KR102029013B1 - 바이오파울링 현장 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템 및 이의 감지 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유출수 저장조, 바이오파울링 측정 시약을 공급하는 측정 시약 저장조, 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하는 멤브레인 베셀, 상기 멤브레인 베셀과 병렬로 연결되어 제2 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제2 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 바이오파울링 분석모듈에 제1 측정 시료를 제공하는 멤브레인 시뮬레이터 및 상기 제2 유입수와 상기 측정 시약 간의 공유 유입 경로들 및 상기 제2 유출수와 상기 제1 측정 시료 간의 공유 유출 경로들을 상호 배타적으로 개폐하는 제1 밸브 모듈을 포함하는 막여과 시스템 및 이의 바이오파울링 현장 감지 방법을 제공한다. 본 발명의 막여과 시스템 및 이의 바이오파울링 현장 감지 방법은 막여과 시스템의 정지 및 손상 없이 현장에서 높은 민감도로 바이오파울링을 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 바이오파울링 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템 및 이의 감지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 막여과 시스템의 정지 및 손상을 최소화하고 높은 민감도로 바이오파울링을 현장에서 감지하는 장치를 포함하는 막여과 시스템 및 이의 감지 방법에 관한 것이다.
막 여과(Membrane Filtration) 공정은 하수 및 정수 처리, 해수 담수화, 물의 재이용 등 다양한 목적을 위하여 적용되는 기술이다. 막 여과 공정에서 막은 원수 내의 미생물, 유기물, 콜로이드 등의 물질을 분리하며, 이들 물질에 의하여 막의 오염이 발생한다. 그 중, 미생물에 의한 오염인 바이오파울링(Biofouling)은 시작되면 성장 속도가 빨라져 제어가 어려우며, 생물막을 형성하여 미립자를 보유하는 것과 같은 다른 유형의 오염을 촉진시킬 수 있다. 또한 생물막에 의하여 막을 투과하는 유출수의 유량이 급격하게 저하되고, 일정한 유량을 유지하기 위하여 더욱 높은 압력이 요구되어 전체 시스템의 에너지 소비가 증가하게 된다.
생물막이 견고한 구조를 형성하기 이전에 바이오파울링을 감지하여 막의 수명을 연장시키고 공정 효율의 향상을 도모할 필요가 있다. 종래의 막 여과 시스템의 바이오파울링 감지 방법은 압력 및 유량을 측정하는 방법과 그랩 샘플링(grab sampling) 방법이 있다. 그러나 압력 및 유량을 측정하는 방법은 바이오파울링 외에도 다양한 요소들이 압력 및 유량에 영향을 미칠 뿐 아니라, 압력계 및 유량계 자체의 부정확성으로 인하여 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)가 낮다.
그랩 샘플링은 막여과 시스템의 배출구로부터 채취한 유출수 샘플을 24시간 내지 48시간 동안 배양하여 미생물의 수를 확인하는 것으로, 샘플 채취로부터 분석 완료까지 시간이 지연된다는 문제점이 있다. 또한, 막 여과 시스템에 문제를 일으키는 주된 원인인 정착성(sessile) 미생물을 정밀하게 측정할 수 없다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0094984 (2013.08.27)호는 막의 오염도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 오염된 막에서 채취된 오염 물질, 유입수 및 막을 통과한 유출수 각각의 형광 스펙트럼들을 이용하여 기준 이미지와 비교 이미지를 획득하는 단계, 기준 이미지를 분해하여 복수의 합성된 기준 이미지들을 생성하는 단계, 복수의 합성된 기준 이미지들로부터 고유 벡터를 추출하는 단계, 기준 이미지 및 비교 이미지를 고유 벡터에 투영하여 기준 특징 벡터와 비교 특징 벡터를 획득하는 단계, 및 기준 특징 벡터와 비교 특징 벡터 사이의 거리를 이용하여 막의 오염도를 측정하는 단계를 포함한다.
한국 공개특허공보 제10-2017-0140867 (2017.12.22)호는 분리막 막오염을 실시간 모니터링할 수 있는 막증류 시스템에 관한 것으로, 분리막 막오염을 실시간 모니터링할 수 있는 막증류 시스템은 다양한 유체를 저장하는 원수 저장조, 상기 원수 저장조에 저장된 원수를 공급받아 순수를 생성하되, 상기 원수 저장조로부터 유입수가 유입되는 유입수 챔버와, 상기 유입수 챔버 내의 유입수를 수증기와 농축수로 분리하는 분리막과, 상기 분리막에 의해 분리된 수증기가 공급되며 수증기를 응축하는 처리수 챔버를 구비한 막 증류 수처리유닛, 및 상기 분리막에 대향되게 배치되되, 상기 분리막을 투과하는 조명을 실시간으로 측정하여 상기 분리막의 막젖음 현상과 막젖음 위치를 검출하는 막젖음 검출유닛을 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 바이오파울링 현장 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막여과 시스템은 유출수 저장조, 바이오파울링 측정 시약을 공급하는 측정 시약 저장조, 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하는 멤브레인 베셀, 상기 멤브레인 베셀과 병렬로 연결되어 제2 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제2 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 바이오파울링 분석모듈에 제1 측정 시료를 제공하는 멤브레인 시뮬레이터 및 상기 제1 유입수 및 제1 유출수의 유량 및 압력을 제어하는 제1 밸브, 상기 제2 유입수의 공급을 제어하는 제2 밸브, 상기 제2 유출수의 배출을 제어하는 제3 밸브, 상기 측정 시약의 공급을 제어하는 제4 밸브 및 상기 바이오파울링 분석모듈에 제1 측정 시료를 제공하는 제5 밸브를 포함하여 상기 제2 유입수와 상기 측정 시약 간의 공유 유입 경로들 및 상기 제2 유출수와 상기 제1 측정 시료 간의 공유 유출 경로들을 상호 배타적으로 개폐하는 제1 밸브 모듈을 포함하고, 상기 제1 밸브 모듈은 상기 멤브레인 시뮬레이터를 투과하는 상기 제2 유입수 및 제2 유출수의 유속 및 체류시간이 상기 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간과 동일하도록 제어하여 상기 멤브레인 시뮬레이터가 상기 멤브레인 베셀과 동일한 환경 조건 하에서 바이오파울링이 진행되도록 할 수 있다.
상기 멤브레인 베셀은 직렬로 연결되는 복수의 멤브레인 엘리먼트들을 포함할 수 있고, 이러한 경우 멤브레인 시뮬레이터는 상기 복수의 멤브레인 엘리먼트들 각각에 병렬로 연결되어 제2 유입수 또는 앞선 멤브레인 엘리먼트의 유출수를 공급받아 다음 멤브레인 엘리먼트 또는 상기 유출수 저장조에 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 상기 바이오파울링 분석모듈에 각각 측정 시료를 제공하는 복수의 서브 멤브레인 시뮬레이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서 상기 멤브레인 베셀은 상기 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 제공받아 캐스케이드 연결된 서브 유출 경로들을 통해 각각이 제2 측정 시료의 일부를 유출할 수 있는 복수의 멤브레인 엘리먼트들로 구성되고, 상기 바이오파울링 분석모듈에 의해 연산된 바이오파울링 지수에 따라 상기 제1 유입수와 상기 측정 시약간의 공유 유입 경로 및 상기 서브 유출 경로들을 개폐하는 제2 밸브 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중에서 상기 측정 시약은 미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화할 수 있고, 상기 분석모듈은 제1 측정 시료 및 제2 측정 시료의 형광을 측정하기 위한 형광 측정계 일 수 있다.
삭제
본 발명의 일 실시예에서 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법은 상기 멤브레인 시뮬레이터에 상기 제2 유입수를 공급하고 상기 유출수 저장조에 제2 유출수를 제공하는 제1 단계, 상기 제1 밸브 모듈이 상기 제2 유입수의 공급과 상기 제2 유출수의 제공을 차단하고 상기 측정 시약의 공급과 상기 제1 측정 시료의 제공을 실시하는 제2 단계 및 상기 분석 모듈이 상기 제1 측정 시료로부터 상기 멤브레인 베셀의 바이오파울링 지수를 연산하는 제3 단계를 포함하고, 상기 제1 단계는 상기 멤브레인 시뮬레이터를 투과하는 제2 유입수 및 제2 유출수의 유속 및 체류시간이 상기 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간과 동일하도록 상기 제1 밸브 모듈에 의하여 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에서 상기 분석 모듈이 연산한 상기 바이오파울링 지수에 따라 상기 멤브레인 베셀에 제1 유입수의 공급 및 제1 유출수의 제공을 차단하고 상기 측정 시약을 제공받아 캐스케이드 연결된 서브 유출 경로들을 통해 제2 측정 시료의 일부를 유출하는 제4 단계 및 상기 분석 모듈이 각각의 서브 유출 경로들을 통해 유출된 제2 측정 시료를 분석하여 상기 멤브레인 엘리먼트들 각각의 바이오파울링 지수를 연산하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다.
삭제
상기 제2 단계는 상기 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 배출되는 제1 유출수의 유속 및 체류시간이 유지될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따를 때, 멤브레인 시뮬레이터는 막여과 시스템의 멤브레인 베셀과 병렬로 연결되어 멤브레인 베셀과 동일한 유입수를 공급받는다. 밸브 모듈은 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수와 멤브레인 시뮬레이터를 투과하는 제2 유입수 및 제2 유출수가 동일한 유속 및 체류 시간을 갖도록 제어하며, 이는 멤브레인 시뮬레이터가 멤브레인 베셀과 동일한 환경 조건 하에서 바이오파울링이 진행되도록 한다. 따라서, 멤브레인 시뮬레이터의 바이오파울링을 측정하여 멤브레인 베셀의 바이오파울링 지수를 높은 상관도를 가지고 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 따르면, 바이오파울링을 측정하는 시약은 미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화하는 것을 특징으로 하며, 이는 압력 및 유량을 측정하던 종래 시스템에 비하여 선택적으로 생물막에 의한 영향만을 감지할 수 있다. 또한, 제2 유입수 공급을 차단하고 측정 시약을 공급함으로써 측정 시약의 적정 농도를 용이하게 유지할 수 있으며, 유입수 내에 존재하는 부유 미생물 등에 의한 영향을 최소화하여 보다 정밀한 측정을 가능하게 한다.
또한, 밸브 모듈이 바이오파울링 측정 시에도 제1 유입수 및 제1 유출수의 압력 및 유량을 유지하여 막여과 시스템의 멤브레인 베셀의 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 이는 막여과 시스템의 정지 및 손상 없이 주기적인 측정 및 현장 감지(on-site detection)가 가능하게 한다.
멤브레인 시뮬레이터는 막여과 시스템의 사이드 스트림(side stream)을 이용하므로 하수 처리 시스템, 선내의 밸러스트 수 처리 시스템 또는 제2 용수 처리 시스템 등 막여과 시스템을 필요로 하는 다양한 분야에서 용이하게 적용될 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오파울링 현장 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 멤브레인 엘리먼트 및 이에 대응하는 서브 멤브레인 시뮬레이터들을 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 멤브레인 엘리먼트를 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법을 도시하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 멤브레인 엘리먼트를 포함하는 막여과 시스템에서 각각의 멤브레인 엘리먼트의 바이오파울링 감지 방법을 도시하는 순서도이다.
도 6은 실험예에 따른 멤브레인 시뮬레이터의 시간에 따른 투수율 및 형광 수치를 도시하는 그래프이다.
도 7은 멤브레인 시뮬레이터에 형성된 생물막의 시간에 따른 EPS, ATP 측정값을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 시뮬레이터의 시간에 따른 형광 수치와 EPS, ATP 측정값의 상관성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 멤브레인 엘리먼트 및 이에 대응하는 서브 멤브레인 시뮬레이터들을 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 멤브레인 엘리먼트를 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법을 도시하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 멤브레인 엘리먼트를 포함하는 막여과 시스템에서 각각의 멤브레인 엘리먼트의 바이오파울링 감지 방법을 도시하는 순서도이다.
도 6은 실험예에 따른 멤브레인 시뮬레이터의 시간에 따른 투수율 및 형광 수치를 도시하는 그래프이다.
도 7은 멤브레인 시뮬레이터에 형성된 생물막의 시간에 따른 EPS, ATP 측정값을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 시뮬레이터의 시간에 따른 형광 수치와 EPS, ATP 측정값의 상관성을 비교하기 위한 그래프이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오파울링 현장 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 막여과 시스템은 유출수 저장조(130), 바이오파울링 측정 시약을 공급하는 측정 시약 저장조(143), 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조(130)에 제1 유출수를 제공하는 멤브레인 베셀(120), 상기 멤브레인 베셀(120)과 병렬로 연결되어 제2 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조(130)에 제2 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 바이오파울링 분석모듈(145)에 제1 측정 시료를 제공하는 멤브레인 시뮬레이터(141) 및 상기 제2 유입수와 상기 측정 시약 간의 공유 유입 경로들 및 상기 제2 유출수와 상기 제1 측정 시료 간의 공유 유출 경로들을 상호 배타적으로 개폐하는 제1 밸브 모듈(160)을 포함한다.
상기 막여과 시스템은 하수 처리 시스템, 선내의 밸러스트 수 처리 시스템 또는 제2 용수 처리 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 멤브레인 베셀(120)은 멤브레인 필터를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 멤브레인 필터는 역삼투압 멤브레인 필터(Reverse Osmosis Membrane Filter)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 상술한 막여과 시스템에 적용 가능한 공지된 멤브레인 필터일 수 있다.
상기 제1 유입수와 상기 제2 유입수는 피드탱크(110)으로부터 공급될 수 있다. 상기 제1 유출수와 상기 제2 유출수는 동일한 유출수 저장조(130)에 제공될 수 있다. 따라서 멤브레인 베셀(120)을 투과하는 제1 유입수와 제1 유출수는 막여과 시스템의 메인 스트림(main stream)을 구성하고, 멤브레인 시뮬레이터(141)를 투과하는 제2 유입수와 제2 유출수는 막여과 시스템의 사이드 스트림(side stream)을 구성한다.
상기 멤브레인 시뮬레이터(141)는 상기 멤브레인 시뮬레이터(141)는 상기 멤브레인 베셀(120)의 바이오파울링 정도를 모사하기 위한 장치로, 상기 멤브레인 베셀(120)의 멤브레인 필터와 동일한 종류의 멤브레인 필터를 포함할 수 있다.
상기 제1 밸브 모듈(160)은 상기 제1 유입수 및 제1 유출수의 유량 및 압력을 제어하기 위한 제1 밸브(161), 제2 유입수의 공급을 제어하기 위한 제2 밸브(163) 및 제2 유출수 배출을 제어하기 위한 제3 밸브(165), 측정 시약의 공급을 제어하기 위한 제4 밸브(167) 및 바이오파울링 분석모듈(145)에 측정 시료의 제공을 위한 제5 밸브(169)를 포함한다.
상기 측정 시약은 미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 측정 시약은 레사주린(resazurin) 용액일 수 있다. 상기 측정 시약이 미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화하는 것일 경우, 상기 바이오파울링 분석모듈(145)은 형광 측정계일 수 있다.
상기 제1 밸브(161) 내지 제5 밸브(169)는 제1 밸브 모듈(160)에 의하여 제어된다. 상기 제1 밸브 모듈(160)은 평상시 상기 멤브레인 시뮬레이터(141)를 투과하는 제2 유입수 및 제2 유출수의 유속 및 체류시간이 상기 멤브레인 베셀(120)을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간과 동일하도록 제어한다. 유입수의 유속 및 체류 시간은 바이오파울링의 진행을 결정하는 중요 요인이므로, 이를 제어함으로써 멤브레인 시뮬레이터(141)와 멤브레인 베셀(120)의 바이오파울링 정도는 높은 상관도를 갖는다.
상기 제1 밸브 모듈(160)은 바이오파울링 검출 시 제2 유입수의 공급 및 제2 유출수의 제공을 차단한다. 즉 바이오파울링 검출 시 제2 밸브(163) 및 제3 밸브(165)는 닫힘 상태가 된다. 반면 제4 밸브(167) 및 제5 밸브(169)는 열림 상태가 된다. 따라서 측정 시약 저장조(143)로부터 측정 시약이 상기 멤브레인 시뮬레이터(141)로 공급되고, 상기 멤브레인 시뮬레이터(141)를 투과한 제1 측정 시료는 상기 바이오파울링 분석모듈(145)로 공급된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 멤브레인 엘리먼트 및 이에 대응하는 서브 멤브레인 시뮬레이터들을 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 상기 멤브레인 베셀(120)은 직렬로 연결된 복수의 멤브레인 엘리먼트(120a, b, c)을 포함하고, 상기 멤브레인 시뮬레이터(141)는 상기 복수의 멤브레인 엘리먼트(120a, b, c) 각각에 병렬로 연결되는 서브 멤브레인 시뮬레이터들(141a, b, c)을 포함할 수 있다.
상기 멤브레인 엘리먼트(120a, b, c)은 직렬로 연결된다. 즉, 제1 멤브레인 엘리먼트(120a)은 제1 유입수를 공급받아 유출수를 제2 멤브레인 엘리먼트(120b)로 공급한다. 순차적으로 직렬 연결된 멤브레인 엘리먼트들(120a, b, c) 중 가장 마지막 멤브레인 엘리먼트(120c)은 유출수 저장조(130)로 제1 유출수를 제공한다.
복수의 서브 멤브레인 시뮬레이터(141a, b, c)는 상기 복수의 멤브레인 엘리먼트(120a, b, c)들 각각에 병렬로 연결되어 제2 유입수 또는 앞선 멤브레인 엘리먼트의 유출수를 공급받아 다음 멤브레인 엘리먼트 또는 상기 유출수 저장조(130)에 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 상기 바이오파울링 분석모듈(145)에 각각 측정 시료를 제공한다.
상기 밸브 모듈(160)은 서브 멤브레인 시뮬레이터(141a, b, c) 각각에 연결되는 상기 공유 유입 경로들과 이에 대응하는 상기 공유 유출 경로들을 상호 배타적으로 개폐한다. 밸브 모듈(160)은 각각의 멤브레인 엘리먼트(120a, b, c)과 이에 대응하는 서브 멤브레인 시뮬레이터(141a, b, c)를 투과하는 유입수 및 유출수의 체류 시간 및 유속을 동일하게 제어한다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 멤브레인 엘리먼트를 포함하는 막여과 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따른 막여과 시스템은 유출수 저장조(130), 측정 시약 저장조(143), 상기 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 제공받아 캐스케이드 연결된 서브 유출 경로들을 통해 각각이 제2 측정 시료의 일부를 유출할 수 있는 복수의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)로 구성되는 멤브레인 베셀(120), 멤브레인 시뮬레이터(141), 제1 밸브 모듈(160) 및 상기 제1 유입수와 상기 측정 시약간의 공유 유입 경로 및 상기 서브 유출 경로들을 개폐하는 제2 밸브 모듈(270)을 포함한다.
상기 멤브레인 베셀(120)은 복수의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)로 구성될 수 있다. 복수의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)은 직렬로 연결되어 제1 유입수를 순차적으로 공급받고 제1 유출수를 제공한다. 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)은 각각의 모듈을 투과한 유출수의 일부를 제공하기 위한 서브 유출 경로들을 구비한다.
제2 밸브 모듈(270)은 제1 유입수의 공급을 제어하는 밸브(271), 측정 시약의 공급을 제어하는 밸브(273) 및 서브 유출 경로들을 통한 제2 측정 시료의 공급을 제어하는 복수의 밸브들(275, 277, 279)를 포함한다. 분석 모듈(145)이 멤브레인 시뮬레이터(141)에서 제공된 제1 측정 시료를 분석하여 연산한 바이오파울링 지수에 따라 상기 제1 유입수와 상기 측정 시약간의 공유 유입 경로 및 상기 서브 유출 경로들을 개폐한다. 즉, 바이오파울링 지수가 기준치 이상의 값을 가질 때, 제2 밸브 모듈(270)은 제1 유입수의 공급 및 제1 유출수의 제공을 차단하고 서브 유출 경로들을 통해 각각의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)을 투과한 제2 측정 시료들을 분석 모듈(145)에 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각각의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)은 측정 시약을 서브 유입 경로를 통하여 개별적으로 공급받을 수 있다.
실시예 3
제1 단계(S1)에서는 멤브레인 시뮬레이터(121)에 제2 유입수를 공급하고 상기 유출수 저장조(130)에 제2 유출수를 제공한다. 이 때 멤브레인 시뮬레이터(141)를 투과하는 제2 유입수 및 제2 유출수의 유속 및 체류시간은 상기 멤브레인 베셀(120)을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간과 동일하도록 상기 제1 밸브 모듈(160)에 의하여 제어될 수 있다. 이는 멤브레인 시뮬레이터(141)와 멤브레인 베셀(120)의 미생물 증식 환경을 유사하게 만들어 멤브레인 시뮬레이터(141)와 멤브레인 베셀(120)의 바이오파울링 상관도를 높여준다.
제2 단계(S2)에서는 상기 제1 밸브 모듈(160)이 상기 제2 유입수의 공급과 상기 제2 유출수의 제공을 차단하고 상기 측정 시약의 공급과 상기 제1 측정 시료의 제공을 실시한다. 이 때 제1 밸브 모듈(160)은 제2 밸브(163) 및 제3 밸브(165)를 닫힘 상태로, 제4 밸브(167) 및 제5 밸브(169)를 열림 상태로 변경한다. 또한, 제1 밸브 모듈(160)은 제1 밸브(161)를 조절하여 상기 멤브레인 베셀(120)을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간을 유지할 수 있다. 이는 제2 유입수 흐름 차단에 따른 멤브레인 베셀(120)의 부하를 감소시킨다.
실시예 1에서 상술한 바와 같이 상기 측정 시약은 미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다. 멤브레인 시뮬레이터(141)에 제2 유입수의 흐름이 차단되고 측정 시약만이 공급되므로, 유입수 내의 부유 미생물에 의한 영향을 최소화 할 수 있다. 또한 측정 시약이 유입수에 의하여 희석되는 것을 방지할 수 있으므로 측정 시약의 농도를 매 측정 시 일정하게 유지할 수 있다.
제3 단계(S3)에서는 분석 모듈이 상기 제1 측정 시료로부터 상기 멤브레인 베셀(120)의 바이오파울링 지수를 연산한다. 상기 멤브레인 시뮬레이터(141)와 멤브레인 베셀(120)은 밸브 모듈(160)에 의하여 유사한 미생물 환경을 가지고 있으므로, 멤브레인 시뮬레이터(141)의 바이오파울링을 측정함으로써 높은 상관도를 가지고 멤브레인 베셀(120)의 바이오파울링 지수를 산출할 수 있다. 상술한 바와 같이 미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화하는 것을 특징으로 하는 측정 시약을 이용하는 경우, 상기 바이오파울링 분석 모듈(145)은 형광 측정계일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 멤브레인 엘리먼트를 포함하는 막여과 시스템에서 각각의 멤브레인 엘리먼트의 바이오파울링 감지 방법을 도시하는 순서도이다.
실시예 2에서 상술한 바와 같이, 멤브레인 베셀(120)이 복수의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)로 구성되는 경우, 제3 단계에서 측정한 바이오파울링 지수가 기준치 이상의 값을 가질 때, 각각의 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c)에 측정 시약을 공급하여 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c) 각각의 바이오파울링 지수를 직접 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제4 단계(S4)에서는 제2 밸브 모듈(270)이 분석 모듈(145)이 연산한 상기 바이오파울링 지수에 따라 상기 멤브레인 베셀(120)에 제1 유입수의 공급 및 제1 유출수의 제공을 차단하고 상기 측정 시약을 제공받아 캐스케이드 연결된 서브 유출 경로들을 통해 제2 측정 시료의 일부를 유출한다.
제5 단계(S5)에서는 분석 모듈(145)이 각각의 서브 유출 경로들을 통해 유출된 제2 측정 시료를 분석하여 상기 멤브레인 엘리먼트들(120 a, b, c) 각각의 바이오파울링 지수를 연산한다.
실험예 1
본 발명의 일 실시예에 따라 멤브레인 시뮬레이터를 랩-스케일(lab-scale)로 구성하였다. 멤브레인 시뮬레이터는 역삼투압 멤브레인(RE 4040-be, 표면적 121.15㎠)를 포함하였다. 유입수는 실험 기간 동안 pH 7.17, 온도 20.36±0.770 ℃, 용존 산소량 5.23±0.032 mg/L 및 혼탁도(turbidity) 0.452±0.006 NTU를 유지하였다. 바이오파울링 검출시 멤브레인 시뮬레이터에 유입수의 공급을 차단하고, 적정 농도의 레사주린 용액을 2mL/min의 유속으로 막 표면을 투과하도록 하였다. 생물막과 반응을 끝낸 레사주린 용액을 Ex.530 nm/ Em.590 nm에서 측정하였다.
본 발명에 따른 감지 방법과 종래 기술간의 상관도를 측정하기 위하여 동일한 조건 하에서 파괴적 생물막 분석 방법인 ATP 및 EPS 측정을 수행하였다. 멤브레인 시뮬레이터는 5시간, 20시간 및 70시간에서 수거되어 측정되었다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 시뮬레이터의 시간에 따른 투수율 및 형광 수치를 도시하는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 멤브레인 시뮬레이터의 투수율은 초기 투수율과 70시간 후의 투수율이 큰 변화가 없이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반면 멤브레인 시뮬레이터를 투과한 측정 시약의 형광 수치(RFU, relative fluorescent unit)는 시간이 증가함에 따라 1200 %까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 멤브레인 시뮬레이터에 형성된 생물막의 시간에 따른 EPS, ATP 측정값을 도시하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 멤브레인 시뮬레이터에 형성된 생물막을 직접 파괴적 분석 방법을 이용하여 측정한 결과, 시간이 경과할수록 바이오파울링이 급격히 진행되는 것을 확인할 수 있다. 즉, ATP와 EPS는 시간이 지남에 따라 유의미하게 증가하였으며 (P<0.0001), 70시간 후 ATP는 35.57±1.86 ng ATP/cm2, EPS는 39.42±4.62 mg/m2으로 생물막이 증식하는 것이 두 지표 모두에서 확인되었다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 멤브레인 시뮬레이터의 시간에 따른 형광 수치와 EPS, ATP 측정값의 상관성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실험예에 따른 바이오파울링 형광 측정은 EPS(R2=0.9476) 및 ATP(R2=0.9923)와 높은 상관관계를 보이는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 바이오파울링 현장 감지 장치 및 감지 방법은 생물막의 정량화를 위한 대표 지표인 ATP와 EPS 측정과 높은 상관 관계를 보이므로, 현장에서 막여과 시스템의 정지나 손상 없이도 효과적으로 바이오파울링을 측정하는 새로운 방법으로 이용될 수 있을 것으로 생각된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 피드탱크 120 : 멤브레인 베셀
130 : 유출수 저장조 141 : 멤브레인 시뮬레이터
143 : 측정 시약 저장조 145 : 바이오파울링 분석모듈
160 : 제1 밸브 모듈 270 : 제2 밸브 모듈
130 : 유출수 저장조 141 : 멤브레인 시뮬레이터
143 : 측정 시약 저장조 145 : 바이오파울링 분석모듈
160 : 제1 밸브 모듈 270 : 제2 밸브 모듈
Claims (13)
- 유출수 저장조;
미생물의 유기 호흡에 의하여 형광 강도가 변화하는 바이오파울링 측정 시약을 공급하는 측정 시약 저장조;
제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하는 멤브레인 베셀;
상기 멤브레인 베셀과 병렬로 연결되어 상기 멤브레인 베셀과 동일한 유입수인 제2 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제2 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 바이오파울링 분석모듈에 제1 측정 시료를 제공하는 멤브레인 시뮬레이터;
제공되는 상기 제1 측정 시료의 형광 강도 측정을 통해 미생물의 유기 호흡량을 분석하여 상기 멤브레인 시뮬레이터에서 진행되는 바이오파울링을 감지하는 바이오파울링 분석모듈; 및
상기 제1 유입수 및 제1 유출수의 유량 및 압력을 제어하는 제1 밸브, 상기 제2 유입수의 공급을 제어하는 제2 밸브, 상기 제2 유출수의 배출을 제어하는 제3 밸브, 상기 측정 시약의 공급을 제어하는 제4 밸브 및 상기 바이오파울링 분석모듈에 제1 측정 시료를 제공하는 제5 밸브를 포함하여 상기 제2 유입수와 상기 측정 시약 간의 공유 유입 경로들 및 상기 제2 유출수와 상기 제1 측정 시료 간의 공유 유출 경로들을 상호 배타적으로 개폐하는 제1 밸브 모듈을 포함하고,
상기 제1 밸브 모듈은
상기 멤브레인 시뮬레이터를 투과하는 상기 제2 유입수 및 제2 유출수의 유속 및 체류시간이 상기 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간과 동일하도록 제어하여 상기 멤브레인 시뮬레이터가 상기 멤브레인 베셀과 동일한 환경 조건 하에서 바이오파울링이 진행되도록 하고,
바이오파울링 검출 시 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브를 닫힘 상태로 하고 상기 제4 밸브 및 상기 제5 밸브를 열림 상태로 하여 상기 측정 시약이 상기 멤브레인 시뮬레이터에 공급되고 상기 제1 측정 시료가 상기 바이오파울링 분석모듈에 제공되도록 제어하고 상기 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간이 유지되도록 상기 제1 밸브를 조절하여 상기 제2 유입수의 흐름 차단에 따른 상기 멤브레인 베셀의 부하가 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 막여과 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 베셀은 직렬로 연결되는 복수의 멤브레인 엘리먼트들을 포함하고,
상기 멤브레인 시뮬레이터는 상기 복수의 멤브레인 엘리먼트들 각각에 병렬로 연결되어 제2 유입수 또는 앞선 멤브레인 엘리먼트의 유출수를 공급받아 다음 멤브레인 엘리먼트 또는 상기 유출수 저장조에 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 공급받아 상기 바이오파울링 분석모듈에 각각 측정 시료를 제공하는 복수의 서브 멤브레인 시뮬레이터를 포함하고,
상기 제1 밸브는 상기 서브 멤브레인 시뮬레이터 각각에 연결되는 상기 공유 유입 경로들과 이에 대응하는 상기 공유 유출 경로들을 상호 배타적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 막여과 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 베셀은 상기 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 제공받아 캐스케이드 연결된 서브 유출 경로들을 통해 각각이 제2 측정 시료의 일부를 유출할 수 있는 복수의 멤브레인 엘리먼트들을 포함하고,
상기 바이오파울링 분석모듈에 의해 연산된 바이오파울링 지수에 따라 상기 제1 유입수와 상기 측정 시약간의 공유 유입 경로 및 상기 서브 유출 경로들을 개폐하는 제2 밸브 모듈을 더 포함하는 막여과 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 측정 시약은 레사주린(resazurin) 용액인 것을 특징으로 하는 막여과 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한항에 따른 막여과 시스템에서의 바이오파울링 현장 감지를 위한 방법에 있어서,
상기 멤브레인 시뮬레이터에 상기 제2 유입수를 공급하고 상기 유출수 저장조에 제2 유출수를 제공하는 제1 단계;
상기 제1 밸브 모듈이 상기 제2 유입수의 공급과 상기 제2 유출수의 제공을 차단하고 상기 측정 시약의 공급과 상기 제1 측정 시료의 제공을 실시하는 제2 단계; 및
상기 분석 모듈이 상기 제1 측정 시료로부터 미생물의 유기 호흡에 의하여 변화하는 형광 강도를 통해 상기 멤브레인 시뮬레이터의 바이오파울링을 측정하여 상기 멤브레인 베셀의 바이오파울링 지수를 연산하는 제3 단계를 포함하고,
상기 제1 단계는
상기 멤브레인 시뮬레이터를 투과하는 제2 유입수 및 제2 유출수의 유속 및 체류시간이 상기 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 제1 유출수의 유속 및 체류시간과 동일하도록 상기 제1 밸브 모듈에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 멤브레인 베셀은 상기 제1 유입수를 공급받아 상기 유출수 저장조에 제1 유출수를 제공하거나 또는 상기 측정 시약을 제공받아 캐스케이드 연결된 서브 유출 경로들을 통해 각각이 제2 측정 시료의 일부를 유출할 수 있는 복수의 멤브레인 엘리먼트들로 구성되고, 상기 막여과 시스템은 상기 제1 유입수와 상기 측정 시약간의 공유 유입 경로 및 상기 서브 유출 경로들을 개폐하는 제2 밸브 모듈을 포함하고,
상기 분석 모듈이 연산한 상기 바이오파울링 지수에 따라 상기 제2 밸브 모듈은 상기 제1 유입수의 공급 및 상기 제1 유출수의 제공을 차단하고 상기 측정 시약을 제공받아 상기 서브 유출 경로들을 통해 상기 제2 측정 시료의 일부를 유출하는 제4 단계; 및
상기 분석 모듈이 각각의 상기 서브 유출 경로들을 통해 유출된 상기 제2 측정 시료를 분석하여 상기 멤브레인 엘리먼트들 각각의 바이오파울링 지수를 연산하는 제5 단계를 더 포함하는 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 멤브레인 베셀을 투과하는 제1 유입수 및 배출되는 제1 유출수의 유속 및 체류시간이 유지되는 것을 특징으로 하는 막여과 시스템의 바이오파울링 현장 감지 방법.
- 삭제
- 삭제
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180023183A KR102029013B1 (ko) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 바이오파울링 현장 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템 및 이의 감지 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020180023183A KR102029013B1 (ko) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 바이오파울링 현장 감지 장치를 포함하는 막여과 시스템 및 이의 감지 방법 |
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2018
- 2018-02-26 KR KR1020180023183A patent/KR102029013B1/ko active IP Right Grant
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