 수위센서와 유체의 전기전도도를 감지하는 전기전도도측정센서를 포함하는 감지부; 차집관로의 수문을 개폐하는 구동부; 상기 구동부를 제어하여 수문을 개폐하되, 우천시에는 상기 수위센서에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 상관관계는 수위센서에 의한 수위값이 증가함에 따라 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값이 감소하는 것임을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 제어부는, 전기전도도 희석률(청천시 전기전도도/우천시 전기전도도)의 기울기(전기전도도 희석률의 시간에 따른 변화율)를 도출하여 전기전도도 희석률 기울기가 급변하는 시점에서 상기 수위센서에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값간 상관관계를 판단하여 상기 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 차집 및 방류 제어 시스템은 수위 및 전기전도도의 상관관계를 이용하여 수문개폐가 자동적으로 조절되도록 함으로써 하수처리장의 과부하, 하천의 오염 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명 시스템의 기본 예를 나타내는 블록도이고,
도 2는 본 발명이 적용된 예를 나타내는 개략도이고,
도 3은 청천시 전기전도도, 우천시 전기전도도 및 전기전도도 희석률을 나타내는 그래프이고,
도 4는 전기전도도 희석률과 측정유량의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 5는 우천시 전기전도도와 수질과의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은 청천시 및 우천시 전기전도도, 유량의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 7은 전기전도도 희석률, BOD 및 유량의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 8은 전기전도도 희석률 기울기, BOD 및 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 차집 및 방류 제어 시스템(100)은 도 1에서 보는 바와 같이 유체의 수위를 감지하는 수위센서(111)와 유체의 전기전도도를 감지하는 전기전도도측정센서(112)를 포함하는 감지부(110); 차집관로의 수문(140)을 개폐하는 구동부(130); 상기 구동부(130)를 제어하여 수문(140)을 개폐하되, 우천시에는 상기 수위센서(111)에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서(112)에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문(140)을 열어 하수관로로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하는 제어부(120);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

우선 본 발명의 차집 및 방류 제어 시스템(100)은 도 2에서 적용되는 일 예를 도시하고 있는 바, 도 2에서는 하수관로(1)의 하면에서 개구(11)에 의해 연통하며 일측에 연결관(21)에 의해 차집관로(3)와 연통되는 우수토실(2)과 상기 개구(11)의 개폐를 조절하는 수문(140)이 구성되는 구조에서 본 발명의 차집 및 방류 제어 시스템(100)이 상기 수문(140)의 개폐를 제어하여 하수관로(1)로부터의 유체(오수 및 우수)를 우수토실(2) 및 차집관로(3)를 통해 차집하거나 그대로 하수관로(1)를 통해 방류하도록 하는 것이다.

여기서 상기 하수관로(1)는 특히 합류식 하수관에 해당하는 것으로 각 가정 등의 오수와 우수가 상기 하수관로(1)를 통해 합류되어 유동하는 것이다. 상기 우수토실(2)은 상기 하수관로(1)의 하면에서 상기 개구(11)에 의해 연통하도록 하면서 하수관로(1)를 통해 유동하는 유체를 일시적으로 저장시키면서 상기 연결관(21)을 통해 차집관로(3)로 유체를 전달토록 하는 것이며, 상기 차집관로(3)로 전달된 유체는 도면에 도시된 바는 없으나 하수처리장으로 유동하여 처리후 방류가 되는 것이다.

그런데 하수관로(1)를 유동하는 유체는 청천시의 경우 오수만이 유동하여 상기에서 언급한 바와 같이 우수토실(2) 및 차집관로(3)를 거쳐 하수처리장으로 전달되도록 하는데 우천시는 하수관로(1)를 유동하는 유체는 오수와 우수가 혼합된 것으로 하수처리장의 부하 등의 문제가 있어 오염도가 높은 초기우수 등은 우수토실(2) 및 차집관로(3)를 거쳐 하수처리장으로 전달하고 이후에는 상기 수문(140)에 의해 상기 개구(11)를 닫아 하수관로(1)를 통해 도면에 도시된 바는 없으나 하천으로 방류토록 하는 것이다.

이에 상기 개구(11)를 개폐하기 위한 수문(140)의 제어가 필요한데 본 발명의 시스템은 이러한 수문(140)의 개폐를 조절하되 차집 및 방류의 부하를 줄이도록 하는데 그 특징이 있는 것이다.

본 발명의 감지부(110)는 유체의 수위를 감지하는 수위센서(111)와 유체의 전기전도도를 감지하는 전기전도도측정센서(112)를 포함하여 구성됨에 특징이 있다. 상기 감지부(110)에 의해 하수관로(1)를 유동하는 유체의 수위 및 전기전도도를 실시간으로 감지하여 이하에서 설명하는 바와 같이 상기 제어부(120)는 수위(유량) 및 전기전도도의 상관관계를 분석하여 상기 수문(140)의 개폐를 제어하도록 하는 것이다.

상기 구동부(130)는 상기 제어부(120)의 제어에 의해 상기 수문(140)을 개폐하도록 하는 수단으로서 상기 구동부(130)는 다양한 공지기술에 의해 상기 수문(140)의 개폐를 조절할 수 있도록 구현할 수 있으므로 그 설명은 생략한다.

상기 제어부(120)는 상기 감지부(110)에 의해 감지된 수위값 및 전기전도도값을 실시간으로 분석하여 분석결과에 따라 상기 구동부(130)에 상기 수문(140)의 개폐신호를 인가토록 하는 구성에 해당한다.

이를 위해 상기 제어부(120)에는 비교데이터가 구비되어야 한다. 상기 비교데이터는 도 3에서 보는 바와 같이 해당지역에서 장기간의 수위(유량) 측정치와 전기전도도 측정치에 대한 연속데이터로부터 청천시 전기전도도 데이터 추출후 요일 및 시간변화에 따른 청천시 전기전도도 패턴을 분석해내고, 그 다음으로 연속데이터로부터 우천시 전기전도도를 추출하고 상기 청천시 전기전도도 패턴에 기초하여 우천시 전기전도도에 대응하는 청천시 전기전도도를 추출하여 전기전도도 희석률(시간변화에 따른 청천시 전기전도도/우천시 전기전도도)을 산출해낸다.

이에 더하여 상기 전기전도도 희석률에 관한 데이터와 상기 연속데이터로부터의 유량데이터를 이용하여 유량회귀식을 도출하는데, 이러한 유량회귀식이 비교데이터로서 기 축적이 되어 있어야 한다.

상기 제어부(120)는 청천시에는 상기 수문(140)을 제어하여 도 2에서 보는 바와 같이 하수관로(1)로부터 유동하는 유체를 우수토실(2) 및 차집관로(3)로 유도하도록 한다. 여기서 하수관로(1)를 유동하는 유체는 오수가 될 것이다.

특히 우천시에는 상기 제어부(120)는 상기 수위센서(111)에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서(112)에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문(140)을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하며, 상관관계가 발현되는 시점 이후에는 전기전도도값 또는 수위값에 의해 상기 수문(140)의 개폐를 제어하여 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집 또는 방류토록 하는 것이다.

즉 상기 제어부(120)는 초기 우천시에 유량은 증가하나 오염도가 높아 계속적인 차집이 필요한 종점을 수위센서(111)에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서(112)에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되는 시점까지로 하여 수문(140)을 계속적으로 열어 차집이 되도록 하는 것이며, 차집이 필요한 종점이후에는 전기전도도값 또는 수위값에 의한 수문(140) 제어에 의해 차집 또는 방류를 제어하도록 하는 것이다.

즉 전기전도도값과 수위값 간에 상관관계가 발현되는 시점이후에는 전기전도도값 또는 수위값에 의해 수문(140)을 제어토록 하는 것이다.

이와 같이 제어부(120)가 수문(140)을 제어하는 이유는 상기에서 본 바와 같이 종래에는 단순히 전기전도도를 측정하여 전기전도도가 높은 경우 오염도가 높다는 가정하에 수문을 제어하는 기술을 제시하여 왔던 바, 도 5에서 보는 바와 같이 실질적으로 단순히 전기전도도 값과 수질과의 상관성은 없는 것으로 판단된다.

도 5는 BOD와 전기전도도간 직접적인 상관관계를 나타내고 있지 않음을 보여주는데, 이는 초기세척효과나 우천시 관로내 소류력의 증가로 건기시 퇴적물의 유출 등 다양한 인자(이하에서는 "초기세척효과"라함)에 의해 영향을 받기 때문으로 판단된다.

일반적으로 도 6에서 보는 바와 같이 우천 등에 의해 유량이 증가하는 경우 전기전도도는 줄어드는 경향을 보인다. 즉 오수에 빗물이 유입되어 오염물질을 희석시키기 때문인데 상기 초기세척효과가 발현되는 구간에서는 이러한 상관관계가 희박해지게 된다. 이에 본 발명에서는 도 6에서 보는 바와 같이 수위센서(111)에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서(112)에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되지 않는 구간(d)을 초기세척효과가 발현되는 구간으로 보아 유량이 증가함에도 제어부(120)는 수문(140)을 열어 차집이 되도록 하는 것이다. 결국 초기세척효과에 의해 오염농도가 큰 유체를 방류하여 하천수질을 저하시키는 것을 방지하게 되는 것이다.

상기 상관관계는 도 6에서 보는 바와 같이 수위센서에 의한 수위값이 증가함에 따라 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값이 감소하는 것을 정의하는 것으로 d구간에서는 이러한 상관관계가 발현되지 않는 것이다.

즉 우천에 의해 유량이 증가하더라도 전기전도도값이 거의 변하지 않고 있는 것인데 이는 상기에서 언급한 바와 같이 초기세척효과에 의해 유체에 오염물질이 다량으로 혼입됨에 기인한 것이다.

d구간이 끝나는 종점(P)까지 제어부(120)는 수문(140)을 열어 유체를 차집하게 되는 것이며, 종점(P) 이후에는 전기전도도값과 수위값 간에 상관관계가 발현되므로 이러한 측정값에 의해 수문을(140) 제어하는 것이다. 여기서 종점(P)은 상기 상관관계가 발현되는 시점이 되는 것이다.

종래 유량만에 의해 수문을 제어하는 경우 도 6에서 1:00경에는 유량이 청천시 유량에 근접하여 차집하는 구간에 해당하는데 전기전도도값을 보면 청천시 대비 2배 이상 희석이 된 상태인 것을 알 수 있으므로 방류에 의한 처리가 더욱 바람직한 것을 알 수 있다.

즉 본 발명은 전기전도도 희석률에 의해 실질적인 오염도를 추정하여 차집 또는 방류를 제어함으로써 그만큼 하수처리부하를 줄일 수 있으며 동시에 하천오염 등을 방지할 수 있게 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 상기 제어부(120)에 의해 전기전도도값과 수위값 간에 상관관계의 발현유무를 판단하여 수문을 제어하도록 하고 있으나, 상기 제어부(120)가 계속적으로 전기전도도값과 수위값 간에 상관관계의 발현유무를 판단토록 함에 따라 미세한 상관관계의 발현유무에도 수문(120)을 제어하도록 하여 실제 실측치와 다르게 수문(140)을 제어할 수 있는 문제가 있을 수 있고 이러한 계속적인 감지는 기기부하를 유발할 수 있는 바, 본 발명에서 상기 제어부(120)는, 전기전도도 희석률(청천시 전기전도도/우천시 전기전도도)의 기울기(전기전도도 희석률의 시간에 따른 변화율)를 도출하여 전기전도도 희석률 기울기가 급변하는 시점에서 상기 수위센서(111)에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서(112)에 의한 전기전도도값간 상관관계를 판단하여 상기 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문(140)을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집토록 하는 예를 더 제시한다.

즉 전기전도도 희석률의 기울기를 계속적으로 감지하면서 전기전도도 희석률의 기울기가 급변하는 시점을 초기세척효과가 진행되고 있는 구간 즉 상기 상관관계가 발현되지 않는 구간의 진행되고 있음을 감지토록 하는 알람으로 사용하여 전기전도도 희석률의 기울기가 급변하는 시점이 감지되면 비로소 상기 상관관계를 분석하여 수문(140)을 제어토록 하는 것이다.

이하에서는 본 발명이 전기전도도 희석률 기울기의 급변시점이 상기 상관관계가 발현되지 않는 구간(d)이 진행중임을 알리는 시점으로서 작동케하는 이유에 대해서 설명한다.

실질적으로 단순히 전기전도도 값과 수질과의 상관성은 없는 것으로 판단되며, BOD와 전기전도도간 직접적인 상관관계를 나타내고 있지 않는데 이는 초기세척효과나 우천시 관로내 소류력의 증가로 건기시 퇴적물의 유출 등 다양한 인자에 의해 영향을 받기 때문인 것은 기 설명한 바와 같다.

이에 본 발명에서는 전기전도도 희석률 기울기 개념을 더 도입하게 되었는 바, 도 7은 우천시 시간에 따른 유량, 수질조사 결과 및 전기전도도 희석률의 변화를 도시한 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이 강우에 의해 유량이 첨두유량을 나타내면서 초기세척효과가 나타나는 현상을 보이고 있다.

유량과 전기전도도 희석율이 대체로 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있는 바와 같이 유량과 전기전도도 희석률은 유사한 추세를 보이고 있다. 도 7에서 보면 초기세척효과가 나타나는 시점, 즉 유량과 수질(BOD값)이 크게 상승되는 시점에서 전기전도도 희석률(ECdry/ECwet)도 Peak에 도달하는 현상을 보이고 있다. 따라서 전기전도도 희석률의 시간적 변화를 기울기 개념으로 전기전도도 희석률 인자의 경향성을 표현할 수 있으며, 기울기를 이용하여 실시간 제어 시점을 찾아내는 데 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

전기전도도 희석률 기울기(ECRS)는 전기전도도 희석률(ECR)의 증분을 측정간격으로 나눈 값으로 아래 식과 같으며, 전기전도도 희석률의 기울기는 [hr-1]의 단위로 규정된다.

여기서, ECRS : Electrical conductivity ratio slope [hr-1]

ECR : Electrical conductivity ratio (ECdry/ECwet)

도 8은 시간에 따른 전기전도도 희석률 기울기(ECRS), 유량 및 BOD간 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8에서 보는 바와 같이 초기세척효과가 나타나는 시점에서 전기전도도 희석률 기울기가 급격히 증가했다 감소하는 현상을 보이고 있다. 따라서 전기전도도 희석률 기울기 개념을 도입하면 희석률의 급격한 변동시(도 8에서 400time 부분)를 초기세척효과가 나타나는 구간(d)로 유추할 수 있게 되는 것이다.

이에 본 발명에서는 상기 제어부(120)가 전기전도도 희석률 기울기를 실시간으로 모니터링 하면서 전기전도도 희석률 기울기가 급변하는 시점이 감지되는 경우 상기 상관관계를 파악하도록 하여 상관관계가 발현되지 않는 구간(d)까지 수문(140)을 열어두도록 하는 것이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

100 : 본 발명의 시스템 110 : 감지부
120 : 제어부 130 : 구동부
140 : 수문

Claims (3)

1. 유체의 수위를 감지하는 수위센서와 유체의 전기전도도를 감지하는 전기전도도측정센서를 포함하는 감지부;
   차집관로의 수문을 개폐하는 구동부; 및
   상기 구동부를 제어하여 수문을 개폐하되, 우천시에는 상기 수위센서에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값간 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하는 제어부;를 포함하되,
   상기 상관관계는 수위센서에 의한 수위값이 증가함에 따라 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값이 감소하는 것으로,
   상기 제어부는,
   전기전도도 희석률(청천시 전기전도도/우천시 전기전도도)의 기울기(전기전도도 희석률의 시간에 따른 변화율)를 도출하고 이를 감지하여 전기전도도 희석률 기울기가 급변하는 시점이 감지되는 경우에 상기 수위센서에 의한 수위값과 상기 전기전도도측정센서에 의한 전기전도도값 간 상관관계를 파악하도록 하고, 상기 상관관계가 발현되는 시점을 초기세척효과가 끝나는 종점으로 보아 상기 상관관계가 발현되는 시점까지는 상기 수문을 열어 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집관로로 유도하여 차집하며, 상관관계가 발현되는 시점 이후에는 전기전도도값 또는 수위값에 의해 상기 수문의 개폐를 제어하여 하수관으로부터 유동하는 유체를 차집 또는 방류하는 것을 특징으로 하는 차집 및 방류 제어 시스템.
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