환경기술개발사업 최종보고서․초록

1. 최종보고서 제출서

2009년도 환경기술개발사업에 의하여 완료한 “정수처리장 조류 성장방지 세

라믹 판넬 성능평가 및 개선”에 관한 연구”의 최종보고서를 첨부와 같이 제출

합니다.

첨부 : 1. 최종보고서 10부.

2. 자체평가의견서(주관연구기관, 참여기업) 각 1부.

3. 연구성과 활용계획서 1부.

4. 기술개발성과확약서(참여기업 대표) 1부.

2009년 3월 31일

주관연구기관 :주식회사 웰쳐화인텍

연 구 책 임 자 : 김 희 곤 (인)

주관연구기관장 : 김 희 곤 직인

환 경 부 장 관 귀 하

과제번호 061-071-043최종보고서(완결본)

정수장 효율향상ᆞ고도처리기술

Improvement of drinking-water treatment plant

and advanced water treatment technology

정수장 침전지의 배수로 이끼, 조류의 성장방지 및

제거자동화 시스템 실증화 사업

System development for preventing growth of algae and

moss in spillway of sedimentation basin in water

treatment plant

주식회사 웰쳐화인텍

환 경 부

과제번호061071043정

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업

환경부

뒷면

주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 사업의 차세대 핵심환경기술

개발사업의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

차세대 핵심환경기술개발사업의 연구개발결과임을 밝혀야

합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 아니됩니다.

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “정수처리장 조류 성장방지 세라믹 판넬 성능평가 및 개선”과제

의 최종보고서로 제출합니다.

2009년 3월 일

주관연구기관명 :주식회시 웰쳐화인텍

연구책임자 :김 희 곤

연 구 원 :고 영 기

〃 :이 우 재

〃 :김 열

(세부)위탁연구기관명 :한국과학기술연구원

(세부)위탁연구책임자 :안 규 홍

연 구 원 :송 경 근 조 진 우

조 강 우 기 동 원

김 상 돈 오 해 석

김 기 팔 오 동 섭

김 태 균 윤 민 혁

서 민 아

- i -

사업명 차세대 핵심환경기술개발사업 기술분류 (실증)

연구과제명정수장 침전지의 배수로 이끼, 조류의 성장방지 및 제거 자동화

시스템 실증화 사업

최종성과품 침전지 세라믹 코팅 판넬

수행기관

(주관기관)

기관

(기업)명주식회사 웰쳐화인텍 설립일 2007년12월21일

주소 서울특별시 서초구 서초동 1490-25 일흥빌딩 6층

대표자

(기관장)김희곤 연락처 02-761-0324

홈페이지 www.wellture.com 팩스 02-761-0385

연구과제

개요

주관연구책임자 김희곤 소속부서 대표전화

E-mail

017-427-7723

hgkim@wellture.com

실무담당자 고영기전화

E-mail

011-244-4472

ykko@wellture.com

참여기업

총사업비

(천원)

정부출연금민간부담금

합계현금 현물

총연구기간

연구개발

결과

최종목표

상․하수처리장 침전지의 배수로, 경사판 및 웨어 등에 부착 성장하는 이끼, 조류 및 기타 부유물질을 효율적으로 방지함으로써 처리수질

을 향상시키고 부착물 제거에 소요되는 유지경비를 절감하도록 하기

위한 친수성 세라믹 코팅 판넬의 현장검증 및 최적화를 통해 개발 기

술의 실증화를 달성함

개발내용 및

결과

부착방지용 세라믹 코팅판넬 시스템의 스케일업 기술 및 시공기술

최적화 연구개발내용 및 결과는 다음과 같다.

(1) 초친수성 항부착세라믹 코팅판넬 장치의 최적 조건 도출

초친수성 항부착 세라믹 코팅시 공기 중 이물질이 섞여 들어가 코

팅 표면에 조도를 증가시키면 약간의 충격시에도 코팅이 벗겨지는 주

요 원인이 되어 밀폐 조건에서 코팅 작업을 수행하였으며, 1년 이상의

내구성 문제가 없었다.

(2) 현장 설치 대상 정수장 선정

뚝도 정수장과 성남 수자원공사 정수장을 세라믹 코팅 판넬 설치

대상 정수장으로 선정하였으며, 성남 정수장에서 부착조류 및 부유조

류량을 장기모니터링 하였다.

(3) 부착조류, 이끼 등의 성장방지 및 제거율 성능평가․타당성 검증

보고서 초록

- ii -

- 부유조류량 모니터링 결과 세라믹 코팅 판넬을 설치한 배수로와 설

치하지 않은 배수로의 큰 차이점이 없었으며, 이는 침전지 내 부착되

어야 할 조류들이 부유하여 다음 정수처리 과정인 여과지에 영향을 줄

수 있는 가능성이 없다고 할 수 있다.

- 부착조류량 변화 모니터링을 사진촬영과 클로로필-a 측정을 통해

수행한 결과 여름철의 경우 최대 400배 정도의 조류 제어 효과가 있

음을 알 수 있었다. 또한 조류 증식 속도가 빠른 여름철의 경우 침전

지 배수로에 조류가 증식하는 초기속도, 누적속도의 경우 세라믹의 경

우 각각 0.001~0.02 ug/cm2․day, 0.001~0.053 ug/cm2․day, 시멘트의 경우 각각 0.001~0.309 ug/cm2․day, 0.005~1.043 ug/cm2․day으로서 세라믹 재질의 성능이 우수함을 확인하였다.

- 세라믹 판넬의 경우 부착되어지는 조류나 이끼의 경우, 탈리하기

위해 다른 고압장비나 도구를 사용하지 않아도 될 정도로 손으로 쉽게

제거 가능하였다.

- 침전지 배수로 옆면의 경우에서도 클로로필-a의 실험결과 부유조

류량과 비슷한 0.2ug/ml 정도로서 거의 부착되지 않았음을 알 수 있

었고, 배수로 안쪽으로 유입부분의 경우 수리학적 특성상 이물질들이

있었지만, 마찬가지로 손으로 쉽게 제거가능하였다.

- 세라믹 판넬 설치하고 1년이 지난 후 제거하였을 때 세라믹 코팅

판넬을 설치한 바닥면의 상태는 설치하기 전과 같은 상태를 유지함하

였으며, 다른 이상이 없음을 확인하였다.

개발기술의

특징․장점

개발성과를 직접 적용할 수 있는 상․하수처리장이 있고, 웨어나 배수로의 조류, 이끼성장과 부착을 사전에 방지 할 수 있고, 항부

착성 세라믹판넬에 부착된 이끼와 부유물질은 scum blader 또는

weir cleaner에 고정시킨 고압살수기와 브러쉬를 이용하여 쉽게 탈

리시킬 수가 있다. 그러므로 항부착성 세라믹 판넬장치를 이용하여

조류, 이끼 및 부유물질의 부착성장을 방지하고, 고압살수기 및 브러

쉬를 이용하여 조류 및 이끼 등을 효율적으로 제거할 수 있는 자동

화 시스템을 개발함으로써 청소비 와 관리운영비를 절감할 수 있어

어느 기술보다도 경제적인 경쟁력을 가질 수 있다는 것뿐만 아니

라 환경기술분야의 상용화를 앞당길 수 있는 장점이 있다

기대효과

(기술적 및

경제적 효과)

(1) 기술적 측면

기술의 수출 가능여부-중국, 동남아 지역 및 선진국 등에 수출

품으로 성장 가능성이 높다

(2) 환경적 측면

-동 연구과제는 초친수성 항부착 세라믹재료를 사용함으로써 유

기질 항균 paint로 처리할 수 없는 분야에 널리 적용할 수 있으

며, 제조와 사용에 있어서 공해물질이나 유해물질을 배출해낼 영

향은 없다.

-이끼 및 조류 등의 부착성장이 어렵고, 부착되어도 가벼운 압

력이나 충격에 쉽게 탈리되므로 청소나 배수로관리가 용이하다.

- iii -

-내구성이나 작업성 등이 우수하여 상․하수처리장뿐만 아니라 상수관, 수조 등의 제조에도 기술을 확대․보급하여 환경개선을 이루고 확립된 처리기술의 해외수출에 크게 기여할 것이다.

(3) 경제적․산업적 측면-초친수성 항부착 세라믹은 내수성, 내마모성, 내약품성 이므로 장

기간 연속유량이 있는 수중에서도 내구성이 뛰어나 청소, 관리, 운

영에 경제적인 이익을 가져올 것이다.

적용분야

상수 정수장(침전조 및 농축조, 배수로), 하수 처리장(침전조 및

농축조, 배수로), 산업용 기계 Safety Fence, Clean 자동화

설비의 Frame, Living 부분(주방기기 및 산업제품),

특수용품(철도 및 지하철 차량 내장재), 건축부분(건축 내외장재,

천장재,Clean Room 내장재, 지하차도, 터널내장재)등에 적용

가능하다.

과학기술적

성과

특허

국내 등록 : 2건

국외 PCT 출원 : 2건

논문

게재

SCI SCI논문: 1편 (submitted)

비SCI

기 타 국내학술발표: 1건

사업화

성과

매출액

개발후 현재까지 억원

향후 3년간 매출 억원

시장

규모

현재의 시장규모 국내 : 억원

세계 : 억원

향후(3년) 예상되는 시장규모 국내 : 억원

세계 : 억원

시장

점유율

개발후 현재까지 국내 : %

세계 : %

향후 3년 국내 : %

세계 : %

세계시장

경쟁력

순위

현재 제품 세계시장 경쟁력 순위 위 ( %)

3년 후 제품 세계시장 경쟁력 순위 위 ( %)

- iv -

요 약 문

I. 제 목

정수장 침전지의 배수로 이끼, 조류의 성장방지 및 제거 자동화 시스템 실증화 사업

II. 연구개발의 목적 및 필요성

우리나라 정수장은 총 618개소이며, 관련 취수장은 810개소로 그 시설용량은 하루 22,908

천 톤에 이르고 있다. 이러한 취수장으로부터 취수되는 상수원수는 하천표류수가 16,555천 톤

으로 전체수량의 72.3%를 차지하며 하천복류수는 1,605천 톤(7.0%), 저수지는 4,286천 톤

(18.7%)이고 용천수 등을 포함한 지하수는 462천 톤으로 2.0%를 차지하고 있다. 또한 취수

된 22,908천 톤의 수량 중 대부분을 약품에 의하여 응집시킽 후 침전 분리하고 여과하는 방

식의 급속여과식(93.1%)으로 정수하고 있다. 현재 사용되는 응집침전과 여과 중심의 재래식

정수공정은 전 세계적으로 검증된 처리공정이나, 원생동물 문제나 유기물질 제거, 이취미 등의

문제에 대해서는 취약점이 발견돼 새로운 처리공정의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

특히, 국내의 호수와 하천에는 조류가 과다하게 발생하여 수질이 악화됨으로서 상수원의 수

질관리 뿐 아니라 취수·정수 공정의 운전을 어렵게 하고 있다. 조류는 정수 과정에서 탁도의

증가뿐 아니라 응집·침전 장애를 일으키고, 여과지를 조기에 폐색시켜 여과지속시간을 단축시

키며, 이에 따라 역세척 횟수를 증가시킨다. 조류의 증식은 수체의 pH를 상승시키며, 상승된

pH는 응집지에서 응집효율을 떨어뜨려 플럭의 형성을 저하시킨다. 조류세포의 높은 표면전하

와 증가된 조류 부산물은 응집제 소요량을 증가시키며, 조류세포의 낮은 비중으로 인하여 플럭

의 침강성이 저하되거나 재부상 되어 침전효율을 떨어뜨린다. 침전지에서 제거되지 못한 조류

는 여과지로 넘어가 수두손실을 일으키고 여과지속시간을 단축시키는데, 정상상태에서 여과지

지속시간은 30∼100 시간 범위이나 조류가 대량 발생하는 기간에는 10시간 이하로 떨어져

역세척 주기가 짧아지게 된다. 결과적으로 조류의 대발생은 정수효율을 저하시키고 식수원 수

질을 악화시키는 주원인이 되고 있다.

조류가 과다하게 발생하는 시기에는 주로 전염소 처리를 강화하거나 응집제 투여량을 증가

- v -

시키거나 분말활성탄을 투입하여 조류문제에 대처해 왔다. 그러나 응집제의 과다 투여는 조류

세포내 유기물질을 수중으로 유출시켜 오히려 응집을 방해하고, 염소나 오존산화처리는 조류세

포의 제거에는 효과적이나 세포내 독성유기물질이 수중으로 유출되는 문제점과 산화부산물이

건강상에 미치는 영향에 대해 아직 명확하지 않는 점이 많다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위

해 오존처리 후 입상 활성탄여과지의 도입이 불가피하나, 이로 인해 정수생산 비용이 증가하는

문제점이 있다. 취수 전 단계에서 조류를 제거하는 방법으로 공기부상법(DAF)이 강력한 것으

로 알려져 있으나 전력비가 많이 소요되는 점과 조류 슬러지를 처리해야 하는 문제점이 있다.

한편, 막분리기술도 조류제거에 활용되고 있으나 비용이 과다하게 소요되는 점과 막 폐쇄로 상

용화를 어렵게 하고 있다.

정수장에 있어 침전지의 역할은 혼화지와 응집지를 통해 생성된 플럭을 제거하여 여과지 부

하를 감소시키며, 지내 체류시간을 통해 정수장 전체 운전에 완충역할을 하고 있다. 이런 점에

서 만약 침전지가 적절하게 설계 및 운전이 되지 않으면 혼화·응집을 통해 만들어진 플럭이

월류하여 여과지의 운전에 방해를 주는 등 정수처리 및 운영에 악영향을 줄 수도 있다. 이러한

정수장 침전지 문제의 최대의 현안은 침전지의 효율향상과 compact화 그리고 조류제거 문제

이다. 이러한 슬러지나 이끼 및 조류 등이 침전지에 부착 성장함으로써 2차적인 환경오염의

원인이 되고 있으며, 특히 남조류가 분비하는 독성물질(toxin)로 인하여 가축, 사람들은 구토,

설사, 위장염, 마비 등을 일으킬 수 있으며 사망하는 경우도 자주 발생하고 있다. 현재 우리나

라에 설치되어 있는 상․하수 처리장의 침전지등은 표면적으로 노출되어 있는 경우가 많으므로 이끼, 조류 및 부유물질 등이 침전지의 배수로, 경사판 및 웨어 등에 많이 부착성장하고 있다.

이러한 이끼, 조류 및 부유물질들을 제거하고자 현재 많은 방법들이 개발되었으나 조류 및 이

끼 등의 부착은 쉽게 되고 제거나 청소는 쉽게 되지 않아서 침전지 배수로에 2차적인 환경오

염이 발생되고 있다. 그 중에서도 현재 보편화된 이끼 및 부유물질 제거장치로는 Weir

cleaner 및 Scum blader등이 있으나 이끼의 생성과 성장을 초기에 방지 할 수 없으며, 부착

된 부유물질 또한 쉽게 청소되지 않기 때문에 침전지의 관리에 많은 어려움이 발생되고 있다.

따라서 심각해지는 정수처리장의 조류발생문제에 대해 보다 효율적으로 대처하기 위해서는

기존의 정수처리장 공정을 향상시키는 기술 개발과 더불어 정수장 수처리 운영시 침전지 벽체,

유출설비에 조류들이 부착 성장하여 심미적인 문제와 독성물질 방출 가능성을 억제하기 위해

부착 조류를 제거하는 기술개발이 필요하다. 이를 위해서는 기존의 공정에 별다른 추가시설 없

- vi -

이 적용할 수 있으면서도 보다 현재 해결방법으로 사용하고 있는 고압세척 방법을 대체할 수

있는 경제적인 해결방안이 필요하다. 따라서, 본 연구는 정수처리장 침전지의 배수로, 경사판

및 웨어 등에 부착 성장하는 이끼, 조류 및 기타 부유물질을 효율적으로 방지함으로써 처리수

질을 향상시키고 부착물 제거에 소요되는 유지경비를 절감하도록 하기위한 친수성 세라믹 코

팅 판넬의 현장 검증 및 최적화를 통해 개발기술의 실증화를 달성하고자 한다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 과제는 2007년 4월 1일부터 2009년 3월 31일까지 총 2년에 걸쳐 진행되었으며, 2002

년부터 진행되어 왔던 “정수처리장 침전지의 배수로 이끼, 조류의 성장방지 및 부착방지 자동

화 시스템 개발”의 성과물인 초친수성 세라믹코팅 판넬을 실제 현장에 Full Scale로 설치하

고 환경부 신기술 인증을 거침으로서 완전 상품화에 성공하는 것과 나아가 수출 상품화하는

것을 목표로 하여 부착방지용 세라믹 코팅판넬 시스템의 스케일업 기술 및 시공기술최적화 연

구개발은 다음과 같이 구성되었다.

1차년도에서는 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬 시스템의 최적 현장화를 위해 시공기술의 개

선에 중점을 두었다. 이를 위해 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬의 최적조건을 도출하였다. 추

후 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬 시스템의 현장 설치 및 이끼, 조류 및 부유물질 부착방지

제거율 성능평가에 대해 연구수행하였다.

이를 위해 서울시 정수장의 최소 1개를 선정하여 침전지 배수로에 세라믹 코팅판넬을 시공

하여 설치하고, 시간 경과에 따른 사진촬영, 조류 성장 및 침전지 관리에 대한 정수장 운영 관

계자와의 면담, 시간 경과에 따른 조류 부착성장량(클로로필) 측정 및 변화 양상 관측, 현미경

및 SEM 촬영을 통한 부착조류종 파악, 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬의 접촉각 측정 등을

통하여 제품성능을 과학적으로 검증하였다. 또한 제품설치 전후에 따른 경제성 평가도 실시하

였다.

2차년도에서는 1차년도에 진행된 결과 및 평가를 바탕으로 부착조류, 이끼 등의 성장방지

및 제거효율 향상을 위한 인자를 검토하고 제품경제성 강화를 통해 최적 세라믹 코팅판넬을

완성하였다. 이를 바탕으로 환경부 환경신기술을 인증하도록 하였으며, 2개소 이상 정수처리장

에 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬 시스템을 설치, 설치 운영에 관한 시방서 작성, 해외시장

홍보를 통한 수출상품화 하고자 하였다.

- vii -

IV. 연구개발결과

본 연구를 통해 얻을 수 있는 결과는 다음과 같다.

1. 초친수성 항부착 세라믹 코팅 시 공기 중 이물질이 섞여 들어가 코팅 표면에 조도를 증가

시키면 약간의 충격 시에도 코팅이 벗겨져 떨어져 나가는 주요원인이 됨을 알 수 있었고,

이를 방지하기 위해 밀폐 조건에서 코팅 작업을 수행하였으며, 1년 이상의 내구성 문제가

없었다.

2. 부유조류량을 장기 모니터링 한 결과 세라믹 코팅 판넬을 설치한 배수로와 설치하지 않은

시멘트 재질의 배수로의 뚜렷한 차이를 보이지 않았으며, 특히 여름철 부착조류의 양이 많

은 이후에도 부유조류의 양이 크게 변화하지는 않았다. 또한 부유물질과 부유조류량 간의

상관관계에서도 낮은 상관관계를 보였다. 이를 통해 침전지 내 배수로에서 부착되어야 할

조류들이 부유하여 다음 정수처리과정인 여과지에 영향을 줄 수 있는 가능성은 없다고 할

수 있다.

3. 부착조류량 변화 모니터링을 통해 초친수성 세라믹 코팅 판넬을 설치한 배수로 바닥면에서

는 기존 재질인 시멘트 재질에 비해 여름철의 경우 최대 400배 정도의 조류제어 효과가 있

음을 알 수 있었다. 특히 기존 재질에서는 여름철 급격히 증가하는 조류로 인해 배수로 바

닥면이 보이지 않을 정도로 조류가 증식함에 반해 세라믹 판넬을 설치한 지역은 깨끗함을

유지하였다. 또한 조류의 증식 초기 속도와 누적 속도를 비교 분석한 결과 세라믹 판넬의

경우 초기 증가속도가 0.001~0.02 ug/cm2․day, 누적 증가속도 0.001~0.053 ug/cm2․day 로서 시멘트 재질의 초기 증가속도 0.001~0.309 ug/cm2․day, 누적 증가속도 0.005~1.043 ug/cm2․day 보다 상당히 큰 차이가 있었다.

4. 조류 변화 모니터링은 사진촬영 및 현미경 촬영, 그리고 퀴논 분석을 통해 수행하였는데,

사진촬영 결과 실험을 통해 정량적으로 산출한 조류의 양인 Chl-a의 결과와 비슷한 결과였

다. 현미경 촬영을 통해 조류의 군집을 비교한 결과 재질별 뚜렷한 차이는 보이지 않았으

나, Navicula sp., Oscillatoria sp., Phormidium sp. 등의 조류 종들이 주로 발견되었다.

퀴논분석은 시멘트 재질의 경우 누적 시간 별로 quinone profiles의 변화 모니터링 결과

- viii -

PQ 및 VK의 양이 시간이 지날 수록 우점화 되었으며, 세라믹과 시멘트 재질의 부착 조류

및 미생물의 quinone profile의 경우 비슷한 시기의 누적 퀴논을 분석한 결과 큰 차이가 있

지는 않았다.

5. 침전지 배수로 외부 옆면에 세라믹 코팅 판넬 설치 결과 배수로 안쪽으로의 원형 유입부

주위에 이물질이 관찰되었는데, Chl-a의 양이 부유조류의 양과 비슷한 수준이어서 조류가

부착하여 성장한다고 할 수 없으며, 수리학적 흐름에 따라 먼지나 scum 등이 유입부 주위

에 붙어 있는 것으로 사료된다.

6. 친수성 여부를 판단하기 위해 세라믹 코팅 판넬과 스테인리스 판넬의 접촉각을 비교한 결

과 세라믹 코팅의 경우 스테인리스에 비해 약 1.5배 정도 접촉각이 낮았으며, 이는 물과의

친화도가 스테인리스에 비해 세라믹이 높다는 것을 의미하며, 따라서 조류나 미생물 이외에

다른 이물질 들이 부착하여 성장하기 어렵다고 할 수 있다.

7. 세라믹 코팅 판넬의 설치 후 1년의 운영을 진행한 이후에 표면과 단면을 SEM 촬영한 결과

미세하게 일부 세라믹 코팅 부분이 떨어져 나간 부분이 있었지만, 전체 면적에 비해 극히

일부이며, 세라믹 재질이 내구성이 뛰어남을 알 수 있었다. 또한 세라믹 코팅 판넬 제거 후

판넬을 설치했던 바닥면에는 다른 조류나 미생물들이 없었으며, 설치 전 깨끗한 상태를 유

지함을 확인하였다.

이상과 같이 초친수성 세라믹 코팅 판넬을 설치한 정수처리장 침전지 배수로 바닥면과 옆면

부분에 부착 조류 및 미생물의 성장방지에 매우 효과적임을 정량적으로 평가 하였으며, 본 시

스템의 정수장 평가를 통해 효율적 운영과 우수성을 입증하였다.

- ix -

S U M M A R Y

Attached algae are very sensitive to the water quality and rapidly grown under

appropriate light and nutrients. Also, there are various kinds of algae in water where

differs the attaching characteristics of each condition. According to the literature, the

factors affecting on the growth of algae are water velocity, substrates, phosphorus

concentrations, and light. In particular, many sedimentation basin or reactors in water

treatment plants in Korea are constructed in outdoor facilities without any housing

which can prevent direct sun-light. Thus, plenty of microorganisms, which are algae,

mosses, and bacteria, are easily bloomed and attached to drainage canal and weir in

sedimentation basin of water treatment plant.

Algae have a bad influence on coagulation and precipitation process in drinking

water production. The growth of algae increases pH of water and disturbs an

effective floc formation. Additionally, a lot of coagulants are required to overcome

the surface charge of algae inducing undesirable by-products. Sometimes, the once

precipitated floc arises again due to low specific gravitational weight of algae. The

part of algae which cannot be removed by coagulation and precipitation is introduced

into the sand filtration process. In this case, algae block pores of sand filter, induce

a serious head loss, cause tastes and odors, and decrease a backwashing period.

Consequently, the growth of algae becomes one of main factors to deteriorate the

quality of drinking water. In addition, aesthetic problems of attached algae rapidly

growing on the drainage canal in sedimentation basin occur in summer season.

Most of materials for the drainage canal and walls of sedimentation in Korea are

cement or epoxy-coated cement for preventing attached microbes from growing up.

Recently, the materials of stainless steel and aluminum were tried to set up on the

drainage canal of the sedimentation basin and studied as lab scale. A report using a

silver- and zinc-containing zeolite matrix by coating on stainless steel has been

published for improving antimicrobial efficacy. However, these materials cost very

high and cannot forbid algal attachment and growth eventually, and were not applied

- x -

to the water treatment plants existing the possibilities of growing algae excessively

as well. In addition, recently, some machines such as weir cleaner and scumblader is

in use to clean up and remove attached algae, while these instrument never prevent

originally the attachment of algae and the cleaning efficiency is not high. Thus, there

still needs for developing algae-proof and other microbes-proof materials more

economically and environmental friendly.

The efficiency of algae-proof materials has been investigated and some

experiments have been progressed by previous study "System Development for

Preventing Growth of Algae and Moss in Spillway of Sedimentation Basin in Water

and Wastewater Treatment Plant" during 2002/12/01-2005/05/31. From previous

studies, we developed a hydrophilic ceramic-coated panel for preventing algal

attachment. Since this material has anti-biotic and hydrophilic coating on its surface,

suspended solids including algae, moss, and bacteria were hard to attach and grow

on it.

The objective of this study is to verify and optimize the efficiency of the ceramic

coated panel installed on the sedimentation basin in a water treatment plant for

reducing maintenance costs and achieve the practical use of the development

technology.

In order to achieve this goal, research and development has been conducted for 2

years (2007/04/01-2009/03/31). In first period (2007/04/01-2008/03/31), most of

the research was focused on the optimization on the water treatment plant and the

improvement of the construction technology of the ceramic coated panel. For this, we

have conducted monitoring the biomass of attached algae and other photosynthetic

microorganisms on both ceramic- and cement- based materials to compare the two

different materials and evaluate ceramic panels in practical use.

In second period (2008/04/01-2009/03/31), the optimized ceramic panel was

developed based on the result of first period research and applied to the

sedimentation basin in a water treatment plant. Moreover, much of research focused

on the certification for practical use and commercialization of the ceramic panel

internationally.

- xi -

Consequently, we optimized condition of the ceramic panel and confirmed the

possibility of the ceramic materials’application in drainage canal of sedimentation

basin with quantitative results from the biomass and growth rate of biofilm attaching

on the both materials. Since this material has anti-biotic and hydrophilic coating on

its surface, suspended solids including algae and moss are hard to attach and grow

on it. Therefore, the more expanded and practical application in drainage canal as

well as weir and spillway of sedimentation basin in drinking water and wastewater

treatment plant is expected.

- xii -

목 차

제1장 서론 ·····························································································································1

가. 연구개발의 중요성 및 필요성 ···························································································1

나. 연구개발의 국내외 현황 ······································································································7

1. 국내수준 ···································································································································7

2. 국외수준 ···································································································································8

다. 연구개발대상 기술의 차별성 ······························································································9

1. 차별성 ·······································································································································9

2. 관련기술 보유 현황 ·················································································································9

제2장 연구개발의 목표 및 내용 ··································································10

가. 연구의 최종목표 ···················································································································10

나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 ··········································································10

다. 연도별 추진체계 ···················································································································12

제3장 연구개발 결과 및 활용계획 ······························································14

가. 연구개발 결과 및 토의 ······································································································14

1. 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬 시스템의 최적화 ························································14

가. 전자현미경(SEM)을 통한 친수성 세라믹의 표면과 단면관측 ······························14

(1). 전자현미경(SEM)관측을 통한 최적 코팅 조건 선정 ·········································14

(2). 친수성 세라믹의 표면과 단면 전자현미경(SEM)관측 ·······································16

나. 초친수성 항균세라믹의 원자재 구성성분 분석을 위한 XRD, XRF 분석 ···········19

(1). 세라믹 박막 물성 분석을 위한 XRD, XRF, 투과도 분석 ·································19

다. 세라믹 코팅판넬의 안전성 검사 ···················································································22

2. 초친수성 항 부착 세라믹 적용 대상 정수장 선정 및 설치 ········································26

가. 대상 정수장 선정 ·············································································································26

나. 초친수성 세라믹 코팅 판넬 설치 ·················································································27

3. 초친수성 항 부착 세라믹 코팅 판넬장치의 조류제거 성능평가 ································34

가. 연구 방법 ···························································································································34

(1) 샘플링(Sampling) 방법 ······························································································34

(2) 수질분석 방법 ···············································································································37

(3) 퀴논(Quinone) 분석 ····································································································38

나. 부유조류량 변화 모니터링 ·····························································································39

- xiii -

다. 부착조류량 변화 모니터링 ·····························································································42

라. 부착 조류 탈리 실험 ·······································································································47

마. 조류 변화 모니터링 ·········································································································47

(1) 현미경 관찰 ···················································································································47

(2) 사진촬영 ·························································································································49

(3) 퀴논(Quinone)분석 ······································································································49

바. 옆면 세라믹 코팅판넬 설치 결과 ·················································································54

4. 초친수성 항 부착 세라믹 코팅 판넬의 설치 후 변화 ··················································54

가. 재질별 접촉각 (Contact Angle) 측정 비교 ·····························································54

나. Scanning Electron Micrographs (SEM) 촬영 ·····················································55

다. 세라믹 코팅 판넬 제거 전후 비교 ···············································································57

나. 연구개발 결과 요약 ············································································································59

다. 연도별 연구개발목표의 달성도 ·······················································································61

라. 연도별 연구성과(논문․특허 등) ······················································································61 마. 관련분야의 기술발전 기여도 ···························································································63

1. 기술적 측면 ··························································································································63

가. 기술의 수출 가능여부 ·····································································································63

나. 본 연구에서 개발하고자하는 기술의 경제성 ·····························································63

2. 환경적 측면 ··························································································································64

3. 경제적․산업적 측면 ············································································································64 바. 연구개발 결과의 활용계획 ·······························································································65

제4장 참고문헌 ································································································66

부 록 ··················································································································68

- xiv -

< 표 차례 >

Table 1. 남조류 분류균별 장해 및 대처 방안 ································································3

Table 2. 녹조류, 규조류 및 기타조류의 장해 및 대처방안 ·········································4

Table 3. 연구에 수행된 각종 코팅 조건 ·······································································15

Table 4. 성남권 관리단 시설현황 ···················································································27

Table 5. 대상정수장의 배수로의 계절별 quinone profiles (cement) ·················52

Table 6. 대상정수장의 배수로의 계절별 quinone profiles 분석 (cement) ·······52

- xiv -

< 그림 차례>

Fig. 1 정수처리장의 침전지, 경사판, 배수로의 조류부착상태 ····································3

Fig. 2 본 연구의 중요성 및 필요성 ···················································································6

Fig. 3 코팅하지 않은 상태의 Stainless Steel 표면 ···················································16

Fig. 4. 코팅하지 않은 상태의 Stainless Steel 단면 ·················································17

Fig. 5. 최적상태 전의 코팅된 Stainless Steel 표면 ·················································17

Fig. 6. 최적상태 전의 코팅된 Stainless Steel 단면 ·················································18

Fig. 7. 최적상태로 코팅된 Stainless Steel 표면 ·······················································18

Fig. 8, 최적상태로 코팅된 Stainless Steel 단면 ·······················································19

Fig. 9. B,M-4(혼합액)액의 XRF 결과 ·········································································20

Fig. 10. A,B,M-4(혼합액)액의 XRD 결과 ··································································20

Fig. 11. 적외선, 가시광선, 자외선영역에서 UV투과도 ··············································21

Fig. 12-1. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서 ·············································22

Fig. 12-2. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서 ·············································23

Fig. 12-3. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서 ·············································24

Fig. 12-4. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서 ·············································25

Fig. 13. 성남 정수장 전경 ································································································26

Fig. 14. 성남 수자원 공사 정수처리장 시설 개요도 ··················································28

Fig. 15. 성남 수자원공사 침전지 ····················································································28

Fig. 16. 성남 정수장 침전지 배수로 바닥면 세라믹 판넬 설치 전사진 ················29

Fig. 17. 성남 정수장 침전지 배수로 바닥면 세라믹 판넬 설치 완료 사진 ··········29

Fig. 18. 성남 정수장 침전지 배수로 옆 벽면 세라믹 판넬 설치 전 사진 ············30

Fig. 19. 성남 정수장 침전지 배수로 옆 벽면 세라믹 판넬 설치 완료 사진 ········31

Fig. 20. 성남 정수장 침전지 배수로 옆 벽면 세라믹 판넬 설치 사진 ··················31

Fig. 21. 설치 55일 경과후 뚝도정수장의 침전지 배수로의 현장사진 ···················32

Fig. 22. 사천 정수장의 침전지 벽면의 현장사진 ························································33

Fig. 23. 부착 및 부유 조류 샘플링 및 도구 ································································34

Fig. 24. 부착 조류 및 미생물 시료 샘플링 방법 (시멘트) ······································35

Fig. 25. 부착 조류 및 미생물 시료 샘플링 방법 (세라믹) ······································36

Fig. 26. 초기 부착 조류 및 미생물 시료 샘플링 방법 ··············································37

Fig. 27. 부유조류량 변화 모니터링 (Chl-a 측정 결과) ···········································39

Fig. 28. 부유물질 변화 모니터링 ····················································································40

- xv -

Fig. 29. 클로로필과 부유물질의 비 ················································································41

Fig. 30. 부유조류 Chl-a(ug/ml)과 부유물질 SS(mg/L) 상관관계 (시멘트) ····41

Fig. 31. 부유조류 Chl-a(ug/ml)과 부유물질 SS(mg/L) 상관관계 (세라믹) ····42

Fig. 32. 단위면적당 부착조류량 변화 모니터링 (Chl-a 측정 결과) ·····················44

Fig. 33. 단위면적 및 단위시간당 조류 증가속도(Chl-a 측정 결과) ·····················45

Fig. 34. 부착조류 Chl-a(ug/ml)과 부유물질 SS(mg/L) 상관관계 (시멘트) ····46

Fig. 35. 부착조류 Chl-a(ug/ml)과 부유물질 SS(mg/L) 상관관계 (세라믹) ····46

Fig. 36. 부착 조류 탈리 사진 ··························································································47

Fig. 37. 침전지 배수로에서 발견된 조류 ······································································48

Fig. 38. 시간경과에 따른 quinone profile 변화 (cement) ·····································50

Fig. 39. 재질별 quinone 분석 비교 ·············································································51

Flg. 40. 옆면 세라믹 코팅 판넬 설치 후 시간경과에 따른 변화 ····························53

Fig. 41. 재질별 접촉각 측정 (ceramic [a, b]; stainless [c, d]) ·······················55

Fig. 42. 시멘트와 세라믹 파편의 ESEM 촬영 사진 ···················································56

Fig. 43. 시간경과 후 세라믹 코팅 판넬 비교 (단면) ················································56

Fig. 44. 시간경과 후 세라믹 코팅 판넬 비교 (표면) ················································57

Fig. 45. 친수성 세라믹 코팅 판넬 제거 후의 배수로 ················································58

- 1 -

제 1 장. 서 론

가. 연구개발의 중요성 및 필요성

우리나라 정수장은 총 618개소이며, 관련 취수장은 810개소로 그 시설용량은 하루 22,908

천 톤에 이르고 있다. 이러한 취수장으로부터 취수되는 상수원수는 하천표류수가 16,555천 톤

으로 전체수량의 72.3%를 차지하며 하천복류수는 1,605천 톤(7.0%), 저수지는 4,286천 톤

(18.7%)이고 용천수 등을 포함한 지하수는 462천 톤으로 2.0%를 차지하고 있다. 또한 취수

된 22,908천 톤의 수량 중 대부분을 약품에 의하여 응집시킽 후 침전 분리하고 여과하는 방

식의 급속여과식(93.1%)으로 정수하고 있다(환경부, 2006).

현재 사용되는 응집침전과 여과 중심의 재래식 정수공정은 전 세계적으로 검증된 처리공정

이나, 원생동물 문제나 유기물질 제거, 이취미 등의 문제에 대해서는 취약점이 발견돼 새로운

처리공정의 필요성이 대두되고 있는 실정이다. (환경부, 1999)

특히, 국내의 호수와 하천에는 조류가 과다하게 발생하여 수질이 악화됨으로서 상수원의 수

질관리 뿐 아니라 취수·정수 공정의 운전을 어렵게 하고 있다. (Bernahardt et al., 1987)

조류는 정수 과정에서 탁도의 증가뿐 아니라 응집·침전 장애를 일으키고, 여과지를 조기에 폐

색시켜 여과지속시간을 단축시키며, 이에 따라 역세척 횟수를 증가시킨다. 조류의 증식은 수체

의 pH를 상승시키며, 상승된 pH는 응집지에서 응집효율을 떨어뜨려 플럭의 형성을 저하시킨

다. 조류세포의 높은 표면전하와 증가된 조류 부산물은 응집제 소요량을 증가시키며, 조류세포

의 낮은 비중으로 인하여 플럭의 침강성이 저하되거나 재부상 되어 침전효율을 떨어뜨린다.

(이 등, 2001, Plummer et al., 1998) 침전지에서 제거되지 못한 조류는 여과지로 넘어가 수

두손실을 일으키고 여과지속시간을 단축시키는데, 정상상태에서 여과지 지속시간은 30∼100

시간 범위이나 조류가 대량 발생하는 기간에는 10시간 이하로 떨어져 역세척 주기가 짧아지게

된다. 결과적으로 조류의 대발생은 정수효율을 저하시키고 식수원 수질을 악화시키는 주원인이

되고 있다(Kenefick et al., 1993).

- 2 -

조류가 과다하게 발생하는 시기에는 주로 전염소 처리를 강화하거나 응집제 투여량을 증가

시키거나 분말활성탄을 투입하여 조류문제에 대처해 왔다. 그러나 응집제의 과다 투여는 조류

세포내 유기물질을 수중으로 유출시켜 오히려 응집을 방해하고, 염소나 오존산화처리는 조류세

포의 제거에는 효과적이나 세포내 독성유기물질이 수중으로 유출되는 문제점과 산화부산물이

건강상에 미치는 영향에 대해 아직 명확하지 않는 점이 많다. (이 등, 2001) 이와 같은 문제

점을 해결하기 위해 오존처리 후 입상 활성탄여과지의 도입이 불가피하나, 이로 인해 정수생산

비용이 증가하는 문제점이 있다. (Hu et al., 1997) 취수 전 단계에서 조류를 제거하는 방법

으로 공기부상법(DAF)이 강력한 것으로 알려져 있으나 전력비가 많이 소요되는 점과 조류 슬

러지를 처리해야 하는 문제점이 있다. (한국수자원공사 수자원연구소, 2004) 한편, 막분리기

술도 조류제거에 활용되고 있으나 비용이 과다하게 소요되는 점과 막 폐쇄로 상용화를 어렵게

하고 있다. (한국수자원공사 수자원연구소, 2001) Table 1과 2는 정수공정에서 문제를 일으

키는 남조류, 녹조류, 규조류 및 기타조류의 장해종류 및 대처방안에 대해 정리한 것이다.

정수장에 있어 침전지의 역할은 혼화지와 응집지를 통해 생성된 플럭을 제거하여 여과지 부

하를 감소시키며, 지내 체류시간을 통해 정수장 전체 운전에 완충역할을 하고 있다. 이런 점에

서 만약 침전지가 적절하게 설계 및 운전이 되지 않으면 혼화·응집을 통해 만들어진 플럭이

월류하여 여과지의 운전에 방해를 주는 등 정수처리 및 운영에 악영향을 줄 수도 있다. 이러한

정수장 침전지 문제의 최대의 현안은 침전지의 효율향상과 compact화 그리고 조류제거 문제

이다. 이러한 슬러지나 이끼 및 조류 등이 침전지에 부착 성장함으로써 2차적인 환경오염의

원인이 되고 있으며, 특히 남조류가 분비하는 독성물질(toxin)로 인하여 가축, 사람들은 구토,

설사, 위장염, 마비 등을 일으킬 수 있으며 사망하는 경우도 자주 발생하고 있다. 현재 우리나

라에 설치되어 있는 상․하수 처리장의 침전지등은 표면적으로 노출되어 있는 경우가 많으므로 이끼, 조류 및 부유물질 등이 침전지의 배수로, 경사판 및 웨어 등에 많이 부착성장하고 있다.

이러한 이끼, 조류 및 부유물질들을 제거하고자 현재 많은 방법들이 개발되었으나 조류 및 이

끼 등의 부착은 쉽게 되고 제거나 청소는 쉽게 되지 않아서 침전지 배수로에 2차적인 환경오

염이 발생되고 있다. 그 중에서도 현재 보편화된 이끼 및 부유물질 제거장치로는 Weir

cleaner 및 Scum blader등이 있으나 이끼의 생성과 성장을 초기에 방지 할 수 없으며, 부착

된 부유물질 또한 쉽게 청소되지 않기 때문에 침전지의 관리에 많은 어려움이 발생되고 있다.

- 3 -

Table 1. 남조류 분류균별 장해 및 대처 방안

구분 분류군 출현시기 장해종류 대처방안

남

조

류

Microcystis Aeruginosa 늦봄~늦가을

녹조형성

여과지누출

여과지 폐쇄

응집침전장해

이취미(곰팡내, 풀냄새)

간독소생산(microcystin)

심층수취수

분말활성탄 투여

중간연소처리

오존처리

활성탄 처리

Microcystis Wesenbergil 늦봄~늦가을

녹조형성

여과지누출

여과지 폐쇄

응집침전장해

이취미(곰팡내, 풀냄새)

심층수취수

분말활성탄 투여

중간연소처리

오존처리

활성탄 처리

Microcystis Viridis 늦봄~늦가을

녹조형성

여과지누출

여과지 폐쇄

응집침전장해

이취미(곰팡내, 풀냄새)

간독소생산(microcystin)

심층수취수

분말활성탄 투여

중간연소처리

오존처리

활성탄 처리

Microcystis

Ichthyoblabe늦봄~늦가을

녹조형성

여과지누출

여과지 폐쇄

응집침전장해

이취미(곰팡내, 풀냄새)

간독소생산(microcystin)

심층수취수

분말활성탄 투여

중간연소처리

오존처리

활성탄 처리

Anabaena Macrospora 봄, 초여름, 가을

여과지누출

침전장해

이취미 (곰팡내,비린내)

일시에 폐사=유백색착색

독소생산(anatoxin-신경

독)

심층수취수

분말활성탄 투여

중간연소처리

오존처리

활성탄 처리

Anabaena Spiroides 봄, 초여름, 가을

여과지누출

침전장해

이취미 (곰팡내,비린내)

일시에 폐사=유백색착색

독소생산(anatoxin-신경

독)

심층수취수

분말활성탄 투여

중간연소처리

오존처리

활성탄 처리

Aphanizomenon sp. 봄, 가을, 초겨울 이취미(곰팡내, 부패취)

독소생산

심층수 취수

분말활성탄 투여

Oscillatoria sp. 봄, 가을

여과지폐쇄

이취미(곰팡내)

간독소 생산

분말활성탄 투여

중간 염소처리

Phormidium sp. 초여름~가을 이취미(곰팡내) 전염소처리

- 4 -

Table 2. 녹조류, 규조류 및 기타조류의 장해 및 대처방안

구분 분류군 출현시기 장해종류 대처방안

녹

조

류

Cosmarium sp. 여름 ~가을 여과지누출, 여과지 폐쇄

이취미(풀냄새)

염소 및 황산동

에 내성이 있음

Dictyosphaerium sp. 봄, 가을 응집침전장해, 여과지누출

이취미(비린내)

전염소처리

2단응집처리

Endorina sp. 봄~가을 여과지누출, 이취미(비린내)전염소처리

(황산동에 내성)

Pandarina sp. 여름~가을 여과지누출, 이취미(비린내) 전염소처리

Staurastrum sp. 봄~가을 여과지폐쇄, 이취미(풀냄새) 전염소처리

Scenedesmus sp.4계절

(특히 봄,가을)

여과지누출,

이취미(곰팡내, 풀냄새)전염소처리

Volvox sp. 봄, 가을 이취미(비린내) 전염소처리

Chlamydomonas sp. 봄, 가을 여과지누출

이취미(곰팡내, 비린내)전염소처리

Closterium sp. 봄, 가을 여과지폐쇄, 이취미(풀냄새) 황산동처리

규

조

류

m

Asterinella sp. 봄

여과제폐쇄

-100군체/ml: 폐쇄시작

-1000군체/ml: 심각하게폐쇄

이취미(비린내, 방향취)

Microstrainer

전염소처리

Cyclotella sp. 겨울, 초봄 여과지누출, 응집침전장해

이취미(비린내)전염소처리

Fragilaria sp.겨울, 초봄,

늦가을

여과지 폐쇄

(100~300 군체/ml)

이취미(곰팡이)

Microstrainer

전염소처리

Melosira sp. 봄, 가을, 겨울

여과지누출, 여과지폐쇄

(1000군체/ml)

이취미(곰팡내)

Microstrainer

전염소처리

Stephanodiscus sp. 겨울, 초봄 여과지 폐쇄 전염소처리

Synedra sp. 초봄, 가을, 겨울 여과지폐쇄, 응집침전장해

이취미(곰팡내, 풀냄새)

Microstrainer

전염소처리

기

타

조

류

Ceratium sp.

(와편모류)봄~가을

여과지폐쇄, 응집저해

담수적조 형성

이취미(비린내, 부패취)

전염소처리

Peridinium sp.

(와편모류)봄, 가을

담수적조 형성

이취미(비린내)

전염소처리

심층수취수Dinobryon sp.

(황금조류)

4게절

(특히 봄, 가을)

여과지 폐쇄,

이취미(비린내,제비꽃냄새)전염소처리

Mallomonas sp.

(황금조류)가을~봄 이취미(방향취, 비린내) 전염소처리

Cryptomonas sp.

(편모조류)봄~가을

응집침전 장해,

이취미(비린내)전염소처리

Euglena sp.

(유글레나 조류)여름

적조형성,

이취미(비린내)전염소처리

- 5 -

따라서 심각해지는 정수처리장의 조류발생문제에 대해 보다 효율적으로 대처하기 위해서는

기존의 정수처리장 공정을 향상시키는 기술 개발과 더불어 정수장 수처리 운영시 침전지 벽체,

유출설비에 조류들이 부착 성장하여 심미적인 문제와 독성물질 방출 가능성을 억제하기 위해

부착 조류를 제거하는 기술개발이 필요하다. 이를 위해서는 기존의 공정에 별다른 추가시설 없

이 적용할 수 있으면서도 보다 현재 해결방법으로 사용하고 있는 고압세척 방법을 대체할 수

있는 경제적인 해결방안이 필요하다.

Fig. 1 정수처리장의 침전지, 경사판, 배수로의 조류부착상태

- 6 -

정수장 운영상 문제점 (침전지)

- 침전지 침전성의 저하로 플럭이 월류하여 여과지의 운전에 방해

- 배수로 등의 청소불량에 의한 슬러지 과퇴적, 조류번식등에 영향

- 배수로, 웨어등에 부착 성장한 이끼 및 조류 등의 독성물질 분비

- 조류등의 과잉성장으로 인한 이취미발생

- 탁도 증가로 인한 과잉의 염소량 요구

배수로의 이끼, 조류의 부착방지 및 제거기술 현황

- 경사판, 배수로, 웨어 등의 재질에 관한 연구의 부재

- 물리화학적 처리(약품, 인위적인 차단, 브러쉬 등 이용)

- 운전 및 관리운영비가 증가

침전지 배수로 이끼, 조류의 성장방지 및 제거 자동화 시스템 개발

- 무기질 도료이므로 세라믹으로부터의 유해물질 배출가능성 ZERO

- 청소의 용이성으로 인한 이끼 및 조류제거의 처리비용 절감

- 기존 정수장 효율 개선 (탁도 기준 0.5 NTU 이하)

- 운전 및 관리운영비 최소화

정수장 운영상 문제점 (침전지)

- 침전지 침전성의 저하로 플럭이 월류하여 여과지의 운전에 방해

- 배수로 등의 청소불량에 의한 슬러지 과퇴적, 조류번식등에 영향

- 배수로, 웨어등에 부착 성장한 이끼 및 조류 등의 독성물질 분비

- 조류등의 과잉성장으로 인한 이취미발생

- 탁도 증가로 인한 과잉의 염소량 요구

배수로의 이끼, 조류의 부착방지 및 제거기술 현황

- 경사판, 배수로, 웨어 등의 재질에 관한 연구의 부재

- 물리화학적 처리(약품, 인위적인 차단, 브러쉬 등 이용)

- 운전 및 관리운영비가 증가

침전지 배수로 이끼, 조류의 성장방지 및 제거 자동화 시스템 개발

- 무기질 도료이므로 세라믹으로부터의 유해물질 배출가능성 ZERO

- 청소의 용이성으로 인한 이끼 및 조류제거의 처리비용 절감

- 기존 정수장 효율 개선 (탁도 기준 0.5 NTU 이하)

- 운전 및 관리운영비 최소화

Fig. 2 본 연구의 중요성 및 필요성

- 7 -

나. 연구개발의 국내외 현황

1. 국내수준

보성그린(주)에서 개발한 아이드로 비닐 (IDROVINYL)은 이끼의 성장을 억제하는 재료와

항 자외선 안정제를 포함하고 있는 것으로 가축용 폐수와 공장에서 폭기 후에 나오는 폐수를

저장하는 용도로 판매되고 있다. DongKon(주)에서는 세라믹계의 방식, 방수 코팅제로서 모든

수처리 (정수, 하수처리)시설의 콘크리트 구조물과 각종 배관, 철 구조물에 적용하는

ATOMETAL의 제품들을 개발하여 왔으며, 산업체 빌딩, 관공서에 부속된 공조, 기계, 전기

시설물을 유지, 보수․관리하는데 필요한 각종 세척제, 수처리제, 금속보수제, 특수 그리스 등을 생산 및 수입하여 공급하고 있는 회사로서 냉각탑 등에 발생하는 이끼 제거 및 미생물 살균제

등을 개발하여 판매하고 있다. 또한, 1999년부터 수도관 내의 녹, 이끼, 스케일을 제거하는 이

온 수처리 방식이 선보이기도 하였다.

손 등은 1997년 오티세라믹 도료를 이용하여 미생물 수서생물 제거에 관한 연구를 수행하

여 보고한 바 있다. 오티세라믹은 Al2O3-ZrO2 배위화합물로서 플라스틱 성질을 가지므로 환

경에 무해하며 뛰어난 방식성 및 내후성을 가지고 있을 뿐만 아니라 광범위한 세균에 대해 뛰

어난 항균력을 반영구적으로 발휘하며, 일본의 여러 발전소 냉각설비계통에 도장 시 따개비,

갑각류 등 수서생물의 부착 및 번식이 예방되었다는 결과를 얻었다.

녹조류, 이끼, 물때 등의 연니성 스케일과 슬러지에 대한 세정효과를 발휘하며, 제거된 오염

물의 재부착 방지제로서 산동(copper sulfate), 염소화합물(액화질소, 차아염소산나트륨, 차아

염소산칼륨, 염화 등) 제재 등 기타약품이 상용화되어 있다. 또한, 보편화된 이끼, 조류 및 부

유물질 제거장치로는 weir cleaner, scum blader등이 있으나 이끼의 생성과 성장을 초기에

방지할 수 없으며, 부착된 이끼, 조류 및 부유물질 또한 청소를 하여도 쉽게 제거되지 않는다.

그러므로, 침전지의 웨어나 배수로의 조류, 이끼성장과 부착을 사전에 방지 할 수 있고 제거가

용이하며, 청소관리비를 최소화할 수 있는 시스템을 개발할 필요가 있다.

- 8 -

2. 국외수준

Sekar 등의 연구에 따르면, 미생물의 부착 제어를 stainless steel 이나 aluminum 재질을

이용하고자 하였으나, 초기 설치비용이 많이 들고 친유성 재질로 유기물 및 조류의 부착이 용

이하여 성장을 억제하기에 적합하지 않았다. 이밖에도, stainless steel에 은과 아연으로 코팅

하여 미생물에 대한 항균성을 증진시키고자 하는 연구(Cowan et al., 2003)가 진행되어 왔으

나 만족스러운 결과를 얻지 못한 실정이며, 조류가 과잉 성장하여 2차 오염문제가 일어나는

정수장 등에 활용코자 하는 연구는 진행되지 않았다.

한편, 미국의 Environmental coating L.L.C 사에서 silicon/epoxy로 웨 등에 직접 페인트

화하여 코팅을 한 부분과 하지 않은 부분을 비교 실험한 결과 1주 후 에폭시 처리한 곳은 거

의 변화가 없었고, 코팅을 하지 않은 곳에는 많은 양의 조류가 부착되어 있었다. 1개월 후, 처

리하지 않은 부분에는 조류 및 이끼 등이 군집형태를 이루어 부착성장 하고 이었으나 코팅된

부분은 페인팅한 곳이 조금씩 벗겨져 그 부분에 부착, 성장 한 것으로 현저히 적은 양의 조류

가 부착되어 있는 것을 알 수 있었다.

코팅제를 이용한 방법 이외에 조류성장을 억제하는 방법으로는 수질 관련 기술에 세계적인

기술력을 가진 HOP(이스라엘)에서 개발한 PTH(Prevent Total Hardness)가 있다. PTH의

내부 핵심부분은 귀금속과 세미 귀금속으로 만들어졌으며, 세계 20여 개국에서 품질을 검증받

고, 녹과 스케일 뿐 아니라 이끼, 녹균, 곰팡이류 등 박테리아의 성장도 억제하는 것으로 환경

과 지하수의 오염을 막아준다는 장점을 가지고 있다. 그러나 유체의 흐름이 정지된 상태에서

72시간이 지나면 이온들의 결합력이 복원되기 때문에 효과가 떨어지는 단점을 가지고 있어 대

부분 출구부분에 설치하는 경향이다. 이러한 방법들은 상수관이나 수조 등에 부착 성장한 이끼

및 조류 등을 제거하기 위하여 주로 사용되어 왔으며 최종침전지의 배수로 및 웨어, 경사판 등

에 부착 성장한 이끼 및 조류 등을 제거하기 위하여 사용한 예는 거의 없다.

최근 초음파를 이용하여 조류관련 문제들(THMs level, 유지관리, 냄새 등)을 줄여주는 기

술이 적용된 사례가 있다. 미국 American Water Works Association 기술지에 소개된 이 방

법은 녹색기술로서 정수장 내에 부착조류를 제거함으로써 수질 향상과 조류 성장 관리비용을

- 9 -

줄여준다고 하였으며, 사람, 동물, 어류 등에는 해가 없지만, 조류의 세포막에 영향을 주어 더

이상 성장이 힘들게 한다고 하였다. (George, 2008)

다. 연구개발대상 기술의 차별성

1. 차별성

친환경 무기질 원료를 이용하여 오염물질의 부착이 어려운 표면특성을 갖는 친수성 세라믹 코

팅 판넬은 정수처리장 또는 하수처리장에 설치하여 조류를 비롯한 오염물질의 부착 및 성장을 효

율적으로 방지하는 기술이다.

이는 친환경 무기질 원료를 저온소결방식을 통하여 조류를 포함한 오염물질의 부착이 어려

운 친수성의 표면특성을 갖도록 제조한 세라믹 코팅 판넬을 제조하고 이를 정수처리장 또는 하

수처리장에서 조류의 부착이 쉬운 부분에 설치하여 조류를 비롯한 오염물질의 부착을 원천적으로

억제함으로서 조류의 부착과 성장에 따른 문제를 해결할 수 있다. 또한 기존의 시멘트 및 콘크리

트 재질 표면에 비하여 월등히 우수한 표면을 제공하여, 심미적으로 안정하다고 할 수 있다.

2. 관련기술 보유현황

기술명(또는 특허명) 인증번호 개발기간 지원기관 구분(특허, 신기술 등)

무기계 고경도 코팅제 조성물 10-0838126 특허

코팅 장치 및 코팅 방법 10-0783367 특허

고경도 무기계 코팅막 형성방법 10-0802395 특허

- 10 -

제 2 장. 연구개발의 목표 및 내용

가. 연구의 최종목표

정수처리장 침전지의 배수로, 경사판 및 웨어 등에 부착 성장하는 이끼, 조류 및 기타 부유

물질을 효율적으로 방지함으로써 처리수질을 향상시키고 부착물 제거에 소요되는 유지경비를

절감하도록 하기 위한 친수성 세라믹 코팅 판넬의 현장검증 및 최적화를 통해 개발 기술의 실

증화를 달성함

나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법

본 과제는 2002년부터 진행되어 왔던 “정수처리장 침전지의 배수로 이끼, 조류의 성장방지

및 부착방지 자동화 시스템 개발”의 성과물인 초친수성 세라믹코팅 판넬을 실제 현장에 Full

Scale로 설치하고 환경부 신기술 인증을 거침으로서 완전 상품화에 성공하는 것과 나아가 수

출 상품화하는 것이 목표이며, 이에 대한 세부 연도별 연구개발 목표와 방법은 아래와 같다.

- 11 -

단계 구분 연도 연구개발의 목표 평가방법

1

단계

1차연도 2007

․친수성 항부착세라믹 코팅판넬 시스템의 현장화 및 시공기술

개선 및 확보

․친수성 항부착세라믹 코팅판넬 시스템의 현장 설치 및 이끼,

조류 및 부유물질 부착방지 및

제거율 성능평가

․서울시 정수장의 최소 1개 침전지 배수로에 세라믹 코팅 판넬 시공

․사진촬영, 정수장 운영 관계자와 면담, 조류 부착량(클로로필) 측

정, 부착조류종 파악, 접촉각 측

정 등을 통하여 제품성능을 과학

적으로 검증

․제품설치 전후에 따른 경제성 비교 산출

2차연도 2008

․환경부 환경신기술 인증․2개소 이상 정수처리장(지방)에

설치

․수출상품화(해외시장 홍보)

․환경부 신기술 인증 신청 및 완수 ․정수처리장 설치 여부․설치 운영에 관한 시방서 작성 여

부

- 12 -

다. 연도별 추진체계

1차년도

(2007년

상반기)

부착성장방지용 세라믹 코팅판넬 시스템의

스케일업 기술 및 시공기술의 최적화

대상 정수장 선정현장 설계인자 도출

및 제품 제작

초친수성 항부착세라믹

코팅판넬장치 설치

초친수성 항부착세라믹 코팅판넬장치의 조류제거율 성능평가

1차년도

(2007하

반기)

환경부 신기술

검증신청

세라믹판넬 장치의 시공,

운전상 문제점 도출

기존 설치 제품 성과를 바탕으로 타 정수장으로

설치 확대

제품 모델별로 성능 검증

자료 구축 및 최적 모델

선정

현장 설치시 문제점 및

설계보완인자 도출

환경부 신기술 인증 시작 및 관련 설계자료,

시방서 등 구축완료

2차년도

(2008년)

제거효율향상을 위한

인자 검토제품 경제성 강화

최적 세라믹 코팅 판넬 완성(성능, 효율성, 경제성)

환경부 신기술 평가 완료

제품의 수출 상품화

- 13 -

제 3 장. 연구개발 결과 및 활용계획

가. 연구개발 결과 및 토의

1. 친수성 항부착 세라믹 코팅판넬 시스템의 최적화

가. 전자현미경(SEM)을 통한 친수성 세라믹의 표면과 단면관측

조류성장 억제에 뛰어난 효과가 나타나는 초친수성 항균세라믹이 기질이 되는 Stainless

steel표면에 어떻게 부착되어 있는지를 관찰하고, 항균세라믹제품을 대량생산하기위한 최적의

조건을 찾기 위해 다양한 소성방법과 냉각방식, 코팅횟수 세라믹과 등을 조절하여 기질의 전자

현미경(SEM)을 통한 표면과 단면을 관찰을 통해 최적비를 도출하였다.

SEM은 투과형과 같이 시료전체에 전자선을 쏘이는게 아니고 주사형에서는 아주 작은 전자

선으로 시료를 주사(scan)하고, 전자선을 쏜 좌표의 정보에서 상을 구성하고 표시하며, 관찰시

료는 높은 진공상태(10-3이상)에서 그 표면의 전계 및 자계에서 섞인 전자선(집점직격

1~100nm정도)으로 주사한다. 주사는 직선적이지만 주사축은 순차적으로 틀어 가면서 시료표

면전체의 정보를 얻는 것이 특징이며 광학현미경과 비교해서 집점심도가 2배이상 깊고, 광범

위하게 집점이 맞은 입체적인 상을 얻는 것이 가능하므로 시료의 외형을 관찰하는 것이 용이

하다.

(1) SEM관측을 통한 최적 코팅 조건 선정

SEM관측시에 최적조건을 찾기위해 코팅 방향, 코팅횟수, 코팅방법, 규격품과의 비교, SEM

관측시 필요량 등을 수차례 반복하여 실험하였으며 실험 초기의 일부 조건은 다음과 같다.

- 14 -

Date NumberThe

number of times

MethodThe

surfaceCross

sectionEtc

6/7 1General stainless

steelⅹ1 ⅹ1

2 10회 #5 1:1 분무량 多 ⅹ1 ⅹ1

3 8회#4 1.3:1

(A130g,B100g) 분무량 미세하게

ⅹ1 ⅹ1

4 8회#6 1:1

(A100g,B100g)분무량 미세하게

ⅹ1 ⅹ1

5 8회#3 1:1

분무량 미세하게ⅹ1 ⅹ1

도막집중 현상

6타사 유사제품

ⓐwsc 표면유리샌딩ⓑ유리샌딩

ⅹ2 ⅹ2 규격품

7타사 유사제품

ⓒ코팅ⓓ유리샌딩표면(코팅ⅹ)

ⅹ2 ⅹ2 규격품

6/13 8 2회 소성 후 공기중 냉각 ⅹ2 ⅹ29 3회 ⅹ1 ⅹ110 4회 ⅹ1 ⅹ111 5회 ⅹ1 ⅹ1

6/13 12 2회260℃ 소성 후 찬물에

급냉ⅹ2 ⅹ2

13 3회 ⅹ1 ⅹ114 4회 ⅹ1 ⅹ115 5회 ⅹ1 ⅹ1

6/13 16 4회 李 건조로에서 냉각 ⅹ2 ⅹ217 4회 李 ⅹ1 ⅹ118 5회 ⅹ1 ⅹ119 4회 ⅹ1 ⅹ120 3회 ⅹ1 ⅹ121 2회 ⅹ1 ⅹ1

6/13Glass

22 General glass

23 3회 건조로에서 냉각24 3회

6/13 25 2회소성 후 220℃ 20분 유

지ⅹ2 ⅹ2

26 3회 ⅹ1 ⅹ127 4회 ⅹ1 ⅹ128 5회 ⅹ1 ⅹ1

Table. 3. 연구에 수행된 각종 코팅 조건

- 15 -

29 4회 李 ⅹ1 ⅹ130 4회 李 ⅹ1 ⅹ131 5회 李 ⅹ1 ⅹ1

가장 문제가 되었던 부분은 공기 중 이물질이 코팅시 같이 섞여들어가 코팅표면에 조도를

증가시키도 약간의 충격시에도 떨어져 나가서 코팅을 벗겨지는 주요 원인이 된다는 것이였다.

이를 방지하기 위해 코팅하는 장소를 밀폐하여 최대한 이물질이 섞여들지 않게 하였으며, 또한

수중에 노출시 금이 생기는 문제가 발생하여 전체적인 내구성에 영향을 끼치는 문제가 있었으

나 실재 현장에서는 1년이상 내구성에는 문제가 없었고 앞으로 개선해 나가야하는 점으로 남

아있다.

(2) 친수성 세라믹의 표면과 단면 SEM관측

Fig.3과 Fig.4는 순수한 Stainless Steel상태를 전자현미경(SEM)관찰한 것이다. 표면의

경우 육안으로 관찰할 수 없는 균열들을 관찰할 수 있었고 단면의 경우 깨끗한 모재의 표면을

관측할 수 있었다. 표면에서 관측할 수 있는 균열들은 모재의 수직방향으로는 깊이 침투해 있

지 않은 표면에 한정된 모습임을 알 수 있었다.

Fig. 3 코팅하지 않은 상태의 Stainless Steel 표면

- 16 -

Fig. 4. 코팅하지 않은 상태의 Stainless Steel 단면

Fig.5과 Fig.6은 아직 최적상태를 찾지 못한 상태에서 전자현미경(SEM)으로 1000배와

5000배로 관찰한 것이다. 코팅 후 이물질이 많이 붙어 표면이 고르지 못하고 표면의 일부분에

서 코팅이 깨져 나가는 현상을 볼 수 있다. 이 경우의 단면에서 코팅면이 일부 손실된 것

(Fig.4 1000배 확대 왼쪽부분) 을 관찰할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 표면의 이

물질 제거를 위한 코팅 공정 중 청결유지와 고른 코팅 기술 개발을 수행하였다.

Fig. 5. 최적상태 전의 코팅된 Stainless Steel 표면

- 17 -

Fig. 6. 최적상태 전의 코팅된 Stainless Steel 단면

Fig. 7. 최적상태로 코팅된 Stainless Steel 표면

다수의 실험을 통하여 코팅 시 이물질을 최소화하고 기질의 표면에 균일하게 코팅을 할 수

있는 최적공정을 도출하였다. 다수의 실험조건은 상기 Table 3에 앞서 제시하였다. 표면의 상

태가 깨끗하고 양호하며 Fig.7.의 단면을 봐도 모재와 붙은 아래쪽 면은 접착상태가 양호함을

알 수 있다.

- 18 -

Fig. 8, 최적상태로 코팅된 Stainless Steel 단면

나. 초친수성 항균세라믹의 원자재 구성성분 분석을 위한 XRD, XRF 분석

초 친수성 향균세라믹 제품의 원자재는 일본에서 전량 수입하고 있고 구성성분을 알 수 없는

A액과 B액의 2가지 형태로 또는 통합된 형태의 수액으로 들어오고 있다. 구성성분 조사를 위

해 X선을 시료에 쪼여, 원자의 종류에 따라 고유파장의 X선을 방출하여 시료를 구성하는 원자

를 알 수 있는 XRF(X-Ray Fluorescence; X선 형광분석기)분석과 X선이 시료 내에서 회절,

간섭하는 형상을 이용하여 결정구조를 알 수 있는 XRD(X-Ray Diffraction; X선 회절분석기)

분석을 시도하였다.

(1) 세라믹 박막 물성 분석을 위한 XRD, XRF, 투과도 분석

구성성분을 산화물로 가정했을때 XRF결과는 Fig.9와 같다. 질량중심으로 봤을때 SiO2와

K2O, Na2O정도가 주성분이고 나머지는 미량물질로 구성되어 있었다.

- 19 -

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Na2

OMgO

Al2O

3SiO2

P2O5

SO3 C

lK2

OCaO

TiO2

Fe2O

3Zn

ORb

2OZrO2

NiO

comp.

mass(%

)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

M

B

M minimum

B minimumM

Fig. 9. B,M-4(혼합액)액의 XRF 결과

Fig. 10. A,B,M-4(혼합액)액의 XRD 결과

XRF로 구성성분의 일부를 알고 있는 상태에서 결정구조를 알기위한 XRD를 분석하였다.

- 20 -

XRD의 결정구조 파악에 이용하는 Software를 이용하여 주성분은 SiO2, Al2O3, K2O2,

Al2.427O3.64, Na, TiO2, Na2TiO3등이 결정구조 존재한다는 것을 알수 있었다.

Stainless Steel에 세라믹 박막을 코팅 했을때 광 투과율을 알아보기 위해 관측파장

200-1000nm 범위에서 light scanning을 수행하였다. 비교대상인 BLANK는 초순수를 사용

하였다.

관찰할 수 있는 전 파장의 영역에서 투과율을 관측한 결과 BLANK가 전 영역에서 고르게

투과하는 것에 비하여 항균세라믹 제품의 원료인 B액과 혼합재료인 M액에서 자외선의 거의

전 영역을, 제품원료 A에서는 자외선 일부영역을 차단하는 효과가 있음을 알 수 있었으며, 특

히 M액의 경우 자외선에는 대부분을 적외선과 가시광선부분에서도 일부 차단하는 것으로 나

타났다.

0

20

40

60

80

100

120

140

1000

977

954

931

908

885

862

839

816

793

770

747

724

701

678

655

632

609

586

563

540

517

494

471

448

425

402

379

356

333

310

287

264

241

218

wavelength

T(%

)

M

A

B

BLANK

Fig. 11. 적외선, 가시광선, 자외선영역에서 UV투과도

- 21 -

다. 세라믹 코팅판넬의 안전성 검사

본 세라믹 코팅 판넬은 정수장의 침사지 배수로 등에 설치 되게 되므로 세라믹 박막의 안

전성을 검사할 필요가 있다. 따라서 한국화학시험연구원에 의뢰하여 세라믹코팅시료의 마모성

과 판넬과의 밀착성 그리고 먹는물 수질기준보다 보다 엄격한 수도용 기자재 용출시험을 의뢰

하였다. 시험결과 모든 항목에서 안전함을 확인하였다 (Fig.12-1,2,3,4).

Fig. 12-1. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서

- 22 -

Fig. 12-2. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서

- 23 -

Fig. 12-3. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서

- 24 -

Fig. 12-4. 세라믹 코팅판넬 안전성 검사 시험 성적서

- 25 -

2. 초친수성 항 부착 세라믹 적용 대상 정수장 선정 및 설치

가. 대상 정수장 선정

본 연구에서 선정한 정수처리장은 한국수자원공사의 수도권지역본부 중 성남권 관리단에서

운영하고 있는 정수장과 서울시 상수도 사업본부에서 관리하는 뚝도 정수장과 사천권 관리단

에서 운영하고 있는 사천정수장을 선정하였다. 성남권 관리단에서 관리하는 정수처리장은 크게

성남과 수지에 두 곳이 있으며, 생활 및 공업용수 공급과 수도권광역상수도 시설을 운영 관리

하고 있다. 그 중 본 연구에서는 성남 정수장을 선정하여 장기 모니터링 하였다. (Fi.g.13)

Table 4에서 보는 바와 같이 성남 정수장에서는 2개소가 존재하며 시설용량이 일일 786천m3

정도가 되며, 성남시, 용인시, 수원시, 오산시, 화성시, 평택시, 안성시에 급수되어 지고 있다.

Fig. 13. 성남 정수장 전경

- 26 -

Table 4. 성남권 관리단 시설현황

구분시설용량

(천㎥/일)취수장

정수장

(천㎥/일)

가압장

(천㎥/일)관로(km) 급수대상지역

계 1,702 - 2개소 3개소 291,8227개시,

1개공업단지

광역

상수

도

수도권

광역

(Ⅰ)

- - - - 7,842 성남시

수도권

광역