남성이좋죠

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 양동휘

서울시립대학교 토목공학과 2011860003 강윤성

서울시립대학교 토목공학과 2011860002 강래현

서울시립대학교 토목공학과 2012860016 김종진

서울시립대학교 토목공학과 2015860050 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. 

시뮬레이션을 통한 상세설계 내용

- ‘남자가 좋조’에서는 시뮬레이션을 중앙구조물의 형태결정, 와류 생성 벽의 각도 설정, 구조물로 인한 녹조회수율 등, 크게 3가지 경우로 나누어서 진행하였다.

● 중앙 구조물 형태결정

(1) 구조물 초안

처음 ‘남자가 좋조’에서 제안한 중앙구조물의 모양은 아래와 같은 계단 형태였다.

구조물이 계단 모양이라면 수심 깊은 곳에서의 녹조수집이 더 수월하고 표면적이 넓어지기 때문에 여과막으로 보다 많은 양의 녹조를 수집할 수 있을 것이라 판단했기 때문이었다.

와류 날개 전체 모습 앞모습 뒷모습 윗모습 <중앙 구조물 초기 제안도>

하지만, 구조물이 위와 같이 계단식일 경우, 다음과 같은 문제가 발생한다.

- 이 구조물의 설치 장소인 영산강 죽산보 부근의 경우 수심이 1.55m로 낮기 때문에 계단식으로 설치가 무의미하다. - 계단의 각 면마다 설치된 여과막을 수거하고 녹조를 제거하는 과정이 비효율적이다. - 계단식으로 설치할 경우 구조물 두께가 두꺼워지기 때문에 구조물 설치비용이 증가한다.

(2) 구조물 최종안

따라서 위와 같은 단점을 최소화하고 최대한의 녹조수집, 효율적인 녹조수거를 위해 아래와 같은 최종안을 설계하였다.

- 기본적으로 ㄷ형태 구조물로 만들고 높이를 수심+0.3M로 하여, 이 부근에서 유속이 작아지도록 한다. - 물이 정체되어있으면 안되므로 양 옆 아래에 일정한 규격의 구멍을 만들어 정화된 물은 아래로 나갈 수 있도록 한다. - 구조물 안쪽으로 들어온 녹조가 다시 밖으로 나가지 않도록 미세그물을 설치한다.(아래 그림에서 하늘색 막으로 묘사함) - 효율적인 녹조 회수를 위해 구조물 가운데에 작은 수문을 만들어 평소에는 닫아두고, 녹조 회수시 문을 열어서 회수한다. - 소량의 화학응집제가 주기적으로 투여될 수 있도록 구조물 위에 파이프관을 만들고, 파이프의 일정 길이마다 작은 구멍을 뚫어 그 구멍으로 응집제가 조금씩 투여될 수 있도록 한다. - 와류 형성 벽에도 미세그물을 설치해 수집된 녹조가 밖으로 나가지 않도록 한다.

(3) 구조물 최종안 검토작업

최종안을 도출하기 까지 Nays-2D 프로그램으로 여러 경우를 대입하였다.

- 구조물의 옆면 길이 차이에 따른 유속변화

구조물 시공비용을 줄이기 위해서는 상대적으로 유속의 영향이 적은 옆면의 길이를 결정할 필요가 있다. 이와 관련해 아래와 같이 길이가 길 때, 짧을 때를 시뮬레이션한 결과, 유속이 적어지는 면적은 차이가 있지만, 구조물 내 유속에는 영향을 미치지 않으므로, 최종안에서도 옆면의 길이를 짧게 결정하였다.

- 구조물 양 측 아래 구멍을 뚫었을 경우의 유속 변화

구조물에 구멍을 잘못 뚫게 되면 유속이 감소되지 않을 수가 있기 때문에 이를 아래와 같이 시뮬레이션하였다. 최종안에서는 양쪽 아래 일부 구역에만 구멍을 뚫는 것이지만, Nays-2D프로그램에서는 극단적인 상황을 고려해서 양측 전체에 구멍을 만들어 시험하였다. 그 결과, 구멍의 크기가 현저하게 큰 경우가 아니라면 아래 분석결과와 같이 유속에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 물의 순환을 위한 구멍을 만들어도 무방하다는 결론을 내렸다.

● 와류 생성 벽의 각도설정

- 날개 구조물의 각도 설정을 위하여, 주 구조물에 날개 구조물을 배치한 3가지 유형을 고려해보았다. 유형 구분의 기준을 잡고자 할 때 이전 종합설계 학우들의 와류 구조 설계를 참고로 하였는데, 이 참고에서 중앙 V자 형태의 구조물 각도가 45도일 때 가장 이상적인 와류가 생성된다고 하였다. 따라서 이번 설계의 날개 각도 설정을 위한 3가지 유형을 22.5도, 35도, 45도로 가정하였다. 이 세 유형을 Nays-2D 프로그램을 통해 분석하였다.

- 아래 그림을 통해 볼 수 있듯 3가지 경우에 대해 와류 생성 범위가 가장 넓은 각도는 45도로 도출되었다. 따라서 이를 통해 와류 벽의 각도는 45도로 설정했다.

와류 생성 벽 각도 22.5

와류 생성 벽 각도 35

와류 생성 벽 각도 45

위와 같은 시뮬레이션을 거쳐 완성한 최종본은 CAD프로그램으로 2D 설계도를 구현하고, Sketch Up 프로그램으로 3D 설계도를 완성하였다.

중앙구조물의 전체 설계도

중앙구조물 정면 상세 규격도

중앙구조물 측면 상세 규격도

중앙구조물 평면도 상세

Sketch Up프로그램을 이용한 제작과정

녹조회수용 Gate 상세사진

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

최적주입농도를 측정하기 위해 15mg/L, 20mg/L, 40mg/L의 농도를 달리하여 측정한 결과 1ton의 오염수를 정화하는데 50cc의 워터헬스가 필요하다는 것을 알 수 있다. 우리 조가 구상한 구조물의 규격을 통해 정화할 수 있는 오염수의 총량은 80×20×1.55로 하여 2,480,000L이다. 이 양은 으로 총 124의 워터헬스가 필요하다. 워터헬스의 녹조 응집 효율은 85%이다.(황토의 효과는 25%) 2480의 오염수 중 수집 가능한 슬러지량은 1.5ton×0.85=1.28ton이다.

워터헬스 사용시 침강 속도는 약 4시간이므로,

1.28 ton × 6 = 7.68 ton

녹조제거선의 경우 K-water의 자료에 의하면 처리효율 57%, 수처리용량 57,000m3/day이 가능한 대용량 녹조회수 기술으로 국내외 최초 개발된 기술이 개발되었다. 수처리체적 10,000 m3 처리기준시 살포(1hr)+반응(3hrs)+수거(4hrs)+탈수(24hrs)로 총 32시간이 소요되며, 수처리체적이 50,000 m3 처리시에도 총 처리시간이 48시간으로 짧은 시간 안에 광범위한 면적의 발생녹조를 효율적으로 제거 가능한 기술이다. 이를 토대로 녹조 제거선으로 수집된 녹조의 양을 계산하면

결론적으로, 워터헬스를 이용한 응집부상 방식은 일반적으로 정체된 수역에서 효율적으로 작용하여 물이 흐르는 하천에서는 사용이 힘들었으나, 위 구조물을 이용해 유속을 감소시키면서 부분적으로 정체구간을 만든다면 녹조를 효율적으로 수집할 수 있는 장점이 있다.

향후계획

1. 현 발전 기술을 이용한 파력 에너지 생산이 가능한가 

-> 위와 같이 설계한 구조물을 통해 회수된 녹조는 명시된 것과 같이 바이오매스 에너지로의 자원화가 가능하기 때문에 

2. 신·재생에너지 사용의 필요성이 대두되는 상황에서 지속가능한 해결책이 될 수 있는가

3. 발생할 수 있는 문제 또는 쟁점들은 무엇인가

- 바이오 디젤 및 퇴비사업 미세조류는 빛을 에너지원으로 하고 CO₂를 탄소원으로 하여 광합성 독립영양을 하는 미생물이기 때문에 대기 중의 CO₂를 고정하는 능력을 가진다. 온실가스발생을 줄이기 위해 화석연료 사용을 억제하고, 새로운 에너지원을 미세조류를 활용하여 찾는 연구가 전 세계적으로 수행되고 있다. 신재생에너지 의무혼합제도와탄소배출권 거래제도 시행에 따라 미세조류 유래 바이오연료의 활용성이 증대될 것으로 예상하고 있다. 미세조류는 단백질, 지질, 탄수화물계의 생분해성 물질로 세포를 구성하고 있으며 이는 혐기성 미생물에 의해 바이오메탄(CH4) 형태로 에너지를회수하여 바이오가스 산업에 활용할 수 있으며 혐기성 소화공정에서 발생하는 슬러지는 퇴비화 과정을 통해 농업용 퇴비로서 활용할 수 있다. 미세조류를 이용한 기존의 바이오디젤 생산은 1) 용매를 이용한 지질 추출과 2) 전이에스테르화 반응(transesterification)의 2단계로 구성되어 에너지 소비가 매우 크다. 특히, 지질 추출을 위한 미세조류의 탈수, 건조 및 분쇄 과정에서 과도한 에너지를 소비함 (바이오디젤 생산의 전체 공정 소비 에너지의 84% 정도를 차지함)에 따라 생산된 바이오디젤이 에너지 수지 측면에서 매우 불리한 것으로 보고되고 있다(Amish 등, 2010; Jun등, 2013). 뿐만 아니라 기존의 2단계 방법은 지질 추출 및 전이에스테르화 반응에0.5~1.5 hr이 소요되며, 생성물의 바이오디젤 함량도 7.76%로 매우 낮고 열역학적효율 (thermodynamic efficiency)도 70% 이하로 나타났다(Johnson과 Wen, 2009). 기존 바이오디젤 생산 방법에 의한 미세조류의 지질 추출 부산물은 cellulose계 난분해성 물질을 다량함유하고 있어 퇴비 또는 사료로 이용하는 방안이 연구되었으며 이 밖에는 보조 단백질 등 유용물질회수를 통해 활용되었다. 그러나 최근 들어 미세조류 배양에 하·폐수를 기질 공급원으로, 산업체 배기가스를 CO₂공급원으로 활용하는 기술개발이 활발하게 이뤄지고 있으며, 이들 물질을 이용하여 배양한 미세조류의 경우, 심리적인 거부감과 안전성 등의 이유로 인해 지질 추출 부산물을 사료나 유용물질 생산 원료로 활용하기 힘들 것이다. 따라서 사대강 유역에 자연발생된 녹조류를 사용한다면 해결가능한 문제이다. 녹조류를 이용한 바이오연료 대량생산을 위한 목적으로 미국, 유럽을 비롯한 전 세계적으로 활발하게 수행되고 있다. 미국은 2022년까지 자국 내 수송용 연료의 20%를 바이오연료 (360억 갤런)로 대체하겠다는 법안을 통과시켰으며 이 중 210억 갤런은 바이오에탄올 이외의 바이오연료로 충당할 계획이다. 유럽연합은 2007년 European Energy Action Plan에서 액체 수송연료 중 바이오연료의 혼합비율을 2015년 5.75%, 2020년에는 10%까지 높이는 것을 목표로 하고 있다.Algenol Biofuels, Sapphire Energy, Solix Biofuels 등은 담수 미세조류를 이용한 미세조류 대량배양 기술을 기반으로 바이오에탄올 및 바이오디젤 생산을 위한 단계 혹은 생산에 돌입하였다. 뉴질랜드 국립물환경연구소 (NIWA)는 유기성 폐수를 활용하여 수질정화와 바이오디젤 생산을 위한 pilot scale 미세조류 배양시스템 (highrate algal pond) 실증 실험을 수행 중이다. 이스라엘 Seambiotic 社는 pilot scale의 화력발전소 배가스를 이용한 미세조류 대량배양 시스템으로 안정적인 미세조류 생산성 (20~25 g/m2/day)을 확인하였다.

-생활부분사업

조류는 1960년대 클로렐라의 건강보조식품으로의 활용을 시작으로 산업부문의 원료로 쓰이기 시작하였다. Deva 社는 조류로부터 추출한 Omega-3와 DHA를 이용하여 건강보조식품을 생산하여 판매 중이다. 샌디에고 (UC San Diego) 대학연구진은 2013년 논문을 통해 조류의 유전공학적 접근을 통해 콜레라 백신의생산 가능성을 확인하였다. Cereplast 社는 2009년에 조류 성분을 이용한 바이오플라스틱 제품을 출시하였으며 Soley Biotechnology Institute는 Spirulina 잔류물을활용한 바이오플라스틱을 생산하고 있다. Dow chemical 社는 Algenol Biofuels 社와협력하여 조류로부터 에탄올을 생산한 다음 화석연료 유래의 에틸렌을 대체하는 플라스틱 원료물질로의 활용 가능성을 실증규모 실험 중이다.

Solazyme 社는 2011년 anti-aging 화장품을 출시하여 첫 해 약 720만 불의 매출을 기록하였다. 일본 아니노모토 社 및 미쯔비시 제지는 조류 유전자 조작을통해 CO₂를 셀룰로오스로 전환하여 펄프의 물성을 향상시키는 목적의 연구를 수행하였다.

고유가 상황에 따라 에너지 해외 의존도가 높은 국내 현실 상 조류 유래 바이오연료 생산은 에너지 자립도를 높이는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 여겨진다. 조류 활용 에너지물질 생산 기술과 유용물질 활용 기술은 친환경적이며 고부가가치 창출사업이므로 이에 대한 꾸준한 관심이 필요하다.