대전 월평정수사업소 윤희종 소장·송익수·이용순 주무관
‘무동력 와류 혼화장치’ 공동발명 특허 

전동기 없이 물 흐름 힘만으로 정수처리 약품 혼합 가능
연간 전기료 6천만원·유지관리비 5천만원 절감 효과 기대
월평정수장, 올해부터 3년간 1억8천만원 투입 12대 설치 예정

정수처리 효율 향상 위한 신기술

대전시 상수도 정수처리 업무를 맡은 공무원들이 에너지 절감장치를 공동으로 발명해 특허를 받고 상용화에 나서 화제가 되고 있다.

화제의 주인공은 대전시 상수도사업본부 월평정수사업소에 근무하는 윤희종 소장(57·4급)과 송익수(46·공업7급)·이용순 주무관(41·기능8급) 등으로, 이들은 특허청으로부터 ‘무동력 와류 혼화장치(특허 제10-1009747호 2011년 1월13일)’ 발명 특허증을 받았다고 지난 4월11일 밝혔다.

‘무동력 와류 혼화장치’는 정수처리 과정에서 물과 약품을 혼합할 때 기존의 전동기 없이 물 흐름의 힘만으로 약품을 섞어 주는 장치로 이를 월평정수사업소에만 도입·운영해도 연간 6천만 원의 전기료와 유지관리비 5천만 원 등 약 1억 원 이상의 예산 및 에너지 절감 효과가 있을 것으로 전망된다.

월평정수사업소는 정수처리 과정에서 정수장 약품실 기계 장치 가동에 따른 소음 발생과 열악한 근무 여건을 개선하기 위해 지난 2008년부터 3년여 동안 ‘무동력 와류 혼화장치’ 개발에 몰두했으며 한밭대 산업협력단의 기술 지원과 비젼워터텍(대표 김도식) 등과의 협력을 통해 특허출원을 했다.

일반적으로 정수처리는 착수공정-혼화공정-응집공정-침전공정-여과공정-소독공정 등으로 이뤄지며 착수공정은 착수된 원수의 수위 동요를 안정시키고 혼화공정에서는 원수를 수처리 약품과 혼화시킨다.

이렇게 수처리 약품과 화학 반응되는 원수에서 플록(Floc)을 형성시키는 것이 응집공정이며, 응집된 플록을 자연 침전시키는 침전공정을 거쳐 여과공정에서는 침전지에서 플록이 제거된 침전수를 여과시킨다. 여과된 정수에 염소 등의 소독 약품을 투입시켜 최종 정수시킨 후 배수하는 것이 정수처리 과정이다.

동력방식 전력 소모 많아

이러한 정수처리 과정에서는 침전지에서의 침전 효율을 높이기 위해 원수에 부유하는 일정한 크기 이하의 현탁 콜로이드(Colloid) 입자를 침전 및 여과가 가능한 플록 형태로 응집해야 한다.

이에 따라, 응집의 전처리 단계로서 응집약품을 투입하고 빠르게 혼화하는 급속혼화공정이 필요하다. 응집약품은 이론적으로 투입 후 혼화가 충분히 이뤄져야 하나, 약품 특성상 수중에서 가수분해되기 때문에 현탁 콜로이드 입자와 중합반응을 일으키는 속도가 대단히 빠르다.  

따라서, 응집약품 투입은 가능한 빠른 시간 내에 순간적으로 균등하게 확산시킬 수 있어야 한다. 종래의 약품 혼화 장치로는 혼화조 내부에 설치된 급속혼화장치를 회전시켜 투입된 응집약품과 원수를 빠르게 섞어 응집조로 배출하는 동력을 이용한 방식이 널리 사용돼 왔다.

그러나, 동력 방식은 급속혼화장치의 회전에 따라 주입된 응집제의 손실이 발생해 응집제의 주입량을 증가시켜야 하며, 응집제 주입량 증가로 인한 처리비용의 상승을 야기하는 단점이 있다.

또한, 급속혼화장치를 가동하기 위해 동력 장치를 이용하므로 진동 및 소음이 발생하며, 전력소모가 많아 유지·관리가 어려운 편이다. 응집제의 가수분해 속도도 빨라 응집제의 초기 확산 속도는 낮으며, 체류 시간 증가로 인해 저밀도의 플록이 형성되고, 이렇게 형성된 저밀도 플록이 응집지에서 응집강도가 떨어지는 현상이 발생해 응집 효율이 저하되는 단점이 있다.

플레이트·프레임 이용 와류 형성

또, 다수의 플레이트 사이에 중공부가 형성된 프레임을 수평하게 설치하고 중공부 둘레에 원수에 대한 저항을 높이는 절곡부를 형성해 와류를 일으키도록 함으로써 유속을 증가시켜 원수와 응집제가 급속하게 혼화될 수 있도록 한다.

원수를 응집제와 혼화시켜 응집조로 공급하는 혼화장치는 본체의 하단에 원수와 응집제가 유입되는 원수 유입부가 있고, 상단에 혼화수 배출부가 형성된다. 무동력 와류 혼화장치는 본체의 내벽과 사이를 두고 유로를 형성하도록 원수 유입부 상부에 수평 설치되며, 절곡부가 형성된 플레이트가 적어도 2개 이상 아래·위로 공간을 두고 설치된다.

중앙에 형성된 중공부의 폭은 원수 유입부의 폭보다 작게 해야 하며 원수 유입부의 폭 대비 0.7∼0.95의 비율이 바람직하다. 또한, 플레이트 중 적어도 하나 이상에는 다수의 통공이 형성돼 통공 주변에서 와류가 형성되도록 할 수 있으며 플레이트 및 프레임의 절곡부는 수평면을 기준으로 20∼40°경사가 지도록 해 원수에 대한 저항을 최대화한다.

이러한 발명은 본체 내부에 설치되는 다수의 플레이트와 프레임을 이용해 자체 설치 구조에 따라 와류가 형성됨으로써, 별도의 동력 장치를 이용하지 않으므로 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 특히, 본체 내부에 다단으로 와류를 형성해 유속을 증가시킴으로써 원수와 응집제가 급속하게 혼화될 수 있도록 해 응집 효율을 높이고, 응집제의 균일한 확산이 가능하다.

와류와 빠른 유속으로 혼화

우선, 본체 하단에 형성된 원수 유입부에는 응집제와 함께 원수가 유입되고, 유입된 원수는 수압에 의해 본체 상부 방향으로 흐르면서 응집제와 함께 혼화가 이뤄진다. 이때, 원수가 흐르는 방향인 상부에 제 1 플레이트가 수평하게 설치되어 있어 원수는 제 1 플레이트 바닥에 부딪히고 제 1 플레이트와 본체 내벽 사이에 형성된 유로를 통해 상부 방향으로 흐르게 된다.

이 때, 제 1 플레이트의 둘레에 제 1 절곡부가 형성되어 있으므로, 원수는 절곡부에 부딪힌 다음 빠져 나오게 됨에 따라 저항이 커져 와류를 형성하고 이 부근에서 유속이 빨라져 원수와 응집제의 혼화가 이뤄진다.

이 때 제 1 플레이트에 다수의 통공이 형성돼 있으면 제 1 플레이트 방향으로 흐르는 원수는 통공을 통해 상부로 배출되고, 통공 주변에서 추가로 와류가 형성됨으로써 유속이 더욱 빨라진다.

제 1 플레이트와 본체 내벽 사이를 통과한 원수는 제 1 프레임의 중공부를 통과해 상부로 흐르며, 제 1 프레임의 중공부 둘레에는 내측으로 하향 경사진 제 2 절곡부가 형성돼 원수는 중공부 둘레의 제 2 절곡부에 부딪힌 다음에 중공부를 통과한다. 이에 따라, 제 2 절곡부 부근에서 와류가 형성되므로, 이 부근도 유속이 빨라져 원수와 응집제의 혼화가 이뤄진다.

이렇게 제 1 프레임을 통과한 원수는 제 1 플레이트를 통과할 때와 동일한 형상에 의해 제 2 플레이트의 단부에 형성된 절곡부에 부딪힌 다음 본체 내벽과의 사이에 형성된 유로를 통과해, 제 2 프레임 방향으로 흐른다.

제 2 프레임을 통과한 원수는 이전과 동일하게 제 3 플레이트와 본체 내벽 사이에 형성된 유로를 통과해 상부로 흐르고, 최종적으로 혼화수 배출 프레임을 통해 배출된다. 이때, 혼화수 배출 프레임에는 내측으로 상향 경사진 제 3 절곡부가 형성됨으로써 원수가 중앙으로 모여 배출되고 수압이 높아져 배출 속도도 빨라진다.

3개년 계획…12대 설치 목표

월평정수사업소는 ‘무동력 와류 혼화장치’설치 추진계획에 따라, 우선 지난 3월 1회 추경예산을 확보해 이달부터 오는 12월까지 1단계 사업을 진행할 계획이며 2012년도와 2013년도에 각각 2단계, 3단계 사업을 계획하고 있다.

이달부터 시작되는 무동력 와류 혼화장치 설치 1단계 사업은 추경예산 6천만 원을 확보해 총 4대의 장치를 설치하는 것으로 1대당 설치 예산은 1천500만 원이며 향후 연차별 예산을 반영해 단계별 사업을 진행할 계획이다. 

무동력 와류 혼화장치는 정수처리 효율향상을 위한 신기술로 착수정에서 급속혼화지로 통과하는 물의 흐름에 무동력 와류 혼화장치를 설치해 동력비 및 응집제 절감효과와 응집제 확산에 영향을 미치는 속도구배(G값) 상승효과로 공기업 경영합리화에 기여할 것으로 전망된다.

월평정수사업소는 우선 2011년 지방공공기관 에너지절감 추진계획 및 상수도본부 2011년 에너지절감 추진계획에 의거 신기술 ‘무동력 와류 혼화장치’를 제작·설치할 계획이다. 현재 월평정수사업소는 정사각형 구조의 급속혼화지 12지가 있으며 총 672㎥ 규모이다. 향후 혼화지 1지당 1대의 무동력 와류 혼화장치가 설치될 계획이며, 올해 안에 4대를 설치하고 2012년부터 나머지 8대를 설치할 예정이다. 

에너지·환경문제 적극 대응

무동력 와류 혼화장치가 설치될 경우 △급속혼화지 가동에 따른 과다한 동력비 발생 △기계 장치 가동에 따른 소음발생 △응집제 분산능력 감소로 응집제 소모량 증가 △생성 플록 강도저하로 인한 응집효율 감소 등의 문제가 해결될 것으로 기대된다. 

실제로 급속혼화기 12대의 미가동에 따라 연간 동력비 6천만 원 절감은 물론, 급속혼화기 유지관리 비용도 연간 5천만 원 정도 줄일 수 있다. 응집제 확산에 영향을 미치는 G값 상승효과에 따른 약품비 절감과 수질 향상 등의 효과도 거둘 전망이다.

혼화지 8곳의 기존 전력사용량은 7.5㎾×24시간×8대로 1천440㎾h였으며 연간 사용량은 525.6㎿h(113toe)이다. 그러나 무동력 와류 혼화장치를 설치할 경우 전력을 사용하지 않아도 됨으로 에너지 절감량을 살펴보면 연간 4천204만8천 원을 줄일 수 있다.

이 외에도 소음발생을 저감시켜 근무환경이 개선되고 기후변화 협약, 고유가 등 에너지 환경 문제에도 적극 대응하게 됐다. 앞으로 사업소는 무상 A/S기간을 3년으로 해 제품에 대한 하자이행 보증 계약을 체결하는 등 사업추진에 따른 고려사항을 검토할 계획이다. 

무동력 와류 혼화장치 설치사업과 관련, 월평정수사업소 윤희종 소장은 “우리 사업소뿐만 아니라 대전지역과 전국 정수장으로 설치를 확대하면 많은 예산과 에너지 절감 효과가 있을 것”이라고 강조했다.   <이지희 기자>   [『워터저널』 2011. 5월호에 게재]