1. 서 론
우리나라 전력산업은 화석연료 사용에 따른 기후변화 영 향을 최소화하기 위해 2012년부터 신재생에너지의무화제도 (RPS: renewable portfolio standard)를 도입하여 운영하고 있다. 2015년 RPS 대상 신재생에너지공급인증서(REC : Renewable Energy Certificate)에 발전소 온배수가 수열에너지(가중치 1.5) 로 추가되어 발전소에서 발생하는 온배수의 열원에 대한 가 치가 높아지고 있다(Kang et al., 2017).
온배수 열사업은 화력발전소에서 터빈 냉각 후 지속적으 로 배출되고 있는 20 ~ 30℃ 의 온배수를 히트펌프(heat pump) 라는 기계적 설비를 통하여 시설하우스에 적정한 열원을 공 급하는 사업이다(Kang, 2015).
히트펌프 설비를 이용해서 온배수를 안정적으로 활용하기 위해서는 온배수의 수온과 배출량이 일정해야하며 동시에 오염부하량으로 인한 열교환기의 성능이 감소되지 않도록 열교환기에 직접적으로 가해지는 오염을 최소화시킬 필요가 있다. 열교환기에 가해지는 오염부하량이 증가하여 에너지 효율이 감소된 경우 열교환기를 해체하여 세척해야 하므로 세척하는 동안의 에너지 활용 공백이 발생할 수밖에 없다.
특히 우리나라 서해지역의 경우 연안역의 수심이 얕아 해 수와 퇴적물의 수직혼합에 의한 미세한 부유물질이 많이 존 재하는 지역으로 해수 내 높은 탁도로 인해 시스템에 유입되 는 오염부하량이 높아질 가능성이 있다(Jeon et al., 1994). 실 제로 전남 영광에 위치하고 있는 한빛원자력발전소는 온배 수를 활용하여 양식장과 아쿠아리움을 운영하고 있으나 높 은 탁도로 인해 직접 취수하여 사용하지 않고 저류조를 통해 입자성 물질을 침강시킨 상등수를 활용하고 있다. 그러나 저 류조를 활용하게 되면 대규모 취수가 어려우며 공간자원도 많이 소모되는 단점이 있다. 따라서 고탁도지역의 온배수를 직접 이용하기 위해서는 탁도저감시스템이 필요하다.
본 연구에서는 온배수가 열교환기에 유입되기 전 탁도저 감시스템을 설치하여 탁도저감 성능평가와 열교환기의 오 염도 특성을 분석하고 탁도저감시스템의 적용가능성을 검 토하였다.
2. 실험재료 및 방법
2.1 실험지점
서해지역의 한빛원자력발전소의 온배수 배수로에서 실 험을 실시하였으며, 기존 설치되어 있는 영광 한빛원자력발 전소의 온배수활용시스템에 Fig. 1과 같이 탁도저감시스템을 설치하여 실험하였다. 탁도저감시스템의 효과분석을 위해 한빛원자력발천소의 온배수 배수로, 탁도저감시스템 유입, 유출 총 세 지점을 정점으로 하여 총 4회에 걸쳐 시료를 채 취하였으며 시료채취 장소는 Fig. 1에 원형의 실선으로 나타 내었다.
2.2 실험장치
1) 탁도저감시스템
실험에 사용된 탁도저감시스템은 시간당 5 m3을 처리할 수 있는 용량으로 밀폐된 용기 내 하부집배수장치(strainer)를 부착한 후, 자갈과 모래로 충진된 여재층에 온배수를 통과 시켜 탁도를 제거하는 압력식 여과장치이다. 여과가 반복되 어 여재에 누적되는 현탁물질은 물을 이용한 역세척을 통해 제거할 수 있다.
2) 히트펌프시스템
해수열원 히트펌프는 
대일의 DHW-100WL로 법정냉동 능력은 3.57 RT, 난방능력은 35000 kcal/h으로 설치되어져 있다. 압축기는 스크롤(scroll)형태로 냉매는 R-407C이다.
Fig. 2는 온배수를 활용하기 위해 설치된 히트펌프시스템 전체에 대한 개략도를 나타내었으며 열원 열교환기에 온배 수가 유입되기 전 탁도저감시스템을 설치하여 실험을 실시 하였다.
히트펌프시스템에 설치되어져 있는 열교환기는 판형 열 교환기로 ALFA LAVAL 제품의 M6-MFG Type이며 Fig. 2와 같이 열원측과 부하측으로 이루어져 있으며 세부 성능은 Table 1과 같다.
2.3 실험방법
1) 탁도저감시스템
히트펌프시스템 중 탁도저감시스템과 샘플링지점은 Fig. 3과 같다. 온배수가 배출되는 배수로에서 바탕시료를 취수 하였고, 탁도저감시스템 유입수와 유출수를 채취하여 실험 에 사용하였다. 온배수 배수로의 시료는 H1, 탁도저감시스 템의 유입수는 H2, 탁도저감시스템의 유출수는 H3로 표기하 였다. 탁도저감시스템의 유출수는 해수열원측 열교환기로 유입된다. 시료채취 및 실험은 총 4회에 걸쳐 실시하였다. 시료의 채취는 운전 시작시점으로부터 10일, 15일, 23일, 30 일경과 시 실시하였다.
탁도저감시스템의 효과분석을 위해 온배수에 의한 환경 영향이 나타날 수 있는 수소이온농도(pH), 화학적산소요구 량(COD), 수온, 염분, 용존산소, 탁도, 부유물질, 총질소, 총 인을 본 연구의 분석항목으로 선정하였다(Park et al., 2007). 수온, pH, DO, 염분 등은 현장에서 직접 측정하였고 나머지 항목은 실험실로 운반하여 해양환경공정시험방법에 따라 총 3회 반복 실험을 실시하였으며 그 방법과 실험기기는 Table 2와 같다(MOF, 2018).
2) 열교환기 오염도분석
열교환기 내에서 해수가 가열되거나 냉각될 때 스케일이 생성된다. 열교환기 표면에 스케일이 침전할 경우 크게 두 가지 문제가 발생된다(Thonon et al., 1999). 첫째는 열교환기 의 성능 저하이다. 스케일의 낮은 열전도도로 인해 열교환 기에 침전 된 스케일은 총괄 열전달 성능을 점진적으로 감 소시킨다. 두 번째는 관내 침전물로 인한 유로 면적이 감소 되어 유량을 감소시키며, 이는 열교환기 내의 유로 압력강 하를 증가시킨다(Hwang et al., 2015).
열교환기 오염도 비교분석을 위해 탁도저감시스템으로 처리된 유입수가 유입된 열원열교환기와 배수로의 해수가 직접 유입된 배수로측 열교환기를 총 30일간 운전한 이후 부착되어 있는 미세퇴적물을 채취하여 균일하게 혼합한 샘 플을 채취하였다. 열교환기의 오염정도를 분석하기 위해 채 취된 오염퇴적물 샘플을 완전 건조하여 X선 형광분석기 (XRF-1700)를 이용한 산화물 분석을 실시하여 오염물의 조 성을 파악하였으며 산화물 분석을 위한 방법과 기자재는 Table 2와 같다.
3. 결과 및 고찰
3.1 탁도저감시스템의 효율분석
1) 현장측정항목
현장에서 측정해야하는 수온, 용존산소, 수소이온농도, 염 분은 시료채취를 실시할 때 YSI model Pro1030를 이용하여 측정하였다. 측정한 결과 수온은 20.82 ~ 21.01℃, 수소이온농 도는 7.67 ~ 8.06, 용존산소는 8.01 ~ 9.5 mg/L, 염분은 31.16 ~ 31.29의 범위로 측정되었다. 시운전이 10월부터 11월 한 달 이내로 이루어졌기 때문에 계절적 영향으로 인한 수온의 변 화도 적었으며 시료 채취지점별로도 큰 변화가 없는 것으로 측정되었다.
2) 탁도
탁도저감시스템의 초기 운전 시 온배수 배수로의 상황에 따라 유입수의 탁도 변화가 매우 유동적이므로 정확한 탁도 저감시스템의 안정화 정도를 확인하기 위해 탁도저감시스 템의 유입수와 유출수에 센서를 부착하여 실시간 모니터링 을 실시하였다. Fig. 4와 같이 탁도저감시스템은 운전 10일차 부터 안정적으로 운전이 진행되는 것을 확인 할 수 있었다. 일반적으로 압력식여과장치의 시운전은 10일정도 소요되며 안정기에 접어든 탁도저감시스템의 처리효율은 약 80%로 나타났다. 실시간 모니터링 결과를 통해 탁도저감시스템의 안정적인 운전을 확인 한 후 30일 동안 시운전을 실시하였 다. 탁도처리효과를 확인하기 위해 총 4차례 시료채취가 이 루어졌으며 그 실험결과는 아래 Fig. 5와 같다. Fig. 4에 따르 면 H2는 50.2 mg/L ~ 65.2 mg/L로 취수구 주변의 환경에 따라 유입수의 탁도농도의 변동이 큰 것을 확인 할 수 있었다. H3 는 7.8 mg/L ~ 15.2 mg/L의 범위로 탁도저감시스템의 효과는 75%~ 86% 범위로 나타났다.
기존 연구에 따르면 압력식 여과장치의 성능이 초기 원수 40 NTU((Nepthelometric Turbidity Unit) 기준 스케일 입경 1μm 이상에 대해 약 95% 정도의 저감 성능이 나타난다고 보고 되고 있으나, 본 연구에서는 75 ~ 86%로 압력식 여과장치의 일반적인 저감 성능보다는 다소 효과가 낮은 것으로 분석되 었다(Kim et al., 2006). 그 이유로는 유입수의 탁도가 60 ~ 80 NTU로 기존연구의 기준치보다 두 배 정도 높고 일정한 입 경으로 실험한 것이 아니라 자연상태인 다양한 입경으로 실 험하였기 때문에 탁도 저감 효율이 다소 낮은 것으로 판단 된다.
3) 부유물질
해양환경측정망(MEIS, 2015;http://www.meis.go.kr/) 자료를 기반으로 우리나라 동해, 남해, 서해지역의 부유물질 농도를 분석한 결과 실험지역인 서해의 부유물질 농도는 평균 17.1 mg/L로 동해 2.0 mg/L, 남해 9.67 mg/L에 비해 부유물질의 농 도가 높은 것으로 분석되었다. 특히 동해와 비교했을 때 약 8배 정도 높았다. 탁도저감시스템의 부유물질 제거효과를 분석하기 위해 총 네 번의 실험을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 탁도 개선 시스템에 유입되는 H2의 부 유물질 농도는 24.3 ~ 52.5 mg/L의 범위로 탁도와 마찬가지로 온배수 배수로의 상황에 따라 부유물질 농도의 변화폭이 많 게는 두 배 정도 차이가 나는 것으로 분석되었다. 탁도개선 시스템의 유출수인 H3는 11.6 ~ 30 mg/L로 처리효율은 42.8 ~ 61.0%로 나타났다. 일반 압력식 여과장치의 부유물질 제거 효율은 약 14 % 정도로 본 장치의 부유물질 제거효율이 약 4배 정도 높은 것으로 나타났다(Seon, 2012). 이는 4회차 실험 에서 유입수의 부유물질 농도가 100 mg/L 이상으로 유입되 어 상대적으로 제거효율이 높게 산출되었기 때문으로 판단 된다.
4) 화학적산소요구량
탁도저감시스템으로 인한 유기물 저감효과를 알아보기 위해 화학적 산소요구량을 총 4차에 걸쳐 분석한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 배수로의 화학적산소요구량은 3.00 ~ 3.55mg/L로 유기물 농도가 높아 해역환경기준 등급외 기준이 었다. H2는 2.72 ~ 2.81 mg/L, H3은 2.30 ~ 2.62 mg/L로 탁도저감장 치의 유기물 저감효과는 6.0 ~ 18.1%로 나타났다. Seon(2012)의 연구에 따르면 압력식 여과장치의 유기물 제거효율이 약 22 % 정도로 일부 유기성 SS물질의 흡착이 이루어져 화학적산 소요구량의 농도가 낮아진다고 보고 있다.
본 연구에서는 기존 연구결과보다는 다소 낮은 저감효과 로 보이지만 탁도와 마찬가지로 실험실에서 진행된 실험이 아닌 실제 플랜트에서 실험한 결과이기 때문에 처리효율의 차이가 존재하는 것으로 판단된다.
5) 총질소
탁도저감시스템의 유기질소 및 질소계 영양염류 저감 효 과를 확인하기 위해 총질소의 농도를 분석한 결과를 Fig. 8 에 나타내었다. 배수로 온배수의 총질소는 0.31 ~ 0.42 mg/L로 해역환경기준(http://www.meis.go.kr/) 2등급에 해당되는 것을 확인하였다. H2는 0.17 ~ 0.37 mg/L, H3은 0.165 ~ 0.36 mg/L으로 2.9 ~ 7.13%의 저감 효과를 확인 할 수 있었다. 본 탁도저감 시스템은 자갈과 모래로 충진 되어 있기 때문에 질소저감 효과는 낮았으며 부유물질의 감소로 인해 유기질소가 제거 되어 질소농도도 일부 감소한 것으로 판단된다.
6) 총인(T-P)
총질소와 마찬가지로 유기인 및 인 영양염 저감 효과를 확인 하기 위해 총인의 농도를 분석한 본 결과를 Fig. 9에 나타내었 다. 배수로의 온배수인 H1은 0.036 ~ 0.045 mg/L로 해역환경기준 2등급에 해당되는 것으로 확인하였으며 해양환경측정망(MEIS, 2015)의 서해지역 평균 총인의 농도와 유사하였다. H2는 0.034 ~ 0.035 mg/L, H2은 0.033 ~ 0.034 mg/L로 나타났다. 탁도저감장치 의 효율은 2.8 ~ 4.2 % 범위로 분석되었다. 총 질소와 마찬가지 로 총인의 저감효과도 크지 않지만 일부 유기성 SS물질의 흡착 으로 인한 총인의 농도감소가 이루어진 것으로 보인다.
3.2 열교환기 오염도 비교분석
열교환기 내에서 해수가 가열되거나 냉각될 때 스케일이 생성되며 유입되는 혼탁물질이 많을 경우 생성되는 양이 더 욱 증가된다. 따라서 본 연구에서 적용한 탁도저감시스템으 로 인해 열교환기에 생성되는 스케일의 저감 효과를 확인하 기 위해 히트펌프시스템을 30일간 운전하여 발생되는 열교 환기 내부의 스케일을 실리콘으로 만들어진 회수장치를 활 용하여 회수하였으며 회수한 스케일을 완전히 건조시켜 무 게를 확인하였다.
분석결과 해수 열원측 열교환기에서 12.5 g, 부하측 열교 환기에서 7.1 g이 회수되었으며 해수 열원 측에서는 작은 패 류가 발견되기도 하였다. 이는 해수 열원 측 열교환기에 탁 도저감시스템을 거치지 않은 온배수가 직접적으로 유입되 었기 때문으로 판단된다.
열교환기의 오염요인을 분석하기 위해 배수로의 해양퇴 적물과 열교환기에서 채취된 오염퇴적물을 완전 건조하여 X선 형광분석법(X-Ray Flourescence Spectrometry (XRF))을 이 용하여 산화물 분석을 실시하였다. 산화물 분석을 통해 열 교환기에 부착되어 있는 오염물질의 화학적 조성을 파악할 수 있으며 배수로 해양퇴적물과의 비교분석을 통해 오염기 원을 추측할 수 있다.
열교환기 오염물질을 분석해 본 결과 Table 3과 같이 해수 열원 측(H3)과 부하 측 모든 시료에서 SiO2 성분이 주로 검 출 되었다. 이는 온배수 배수로에서 채취한 해양 퇴적물 성 분과 유사한 것으로 보아 열교환기에서 발생된 스케일은 온 배수 내 미세퇴적물로 인해 생성된 것으로 사료된다. 열교 환기에서 생성된 스케일의 성분 중 소량이지만 TiO2, MnO, Cr2O3도 검출되었다. 배수로 해양퇴적물에서 검출된 농도보 다 다소 높은 농도로 검출된 중금속의 기원을 추적해보기 위해 열교환기 재질을 분석한 결과 본 연구에서 사용한 판 형열교환기 알루미늄 및 부속품 재질 내에 티타늄, 크롬, 망 간 등 중금속이 함유된 것으로 보아 열교환기 재질로 인한 검출로 분석된다.
4. 결 론
본 연구에서는 탁도가 높은 지역에서 배출되는 온배수의 열원을 안정적으로 활용하고 유지보수의 간소화를 위한 방 법으로 탁도와 부유물질을 저감시켜 줄 수 있는 탁도저감시 스템의 적용가능성을 분석하였다. 본 연구에서 적용한 탁도 저감시스템은 자갈과 모래가 충진된 압력식여과방식으로 제작되었으며 하루 시간당 5톤의 처리능력을 가지고 있다. 본 시스템을 30일간 운전한 결과 탁도제거 효율이 75 ~ 86 % 로 압력식 여과장치의 일반적인 저감 성능보다는 다소 효과 가 낮은 것으로 분석되었다. 이는 유입수의 NTU가 60 ~ 80 NTU로 기존 연구보다 두 배 정도 높았으며 실험실에서 진 행된 실험이 아닌 실제 플랜트에서 실험한 결과이기 때문에 처리효율의 차이가 존재하는 것으로 판단된다.
탁도저감시스템으로 인한 열교환기에 가해지는 오염부하 량의 감소를 확인해보기 위해 히트펌프시스템을 30일간 운 전한 후 열교환기 내 스케일의 양을 양적으로 비교한 결과 해수 열원측 열교환기에서 회수된 스케일의 양이 더 많았으 며 작은 패류도 발견된 것을 확인 할 수 있었다. 이는 해수 열원측 열교환기가 탁도저감시스템을 거치지 않고 직접적 으로 온배수가 유입되었기 때문으로 판단된다.
열교환기 오염원을 분석하기 위해 배수로의 해양퇴적물 과 열교환기에서 채취된 오염물질의 산화물 분석을 진행해 본 결과 소량이지만 TiO2, MnO, Cr2O3이 검출되었다. 검출된 성분의 기원을 추적해보기 위해 열교환기 재질을 분석해본 결과 본 연구에서 사용한 판형열교환기 재료로 사용된 알루 미늄 및 부속품 재질에 티타늄, 크롬, 망간 등 중금속이 함 유된 것을 확인 할 수 있었다(Alfa Laval). 따라서 열교환기를 세척할 때 발생되는 오염물질에 열교환기 재료로 사용된 중 금속이 소량 용출되는 것으로 보이며 온배수활용시스템의 유지보수를 위해 열교환기를 세척할 시 중금속의 환경노출 을 최소화하기 위해서는 분리시킨 스케일을 따로 분리하여 처리할 필요가 있을 것으로 판단된다.
