KR101655408B1 - 광-막 생물 반응기 및 이를 이용한 해수 전처리 방법과 미세조류 배양 방법 - Google Patents

광-막 생물 반응기 및 이를 이용한 해수 전처리 방법과 미세조류 배양 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광-막 생물 반응기, 이를 이용한 해수 전처리 방법, 및 미세조류 배양 방법에 관한 것이다. 본 발명의 해수 전처리 방법은 제어부의 제어에 따라 미세조류가 체류하는 투광성 반응기 몸체에 해수의 공급 및 배출하는 단계와, 이산화탄소원을 반응기 몸체 내에 주입하여 해수 내의 유기물 및 부유물을 분리막에 의해 필터링하여 제거하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 해수 전처리 과정의 환경 오염을 방지할 수 있다.

Description

광-막 생물 반응기 및 이를 이용한 해수 전처리 방법과 미세조류 배양 방법{PHOTO MEMBRANE BIOREACTOR AND PRETREATMENT METHOD OF SEAWATER AND CULTIVATION METHOD OF MICROALGAE}
본 발명은 광-막 생물 반응기 및 이를 이용한 해수 전처리 방법 및 미세조류 배양 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세조류 및 분리막을 사용하여 해수에 포함된 부유물, 및 유기물 및 다가 이온을 제거할 수 있도록 한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 막 생물 반응기(Membrane Bioreactor)는 막 분리 공정 및 생물학적 처리 공정으로 하폐수를 처리하는 시스템이다. 미생물이 포함된 생물 반응기에 하폐수가 유입되면 하폐수에 함유된 미생물이 분해하고, 분리막(주로 Microfiltration)을 이용하여 부유물을 처리한다. 이때 분리막은 생물 반응기 내의 미생물 유출을 막는 역할까지 수행한다.
한편, 미세조류는 이산화탄소를 탄소원으로 사용하여 성장하는 광합성 생물(Autotroph)이나, 종에 따라 혹은 환경에 따라 스스로 유기물질을 합성할 수 없어 주변에서 유기물질을 섭취하는 종속 영양 생물(Heterotroph) 또는 환경 조건에 따라 자가 영상 또는 타가 영상 방법 중 하나에 의해 양분을 섭취하는 혼합 영양 생물(Mixotroph)로 알려져 있다. 이러한 미세조류는 미생물 반응기에 적용하면 생물 오염을 일으키는 유기물의 유입을 막을 수 있을 뿐만 아니라 부유물, 다가 이온 등을 제거할 수 있게 된다.
해수에 포함된 부유물 및 다가 이온을 제거하기 위한 해수 전처리 공정으로 주로 화학 약품을 투입하는 방법을 사용한다. 이 경우 투입된 화학 약품을 중화하기 위해 추가로 별도의 화학 약품을 투입하게 되고, 이러한 화학 약품에 의한 환경 오염이 발생하는 문제가 있다. 따라서, 이러한 화학 약품을 이용하지 않고 생물학적 미세조류를 이용하여 해수 전처리 공정을 실행하기 위한 방안이 필요하다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 해수 전처리 과정의 환경 오염을 방지할 수 있고, 성장된 미세조류를 바이오 연료 생산을 위한 공급 원료로 사용할 수 있는 광-막 생물 반응기 및 이를 이용한 해수의 전처리 방법 및 미세조류의 배양 방법을 제공하고자 함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제어부의 제어에 따라 미세조류가 체류하는 투광성 반응기 몸체에 해수의 공급 및 배출하는 단계와, 해수 내의 유기물 및 부유물을 분리막에 의해 필터링하여 제거하는 단계를 포함하도록 구비되는 것을 제1 특징으로 한다.
여기서, 상기 해수 전처리 방법은, 제어부의 제어에 따라 상기 반응기 몸체 내에 이산화탄소를 주입하는 단계와, 상기 반응기 몸체 내에 주입되는 이산화탄소원을 이용하여 상기 분리막의 역세척을 실행하는 단계를 더 포함한다. 또한 상기 해수 전처리 방법은, 초음파 및 진동 중 하나를 이용하여 분리막의 부착물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제어부의 제어에 따라 미세조류가 체류하는 투과성 반응기 몸체에 해수를 공급 및 배출하는 단계와, 상기 단계의 투과성 반응기 몸체에 이산화탄소를 주입하여 미세조류를 성장시키는 단계를 포함하되, 상기 미세조류 성장 단계는, 기 설정된 소정 파장의 광량, 기 설정된 온도, 및 주입된 이산화탄소 량에 의해 설정된 pH를 토대로 미세조류의 성장 속도를 가속하는 단계를 더 포함하는 것을 제2 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제어부의 제어에 따라 해수가 공급되는 해수 유입구와, 해수가 배출되는 해수 유출부를 마련되어 해수에 포함된 유기물을 제거하는 미세조류가 체류되는 투광성 반응기 몸체와, 제어부의 제어에 따라 상기 반응기 몸체 내에 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 공급부와, 상기 해수 유출부의 유입단에 마련되어 유입된 해수의 부유물을 여과 처리하는 분리막을 포함하는 것을 제3 특징으로 한다.
여기서, 상기 반응기 몸체는 하부에 상기 미세조류를 회수하기 위한 수확구를 더 포함한다.
상기 반응기 몸체는 해수 유입부 및 해수 유출부 간의 거리를 유입된 해수가 반응기 몸체 내에 체류하는 시간에 대해 기 설정된 비례적 관계식을 토대로 설정하도록 구비된다.
여기서, 상기 분리막은 이산화탄소용 중공사막과 해수 처리용 중공사막이 교대로 배치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광-막 생물 반응기는, 미세조류의 성장을 가속화하기 위해 상기 반응기 몸체로 소정 파장의 광을 반응기 몸체에 조사하는 광 발생부를 더 포함한다.
여기서, 상기 미세조류는, 상기 반응기 몸체 내의 동물성 플랑크톤의 개체수가 기 설정된 소정 값 이상일 때 역세척을 실행하여 재성장 하도록 구비된다.
여기서, 상기 분리막은 초음파 및 진동 중 하나를 이용하여 부착물을 제거하도록 구비된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광-막 생물 반응기와 이를 이용한 해수 전처리 방법, 및 미세조류 배양 방법은 해수에 포함된 부유물 및 유기물을 미세조류, 분리막을 이용하여 제거하고, 분리막에 부착된 부유물을 이산화탄소를 주입하여 역세척으로 제거하며, 분리막의 바이오 프로팅을 초음파, 진동, 또는 이산화탄소용 중공사막 및 해수 처리용 중공 사막을 교대로 배치하여 공급된 이산화탄소를 이용하여 제거함에 따라 친환경으로 해수 전처리를 실행함에 따라 해수 전처리 과정에서 발생하는 환경 오염을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응기 몸체 내에 존재하는 동물성 플랑크톤이 기 설정된 소정 값 이상인 경우 실행하는 미세조류의 성장을 상기 광발생부에서 조사된 빛, 히팅 펌프를 이용한 폐열로 제공된 온도, 및 이산화탄소의 주입으로 조절된 pH을 기초로 가속화하고 성장된 미세조류를 수확구를 통해 수확함에 따라 바이오 연료 생산을 위한 에너지 공급원으로 사용할 수 있고, 죽은 미생물을 FDFO(Fertilizer Drawn Forward Osmosis) 공정의 유도 용액용 물질로 사용하고 죽은 미세조류를 양식용 고기밥으로 사용할 수 있게 된다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광-막 생물 반응기의 구성을 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광-막 생물 반응기를 이용한 해수 전처리 과정을 보인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세조류 배양 과정을 보인 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광-막 생물 반응기의 구성을 보인 도면이다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면이 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수의 전처리를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 해수 전처리를 실행하는 광-막 생물 반응기의 구성을 보인 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광-막 생물 반응기는, 분리막 및 미세조류 및 이산화탄소원을 이용하여 유입된 해수의 부유물, 유기물, 및 다가 이온을 제거하도록 구비되고, 이러한 해수 전처리를 실행하는 광-막 생물 반응기는, 반응기 몸체(10), 이산화탄소 공급부(20), 및 분리막(30)의 구성을 가지며, 상기 반응기 몸체(10), 이산화탄소 공급부(20) 및 분리막(30)의 동작을 단속하여 해수에 포함된 부유물 및 유기물 등을 제거하여 해수를 담화하는 해수 전리 공정을 실행하고 분리막(30)의 세척 및 미세조류의 재성장을 위해 온도, 광량, 및 pH 농도를 단속하는 제어부(50)를 더 포함한다.
반응기 몸체(10)는, 해수가 공급되는 해수 유입부(11)와 해수가 배출되는 해수 배출부(12)가 마련되고 미세조류가 체류하는 투과성이다. 이산화탄소 공급부(20)는 반응기 몸체(10)에 이산화탄소를 주입 및 유출하도록 구비되며, 분리막(30)은 해수 유출부(12)의 유입단에 마련되어 부유물과 미세조류를 여과 처리한다. 분리막(30)은 이산화탄소용 중공 사막과 해수 처리용 중공 사막이 교대로 배치된다.
또한 광-막 생물 반응기는 소정의 파장의 광을 상기 반응기 몸체(10)의 외부에 투과하는 광 발생부(40)를 더 포함한다. 여기서, 상기 광은 태양빛 또는 엘이디에서 발생된 광을 이용할 수 있다. 이에 반응기 몸체(10)는 광 발생부(40)의 기 정의된 소정 파장을 가지는 광이 투과할 수 있는 투명성 재질로 구비되고 반응기 몸체(10)의 크기 및 형상은 광이 내부 전체에 투과된다. 이러한 빛은 반응기 몸체(10)의 미세조류의 성장을 가속화시킨다.
한편, 반응기 몸체(10)의 해수 유입부(11) 및 해수 유출부(12) 간의 거리는 유입된 해수가 반응기 몸체(10) 내에 체류하는 시간에 대한 비례적 관계식을 토대로 설정된다. 즉, 상기 해수가 반응기 몸체(10) 내에 체류하는 시간을 최대로 길게 하기 위해 해수 유입부(11) 및 해수 유출부(12)와의 거리는 기 정의된 최대치로 구현된다. 해수 유출부(12)의 유입단에는 중공사막 또는 판형 등의 형상을 가지는 분리막(30)이 설치된다. 즉, 분리막(30)은 이산화탄소의 중공사막과 해수 처리용 중공 사막이 서로 교대로 배치된다.
해수 유입부(11)를 통해 유입된 해수는 분리막(30)을 통해 부유물이 제거되고 미세조류를 통해 유기물을 제거하고 이때 이산화탄소에 의해 조절된 해수의 pH 및 화학적 반응을 토대로 Ca2+ 및 Mg2+ 등의 이온 물질이 침전되어 다가 이온이 제거된다.
상기 광-막 생물 반응기는 반응기 몸체(10)에서 성장된 미세조류를 회수하기 위한 수확구(13)를 더 포함한다. 따라서, 생장된 미세조류는 수확구(13)를 통해 수확을 하여 바이오 연료를 생산하기 위한 공급 원료 이용된다.
이러한 구성된 본 발명의 실시예에 따른 광-막 생물 반응기에 있어서, 우선, 제어부(50)의 제어에 따라 해수 유입부(11)를 통해 해수가 유입된 후 해수 배출부(12)를 통과할 때 분리막(30)을 통해 해수의 부유물이 제거되고 미세조류가 유출되는 것이 방지된다.
또한, 반응기 몸체(10) 내에 체류된 미세조류는 광 에너지로 광합성을 통해 유기물을 합성하여 해수 내의 유기물을 제거한다.
이산화탄소 공급부(20)의 이산화탄소 및 하기 화학식 1 및 2을 기반으로 Ca2+ 및 Mg2+ 의 이온을 참전하는 반응이 유도되어 해수에 포함된 다가 이온이 제거된다.
Ca2+ + 2OH- -> Ca(OH)2 (화학식 1)
삭제
Mg2+ + 2OH- -> Mg(OH)2 (화학식 2)
한편, 이러한 해수의 부유물을 제거하기 위한 분리막(30)은 이산화탄소를 주입하여 역세척을 실행하여 부유물을 제거한다. 이때 분리막(30)에 부착된 바이오 프로팅(부착물)은 진동 및 초음파를 이용하여 제거된다.
아울러, 반응기 몸체(10)를 통과하는 해수에 동물성 플랑크톤이 기 설정된 소정 값 이상인 경우 미세조류에 대한 역처리를 실행하고 이 후 미세조류에 대한 재성장을 실행한다. 이때 미세조류의 재성장하는 데는 2주 이상이 소요되므로 이러한 미세조류의 가속화를 위해, 제어부(50)는 광 발생부(40)의 광량, 온도, 및 이산화탄소 공급부(30)를 이용하여 pH 농도를 제어한다. 즉, 미세조류의 성장 속도를 가속화하기 위한 인자에는 광량, 온도, pH 농도 등이 있다, 여기서, 광량은 광발생부(40)에서 조사되고, 온도는 별도로 마련된 히팅 펌프의 폐열로 공급되고, pH 농도는 이산화탄소에 의해 제어된다.
그리고, 죽은 플랑크톤은 세포 사망 후 침전하는 특성을 이용하여 수거되거나 반응기 몸체의 와류에 의해 침전이 방해되는 경우 별도의 물리적 격막을 이용하여 수거된다.
앞서 설명한 광-막 생물 반응기를 이용하여 해수 전처리 및 미세조류 배양 과정은 다음과 같다. 도 3은 도 2에 도시된 제어부(50)의 광-막 생물 반응기를 이용하여 해수 전처리 과정을 보인 흐름도이고, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 해수 전처리 과정을 설명한다.
우선, 광-막 생물 반응기의 동작을 단속하는 제어부(50)의 제어에 따라 반응기 몸체(10)로 해수가 유입되면(101), 분리막(30)은 해수에 포함된 부유물 및 유기물을 여과시킨 후(103) 해수의 본 처리 공정을 실행한다(105).
한편, 제어부(50)의 제어에 따라 반응기 몸체(10) 내에 주입되는 이산화탄소를 주입하여 분리막(30)의 역세척(backwashing)을 실행하고(107), 초음파 및 진동 등을 이용하여 바이오 파울링(부착물)을 제거한다(109). 이러한 분리막(30)의 파울링은 초음파 및 진동 등을 이용할 수 있으나, 이외에도 이산화탄소용 중공사막 및 처리수용 중공 사막을 교대로 근접 사용하여 이산화탄소를 공급하여 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세조류 성장 과정은 다음과 같다. 도 4는 도 2에 도시된 제어부(50)의 제어에 따라 미세조류 성장 과정을 보인 흐름도로서, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세조류 성장 과정을 설명한다.
우선, 반응기 몸체(10)의 해수에 포함된 동물성 플랑크톤이 기 설정된 소정 값 이상인 경우 제어부(50)는 역세척을 실행하고 광 발생부(40)의 광량, 온도, 및 pH를 조정하여 미세조류를 재성장시킨다(301, 303). 재성장된 미세조류는 제어부(50)의 제어에 따라 수확구(13)를 통해 수확하여 바이오 연료의 공급원을 사용될 수 있다(305, 307)
또한, 제어부(50)는 죽은 플랑크톤이 미세조류 내에 존재하는 경우 죽은 플랑크톤의 침전 특성을 이용하여 수거하거나 반응기 완류로 인해 죽은 플랑크톤의 침전이 방해가 되는 경우 물리적 격막을 이용하여 수거한다(309, 311). 여기서 수거된 죽은 플랑크톤은 FDFO 공정의 유도 용액 용질로 이용하고 죽인 미세조류는 양식장의 양식으로 사용될 수 있다(313).
본 발명의 실시예에서, 도 3의 해수 전처리 과정과 도 4의 미세조류 배양 과정을 각각 별개의 공정으로 설명하고 있으나, 기능상 하나의 공정으로 실행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 해수에 포함된 부유물 및 유기물을 미세조류, 분리막을 이용하여 제거하고, 분리막에 부착된 부유물을 이산화탄소를 주입하여 역세척으로 제거하며, 분리막의 바이오 프로팅을 초음파, 진동, 또는 이산화탄소용 중공사막 및 해수 처리용 중공 사막을 교대로 배치하여 공급된 이산화탄소를 이용하여 제거함에 따라 친환경으로 해수 전처리를 실행함에 따라 해수 전처리 과정에서 발생하는 환경 오염을 방지할 수 있게 된다.
또한, 반응기 몸체 내에 존재하는 동물성 플랑크톤이 기 설정된 소정 값 이상인 경우 실행하는 미세조류의 성장을 상기 광발생부에서 조사된 빛, 히팅 펌프를 이용한 폐열로 제공된 온도, 및 이산화탄소의 주입으로 조절된 PH을 기초로 가속화하고 성장된 미세조류를 수확구를 통해 수확함에 따라 바이오 연료 생산을 위한 에너지 공급원으로 사용할 수 있고, 죽은 미생물을 FDFO 공정의 유도 용액용 물질로 사용하고 죽은 미세조류를 양식용 고기밥으로 사용할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예의 광-막 생물 반응기의 구성을 보인 도면으로서, 도 2에 도시된 광-막 생물 반응기가 다수 개로 구비되어 있으며, 다수의 해수를 다량으로 처리 가능하다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
본 발명은 해수에 포함된 부유물 및 유기물을 미세조류, 분리막을 이용하여 제거하고, 분리막에 부착된 부유물을 이산화탄소를 주입하여 역세척으로 제거하며, 분리막의 바이오 프로팅을 초음파, 진동, 또는 이산화탄소용 중공사막 및 해수 처리용 중공 사막을 교대로 배치하여 공급된 이산화탄소를 이용하여 제거함에 따라 친환경으로 해수 전처리를 실행함에 따라 해수 전처리 과정에서 발생하는 환경 오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 반응기 몸체 내에 존재하는 동물성 플랑크톤이 기 설정된 소정 값 이상인 경우 실행하는 미세조류의 성장을 상기 광발생부에서 조사된 빛, 히팅 펌프를 이용한 폐열로 제공된 온도, 및 이산화탄소의 주입으로 조절된 pH을 기초로 가속화하고 성장된 미세조류를 수확구를 통해 수확함에 따라 바이오 연료 생산을 위한 에너지 공급원으로 사용할 수 있다. 또한, 죽은 미생물을 FDFO 공정의 유도 용액용 물질로 사용하고 죽은 미세조류를 양식용 고기밥으로 사용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 해수에 포함된 부유물과 유기물을 해수로부터 제거하는 해수 전처리 방법에 있어서,
    반응기에 해수와 이산화탄소를 공급하는 단계와,
    상기 반응기 내에 체류하는 미세조류를 통해 상기 해수에 포함된 유기물과 상기 이산화탄소를 이용하여 광합성을 수행함으로써 상기 유기물을 상기 해수로부터 제거하는 단계와,
    상기 공급된 이산화탄소로 상기 해수의 pH를 제어하여 다가 이온을 침전시키는 단계와,
    분리막을 통해 상기 해수에 포함된 부유물과 상기 미세조류가 유출되는 것을 방지하면서 상기 유기물과 다가 이온이 제거된 해수를 상기 반응기에서 배출하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 해수 전처리 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 해수에 포함된 부유물과 유기물을 해수로부터 제거하는 광-막 생물 반응기에 있어서,
    미세조류가 체류하는 반응기 몸체와,
    부유물과 유기물이 포함된 해수를 상기 반응기 몸체로 공급하는 해수 유입부와,
    상기 반응기 몸체 내의 해수를 외부로 배출하는 해수 유출부와,
    상기 반응기 몸체 내에 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 공급부와,
    상기 해수 유출부의 유입단에 마련되어 상기 미세조류와 상기 부유물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 분리막을 포함하며,
    상기 미세조류는 상기 해수에 포함된 유기물과 상기 공급된 이산화탄소를 이용하여 광합성을 수행함으로써 상기 해수로부터 상기 유기물을 제거하고,
    상기 이산화탄소는 상기 해수의 pH를 제어하여 다가 이온이 침전되도록 하는 것을 특징으로 하는 광-막 생물 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 하부에 미세조류를 회수하기 위한 수확구를 포함하는 것을 특징으로 하는 광-막 생물 반응기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 해수 유입부 및 상기 해수 유출부 간의 거리는 상기 공급된 해수가 상기 반응기 몸체 내에 체류하는 시간에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 광-막 생물 반응기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 분리막은 이산화탄소용 중공사막과 해수 처리용 중공사막이 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 광-막 생물 반응기.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 투광성이며,
    상기 미세조류의 성장을 가속화하기 위해 상기 반응기 몸체로 소정 파장의 광을 반응기 몸체에 조사하는 광 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광-막 생물 반응기.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 반응기 몸체는 병렬 배치된 다수 개를 구비하는 것을 특징으로 하는 광-막 생물 반응기.
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