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2018년 6월 26일 (화) 05:37 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 구조물을 이용한 녹조수집

영문 : green tide kill chain

과제 팀명

남성이좋죠

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2015860014 민병헌(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2011XXX0** 양동휘

서울시립대학교 토목공학과 2011XXX0** 강윤성

서울시립대학교 토목공학과 2011XXX0** 강래현

서울시립대학교 토목공학과 2011XXX0** 김종진

서울시립대학교 토목공학과 2011XXX0** 홍기대

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 2012년 6월부터 현재까지 녹조 문제는 사회에서 큰 문제점으로 자리잡고 있다. 하지만 어느 기관에서도 확실한 해결책을 마련하지 못하고 있고 해결책을 마련하더라도 근본적인 해결이 아닌 일시적인 해결방안이고 비효율적인 해결방안이다. 지금 현 시점에서 녹조의 가장 심각한 문제는 야간에 과도한 호흡에 의한 산소소비와 독성물질 분비 그리고 어패류 아가미 폐쇄를 일으키며, 냄새를 발생시킨다. 조류가 번성하면 물 색깔이 변하고 탁해지며, 표면을 뒤덮은 조류가 햇빛을 차단하여 깊은 물속에 사는 수생식물은 광합성을 방해받게 된다. 이로 인해 생태계의 균형이 깨지게 되는 것이다.

- 따라서 ‘남자가 좋조’는 국내, 국외에서 시행 중인 방안(생물학적 방법, 최첨단 과학적 방법)들을 제외하고 토목공학적인 관점으로 구조물을 설계하여 효과적인 녹조 수집을 고려하며, 시뮬레이션을 통해 구조물(중앙 구조물 + 날개식 구조물)의 적절성을 판별하고자 한다.

개발 과제의 배경

현재 녹조 문제는 사회에서 큰 문제점으로 자리잡고 있다. 이를 단순히 폐기-처리하기보다는 저비용-고효율 기술로 수집후 활용하여 경제적 이익을 살리는 방향으로 생각하였다. 이를 위해 현 기술들의 현황, 장단점을 비교하여 남성이 좋죠가 한가지 사안을 제안한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 녹조현상 발생 시 효과적으로 제거가 가능

◇ 녹조의 에너지화로 신재생 에너지로 이용이 가능

◇ K-water가 추진하도록 제안하고 녹조제어, 자원화기술에 대한 오픈 플랫폼을 제공

◇ 2차적으로 중소기업과 협력하여 일자리 창출 및 향후의 수질관리기술발달 도모

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

가. 태양광을 이용한 녹조방지 물순환장치

- 태양광을 이용한 녹조방지 물 순환장치의 주요공정 내용은 아래 그림과 같이, 미세 산소기포 공급 장치를 통해 산소수로 펌핑된 물을 수표면을 따라 펴져나가게 하고 수직흡입관 하부에서는 차가운 물이 흡입되어 저온수와 중온수의 혼합을 통한 성층화를 파괴하는 것이다. 이 과정을 조금 더 세부적으로 설명하면 다음과 같다.

- 순환에 의해 연속적으로 표층수가 교체되면 호수 저면에 있던 물이 표면에서 자외선과 대기의 산소에 접촉한다. 자외선과 산소에 의해 소독된 후, 산소를 흡수한 표층수는 난류를 일으키지 않고 호소수 표면에서 천천히 부드럽게 확산을 하여 미생물의 호기성 활동영역을 넓힌다. 표층수 교환이 진행함에 따라서 호소 하부로 호기성 영역은 확장되고 물 밑 깊은 곳까지 부유물질과 용해물질을 감소시킨다. 호소의 물이 표면에서부터 깨끗해지면서 투명도가 높아지면 햇빛은 더 깊이 침투하고 동시에 열이 전달된다. 성층현상은 깨지며 여러 종류의 가스는 호수 바닥에서 올라와 물 표면에서 대기와 교환하여 방출된다. 또한 신축주름관 서브 홀에 의한 중간물질 교환도 일어나며 저층수에 미세기포 장치로 산소를 공급함으로써 부영양화가 진행되는 호수의 각종 수질악화 문제를 친환경 및 친 생태적으로 치료와 예방을 할 수 있게 된다.

나. 초음파를 이용한 녹조제어 기술

1) 기술의 원리

- 이 기술은 수중에서 조사된 초음파가 남조류의 기낭을 파괴하여 부력 조절능력을 상실케 함으로써, 호소 바닥에 가라앉게 하여 빛을 이용한 광합성을 원천적으로 차단하고, 결과적으로 남조류의 생장을 억제하는 것이다.

- 초음파는 기낭 파괴뿐만 아니라 남조류의 세포분열을 억제하는 효과도 가지고 있다. 따라서 수심이 깊지 않고 투명도가 높아, 광합성 차단 효과를 크게 기대하기 어려운 호소에서도 초음파에 의한 남조류의 제어는 충분히 가능하다.

- 하지만 초음파가 녹조 뿐만 아니라 물고기나 기타 해조류에도 피해를 주는 경우가 생기기 때문에 이 방법은 주변 생태계를 충분히 고려해야 한다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

토목사업은 국가사업으로써 각기업이 평가를 받을떄 경쟁을 하기에 견적서를 비공개한다.

• 기술 로드맵

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 녹조현상 발생 시 효과적으로 제거가 가능

◇ 녹조의 에너지화로 신재생 에너지로 이용이 가능

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ K-water가 추진하도록 제안하고 녹조제어, 자원화기술에 대한 오픈 플랫폼을 제공

◇ 2차적으로 중소기업과 협력하여 일자리 창출 및 향후의 수질관리기술발달 도모

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

정보수집(대표 피해구역 설정)-수리분석(Soft-ware활용)-녹조활용기술 자료정리-녹조 제어 시스템 구축-녹조 에너지화 방안 검토-새로운 model 제시

구성원 및 추진체계

설계

설계 사양

개념설계안

(1) 녹조의 기본 개념

- 녹조란 강이나 호수에 남조류가 과도하게 성장하여 물의 색깔이 짙은 녹색으로 변하는 현상으로, 갈색을 띄는 규조류나 와편 모조류가 번성해 바다가 붉게 물드는 적조현상과 대비된다.

- 적조현상의 경우 주로 해안가 양식장에 영향을 미쳐 재산 상 피해를 입히지만 녹조현상은 상수원으로 이용되는 강이나 호수에 발생해 먹는 물 까지도 영향을 줄 수 있기 때문에, 특히 사전에 하천에 있는 녹조를 제거, 수집하는 방안이 필요하다.

- 녹조현상의 원인은 아래 그림과 같이 크게 세 가지로 구분된다. 가정, 공장, 농경지로부터 세제, 산업 폐수, 비료 등이 유입되면 해당 하천에서는 부영양화가 일어난다. 이때 부영양화는 일사량이 증가하면서 수온이 증가하게 되면 더 활발히 진행되며 수온이 높아지면 따듯한 물이 위로 모이는 성층현상이 일어나면서 물 순환마저 정체된다. 이런 일련의 요인들로 인해 녹조현상은 더욱 활발해진다.

- 녹조현상이 발생하면 크게 인간의 생활, 생태계, 농작물과 수산업 부문에서 문제가 발생한다. 우선 녹조현상이 심각해질수록 녹조 제거 및 정화에 쓰이는 예산이 증가하기 때문에 이로 인해 수돗물 생산 비용도 증가한다. 또한 생태계의 경우 녹조현상이 심해지면 녹조로 인해 햇빛이 차단되고, 이렇게 되면 수심 깊은 곳에 사는 생물들이 광합성을 하지 못해 산소가 부족해진다. 결국 산소부족으로 인해 생물들은 폐사하고 폐사한 시체들이 부패하면서 다시한번 부영양화를 촉진해 악순환이 시작된다. 이렇게 생긴 녹조가 하천뿐만 아니라 양식장으로 유입되는 경우에는 수산업에도 큰 타격을 준다.

(2) 주제 선정 과정

- 위와 같이 녹조현상은 매년 하천 관련 문제에서 빠지지 않는 이슈이며 특히 여름에는 뉴스, 신문 등 언론에서도 심각하게 다루는 문제임에도 아직 구체적인 해결책이 없는 점에 기반하여 ‘남자가 좋조’에서는 토목적인 방법으로 효율적인 제거방안을 찾아가기로 했다.

- 우선 화학응집제를 이용한 방법은 효과적이지만 유속이 매우 작거나 고인 물에서만 가능하기 때문에 주로 저수지에서만 사용되어왔다. 또한 기존 녹조제거 방법은 각각 장 단점이 명확하기 때문에 방법을 하나만 적용하면 그 효율이 매우 떨어진다. 이러한 단점을 보완하기 위해 토목적 관점에서 하천에 구조물을 설치해 유속을 낮추고 화학응집제를 쓰는 방안을 생각했다. 또한 한 가지 방법만 사용하는 것이 아닌 화학응집, 와류생성, 녹조제거선 등의 방법을 복합적으로 쓰되 효율적으로 운용하는 방식을 추구하였다.

(3) 위치 선정 과정

- 위치선정의 경우 아래 자료를 참고해 녹조 비율이 가장 높은 강을 1차적으로 선정한 후, 강 내에서 수심이 상대적으로 낮은 곳으로 최종 결정하였다. 2017년 9월을 기준으로 했을 때 남조류와 녹조 비율이 가장 높은 강은 영산강으로 나타났다. 영산강 내에서 크게 승촌보와 죽산보를 예시로 들 수 있는데, 현재 승촌보의 경우 전체 4개의 수문 중 1개만 개방해 수심이 6m수준이며 죽산보의 경우 1.5m이다. 따라서 시공비용을 낮추고 효율적인 작업을 위해 수심이 상대적으로 낮은 죽산보 부근으로 최종 결정하였다.

이론적 계산

- ‘남자가 좋조’에서는 새로운 녹조 제거방안을 제시하는 과정에서 ‘토목적인 방법인가?’, ‘기존의 녹조제거 방법을 어떻게 효율적으로 이용할까?’를 중점적으로 고려하였다.

- 중앙 구조물에서는 보다 녹조를 효율적으로 수집 할 수 있는 구조물이 될 수 있게 몇 가지 방법을 집약하였다.

녹조 수집을 위해서, 자연 중력침강의 경우 에너지 사용이 매우 낮고 대용량에 적합하나, 일부 종에 한정되며 침강속도가 느리고 시스템의 신뢰도가 떨어지는 단점이 있다. 화학 응집은 수확의 신뢰도는 매우 높으나 사용된 화학응집제의 회수가 어려워 고농도를 사용할 경우 비용적인 문제와 함께 환경오염 가능성이 있다. 또한 K-water에서 사용하는 녹조회수선의 경우 이동식으로 회수 및 처리가 용이 하지만 비용적인 문제가 매우 크다. 따라서 단점을 최소화하고 장점을 극대화하는 방안으로 복합적인 구조물로 설계하여야한다.

- 앞서 말한 3가지 방법 모두 체류시간이 길어야 한다는 조건이 필요하므로, ‘남자가 좋조’에서는 다양한 중앙구조물 모양을 설계해보며 1차적으로 유속을 저하시켰고, 중앙구조물 후면에는 날개모양의 벽을 설치해 와류를 형성해 2차적으로 녹조를 수집하였다.

- 수면 아래 및 바닥층에 존재하는 녹조 수집을 위해 화학 응집제를 사용하고 구조물 앞면에 여과막을 설치하는 방법을 적용 할 것이다. 국외에서의 알루미늄 화합물의 화학 응집제를 사용하는 수 처리공정은 정수장에서 오랫동안 사용해 오던 방법이다. 알루미늄이온은 수중에서 수산화물 hydroxide 침전을 만들면서 부유물을 공침시키는 성질을 가지고 있으며, 또한 phosphate와 결합하면 용해도가 낮은 aluminum phosphate를 만드는 성질을 가지고 있으므로 부영양호의 수질개선에 적합하여 미국과 캐나다에서 적용된 바 있다.

- 하지만 화학응집제 활용 기술은 모두 체류시간이 긴 자연 호에서 적용되었다. 그러나 이들 자연호의 수리적 환경은 우리나라의 저수지와는 매우 다르다. 우리나라의 저수지는 체류시간이 짧고 강우시에 다량의 인이 매년 유입되는 곳이다. 그러므로 미국과 유럽의 자연호에서 사용하는 기술을 그대로 사용한다면 우리나라의 육수학적 환경의 차이로 인해 효과가 다를 것으로 예상된다. 하지만 우리조의 구조물을 이용한다면 국외 사례에 맞는 환경이 조성되므로 충분히 적용가능 하다. 화학응집제와 여과막을 통해 걸러 효율적으로 녹조 수집이 가능하다. 

- K-water의 독자적 기술인 녹조 수집선의 경우 운용비용이 크므로 효율적인 운용범위를 설정해야 한다. 우리조의 경우 계단식 구조물과 뒤편의 와류 구조물 사이를 운용범위로 설정하였다. 구조물로 인해 유속이 느려지기 때문에 구조물간 사이에는 더 많은 녹조가 발생한다는 문제점은 있을 것이다. 하지만 프로젝트의 목적은 녹조를 수집하여 바이오매스로 이용하는 것이기 때문에 이점으로 생각할 수 있다. 따라서 1차적으로 중앙 구조물로 녹조를 수집하고 구조물 사이에 발생된 녹조는 수집선을 통해 수집한다면 제한된 범위에서 많은 양의 녹조를 수집할 수 있다는 장점이 있다.

- 녹조 수집을 위한 구조물 설치를 고려할 때, 1차적인 단순 구조물의 형태도 좋겠지만, 구조물을 끼고 하천 양 사이드에 와류 생성을 위한 날개 구조물을 함께 설치하는 것을 생각해보았다. 와류란 유체의 회전운동에 의하여 주류와 반대방향으로 소용돌이치는 흐름이다. 일자형태의 구조물을 호소의 양 사이드에 대각선으로 설치하면 구조물 뒤편에 와류가 생성되어 녹조가 밀집될 수 있는 환경이 조성된다. 이 방법의 경우 중앙 구조물과 비교했을 때 더욱 간단한 설치를 할 수 있으며 구조물의 조합을 통해 녹조 회수를 1, 2, 3단계로 나누어 녹조 회수율을 극대화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 실제 하천에서 미세조류는 유속이 느리고 영양염류의 비율이 높은 양 끝단에서 가장 먼저, 가장 많이 발생한다는 점에서 주 구조물과 날개 구조물의 조합 설계는 적절하다고 판단된다. 

- 현재 바이오디젤 추출은 주로 콩, 유채 등의 식용작물의 식물성 기름을 이용해 생산되고 있으며(1세대 바이오연료), 이는 곡물가격 상승을 유발해 아프리카와 같은 빈곤 국가와 저소득층의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받아왔었고, 증가추세인 바이오디젤 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 등이 개발되고 있으나, 환경 파괴 등으로 지구온난화 현상을 가중시킨다는 지적을 피하기 어려웠었다. 우리나라의 경우도 바이오디젤의 원료인 대두유를 대부분 수입에 의존하고 있기 때문에 석유자원과 유사하게 수급 및 가격이 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성 역시 배제하기 어렵다. 

- 하지만 이번에 개발된 녹조류 바이오디젤 생산공정의 에너지원인 녹조류는 광합성을 위해 필요한 요소(햇빛, 물, 이산화탄소)만 있다면 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 식용작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않을 뿐만 아니라 1세대 바이오연료에서 우려되는 문제점을 불식시킬 수 있다. 또한, 녹조류는 광합성을 통해 양질의 식물성 오일을 생체 내에 축적하며, 단위 면적당 오일 생산량이 기존 식용작물에 비해 50~100배 이상 높은 것이 특징이며, 대량으로 배양할 수 있고 식용작물과 달리 매일 수확할 수 있는 장점이 있다. 녹조류는 여름철 수질오염(악취, 생태계 교란 등)의 주범으로 여러 가지 문제를 야기시킬 수도 있으나, 사대강 유역의 발생된 녹조류의 적절하게 사용된다면 그 활용가치가 크게 달라질 것으로 보인다.

<화학응집제>

- 구조물에서 우리조가 제시하는 화학 응집제는 2017년부터 수자원공사에서 채택되어 사용되고 있는 ‘워터헬스’ 화학 응집제이다. 워터헬스는 천연원료로 생산되는 제품으로 어류 및 미생물의 피해가 없이 오염된 수질을 획기적으로 정화하고 개선시켜 수질생태계를 복원시킨다. 특히 오염슬러지를 수면위로 부상시켜 제거하는 방식으로 회수하기 편하다는 장점이 있다.

- 이 화학응집제의 원리는 천연수질개선제(식물, 광물 혼합액)인 일명 ‘워터헬스’라는 제품을 살포 장비로 수표면에 살포하여 수중 및 바닥층의 조류와 유기슬러지를 수표면으로 부상시켜 흡입용 펌프를 이용하여 수체 밖으로 제거하는 기술이다. 부상원리는 식물질 성분 중 ‘탄닌’ 성분이 조류를 살조하며 이때 녹조류의 세포막이 파괴되면서 다량의 미세 기포가 발생하고, 응집력 있는 제오라이트 등 광물질이 수중 및 바닥층의 유기슬러지를 응집하여 미세기포의 부력에 의하여 수표면으로 부상되는 원리이다. 수표면에 부상된 슬러지는 흡입 펌프를 이용하여 수집할 수 있지만 구조물의 상부에 흡착 막을 통해 수체 밖으로 제거하며 수거한다.

- 주요처리단계는 다음과 같다
①수질분석 단계 : 사전에 대상지의 수질을 분석하여 약품 투입량과 작업방식을 결정한다. (투입량은 보통 10L당 5mL)
②수질개선제 투입단계 : 녹조회수선을 통해 구조물의 상단 즉, 수표면에 수질개선제를 투여한다.
③조류살조 및 응집부상단계로서 수중 및 바닥층의 슬러지가 미세기포의 부력에 의하여 수표면 위로 부상되는 단계이다.
④ 슬러지 수거 단계로서 수표면에 부상된 슬러지를 흡착막을 통해 수체 밖으로 제거하는 단계이다. 흡착막은 녹조회수선을 통해 운반한다.

특징 ⦁기존 녹조회수선의 단점인 하천변의 낮은 수심(50 ㎝ 이내)에도 접근과 작업이 가능토록 제작됐다. ⦁녹조류를 비롯한 규조류, 남조류, 해캄 등 조류 제거율이 85%에 달할 정도로 탁월하다 ⦁농어촌공사의 단기수질개선사업에서 4m의 투명도를 기록한 바 있다. ⦁조류를 부상시켜 제거함으로써 조류가 발생시키는 유해가스를 동시에 제거하는 효과가 있어 악취를 단시간에 제거할 수 있으며, 모기유충 등 해충제거 효과는 물론 유해물질인 질소와 인, 황화수소 등 유기슬러지와 함께 제거시킨다. 실제 시연 영상 https://www.youtube.com/watch?v=ETxGOuYeeKE

<녹조회수선을 이용한 녹조 수집>

- K-water에서 사용하고 있는 독자적인 녹조회수선은 구조물 여과막, 화학응집제를 사용해 수집한 녹조와 와류 생성 구역에서 수집된 녹조는 최종적으로 바이오매스 에너지로의 변환을 위해 K-water 녹조회수선을 통해 수집된다.

출처: Special issue 하천 녹조 저감기술, 김석구

- 녹조회수선의 원리는 두 가지로 볼 수 있다. 우선 배에서 남조류 응집제를 분출해 강 바닥의 남조류를 끌어올려 컨베이어 벨트로 걷어올려 1차적으로 수집하고 추가적으로 물 속에 공기를 투입해 거품을 생성하고 남조류를 수면으로 솟아오르게 한 뒤 이를 한데 모아 걷어내는 방식이다, 따라서 우리가 제시한 구조물에서 화학응집제를 통해 구조물 상부 흡착막에 모인 녹조들을 회수하기에도 적절한 방법이 될 것이다. 또한 녹조회수선을 활용한다면 아래 자료와 같이 녹조 제거에 그치는 것이 아닌 회수를 통해 자원화도 가능하다.

출처: 하천-저수지 시스템에서 녹조 발생기작 및 저감기술 연구, K-Water

- 실제로 K-Water가 대청호 본류와 소옥천 지류수역에서 녹조회수선을 시험운영한 결과를 보면, 녹조회수선을 통해 수집한 녹조 1mg chl-a 당 탄소감소량은 30.78g이며 바이오매스 회수 처리 효율은 약 60%로 나타났다. 이렇게 추출된 바이오매스 에너지는 바이오에탄올, 바이오디젤 등으로 생산되어 자원화시킬 수 있으며, 실제로 미국의 경우 2022년까지 자국 내 수송연료의 20%를 바이오매스 에너지로 대체하겠다는 법안을 통과시켰다. 따라서 제거선을 통해 녹조를 수집하는 것은 단순 퇴비화가 아닌, 세계 미래 에너지 경향에 맞는 활동일 것이다. 

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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