KR100691298B1 - 군락상 생명체의 구제 방법 - Google Patents

Abstract

시아노박테리아와 같은 군락상 생명체를 대량으로 구제시키는 군락상 생명체의 구제방법. 본 발명의 군락상 생명체 구제방법은 시아노박테리아와 같은 군락상 생명체을 함유한 유체를 펌프를 통해 가압하는 단계, 노즐단 2a, 2b에서 유체를 분사시킴으로써 그 유체에 가해진 압력을 급격히 감소시키는 단계 및 압력감소에 의해 야기된 캐비테이션에 의해 군락상 생명체의 결합을 파괴하는 단계를 함유한다. 노즐단 2a, 2b는 분사된 유체가 서로 충돌하도록 하기 위하여 서로 마주보도록 배치될 수 있어, 시아노박테리아가 많은 작은 단편으로 분열되도록 한다. 그 결과, 시아노박테리아는 떠오르는 능력을 상실하여 물의 바닥에 가라앉고, 따라서 광합성을 할 수 없어 사멸하게 된다.

시아노박테리아, 군락상 생명체, 군락상 생명체 구제 방법, 노즐단, 캐비테이션, 광합성

Description

군락상 생명체의 구제 방법{CLUSTERED CREATURE EXTERMINATING METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 군락상 생명체의 구제 방법에 이용되는 장치의 기본적인 구조를 보여준다.

도 2는 마주보는 노즐에서 분사된 유체가 서로 러빙(rubbing) 되어 시아노박테리아를 구제하는 구현예를 보여준다.

본 발명은 연못, 호수 또는 습지에서 발생하는 시아노박테리아 (마이크로시스티스: mycrocystis) 와 같은 해로운 군락상 생명체를 구제하는 방법에 관한 것이다.

시아노박테리아는 연못, 호수 또는 습지에서 성장하며, 때때로 그들 스스로 대량으로 번식하여 환경에 해를 미치는데, 예를 들면, 그들은 수많은 어패류를 죽이고 수질을 오염시킨다는 것이 공지되어 있다. 이러한 시아노박테리아는 민물 조류 중의 하나이고, 각각은 직경 3-6 μm 의 구형의 단세포 유기체이다. 그러나, 많은 단세포 유기체는 서로 인접해 있고 점액성 껍질로 둘러 싸여져 구형이거나 실질적으로 구형의 형태를 가진 군락이 된다. 세포내의 기낭이 부유체로서 기능하여, 시아노박테리아는 수면 근처에 떠올라서 거기에서 부유하게 된다. 시아노박테리아는 세포내에 엽록체를 가져, 수면 근처에 부유하면 햇빛을 받아 광합성을 하게 된다. 그 결과, 시아노박테리아는 그들의 생명을 유지할 수 있고 번식할 수 있다.

상기에 언급된 것처럼, 시아노박테리아는 때때로 대량으로 번식하여 수많은어패류를 죽이고 물을 오염시키기 때문에, 수질오염을 방지하기 위해 시아노박테리아를 구제하는 것은 중요한 문제가 되어 왔다.

시아노박테리아를 구제하기 위해, 하기 방법들이 수행되거나 제안되어 왔다: (1) 오존을 물에 불어 넣어 시아노박테리아를 오존에 접촉시키는 방법; (2) 시아노박테리아를 함유하는 물을 투명한 유리판 등으로 둘러싸인 좁은 통로를 통해 통과시켜, 통로를 통과한 물에 자외선을 조사하는 방법; (3) 물에 기포를 발생시켜 군락상 시아노박테리아를 분열시키는 방법; (4) 수중 팬 등으로 물을 교반시켜 군락상 시아노박테리아를 분열시키는 방법; (5) 시아노박테리아를 제올라이트에 흡착시켜 플랑크톤 등으로 시아노박테리아를 처리하는 방법; (6) 목탄에 시아노박테리아를 흡착시켜 플랑크톤 등으로 시아노박테리아를 처리하는 방법등이다.

방법 (1)과 (2)에서, 시아노박테리아 세포는 확실히 파괴될 수 있다; 그러나, 오존과 자외선을 취급하는 것은 위험하고 어렵다. 게다가, 구제되는 시아노박테리아의 양이 매우 적어 시아노박테리아의 번식을 따라 잡기는 불가능하다. 더욱이, 다른 플랑크톤들이 또한 죽는다. 그리고, 초기비용과 유지 비용이 모두 높다.

방법 (3)과 (4)는 방법에 사용되는 장치가 간단하다는 장점을 갖지만 이 방법들은 시아노박테리아 구제의 확실성이 부족하다. 즉, 물 바닥에 있는 시아노박테리아 영양분이 파내어져서 물속에 교반되어 시아노박테리아의 번식을 증진시키는 위험이 있다.

다음으로, 방법 (5)와 (6)은 방법에 사용된 장치가 간단하고 환경보호에 기여한다는 장점을 갖지만, 구제되는 시아노박테리아의 양이 적어 시아노박테리아의 번식을 따라 잡기는 어렵다. 특히, 제올라이트는 물 바닥 근처에 가라 앉고 목탄의 흡입구 또한 물 바닥 근처에 위치하나, 반대로 시아노박테리아는 수면 근처에 부유하기 때문에 제올라이트와 숯은 시아노박테리아를 많이 흡착하지 못한다.

본 발명은 상기 언급된 문제를 고려하여 이루어졌고, 이의 목적은 시아노박테리아와 같은 군락상 생명체를 대량으로 확실히 구제할 수 있는 군락상 생명체 구제 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 군락상 생명체 구제 방법은 군락상 생명체를 함유한 유체를 가압하는 단계; 유체에 가해진 압력을 급격히 감소시키는 단계; 압력감소에 의해 야기된 캐비테이션에 의해 군락상 생명체의 결합을 파괴시켜 군락상 생명체를 구제하는 단계로 이루어진다.

상기 방법에서, 펌프가 유체를 가압할 수 있고, 유체가 펌프에 연결된 노즐로부터 분사되어 유체에 가해진 압력이 급격히 감소될 수 있다.

노즐에서 분사된 유체를 물체에 충돌시키는 또 다른 단계를 추가하는 것이 가능하고, 노즐에서 분사된 유체를 물체에 충돌시키는 단계는 서로 마주보는 노즐에서 분사되는 유체들을 서로 충돌시키는 단계일 수 있다. 군락상 생명체는 시아노박테리아일 수 있으며, 상기 방법은 시아노박테리아를 구제하는데 이용된다.

더욱이, 노즐에서 분사된 유체들에 서로 마찰감소를 가하는 단계를 추가하는 것이 가능하고, 이 단계는 마주보는 노즐에서 분사된 유체 사이의 상호작용에 의해 일어날 수 있다.

시아노박테리아와 같은 군락상 생명체를 함유한 유체가 펌프 등에 의해 가압되고 노즐에서 분사되어 유체의 압력을 급격히 감소시킬 때, 유체는 캐비테이션을 일으켜 군락상 생명체가 강한 파괴력을 받게 된다. 그 결과, 군락상 생명체는 작은 단편으로 분열되어 생명을 유지할 에너지를 잃어 죽게 된다.

다른 방법으로, 노즐에서 분사된 유체가 판과 같은 물체에 충돌할 때, 또는 노즐들이 서로 가까이 마주보도록 배치되어 두 개의 노즐에서 분사된 유체가 서로 충돌할 때, 물리적으로 강한 힘이 상기에 기술한 방법과 같은 방식으로 군락상 생명체에 가해지고 군락상 생명체는 작은 단편으로 분열되어 생명을 유지할 에너지를 잃게 된다. 군락상 생명체가 시아노박테리아이고 시아노박테리아가 많은 작은 단편으로 분열될 때, 그들 세포내의 기낭이 파괴되어 시아노박테리아는 떠오르는 능력을 상실하고, 물의 바닥에 가라앉고, 이로 인해 광합성을 하지 못하여 시아노박테리아는 결국 사멸하게 된다. 충돌 대신에 마찰감소를 통해 전단력을 가함으로써 시아노박테리아를 작은 단편으로 분열시키는 것이 가능하고, 이것은 다수의 노즐에서 분사된 유체가 서로 러빙될 때 발생한다.

본 발명에서는 펌프를 사용함으로써 연속처리가 가능하고, 펌프의 분출량의 증가로 처리 양이 증가하게 되어, 대량의 시아노박테리아가 쉽게 구제될 수 있다. 더욱이, 이 방법에 이용되는 장치의 구성은 간단하고, 장치의 기계적 효율은 높고, 군락상 생명체는 일회의 처리과정을 통해 즉시 구제되므로 구제 시스템의 효율은 매우 높게 된다.

본 발명은 첨부도면에 관한 설명으로부터 더 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 군락상 생명체 구제 방법에 이용되는 장치의 기본적인 구조를 보여준다.

도 2는 마주보는 노즐에서 분사된 유체가 서로 러빙(rubbing) 되어 시아노박테리아를 구제하는 구현예를 보여준다.

다음, 본 발명의 구현예에 따른 군락상 생명체 구제 방법이 도 1에서 설명될 것이다.

도 1에서 제 1 파이프 (1) 은 명시되지 않은 펌프에 연결되어 있고, 펌프는 시아노박테리아가 사는 연못, 호수 또는 습지로부터 물을 흡입한다. 흡입된 물은 펌프에 의해 0.3-5 MPa로 가압되고, 제 1 파이프 (1) 을 통과하게 된다. 제 1 파이프 (1) 의 끝에서 물은 두 갈래로 나누어지고, 실질적으로 절반의 물은 파이프 (1a) 로 도입되고 나머지 절반은 파이프 (1b) 로 도입된다. 파이프 (1a) 와 (1b) 의 물은 그것의 상부 및 하부 부분으로부터 노즐 장치 (2) 의 내부로 유입된다.

노즐 장치 (2) 에서, 노즐단 (2a) 와 (2b) 는 4-40 mm 의 틈새 간격을 가지고 서로 마주보고 있으며, 각 노즐단 (2a), (2b) 는 직경이 1-4 mm 인 다수의 노즐로 이루어져 있다. 마주보는 노즐단 (2a), (2b) 에서 분사된 물은 노즐단 (2a), (2b) 의 중간에서 서로 강하게 충돌한다. 노즐 장치 (2)에 제 2 파이프 (3) 이 연결되어 있고, 충돌 후의 물은 제 2 파이프 (3) 을 통과하여 원래의 연못, 호수 또는 습지로 되돌아간다.

상기 기술한 범위가 조합된 모든 시험은 성공적이었다. 일반적으로, 많은 물이 동일한 에너지에 의해 얻어지기 때문에 대량 처리를 위해서는 가능한한 압력을 낮추는 것이 바람직하고, 노즐단 (2a), (2b) 사이의 간격을 줄이는 것이 바람직하다.

수많은 시아노박테리아가 연못, 호수 또는 습지의 물에 함유되어 있다. 시아노박테리아는 제 1 파이프 (1)과 제 2 파이프 (3)을 통과하여 원래의 연못, 호수 또는 습지로 되돌아오는 동안 다음의 작용을 받게 된다.

제 1 파이프 (1) 에서, 시아노박테리아는 펌프의 방출압력에 의해 가압되어 노즐단 (2a), (2b) 에 도달하게 된다. 그리고 나서, 물이 노즐단 (2a), (2b) 에서 분사될 때 펌프의 방출압력은 급격히 감소되어, 그 순간에 캐비테이션이 점액성 껍질을 많은 부분으로 나누어지게 하며, 이로 인해 군락체는 작은 단편으로 분열된다. 동시에 시아노박테리아 세포내의 기낭이 파괴되어 부유체를 잃게 된다. 즉, 제 2 파이프 (3) 을 통해 원래의 연못, 호수 또는 습지로 되돌아가는 시아노박테리아는 수면 근처로 떠오를 수 없고 물 바닥 근처에 가라앉게 된다. 가라앉은 시아노박테리아는 대개 죽게 된다. 죽지 않는 시아노박테리아는 광합성을 할 수 없어 조만간 죽게 된다.

노즐단 (2a) 또는 (2b) 의 분사에서 파괴되지 않는 시아노박테리아의 군락은 마주보는 노즐단 (2a) 또는 (2b) 에서 분사된 물과 심하게 충돌하고, 그 순간의 충격으로 세포의 기낭뿐만 아니라 점액성 껍질이 파괴된다.

상기 두 단계의 충격으로 모든 시아노박테리아의 점액성 껍질은 분열되어 작은 군락이 되고, 세포의 기낭도 또한 파괴된다. 그 결과, 제 2 파이프 (3) 을 통과하여 원래의 연못, 호수 또는 습지로 되돌아오는 물에 함유된 모든 시아노박테리아는 물 위로 떠오를 수 없고 물 바닥 근처에 가라앉아 조만간 죽게 된다.

본 발명에서, 시아노박테리아는 그들의 세포벽의 파괴로 인해 죽지는 않는다. 일반적으로, 세포벽을 파괴시키는데는 대략 200-300 MPa 가 필요하다. 반대로, 본 발명에 따른 구제방법에 이용되는 펌프의 압력은 최고 약 5 MPa 이다; 따라서 세포벽을 파괴하는 것은 불가능하다. 그 결과, 점액성 껍질을 사용하여 군락을 형성하지 않는 일반적인 플랑크톤의 세포벽은 파괴되지 않는다. 즉, 일반적인 플랑크톤에는 영향이 없다.

노즐 장치 (2) 의 노즐단 (2a), (2b) 는 일예로 설명되고, 마주보는 노즐단이 한 쌍일 수 있거나, 본 발명의 발명자에 의해 발명된 일본 특허 제 2553287 호 (일본 특허출원 공개 평 6-47264)로 개시된 유화장치가 채택될 수 있다.

더욱이, 상기 구현예에서, 마주보는 노즐에서 분사된 유체는 서로 충돌하지만, 상기 기술된 것처럼 노즐로부터의 분사는 시아노박테리아가 캐비테이션에 의해 구제되도록 할 뿐이다. 이 경우에 펌프의 압력을 거의 두배로 하면 노즐에서 분사된 유체가 도 1에서 설명된 정면충돌을 받게 될 때와 같은 정도의 구제가 일어난다.

게다가, 다른 구제 방법으로서, 두개의 마주보는 노즐 대신에 오직 하나의 노즐단을 배치하고 노즐에서 분사된 유체를 판과 같은 물체에 충돌시킴으로써 시아노박테리아를 구제하는 것이 가능하다. 이 경우에 펌프의 압력을 약 1.5 배로 설정하면 도 1에서 보여진 장치에 의해 얻어진 정도의 구제가 일어난다.

도 1에서 명시된 방법에서, 노즐단은 서로 마주보고 있으며, 노즐에서 분사된 유체가 서로 충돌하도록 노즐은 가까운 거리에 위치에 있으므로, 충돌시에 유체의 상대속도는 하나의 노즐단을 가진 장치의 것과 비교하면 두배가 되고, 따라서 필요한 압력은 반이 된다.

판을 사용하면 마모가 생기나, 마주보는 노즐의 경우에는 마모가 생기지 않는다. 상기 기술된 압력을 반으로 줄이는 것은 수유량, 즉 시아노박테리아 처리능력이 두 배가 되는 것을 의미한다. 노즐의 마모는 압력의 제곱에 반비례하기 때문에, 노즐의 수명은 4배 더 길어진다.

도 2 는 마주보는 노즐에서 분사된 유체가 서로 러빙되어 시아노박테리아를 구제하는 구현예를 보여준다. 이 구현예에서, 노즐단 (2a) 의 노즐들의 중심축들은 노즐단 (2b) 의 노즐들의 중심축으로부터 약 반 피치 정도 이동되어 있다. 즉, 노즐단 (2a), (2b) 에서 분사된 유체는 정면충돌을 받지 않지만, 유체는 중간지점에서 서로 격렬하게 러빙된다. 그리고나서, 러빙으로 인해 생긴 마찰감소 는 시아노박테리아에 전단력을 가하고, 이 전단력은 시아노박테리아를 작은 단편으로 분열시킨다. 이 경우에 (2a), (2b) 중의 하나의 노즐단에서 분사된 유체가 다른 노즐단에 도달할 때, 한 노즐단에서 분사된 유체가 다른 노즐단에 가하는 충격은 바람직하게 사라져서 다른 노즐단의 노즐을 마손시키지 않는다. 이것은 노즐단 (2a), (2b) 사이의 간격을 길게 설계함으로써 실현된다. 예를 들면, 도 1 에서 설명된 노즐단 (2a), (2b) 사이의 간격은 4-40 mm 일 수 있으나, 도 2 에서 설명된 노즐단 (2a), (2b) 사이의 간격은 약 100-200 mm 일 수 있다.

더욱이, 제시되지 않은 두 노즐단은 노즐단의 노즐들에서 분사된 유체가 서로 교차하여 시아노박테리아를 분열시키도록 배치될 수 있다. 도 2 에서 보여진 구현예에서, 유체가 서로 교차하는 각도는 180°이다. 그리고나서, 유체가 교차하는 지점에서, 속도가 상이한 제트 스트림들이 서로 러빙되어 마찰감소를 통해 시아노박테리아에 전단력을 가하고, 이 전단력이 시아노박테리아를 분열시킨다. 두 노즐단 (2a), (2b)를 다수의 노즐단 중 두 노즐계로 대체하여 상기 기술된 것과 똑같은 효과를 얻을 수 있다는 것은 당연한 일이다.

본 발명에 따른 처리 장치는 시아노박테리아의 구제에 한정되지 않고 많은 종류의 군락상 생명체에 적용이 가능하다.

다음으로, 본 발명의 상기 효과를 확인하기 위한 시험이 언급될 것이다.

시험용 처리장치로서, 출원인이 소유하고 있는 소형의 처리장치가 사용되었다. 최대 처리능력은 분당 10 리터이며, 그 장치에는 상기 일본특허 제 2553287 호에 개시된 유화장치가 노즐로서 부착되어 있다. 시험된 물은 일본사 이따마껭 스기또쪼 조세이찌(埼玉懸衫戶町權現堂調整池)에서 약 200 리터를 채취하였다.

다음으로, 채취한 물을 큰 이물질을 구제하기 위해 망을 통해 여과하고 소규모 처리장치의 펌프로 가압하였다. 펌프의 압력은 0.5 MPa 로 조정하였고, 구멍의 직경이 1.1 mm 인 4개의 노즐은 그들 중의 두개가 나머지 두개와 서로 마주보도록 배치되어 있으며, 마주보는 노즐의 간격은 4 mm 이다.

처리 전후의 물을 무색투명한 유리병에 별개로 담아 나란히 배치하여 현미경뿐만 아니라 육안으로도 시간의 경과에 따른 상태를 관찰할 수 있도록 하였다.

처리 전의 물에서 시아노박테리아는 시간이 경과함에 따라 수면에 연이어 떠올라 군집하였다. 반대로 처리 후의 물에서는, 시간이 경과함에 따라 시아노박테리아의 입자가 작아졌고 침전되었다. 60분 후에 시아노박테리아의 대부분은 침전되었고 15시간 후에 시아노박테리아의 침전은 더 진행되어 수면에는 어떤 시아노박테리아도 관찰되지 않았고 물은 투명해졌다.

현미경으로 관찰했을 때 처리 전의 물에는 점액성 껍질에 의해 둘러싸인 시아노박테리아의 군락이 있으나, 처리 후의 물에는 점액성 껍질이 없었다; 물 속의 시아노박테리아는 작은 단편으로 분열되었고; 또한 그것의 기낭은 파괴되어 사멸하였다. 더욱이, 다양한 플랑크톤이 처리된 시아노박테리아 주위에서 움직였다. 이러한 현상은 본 발명에 따른 군락상 생명체 구제 방법은 군락을 형성하지 않는 일반적인 플랑크톤에는 거의 영향이 없다는 것을 보여준다.

상기 기술된 것처럼, 본 발명에 따르면, 군락상 생명체를 함유한 유체는 가압되고 유체에 가해된 압력은 급격히 감소되며, 압력 감소에 의해 생긴 캐비테이션은 군락상 생명체의 결합을 파괴시켜 군락상 생명체를 구제하므로 시아노박테리아와 같은 군락상 생명체가 확실히 구제된다. 게다가, 펌프를 사용함으로써 연속처리가 가능하고 처리용량은 커지게 된다.

더욱이, 노즐에서 분사된 유체를 물체에 충돌시키는 단계를 추가하면 낮은 압력에서도 군락상 생명체의 결합이 파괴될 수 있고, 이것은 시스템의 처리능력을 개선시킨다. 유체를 물체에 충돌시키기 위해, 마주보는 노즐에서 유체를 분사시킴으로써 유체를 서로 충돌시키는 것이 가능하고 이것은 충돌시에 유체의 상대 속도를 증가시킨다. 그 결과, 분사시에 유체에 가해진 압력을 훨씬 낮게 설정할 수 있어, 펌프의 유체 유량이 증가되어 처리용량을 더 증가시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 군락상 생명체를 함유한 유체를 0.3 ~ 5 MPa의 압력으로 가압하는 단계; 그 유체를 복수의 대향하는 노즐을 통하여 분사시키는 단계; 분사된 유체끼리 충돌 또는 마찰시켜 전단력을 가하는 단계; 및 상기의 군락상 생명체의 결합을 파괴시켜 군락상 생명체를 구제하는 단계를 포함하는 군락상 생명체의 구제 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 군락상 생명체가 시아노박테리아인 구제 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 펌프가 상기 유체를 가압하고, 그 유체가 펌프에 연결된 노즐에서 분사되는 군락상 생명체의 구제 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 노즐에서 분사된 상기 유체를 물체에 충돌시키는 군락상 생명체의 구제 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 노즐에서 분사된 상기 유체를 서로 마주보는 노즐에서 분사되는 유체끼리 서로 충돌시키는 군락상 생명체의 구제 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 노즐에서 분사된 유체의 마찰감소를 통하여 군락상 생명체에 전단력을 가하는 군락상 생명체의 구제 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 유체의 마찰감소를 통하여 군락상 생명체에 전단력을 가하는 단계가 마주보는 노즐에서 분사된 유체들 사이의 상호작용에 기인하는 군락상 생명체의 구제 방법.

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