KR102415636B1

KR102415636B1 - 상수도관 잔류염소 제어방법

Info

Publication number: KR102415636B1
Application number: KR1020200073815A
Authority: KR
Inventors: 조우현; 김종원; 백영애; 강문숙; 류동경
Original assignee: 서울특별시
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2022-07-01
Also published as: KR20210156101A

Abstract

본 발명은 상수도관망의 급수계통에서 3개 지점 이상의 측정포인트를 선정하는 포인트 선정단계; 상기 측정포인트 각각에서 수돗물의 전기전도도 값과 잔류염소 값을 측정하는 수질테이터 측정단계; 상기 전기전도도 값을 추적자로 활용하여 수돗물이 조절지점에서 해당 측정포인트까지 도달하는데 소요된 체류시간(t)과 급수계통의 염소소비속도(k)를 도출하는 계산단계; 조절지점에서 조절해야 할 잔류염소(Co) 값을 위에서 도출한 체류시간과 염소소비속도를 이용하여 판정하는 판정단계;를 포함하여, 조절지점에서의 잔류염소를 조절하는 기술에 대한 것이다.
본 발명은 지자체 등 수도사업체에서 정수장과 급수계통에 설치하여 운영하고있는 수질자동측정기의 잔류염소와 전기전도도 데이터만으로 원거리지점(수도꼭지)의 잔류염소를 정밀제어 할 수 있는 경제적인 운영체제인 점에서 유리한 효과가 발생한다.

Description

상수도관 잔류염소 제어방법{Control Method for residual chlorine on Waterworks}

본 발명은 상수도의 배급수 계통 중 관말지역의 수도꼭지 잔류염소값을 일정하게 제어하기 위한 기술이다. 구체적으로는, 배급수 계통 3개 지점 이상 지점에 잔류염소와 전기전도도 측정이 가능한 수질자동측정기를 설치하고 실시간 측정값을 전송받아 분석로직에 의해 해당 급수계통에서의 특징적인 염소소비속도와 체류시간을 해석함으로써 조절지점인 정수장 혹은 배수지(재염소 투입)에서의 잔류염소 조정하는 빅데이터 응용기술이다.

위생적으로 안전한 수돗물 공급 위해 정수센터와 배수지에서 염소를 투입하고 있으나, 과도한 잔류염소농도는 수돗물의 물맛을 저해한다 수도법에서 수도꼭지의 잔류염소농도를 0.1mg/L 이상 유지되도록 하고 있으며, 통상 수돗물의 염소냄새를 최소화하기 위해서는 수도꼭지 최적 잔류염소 농도를 0.1~0.3 mg/L 범위내에서 유지하도록 조정하는 것이 바람직하다.

그러나 현행 수도사업소에서 요청에 의해 정수장에서 염소투입률을 조정하고있으나, 실시간 대응이 어렵고 그 결과 정수장에서 일정량의 염소를 투입하더라도 수도꼭지에 도달한 수돗물의 잔류염소가 적절한 농도 범위를 벗어나는 등 최종 소비자 위치에서 잔류염소의 범위를 수돗물 공급지점인 정수장에서 조절하는 것에 어려움이 있었다.

일본등록특허 제4186773호

본 발명은 지자체 등 수도사업체에서 정수장과 배급수계통에 수질감시장치로 설치하고 있는 잔류염소계와 전기전도계의 데이터만으로 원거리지점(수도꼭지)의 잔류염소를 정밀제어 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상수도관망의 급수계통에서 3개 지점 이상의 측정포인트를 선정하는 포인트 선정단계; 상기 측정포인트 각각에서 수돗물의 전기전도도 값과 잔류염소 값을 측정하는 수질테이터 측정단계; 상기 전기전도도 값을 추적자로 활용하여 수돗물이 조절지점에서 해당 측정포인트까지 도달하는데 소요된 체류시간(t)과 급수계통의 염소소비속도(k)를 도출하는 계산단계; 조절지점에서 조절해야 할 잔류염소(Co) 값을 위에서 도출한 체류시간과 염소소비속도를 이용하여 판정하는 판정단계;를 포함하여, 조절지점에서의 잔류염소를 조절하는 기술에 대한 것이다.

상기 계산단계는, 상기 전기전도도 값을 이용하여 수돗물이 조절지점에서 해당 측정포인트까지 도달하는데 소요된 체류시간(t)을 도출하고, 해당 측정 포인트에서 측정된 잔류염소 값과 체류시간(t)을 이용하여 잔류염소와 체류시간 사이의 잔류염소-시간 관계식을 도출하는 과정을 거치게 된다.

상기 잔류염소-시간 관계식를 이용하여 급수계통의 염소소비속도(k)를 도출하고, 상기 측정포인트 중 체류시간이 가장 긴 지점을 관리지점으로 선정하고, 조절지점에서 조절해야 할 잔류염소(Co) 값을 아래 식으로 계산하게 된다.

Co = Ct/ e^-kt

Ct : 관리지점 잔류염소 (mg/L)

Co : 조절지점 잔류염소 (mg/L)

k : 급수계통 염소소비속도 (mg/L/hr)

t : 급수계통 체류시간 (hr)

잔류염소-시간 관계식은, 체류시간-잔류염소 그래프상 상에서 잔류염소 값과 체류시간에 해당하는 적어도 3지점 이상을 선정하고, 이를 이용하여 잔류염소와 체류시간 사이의 지수함수를 도출하고, 해당 측정포인트에서 소정 시간 경과에 따른 전기전도도 변화를 보여주는 전기전도도 변화그래프를 도출하고, 상기 전기전도도 변화그래프의 특이 변화인 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 체류시간을 계산하도록 하였다.

상기 해당 측정포인트에서의 잔류염소 값은 일단위 혹은 주단위 평균 값으로 계산하고, 상기 조절지점은 정수지 또는 배수지이며, 관리지점은 최종소비지이며, 상기 측정포인트는 최종소비지를 포함한다.

상기 측정포인트 중 상수도관망 중 체류시간이 가장 길고 잔류염소농도가 가장 낮은 지점을 관리지점으로 선정하고, 관리지점에서의 염소농도를 0.1mg/L 이상 유지되게 하도록 하였다.

본 발명은 지자체 등 수도사업체에서 정수장과 급수계통에 설치하여 운영하고있는 수질자동측정기의 잔류염소와 전기전도도 데이터만으로 원거리지점(수도꼭지)의 잔류염소를 정밀제어 할 수 있는 경제적인 운영체제인 점에서 유리한 효과가 발생한다.

본 발명은 서울시에서 시범적용한 결과 수도꼭지 잔류염소를 안정적으로 유지할 수 있는 것으로 검증하였으며, 향후 많은 국내·외 수도사업체에서 확대 보급할 수 있을 것으로 기대된다.

그동안 염소 소비 속도를 계산함에 있어 복잡한 배급수계통에서의 수체의 이동시간을 계산해야 하는 기술적 난제가 있었으나, 본 발명은 기 설치되어 있는 전기전도계의 데이터를 추적자로 활용함으로써, 향후 매우 경제적인 시스템 구축할 수 있게 한 점이 장점이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배급수계통의 염소 소비속도의 변화 그래프로서 지수함수로 도시된 그래프이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 급수계통의 전기전도도 변화를 나타내었으며, 체류시간에 따라 피크(peak)가 이동함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 전체적인 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잔류염소 정밀제어 프로그램이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

일반적으로, 안전한 수돗물 공급 위해 정수센터와 배수지에서 염소를 투입하고 있으며, 수도꼭지의 잔류염소농도를 0.1mg/L 이상 유지되도록 하고 있으며, 통상 수도꼭지 최적 잔류염소 농도를 0.1~0.3 mg/L 범위내에서 유지하도록 조정하는 것이 좋다는 것은 위에서 언급한 바와 같다. 수도꼭지라고 표현한 것은 수돗물을 최종적으로 소비하는 지점을 의미하며, 이하에서는 편의상 '최종소비지'라고도 한다.

염소가 물에 투입되면 용해되어 잔류염소로 측정되고 잔류염소가 감소하는특성은 아래 <식 1>과 같은 1차 지수함수형태로 나타난다.

<식 1>

염소를 소비하는 수질적 영향인자는 수온, 수중의 유기물, 무기물 등이 있을수 있으며, 물리적 영향인자로 관종이나, 유속 등이 알려져 있다 특히 수온이높은 하절기에는 염소소모량이 커져 급수계통 잔류염소 유지에 어려움이 있다.

원거리 지점의 잔류염소를 예측하기 <식 1>의 급수계통에서의 염소소비속도 k를 도출해야 한다 잔류염소의 소비속도 k를 구하는 방법으로 계절별로 수온에따른 수체감소계수(k1) 와 관종에 관벽감소계수(k2) 실험실 혹은 문헌을 참고하여 사용하는 모델이 많이 사용되고 있다.

그러나 실제 도시 급수계통에서 염소를 소비하는 물리적인 영향인자로 관종외에도 배수지 등 다양한 구조물과 가압장(펌프시설)을 통과함으로써 염소소비 요인들은 급수계통별로 매우 다양하여 예측모델을 통해 급수계통의 잔류염소를 정확히 예측하고 제어 운영하기가 어렵고 급수계통의 관을 설치하는 설계단계에서만 사용하는 경우가 대부분이다.

그런데, 급수계통의 각 지역에 감시차원에서 수질자동측정기를 설치하여 운영하는지자체가 많다. 수질자동측정기의 측정항목은 "수온, 탁도, 잔류염소, pH, 전기전도도"라는 5개 항목이 측정되는 종합수질 자동측정기를 일반적으로 설치하며, 측정값은 5분단위로 중앙감시센터로 전송되고 모니터링 되고 있다.

이러한 실시간 데이터를 활용하여 정수장, 1차 배수지, 2차배수지, 수도꼭지 각 지점에서의 체류시간에 따른 잔류염소값 변화를 도시하면 도 1에서 염소소비속도 k를 구할 수 있으며 이는 해당 급수계통에서의 다양한 수질적, 물리적 변수를 포함된 결과값이므로 특징적으로 해당급수계통에서의 잔류염소 예측에 실시간으로 활용가능하다.

본 발명은 정수장 및 급수계통의 실시간 데이터를 활용하여, 경제적으로 수도잔류염소를 예측 및 조절하는 빅데이터 응용기술로, 서울시 상수도사업본부에 잔류염소정밀제어 시스템으로 시범운영사업을 통하여 그 효과를 검증하였다 서울시의 관말 수도꼭지 잔류염소 변동폭이 사업시행 전에는 0.2mg/L±0.05에서 사업시행 후 0.2mg/L±0.02로 감소되어 수도꼭지 잔류염소농도를 안정적 유지하고 염소냄새를 저감하여 맛있는 수돗물 공급에 기여하고 있다.

본 발명에서는 정수장과 급수계통에서의 실시간 수질자동측정값(전기전도도, 잔류염소)을 활용하여, 해당급수계통에서의 다양한 염소 소모 영향요인이 포함된 특징적인 염소소비속도를 산출하여 실시간으로 잔류염소를 정밀제어하는 시스템을 고안하였다(도 3 참조). 급수계통에서의 각 지점별 체류시간에 대한 잔류염소값을 대비하면 해당급수계통의 특징적인 염소소비속도를 구할 수 있으며, 급수계통에서 잔류염소가 실시간 얼마나 소비되는지에 대한 잔류염소 소모량이 나타나고, 수도꼭지의 목표하는 잔류염소값 설정시, 이를 다시 피드백하여 조절지점(정수장 또는 배수지)에서의 예측 잔류염소 조정값(Co)을 나타냄으로써 정수장 혹은 배수지에서의 염소 투입량을 결정하는 운영체제와 프로그램을 개발하였다(도 2).

본 발명에서 적용한 기술적 요소는 다음과 같다.

전술한 바와 같이 급수계통에서 각 지점의 잔류염소 농도는 1차 지수함수형태로 체류시간에 따라 감소하는데, 이는 수온 등 수질적인 요인과 해당지역 급수계통의 특징적인 물리적 염소 소모요인이 포함된 결과치로 나타나며, 위 <식 1>의 Ct Co k t 는 아래 <식 2>와 같이 실제 정수장과 급수계통(수도꼭지)의 변수로 변형할 수 있다.

<식 2>

해당 급수구역(수도꼭지)에서 최소한 잔류염소는 0.1 mg/L 이상 유지되도록 염소를 주입해야 하므로 정수장에서 가장 체류시간이 길고 잔류염소농도가 가장 낮게 나타나는 관리지점을 선정해야 한다. 관리지점(취약지역)에서 잔류염소가 0.1 mg/L 이상 유지되면 나머지 지역은 모두 수도법에서 정하는 잔류염소농도를 만족할 수 있기 때문이다 따라서 본 또한 시스템 구성 초기에 관리지점을 포함한 배급수구역의 잔류염소 측정 포인트 선정이 매우 중요하다.

염소소비속도를 계산함에 있어 실시간 잔류염소 데이터를 사용하면 공급계통의 염소소비속도의 변화가 일정하지 않을 수 있다. 염소투입 후 공급계통에서의 최장 하루 이상의 체류시간을 감안할 때 잔류염소 입력값은 3일 혹은 7일 간의 잔류염소평균값을 적용하는 것이 바람직하다. 도 1에서 알 수 있듯이 염소투입 후 단기간(일, 주간 단위)에서 급수계통의 염소소비속도(k 기울기)는 일정함을 알 수 있다 즉 기울기가 일정하므로 관리지점(정수지)의 잔류염소농도를 변경하면 후염소 투입량도 단기간내에는 예측 가능함을 알 수 있다. 따라서 급수계통에서의 잔류염소측정값의 이상치 혹은 유량변화에 따른 실시간 염소소비속도의 차이로 인한 급격한 정수장 염소투입률의 변화를 방지하기 위하여 매시간 측정 잔류염소값은 일단위 혹은 주단위 평균 값으로 염소소비속도가 계산되는 방식의 자동 제어 방법과 염소주입량 조절 제어장치 방식을 특징적으로 제안한다.

위의 <식 2>를 참조하면, 관리지점(수도꼭지 등)에서의 잔류염소값(Ct)과 염소소비속도(k), 및 정수장에서 출발한 수돗물이 해당 지점까지 도달하는데 걸린 시간 즉 체류시간(t)을 알면, <식 2>에 의해서 조절지점(정수지 등)에서의 잔류염소값(Co)을 알 수 있다. 이를 통해, 조절지점인 정수지에서 투입해야 할 염소의 양을 결정할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 특징은 위 체류시간(t)과 염소소비속도 등을 전기전도도를 이용하여 계산할 수 있게 한 점이 특징이다. 즉, 본 발명의 가장 큰 특징으로는 수질테이터 값으로 자동으로 측정하고 있는 전기전도도 값을 급수계통에서의 체류시간을 도출하는 데 응용하는 것이다.

그리고, 1)해당지점(측정 포인트, 관측지점)에서의 체류시간을 알고, 2)그 지점에서 수질데이터 값은 자동으로 측정되고 있으므로 그 지점에서 염소농도값 역시 알 수 있다. 따라서, 측정포인트(관측지점)을 3곳 이상의 지점으로 하여, 체류시간과 잔류염소농도를 알게 되면 이를 이용하여 체류시간과 잔류염소 농도를 그래프로 그릴 수 있고 관계식도 도출할 수 있다(도 1 참조).

[체류시간 산출 방법]

이를 위해서는 먼저, 체류시간을 알아야 하는데, 이것은 도 2를 참고하여 설명한다. 실제 정수장에서 복잡한 급수계통을 가진 수계, 특히 수도꼭지까지 유체가 이동하는 체류시간을 도출하기란 매우 어렵다. 체류시간을 알기 위해서는 급수계통의 모든 구간에 유량계를 설치하여 유량을 확인하여야 하며 세부적인 배관 길이 직경 등에 대한 정보가 있어야 한다. 특히 배수지에서 가정의 수도꼭지까지 이르는 체류시간을 실시간으로 파악하기는 어려운 측면이 있다. 또한 수리학적인 계산에 의한 체류시간과 실제 유체가 머무르는 체류시간은 차이가 있다. 유체가 흐를 때 구조물 형태와 다양한 마찰손실로 인해 실제 체류시간은 변할 수 있다. 실제 체류시간을 파악하기 위하여 추적자(화학적으로 반응성이 없고 검출이 용이한 물질)를 사용할 수 있으나, 식수로 사용하고 있는 수돗물에 대한 현장실험은 실제로 어렵다고 볼 수 있다.

본 발명에서는 체류시간을 파악하기 위하여 전기전도값을 사용했다. 전기전도란 수중에 포함된 양이온, 음이온의 합계량과 관계하며 수돗물의 전기전도값은 통상 120∼260 μS/cm 범위를 나타내며, 정수장에 유입하는 원수의 수질특성에 따라 값이 다르게 나타난다 전기전도는 원수에서부터 정수처리과정, 그리고 급수계통에서도 변화하지 않는다. 통상의 정수처리과정, 배급수과정에서 이온물질을 제거하는 공정이 없기 때문이다. 즉 전기전도값은 유체가 흘러가는 시간을 파악하는 일종의 추적자로서 활용하였다.

도 2는 실제 정수장에서 배수지 및 수도꼭지까지 급수계통에서의 전기전도도 변화를 나타내었다. 도 3에서 수평축은 시간이며 수직축은 전기전도도 값이다. 그래프를 보면, 전기전도도가 피크(peak, 도 3에서는 전기전도도 최소값)가 되는 지점은 시간에 따라 일정하게 이동되고 있음을 알 수 있다. 이 최소가 되는 전기전도도 특성을 이용하여, 정수장에서 출발한 수돗물(전기전도도가 a인 피크값이라 가정함)이 배급수 계통의 측정포인트(관측지점)에 도달하게 되는 체류시간은 해당 측정포인트에서 전기전도도를 관측하면서 전기전도도가 a인 피크값을 나타내는 시점을 측정하면 되는 것이다. 본 발명에서는 이러한 측정포인트가 최소 3곳이상 존재하고 있다. 따라서 정수장과 배급수계통 3개 이상 지점에 실시간 전기전도계를 설치하여, 각 지점에서의 수돗물 체류시간을 전기전도 측정치의 최대값 혹은 최소값으로 이동시간을 계산하여 표시되도록 함으로써 체류시간(t)를 계산하게 되고, 그 결과로 염소소비속도(k) 산출에 필요한 체류시간 산정에 활용가능하다. 정수장에서 최종소비지 사이에 최소 3개 이상의 지점에서 전기전도도를 측정하는데 이 지점을 '관측지점' 또는 '측정 포인트'라고도 한다.

[염소소비속도 산출 방법]

도 1은 배급수계통의 염소소비속도의 체류시간에 따른 변화 그래프로서 지수함수로 도시된 그래프이다. 위에서 도 2와 같은 방법으로 체류시간을 구하면, 해당 측정포인트에서 수돗물의 체류시간을 알게 된다. 그리고, 해당 측정포인트에서는 수질데이터 정보로서 잔류염소농도를 측정하고 있으므로, 해당 측정포인트 지점에서 체류시간과 잔류염소 농도를 그래프 상에서 도 1과 같이 나타 낼 수 있다. 도 1에서 표시된 지점은 특정 측정포인트에서의 체류시간과 잔류염소농도이다. 도 1에서 가장 오른쪽 지점은 최종소비지 즉 수도꼭지이며, 가장 왼쪽 포인트는 정수지를 의미하고, 가운데 지점은 배수지 등 배수계통의 특정 지점이다. 이들 측정 지점을 연결하는 그래프 관계식을 지수함수로 도출할 수 있다.

도 1에서 예시적인 지수함수 관계식 그래프가 y = 0.5181e^-0.043x로 도시되어 있고, x는 체류시간 y는 잔류염소농도이다. 이때, -0,043이 <식 2>의 염소소비속도(k) 값이 되는 것이다. 이와 같은 과정을 통해, 전기전도도를 추적자로 활용하여 필요한 값을 구하고 조절지점의 투입 염소량을 결정할 수 있게 된다.

정리하면, 배급수계통에 있는 측정포인트까지 도달하는데 소요된 체류시간(t)을 전기전도도 관측을 통해 구하고, 3곳 이상의 측정포인트에서 측정된 잔류염소와 체류시간 사이의 관계를 이용하여 잔류염소-시간 관계식을 지수함수로 도출하면, 해당 급수계통의 염소소비속도(k)를 도출하게 된다. 따라서, 아래 식에서의해 정수지(조절지점)에서 투입해야 하는 염소량(Co)을 결정할 수 있게 된다.

Co = Ct/ e^-kt

Ct : 관리지점 잔류염소 (mg/L)

Co : 조절지점 잔류염소 (mg/L)

k : 급수계통 염소소비속도 (mg/L/hr)

t : 급수계통 체류시간 (hr)

Claims

상수도관망의 급수계통에서 3개 지점 이상의 측정포인트를 선정하는 포인트 선정단계; 상기 측정포인트 각각에서 수돗물의 전기전도도 값과 잔류염소 값을 측정하는 수질테이터 측정단계; 상기 전기전도도 값을 추적자로 활용하여 수돗물이 조절지점에서 해당 측정포인트까지 도달하는데 소요된 체류시간(t)과 급수계통의 염소소비속도(k)를 도출하는 계산단계; 조절지점에서 조절해야 할 잔류염소(Co) 값을 위에서 도출한 체류시간과 염소소비속도를 이용하여 판정하는 판정단계;를 포함하여, 조절지점에서의 잔류염소를 조절하는 것으로,
상기 계산단계는, 상기 전기전도도 값을 이용하여 수돗물이 조절지점에서 해당 측정포인트까지 도달하는데 소요된 체류시간(t)을 도출하고,
해당 측정 포인트에서 측정된 잔류염소 값과 체류시간(t)을 이용하여 잔류염소와 체류시간 사이의 잔류염소-시간 관계식을 도출하고,
상기 잔류염소-시간 관계식를 이용하여 급수계통의 염소소비속도(k)를 도출하고,
상기 판정단계에서, 상기 측정포인트 중 체류시간이 가장 긴 지점을 관리지점으로 선정하고, 조절지점에서 조절해야 할 잔류염소(Co) 값을 아래 식으로 계산하고,
Co = Ct/ e^-kt
Ct : 관리지점 잔류염소 (mg/L)
Co : 조절지점 잔류염소 (mg/L)
k : 급수계통 염소소비속도 (mg/L/hr)
t : 급수계통 체류시간 (hr)
상기 계산단계에서,
해당 측정포인트에서 소정 시간 경과에 따른 전기전도도 변화를 보여주는 전기전도도 변화그래프를 도출하고, 상기 전기전도도 변화그래프의 특이 변화를 이용하여 상기 체류시간을 계산하며,
상기 전기전도도 변화그래프에서 전기전도도 값의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 체류시간을 계산하고,
상기 해당 측정포인트에서의 잔류염소 값은 일단위 혹은 주단위 평균 값으로 계산하는 것을 특징으로 하는 상수도관 잔류염소 제어방법.
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제1항에 있어서,
상기 조절지점은 정수지 또는 배수지이며, 관리지점은 최종소비지이며,
상기 측정포인트는 최종소비지를 포함하는 것을 특징으로 하는 상수도관 잔류염소 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 측정포인트 중 상수도관망 중 체류시간이 가장 길고 잔류염소농도가 가장 낮은 지점을 관리지점으로 선정하고, 관리지점에서의 염소농도를 0.1mg/L 이상 유지되게 하는 것을 특징으로 하는 상수도관 잔류염소 제어방법.