KR102393200B1

KR102393200B1 - 미세조류와 미생물의 공생에 의한 수질정화방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR102393200B1
Application number: KR1020190150199A
Authority: KR
Inventors: 김대근; 홍창희
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2022-04-29
Also published as: KR20210062240A

Abstract

본 발명은 미세조류의 성장을 촉진하는 미생물(Bacillus sp.)을 투입하여 폐수의 중금속(Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, Fe )을 제거하는 수질정화방법과 수질정화장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의해 높은 중금속 오염도를 갖는 미세조류의 성장에 해로운 환경에서도 미세조류의 성장을 촉진시키는 미생물을 활용해 중금속을 지속적으로 제거하는 효과를 얻었다. 이렇게 얻어진 바이오매스는 추가적인 중금속 처리용 바이오매스로 활용할 수 있다.

Description

미세조류와 미생물의 공생에 의한 수질정화방법 및 그 장치{water purification method and system thereof using symbiosis of microalgae and microorganism}

미세조류는 수계에서 광합성을 통해 질소와 인에 의한 부영양화를 제어하고, 중금속을 제거할 수 있다. 한편, 미생물은 미세조류와 연합하여 수계에서 비타민과 유기물질을 주고받는 것과 같은 상호작용을 진행하여 미세조류의 효과적인 성장을 도우며, 오염된 특정한 환경에서 미세조류와 연합해 오염을 제거하는 것으로 알려져 있다. 하지만 높은 농도의 중금속은 미세조류의 성장을 억제하여 미세조류가 효과적으로 수질을 정화할 수 없도록 한다.

종래기술에서 생명체를 이용한 정화는 주로 사멸한 세포의 외부에의 흡착을 이용한 방법을 사용하지만, 이러한 방법은 오염의 정도에 따라서 사용해야 하는 세포의 양이 증가하게 되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 미세조류를 성장시키면서 중금속을 제거하면 추가적인 세포의 투입 없이 연속적인 처리가 가능하지만, 특정한 중금속에 의해 오염된 상황에서 미세조류는 성장이 저해되거나 심하면 사멸하는 등의 어려움이 있다.

높은 농도의 중금속을 포함하는 환경에서 미세조류가 중금속을 제거할 수 있게 하는 동시에 미세조류를 효과적으로 성장시키는 미생물을 선별하고, 이러한 미생물과 미세조류를 동시에 배양하여 미세조류가 사멸하지 않고 특정 중금속에 오염된 환경을 효과적으로 처리할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명의 수질정화방법은, 미세조류의 성장을 촉진하는 미생물(Bacillus sp.)을 투입하여 폐수의 중금속(Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, Fe )을 제거하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류는 녹조류이며, 상기 성장이 촉진된 미세조류의 일부를 수확하며, 나머지 일부를 재사용하는 것을 특징으로 하는 수계 중의 중금속을 연속적으로 제거하는 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발명은, 상기 미생물이 Bacillus sp., Bacillus altitudinis, 또는 Bacillus aryabhattai 중의 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류가 Haematococcus, Scenedesmus, Chlorella, Coelastrum, Gloeocystis, 또는 Micractinium 중의 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 중금속이 Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, 또는 Fe 중의 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류가 Chlorella이며, 상기 중금속이 Cd , Zn, Pb, Cu, Cr, 또는 Fe 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류가 Micractinium이며, 상기 중금속이 As, Zn, Pb, 또는 Cu 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류가 Coelastrum이며, 상기 중금속이 Cd, Zn, Cu, 또는 Fe 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은 상기 미세조류가 Haematococcus인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은 상기 미세조류가 Haematococcus이며, 상기 중금속이 Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, 또는 Fe 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류가 Scenedesmus이며, 상기 중금속이 Cd, Zn, Pb, Cr, 또는 Fe 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 상기 미세조류가 Gloeocystis이며, 상기 중금속이 As, Zn, Pb, 또는 Cu 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 미세조류 1g/L 기준 미생물의 혼합비율이 0.1g/L 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수질정화장치는 중금속을 포함하는 유해물질이 성장을 촉진하는 미세조류가 담긴 수조를 포함한다.

본 발명의 장치는, 상기 수조가 둘 이상이며, 각각의 수조는 높이 차이를 가지며, 상기 수조 사이에 연결부를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치에 있어서, 상기 연결부는 반투과막에 의해 격리된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수질정화장치는, 고농도로 존재하는 중금속을 포함하는 유해물질이 특정 미세조류군의 성장을 억제하지 않도록 상기 중금속을 포함하는 유해물질을 처리하는 하나 이상의 1단계 미세조류수조;와 고농도로 존재하는 중금속을 포함하는 유해물질이 상기 특정 미세조류를 제외한 다른 미세조류의 성장을 억제하지 않도록 상기 중금속을 포함하는 유해물질을 처리하는 하나 이상의 2단계 미세조류수조;를 포함하며 상기 미세조류수조의 사이는 반투과막에 의해 분리된다.

본 발명의 장치는, 고농도시 특정 미세조류의 성장을 억제하지 않는 중금속을 포함하는 유해물질을 처리하는 하나 이상의 3단계 미세조류수조;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치는, 상기 1단계 미세조류수조의 중금속이 Zn, Cu 또는 Cd 중 어느 하나 이상이고, 이때 중금속의 종류에 따라 미세조류가 각각 Micractinum sp., Coelastrum sp. 또는 Haematococcus sp. 중 어느 하나 이상이며, 상기 2단계 미세조류수조의 중금속이 pb 또는 Cr 중 어느 하나 이상이며, 미세조류가 Scenedesmus sp. Micractinum sp. 또는 Haematococcus sp. 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치는, 상기 3단계 미세조류수조의 유해물질이 질소 또는 인(phosphorous)중 어느 하나 이상이며, 미세조류가 Chlorella sp., Scenedesmus sp. 또는 Gloeocystis sp.중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치는, 상기 미세조류들이 Bacillus sp.와 함께 배양되어 중금속 조건에서도 생존율이 높아지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 높은 중금속 오염도를 갖는 해로운 환경에서도 미세조류의 성장을 촉진시키는 미생물을 활용해 중금속을 제거하는 효과를 얻었다. 이렇게 얻어진 바이오매스는 추가적인 중금속 처리용 바이오매스로 활용할 수 있다.

도 1. 세종시 인공 호수에서 자생하는 미세조류 군집에서 미생물 분리 진행
도 2. 미세조류와 공생하는 7종의 미생물을 분리동정
도 3. Chlorella와 혼합한 미생물별 Chlorella의 성장률 차이
도 4. 미세조류를 채집한 폐광산의 유출수
도 5. 미세조류의 선별 및 분리
도 6. Bacillus sp. 와 Chlorella sp. 의 중금속 제거 효율 비교(표준용액은 처음 수치)
도 7. Chlorella 에 Bacillus를 혼합한 경우의 Chlorella의 성장율(미:미생물 추가)
도 8. Micractinium에 Bacillus를 혼합한 경우의 Micractinium의 성장율(미:미생물 추가)
도 9. Coelastrum에 Bacillus를 혼합한 경우의 Coelastrum의 성장율(미:미생물 추가)
도 10. Haematococcus에 Bacillus를 혼합한 경우의 Haematococcus의 성장율(미:미생물 추가)
도 11. Scenedesmus에 Bacillus를 혼합한 경우의 Scenedesmus의 성장율(미:미생물 추가)
도 12. Gloeocystis에 Bacillus를 혼합한 경우의 Gloeocystis의 성장율(미:미생물 추가)
도 13. 미세조류별 중금속 잔류값
도 14. 미세조류별 중금속 감소를 시각화한 이미지
도 15. 미세조류 대비 미생물의 공급농도에 따른 성장율변화
도 16. 중금속 함유 조건에서 미생물혼합 시 성장 촉진 확인
도 17. 경사진 자연적 수로를 모사한 계단식 수조
도 18. 개별 수조 내에서의 처리수 흐름의 예시
도 19. 처리수의 흐름을 따르는 중금속처리 수조의 배치 예시
도 20. 수류 시물레이션
도 21. 빠른 유속에도 반응기 내에 잔류한 미세조류와 미생물 군집

이하에서는 본 발명의 실험과 실시예에 대하여 설명한다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 의하여 정해지며, 아래의 실험과 실시예에 의하여 한정되지 않는다. 따라서, 이러한 실험과 실시예의 변형은 본 발명의 특허청구범위의 해석에 의하여 본 발명의 권리범위에 속한다.

실험1. 미세조류의 성장을 촉진하는 미생물의 선별

적용한 미세조류는 Haematococcus, Scenedesmus, Chlorella, Coelastrum, Gloeocystis, Micractinium의 6종류 이다. 실험을 위해 사용한 미세조류의 초기 접종량은 약 0.02g/L 수준으로 약 7일 배양 하였으며, 배양 후 최종 바이오매스는 약 0.1~0.3g/L 수준으로 5배에서 15배 수준으로 증가하였다.

배지는 일반적으로 하천에서 나타나는 오염 농도인 질소 10ppm 및 인 1ppm 수준의 오염 환경을 재현하기 위해 증류수에 OHM배지 10%와 LB배지 0.5%를 혼합하여 사용하였다. OHM (Optimal Haematococcus Medium) 배지는 1L 당 KNO3 0.41 g, Na2HPO4 0.03 g, MgSO4·7H2O 0.246 g, CaCl2·2H2O 0.11 g 과 Fe(III)citrate·H2O 2.62 mg, CoCl2·6H2O 0.011 mg, CuSO4·5H2O 0.012 mg, Cr2O3 0.075 mg, MnCl2·4H2O 0.98 mg, Na2MoO4·2H2O 0.12 mg, SeO2 0.005 mg 및 biotin 25 ug, thiamine 17.5 ug, B12 15 ug 함유되어 있으며 LB 배지의 경우 1L당 Tryptone 10 g, NaCl 10 g 및 Yeast extract 5.0 g 함유되어 있다. 중금속 처리 효율을 확인하기 위한 실험에서는 상기 배지 조건에 목적하는 중금속인 Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, Fe 를 각 실험을 조건에 맞게 넣었으며, 농도는 모두 5ppm 수준으로 첨가한 중금속 실험 배지를 사용하였다.

미세조류와 공생하는 7종의 미생물(도 1)을 분류하고 동정(도 2)한 뒤 대표적인 미세조류인 Chlorella와 혼합하여 성장률 비교하였다(도 3). Bacillus sp. 가 미세조류의 성장을 촉진하는 효과가 있는 것으로 나타났고, Bacillus sp.가 151%로 가장 높은 성장 효과를 보였다. 성장을 촉진한 3종류 모두 Bacillus 속이었으며, Chromobacterium sp. 및 Chryseobacterium sp.는 미세조류의 성장을 억제하였다.

실험2. 중금속 처리에 효과적인 미세조류 선별

폐광산에서 발생되는 유출수에는 다량의 중금속이 함유되어 있고, 이것이 유출되는 인근 하천을 방문하여 미세조류를 채집(도 4)한 후, 7종의 미세조류 선별 및 분리(도 5) 하였다.

실험3. 미생물의 중금속 제거 효과 비교 Bacillus sp. 와 Chlorella sp 의 중금속 제거 효율을 비교하여 보았다(도6). 우리가 사용한 배지에서는 Bacillus의 성장이 거의 나타나지 않아 중금속을 제거하는 능력이 거의 나타나지 않았다. Chlorella는 효과적으로 성장을 해서 대부분의 중금속이 제거 가능함을 확인하였다. 즉, 수중 중금속 제거를 위해서는 Chlorella(미세조류) 바이오매스의 증가가 중요한 역할을 하는 것으로 판단된다.

실험4. 다양한 중금속 조건에서 선별한 6종의 미세조류의 성장률 비교(Bacillus 미생물 유무)

As, Pb, Fe는 종래기술에서 알려진 바와 같이 미생물이 추가되는지 여부와 관계없이 대조구보다 더 잘 성장한 경우이다. 본 발명에서 주목하는 내용은 특정 중금속이 존재하는 조건에서 잘 못 자라는 미세조류의 성장률이 증가한 실험 결과이다. 도 7의 예를 보면 카드뮴(Cd)이 존재하는 조건에서는 대조구 대비 성장률이 4%로 매우 낮아 성장하지 못하는 상태이지만 미생물과 혼합시 27%로 약 5 내지 6배 증가했고, 아연(Zn)의경우 31%에서 64%로 약 2배 증가, 크롬(cr)의 경우 12%에서 50%으로 약 4배 증가, 카드뮴(Cd)이 4에서 27로 증가했다. 이런 중금속의 경우는 종래기술에서는 미세조류가 죽어서 연속적으로 활용이 안 되지만, 미생물과 함께 배양하면 성장율이 높아지기 때문에 연속으로 배양이 가능해진다.

즉, 중금속과 함께 Bacillus sp. 미생물이 첨가된 경우(예: Cd미, As미) Cd , Zn, Pb, Cu, Cr, Fe 환경에서 미생물이 없는 경우보다 바이오매스 성장율이 높아지는 것을 확인 할 수 있다. 특히 바이오매스의 증가의 비율은 As를 제외한 나머지 조건에서 2~5배 이상 증가된 것을 확인할 수가 있어 Chlorella의 경우 미생물과의 배양이 중금속 조건에서 성장성을 높이는 것을 확인 할 수 있었다.

Micractinium sp.에 중금속과 함께 Bacillus sp. 미생물이 첨가된 경우 As, Zn, Pb, Cu, Fe 환경에서 미생물이 없는 경우보다 바이오매스 성장이 높아지는 것을 확인 할 수 있다. 특히 바이오매스의 증가의 비율은 As, Zn, Pb, Cu 환경에서 가장 높은것으로 나타나 Micractinium sp.의 경우 상기 중금속의 조건에서 미생물과의 배양이 중금속 조건에서 사멸하지 않고 성장성을 높여주는 것을 확인 할 수 있었다(도 8).

Coelastrum sp에 중금속과 함께 Bacillus sp. 미생물이 첨가된 경우 첨가된 경우 Cd, Zn, Cu, Fe 환경에서 미생물이 없는 경우보다 바이오매스 성장이 높아지는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 Coelastrum sp의 경우 상기 중금속이 첨가된 조건에서 미생물과의 배양이 미세조류가 사멸하지 않고 성장성이 향상되는 것을 확인 할 수 있었다(도 9).

도 10은 Haematococcus 에 Bacillus를 혼합한 경우의 Haematococcus 의 성장율(미:미생물 추가)을 나타내었다. Haematococcus 에 중금속과 함께 Bacillus sp. 미생물이 첨가된 경우 첨가된 경우 Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, Fe 환경에서 미생물이 없는 경우보다 바이오매스 성장이 높아지는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 Haematococcus 가 다른 미세조류들 보다 매우 넓은 제거 범위 및 증가효율을 보인 것이다. 특히 As의 조건에서는 590% 및 Zn의 조건에서 130%, Pb의 경우 390% 및 Cr의 조건에서 140%의 성장을 보여준다. Haematococcus sp의 경우 상기 중금속의 조건에서 미생물과의 배양이 미세조류의 사멸을 방지하고 성장성을 높여주는 것을 확인 할 수 있으며, 분리한 종균중 가장 효율이 높은 것으로 나타났다.

도 11은 Scenedesmus 에 Bacillus를 혼합한 경우의 Scenedesmus의 성장율(미:미생물 추가)을 나타내며, 중금속 Cd, Zn, Pb, Cr, Fe와 함께 Bacillus sp. 미생물이 첨가된 경우에서 미생물이 없는 경우보다 바이오매스 성장률이 높아지는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 Scenedesmus sp의 경우 상기 중금속이 첨가된 조건에서 미생물과 함께 배양되는 미세조류가 사멸하지 않고 높은 성장률을 보여주는 것을 확인 할 수 있었다.

도 12는 Gloeocystis 에 Bacillus를 혼합한 경우의 Gloeocystis 의 성장율(미:미생물 추가)을 나타내며, 중금속 As, Zn, Pb, Cu와 함께 Bacillus sp. 미생물이 첨가된 경우에 미생물이 없는 경우보다 바이오매스가 더 많이 성장하는 것을 알 수 있다. 따라서 Gloeocystis sp의 경우 상기 중금속이 추가된 조건에서 미생물과 함께 배양되는 미세조류는 사멸하지 않고 성장율이 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 실험결과로부터 녹조류와 Bacillus와 함께 배양 시 중금속이 함유된 조건에서 녹조류의 성장률이 증가하는 효과가 있을 것으로 기대된다. 이러한 결과는 다른 미세조류인 Coccomyxa sp., Chlorococcum sp., Gloeothece sp.에서도 확인 되었다.

실험5. 중금속의 제거 효율(ICP 분석)

도 13은 미세조류별 중금속 잔류값을 나타내며, 도 14는 미세조류별 중금속 감소를 시각화한 이미지이다. 미세조류는 미생물 사용 유무와 상관없이 비소를 제외한 모든 중금속을 효과적으로 제거하는 것을 확인하였다. 다만 미세조류를 이용해서 폐수를 일주일간 처리시 중금속이 없는 조건에서는 초기 바이오매스 보다 약 5배정도 성장하게 되는데, 이때 중금속을 처리한 실험구의 경우 성장률이 떨어지게 된다(도7~12). 이때 성장률이 대조구 대비 20%가 안되는 경우 세포의 성장이 전혀 이루어졌다고 볼 수 없다(중금속이 없는 조건이 동기간 5배 성장 한 것에 대비해서 20% 수준으로 계산하면 거의 초기 접종량 그대로인 상태가 됨). 이런 경우 세포가 성장하지 않고 사멸한 것으로 세포가 사멸한 경우에도 사멸한 세포에 중금속이 흡착되어 처음의 1회의 제거는 가능하지만 이렇게 중금속을 처리한 동일 세포를 재활용해서 연속적으로 처리하는 것은 중금속이 더 이상 부착하지 못하므로 어렵다. 따라서 중금속 조건에서 성장률을 적어도 40% 이상 수준으로 높이는 것은 연속적인 처리를 위해서 꼭 필요한 과정이며(50% 회수 및 50% 재사용 가능), Bacillus sp. 종균을 활용하여 이러한 결과를 얻을 수 있다. 따라서 성장한 바이오매스를 회수해서 다시 중금속을 처리하는 것이 가능하다.

실험6. 미세조류의 성장에 효과를 주는 미생물의 공급 농도

미세조류 대비 미생물의 최적 공급 비율을 확인하기 위해 Chlorella 미세조류 농도 0.02g/L 접종량 대비 미생물을 각기 0, 5, 40, 200ul를 공급해 주었다(각각 미세조류 접종 중량 대비 0, 0.0125, 0.1, 0.5배 미생물 접종량 수준 40ul 공급시 미세조류 1g/L 기준 미생물 0.1g/L 기준). 실험결과 As는 5ul 공급 실험구가, Fe는 200ul 공급 실험구가 가장 높게 나타났으나 이를 제외한 나머지 중금속은 모두 40ul에서 가장 높은 성장율을 보였다(도 15).

실험7. 생산한 미세조류 바이오매스의 재접종

미세조류를 활용해 중금속을 제거하면 대부분의 미세조류는 중금속 조건에서 세포가 사멸하게 되어, 단순 흡착에 의한 제거로 재사용하기 어렵다. 미생물과 함께 배양한 미세조류는 이러한 악 조건에서도 완만한 성장이 진행되는 것으로 확인 되었다.

도 16은 중금속 함유 조건에서 미생물을 혼합하여 사용 시 성장이 촉진되는 것을 보여준다. 오른쪽 아래 붉은 네모칸 안 조건이 미생물이 함유된 조건이며, 왼쪽 아래는 미생물 없는 조건으로 성장을 거의 하지 못해 색이 없다. 위에 보여지는 상태가 중금속이 없는 대조구이며, 미생물 함유시 대조구 만큼 잘 자라는 것을 알 수 있다.

이러한 수질정화방법을 수질정화장치에 구현하였다. 본 발명의 수질정화장치는 중금속을 포함하는 유해물질이 성장을 촉진하는 미세조류가 담긴 수조를 포함한다. 이러한 수질정화장치는 상기 수조가 둘 이상이며, 각각의 수조는 높이차이를 가지며, 상기 수조 사이에 연결부를 가질 수 있다. 또한, 상기 연결부는 반투과막에 의해 격리될 수 있다.

본 발명의 수질정화장치의 실시예는 중금속을 포함하는 유해물질이 성장을 촉진하는 미세조류가 담긴 수조를 포함하는 셋 이상의 수조; 각각의 상기 수조 사이에 형성된 높이차;와 인접하는 상기 수조사이에 형성된 연결부;를 포함하며, 각각의 연결부는 다른 연결부와 마주보지 않는 형태로 설치되어 상기 각각의 수조 내에서 수류가 정체하는 시간을 연장시키며, 미세조류가 부유하지 않고 가라앉아 체류되는 지점을 유도하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 수질정화장치에 있어서, 수류가 정체하는 지점에 미세조류의 부착을 돕는 표면이 거친 매질(예시: 펄프 또는 부직포)을 설치해 미세조류가 부유하지 않고 모이도록 유도할 수 있다. 도 17은 경사가 있는 자연적인 형태의 수로를 모사 하여 만든 계단 형태의 수로를 보여준다. 도 17에 표시된 반투과막은 각 수조에서의 처리수의 최소한의 체류 시간을 보장하기 위해서 처리수가 흘러가는 출구를 수조연결부마다 서로 먼 거리에 대각선으로 설치(지그재그) 하여 와류를 유도하였으며 각 연결부마다 반투과막(170)을 배치해 미세조류 세포가 하류쪽의 수조와 섞이지 않도록 하였다. 이러한 반투과막은 설치면적과 설치위치에 다양한 변화를 줄 수 있다(174, 175).

도 18에 나타낸 유체흐름을 처리수가 따라 흘러내려가다 이 흐름에서 벗어나 정체하게 되는 장소(수조내의 171, 172, 173)에서는 각 장소별로 각기 다른 중금속 처리에 효과가 있는 미세조류를 배치할 수 있다. 또는 도 19에서 보여지는 바와 같이 처리수에 함유된 중금속의 종류에 따라 통과할 미세조류 처리 지역(zone)을 설정하는 형태의 처리 시스템이 만들어 질 수 있다. 다만 미세조류에 따라 대부분의 종류에서 성장이 억제되는 중금속을 우선적 처리 존으로 배치 할 수 있다. 예를 들어 Fe, Pb, Zn이 존재하는 처리수라면 첫 단계에서 Zn에서 생존율이 높은 Micractinium 존을 먼저 통과시킨 뒤 이어서 Cr, Pb 처리 효율 및 생존율이 높은 Haematococcus 종균 존을 통과시킨다. 그리고 마지막으로 위험도가 낮은 Fe를 처리하는 Scenedesmus 종균 존 또는 잔존 질소와 인 제거를 위해 Chlorella 존을 통화시키다. 이때 체류 시간은 짧게는 수분에서 길게는 10일 이상도 처리수의 상태 및 처리 지역에 따라 달라질 수 있다.

도 19의 장치에 의한 수질정화방법의 실험결과를 실시예로 표현하면 다음과 같다. 본 발명의 수질정화장치의 실시예는 고농도로 존재하는 Cd, Zn, 또는 Cu 중 하나 이상의 중금속을 포함하는 유해물질이 하나 이상의 미세조류의 성장을 억제하지 않도록 상기 중금속을 포함하는 유해물질을 처리하는 하나 이상의 1단계 미세조류수조;와 고농도로 존재하는 Cr 또는 Pb 중 하나 이상의 중금속을 포함하는 유해물질이 하나 이상의 미세조류의 성장을 억제하지 않도록 상기 중금속을 포함하는 유해물질을 처리하는 하나 이상의 2단계 미세조류수조;를 포함하며 상기 미세조류수조의 사이는 반투과막에 의해 분리된다.

상기 미세조류는 Haematococcus, Scenedesmus, Chlorella, Coelastrum, Gloeocystis, 또는 Micractinium 중 어느 하나 이상이며, 이러한 6종의 미세조류 모두가 Cd 조건에서는 생존율 40% 이하, Zn 조건에서 생존율 42% 이하, Cu 조건에서는 25% 이하로 실험에 사용한 미세조류 6종 전부의 성장을 저해하는 조건의 중금속은 Cd, Zn, 또는 Cu 이다. 실험에 사용한 6종의 미세조류 중 Cr 조건에서는 Haematococcus(80%), Scenedesmus(71%), Chlorella(12%), Gloeocystis(79%),의 생존율이 저해되고, Pb 조건에서는 Coelastrum(70%), Gloeocystis(11%) 의 생존율이 저해되어, 미세조류 4종의 성장을 저해하는 조건의 중금속은 Cr 또는 Pb 이다.

본 발명의 수질정화장치는 고농도시 특정 미세조류의 성장을 억제하지 않는 중금속을 포함하는 유해물질을 처리하는 하나 이상의 3단계 미세조류수조;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 수질정화장치의 실시예는, 상기 1단계 미세조류수조 의 중금속은 Zn, Cu 또는 Cd 중 어느 하나 이상이며, 이때 중금속의 종류에 따라 미세조류가 각각 Micractinum sp., Coelastrum sp. 또는 Haematococcus sp. 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수질정화장치의 실시예는, 상기 2단계 미세조류수조의 중금속이 pb 또는 Cr 중 어느 하나 이상이며, 미세조류가 Scenedesmus sp., Micractinum sp. 또는 Haematococcus sp. 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수질정화장치의 실시예는, 상기 3단계 미세조류수조의 유해물질이 질소 또는 인(phosphorous) 중 어느 하나 이상이며, 미세조류가 Chlorella sp., Scenedesmus sp. 또는 Gloeothece sp. 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수질정화장치의 실시예에서, 상기 미세조류들은 Bacillus sp.와 함께 배양되어 중금속 조건에서도 생존율이 높아지는 것을 특징으로 한다.

도 20은 처리수가 계단식 수조를 따라 흘러내리는 과정을 시뮬레이션한 이미지로서, 수류의 흐름(녹색)과 수류의 흐름에서 벗어 낫지만 유량이 상대적으로 많은 와류형성지점과 정체지점(짙은 푸른색)을 보여준다.

도 21은 본 발명이 수질정화장치가 작동되어 수조 내에 물이 흐를 때 형성되었던 와류 지점에 부유하여 수류를 따라 흐르지 않고 바닥에 모여 있던 미세조류 및 미생물 군집이 물이 흐르는 과정 중에 나타난 모습을 보여준다. 이는 도 20의 시뮬레이션에서 와류의 형성에 따라 정체되는 물의 흐름이 보여지는 결과와 일치한다. 이렇게 와류를 형성함을 통해 미세조류와 미생물의 군집이 수질정화장치의 수조 외부로 쓸려 내려가는 것을 막아주며, 동시에 의도한 목적 지점에 고정 되도록 도와 수질정화처리의 효율이 높아진다.

이상에서 실험과 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실험과 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 위에서 실험되거나 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실험과 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이므로 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

170 지그재그로 설치된 반투과막
171 수조1
172 수조2
173 수조3
174 반투과막이 형성될 수 있는 위치1
175 반투과막이 형성될 수 있는 위치2
176 유체흐름
177 정체구역
190 중금속 처리수조의 배치기준 예시
191 고농도시 많은 미세조류 성장 억제 중금속 처리존
192 고농도시 특정 미세조류 성장 억제 중금속
193 고농도에도 대부분의 미세조류 성장 억제 안하는 중금속
194 처리순서
195 중금속별 처리수조의 배치와 흐름방향 예시
200 계단식 수조를 옆에서 본 시뮬레이션 이미지
201 와류 또는 정체 지점 1
202 와류 또는 정체 지점 2
203 반투과막 설치위치
204 계단식 수조를 위에서 본 시뮬레이션 이미지

Claims

미세조류 Haematococcus sp., 또는 Micractinium sp., 중 어느 하나 이상의 미세조류의 생존율이 높아지도록 상기 미세조류의 성장을 촉진하는 미생물 Bacillus sp., Bacillus altitudinis, 또는 Bacillus aryabhattai 중의 어느 하나 이상의 미생물과 함께 배양하여, Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, 또는 Fe 중금속 중 하나 이상이 함유된 폐수가 연속으로 공급되며, 상기 연속으로 공급되는 수류가 정체하는 영역에 설치된 거친 매질을 통과하는 하나 이상의 수질정화단계를 포함하며,
상기 미세조류와 상기 미생물이 부유하지 않고 상기 거친 매질에서 함께 군집을 이루며 질소와 인을 흡수함으로써 상기 미세조류가 계속 성장하도록 유도하여 수질정화효율을 유지하는 수질정화방법.
제1항에 있어서,
상기 미생물은 중금속을 포함하는 유해물질이 함유된 조건에서 미세조류의 성장을 촉진하며, 상기 중금속이 흡착되지 않은 새로운 세포의 미세조류가 발생되어 수중의 오염물질을 연속으로 처리하는 수질정화방법.
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제1항에 있어서,
상기 미세조류가 Micractinium 이며,
상기 미세조류가 처리하는 중금속이 Zn, 또는 Cu 중 어느 하나 이상인 수질정화1단계;와,
상기 미세조류가 처리하는 중금속이 Pb인 수질정화2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질정화방법.
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제1항에 있어서,
상기 미세조류가 Haematococcus 이며,
상기 미세조류가 처리하는 중금속이 Cd, Zn, 또는 Cu 중 어느 하나 이상인 수질정화1단계;
상기 미세조류가 처리하는 중금속이 Pb인 수질정화2단계; 와
상기 미세조류가 군집을 이루어 질소와 인을 흡수하는 동시에 처리하는 중금속이 Fe인 수질정화3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질정화방법.
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중금속을 흡착하는 미세조류 Haematococcus sp., Micractinium sp., Coelastrum sp., 또는 Gloeocystis sp.중 어느 하나 이상의 미세조류의 생존율이 높아지도록 성장을 촉진하는 미생물 Bacillus sp., Bacillus altitudinis, 또는 Bacillus aryabhattai 중의 어느 하나 이상의 미생물이 투입된 폐수가 순차로 통과하는 둘 이상의 수조를 포함하며,
상기 미세조류는 상기 미생물과 함께 각각의 수조에서 배양되어, Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, 또는 Fe 중 어느 하나 이상의 중금속이 존재하는 조건에서 생존율이 향상되고, 이에 따라 새로운 미세조류 세포가 상기 미세조류의 양을 증가시켜 상기 중금속을 흡착하는 기능을 유지하며,
각각의 수조는 상기 중금속을 포함하는 유해물질을 흡수하여 성장하는 다른 종류의 미세조류를 포함하며, 각각의 수조에서 폐수 중의 상기 중금속을 순차적으로 연속하여 제거하는 수질정화장치.
제14항에 있어서,
상기 각각의 수조는 높이 차이를 가지며,
상기 수조 사이에 연결부를 가지며, 상기 연결부가 반투과막에 의해 격리된 것을 특징으로 하는 수질정화장치.
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Haematococcus sp., 또는 Micractinium sp., 중 어느 하나 이상의 미세조류와 Bacillus sp., Bacillus altitudinis, 또는 Bacillus aryabhattai 중의 어느 하나 이상의 미생물을 함께 배양하여, Cd, As, Zn, Pb, Cu, Cr, 또는 Fe 중금속 중 하나 이상이 함유된 중금속이 존재하는 폐수에 투입하여 상기 미세조류의 생존율을 높여 수질정화효율을 향상시키는 둘 이상의 수질정화수조;
상기 수질정화수조의 각각의 수류가 정체하는 영역에 설치된 거친 매질;
상기 폐수 중 고농도로 존재하는 상기 중금속이 특정 미세조류의 성장을 억제하지 않도록 상기 중금속을 흡착하여 처리하는 하나 이상의 수질정화1단계수조;와
상기 수질정화1단계수조를 통과한 후에도 고농도로 존재하는 다른 중금속이 상기 특정한 미세조류를 제외한 다른 미세조류의 성장을 억제하지 않도록 상기 다른 중금속을 흡착하여 처리하는 하나 이상의 수질정화2단계수조; 와
상기 수질정화1단계수조와 상기 수질정화2단계수조의 사이를 분리하는 반투과막;을 포함하며,
상기 영역에 설치된 상기 거친 매질에 상기 미세조류와 상기 미생물이 부유하지 않고 함께 고정되어 군집을 형성하며 상기 폐수 중의 중금속을 순차적으로 연속하여 제거하는 수질정화장치.
제17항에 있어서,
상기 수질정화2단계수조를 통과한 또 다른 고농도의 중금속에 의해 성장이 억제되지 않는 미세조류가 상기 또 다른 고농도의 중금속을 흡착하여 처리하는 하나 이상의 수질정화3단계수조를 더 포함하며, 상기 또 다른 고농도의 중금속이 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질정화장치.
제17항에 있어서,
상기 수질정화1단계수조에서 흡수되는 중금속은 Zn, Cu, 또는 Cd 중 어느 하나 이상이며,
상기 수질정화2단계수조에서 흡수되는 중금속이 pb 또는 Cr 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수질정화장치.
제18항에 있어서,
상기 수질정화3단계수조에서 흡수되는 유해물질이 질소 또는 인(phosphorous) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수질정화장치.
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제17항에 있어서,
상기 미세조류와 미생물이 고정되어 바이오매스가 생산되는 상기 거친 매질에서 생산된 바이오매스를 회수하는 것을 특징으로 하는 수질정화장치.