WO2013009106A9 - 센서를 이용한 잔류염소농도의 측정방법과 측정장치 및 그를 이용한 수처리시스템 - Google Patents

센서를 이용한 잔류염소농도의 측정방법과 측정장치 및 그를 이용한 수처리시스템 Download PDF

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김현욱
신태섭
최일엽
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서울시립대학교 산학협력단
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/76—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with halogens or compounds of halogens

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring residual chlorine concentration using a sensor, a measuring apparatus, and a water treatment system using the same, and more particularly, to a time flow of an Oxidation-Reduction Potential (ORP) sensor value of purified tap water.
  • the present invention relates to a method for measuring the residual chlorine concentration in purified tap water from a gradient change and a measuring apparatus and a water treatment system using the same.
  • an appropriate amount of chlorine should be added at an appropriate time. If the amount of chlorine is insufficient, the microorganisms that can cause water-borne diseases are removed to meet the water treatment standards. If the chlorine agent is added in an excessive amount, there is a risk of increasing trihalomethane (THM), a carcinogenic substance, as well as economic loss due to waste of chlorine agent. Continuous monitoring of the process is required.
  • THM trihalomethane
  • the colorimetric method is developed using oro toluidine or n, dimethyl para phenylenediamine sulfate (N, N-Diethyl-p-phenylenediamine sulfate) and then measuring the concentration of the color to measure residual chlorine
  • N dimethyl para phenylenediamine sulfate
  • concentration of the color to measure residual chlorine As a method, it takes a long time to measure, requires skill, requires an experimental operation every time, and there is a disadvantage that it cannot be used in connection with a control device requiring an instantaneous response.
  • Polarography method is a method of making an electrochemical cell by immersing an appropriate electrode in a sample solution containing an electrolyte and measuring the relationship between current and voltage between two electrodes, but it has high precision and reproducibility, but is affected by hydrogen ion concentration (pH). There was a hassle that was used to measure the amount of residual chlorine according to the ion concentration (pH) interval.
  • the present invention has been invented to solve such a problem, and unlike conventional colorimetric or polarographic methods, by tapping the inflection point obtained by differentiating the change value of Oxidation-Reduction Potential (ORP), the purified tap water
  • ORP Oxidation-Reduction Potential
  • the present invention provides a method for measuring the residual chlorine concentration of the purified tap water, the step of introducing the purified tap water into the batch reactor; Injecting a constant concentration of a reactant chemically with residual chlorine into the batch reactor at regular time intervals while measuring a change in oxidation-reduction potential (ORP) of the batch reactor; The inflection point is calculated by secondly differenting the measured redox potential change of the batch reactor by the amount of the reactant injected into the batch reactor as a variable, and the amount of the reactant at the calculated inflection point is determined as the breakthrough point. It provides a method for measuring the residual chlorine concentration in the purified tap water characterized in that it comprises a step.
  • the present invention is provided with a batch reactor in which the purified tap water and the reagent is titrated, a reagent reservoir for storing the reactant, and a reagent injection pump for injecting the reactant into the batch reactor.
  • a sensor for measuring an ORP value in a batch reactor and a change in an ORP value of the batch reactor are secondary to the amount of the reactant as a variable.
  • Differentiate to calculate the inflection point determine the amount of the reactant at the calculated inflection point as breakthrough point, calculate the residual chlorine concentration using the breakthrough point, and calculate the concentration value of the residual chlorine It provides an apparatus for measuring residual chlorine in the purified tap water comprising a calculation control unit for transmitting to the chlorine treatment process control unit.
  • the present invention is a water treatment system having a means for maintaining a constant chlorine concentration in the purified tap water, the residual chlorine concentration in the tap water, the residual chlorine concentration in the chlorine treated raw water, drinking water quality standards
  • Water treatment comprising a chlorine treatment process control unit for controlling the chlorine injection pump to control the amount of chlorine injected into the post-chlorine treatment tank of the water treatment process by comparing and calculating the residual chlorine concentration value prescribed in Provide a system.
  • Residual chlorine measuring method and measuring apparatus of the present invention has the effect of stably measuring the residual chlorine concentration in the purified tap water in real time, the water treatment system of the present invention to maintain a constant residual chlorine concentration in the purified tap water It has the effect of supplying homogeneous tap water.
  • 1 is a conceptual diagram showing a general water treatment process
  • Figure 2 is a graph showing the change of the redox potential (ORP) value by injecting sodium sulfite into the purified tap water
  • FIG. 3 is a graph showing slope changes of an ORP value of FIG. 2.
  • Figure 4 is a graph showing the change of the redox potential (ORP) value by injecting ascorbic acid into the purified tap water
  • FIG. 5 is a graph showing slope changes of an ORP value of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a residual chlorine measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a water treatment system having a chlorine treatment process control unit according to an embodiment of the present invention.
  • batch reactor 515 purified tap water inlet pump
  • stirrer 535 effluent pump
  • Figure 1 shows a general water treatment process, if the degree of contamination of the source water is severe, pre-chlorination of the source water to disinfect, followed by agglomeration, sedimentation, filtration treatment, and then again The chlorine treatment is followed by the disinfection process.
  • Maintaining a certain concentration of residual chlorine in the purified tap water as described above is an important factor in the supply of sanitary and safe tap water, so it is necessary to experimentally determine the concentration of residual chlorine in the tap water.
  • the "tap water treated" refers to tap water which supplies purified water to consumers.
  • 'remaining chlorine' is also referred to as 'free residual chlorine', and refers to chlorine present in the form of hypochlorous acid and hypochlorite ions when water is disinfected with chlorine.
  • it may include a combined residual chlorine such as chloramine, and the amount of chlorine remaining after a certain time by adding chlorine is expressed in mg / l.
  • Residual chlorine has oxidizing power, so it is strong sterilizing power, but most of them disappear quickly in the drainage network.
  • Factors affecting the sterilization effect of the residual chlorine include the reaction time, temperature, hydrogen ion concentration (pH), and the amount of chlorine consuming substance.
  • One of the substances shows the intensity of the tendency to lose or oxidize electrons and to receive and reduce electrons. It has an Oxidation-Reduction Potential (ORP) value. The tendency grows.
  • ORP Oxidation-Reduction Potential
  • Table 1 shows the measured redox potential (ORP) of the purified tap water while injecting a certain concentration (0.001N) of sodium sulfite solution at regular intervals. It is the result of the experiment (hereinafter, referred to as 'the present experiment') that calculated the slope (derivative).
  • the dotted line graph of FIG. 2 shows the change of the redox potential (ORP) value of Table 1
  • the curve graph of FIG. 3 shows the gradient change of the redox potential (ORP) value of Table 1.
  • the slope (derivative) of the redox potential (ORP) was lowered and then increased as the 0.001N-sodium sulfite solution was injected into the purified tap water.
  • the inflection point was observed at the point where the injection amount of 0.001N-sodium sulfite aqueous solution was 4 ml.
  • Table 2 and FIGS. 4 and 5 below show tap water purified from redox potential (ORP) as in the present experiment using sodium sulfite as a reactant as a result of using ascorbic acid as a reactant instead of sodium sulfite. It was reconfirmed that the residual chlorine concentration in water could be accurately identified.
  • ORP redox potential
  • the purified tap water is introduced into a 1 L batch reactor, a constant concentration of the reactant is injected at a constant speed, the breakthrough point is determined by the above-described method, and then the reactant injection speed and the breakthrough point are determined. It was done by multiplying the time of the will.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a residual chlorine measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the residual chlorine measuring apparatus 500 includes calculating a residual chlorine concentration in the purified tap water in real time and transmitting the concentration value to the chlorine treatment process control unit 610 of the purified water treatment process.
  • Residual chlorine measuring device 500 is a batch reactor 510, purified tap water inlet pump 515, reagent injection pump 525, agitator 530, 550, effluent water pump 535, operation control unit 540 And a reagent reservoir 560.
  • the batch reactor 510 serves as a kind of reactor, and the purified tap water supplied through the purified tap water inflow pump 515 is titrated with the reactant.
  • the batch reactor 510 includes a rotary blade 555, a sensor 520, and an agitator 530, and the purified tap water inflow pump 515, the reactant injection pump 525, and the effluent water pump 535 It is connected.
  • the influent transferred through the purified tap water inflow pump 515 reacts with the reactant injected through the reactant injection pump 525 inside the batch reactor 510.
  • the rotation blade 555 connected to the motor stirrer 530 is rotated inside the batch reactor 510 so that the reaction can be made smoothly, so that the purified water and the reactant are evenly mixed.
  • the reactant injection pump 525 is a kind of micropump and is configured to accurately inject a small amount of the reactant.
  • the sensor 520 measures the change value of the redox potential (ORP) in real time so that the operation controller 540 can calculate the breakthrough point.
  • the operation control unit 540 calculates the breakthrough point by calculating the change of the redox potential (ORP) by second derivative of the amount of the reactant as a variable, and calculates the corresponding residual chlorine concentration to process the data in water. Transfer to the chlorine treatment process control unit 610 of the process.
  • the breakthrough point is a method of controlling the tap water inflow pump 515 and the reagent injection pump 525 purified by the operation control unit 540 according to the value input from the sensor 520. It is determined exactly.
  • the purified tap water after measuring the residual chlorine concentration is discharged from the batch reactor 510 through the effluent pump 535.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a water treatment system having a chlorine treatment process control unit according to an embodiment of the present invention.
  • Water treatment system 600 having a chlorine treatment process control unit is a residual chlorine measuring apparatus (500, 500 '), chlorine treatment process control unit 610, chlorine storage tank 620, chlorine injection pump 630, post-chlorine treatment tank 640, and the purified water 650.
  • the residual chlorine measuring device 500 has the same configuration as the residual chlorine measuring device 500 in the purified tap water, and the residual chlorine in the chlorine-treated raw water transferred from the post-chlorine treatment tank 640 to the purified water 650.
  • the chlorine concentration is calculated and the data is transmitted to the chlorine treatment process control unit 610.
  • Chlorine treatment process control unit 610 is the residual chlorine concentration values received from the residual chlorine measuring device 500 in the purified tap water and the residual chlorine measuring device 500 'in the chlorine-treated raw water of the post-chlorine treatment tank 640, respectively.
  • the chlorine injection pump 630 is controlled to control the amount of chlorine injected into the post chlorine treatment tank 640 by comparing and calculating residual chlorine concentration values defined in the drinking water quality standards.
  • control step of the chlorine treatment process in the water treatment system according to the present invention can be described as follows.
  • the factors such as the length, age, material, and chlorine consumption in the tap water
  • the factors such as the length, age, material, and chlorine consumption in the tap water
  • the relationship between the residual chlorine concentration in the purified tap water and the residual chlorine concentration in the chlorine-treated raw water of the post-chlorine treatment tank 640 is set using a statistical analysis method, and the relationship is given to the chlorine treatment process control unit 610. Operate it.
  • the chlorine treatment process control unit 610 measures the residual chlorine concentration value from the residual chlorine measuring device 500 in the purified tap water and the residual chlorine measuring device 500 'in the chlorine-treated raw water of the post-chlorine treatment tank 640.
  • the amount of chlorine to be controlled (controlled) is calculated and compared with the concentration values and the residual chlorine concentration values defined in the drinking water quality standards, and the control signal is transmitted to the post-chlorine treatment tank 640. It is sent to the chlorine injection pump 630 to supply the chlorine agent to control the feed rate of the chlorine injection pump 630.
  • the post-chlorine treatment tank 640 is a place where sterilization takes place by contacting the chlorine agent with the purified water and is a passage having a constant volume, and is configured to move the purified water with the chlorine agent.
  • the effluent mixed with the source water and the chlorine agent is supplied to the consumer 660 as purified tap water through a purified water 650, and a portion of the tap water is remaining in the residual chlorine measuring apparatus 500. It is supplied as a sample for measurement.
  • the residual chlorine measuring method and measuring apparatus by calculating the inflection point of the redox potential change value of the present invention to ensure the stable chlorine concentration in the purified tap water in real time
  • the water treatment system of the present invention has industrial applicability to supply homogeneous tap water in which residual chlorine concentration in the purified tap water is kept constant.
  • the method for determining the breakthrough point of the redox reaction by calculating the inflection point of the redox potential change value of the present invention and the determining apparatus stably determine the appropriate amount of the water treatment agent in real time in the water treatment process involving the redox reaction (eg, for example, there is also an industrial applicability for determining the appropriate amount of chlorine treatment agent when chlorine disinfection of sewage or combined sewage water.

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Abstract

본 발명은 정수처리된 수돗물의 산화환원전위(Oxidation- Reduction Potential: ORP) 센서값의 시간흐름에 따른 기울기 변화로부터 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 농도를 측정하는 방법과 측정장치 및 그를 이용한 수처리시스템에 관한 것이다. 본 발명은 정수처리과정에서 염소처리된 상수원수의 잔류염소농도를 측정하는 방법에 있어서, 회분식 반응기(510)에 정수처리된 수돗물이 유입되는 단계; 상기 회분식 반응기(510)의 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential: ORP) 변화값을 측정하면서 회분식 반응기(510)에 잔류염소와 화학반응하는 일정농도의 반응제를 일정시간 간격으로 주입하는 단계; 측정된 상기 회분식 반응기(510)의 산화환원전위 변화값을 상기 회분식 반응기(510)에 주입되는 반응제의 양을 변수로 2차 미분하여 변곡점을 산출하고, 산출된 상기 변곡점에서의 상기 반응제의 양을 파과점으로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

센서를 이용한 잔류염소농도의 측정방법과 측정장치 및 그를 이용한 수처리시스템
본 발명은 센서를 이용한 잔류염소 농도의 측정방법과 측정장치 및 그를 이용한 수처리시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정수처리된 수돗물의 산화환원전위 (Oxidation- Reduction Potential: ORP) 센서값의 시간흐름에 따른 기울기 변화로부터 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 농도를 측정하는 방법과 측정장치 및 그를 이용한 수처리시스템에 관한 것이다.
대다수의 정수장은 염소제를 이용하여 상수원수를 소독하고 있다. 상수원수의 수질은 계절과 강우량에 따라 변화하므로 각 정수장에서는 상수원수의 수질을 측정하여 정수공정을 조절하고 있다.
특히, 미생물의 번식률이 높으며 일 강우량의 변화가 큰 계절에는 상수원수 수질의 시간별 변화가 큼에 따라 정수공정에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다.
또한, 수인성 질병을 일으킬 수 있는 미생물을 소독하기 위해서는 적당한 때에 알맞은 양의 염소제를 투입하여야 하는데 만약 염소제의 투입량이 부족하면, 수인성 질병을 일으킬 수 있는 미생물을 정수처리기준에 적합하도록 제거할 수 없으며, 염소제가 과량으로 투입되면 염소제의 낭비로 인한 경제적 손실뿐만 아니라, 발암성 물질인 트리할로메탄(Trihalomethane: THM))을 증가시킬 우려가 있으므로 적절한 염소제의 투입과 이를 위한 정수공정의 지속적인 모니터링이 필요하다.
염소제를 이용한 수인성 전염병의 예방을 위해서는 급·배수 시에 일정량의 잔류염소를 유지해 주어야 하며, '먹는 물 수질기준' 이나 '수도시설의 청소 및 위생관리 등에 관한 규칙'에 규정된 수돗물의 잔류염소농도를 고려하여야 한다.
그러나, 수돗물의 잔류염소는 그 대부분이 배수관망에서 빠르게 소멸하는 것으로 알려져 있고, 또한 계절별·시간별로 변화하는 상수원수의 정수공정에 빠르게 대처하기 위해서는 정수처리된 수돗물의 잔류염소를 실시간으로 모니터링할 필요가 있다.
일반적으로, 음용수의 잔류염소 측정방법에는 비색법과 전극센서에 의한 폴라로그래피법의 두 가지가 있다.
먼저, 비색법은 오르도 톨루이딘(o-Toluidine)이나 엔,엔 디메틸 파라 페닐렌디아민 설페이트(N, N-Diethyl-p-phenylenediamine sulfate)를 이용하여 발색시킨 후 색의 농도를 측정하여 잔류염소를 측정하는 방법으로, 측정에 장시간이 소요되고 숙련이 필요하며 매번 실험조작을 하여야 하는 등 불편함이 있으며 또한, 순간적 응답을 필요로 하는 제어장치와 연계하여 사용할 수가 없는 단점이 있다.
폴라로그래피법은 전해질을 포함한 시료용액에 적당한 전극을 담가 전기화학전지를 만들고 두 전극 사이의 전류와 전압의 관계를 측정하는 방법으로 정밀도와 재현성은 좋으나, 수소이온농도(pH)의 영향을 받기 때문에 수소이온농도(pH)의 구간에 따른 잔류염소량을 측정하는 방식으로 이용되는 번거로움이 있었다
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 종래의 비색법이나 폴라로그래피법과 달리, 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential: ORP)의 변화값을 미분하여 구한 변곡점을 이용함으로써, 정수처리된 수돗물의 잔류염소농도를 실시간으로 안정되게 측정할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 일정하게 유지하는 수단을 구비하는 수처리시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 정수처리된 수돗물의 잔류염소농도를 측정하는 방법에 있어서, 회분식 반응기에 정수처리된 수돗물이 유입되는 단계; 상기 회분식 반응기의 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential: ORP) 변화값을 측정하면서 회분식 반응기에 잔류염소와 화학반응하는 일정농도의 반응제를 일정시간 간격으로 주입하는 단계; 측정된 상기 회분식 반응기의 산화환원전위 변화값을 상기 회분식 반응기에 주입되는 반응제의 양을 변수로 2차 미분하여 변곡점을 산출하고, 산출된 상기 변곡점에서의 상기 반응제의 양을 파과점으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도의 측정방법을 제공한다.
다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 정수처리된 수돗물과 반응제의 적정이 이루어지는 회분식 반응기, 반응제를 저장하는 반응제 저장조, 및 반응제를 상기 회분식 반응기 내부로 주입하는 반응제 주입펌프를 구비한 잔류염소농도의 측정장치에 있어서, 상기 회분식 반응기 내부에 산화환원전위(ORP)값을 측정하는 센서 및 상기 회분식 반응기의 산화환원전위(ORP) 변화값을 상기 반응제의 양을 변수로 2차 미분하여 변곡점을 산출하고, 산출된 상기 변곡점에서의 상기 반응제의 양을 파과점으로 결정하며, 상기 파과점을 이용하여 잔류염소농도를 산출하고, 그 산출된 잔류염소의 농도값을 정수처리공정의 염소처리 공정제어부에 전송하는 연산제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치를 제공한다.
또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 일정하게 유지하는 수단을 구비하는 수처리시스템으로서, 수돗물 중의 잔류염소농도, 염소처리 원수 중의 잔류염소농도, 먹는 물 수질기준 등에서 규정하고 있는 잔류염소농도값을 대비·연산하여 정수처리공정의 후염소처리조에 주입되는 염소제의 양을 조절하도록 염소제 주입펌프를 제어하는 염소처리 공정제어부를 구비하고 있음을 특징으로 하는 수처리시스템를 제공한다.
본 발명의 잔류염소 측정방법 및 측정장치는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 실시간으로 안정되게 측정할 수 있는 효과를 가지고, 본 발명의 수처리시스템은 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도가 일정하게 유지되는 균질한 수돗물을 공급하는 효과를 가진다.
도 1은 일반적인 정수처리공정을 나타내는 개념도
도 2는 정수처리된 수돗물에 아황산나트륨을 주입함에 따른 산화환원전위(ORP)값의 변화를 나타내는 그래프
도 3은 도 2의 산화환원전위(ORP)값의 기울기 변화를 나타내는 그래프
도 4는 정수처리된 수돗물에 아스코르빈산을 주입함에 따른 산화환원전위(ORP)값의 변화를 나타내는 그래프
도 5는 도 4의 산화환원전위(ORP)값의 기울기 변화를 나타내는 그래프
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잔류염소 측정장치의 개요도
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 염소처리 공정제어부를 구비한 수처리시스템의 개요도이다.
[부호의 설명]
500, 500': 잔류염소 측정장치
510: 회분식 반응기 515: 정수처리된 수돗물 유입펌프
520: 센서 525: 반응제 주입펌프
530: 교반기 535: 유출수 펌프
540: 연산제어부 550: 교반기
555, 565: 회전 날개 560: 반응제 저장조
600: 염소처리 공정제어부를 구비한 수처리시스템
610: 염소처리 공정제어부 620: 염소제 저장조
630: 염소제 주입펌프 640: 후염소처리조
650: 정수지 660: 소비자
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 정수처리공정을 나타내고 있는데, 상수원수의 오염 정도가 심할 경우 상수원수를 전(前)염소처리하여 소독하고, 이어서 응집·침전·여과처리과정을 거치게 한 다음, 다시 후(後)염소처리하여 소독하는 과정을 끝으로 정수처리가 이루어진다.
상기와 같이 정수처리된 수돗물 중에 일정농도의 잔류염소를 유지하는 것은 위생적이고 안전한 수돗물의 공급에 있어 매우 중요한 요소이므로 수돗물 중의 잔류염소의 농도를 실험적으로 결정할 필요가 있다.
본 발명에서 '정수처리된 수돗물'이라 함은 상수원수를 정수처리하여 소비자에게 공급하는 수돗물을 말한다.
일반적으로 '잔류염소'란 '유리잔류염소'라고도 하며, 물을 염소로 소독했을 때, 하이포아염소산과 하이포아염소산 이온의 형태로 존재하는 염소를 말한다.
또한, 클로라민(chloramine)과 같은 결합잔류염소를 포함해서 말하는 경우도 있으며, 염소를 투입하여 일정시간 후 잔류하는 염소의 양을 mg/l로 표시한다.
잔류염소는 산화력을 가지고 있어 살균력이 강하지만 대부분 배수관망에서 빠르게 소멸한다.
이러한 잔류염소의 살균효과에 영향을 미치는 인자로는 반응시간, 온도, 수소이온농도(pH), 염소를 소비하는 물질의 양 등을 들 수 있다.
염소를 이용하여 물을 소독할 경우 수인성 전염병균(적리, 콜레라, 장티푸스, 파라티푸스 등)은 잔류염소량 0.02mg/l에서 30분 후 완전히 소멸하는 것으로 알려져 있다.
이러한 잔류염소의 장점은 수도관 파손으로 인한 미생물의 오염을 예방하거나 소독할 수 있고, 사용중에 오염되는 미생물도 소독할 수 있다는 점이다.
그러나, 잔류염소가 과량으로 존재할 때에는 염소냄새가 강하고, 금속 등을 부식시키며, 발암물질이 생성되는 문제가 있어 잔류염소량을 정확히 모니터링하여 인체에 악영향을 미치는 허용농도를 초과하지 못하도록 규제하고 있다.
어떤 물질이 전자를 잃고 산화되거나 또는 전자를 받고 환원되려는 경향의 강도를 나타내는 것으로 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential: ORP)값이 있는데, 산화환원전위(ORP)값이 높을수록 전자를 받고 환원되려는 경향이 커진다.
정수처리된 수돗물 중의 잔류염소에 잔류염소와 산화환원반응을 일으키는 아황산나트륨이나 아스코르빈산을 가하면 잔류염소가 환원됨에 따라 산화환원전위(ORP)값이 낮아진다.
아황산나트륨이나 아스코르빈산이 잔류염소와 산화환원반응을 일으키는 알짜이온반응식은 다음 화학식 1, 2와 같다.
[규칙 제91조에 의한 정정 16.11.2012]　
화학식 1
Figure WO-DOC-FIGURE-48
[규칙 제91조에 의한 정정 16.11.2012]　
화학식 2
Figure WO-DOC-FIGURE-49
아래의 표 1은 정수처리된 수돗물의 산화환원전위(ORP)값을 측정하면서 일정 농도(0.001N)의 아황산나트륨 수용액을 일정시간 간격으로 주입하고 주입 때마다 의 산화환원전위(ORP)값에 대한 기울기(도함수)를 산출한 실험(이하 '본 실험'이라 한다)결과이다.
그리고, 도 2의 점선 그래프는 표 1의 산화환원전위(ORP)값의 변화를 나타내고, 도 3의 곡선 그래프는 표 1의 산화환원전위(ORP)값의 기울기 변화를 나타내고 있다.
표 1
0.001N-Na2SO3 ORP(mV) 잔류염소 농도(mg/l) ORP 기울기
(ml) (g)
0 0 627.5 0
1 0.12604 602 0.070906 -25.5
2 0.25208 529.8 0.141812 -72.2
3 0.37812 438.2 0.212718 -91.6
4 0.50416 342.6 0.283624 -95.6
5 0.6302 293.8 0.35453 -48.8
6 0.75624 267.9 0.425436 -25.9
7 0.88228 252.3 0.496342 -15.6
8 1.00832 240.8 0.567248 -11.5
9 1.13436 232.4 0.638154 -8.4
10 1.2604 225.3 0.70906 -7.1
상기 표 1 및 도 3의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 정수처리된 수돗물에 0.001N-아황산나트륨 수용액을 주입함에 따라 산화환원전위(ORP)값의 기울기(도함수)가 낮아졌다가 높아지는 부분 즉, 본 실험에서는 0.001N-아황산나트륨 수용액의 주입량이 4ml인 지점에서 변곡점이 관찰되었다.
그리고, 본 실험과는 별도의 실험을 통하여, 본 실험에 사용된 정수처리된 수돗물의 잔류염소의 양을 측정해 본 결과, 본 실험의 상기 변곡점이 발생할 때까지 주입된 0.001N-아황산나트륨 수용액의 주입량이 화학양론적으로 정확히 반응을 일으키는 양(파과점)임을 확인할 수 있었다.
즉, 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소와 산화환원반응을 일으키는 반응제를 주입하고, 그에 따라 얻어지는 산화환원전위(ORP)값의 도함수 그래프로부터 변곡점을 찾은 후, 그 변곡점이 나타날 때까지 주입한 반응제의 양(파과점)을 알면 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 정확히 파악할 수 있음을 알 수 있다.
아래의 표 2 및 도 4, 도 5는 아황산나트륨 대신 아스코르빈산을 반응제로 사용하여 실험한 결과로서 아황산나트륨을 반응제로 사용한 상기 본 실험에서와 같이 산화환원전위(ORP)값으로부터 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 정확히 파악할 수 있음을 재확인할 수 있었다.
표 2
0.0005N-C6H8O6 ORP(mV) 잔류염소농도(mg/l) ORP 기울기
(ml) (g)
0 0 601.4 0
1 0.08807 557.1 0.070906 -44.3
2 0.17614 481.2 0.141812 -75.9
3 0.26421 373.8 0.212718 -107.4
4 0.35228 290.2 0.283624 -83.6
5 0.44035 251.6 0.35453 -38.6
6 0.52842 224.3 0.425436 -27.3
7 0.61649 207 0.496342 -17.3
8 0.70456 193.6 0.567248 -13.4
9 0.79263 183 0.638154 -10.6
10 0.8807 174.2 0.70906 -8.8
그리고, 산화환원전위(ORP)의 변화는 매우 빠르게 진행되었기 때문에 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소를 실시간으로 측정함에 있어 아무런 문제가 없었다.
반응제의 주입량 결정은 1ℓ의 회분식 반응기에 정수처리된 수돗물을 유입하고, 일정농도의 반응제를 일정속도로 주입하여, 전술한 방법으로 파과점을 결정한 후, 반응제 주입속도와 파과점 결정 시까지의 시간을 곱하는 방식으로 이루어졌다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잔류염소 측정장치의 개요도이다.
잔류염소 측정장치(500)는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 실시간으로 연산하여 그 농도값을 정수처리공정의 염소처리 공정제어부(610)에 전송하는 것을 포함한다.
잔류염소 측정장치(500)는 회분식 반응기(510), 정수처리된 수돗물 유입펌프(515), 반응제 주입펌프(525), 교반기(530, 550), 유출수 펌프(535), 연산제어부(540) 및 반응제 저장조(560)를 포함하여 구성된다.
회분식 반응기(510)는 일종의 반응조 역할을 하는 것으로, 정수처리된 수돗물 유입펌프(515)를 통해 공급되는 정수처리된 수돗물이 반응제와 적정이 이루어지도록 한다.
회분식 반응기(510)는 회전날개(555), 센서(520) 및 교반기(530)를 포함하고 있으며, 정수처리된 수돗물 유입펌프(515), 반응제 주입펌프(525) 및 유출수 펌프(535)와 연결되어 있다.
정수처리된 수돗물 유입펌프(515)를 통해서 이송된 유입수는 회분식 반응기(510) 내부에서 반응제 주입펌프(525)를 통해 주입되는 반응제와 반응을 하게 된다.
이때, 반응이 원활하게 이루어질 수 있도록, 모터구동방식의 교반기(530)에 연결된 회전날개(555)가 회분식 반응기(510) 내부에서 회전하여, 정수처리된 수돗물과 반응제가 골고루 섞이도록 하고 있다.
반응제 주입펌프(525)는 일종의 마이크로펌프로서 소량의 반응제를 정확하게 주입할 수 있도록 구성되어있다.
센서(520)는 실시간으로 산화환원전위(ORP)의 변화값을 측정하여 연산제어부(540)로 하여금 파과점을 산출할 수 있도록 한다.
연산제어부(540)는 산화환원전위(ORP)의 변화값을 반응제의 양을 변수로 2차 미분하는 방식으로 연산하여 파과점을 결정하고 상응하는 잔류염소의 농도를 산출하여 그 데이터를 정수처리공정의 염소처리 공정제어부(610)에 전송한다.
파과점은, 센서(520)에서 입력된 값에 따라 연산제어부(540)에서 정수처리된 수돗물 유입펌프(515) 및 반응제 주입펌프(525)를 제어하는 방식으로, 미리 예측된 범위를 중심으로 정확하게 결정된다.
잔류염소농도의 측정이 끝난 정수처리된 수돗물은 유출수 펌프(535)를 통하여 회분식 반응기(510)로부터 방류된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 염소처리 공정제어부를 구비한 수처리시스템의 개요도이다.
본 발명의 실시예에 따른 염소처리 공정제어부를 구비한 수처리시스템(600)은 잔류염소 측정장치(500, 500'), 염소처리 공정제어부(610), 염소제 저장조(620), 염소제 주입펌프(630), 후염소처리조(640), 정수지(650)를 포함하여 구성된다.
잔류염소 측정장치(500')는 앞에서 설명한 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치(500)와 동일한 구성으로 이루어져 있으며, 후염소처리조(640)에서 정수지(650)로 이송되는 염소처리 원수 중의 잔류염소농도를 산출하여 그 데이터를 염소처리 공정제어부(610)에 전송한다.
염소처리 공정제어부(610)는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치(500)와 후염소처리조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소 측정장치(500')로부터 각각 전송받은 잔류염소 농도값들과, 먹는 물 수질기준 등에서 규정하고 있는 잔류염소 농도값을 대비·연산하여 후염소처리조(640)에 주입되는 염소제의 양을 조절하도록 염소제 주입펌프(630)를 제어한다.
본 발명에 따른 수처리시스템에서 염소처리 공정의 제어단계는 다음과 같이 설명될 수 있다.
우선, 정수처리된 수돗물이 배수관망을 통하여 소비자에게 공급될 때, 배수관망에서 수돗물 중의 잔류염소를 소멸시키는 인자(관망의 길이·노후도·재질, 수돗물 중의 염소를 소비하는 물질 등)들을 변수로 삼아, 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도와 후염소처리조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소농도 간의 관계식을 통계학적 분석기법을 이용하여 설정하고, 상기 관계식을 염소처리 공정제어부(610)에 연산자화하여 둔다.
그리고, 상기 염소처리 공정제어부(610)는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치(500) 및 후염소처리조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소 측정장치(500')로부터 잔류염소 농도값을 전송받아, 그 농도값들과 먹는 물 수질기준 등에서 규정하고 있는 잔류염소 농도값을 대비하여, 제어(조절)해야 할 염소제의 양을 연산·결정하고, 제어신호를 후염소처리조(640)에 염소제를 공급하는 염소제 주입펌프(630)에 보내어 염소제 주입펌프(630)의 이송속도를 제어하는 것이다.
정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치(500)가 여러 지역의 배수관망에 흩어져 설치되어 있는 경우, 이들 여러 지역에서의 잔류염소를 관리하기 위해서는 상기 염소처리 공정제어부(610)의 연산자화에 있어 별도의 최적화 기법 등이 도입될 수 있다.
후염소처리조(640)는 상수원수가 염소제와 접촉하여 살균이 일어나는 장소이며, 일정한 부피를 갖는 통로로서, 상수원수와 염소제가 혼합되어 이동할 수 있도록 구성되어 있다.
후염소처리조(640)에서 상수원수와 염소제가 혼합된 유출수는 정수지(650)를 거쳐 정수처리된 수돗물로서 소비자(660)에게 공급되는데 그 수돗물의 일부는 잔류염소 측정장치(500)에 잔류염소 측정용 시료로 공급된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기 기재사항으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 산화환원전위 변화값의 변곡점 산출에 의한 잔류염소 측정방법 및 측정장치는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 실시간으로 안정되게 측정할 수 있도록 하고, 본 발명의 수처리시스템은 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도가 일정하게 유지되는 균질한 수돗물을 공급하는 산업상의 이용가능성을 가진다.
아울러, 본 발명의 산화환원전위 변화값의 변곡점 산출에 의한 산화환원반응의 파과점 결정방법 및 그 결정장치는 산화환원반응을 수반하는 수처리공정에서 수처리제의 적정 사용량을 실시간으로 안정되게 결정(예를 들어, 하수나 합류식 하수원류수의 염소소독시 염소처리제의 적정량 결정 등)하는 산업상의 이용가능성도 가진다.

Claims (7)

  1. 정수처리된 수돗물의 잔류염소농도를 측정하는 방법에 있어서, 회분식 반응기(510)에 정수처리된 수돗물이 유입되는 단계; 상기 회분식 반응기(510)의 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential: ORP) 변화값을 측정하면서 회분식 반응기(510)에 잔류염소와 화학반응하는 일정농도의 반응제를 일정시간 간격으로 주입하는 단계; 측정된 상기 회분식 반응기(510)의 산화환원전위 변화값을 상기 회분식 반응기(510)에 주입되는 반응제의 양을 변수로 2차 미분하여 변곡점을 산출하고, 산출된 상기 변곡점에서의 상기 반응제의 양을 파과점으로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도의 측정방법.
  2. 정수처리된 수돗물과 반응제의 적정이 이루어지는 회분식 반응기(510), 반응제를 저장하는 반응제 저장조(560) 및 반응제를 상기 회분식 반응기(510) 내부로 주입하는 반응제 주입펌프(525)를 구비한 잔류염소농도의 측정장치에 있어서, 상기 회분식 반응기(510) 내부에 산화환원전위(ORP)값을 측정하는 센서(520); 및 상기 회분식 반응기(510)의 산화환원전위(ORP) 변화값을 상기 반응제의 양을 변수로 2차 미분하여 변곡점을 산출하고, 산출된 상기 변곡점에서의 상기 반응제의 양을 파과점으로 결정하여 상응하는 잔류염소의 농도를 산출하며, 산출된 잔류염소의 농도값을 정수처리공정의 염소처리 공정제어부(610)에 전송하는 연산제어부(540);를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    정수처리된 수돗물 유입펌프(515), 교반기(530, 550), 유출수 펌프(535)를 추가적으로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치.
  4. 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도를 일정하게 유지하는 수단을 구비하는 수처리시스템으로서, 상기 제3항의 잔류염소 측정장치(500)를 포함하고, 상기 잔류염소 측정장치(500)와 별개의 잔류염소 측정장치를 추가로 포함하며, 염소처리 공정제어부(610), 염소제 저장조(620), 염소제 주입펌프(630), 후염소처리조(640), 정수지(650)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 별개의 잔류염소 측정장치는 후염소처리조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소 측정장치(500')로서 상기 제3항의 잔류염소 측정장치(500)와 구성이 동일한 것임을 특징으로 하는 수처리시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 염소처리 공정제어부(610)는 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치(500)와 후염소처리조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소 측정장치(500')로부터 각각 전송받은 잔류염소 농도값들과 먹는 물 수질기준 등에서 규정하고 있는 잔류염소 농도값을 대비·연산하여 후염소처리조(640)에 주입되는 염소제의 양을 조절하도록 염소제 주입펌프(630)를 제어하는 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 염소처리 공정제어부(610)에서의 염소처리 공정의 제어는,
    정수처리된 수돗물이 관망을 통하여 소비자에게 공급될 때, 관망에서 수돗물 중의 잔류염소를 소멸시키는 인자(관망의 길이·노후도·재질, 수돗물 중의 염소를 소비하는 물질 등)들을 변수로 하여, 정수처리된 수돗물 중의 잔류염소농도와 후처리염소조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소농도 간의 관계식을 통계학적 분석기법을 이용하여 설정하고, 상기 관계식을 염소처리 공정제어부(610)에 연산자화하여 두는 단계;
    정수처리된 수돗물 중의 잔류염소 측정장치(500) 및 후염소처리조(640)의 염소처리 원수 중의 잔류염소 측정장치(500')로부터 잔류염소 농도값을 전송받아, 그 농도값들과 먹는 물 수질기준 등에서 규정하고 있는 잔류염소 농도값을 대비하여, 제어(조절)해야 할 염소제의 양을 연산·결정하고, 제어신호를 후염소처리조(640)에 염소제를 공급하는 염소제 주입펌프(630)에 보내어 염소제 주입펌프(630)의 이송속도를 제어하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수처리시스템.
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