1.1 선저폐수의 일반적 특성

해양오염방지법 및 선박으로부터의 기름오염방지를 위한 국제협약에서 규정한 Bilge 폐수란 선박에서 발생되는 유성혼 합물의 광의적 해석에서 기관실 저면이나 화물 펌프실과 타기 실 등과 같은 장소에서 기름과 물 등이 흘러내려 물과 기름이 임의의 비율로 혼합된 상태를 말하고 있다. 선저폐수 중에 포 함되어 있는 기름은 대부분이 자유 상태, 분산 또는 에멀젼 등 의 형태로 존재한다. 분산의 경우 기름입자의 면적과 그 안정 도에 의해 1차적 분산 상태와 2차적 분산 상태로 나누어 생각 할 수 있다.

1차적 분산 상태는 기름입자의 평균직경이 약 50 ㎛ 이상 으로서 난류와 대류흐름에 의해 물속에 불안정하게 분산되어 있는 상태이며 이 경우 단지 중력에 의해 쉽게 분리할 수 있 다. 2차적 분산 상태는 평균직경 1^~10 ㎛ 정도의 기름입자들 이 브라운 운동과 정전기력에 의해 비교적 안정되게 분산되어 있는 상태로 에멀젼화된 기름을 의미하며 이 상태는 물리적 방법인 비중 차에 의한 분리는 불가능하다.

1.2 유수분리 경사판 분리이론

콜레서(Coalescer)는 빌지중에 2차적 분산상태인 에멀젼화 된 기름입자들을 합착시켜 분리하는 것으로서 미세하게 흩어 져 있는 기름 또는 물을 Coalescer 에 의해 1^~2mm ￠의 크기 로 성장시켜 용기 내에서 순간적으로 비중 처리 할 수 있는 장치이다.

기름입자들은 충진물들 사이의 비틀어진 통로를 진행하면 서 충진물의 거친 표면에 부착되며 물의 흐름에 의한 견인력 이 이들의 부착력보다 더 클 때 까지 다른 입자들과의 합착에 의해 성장하게 된다. 결과적으로 2차 분산상태의 기름입자들 은 콜레서를 거침으로써 1차 분산상태의 입자크기로 성장하게 된다.

콜레서의 사용에 있어서 그것의 성능은 빌지 중 부유하 고 있는 고형물의 존재에 의해 크게 영향을 받는다. 고형물이 있으면 그것은 콜레서에 의해 걸러져 그 틈들을 막게 되며 따 라서 콜레서의 이용 가능 한 통로수가 감소하게 된다. 그 결과 콜레서를 지날 때 압력강하가 심하게 될 뿐만 아니라 나머지 틈들에서의 유속이 증가하게 되어 결국 기름입자들이 콜레서 를 통하여 물과 함께 빠져 나가거나 유량이 상당히 감소하게 된다. 일반적으로 이러한 문제를 해결하기 위하여 고형물을 제거하기 위한 필터를 전처리 장치로서 설치하거나 또는 충분 한 물로써 고형물을 역으로 씻어내도록 하는 백플러시 설비를 갖추고 있다. 백플러싱을 할 경우 백플러시 동작은 일정한 시 간간격 또는 일정한 압력강하가 검지되었을 때 자동으로 수행 되는 시스템이 구성되어 있다.

2.1 실험장치 및 실험방법

선박 배기가스 DePM, DeSOx 순환처리장치 (Recycle system)의 세정수의 PM과 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)를 효과적으로 제거할 수 있는 수 처리 장치의 개념도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Schematic diagram of Coalescer Filter

Wet-Scrubber에서 배출된 유분이 포함된 폐수는 원심분리 형 Purifier에서 1차적으로 유수분리가 이루어지게 된다. 원심 분리형 Purifier에서 처리된 처리수는 작은 입자의 분산유를 부상유로 바꾸어 유수분리를 도우며, 습식세정탑 순환수로 사 용할 수 있는 배출수를 생산하기 위해 2차적으로 본 연구진이 고안한 콜레이서(Coalescer)로 유입하여 총 10개의 경사분리 판을 통과하며 기름의 입자가 분산유에서 부상유로 전환하여 쉽게 부상 될 수 있도록 했으며, 부상된 기름입자는 기름 분리 판에서 기름과 물로 분리되게 되고 상단의 기름은 오일 저장 탱크에 유입되고, 하단의 처리수는 마지막 활성탄을 통과하여 NaOH를 이용한 pH조절 후 유출구로 배출되어 습식세정탑으 로 재사용되는 원리이다.

Fig. 2

Photograph of Coalescer in this study

2.2 분석방법

DO, pH, 탁도는 측정기기를 사용하여 측정하였으며. 해양 환경공정시험법을 이용하여 T-N, T-P, COD, SS과 같은 수 질분석실험을 진행하였다. GC-MS (Agilent Technologies 6890N Network gas chromatograph / Agilent Technologies 5973Network mass selective detector)를 사용하여 16종 다환 방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAH)를 정량 · 정성 분석하였다. 분석에 사용된 실험방법과 장비는 Table 2에 가스크로마토그래프와 검출기의 조건은 Table 3에 나타내었다. 실험기간은 선박 배기가스 DePM, DeSOx 순환 처리장치 (Recycle system)의 시운전 기간 10일 동안 3회 샘 플링 및 분석하여 Sigmaplot 12.0을 이용하여 통계 처리하였 다.

Table 2

Analytical method

Table 3

Gas chromatography analysis conditions for 16-PAHs

3.1 선박 배기가스 DePM, DeSOx 순환처리장치 (Recycle system)의 PM, PAH 제거효율 산정

1) 부유물질(suspended solid) 제거효율

습식세정탑 세정수 시스템 단계별 부유물질 제거효율을 Fig. 3에 나타내었다. 유입수의 부유물질이 4.68 – 5.01 mg/L(4.865±0.163 mg/L)로 나타났으며, 선박 배기가스 습식 세정 후 11.78 – 11.82 mg/L(11.80±0.020 mg/L)로 PM의 농 도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이후 원심분리를 통해 수층 과 입자가 분리되어 Purifier에서 배출되는 세정수는 유입수와 유사한 27.6 - 28 mg/L(27.80±0.190 mg/L)이었으나, 습식 세 정 이후 pH가 평균 5.8정도로 감소하여 세정수의 재사용을 위 해서는 배출수의 pH조절이 필요하다 판단하여 한차례 더 Coalescer(유수분리기)와 pH Mixer로 중화시킨 결과 배출수 의 부유물질이 2.01 – 2.05 mg/L(2.04±0.0265 ms/L)으로 재 사용하기 적합한 결과가 나타났다.

Fig. 3

Comparison of suspended solids on circulated water

2) 16-PAH 제거효율

습식세정탑 세정수 시스템 단계별 PAH 제거효율을 Fig. 4 에 나타내었다. 유입수인 일반해수의 PAH는 검출되지 않았으 며, 선박 배기가스 습식 세정 후 2.71 – 2.80 mg/L(2.7558±0.045 mg/L)정도로 PAH의 농도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이후 Purifier장치에서 원심분리를 통해 수층 과 입자가 분리되어 Purifier에서 배출되는 세정수는 유입수와 유사한 0.41-0.45 mg/L(0.4325±0.020 mg/L)정도이었으나, 습식 세정 이후 pH가 평균 5.8정도로 감소하여 세정수의 재사용을 위해서는 배출수의 pH조절이 필요하다 판단하여 한차례 더 Coalescer(유수분리기)와 pH Mixer로 중화시킨 결과 배출수 의 PAH가 불검출 되었다.

Fig. 4

Comparison of 16-PAH on circulated water

3) 세정수 중화율 (pH 조절) 측정

습식 스크러버 세정수 시스템의 단계별 산도 변화 및 중화 효율을 Fig. 5에 나타내었다. 유입수의 pH는 7.86로 나타났으 며, 습식 세정 후에 배출되는 세정수의 pH는 5.64로 습식 세 정 공정중 수소이온의 농도가 감소하는 것으로 나타났다. 이 후 세정수를 처리하는 1차공정인 Purifier장치 이후에도 습식 세정 후 세정수와 유사하게 pH 5.82로 나타났다. 세정수의 재 사용을 위해서 pH의 중화가 필요하며, 2차공정인 Coalescer (유수분리기)와 pH Mixer를 통해 세정수를 중화시켜 최종적 으로 배출되는 배출수의 pH농도는 평균 7.58로 중화되어 배출 되는 것을 확인하였다.

Fig. 5

Comparison of pH on circulated water

3.2 배출수 수질분석

1) 탁도(NTU)

각 단계별 탁도를 측정한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 유 입수의 탁도는 2.1 NTU로 나타났으며, 습식 세정 후에 배출 되는 세정수의 탁도는 16.2 NTU로 습식 세정 공정 중 탁도의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이후 세정수를 처리하는 1 차공정인 Purifier장치 이후의 탁도의 농도는 2.3 NTU으로 습 식 세정 이후 세정수 보다는 감소되었으며, 2차공정인 Coalescer(유수분리기)와 pH Mixer를 통해 최종적으로 배출 되는 배출수의 탁도는 평균 1.8 NTU로 초기 유입해수보다 탁도가 낮아 충분히 재사용 가능한 것으로 판단하였다.

Fig. 6

Comparison of NTU on circulated water

2) 화학적산소요구량(COD)

각 처리단계별 화학적산소요구량(COD)의 농도를 측정한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 유입수의 COD는 0.395 – 0.410 mg/L(0.4045±0.007 mg/L)로 나타났으며, 습식 세정 후에 배 출되는 세정수의 COD는 5.27 – 5.31 mg/L(5.2892±0.019 mg/L)으로 습식 세정 공정 중 COD의 농도가 증가하는 것으 로 나타났다. 이후 세정수를 처리하는 1차공정인 Purifier장치 이후의 COD의 농도는 2.28 – 2.32 mg/L(2.3037±0.019 mg/L) 의 농도로 습식 세정 이후 세정수 보다는 감소되었으나 세정 수의 재사용을 위해서 COD의 처리가 필요하며, 2차공정인 Coalescer(유수분리기)와 pH Mixer를 통해 최종적으로 배출 되는 배출수의 COD의 농도는 1.05 – 1.51 mg/L(1.2096±0.260 mg/L)정도로 유입해수보다 다소 높긴 하 나 재사용 할 수 있는 농도로 배출되는 것을 확인하였다.

Fig. 7

Comparison of COD on circulated water

3) 총질소(T-N)

각 단계별 총 질소 농도를 측정한 결과를 Fig. 8에 나타내 었다. 유입수의 총질소는 0.392 – 0.421 mg/L(0.4039±0.008 mg/L)정도로 나타났으며, 습식 세정 후에 배출되는 오염수의 총질소는 4.46 – 4.68 mg/L(4.5590±0.113 mg/L)로 습식 세정 공정 중 총 질소의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이후 세 정수를 처리하는 1차공정인 Purifier장치 이후의 총질소의 농 도는 1.79 – 1.95 mg/L(1.8823±0.083 mg/L)의 농도로 세정수 재이용에 적합한 수질이었으며 2차 공정 이후 총질소의 농도 는 1.82 – 1.88 mg/L(1.853±0.030 mg/L)로 2차 공정은 총질 소 농도에 영향을 미치지 않는 것으로 관찰되었다.

Fig. 8

Comparison of T-N on circulated water

4) 총인(T-P)

각 단계별 총인농도를 측정한 결과를 Fig. 9 에 나타 내었다. 유입수의 총인은 0.032 – 0.0355mg/L(0.034±0.0016 mg/L) 정도로 나타났으며, 습식 세정 후에 배출되는 세정수의 총인은 0.235 – 0.271 mg/L(0.254±0.0181 mg/L) 로 습식 세 정 공정중 총인의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이후 세 정수를 처리하는 1차공정인 원심분리장치(Purifier) 이후 총인 의 농도는 0.098 – 0.114 mg/L(0.105±0.0081 mg/L)의 농도로 습식 세정 이후 세정수 보다는 감소되었으나 세정수의 재사용 을 위해서 총인의 감소가 필요하며, 2차공정인 Coalescer와 pH Mixer를 통해 최종적으로 배출되는 배출수의 총인의 농도 는 0.045 – 0.048 mg/L(0.046±0.0017 mg/L)로 재사용하기 적 합한 농도로 배출되는 것을 확인하였다.

Fig. 9

Comparison of T-P on circulated water