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2024년 12월 18일 (수) 21:23 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

PFAS 물질의 관리를 위한 탈부착식 소방폐수 전처리 필터 설계 :

Design of a Detachable Pre-treatment Filter for the Management of PFAS Substances in Firefighting Wastewater

: 

과제 팀명

창지기

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890070 최*성(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890001 강*진

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890005 김*수

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890018 김*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

차량화재 시 발생한 소방폐수 중 PFAS 물질을 빗물받이 필터를 이용해 제어할 수 있는 장치를 설계한다.

개발 과제의 배경

소방청에서 제공하고 있는 데이터에 따르면 2023년 기준 화재 발생 건수는 193,999건이며, 이중 차량 화재는 19,359건으로 약 10%에 해당한다. 내연기관 차량화재 진압 시 발생하는 폐수 내 PFAS 농도는 888ng/L, 전기차는 196 ng/L, 리튬 배터리는 4,664 ng/L이다. (J Hynynen et al., 2023) 일반적인 차량 화재의 진압에 필요한 용수는 1,000L인 것으로 알려져 있기 때문에, 차량 한 대의 화재 진압 시 발생하는 PFAS는 내연기관의 경우 0.888 mg, 전기차는 0.196 mg, 리튬 배터리는 4.664 mg이다. 이렇게 발생한 소방폐수는 빗물받이로 흘러들어가며, 분류식 하수도의 경우 별도의 처리 없이 하천으로 방류되고, 합류식 하수도의 경우 하수처리장으로 이송되지만 별도의 PFAS 처리는 이루어지지 않고 있다. PFAS의 인체 및 환경 위해성에 관한 정보는 많이 알려져 있는 데 반면, 현재까지 소방폐수에 관한 환경 규제는 없는 것으로 알려져 있다. 적절하게 처리되지 않은 채 하천으로 방류되는 PFAS는 수생환경 오염을 유발하며, 식수원으로 유입될 시 인체에 피해를 미칠 위험까지 있는 상황이다. 이에 본 프로젝트는 화재 진압 시 발생하는 소방 폐수에 포함된 PFAS(Per- and Polyfluoroalkyl Substances) 물질을 차단하기 위한 필터시스템을 설계하는 데 목적을 둔다. PFAS로 인한 오염을 예방하고 하수 처리장의 부담을 경감하기 위한 필터 시스템 설계가 요구된다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 연구는 소방 폐수 내 PFAS를 차단하여 하수구 유입 전부터 오염을 방지하고, 하수 처리장의 한계를 보완하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 환경 오염 문제를 해결하며 경제적 비용 절감에도 기여하고자 한다. 구체적인 설계 목표는 다음과 같다.

1. PFAS 물질의 효과적인 처리 방법을 선정하고 필터에 적용하기.
2. 필터 막힘 방지를 위한 전처리 및 스크리닝 장치 설계.
3. 실제 빗물받이와 하수구에 적용 가능한 구조 설계와 긴급 상황에서의 설치 방안 마련. 

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

[PFAS 제어]

1) 활성탄 처리 활성탄은 식수 처리에 사용되어 PFAS와 같은 유기 화합물을 흡착한다. 분말 활성탄(PAC)과 입상 활성탄(GAC)으로 나뉘며, PAC는 일부 PFAS 제거에 효과적이지만 자주 교체해야 하고, GAC는 긴 사슬 PFAS를 효과적으로 제거하지만 짧은 사슬 PFAS의 흡착은 비효율적이다.

2) 이온 교환 처리 음이온 교환 수지(AER)는 PFAS와 같은 음전하를 띤 오염물질을 효과적으로 제거하며, 재생이 필요 없는 단일 사용 모드가 특징이다. AER은 사용 후 폐기하거나 소각해야 하며, 처리 효율은 여러 요인에 의해 달라질 수 있다.

3) 고압 멤브레인 나노여과와 역삼투 멤브레인은 PFAS 제거에 매우 효과적이며, 대부분의 PFAS를 90% 이상 제거한다. 고압 멤브레인은 처리수의 80%를 배출하고 나머지 20%는 농축 폐기물로 남아 처리와 폐기가 어렵다.

4) 고급 산화 공정 (AOPs) AOPs는 hydroxyl 및 sulfate radical을 이용하여 C-F 결합을 파괴하고 PFAS를 분해한다. 처리 공정이 빠르고 효과적이지만, 짧은 사슬 PFAS의 독성 유지 및 높은 비용으로 인해 추가적인 후처리가 필요하다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

[여과 시설]

1) 중력식 여과 중력을 이용하여 물을 여과 매체에 통과하게 하는 방식이다. 물이 여과층의 상단에서 하단으로 흐르며, 여재가 오염물질을 걸러낸다. 별도의 펌프 없이 중력만으로 작동하기 때문에 유지비가 낮다. 하지만 여과층이 오염물질로 막히면 여과 속도가 느려지고 효율이 감소하기 때문에 주기적인 관리가 필요하다.

2) 스크리닝(Screening) 비교적 큰 입자와 부유 물질을 제거하는 가장 초기 단계의 전처리 과정이다. 주로 후속 여과 및 처리 공정에 걸리는 부담을 줄이고 설비 보호 및 효율을 높이기 위해 사용된다.

3) 정류판(Baffle) 필터 내에서 유체의 흐름을 고르게 분산시켜 전체 여과층이 고르게 사용되도록 한다. 주로 미세한 구멍이나 슬롯이 규칙적으로 분포되어 유체의 흐름을 조절하며, 이를 통해 여과층 전체에 걸쳐 균일하게 오염물질이 제거된다. 필터의 일부만 사용하는 현상을 방지하기 때문에 여과 능력을 최적화할 수 있다. 또한 여재의 특정 부분이 과부하되는 것을 방지하여 여재의 수명을 늘리고 안정적인 압력을 유지할 수 있다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) PFAS 제거 효율 향상 및 환경 보호

소방 폐수에 포함된 PFAS를 효과적으로 제거하는 필터 시스템을 설계해 하천과 수생 생태계로의 오염물질 유입을 차단한다. 이를 통해 수질 오염과 식수원 오염을 예방하고, PFAS로 인한 인체 유해성을 줄일 수 있다.

2) 필터 시스템 최적화 및 성능 향상

필터 막힘을 방지하는 전처리 및 스크리닝 장치를 설계해 시스템의 안정성을 높인다. 긴급 상황에서도 신속하게 설치 및 운영할 수 있는 구조를 마련해 현장에서의 적용 가능성을 극대화한다.

3) 하수 처리장 부담 경감 및 운영 효율 향상

소방폐수 내 PFAS를 사전에 필터링해 하수 처리장으로 유입되는 오염물질을 줄임으로써,  처리 효율을 높인다. 이를 통해 처리 용량에 대한 부담을 줄이고, 운영 및 유지 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1) 복구 및 운영 비용 절감

초기 단계에서 PFAS를 차단함으로써 오염 확산 후 복구에 소요되는 비용을 크게 절감한다. 하수 처리 시설의 PFAS 제거를 위한 추가 설비 도입이 불필요해지며, 이에 따른 설치 및 유지보수 비용도 최소화할 수 있다.

2) 비용 대비 효율적인 설계와 자원 활용 극대화

효율적인 필터 설계를 통해 운영 및 유지보수 과정에서 발생하는 비용을 절감할 수 있다. 이는 자원 배분의 최적화를 가능하게 하며, 다른 필수 소방 예산 및 환경 관련 예산에 재투자가 가능하다.

3) 장기적인 비용 효율성 확보

하수 처리장으로의 PFAS 유입을 사전에 차단함으로써 장기적인 운영 효율을 유지할 수 있으며, 정수장에 유입된 소량의 PFAS를 대량의 유량과 함께 처리하는 데 드는 비용을 절감할 수 있다.

4) 공공 건강 및 환경 보호 강화

PFAS의 하천 및 식수원 유입을 차단해 오염으로 인한 인체 건강 피해를 예방함으로써 시민의 건강과 안전을 보호한다. 이는 공공 안전과 환경 보호에 대한 사회적 신뢰를 증진시킨다.

5) 환경 규제 선도 및 사회적 책임 강화

현재 규제가 부재한 소방 폐수의 PFAS 처리 문제에 선제적으로 대응함으로써, 향후 강화될 수 있는 환경 규제에 미리 대비할 수 있다. 이를 통해 소방 기관의 환경적 책임을 강화하고, 사회적 책임을 다하는 모범적인 역할을 수행할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

[공통 분담]

주제 선정을 위한 자료 조사 및 선정 관련 기술 조사 및 분석과 주제의 경쟁력 분석 상세 설계 재료 선정과 모형 제작 최종 설계

[개별 분담] 최지성: 과제제안서 발표, 소방폐수 유량 및 필터 용량 선정, 소방폐수 필터 개념 설계, 경제성 분석, 유량 실험 강창진: 개념설계 및 경제성 분석 발표, 경제성 분석 보고서 작성, 경재성 분석, PFAS 처리효율 조사, 유량 실험 김기수: 상세설계 발표, 경제성 분석, 상세설계 보고서 작성, 필터 수두 손실 및 여과속도 계산 ,유량실험 김창우: 기초설계 발표, 경제성분석 보고서 작성, 상세 설계도 작성, 소방폐수 유량 산정, 유량 실험

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

내용 표 7. 개발사업비 내역서 넣으면 됨

완료작품의 평가

향후계획

- 국내에서 발생하는 소방폐수의 성상을 분석하는 과정이 필요하다. (본 설계에서는 해외의 성상 분석 자료로 대체)

- LC/MS 장비를 이용하여 필터의 PFAS 제거율을 분석하는 과정이 필하다. (본 설계에서는 비용에 제약이 있어 문헌 값으로 대체)

- LC/MS를 이용하여 입상활성탄의 PFAS 흡착 파과점을 계산하고, 이를 운용 가이드라인에 추가하는 과정이 필요하다.

- 필터를 설치하는 데 소요되는 시간을 재측정하는 것이 필요하다. (본 설계에서는 도보 이동 시간을 중심으로 고려함)

- 필터 운용 시 소방 관계자들의 운용 가이드라인 및 안전 관련하여 교육이 필요하다.

- 필터의 비용 관련하여 관할 기관의 예산 증액이 필요하다.

특허 출원 내용

내용