1. 서 론

선저폐수는 선박 기관실에서 발생하는 기름과 물이 섞인 액상 유성혼한물로, 현재 국내 ^「선박에서의 오염방지에 관 한 규칙_」및 IMO MARPOL Annex Ⅰ에서는 총톤수 100톤 이상 선박에 대해서 기름 오염 방지설비를 작동하면서, 배 출액 중 기름 성분이 15ppm 이하인 경우에만 선외로 배출하 도록 규정하고 있다. 총톤수 100톤 미만 선박 중 5톤 이상 선박은 총톤수에 따라 규정에 맞는 선저폐수 저장 용기를 비치해야 한다(IMO, 1983).1) 그러나 5톤 미만 선박에 대해서 는 별도의 기름 오염 방지설비나 저장 용기 비치에 관한 규 정이 없어 제도적 공백이 존재한다. 또한, 현재 국내에 5톤 이상의 선박의 저장 용기에 보관된 선저폐수를 처리하기 위 해 해양수산부에서 전국 74개소에 1톤 규모의 선저폐수 저 장용기를 운영하고 있으나 실효성은 매우 미비한 상황이 다.2)

2024년 기준 국내 연안에서 항해하는 등록 어선 중 5톤 미만의 선박은 50,435척으로,3) 국내 해역에서 어선의 의해 발생하는 선저폐수는 약 3만여 톤에 이른다는 연구 결과를 발표하였다(Choi et al., 2018). 또한, 국내 해양 기름오염 사고 통계에 따르면, 최근 20년간 국내 연안에서 총 6,608건의 사 고가 보고되었고, 유출량은 총 57,328 kL로, 연평균 약 330건, 2,866 kL 수준이다(Kim, 2013a). 또한, 어선에 의한 사고 비중 은 42.7%, 유출량은 590 kL로 전체 유출량의 3.3% 정도임을 확인하였다(Kim, 2013b). 이와 같이 국내 연안에서 항해하는 소형 선박으로부터 발생하는 선저폐수는 상당하며, 이에 따 른 환경적 손실과 파생되는 경제적 손실도 막대할 것으로 예상된다. 해양경찰청에서 공표한 해양오염사고 상세데이터 현황에 따르면 2024년에 발생한 해양사고 281건 중 부주의, 고의에 의한 선저폐수와 기타 유성혼합물 유출사고는 약 26 건 발생하였다.4) 선저폐수와 같은 유성분이 해양으로 흘러 들어감으로써 오염에 크게 기여하여 생태계 파괴와 정화 처 리에 높은 비용이 투입되게 된다.

국내 선저폐수 처리시설에는 한계가 존재하여 효율적인 수거와 처리가 어려운 실정이다. 또한, 폐기물 처리장과 같 은 혐오시설 건설에 대한 기피 현상 때문에 발생하는 선저 폐수를 모두 처리하기 위한 충분한 처리시설을 마련하는 것 은 현실적으로 불가능할 것으로 예상된다. 따라서, 기술 개 발을 통해 소형선박으로부터 발생하는 선저폐수를 효과적 으로 처리하기 위한 종합적 대책 마련이 시급하다(Park, 2023). 해양환경공단(KOEM)은 소형선박 내 선저폐수를 정화 하기 위해 “소형선박용 기름여과장치”를 개발하였다.5) 또한, 다양한 연구에서 선저폐수 처리를 위해 막 분리, 전기화학 적 산화, 활성탄을 이용한 흡착 등의 접근법 등을 제시하였 다. 그러나 비용과 소형선박 특성상 운영의 복잡성, 적용성 측면에서 제한이 존재한다.

이에 본 연구에서는 기존 Filter case를 대상으로 형상 개발 을 수행하고, CFD 유동해석을 통해 Filter의 면적 활용성을 높여 여과 효율을 최적화하고, 기계적 여과 효과 뿐 아니라 양전하막을 이용하여 기름 성분을 좀 더 완벽하게 제거할 수 있는 기초 기술을 제안한다. 상용 Filter를 대상으로 재질 에 따른 유성분 분리 성능을 비교하고, 소형 선박에 적합한 다단계 Filter 시스템을 제안하는 것을 목표로 한다. 본 연구 를 통해 100톤 미만 선박은 물론, 현재 규제 사각지대에 놓 여있는 5톤 미만 선박에도 적용 가능한 선저폐수 처리용 유 수 분리 장치의 기초 기술을 마련하고자 한다. 또한, 5톤 미 만 선박의 제도권 편입을 유도하여 불필요한 선저폐수 무단 방류를 방지하고, 해양환경의 지속적인 보존과 개선에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 관련연구

Choi, S. M.(2009) 등과 같이 기존 국내 연구에서는 선박 및 해양시설로부터 배출되는 기름성분 혼합폐수 처리를 위 해 다양한 시도를 진행하였다. 특히 기계적 여과 및 흡착 기 술을 병행한 유수 분리 공정은 높은 유분 제거 효율을 보였 으나, 소형선박 적용 측면에서는 공간적 제약 및 운용 복잡 성 등의 한계가 존재한다(Choi et al., 2009).

Madeira, J. G. F.(2020) 등은 총톤수 400톤 미만 선박의 선 저폐수를 효율적으로 분리할 수 있는 Hydrocyclone 기반의 신기술을 제시하였다. 원심력을 이용하여 기름과 물의 밀도 차이를 극대화함으로써 배출액 중의 유분 농도를 1.7 mg/dm³ 미만으로 낮출 수 있음을 확인하였다(Madeira et al., 2020).

Öz, Ç.(2021) 등은 선박 폐기물 처리장에서 발생하는 선저 폐수를 Fenton 산화를 통해 유기오염물질을 선택적으로 제 거 가능성에 관한 연구를 수행하였다. 선저폐수는 Fenton 산 화되고, 최적의 흡착 작동 조건에서 입상 활성탄(Granular activated carbon)을 통해 총 유기화합물 제거 효율이 89.5 ± 1.9%에 달하는 것을 확인하였다. 입상 활성탄과 Fenton 산화 를 통한 선저폐수 처리는 경제적 관점에서 매우 효과적임을 제시하였다(Öz and Çetin, 2021).

Amran, N. A.(2021) 등은 선저폐수 처리를 위한 다양한 방 법에 대해서 설명하였다. 그 중 400톤 미만의 선박의 경우 중간 매체를 활용한 흡수 및 흡착 기반의 기술이 비용적, 공간적으로 이점이 있음을 제시하였다(Amran and Mustapha, 2021; USA EPA, 2025).

Pinar, O.(2024) 등은 유기탄화수소, 중금속, 미세플라스틱 등이 포함된 선저폐수의 처리를 위해 다양한 방법을 도입 하는 것이 필수적임을 강조하였다. 또한, 소형선박에서는 흡착제 등을 활용한 처리 방법이 적합하며, 운용 및 유지보 수 등을 고려한 적합한 방법 도입이 필요하다는 것을 제시 하였다(Pinar and Rodríguez-Couto, 2024).

3. 실험 장치 및 방법

3.1 해석 모델 검토

소형선박으로부터 발생하는 선저폐수에 대한 상용 Filter 의 재질별 처리 성능 비교 분석을 위해 범용적으로 사용되 는 Filter case로 선정하였다. Fig. 1(a)와 같이 Filter case의 경 우 유체가 Filter 외부로부터 유입되고 Filter를 통과하여 Filter 내부를 통해 배출되는 형태이다. 본 연구에서는 Filter의 여 과 효과를 극대화하기 위해 Fig. 1(b)와 같이 Case cover의 입 구 형상을 변경하여 유체의 흐름을 최적화하였다.

유체가 흘러가는 유로의 체적을 추출하여 해석 대상으로 하였으며, 해석 모델의 치수는 깊이 81 mm, 폭 224 mm, 깊이 296 mm로 설정하였으며, 체적은 7.6e⁵ mm³이다.

3.2 수치 해석 기법 및 경계 조건

소형선박으로부터 발생하는 선저폐수에 대한 상용 Filter case cover를 형상 개발하여 Table 1과 같은 조건에서 수치해석 을 수행하였다. 본 해석에 사용된 메쉬의 형태는 Tetrahedral로 하였으며, 유동이 급격하게 변하는 구간인 Case 입·출구는 조밀하게 구성하여 총 메쉬수를 Case 1은 97만 개, Case 2는 153만 개, Case 3는 160만 개로 설정하였다.

본 연구의 CFD는 모든 케이스에 대해 동일한 경계조건 (Velocity-inlet 2m/s, Pressure-outlet 0 Pa, 동일 물성)을 적용하였 고, 난류 모델로는 유동에서 합리적 결과를 도출해주는 Realizable k-ε 모델을 사용하여 해석부하를 경감시키며, 물리 적 타당성을 확보하였다(Shin et al., 1995). 또한, Case 내부의 세부 형상을 모델링하여 해석을 수행하는 것은 불가능하기 때문에 Porous media를 사용하여 유동저항을 고려하였고, 유 체 흐름은 등방성을 가져 방향에 따른 영향이 없도록 경계 조건을 설정하였다. Filter를 통과함에 따른 상대적 비교가 목 적이므로 Viscous resistance는 2.1e⁶ 1/m로 설정하였고, Viscous resistance에 대한 운동량 손실은 식(1)과 같이 계산된다.

여기에서, S_i는 운동량 손실, μ는 점성계수, D는 Viscous resistance, υ_i는 속도를 뜻한다.

Case 별 메쉬 수는 노즐/출구 인근 고구배 영역(고속 유동 영역)을 국소적으로 세분화하여 해상도를 확보하기 위해 차 이가 존재한다. 그러나, 비교 공정성을 위해 메쉬 수를 제외 한 물리모델 및 경계조건 등을 포함한 해석 조건은 동일하 게 유지하였다. Filter를 통과한 압력강하는 Case 1=12,998 Pa, Case 2=13,801 Pa, Case 3= 3,670 Pa로 최대 편차 약 6% 수준 을 보였다. 이는 메쉬 차이에 따른 통합지표 왜곡이 크지 않 음을 나타낸다.

3.3 유수 분리 시스템 성능 평가 장치 구축

상용 Filter 재질에 따른 선저폐수 처리 효과를 평가하기 위해 Fig. 2와 같이 실험장치를 구성하였다. Filter 전후로 Oil content meter를 설치하고, Data acquisition device를 사용하여 데이터를 취득하였다. 성능 평가에 사용된 유수 혼합액은 시간 경과에 따른 혼합 유체 비중차에 의한 유분과 수분의 상분리를 최소화하기 위해 5 μm의 Membrane module을 사용 하여 유분 입자가 균일한 샘플수를 제작하였다. 또한, Sample bottle 내에 샘플수 순환을 위한 Pump를 설치하여 상 분리를 억제하였다.

Filter 전후의 유수 혼합액에 포함된 유분의 농도 데이터를 수집하기 위한 측정 장치는 공인기관으로부터 검교정을 받 은 장치로 실제 선박의 유수 분리 장치에 적용되는 장치이 다. 적외선 발생기를 통해 혼합액에 빛을 투과시켜 산란 광 량과 투과 광량의 비율을 계산하는 투과광 탁도 방식으로 유분의 농도를 측정한다. Oil content meter의 상세 제원은 Table 2와 같다.

선저폐수 중의 유분을 제거하기 위해 6 종류의 상용 Filter 에 대해 성능을 평가하였다. 각 Filter 별 재질과 원리는 Table 3과 같다. Filter 1의 경우 Palm shell 재질의 활성탄으로 이루 어져 있으며, Filter 2의 경우 양전하막 처리가 된 활성탄이 주 요 재질이다. Filter 3과 4는 부유물과 입자상 물질을 기계적으 로 제거하며, Filter 4의 경우 Filter 3에 비해 미세한 구조로 이 루어져 있다. Filter 5와 Filter 6은 이온수지로 구성되어 있다.

4. 결과 및 고찰

본 연구는 형상 최적화 → 필터 매질 성능평가 → 시스템 화의 3단계 순차 접근법으로 수행하였다. 먼저, Filter 층을 등방성 다공매질로 모델링하고, 커버 입구각(0°/30°/45°)만 변 경하여 Filter 표면 유속 균일도와 유적선을 비교하여 최적의 Filter 형상을 선정하였다. 이후 선정된 형상을 기반으로 상 용 Filter 6종을 동일 조건에서 단품 성능 실험으로 비교하였 다. 마지막으로, 실험 결과를 바탕으로 3단 Filter 조합 시스 템을 제안하였다.

4.1 형상 개발 모델 CFD 해석 결과

Fig. 3은 유동해석에 따른 Case 1 ~ 3의 속도 Contour를 나 타낸다. Fig. 3(a)는 Case 1의 속도 Contour를 나타내며, Fig. 3(b)는 Case 2를, Fig. 3(c)는 Case 3를 나타낸다. Case 1의 경우 유입된 유체의 대부분이 입구와 가깝게 위치한 출구 부분으 로 유출되어 입출구 부분에서의 유속은 빠르며, Filter의 하 단 부분에서는 매우 느린 것을 확인할 수 있다. 국소적으로 속도가 급격히 증가하는 부분이 존재하며, 전체적으로 정체 구간이 많아 유동이 원활하게 이루어지지 않는다. 반면, Case cover에 일정한 입구각을 갖는 Case 2와 Case 3의 경우 각도가 있는 노즐을 통해 유체가 유입됨으로써 회전하면서 Filter case 내부로 분출됨으로써 비교적 균일한 속도 분포를 가지며 Filter 여재에 유입된다. Case 2의 경우 국소 고속 영 역이 존재하나 전체적으로 0.4 ~ 0.6 m/s 정도의 속도 분포가 넓게 형성되어 Base 모델인 Case 1보다 유동이 고르게 분포 되어 있다. 그러나 Filter case에서 Filter로 유체가 흘러갈 때 내부 하단에서 정체 구간이 발생하는 것을 확인하였다. Case 3의 경우 내부 대부분에서 유속이 일정하게 유지되며, Filter Case 바닥 부근까지 유동이 흘러가면서 가장 균일한 속도 분포를 형성하였다. 특히 Filter 내부 유입 후 유동 또한 고르 게 분포하는 것을 확인하여 Filter 여과 효율 측면에서 성능 이 가장 좋을 것으로 판단된다.

Fig. 4(a) ~ (c)는 각각 Case 1 ~ 3 별 Filter 외부 표면에서의 속도 분포를 나타낸 결과이다. Case 1의 경우 입구와 인접한 부분에서 국소적으로 속도가 매우 높으며(0.67 m/s), Filter 하 단으로 내려갈수록 유속이 매우 느려져 하부에서 속도는 0에 가깝다. 즉, 입구와 가까운 부분에서만 유속이 존재하여 전반 적인 Filter 표면으로 유동이 충분히 도달하지 못한다. 따라서 Filter의 활용 면적이 줄어듦으로써 효율이 낮고, 특정 부분에 서만 부하가 집중되어 수명도 단축될 것으로 예상된다.

Case 2와 Case 3의 경우 입구를 벗어난 유체가 회전 유동 을 형성하면서 Filter 하단 부분까지 유속이 존재하는 것을 확인하였다. Case 2에 비해 Case 3에서 회전 유동이 강하게 형성됨으로써 입구 ~ 중간 부근까지 속도는 0.21—0.60m/s로 나타난다. 또한, 필터 하단에서 속도는 0.39—0.56m/s 정도로 속도가 균일하게 분포되어 있어, 충분한 여과 효율을 갖는 다. 즉, Case 3의 경우 유입 부분에서 국부적 고속 면적이 축 소되고, 하단부 유속이 넓게 분포하여 전반적으로 Filter 표 면에 속도가 고르게 분포됨을 확인하였다. 이는 Base 모델인 Case 1에 비해 Filter 표면을 효율적으로 활용함으로써 여과 효율을 향상시키고, Filter 수명 측면에서도 이상적인 구조로 판단된다.

Case 1에서 유체가 유입되는 입구 부분에서 압력손실이 가장 낮았지만 Filter case 및 표면에서 유체의 속도 분포가 국부적으로 형성되어 있어 Filter 활용 효율이 낮은 것으로 판단된다. Case 2와 Case 3에서는 압력 손실은 존재하였으나 Filter 전 영역에서 속도 분포가 존재하였으며, 특히 Case 3에 서 가장 균일하게 나타나 Filter 효율과 수명이 최적화된 것 으로 예상된다.

Fig. 5는 유체가 Filter case 내부로 유입시 입구각에 따른 각 Case 별 유적선을 나타낸다. Fig. 5(a)는 Case 1에 해당하는 유적선으로 유체의 대부분이 유입된 이후 Filter 상단을 통해 출구로 대부분 흘러나가 Filter 전체를 활용하지 않고 일부분 만 통과하는 것으로 나타난다. 대부분의 유적선이 Filter 상 단 30% 정도에 집중되어 있어 비효율적이다. Fig. 5(b)는 입 구각 30°에 해당하는 Case 2에서 나타나는 유적선으로, 유입 된 유체가 회전 운동을 통해 Filter case 하단까지 도달하며 Case 1에 비해 면적 활용도가 높으나 여전히 상단과 하단의 불균형이 존재한다. 그러나 Case 3의 경우 입구각이 45°로 되어있어 Filter case 하단부까지 고르게 유적선이 분포되어 있다. 따라서, Filter 표면 활용도가 가장 높으며, 여과 효율과 Filter 수명 측면에서 가장 적합할 것으로 판단된다.

4.2 Filter 재질별 선저폐수 처리 능력

단일 상용 Filter 별로 유성분이 혼합된 샘플수(30ppm) 1,800L를 처리하는데 소요되는 시간은 Fig. 6과 같다. 재현성 확보를 위해 총 10번의 Test를 수행하였으며, Filter 재질과 내부 구조에 따라 유성분이 통과하기 위한 저항에 차이가 존재하여 처리 시간에 편차가 발생하였다.

활성탄의 복잡한 미세공극 구조로 인해 Filter 1의 경우 유 동 저항이 크게 작용하여 처리 속도가 늦는 것으로 판단된 다. 반면, 양전하막 처리로 유량 저항이 작게 발생하는 Filter 2의 경우 유량 저항이 Filter 1에 비해 상대적으로 작게 작용 하는 것을 확인하였다. 또한, 단순한 기계적 여과 효과를 같 는 Filter 3과 Filter 4의 경우 큰 입자와 부유물을 제거하기 때 문에 유량 저항이 낮아 빠르게 처리가 가능하였다. 이온 수 지로 구성되어 있어 여과 매체 저항이 큰 Filter 5와 Filter 6은 유수 속도가 매우 느렸으며, 특히 Filter 6이 평균적으로 처리 속도가 가장 느린것으로 나타났다.

Fig. 7은 각 Filte r별 유분 처리 능력을 나타낸다. 동일하게 1,800L, 30ppm의 샘플수를 사용하였다. 일반적으로 유수 혼 합액 내 오일은 음전하를 띠며, 양전하 특성을 갖는 탄소계 흡착제는 전기적 인력과 친유성 상호작용에 의해 흡착성이 강하다(Waisi et al., 2020;Collini et al., 2023;Ye et al., 2022;Diaz et al., 2024). 따라서, Carbon 재질로 이루어진 Filter 2는 표면의 양전하 특성으로 대체적으로 음전하를 띄는 유분을 효과적으로 흡착하여 샘플수 중의 대부분의 유분을 제거할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, Palm shell 재질의 활성탄을 사용하여 유기화합물 흡착 성능이 있는 Filter 1이 Filter 2를 이어 성능이 좋은 것으로 나타났다. Filter 5와 Filter 6은 이 온성 불순물 제거에는 성능이 좋으나, 비극성 유분 제거 효 과는 좋지 않는 것으로 보여진다. 또한, 단순 기계적인 방법 으로 불순물을 제거하는 Filter 3은 유분 제거에 큰 효능이 없는 것으로 나타났으며, Filter 3에 비해 미세한 격자로 이 루어진 Filter 4의 경우 입자성 유분은 제거할 수 있으나 미 세한 유분은 제거하지 못해 부분적인 효과가 있음을 확인 하였다.

Table 4와 같이 각 Filter 별 처리 시간(1,800L 기준)과 성능 (30ppm 기준)에 대한 Test 1 ~ 10까지의 평균 결과를 비교하 였다.

현재 ^「선박에서의 오염방지에 관한 규칙_」에 따르면 선 박에 설치된 기름여과장치는 배출액의 유분농도를 15 ppm 이하로 분리할 수 있는 성능을 가져야 한다. 따라서 본 연구 에서는 국내외 규정을 만족하면서 처리 시간과 성능을 최적 화하기 위해 유분 제거효과가 가장 뛰어난 Filter 2와 두 단 계의 전처리 Filter를 위해 Filter 3과 Filter 4를 직렬로 연결하 여 3단 Filter를 구성하였다.

4.3 시스템 성능 평가

3단 Filter를 구성하여 전체 시스템에 대한 성능을 평가하 기 위한 유수 분리 시스템 Lab. scale 장비를 Fig. 8과 같이 구 성하였다. 수조 내에는 30ppm의 유분을 포함하는 샘플수가 있으며, Transfer pump를 통해 유수 분리 시스템에 전달된다. Filter 전·후단으로 유분 농도 측정을 위한 Oil content meter가 설치되어 있고, 실시간으로 유량 측정을 위한 유량계를 설 치하여 DAQ를 통해 처리 전·후 배출액중의 유분 농도와 유 량 데이터를 수집하였다. Lab. scale 장비를 통한 유수 분리 시스템 성능 평가 결과는 Fig. 9와 같다. 실험 시간은 7000s 로 설정하였으며, 실험 기간 동안 샘플수의 유분 농도는 25 ~ 30ppm을 유지하였다.

Fig. 9(a)와 같이 전체 실험 기간 동안 시스템을 통과한 배 출액의 유분 농도는 0ppm에 가깝게 유지 되었다. 그리고 Fig. 9(b)와 같이 전체 실험 기간 동안 평균적으로 0.52L/min 의 속도로 유수 혼합액을 처리할 수 있음을 확인하였고, 실 험이 종료된 시점에서의 처리 농도는 0ppm, 속도는 0.51 L/min으로 개발 시스템이 유수 혼합액에 효과적으로 대응하 는 것을 확인하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 소형선박으로부터 발생하는 선저폐수 대 응을 위한 유수 분리 시스템 최적화를 위해 기존 Filter case 의 형상을 개발하고, Lab. scale 장비를 구축하여 유수 혼합액 에 대한 상용 Filter의 성능을 확인함으로써 최적의 시스템을 구성하였다.

30°, 45°의 입구각을 갖는 Filter case의 형상을 개발하고 CFD 유동해석을 통해 Base 모델과 성능을 비교하였다. 전반 적으로 45° 입구각을 갖는 Case 3에서 최적의 선회 흐름을 유도함으로써 Filter case와 Filter 전체 면적에서 유속이 고르 게 분포하는 것을 확인하였으며, 유적선 분포를 통해 여과 효율 또한 우수한 것을 확인하였다.

6개의 상용 Filter에 대해서 유수 혼합액에 대한 유분 처리 성능을 비교하였다. 양전하막을 갖는 Carbon 재질의 Filter에 서 유분 제거 효과가 가장 우수한 것을 확인하여, 전처리 Filter로 두 개의 기계적 여과 효과를 갖는 Filter와 양전하막 카본 재질 Filter로 구성된 3단 Filter를 제안하였다.

개발된 형상의 Filter cover와 3단 Filter로 구성된 제안된 시 스템의 성능 평가결과 7000s 동안 처리된 배출액의 유분이 0ppm으로 배출되는 것을 확인하였으며, 처리속도 또한 평균 0.52L/min으로 소형선박 환경에 적합할 것으로 판단된다.

본 연구를 통해 현재 규제 밖에 존재하는 5톤 미만 소형 선박에서 발생하는 선저폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 기초 기술 및 시스템을 제안하였다. 향후 연구에서는 개발 시스템 실증화를 위한 Logic 설계를 통해 소형 선박 운용 환 경에 최적화된 모델을 개발할 예정이며, 본 연구에 포함되 지 않은 다양한 Filter 재질에 대한 성능 평가를 수행할 계획 이다.