수질 프로세스 분석과 계측 <21>

김한결 기자
eco@ecomedia.co.kr | 2019-12-03 09:36:43
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[평형수 관리와 모니터링]

외래종이 한번 자리 잡기 시작하면 경제 또는 환경에 타격을 줄 수 있고 경우에 따라서는 보건 문제를 일으키기도 한다. 이것이 바로 선박 평형수를 관리해야하는 중요한 이유이며 수중 생태계에 외래종을 들여놓는 주범이기 때문에 더욱 문제가 되고 있다.
이러한 문제는 평형수에 실려 오지 않은 이상 이런 종이 나타날 리 만무하며 청소, 모니터링, 취수관 개장 비용까지 포함한다면 처치하느라 연간 천문학적인 비용을 지출하기까지 한다.

결국 평형수는 해운 작업을 안전하게 경제적으로 수행하는데 필수적이라고 생각하면 된다. 강철 선체 선박이 해상에서 안정적으로 운행하는데 평형수의 역할이 클 뿐만 아니라 선박의 균형 및 안정성을 유지하고 비 화물 항해 또는 하적 시에 구조적 통일성을 부여하는 등 중책을 맡고 있다. 또한 평형수는 해상 활동 중의 연료 및 물 소모를 상쇄하는데도 사용한다.

유엔의 산하 기관이며 해운과 조선에 관한 국제적인 문제들을 다루기 위해 설립된 국제기구로, 각국의 정부만이 회원 자격이 있는 정부간 기구인 국제해사기구(國際海事機構)가 있다. 물론 한국에는 한국해사안전국제렵력센터(IMOKOREA)
이러한 국제해사기구에서 협약으로써 선주는 평형수 처리를 통해 침습성 생물 종 확산을 방지해야 한다고 명시하고 있다.

이는 해양 생물종이 선박 평형수에 실려 새로운 장소로 이동하는 경우 생태, 경제, 보건에 심각하게 문제를 일으킬 수도 있다. 박테리아, 미생물, 소형 무척추동물, 알, 포자, 각종 생물 종의 유생 따위가 고유 환경으로부터 새로운 지역으로 옮아갈 수 있다. 외래종이 번식하여 침습 단계에 이르면 고유의 종을 누르고 유해생물 수준으로 폭증하는데 그 피해는 실로 엄청날 수 있다. 데이터로 확인할 수 있는 바, 생물 침습은 새로운 지역에 끊임없이 악영향을 키워간다.

이러한 이유로 협약을 준수하는 방법은 의외로 간단할 수 있는데 바로 총 잔류 옥시던트(total residual oxidant, 이하 TRO)를 매일같이 여러 차례 모니터하고, 결과에 따라 염소 발생기가 적정 수준의 출력을 내게끔 조절하여 TRO 농도를 맞추면 되는 것이다. 말은 간단할 수 있지만 사실 모니터링 공정은 부품이 많이 들 뿐 아니라 결점도 상당하다. 이러한 관계로 평형수 모니터링이 쉬운 일만은 아니다. TRO가 과다하면 평형수 시스템 부품의 부식을 촉진하는가하면 TRO가 부족하면 수생 생물이 살아남아 침습성 생물 종을 확산시킬 가능성이 있으니 여러모로 고민이 많을 수밖에 없다.

우리가 앞서 말한 ‘총 잔류 옥시던트’는 해수에 염소가 소량 녹아 들어가면 즉각적으로 브롬이 발생하는 것에 의미를 가지고 있다. TRO 모니터링이 만만치 않으니 일부에서는 ORP(oxidation reduction potential, 산화 환원 전위차)를 사용하는 경우도 더러 있는 편이인데 현재 시약식을 운용하는 염소분석기는 유지보수와 2차 폐수처리가 문제고 ORP전극을 이용한 방식도 선박에서 활용하는 환경에서는 적합지 않기에 고민이 이만저만 아닐 수 없다.

시중에 염소 분석기에는 크게 종류가 두 가지 있다. 하나는 비색계를 이용하여 염소 농도를 광학적으로 측정하는 반면, 나머지 하나는 암페로메트리를(전류 측정 방식) 바탕으로 한다.
다음 표에서 그 특징을 간단히 살펴보기로 한다.

 

염소 분석법 비교

구분

비색법

전류측정법

측정방법

광학적 방식으로 발색시약을 이용하여 염소를 측정

 

두 전극 간에 고정 전압을 걸면 환원으로 인해 전류가 흐르는 세기를 이용하여 염소를 측정함.

 

비고

 

발색시약 자체가 폐기물이라 폐수방류시설을 갖추고 있어야 한다.

 

생물 오손 환경에서는 대부분 제 구실을 못하는 경우가 많다.

 

 

PH와 유량의존이 의해 측정치가 달라질 수 있다.

2전극 방식의 경우라면 특히 안정성 및 내구성 면에서 3전극 방식에 못 미치는 경우가 많다.

 

 

한편 국제해사기구에서는 평형수 방출을 규제하고 평형수로 인한 외래종 유입 위험을 줄이고자 2004년 “선박 평형수 및 침전물의 제어 및 관리를 위한 국제 협약”을 채택하였으며 이에 적합한 요구사항이 필요하게 되었다. 이에 대응하고자 각종 제조사들은 평형수 처리 기술을 개발하는 한편 상용 제품을 출시하였다. 상당수는 지자체나 산업용수 및 폐수 처리 같은 육상 기반 용도에 근간하였는데, 평형수관리협약과 선상 운용에 따른 요구 사항을 만족하고자 변화를 거듭하면서 발전하였다. 일례로 몇 가지 중요한 요구사항을 살펴보면 다음과 같다.

 

이에 적합한 요구사항이 필요하게 되었다. 이에 대응하고자 각종 제조사들은 평형수 처리 기술을 개발하는 한편 상용 제품을 출시하였다. 상당수는 지자체나 산업용수 및 폐수 처리 같은 육상 기반 용도에 근간하였는데, 평형수관리협약과 선상 운용에 따른 요구 사항을 만족하고자 변화를 거듭하면서 발전하였다. 일례로 몇 가지 중요한 요구사항을 살펴보면 다음과 같다.

 

 

선박용 요구사항

pH 범위

 

7.0 pH 이상~8.5 pH 정도에서도 안정적이어야 한다.

 

유속 변동

 

0~2.0m/S 까지도 가능해야 한다.

 

통신 요구 사항

 

4~20mA / RS485 MODBUS-RTU 등 통신이 가능해야 한다.

 

온도범위

 

2~50°C 에서도 정확도를 유지할 수 있어야 한다.

 

일반적인 요구 사항

 

교정이나 유지 보수 없이도 최소한 1000시간 이상 작동 할 수 있어야 한다.

 

해수용으로 반드시 전극에 부식이나 부동화가 발생하지 않는 구조여야 한다.

 

생물 오손 및 관석에 강해야 한다.

 

참고 사항

 

[일반적으로 많이 사용되는 전기분해 공정의 원리]

 

 

반응 메커니즘은 아래와 같다:

 

애노드: 2Cl- Cl2 + 2e-

캐소드: 2H2O + 2e- 2OH- + H2

 

염소 기체는 물에 녹아 급속도로 차아염소산과 염산을 생성한다.

Cl2 + H2O HOCl + Cl- + H+

 

전체 반응은 다음과 같다.

NaCl + H2O NaOCl + H2  

 

평형수 모니터링에 있어 시판되고 있는 각종 염소측정용 센서를 살펴보면 다음과 같은 형태가 있다.

 

Tip

[해양환경국제전문가그룹-평형수작업반(Group of Experts on Scientific Aspects of Marine Environmental Protection-Ballast Water Working Group, 이하 GESAMP-BWWG)]의 권고 사항 일례

⦁활성가스 최대 허용 주입량은 흡입 평형수 처리용 오존 가스 주입량으로 3.0 mg/L여야 하며 이를 BWMS[선박평형수처리장치(Ballast Water Management System, 이하 BWMS)] 가동 내내 모니터링 및 기록해야 한다.

⦁활성 물질 최대 허용 배출 농도(maximum allowable discharge concentration, 이하 MADC) 는 TRO의 최대 농도를 DWTT 용도에 관계없이 Cl2로 0.2 mg/L이다. 배출 과정 내내 관리상 하자가 없는 TRO 센서로 모니터링 및 기록해야 한다.

 

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