KR102308649B1 - 하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템 - Google Patents

하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬러지의 표면전하밀도를 이용하여 성상 변화 및 함수율을 자동 분석해 응집제 주입량을 실시간으로 자동 조절 및 제어하는 자동주입시스템을 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 슬러지의 표면전하밀도를 측정하는 전하측정부, 상기 전하측정부에 슬러지의 유입량을 일정하게 유지하여 공급하는 유량제어계, 상기 전하측정부의 측정값에 따라 약품 주입량을 산출하고 전반적인 작동을 제어하는 제어부, 상기 제어부의 제어에 따라 약품 주입량을 조절하는 주입량조절부 및 상기 제어부로부터 슬러지의 표면전하밀도 측정값 및 약품 주입량을 실시간으로 수집하여 데이터베이스화하고 표시하는 모니터링부를 포함하는 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템을 개시한다.

Description

하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템{Automatic chemical dosing system for improving efficiency of sludge dehydration}
본 발명은 하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동주입시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 슬러지의 표면전하밀도를 이용하여 성상 변화를 실시간으로 분석해 슬러지의 함수율을 낮추기 위한 최적 응집제 주입량을 자동 조절 및 제어할 수 있는 하·폐수 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템에 관한 것이다.
오늘날 하수처리장, 폐수처리장, 음식폐기물 처리장 등에서 주로 발생 및 배출되는 유기성 슬러지(sludge)는 침전, 농축, 안정화, 개량, 탈수 등의 과정을 거쳐 탈수 케이크(cake)로 처리한 후, 건조하여 화력발전소 등의 보조연료로 활용하거나 매립하고 있다.
특히 탈수 공정에서는 슬러지의 부피를 줄여 취급과 운반을 용이하게 하기 위해 적정량의 응집제를 주입하여 함수율을 낮추고 있다.
이러한 슬러지의 탈수 시 응집제의 종류 및 주입량 결정 방법으로 종래에는 일종의 모형 응집실험인 쟈테스트(jar-test)를 활용하여 수동으로 주입하였다.
그런데 이 방법은 수시로 변화하는 슬러지의 성상 변화에 적극적으로 대처할 수 없어 응집제 투입량 과다 및 함수율 저감률이 낮아 현장에서의 여건을 고려하지 못한 실험실 규모의 측정방법에 불과하여 실험결과의 현장 적용 시 슬러지와 응집제와의 적정 주입량 조건이 상이한 결과를 나타내므로 현장근무자는 경험적으로 응집제 주입량을 달리하여 운전하고 있는 실정이다.
즉, 쟈테스트는 여러 개의 비커(beaker)에 적당량의 시료를 채우고, 여기에 응집제를 서로 다른 농도로 투입하여 일정시간 동안 응집 반응시켜 침전시킨 후, 탁도와 색도를 분석한 결과를 토대로 최적 주입량을 산출하는 방식으로, 이는 한 번 수행하는데 약 1시간 이상이 소요되어 연속적인 주입량 결정을 하는데 한계가 있다.
또한, 처리장과 실험실 내의 혼화조건이 현격하게 다르기 때문에 정확성이 떨어져서 쟈테스트를 통해서 결정한 응집제의 주입량은 오류가 많고, 이로 인해 응집제의 과다 주입 시 처리비용이 증가하고 탈수성이 약화되는 현상이 나타나며, 과소 주입 시 처리효율이 저하되는 문제점이 있다.
더욱이 하수슬러지의 경우 미생물의 종류가 다양하고 유입 농도의 편차가 일정하지 않은 복합계로 이루어져 있어 응집제 주입량을 최적으로 결정하기 어렵다는 점이 있다.
따라서 슬러지의 탈수 효율을 높이고 처리비용을 절감하기 위해서는 탁도 등 상태 및 성상 변화에 따라 응집제의 주입량을 최적으로 자동 조절할 수 있는 약품 자동주입시스템의 개발이 요구되고 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝히며, 아울러 종래기술에서의 도면 부호는 본 발명에서의 도면 부호와 상호 무관한 것이다.
KR 10-1144580 B1(2012.05.02) KR 10-1253481 B1(2013.04.05) KR 10-0718036 B1(2007.05.08) KR 10-0964895 B1(2010.06.11) KR 10-2006-0100515 A(2006.09.21) KR 10-2000-0033348 A(2000.06.15) KR 10-1226945 B1(2013.01.22) KR 10-1645540 B1(2016.07.29)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하면서 기존의 쟈테스트(jar-test)를 통해 운영자가 약품 주입량을 주기적으로 수동 조절하는 방식이 지닌 기술적 한계 및 문제점을 해결하려는 발상에서 착안하여, 하수처리장에서 발생되는 농축슬러지의 표면전하밀도(또는 표면전하)를 연속적으로 측정 및 분석해 그 크기 값을 전송받아 함수율을 낮추는 응집제 주입량을 실시간으로 자동 조절 및 제어함으로써, 농축슬러지의 탈수 효율을 높이고 응집제 사용량을 절감하는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구조의 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 응집제 주입량을 실시간으로 자동 조절 및 제어할 수 있도록 하는 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템을 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성 및 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 태양(aspect)에 따른 구체적 수단은, 슬러지의 표면전하밀도를 측정하는 전하측정부, 상기 전하측정부에 슬러지의 유입량을 일정하게 유지하여 공급하는 유량제어계, 상기 전하측정부의 측정값에 따라 약품 주입량을 산출하고 전반적인 작동을 제어하는 제어부, 상기 제어부의 제어에 따라 약품 주입량을 조절하는 주입량조절부 및 상기 제어부로부터 슬러지의 표면전하밀도 측정값 및 약품 주입량을 실시간으로 수집하여 데이터베이스화하고 표시하는 모니터링부를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템을 제시한다.
이로써 본 발명은, 슬러지의 성상 변화에 따라 신속하게 대응하여 약품(응집제) 주입량 조절을 최적화할 수 있고, 이로 인해 약품비를 절감하는 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 실시간 분석에 따른 데이터를 활용하여 운영의 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)은 슬러지를 저장하는 응집반응조를 더 포함하며, 상기 주입량조절부는, 약품을 저장하는 약품탱크, 상기 약품탱크 내의 약품을 응집반응조로 일정량 송급하는 정량주입펌프 및 상기 약품탱크에서 응집반응조로 주입되는 약품 주입량과 상기 시스템 제어부에서 산출된 약품 주입량을 비교하여 상기 정량주입펌프를 제어하는 PID 제어부를 포함하여 구성됨으로써 더욱 효과적으로 슬러지의 함수율을 저감하고 응집제 사용량을 절감할 수 있다.
상기와 같은 목적의 달성과 기술적 과제를 해결하기 위한 수단 및 구성을 갖춘 본 발명의 실시 태양(aspect)은, 슬러지의 실시간 성상 변화에 따라 신속하고 능동적으로 대응하여 부하변동에 상관없이 약품(응집제) 주입량을 최적으로 산출 및 조절하고 정확하게 주입함으로써 슬러지의 탈수 효율을 극대화하고 응집제의 과다 주입을 방지하여 사용량을 절감할 수 있다.
또한, 슬러지의 표면전하밀도를 실시간 분석 및 응집제 주입 처리결과에 따른 데이터를 활용 및 반영하여 운영의 효율성 및 안정성을 향상시킬 수 있고, 응집제 주입률 변화를 실시간으로 모니터링하여 오류 발생 시 즉각적으로 대처할 수 있다.
또한 산업부산물인 폐콘크리트, 및 슬래그 분말을 적정 입도로 가공하여 적정량 주입을 통해 함수율을 저감할 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 물리적 개량제인 산업부산물의 PSA 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템을 통해 하·폐수 슬러지의 전하를 조정하는 과정을 유동전류계(Streaming Current Detector :SCD)로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 하·폐수 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템은 하·폐수 슬러지의 경우 미생물의 종류가 다양하고 유입 농도의 편차가 일정하지 않은 복합계로 이루어져 있어 최적 응집제 주입량 선정이 어려운 문제를 개선할 수 있도록 제안되었다. 이에 따라 응집반응조 내의 슬러지를 샘플링하고 이로부터 산출된 데이터를 피드백하여 약품 주입률을 제어함과 동시에 응집반응조의 작동을 제어할 수 있다.
여기서 응집반응조 내의 슬러지는 하수처리장에서 발생되는 농축슬러지일 수 있고, 이 농축슬러지의 함수율은 평균 96.9%의 범위를 나타내며, 온도는 평균 24.8℃, pH는 평균 7.3의 범위를 나타낸다.
또한, 농축슬러지의 함수율을 저감시키기 위한 약품으로는 양이온 고분자응집제와 철염(FeCl3)을 혼합하여 사용함으로써 총인 오염부하를 증가시키는 것을 막을 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템은 크게 전하측정부(10), 유량제어계(20), 제어부(30), 주입량조절부(40), 모니터링부(50), 응집반응조(60), 탈수조(70) 및 물리적 개량제 탱크(80)를 포함하여 구성되어 있다.
전하측정부(10)는 유량제어계(20)를 통해 응집반응조(60) 내의 슬러지를 일정량 공급받고 표면전하밀도를 실시간으로 측정하여 그 측정값을 제어부(30)로 전송하는 장치부이다.
이러한 전하측정부(10)는 전하 적정(charge titration)을 통한 응집제 제어조건을 측정하는 장치일 수 있다.
여기서 전하측정부(10)는 유동전위가 마이너스 값인 슬러지 샘플의 일정량에 양이온성을 갖는 응집제를 투입 및 자동 교반하면서 유동전위를 측정하는 장치일 수 있다.
이때, 유동전위의 측정은 유동전류계를 사용할 수 있고, 유동전위를 측정한 슬러지 샘플은 응집반응조(60) 내로 보낼 수 있다.
즉, 유량제어계(20)를 통해 응집반응조(60)에서 약 15ml의 슬러지 샘플을 정량 공급받아 유동전위(mV)를 측정하고, 유동전위가 0mV가 되는 때의 약품(응집제)의 주입량을 측정한 후, 양이온 요구량에 관한 데이터를 얻어 약품(응집제) 주입량을 산출하기 위한 제어부(30)로 전송한다.
예를 들면, 전하측정부(10)는 1회에 5ml씩 10초간 응집제를 공급할 때마다 유동전위를 측정하여 유동전위가 0mV일 때 공급된 응집제의 양, 즉 양이온 요구량을 산출하고, 산출된 양이온 요구량 데이터는 디지털신호로 변환하여 제어부(30)로 전송한다.
전하측정부(10)의 다른 예로는 복수의 전극, 전압발생장치 및 전류측정장치로 구성되어 전하량 측정하는 센서일 수 있다. 이는 전압발생장치에 의해 발생된 측정용 전압은 슬러지 내에 삽입된 복수의 전극을 통해 슬러지에 인가되고, 전류측정장치는 슬러지 내에 삽입된 두 개의 전극 사이에 흐르는 전류를 측정한다.
즉, 슬러지 내에 수분함량이 높은 경우 측정된 전류의 세기는 높아지고, 수분함량이 낮은 경우 측정된 전류의 세기는 낮아지므로 전하량 측정을 통해 슬러지 내의 수분함량을 측정할 수 있다.
유량제어계(20)는 슬러지의 유입량을 일정하게 유지하여 응집반응조(60) 내의 슬러지를 전하측정부(10)에 공급하는 장치부이다.
즉, 유량제어계(20)는 정해진 일정 시간 간격으로 응집반응조(60) 내의 슬러지 샘플을 일정량씩 채취하여 전하측정부(10)로 이송 공급한다.
예를 들면, 유량제어계(20)는 슬러지의 성상 및 함수율 변화에 능동적으로 대처하기 위하여 응집반응조(60) 내의 슬러지를 15분 단위로 공급할 수 있다.
여기서 유량제어계(20)는 슬러지의 유량을 안정적으로 제어하기 위해 제어부(30)의 신호량을 전동기의 회전으로 바꾸어 밸브축을 개폐시키는 전기작동식을 채용할 수 있다.
제어부(30)는 전하측정부(10)의 표면전하밀도 측정값을 전송받아 그 데이터 값에 따라 응집제 주입량을 연산처리하여 산출하고, 시스템 및 장치의 전반적인 작동을 제어한다.
그리고 제어부(30)는 유량제어계(20)와 주입량조절부(40)와 각각 전기적으로 연결되어 이들의 작동을 제어하며, 전하측정부(10)의 표면전하밀도 측정값에 부합되는 응집제 주입량(기준값)을 메모리에서 추출한 후, 비교 연산을 통해 최적의 값으로 응집제 주입량을 산출하고, 산출된 응집제 주입량을 디지털 데이터 형태로 주입량조절부(40)로 전송하여 응집제 주입량을 조절한다.
이때, 전하측정부(10)에 공급된 슬러지 샘플의 양과 응집제를 주입하기 위한 응집반응조(60) 내의 슬러지 양의 비율을 계산하고, 이 계산값에 주입률을 곱하면 총 주입할 약품(응집제)의 주입량을 산출 및 결정할 수 있으며, 아울러 데이터는 A/D 컨버터에 의해 디지털 신호로 변환하여 전송할 수 있다.
또한, 제어부(30)에는 제어 동작 및 연산에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장돼 있는 메모리가 내장되어 있다.
즉, 제어부(30)는 전하측정부(10)의 표면전하밀도 측정값과, 주입량조절부(40)의 가동 속도에 따라 응집반응조(60)로 주입되는 응집제의 주입량 기준값을 즉, 산술적으로 계산하여 실험적으로 결정된 특성 파라미터 값을 반영한 룩업 테이블 형태로 저장하는 데이터베이스(메모리)가 구비되어 있다.
여기서 데이터베이스(메모리)에는 응집제의 종류별로 측정된 pH에 따른 표면전하밀도 보상 데이터를 저장함으로써 제어부(30)는 데이터베이스로부터 표면전하밀도 보상 데이터를 추출하여 해당 응집제의 표면전하밀도를 보상하도록 제어할 수 있다.
주입량조절부(40)는 제어부(30)의 제어에 따라 응집반응조(60)의 슬러지로 주입되는 약품의 주입량을 조절하는 장치부이다.
여기서 주입량조절부(40)로는 응집제 등의 약품을 일정량 저장하는 약품탱크(41)와, 이 약품탱크(41) 내의 약품을 응집반응조(60)로 일정량 송출하는 정량주입펌프(42) 및 제어부(30)에서 산출된 약품 주입량을 전송받아 약품탱크(41)에서 응집반응조(60)로 주입되는 약품 주입량과 비교하여 PID 제어(Proportional Integral Derivative Control) 방식으로 정량주입펌프(42)를 제어하는 PID 제어부(43)를 포함할 수 있다.
즉, 약품탱크(41)는 응집제를 공급하기 위해 응집반응조(60)와 배관 등으로 연결되어 있고, 정량주입펌프(42)는 약품의 정량 토출이 이루어지는 벨로우즈(bellows) 펌프나 다이아프램(diaphragm) 펌프로 이루어져 약품탱크(41)와 응집반응조(60)를 연결하는 배관 상에 설치되어 있다.
또한, PID 제어부(43)는 제어부(30)에서 전송받은 응집제 주입량을 목표하는 주입량으로 하여 실제 약품탱크(41)에서 응집반응조(60)로 주입하는 약품(응집제) 양을 PID 제어를 통하여 정량주입펌프(42)의 회전수 또는 스트로크를 제어하거나 그 밸브를 설정된 표준값만큼 개폐함으로써 약품(응집제)의 주입량을 조절한다.
예를 들면, 주입량조절부(40)는 전하측정부(10)의 표면전하밀도 측정값, 즉 슬러지의 전하량이 -100mA 이하이면, 정량주입펌프(42)의 밸브 개방하도록 제어하고, +100mA 이상이면, 정량주입펌프(42)의 밸브 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
이러한 PID 제어부(43)를 통하여 실제 응집제 주입량과 산출된 응집제 주입량의 오차 및 편차를 최소화하고, 빠른 시간 내에 산출된 응집제 주입량에 능동적으로 도달하도록 응집제 주입 후의 결과를 반영한 피드백 제어가 가능할 수 있다.
여기서 농축슬러지의 특성상 입자에 강한 음전하를 가지므로 응집제는 폴리아크릴아미이드계열의 중 양이온성 고분자응집제를 사용할 수 있다.
즉, 슬러지의 표면전하밀도 또는 유동전위(streaming potential)는 마이너스 값을 가지므로 전하 적정을 위하여 양이온성 유기고분자응집제를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 양이온성 응집제로는 슬러지와 응집반응을 통하여 슬러지 내의 수분을 탈취하는 작용을 하는 Poly-dadmac, Alum, Raifix, Polyamine, PAC(Poly Aluminium Chloride), PACS(Poly Aluminium Silicate Chloride) 등이 선택적으로 사용될 수 있다.
모니터링부(50)는 제어부(30)와 유무선으로 연결되고, 슬러지의 표면전하밀도 측정값 데이터 및 약품 주입량 데이터를 실시간으로 수집하여 데이터베이스화하고 상관관계를 표시한다.
여기서 모니터링부(50)는 이력 정보를 검색하기 위한 인터페이스 및 이력 정보, 동작 상태 등 각종 정보를 표시하기 위한 디스플레이를 포함할 수 있다.
즉, 모니터링부(50)는 디스플레이를 통해 슬러지의 표면전하밀도와 약품 주입량을 표시하고, 이에 현장 작업자는 슬러지의 성상 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
응집반응조(60)는 소정 용량의 슬러지를 담아 탈수처리하는 것으로, 주입량조절부(40)에서 주입되는 응집제에 의해 고액 분리(solid/liquid separation) 반응이 일어난다.
여기서 응집반응조(60)는 제어부(30)의 제어에 따라 응집제와 슬러지를 교반하는 장치로 이루어질 수 있다.
즉, 제어부(30)는 주입량조절부(40)를 제어함과 동시에 응집반응조(60)의 교반 작동을 제어할 수 있다. 이때, 응집반응조(60)의 교반강도는 슬러지의 유입량과 응집제의 주입량에 따라 적절히 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템은 응집반응조(60)로부터 공급받은 슬러지를 탈수하는 탈수조(70)와, 상기 탈수조에 물리적 개량제를 공급하는 물리적 개량제 탱크(80)을 포함할 수 있다.
슬러지의 탈수 효율 개선을 위해서는 응집제 투여에 의한 슬러지의 화학적 개량의 효율 향상뿐만 아니라 기계적 탈수 과정에서의 개선도 필요하다. 기계적 탈수과정에서의 효율 향상 방법은 탈수장치를 보다 고효율의 장치로 교체하거나 보완하는 방법이 대표적이다. 본 발명에서는 슬러지의 기계적 탈수 효율 개선을 위해서 건설폐기물 또는 제철소 부산물의 물리적 개량제를 탈수조(80)에 공급한다. 이때 물리적 개량제는 탈수조(80)가 아닌 응집반응조(60)에 공급될 수 있다.
물리적 개량제의 공급량은 슬러지 함수율 저감을 위해 정량주입펌프(61)을 통해 기 결정된 정량이 주입된다. 이때 물리적 개량제는 폐콘크리트, 슬래그 분말의 산업 부산물을 가공하여 적정 입도로 조정하여 사용한다.
이러한 건설폐기물 또는 제철소 부산물은 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O 등이 주요성분으로 구성되어 있으며, 슬러지 개량에 첨가제로 사용된 경우 입도 분석을 위한 PSA 수행 한 결과(도 2 참조) 산업부산물 분말의 평균입도(D50)는 16㎛, D90은 52㎛를 나타내었다. XRF 분석 결과는 아래 표 1과 같다.
구분 성분 함량(wt%)
1 CaO 36.76
2 SiO2 34.16
3 Al2O3 10.09
4 Fe2O3 9.57
5 K2O 4.06
6 SO3 1.39
7 TiO2 1.14
8 MgO 0.92
9 SnO2 0.49
10 P2O5 0.38
11 MnO 0.24
12 BaO 0.16
13 Na2O 0.12
14 SrO 0.11
15 ZnO 0.08
16 Cl 0.07
17 ZrO2 0.04
18 Rb2O 0.03
19 PbO 0.03
20 Cr2O3 0.03
21 CuO 0.01
22 NiO 0.01
23 Nb2O5 0.01
고체의 기계적 강도 및 침투성을 향상시킬 수 있다. 또한 2차 슬러지의 압축성을 감소시켜 탈수성을 향상시킬 수 있고 플록을 보다 견고한 구조로 변형시킬 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템의 주요 작용 및 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 유량제어계(20)가 응집반응조(60)로부터 일정량의 슬러지 샘플을 채취하여 전하측정부(10)에 일정 시간동안 공급한다.
계속해서, 전하측정부(10)는 슬러지의 표면전하밀도를 측정한 후, 그 측정 데이터를 디지털 신호로 변환하여 제어부(30)로 전송한다.
이어서, 제어부(30)는 전하측정부(10)에서 전송되는 표면전하밀도 측정값을 분석하고, 이미 설정된 기준값과 비교 및 관련 데이터에 기초하여 약품(응집제) 주입량을 산출 및 결정한 후, 그 산출 데이터를 디지털 신호로 변환하여 주입량조절부(40)로 전송한다.
이때, 제어부(30)는 슬러지의 평균 전하값이 음의 값인 경우 주입량조절부(40)에 응집제의 주입량을 증가시키기 위한 제어신호를 전송하고, 평균 전하값이 양의 값인 경우 주입량조절부(40)에 응집제 주입량을 감소시키기 위한 제어신호를 전송한다.
이후, 주입량조절부(40)는 제어부(30)의 제어신호에 따라 정량주입펌프(42)를 제어하여 약품탱크(41) 내의 약품(응집제)이 응집반응조(60)로 일정량씩 주입되도록 조절한다.
즉, 슬러지 내의 수분함량이 높으면 정량주입펌프(42)의 개방량을 증가시켜 응집반응조(60)로 공급되는 응집제의 양을 늘리고, 반대의 경우 정량주입펌프(42)의 개방량을 감소시켜 응집반응조(60)로 공급되는 응집제의 양을 줄인다.
이때, PID 제어부(43)는 약품탱크(41)에서 응집반응조(60)로 주입되는 약품 주입량과 제어부(30)에서 산출된 약품 주입량을 비교하여 정량주입펌프(42)의 개폐속도 및 시간을 제어한다.
이리하여 약품탱크(41)에서 일정량의 약품이 최초 응집반응조(60)에 주입된 후부터 제어부(30)는 전하측정부(10)에서 전송되는 표면전하밀도를 측정값과 기준값을 비교하여 약품(응집제) 주입량을 산출 및 결정하는데, 비교 결과 두 값이 일치하면 기존에 주입하던 약품 주입량을 그대로 유지하고, 두 값이 상이하면 두 값의 차이에 해당하는 만큼으로 약품 주입량을 결정한다.
예를 들어, 기준값이 100인데 측정된 표면전하밀도값이 -500이면 표면전하밀도값이 100이 될 때까지 정량주입펌프(42)로 하여금 응집반응조(60)에 약품(응집제)을 주입하도록 제어한다.
이때, 기준값과 표면전하밀도 측정값의 비교는 제어부(30)에서 진행되며, 약품(응집제) 주입량 결정은 주입량조절부(40)에서 정량주입펌프(42)의 회전수 또는 스트로크 제어, 밸브 개폐 제어를 통해 구현할 수 있다.
이 과정에서 모니터링부(50)는 제어부(30)로부터 슬러지의 표면전하밀도 측정값 및 약품 주입량 신호값을 실시간으로 전송받아 변환 및 수집하여 데이터베이스화, 저장하고, 디스플레이를 통해 표시함으로써 작업자가 약품(응집제) 주입 과정을 실시간 감시할 수 있고, 오류발생 시 즉각적으로 대처할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템은 응집반응조(60)로 유입되는 슬러지의 실시간 성상 및 함수율 변화를 측정하고, 그 데이터를 이용하여 응집제 주입량을 최적으로 산출 및 조절할 수 있다.
따라서 슬러지의 탈수 효율을 높이고 응집제의 과다 주입을 방지하여 사용량을 절감할 수 있다.
또한, 응집제 주입량을 실시간 분석하고, 그 처리결과에 따른 데이터를 활용 및 반영함으로써 운영의 효율성을 제고할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 그러나 하기한 예는 본 발명의 바람직한 일 예일 뿐 본 발명이 하기한 예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 양이온응집제 주입량에 따른 슬러지 탈수성 측정
1. 모관흡인시간 측정(CST: capillary suction time)
신속하고 신뢰성이 높은 방법으로 많이 이용되고 있다. 표준 여과지에 의해 발생된 모세흡입압(Capillary Suction Pressure)은 슬러지로부터 수분을 흡입하는데 사용되어지며 여과지를 통해 스며드는 수분의 비율은 슬러지의 Condition과 여과지에 형성된 Cake의 여과능력에 따라 다양하다. CST는 퓨널로부터 표준간격으로 장착된 두 전극사이에서 산출되어지며 이 두 전극사이를 지나는 Water Front에 걸리는 시간으로 산출하게 된다.
2. 여과시간(TTF: time to filter)
Time to Filter(TTF)는 슬러지 부피의 50%가 여액으로 빠져 나오는데 걸리는 시간을 측정하여 나타내며, CST와 함께 Lab scale의 슬러지 탈수성을 평가하기 위해 많이 사용된다. 여과 시간은 모세관 흡인 시간과 관련이 있으며, 슬러지 고형물 함량 및 여과액의 점도가 비교 샘플 사이에 변하지 않으면 여과에 대한 비저항과 유사하다.
본 발명의 약품 자동주입시스템을 통해 양이온 응집제 주입시 그 주입량에 따른 슬러지의 탈수성을 CST, TTF를 측정하여 확인하였고, 그 결과는 아래 표 2에 나타내었다.
고상 양이온응집제 주입량 CST
(sec)		 CST 평균 TTF
(min,sec)		 TTF 평균
0 7.1 7.53 20초 22.67초
7.7 24초
7.8 24초
5 6.1 6.23 12초 11.67초
6.6 11초
6.0 12초
10 6.7 6.43 9초 9.67초
6.3 11초
6.3 9초
30 8.5 8.53 1분 22초 1분43초
8.3 2분
8.8 1분 48초
50 10.4 10.47 2분 44초 2분 38초
10.7 2분 51초
10.3 2분 21초
일반적으로 CST는 10초 이하이면 탈수성이 양호하고 TTF는 1분 이내 범위이면 양호한 값으로 판단한다. 본 실험결과 양이온 응집제 주입량이 5ml~10ml/L 슬러지 범위에서 가장 탈수성이 양호한 것으로 나타났으며 이 결과를 하·폐수 슬러지 탈수용 약품 자동주입 시스템의 초기값으로 설정하였다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템을 통해 하·폐수 슬러지의 전하를 조정하는 과정을 유동전류계(Streaming Current Detector: SCD)로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 슬러지 표면전하 최적화 도달 전 표면 전하 값을 관찰한 결과이고, 도 4는 운전시간에 따른 슬러지 표면 전하 최적화 결과, 그리고 도 5는 운전시간에 따른 슬러지 표면 전하 조정 결과를 나타낸 것이다.
실시예 2
본 실험에 사용된 슬러지는 충남 천안시 성환하수처리장 반송 슬러지이다. 본 발명의 하·폐수 슬러지 탈수용 약품 자동주입시스템으로 상기한 슬러지 처리 하였으며, 물리적 개량제로는 폐콘크리트를 적정 입도로 가공하여 사용하였다. 이렇게 처리된 슬러지의 TTF, CST, 함수율, 반류수 T-P를 측정하였으며 분석 방법은 아래와 같다:
1. TTF(Time to Filter)
개질된 슬러지 시료를 진공여과 시킴으로써 원 시료량의 50%의 여액을 얻는데 걸린 시간을 측정하는 방법으로 본 시험은 200 ml를 여과하여 100 ml이 여과하는데 걸린 시간을 측정하였다.
2. CST(Capillary Suction Time)
CST는 여지 위의 실린저에 개량된 슬러지를 넣어 슬러지로부터 액체가 추출되어 모세관현상에 의해서 여지가 젖게 된다. 그때 여액이 여지 1 cm를 흐르는데 소요되는 시간을 측정하여 결과값으로 하였다.
3. 함수율
시료의 수분을 측정하는 방법으로 시료를 105~110 ℃에서 4시간 동안 건조하고 데시케이터에서 식힌 후 무게를 달아 무게차로부터 수분의 양(%)를 구하였다.
4. 반류수 T-P
시료 중 유기화합물 형태의 인을 산화 분해하여 모든 인 화합물을 인산염 형태로 변화시킨 다음 몰리브덴산암모늄과 반응하여 생성된 몰리브텐산암모늄을 아스코르브산으로 환원하여 생성된 몰리브덴산 등의 흡광도를 880 nm에서 측정하는 방법이다.
분석 결과는 아래 표 3 내지 표 6과 같다.
구분 시료 1 시료 2 시료 3
TTF(초) 29 31 31
평균 30.3(sec)
시료 1 시료 2 시료 3
CST(초) 7.9 7.9 8.4
평균 8.1(sec)
구분 함수율(%)
시료 1 77.6
시료 2 82.5
시료 3 74.3
시료 4 81.0
시료 5 82.7
시료 6 75.7
시료 7 64.2
시료 8 80.8
시료 9 67.8
시료 10 81.4
평균 76.8
구분 T-P(mg/L)
시료 1 0.446
시료 2 1.688
시료 3 1.686
시료 4 1.658
시료 5 1.674
시료 6 1.662
시료 7 1.684
시료 8 1.680
시료 9 1.672
시료 10 1.672
평균 1.552
10: 전하측정부 20: 유량제어계
30: 제어부 40: 주입량조절부
41: 약품탱크 42: 정량주입펌프
43: PID 제어부 50: 모니터링부
60: 응집반응조 70: 탈수조
80: 물리적 개량제 탱크

Claims (6)

  1. 슬러지의 표면전하밀도를 측정하는 전하측정부(10); 상기 전하측정부(10)에 슬러지의 유입량을 일정하게 유지하여 공급하는 유량제어계(20); 상기 전하측정부(10)의 측정값에 따라 약품 주입량을 산출하고 전반적인 작동을 제어하는 제어부(30); 상기 제어부(30)의 제어에 따라 슬러지로 주입되는 약품의 주입량을 조절하는 주입량조절부(40); 슬러지가 담긴 응집반응조(60); 응집반응조(60)로부터 공급받은 슬러지를 탈수하는 탈수조(70); 및 상기 탈수조(70)에 물리적 개량제를 공급하는 물리적 개량제 탱크(80)를 포함하며;
    상기 주입량조절부(40)는,
    약품을 저장하는 약품탱크(41); 상기 약품탱크(41) 내의 약품을 상기 응집반응조(60)로 일정량 송출하는 정량주입펌프(42); 및 상기 약품탱크(41)에서 상기 응집반응조(60)로 주입되는 약품 주입량과 상기 제어부(30)에서 산출된 약품 주입량을 비교하여 상기 정량주입펌프(42)를 제어하는 PID 제어부(43)로 구성하고;
    상기 제어부(30)로부터 슬러지의 표면전하밀도 측정값 데이터 및 약품 주입량 데이터를 실시간으로 수집하여 데이터베이스화하고 표시 그리고 이력 정보를 검색하기 위한 인터페이스 및 이력 정보, 동작 상태를 표시하는 모니터링부(50)를 더 포함하며;
    상기 응집반응조(60)로 투입되는 약품은, 양이온성 고분자응집제와 철염을 포함하고;
    상기 물리적 개량제는 폐콘크리트인 것을 특징으로 하는 하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양이온성 고분자응집제는, 슬러지와 응집반응을 통하여 슬러지 내의 수분을 탈취하는 작용을 하는 Poly-dadmac, Alum, Raifix, Polyamine, PAC(Poly Aluminium Chloride), PACS(Poly Aluminium Silicate Chloride) 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하·폐수 슬러지 탈수 효율 향상을 위한 약품 자동 주입시스템.
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