KR100923733B1 - 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치 및 방법 - Google Patents
황입자를 이용한 수중 독성탐지장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치는 미생물이 담지되고, 외부로부터 공급되는 황입자와 산소가 상기 미생물에 의해 황산염이온화 되는 반응조; 반응조에 물 시료가 유입되는 물 시료 유입구; 반응조에 공기가 공급되는 공기 유입구; 물 시료 유입구로 유입된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 제 1 측정부; 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 제 2 측정부; 물 시료 유입구로 유입되는 물 시료의 pH 및 전기전도도 데이터를 저장하고, 물 시료 유입구에 장착된 펌프의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하며, 상기 제 1 측정부와 제 2 측정부의 데이터 값을 비교하여 유입되는 물 시료의 독성여부를 판단하는 중앙처리장치; 및 반응조에서 독성검사가 종료된 물 시료를 배출하는 유출구를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법은 반응조에 황입자를 투입하는 단계; 반응조 내에 미생물 접종 및 활성화시키는 단계; 반응조에 물 시료가 유입되는 단계; 반응조에 공기가 공급되는 단계; 물 시료 유입구로 유입된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 단계; 물 시료 유입구로 유입되는 물 시료의 pH 및 전기전도도 데이터를 저장하고, 물 시료 유입구에 장착된 펌프의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하는 단계; 및 유입수와 상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도의 변화 데이터 값을 통해 물 시료의 독성여부를 판단하는 단계를 포함한다.
황입자, 독성탐지, 황산화미생물, pH, 전기전도도
Description
본 발명은 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 황입자(전자공여체)와 산소(전자수용체)로 구성된 반응조에 완전독립영양 미생물 또는 일부 임의성독립영양 미생물을 이용하여 하천, 폐수 및 상수원 등과 같은 수질의 독성을 모니터링 할 수 있는 생물학적 수질 독성탐지장치 및 방법에 관한 것이다.
생명체가 살아가는 데에 있어 필수 조건이라 할 수 있는 물이 최근 각종 독성 물질들에 의해 오염되면서 우리 생활에 큰 위협요소로 영향을 끼치고 있다. 이러한 독성 물질들이 강, 하천 등으로 유입됨에 따라 안심하고 식수로써 음용할 수 없게 되었으며, 이로 인해 조속한 조치가 요구되어지는 상황이다.
위에서 설명한 바와 같이 최근 물의 오염이 심각해짐에 따라 물 환경을 보호하기 위해 세계의 여러 나라에서는 수질 오염 측정기술을 개발하고 있는 추세이며, 또한 폐수 처리를 위한 막대한 자금이 투입되고 있다.
특히, 유해화학물질이 생태계, 즉 강이나 하천 등으로 유입됨에 따른 생태계를 위협하는 수질오염 사고가 빈번하게 발생하고 있으며, 이러한 수질오염 사고는 발생 후 돌이킬 수 없는 큰 피해를 입힐 수 있으므로 무엇보다도 사전 예방이 중요하다.
종래에는 수중 독성 물질의 탐지를 위해, 물벼룩, 물고기 등의 수중 생물을 이용한 방법이 사용되었는데, 이러한 방법은 독성에 의한 수중 생물의 폐사를 조사하는 것으로, 독성 탐지에 소요되는 시간이 지연된다는 단점이 있다.
따라서, 단순히 수중 생물만을 이용한 독성 탐지 방법이 아닌 연관성 있는 분야를 측정함으로써 보다 효율적으로 수중의 독성을 탐지할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 황입자(전자공여체)와 산소(전자수용체)로 구성된 반응조에 완전독립영양 미생물 또는 일부 임의성독립영양 미생물을 이용하여 하천, 폐수 및 상수원 등과 같은 수질의 독성을 모니터링 할 수 있는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치는 황산화 미생물이 담지되고, 외부로부터 공급되는 황입자와 산소가 상기 미생물에 의해 황산염이온화 되는 반응조; 반응조에 물 시료가 유입되는 물 시료 유입구; 반응조에 공기가 공급되는 공기 유입구; 물 시료 유입구로 유입된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 제 1 측정부; 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 제 2 측정부; 물 시료 유입구로 유입되는 물 시료의 pH 및 전기전도도 데이터를 저장하고, 물 시료 유입구에 장착된 펌프의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하며, 상기 제 1 측정부와 제 2 측정부의 데이터 값을 비교하여 유입되는 물 시료의 독성여부를 판단하는 중앙처리장치; 및 반응조에서 독성검사가 종료된 물 시료를 배출하는 유출구를 포함한다.
이 때, 반응조의 온도를 일정 온도로 유지하는 항온장치; 반응조 내의 전기전도도 측정값이 기준치를 벗어나면 경보를 발생하는 경보장치; 및 경보와 동시에 정밀분석용 샘플을 채수 및 보존하는 샘플채수장치를 더 포함하는 것이 좋을 수 있다.
여기서 반응조는 연속식 또는 배치(batch)식으로 이루어질 수 있다.
또한, 물 시료 유입구상에 구비되어 하천수를 유입하는 기능을 수행하는 펌 프를 더 포함하는 것이 가능하다.
그리고 미생물은 티오바실러스(Thiobacillus) 속인 것이 바람직하다.
여기서 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 미생물은 완전 독립영양미생물 또는 임의성 독립영양미생물인 것이 좋다.
이 때, 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 완전독립영양미생물은 티오바실러스 퍼록시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 알베르티스(Thiobacillus albertis), 티오바실러스 프로스퍼러스(Thiobacillus prosperus) 및 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 임의성 독립영양미생물은 티오바실러스 애시도필러스(Thiobacillus acidophilus) 및 티오바실러스 쿠프리누스(Thiobacillus cuprinus)중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법은 반응조에 황입자를 투입하는 단계; 반응조 내에 미생물 접종 및 활성화시키는 단계; 반응조에 물 시료가 유입되는 단계; 반응조에 공기가 공급되는 단계; 물 시료 유입구로 유입된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 단계; 물 시료 유입구로 유입되는 물 시료의 물성 변화 데이터를 저장하고, 물 시료 유입구에 장착된 펌프의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하는 단계; 상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 단계; 및 물 시료 유입구로 유입된 물 시료와 상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료 간의 pH 및 전기전도도의 변화 데이터 값을 통해 물 시료의 독성여부를 판단하는 단계를 포함한다.
이 때, 물 시료 유입구로 유입된 물 시료와 상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료 간의 전기전도도의 변화 데이터 값을 기준치와 비교하여 수질이상(기준치 미달)을 감지했을 시, 경보를 울리는 단계; 및 상기 경보와 동시에 정밀분석용 샘플을 채수 및 보존하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 미생물은 티오바실러스(Thiobacillus) 속인 것이 바람직하다.
여기서 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 미생물은 완전 독립영양미생물 또는 임의성 독립영양미생물인 것이 좋다.
이 때, 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 완전독립영양미생물은 티오바실러스 퍼록시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 알베르티스(Thiobacillus albertis), 티오바실러스 프로스퍼러스(Thiobacillus prosperus) 및 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 임의성 독립영양미생물은 티오바실러스 애시도필러스(Thiobacillus acidophilus) 및 티오바실러스 쿠프리누스(Thiobacillus cuprinus)중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치에 따르면, 전기전도도 값의 재현성이 높고 오차가 적을 뿐만 아니라, 값의 범위가 아주 크기 때문 에(0-10000 μS/cm) 황산염이온의 생성을 정확하게 탐지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 강, 하천, 호수 및 상수원의 독성 탐지뿐만 아니라 하수처리장, 폐수처리장에서의 독성탐지에도 사용될 수 있으며, 황입자의 크기 축소에 따라 장치의 소형화가 가능하다는 등의 추가적인 장점도 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치는 중앙처리장치(100), 제 1 측정부(110a), 제 2 측정부(110b), 유출구(120), 반응조(130), 공기 유입구(140), 항온장치(150), 물 시료 유입구(160) 및 펌프(170) 등을 포함한다.
여기서 중앙처리장치(100)는 물 시료 유입구(160)로 유입되는 물 시료의 물성 변화를 저장하고, 물 시료 유입구(160)에 장착된 펌프(170)의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하는 것이 가능하다.
이 때, 물 시료의 물성은 화학적, 전기적, 물리적 물성을 의미하며, 구체적으로 pH, 전기전도도 등으로 표시될 수 있다.
또한, 중앙처리장치(100)는 제 1 측정부(110a)와 제 2 측정부(110b)를 이용하여 유입수와 반응조(130) 내에 존재하는 물 시료의 전기전도도 및 pH에 대한 값을 0.5 ~ 20분 간격으로 측정하도록 하고, 이때, 제 1 측정부(110a)와 제 2 측정부(110b)에서 측정된 전기전도도 값의 차이의 비(ECDifference ratio)가 설정값(예: 0.3 ~ 0.8범위) 이하로 나오게 되면 자동적으로 경보가 발생될 수 있도록 경보장치와 연동되는 것이 바람직하다.
또한, 물 시료 유입구(160)는 반응조(130)로 물 시료를 주입하기 위한 수단으로 펌프(170)와 연동되어 작동하는 것이 좋을 수 있다. 이때 공기는 물 시료 유입구(160)을 통해 유입수와 함께 주입될 수 있으며, 또는 반응조(130) 안에서 직접 폭기되도록 공기 유입구(140)를 통해 주입되는 것이 가능하다. 여기서, 물시료 유입구(160)는 반응조(130)에 일체로 구비될 수 있으며 또는 반응조(130)와 분리된 별개의 부품으로 배관라인 등을 통해 반응조(130)에 연결될 수도 있다.
반응조(130)에서 검사를 마친 물 시료는 유출구(120)를 통해 배출되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 미생물에 의해 황입자와 산소의 반응이 이루어지는 반응조(130) 와 pH, 전기전도도의 값을 측정하는 제 1 측정부(110a) 및 제 2 측정부(110b)의 일정한 환경을 유지하기 위한 수단으로 항온장치(150)를 설치하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 적용될 수 있는 황입자를 산화하는 미생물로는 완전독립영양미생물(obligately autotrophic colorless sulfur bacteria)인 티오바실러스 퍼록시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 알베르티스(Thiobacillus albertis), 티오바실러스 프로스퍼러스(Thiobacillus prosperus) 및 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans)와 임의성 독립영양미생물(facultatively autotrophic colorless sulfur bacteria)인 티오바실러스 애시도필러스(Thiobacillus acidophilus) 및 티오바실러스 쿠프리누스(Thiobacillus cuprinus) 등이 적용되는 것이 바람직하다.
이 때, 미생물은 접종을 위해서 위에 나열된 균주(pure culture)를 이용하여 접종하는 것이 가능하며, 또한 황산화미생물이 자랄 수 있는 환경에서 mixed culture를 채취한 후 반응조에 접종함으로써 순화시킬 수도 있다.
여기서 mixed culture로는 토양 미생물, 하천 바닥, 폐수처리장 슬러지 등이 될 수 있다. 접종은 반응조에 pure culture 또는 mixed culture를 충분히 넣어 황입자 표면에 많은 미생물들이 존재할 수 있도록 해주는 것이 좋으며, 이때 산소를 폭기하는 것이 바람직하다. 이러한 미생물을 접종을 하게 되면 대부분 1~2일 내에 순화되어 황입자를 황산염으로 산화시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치를 이용한 독성탐지방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중 독성탐지장치를 이용한 독성탐지방법은 황입자를 반응조에 투입하는 단계(210), 반응조 내에 미생물 접종 및 활성화시키는 단계(220), 반응조 내의 황입자량을 측정하여, 1/2 이하 시, 추가적으로 황입자를 넣어주는 단계(230), 물 시료 유입구를 통해 외부로부터 물 시료를 주입하는 단계(240), 유입수의 pH 값을 측정하는 단계(250), 반응조에 물 시료를 주입하는 단계(260); 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 단계(270); 유입되는 물 시료와 황산염이온이 생성된 물 시료의 전기전도도 측정값 차이의 비를 설정값(기준치)과 비교하는 단계(280); 상기 비교 단계(280)를 통해 전기전도도 측정값 차이의 비가 기준치 미달인 경우, 경보 발생 및 샘플 채수를 수행하고(290), 기준치 미달이 아닌 경우에는, 반응조의 물 시료를 유출구를 통해 배수하는 단계(300)를 포함한다.
이 때, 반응조(130) 내에 존재하는 황입자는 0.01 ~ 6mm의 것을 채워 작동시킬 수 있으나, 보다 짧은 시간에 황산염의 생성을 보고자 할 때에는 황입자의 크기를 줄여 표면적을 넓게 하는 것이 바람직할 수 있다.
또한 반응조(130)내에는 황입자 뿐만 아니라 황산염을 생성하기 위한 조건으로 미생물을 투입시키는 것이 좋다.
이러한 미생물의 생성 및 활성을 촉진하기 위하여 초기에 식종을 실시하는 것이 좋을 수 있으며, 이때 식종제로는 다양한 미생물이 공존하는 하수 또는 하수종말처리장의 호기성 슬러지 등을 식종액으로 이용하는 것이 바람직하다.
또한 미생물에 있어서 30~35℃가 최적온도일 수 있으며, 이때 3일 내지 4일 정도 공기를 폭기해주면 황입자에 미생물이 붙어 황이 산화되는 것이 가능하다.
본 발명에 적용될 수 있는 황입자를 산화하는 미생물로는 완전독립영양미생물(obligately autotrophic colorless sulfur bacteria)인 티오바실러스 퍼록시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 알베르티스(Thiobacillus albertis), 티오바실러스 프로스퍼러스(Thiobacillus prosperus) 및 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans)와 임의성 독립영양미생물(facultatively autotrophic colorless sulfur bacteria)인 티오바실러스 애시도필러스(Thiobacillus acidophilus) 및 티오바실러스 쿠프리누스(Thiobacillus cuprinus) 등이 적용되는 것이 바람직하다.
이 때, 미생물은 접종을 위해서 위에 나열된 균주(pure culture)를 이용하여 접종하는 것이 가능하며, 또한 황산화미생물이 자랄 수 있는 환경에서 mixed culture를 채취한 후 반응조(130)에 접종함으로써 순화시킬 수도 있다.
여기서 mixed culture로는 토양 미생물, 하천 바닥, 폐수처리장 슬러지 등이 될 수 있다. 접종은 반응조(130)에 pure culture 또는 mixed culture를 충분히 넣어 황입자 표면에 많은 미생물들이 존재할 수 있도록 해주는 것이 좋으며, 이때 산소를 폭기하는 것이 바람직하다. 이러한 미생물을 접종을 하게 되면 대부분 1~2일 내에 순화되어 황입자를 황산염으로 산화시킬 수 있다.
상술된 혐기성 미생물의 선택은 당업자에게 자명한 것으로써, 깨끗한 물 또는 일부 BOD가 있는 물에서도 산소와 함께 황을 산화시킬 수 있는 미생물을 사용하는 것이 좋을 수 있음은 당연하다.
참고로 [표 1]은 완전독립영양 미생물과 임의성 독립영양미생물의 분류를 나타낸 것이다.
[표 1]
| 구 분 | 탄소원 | 에너지원 | ||
| 무기물 | 유기물 | 무기물 | 유기물 | |
| 완전 독립영양 미생물 | ＋ | － | ＋ | － |
| 임의성 독립영양 미생물 | ＋ | ＋ | ＋ | ＋ |
| 무기화학 종속영양 미생물 | － | ＋ | ＋ | ＋ |
| 종속영양 미생물 | － | ＋ | － | ＋ |
본 발명인 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치에 있어서, 반응조(130)에서 일어나는 황산염의 생성과정을 설명하면 다음과 같다.
온도 등 조건이 일정한 반응조(130) 내에서 황 입자의 주변에 부착된 미생물이 자라게 되면서, 황은 일정한 속도로 산화하게 된다. 아래의 식은 이러한 과정을 통해 생성되는 황산이온과 수소이온을 나타낸 것이다.
S + H2O + 1.5 O2 → SO4 2 - + 2H+ △Go'= -587.1 kJ/reaction
상술된 식을 참고하면, 반응조(130)에 존재하는 황입자가 미생물, 유입수 및 산소의 반응을 통해 일정량의 황산염이온을 생성하게 된다. 따라서 독성이 없는 유출수의 경우, 유입수에 비해 황산염이온이 일정량만큼 증가한 결과를 보이며 하천수의 알칼리도는 일반적으로 낮기 때문에 pH 값이 유입수에 비하여 떨어진다.
그러나 독성 물질을 포함하는 유입수의 경우에는 황입자에 부착되어 있는 미생물의 활성이 떨어져 황입자를 산화시키지 못해, 결과적으로 황산을 만들지 못하므로 유입수와 유출수의 황산염이온농도의 차이는 비슷해지게 된다.
이때 제 1 측정부(110a) 및 제 2 측정부(110b)는 유입수와 반응조(130)내에 존재하는 물 시료의 pH를 측정하기 위한 장치를 구비하는 것이 좋을 수 있으며, 이를 통해 유입수의 pH를 모니터링을 실시하는 것이 바람직하다. 참고로 유출수의 pH는 통상적으로 떨어지나, 유입수의 버퍼능이 커지게 되면 유출수의 pH가 떨어지지 않을 수도 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 미생물은 산성조건에 잘 자라는 미생물을 사용하는 것이 좋을 수 있다.
일반적으로 황산염이온을 분석하기 위한 수단으로 이온크로마토그래피 등의 기기를 사용하나, 본 발명에서는 전기전도도(electric conductivity, EC)를 이용한 측정방법을 통해 황산염이온의 농도 변화를 간접적으로 측정할 수 있다.
이러한 전기전도도를 이용한 측정방법은 수중에 녹아있는 염 또는 이온의 양을 예측할 수 있기 때문에, 이를 이용하여 전기전도도(EC)의 변화를 통한 황산염이온농도의 변화를 측정하는 것이 가능하다.
이하, 상술된 전기전도도의 변화를 통해 황산염이온 농도변화를 측정하는 방법을 나타낸 식이다.
위의 식은 유입수와 유출수의 전기전도도 차이에 대한 비이다. 이때, 유입수에 독성이 없으면 전기전도도 차이의 비는 1에 근접한 값을 가지며, 이에 반해 유입수의 독성이 상당히 강한 경우 전기전도도 차이의 비는 0에 근접하게 된다.
독성이 없는 유입수의 전기전도도 값은, 미리 독성이 없는 전자공여체와 전자수용체가 없이 조재된 medium 또는 하천수를 준비하여 반응조에 주입 후 전기전도도의 차이를 구해두며 주기적으로 행하는 것이 바람직하다.
또한, 일반 유입수를 주입할 때는 1~5분 간격으로 pH와 전기전도도를 측정하는 것이 좋으며, 이때 위의 식을 이용하여 30분 또는 100분 등의 평균값 비를 구할 수 있다.
유입수와 유출수의 pH와 전기전도도는 투라인밸브(two line valve)를 이용하여 일정한 인터벌로 측정하는 것이 바람직하다. 또한 pH의 영향도 있을 수 있으므로 유입수 및 유출수의 pH를 모니터링하여 종합적으로 판단하는 것이 좋을 수 있다.
이와 같은 방법을 반복적으로 수행하다보면, 반응조의 황입자가 산화됨에 따라 부피가 감소될 수 있다. 이러한 이유로 반응조 내의 황입자의 부피가 전체의 1/2 이하로 줄어들게 되면, 황입자를 채워주는 단계를 실시하는 것이 바람직하며, 이때 미생물들은 추가적으로 접종해주지 않아도 된다.
참고로, 공지된 전기전도도(electric conductivity, EC)의 측정원리를 설명하면 다음과 같다.
우선 두개의 백금과 같은 전극을 정확하게 1cm 간격을 두어 위치시킨 다음 떨어져 있게 위치시키고, 이온성분이 있는 수중에 넣어 일정 전압을 걸어주고 생성되는 전류를 측정하여 전기전도도를 측정한다. 이때, 초순수의 전기전도도 값은 0 μS/cm에 가까우며, 한강 상류 및 하류 하천수 지표수의 전기전도도는 60 ~ 1300μS/cm이나, 주로 100 ~ 300μS/cm의 범위를 보인다.
이러한 전기전도도 측정방법은 수치의 오차가 적고, 값의 범위가 크기 때문에 황산염이온의 생성을 탐지하는 데 용이하다.
그러나, 본 발명에서는 전극을 반드시 1cm로 유지하지 않아도 되며, 보다 큰 수치가 요구되어질 때에는 전극 간의 간격을 줄이는 것이 바람직하다.
이와 같은 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치는 유입수의 체류시간(HRT)을 1분에서 30분까지 조절하는 것이 가능하다.
또한, 공기 주입은 무조건 많은 양을 주입하는 것보다 상황에 따른 적절한 양을 주입하는 것이 좋을 수 있으며, 이 때 공기방울의 크기는 작게 하는 것이 효과적일 수 있다.
반응 후 생성된 황산염이온의 농도가 높을수록 정확한 독성 여부를 판단하기가 용이하며, 이를 위해서는 공기를 지속적으로 주입해주는 것이 좋을 수 있다. 그러나 폭기없이 대기 중의 산소가 계속 유입되는 것이 가능하다면, 공기를 지속적으로 주입시킬 필요는 없다.
이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
버퍼능이 없는 초순수에 1000mg/L의 황산을 희석하여 0, 5, 10, 30, 50 mg/L가 되도록 조제한 후 전기전도도를 측정하였다. 그 결과 도 3에서와 같이 전기전도도가 황산농도와 비례하여 증가함을 확인할 수 있다.
반응조 내의 측정되는 물 시료에 독성물질이 유입되어 있을 시, 독성물질에 의해 미생물은 활성이 떨어져 생성되는 황산의 농도는 낮아지게 되고, 이에 따라 전기전도도 값 또한 감소하게 된다. 다시 말해, 물 시료의 전기전도도를 측정함으로써 황산의 농도를 예측할 수 있고, 그 결과 물 시료에 독성물질이 유입되었는지에 대한 여부를 확인할 수 있다.
[실시예 2]
실제 하천수를 이용하여 도 1과 같은 시스템에 유입하였다. 이때, 황은 30mL로 채워져 있으며, 황입자는 1~4mm, 공극은 50%이다. 온도는 30℃로 유지하여 유입수의 EBCT(empty bed contact time)를 7.1, 8.3, 10.0, 12.5, 16.7min으로 변화를 주며, 유입수와 유출수의 pH 및 전기전도도 값을 측정하였다. 여기서 EBCT는 황입자가 차지하는 부피 30mL를 유량으로 나누어 계산하였다. 또한 공기 주입은 연속적으로 공기를 폭기하는 방식으로 하였다.
이 때, 유입된 실제 하천수는 1급수이며, pH는 7.8, 전기전도도는 282μS/cm이다. EBCT를 17분 가량으로 하였을 때, 유입수와 유출수의 전기전도도 차이는 271μS/cm이며, EBCT를 짧게 함에 따라 전기전도도 값의 차이는 적어지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4a 및 도 4b를 참고하면 pH의 경우 EBCT 17분일 때 3.3이며, EBCT가 7분으로 짧아지면서 유입수의 pH와 일치됨을 알 수 있다. 시험물질로 육가 크롬을 30ppm 넣은 시료를 EBCT 17분으로 유입시킨 결과 ECdifference ratio는 0.3으로 떨어지는 것을 확인했으며, 이는 경보를 울려야 하는 수치이다.
이번에는 배치(batch)형태의 독성모니터링 장치로써, 산소를 연속적으로 주입하면서 실제 하천수 25mL를 넣고 5분 간격으로 pH와 전기전도도를 측정하였다. 하천수에 독성이 있을 때에는 생성되는 황산염이온이 적기 때문에 전기전도도뿐만 아니라, 시간에 따른 전기전도도 값의 증가률도 낮게 측정되는 것을 확인할 수 있었다.
이외에 축산폐수는 그 자체가 미생물 또는 조류의 영양원으로 사용되고 있기 때문에, 생물학적 독성모니터링 장치로는 검출되지 않는다. 이러한 축산 폐수는 일반적으로 전기전도도(EC) = 8,600 μS/cm, COD = 17,000mg/L, Ammonia : 2100mgN/L, pH = 7.2, TS(total solid) = 12,200mg/L 인 특징을 가지고 있다.
이러한 독성을 가지지 않는 축산폐수는 전기전도도가 8,600 μS/cm이므로 1 μS/cm는 2 mg COD, 0.3 mg N에 해당하므로 축산폐수의 유출은 전기전도도의 증가를 의미한다. 따라서 본 발명의 장치를 통해 축산폐수의 유출 또는 희석 정도를 확인할 수 있다. 예를 들어 일반적인 하천수 전기전도도의 하루 평균보다 1.3배 높은 유입수가 들어오면 경보를 울리게 된다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치를 이용한 독성탐지방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 1의 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치에서 측정한 황산농도에 따른 전기전도도 값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 도 1의 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치에서 측정한 EBCT에 따른 pH 값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 도 1의 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치에서 측정한 EBCT에 따른 전기전도도 값의 변화를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 제어부 110a : 제 1 측정부
110b : 제 2 측정부 120 : 유출구
130 : 반응조 140 : 공기 유입구
150 : 항온장치 160 : 물 시료 유입구
170 : 펌프
Claims (14)
- 황산화 미생물이 담지되고, 외부로부터 공급되는 황입자와 산소가 상기 황산화 미생물에 의해 황산염이온화 되는 반응조;상기 반응조에 물 시료가 유입되는 물 시료 유입구;상기 반응조에 공기가 공급되는 공기 유입구;상기 물 시료 유입구로 유입된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 제 1 측정부;상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 제 2 측정부;상기 물 시료 유입구로 유입되는 물 시료의 pH 및 전기전도도 데이터를 저장하고, 물 시료 유입구에 장착된 펌프의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하며, 상기 제 1 측정부와 제 2 측정부의 데이터 값을 비교하여 유입되는 물 시료의 독성여부를 판단하는 중앙처리장치; 및상기 반응조에서 독성검사가 종료된 물 시료를 배출하는 유출구를 포함하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 반응조의 온도를 일정 온도로 유지하는 항온장치;상기 반응조 내의 전기전도도 측정값이 기준치를 벗어나면 경보를 발생하는 경보장치; 및상기 경보와 동시에 정밀분석용 샘플을 채수 및 보존하는 샘플채수장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 반응조는 연속식 또는 배치(batch)식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 물 시료 유입구상에 구비되어 하천수를 유입하는 기능을 수행하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 미생물은 티오바실러스(Thiobacillus) 속인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 미생물은 완전 독립영양미생물 또는 임의성 독립영양미생물인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 완전 독립영양미생물은 티오바실러스 퍼록시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 알베르티스(Thiobacillus albertis), 티오바실러스 프로스퍼러스(Thiobacillus prosperus) 및 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 임의성 독립영양미생물은 티오바실러스 애시도필러스(Thiobacillus acidophilus) 및 티오바실러스 쿠프리누스(Thiobacillus cuprinus)중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지장치.
- 반응조에 황입자를 투입하는 단계;상기 반응조 내에 황산화 미생물의 접종 및 활성화시키는 단계;상기 반응조에 물 시료가 유입되는 단계;상기 반응조에 공기가 공급되는 단계;물 시료 유입구로 유입된 물 시료의 pH 및 전기전도도를 측정하는 단계;상기 물 시료 유입구로 유입되는 물 시료의 pH 및 전기전도도를 저장하고, 물 시료 유입구에 장착된 펌프의 속도 및 유입되는 공기의 양을 조절하는 단계; 및유입수와 상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료의 pH 및 전기전도도의 변화 데이터 값을 통해 물 시료의 독성여부를 판단하는 단계를 포함하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법.
- 제 9 항에 있어서,물 시료 유입구로 유입된 물 시료와 상기 반응조 내의 황산염이온이 생성된 물 시료 간의 전기전도도의 변화 데이터 값을 기준치와 비교하여 수질이상(기준치 미달)을 감지했을 시, 경보를 울리는 단계; 및상기 경보와 동시에 정밀분석용 샘플을 채수 및 보존하는 단계를 더 포함하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 미생물은 티오바실러스(Thiobacillus) 속인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 미생물은 완전 독립영양미생물 또는 임의성 독립영양미생물인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 완전독립영양미생물은 티오바실러스 퍼록시단스(Thiobacillus ferrooxidans), 티오바실러스 알베르티스(Thiobacillus albertis), 티오바실러스 프로스퍼러스(Thiobacillus prosperus) 및 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans) 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 티오바실러스(Thiobacillus) 속의 임의성 독립영양미생물은 티오바실러스 애시도필러스(Thiobacillus acidophilus) 및 티오바실러스 쿠프리누스(Thiobacillus cuprinus)중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 황입자를 이용한 수중 독성탐지방법.
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