하천구조체 활용으로 하천 내 녹조관리

최근 발생하는 녹조문제는 부유성 조류인 남조류가 수표면을 중심으로 대량 증식하는 현상이다. 조류는 물속에서 영양염류(질소, 인 등)를 기반으로 성장하는 광합성 미생물이며 국내에서는 심각한 사회문제 중 하나로 인식되고 있다.

녹조발생 패턴은 기상의 영향을 크게 받으므로 최근 이슈인 기후변화와도 관련이 있다. 갈수록 국지적으로 변화하는 강우 패턴은 향후 녹조발생 경향을 점차 예측하기 어렵게 하고 있다.

따라서 녹조 발생을 억제하고 안전한 상수공급을 위해서는 다양한 녹조 제거 기술을 개발하고 관련 기술의 효과검증을 실시하는 등 정부차원의 보다 현장에 가깝고 실증적인 대책마련이 필요하다.

하천구조체 활용한 하천 내 녹조관리 기술 개발

▲ 하천 녹조 연구단 개념도
▲ 하천 녹조 연구단 개념도

이에 국토부는 앞선 문제점들을 개선하기 위해 범부처 녹조연구사업의 일환으로 ‘하천구조체를 활용한 하천 내 녹조관리 기술 개발’의 R&D 연구단을 추진하였으며 현재는 물관리 일원화로 인해 환경부로 개편했다.

본 연구단(단장 박재로)은 구조체를 이용하여 녹조발생을 사전에 억제하거나, 녹조 대량 발생 시 이를 저감할 수 있는 신속한 처리기술 개발 및 현장적용을 주요 목표로 제시하고 있다.

▲ 박재로 연구단장
▲ 박재로 연구단장

또한 본 연구과제는 기존의 실험실 규모의 연구와는 차별적으로 현장적용 및 검증을 통해 각 세부별 요소기술들이 통합 테스트 베드(Test-bed)를 구축하여 결과를 도출 할 수 있게끔 진행 중이다.

본 연구과제는 수상형 긴급방제기술과 육상형 사전예방기술의 두 가지 영역으로 구분한다. 수상형 긴급방제기술은 녹조 대량 발생 시 신속대응 및 처리가 가능한 경제적인 수상형 긴급방제기술 개발 및 현장 검증이 주요 내용이다.

하천에서 발생한 녹조를 드론(UAV-S)을 활용하여 2시간 이내에 우심지역을 진단한 후 하천녹조지도를 작성하고, 다양한 요소기술(차량탑재형 가압부상기술, 천연녹조제어제, 수상형 녹조 수거선 등)들을 현장조건에 적합하게 투입하여 48시간 이내에 신속하고 효율적인 대응을 목표로 하고 있다.

육상형 사전예방기술은 하천에 직접 유입되는 녹조발생 원인물질(Total Phosphorus, T-P)을 사전에 차단 및 저감시키기 위해 하천에서 활용하는 구조물, 차집수로의 기능을 향상시키는 기술이며 현재 경기도 오산천에 통합 테스트 베드를 운영하고 있다.

본 연구는 현재 4차년도 진행 중이며, 주요 연구 성과로는 국내외 논문 19건, 특허출원 17건, 특허등록 2건 등을 포함한 현장적용 및 시연 19건, 관련 기술 사업화 6건(5억7000만 원) 등이 있으며 현재 진행 중이다.

또한 연구단 차원의 성공적인 진행을 위해 각 세부별로 통합 테스트 베드 운영을 지원하고 있으며, 이를 통해 현장적용성이 강화된 적극적인 녹조대응 기술이 구축될 수 있을 것으로 전망되고 있다.

< 연구과제 개요 >

▪사업명 : 물관리연구사업
▪발주처 : 국토교통과학기술진흥원(2018년 8월 한국환경산업기술원으로 이관)
▪연구과제명 : 하천구조체를 활용한 하천 내 녹조관리 기술 개발
▪주관연구기관 : 한국건설기술연구원
▪연구책임자 : 박재로 연구위원
▪총 연구기간 : 2015년 7월 1일 ∼ 2019년 12월 31일(4년 6개월)
▪당해 연도 연구기간(4차년도) : 2018년 1월 1일 ∼ 2018년 12월 31일(12개월)
▪총 연구개발비 : 62억5200만 원(정부출연금 : 48억700만 원, 기업부담금 14억4500만 원)
▪참여기업 : ㈜경호엔지니어링종합건축사무소, ㈜에스디알앤디, 엠씨이코리아㈜, ㈜한국아쿠오시스, 동산콘크리트산업㈜, 청호환경개발㈜, 에덴녹화사업(주)

연구단에서 추진 중인 녹조관리 기술 등을 소개한다.

UAV를 활용한 2차원 하천 녹조 지도

▲ 한국건설기술연구원 황태문 연구위원
▲ 한국건설기술연구원 황태문 연구위원

기술 개요

본 기술은 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 이용하여 대상지역의 2차원 하천 녹조 지도를 작성하는 것이다. 원격탐사(Remote Sensing)기법, GIS 분석, 실시간 수질 측정 기법 등이 사용된다.

녹조 발생 모니터링을 위해서는 조류 증식 지표인자인 클로로필-a 농도와 영상데이터 간의 상관관계 분석을 위한 현장조사 데이터와의 검증을 위한 데이타베이스 축적을 통해 오차분석과 정확도 향상을 위한 연구가 진행되어야 한다.

생성된 2차원 하천 녹조지도를 바탕으로 오염이 심한 지점에 하천 내 녹조를 최적처리하기 위해 개발 중인 기술을 현장에 직접 적용 평가했다.

차별성 및 효과

기존 기술

▷ 피코시아닌 센서 또는 클로로필-a 센서 등을 활용한 측정(1차원)
▷ 점단위 측정으로 하천의 전체적인 현황 파악이 어려움

개선 방안

▷ UAV 활용기술 적용(2차원 하천도면 확보)
- 장점 : 원하는 장소를 신속하게 2차원 촬영 가능
- 조류 농도별 예측 가능한 2차원 하천지도 작성 가능

▷ UAV 촬영과 수질 결과가 거의 동시에 이루어지기 때문에 수질 모니터링 결과의 정확성이 높음

⏹적용기술 : UAV 촬영으로 인한 하천녹조지도 작성, 2차원 하천 모니터링 기술
⏹목적 : 하천 내 조류발생 시 2차원 하천녹조지도 작성으로 대발생 지역 확인, 긴급한 지역에 녹조제거기술 투입
⏹적용장소 : 하천, 호수 등 UAV를 촬영할 수 있는 모든 지역
⏹장점 : GPS 기반 UAV를 활용한 하천녹조지도 작성을 통한 면단위 하천환경관리 현장적용(국내 최초)
- 녹조피해면적, 처리구역설정, 녹조제거비용산출, 주변 비점오염원시설 영향 검토 등 가능
- 녹조 중점 발생지역 선정 가능 및 현작적용 기술 신속대응 가능

기술 내용

신속한 하천녹조지도 작성 절차 수립 및 활용가능성 현장 확인. 클로로필-a 모니터링이 가능한 2차원 하천 녹조지도 작성을 통한 녹조피해면적, 우선 처리구역설정, 녹조제거 비용산출, 주변 비점오염원시설 영향 검토, 주변 습지 등 조사 가능하다.

녹조 중점 발생지역에 대한 지속적인 모니터링을 통해 종합적인 하천환경 대책수립에 활용 가능하다.

하도 내 신속한 녹조제거를 위한 차량 탑재용 녹조저감기술

▲ ㈜경호엔지니어링 오홍석 연구소장
▲ ㈜경호엔지니어링 오홍석 연구소장

기술 개요

차량탑재용 녹조처리시스템은 하천 내 조류발생 시 하천변, 홍수터, 인공습지 등 선박접근이 불가한 지역을 대상으로 선회식 가압부상기술을 활용하여 녹조를 수체 외부로 신속하게 제거할 수 있는 기술로 구조가 간단하고 경량화하여 경제적이며, 고효율 처리가 가능한 녹조저감기술이다.

차별성 및 효과

기존기술

황토 살포

▷ 2차 오염 유발, 하천 생태계 교란
▷ 황토 확보를 위한 임야 훼손
▷ 지속적 황토 사용으로 인한 어패류 집단 폐사 위험성

개선 방안

신속 대응이 가능한 차량 탑재형 녹조제거 기술 적용

▷ 하천 내 녹조를 하천 외부로 직접 제거(2차 오염 피해 발생 방지)
▷ 이동이 용이하여 녹조발생지역 신속 투입 가능
▷ 투입 인력 대비 녹조 제거 최대 효과(고효율)

⏹적용기술 : 차량 탑재형 선회식 가압부상기술
⏹개발목적 : 조류경보제에 의한 녹조 ‘대발생시’ 하천변 우심지역에 이동형 설비로 신속하게 투입하여 ‘관심’ 이하 단계로 수체 내 녹조제거
⏹적용장소 : 하천변, 홍수터, 인공습지 등(선박접근 불가지역), 보 인근 소하천 및 우심지역

피해 방지

기술 내용

차량탑재형 선회식 가압부상기술 개발 : 선회식 가압부상 반응조의 특징은 유입원수(Water inlet)(air-saturated water)가 중심축에서 왼쪽으로 편향되게 유입된다.

유입 속도 에너지가 반응조 내부의 물을 시계 반대방향으로 선회(cyclonic)를 유도. 생성된 마이크로버블은 반응조 내(contact zone) 체류시간을 증가시키고 입자 및 녹조슬러지를 부상시켜 중심관으로 외부로 배제하고, 처리수는 수체로 전달한다.

신속대응 수상형 조류수거시스템

▲ ㈜에스디알앤디 정순우 대표이사
▲ ㈜에스디알앤디 정순우 대표이사

기술 개요

기존 기술의 문제점인 ▷처리용량한계 ▷부상슬러지 미회수 ▷포집-수거의 낮은 효율 ▷조류증식률 미극복 등을 개선해서 대용량, 이동용이성, 신속대응성, 친환경, 효율성을 갖는 수상형 조류수거시스템이다.

수체의 조류상습발생 구역에 신속하게 출동, 수중 조류증식률을 넘는 조류수거가 가능한 자가이동형 시스템이다.

차별성 및 효과

기존 기술 : 1선박 시스템

▷ 약품 살포겸 수거선 → 조류, 영양염류 제거량 中
▷ 조류증식률을 넘는 조류수거량 확보에 어려움
▷ 부유슬러지 미회수 가능성, 슬러지 수거량 中
▷ 중급 호소 정도의 처리수량에 적합함
▷ 기존 살포/수거선 : 2블록 조립형 바지선
▷ 매우 무거움, 운반이 복잡함, 조립 및 해체 어려움
▷ 일 처리용량 및 포집 효율이 떨어짐

개선기술 : 2선박시스템

▷ 예인선/수거선 분리 → 조류, 영양염류 제거량 大
▷ 조류증식률을 넘는 수거량, 신속한 상황개선
▷ 폐쇄계 구성, 미회수 거의 없음, 슬러지 수거량 大
▷ 댐, 보 등 대형 호소 급 처리수량에 적합함
▷ 개발 예인선 : 힌지(날개) 부착 선박
▷ 개발 슬러지 수거선 : 1블록 단일 모듈 바지선
▷ 가벼움, 운반용이, 조립과정이 필요 없음
▷ 일 처리용량 및 포집효율이 개선됨

⏹적용기술 : 수상형 녹조수거기술 - 처리용량 3만 톤/일 이상, 예인선+슬러지수거선 2선박 구성
⏹개발목적 : 댐, 보 등 대형 호소에서의 대규모 녹조에 대응하여 신속한 상황개선을 위한 대용량 수상형 녹조수거
⏹기술장점 : 가볍고 운반이 용이하며 현장에서의 조립과정이 필요없다, 일 처리용량 및 포집 효율이 개선된다.

기술 내용

조류수거시스템 예인선

- 특징 : 동력선박, 슬러지 수거선을 예인함(와이어 및 오탁방지막 2ea로 연결)
- 외형 : 10 톤 장축 트럭 탑재를 위한 선박 크기 3m W * 10m L * 1.5m H
- 성능 : 선외기 100 HP, 최소부력 15 톤(선박 안전운전을 위한 성능)
- 힌지 암 8.5 m * 2 Set

조류수거시스템 슬러지 수거선

- 약 3만 톤/일 이상 일 처리수량에 대한 실시간 수거 실현
- 슬러지 회수 자동화, 잔류슬러지 원천 차단 가벼운 중량, 수송에 용이

조류제거제 활용 하천 녹조제거기술

▲ 엠씨이코리아(주) 김형철 연구소장
▲ 엠씨이코리아(주) 김형철 연구소장

기술 개요

지구 온난화에 따른 조류발생 일수를 증가한다.

천연식물 및 광물을 주원료로 조류제거제를 개발, 수질 안전성, 효과성 및 경제성을 달성한다.

댐 저수지 및 4대강 보를 대상으로 수질 개선을 주도한다.

오염된 호소의 수면 위에 살포하여, 수질악화 원인인 조류 및 각종 유해물질 등과 반응하여 이를 응집 부상시켜 수체 밖으로 제거하는 기술로서, 슬러지 퇴적에 의한 2차오염 예방이 가능하다.

차별성 및 효과

기존 기술

▷ 황토 등의 활용 → 조류제거효율 20% 내외
▷ 조류슬러지 침전 → 2차 오염 발생

개선 기술

▷ 본사 개발 조류제거제 적용 → 조류제거효율 80% 이상
▷ 조류슬러지 부상 제거 → 2차 오염 예방
▷ 조류대발생 긴급 방제기술 실증 및 상용화

⏹적용기술 : 조류제거제 살포가 가능한 녹조제거시스템을 이용한 녹조 제거기술
⏹목적 : 하천 내 조류 대발생 시 48시간 이내 신속대응 가능한 녹조제거시스템
⏹적용장소 : 하천, 보 주변, 소하천 및 우심지역
⏹장점 : 기존의 황토살포 등을 통하여 슬러지를 침전시켜 2차 오염을 유발시키지 않고, 조류를 응집-부상 시켜 수체 밖으로 제거하여 근본적인 오염원을 제거하여 2차 오염을 예방할 수 있다.

기술 내용

⏹약품원료 : 타감작용(Allelochemicals) 밤나무, 상수리나무, 녹차 등에 포함된 탄닌산
⏹부상 : 약품과 녹조의 명반응에 의한 기포 발생으로 부상하여 이를 수체로부터 수거

<위의 모든 연구는 국토교통부 물관리연구개발사업의 연구비지원(과제번호 18AWMP-B098632-04)에 의해 수행됐다.>

<조혜영 기자>

저작권자 © 참좋은환경 무단전재 및 재배포 금지