KR100708393B1 - 이미지 분석 기법을 이용한 자동 슬러지 침전능 계측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 분석 기법을 이용하여 하폐수처리장의 활성슬러지 침전능 계측 및 슬러지 상태 진단장치 및 방법에 관한 것으로, 활성 슬러지를 메스실린더형 칼럼(41)으로 폭기조(R)로부터 슬러지 공급장치(46)를 통하여 일정량 유입시키고, 일정 시간 동안 정체되며 침전되는 전 과정을 카메라(42)를 이용하여 일정한 시간 간격으로 슬러지층의 높이를 촬영하여, 그 이미지를 카메라와 연결된 컴퓨터(45)로 전송하여 분석함으로써 슬러지의 침전상태를 실시간으로 확인가능하며, 데이터베이스에 입력된 활성슬러지의 농도값과 함께 본 장치에서 측정된 슬러지의 침전 높이를 통하여 슬러지 침전성 지표인 SVI(Sludge Volume Index) 값을 구할 수 있다. 또한 이렇게 구한 SVI 값의 변동 형태에 따른 침전능을 예측하고, 또한 침전 중 상등수의 이미지를 분석하여 슬러지의 상태를 진단할 수 있는 슬러지 침전능 계측 및 슬러지 상태 진단장치 및 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 하폐수 처리장의 생물반응조 등에서 활성 슬러지가 유입된 측정용 메스실린더를 카메라로 촬영하여 슬러지 블랭킷 높이와 상등수 탁도를 측정하고, 상기 이미지분석으로 얻어진 슬러지 블랭킷 높이와 데이터베이스의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도를 이용하여 SVI를 측정하며, 또한 상기 이미지분석으로 얻어진 상등수 탁도를 분석하여 유출수 부유물질(Suspended Solid, SS) 농도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

슬러지 침전장치, SVI, 이미지 분석, 슬러지 침전능, 하폐수처리장

Description

이미지 분석 기법을 이용한 자동 슬러지 침전능 계측장치{On-line sludge volume index meter using image analysis}

도 1은 종래 기술에 따른 슬러지 침전 특성 측정장치를 나타내는 사시도.

도 2는 종래 기술에 따른 광학현미경과 CCD카메라를 이용한 활성 슬러지의 면적, 휘도, 분포등을 정량적으로 측정하는 장치를 나타내는 사시도.

도 3은 종래 기술에 따른 활성 슬러지 계면 계측장치를 나타내는 사시도.

도 4는 본 발명의 이미지 분석 기법을 이용한 슬러지 침전능 측정장치의 시스템 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 촬영된 이미지를 획득하고 분석하는 이미지 분석 소프트웨어 프로그램 모식도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

41 : 원통형 메스실린더형 칼럼 42 : 이미지 촬영용 카메라

43 : 조명확보용 광원부 43A : 고위도 LED 전구판

44 : 외부의 자연 조명 차단 벽 45 : 컴퓨터

46 : 슬러지 공급장치 46A : 슬러지 유입펌프

46B : 유입 배관 46C : 유입 밸브

47 : 슬러지 유출장치 47A : 슬러지 유출펌프

47B : 유출 배관 47C : 유출 밸브

48 : 세척 장치 48A : 세척수 주입펌프

48B : 세척수 배관 49 : 월류수 유출부

R : 폭기조 D : 드레인 조

본 발명은 자동 슬러지 침전능 계측 및 슬러지 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성 슬러지를 메스실린더형 칼럼으로 유입시키고, 일정 시간 동안 침전되는 과정을 카메라를 이용하여 이미지 촬영함으로써 슬러지 침전성 지표인 SVI(Sludge Volume Index) 값의 변동 패턴에 따라 침전능을 예측하고, 또한 침전 중 상등수의 이미지를 분석하여 슬러지의 상태를 진단할 수 있는 슬러지 침전능 계측 및 슬러지 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 미생물의 성장에 의해 폐수 내의 오염물질을 제거하는 생물학적 폐수처리 공정에서, 생성된 미생물 세포와 오염물질이 제거된 폐수를 분리하는 2차 침전조의 슬러지 침전 공정은 하폐수 처리 운전의 가장 중요한 공정중의 하나이다.따라서 현재 하폐수 처리장의 95%이상이 생물학적 처리공정으로 운전되고 있는 실정이므로, 2차침전조의 슬러지 침전 공정에서 활성 슬러지의 침전능 특성 및 슬러 지 상태를 측정하기 위한 장치가 꼭 필요하다.

슬러지 부피지수(SVI ; Sludge Volume Index)는 활성 슬러지의 침전성 지표로서, 하수처리장 관리에 있어서 대표적인 정량적 정보를 제공하며, 운전자가 활성슬러지의 상태를 판단하는 중요한 근거이며, 슬러지 침전능 특성을 위해 가장 많이 사용되는 인자이다. 슬러지 부피지수(SVI)는 하폐수처리 공정의 일일운전에 있어서 침전 특성의 개략적인 측정이다. 이것은 실린더 내에서 30분 침전 후 슬러지 1g이 차지하는 부피로 정의될 수 있고, 30분의 표준 시간 후 농축 공정이 얼마나 진행되었는지를 나타낸다. 측정법의 간결함과 쉬운 방법으로 인하여, SVI는 광범위하게 사용되어지며, 슬러지 침전 특성의 정량적인 측정을 위해 사용되어지고 있다.

SVI(mL/g) = SV ₃₀ /X

여기서, X = 슬러지 농도(g MLSS/L)

SV₃₀ = 30분 침전 후 슬러지 1L가 차지하는 부피(mL/L)

도1은 대한민국 실용신안등록 제 20-0395649호에 개시되어 있는 슬러지 침전 특성 측정장치를 나타내는 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 일정한 주기로 정지 및 회전 가능한 원판상의 테이블(11)과 테이블의 상면의 테두리부에 원호상으로 직립 배열된 다수의 실린더(12)에 폭기조에서 샘플을 순차적으로 공급한다. 테이블의 일측 외부에 구비되어 있는 고정된 광센서를 통하여 어느 한 실린더를 따라 상하 왕복 이동하며 활성슬러지의 양을 스캐닝하여 SVI를 측정하는 장치이다. 이는 다수의 실린더가 결합된 테이블이 일정한 속도로 특정 각도만큼 회전한 후 정지하며, 테이블이 정지된 상태에서 샘플링 슬러지 처리수가 어느 한 실린더로 공급되는 동시에 다른 한 실린더에서 SV₃₀이 측정된 후 다시 회전 및 정지하는 반복적인 동작이 이루어지는 기술적인 특징을 갖고 있다. 하지만 슬러지 침전되는 과정을 연속적으로 측정하는 것이 아니라 침전된 후의 슬러지 층의 높이를 광센서를 통하여 측정한 후 이를 연산하여 SV₃₀ 값만을 나타내어 주는 장치로 단순한 슬러지 침전특성 측정장치에 불과한 경우이다.

도 2는 일본공개특허 평6-114391에 개시되어 있는 광학현미경(4a)과 CCD카메라(20)를 이용한 활성 오니의 면적, 휘도, 분포 등을 정량적으로 측정하는 장치를 나타내는 개략도이다. CCD 카메라(20)를 포함하는 화상 처리 장치(21)를 이용하여 폭기조내의 미생물을 측정하고, 측정한 데이터에 따른 운용 방안을 데이터베이스에서 검색하여 폭기조의 상태를 알아내는 측정장치이다. 이는 사용자가 폭기조의 샘플을 채취하여 현미경 관찰을 한 후 단순히 슬러지의 종류와 상태만을 살펴보는 장치로서 슬러지 상태의 연속적인 측정이 불가능하고, 온라인으로 측정하지 못하는 단점이 있으며, 슬러지 침전능을 측정하거나 슬러지 계면을 직접 측정하는 장치는 아니다.

또한 도 3은 일본공개특허 평9-145693에 개시되어 있는 활성 슬러지 계면 계측장치를 나타내는 개략도이다. 하수처리장에 있어서 2차 침전지(31) 수중에 침지 되어 상하 주사를 행하는 초음파 발신기 및 초음파 수신기로 구성된 슬러지 계면계(32)에 의하여 감지된 초음파 신호를 전기 신호에 변환하는 슬러지 계면계 변환기(33)로부터 출력된 전기 신호와 미리 설정된 설정치를 비교(34)하고, 그 비교 결과에 의하여 2차 침전지 내의 계면의 깊이를 판정하는 측정장치이다．이 장치는 2차 침전지 내에 침지되어 있어 주변의 환경 요인에 의해 값의 변화가 심해 신뢰성이 떨어지며, 전기전도도, 밀도, 투명도에 영향을 많이 받는 문제점이 있다.

이러한 종래 기술에서 공지된 슬러지 침전능 계측 장치들은 슬러지의 침전되는 과정을 직접적으로 모니터링 하는 것이 아니다. 또한 슬러지 계면 측정 방식을 초음파 신호에 의해 측정함으로써 주변의 환경 요인에 의해 값의 변화가 심해 신뢰성이 떨어지며, 전기전도도, 밀도, 투명도에 영향을 많이 받는 문제점이 있다. 그리고 이런 자료들을 이용하여 운전자가 데이터에 대한 검증이나 확인이 불가능하여 측정장치로서의 사용을 꺼리고 있는 실정이다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 활성슬러지의 침전능을 측정하기 위해 이미지 분석 기법을 이용하여 침전과정을 실시간으로 시각화가 가능하고, 슬러지 층의 평가나 검증이 가능할 수 있게 하기 위해 고안된 것이다.

활성 슬러지 침전 공정에서 대부분 운전자에 의해 측정, 기록되는 슬러지 색깔, 상등수 탁도, 슬러지 플럭 크기 및 침전속도(이 외 냄새, 거품의 성상 등)에 대한 정량, 정성적인 정보들을 이미지 분석 기법을 이용하여 온라인으로 자동 측정 및 진단함에 있어서, 측정용 메스실린더를 카메라로 촬영하여 획득한 이미지로부터 슬러지 블랭킷 높이를 측정하여 데이터베이스의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도를 이용하여 SVI를 산출하며, 또한 상등수의 탁도를 이미지로 분석하여 유출수 부유물질(Suspended Solid, SS) 농도를 계산함으로써 자동으로 슬러지 침전능을 계측하고 슬러지 상태를 진단하는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 분석 기법을 이용한 자동 슬러지 침전능 계측장치에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 도 4는 본 발명에 따른 이미지 분석 기법을 이용한 자동 슬러지 침전능 계측장치 시스템을 보여주는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슬러지 침전능 계측장치는 침전 실험을 수행하는 원통으로 구성된 슬러지 침전 반응기인 메스실린더(41)와; 슬러지의 침전상태를 촬영할 수 있는 카메라(42)와; 이미지 촬영을 위한 조명확보용 LED광원부(43)와; 이미지 분석 결과에 영향을 미칠 수 있는 빛의 산란과 그림자 등의 영향을 최소화하기 위한 외장 케이스(44)와; 촬영된 이미지를 획득하고 분석하는 이미지 분석 소프트웨어가 탑재된 연산장치인 컴퓨터(45)와; 측정하고자 하는 샘플을 주입하는 슬러지 공급장치(46)와; 측정이 완료된 샘플의 배출을 위한 슬러지 배출장치(47)와; 다음 샘플 측정을 위한 실린더(41)의 내부를 세척하기 위한 세척장치(48)와; 주입되는 잉여슬러지의 배출을 위한 월 류수 유출부(49)로 구성된다.

상기 침전 실험을 수행하는 원통으로 구성된 슬러지 침전 반응기인 메스실린더(41)는 도 4에서 보는 바와 같이 하부에 슬러지의 유입과 배출을 할 수 있는 유입부(41A)와 측정이 완료된 후 슬러지를 배출하고 다음 측정을 위해 실린더 내벽을 세척하기 위한 수도수 주입부(41B)와 수도수를 실린더의 벽면으로 공급하기 위한 분산장치(41C)와, 슬러지 주입시 잉여 슬러지의 자연적인 배출을 위한 드레인관(41D)으로 구성된다.

또한 이미지 촬영을 하는 내부공간은 외부의 자연 조명을 차단하기 위한 흰색 벽(44)을 전면에 걸쳐 설치하여 이미지 촬영의 정확성을 높이고자 하며, 촬영을 위한 조명 확보를 위해 고휘도 LED 광원부(43)을 실린더 상부에 설치한다.

따라서 슬러지의 침전상태를 측정하기 위해서 폭기조(R)로부터 슬러지 유입펌프(46A)를 이용하여 측정용 실린더(41) 안으로 슬러지를 일정량 펌핑하여 공급하며, 이때 유입수 자동밸브(46C)가 열리고, 슬러지 유출밸브(47C)가 닫힌다. 유입된 슬러지는 측정을 하기 위한 일정량을 제외하고는 드레인관(49)을 통하여 빠져나가게 되어 일정량만 남게 된다. 일정량의 슬러지가 주입된 후에는 유입펌프(46A)와 유입 밸브(46C)가 닫히게 되고, 이때부터 일정 시간 간격으로 슬러지가 침전되는 과정을 이미지 촬영용 카메라(42)를 통하여 촬영한다. 촬영된 이미지는 실시간으로 촬영된 이미지를 획득하고 분석하는 이미지 분석 소프트웨어가 탑재된 연산장치인 컴퓨터(45)로 전송되어진다. 전송되어진 이미지를 개개의 픽셀로 나누고, 나누어진 픽셀의 RGB(Red-Green-Blue)코드 값을 분석하는 기법을 이용하여 슬러지 계면의 높 이를 찾아내고, 이미 컴퓨터에 저장된 데이터베이스의 MLSS농도를 이용하여 SVI값을 알아낸다.

측정이 끝난후에는 슬러지 배출밸브(47C)가 열리고, 슬러지 배출펌프(47A)에 의하여 드레인 저장조(D)로 배출되어진다. 배출되고 있는 동안 세척수 펌프(45A)가 가동되면서 수도수가 실린더 내부로 유입되어 실린더 벽면을 따라 내려오도록 하여 벽면에 남아 있는 먼저 측정한 잔여 슬러지를 세척하여 다음 측정에 영향을 미치지 않도록 한다.

이 모든 과정은 미리 입력된 프로그램에 의해 자동으로 진행 시킬 수 있으며, 운전자가 그 과정을 직접 입력하여 측정할 수 있도록 구성한다. 이렇게 구성된 프로그램을 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 전송된 이미지를 바탕으로 슬러지 계면을 찾아내어 시각화 해주며, SVI값을 알아낼 수 있는 MMI(Man Mechine Interface) 프로그램은 침전되고 있는 과정을 촬영한 이미지를 모식화하여 보여준다. 또한 촬영된 이미지는 사용자의 요구에 따라 볼 수 있도록 측정 시간별로 별도로 보관하여 둔다.

이상 설명된 내용은 본 발명의 실시예에 의하여 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서에 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 구성된 본 발명에서는 폭기조 슬러지의 침전성 지표인 SV₃₀과 SVI값을 자동으로 측정할 수 있는 바, 측정된 값을 분석, 저장 및 온라인으로 전송할 수 있어 기존에 운전자에 의해 분석되었던 슬러지 침전성 지표인 SVI 측정을 본 장치를 통해 무인 자동화할 수 있는 장점이 있다. 그리고 슬러지 계면을 카메라로 직접 촬영하게 됨으로써 외부 환경 요인에 의해 분석값의 오차가 발생하지 않고, 측정이 완료된 후 측정값의 신뢰성을 확인을 위하여 촬영 후 저장된 이미지를 다시 볼 수 있는 장점이 있어 운전자들에게 분석된 값의 신뢰성을 높일 수 있는 장치이다.

슬러지 침전 실험을 통한 이미지 분석을 통해 침전조의 슬러지 블랭킷 높이를 추정 가능하여 활성 슬러지의 침전능 진단을 통해 슬러지 벌킹의 예측 및 슬러지 침전성 저하의 원인을 규명하여 대안을 제시할 수 있는 장치로서 안정적인 활성 슬러지 공정의 운전유지가 가능한 장치로 사용할 수 있다. 또한 상등수의 이미지 분석을 통한 유출수 부유물질(Suspended Solid, SS)의 농도 추정이 가능한 장점이 있다.

Claims (4)

1. 자동 슬러지 침전능 계측장치에 있어서,

   침전 실험을 수행하는 원통 형상의 실린더형 슬러지 침전 반응기(41);

   상기 원통 형상의 실린더형 슬러지 침전 반응기를 일정한 시간 간격으로 촬영하여 이미지를 획득하는 카메라(42);

   이미지 촬영을 위한 빛을 공급하는 광원부(43);

   이미지 분석 결과에 영향을 미칠 수 있는 빛의 산란과 그림자 등의 영향을 최소화 하기 위한 외장 케이스(44);

   상기 카메라로부터 획득된 이미지를 분석하는 프로그램 및 데이터베이스를 구비한 컴퓨터(45);

   측정하고자 하는 샘플을 주입하는 슬러지 공급장치(46);

   측정이 완료된 샘플의 배출을 위한 슬러지 배출장치(47); 및

   다음 샘플 측정을 위한 실린더(41)의 내부를 세척하기 위한 수도수를 주입하기 위한 세척수 공급장치(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 분석 기법을 이용한 슬러지 침전능 계측 장치.
2. 제1항에 있어서,

   원통 형상의 실린더형 슬러지 침전 반응기에는 슬러지의 유입과 배출을 할 수 있는 유출입부(41A)와 측정이 완료된 후 슬러지를 배출하고 다음 측정을 위해 실린더 내벽을 세척하기 위한 수도수 주입부(41B)와 수도수를 실린더의 벽면으로 공급하기 위한 분산장치(41C)와, 슬러지 주입시 잉여 슬러지의 자연적인 배출을 위한 드레인관(41D)으로 구성된 것을 특징으로 하는 이미지 분석 기법을 이용한 슬러지 침전능 계측 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 촬영된 이미지를 유무선 통신을 이용하여 실시간으로 원격지 컴퓨터(45)로 전송 가능하고, 사용자가 원격지에서 온라인으로 모든 기능을 제어할 수 있는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 분석 기법을 이용한 슬러지 침전능 계측 장치.
4. 자동 슬러지 침전능 진단 방법에 있어서,

   폭기조(R)로부터 슬러지 유입펌프(46A)를 이용하여 측정용 실린더(41) 안으로 슬러지를 일정량 펌핑하여 공급하는 단계;

   일정량의 슬러지가 주입된 후에는 유입펌프(46A)와 유입밸브(46C)가 닫히게 되고, 이때부터 일정 시간 간격으로 슬러지가 침전되는 과정을 이미지 촬영용 카메라(42)를 통하여 촬영하는 단계;

   촬영된 이미지를 실시간으로 컴퓨터(45)로 전송하여 저장하고, 상기 저장된 이미지를 분석하여 슬러지 계면의 높이를 측정한 후 이미 컴퓨터에 저장된 데이터베이스의 MLSS농도를 이용하여 SVI값을 계산하고, 침전 실험 시 상등수의 이미지 분석 데이터를 통해 유출수 SS농도를 추정하여 사용자가 미리 설정한 표시형식에 따라 상기 계측한 값을 모니터상에 표시하는 단계;

   측정이 끝난 후에는 슬러지 배출 밸브(47C)가 열리고, 슬러지 배출 펌프(47A)에 의하여 드레인 저장조(D)로 배출되어지며, 배출되고 있는 동안 세척수 펌프(45A)가 가동되면서 수도수가 실린더 내부로 유입되어 실린더 벽면을 따라 내려오도록 하여 벽면에 남아 있는 먼저 측정한 잔여 슬러지를 세척하는 단계로 이뤄진 이미지 분석 기법을 이용한 슬러지 침전능 진단 방법.

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