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문제 정의
- 본 실험에서는 필터의 여과 성능을 평가하기 위하여 70㎛ 이상 수중 생물체를 투입하여 제거율을 평가하였다.
- 본 연구에서는 복합처리시스템에서 밸러스트수를 1차 처리하는 여과 공정의 처리 결과를 나타내었다.
제안 방법
- 1은 밸러스트수를 처리하기 위한 디스크 여과장치를 나타내었다. IMO의 밸러스트수 처리기준에서 수중생물의 최소길이가 50㎛이상의 생물체가 생존하는 것이 10개/nf미만으 로 전처리기준을 만족하고 후단에 위치할 살균 장치의 처리성능을 높이기 위하여 70㎛이상의 고형물을 여과할 수 있는 금 속 재질의 여과 망을 사용하였고, 유입 해수로 인한 압력으로부터 여과 망을 보호하기 위하여 직경 5mm의 다공판 스테인레 스 재질의 스트레이너 위에 여과 망을 설치하였다. 여과 모듈은 해수에 의한 부식을 방지하기 위하여 SUS 316으로 제작하였고, 디스크를 다단으로 쌓아서 여과 면적을 증대시켰다.
- 여과 공정은 여러 가지 인자가 상호작용하여 일어나기 때문에 정확한 처리 원리를 기술하기가 복잡하며 입자 표면 상호 간의 인력과 반발력을 포함하는 입체적인 효과로써 걸림 현상까지 고려해야 하므로 실험적 접근이 어렵다. 고체(여재)-고체 (탁질), 액체-고체(여재), 고체(탁질)-액체 등 세 가지 관계를 고려하여 본 실험에서는 전처리 공정의 효율을 평가하기 위한 인자로써 부유 고형물 제거율과 동식물성 플랑크톤의 제거 및 여과 유량(Flux)을 필터의 역 압력으로 측정하였다. 회분식 및 연속식 실험을 통해 최적 여과 조건을 찾기 위해 압력, 회전속도, 부유 고형물 농도 등 영향인 자를 변화시켜가며 처리효율 변화를 관찰하였다.
- 여과 결과에서 필터의 회전속도에 관계없이 처리 수의 수질은 거의 비슷하였다. 그러나 지속적인 유량감소 현상이 나타나 시간에 따른 여과 저항 및 처리 유량을 실험하기로 하였다.
- 단일 공법에 의한 IMO의 처리성능을 만족하기 힘들기 때문에 두 가지 이상의 처리 방법을 사용한 복합처리시스템을 구성하였다. 본 연구에서 사용된 복합처리시스템은 선박의 밸러스트수에 포함된 입자상 오염물질과 일정 크기 이상의 동식물성 플랑크톤을 제거하기 위한 여과처리공정과 나머지 동식물성 플랑크톤을 제거하기 위한 살균처리공정으로 구성되어져 있다.
- 단일 공법에 의한 IMO의 처리성능을 만족하기 힘들기 때문에 두 가지 이상의 처리 방법을 사용한 복합처리시스템을 구성하였다. 본 연구에서 사용된 복합처리시스템은 선박의 밸러스트수에 포함된 입자상 오염물질과 일정 크기 이상의 동식물성 플랑크톤을 제거하기 위한 여과처리공정과 나머지 동식물성 플랑크톤을 제거하기 위한 살균처리공정으로 구성되어져 있다.
- 선박에서 발생하는 밸러스트수를 처리하기 위한 전처리 실험으로 해수에 존재하는 입자상 오염물질과 식물성 플랑크톤 과 동물성 플랑크톤을 제거하기 위하여 연속여과장치를 이용하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- IMO의 밸러스트수 처리기준에서 수중생물의 최소길이가 50㎛이상의 생물체가 생존하는 것이 10개/nf미만으 로 전처리기준을 만족하고 후단에 위치할 살균 장치의 처리성능을 높이기 위하여 70㎛이상의 고형물을 여과할 수 있는 금 속 재질의 여과 망을 사용하였고, 유입 해수로 인한 압력으로부터 여과 망을 보호하기 위하여 직경 5mm의 다공판 스테인레 스 재질의 스트레이너 위에 여과 망을 설치하였다. 여과 모듈은 해수에 의한 부식을 방지하기 위하여 SUS 316으로 제작하였고, 디스크를 다단으로 쌓아서 여과 면적을 증대시켰다. 또한 필터의 탈부착을 용이하게 하여 필터의 교환이나 청소를 쉽게 하였다.
- 여과 시스템의 밸러스트수의 처리용량이 1而3海로 설계되었으나 최대 15m3/hu까지 운전이 가능하였고, 72시간 동안 여 과 시스템을 작동하여 처리 유량의 변화를 살펴보았다. 연속식 여과 공정과 희분식 여과 공정의 여과 수량의 변화를 Fig.
- 여과 지속 시간에 따른 여과 저항의 변화를 관찰하기 위해 시료에 고형물을 일정량 첨가하여 여과 망의 공극이 50㎛ 인 디스크 여과 모듈을 사용하여 실험 장치에서 고형물 농도와 회전속도를 변경해 가면서 여과 지속 시간에 따른 여과 저항의 변화를 측정하였다.
- 고형물 농도가 7mg/L인 해수는 고형물 농도가 조제 시료에 비해 상대적으로 낮아 시간에 따른 여과 저항의 변화는 거의 없었다. 조제 시료는 여과 시작 6시간 후, 펌프 입구 압력의 저하 가 3.0 bar에 도달하여 실험 시작 후 처음으로 역세를 실시하였으며, 이후 매 6시간마다 역세척을 실시하였다. 역세 회복압 력과 역세간격은 시간의 경과에 따라 낮아져서 처리 유량도 감소하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 해수를 공급하기 위하여 유입 펌프 와 필터에서 흡입하기 위한 여과 펌프를 함께 설치하였다. 필 터에 부착된 이물질을 제거하기 위하여 필터의 외부에 흡입 노 즐을 설치하여 유압 시스템으로 제어하였다. 필터를 구동장치로 회전을 시켜 흡입 노즐에서 일정한 양을 세정할 수 있도록 제작하였다.
- 또한 필터의 탈부착을 용이하게 하여 필터의 교환이나 청소를 쉽게 하였다. 필터 외부의 여과장치도 해수에 의한 부식을 교려하여 SUS 316으로 제적하였다. 해수를 공급하기 위하여 유입 펌프 와 필터에서 흡입하기 위한 여과 펌프를 함께 설치하였다.
- 필 터에 부착된 이물질을 제거하기 위하여 필터의 외부에 흡입 노 즐을 설치하여 유압 시스템으로 제어하였다. 필터를 구동장치로 회전을 시켜 흡입 노즐에서 일정한 양을 세정할 수 있도록 제작하였다. 여과와 역세척이 동시에 수행하도록 하여 처리성능을 향상시켰다.
- 고체(여재)-고체 (탁질), 액체-고체(여재), 고체(탁질)-액체 등 세 가지 관계를 고려하여 본 실험에서는 전처리 공정의 효율을 평가하기 위한 인자로써 부유 고형물 제거율과 동식물성 플랑크톤의 제거 및 여과 유량(Flux)을 필터의 역 압력으로 측정하였다. 회분식 및 연속식 실험을 통해 최적 여과 조건을 찾기 위해 압력, 회전속도, 부유 고형물 농도 등 영향인 자를 변화시켜가며 처리효율 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 해수는 2005년 5월에 한국해양대학교 근해(35°-04'-32 ”N, 129°-05 '-44" E) 에서 수중 펌프를 설치하여 수면에서 2m 아래의 해수를 채수하였고, 일정한 성상을 유지하기 위하여 10톤의 저장 탱크 2개에 채워서 실험하였다. 본 실험에 사용된 해수의 성상은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 결과를 해석하기 위하여 적용한 실험 방법은 해양환경공정 시험 법과 Standard Method를 이용하여 해수에 포함되어 있는 성분을 분석하였다. 실험을 한 분석항목 및 사용기기를 Table 2에 나타내었다(해양환경공정시험법 1993, Standard Method 1992).
성능/효과
- (1) 흡입압력이 필터 회전수 20rpm에서는 40.5mmHg이고 40rpm에서는 36.6mmHg이며 60rpm 이상에서는 35mmHg로 필터의 회전수에 따라 여과압력의 변화를 보였고, 회전수를 증가시키면 필터에 부착된 오염물질을 제거가 가능하였다. 하지만 60rpm 이상에서는 여과압력의 변화를 관찰할 수가 없었다.
- (2) 필터의 막힘 현상으로 역세 회복압력과 역세간격은 시간의 경과에 따라 그래프의 간격이 조금씩 좁아지고 처리 유량 도 감소하는 것을 관찰할 수 있었다.
- (3) 연속식 여과 공정과 회분식 여과 공정에서 여과 수량의 변화의 차이는 크게 나타나지 않았고 선박의 특성이나 처리의 형태에 따라 연속식과 회분식의 방법을 적절하게 적용할 수 있을 것이다.
- (4) 본 처리장치를 연속적으로 사용하여 해수에 있는 70㎛이상의 동물성 플랑크톤은 100% 제거하였고 식물성 플랑크톤은 98% 정도 제거하였으나 필터를 여과한 식물성 플랑크 톤은 후단에 있는 살균처리 공정을 이용하여 처리하여야 한다.
- 한국해양대학교 근해 해수 중의 동물성 플랑크톤의 제거는 제거율 100%, 식물성플랑크톤의 제거율은 98%로 높은 제거 효율을 보였고, 식물성플랑크톤의 일부가 필터를 통과한 것으로 판단되었다. 따라서 본 여과 시스템을 적용하여 70㎛이상 수중 생물체를 대부분 제거할 수 있었다.
- 4에서는 여과 공정에서 역세척 처리를 동시에 수행할 때 변화하는 압력의 변화를 나타내었다. 시간이 지남에 따라 압력이 증가하나 190mmHg로 일정하게 유지되어 안정적인 처리성능을 나타내었다.
- 0 bar에 도달하여 실험 시작 후 처음으로 역세를 실시하였으며, 이후 매 6시간마다 역세척을 실시하였다. 역세 회복압 력과 역세간격은 시간의 경과에 따라 낮아져서 처리 유량도 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이것은 필터의 눈 막힘 현상으로 인해 케이크 저항이 커지기 때문이며 역세 회복압력이 초기보다 감소하는 것은 진공 여과압력이 강하여 필터의 여과 공정 사이에 이물질이 단단히 막혀서 역세압을 견디기 때문으로 판단된다.
- 한국해양대학교 근해 해수 중의 동물성 플랑크톤의 제거는 제거율 100%, 식물성플랑크톤의 제거율은 98%로 높은 제거 효율을 보였고, 식물성플랑크톤의 일부가 필터를 통과한 것으로 판단되었다. 따라서 본 여과 시스템을 적용하여 70㎛이상 수중 생물체를 대부분 제거할 수 있었다.
후속연구
- 연속식 여과 공정이 회분식 여과 공정에 비해 여과 수량이 약간 많이 나왔으나 두 방식 다 연속적으로 여과 공정 을 수행하는데 문제점은 발견할 수 없었다. 선박의 특성이나 처리의 형태에 따라 연속식과 회분식의 방법을 적절하게 적용 할 수 있을 것이다.
- 하지만 70㎛필터로는 동식물성 플랑크톤의 대부분이 필터를 통과한 것으로 판단되어 수생생물의 제거는 불가능한 것으로 판단되며, 밸러스트수에 포함되는 수생생물 사멸을 위한 장치가 필요한 것으로 판단되었다.
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