KR200487370Y1 - 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치 - Google Patents

부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 부식성 수질을 제어하기 위해, 수질을 평가하고 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 미리 예측할 수 있도록 구성되는 수질평가 및 수질 안정화 장치에 관한 것으로, 본 고안에 따르면, 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들은 매우 고가이고 호환이 어려우며, 또한, 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)은 미리 제공된 차트만 이용 가능함으로 인해 다양한 조건에 대한 적용이 어렵고 그에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해, 한정된 차트만을 사용하여야 하는 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하고, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있으며, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치가 제공된다.

Description

부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치{Water quality evaluating apparatus for controlling corrosivity and water stabilization method using thereof}
본 고안은 수질을 평가하고 제어하기 위한 수질평가 및 안정화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 부식성 수질을 제어하기 위해, 수질을 평가하고 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 미리 예측할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에 관한 것이다.
또한, 본 고안은, 상기한 바와 같이 수질을 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 예측하기 위해 사용되는 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들은 매우 고가이고 호환이 어려운 문제가 있으며, Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)은 미리 제공된 차트만 이용 가능함으로 인해 다양한 조건에 대한 적용이 어렵고 그에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있었던 문제점을 해결하기 위해, 한정된 차트만을 사용하여야 하는 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하고, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있으며, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 우리나라의 상수 원수의 경우, 경도 및 알칼리도가 낮고, 정리처리 공정에서 전염소 처리와 응집제 투입에 따른 염소이온과 황산이온의 증가로 부식성이 높은 수질로 평가되고 있다.
여기서, 이와 같은 부식성 수질을 제어하기 위한 방법으로는, 예를 들면, 부식억제제를 사용하거나, 또는, 수질매개 변수의 조절이나 수질안정화제를 주입하는 방법 등이 있다.
또한, 부식성 수질을 제어하기 위해서는, 먼저, 수질을 평가하고, 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 미리 예측하는 것이 필요하며, 이러한 목적으로, 종래, 미국의 AWWA에서 개발된 RTW 모델과 프랑스에서 개발된 LPLWIN 모델 등과 같은 부식지수 계산 프로그램이 사용되고 있다.
더 상세하게는, 먼저, RTW 모델은, 스프레드쉬트를 이용하여 온도, pH, 전기전도도, TDS(Total Dissolved Solids), 알칼리도, 칼슘 등의 수질인자를 입력하여 LI(Langelier saturation Index), RI(Ryznar stability Index), AI(Aggressive Index), CCPP(Calcium Carbonate Precipitation Potential) 등의 부식관련 지수를 쉽고 빠르게 평가할 수 있는 프로그램이다.
아울러, LPLWIN 모델은, 입력자료는 RTW 모델과 유사하나, 다양한 부식지수를 평가할 수 있고, 그 결과를 필요시 화면에 그래프로 나타낼 수 있어 이해하기 쉽도록 설계된 특징이 있다.
그러나 상기한 바와 같은 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델은, 기본적으로 상업용 소프트웨어임으로 인해 비용이 고가인 문제에 더하여, 일반 사용자는 해당 프로그램의 소스코드를 구할 수 없음으로 인해, 예를 들면, 적정 주입량을 산정하여 기계장치를 제어하는 것에 의해 산정된 적정 주입량에 해당하는 양을 주입할 수 있도록 명령 또는 신호를 전달하는 장치를 설계할 경우, 산정모델과 기계장치를 프로그램으로 연결하는 데 어려움이 따르며, 호환성에 있어서도 문제가 발생할 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 상용 프로그램 이외에, 실무에서 널리 이용되고 있는 방법으로는 Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)이 있으며, 이는, 수돗물 등의 부식성 여부를 평가하고, 부식성 수질인 경우에는 수질안정화제를 주입하며, 주입량에 따라 방식성 수질로 변화하는 것을 평가할 수 있도록 고안된 차트를 사용한다.
여기서, Caldwell-Lawrence 다이어그램은, 실무에서 간편하게 사용할 수 있는 장점이 있으나, 일정한 온도와 이온 강도에 해당하는 차트만 이용 가능함으로 인해, 중간 조건에 해당하는 차트, 예를 들면, 13℃, TDS 140 mg/L에 대하여 사용하려면, 가장 근접한 차트인 15℃, TDS 100 mg/L 차트를 사용하여야 하므로, 이에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있는 것이었다.
또한, 상기한 Caldwell-Lawrence 다이어그램은, 수질을 평가하기 위해 차트에 수작업으로 선을 그리고 해당하는 지점의 값을 직접 확인하는 과정에서 pH, 칼슘, 알칼리도 선이 복잡하게 연결되어 있어 정확한 지점을 찾아내기 어렵고, 이에 따른 오차가 발생할 확률이 높다는 문제도 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해서는, 기 제공된 한정된 차트만을 사용하여야 하는 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하고, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있으며, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있는 새로운 구성의 수질분석 프로그램을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-0979250호 (2010.08.25.)
2. 한국 등록특허공보 제10-0573223호 (2006.04.17.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0441169호 (2004.07.10.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0315306호 (2001.11.08.)
본 고안은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 고안의 목적은, 부식성 수질을 제어하기 위해, 수질을 평가하고 수질을 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 예측하기 위하여 사용되는 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들은 매우 고가이고 호환이 어려운 문제가 있으며, Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)은 미리 제공된 차트만 이용 가능함으로 인해 다양한 조건에 대한 적용이 어렵고 그에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해, 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램을 대체할 수 있는 자동화된 프로그램이 실행되도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 고안의 다른 목적은, 부식성 수질을 제어하기 위해, 상수도 원수의 수질 상태를 평가하고, 부식성 수질인 경우 수질의 상태에 따라 수질안정화제를 주입하여 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하기 위하여 한정된 차트만을 사용해야 했던 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하고, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있으며, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있는 새로운 구성의 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 고안에 따르면, 원수(raw water)의 수질 상태를 평가한 결과에 따라 수질안정화제를 주입하면서 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하기 위하여 미리 제공된 한정된 차트만을 사용해야 했던 종래기술의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하는 동시에, 원수의 부식성 여부를 평가하여 부식성 수질인 경우 수질안정화 약품을 주입하면서 방식성 수질로 변화하는 과정을 평가하는 처리과정을 자동화할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에 있어서, 원수의 수질을 평가하는 수질평가부; 및 상기 수질평가부의 평가결과 부식성 수질인 경우, 상기 원수에 수질안정화제 주입에 따른 수질 변화를 분석하고, 분석결과에 따라 최적의 수질안정화제 주입량을 결정하여 주입하는 것에 의해 상기 원수의 수질을 제어하는 수질안정화부를 포함하여 구성되며, 상기 수질평가부는, (a) 입력된 원수(raw water)의 수질조건에 따라 Caldwell-Lawrence 다이어그램에서 상기 원수의 위치를 결정하고, 결정된 상기 원수의 위치에 근거하여 상기 원수의 산도(acidity)를 결정하며, (b) 상기 원수의 포화상태(saturation state) 여부를 판별하고, 탄산칼슘 침전잠재력(calcium carbonate precipitation potential ; CCPP)을 산출하며, (c) 상기 원수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(Langelier saturation index ; LSI 및 Ryznar saturation index ; RI)를 산출하고, 상기 원수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 평가하여 만족하는 경우는 처리를 종료하도록 구성되고, 상기 수질안정화부는, (d) 상기 수질평가부에 의해 상기 원수가 부식성 수질로 판단된 경우, 상기 원수에 수질안정화제를 주입하여 생성되는 중간수(interim water)에 대하여, 상기 수질안정화제의 주입에 따른 칼슘(calcium), 알칼리도(alkalinity) 및 산도(acidity)를 재산정하고, (e) 상기 중간수의 pH를 산출하며, (f) 상기 중간수의 포화상태 여부를 판별하고, 상기 중간수의 탄산칼슘 침전잠재력(CCPP)을 산출하며, (g) 상기 중간수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(LSI 및 RI)를 산출하고, 상기 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 점검하여 상기 중간수가 상기 수질조건을 만족하는 경우는 처리를 종료하며, (h) 상기 중간수가 상기 수질조건을 만족하지 않는 경우, 상기 중간수의 pH가 기준값으로서 pH > 9.5의 조건을 만족하는지를 판별하고, 상기 중간수의 pH가 상기 기준값에 대한 조건을 만족하면 처리를 종료하며, (i) 상기 중간수의 pH가 상기 기준값을 만족하지 않는 경우, 상기 중간수에 CO2를 주입하여 상기 중간수의 pH를 조절하고, pH가 조절된 상기 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 점검하여 상기 수질조건을 만족하는 경우는 처리를 종료하며, 만족하지 않는 경우는 상기 수질조건을 만족할 때까지 상기 수질안정화제의 주입량을 달리하면서 상기 (d) 내지 상기 (h)의 과정이 반복 수행되도록 구성되고, 상기 방식성 수질이 가져야 할 수질조건은, 탄산칼슘의 침전잠재력이 4 ~ 10 mg/L(as CaCO3)이고, 칼슘농도와 알칼리도는 최소 40mg/L 이상이며, 알칼리도 대 염소이온과 황산이온 농도의 합의 비가 최소 5:1 이상이고, pH는 6.8 ~ 7.3의 범위인 조건을 모두 만족하도록 구성되며, 상기 장치는, 상기 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 차트에서 알칼리도와 pH 선의 교점에 의해 상기 원수 또는 상기 중간수의 산도(acidity)를 구하고 상기 중간수에 주입될 CO2의 주입량을 결정하며, 상기 교점이 상기 차트의 범위를 벗어나는 경우는 이하의 수학식을 사용하여 상기 산도(Acd)를 구하는 처리가 수행되도록 구성되고,
Figure 112018049132158-utm00001

(여기서, Alk는 알칼리도, Kw는 물에 대한 해리상수, K1, K2는 각각 탄산에 대한 1, 2차 해리상수, [H+]는 수소이온농도임)
또한, 상기 장치는, 상기 (a) 내지 상기 (i)의 처리과정이 각각의 처리과정별로 모듈화되어 입력된 상기 원수의 수질조건에 따라 자동으로 수질평가 및 수질안정화 처리가 수행되도록 구성되며, 이때, 상기 (b) 및 상기 (f)의 처리과정이 동일한 모듈로 처리되고, 상기 (c) 및 상기 (g)의 처리가 동일한 모듈로 처리되도록 구성됨으로써, 기존의 수질평가장치 및 상용 프로그램들에 비하여 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 처리가 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치가 제공된다.
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상기한 바와 같이, 본 고안에 따르면, 부식성 수질을 제어하기 위해, 수질을 평가하고 수질을 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 예측하기 위하여 사용되는 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램을 대체할 수 있는 자동화된 프로그램이 실행되도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치가 제공됨으로써, 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들은 매우 고가이고 호환이 어려운 문제가 있으며, Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)은 미리 제공된 차트만 이용 가능함으로 인해 다양한 조건에 대한 적용이 어렵고 그에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 문제점들을 해결할 수 있다.
또한, 본 고안에 따르면, 상기한 바와 같이, 부식성 수질을 제어하기 위해, 상수도 원수의 수질 상태를 평가하고, 부식성 수질인 경우 수질의 상태에 따라 수질안정화제를 주입하여 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하며, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있고, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치가 제공됨으로써, 한정된 차트만을 사용해야 했던 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하는 것에 의해 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램 및 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들을 대체하여 보다 저렴하고 용이하게 수질평가 및 제어를 수행할 수 있다.
도 1은 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에서 수행되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 알고리즘의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 알고리즘의 각 단계별 산정 프로그램과 Caldwell-Lawrence 다이어그램 상호 간의 관계를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 3은 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 성능을 검증하기 위한 수질분석 실험에 적용된 원수의 수질을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 원수에 수질안정화제로서 Ca(OH)2를 주입한 후의 중간수의 수질을 분석한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 나타낸 원수에 수질안정화제로서 NaOH를 주입한 후의 중간수의 수질을 분석한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 고안에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 고안을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 고안은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 고안의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 고안은, 후술하는 바와 같이, 부식성 수질을 제어하기 위해, 수질을 평가하고 수질을 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 예측하기 위하여 사용되는 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들은 매우 고가이고 호환이 어려운 문제가 있으며, Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)은 미리 제공된 차트만 이용 가능함으로 인해 다양한 조건에 대한 적용이 어렵고 그에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해, 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램을 대체할 수 있는 자동화된 프로그램이 실행되도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에 관한 것이다.
또한, 본 고안은, 후술하는 바와 같이, 부식성 수질을 제어하기 위해, 상수도 원수의 수질 상태를 평가하고, 부식성 수질인 경우 수질의 상태에 따라 수질안정화제를 주입하여 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하기 위하여 한정된 차트만을 사용해야 했던 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하고, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있으며, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있는 새로운 구성의 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 고안자들은, 이하에 설명하는 본 고안의 실시예에 나타낸 바와 같이, 상수도 원수의 수질 상태를 평가하고, 부식성 수질인 경우 수질의 상태에 따라 수질안정화제를 주입하여 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하기 위하여 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램을 대체할 수 있는 자동화된 프로그램을 개발하였으며, 개발된 프로그램을 적용하여 원수의 수질을 평가하는 것에 의해 그 성능을 검증하였다.
여기서, 이하에 설명하는 본 고안의 실시예에서는, 각각의 절차별 산정과정은 포트란(Fortran) 언어를 이용하였으며, 실무에서 사용자가 간단하고 쉽게 사용할 수 있도록 비쥬얼 베이직(Visual Basic)을 이용하여 GUI 기능을 추가하여 본 고안을 구현한 경우를 예로 하여 본 고안을 설명하였으나, 본 고안은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 상기한 포트란이나 비쥬얼 베이직 이외에 필요에 따라 얼마든지 다른 형태로도 구현 가능한 것임에 유념해야 한다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 고안에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에서 수행되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 알고리즘의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질 평가 알고리즘은, Caldwell-Lawrence 다이어그램에 의한 방법을 적용하여 수도물의 침식성 여부를 평가하고, 침식성 수질인 경우, 수질안정화 약품을 주입하면서 방식성 수질로 변화하는 과정을 평가하는 일련의 절차를 포함하여 구성된다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질 평가 알고리즘의 전 과정은 총 15단계로 구성되며, 이는 다시 크게 3가지로 분류될 수 있다.
먼저, 단계 1(STEP 1)부터 단계 5(STEP 5)까지는 현재의 수질의 상태를 평가하는 절차로서, 원수(raw water)의 포화상태(saturation state) 결정, 산도(acidity) 산정, 탄산칼슘 침전잠재력(calcium carbonate precipitation potential ; CCPP) 산정(참고문헌 4 및 참고문헌 10 참조), Langelier 포화지수(LSI) 산정(참고문헌 9 참조), Ryznar 포화지수(RI) 산정(참고문헌 10 참조) 등으로 구성되어 있으며, 이 단계를 마치면 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 점검한다.
여기서, 탄산칼슘 포화상태의 방식성의 수질을 위한 최적의 수질조건은 탄산칼슘의 침전잠재력이 4 ~ 10 mg/L(as CaCO3), 칼슘농도와 알칼리도는 최소 40mg/L 이상, 알칼리도 대 염소이온과 황산이온 농도의 합의 비가 최소 5:1 이상, pH는 6.8 ~ 7.3 범위라고 보고된바 있으며(참고문헌 8 및 참고문헌 12 참조), 이러한 조건이 만족되면 처리를 종료한다.
또한, 단계 6(STEP 6)부터 단계 10(STEP 6) 까지는, 부식성 수질인 경우, 수질안정화제를 주입하면서 그에 따른 중간수의 수질상태를 평가하는 절차로서, 일정량의 부식억제제를 주입한 경우 이에 따른 칼슘(calcium), 알칼리도(alkalinity), 산도(acidity) 및 pH 등을 재산정하고, 포화상태 판별, CCPP, LSI 및 pH를 산정하는 절차 등으로 구성되어 있으며, 중간수(interim water)가 방식성 수질을 만족하는지를 점검하여 만족하는 경우 처리를 종료한다.
아울러, 단계 11(STEP 11)부터 단계 15(STEP 15)까지는 중간수의 pH가 높은 경우에 CO2를 주입하면서 이에 따라 pH를 적정 수준으로 낮추는 과정이다.
계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 알고리즘의 각 단계별 산정 프로그램과 Caldwell-Lawrence 다이어그램 상호 간의 관계를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 고안의 실시예에서 적용된 산정모델은 Caldwell-Lawrence 다이어그램에 의한 산정 절차를 단계별로 모듈화하여 프로그래밍하였으며, 이러한 단계별 산정 프로그램과 다이어그램 상호 간의 관계는 도 2의 표에 나타낸 바와 같다.
더 상세하게는, 단계 1 ~ 단계 3은 서브 모듈 ACDT를, 단계 4, 단계 8 및 단계 9는 모듈 CCPP를, 단계 5 및 단계 10은 모듈 XLSI를, 단계 6은 모듈 XADD를, 단계 7은 모듈 XPHI를, 단계 11 ~ 단계 15는 모듈 CALCO를 사용하며, 모듈 내산정식은 기존의 연구결과를 이용하였다.
다음으로, 활동도 계수의 산정에 대하여 설명하면, 종래, 용해되어 있는 이온의 활동도 계수를 산정하기 위한 식들이 Debye-Huckel, Guntelberg, Davis 등에 의해, 이하의 [수학식 1] 내지 [수학식 3]과 같이 각각 제안된바 있다.
먼저, Debye-Huckel의 식은 이하의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112016089363000-utm00002
여기서, fi는 이온의 활동도 계수, Zi는 이온 전하, μ는 이온강도이며, A, B, a는 각각 온도에 지배되는 상수이다.
또한, Gutenberg의 식은 이하의 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
Figure 112016089363000-utm00003
아울러, Davis의 식은 이하의 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]
Figure 112016089363000-utm00004
또한, 이온강도(Ionic strength) μ는 이하의 [수학식 4]와 같이 하여 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016089363000-utm00005
여기서, Ci는 용해되어 있는 i-번째 이온의 몰농도 [mole/L]이고, Zi는 용해되어 있는 i-번째 이온의 전하이다.
다음으로, 포화수소 이온농도의 산정에 대하여 설명하면, 포화 수소 이온농도에 로가리즘을 하고 역수를 구하면 포화 pH가 되며 이하와 같이 해석해와 방정식의 해로 구할 수 있다.
먼저, 해석해로 구하는 방법은, 이하의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016089363000-utm00006
여기서, K2는 탄산에 대한 2차 해리상수, Ks는 용해도상수, Ca2 +는 칼슘이온 농도[g-mole/L], CO3 -는 중탄산염 농도[g-mole/L], fm = 1이 이온에 대한 활동도계수이며, 파라미터 앞에 붙은 p는 -log10을 의미한다.
또한, 2차 방정식의 해로 구하는 방법은, Langelier가 제시한 방법으로, 그 산정하는 식은 이하의 [수학식 6]과 같다.
[수학식 6]
Figure 112016089363000-utm00007
여기서 [H+]s는 이하의 [수학식 7]에 나타낸 바와 같은 2차 방정식을 풀어서 구할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112016089363000-utm00008
여기서, Alk는 알칼리도이고, Kw는 물에 대한 해리상수, K1' 및 K2'는 탄산에 대한 1, 2차 해리상수로서, 이하의 [수학식 8]과 같다.
[수학식 8]
Figure 112016089363000-utm00009
여기서, fm, fd는 1가, 2가 이온에 대한 활동도 계수로서, Debye-Huckel, Guntelberg, Davis 등에 의해 제시된 식 등을 이용하여 구할 수 있으나, 본 고안에서는, 비교적 오차가 적은 것으로 알려진 Davis 식을 적용하였다.
또한, 상기한 [수학식 7]은
Figure 112016089363000-utm00010
으로서 2차 방정식의 근을 구하는 공식을 이용하여 구하며, 일반적으로 2개의 실근의 값을 얻게 되는데, 두 실근 중에서 작은 값을 사용하여 해를 구한다.
그러나, 너무 적은 칼슘과 탄소의 양을 함유한 물은 전 영역에 걸쳐 탄산칼슘으로 포화될 수 없으므로 CaCO3 침전이 가능하지 않게 되고, pHs도 계산할 수 없게 된다.
즉, 이러한 조건은 2차 방정식의 판별식 (B2-4AC)이 음이 되어 허근이 되므로, 의미 없는 해가 되어 버린다.
따라서 본 고안에서는, 이러한 경우 프로그램에서 경고메시지를 보내고, 그에 따른 처리를 설명하는 도움말 기능을 추가하였다.
계속해서, 1차 방정식의 해로 구하는 방법은, Snoeyink and Jenkins가 제시한 방법으로, [H+]s 대신에 [H+]sn을 사용하여 산정할 수 있으며, 그 식은 이하의 [수학식 9]와 같다.
[수학식 9]
Figure 112016089363000-utm00011
여기서, [H+]sn은 측정된 칼슘과 중산산염의 값으로 포화되어 있는 계의 수소이온농도로서, 이하의 [수학식 10]에 나타낸 바와 같은 1차 방정식을 풀어서 해를 구할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112016089363000-utm00012
즉, [H+]sn은 측정된 pH의 함수이나 [H+]s는 그렇지 않으며, 해를 구하기 위하여 측정 pH의 값을 사용하지 않는다.
계속해서, 산도(Acidity) 산정에 대하여 설명한다.
산도는 차트에서 알칼리도와 선의 교점으로 구할 수 있으며, 교점이 차트의 범위를 벗어나는 경우에는 이하의 [수학식 11]을 사용하여 구한다.
[수학식 11]
Figure 112016089363000-utm00013
여기서, Acd는 산도이다.
또한, 주어진 알칼리도 및 산도에 해당하는 수소이온농도를 구하기 위해, 상기한 [수학식 11]을 [H+]에 대하여 정리하면 이하의 [수학식 12]와 같이 3차 방정식이 얻어진다.
[수학식 12]
Figure 112016089363000-utm00014
여기서, 본 고안에서는, 매트랩의 내장함수인 roots를 이용하여 상기한 [수학식 12]의 해를 구하였으나, 그 외에도, Laguerre의 방법 및 Muller의 방법 등이 다항식의 해를 구하는 방법으로 사용될 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 하여 [수학식 12]의 해를 구하면 3개의 근이 발생하는데, 관련 식의 특성상 2개의 음근과 1개의 양근이 발생된다.
여기서, 구해진 양근의 역수에 로그를 하면 원하는 pH(=log10(1/[H+]))를 구할 수 있다.
계속해서, 탄산칼슘 포화지수의 산정에 대하여 설명한다.
탄산칼슘 포화지수는 포화된 물로부터 침전할 수 있는 또는 불포화된 물에 의해 용해될 수 있는 이론적인 CaCO3의 양을 의미하는 용어로서, Merrill and Sanks에 의해 사용되었으며, 산정 식은 이하의 [수학식 13]과 같다.
[수학식 13]
Figure 112016089363000-utm00015
여기서, [수학식 13]의 왼편에 있는 항 [Ca2 +]와 Alki는 일반적으로 측정에 의해 구하며, 오른편에 있는 항 Acyi는 측정된 pH와 알칼리도를 이용하여 기존의 선행 연구에 의해 제안된 식으로 구할 수 있다.
또한, 오른편 항에 있는 req, teq, peq 및 seq는 평형 수소이온농도 [H+]eq의 함수이고, 이때, [H+]eq는 위 식을 시행오차 방법으로 풀어서 구할 수 있으며, 본 고안에서는, 이하의 조건식을 모두 만족하는 경우에 한하여 반복을 중지하고 루프를 탈출하도록 하였다.
① 왼쪽항의 합과 오른쪽 항의 합과의 차이가 오차 범위 (εd ≤ 10-4) 내에 있어야 한다.
② 오른쪽 항에 있는 [Acyi - seq]가 영(0)보다 같거나 큰 값을 나타내야 한다(그 이유는 선행연구(참고문헌 8 참조)에 상세히 서술되어 있다).
③ 이전 시간대에서 산정한 오차값 (εd n - 1)과 현재 시간대에서 산정한 오차 값 (εd n)의 차가 εd n -1 - εd n ≥ 0이어야 한다.
위의 조건을 모두 만족하여 루프를 탈출하면서 구한 pH를 평형 pH, pHeq라 한다.
따라서 본 고안에서는, 상기한 바와 같이 하여 구해진 pHeq를 이용하여 평형 알칼리도 Alkeq를 구하였고, 이 값을 상기한 [수학식 13]과 같은 산정식에 대입하여 탄산칼슘 포화지수를 산정하였다.
계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 성능을 실제 수질분석 실험을 통하여 검증한 결과에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 성능을 검증하기 위한 수질분석 실험에 적용된 원수의 수질을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 본 고안자들은, 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 성능을 검증하기 위해, 하천수를 원수(raw water)로 사용하여 수질분석을 수행하였다.
더 상세하게는, 본 고안자들은, 2009년 하절기 중 특정 시간대에 낙동강 수계 G 정수장으로 유입되는 하천수를 채수하여 수질을 분석하고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 그 결과를 표로 나타내었다.
여기서, 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치를 이용할 경우, 종래의 방법과 같이 온도와 이온강도에 따라 적합한 차트를 찾을 필요 없이 표에 제시한 파라미터를 입력하면 된다.
즉, 측정된 값이 전기전도도인 경우, I = 1.6×10-5·C를 이용하여 이온강도를 구하며, 측정된 값이 TDS 일 경우, I = 2.5×10-5·TDS를 이용하여 구할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 3에 나타낸 원수에 수질안정화제로서 Ca(OH)2를 주입한 후의 중간수의 수질을 분석한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 본 고안자들은, ACDT, XLSI, CCPP 서브 프로그램을 이용하여 원수의 수질을 평가하였으며, 도 4의 둘째 열에 나타내었다.
더 상세하게는, 도 4에 나타낸 바와 같이, LSI = -1.5, RI = 10.2, CCPP = -13.3으로 나타났다.
여기서, Ryznar 포화지수는 RSI > 8.5인 경우 강부식성 수질이고, Langelier 포화지수는 LSI < 0인 경우 부식성 수질을 나타내는 것으로 알려져 있다.
즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 원수의 수질이 부식성을 나타내므로, 수질안정화제로 알칼리제를 주입하면서 방식성의 수질로 변화시켜야 하는 것으로 판단된다.
아울러, 본 고안자들은, 수질안정화제로 Ca(OH)2를 주입하는 경우 주입량에 따른 수질의 변화를 예측하기 위하여 XADD, XPHI, XLSI, CCPP 서브 모듈을 이용하였으며, 주입량을 5mg/L, 10mg/L, 20mg/L로 변화시키면서 변화를 예측하였다.
더 상세하게는, Ca(OH)2를 5 mg/L 주입한 경우, 도 4에 나타낸 표의 세 번째 열에서처럼 칼슘 경도(calcium), 알칼리도(alkalinity)가 각각 5mg/L 증가하고, 산도(ackdity)는 5mg/L 감소하는 것으로 나타났다.
즉, 원수는 불포화(undersaturated) 상태였으나, 중간수는 과포화 상태 (oversaturated)로 변화되는 것으로 나타났으며, 또한, Langelier 포화지수(LSI)는 -0.67로 원수의 지수 -1.5에 비하여 나아지기는 하였으나 여전히 부식성의 수질을 나타내고, Ryznar 포화지수(RI)는 9.29로 8.5보다 높기 때문에 역시 부식성 수질을 나타내며, 탄산칼슘 침전 잠재량(CCPP)은 -3.96으로 나타났다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 수질안정화제 Ca(OH)2를 5mg/L 주입하여 예측한 결과 여전히 부식성 수질이므로, 본 고안자들은, 주입량을 10mg/L로 증가시켜 XADD, XPHI, XLSI, CCPP 서브 모듈을 이용하여 수질분석을 반복 실행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타낸 표의 네 번째 열에 정리하였다.
이 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, Langelier 포화지수(LSI)는 0.53으로 0보다 크므로 방식성의 수질을 의미하고, Ryznar 포화지수(RI)는 8.06으로서 8.5보다 낮으므로 역시 방식성 수질을 나타내는 것으로 평가되었다.
또한, 탄산칼슘 침전잠재량(CCPP) 은 5.31로 나타나 탄산칼슘 포화상태의 방식성의 수질을 위한 최적의 수질조건 4 ~ 10mg/L(as CaCO3)도 만족시키는 것으로 나타났다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 도 5는 도 3에 나타낸 원수에 수질안정화제로서 NaOH를 주입한 후의 중간수의 수질을 분석한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 본 고안자들은, 상기한 바와 같은 동일한 원수의 수질조건에 대하여, 수질안정화제를 수산화나트륨(NaOH)으로 변경하여 수질분석을 수행하고 그 결과를 표로 정리하여 도 5에 나타내었다.
더 상세하게는, 본 고안자들은, 도 5에 나타낸 바와 같이, NaOH의 주입량을 각각 5mg/L, 10mg/L, 20mg/L로 변화시키면서 변화를 예측하였으며, 먼저, NaOH = 5 mg/L 경우, 칼슘 경도에는 변화가 없고, 알칼리도가 5mg/L 증가하며, 산도는 5mg/L 감소하는 것으로 나타났다.
또한, 중간수는 과포화 상태(over saturated)로 변화되는 것으로 나타났으며, Langelier 포화지수(LSI)는 0.72로 원수의 지수 -1.5에 비하여 나아지기는 하였으나 여전히 부식성의 수질을 나타내는 것으로 나타났고, Ryznar 포화지수(RI)는 9.39으로서 8.5보다 높으므로 역시 부식성 수질을 나타내는 것으로 나타났으며, 탄산칼슘 침전잠재량(CCPP)은 -4.28로 나타났다.
아울러, 본 고안자들은, 상기한 바와 같이 수질안정화제로서 NaOH를 5mg/L 주입하여 예측한 결과 부식성 수질을 나타내므로, 주입량을 10mg/L로 증가시켜 수질분석을 반복 실행하였다.
그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, Langelier 포화지수(LSI)는 0.43으로 0보다 크므로 방식성의 수질을 나타내었고, Ryznar 포화지수(RI)는 8.26으로서 8.5보다 낮으므로 역시 방식성의 수질을 나타내는 것으로 평가되었으며, 탄산칼슘 침전잠재량(CCPP)은 4.33으로 나타나 탄산칼슘 포화상태의 방식성의 수질을 위한 최적의 수질조건 4 ~ 10mg/L(as CaCO3)의 경계에 있는 것으로 나타났다.
더욱이, 주입량을 20mg/L으로 증가시켜 수질분석을 반복 실행한 결과는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 주입량이 20mg/L 경우, 탄산칼슘 침전잠재량(CCPP)은 20.83으로 나타나 탄산칼슘 포화상태의 방식성의 수질을 위한 최적의 수질조건의 경계를 10mg/L 초과하는 것으로 나타났다.
따라서 상기한 바와 같은 분석결과로부터, 수질안정화제의 적정 주입량은 10mg/L 보다는 크고 20mg/L 보다는 적은 양이 되어야 함을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 고안에 따르면, 상수도 원수의 수질 상태를 평가하고, 부식성 수질인 경우 수질의 상태에 따라 수질안정화제를 주입하여 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하기 위하여, 종래의 Caldwell-Lawrence 다이어그램을 대체할 수 있는 자동화된 프로그램이 제공된다.
또한, 본 고안자들은, 상기한 바와 같이 하여 개발된 프로그램을 적용하여 원수의 수질을 평가하였으며, 부식성 수질인 것으로 나타난 경우 수질안정화제로 Ca(OH)2를 각각 5, 10, 20mg/L로 주입하면서 중간수의 상태를 예측하였다.
그 결과, 10mg/L에서 Langelier 포화지수(LSI)가 0.53으로, Ryznar 포화지수(RI)가 8.06으로 나타나 방식성 수질을 나타내는 것으로 평가되었으며, 이때, 탄산칼슘 침전잠재량(CCCP)도 5.31로 나타나 방식성의 수질을 위한 최적의 수질조건을 만족시키는 것으로 나타났다.
아울러, 본 고안자들은, 수질안정화제로서 NaOH를 각각 5, 10, 20mg/L로 주입하면서 중간수의 상태를 예측하였으며, 이 경우, 10mg/L에서 Langelier 포화지수(LSI), Ryznar 포화지수(RI) 모두 방식성의 수질을 나타내는 것으로 평가되었으나, CCPP는 4.33으로 방식성의 수질을 위한 최적의 수질조건의 경계에 있어 안정화제를 10mg/L 보다 조금 증가시키면 최적의 수질조건을 만족할 수 있는 것으로 평가되었다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치를 구현할 수 있다.
더 상세하게는, 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치는, 도 1에 나타낸 STEP 1 내지 STEP 5의 처리를 수행하여 원수의 수질을 평가하도록 이루어지는 수질평가부와, 도 1에 나타낸 STEP 6 내지 STEP 15의 처리를 수행하여 수질평가부의 평가결과 부식성 수질인 경우 원수에 수질안정화제 주입에 따른 수질 변화를 분석한 분석결과에 따라 최적의 수질안정화제 주입량을 결정하여 주입하는 것에 의해 원수의 수질을 제어하도록 이루어지는 수질안정화부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 수질평가부는, 도 1 및 도 2와 [수학식 1] 내지 [ 수학식 13]을 참조하여 상기한 바와 같이, 입력된 원수의 수질조건에 따라 Caldwell-Lawrence 다이어그램에서 원수의 위치를 결정하고 결정된 원수의 위치에 근거하여 원수의 산도(acidity)를 결정하는 처리와(도 1의 STEP 1 ~ STEP3), 원수의 포화상태 여부 판별 및 탄산칼슘 침전잠재력(CCPP)을 산출하는 처리(도 1의 STEP 4) 및 원수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(LSI 및 RI)를 산출하고 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 평가하는 처리(도 1의 STEP 5)가 각각의 처리과정별로 모듈화되어 수행되도록 구성될 수 있다(도 2의 ACDT, CCPP, XLSI 모듈).
아울러, 상기 수질안정화부는, 도 1 및 도 2와 [수학식 1] 내지 [ 수학식 13]을 참조하여 상기한 바와 같이, 수질평가부에 의해 원수가 부식성 수질로 판단된 경우, 원수에 수질안정화제를 주입하여 생성되는 중간수(interim water)에 대하여 수질안정화제의 주입에 따른 칼슘(calcium), 알칼리도(alkalinity) 및 산도(acidity)를 재산정하는 처리와(도 1의 STEP 6), 중간수의 pH를 산출하는 처리와(도 1의 STEP 7), 중간수의 포화상태 여부 및 탄산칼슘 침전잠재력(CCPP)을 산출하는 처리와(도 1의 STEP 8, STEP 9), 중간수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(LSI 및 RI)를 산출하고 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 평가하여 만족하는 경우는 처리를 종료하며, 만족하지 않는 경우 중간수의 pH가 기준값으로서 pH > 9.5의 조건을 만족하는지를 판별하여 만족하는 경우는 처리를 종료하는 처리와(도 1의 STEP 10), 중간수의 pH가 기준값을 만족하지 않는 경우 중간수에 CO2를 주입하여 중간수의 pH를 조절하고, pH가 조절된 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족할 때까지 수질안정화제의 주입량을 달리하면서 상기한 처리를 반복 수행하는 처리(도 1의 STEP 11 ~ STEP 15)가, 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 모듈(도 2의 ACDT, CCPP, XLSI, XADD, XPHI, CALCO 모듈)에 의해 모듈화되어 수행되도록 구성됨으로써, 입력된 원수의 수질조건에 따라 자동으로 수질평가 및 수질안정화를 위한 일련의 처리가 각 단계별로 나누어진 모듈 형태로 수행될 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 상기한 바와 같이 구성되는 본 고안의 실시예에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 수질평가부에서 원수의 포화상태 여부 판별 및 탄산칼슘 침전잠재력(CCPP)을 산출하는 처리와, 수질안정화부에서 중간수의 포화상태 여부 및 탄산칼슘 침전잠재력(CCPP)을 산출하는 처리가 동일한 모듈로 처리되고(도 2의 CCCP 모듈), 아울러, 수질평가부에서 원수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(LSI 및 RI)를 산출하고 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 평가하는 처리와, 수질안정화부에서 중간수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(LSI 및 RI)를 산출하고 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 평가하는 처리가 동일한 모듈로 처리되도록 구성됨으로써(도 2의 XLSI 모듈), 전체적인 구성 및 처리과정을 보다 단순화할 수 있도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 고안에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 고안에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치를 구현하는 것에 의해, 본 고안에 따르면, 부식성 수질을 제어하기 위해, 수질을 평가하고 수질을 평가한 결과에 따라 필요한 처리를 실시할 경우 예상되는 결과를 예측하기 위하여 사용되는 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램을 대체할 수 있는 자동화된 프로그램으로서 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치가 제공됨으로써, 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들은 매우 고가이고 호환이 어려운 문제가 있으며, Caldwell-Lawrence 다이어그램(Caldwel-Lawrence Diagram)은 미리 제공된 차트만 이용 가능함으로 인해 다양한 조건에 대한 적용이 어렵고 그에 따른 오차가 발생할 수 있는 단점이 있었던 종래기술의 문제점들을 해결할 수 있다.
아울러, 본 고안에 따르면, 상기한 바와 같이, 부식성 수질을 제어하기 위해, 상수도 원수의 수질 상태를 평가하고, 부식성 수질인 경우 수질의 상태에 따라 수질안정화제를 주입하여 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하며, 제공된 차트 내에서 선이나 교점이 발생하지 않아 문제가 되는 경우에 수식으로 값을 산정할 수 있고, 차트의 단계별 과정을 자동화할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치가 제공됨으로써, 한정된 차트만을 사용해야 했던 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하는 것에 의해 기존의 Caldwell-Lawrence 다이어그램 및 기존의 RTW 모델 및 LPLWIN 모델과 같은 상용 프로그램들을 대체하여 보다 저렴하고 용이하게 수질평가 및 제어를 수행할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 고안의 실시예를 통하여 본 고안에 따른 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 고안은, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims (1)

  1. 원수(raw water)의 수질 상태를 평가한 결과에 따라 수질안정화제를 주입하면서 방식성 수질로 변화되는 과정을 평가하기 위하여 미리 제공된 한정된 차트만을 사용해야 했던 종래기술의 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 한계를 극복하는 동시에, 원수의 부식성 여부를 평가하여 부식성 수질인 경우 수질안정화 약품을 주입하면서 방식성 수질로 변화하는 과정을 평가하는 처리과정을 자동화할 수 있도록 구성되는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치에 있어서,
    원수의 수질을 평가하는 수질평가부; 및
    상기 수질평가부의 평가결과 부식성 수질인 경우, 상기 원수에 수질안정화제 주입에 따른 수질 변화를 분석하고, 분석결과에 따라 최적의 수질안정화제 주입량을 결정하여 주입하는 것에 의해 상기 원수의 수질을 제어하는 수질안정화부를 포함하여 구성되며,
    상기 수질평가부는,
    (a) 입력된 원수(raw water)의 수질조건에 따라 Caldwell-Lawrence 다이어그램에서 상기 원수의 위치를 결정하고, 결정된 상기 원수의 위치에 근거하여 상기 원수의 산도(acidity)를 결정하고,
    (b) 상기 원수의 포화상태(saturation state) 여부를 판별하고, 탄산칼슘 침전잠재력(calcium carbonate precipitation potential ; CCPP)을 산출하며,
    (c) 상기 원수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(Langelier saturation index ; LSI 및 Ryznar saturation index ; RI)를 산출하고, 상기 원수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 평가하여 만족하는 경우는 처리를 종료하도록 구성되고,
    상기 수질안정화부는,
    (d) 상기 수질평가부에 의해 상기 원수가 부식성 수질로 판단된 경우, 상기 원수에 수질안정화제를 주입하여 생성되는 중간수(interim water)에 대하여, 상기 수질안정화제의 주입에 따른 칼슘(calcium), 알칼리도(alkalinity) 및 산도(acidity)를 재산정하고,
    (e) 상기 중간수의 pH를 산출하며,
    (f) 상기 중간수의 포화상태 여부를 판별하고, 상기 중간수의 탄산칼슘 침전잠재력(CCPP)을 산출하며,
    (g) 상기 중간수의 포화상태의 pH 및 탄산칼슘 포화지수(LSI 및 RI)를 산출하고, 상기 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 점검하여 상기 중간수가 상기 수질조건을 만족하는 경우는 처리를 종료하며,
    (h) 상기 중간수가 상기 수질조건을 만족하지 않는 경우, 상기 중간수의 pH가 기준값으로서 pH > 9.5의 조건을 만족하는지를 판별하고, 상기 중간수의 pH가 상기 기준값에 대한 조건을 만족하면 처리를 종료하며,
    (i) 상기 중간수의 pH가 상기 기준값을 만족하지 않는 경우, 상기 중간수에 CO2를 주입하여 상기 중간수의 pH를 조절하고, pH가 조절된 상기 중간수가 방식성 수질이 가져야 할 수질조건을 만족하는지를 점검하여 상기 수질조건을 만족하는 경우는 처리를 종료하며, 만족하지 않는 경우는 상기 수질조건을 만족할 때까지 상기 수질안정화제의 주입량을 달리하면서 상기 (d) 내지 상기 (h)의 과정이 반복 수행되도록 구성되고,
    상기 방식성 수질이 가져야 할 수질조건은, 탄산칼슘의 침전잠재력이 4 ~ 10 mg/L(as CaCO3)이고, 칼슘농도와 알칼리도는 최소 40mg/L 이상이며, 알칼리도 대 염소이온과 황산이온 농도의 합의 비가 최소 5:1 이상이고, pH는 6.8 ~ 7.3의 범위인 조건을 모두 만족하도록 구성되며,
    상기 장치는,
    상기 Caldwell-Lawrence 다이어그램의 차트에서 알칼리도와 pH 선의 교점에 의해 상기 원수 또는 상기 중간수의 산도(acidity)를 구하고 상기 중간수에 주입될 CO2의 주입량을 결정하며, 상기 교점이 상기 차트의 범위를 벗어나는 경우는 이하의 수학식을 사용하여 상기 산도(Acidity)를 구하는 처리가 수행되도록 구성되고,

    Figure 112018501805293-utm00016


    (여기서, Alk는 알칼리도, Kw는 물에 대한 해리상수, K1, K2는 각각 탄산에 대한 1, 2차 해리상수, [H+]는 수소이온농도임)

    또한, 상기 장치는,
    상기 (a) 내지 상기 (i)의 처리과정이 각각의 처리과정별로 모듈화되어 입력된 상기 원수의 수질조건에 따라 자동으로 수질평가 및 수질안정화 처리가 수행되도록 구성되며, 이때, 상기 (b) 및 상기 (f)의 처리과정이 동일한 모듈로 처리되고, 상기 (c) 및 상기 (g)의 처리가 동일한 모듈로 처리되도록 구성됨으로써,
    기존의 수질평가장치 및 상용 프로그램들에 비하여 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 처리가 이루어질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 부식성 수질 제어를 위한 수질평가 및 수질안정화 장치.
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