오니탈수처리SYSTEM에 의한 고분자 응집제 자동주입제어

오니탈수처리SYSTEM에 의한

고분자 응집제 자동주입제어

- Koei사의 계장화 제안 -

Ⅰ. 개 요

오니 Cake 함수율을 가능한 만큼의 적은 Level로 안정시키는 것---, 이것이 탈수기에 의한 오니 처리를 함에 있어 최종의 목표로서, 이것을 폐사가 처음으로 개발하여 「최적 상태」로 설비가 가동된다고 할수 있습니다. 관, 민포함 전국 30만 개소에서 오니처리 시설을 갖추고 여러 가지 고안에 의한 설비가 가동중입 니다만, 설비의 대부분이 본래의 의미인 「최적상태」에 한걸음더 진보되어 있지 않은 생태라고 폐사는 생각합니다.
탈수기에서 오니의 수분을 분리하기 위해서는, 응집제를 첨가 오니원액중의 고형분을 응집시켜 탈수기의 성능에 맞추어 粒徑·강도의 Flock을 형성시키지 않으면 안됩니다.
탈수기에 이상이 없는한.....
최적의 입경·강도의 Flock 형성 = 최적의 탈수기 운전효율
    = 최저의 오니 Cake 함수율
    = 최저의 오니처리 Cost
    = 「최적상태」
상기의 등식이 성립됩니다.

그렇지만, 실제의 처리현장에서 「최적상태」가 상시 실현되는 것은 극히 희박하며, 그 이유는 아래의 2가지 이유로 집약됩니다.
    ① 응집제의 선정 Miss
    ② 응집제의 첨가량이 과잉 또는 과소

이것들의 문제점이 아직 해소되지 않는 이유는
    ① 응집제의 실제의 효능이 적절한지가 파악되지 않음.
    ② 오니의 농도 변경, 상태 변화에 대하여 응집제 첨가 비율이 적절하게 실행되지 않음.

이러한 대단히 중요한 문제가 종래의 기술에서는 해결되지 않았습니다. 그래서 이것을 처리하기 위해, 많은 현장 담당자가 개개인의 경험으로 기계를 조작하기 때문에 「최적상태」를 판단하기가 불가능하여, 마치 장님이 운전하는 상태와 같아, 오니처리하는데 많은 비용이 투입되는 것으로 생각됩니다.
폐사에서는 이러한 상황을 타개하고, 오니처리의 경제적 Cost를 최적의 Level을 항상 유지하기 위하여 System의 개발에 몰두하고 있습니다.

그 성과가 아래에 소개하는 라보 Type의 응집도 측정장치 「FLOCCKY TESTER」와 연속오니 응집도 측정장치 「FLOCCKY CONTROL」를 중심으로 한 응집제 자동제어 SYSTEM입니다.
이런 세계 최초의 장치들이 기존 설비에 설치하는 것에 의하여 탈수기 입구에서의 응집제 투입관 리가 무인화 되어 오수 탈수 처리 Process가 새로운 차원에 도달된 것으로 확인되었습니다.
목전의 경제적 Cost 절감 뿐만 아니라 장래의 세대를 위해 쾨적한 자연환경을 보존하는 과제에 대해서도 오니처리 Plant의 계장화는 중요한 의의를 가지는 것으로 믿고 있습니다.

Ⅱ. 개발의 배경

Ⅱ-1 오니 탈수 처리 효율향상을 목적으로 한 계량화에 Point.

탈수 후의 오니원료의 함수율을 안정시켜, 경제적인 처리를 하기 위하여 탈수기 입구의 오니 Flock 응집도를 최적으로 유지하는 것이 불가결합니다.

그림. 일반적인 하수처리시설의 FLOW SHEET

탈수후의 오니 원료는 통상 공장 내의 보일러로 건조시킨후, 자연식 보일러등을 보유한 산업폐기물 처리업자에 의해 외주처리 되고 있습니다.
오니 원료의 함수율(될수있는한 적은 Level)을 안정시켜 , 건조.소각의 연료비 Cost, 또는 폐기물 처리 Cost(중량으로 결정)를 감소시키는 것이 가능하여 추가비용을 발생이 없어 오니처리비용 부담이 경감된다.
오니를 적절히 응집시키기 위해서는,
① 사전에 오니에 맞는 최적의 응집제를 선정함.
② 실제의 Process에 의해, 때때로 변화하는 오니 농도에 대해 응집제 투입비율을 적정하게 함.
상기 ①∼②는 중요한 Point가 된다. 그러나 종래의 방법.설비에서는 상기 Point를 만족시키는 것이 불가능하며, 오니처리를 비효율적, 비경제적인 처리를 하기 때문에 개선의 여지를 객관적으로 파악할수 있는 기술적인 자료가 없는것이 현실 입니다.
이와 같은 현상을 재확인하는 의미에서 폐사에서 제안하기전, 종래의 방법과 설비상의 문제점을 아래에 제시하오니 참고하여 주시기 바랍니다.

Ⅱ-2 종래의 약품선정 및 약품투입량 선정 기술에 대한 문제점.

오니와 응집제의 메칭에 관한 종래의 방법은 쟐테스트법등의 수동분석에 의해 실행 됩니다. 이 방법에 대한 문제점은 아래와 같습니다.
    ●측정종목이 많고 자동이 아니며, 시간이 많이 걸립니다.
    ●측정자의 숙련도와 주관적인 판단에 따라 개인차가 심합니다.
       → 다른 측정자와 측정시기가 다른 측정결과를 객관적으로 비교하는 것이 곤란함.
    ●정량적이 아님.
       → 측정자에 의한 차이가 .×.△식 또는 임의의 점수법으로 사용하는 것이 대부분임.
현재 이 방법이 대부분 응집제 제조 Maker에 의해 채용되고 있습니다만, 약품선정시 입찰등에 의해 결정되어 복수의 응집제 Maker에서 정보를 입수하는 현장관리자에게는 어떤 Maker, 어떤 제품이 최적의 약품인지를 판단하기 어려운 상황입니다.
응집제를 한번 선정하자면 선정 할때의 시간, 변경후에 조정하는데에 시간이 필요하므로 통상적으로 최소 반년에서 1년간은 변경작업과, 종전의 방법을 그대로 사용하는 것이 일반적인 형태로, 최적상태를 결정하는데는 시행착오의 Prosess가 장시간 걸리는 Case가 많습니다.
따라서 응집제 선정.첨가량 판정 Test는 Enduser에 따라서는 전문지식이 필요하고, Test에 대한 노무 Cost가 높은 이유로 실행하기가 어려워, 오로지 응집제 Maker의 자료에 의지하고 있습니다.
응집제 Maker측에서도 오니 Test에 소요되는 시간이 전문연구원이 하여도 건당 2일 이상 소요 되고, Test를 원하는 고객의 수도 많으므로 Test시간을 가능한 한 단축시켜 사내 Cost를 절감 시키려 할 것입니다.

Ⅱ-3 종래의 응집제 투입량 관리기술에 대한 문제점

문제점의 상세한 내용은 다음의 설명을 참고하시기 바라며, 총괄적인 내용은 하기의 상황이 발생합니다.

[ 문제 의 근본 ]

*오니농도 *응집도를 측정 *제어하는 계장기술이 도입되지 않음.
*응집제선정 *투입량기준을 약품 Maker등 외부에 의존하지 않으면 안됨

↓

「경험에 의한 직감」을 내세워 운전 습관을 고치려 하지 않는다.

↓

전형적인 과소 투입은 피하고 응집제의 과잉 투입이 일반적인 현상임.

↓

[ 결 과 ]

오니 처리 Cost가 상승, 최악의 상황에서는 폐수의 수질악화를 초래.

실제의 처리 Plant에 대한 제어상의 과제로서 하기의 기술적 Point가 해결되지 않았기 때문에 오니 탈수처리의 효율향상에 지장을 주고 있습니다.

*오니농도계는 여러 가지 형식이 존재하지만, 서로 일장,일단이 있고, 성능.내구성.메인트란스성의 측면에서 보면 만족할 만한 것이 없슴 (첨부자료 참조)
*오니의 응집상태를 측정하는 Sensor는 존재하지 않아 응집제의 투입결과를 자동계측하여 기록하는 것이 불가능함.

이러한 기술적인 애로가 있으므로 현재 대부분의 Plant에서 관리자가 응집제 Maker의 권장 투입량을 투입하고 있으며, 그 응집결과의 측정은 손의 촉감으로측정하거나, 눈으로 Flock 형성상태를 측정하고, 응고상태가 분해된후 수질상태를 관찰하며 약품투입량과 탈수기의 운전상태를 적당히 조정하고 있어 경험에 의한 직감에 의존하여 제어하고 있는 실정입니다.
실제로 저희가 알고있는 현장관리자들이 응집제의 과잉주입을 하고있는 실태를 인정하고 있습니다.
오니는 공장에서 제품 생산시 생기는 폐기물이지만 공장에서의 생산 품목.구성물.Volume이 매일 다르기 때문에 폐수처리장에 모이는 오니의 상태.농도등은 수시로 다르게 변화하고 있습니다.
이것에 반해 사용되는 약품의 종류는 2∼3종류 정도이며, 조정과정은 현장 담당자의 능력에 좌우하기 때문에 24시간 조업을 하는 공장에서는 능력있는 현장담당자가 부재시에는 필히 최저 Level의 Flock가 형성되어 약품 투입비율과 투입량을 경험치로 설정하고, 이설정치를 변화시키지 않으므로 이결과 통상 약 1%∼2% 정도 과다투입하고 있는 상태를 보이고 있습니다.

응집제 투입량이 과소 또는 과다투입에 대하여, 응집제 Maker의 식견과 실제의 처리현장에서의 정보를 얻어 당사에서 연구한 결과, 아래의 문제점이 판명되었습니다.
   ◎ 과소투입의 상태에 대하여 다음의 내용이 일반적으로 알려져 있습니다.
        Flock의 입자가 적다.
        Flock의 미형성 오니가 남아 固液 분리가 충분이 행해지지 않는다.
        Flock의 강도가 약해 탈수기상의 Flock가 파괴되어 탈수가 안 된다.
   ◎ 과다투입에 관해서는 Cost가 높아저 다른 일반적인 악영향이 적은 것으로 인식하는 현장 관리자가         많습니다만, 실제로는 아래의 문제점이 있습니다.
    * 과다투입 지역에는 상기 과소투입 지역에 비해 양호한 Flock가 형성되지 않음.
    *  탈수기 종류에 따라, 예를 들면 Belt Press형에 과다투입되는 경우에는 탈수기 내부의 Belt 부분에 흠집이         생겨 탈수기 자체의 성능 및 수명단축의 영향이 있다.
    * 용해되지 않은 응집제가 탈수후의 수분중에서 용해되어 유출, 다른 침전지에서 반응을 일으켜 악영향을        줍니다.

또한 응집제의 최적치가 하나만 존재하여 그보다 과소/과다의 투입을 하면, 탈수효율을 크게 늘려 오니 처리 Cost를 증대시키는 것 외에도 약품이 처리장 외부로 유출하여 환경오염을 일으키는원인이 됩니다.

최적의 응집상태를 계속 유지시키는 것을 현장담당자의 관리에만 의지하는 것은 대단히 곤란한 일로서 기계화.자동화하는 것이 꼭 필요하다고 생각합니다.

그러므로 종래에는 본 목적을 달성하기 위한 요소를 고정도로 측정이 가능한고, 신뢰성.내구성이 뛰어난 측정기가 존재하지 않았기 때문에 이러한 Process제어가 불가능 하였습니다.

Ⅲ 신.응집제 자동제어계장 SYSTEM의 제안

상기의 문제를 해결하기 위하여 아래의 3가지 목표로 신기술을 개발하였습니다.

첫째, 오니탈수처리에 필요불가결한 오니농도.응집도 측정장치를 완성 Press Line의 시행착오를 해소하기 위해 사전 Test를 객관적.정량적이고 간단한 방법으로 처리하게 하였습니다.
둘째, 측정기를 연속 Press에 적응시켜 ON Line Data와 사전시험 Data를 비교, 정확한 정보를 현장관리자에게 전달합니다.
셋째, 연속 Press용 오니응집도 측정장치를 각종 제어기기와 합쳐 응집제 자동제어 계장 System을 구축 탈수기 입구로 응집제 투입관리를 무인화 합니다.

상기의 성과로 다음의 제품을 개발하였습니다.

A. 라보용 오니 응집도 측정장치 「FLOCCKY TESTER」
B. Press Line용 연속오니 응집도 측정장치 「FLOCCKY CONTROL」
C. 응집제 자동제어 SYSTEM 「FLOCCKY CONTROL SYSTEM」

상세한 설명은 카다로그등의 자료를 참조하시기 바라며 아래에는 개략적인 설명만 하였습니다.

A. 라보용 오니응집도 측정장치 「FLOCCKY TESTER」

정량 200cc의 오니 Sample을 이용, 오니의 농도, Flock 강도를 한대로 자동측정하는 장치입니다. 측정원리는 폐사의 연구결과에 의해 오니의 농도, 응집도와 미립자의 점성 저항과의 상관관계를 연구, 이결과를 토대로 특수형상의 회전날개로 자동 점성저항 측정방식의 검출기를 개발하였습니다.
본 장치에 의해 오니에 맞는 최적의 응집제 선정 및 최적의 약품투입량의 판정이 한결 간소화 되었습니다.
측정정도 및 측정의 객관성.정량성에서 종래에 없는 정확한 응집상태의 분석 Data를 제시하는 것이 가능합니다.

[ 특 징 ]
조작이 간단하며 Portable Size로 현장측정이 가능합니다.
객관성이 있는 정밀한 측정이 단시간내에 가능합니다. (1회 측정시간이 5분 정도)
측정결과는 Digital 수치 및 측정파 형태로 제어판에 나타나며, 기록계와 Computer에 출력, 보존이 가능합니다.

그림 1. 원오니 고형분농도·검출기 출력의 관계

오니농도가 상승(하강)하면 특수검출날개의 점성저항은 증대(감소)합니다.
본 Sensor에서는 오니농도 0.5% 이상에서 실용상 충분한 농도편차를 얻는 것이 가능 합니다

그림 2. 응집제 첨가량 변화에 의한 검출기 출력, 탈수CAKE 함수율의 변화

응집제 첨가율을 변화시킨 경우의 (기타 조건은 동일) 검출기 출력치와 탈수 CAKE 함수율과의 사이에서는 상관관계가 성립 최적점이 1점 존재합니다.
상기 그림에서 Q는 CAKE 함수율이 최소한의 최적 첨가량을 표시 검출기 출력은 최대가 됩니다.

B. Process Line용 연속오니응집도 측정장치 「FLOCCKY CONTROLLER」

상기 라보 Type의 FLOCCKY TESTER를 ON Lineg화 한 장치입니다.
On Line화에 의해 별도개발한 Sampling장치를 채용했습니다.

[ 특 징 ]
FLOCCKY TESTER에 의한 라보 Test의 실험결과와 On Line의 측정결과를 직접 비교 가능함.
배관, Tank등에 직접 부착이 가능하여 설치상에 제약이 없음.
Line의 압력, 유속등에 관계없이 측정이 가능한 구조임.
측정에 사용한 오니 Sample은 전부 Line내로 Return하여 외부로 배출하지 않음.
매 측정시 마다 Sensor 부위를 깨끗한 물로 세척하며, 세척한 물은 Line내로 침투하지 않음.

본 장치는 부착 장소에 따라 아래의 두가지 역할을 합니다.
- 응집제 첨가전단 부착 → 오니의 오염농도를 측정합니다.
- 응집제 첨가후단 부착 → 오니의 응집도를 측정합니다.

동작순서는 아래와 같습니다.

-배관 LIne에 직접 부착하여 Line내로부터 정량 200cc의 시료를 장치 내부로부터 정확히 흡입, Tester에 설치된 측정관에 보냅니다.
이 상태에서 Line과 완전히 분리되어 Line 내부의 압력변동, 유속변동의 영향을 받지 않고 측정 가능한 상태가 되어 라보 Tester와 동일한 조건을 얻을수 있습니다.
Tester의 검출날개 부분에 오니가 접촉하면 날개가 일정한 속도로 회전하며 측정을 시작합니다.
측정 완료후의 오니는 전부 Line내로 Return하며, Tester 접액부 및 측정관을 깨끗한 물로 세척합니다.
상기 동작을 3∼5분간 1회 Cycle로 작동합니다.

C. 응집제 자동제어 system 「FLOCCKY CONTROL SYSTEM」

상기 Floccky Controller는 계장 System으로 오니에 대해 응집제의 자동첨가.제어가 가능하여 오니의 최적 응집상태의 관리를 무인화가 실현되었습니다.
기기의 구성의 예는 다음과 같습니다.
① 오니 농도측정 Floccky Controller
② 오니 응집도 측정 Floccky Controller.
③ 응집제 비례투입 Control Valve
④ 제어장치 -+
+--- 전용 Control Soft Wear
⑤ 기록장치 -+
① ∼ ⑤ 를 아래와 같이 배치합니다.

그림 : Floccky Control System Flowsheet

작동 Flow의 예는 아래와 같습니다.
1. 응집침전조 출구에서 오니의 자동 Sampling에 의해 오니의 농도측정을 합니다.
2. 오니 농도 변동에 대하여 최적의 응집도를 추구하기 위해 필요한 양의 응집제 투입량을 예측 응집제 Control Valve에 약품투입을 비례 제어합니다.
- 오니 농도가 상승 → Valve 입구가 늘어나며 약품투입량이 증가합니다
- 오니 농도가 하강 → Valve 입구가 줄어들며 약품투입량은 감소합니다.
3. 오니와 약품이 혼합층에서 반응 Flock가 형성됩니다.
4. 혼합조에서 나와 탈수기로 향하는 도중에 오니 Flock를 자동 Sampling하여 오니 응집도 측정을 합니다.
5. 오니 응집도 측정 결과에 의해 약품 투입량을 확인, 필요한 양보다 많고 적음을 Valve Control에 신호를 보내 최적의 투입상태로 변경 지시합니다.
※ 만일, 오니 농도 및 오니 응집도의 측정결과 정상치를 크게 넘어 제어범위를 벗어나는 경우 Alarm이 울려 제어 Paramater를 변환시키도록 합니다.오니 탈수처리 계장화에 의한 운전정보의 공유화와 MERIT.

이상과 같이 제안하는 계장기기.System은 오니 탈수 관리상 필요 불가결한 농도.응집도의 주요 제어 Parameter를 객관적으로 파악하는 것이 가능, 이것을 Press 외부에서 실험하여 정확한 분석 및 그 결과를 곧바로 제어장치에 반영 시키므로서 응집제 투입의 제어에 무인화가 가능하게 되었습니다.

하수 처 리 CENTER

ON LINE측정.제어SYSTEM

최적운전상태의운전을 무인화
FLOCCKY CONTROLLER
각종 계장 기기류

←――――――――→

측정 DATA로 직접 비교
제어 PARAMATER의 관리

라보 TEST

집제선정.투입량판정율
Doule Check
FOCCKY TESTER

↑

↑

↑

Data의 공통화 . 정량화에 의한 Data 교환.비교검토 → 정확 . 신속으로 객관적인 종합판단

↑

↑

↑

응집제 MAKER

현지 TEST

처리현장에서 바로
응집제종류 투입량의
DATA의 처리

↕

DATA의 교환
DATA의 비교

연구소 시험부서

최적응집제의 선정
최적투입량의 판정

↕

DATA의 교환
DATA의 판정

연구 개발부서

응집제의 신규개발
응집제의 改良
* FLOCCKY TESTER

PLANT MAKER

PLANT MAKER

처리현장에서 가동상태
운전효율의 DATA처리
FOLCCKY TESTER

↕

DATA의 교환
DATA의 비교

연구소 개발부서

PLANT 기기의 개발
PLANT 기기의 改良

MODEL PLANT에 의해
동작 SIMULATION 설치
* FLOCCKY TESTER
* FLOCCKY CONTROL

외부단체

대학.공업시험장 등

응집제의 신규개발
응집제의 改良
PLANT기기 개발
PLANT기기 改良

MODEL PLANT에 의한
SIMULATION
* FLOCCKY CONTROL
* FLOCCKY TESTER

Ⅳ. 기대되는 경제적 효과

어느 석유화학 PLANT로 제시받은 DATA를 기준으로 폐사의 응집제 자동제어 SYSTEM이 도입된 경우에 경제적 효과를 계산하여 아래에 제시하였습니다.

기초 DATA

* 오니 탈수기 SCREW PRESS × 2 대
* 오니 처리량 1대당 21.6Ton/일 (함수율 80% 시)
* 응집제 투입량 1대당
CATION 250kg × 220円/kg = 55,000 円/일
ANION 300kg × 60円/kg = 18,000 円/일
* 순찰 . 조정노무 COST 3,500円/시간
* 조업시간 300일/년

효과 계산의 판정

* 응집제 투입량 SYSTEM 도입후 10% 감소
* 순찰 . 조정시간
SYSTEM 도입전 - 1시간에 1회(10분간) 순찰 . 조정 = 4시간/일
SYSTEM 도입후 - 8시간에 1회)10분간) 순찰 = 0.5시간/일

SYSTEM 도입으로 인한 효과

* 응집제 절약으로 인한 효과
( 73,000円/일 × 2 대 × 300일/년) × 0.1 = 4,380,000円/년

* 순찰.조정시간의 단축으로 인한 효과
        (4시간/일 - 0.5시간/일) × 3,500円/시간 × 300일/년 = 3,675,000円/년
        -----------------------------------------------------------
           SYSTEM 도입으로 인한 경제적 효과 합 계 8,055.000円/年
                             ( 1 대 당 4,027,500円/年 )

※ 상기 계산에서 오니스러지의 건조 . 소각의 처리비용은 자료 미제시로 계산에 포함하지 않았습니다.

Ⅴ. 총 괄

폐사가 신규 개발한 오니 응집도 측정장치 「FLOCCKY Tester」와 「FLOCCKY Controller」 및 각종 제어 기록장치와의 결합에 의한 응집제 자동제어 Ystem을 도입 오니탈수처리의 계장화를 추진하는 것에 의해 아래의 효과가 실현되었습니다.

1. 경제적인 오니탈수 처리의 실현

* 최적의 약품을 선정, 투입량의 판정을 정확하게 실행하여 오니와 응집제의 Miss Match가 발생하지 않음
   - 실 Process에 의해 Running Test를 하여 Best Mach를 위한 시행착오를 방지, 이 시간 동안 처리효율의
      약화로 인한 처리 Cost의 증가를 방지한다.
* 탈수기 입구에서의 응집제 투입관리가, 무인화로 가능하다.
   - 응집제의 과잉투입을 방지
   - 오니농도에 대한 응집제투입비율의 자동 Control이 정확히 실행되어 종래와 같이 순찰. 조정의 시간이 불필요하다.
   - 성분변화등의 이상사태를 조기에 발견하여 적절한 조치를 하므로서 처리효율의 안정화를 유지할수 있습니다.
   - 응집제 투입비율의 부적합에서 발생하는 탈수기의 운전효율을 악화시키고, 탈수기의 수명을 단축시키는 것을        방지합니다.
* 탈수후의 오니 Cake의 함수율이 적은 Level로 유지되어 오니의 건조.소각등의 처리비용을 최저의 비용으로    처리할수 있습니다.

2. 주위환경을 배려한 오니 탈수처리의 실현.

* 필요이상의 응집제투입을 하지 않고, 안정된 최적처리가 가능
- 과잉첨가에 의한 응집제의 처리장 외부로의 유출을 방지하여 수질환경의 악영향을 미연에 방지합니다.

3. 현장의 처리설비의 능력을 100% 발휘가 가능.

- 설비에 맞는 최적 응집도를 용이하게 발견 할수 있습니다.
- 그 최적점에 의한 자동제어를 실행할수 있습니다.
- 설비의 변경없이 기기를 설치할수 있습니다.
- 처리장 뿐만 아니라 응집제 Maker, Plnat 기계 Maker등도 동일의 측정방법을 채용하는 것에 의해
탈수기의 운전상태에 대한 정확한 정보교환, Data의 비교를 할수 있어 각각의 지식을 활용하는 것
이 가능합니다.

지금까지 제안된 장치들과 System은 종래의 장치에서는 불가능한 측정 및 제어를 가능하게 하는, 획기적인 발명품이라고 자부합니다.