[논문]정수장에서 배출수 공정 자동화를 위한 초음파 다중빔 슬러지 농도계 개발

장상복; 홍성택; 전명근

doi:10.6109/jkiice.2014.18.9.2313

정수장에서 배출수 공정 자동화를 위한 초음파 다중빔 슬러지 농도계 개발
Development of Ultrasonic Multi-Beam Sludge Meter For Effluent Facilities Automation 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.18 no.9, 2014년, pp.2313 - 2321

장상복 (Department of Control Robot Engineering, Chungbuk University) , 홍성택 (K-water Institute, K-water) , 전명근 (Department of Control Robot Engineering, Chungbuk University)

초록
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정수장, 하수처리장, 폐수처리장의 배출수 처리공정에서 고 농도의 슬러지 선별, 이송 및 약품 투입량 조절을 위한 기준으로 슬러지 농도계가 사용되고 있다. 본 논문은 슬러지 농도계의 정도 향상과 문제점 개선을 통해 배출수 처리공정의 운영 효율화와 자동화 기반을 마련하고자 한다. 센서를 다중빔으로 설계 및 최소편차 선형평균 필터링을 적용하여 농도계의 정도 향상과 안정성을 실현하였으며, 부단수 방식의 센서 착탈 설계로 배출수 시설 운영중에도 유지관리가 가능토록 하였다. 이렇게 구현된 다중빔 방식 슬러지 농도계의 성능을 Pilot Plant를 통하여 다양하게 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A concentration meter is widely used at purification plants, sewage treatment plants and waste water treatment plants to sort and transfer high concentration sludge and to control the amount of chemical input. This study has been prepared for improving efficiency of operation on sludge processes and to establish a basic for factory automation by accuracy improvement and problem solution of sludge concentration meter. The concentration meter's accuracy and stability is improved by applying multi-beam sensors and minimum deviation linear average filtering. Furthermore maintenance without cut-off of water in sludge operation is possible by detachable sensors. The performance of multi-beam concentration meter has been variously verified by the pilot plant experiment.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그림 10과 같이 배관 구경별 교정이 가능한 휴대용교정 장치를 개발하여 초음파센서 교정(보정)작업을 2시간 이내 쉽고 신속하게 완료될 수 있도록 하였다.
그림 7과 같이 검출기는 SUS로 제작하여 부식을 방지하도록 하였으며, 센서 표면은 초음파 지향성을 고려하여 최대한 곡면으로 처리함으로써 슬러지 침착을 최대한 억제하도록 하였다.
다음으로 초음파 다중빔 농도계의 4개 센서에 대한 측정값의 전체평균방식과 센서의 농도 측정값중 편차가 가장 큰 것을 제외하고 나머지 3개의 센서값에 의한 선별평균(최소편차선형평균) 방법을 상호 비교하였다.
정수장의 분배조 ↔ 저류조 ↔ 탈수기 구간과 하·폐수처리장의 슬러지 처리공정(1차 침전조, 농축조, 폭기조, 2차 침전조, 저류조, 탈수기등)의 슬러지농도를 실시간 계측할 수 있도록 부단수식의 센서 탈부착 및 휴대용 교정 장치를 통해 세정 및 교정 작업과 유지관리가 편리하도록 하였다. 다중빔 방식의 설계와 측정값의 필터링을 통해 기포의 영향을 최소화 하였고, 정도개선과 안정적인 출력값을 유지하도록 하였다.
그림 9와 같이 부단수 방식의 초음파 슬러지 농도계설계로 유지 관리시 운영 중에도 센서의 착탈이 가능하도록 하여 기존의 바이패스 배관과 밸브의 설치가 필요 없게 되어 설치비 및 공간이 절약되게 되었다.또한 센서의 탈착시 전문공구를 사용하지 않고 사람의 손으로 쉽게 탈착할 수 있도록 하였다.
69%의 시료수를 제조하여 저류탱크에 일정 수위가 되도록 넣은 후 설치된 순환 펌프를 기동하여 시료수가 순환하도록 한다. 배관에 설치된 싱글빔 방식 농도계 데이터와 다중빔 방식 농도계 데이터(4개 센서)의 산술평균값과 오차를 상호 비교하였다.
변환기 전체 설계 규격은 표4와 같으며, 싱글빔 방식의 단점인 기포나 Gas유입시 실제 농도값 보다 낮게 측정하거나 헌팅 하는 문제를 최소화 하기 위하여 그림5의 농도계 변환부 블록도와 같이 초음파 송·수신 센서를 4조로 구성하여 개별 센서로 부터 입력되는 측정값들의 상호 편차를 실시간으로 계산하여 가장 편차가 큰 값을 제외하고 나머지 3개의 측정값을 산술평균 함으로서 센서 중에서 교정 불량 또는 고장이나 기포 등으로 인한 측정오차를 제거할 수 있도록 하였다.
설계 및 개발한 초음파 다중빔 슬러지 농도계의 성능을 시험하기 위하여 표 5 및 그림 11과 같이 Pilot 설비를 구성하고 그림 12 및 그림 13과 같이 저류탱크에 표준농도의 기준이 되는 카올린분말과 청수를 혼합하여 표준농도 별 싱글빔 농도계와 초음파 다중빔 농도계가 측정하는 실시간 데이터를 상호 비교 하여 성능을 평가하였다.
센서 탈착을 편리하게 하기 위하여 초음파센서 케이블을 콘넥터식으로 제작하였으며 휴대용교정장치를 이용한 교정(보정)작업을 고려하여 IP67등급으로 제작하였다. 초음파 송·수신 센서는 채널1, 채널2, 채널3, 채널4의 4SET의 다중빔을 장착할 수 있도록 설계 제작하였다.
오염된 센서의 주기적인 공기 세정을 위한 자체내장 콤퓨레셔와 센서 교정을 위한 휴대용 교정 Kit를 설계개발 하였다.
운영중 센서에 슬러지 침착을 억제하기 위해 그림 8와 같이 콤프레셔를 판넬에 내장하였으며, 세정라인은 유체의 흐름에 방해되지 않도록 센서 하단부에 홀(1.5mm)을 통해 센서 표면으로 공기를 분사하여 주기적으로 자동세정 할 수 있도록 하였다.
이를 해결하기 위해 그림6에서처럼 슬러지공급펌프의 최초 기동 후 일정시간 경과부터 농도 측정을 시작하는 조건운전기능을 구현하였다.(지연시간 설정: 초단위 최대300s)
정수장의 분배조 ↔ 저류조 ↔ 탈수기 구간과 하·폐수처리장의 슬러지 처리공정(1차 침전조, 농축조, 폭기조, 2차 침전조, 저류조, 탈수기등)의 슬러지농도를 실시간 계측할 수 있도록 부단수식의 센서 탈부착 및 휴대용 교정 장치를 통해 세정 및 교정 작업과 유지관리가 편리하도록 하였다.
좌·우 대칭으로 초음파센서를 삽입할 수 있도록 하우징을 설치하였으며 가장자리 초음파센서 송신판은 고정되어 있고 휴대용 교정 장치 내부에 초음파센서 수신판 슬롯이 배관구경별로 설치되어 구경 변경이 가능하도록 하였다.
초음파 송·수신 센서는 채널1, 채널2, 채널3, 채널4의 4SET의 다중빔을 장착할 수 있도록 설계 제작하였다.

성능/효과

또한 Pilot Plant 실험을 통하여 측정데이터에 대한 최소 편차 선형평균 필터링을 적용하여 개발한 농도계가 기존 농도계보다 정도 향상과 데이터의 안정성 측면에서 우수함을 검증하였다.
부단수 방식의 초음파 다중빔 슬러지 농도계 설계 및 개발로 기존 농도계의 가장 큰 문제점인 세정 및 교정작업, 유지관리 등이 현실적으로 불가능한 것을 신속하면서도 간편하게 운영할 수 있도록 하였다.
실험결과 그림16과 그림17 에서와 같이 카올린표준용액 1.8%에 대하여 전체평균은 –0.72%, 선형평균은 –0.39%, 카올린표준용액 3.69%에 대하여 전체평균은 –0.68%, 선형평균은 0.17%의 오차를 보여 전체적으로 싱글빔 보다는 다중빔이 다중빔 중에서도 전체 평균보다는 선형평균처리를 할 경우 훨씬 오차 정도가 우수하고 안정성도 향상되었음이 확인되었다.
실험결과 카올린 표준용액 1.45%에 대하여 그림14에서와 같이 싱글빔 초음파농도계는 0.86%, 다중빔의 경우 0.7%의 오차를 보였다.

후속연구

이를 바탕으로 정수장, 하수처리장, 폐수처리장등 슬러지 처리 공정의 운영 효율화 및 자동화에 기여하고 운영 원가절감은 물론 배출 슬러지 감소 등 환경보존까지 효과를 기대하는 슬러지 자동 배출시스템 구축에 필요한 농도계로 활용될 수 있으며 국내 농도계 수입 의존도를 탈피하여 수입대체와 국내 관련 산업의 활성화도 기대가 된다.
향후 실제 플랜트에 적용하여 현장에서의 적용성과 실제 측정데이터에 대한 다양한 알고리즘 적용 연구 개발도 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배출된 슬러지는 무엇의 요인이 되는가?	배출된 슬러지는 매립, 해양투기, 소각 등의 방식으로 처리되어 환경오염의 요인이 되고 있으며 국제적으로 슬러지 해양투기방지법이 규정됨에 따라 배출슬러지에 대한 절감방안이 시급한 실정이다[8].
	초음파는 어디에 활용되는가?	초음파란 일반적으로 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 (20 ~ 20,000Hz) 이상의 음파를 말하며, 전파 속도가 물질의 특성에 따라 다르고, 전파 중에 이물질이나 매질의 경계면을 만나면 반사되는 특징을 가지고 있어 각종 계측 센서나 비파괴검사, 의료 영상 진단 등에 활용된다[9,10].
	가격이 저렴한 초음파 농도계의 문제점은?	고농도의 슬러지 인발 및 탈수과정의 적정한 약품투입, 탈수기 연동운전 등을 통한 운영 원가절감은 물론 배출슬러지의 감소 등 환경보존에 이바지 할 수 있는 효율적인 슬러지 자동배출시스템 구축에 농도값은 자동화 공정의 중요한 인자로 활용되어 진다. 그러나 기존의 농도계는 지속적인 유지관리와 정도관리가 필요한 구조로 되어있어 시간이 지날수록 정도가 떨어져 결국 공정제어용이 아닌 감시용으로 활용되고 있는 실정으로 슬러지 자동 배출시스템에 적합한 초음파 농도계 개발이 필요하다[4,5].

참고문헌 (12)

Dr. Kawamura, "Integrated Design and Operation of Water Treatment Facilities", 2nd edition, 2000.
K. panter, "Comparison of Centrifuge and Belt Press for Compressible Digested After Thermal Hydrolysis", WEFTEC2009, pp. 6220-6229, 2009.
Seiji Yamaguchi,"New type of sludge density meter using microwaves for application in sewage treatment plants", Water Science and Technology, Vol33, issue1,pp. 53-60, 1996.

상세보기
Korea water and wastewater works association, "Standard for drinking water facility", 2010.
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K-water, "Guideline for operation automation of residual treatment plant", 2012.
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Neeraj Kumar Garg, University of Strathclyde, Multicriteria Assessment of Alternative Sludge Disposal Methods", 2010.
D.H. Lee, S.C. Yang, J.Y. Chun, "Trend of research and development for sludge density meter", Journal of Korea society for fluid machinery, vol 9, Issue 3, pp. 58-63, 2006.

원문보기 상세보기
S.Y Yoon, C.M Ahn, C.K. Kim, "Sludge reduction in the activated sludge process by electric field and ultrasound sludge solubilization", Journal of korea society on water environment, vol 29, issue 3, pp.329-337, 2013.
Fifth series of industrial analysis, "ultrasonic density meter, microwave density meter, petroleum sulfur meter", Monthly automation technology, 2000.
J.S. Choi, H.B. Kim, "Cost calculation of waste water treatment construction and maintenance", Journal of korea society of environmental engineers, vol 25, issue 1, pp. 33-37, 2003.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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