1. 서 론
2014년 6월 정부는 부처합동대책으로 “사회문제 해결 10대 실천과제 공동기획연구결과(안)”을 발표하였고 해를 거듭하며 사회문제가 될 정도로 광범위 및 악화 경향을 보이는 녹조 현상으로 인한 사회문제 발생 체계를 규명하였다[1]. 이의 대처 방안은 유입오염원 차단과 내부오염원 제거로 나뉘거나 예방 또는 발생 후 대책으로 구분될 수 있고, 발생 후에서도 발생 초기나 수질악화 후 등으로 시기별로 다르게 방안이 수립될 수 있다. 이들 중 녹조 현상이 심각한 수질악화 시기에는 미세조류를 침전, 파괴, 산화 등으로 처리할 경우 유출되는 AOM(Alage Organic Matter) 같은 부산물 등에 의해 수질이 재오염될 수 있으므로 조류를 물 밖으로 신속하게 수거하는 긴급 대책이 바람직하며, 많은 현장에서 긴급 대책에 부상분리 기술이 적용된 현장형 조류수거시스템(on-site algae collecting system, 이하 OACS)을 활용하고 있다.
이 시스템은 1990년대 무렵 호소에 대한 수질정화 용도로 일본으로부터 도입된 것으로 추정된다. 도입기부터 현재까지 다양하게 기술이 발전되어 여러 현장에 적용되었지만 대규모 공공수역에서 녹조발생이 심한 경우에 효율적으로 대응하기 위해서는 아직 많은 개선이 필요하다.
본 연구에서는 대규모 공공수역에서 녹조 현상이 심각한 수질악화 시기에 녹조 현상을 해소시키기 위한 긴급 대책의 필요조건을 고찰하고, 대책으로 주로 채용되고 있는 OACS의 발전 과정을 살펴보았다. 여러 가지 기술이 있지만 현장 적용을 통하여 상업적 검증이 이루어지지 않은 것은 배제하였고 비슷한 부류에 해당되는 것을 같은 종류로 분류하였다. 그리고 녹조 현상을 해소시키기 위해 OACS에 주로 적용되는 부상분리 기술이 갖춰야 할 필요 성능을 고찰하고 이를 기준으로 현장형 부상분리 기술의 개발 방안을 제시하였다.
본 연구를 통하여, OACS의 발전 과정 및 현재의 기술 수준을 고찰하여 활용도를 높이고, 심각한 녹조 현상의 해소가 필요한 다양한 현장에서 현장책임자가 어떤 공법이 맞는 것인지 선정할 수 있도록 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
2. 긴급 대책으로서 조류수거시스템이 갖춰야 할 조건
녹조 현상이 심각한 수질악화 시기에 투입되는 긴급 대책은 화재 시 소방관들이 119신고를 받고 소방장비를 챙겨 최대한 빨리 현장에 도착해 짧은 시간 내에 불을 끄는 것과 같은 유형의 대응이 필요하다. 조류증식비율이 호소 기준 최대 1.241/day(낙동강)에 달할 정도로 높아 녹조 현상이 매우 빠르게 확산될 수 있기 때문이다[2]. 따라서 작은 용량의 OACS로는 수질개선 효과가 당장 나타나지 않으며 조류증식속도를 조류제거속도가 따라 잡을 수가 없기 때문에 조류를 제거함에도 불구하고 오히려 수질이 악화되는 경우가 많다.
따라서 긴급 대책으로 OACS가 갖춰야 할 조건을 간단한 문장으로 표현하면 “대용량의 장비를 현장에 투입, 조류심화 구역까지 신속하게 이동하여 조류의 번식-확산 속도보다 더 빨리 수거-제거해야 한다.”이다. Fig. 1은 긴급 대책으로서의 일반적 OACS 공정 과정을 나타낸 것이며, 동시에 위 문장을 개념화하여 나타낸 것이다.
대규모의 공공수역에서 조류발생이 심화되는 구역은 흐름이나 바람 등의 조건에 따라 달라지기 때문에 대상 수체내에서 조류가 심화되어 있는 구역으로 수거시스템을 투입하는 시간을 최소화하려면 빠른 장비운반과 설치가 필수적인 요소이고 추가적으로 장비가 해당 구역으로 쉽게 이동 가능해야 한다. 녹조 현장에서 OACS가 갖춰야 할 빠른 출동 및 현장 접근을 간단하게 정의하면 신속대응성이라 할 수 있다.
시스템의 성능은 부상장비, 사용약품 등에 의한 부상효율, 부상슬러지를 모으는 포집효율, 포집된 슬러지를 수체 밖으로 꺼내는 수거효율 및 탈수효율 등에 의해 결정된다. 특히 효율에 중요한 영향을 미치는 것은 포집 및 수거효율로 포집과 수거공정이 빨라야 전체적인 효율이 높아진다. 또한 포집 및 수거공정이 비효율적이면 수거 시간이 길어지고, 시시각각 상황이 변하는 현장에서는 강수, 바람 등의 다양한 영향에 의해 부상슬러지의 확산이나 침전이 일어나 수처리 효과나 환경에 악영향을 미치게 되므로, OACS 일일처리용량의 대용량화를 위해서는 포집 및 수거공정 효율화가 반드시 필요하다. 이때 처리용량의 정량적 지표로 조류순수거량을 연구 개발하여 적용하는 것이 바람직하다고 판단된다.
대규모 공공수역에서 녹조 현상이 심각한 상태일 때 문제 해결을 위해 긴급 대책이 충족시켜야할 조건을 요약하면 1) 신속대응성, 2) 효율성, 3) 광대역 대용량이라고 할 수 있다.
3. 부상분리 관련 용어 구분
OACS에 주로 적용되는 부상분리(flotation technology) 기술은 50여 년 전 스칸디나비아 반도에서부터 전세계적으로 널리 사용되고 있다[3]. Fig. 2는 부상분리 기술의 일반적 처리 계통을 설명한 것으로, 응집제와 미세기포를 수중에 분사하면 미세조류 또는 오염물질과 응집제가 붙은 Pin-Floc에 기포가 부착되어 부력에 의해 수면에 모여 슬러지가 형성되고, 이를 포집-수거한 후 고액분리하여 제거하는 것이 기본공정이다.
우리나라 현장형 부상분리 기술은 에스아이비㈜ 등에 의해 1990년대 말부터 가압부상 기술의 현장 응용으로 태동한 후 현재까지 다양하게 파생되어 발전하였다[4]. 현장형 가압부상 또는 현장가압부상이라는 용어는 사전적인 정의는 아니며 전통적인 가압부상분리 기술과 구분할 때 반응조를 별도로 구비하지 않으면서 수중에 직접 약품을 살포하여 부상시키고 시스템의 수상이동이 가능한 공법들을 통칭하는 것으로 사용된다. 이러한 특성으로 인하여 녹조에 직접 대응할 때 상대적으로 적은 비용으로 많은 수량을 처리할 수 있으나 육상 고정식 시스템에 비해 부상된 슬러지의 수거 공정 자동화가 용이하지 않고 수거가 효율적으로 진행되지 않을 때 외부 영향(기상 등)을 받으면 슬러지가 침전 또는 유실되어 응집제 잔류가능성을 배제할 수 없는 문제점이 있다.
실무에서 기포 없이 조류나 오염물질을 부상시키는 의미로 사용되는 응집부상이라는 용어도 사전적 정의는 아니다. 응집부상에서 기포 없이 조류를 부상시킬 수 있는 원리는, 타감 작용을 하는 작은 비중의 물질이나 유기고분자응집제를 무기응집제와 혼합하여 수중에 분사한 후 대낮에 수온의 변화로 수체의 기체용해도가 낮아져 발생되거나 광합성에 의해 발생되는 기포 등을 응집제에 의해 발생된 Floc에 붙여 부상할 수 있도록 하는 것이다. 이 방식은 미세기포를 사용하는 것보다 부상효율이 낮고 Floc 부상시간이 많이 걸리며 무기응집제와 유기고분자물질의 수중 상호결합이 이루어지지 않으면 침전되어 수거되지 않는 Floc이 많아져 약품의 수중잔류가능성을 배제하지 못하게 되지만, 미세기포 발생 장비를 사용하지 않으므로 기술을 적용한 장비가 상대적으로 경제적이며 간단하여 쉽게 대용량화할 수 있다는 장점이 있다.
그리고 수중의 Floc 부상속도를 높이기 위해 무기응집제와 유기고분자응집제 및 지름 50 μm 이상의 소기포를 동시 사용하는 공법은 급속응집부상이라 구분하였다.
4. 현장형 조류수거시스템의 발전 과정
녹조 현상이 심각해 호소 수질이 악화되어 여러 악영향을 미치게 되면서 OACS는 작은 연못부터 자연/인공식 1천만톤 급 이상 대규모 공공수역까지 활용될 수 있도록 다양한 연구 개발이 시도되었다. 그 중 현장에서 실증단계까지 적용된 것은 여과 방식과 부상분리 방식 기술이었다.
Fig. 3은 여러 OACS 중 여과 방식 기술의 현장 적용 사례를 나타낸 것이다[5]. 장비가 단순하고 약품을 사용하지 않아도 되어 기술을 시스템에 적용하기 쉬운 장점이 있었으나 여과 기술의 특성상 미세조류를 효율적으로 제거하는데 처리용량의 한계를 지니고 있었다. 따라서 약품 사용으로 약품 잔류 가능성의 문제가 있지만 처리용량 증대가 상대적으로 쉬운 부상분리 기술이 적용된 OACS가 지속적으로 개발되어 왔다.
Fig. 4는 현장가압부상 방식의 초기 OACS 사례를 나타낸 것으로, 모든 장비는 육상에 설치되고 공원연못 등 작은 수역에 적용되었다[6]. 장비를 설치하고 처리수역 내에 오탁방지막을 설치하여 오탁방지막 내에서 약품과 미세기포를 살포하여 Floc을 부상시켜 인력과 펌프로 슬러지를 수거한 후 오탁방지막을 이동 설치하는 방식으로 운영되었다.
좀 더 큰 수체로 적용 범위가 넓어지면서 시스템은 바지선 위에 설치되는 형태가 되었다. Fig. 5는 바지선탑재형 OACS 현장 적용 사례를 나타낸 것으로, 현장가압부상 기술은 같지만 육상설치형에 비해 바지선탑재형은 수체 내에서 처리하고자 하는 구역으로 장비를 이동시킬 수 있었다[7]. 하지만 인력 또는 스키머펌프 등을 이용해 부상슬러지를 포집-수거하는 공정, 바지선과 오탁방지막을 이동 설치하는 방식은 기존방식과 유사하였고 슬러지의 부피를 줄이기 위해 탈수기에 의한 슬러지 탈수공정이 추가되었다. 이런 시스템은 장비 운반과 설치, 오탁방지막의 설치 및 슬러지 수거 과정에 많은 경비와 시간이 소모되어 개선이 절실하였다.
그 후 현장가압부상은 시스템 소형화, 오탁방지막 정형화에 따른 슬러지 수거 자동화 방향으로 발전이 진행되었다[8]. Fig. 6은 정형화 된 오탁방지막과 스키머를 구비한 OACS의 사례를 나타낸 것이고, 정형화된 오탁방지막과 소형 컨베이어벨트를 갖추고 선박 탑재형 장비의 컴팩트화를 실현시킨 녹조제거선 유형 사례는 Fig. 7로 제시하였다[9,10]. 기술의 차이는 있지만 2가지 모두 신속대응성과 공정 1회 수행 속도를 초기형 대비 두드러지게 향상시켰다는 특징을 지닌다. 수상에서 시스템의 자가 이동이 가능한 Fig. 6과 Fig. 7의 사례는 Fig. 5 사례와 비교할 때 한 단계 진보된 기술이었으므로 이들을 현장가압부상 version 2라고 구분하였다.
현장가압부상 version 2는 바지선 조립, 장비 탑재에 필요한 많은 시간, 비용 및 인원이 소수의 모듈 수송만으로 해결되어 신속대응성이 강화되었으며, 스키머 또는 컨베이어벨트를 사용해 슬러지 수거 자동화 실현으로 공정 1회 수행 속도 및 일일 처리용량이 크게 개선되었다. 그러나 장비들이 소규모화 되었지만 공정 자체가 단순화·최적화된 것은 아니었으므로, 여러 장비들이 한정된 공간 내에 탑재되어 갑판의 여유 공간이 매우 협소해 작업 인원의 이동이 불편하고 수거 슬러지를 일시 적재할 공간이 부족하였다. 또한 가압수량 대비 정형화된 오탁방지막의 크기가 작고 약품과 미세기포 살포 후 응집-부상되는 과정의 소요 시간도 적지 않아 조류수거를 연속적으로 수행하는 데 많은 문제점이 나타나 효율성과 일일 처리용량 증대를 위한 개선이 필요하였다.
위와 같은 문제 해결을 위해 제시된 다음 방안은 가압부상 장비를 이용하지 않고 수중 오염물질을 부상시키는 응집부상 기술이다. 용어구분에서 전술한 바와 같이, 이 공법은 가볍고 큰 Floc이 형성돼 수중 발생기포의 포집 효율을 높여 별도의 미세기포가 없어도 햇빛이 있으면 부상되기 때문에 간단한 장비에 단순한 운영으로 운영비를 크게 줄일 수 있다. 하지만 흐린 날씨 등 햇빛이 없을 때 작업상의 문제가 있으며 Floc의 부상시간이 길어 슬러지 수거 시간이 지체되는 부분은 개선할 점으로 남았다.
Fig. 8은 실증단계의 급속응집부상 기술 개념도와 OACS 실제 적용 사례(기흥저수지 살포시설)를 나타낸 것이다[11,12]. 이 기술은 녹조제거선과 같은 방식의 선체를 이용하여 약품살포와 수거를 하지만 가압부상 장비를 사용하지 않고 포집부의 전면이 개방되어 있어 앞으로 나아가면서 연속적으로 살포와 수거를 수행하는 방식이다. 이 기술은 탑재 장비 단순화로 녹조제거선보다 여유 공간이 많이 확보되고 연속 운전과 조류수거를 훨씬 쉽게 하였다. 문제는 전단의 포집부 넓이가 제한되고 개방되어 있다는 것으로, 포집부를 벗어난 부상슬러지는 바로 수거하기가 어렵고 많은 시간이 소요되었다. 또한 바깥으로 밀린 슬러지는 수면공간이 협소할 경우 호소 가장자리 등으로 밀려 수거가 매우 어려워 잔류슬러지가 될 가능성이 높아졌다. 신속대응성과 광대역 대용량 측면은 개선되었지만 잔류슬러지 부분을 완벽하게 해소하질 못해 결과적으로 수거방법에서 개선할 점(Fig. 8(d))을 남겼다.
급속응집부상 기술의 가장 큰 이슈는 부유된 모든 슬러지를 효율적이고 신속하게 수거할 수 있는 해결책을 모색하는 것이었다. 슬러지가 포집부를 벗어나지 않게 통제된 수거방법과 슬러지 적재 공간을 동시에 확보하기 위한 방안으로 약품살포선과 수거선을 분리하고, 그 사이를 오탁방지막으로 연결하였다. Floc 부상시간을 고려하여 선박과 같이 이동하는 폐쇄계 포집부 크기를 충분히 넓혔기 때문에 약간의 수류흐름이 있어도 순/역방향 진행으로 잔류슬러지 원천 차단이 가능하게 되어 포집-수거 공정 효율성과 광대역 대용량을 실질적으로 실현시켰다. Fig. 9는 급속응집부상 기술이 적용된 OACS 공정 진행 순서(서울시 석촌호수)를 사진으로 나타낸 것이고, Fig. 10은 완성된 급속응집부상 기술 디자인 개념도와 실제 적용된 사례(중국 태호)를 나타낸 것이다.
OACS에 적용되고 앞서 언급된 여러 가지 기술들 중 부상분리 관련 4개 기술을 주요 요소별로 분류하여 특징을 요약하였다(Table 1).
5. 조류수거시스템 성능 고찰 및 개발 방향
전술한 여러 OACS들과 기술들은 작은 연못부터 시작하여 대규모 공공수역까지 발생된 여러 수질문제들을 실질적으로 해결하기 위해 발전되어 왔으며, 대규모 공공수역에서 녹조 현상의 공학적인 해소를 위한 긴급 대책으로 OACS가 충족해야할 조건인 신속대응성, 효율성, 광대역 대용량 3가지를 발전시켜가는 과정이었다. 대상 수체가 어떤 특징을 가지느냐에 따라 어느 기술이 어떤 기준에서 비교우위를 나타내는지를 정성적으로, 상대적으로 비교하여 나타내었다(Table 2).
사용된 표현들은 상대적인 비교치를 나타낸 것이며 수치로 부연 설명이 필요한 부분은 괄호 안에 근사치로 제시하였다. 표의 왼쪽 기술에서 오른쪽으로 갈수록 신속대응성 중 현장에 장비를 설치하는 설치과정(일 단위)이 점점 빨라졌고 수상수상 이동성은 점점 향상되어 대상 수량 및 수체 종류 다양화에 기여하였으며 보 등 저유속 하천에 기술 적용이 가능하게 되었다. 표 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 소요 인력, 연료, 약품 및 감가상각비 등 운영비는 감소하였으나 일일 처리수량의 획기적 증가로 수량대비 운영비가 대폭 감소되었다.
일일 처리수량의 증가는 단기간에 최대한 많은 미세조류 및 수질오염물질의 수거로 이어져 처리 수질의 지속 효과를 크게 향상시켰고 미세조류 자체와 성장인자인 수질오염물질의 동시 수거로 조류증식비율을 극복할 수 있게 되었다. 수질의 지속 효과 유지엔 추가적으로 수질정화 작업 과정에 얼마나 잔류슬러지를 남기지 않느냐가 중요한데, 표의 오른쪽으로 갈수록 포집-수거 공정의 실시간화로 잔류슬러지 차단 효과가 향상되어 수질의 지속 효과 향상에 이바지하였다.
하지만 OACS에 적용되는 부상분리 기술은 여러 부분에서 개선되어야 할 사항이 남아있다. ① 보다 효율적인 수거공정, ② 대용량에 적합한 탈수공정, ③ 환경에 영향을 주지 않는 친환경응집제 개발, ④ 시스템 제작비 관련 원가절감 등이다. 또한 OACS는 여러 가지의 녹조 현상을 해소해야 한다는 관점에서 상수원 등에 활용될 무약품 조류수거 기술, 미세조류 원인유발물질이 많이 포함된 저니토 수거 등의 기술 개발도 필요하다.
6. 결 론
녹조 현상이 심각한 수질악화 시기는 수질 재오염을 막기 위해서라도 조류를 물 밖으로 빠르게 수거하는 긴급 대책이 바람직하며, 많은 현장에서 긴급 대책에 부상분리 기술이 적용된 OACS를 활용하고 있다. 본 연구는 OACS의 발전 과정과 적용된 4가지 부상분리 기술을 구분하여 성능을 고찰하고 수체 크기별 적합 기술을 정성적으로 비교하였다.
OACS는 녹조 현상이 심각할 때 긴급 대책으로 투입되는 시스템이므로 신속한 장비 설치 후 빠른 공정 1회 수행 속도와 많은 일일공정 횟수를 소화해야 한다. 공정 1회 수행속도 및 효율성에서 영향을 미치는 가장 중요한 인자는 포집과 수거공정이며, 이들이 자동화되면 전체 작업속도와 일일 처리수량이 증가한다.
OACS에 적용된 기술은 현장가압부상 version1, version2, 응집부상, 급속응집부상으로 진보될수록 장비의 단순소형화로 신속대응성 및 효율성이 향상되었으며, 소모품 탑재량과 슬러지 수거량 및 임시 적재공간도 증가하여 광대역 대용량이 실현되는 방향으로 개선되었다. 효율성 향상은 잔류슬러지를 크게 줄여 친환경성과 수질 지속효과를 향상시킴으로써 조류증식비율을 극복할 수 있는 조류제거량을 달성하게 되었고, 수량대비 운영비가 개선되어 기술의 경제성을 크게 끌어올렸다.
그러나 OACS에 적용되는 부상분리 기술은 여러 부분에서 추가적으로 개선되어야 할 사항이 남아있으며, 여러 수체에서 미세조류의 완전 제거를 실현하려면 신속대응성, 효율성 및 광대역 대용량의 지속적인 발전과 더불어 상수원에서 무약품 조류수거 기술, 저니토 수거를 통한 미세조류 원인유발물질 제거 기술 개발도 필요하다.
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