KR101564244B1 - 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치 - Google Patents

전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치에 관한 것으로서, 선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 전해수처리수단의 구동시간 및 오존미세버블 공급수단의 오존버블 발생량과 발라스트탱크로의 주입속도 및 구동시간을 제어함으로써, 관로처리방식과 탱크내처리방식을 서로 조합하되, 두 방식의 장점은 살리고 단점은 보완하여 발라스트수 처리효율 및 설비유지비용을 줄일 수 있는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치를 제공한다.

Description

전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치{HYBRID BALLAST WATER TREATMENT SYSTEM HAVING PIPE TYPE WATER TREATMENT UNIT AND OZONE MICRO-BUBBLES UNIT}
본 발명은 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 전해수처리수단의 구동시간 및 오존미세버블 공급수단의 오존미세버블 발생량과 발라스트탱크로의 주입속도를 상대적 비율로 제어하여, 관로처리 방식과 탱크내 처리 방식을 조합하되, 두 방식의 장점은 살리고 단점은 보완할 수 있도록 한 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박에 적재물이 없어 배 뒤쪽의 추진기가 수면 위로 떠오르게 되면 선박의 조종이 제대로 되지 않기 때문에, 선박은 항해의 안정성을 유지하기 위해 운행 중 선채의 무게 중심을 낮춰야 한다.
그러나, 선박은 안전을 위해 적재할 수 있는 총 중량이 제한되어 있기 때문에 화물이나 여객의 전체 무게에 따라 선박 내에 선체의 중심을 평행하게 하기 위한 선박평형물질을 주입하여 선체를 수면 아래로 가라앉게 하여야 한다. 또한, 상기 선박평형물질은 필요에 따라 선박으로부터 용이하게 배출할 수 있는 것이어야 한다.
이러한 선채의 무게 중심을 낮추기 위한 방법으로서, 전통적으로 선박 하부에 선박평형물질로서 모래나 납과 같은 고체 물질을 적재하는 방법이 있었다. 그러나, 이러한 고체 물질은 선박으로부터 고체 물질을 배출하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있어서 최근에는 대부분 선박에 주입 및 배출이 용이한 물을 선채평행물질로 사용하고 있다. 이러한 선채평형물질로 사용되는 물(해수)을 발라스트수(ballast water, 선박평형수)라고 한다.
이러한 발라스트수의 주입과 배출은 대부분 화물이나 여객이 타고 내리는 항만이나 부근 해역에서 이루어지게 된다.
한편, 상기 발라스트수는 선박의 펌프를 이용하여 선박 내에 주입되거나 배출되는데, 이때 해수에 포함된 수중생물들도 함께 선박 내에 주입되거나 배출된다. 따라서, 선박에 주입된 해수 및 수중생물은 선박의 운항거리에 따라 장거리를 이동하여 처음 있던 곳과 다른 지역에 배출될 수 있다.
이렇게 배출된 수중생물은 대부분 새로운 환경에 적응하지 못하고 죽게 되지만 그 중 일부는 살아남아 기존의 생태계를 교란시키거나 심한 경우 해당 지역의 생태계를 파괴하는 경우도 있다.
이에 여러 국가들이 자국의 법 체제를 통해 항만 내에서는 발라스트수의 교환을 제한하거나 입항 전 수심이 깊은 곳에서 미리 교환하도록 강제 규제하고 있는 등 발라스트수의 처리 문제가 큰 이슈로 부각되고 있다.
하기 특허문헌 1은 발라스트수 처리장치 및 방법을 기재하고 있으나, 2가지 타입의 수처리 방식을 동시에 사용하는 하이브리드 수처리 방식은 물론 선박의 항해 및 정박시간에 따라 전해수처리수단의 구동 및 오존미세버블 공급수단의 구동을 상대적 비율로 제어하는 사항에 대해서 개시하지 않는다.
국내특허등록공보 제10-0883444호
당 기술분야에서는, 발라스트수 처리방식으로서 관로처리방식과 탱크내처리방식을 선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 상대적 비율로 제어하여 조합하되, 두 방식의 장점은 살리고 단점은 보완하여 발라스트수 처리효율 및 장치 설비유지비용을 줄일 수 있는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치에 대한 새로운 방안이 요구된다.
본 발명에 의한 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치는, 발라스트탱크; 상기 발라스트탱크로 해수를 주입하는 해수주입관, 및 상기 발라스트탱크로부터 발라스트수를 배출시키는 발라스트수배출관을 포함하는 발라스트수 주입/배출수단; 상기 해수주입관을 통해 유입된 해수를 2개로 분리하여 공급하기 위한 제1 및 제2 분기관; 선박이 정박하는 동안 상기 제1 분기관을 통해 유입된 해수를 전기분해로 생성된 차아염소산으로 살균처리하여 상기 발라스트탱크로 주입하는 전해수처리수단; 선박이 항해하는 동안 상기 제2 분기관을 통해 유입된 해수와 오존을 혼합하여 형성된 오존미세버블을 상기 발라스트탱크에 주입하여 상기 발라스트탱크에 수용된 발라스트수를 살균처리하는 오존미세버블 공급수단; 및 선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 상기 전해수처리수단의 전기분해 구동시간, 및 상기 오존미세버블 공급수단의 오존미세버블 발생량과 상기 발라스트탱크로의 주입속도를 상대적 비율로 제어하는 제어수단; 을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 전해수처리수단은, 정류기; 상기 정류기와 연결된 양극 및 음극단자와, 상기 양극 및 음극단자에 번갈아 배치되도록 형성된 빗살형 전기분해부를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기분해모듈을 포함하는 전기분해반응기; 및 상기 정류기의 DC 정류 및 상기 빗살형 전기분해부의 전기분해 구동시간을 제어하여 전기분해반응기의 전기분해 구동시간을 제어하는 제어패널; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 제1 분기관에는 해수의 염분을 측정하기 위한 염분센서가 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 오존미세버블 공급수단은, 해수유입펌프; 상기 해수유입펌프에 의해 유입된 해수에 오존을 주입하여 혼합시키는 오존발생기; 상기 해수와 혼합되고 남은 미용존 오존가스를 외부로 배출하기 위한 벤츄리인젝터; 및 상기 벤츄리인젝터로부터 유입된 오존버블을 미립화하여 상기 발라스트탱크 내부로 더 미립화된 오존미세버블을 주입시키는 적어도 하나 이상의 미세버블노즐; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어수단은, 발라스트수 배출시 TRO 농도에 따라 상기 전해수처리수단과 상기 오존미세버블 공급수단의 해수 처리량 및 처리시간을 각각 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어수단은, 상기 전해수처리수단과 상기 오존미세버블 공급수단의 구동비율을 50:50으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 제어수단은, 상기 전해수처리수단의 HOCl 및 상기 오존미세버블 공급수단의 오존 TRO(총산잔류화산화물질, Total Residual Oxidant) 농도가 각각 5 mg/L 이상으로 유지되게 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 발라스트수 배출관을 통해 배출되는 발라스트수의 TRO 농도는 10 mg/L 이하로 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 상기 발라스트탱크와 연결되며, 상기 발라스트탱크 내부에 수용된 발라스트수에서 최소길이 50 ㎛ 이상 크기의 동물성 플랑크톤의 생존 개체수를 실시간 측정하는 생물모니터링부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 전해수처리수단의 구동시간, 및 오존미세버블 공급수단의 오존버블 발생량과 발라스트탱크로의 주입속도와 구동시간을 제어함으로써, 관로처리방식과 탱크내처리방식을 서로 조합하되, 두 방식의 장점은 살리고 단점은 보완하여 발라스트수 처리효율 및 설치 설비유지비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발라스트수 처리장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 2는 도 1의 전해수처리수단 중에서 전기분해반응기를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 전기분해반응기 중에서 전기분해모듈의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 4는 도 1의 오존미세버블 공급수단 중에서 미세버블노즐? 구조를 개략적으로 나타낸 투명사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발라스트수 처리장치의 제어 알고리즘을 개략적으로 나타낸 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치의 구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치는, 발라스트 탱크(300), 발라스트수 주입/배출수단, 제1 및 제2 분기관(3, 4), 전해수처리수단(100), 오존미세버블 발생수단(200) 및 전해수처리수단(100)의 구동과 오존미세버블 발생수단(200)의 구동을 상대적 비율로 제어하기 위한 제어수단(500)을 포함한다.
발라스트탱크(300)는 선박의 규모에 따라 차이가 있으며, 대형선박의 경우 10만 ㎡를 초과할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 필요시 발라스트탱크(300)와 연결된 생물모니터링부(310)가 구비될 수 있다. 생물모니터링부(310)는 생물의 유동성(mobility)를 감지하여 이를 생존개체수로 인식하여 디스플레이하는 것으로서, 발라스트탱크(300) 내부에 수용된 발라스트수에서 최소길이 50 ㎛ 이상 크기의 동물성 플랑크톤의 생존 개체수를 실시간 측정하여 제어수단에 그 데이터를 제공하는 역할을 수행한다.
상기 발라스트수 주입수단은 해수유입펌프(10)와, 해수유입펌프(10)의 구동에 의해 (I)방향으로부터 해수가 유입되는 해수주입관(1)을 포함한다.
상기 발라스트수 배출수단은 발라스트탱크(300)와 연결되어 (D)방향으로 발라스트수를 배출시키기 위한 발라스트수 배출관(2)과, 발라스트탱크(300)로부터 발라스트수를 유입하기 위해 발라스트수 배출관(2)에 설치된 발라스트수 유입펌프(20)와, 용해탱크(30)를 포함한다. 이때, 발라스트수 배출관(2)에는 바다로 배출되는 발라스트수의 TRO 농도를 체크하기 위한 발라스트수 TRO센서(40)가 구비될 수 있다.
제1 및 제2 분기관(3, 4)은 해수주입관(1)을 통해 유입된 해수를 전해수처리수단(100)과 오존미세버블 공급수단(200)으로 분리하여 공급하기 위한 것이다. 또한, 제1 분기관(3)에는 해수의 염분을 측정하기 위한 염분센서(110)가 설치될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 분기관(3, 4)에는 제어수단의 제어에 의해 해수의 공급량을 각각 분리하여 공급하기 위한 제1 및 제2 밸브(11, 12)가 각각 설치된다.
전해수처리수단(100)은 선박이 정박하는 동안 제1 분기관(3)을 통해 유입된 해수를 전기분해로 생성된 차아염소산으로 살균 처리하여 발라스트 탱크(300)로 주입하는 관로(in-line)처리방식의 발라스트수 처리수단이다.
이러한 전해수처리수단(100)은 정류기(130)의 DC 정류를 제어하고 후술하는 빗살형 전기분해부의 전기분해 구동시간 등을 제어패널(120), 정류기(130), 적어도 하나 이상의 전기분해모듈(141)을 포함하는 전기분해반응기(140), 전기분해에 의해 살균처리된 해수를 발라스트탱크(300)로 주입하는 전해수주입관(5) 및 전해수주입밸브(160)를 포함한다. 이때, 정류기(130)는 필요에 따라 DC 1,000 내지 2,000A(TRO 5 내지 10ppm)까지 용량 별로 설계가 가능하다. 전해수주입관(5)에는 필요시 살균처리된 해수의 TRO 농도를 감지하기 위해 전해수처리 TRO센서(150)가 구비된다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에서는 전기분해모듈(141) 4개를 시간당 300톤을 처리하는 1셋트로서 도시하여 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 전기분해모듈의 개수는 선박의 발라스트수 용량 등 필요에 따라 3개 이하 또는 5개 이상으로 증감하여 설계 변경될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전기분해모듈(141)은 대체로 정사각형 형상으로 이루어진 몸체(141a)와, 몸체(141a) 내부로 정류기(130)로부터 DC 정류를 제공받을 수 있도록 양극단자(142) 및 음극단자(143)가 연결되어 배치된 구조를 갖는다. 이때, 양극단자(142) 및 음극단자(143)는 몸체(141a) 내부에 마주보는 지지부(142a, 143a)를 각각 가진다.
양극단자(142) 및 음극단자(143)의 지지부(142a, 143a)에는 몸체(141) 내부에서 서로 번갈아 배치되는 형태로 빗살형 전기분해부(144, 145)가 각각 연결 형성된다. 이때, 빗살형 전기분해부(144, 145)는 바람직하게 해수 및 담수에서도 우수한 내식성을 가질 수 있도록 티타늄 베이스에 루테늄을 코팅하여 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
위와 같이 구성된 전해수처리수단(100)은 제1 분기관(3)으로 유입된 해수가 전극모듈(140)의 빗살형 전기분해부(144, 145)를 통과할 때 아래 반응식 1에 의해 전위차를 통해 전기분해되면서 그 중 양극 빗살형 전기분해부(144)에서는 차아염소산 또는 차아염소산나트륨을 생성하고, 음극 빗살형 전기분해부(145)에서는 수소 발생과 더불어 생성된 수산화이온(OH)으로 인해 해수가 강알카리성으로 변하게 되며, 상기 수산화이온은 해수 중 용존되어 나트륨과 반응하여 수산화나트륨(NaOH)을 생성하게 된다.
[반응식 1]
양극 반응 : 2Cl2 - → Cl2 + 2e-
음극 반응 : 2H2O +2Na+ + 2e- → 2NaOH + H2
양극 반응 : Cl2 + H2O → HCl + HOCl/NaOCl
음극 반응 : 2NaOH + 2MgCl2 → Mg(OH)2 + NaCl, 2NaOH + 2CaCl2 → Ca(OH)2 + NaCl
이때, 상기 차아염소산은 활성 산소를 내포하고 있어서 해수에 포함되어 있는 미생물을 살균 제거하는 작용을 한다. 실험결과, 상기 차아염소산에 의해 해수에 포함되어 있는 해수 중 동물성플랑크톤, 식물성 플랑크톤 및 기타 박테리아는 TRO 8 내지 9 ppm 조건에서 약 99% 이상 사멸된 것으로 분석되었다.
전해수주입밸브(160)는 전극모듈(140)을 통과하며 전기분해에 의해 살균처리된 전해수를 전해수주입관(5)을 통해 발라스트탱크(300)로 주입하는 것을 제어하는 역할을 한다.
다만, 상기 관로처리방식은 해수의 유입 또는 배출하는 시간이 충분하지 못하면 처리되는 해수의 양을 높여야 하므로 처리효율이 감소될 수 있는 문제점을 갖고 있다.
오존미세버블 공급수단(200)은 탱크내(in tank) 발라스트수 처리방식에 사용되는 것으로서, 선박이 항해하는 동안 제2 분기관(4)을 통해 유입된 해수와 오존을 혼합하여 형성된 후 미세화된 오존미세버블을 발라스트탱크(300) 내부로 주입하여 발라스트 탱크(300) 내에 수용된 발라스트수를 선박의 항해 도중에 살균처리한다.
이러한 오존미세버블 공급수단(200)은 제2 분기관(4)을 통해 해수를 유입하기 위한 해수유입펌프(210), 오존발생기(220), 벤츄리인젝터(240) 및 적어도 하나 이상의 미세버블노즐(270)을 포함한다.
오존발생기(220)는 오존을 발생시켜 해수유입펌프(210)에 의해 유입된 해수에 주입하여 혼합시킴으로써 오존버블을 만들기 위한 것이다. 이때, 제2 분기관(4)에는 오존의 주입량을 조절하기 위한 오존주입밸브(230)가 설치된다. 또한, 오존버블 공급관(212)에는 오존버블 TRO센서(260)가 구비된다.
벤츄리인젝터(240)는 오존과 해수를 혼합하여 오존버블로 만들고, 이렇게 혼합되고 남은 미용존 오존가스 또는 크기가 너무 큰 거대기포는 미용존 오존가스 배출부(213)를 통해 대기 중으로 배출시키는 역할을 한다. 이때, 벤츄리인젝터는 필요시 다공판 또는 오리피스관으로도 대체할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
미세버블노즐(270)은 벤츄리인젝터(240)로부터 유입된 오존버블을 미립화하여 발라스트탱크(300) 내부로 보다 미립화된 오존미세버블을 주입시키는 역할을 수행한다. 도면부호 280은 이렇게 미립화된 오존미세버블을 발라스트탱크(300) 내부로 공급하는 각각의 공급부를 나타낸다. 공급부(280)는 각각 지정된 발라스트탱크(300)에 오존미세버블을 공급할 수 있다. 본 실시예는 총 4개의 공급부가 구비된 것으로 도시하여 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 공급부(280)는 필요시 3개 이하 또는 5개 이상을 구비할 수 있다.
미세버블노즐(270)은 후방이 막히고 내측에 버블유입통로(2720)가 마련된 몸체(2710)를 가지며, 후방면(2740)의 중앙부에는 버블유입통로(2720)와 연통되도록 기포유입공(2741a)이 형성되고, 그 후방으로 배출통로(2750)의 역할을 하는 지지부(2750)가 형성된다. 그리고, 지지부(2750)의 후방 단부에는 기포유입공(2741a)에 비해 큰 직경을 갖는 충격판(2750a)이 형성된다.
한편, 몸체(2710)의 내측벽(2730)은 배출통로(2750)의 기포유입공(2741a)을 향하여 비스듬한 경사면(2730a)을 갖고 있어 오존버블(281)이 주입될 때 경사면(2730a)을 타고 가운데로 몰리면서 기압이 높아진 상태로 기포유입공(2741a)을 통과하면서 미세버블이 되고, 이후 충격판(2750a)에 부딪혀 초미세버블이 된 후 측면의 개방부를 통해 배출된다.
즉, 도 4에서 볼 ?, 상대적으로 거대한 기포가 충격 구조의 미세버블노즐(270)을 통과하면서 기포유입공(2741a)을 경계로 좌측에서부터 점점 기압이 높아져 우측 즉, 기포유입공(2741a)을 통과하면서 대기압과 같아져 케비테이션(cavitation) 효과에 의하여 거대버블이 미세버블로 파괴되며, 이때 충격판(2750a)에 의한 케비테이션 효과에 의하여 미세화된 버블은 더욱더 작아지게 되어 초미세버블이 되는 것이다.
미세버블이란 약 30 ㎛의 오존버블을 약 1.5 atm의 압력으로 수축하여 약 10 ㎛로 만들어 미세버블노즐(270)의 몸체로 공급한 후, 미세버블노즐(270)에 의해 다시 약 15 atm의 압력으로 수축하여 0.1 내지 10.0 ㎛의 크기로 압축시킨 것을 의미한다.
이러한 미세버블은 수중에서 상승속도가 매우 느리며, 버블파괴소멸시 약 40 Khz의 초음파와 140 db의 높은 음압 및 4,000 내지 6,000 ℃의 순간적 고압을 갖는 활성물질인 OH 라디칼(radical)이 대량 발생되는 특성이 있으며, 이때 OH 라디칼은 발라스트스탱크(300)에 수용된 발라스트수의 독성 및 이물질을 난분해하게 된다.
즉, 제2 분기관(4)으로부터 유량의 약 1/10이 오존미세버블 수처리수단 배관으로 유입되고 오존발생기(220)에서 발생된 오존은 벤추리인젝터(240)를 통해 배관에 주입되며 1차적으로 오존가스는 해수 중에서 기포화되며, 이렇게 생성된 복수의 오존버블(281)은 미세버블노즐(270)의 경사면(2730a)과 소직경의 기포배출공(2750a)를 거치면서 그 직경이 더 미립화되어 상기의 오존미세버블로 각각 변화되면서 발라스트탱크(300)의 내부로 주입되는 것이다.
또한, 오존은 차아염소산에 비해 6 내지 20배 정도의 강한 살균능력을 가지고 있으나, 수중에서 체류시간이 짧은 단점을 가져 발라스트수 처리에 사용하기 적합하지 않으나, 본 실시예에서는 이러한 오존을 미세버블화하여 그 표면적을 확대화하고 용해율은 높이면서 버블의 상승속도를 감소시켜 수중 체류시간을 연장하고, 이렇게 미세버블화된 오존은 일반적인 미세버블이 갖는 기포파괴소멸시 산화력이 높은 OH 라디칼을 발생시키는 특징을 그대로 가짐으로, 오존의 살균효율을 높여 발라스트수를 살균 처리하도록 하는 경우 그 처리효율을 현저히 향상시킬 수 있는 것이다.
본 실시예의 미세버블노즐을 통과하면서 기포입경 5 내지 10 ㎛의 초미세화 가 된 오존미세버블은 발라스트탱크(300) 내에 주입되면 오존의 강력한 산화력과 미세기포의 물리적 작용에 의해 유입된 해수 중의 동/식물성 플랑크톤 및 기타 박테리아를 살균하여 제거하게 된다.
다만, 이러한 발라스트수 처리방식은 앞서 설명한 관로처리방식에 비해 장치의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있으나, 오존이 수중에서 체류시간이 짧은 관계로 항해시간을 고려하여 여전히 처리속도가 개선되어야 하는 과제를 갖고 있다.
도 5를 참조하면, 제어수단(500)은 각종 입력신호 및 출력신호를 송수신하여 전해수처리수단(100)과 오존미세버블 공급수단(200)의 구동을 제어한다.
이때, 제어수단(500)은 해수주입관(1)으로부터 유입된 해수의 양을 측정하는 메인유량계(410)와, 전해수처리수단(100)의 시작부분에 구비된 전해수처리유량계(420)와, 오존미세버블 공급수단(200)의 시작부분에 구비된 오존미세버블 유량계(430)와, 발라스트수 배출관(2)에 구비된 발라스트수 유량계(440)와 연결되며, 각각의 유량계로부터 해당하는 부분의 유량 정보를 입력신호로 수신하게 된다. 또한, 제어수단(500)은 전해수처리 TRO센서(150)와, 오존미세버블 TRO센서(260)와 발라스트수 TRO센서(40)와 연결되며, 각각의 TRO센서로부터 해당하는 부분의 TRO농도 정보를 입력신호로 수신하게 된다.
제어수단(500)은 이렇게 수신된 각종 유량 정보 및 TRO 농도들을 기초 데이터로 하여 상황별 구동조건에 따라, 전해수처리수단(100)의 정류기(130) 및 오존미세버블 공급수단(200)의 오존발생기(220)에 구동 온/오프 명령을 출력신호로 송신하여 전해수처리수단(100) 및 오존미세버블 공급수단(200)의 해수 처리량 및 처리시간을 조절하는 것이다.
전해수처리수단(100)을 이용한 상기 관로처리방식은 해수의 유입 또는 배출하는 시간이 충분하지 못하면 처리되는 해수의 양을 높여야 하므로 처리효율이 감소될 수 있는 문제점을 갖고 있다.
또한, 오존미세버블 발생수단(200)을 이용한 상기 탱크내처리방식은 앞서 설명한 관로 처리방식에 비해 장치의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있으나, 오존이 수중에서 체류시간이 짧은 관계로 항해시간을 고려하여 여전히 처리속도가 개선되어야 하는 과제를 갖고 있다.
본 실시예는 상기 두가지 핵심 장치를 결합한 전기분해-오존미세버블 발라스트수처리 시스템으로서, 제어수단을 이용하여 전기분해장치와 오존미세버블 장치의 처리비율을 선박의 정박시간, 즉 발라스트수 유입시간 및 항해시간 등을 고려하여 각 장치의 구동 비율을 다르게 하여 구현한 것이다.
즉, 선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 전해수처리수단(100)의 구동시간, 및 오존미세버블 공급수단(200)의 오존버블 발생량과 발라스트탱크(300)로의 주입속도를 상대적 비율로 제어함으로써, 관로 처리방식과 탱크내 처리방식을 서로 조합하되, 두 방식의 장점은 살리고 단점은 보완하여 발라스트수 처리효율 및 설비유지비용을 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
따라서, 기존의 단일 전기분해 처리방식과 비교할 때, 전력비를 감소시킬 수 있고, 장비를 소형화시킬 수 있으며, 항해 시간을 고려하여 항해 중 발라스트 탱크(300)에서 오존미세버블에 의한 살균처리시 발라스팅 시간을 단축하여 항구 정박료를 절감할 수 있으며, 발라스트수 배출시 전기분해 처리비율을 낮춤으로써 생성되는 염소계산화물의 중화에 필요한 중화제 사용량을 감소시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치의 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 실시예의 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치는 일반적인 해수 염분조건 28 내지 30 PSU에서 처리유량 약 300 톤/시간, 인가전류 2,400 A 이하, 인가전압 4.0 V 이하 및 소비전력 9.6 kW 이하의 구성사양 및 구동조건을 가지며, 이때 TRO 농도는 약 10 mg/L이다.
IMO(국제해사기구)의 발라스트수 처리기준은 해양미생물을 식물성/동물성 플랑크톤 및 병원성미생물로 구분하고 있으며, 해양미생물의 생존개체수 통과기준은 아래 표 1과 같다. 이 기준을 통과하지 못하면 발라스트수의 수입국은 배수, 즉 발라스트의 수용을 거부할 수 있게 된다.
구분 IMO 통과기준
최소길이 10 내지 50 ㎛의 식물성 플랑크톤 생존가능 개체수 10 개/㎖ 미만
최소길이 50 ㎛ 이상의 동물성 플랑크톤 생존가능 개체수 10 개/㎥ 미만
독성비브리오콜레라균 군체형성단위(cfu) 1 개/100 ㎖ 미만
또는
동물성플랑크톤(습중량) cfu 1 개/g 미만
대장균(Escherichia Coil) 250 개/100㎖ 미만
분변성대장균 1,000 개/100㎖ 미만
표 1을 참조하면, 발라스트탱크(300)에 수용된 발라스트수의 해양미생물은 실제 선박에 수용되는 발라스트수의 양을 고려할 때 그 생존개체수가 거의 없어야 함을 알 수 있다.
본 실시예의 하이브리드 발라스트수 처리장치의 전해수처리수단(100)은 일반 해수 염분조건인 약 30 PSU, 처리유량 약 300 톤/시간 및 TRO 농도 약 10 mg/L에서 모든 플랑크톤 및 병원성미생물을 살균처리 할 수 있다. 즉, 전해수처리수단(100)을 단독 사용하더라도 TRO 농도 10 mg/L의 조건에서는 IMO의 발라스트수 처리기준을 만족시키는데 문제가 없다.
그러나, 상기 전기분해처리를 이용한 관로처리방식은 발라스트수를 처리하기 위해 항구에 채류하는 시간이 길어지게 되고, 이는 고가의 항구정박료를 발생시키는 원인이 된다. 또한, 대용량의 발라스트수를 정해진 시간 내에 모두 처리하기 위해서는 설비의 대용량화가 요구되므로 초기설비 설치 및 유지비용이 과다하게 발생할 수 있다. 또한, 선박 운행 중 살균처리된 발라스트수에서 해양미생물이 재발생되는 경우가 있는데, 상기 관로처리방식은 이러한 문제를 해결하기 곤란한 점이 있다. 예컨대, 발라스트수 배출시 UV나 추가 전기분해 등으로 발라스트탱크(300)에 수용되어 있는 발라스트수를 재처리하여 배출할 수 있으나, 이 경우 설비 설치 및 유지비용이 과다하게 발생하여 현실적으로 사용이 곤란하다.
IMO는 환경문제를 중요시하여 발라스트수 처리장치에서 발생되는 TRO 농도에 대한 규제는 없으나 발라스트수 배출시의 농도는 0.2 mg/L로 규제하고 있다. 따라서, 발라스트수 배출시 이러한 농도기준을 만족시키기 위해서는 살균처리에 사용되고 남은 TRO를 제거 또는 중화하기 위해 티오황산나트륨(Sodium thiosulfate)과 같은 중화제를 반드시 사용해야 하며, 이에 상기 관로처리방식은 중화제 투입 및 관리시설이 추가적으로 필요하다.
이때, 최초 선박 내로 해수를 유입하는 과정에서만 살균처리가 가능하므로 상기 중화제는 그 사용이 과다해질 수 밖에 없다. 상기 티오황산나트륨과 같은 중화제는 맹독성 물질은 아니지만 장기적으로 볼 때 화학합성약품이므로 해수에 배출되는 경우 해양생태계에 직간접적으로 영향을 줄 수 있다.
한편, 전해수처리수단(100)의 전기분해처리를 이용한 관로처리방식은 전해질인 해수에 전류를 통과시켜 HOCl, OCl- 중심의 산화성물질을 발생시켜 각종 해양미생물을 살균소독하는 방법으로서, 장비의 구동조건 중에서 수중 전해질물질 농도(해수염분농도)가 가장 중요한 요건이 된다. 즉, 해수염분농도가 낮아지면 전기분해 효율 또한 함께 낮아지며 이에 만족할만한 TRO 농도를 발생시키기 위해서는 전력비가 상대적으로 높아져야 한다.
최근 기수 또는 담수 지역에서 운항하는 선박이 많아지고, 미국 USCG(미국해안경비대)에서는 IMO의 발라스트수 처리기준을 무시하고 염분농도가 낮은 담수조건에서 IMO의 발라스트수 처리기준 보다 강화된 처리효율을 요구하고 있기 때문에 담수처리효율이 중요시되고 있다. 그러나, 기수 또는 담수는 염분농도가 낮아서 전기분해 효율이 낮고, 전력량을 한계가 있으므로 TRO 농도를 발생시키는데도 한계를 갖게 된다.
초창기의 발라스트수 처리장치는 선박 내에 선박 운행시 발라스트수를 처리할 수 있는 장치를 구비하기 위한 별도의 공간을 구비할 수 없어서 대부분 관로처리방식의 발라스트수 처리장치만을 사용할 수 밖에 없었다. 그러나, 최근에는 선박 내에 발라스트룸 등이 따로 마련되는 등 선박의 구조가 많이 달라졌기 때문에 상기 전기분해처리를 이용한 관로처리방식 이외에 다른 방법을 조합할 수 있는 가능성이 생겼다.
본 실시예는 이러한 전해수처리수단(100) 단독으로 사용시의 관로처리방식의 문제점을 해소하기 위해, 선박 운행 중 발라스트탱크(300) 내에서 살균처리가 이루어지는 탱크내처리방식을 조합한 것이다.
본 실시예의 하이브리드 발라스트수 처리장치는 선박이 항구에서 하역작업과 동시에 선박의 밸런스를 맞추기 위해 해수를 유입하는 동안에만 전해수처리수단(100)을 구동시켜 일정량의 해양미생물을 살균처리하면서 그 처리된 해수를 발라스트탱크(300)에 수용시키고, 발라스트탱크(300) 내에 수용된 발라스트수의 남은 해양미생물은 선박 운행시에 오존미세버블 공급수단(200)을 구동시켜 이로부터 생성된 오존미세버블을 발라스트탱크(300)로 주입하여 살균 처리하는 방식이다.
이때, 제어수단(500)을 이용하여 선박의 정박 및 항해시간을 고려하여 전해수처리수단(100)의 전기분해 구동시간 및 오존미세버블 공급수단(200)의 오존미세버블 발생량과 발라스트탱크(300)로의 주입속도를 상대적 비율로 제어하게 된다.
본 실시예의 발라스트수는 전해수처리수단(100)의 전기분해처리를 이용한 관로처리방식과 오존미세버블 공급수단(200)의 오존미세버블을 이용한 탱크내처리방식의 구동비율은 바람직하게 50:50으로 설정하여 살균처리할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 전해수처리수단(100)의 구동조건은 처리유량 약 300 톤/시간, 인가전류 1,200 A 및 소비전력 4.8 kW이고, 오존미세버블 공급수단(200)의 구동조건은 처리유량은 1회 순환시 약 300 톤/시간, TRO 발생조건은 0.6 g/톤이고, 인가전류 1,200 A 및 소비전력 4.8 kW이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 관로처리방식과 상기 탱크내처리방식의 구동비율을 50:50으로 설정한 경우, 해양미생물 생존개체수 테스트결과 상기 관로처리방식의 경우 TRO 5 mg/L에서 대부분의 식물성 플랑크톤 및 병원성미생물은 사멸되지만 동물성 플랑크톤의 사멸효율은 낮게 나타났다. 앞서 관로처리방식 단독 사용시 최적 TRO 농도를 10 mg/L으로 설정한 것은 이러한 이유 때문이다.
상기 탱크내 처리방식의 해양미생물 생존개체수 테스트결과 용존오존수 농도를 TRO 농도로 환산시 약 5 mg/L에서 동물성 플랑크톤이 99 % 이상 사멸되는 것으로 나타났다. 따라서, 모든 해양미생물의 100% 사멸을 위해서는, HOCl 및 오존의 TRO 농도는 5 mg/L이 될 수 있다. 여기서, 상기 관로처리방식에 의해 발생된 TRO 농도는 5 mg/L 이하에서 동물성 플랑크톤이 사멸되는 효율이 없다고 판단한 것이다.
한편, 발라스트수 배출시 생기는 TRO 중화문제에 있어서, 상기 관로처리방식에 의해 발생된 TRO 농도는 10 mg/L 기준으로 약 1달이 경과하면 자연중화되어 제거되고 TRO 농도 5 mg/L의 경우 15일 후면 자연중화되어 사라지며 선박 운행 기간이 이 시간을 넘는 경우 중화제의 사용이 불필요하다. 또한, 상기 탱크내처리방식의 경우 오존미세버블의 유효체류시간은 약 7일로서 오존에 의한 TRO 농도 5 mg/L은 7일 후면 모두 사라지므로 중화제의 사용이 불필요하다.
표 2는 관로처리방식의 처리유량 300 톤/시간, 탱크내처리방식의 처리유량 300 톤/시간일 때, 발라스트탱크의 용량에 따른 구동조건을 나타낸 것이다.
관로처리방식 탱크내처리방식 합
발라스트
수 부피
(톤)		 EL
(set)		 처리
시간
(hr)		 TRO 농도
(mg/L)		 처리양
(톤)		 OB
(set)		 처리
시간
(hr)		 TRO 농도
(mg/L)		 처리양
(톤)		 총부피(톤) 총 TRO
농도
(mg/L)
3,000 10 1 5 3,000 10 1 5 3000 3,000 10
6,000 10 4 10 6000 10 4 10 6000 6,000 10
9,000 10 8 15 9000 10 8 15 9000 9,000 10
12,000 10 12 20 12000 10 12 20 12000 12,000 10
15,000 10 12 20 12000 10 20 30 18000 15,000 10
18,000 10 12 20 12000 10 28 40 24000 18,000 10
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운항시간
168시간
까지 		.
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* EL: Electrolysis(전해수처리수단), EL set: 전기분해모듈의 수, OB: Ozone Bubbler(오존미세버블 공급수단), OB set: 오존미세버블 공급수단의 수
여기서, 선박의 정박시간은 12시간 이하이며, 선박의 항해시간은 168시간(일주일) 이하로 가정하였고, 운항 중 발라스트탱크 내에서 해양미생물이 재발생하거나 TRO 디그라데이션(degradation)이 없다고 가정하였다.
상기 관로처리방식 및 상기 탱크내처리방식은 상기 표 2의 구동 알고리즘을 기본으로 하되, 발라스트탱크(300)와 연결된 생물모니터링부(310)에 의해나 모니터링을 통해 발라스트탱크 내부에 수용된 발라스트수에서 50 ㎛ 이상 크기의 동물성 플랑크톤의 생존 개체수를 실시간 측정하며, 이 결과를 통해 제어수단(500)이 오존미세버블 공급수단(200)의 구동을 추가로 온/오프시켜 발라스트탱크(300)에 수용된 발라스트수의 해양미생물 재발생율이 0%가 되도록 TRO 농도를 자동적으로 10 mg/L로 유지한다.
한편, 본 발명의 관로처리방식 및 탱크내처리방식의 구동조건은 상기 표 2에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 필요시 상기 표 2를 기준으로 전해수처리수단(100)의 처리용량은 시간당 500톤으로, 오존미세버블 공급수단(200)에 의한 처리용량은 시간당 1,000톤과 같이 다양하게 변경하여 제작할 수 있다. 이는 이상적인 선박의 정박시간은 상황 별로 다를 수 잇으며, 선박 내에 설치된 전해수처리수단 및 오존미세버블 공급수단과 발라스트탱크의 규모도 달라질 수 있기 때문이다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다.
따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
1 ; 해수주입관 2 ; 발라스트수 배출관
3, 4 ; 제1 및 제2 분기관 100 ; 전해수처리수단
110 ; 염분센서 120 ; 제어패널
130 ; 정류기 140 ; 전기분해반응기
141 ; 전기분해모듈
150 ; 전해수처리 TRO센서 160 ; 전해수 주입밸브
200 ; 오존미세버블 공급수단 220 ; 오존발생기
230 ; 오존주입밸브 240 ; 벤츄리인젠터
250 ; 압력센서 260 ; 오존미세버블 TRO센서
300 ; 발라스트탱크 310 ; 생물모니터링부
410 ; 메인유량계 420 ; 전해수처리유량계
430 ; 오존미세버블 유량계 440 ; 발라스트수 유량계
500 ; 제어수단

Claims (9)

  1. 발라스트탱크;
    상기 발라스트탱크로 해수를 주입하는 해수주입관, 및 상기 발라스트탱크로부터 발라스트수를 배출시키는 발라스트수배출관을 포함하는 발라스트수 주입/배출수단;
    상기 해수주입관을 통해 유입된 해수를 2개로 분리하여 공급하기 위한 제1 및 제2 분기관;
    선박이 정박하는 동안 상기 제1 분기관을 통해 유입된 해수를 전기분해로 생성된 차아염소산으로 살균처리하여 상기 발라스트탱크로 주입하는 전해수처리수단;
    선박이 항해하는 동안 상기 제2 분기관을 통해 유입된 해수와 오존을 혼합하여 형성된 오존미세버블을 상기 발라스트탱크에 주입하여 상기 발라스트탱크에 수용된 발라스트수를 살균처리하는 오존미세버블 공급수단; 및
    선박의 정박 및 항해 시간을 고려하여 상기 전해수처리수단의 전기분해 구동시간 및 상기 오존미세버블 공급수단의 오존미세버블 발생량과 상기 발라스트탱크로의 주입속도를 상대적 비율로 제어하는 제어수단; 을 포함하며,
    상기 오존미세버블 공급수단은,
    해수유입펌프;
    상기 해수유입펌프에 의해 유입된 해수에 오존을 주입하여 혼합시키는 오존발생기;
    상기 해수와 혼합되고 남은 미용존 오존가스를 외부로 배출하기 위한 벤츄리인젝터; 및
    상기 벤츄리인젝터로부터 유입된 오존버블을 미립화하여 상기 발라스트탱크 내부로 더 미립화된 오존미세버블을 주입시키는 적어도 하나 이상의 미세버블노즐; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전해수처리수단은,
    정류기;
    상기 정류기와 연결된 양극 및 음극단자와, 상기 양극 및 음극단자에 번갈아 배치되도록 형성된 빗살형 전기분해부를 포함하는 적어도 하나 이상의 전기분해모듈을 포함하는 전기분해반응기; 및
    상기 정류기의 DC 정류 및 상기 빗살형 전기분해부의 전기분해 구동시간을 제어하여 전기분해반응기의 전기분해 구동시간을 제어하는 제어패널; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 분기관에는 해수의 염분을 측정하기 위한 염분센서가 설치된 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어수단은, 발라스트수 배출시 TRO 농도에 따라 상기 전해수처리수단과 상기 오존미세버블 공급수단의 해수 처리량 및 처리시간을 각각 조절하는 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어수단은, 상기 전해수처리수단과 상기 오존미세버블 공급수단의 구동비율을 50:50으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제어수단은, 상기 전해수처리수단의 HOCl 및 상기 오존미세버블 공급수단의 오존 TRO 농도를 각각 5 mg/L 이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 발라스트수배출관을 통해 배출되는 발라스트수의 TRO 농도가 10 mg/L 이하인 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 발라스트탱크와 연결되며, 상기 발라스트탱크 내부에 수용된 발라스트수에서 최소길이 50 ㎛ 이상 크기의 동물성 플랑크톤의 생존 개체수를 실시간 측정하는 생물모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 관로처리 및 오존미세버블 탱크내 처리를 복합적으로 이용하는 하이브리드 선박평형수 처리장치.
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