2021년 06월 18일, 금요일


국토와교통

2021년 6월호
(통권 443호)


기능성 박테리아를 활용한 하수처리 콘크리트 시설물 단면 보수공법


  김정현 기자     입력 2021/06/10 (목)



바이오와 콘크리트 기술 융합…유지관리비 최대 95% 절감
 
글라이코 캘릭스 막을 형성하는 박테리아의 고정화 기술을 활용한 하수 처리 콘크리트 시설물 단면 보수공법이 나왔다.

이 기술은 막을 형성하는 특성을 가진 박테리아를 하수관거에 고정하여 박테리아가 자가 생장을 하면서 생태학적으로 오랜기간 유지관리 필요없이 구조물의 내구성을 강화할 수 있다. 바이오와 콘크리트의 융합 기술이다. 지속적인 점검이 어려운 지하 구조물에서 유용하게 활용될 수 있다.

구체적으로 살펴보면 이 기술은 황산에 노출된 하수 처리 콘크리트 시설물을 생태학적 보수재로 시공하는 기술이다. 박테리아가 자기세포 보호를 위해 형성하는 글라이코 캘릭스 막을 이용하여 구조물 내부에서 황산염 환원 세균들의 생장을 억제하고 콘크리트 표면부에서부터 열화인자의 접촉을 차단하여 구조물의 황산 부식 저항성을 향상시킨 것이다.

신기술을 활용하면 공정 단순화 및 시공 간소화를 통해 기존기술 대비 노무비를 50% 절감할 수 있으며, 유지관리 비용은 최대 95% 절감할 수 있다. 홍익산업개발㈜이 개발한 하수 구조물을 장수명화 할 수 있는 기능성 박테리아를 활용한 하수처리 콘크리트 시설물 단면 보수공법은 이러한 기술력을 바탕으로 건설신기술 제910호로 지정됐다. 보호기간은 2029년 1월 18일까지 8년이다.
 
■ 기술개발자
 · 홍익산업개발㈜ (대표이사 정연용)
   서울시 구로구 디지털로31길 20
■ 건설신기술 제910호
   보호기간 : 2021. 01. 19 ~ 2029. 01. 18 (8년)
 
  
 
30년 이상 노후 하수관거, 안전재해 위협

매설 후 30년 이상 경과한 도심지의 하수관거는 80% 이상을 차지하고 있다. 콘크리트 구조물의 내구연한이 초과되면 균열에 취약하게 된다. 또한 준설 후 50년 이상이 경과되면 염소이온 및 황산가스에 의한 콘크리트 표면의 침식과 균열, 단면손상 등이 발생되어 구조적 안정성이 심각하게 손상된다. 이러한 노후 하수관거는 안전재해 및 사회적 비용손실로 이어진다.

특히, 염소이온 및 황산가스에 노출된 하수관은 노후화에 따라 균열과 파손이 심각해지고 균열 사이로 토사가 흘러내리면서 지반 전체가 약해져 도로 함몰로 이어질 수 있다. 싱크홀의 발생 원인으로 작용하기도 하는 것이다.

서울시의 싱크홀 발생을 살펴보면 2010년부터 5년간 총 3,300여건이 발생하였으며, 전체 싱크홀 중에서 하수관의 구조적 파손으로 인한 발생 건수는 85%를 차지하고 있다.

이러한 콘크리트 하수 구조물의 열화 원인으로는 황산화 박테리아에 의해 생성되는 황산과 시멘트 수화물이 반응하여 부식을 유발하는 생화학적 부식이 있다. 이중에서도 유기물에 의해 생성된 황산 침식이 심각한 부식의 요인으로 작용된다.
 

                             글라이코 캘릭스 추출과정
 
바이오와 콘크리트 기술을 융합한 신소재

이에 기존기술에서는 콘크리트 하수 구조물을 보수하기 위하여 치핑, 고압수 살수 및 세척, 보수 모르타르 타설, 코팅재 시공 마감 순으로 보수를 진행했다. 기존기술에서는 보수 모르타르를 타설하고 표면 보호재 코팅 등 별도의 마감 도장을 시공하였으나 항상 습윤 상태로 존재하는 하수관거 환경에서는 모체 콘크리트와의 재료적 이질성으로 인해 시공면이 전체 탈락하는 문제가 발생하기도 한다.

이에 홍익산업개발㈜은 생활하수의 유입과 황화수소 가스 및 황산이 지속적으로 발생하는 생화학적 열화환경에 노출된 하수암거의 특성에 주목했다. 그리고 이들 열화 인자의 접촉을 차단하고 제어할 수 있는 기능성 박테리아를 활용한 하수처리 콘크리트 시설물 단면 보수공법을 개발했다.

신기술의 황산열화 제어 메커니즘은 크게 ▲글라이코 캘릭스에 의한 황산이온 및 황화수소이온의 고정화에 따른 황화수소가스 및 황산의 형성 억제, ▲ 보수재 표면에 형성되는 글라이코 캘릭스 막에 의한 황산의 접촉 차단, ▲박테리아 자가 생장에 의한 생태학적 유지관리로 구분할 수 있다.

세포 표면 보호의 효과를 갖는 글라이코 캘릭스를 형성하는 박테리아를 단면 복구재 형태로 콘크리트 표면에 시공하여 콘크리트 내 시멘트 수화물과 결합하여 부피팽창과 박리 등을 발생시키는 열화요인을 차단하고 내구성을 강화할 수 있다는 것이다.
 
공정 단순화 및 시공 간소화

이를 구현하기 위하여 홍익산업개발㈜은 ▲글라이코 캘릭스 형성 박테리아 분리·선별 및 최적 배양 기술, ▲박테리아 생장처 제공 기술, ▲자생 생태학적 단면 보수재 배합 및 시공기술을 개발했다.

이 기술은 기존 하수암거의 보수를 위해 사용되는 무기계 재료 및 유·무기계 재료와 동일한 현장 배합 방법을 통해 제조할 수 있다. 또한 시공방법에 있어서도 현장 뿜어 붙이기, 라이닝 공법 또는 인력에 의한 단면 충진 방식을 이용한다.

작업자의 편의성을 제고하고 일정한 품질 성능을 확보하기 위해 제품은 현장 적용 시 일반적인 모르타르 포대의 형태로 생산되며, 현장 배합을 통해 박테리아 고정화재료와 혼합하여 제작된다.

기능성 박테리아의 표면 열화 보호 효과를 발현하기 위해서 박테리아 고정화 재료의 혼입은 일반적으로 골재 부피의 10% 내외를 혼합한다. 그러나 황산농도가 과도하게 높거나 단기간에 황산 저항성 효과를 필요로 할 때는 박테리아 고정화 재료를 35%까지 혼합할 수 있다.
 

                박테리아 캐리어 ‘Healing+’
 
바이오 생태학적 기술, 세계 최초 개발

자가 생장 기능성 박테리아의 열화 보호 효과에 기반한 신기술은 주변 환경 미생물 군집변화 분석(NGS)을 통해 하수도 시스템 및 주변 생태계에서의 무해성을 검증받았다. 또한 바이오 기술을 융합한 새로운 개념의 생태학적 보수재료로 국내외에서 독창성을 인정받은 세계 최초로 개발된 원천기술이다. 홍익산업개발㈜은 국내뿐만 아니라 PCT 출원과 중국, 일본, 베트남 등에서 지식재산권을 확보하고 있다.

또한 신기술에 적용된 글라이코 캘릭스 형성 박테리아의 특정 균주(Rhodobacter capsulatus 외 10종)는 기존 콘크리트 보수 재료에 활용 된 바 없는 신규 미생물로 콘크리트의 내화학성을 고려한 최적의 글라이코 캘릭스 형성 박테리아이다.
 
황산 열화에 의한 저항성, 최대 9배 증가

신기술의 특징은 크게 ▲자생 생태학적 기반의 바이오 기술 융합, ▲황산열화 요인 차단을 통한 콘크리트 내황산성 증진, ▲열화 보호효과의 지속으로 인한 유지관리성 강화로 구분할 수 있다.

황산열화 요인 차단을 통한 콘크리트 내황산성 증진 및 박테리아의 생장처 제공을 위하여 다공성 재료를 배양액에 침지하고 음압 조건에서 흡착하는 최적의 기술을 적용하여 박테리아가 자가 영양 생존환경을 구현하도록 했다.

이를 활용하면 박테리아가 형성하는 글라이코 캘릭스의 열화 인자 차단을 기반으로 콘크리트 구조체의 부피 팽창 및 부식을 유발하는 인자를 제어 할 수 있으며 생태학적 단면 보수재의 황산 열화에 의한 저항 성능과 열화 속도를 일반 보수재 대비 3~9배 향상할 수 있다.

일반적인 보수재 시공의 콘크리트 내구수명는 16.6년인데 비해 신기술을 활용하면 콘크리트 내구수명을 최대 185.2년까지 확보할 수 있는 것이다. 이는 하수 황산이온농도 120ppm, 두께 20㎜ 시공을 기준으로 하고 있다.

또한 35%의 박테리아 고정화 재료를 혼입한 생태학적 단면 보수재는 일반 보수재에 비해 최대 9배 우수한 내황산성을 보여준다.

이러한 바이오 기술을 활용하여 박테리아가 보수재 표면에서 지속적으로 생장·증식함에 따라 지속가능한 열화 보호가 가능해져 빈번한 점검과 재보수가 어려운 하수암거 등의 환경에서 유지관리를 최소화할 수 있는 것이다.
 

 
유지관리 비용 최대 95% 절감 가능

또다른 신기술의 특징은 기존 기술에서 활용되는 구체 강화제 등의 시공이 필요치 않으며, 표면 코팅제와 표면 보호재는 보수재 시공 이후 박테리아의 생장활동에 의해 자생적으로 형성되는 글라이코 캘릭스로 대체할 수 있다는 것이다.

특히, 기존 기술의 표면 코팅제와 표면 보호재 시공은 단면 보수재의 양생이 완료 된 후 시공하기 때문에 인력이 대기해야 하고 그 시간 동안 자재를 비치할 공간을 확보해야 하는 단점이 있다. 신기술은 이러한 공정을 생략할 수 있는 것이다. 이는 시공성과 경제성을 확보로 이어져 공사비는 최대 34% 절감할 수 있으며 공사기간은 11% 단축할 수 있다.

신기술의 시공절차를 살펴보면 열화부 제거, 고압 물세척, 방청제 시공 및 자생생태학적 단면 보수재 시공으로 진행된다. 100㎡의 보수면적에 보수두께 50㎜ 시공시 공사기간은 기존 기술 대비 약 1~3일 단축할 수 있다. 이는 기존공법에 비해 구체 강화제 시공 및 표면 코팅제 시공 절차를 생략할 수 있기 때문이다.

또한 자생 생태학적 단면 보수재의 시공은 방청제 시공 후 타설되며, 이후 표면 코팅제 시공 공정을 생략할 수 있어 작업이 간단한다. 응결시간 제어와 함께 높은 부착성을 바탕으로 1회 시공 두께가 향상되기 때문에 작업속도를 강화할 수 있다.

한편, 전국 하수관로 연장은 총 15만㎞에 이르고 있으며 이 가운데 20년 이상 경과한 노후 시설은 약 40%에 달하고 있다. 정부는 싱크홀 등 지반침하 사고를 예방하기 위하여 노후 하수관로를 대상으로 정밀조사를 진행하고 있으며 재해 예방과 사회적 안전을 위하여 이러한 노후 하수관거의 보수공사는 중요하다 할 수 있다.

이에 홍익산업개발㈜이 개발한 기능성 박테리아를 활용한 하수처리 콘크리트 시설물 단면 보수공법은 세계 최초로 개발된 바이오 융합 원천기술을 바탕으로 내구수명을 최대 9배 증가시키는 품질성과 안전성, 시공성, 경제성, 친환경성을 바탕으로 앞으로 국내외 보수공사 현장에서 활발히 활용될 것으로 기대된다.
 
김정현 기자
 
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