KR20190040278A - 수질 감지 - Google Patents

Abstract

수질 센서는, 형광 강도를 측정하도록 동작가능한 형광 센서 장치(16), 및 온도 센서(22)와 탁도 센서(24)를 포함하고, 온도 센서와 탁도 센서의 출력은 샘플의 BOD 농도에 대한 값을 도출하도록 함께 사용되고, 온도 센서(22)의 출력은, 식(I')을 사용하여 감지된 형광 강도의 값을 보정하는 데 사용되고, 이 식에서의 F는 형광 강도 신호이고, T는 온도(℃)이고, 아래첨자 mes와 ref는, 각각 측정값과 기준값을 나타내고, ρ는 온도 보상 계수이다.

Description

수질 감지

본 발명은, 수질 센서에 관한 것으로서, 특히, 수질에 관한 정보를 실질적으로 실시간으로 제공하도록 사용하는 데 적절한 센서, 및 그 사용 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 물의 생물학적 산소 요구량(BOD) 농도를 감지하도록 동작가능한 센서에 관한 것이다. 본 발명은 물의 흐름 또는 정수(standing water)에 적용될 수 있다.

폐수가 수로에 배출되기 전에 수 처리장에서 처리되는 경우, 수로가 형성된 자연 환경의 손상 가능성을 최소화하는 것을 보장하도록 처리된 물이 충분히 양호한 수질인 것이 중요하다.

처리장 운영에 실패하면, 처리장으로부터 배출되는 물이 충분히 높은 기준을 충족시키지 못할 수 있고, 수로 내의 또는 근처에서의 야생 생물, 예를 들어, 물고기의 건강이 위험에 처하게 된다. 배출된 수질이 좋지 않거나 물고기 또는 다른 야생 생물이 죽는 사건이 발생한 경우, 처리장 소유자는 벌금 또는 기타 처벌을 받을 수 있다.

배출된 물이 요구되는 품질을 충족시키는지 여부를 결정하는 데 사용되는 하나의 파라미터는, BOD 농도로서, 이는 BOD 농도가 물에 용해되어 있는 반응성 유기물 양의 지표(indication)를 제공하기 때문이다.

통상적으로, BOD는 5일 테스트를 사용하여 실험실 조건에서 측정된다. 이러한 테스트에서는 샘플의 BOD 농도의 지표를 제공하지만, 테스트 결과에 걸리는 기간은, 테스트가 완료될 때까지 걸리는 시간 동안 상당한 양의 물이 수로로 배출되었을 수 있을 정도로 충분하다.

테스트 결과가 BOD 농도가 배출에 부적절함을 나타내면, 추가 배출을 피할 수 있지만, 요구되는 BOD 농도를 준수하지 못하는 상당량의 물이 이미 배출되었을 수 있어서, 야생 생물 등의 건강이 이미 위험에 처해 있을 수 있다.

본 발명의 목적은, 테스트 샘플의 수질이 실질적으로 실시간으로 결정될 수 있게 하는 센서를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 형광 센서 장치, 온도 센서, 및 탁도 센서를 포함하는 수질 센서를 제공하며, 온도 센서와 탁도 센서의 출력은 샘플의 BOD 농도 값을 도출하도록 함께 사용되며, 온도 센서의 출력은, 이하의 식을 사용하여, 감지된 형광 신호 값을 보정하는데 사용된다.

여기서, F는 형광 신호이고, T는 온도(℃)이고, 아래첨자 mes와 ref는, 각각 측정값과 기준값을 나타내고, ρ는 온도 보상 계수이다.

샘플에 적절한 여자(energisation) 또는 여기 전자기 방사를 조사하면, 샘플 내에 소정의 분자의 형광이 함유되고, 그 형광의 크기는 샘플 내의 BOD 레벨과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 형광과 BOD 농도 간의 관계는, 샘플의 온도와 탁도를 비롯한 다른 인자들에도 의존한다. 이들 인자를 고려하지 않으면 측정 정확도가 감소된다. 이에 따라, 형광뿐만 아니라 이들 파라미터 값도 측정하고 감지된 온도 및 탁도 레벨을 고려하여 형광 판독값을 보정함으로써, 테스트받는 샘플 내의 BOD 농도의 양호한 지표 또는 근사값을 취득할 수 있다.

형광 센서 장치는, 바람직하게 샘플을 260 nm 내지 300 nm의 파장 영역의 광으로 조사하고, 295 nm 내지 405 nm의 파장 영역의 형광을 검출하도록 배치되고, 이러한 장치는 샘플 내의 BOD 농도에 민감하다.

온도와 탁도의 영향을 고려하도록 보정된 형광을 샘플 내의 BOD 농도의 지표로서 이용함으로써, 샘플 내의 BOD 농도를 나타내는 결과를 매우 빠르게 실질적으로 실시간으로 이용할 수 있음을 이해할 것이다. 이에 따라, 센서를 수 처리장에서 사용하여 자연 수로에 배출될 물에 대하여 테스트를 행하는 경우, BOD 농도가 허용가능 범위를 벗어나는 것을 센서에 의해 검출하면, 적절한 경보를 활성화하여 운영자가 처리장의 운영을 수정하여 처리장으로부터 부적절한 BOD 농도의 물이 계속 배출되는 것을 피하게 할 수 있다. 예를 들어, 요구되는 표준을 충족시키지 못하는 물이 처리장으로부터 배출되는 것을 방지하도록 처리장으로부터의 물 배출을 일시적으로 중단할 수 있다.

본 발명은, 또한, 물 테스트 방법에 관한 것으로서, 형광 센서 장치를 사용하여, 샘플의 여기 파장의 전자기 방사에 의한 조사에 응답하여, 샘플의 형광을 측정하는 단계, 샘플의 온도와 탁도를 측정하는 단계, 측정된 온도와 탁도를 사용하여 보정된 형광 강도를 도출하는 단계, 및 보정된 형광 강도를 사용하여 샘플의 BOD 농도의 지표를 도출하는 단계를 포함하고, 측정된 온도는, 이하의 식을 사용하여, 감지된 형광 강도값을 보정하는 데 사용된다.

여기서, F는 형광 신호이고, T는 온도(℃)이고, 아래첨자 mes와 ref는, 각각 측정값과 기준값을 나타내고, ρ는 온도 보상 계수이다.

본 발명을 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 더 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 센서를 도시하는 개략도이다.
도 1a는 도 1의 일부의 확대도이다.
도 2는 보정된 형광 측정값과 다수의 독립적인 샘플의 BOD 농도 간의 관계를 표시하는 산점도이다.

첨부 도면을 참조해 보면, 센서(10)가 도시되어 있고, 센서(10)는 물 샘플 내의 BOD 농도를 감지하도록 동작가능하다. 본 발명의 센서는 다양한 응용분야에서 사용될 수 있지만, 도 1에서는, 라인(12)을 따라 폐수 처리장으로부터 곧 배출될 물을 테스트하는 방식으로 센서(10)가 사용된다. 도시된 바와 같이, 테스트 라인(14)은 라인(12)의 일부에 평행하게 이어지고, 센서(10)는 테스트 라인(14)을 따라 전달되는 물의 샘플에 대하여 테스트를 수행하도록 동작가능하다. 센서(10)는 테스트 라인(14) 내에 완전히 잠길 수 있다. 대안으로, 필요하다면, 센서의 센서 프로브만이 잠길 수 있다. 다른 장치에서는, 센서(10)가 라인(12) 내에 직접 배치될 수 있다. 이것은 센서(10)가 사용될 수 있는 하나의 응용분야일 뿐이며 본 발명이 이러한 점에서 한정되지 않음을 이해할 것이다.

센서(10)는 3개의 테스트 모듈을 포함한다. 우선, 센서는 형광 센서 장치(16)를 포함한다. 형광 센서 장치(16)는, 예를 들어, 투명 윈도우(18a)를 통해 테스트받는 샘플을 260 nm 내지 300 nm의 여기 파장 범위의 전자기 방사로 조사하도록 동작가능한 LED들 등의 어레이의 형태로 된 광원(18)을 포함한다. 예를 들어, 여기 주파수는 약 285 nm(예를 들어, ±10 nm)의 파장일 수 있다. 통상적으로 사람이나 동물의 폐기물에 존재하는 다수의 유리 아미노산, 펩타이드, 단백질, 및 용해된 유기물 분자가, 이러한 주파수의 광으로 조사되는 경우, 형광을 방출하여 295 nm 내지 405 nm의 파장 범위의 검출가능한 형광이 출력되는 것으로 밝혀졌다. 이 형광을 검출하기 위해, 센서 장치(16)는, 예를 들어, 이러한 형광을 투명 윈도우(20a)를 통해 검출하도록 배치된, 적절한 광 검출기의 형태로 된 광 센서(20)를 더 포함한다. 광 검출기는, 350 nm(예를 들어, ±55 nm)의 파장 영역의 형광을 검출하도록 편리하게 동작가능하다. 광 센서(20)와 광원(18)은, 편리하게 테스트받는 샘플에 대하여 서로 각을 이루고 있다. 바람직하게, 광 센서와 광원은, 광원(18)으로부터의 출력이 광 센서에 직접 입사되는 것보다는 센서(20)가 형광만을 검출하도록 서로 수직으로 배치된다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 구성도 가능하다.

장치(16)는, 예를 들어, 직교하는 2개의 축을 따라 설치된 광학 구성요소를 갖는 스테인리스 스틸 케이스 내에 수용된 파이렉스(Pyrex) 플로우 셀을 포함할 수 있다. 이러한 장치의 계측 구성요소는, (i) 여기 브랜치(LED, 필터, 및 콘덴서 렌즈) 및 이것에 직각으로 (ii) 검출 브랜치(렌즈, 필터, 및 포토다이오드)를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 하나의 선택 사항을 나타낼 뿐이며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 장치(16)가 실제로는 이와 상당히 다를 수 있다는 것을 이해할 것이다. LED, 필터, 및 포토다이오드, 또는 다른 유사한 구성요소는, 관련된 형광 피크의 스펙트럼 특성과 일치하도록 선택된다. 피크 형광의 경우, 선택된 여기 파장(285 nm)은, 일반적으로 270 nm 내지 280 nm의 범위에 있는 피크에 대해 일반적으로 보고된 최대 여기와는 상이하였다. 이 파장은, (i) 282±3 nm에서의 피크의 (도시 하천에서의) 중요성을 강조하는 도시 하천 시스템에 대한 기존 연구; (ii) 저 파장 자외선(UV) LED의 고 전류 소모(current draw), 저 광 출력, 및 수명 감소; (iii) 다른 인시추(in-situ) 형광측정기와의 비교가능성 때문에 선택되었다.

제2 테스트 모듈은, 온도 센서(22)의 형태, 예를 들어, 장치(16)와 편리하게 통합된 서미스터의 형태를 취한다. 서미스터는, 바람직하게, 예를 들어 0.01℃의 영역에서 감도를 갖는 양호한 정확도를 갖는다. 서미스터는, 파이렉스 셀의 내부에 부착될 수 있어서 샘플의 온도를 감시하도록 동작할 수 있으므로, 형광 신호의 열적 담금질을 정량화할 수 있고 이에 따라 형광 신호의 후속 보정이 가능하다.

셋째, 센서(10)는, 테스트받는 샘플의 탁도를 검출하거나 감지하도록 동작가능한 탁도 센서(24)를 포함한다.

도시하지는 않았지만, 센서(10)의 소정 모듈들은 광학적으로 기반을 두고 있으므로, 센서 하우징은, 측정이 행해진 윈도우(18a, 20a)를 세척하도록 동작가능한, 예를 들어, 와이퍼의 형태로 된 세척 기구를 편리하게 포함한다. 와이퍼를 제공하여 윈도우 상에 부스러기가 쌓이는 것을 피함으로써 측정이 행해질 수 있는 정확도를 향상시킨다는 것을 이해할 것이다. 와이퍼는 세척 장치의 한 형태를 나타내지만, 다른 형태의 세척 장치를 제공할 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 깨끗한 물 또는 적절한 가스가 윈도우 위로 주기적으로 분출되어 윈도우로부터 부스러기를 제거하는 장치를 사용할 수 있다. 실제로, 센서(10)가 사용되는 응용분야에 따라, 임의의 형태의 세척 장치를 제공할 필요가 없을 수도 있다.

온도 변동과 탁도 변동을 보정하도록 장치(16)를 사용하여 검출된 측정된 형광 레벨을 보정함으로써, 보정된 형광 레벨과 샘플의 BOD 농도 간의 실질적 선형 관계가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 도 1에 도시된 바와 같이, 센서(10)는, 센서 모듈의 출력을 수신하고, 감지된 온도와 탁도를 고려하도록 장치(16)의 출력을 보정하고 보정된 형광값을 사용하여 감지된 BOD 농도를 나타내는 신호를 출력하도록 동작가능한 제어 유닛(26)을 포함한다. 출력 신호는, 원하는 경우, 무선으로 송신될 수 있고 또는 케이블 접속을 통해 출력될 수 있다.

도 2는, 보정된 형광과 샘플들의 범위 내에 존재하는 BOD 농도(mg/l로 표현됨) 간의 관계를 나타내는 일부 실험 결과를 도시하며, 이로부터 그 관계가 실질적으로 선형이라는 점은 명백하다. 이에 따라, 온도 센서와 탁도 센서(22, 24)의 출력을 사용하여, 장치(16)에 의해 검출된 형광에 적절한 보정을 적용하여 보정된 형광 레벨을 도출함으로써, 테스트받는 물 샘플의 BOD 농도의 지표가 제어 유닛(26)에 의해 도출 및 출력될 수 있다.

온도 보정은 이하의 식을 사용하여 달성될 수 있다.

여기서, F는 형광 신호이고, T는 온도(℃)이고, 아래첨자 mes와 ref는, 각각 측정값과 기준값을 나타내고, ρ는, 온도 보상 계수이며, 관련 분자에 대한 형광 강도 대 온도의 회귀(regression)를 생성한 후 그 회귀의 절편에 대한 기울기의 비를 계산함으로써, 계산된다.

탁도 보정은, 탁도, 형광 강도, 및 탁도와 형광 강도 간의 상호작용인 항들을 포함하는 경험적 회귀 모델로부터 도출된 계수를 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어 수 처리 작업 또는 제어되는 산업 공정에 있어서 샘플의 평균(mean) 입자 크기가 알려진 경우, 데이터 보정 절차를 최적화하도록 이러한 평균 입자 크기가 그 모델에 포함될 수 있다. 침전물 입자 크기가 알려지지 않은 자연 하천 시스템에서는, 관련 하천 시스템에서 수집된 침전물을 사용하여 특정 지역 모델을 개발할 수 있다.

전술한 설명에서는, 샘플에 대한 BOD 농도 값을 도출하도록 의존하는 형광 효과가 285 nm 파장 영역에서의 여기 조사선의 인가를 통해 발생하는 350 nm 영역에서의 형광에 관련되지만, 본 발명은 이러한 점에서 한정되지 않으며 다른 형광 피크를 사용할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 490 nm의 영역에서의 여기 방출에 반응하여 365 nm의 영역에서의 형광이 사용될 수 있다. 물론, 센서는, BOD 농도를 검출하도록 동작할 수 있는 한편, DOC 농도 및/또는 테스트받는 샘플 내의 다른 물질의 존재도 검출하도록 동작할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은, 수질 테스트를 수행하여 실질적으로 실시간으로 결과를 산출할 수 있다는 점에서 유리하다. 이에 따라, 테스트 결과는, 예를 들어, 폐수 처리장의 동작을 감시하고 수질이 소정의 조건을 충족시키지 못함을 센서가 검출한 경우에 조치를 취할 수 있도록 사용될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예를 전술하였지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다수의 수정과 변경을 행할 수 있다.

Claims (7)

1. 수질 센서로서,
   형광 강도를 측정하도록 동작가능한 형광 센서 장치, 및
   온도 센서와 탁도 센서를 포함하고,
   상기 온도 센서와 상기 탁도 센서의 출력은 샘플의 BOD 농도에 대한 값을 도출하도록 함께 사용되고,
   상기 온도 센서의 출력은, 이하의 식을 사용하여 감지된 상기 형광 강도의 값을 보정하는 데 사용되고,
   

   

   
   여기서, F는 형광 강도 신호이고, T는 온도(℃)이고, 아래첨자 mes와 ref는, 각각 측정값과 기준값을 나타내고, ρ는 온도 보상 계수인, 수질 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 형광 센서 장치는, 상기 샘플을 260 nm 내지 300 nm 파장 범위의 광으로 조사하고 295 nm 내지 405 nm 파장 범위의 형광을 검출하도록 배치된, 수질 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 형광 센서 장치는, 상기 샘플을 285 nm 파장 범위의 광으로 조사하고 350 nm 파장 범위의 형광을 검출하도록 배치된, 수질 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 형광 센서 장치는, 상기 샘플을 365 nm 파장 범위의 광으로 조사하고 490 nm 파장 범위의 형광을 검출하도록 배치된, 수질 센서.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서의 적어도 일부를 세척하도록 동작가능한 세척 장치를 더 포함하는, 수질 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 세척 장치는 와이퍼를 포함하는, 수질 센서.
7. 물 테스트 방법으로서,
   샘플의 여기 파장의 전자기 방사에 의한 조사에 응답하여, 형광 센서 장치를 사용하여 상기 샘플의 형광 강도를 측정하는 단계,
   상기 샘플의 온도와 탁도를 측정하는 단계,
   측정된 상기 온도와 상기 탁도를 사용하여 보정된 형광 강도를 도출하는 단계, 및
   상기 보정된 형광 강도를 사용하여 상기 샘플의 BOD 농도의 지표를 도출하는 단계를 포함하고,
   상기 측정된 온도는, 이하의 식을 사용하여 감지된 상기 형광 강도의 값을 보정하는 데 사용되고,
   

   

   
   여기서, F는 상기 형광 강도이고, T는 온도(℃)이고, 아래첨자 mes와 ref는, 각각 측정값과 기준값을 나타내고, ρ는 온도 보상 계수인, 물 테스트 방법.

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