KR101416637B1 - 광스트레스를 이용한 미세조류 배양에 의한 폐수의 처리방법 - Google Patents

광스트레스를 이용한 미세조류 배양에 의한 폐수의 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일정한 광원으로부터 광스트레스 (light-stress)를 미세조류에 조사하여 미세조류를 배양하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세조류가 생장하는데 필요한 빛을 주기적으로 공급 및 제어함에 따라 미세조류에 광스트레스를 유도 하여 생장을 촉진시킬 수 있는 효과가 있다. 배양 가능한 미세조류는 C. vulgaris를 포함한 다양한 종의 미세조류 및 식물 등에 적용 가능하다. 본 발명은 배양용기에 빛을 조사하기 위한 광원부, 광원부에 전원을 공급하기 위한 전원부, 전원부를 제어하여 광원부가 주기적인 섬광을 발생되도록 하는 섬광 조절부를 포함한다. 또한, 본 미세조류 배양 방법 및 장치는 미세조류의 생장을 증대시킴과 동시에 폐수를 이용한 배양 시에 폐수 내의 질소, 인을 제거하여 폐수 처리에 응용할 수 있고, 미세조류가 생산하는 지질 및 기타 유용물질을 생산할 수 있는 산업에 응용할 수 있다.

Description

광스트레스를 이용한 미세조류 배양에 의한 폐수의 처리방법{Wastewater treatment method by cultivating microalgae using light-stress}
본 발명은 미세조류의 배양과정에서 광스트레스(light-stress)를 미세조류에 조사하여 미세조류의 생장을 촉진시킬 수 있는 미세조류의 배양 방법 및 장치에 관한 것이다.
미세조류의 배양을 위한 중요한 인자로는 빛, 온도, 배지의 공급 등이 있으며, 그 중, 광원은 미세조류 생장에 가장 큰 인자이며 에너지원이다. 이와 같이 미세조류를 배양하는 데에 있어, 미세조류의 생장을 촉진시키기 위하여, 빛의 효율적인 전달의 방법으로 태양광 집광판, 광섬유 등의 이용 및 반응기의 형태 변화 등 영향인자들을 고려하는 실정이다. 이처럼, 미세조류의 배양에 있어, 배양 시간 단축 및 성장 촉진 등의 어려움이 내재해 있다. 통상적으로 미세조류의 생장속도는 느려서, 미세조류의 배양 시에, 짧게는 10일, 길게는 20일 이상의 시간이 필요로 하고 있다. 이와 같은 문제로 인하여 다양한 형태의 영향인자 변화를 통해 미세조류의 생장 촉진이 시도되고 있다.
또한, 상기의 기술적 과제는 미세조류의 생장 촉진 어려움과 폐수를 이용한 미세조류 배양 시, 폐수 내의 질소 및 인 제거 한계와 같은 문제점이 발생한다.
우리나라는 생활하수, 공장폐수 및 가축분뇨 등으로부터 중금속, 유기물 등의 환경 오염수가 발생하고 있으며, 특히, 가축분뇨는 매년 5%씩 꾸준히 증가하고 있다. 가축분뇨의 처리를 위한 노력에도 불구하고, 축산업의 밀집 및 대형화 등으로 축산폐수에 의한 수질 및 토양오염 문제가 대두되고 있다. 고농도의 축산폐수는 별도의 처리과정 없이 하천 등에 유입되면 적은 량으로도 수질 악화의 주된 원인으로 작용할 수 있고, 1차 처리와 2차 처리를 거쳐 방류되더라도 유기물을 제외한 질소 및 인 화합물의 많은 부분은 충분히 제거되지 못하는 문제점을 가지고 있다.
예를 들어, 공개특허 제10-2012-0068288호(공개일자: 2012.06.27)에는 유기성폐기물의 미세조류배양에 의한 바이오가스, 지용성물질 및 미세조류의 생산 방법 및 장치를 제안하고 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 미세조류의 배양에 중요한 인자 중의 하나인 광원의 조사 방법을 기존의 단순하고 획일화된 방식에서 탈피하여 광스트레스를 이용함으로써 미세조류의 생장을 촉진시킬 수 있는 미세조류의 배양장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세조류 배양장치는, 배양액이 주입되는 배양용기가 마련되며, 이 배양용기 내에 탄소원을 함유하는 가스를 주입하여 배양용기 내의 미세조류를 배양하게 되는 미세조류의 배양장치에 있어서, 조사광에 대해 투명한 배양용기에 빛을 조사하기 위한 광원부와; 상기 광원부에 전원을 공급하기 위한 전원부와; 상기 전원부를 제어하여 상기 광원부가 주기적인 온/오프 섬광이 발생되도록 하는 섬광 조절부에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 섬광 조절부는 상기 광원부의 온/오프 주기를 가변할 수 있는 조작부를 더 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 광원부는 다수의 발광다이오드이며, 보다 바람직하게는, 상기 발광다이오드는 배양용기 주변을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세조류의 배양방법은, 배양액에 빛을 조사하여 미세조류를 배양하되, 조사광은 주기적으로 온/오프되는 섬광을 조사함으로써 달성될 수 있으며, 바람직하게는, 상기 조사광은 발광다이오드에 의해 조사되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광스트레스를 이용한 미세조류의 배양장치 및 방법은, 배양액에 조사되는 조사광을 일정 주기로 온/오프되는 섬광을 이용함으로써, 미세조류의 생장을 증대시킴과 동시에 폐수를 이용한 배양 시에 폐수 내의 질소, 인을 제거하여 폐수 처리에 응용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세조류 배양장치의 바람직한 실시예를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 미세조류의 배양방법에 이용된 배양장치를 보여주는 사진,
도 3은 본 발명에 따른 배양방법에서 Chl-a 분석을 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 배양방법에서 질소 변화량을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 배양방법에서 인 변화량을 보여주는 그래프.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 배양장치는, 배양용기(110), 광원부(120), 전원부(130) 및 섬광 조절부(140)를 포함한다.
배양용기(110)는 배양기 본체(111) 상부에 마련되어 배양액이 주입되며, 배양기 본체(111)에는 배양액을 교반하기 위한 주지의 자석교반기가 마련될 수 있다.
특히 배양용기(110)는 광원부로부터 조사되는 조사광에 대해 투명한 재질을 가지며, 파이렉스(pyrex)와 같은 유리나 이를 이용한 재질이 사용될 수 있다.
배양용기(110)에는 탄소원을 함유하는 가스를 주입하기 위한 펌프(112)가 호스에 의해 연결될 수 있으며, 배양용기(110)의 공기를 배기 가능하도록 배기포트(113)가 마련될 수 있다.
광원부(120)는 배양용기(110)에 빛을 조사하기 위한 것으로, 다수의 발광다이오드에 의해 제공될 수 있다.
도 1에 예시된 것과 같이, 광원부(120)는 배양용기(110)의 주변 일부를 감싸도록 배치되는 다수의 발광다이오드 모듈(121)로 구성되며, 이때 발광다이오드 모듈(121)은 배양용기(110)의 주변 일부가 아닌 네 개의 면 전체를 감싸는 구조일 수도 있다.
한편, 광원부는 배양액에 따라서 특정한 파장을 필터링하기 위한 필터가 마련될 수 있으며, 발광다이오드인 경우에 백색 발광다이오드 또는 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue) 발광다이오드를 조합하여 다양한 파장대의 빛을 조사할 수도 있다.
전원부(130)는 광원부(120)에 전원을 공급하기 위한 것으로, 광원부의 형태에 따라서 주지의 교류 또는 직류 전원이 이용되며, 광원부로써 발광다이오드가 이용되는 경우에는 발광다이오드를 구동하기 위한 주지의 레귤레이터가 사용될 수 있다.
섬광 조절부(140)는 광원부(120)로 전원을 공급하게 되는 전원부(130)를 제어하기 위한 것으로, 광원부(120)에서 주기적인 온/오프 섬광이 발생되도록 한다.
특히 본 발명에서 배양액에 조사되는 조사광은 섬광 조절부(140)에 의해 제어된 주기적인 섬광이 조사되는 것을 특징으로 하며, 이와 같이 주기적인 섬광에 노출된 배양액은 미세조류의 생장을 촉진시킬 수가 있다.
바람직하게는 섬광 조절부(140)는 광원부(120)의 온/오프 주기를 가변할 수 있도록 조작부가 추가되며, 조작부의 조작에 의해 광원부에서 조사된 섬광의 온/오프 주기를 조절할 수 있다.
실시예
도 2는 본 실시예에서 사용된 배양장치를 보여주는 사진으로써, 비교를 위하여 광스트레스가 없이 배양이 이루어진 대조군(A)과, 본 발명에 따라서 광스트레스 조건에서 배양이 이루어진 실험군(B)으로 구분되어 실험이 진행되었다.
본 실시예에서는 유리재질의 실린더(배양용기)에 475㎖의 인공폐수(BG-11)와, 전배양된 C. Vulgaris(KCTC 10032) 25㎖를 접종하여 30℃의 BOD Incubator 내에서 배양하였다. 각 배양장치에는 탄소원 공급을 위해 aeration(100 ㎖/min)을 실시하였고, 각 배양장치 주변에 발광다이오드(Blue(450nm)와 Red(660nm))를 각 50 EA 혼합 설치하여 1,000 Lux의 광원을 조사하였다.
또한, 실험군(B)의 광스트레스를 주기 위하여, 실험군(B)의 경우에는 각 광원이 동시에 점등(1.3초) 후에 소등(1초)이 연속적으로 이루어지게 하였다.
한편, 대조군(A)에는 광원이 연속적으로 조사되었다.
도 3을 참고하면, 17일 동안, 광스트레스의 유무에 따라서 대조군과 실험군의 Chlorophyll-a를 분석 비교하였다. 실험군의 광스트레스는 미세조류의 생장을 확인하기 위하여, Chl-a를 2일 간격으로 총 17일 동안 UV-vis spectrometer를 이용하여 669nm, 645nm에서 흡광도를 측정하여 확인하였다. 초기 미세조류 접종 후, 대조군은 서서히 증가하였으며, 9일 배양 후에 초기 농도보다 3배 정도 높게 나타났다.
반면에 실험군은 대조군에 비해 급격하게 증가하는 추세를 보여 주었으며, 9일 배양 후에 초기 농도보다 7배 이상 높게 나타났다.
또한, 실험군은 9일째, 미세조류의 생장이 최대가 되었으나 대조군에서는 4일이 늦은 13일째에 미세조류의 생장이 최대가 됨을 확인할 수 있었다.
이와 같은 결과로부터 조사광이 연속적으로 조사되는 것보다는 일정한 주기를 가지며 온/오프되는 섬광의 조사에 의한 광스트레스에 의하여 미세조류 생장 촉진이 이루어졌음을 알 수가 있다.
다음으로 도 4는 본 발명에 따른 배양방법에서 질소 변화량을 보여주는 그래프이며, 도 5는 본 발명에 따른 배양방법에서 인 변화량을 보여주는 그래프로써, 미세조류 배양 13일까지의 대조군과 실험군의 폐수 내의 질소와 인 변화량을 분석하였다.
도 4에서 대조군과 실험군의 배양 1일째 TN 농도는 각각 136,3 mg/L와 146.1 mg/L로써, 3 일째부터는 실험군의 질소 농도(93.6mg/L)가 대조군의 질소 농도(113mg/L)보다 낮게 나타나기 시작하였으며, 시간이 경과함에 따라서 실험군의 질소 제거 능력이 급격하게 높아졌다. 실험군의 질소 제거율은 11일째 100%로 나타났으며, 반면에 대조군의 질소 제거율은 13일째 100%로 나타났다.
도 5에서 대조군과 실험군의 TP 농도는 초기 2.2 mg/L이며, 배양 후 13일 경과된 시점에서 실험군의 인 제거율은 약 58%로 나타났으며, 이는 대조군의 인 제거율(약 40%) 보다 높게 나타났다.
이와 같은 결과는 광스트레스에 의해 미세조류의 생장이 촉진되었으며, 미세조류의 생장과 동시에 질소, 인의 제거에도 영향을 끼친 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이 일정 주기 섬광에 의한 광스트레스를 미세조류에 조사함으로써 생장을 촉진시킬 수 있으며, 또한, 미세조류의 생장을 촉진시킴으로써 질소와 인을 포함하는 고농도 폐수의 처리에도 이용 가능하며, 고부가 가치 산업에 이용이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 배양용기 120 : 광원부
130 : 전원부 140 : 섬광 조절부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 배양액이 주입되고 탄소원을 함유하는 가스가 주입되어 미세조류의 배양이 이루어지는 조사광에 대해 투명한 재질의 배양용기와, 상기 배양용기에 빛을 조사하기 위한 광원부와, 상기 광원부에 전원을 공급하기 위한 전원부와, 상기 전원부를 제어하여 상기 광원부가 주기적인 온/오프 섬광이 발생되도록 하는 섬광 조절부와, 상기 광원부의 온/오프 주기를 가변할 수 있도록 상기 섬광 조절부에 마련되는 조작부를 포함하는 미세조류 배양장치를 이용한 미세조류의 배양에 의한 폐수의 처리방법에 있어서,
    주기적으로 온/오프되는 섬광을 배양액에 조사하여 미세조류를 배양하며, 이를 통하여 폐수 중의 질소 및 인을 제거하게 되는 폐수의 처리방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서, 상기 미세조류 배양장치의 배양용기에 연속적으로 배양액 혹은 폐수를 공급하여 연속적으로 미세조류를 배양하는 것을 포함하는 폐수의 처리방법.
  9. 제4항 또는 제8항에 있어서, 상기 배양액은 가축분뇨, 하수슬러지를 포함하는 폐수의 처리방법.
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