KR20100108738A - 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템 및 상기 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법 - Google Patents

오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템 및 상기 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 소독공정 반응조을 복합소독을 구성하는 소독제 종류, 투입위치, 반응특성을 고려한 새로운 방식으로 구성하여 오존과 염소를 조합한 복합소독공정을 처리할 수 있도록 하여 별도의 추가적인 접촉조 없이도 효율적인 복합소독 공정을 수행할 수 있는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템 및 상기 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 외부의 유입관로로부터 원수가 유입되며, 유입부 체류시간을 통해 오존 및 염소가 순차적으로 반응할 수 있도록 하는 복합소독 접촉조; 상기 유입관로에 연결되며, 유입관로를 통하여 원수와 함께 오존을 복합소독접촉조에 주입하기 위한 오존주입수단; 염소주입관로를 통해 복합소독 접촉조와 연결되며, 상기 오존의 투입후에 순차적으로 복합소독 접촉조측으로 염소를 주입하기 위한 염소주입수단; 상기 복합소독 접촉조에서 2차 반응 완료후 배출되는 처리수의 유량을 조절하는 유량계; 및 상기 유출관로를 매개로 유량계에 연결되어 수질과 수량에 따라 오존 및 염소 소독제의 투입량을 결정하며, 상기 염소주입수단과 오존주입수단에서 결정된 투입량만큼만 주입될 수 있도록 염소주입수단과 오존주입수단의 가동을 제어하는 모델예측 제어수단을 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템 및 상기 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법을 제공한다.
정수처리공정, 접촉조, 반응조, MDCWM, 모델예측제어

Description

오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템 및 상기 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법{Model Predictive Control Method of Sequential Disinfection System using Ozone and Chlorine}
본 발명은 정수처리공정을 위한 복합소독 시스템 및 복합소독제 모델예측제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 특성이 다른 둘 이상의 소독제 예를들어 오존 및 염소를 조합하여 순차 주입하는 복합소독 시스템에 있어서, 추가적인 반응조 없이 기존 반응조의 간단한 구조개선으로 복합소독효과를 달성할 수 있고, 수질과 수량변동에 따라 MDCWM에 의하여 모델 예측을 제어함으로써, 제거대상 미생물의 불활성비를 정량적으로 해석하여 운전에 적용할 수 있는 복합소독 시스템 및 상기 시스템을 통한 복합 소독제 모델예측제어 방법에 관한 것이다.
상수원수에서의 원생동물의 위험은 상수 수원의 특성에 따라 달라지는데, 국내의 경우 98 %를 지표수에 의존하고 있다. 일반적으로 지표수는 축산 배출물, 야생동물 등에 의해 오염될 가능성이 높으며, 하류의 지표수는 농업용 배수, 하수처 리장의 방류수 등에 노출되어 있기 때문에, 국내 상수 원수는 원생동물에 의한 위험도가 크다. 그럼에도 불구하고, 앞서 언급한 것처럼 국내 대부분의 정수장은 원생동물 제어 조건을 만족시키지 못하고 있다. 크립토스포리디움을 직접적인 제어 목표로 삼고 있는 미국 등의 선진국과 달리, 국내에서는 2004년 7월부터 강화된 정수처리기준을 통하여 병원성 원생동물 중 상대적으로 약한 지아디아 제어를 목표로 삼고 있다.
원생동물을 포함한 병원성 미생물을 제어하기 위해 염소의 사용량을 증가시킬 경우 THMs, HAAs와 같은 소독부산물에 의한 위험이 증가하기 때문에, 정수처리공정을 통한 병원성 미생물로부터의 위험을 막기 위해서는 정수장에서 기존처리공법인 응집/여과 공정에서 미생물의 제거를 최적화하여야 한다. 동시에, 부족한 소독능력을 보완할 수 있는 대체 소독기술을 사용하여야 한다. 대체 소독기술은 원생동물을 불활성화 시킬 수 있을 정도로 강력한 소독능을 가지고 있으면서도, 소독부산물의 위험이 적어야 한다.
염소만을 소독제로 사용할 경우 크립토스포리디움은 물론이고, 상대적으로 약한 원생동물인 지아디아 제어도 어렵다. 따라서 대체 소독기술의 도입 필요성이 급증하고 있는데, 이러한 대체 소독기술의 경우 관망에서의 잔류성이 없기 때문에, 전처리 소독 공정으로 대체 소독기술을 사용하는 경우 반드시 후처리 소독 공정으로 염소계 소독제를 사용하여야 한다. 이와 같이 기존 정수처리에서 크립토스포리디움(Chryptosporidium)과 같은 강한 병원성 미생물의 살균과 동시에 소독부산물 저감을 목표로 하는 경우에 두 가지 소독제가 순차적으로 이루어지는 공정기술을 복합소독공정(Sequential Disinfection Treatment)이라 부른다.
복합 소독 공정의 경우 각각의 소독제를 단독으로 사용했을 때보다 미생물의 불활성화 측면에서 적은 양으로도 상당한 시너지 효과의 장점을 가지고 있다. 즉, 소독의 관점에서 복합소독공정의 가장 큰 장점은 소독 상승 효과가 있다. 상기 복합소독공정은 비록 두 가지 소독제를 사용하지만, 1차 소독제를 0.5 mg/L 정도의 소량만을 투여하여도, 염소만으로는 제거가 어려운 크립토스포로디움 등과 같은 병원성 미생물과 노로바이러스 등과 같은 바이러스의 완벽한 살균이 가능하다.
특히, 복합 소독 공정에서는 1 log의 바실러스 포자(Bacillus subtilis spore)의 불활성화를 나타내었을 때를 기준으로 오존 조합 염소로 구성된 복합소독의 경우 75~80 %의 소독 상승효과가 나타났고, 이산화염소와 염소로 조합으로 구성된 복합소독의 경우 110~145 %의 높은 소독 상승효과가 나타났다.
이렇게 복합소독의 전처리 공정에 의한 상승 효과가 존재할 경우 소독제 사용량이나 반응 시간을 줄일 수 있어 강화되는 있는 병원성 미생물에 대한 수질기준을 충족시킬 수 있다. 기존 정수장의 처리공정의 경우 에너지 소모량이 많으며, 경제성 측면에서 고가의 막분리 및 활성탄 등과 같은 고도처리기술을 사용하고 있음에 반하여, 상기한 복합소독공정은 강화되고 있는 소독기준에 대한 소독능 확보가 어려운 정수장에 대안기술로 활용할 수 있으며, 동시에 상승효과로 염소 사용량을 절감할 수 있어서 관망에서의 과학적인 수질 관리가 가능할 수 있는 장점이 있다.
기존에 정수처리에서 사용할 수 있는 소독기술로는 염소, 오존, UV, 이산화염소, 클로라민 등이 있으나, 상기한 복합소독 시스템의 장점에도 불구하고, 위에 서 제시한 소독기술이 모두 복합기술로 활용할 수 없다. 예를들어, 자외선(UV)과 염소의 조합과 같은 복합소독 공정에서는 소독 상승효과가 나타나지 않아 복합소독 공정으로 구성할 수 없다. 이와 같이, 복합소독공정의 상기한 장점에도 불구하고 여러 가지의 소독기술을 복합소독공정시스템으로 적용하기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 기존의 처리공정에서 복합기술의 구성방법, 투입위치, 접촉조 구성방식 및 소독제 투여량 산정 방식을 달리할 경우 위에서 제시한 여러 소독기술을 조합하여 적용할 수 있 예를 증가시킬 수 있으나, 아직까지 복합소독제의 최적화된 조합방식이 제안되어 있지 않은 실정이다. 또한, 종래의 정수처리공정에서는 DCWM 모델(Delayed Chick-Watson model)을 통해 복합소독에 의한 미생물 불황설화의 정량적 해석이 가능하고, 이를 통해 최적의 약품주입량을 산정하고 있다. 그러나, 이 모델방식은 지체기를 가지는 미생물의 불활성화를 설명하기 위하여 수립된 모델로 소독제의 농도가 일정하여 소독제의 반응속도를 고려하지 않아도 되는 반회분식 반응기에 적합하지만, 실제 공정에서는 접촉설비안에서 유입 원수의 특성에 따라 소독제가 급격하게 감소하는 화학반응 특성을 고려해야 하기 때문에 상기한 복합소독 시스템에는 적합하지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 기존의 소독공정 반응조을 복합소독을 구성하는 소독제 종류, 투입위치, 반응특성을 고려한 새로운 방식으로 구성하여 오존과 염소를 조합한 복합소독공정을 처리할 수 있도록 하여 별도의 추가적인 접촉조없이도 효율적인 복합소독 공정을 수행할 수 있는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 소독제의 화학분해속도를 고려하여 소독효과를 정량적 평가 및 예측이 가능한 변형된 DCWM 모델을 제시하여 수질과 수량에 따라 최적화된 소독량 투입량을 결정할 수 있는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부의 유입관로로부터 원수가 유입되며, 유입부 체류시간을 통해 오존 및 염소가 순차적으로 반응할 수 있도록 하는 복합소독 접촉조; 상기 유입관로에 연결되며, 유입관로를 통하여 원수와 함께 오존을 복합소독접촉조에 주입하기 위한 오존주입수단; 염소주입관로를 통해 복합소독 접촉조와 연결되며, 상기 오존의 투입후에 순차적으로 복합소독 접촉조측으로 염소를 주입하기 위한 염소주입수단; 상기 복합소독 접촉조에서 2차 반응 완료후 배출되는 처리수의 유량을 조절하는 유량계; 및 상기 유출관로를 매개로 유량계에 연결되어 수질과 수량에 따라 오존 및 염소 소독제의 투입량을 결정하며, 상기 염소주입수단과 오존주입수단에서 결정된 투입량만큼만 주입될 수 있도록 염소주입수단과 오존주입수단의 가동을 제어하는 모델예측 제어수단을 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 복합소독 접촉조의 유입관로 상에서 채수하여 1차 소독제인 오존의 화학반응 분해속도상수를 측정하여 이를 모델예측 제어기의 MDCWM 모델식에 입력하고 달성 가능한 소독효과를 계산하는 제1 단계; 1차 소독능 값이 1차 목표값의 대소여부를 판단하여 1차 소독능 값이 1차 목표값보다 크거나 같으면 1차 소독제 주입량을 주입하고, 작을 경우에는 복합소독제 최종목표값을 입력하는 제2 단계; 목표로 하는 제거대상 미생물의 1차 목표값인 오존주입량을 MDCWM 모델식에 입력하여 산출하는 제3 단계; 복합소독 1차 소독제에 의한 소독능 목표값과 복합소독 접촉설비 유출관로에서 시료수의 pH,온도 및 잔류염소농도를 측정하고, 유량계를 이용하여 유량을 측정하는 제4 단계; 상기 제2 단계의 복합소독제 최종목표값과 pH,온도 및 잔류염소농도 측정값을 상기 모델예측제어기에서 입력받아 수치연산하여 2차 반응조에서 만족시켜야 할 제거 대상 미생물의 염소소독능을 계산하는 제5 단계; 2차 소독제인 염소 주입량을 산정하는 제6 단계; 및 상기 제6 단계 수행후, 1차, 2차 소독제의 복합소독 불활성비를 합산하고 이를 최종 목표값과 대소여부를 판단하여, 1차 및 2차 소독능이 최종목표값보다 크거나 같으면 최종 2차 소독제 주입량을 주입하는 제7 단계를 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법을 제공한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기존 정수처리공정에 기존 소독공정 반응조에 대하여 오존과 염소로 조합된 복합소독공정을 적용하기 때문에 시스템의 구성이 매우 간단해진다.
둘째, 추가적인 반응조가 필요 없이 기존 반응조 설비의 간단한 구조 개선으로 복합소독 효과를 달성할 수 있고, 수질과 수량 변동에 따라 MDCWM에 의하여 모델예측 제어함으로써 운전조작이 편리하며, 제거 대상미생물의 불활성비를 정량적으로 해석하여 과학적으로 운전할 수 있다.
셋째, 본 발명에서 제안한 오존과 염소 조합의 복합소독 공정에서는 1 log의 바실러스 포자(Bacillus subtilis spore)의 불활성화를 나타내었을 때를 기준으로 오존 조합 염소로 구성된 복합소독의 경우 75~80 %의 추가적인 소독 상승효과가 나타났으며, 이러한 실험결과를 토대로 살펴보았을 때, 발명은 고효율, 저비용의 신개념의 소독공정으로 현장적용 가능성 매우 높고, 음용수의 안전성과 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도1 내지 도5를 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템 및 상기 시스템을 통 해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법은 기존 정수처리공정에 추가적인 접촉조의 구성없이 기존 소독공정 반응조에 대하여 오존과 염소로 조합된 복합소독공정을 적용할 수 있으며, MDCWM(Modified Delayed Chick-Watson Model) 식을 이용하여 수질과 수량에 따라 소독제의 투여량을 결정할 수 있도록 구현한 것이다.
도1은 본 발명에 의한 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템의 구성을 나타낸 개략적인 공정도이다.
본 발명의 복합소독 시스템은 도면에 도시한 바와 같이, 외부의 유입관로(1)로부터 원수가 유입되며, 유입부 체류시간을 통해 오존 및 염소가 순차적으로 반응할 수 있도록 하는 복합소독 접촉조(2)와; 오존을 공급하는 오존공급탱크(8)와, 상기 유입관로(1)에 설치된 인라인믹서(14)와, 상기 인라인믹서(14)에 설치되며 오존투입라인(9)에 연결되어 오존과 원수를 혼합하는 인젝터(5)를 구비하여 유입관로(1)를 통하여 원수와 함께 오존을 복합소독접촉조(2)에 주입하기 위한 오존주입장치와; 상기 염소주입관로(7)를 통해 복합소독 접촉조(2)와 연결되며, 오존의 투입후에 순차적으로 복합소독 접촉조(2) 측으로 염소를 주입하기 위한 염소주입장치(6)와; 상기 복합소독 접촉조에서 2차 반응 완료후 배출되는 처리수의 유량을 조절하는 유량계(11); 및 상기 유출관로(13)를 매개로 유량계(11)에 연결되며, 수질과 수량에 따라 오존 및 염소 소독제의 투입량을 결정하며, 상기 염소주입장치(6)와 오존주입장치에 결정된 투입량만큼만 주입될 수 있도록 염소주입장치(6)와 오존주입장치의 가동을 제어하는 모델예측 제어장치(10)를 포함한다.
미설명부호 12는 잔류염소계를 나타낸다.
여기서, 상기 복합소독 접촉조(2)는 미로형태로 수류방향이 가변되도록 내부 상하측에 직립되게 설치된 제1 격벽(21)과 후단 배출측 중앙부에 "ㄷ"자 형태로 직립되게 설치된 제2 격벽(22)이 구비된 반응조 몸체(20)와; 상기 반응조 몸체(20)의 중앙부에 수평방향으로 설치되어 직립된 제1 격벽(21)과의 사이로 원수가 통과되도록 하며, 상기 염소주입장치(6)로부터 공급된 염소를 상부측과 하부측으로 분리시켜 공급하도록 상하부에 분출홀(23a, 23b)이 형성되어 있는 염소공급관로(23)와; 상기 반응조 몸체(20)의 내부 일측공간을 점유하되 내부 측면에 간격을 두고 도류벽(24a)이 설치되어 오존이 포함된 유입수에 1차로 오존반응시키는 제1 염소소독 반응조(24); 및 상기 염소 공급관로(23)의 위아래로 직립된 제3 격벽(25a)에 의해 형성되며, 체류시간 기준으로 10분 동안 염소에 의한 2차 소독반응이 실시되도록 마련된 제2 염소소독 반응조(25)를 포함한다.
또한, 상기 모델예측 제어장치(10)는 복합소독제 주입량을 디스플레이하는 표시부(31)와; 소독제의 화학분해속도를 고려하여 소독효과를 정량적 평가 및 예측할 수 있는 MDCWM(Modified Delayed Chick-Watson Model) 프로그램이 탑재되며, 상기 유량계(11)로부터 신호를 인가받아 복합소독의 소독효과를 정량적으로 해석하도록 수치연산부와 복합소독제 주입량을 자동 산출하는 모델예측 제어부(32)와; 상기 유량계(11)로부터 시료수를 채취하여 잔류염소 농도를 측정하는 잔류염소 농도계(33)및 pH 및 온도를 측정하여 상기 모델예측 제어부(32)에 측정값을 제공하는 pH 및 온도 계측기(34); 및 유입관로(1) 상에서 채수하여 1차 소독제인 오존의 화학반응 분해속도상수를 측정하여 이를 MDCWM 모델식에 주입하기 위한 소독제 분해 속도 상수값 도출부(35)를 포함한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 복합소독 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 복합소독 시스템에서는 오존과 염소 조합기술을 이용하되, 기존 정수처리공정에 추가적인 반응조 설치 없이 기존 소독공정의 반응조를 1차 및 2차 반응조로 구분하여 소독제를 투여한다. 즉 1차 소독제인 오존은 유입관로(1) 상에 설치된 인젝터(5) 및 인라인믹서(14)를 이용하여 복합소독 접촉조(2)에 마련된 제1 오존소독 반응조(24)에 투여하고, 제2 염소소독 반응조(25)에 2차 소독제인 염소를 투여하여 반응을 유지하도록 한다. 또한, 복합소독제는 모델예측제어장치를 통하여 오존 및 염소 등 복합소독 소독제의 주입량을 산출하여 주입한다.
본 발명의 실시예에서와 같이 복합소독을 위해 제1 및 제2 반응조(24, 25)를 복합소독 접촉제(2)에 구성하고 오존 및 염소의 투입량을 제어하는 이유는 염소만을 소독제로 사용할 경우 크립토스포리디움은 물론이고, 상대적으로 약한 원생동물인 지아디아, 감염률 100%인 노로바이러스와 같은 바이러스 제어가 어려운 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 또한, 기존 소독제로 사용하고 있는 염소로 상기와 같은 대상물질을 살균하기 위해서는 기존 소독공정의 체류시간을 충분하게 확장하는 것이 우선적 일수 있으나, 대규모 토목공사로 인하여 용수공급 중단의 문제와 막대한 공사비용을 통해 해결하기 보다는 복합소독 기술을 이용하여 문제를 해결하는 것이 저비용 고효율 시스템으로 적합하기 때문이다.
기존에 정수처리에는 염소, 오존, UV, 이산화염소, 클로라민 등이 소독기술 로 사용할 수 있으나, 이러한 소독기술이 복합기술로 모두 적용 할 수 없고, 본 발명에서 오존을 1차 소독제로 염소를 2차 소독제로 조합한 복합소독 기술로 선정한 이유는 다음과 같다.
제거 대상물질의 세포벽을 강력하게 파괴하는 역할로 산화력이 높은 오존 또는 이산화염소가 1차 소독제로 적합하고, 파괴된 세포벽 사이로 염소를 투여하여 세포내 물질의 기능을 제어함으로써 제거 대상물질을 살균시키는 기능과 관망의 잔류 소독유지를 위해서는 2차 소독제로 염소가 적합하기 때문이다.
본 발명에서는 오존을 먼저 투여하고, 염소를 오존 이후에 투여하는 복합소독 시스템으로 구성하게 된다. 그러나, 복합소독의 성능과 방법은 복합소독제의 구성 방법, 투입 위치, 접촉조 구성 방식 및 소독제 투여량 산정 방식 등에 달라 질수 있다.
상기와 같이 구성된 복합소독 시스템에서 복합소독제를 MDCWM(Modified Delayed Chick-Watson Model)에 의해 모델예측제어를 적용하는 이유는 유입수의 수질과 수량의 변동이 심한 지표수를 정수장 유입원수로 사용하고 있는 대부분의 정수장에서 수질과 수량의 변동에 따라 제거 대상물질의 제거해야 할 요구 수준이 달라질 수 있고, 복합소독제 가운데 오존의 경우 원수 특성에 따라 반감기가 수분 미만의 매우 빠른 분해속도상수를 갖기 때문에 1차 복합소독 반응조에서 만족시키는 정도를 반응속도론을 기반으로 한 MDCWM에 대입하여 제거 대상물질의 불활성화를 계산할 수 있고, 이를 근거로 2차 복합소독 반응조에서 투여할 소독제 양을 1차 소독제와 연동해서 계산할 수가 있기 때문이다. 결국, 유입원수의 수질과 수량의 변 동에 따른 목표 값에 따라 1차 및 2차 복합소독제를 연동하여 주입하기 위해서 복합소독제 주입 이전에 제거 대상물질의 불활성비를 평가하고 이에 따라 분할 주입할 수 있는 모델예측제어가 필요한 것이다.
상기와 같이 본 발명에서는 모델예측제어에 의한 복합소독의 소독효과를 정량적으로 해석하도록 수치 연산부와 복합소독제 투입량을 자동 산정하는 제어부가 구비되어 있는 모델예측제어장치를 통하여 제거대상 미생물의 불활성비를 정량적으로 해석하여 과학적으로 운전할 수 있다.
도2는 본 발명에 의한 복합소독 시스템의 소독제 모델예측제어 계산 알고리즘 및 신호처리를 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 실시간 모델예측제어에 의한 복합소독제의 주입량 산정방법은 도면에 도시한 바와 같이, 상기 복합소독 접촉조(2)의 유입관로(1) 상에서 채수하여 1차 소독제인 오존의 화학반응 분해속도상수를 측정하여 이를 모델예측 제어부(32)의 MDCWM 모델식에 입력하고 하기의 <수학식 1>을 통하여 달성 가능한 소독효과를 계산한다(S10, S11, S12).
<수학식 1>
복합소독공정의 소독 효과의 정량적 해석 및 주입량을 산정을 위한 MDCWM(Modified Delayed Chick-Watson Model) 모델
Figure 112009018990358-PAT00001
N : 제거 대상 미생물
C: 소독제 농도 (mg/L)
T : 반응시간
k : 특정 미생물의 소독제에 대한 상수
다음, 1차 소독능 값이 1차 목표값의 대소여부를 판단하여 1차 소독능 값이 1차 목표값보다 크거나 같으면 1차 소독제 주입량을 주입하고, 작을 경우에는 복합소독제 최종목표값을 입력한다(S20, S21, S30).
여기서, 목표로 하는 제거대상 미생물의 1차 목표값인 오존주입량은 하기의 <수학식 2>를 통해 산출한다.
<수학식 2>
복합소독공정에서 공정 조업자의 목표에 따라 미생물의 불활성화를 위해 필요한 오존주입량을 산출해주며, 동시에 소독 효과를 정량적으로 계산해주는 모델식
Figure 112009018990358-PAT00002
kO3 = 오존분해소독 상수
복합소독 1차 소독제에 의한 소독능 목표값과 복합소독 접촉설비 유출관로(13)에서 시료수의 pH,온도 및 잔류염소농도를 측정하고, 유량계(11)를 이용하여 유량을 측정한다(S40).
다음, 상기 모델예측 제어기(10)에서는 S21단계의 복합소독제 최종목표값과 pH,온도 및 잔류염소농도 측정값을 입력받아 수치연산하여 2차 반응조(25)에서 만족시켜야 할 제거 대상 미생물의 염소소독능을 계산한다(S50).
하기의 <수학식 3>에 따라 2차 소독제인 염소 주입량을 산정한다(S60).
<수학식 3>
복합소독공정에서 1차 복합소독제의 미생물에 대한 불활성비 평가 이후 2차 복합소독제인 염소 주입량을 산출해주는 모델식
Figure 112009018990358-PAT00003
pH = 원수의 pH
Temp. = 원수의 온도
상기 S60단계의 수행후, 1차, 2차 소독제의 복합소독 불활성비를 합산하고 이를 최종 목표값과 대소여부를 판단하여, 1차 및 2차 소독능이 최종목표값보다 크거나 같으면 최종 2차 소독제 주입량을 주입하고, 산출된 불활성비가 1 이하이면 즉 1차 및 2차 소독능이 최종목표값보다 작으면 경보를 알리고 S50단계를 재수행한다(S70, S80).
상기한 단계로 구성된 본 발명은 복합소독제를 순차적으로 투입하여 배수지 등 추가소독에 대한 접촉지 설치없이 기존 소독공정 접촉지에서 미생물을 기준 값 이상으로 불활성화할 수 있게 된다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합소독 도입에 따른 기존 소독방식의 개 별 소독효과 이외에 복합소독에 의한 상승효과를 나타낸 그래프도로서, 복합소독 개발 사유 및 복합소독 공정의 장점을 보여주고 있다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합소독 1차 소독제인 오존 주입량을 산출하는 결과를 나타낸 그래프도로서, 목표 값에 따라 달성 가능한 오존주입량을 산출하게 된다.
도5는 본 발명에서 제안한 모델예측제어기 구동 프로그램 화면을 나타낸 예시도이다.
지금까지 본 발명에 관한 바람직한 실시예와 그 실시예에 따른 오존 조합 염소 복합소독 시스템 및 모델예측제어에 의한 복합소독제 주입 방법에 관한 결과를 설명하였다. 그러나, 이제까지 설명된 바람직한 실시예는 단지 예시로서만 받아들여야 한다. 즉, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 다양한 변형을 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적인 권리 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 해석되어야 한다.
도1은 본 발명에 의한 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템의 구성을 나타낸 개략적인 공정도.
도 2는 본 발명에 의한 복합소독 시스템의 소독제 모델예측제어 계산 알고리즘 및 신호처리를 위한 흐름도.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합소독 도입에 따른 기존 소독방식의 개별 소독효과 이외에 복합소독에 의한 상승효과를 나타낸 그래프도.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합소독 1차 소독제인 오존 주입량을 산출하는 결과를 나타낸 그래프도.
도5는 본 발명에서 제안한 모델예측제어기 구동 프로그램 화면을 나타낸 예시도.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 유입 관로 2 : 복합소독 접촉조
3 : 복합소독 1차 반응조 4 : 복합소독 2차 반응조
5 : 인젝터 6 : 염소주입기
7 : 염소투입관로 8 : 오존주입기
9 : 오존투입관로 10 : 모델예측제어 장치
11 : 유량계 12 : 잔류염소계
13 : 유출 관로

Claims (9)

  1. 외부의 유입관로로부터 원수가 유입되며, 유입부 체류시간을 통해 오존 및 염소가 순차적으로 반응할 수 있도록 하는 복합소독 접촉조;
    상기 유입관로에 연결되며, 유입관로를 통하여 원수와 함께 오존을 복합소독접촉조에 주입하기 위한 오존주입수단;
    염소주입관로를 통해 복합소독 접촉조와 연결되며, 상기 오존의 투입후에 순차적으로 복합소독 접촉조측으로 염소를 주입하기 위한 염소주입수단;
    상기 복합소독 접촉조에서 2차 반응 완료후 배출되는 처리수의 유량을 조절하는 유량계; 및
    상기 유출관로를 매개로 유량계에 연결되어 수질과 수량에 따라 오존 및 염소 소독제의 투입량을 결정하며, 상기 염소주입수단과 오존주입수단에서 결정된 투입량만큼만 주입될 수 있도록 염소주입수단과 오존주입수단의 가동을 제어하는 모델예측 제어수단
    을 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합소독 접촉조는
    미로형태로 수류방향이 가변되도록 내부 상하측에 직립되게 설치된 제1 격벽 과 후단 배출측 중앙부에 직립되게 설치된 제2 격벽이 구비된 반응조 몸체;
    상기 반응조 몸체의 중앙부에 수평방향으로 설치되어 직립된 제1 격벽과의 사이로 원수가 통과되도록 하며, 상기 염소주입수단으로부터 공급된 염소를 상부측과 하부측으로 분리시켜 공급하도록 상하부에 분출홀이 형성되어 있는 염소공급관로;
    상기 반응조 몸체의 내부 일측공간을 점유하되 내부 측면에 간격을 두고 도류벽이 설치되어 오존이 포함된 유입수에 1차로 오존반응시키는 제1 염소소독 반응조; 및
    상기 염소 공급관로의 위아래로 직립된 제3 격벽에 의해 형성되며, 체류시간 기준으로 염소에 의한 2차 소독반응이 실시되도록 마련된 제2 염소소독 반응조
    를 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모델예측 제어수단은
    복합소독제 주입량을 디스플레이하는 표시부;
    소독제의 화학분해속도를 고려하여 소독효과를 정량적 평가 및 예측할 수 있는 MDCWM(Modified Delayed Chick-Watson Model) 프로그램이 탑재되며, 상기 유량계로부터 신호를 인가받아 복합소독의 소독효과를 정량적으로 해석하도록 수치연산부와 복합소독제 주입량을 자동 산출하는 모델예측 제어부;
    상기 유량계로부터 시료수를 채취하여 잔류염소 농도를 측정하여 상기 모델예측 제어부에 측정값을 제공하는 잔류염소 농도계;
    상기 유량계로부터 시료수를 채취하여 pH 및 온도를 측정하여 상기 모델예측 제어부에 측정값을 제공하는 pH 및 온도 계측기; 및
    유입관로에서 채수하여 1차 소독제인 오존의 화학반응 분해속도상수를 측정하여 이를 MDCWM 모델식에 주입하기 위한 소독제 분해속도 상수값 도출부
    를 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오존주입수단은
    오존을 공급하는 오존공급탱크;
    상기 유입관로에 설치된 인라인믹서; 및
    상기 인라인믹서에 설치되며 오존투입라인에 연결되어 오존과 원수를 혼합하는 인젝터
    를 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템.
  5. 복합소독 접촉조의 유입관로 상에서 채수하여 1차 소독제인 오존의 화학반응 분해속도상수를 측정하여 이를 모델예측 제어기의 MDCWM 모델식에 입력하고 달성 가능한 소독효과를 계산하는 제1 단계;
    1차 소독능 값이 1차 목표값의 대소여부를 판단하여 1차 소독능 값이 1차 목표값보다 크거나 같으면 1차 소독제 주입량을 주입하고, 작을 경우에는 복합소독제 최종목표값을 입력하는 제2 단계;
    목표로 하는 제거대상 미생물의 1차 목표값인 오존주입량을 MDCWM 모델식에 입력하여 산출하는 제3 단계;
    복합소독 1차 소독제에 의한 소독능 목표값과 복합소독 접촉설비 유출관로에서 시료수의 pH,온도 및 잔류염소농도를 측정하고, 유량계를 이용하여 유량을 측정하는 제4 단계;
    상기 제2 단계의 복합소독제 최종목표값과 pH,온도 및 잔류염소농도 측정값을 상기 모델예측제어기에서 입력받아 수치연산하여 2차 반응조에서 만족시켜야 할 제거 대상 미생물의 염소소독능을 계산하는 제5 단계;
    2차 소독제인 염소 주입량을 산정하는 제6 단계; 및
    상기 제6 단계 수행후, 1차, 2차 소독제의 복합소독 불활성비를 합산하고 이를 최종 목표값과 대소여부를 판단하여, 1차 및 2차 소독능이 최종목표값보다 크거나 같으면 최종 2차 소독제 주입량을 주입하는 제7 단계
    를 포함하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 복합소독공정의 소독 효과의 정량적 해석 및 주입량을 산정을 위한 MDCWM 모델식은 하기의 <수학식 1>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법.
    Figure 112009018990358-PAT00004
    N : 제거 대상 미생물
    C: 소독제 농도 (mg/L)
    T : 반응시간
    k : 특정 미생물의 소독제에 대한 상수
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 복합소독공정 조업자의 목표에 따라 미생물의 불활성화를 위해 필요한 오존주입량을 산출해주며, 동시에 소독 효과를 정량적으로 계산하기 위한 MDCWM 모델식은 하기의 <수학식 2>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법.
    <수학식 2>
    Figure 112009018990358-PAT00005
    kO3 = 오존분해소독 상수
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제6 단계에서 1차 복합소독제의 미생물에 대한 불활성비 평가 이후 2차 복합소독제인 염소 주입량을 산출하기 위한 MDCWM 모델식은 하기의 <수학식 3>에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법.
    <수학식 3>
    Figure 112009018990358-PAT00006
    pH = 원수의 pH
    Temp. = 원수의 온도
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제7 단계는
    1차 및 2차 소독능이 최종목표값보다 작게 산출된 불활성비가 1 이하이면 경보를 알리고 제5 단계를 재수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존과 염소가 조합된 복합소독 시스템을 통해 구현된 복합 소독제 모델예측제어 방법.
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