KR20070081461A - 일체형 수질 원격감시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공업단지와 같이 수질오염물질 배출사업장이 밀집되어 있는 곳의 방류구 수질을 상시 측정하여 중금속과 같은 오염물질이 함유된 폐수의 방류행위를 감시하며, 방류업체를 적발하고 계도하는 것을 목적으로 하는 일체형 수질 원격감시장치에 관한 것이다.

필터를 구비한 입수배관을 거쳐 공급된 물을 측정하는 수질측정장치와, 상기 수질측정장치의 센서를 세척하는 센서세척장치와, 측정된 자료를 저장하고 작동상태를 표시하는 데이터로거와, 측정수질에 따라서 시료를 수집하는 자동채수장치와, 경보와 데이터를 전송하는 무선통신장치와, 함체 내부의 온도를 조절하는 온도조절장치와, 상기 장치들을 통합하는 제어장치, 그리고, 시스템을 구동시키는 전원 공급장치와 예비전원장치로 구성된 수질 원격감시장치는 입·출수 배관을 제외한 모든 장치가 하나의 함체에 집적화하고 일체화되어 수질측정 지점의 지상에 원격감시장치가 설치됨으로써 설치와 관리의 최적화를 실현하는 자립형 측정소로 운영되는 것을 특징으로 한다.

수질TMS, 방류구, 수계, 순시유량, 저류조, 관로,데이터로거.

Description

일체형 수질 원격감시장치{Water quality telemetering system}

산업폐수를 무단으로 방류하여 하천의 어류가 떼로 죽임을 당하고 악취가 진동하는 것과 같은 수계 생태의 위험을 알리는 뉴스를 우리는 종종 접할 수 있는데, 이러한 일들은 현재를 살아가는 우리나 미래의 후손에게 있어서 참으로 안타까운 현실이다. 오염은 한 순간이지만 이를 복구하기 위해서는 너무도 많은 시간과 비용을 필요로 하게 된다. 이에 따라, 오염물질 배출사업장에 대한 엄격한 관리감독이 절실히 요구된다.

최근 일정한 규모 이상의 하수 및 폐수종말처리시설과 폐수배출사업장에는 의무적으로 방류구에 부착된 연속자동측정기기를 수질 원격관제센터에 온라인으로 연결하여 오염물질의 배출상태를 24시간 상시 감시하는 수질원격감시(Telemetering system)를 실시하도록 하여 수질 관리를 강화하고 있다. 그러나, 상기의 수질 TMS는 소규모 오염 배출시설에서는 설치 및 유지 관리하기에 너무 많은 비용이 든다. 따라서, 이러한 문제점을 보완하여 수계에 무단 방류되는 산업폐수를 효과적으로 감시하고 제어할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

본 발명이 속하는 기존 기술인 수질원격감시시스템(Telemetering system)의대략적인 시스템 구성과 문제점에 대해 알아보자.

수질 TMS는 수질측정센서, 데이타로거, 자동채수장치, 통신(전용회선)장치, 전원공급장치, 수중펌프를 포함한 배관설비, 저류조, 냉난방장치, 그리고, 컨테이너박스의 측정소로 구성된다.

측정지점에서 수중펌프를 통해 하수를 취수하여, 저류조에서 1차 안정화시킨 후 수질측정센서를 통해 측정한 후 방류하게 된다. 측정된 자료는 저장장치에 저장되며, 동시에 중앙 관제실로 전송된다. 이때 수질의 급격한 변화가 발생하면 자동채수기를 이용하여 수집한 후 관리자가 정밀 분석을 하는 것이 일반적이다. 이러한 시스템구성은 냉난방설비와 자동채수장치 등이 설치되어 과다한 전원소모가 발생하고, 구성품들의 큰 부피로 인해 측정소가 커지게 되며, 따라서, 설치 장소에 많은 제약을 받게 된다. 즉, 측정소 부피가 커짐으로 인해 설치장소에 많은 제약이 따르고, 결과적으로 취수지점과 측정소 설치 지점간의 거리가 멀어져, 배관 거리가 길어지고 현장 공사비의 막대한 지출이 발생하는데, 위와 같은 수질원격 감시시스템의 문제점을 다시 정리하면,

첫째, 설치비용이 많다. 상기의 시스템은 자동채수장치와 냉난방설비 같은 장비를 필요로 하며, 통신과 전원공급을 위한 추가적인 선로공사를 해야하고, 취수지점과 측정소 간 지중으로 된 배관선로작업이 필요하다. 또한, 측정소로 운용되는 컨테이너박스를 구입하는데 많은 비용이 발생한다.

둘째, 유지관리에 어려움이 많다. 수중모터펌프의 상태점검과 수리를 위해서는 현장(하수관 또는 수중)으로 직접 인력을 투입하여 조치해야하는 어려움이 있으며, 시스템 구성품이 많아서 고장에 대비하여 수시 점검해야 할 사항이 많으며 교 체해야 할 소모품도 자주 발생하는 문제점이 있다.

셋째, 설치 장소의 제약이 심하다. 기존의 수질감시방법처럼 방류구에 하나의 측정소를 설치하는 방식으로는 여러 사업장의 폐수가 한데 모여서 배출되는 하수관의 경우에는, 무단방류 자체는 확인할 수 있겠으나 무단방류업체를 적발하기에는 어려움이 있고, 도심지 같이 장소선정에 제약이 많은 곳에서 부피가 큰 측정소를 설치하는 것은 위치선정에 제약이 많게 되어, 결과적으로, 실제 측정하려는 지점과 측정소 간의 거리가 멀어지게 되므로, 배관의 설비구간이 길어져서 비용 증가와 작업의 어려움으로 이어진다.

지금부터 위에 나열된 문제들을 해결하여, 하수관을 통해 오염물질을 방류하는 배출사업장의 효과적 관리를 위해 발명된 일체형 수질 원격감시장치의 구성에 대해 알아보자.

본 발명은 모터펌프 동작을 통해 입수배관을 거쳐 공급된 물을 측정하는 수질측정장치와, 상기 수질측정장치의 센서를 자동으로 세척하는 센서세척장치와, 측정된 자료를 저장하고 작동상태를 표시하는 데이터로거와, 측정 수질에 따른 제어를 통해 시료를 수집하는 자동채수장치와, 신호 및 데이터를 원격에서 전송하는 무선통신장치와, 함체 내의 온도를 조절하는 온도조절장치와, 상기 장치들을 통합 제어하는 제어장치, 그리고, 전체 시스템을 작동시키는 전원 공급장치를 구성되어있으며, 입·출수 배관을 제외한 모든 장치가 하나의 함체에 집적화·일체화되어 자 립형 수질측정소로 작동하게 설계되었다.

먼저, 오염물질 방류를 위해 측정해야하는 수질항목은 크게 질소.인과 같은 유기오염물과 납.구리와 같은 무기오염물로 나눠지며, 측정항목의 선정은 오염물질 배출사업장의 특성에 맞게 선택하면 된다. 이때, 측정센서는 하수 수질측정을 고려하여 측정 안정성과 유지보수가 쉬운 센서를 고려하고, 측정자료의 정확성을 유지하기 위해 센서의 오염을 방지하기 위한 센서세척장치를 구비하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 기본적으로 중금속 오염물질 측정이 용이한 pH, 전기전도도, 온도를 기본 측정항목으로 선정하고, 배출지역 오염물의 특성에 따라 센서를 추가 또는 교체하여 설치할 수 있도록 하여 확장성을 부여하였다. 또한, 센서 자동세척장치는 입수배관으로부터 추출하여 노즐을 장착하고, 펌프 제어를 통해 고압으로 물을 분사하여 세척하는 방식을 채택하여 추가적인 설비가 필요없는 저렴함과 고장이 적은 안정성을 고려하였다.

배관은 도 2와 같이 유연한 재질의 입수구와 출수구의 두 가닥의 배관으로 구성되며, 하수가 들어오는 입수관 입구에는 유연한 스프링 구조의 프레임에 필터가 구비되어, 토사와 같은 오염물을 걸러내도록 하여 저류조를 생략하고도 정확한 수질측정을 위한 불순물과 기포 제거를 가능케 하였으며, 스프링구조의 프레임에 의해 굴곡진 관로에도 쉽게 출입시킬 수 있게 하여 시공과 관리의 편의를 높였다.

하수의 측정자료에 이상징후 발견시, 방류되는 하수를 실시간으로 수집하여 객관적 증거가 되는 시료를 수집하고, 공인기관에 시험을 의뢰하기 위해 자동채수장치를 운용하게 된다. 그러나, 기존 자동채수장치는 냉장 기능과 많은 채수통을 확보할 수 있다는 장점 등이 있는 반면, 전력소비가 많고 장비가 고가이며 부피가 커서 설치에 제약을 받는 단점이 있다. 따라서, 저비용으로 최대의 효과를 얻을 수 있는 자동채수장치를 다음과 같이 개발하였다

필터를 거쳐 물을 공급하고 배출할 수 있는 배관과, 정.역회전할 수 있는 펌프와, 순시유량을 측정하는 유량계와, 제어장치에 의해 작동하는 전자밸브, 그리고 시료를 보관하는 수개의 채수병으로 구성되는 자동채수장치는 각 구성요소들이 냉장고 형태의 기존 채수장치와 같이 독립된 구성품이 아닌, 도 3에서와 같이 하나의 함체에 다른 장치들과 함께 집적화되게 구성하여 부피를 최소화하였다.

상기 구성요소들이 유기적으로 연결되어 작동되는 과정을 살펴보면, 수질측정장치에 의해 수질의 급격한 변화나 이상을 감지하고, 이러한 이상신호를 감지한 제어장치에 의해 펌프가 구동되어 하수를 공급하며, 이때 유입된 하수는 순시유량을 감지하여 취수량을 조절하는 유량계와 전자밸브의 개폐 작동에 의해 1리터씩 채수병에 저장되며, 이러한 일련 과정의 반복에 따라 수개의 전자밸브를 제어하여 순차적으로 2번 3번 4번의 채수병에 시료를 수집하는 과정을 반복하게 된다. 이때, 자동채수장치의 구성요소들은 채수기능 뿐 아니라, 제어를 통해 다른 기능들까지 복합적인 수행이 가능하도록 구성하였는데, 예를 들면, 하나의 펌프를 이용하여 취수와 배수, 시료 수집, 유입수 필터 세척과 센서 세척, 그리고, 온도조절기능까지 통합하여 구현하는 것을 큰 장점이라 하겠다.

원격에서 신호와 데이터를 송수신하는 무선통신장치에 있어서는, 장치관리자의 이동성과 신속성을 고려하여 개인휴대정보단말기를 이용하여 실시간으로 양방향 통신과 제어를 가능하도록 한 것을 특징으로 한다. 일반적으로 원격감시는 사무실에서 컴퓨터 전용프로그램을 통해 데이터를 송수신하고 시스템 작동상태를 관리하게 되며, 이상 발생시 개인이동통신기기에 경고 문자를 전송하게 된다. 이와 같은 방식은 측정위치가 야외이고 우천이나 심야에 주로 발생하는 오염물질 무단방류행위에 대해서 적극적이고 신속하게 대처하는데 제약을 주게 되므로, 이상 발생시 경보와 함께 관리프로그램을 자동으로 실행케 하여 실시간으로 양방향 통신과 원격제어가 가능한 프로그램이 내장된 개인휴대정보단말기(PDA)를 이용하여 현장에서도 효과적으로 대처할 수 있도록 하는 장점이 있다.

여름과 겨울철에 발생하는 함체 내부의 온도조절문제는 안정적인 감시장치의 작동과 수집된 시료보관에 있어서 중요한 부분이다. 기존 방식은 원격지 관측소까지 직접 선로를 포설하여 공급된 AC전원을 이용하여 냉난방기기를 작동하였다. 이렇게 되면, 전원공급을 위한 설치비용이 발생하고, 냉난방기기 투입으로 인해 장치의 소형화가 불가능하게 된다. 여기에 기존 자동채수장치의 냉장기능을 위해서도 AC 전원을 필요로 하였다.

본 발명에서는 수질을 측정하기 위해 취수를 하고, 그 순환을 이용하여 함체 내 온도조절 문제를 해결하였는데, 이것은 함체 내벽에 열 교환이 가능한 구조로 출수배관을 배치하고, 수질측정을 위해 취수된 물을 순환시켜 함체 내부 온도를 제어하는 것으로 취수된 하수를 온도조절에 재활용하여 사용하는 것이다. 이와 같은, 온도조절장치가 가능한 이유는, 하수관에 흐르는 하수는 년 중 비교적 일정한 상온을 유지하는 특성이 있는데, 이것을 배관을 통해 배출되는 과정에 활용하여 온도를 제어하는 것으로, 기존 방식에 비해 온도조절 범위는 부족하지만 수질 원격감시장치를 이상 없이 작동시키기에는 충분한 온도를 보장하며, 시료보관을 위한 온도조절에 있어서도 주된 측정항목이 중금속과 같은 무기오염물질이며, 일정 시간마다 자동으로 수집하여 저장하는 방식이 아니라, 이상 발생시에만 시료가 수집되고 즉시 수거되기 때문에 상기 온도조절장치의 활용이 가능하다. 여기에, 혹서기와 혹한기를 대비하여, 제어장치의 온도센서로 측정된 온도 값에 따라 펌프를 동작시켜 순환시키는 비상운전방식과 경보를 발령하는 기능을 예비하였다.

일체형 수질 원격감시장치를 구동시키는 전원은 AC전원은 물론, 햇빛을 이용한 태양전원장치로 자체 공급되게 구성되었으며, 상기 태양전원공급장치에서 장시간 일조가 불량할 경우를 대비하여 보조전원공급장치를 더 구비하였는데, 이러한 태양전원공급장치는 전원 선로공사의 비용과 시간 절감을 가능케 한다.

본 발명에서는 위에서 언급된 바와 같이 저비용으로 큰 효과를 창출하기 위해 모든 장치들이 유기적으로 연결되고 집적화될 수 있도록 소형화, 단순화, 안정화에 중점을 두었으며, 여기에 시공성과 관리 편의성을 더 추가하여 발명하였다.

이제부터 일체형 수질 원격감시장치의 현장 시공에 있어서의 바람직한 실시 예를 살펴보자.

본 발명은 모든 주요장치들을 하나의 함체에 집적화 일체화하고, 장치를 구동하는 전원을 햇빛을 이용한 태양광발전으로도 가능케 하여, 하천지역, 도로주변, 공장지역 등에 제한 없이 측정하려는 하수관 바로 위쪽에 설치하여 자립형 측정소로 운용될 수 있도록 발명되었다. 그리고, 기존 설치 방법에서 펌핑을 위해 수중모 터를 하수관 내에 직접 설치하는데, 이런 방법은 고장 때와 같이 점검하기 위해서는 사람이 직접 하수관으로 들어가서 점검하거나 수거해야 하는 난관에 봉착한다.

본 발명에서는 배관과 추가 설치할 수 있는 수위센서 외에는 모두 지상의 함체에 배치하였고, 배관과 수위센서를 포함하여 모든 장치에 대한 점검과 교체를 지상에서 가능하도록 설계하였다.

도 4와 같이, 함체 하단은 상단구조물과 격막으로 분리되고 배관취부가 있어 배관과 연결되도록 하며, 함체 하단 중앙에는 함체 지지대 내부와 연결되어 하수관과 직접 연결될 수 있도록 되어있다. 따라서, 하수관에 들어가는 배관은 지상에서 외부에 노출되지 않도록 설계되었고, 함체에서 하수관 속으로 설치되는 유입수 필터를 포함한 입·출수 배관과 추가 설치되는 수위센서는 관리자가 하수관에 들어가지 않고도 함체와 연결된 지중전선관과 같은 관로를 통해 지상에서 직접 투입하거나 인양하여, 점검하고 교체할 수 있도록 구비하였다. 이때,하수관에서 발생하는 가스와 습기가 관로를 통해 함체로 유입되는 것을 방지하기 위해 관로 상부와 결합하는 차단막을 구비하였다.

상기에서 언급된 하수관에 수위센서를 추가하는 것은 무단 방류된 오염물의 총량을 파악하여 대처하기 위한 것으로, 설치된 수위센서로 수위를 확인하고, 여기에 미리 파악된 하수관의 단면적을 통해 유량을 산출하며, 수질측정장치로 측정된 오염량에 산출된 유량을 곱하여 오염물 총량을 산출하는 것이다.

지금까지 하나의 함체에 수질측정장치, 센서 자동세척장치, 자동채수장치, 데이터로거, 온도조절장치, 무선통신장치와 통합 제어장치를 구비하고, 독립된 전 원 공급도 가능하며, 장소의 제약 없이 설치되고, 모든 점검과 교체를 지상에서 할 수 있고, 현장에서도 실시간으로 양방향 제어가 가능하며, 오염물 총량 산출까지 가능한 자립형 측정소 기능을 수행하는 일체형 수질 원격감시장치를 설명하였다.

도 1은 본 발명에 따른 일체형 수질 원격감시장치의 전체 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 입수구와 배수구의 상세도

도 3은 본 발명에 의한 함체 배치와 관로를 통한 배관설치 구성도

도 4는 본 발명에 의한 배관설치 상세도

Claims (9)

1. 입수와 출수를 위한 두 가닥의 배관과, 펌프 동작을 통해 필터를 구비한 입수구를 거쳐 공급된 물을 측정하는 수질측정장치와, 상기 수질측정장치의 센서를 자동으로 세척하는 센서세척장치와, 측정된 자료를 저장하고 작동상태를 표시하는 데이터로거와, 측정 수질에 따른 제어를 통해 시료를 수집하는 자동채수장치와, 신호와 데이터를 전송하는 무선통신장치와, 함체 내부의 온도를 조절하는 온도조절장치와, 상기 장치들을 통합 제어하는 제어장치, 그리고, 전체 시스템을 구동시키는 전원 공급장치와 예비전원장치로 구성된 일체형 수질 원격감시장치에 있어서; 입출수 배관과 수위센서를 제외한 모든 장치가 하나의 함체에 집적화하고 일체화되어, 실제 측정하려는 장소의 지상에 원격감시장치가 설치되게 함으로써 설치공사와 유지관리의 최적화를 실현하는 자립형 측정소로 운영되는 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 배관의 입수구는 토사와 같은 오염물을 걸러내는 교체 가능한 필터와, 관로 내를 자유롭게 출입 가능하고 펌프의 정·역회전 제어에 따라 수축·팽창을 반복하여 필터에 축적된 오염물질 제거 기능을 높이기 위한 유연한 스프링구조의 필터프레임을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 센서세척장치는 펌프제어를 통한 고압의 물 분사방식으로 수질측정장치를 주기적으로 자동세척하는 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 자동채수장치는 물을 공급하고 배출할 수 있는 배관과, 정·역회전할 수 있는 펌프와, 순시유량을 측정하는 유량계와, 제어장치에 의해 작동하는 전자밸브, 그리고, 시료를 보관하는 수개의 채수병으로 구성되며; 수질측정장치에 의해 수질 이상이 감지되면, 제어장치에 의해 펌프가 구동되고, 이때 유입된 하수는 유량계와 전자밸브의 작동에 의해 1리터씩 채수병에 저장되며, 이상 감지 순서에 따라 수개의 전자밸브를 순차적으로 제어하여 채수병에 시료를 수집하는 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 무선통신장치에서 프로그램이 내장된 개인휴대정보단말기를 이용하여, 이상 발생시 경보와 함께 관리프로그램을 자동으로 실행케 하여 실시간으로 양방향 통신과 원격제어를 가능케 하는 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 온도조절장치는 년 중 비교적 일정온도를 유지하는 하수의 특성을 이용 하여, 함체 내벽에 열 교환이 가능한 구조로 출수배관을 장치하고, 취수된 물을 순환시켜 함체 내부의 온도를 제어하는 장치가 구비된 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 설치공사와 유지관리의 최적화라는 것은 함체로부터 하수관 속으로 설치되는 유입수 필터와 차단막을 포함한 입·출수 배관과 추가 설치될 수 있는 수위센서를, 관리자가 하수관에 들어가지 않고도 함체와 연결된 관로를 통해 지상에서 직접 투입하거나 인양하여, 점검하고 교체할 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
8. 제 8항에 있어서,

   상기 차단막은 하수관에서 발생하는 가스와 습기가 관로를 통해 함체로 유입되는 것을 방지하기 위해 구비되는 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 수위센서는 하수관에 추가 설치하여, 측정된 수위와 미리 파악된 하수관의 단면적을 통해 유량을 산출하고, 수질측정장치로 측정된 오염량을 계산하여 오염물 총량을 산출하는 것을 특징으로 하는 일체형 수질 원격감시장치.

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