해파리의 유도 및 처리 기술의 개발

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

해파리의 유도 및 처리 기술의 개발

도요건설주식회사(東洋建設柱式會社)_노무라 코지(野村浩二)

서두

 바다에 살고 있는 해파리는 대량 발생하면서 산업 피해를 초래하기도 한다. 해수를 취수해 냉각수로 이용하고 있는 화력발전소와 원자력발전소에서는 방진 스크린을 이용해 유입되는 해파리를 방제하고 있다. 그러나 대량 발생한 해파리가 유입되었을 때는 방진 스크린 능력을 넘어설 가능성이 있다. 이럴 때는 취수 제한 등을 통해 발전기 출력을 저하시킬 필요가 있고 발전소에서는 해파리 유입 방지 대책과 처리 대책 등도 세워야 한다.

 본 연구는 원자력발전소를 대상으로 츠루가상공회의소 에너지 산업 기업화 연구회에 속하는 유지 기업 6개사(도요건설(주), 다이요잠수공사(주), 도요보엔지니어링(주), (주)세키구미, (주)테크노츠루가, (유)다테이시공업)가 해파리 유도 및 처리 기술에 대해 공동 연구로 실시했다.

연구 개요

 해파리 유도 및 처리 기술로, 유입 방지 기술, 유도 기술, 이동 기술, 용적의 감소화 처리 기술 등에 대한 연구를 거쳐 발전소에서는 입지 조건을 고려해 가장 적절한 대책 방법을 입안했다. 이 연구는 3년간에 걸쳐 실시했다.

첫해는 각 요소 기술의 문헌 조사, 서류 검토, 실험 등을 한 후 그 중에서 유효하다고 생각되는 요소 기술을 편성한 대책 방법을 3안 입안하고 비교 검토해 최적의 대책 안을 선정했다.

다음 해는 그 대책 안에 대한 과제를 해결하기 위한 연구로, 실증 실험을 주체로 한 연구를 하고 그것을 토대로 개량한 대책 방법을 입안했다.

마지막 해에는 작은 규모에서 유입 방지 장치를 이용한 시뮬레이션을 한 후 최적 설비 배치를 검토했다. 또 유입 방지 장치 설치에 관련된 법적 규제 등에 관해 조사하고 가장 효과적인 대책 방법을 입안했다.

 연구 내용 및 연구 성과

1. 해파리 유도·처리의 기본 개념 구축

 해파리 유입 방지책으로 취수구에 되도록 유입시키지 않고 그 해파리를 발전소에서 멀리 떨어지게 하는 적절한 방법을 입안하기 위해 다음 사항에 대해 조사, 검토했다.

가. 발전소 취수구에서 해파리 실태 조사         

    문헌 및 실 해역에서 채취 조사 등을 통해 해파리의 생태를 조사했다.

나. 발전소 취수구에서 흐름 상황 조사

    발전소 취수구 앞 전면 해역에서 유속·유향을 측정함과 동시에 수치 해석을 통해 조사했다.

다. 에어버블에 의한 대책 검토

    에어버블 커튼(이상 ABC)에 의한 유입 방지 대책 유효성에 대해 문헌 조사, 실례 조사, 실내 실험 등을 통해 검토했다. 실내 실험은 ABC를 통한 유입 방지 효과의 확립과 에어버블이 해파리에 미치는 영향을 조사했다.

라. 수반에 의한 해파리 이동 기술의 검토

    해파리를 살린 상태로 바다로 돌려보내는 처리 방법을 유효하게 하기 위해 해파리를 살린 채 운송할 수 있는, 공기를 넣은 제트 펌프를 이용한 반송 실험을 하고 펌프의 규제 등을 검토했다.

마. 수유 제어 장치 검토

    에어버블로 인해 위로 뜬 해파리를 취수구 커튼월에서 물의 흐름을 통해 이동시키는 방법에 대해서 검토를 했다.

바. 유도망, 이동망 검토

    해파리 유도망의 최적 배치 및 망에 의한 이동 방법에 대해서 검토했다.

사. 용적의 감소화 등의 처리 기술 검토

     해파리를 먼 바다로 방류할 수 없을 때는 해파리를 처리해야 하기 때문에 처리 기술에 대해 문헌 조사를 했다.

 이상으로 유입 방지 기술, 유도 기술, 처리 기술 등을 설치한 대책 안에 대해서 검토했다. 그 결과 에어버블을 취수구 커튼월 전면에 배치하고 해파리를 뜨게 했다. 그런 후 수중 펌프 배수류를 통해 커튼월을 따라 물을 흐르게 해 해파리를 취수구의 옆쪽으로 유도했다. 그러고 나서 체류망에 해파리를 체류시켜 해파리의 재유입을 방지하는 방법의 기본 개념을 구축했다(<그림1> 참조).

이 기본 개념의 과제로는

① 취수구 전면에 ABC를 설치했을 때 현지 해역에 미치는 영향 및 ABC 최적 배치.

② 수중 펌프 배수류를 통해 유도를 확실히 할 수 있는지의 여부 및 수중 펌프의 최적 배치.

③ 해파리를 망 내에 체류시켰을 때 해파리가 어떻게 변할까.

이상의 3가지 항목을 들 수 있었다.

2. 각종 실험 실시

1에 기재한 과제를 해결하기 위해서 현지에서 실증 실험을 중심으로 다음과 같은 연구조사를 했다.

가. ABC의 현지 실험

   에어버블 발생용 배관을 현지에 설치하고 에어버블에 의한 해파리 유입 방지 효과의 확립 및 에어버블에 의한 현지 흐름 상황을 조사했다.

   실험 규모는 공기량, 기포관의 열 수, 커튼월에서의 거리를 변화시키는 것으로 하고 해파리의 유입률, 흐름의 상황 변화 등을 조사했다.

나. 수류 제어 장치 실험

    커튼월을 따라 흐르게 하기 위해 수중 펌프의 배수류를 이용하는 방법에 대해서 수중 펌프의 설치 간격, 배수 파이프의 형상 등을 변화시켜 흐름의 상황을 관찰했다.

다. 해파리의 저류 실험

    현지에 활어조를 설치하고 해파리를 1000개 정도 넣어 해파리를 망 내에 저류했을 때 소멸해 가는 과정을 관찰했다. 그 결과 활어조에 넣은 해파리는 일주일 이내에 소멸된다는 것과 그들 해파리는 어류와 저생동물을 먹는다는 것이 확인됐다.

3. 실험에 기초한 대책 안의 검토·입안

 이상의 실험 결과에서 다음과 같은 과제가 유출되어 그것에 입각한 새로운 대책 안을 제안했다.

① 1열 배관에서는 하층을 통과하는 해파리를 뜨게 하는 효과가 거의 없다.

② 여름철은 상층부과 하층부에서 온도 약층(해수 밀도층)이 발생해 해파리가 부상했다 해도 온도 약층 경계면까지 바로 돌아와 버려 수면에 부상한 채로는 할 수 없다.

③ 수류를 제어했을 때 온도 약층 경계면에서 물의 흐름을 일으키지 않으면 효과가 적다.

④ 펌프 배수류에서는 흐름이 발생하는 영역이 작아 기대하는 효과를 얻기 위해서는 펌프 대수를 많이 할 필요가 있다.

1열 배관에서 부상 효과를 높이는 방법으로 에어펌프 배관 전면에 유도 경사판을 설치하고 하층부를 흐르는 해파리를 중층부로 유도하는 방법을 고찰했다. 흐름을 저해하는 것을 설치했을 때 토사 등이 퇴적할 우려가 있기 때문에 망 상태로써 흐름은 통과하지만 해파리는 중충으로 이동하도록 했다.

 수류 제어로 인해 커튼월을 따라 물이 흐르게 하는 방법으로 ABC를 커튼월에 대해 평면상에서 비스듬히 배치하는 방법을 고찰했다.

이렇게 비스듬히 설치하면 새롭게 수류 제어 발생 장치를 설치할 필요가 없어 경제적인 방법이 된다.

이들 새로운 방법을 고려해 다음 2가지 대책 안을 검토했다.

 취수구 커튼월 전면에 비스듬히 ABC를 배치해 해파리를 수면 위로 부상시킨다. 그러면 취수구 쪽을 향하는 해파리는 에어버블이 일어나는 흐름에 의해 취수구 쪽 부분에 집적된다. 이렇게 해서 해파리를 체류망 내에 체류시키면 재유입을 방지할 수 있어 해파리 유입 방지 효과를 높이기 때문에 기포관을 3열 배관으로 하든지, 기포관 전면에 유도 경사판을 설치하는 방법이다. 대책 안을 <그림2>, <그림3>에 나타낸다.

이들 대책 안을 실현하기 위해서는 다음 과제를 해결해야 한다.

① ABC의 경사 배치에 의한 해파리 유입 방지 효과 확인

② 비스듬한 배치의 각도, 커튼월에서의 분리, 관 연장 등 최적 배치의 검토

③ 유도 경사판의 효과 확인 및 유도 경사판의 최적 형상 검토

④ 해파리를 망 내로 체류시킬 경우 환경에 미치는 영향

⑤ 법적 규제 조사

4. 다양한 대책에 관한 실험·조사

 대책 안에 관한 과제를 추출한 후 이들을 해결하기 위한 실험 및 조사를 했다. 연구 항목은 다음과 같다.

가. ABC의 평면 배치 실험

   해파리의 유입 방지 효과가 가장 높은 배치를 설정하기 위해 평면 수조로 실험했다(<그림4> 참조).

나. 유도 경사판의 설치 효과의 확인 실험

    실험 수로 내에 ABC를 설치하고 전면에 유도 경사판을 설치하지 않을 때와 설치했을 때의 해파리의 부상 효과를 확인했다(<그림5> 참조).

다. 해파리 체류에 의한 환경 영향 조사

    해파리를 망 내에 체류했을 때 환경에 미치는 영향을 확인하기 위해 발전소 취수구 전면 해역에 3종류의 재질(망, 직포, 차수 시트)로 된 4m×4m의 활어조를 설치하고 해파리를 체류시킨 후 수질 환경(COD, DO, SS, 수온) 및 악취 발생 등을 조사했다(<그림6>, <그림7> 참조).

라. 법적 규제 조사

    에어버블 배관과 체류망의 설치 및 해파리의 체류에 관해서 법적 규제가 없는지 문헌 조사를 주체로 조사했다.

결과는 다음과 같다.

① 에어버블의 배치는 각도를 주면 흐름이 복잡해져 유입 방지 효과가 좋지 않다. 따라서 직선 배치가 아주 효과적이고 해파리를 취수구 쪽 부분으로 유도하는 효과도 얻을 수 있다.

② 체류망으로 해파리를 유도하는 방법으로는 망을 커튼월 전면부에 전출시키든지 망으로 유도하기 위한 보조 에어버블이 필요하게 된다.

③ 유도 경사판을 설치하면 해파리의 부상 효과가 높아지는데 일부 해파리가 망에 머물러 버릴 우려가 있다.

④ 해파리의 체류가 수질에 영향을 준다든지 악취를 발생시킨다든지 하는 일은 없었다. 또 3종류의 재질 모두 해파리가 소멸했는데 그 중에서도 망이 비교적 빨리 소멸했다.

⑤ 법적 해석 중에서도 ‘폐기물 처리 및 정소에 관한 법률’에 규제를 받는지 받지 않는지를 검토한 결과, 받지 않는다고 해석되었다. 그 외의 법 규제에 관해서는 관계 기관으로의 청취 조사가 필요하다고 판단되었다.

 이상의 결과를 고려해 다음 2가지의 대책 방법을 입안했다(<그림8>, <그림9> 참조).

5. 연구 성과

 이 2가지의 대책 방법 채택으로 인해 해파리 유입 방지율이 70% 정도나 되어 높은 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 해파리의 대량 발생에 의한 취수구 스크린에 대한 부하 저감에 기여할 수 있음과 동시에 유입을 방지한 해파리를 망에 체류시켜 자연 소멸하게 하는 것이 가능하다. 이를 위해 폐기물 처리량의 저감과 해파리의 자연 소멸(해파리를 바다의 영양으로 자연 분해시킨다)에 의해 환경에 우수한 방법으로 생각하고 해파리 유입에 의한 위험 등의 과제를 안고 있는 기업 등에서는 본 연구 성과의 채택을 기대할 수 있다고 생각한다.

장치 설치 개요

 대책 안 중에서 가장 유입 방지 효과가 높은 방법은 <그림10>과 같이 에어버블 3열 배치로  체류망을 커튼월 전면에 배치하는 방법이다.

이 방법을 이용하면 해파리의 부상 효과가 높아지고 여기에 취수구 커튼월 쪽에 설치한 체류망으로 유도하기 쉬워지기 때문에 해파리 유입 방지율은 70% 이상이 되어 종래 유입 방지 대책에 비해 높은 효과를 기대할 수 있다.

결말

 본 연구를 실시한 돈가상공회의소 에너지 기업화 연구회에 속한 6개사는 해파리 등의 생물을 취급하는 기업이 아닌 처음부터 시작하는 시작점이 되었다. 이를 위해 해파리 연구의 제 1인자인 야스다 토오루 씨의 협력 지도를 얻어 해파리의 생태 조사에서 연구를 진행하고 앞서 서술한대로 성과를 얻을 수 있었다.

연구 과정에서 새로운 발견도 몇 개 있었기 때문에 여기에 소개하고 싶다. 해파리에 에어버블을 대면 해파리의 체내에 공기가 들어가지만 시간이 지나면 스스로 구멍을 열어 공기를 방출하고 원래대로 부유한다는 것이다.

 본 연구 실시에서는 일본원자력발전(주)와 많은 논의를 한 결과 이번 성과를 얻을 수 있었다. 또 츠루가상공회의소 코디네이터 분을 시작으로 많은 분들의 협력을 지면을 빌어 감사드리고 싶다. 이 연구가 해파리 유입 방지 대책에 일조하게 되기를 바라며 끝을 맺고자 한다.