KR20030097042A - 초음파를 이용한 조류의 생장 억제방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 조류의 생장 억제방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수심 1 내지 2 미터 사이에 부력장치를 이용하여 초음파 진동자를 띄우고, 상향으로 초음파를 조사하는데, 태양에너지를 이용하여 자체적으로 초음파 발생기에 동력을 제공함으로써 경제적인 운용을 가능하며, 활성산소 발생물질을 추가 주입함으로써 더욱 효율적인 제어가 가능한 조류 생장을 억제하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

초음파를 이용한 조류의 생장 억제방법 및 그 장치{Ultrasonic method and apparatus suppressing algal growth}

본 발명은 초음파를 이용한 조류의 생장 억제방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수심 1 내지 2 미터 사이에 부력장치를 이용하여 초음파 진동자를 띄우고, 상향으로 초음파를 조사하는데, 태양에너지를 이용하여 자체적으로 초음파 발생기에 동력을 제공함으로써 경제적인 운용을 가능하며, 활성산소 발생물질을 추가 주입함으로써 더욱 효율적인 제어가 가능한 조류 생장을 억제하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

부영양화(富營養化, eutrophication)란 수중의 영양염류 농도가 높아지는 현상을 나타낸다. 산업의 발달에 따라 발생하는 오폐수의 양이 증가하면서 호소의 부영양화는 급속히 진행되었으며 많은 문제를 일으키게 되었다. 우선 영양염류의 증가로 인해 조류의 생장이 촉진되어 여름철 녹조(綠潮, green tide) 또는 수화(水華, algal bloom)라고 불리는 현상이 발생하였다. 이런 현상이 문제가 되는 이유는, 주로 남조류(藍藻類, cyanobacteria) 종이 우점하면서 생태계가 단순해지고, 이들에 의해 독소(microcystin, anatoxin, nodularin 등)와 이취미를 나타내는 물질(geosmin, 2-methylisoborneol 등)이 생산되기 때문이다. 이에 따라 호수에서 취수한 물을 상수처리 하기가 어려워지며, 정수처리 비용이 증가하게 된다.

이러한 부영양화와 수화 문제를 해결하기 위하여 많은 기술이 개발되었고, 대표적인 것들에는 심층폭기, 인위적 순환, 저니 준설, 살조제 투여, 인의 불활성화 등이 있다. 심층폭기는 가장 널리 쓰이는 방법으로 심층수의 혐기성화를 막아 저니로부터 인의 용출을 억제한다. 인위적 순환은 성층을 파괴하는 방법으로 심층폭기와 함께 동력비가 많이 든다는 단점이 있다. 저니 준설은 인의 함량이 높은 저니를 제거함으로써 장기간 영양염류의 농도를 낮게 유지시킬 수 있으나, 단시간 내에 효과를 보기가 힘들고 비용이 높다. 살조제나 인의 불활성화는 철, 알루미늄 또는 구리염 등을 이용하여 조류와 인을 침전시키는 방법으로 단기적 효과는 우수하나 2차 오염의 문제가 있다.

국내에서 많이 쓰이는 기술에는 수중 폭기, 차광막 설치, 황토살포 등이 있다. 그러나, 수중 폭기는 운용 비용이 높고, 저니로부터 영양염류가 용출되는 단점이 있으며, 차광막은 적용 범위가 극히 제한적이고 설치비용이 많이 든다. 황토살포는 부유성이 있는 녹조에는 효과가 적으며, 조류 제거선도 사용되기는 하나 적용 범위가 협소하고 운용 비용이 과다하다는 단점이 있다. 이외에도 전기분해에 의한 조류 제거방법(국내 출원번호 제 1998-35437호), 다공성 세라믹 분체를 이용한 제거방법(국내 출원번호 제 1998-27993호), 전기부상을 이용한 방법(국내 출원번호 제 1999-52523호) 등이 출원되어 있는 상태이나, 아직 실효성이 검증되지는 않았다.

이에, 본 발명자들은 기존 기술이 가지고 있던 주요 문제점인 2차 오염의 우려와 경제성의 문제를 동시에 해결하기 위하여 연구한 결과, 대부분의 조류가 서식하는 표층수(수심 1 내지 2 m 사이)에 초음파를 발생시켜 조류의 생장을 효율적으로 억제시키고, 태양에너지를 이용하여 동력비를 줄임으로써 경제적으로 조류를 제어함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 초음파를 이용하여 조류의 생장을 억제하는 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 초음파 조사 직전에 활성산소를 주입함으로써 초음파의 효과를 배가시키고자 한다.

도 1은 초음파 처리에 따른 마이크로시스티스 애루기노사(Microcystis aeruginosa)의 생장 저해를 나타낸 그래프이다.

도 2는 초음파 처리시간에 따른 자유 라디칼의 생성도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 과산화수소 주입 농도별 자유 라디칼의 생성도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 초음파 처리 장치의 단면도를 나타낸 것이다.

도 5는 초음파 처리 장치의 현장적용 개념도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 집광판2: 축전지3: 제어기(controller)

4: 활성산소 저장기5: 초음파 발생기6: 펌프

7: 초음파 진동자 전력공급 전선 8: 초음파 진동자

본 발명은 태양에너지를 이용하여 초음파를 발생시키기 위한 전력을 공급하고, 초음파 진동자를 수심 1 내지 2 m 사이에 부력을 이용하여 띄워 상향으로 초음파를 조사하여 조류의 생장을 억제하는 방법 및 장치를 그 특징으로 한다.

또한, 초음파 조사 직전에 활성산소를 추가 주입하는 방법 및 장치를 포함한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 수심 1 내지 2 미터 사이에 부력장치를 이용하여 초음파 진동자를 띄우고, 상향으로 초음파를 조사하는데, 태양에너지를 이용하여 자체적으로 초음파 발생기에 동력을 제공함으로써 경제적인 운용이 가능하며, 활성산소 발생물질을 첨가함으로써 더욱 효율적인 제어가 가능한 조류의 생장을 억제하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

하루 1시간 내지 2시간 정도를 초음파 처리하며 초음파 처리시에는 활성산소를 동시에 공급한다. 초음파 처리시간 및 처리시기는 생장을 억제하고자 하는미세조류의 종류에 따라 바뀔 수 있다. 활성산소로 과산화수소를 처리할 때에는 초음파 처리장치 주변 약 10 m³의 부피에 최종농도가 최소 1 μM 이상이 되도록 주입하며, 초음파 처리시간 동안 계속해서 나올 정도의 속도로 공급하여 위의 농도가 되도록 조절한다.

도면에 나타낸 바와 같이, 집광판(1), 축전지(2), 제어기(3), 활성산소 저장기(4), 초음파 발생기(5), 펌프(6), 초음파 진동자(8) 등으로 구성된 조류 억제 장치로서, 낮 동안 태양에너지를 전기에너지로 변환하여 축전지에 저장한다. 저장된 전기에너지를 이용하여 제어기를 통해 가장 효과적인 시간대에 초음파를 발생시키고, 제어기는 또한 펌프를 조절하여 활성산소를 원하는 속도로 공급해 준다. 초음파는 수심 1 내지 2 m 사이에 위치한 초음파 진동자(8)를 통하여 상향으로 조사되며, 활성산소는 펌프를 통해 하향으로 주입된다. 이 초음파 장치 주위에는 부력을 주기 위하여 속이 빈 원통의 플라스틱 용기를 부착한다.

이때, 초음파 조사 조건은 15 내지 100 kHz의 주파수, 0.1 내지 2 kW의 출력, 1 내지 2 시간에 걸쳐 하루에 1 내지 3회 처리를 하는 것이 바람직하다. 상기의 조사조건보다 약하거나 시간이 적을 경우에는 생장억제 효과가 감소하며, 상기 조건보다 강하거나 시간이 길어지면, 동력비의 증가, 다른 생물체의 손상 등 문제점들이 있을 수 있다. 또한, 물로부터 공기 중으로 방출되는 초음파의 양은 극히 미량으로 무시할 만하므로, 상부로의 초음파 조사를 통해 심층 방향으로의 낭비를 줄이고, 효과적인 처리가 가능하다.

초음파 발생시에는 자유 라디칼(free radical)이 생성되는데, 초음파 처리시간을 길게 할수록 자유 라디칼의 생성이 증가됨을 확인하였고, 생체 내에서 자유 라디칼은 활성산소 형태로 세포에 손상을 입히는 것으로 알려져 있다. 이에, 초음파 발생기(5)와 함께 장착된 활성산소 저장기(4)를 통해 활성산소 발생물질을 초음파 조사와 동시에 주입함으로써 초음파에 의한 조류의 생장 억제 효과가 배가되는 것을 알 수 있었다. 이때 활성산소 발생물질로는 과산화수소가 바람직하며, 상기 활성산소 발생물질은 최종농도 최소 1 μM 이상 100 μM 이하로 하는 것이 좋다. 이때, 상기 범위를 벗어나면 효과가 너무 적거나, 다른 생물체에 악영향을 줄 수 있으며, 재료비의 증가 등 문제점이 있다.

이와 같이 초음파를 이용한 조류의 생장 억제방법 및 장치는 태양에너지를 이용하여 외부로부터의 전기 공급 없이 자체적으로 초음파 발생기에 동력을 제공함으로써 경제적인 운용을 가능하고, 2차 오염의 우려가 없을 뿐만 아니라 대량으로 발생하는 조류의 수화(algal bloom)를 사전에 미리 제어할 수 있다. 특히, 활성산소 발생물질을 추가 주입함으로써 더욱 효율적으로 제어할 수 있다. 또한, 적당한 초음파의 처리는 조류의 사멸에까지 이르게 하지는 않으므로 독소나 이취미 물질의 방출을 일으키지 않는다.

이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 조류 생장 억제 관찰

태양에너지를 집광판(1)에 의해 저장하여 초음파 발생장치의 전력으로 이용하면서 초음파 진동자(8)를 수심 2 미터에 부력장치를 이용하여 초음파 진동자를 띄워 초음파 20 kHz, 600 W의 조건으로 펄스 형태로 하루에 2 번씩 2분간 조사하였다. 그 결과, 도 1과 같이 국내 호소에서 가장 빈번하게 우점하는 남조류 마이크로시스티스 애루기노사(Microcystis aeruginosa)의 생장이 억제되는 것을 관찰하였다. 이것은 매우 적은 시간의 처리로도 남조류의 생장을 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 보여주고 있으며, 경제성이 높은 방법임을 시사하고 있다. 또한, 초음파 처리한 남조류의 세포 농도가 감소하지 않고 일정하게 유지되는 것으로 보아 남조류의 세포 파괴는 거의 일어나지 않았으며, 실제로 초음파 전후의 세포 농도를 측정한 결과에서도 뚜렷한 차이는 나타나지 않았다. 남조류의 세포가 파괴되었을 때에는 남조류 독소나 이취미 물질의 방출이 문제가 될 수 있는데, 위의 조건으로 초음파를 처리할 경우에는 이러한 문제가 발생하지 않았다.

실시예 2: 자유 라디칼 생성 확인

초음파 발생시에는 자유 라디칼(free radical)이 생성되는데, 상기 초음파 처리 조건에서도 자유 라디칼이 생성되는 것을 0.2 M KI(potassium iodide) 용액을 이용하여 알 수 있는데, 요오드 이온(I^-)은 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical, ·OH)과 반응하여 요오드 분자(I₂)가 생성되면서 350 nm의 파장에서 흡광도를 나타내었다. 실시예 1과 동일한 조건(20 kHz, 600 W)에서 0.2 M KI 용액에 0, 1, 2, 5 분간 초음파 처리를 하였으며, 초음파 처리 후 흡광도의 증가를 스펙트로포토미터(spectrophotometer)[Shimadzu UV-160A]로 측정하였다. 초음파의 처리시간을 길게 할수록 자유 라디칼의 생성이 증가하였다[도 2]. 자유 라디칼의 생성은 활성산소 형태로 세포에 손상을 입혀 조류의 생장을 억제시킨다.

실시예 3: 활성산소 발생물질 첨가시 조류 생장 억제 관찰

초음파 처리조건은 위의 실시예와 동일하게 하고, 과산화수소의 최종 농도를 1, 10, 100 및 1000 μM로 변화시키면서 자유 라디칼 생성을 측정하였다. 도 3에서 빗금친 부분은 초음파 처리한 구간을 의미하며, 초음파 처리 직전에 활성산소 저장기(4)를 통해 과산화수소를 각 농도만큼 주입하였다. 과산화수소의 농도가 증가할수록 자유 라디칼의 양도 증가하였으나, 100 μM 이상에서는 더 이상의 뚜렷한 증가를 관찰할 수 없었다. 초음파 처리 없이 과산화수소만을 1 μM 첨가했을 때는 생성되는 자유 라디칼이 거의 없었으나, 10 μM 이상의 과산화수소 농도에서는 첨가만으로도 자유 라디칼이 생성되는 것을 관찰하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 조류 억제방법 및 장치는 2차 오염의 우려가 없고 경제적으로 저렴하며, 활성산소 발생물질을 동시에 처리함으로써 초음파의 효과를 극대화시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 태양에너지를 이용하여 초음파를 발생시키기 위한 전력을 공급하고, 초음파 진동자를 수심 1 내지 2 m 사이에 부력을 이용하여 띄우고 상향으로 초음파를 조사하여 조류 생장을 억제하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 조사 직전에 활성산소 발생물질이 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파는 15 내지 100 kHz의 주파수, 0.1 내지 2 kW의 출력, 하루에 1 내지 3회에 걸쳐 1 내지 2 시간씩 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 집광판(1)으로 태양에너지를 모아 축전기(2)에서 전기에너지로 변환하여 저장하고 이 전기에너지를 이용하여 초음파 발생기(5)에서 초음파를 발생시키며, 초음파 진동자(8)를 수심 1 내지 2 m 사이에 부력을 이용하여 띄워 상향으로 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 조류 생장을 억제하는 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 초음파 발생기(5)에 추가적으로 활성산소 저장기(4)를 설치하여 펌프(6)를 이용해 활성산소를 하향으로 주입하는 것을 특징으로 하는 장치.