미세기포를 이용한 선박평형수 처리공정 개발

Abstract

본 연구에서는 해상에서 선박의 평형유지를 위해 채우는 선박평형수(Ballast water)로 발생되는 해양생태계 교란 및 오염을 저감시키기 위한 처리공정 개발에 관한 연구를 수행하였다. 첫 번째, 선박평형수내 오염물질의 DAF공정에서 효율적인 처리를 위해 처리대상 물질인 oil droplet(유적)과 미생물의 크기와 제타전위 특성을 파악하였다. 두 번째, DAF공정을 이용한 oil droplet의 처리효율에 화학 및 응집제, 기포 및 압력, 용액, 응집제 종류의 4가지 운전조건의 영향이 미치는 영향을 알아보았고 최적의 운전조건을 도출하였다. 세 번째, 오존을 이용한 DAF공정에서 미생물의 소독효율을 압력 및 접촉시간 변화에 따라 처리효율을 분석하였고, 실제 해수의 선박평형수내 적용가능성을 검증하였다. 이와 같은 연구내용들에 대한 세부내용은 다음과 같다.

선박평형수로 유입되는 오염물질은 외래종 생물군, 연안해역의 입자성 물질, 오일 및 계면활성제 성분으로 다양하다. 특히 oil droplet의 경우 오일이 계면활성제와 난류의 영향으로 미세한 크기의 방울로 형성되어 수중에서 부유상태로 존재하는데 계면활성제 양이 늘어날 수 록 oil droplet의 잔류량, 탁도 및 크기가 증가되는 현상이 나타났으며, 표면전위는 pH가 커질수록 낮아지며, 계면활성제 성분이 포함될수록 더욱 낮아지는 경향이 나타났다. 선박평형수내 외래종 생물군에서 부유성 미생물인 동식물성 플랑크톤과 병원성 세균이 포함되어 있으며, 플랑크톤이 약 30 ㎛ 이하, 세균이 약 5 ㎛로 이하의 크기분포를 나타내었다. 이와 같은 미생물의 표면전위는 pH가 커질수록 계면활성제 주입량이 늘어날 수 록 낮아졌다.

DAF공정에서 oil droplet을 Alum을 주입하지 않고 미세기포만으로 부상시킬 경우 계면활성제의 주입은 처리효율을 크게 저하시켰지만, Alum을 주입했을 때 계면활성제가 포함될 경우 처리효율을 크게 향상시켰다. oil droplet을 응집제를 주입하지 않은 상태에서 미세기포 운전조건인 압력과 회수율만을 변화시켰을 때 계면활성제가 포함된 경우보다 포함되지 않았을 때 처리효율이 높았다. 해수 용액조건에 따른 DAF공정의 처리효율에서 입자성 물질이 플록으로 형성되면서 플록공극에 oil droplet이 부착되면서 90% 이상의 높은 처리효율을 확인할 수 있었다. 그리고 응집제인 PAHCs, FeCl3, Alum 세 가지 경우에서 각각의 처리효율을 비교한 결과 고분자 응집제인 PAHCs가 가장 높았고, 다음으로 FeCl3, Alum순으로 나타났다.

오존을 수중에 가압시켜 발생시킨 DAF공정으로 오존이 물과 반응하여 형성된 자유라디칼에 의한 미생물을 소독시킬 경우 병원성 세균은 잔류세균이 거의 검출되지 않은 반면, 플랑크톤은 소독공정 후 잔류개체수가 나타났다. 이는 특히 식물성 플랑크톤의 세포구조가 세포막을 둘러싸고 있는 지질층인 실리카겔에 의한 것으로 판단되어진다. 가압수의 압력변화에 따라 잔류오존농도가 상승하는 경향을 나타냈는데 이는 압력영향에 따라 기포크기가 작고 발생량이 많아지면서 오존의 수중 용해율이 상승한 것으로 판단된다. 오존기포를 발생시킨 후 잔류오존농도가 커질수록 병원성 세균의 잔류군집수가 줄어들었는데 여기서 잔류오존과 세균간의 적정 접촉시간은 잔류오존농도별로 약 20분이었다.

이와 같이 Pilot plant 규모의 오존을 이용한 DAF공정에서의 적정 접촉시간 결과를 토대로 일반적인 실제 full-scale의 DAF공정에서 체류시간이 30분이라는 점을 고려하였을 때 오존기포를 이용한 DAF공정인 DOF공정으로 실제규모에서 소독효율을 충분히 높일 수 있다고 판단된다.

이러한 결과들은 오존기포를 이용한 DAF공정인 용존오존부상(DOF, Dissolved ozone flotation) 단일공정으로 선박평형수내 oil droplet 처리 및 미생물의 소독을 실제가 가깝게 효율적으로 수행할 수 있음을 보여주었다.