KR20110119717A - 생물반응기 및 그것의 용도 - Google Patents

Abstract

닫힌 환경에서 기체 조성물을 액체 조성물로 수송하는 생물반응기 시스템 및 방법이 공개된다. 미생물의 고밀도 배양 및 활성화된 슬러지의 안정한 배양을 위한 생물반응기 시스템 및 방법이 또한 공개된다.

Description

생물반응기 및 그것의 용도{BIOREACTOR AND USES THEREOF}

관련 출원

본 출원은 2009년 1월 20일 출원된 미국 가 출원 제 61/145,893호; 2009년 4월 13일 출원된 미국 가 출원 제 61/168,740호; 2009년 1월 21일 출원된 미국 가 출원 제 61/205,590호; 2009년 4월 11일 출원된 미국 가 출원 제 61/212,387호; 및 2009년 11월 5일 출원된 미국 가 출원 제 61/258,322호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 선출원들의 내용은 본원에 참고 문헌으로 인용되어 있다.

공개 분야

이 공개는 주변 기체를 액체로 도입시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

다양한 기체를 액체에 용해시킬 필요가 있다. 예를 들어, 폐수 처리에서, 산소 또는 오존을 물에 용해시키는 것이 유용하다. 하나의 알려진 폐수 처리 방법은 산소를 물에 도입시켜서 호기성 박테리아의 성장을 보조하는 것을 포함한다. 이는 전형적으로 물 속에 산소를 발포함으로써 달성된다. 박테리아 및 바이러스를 죽이기 위하여, 및 냄새와 색을 제거하기 위하여 오존을 물에 첨가하는 것도 또한 유용하다. 예를 들어, 이러한 처리는 과일 및 야채 가공에 사용된다. 오존의 도입은 전형적으로 물 속에 오존을 발포함으로써 다시 달성된다. 종래의 공기 발포 방법에 연관된 어려움은 전기에 대한 그들의 욕구(appetite)이다. 게다가, 이러한 방법은 비효율적이다. 공기 발포를 사용할 때, 용해된 기체의 수준이 유용한 수준에 도달하기 전에 상당한 시간이 흐른다. 결과적으로 많은 양의 기체가 용해되지 않고 궁극적으로 낭비된다.

본 발명은 기체를 액체 배지에 도입시키는 회전 휠(wheel)의 용도에 관한 것이다. 휠은 하나 이상의 그물 구조로 덮혀 있다. 상기 구조는 공극을 형성하기 위해 서로 연결된 뼈대를 가짐으로써 형성된다. 공극이 규칙적으로 만들어질 때, 상기 구조의 각 층은 망(mesh) 층, 즉 그물 층처럼 보일 수 있다.

상기 휠은 탑재되어 액체의 표면 상에 돌출될 수 있다. 휠이 회전할 때, 그물 구조의 공극은 공기 기포를 가둔다. 이 기포가 공극 사이의 경계(예, 인접한 그물 층의 뼈대)와 상호작용할 때, 그들은 점차적으로 더 작아지고, 그래서 액체에 더 잘 용해된다.

일 실시태양에서, 본 발명은 주변 기체를 액체에 도입시키는 회전 휠 조립체를 특징으로 한다. 상기 조립체는 표면을 갖는 휠 플레이트; 및 표면 상의 그물 구조를 포함한다. 휠 플레이트는 고체일 수 있거나 물과 같은 액체에 침투성이 아닐 수 있다. 회전 휠 조립체는, 휠 플레이트의 일부분이 액체의 수면 위에 돌출되도록 위치하는, 휠 플레이트를 관통하는 축을 추가로 포함한다. 그물 구조는 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 또는 내오존성 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 그것은 표면 상에 플라스틱 또는 금속 그물의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 그물은 다이아몬드, 정사각형, 또는 육각형 모양을 가지는 망을 가질 수 있다. 망은 지름이 0.5 - 2.0 cm일 수 있다.

일 실시태양에서, 상기 조립체는 제1 크기를 가진 복수개의 망을 포함하는 그물의 층으로부터 가장 가까운 휠쪽(wheelward-most) 층, 및 제2 크기를 가진 복수개의 그물 망을 포함하는 복수개의 그물 층으로부터 가장 먼 휠쪽(wheelward-least) 층을 가지며, 상기 제2 크기는 제1 크기보다 더 크다.

다른 실시태양에서, 상술한 표면은 휠 플레이트의 측면 또는 주위 면이다. 예를 들어, 휠은 그물 구조의 하나 이상의 층으로 덮힌 회전 관(rolling tube)이다. 도 2를 참고한다.

회전 휠 조립체는 각각 그물 구조의 배치를 위한 표면을 가진, 복수개의 휠 플레이트를 포함할 수 있다. 그것은 제1 휠 플레이트; 제1 휠 플레이트와 공통 축을 가지고 탑재되고 축 방향을 따라서 제1 휠 플레이트로부터 분리된 제2 휠 플레이트; 및 제1 및 제2 휠 사이에 펼쳐지고, 표면을 가진 복수개의 보드(board)를 포함할 수 있다. 상기 그물 구조는 보드의 표면에 배치된다.

본 발명은 기체를 액체에 도입시키는 회전 휠 조립체를 또한 특징으로 한다. 상기 조립체는 액체를 보유하는 수단; 기체의 기포를 혼입하는 수단; 및 액체 표면 아래에 기포 혼입 수단을 담그는 수단 및 큰 크기의 공기 기포를 가두고 더 작은 크기로 잘라내는 수단을 포함할 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 상술한 다수 회전 휠 조립체를 가진 장치를 특징으로 한다. 조립체는 생물반응기 탱크 또는 챔버(chamber)에 함께 조립된다.

다른 양상에서, 본 발명은 주변 기체를 액체로 도입시키는 생물반응기를 특징으로 한다. 이것을 액체를 보유하는 탱크; 및 탱크에 회전가능하게 탑재된 상술한 휠 조립체를 포함한다. 생물반응기는 탱크에 대한 밀폐(airtight) 뚜껑을 추가로 포함할 수 있다. 기체는 공기, 산소, 오존, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂일 수 있다. 공기, 산소, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂의 경우, 그물 구조는 플라스틱, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 오존의 경우, 그물 구조는 내오존성 플라스틱으로 만들어질 수 있고 탱크는 밀폐된다.

생물반응기에서, 액체는 화학물질, 바이러스, 미생물(예, 박테리아 또는 효모), 식물 세포, 또는 포유동물 세포를 포함할 수 있다. 액체로 도입된 기체는 화학물질을 처리하거나 바이러스, 미생물, 식물 세포, 또는 포유동물 세포를 죽일 수 있다. 상기 액체는 물, 산업 폐수, 또는 하수를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 기체는 미생물 또는 세포의 생장에 요구된다.

생물반응기의 일 실시태양에서, 탱크는 활성화된 슬러지(sludge)를 추가로 포함하며, 이는 오염된 물을 처리하는데 사용될 수 있다. 활성화된 슬러지는 매트릭스에서 생장할 수 있으며, 이는 플라스틱 그물 사이에 고분자 부직물을 포함할 수 있다. 활성화된 슬러지는 부생영양 박테리아로 구성될 수 있으나 아메바, 스피로트리츠(Spirotrichs), 보르티셀리즈(Vorticellids)를 포함하는 페리트리츠(Peritrichs) 및 일련의 다른 필터 공급(feeding) 종으로 주로 구성된 원생동물 식물상을 또한 가질 수 있다. 다른 주요 구성 성분은 운동성 및 정주성 담륜충(Rotifer)을 포함한다.

다른 양상에서, 본 발명은 액체 처리 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 액체에 용해될 기체를 통하여 그물 구조를 반복적으로 이동시키는 단계; 및 그물 구조를 액체에 담그는 단계를 포함하고, 상기 액체는 탱크 안에 있다. 기체는 공기, 산소, 오존, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂일 수 있다. 공기, 산소, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂의 경우, 그물 구조는 플라스틱, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 오존의 경우, 그물 구조는 내오존성 플라스틱으로 만들어질 수 있고 탱크는 밀폐된다. 액체는 화학물질, 바이러스, 미생물, 식물 세포 또는 포유동물 세포를 포함할 수 있다. 상기 액체로 도입된 기체는 화학물질을 처리할 수 있거나 바이러스, 미생물(예, 박테리아 또는 효모), 식물 세포, 또는 포유동물 세포를 죽일 수 있다. 상기 액체는 물, 산업 폐수, 하수, 배양 배지, 또는 브로쓰(broth)를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시태양의 상세한 설명이 동반되는 도면 및 하기 설명에 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점들은 설명 및 도면으로부터 및 청구항으로부터 분명할 것이다.

도 1은 물에 주변 기체 수송을 위한 다수 그물 층으로 덮힌 회전 휠(유기 유리 또는 알루미늄 합금 또는 플라스틱으로 만들어짐)이다.
도 2는 예시적인 주변 기체 이송 회전 휠을 만드는 단계의 상세한 도해이다.
도 3은 미세 방울 및 용존 산소의 발생을 위한 신규한 산소 수송 휠 방법의 도해이다.
도 4는 물 또는 밀봉된 챔버의 폐수로 주변 오존을 100% 수송하는 그것의 성능을 특징으로 하는 오존 처리 회전 휠 생물반응기이다.
도 5는 물 또는 밀봉된 챔버의 폐수로 주변 오존을 100% 수송하는 오존 수송 보드와 결합된 그것의 회전 오존 수송 휠을 특징으로 하는 오존 처리 생물반응기이다.
도 6은 소량의 폐수를 가공하는 소규모 오존 처리 회전 휠 생물반응기이다.
도 7은 대용량의 폐수를 가공하는 대규모 오존 처리 회전 휠 생물반응기이다.
도 8은 야채, 해산물, 육류, 직물 및 식기를 세정하거나 소독하기 위한 오존 처리 회전 휠 생물반응기이다.
도 9는 지하수 세정 또는 소독 오존 생물반응기 시스템이다.
도 10은 도 5의 처리 시스템의 휴대용 버전, 즉 O₃ 물 처리 생물반응기가 구비된 트럭이다.
도 11은 용존 산소를 만드는 휠 생물반응기 및 종래 임펠러(impellor)/발포-기반 깊은 탱크 생물반응기의 상소 수송 속도들을 비교하는 실험을 보여준다. 공기를 배양을 위해 사용하였다. 휠의 최대 회전 속도가 190 rpm일 때, 임펠러의 최대 속도는 750 rpm이었다. 패널 3의 사진은 용존 산소를 만드는 휠 생물반응기가 상당히 더 적은 전단력, 즉 원심 분리 후 시료의 더 투명한 상등액을 발생한 것을 나타낸다.
도 12는 우리의 산소 수송 휠 실험 플랫폼을 사용한 시험 하에서 회전 휠(지름 2.0 미터)의 사진이다.
도 13은 신규한 소규모 오존 처리 회전 휠 생물반응기 시스템이다.
도 14는 신규한 대규모 오존 처리 회전 휠 생물반응기 시스템이다.
도 15는 활성화된 슬러지 및 미생물의 부착된 생장에 대한 두 플라스틱 그물 사이에 패킹된 부직 고분자 직물 캐리어를 나타내는 일 군의 사진이다.
도 16은 용존 산소 발생에 대해 지름 0.5 미터인 회전 휠을 사용하는 폐수 처리 생물반응기 유닛이다.
도 17은 지름 0.5 미터인 회전 휠을 사용하는 소규모 폐수 처리 생물반응기 시스템이다.
도 18은 특히 재생된 물 제조에 맞추어 설계된, 산소 및 오존을 용해시키는 지름 0.5, 1.0 및 2.0 미터의 회전 휠을 사용하는 중간 규모 폐수 처리 생물반응기 시스템이다.
도 19는 특히 병원 및 백신 제조자로부터의 감염성 폐수의 처리에 맞추어 설계된, 산소 및 오존을 용해시키는 지름 0.5, 1.0 및 2.0 미터의 회전 휠을 사용하는 중간 규모 폐수 처리 생물반응기 시스템이다.
도 20은 산소 및 오존을 용해시키는 지름 0.5, 1.0 및 2.0 미터의 회전 휠을 사용하는 대규모 폐수 처리 생물반응기 시스템이다.
도 21A-F는 소규모 휠 생물반응기 시스템(휠 지름 0.25 미터)의 일 군의 사진이다. 완결된 시스템은 혐기성 발효, 호기성 발효, O₃ 처리 및 Pi 제거를 포함한다(a, b, c, d, e, 및 f). 상기 시스템을 상이한 종류의 폐수의 소규모 예비 시험에 사용하였다.
도 22는 닫힌 위치의 처리 챔버를 갖는 액체 처리 시스템을 보여주는 다이어그램이다.
도 23은 열린 위치의 도 22의 액체 처리 시스템을 보여주는 다이어그램이다.
도 24는 도 23에서 보여진 휠의 주변도이다.
도 25는 도 24에서 보여진 것과 유사한 휠의 그물 층 또는 바둑판 무늬의 더미의 분해도이다.
도 26은 지하수 정화에 사용되는 도 22의 시스템을 보여주는 다이어그램이다.
도 27은 상기 주변부의 그물 구조와 넓은 주변부를 가진 휠을 보여주는 다이어그램이다.
도 28은 도 27에서 보여진 넓은 주변부의 효과를 집약적으로 달성하는 공동 축 휠을 가진 휠 조립체를 보여주는 다이어그램이다.
도 29는 한 쌍의 휠 사이에 축 방향으로 펼쳐진 보드를 가진 휠 조립체를 보여주는 다이어그램이다.

본 발명은 신규한 다층 그물-덮힘 회전 휠 방법에 의해 주변 기체 조성물(예, 주변 오존, 주변 공기 또는 산소, 주변 질소, 주변 CO₂ 및 주변 방향성 기체)을 액체(예, 물, 폐수 및 기타 액체)로 효과적으로 수송하는 것에 관한 것이다. 도 1 - 10을 참고한다. 본 발명은 또한 물, 폐수 및 기타 호기성 및 혐기성 발효 응용의 처리에 대해 현탁 및 부착 상태 모두에서 미생물 및 활성화된 슬러지의 고밀도 배양에 대한 신규한 생물반응기에 관한 것이다. 도 11 - 18을 참고한다.

오존은 박테리아 및 바이러스를 죽이는 효과적인 작용제이다. 그것은 또한 독성 물질을 산화시키고 물 및 폐수로부터 냄새 및 색을 제거한다. 현재 물 처리, 음식 또는 야채 가공 및 폐수 처리는 종종 오존-발포 방법을 사용하여 오존을 폐수 처리용 물로 수송시킨다. 이는 비싼 오존을 효과적으로 사용할 수 없어서, 비용을 증가시키고 인근 환경에 유해하다. 그래서, 주변 오존을 직접적으로 물로 수송시키고 오존을 100% 활용하기 위한 대안에 대한 필요성이 있다.

현재 생물적 폐수 처리 또는 미생물 배양은 종종 공기 발포 방법을 사용하여 활성화된 슬러지 및 미생물의 현탁 배양을 위해 산소를 폐수로 수송시켜서 수질을 개선한다. 공기 발포 방법에 의해 활성화된 슬러지 및 미생물의 현탁 배양은 이상적인 공정이 아니다. 예를 들어, 현탁된 활성화된 슬러지 및 미생물의 바이오매스는 제한 공간을 사용함으로써 많은 양의 폐수를 가공하기 충분할 만큼 더 높지 않다. 한편, 발포 산소 수송 방법에 의해 만들어진 용존 산소 수준은 활성화된 슬러지 및 미생물의 많은 바이오매스의 생장을 보조하는데 충분하게 좋지 않다. 게다가, 발포 산소 수송 방법의 혼합력은 활성화된 슬러지 미생물의 많은 바이오매스 생장을 보조하는 용존 산소를 분배하기에 충분히 세지 않다. 그래서, 많은 바이오매스에서 활성화된 슬러지 및 미생물을 배양하는 더 효율적인 시스템 및 산소를 수송하거나 활성화된 슬러지 미생물의 많은 바이오매스 성장을 보조하기 위해 용존 산소를 만드는 더 좋은 방법에 대한 필요성이 있다.

본 발명은 도 3에 나타난 액체 조성물에 기체 조성물을 도입시키는 신규한 시스템 및 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 그것은 기체 수송 회전 휠을 사용함으로써 오존 또는 공기의 미세방울의 발생을 포함한다. 이 휠은 표면의 절반보다 더 적은 부분이 액체 조성물에 담기고 표면의 다른 절반은 주변 기체(이를테면 공기 또는 오존)에 노출되도록 설계되고 구축된다. 휠은 휠의 각 측면에 있는 내오존성 플라스틱 또는 금속 그물의 다수 층에 의해 덮힌다(도 1, 2, 및 5). 회전 휠의 기체-노출 부분은 주변 기체를 액체 조성물로 미세방울의 형태로 운반한다. 미세방울은 그물 및 그리고 나서 휠의 표면의 금속 또는 플라스틱 바를 치는 배지 흐름의 반복적인 시행을 통해서 발생되거나 혼입되고(도 3), 용존 산소 프로브(probe), 용존 오존 프로브, 고속 카메라 프로브, 멀티사이저(Multisizer)-3 (코울터 카운터(Coulter Counter), 벡맨(Beckman)), 또는 상 도플러 풍속계(PDA) 프로브에 의해 검출될 수 있다. 미세방울 발생 속도는 물 흐름 스위핑(sweeping) 속도, 표면 물질의 물리적 및 화학적 특징, 및 스위핑되는 물질 표면 각과 관련된다. 이 미세방울 발생 방법 또는 메카니즘은 도 3에 나타난다. 이 물질의 예는 폴리프로필렌, 또는 EVA/PE, 금속, 합성 유리, 및 플라스틱을 포함하지만, 이것들에 한정되는 것은 아니다. 마이크로미터 및 나노미터 수준에서 상기 물질 표면의 물리적 특성은 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 선택되는 반면, 그들의 산소 및 오존 수송 특성은 용존 산소 프로브, 용존 오존 프로브, 고속 카메라 프로브, 멀티사이저-3(코울터 카운터, 벡맨) 또는 상 도플러 풍속계(PDA) 프로브를 사용함으로써 실험적으로 선택된다. 상기 방법은 스파징(sparging)-기반이나 멤브레인 여과-기반의 종래 산소 수송 방법이 모두 아니다. 그것은 회전 휠을 덮은 다수 층 그물을 통하여 물 속에서 미세방울을 발생시키거나 혼입하는 신규한 방법을 포함한다. DO는 물 분자 사이의 미세한 방울이라고 과학적으로 정의된다.

본원에 기술된 시스템 및 방법을 사용하여 주변 산소 및 오존(누출하지 않고 100% 오존 수송을 위해 챔버에 밀봉되어 있는)을 물 또는 액체로 수송할 수 있고 저비용 및 저에너지 물, 및 폐수 처리할 수 있다. 상기 방법에 근거하여, 신규한 회전 휠 생물반응기 시스템(도 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 및 21)을 주변 산소(O₂) 및 오존(O₃)가 물, 오염된 물, 및 폐수의 처리를 위해 물에 효과적으로 수송되도록 설계하고 구축하였다. 물 또는 기타 액체로의 최고의 주변 산소 및 오존 수송(누출하지 않고 100% 오존 수송을 위해 챔버에 밀봉되어 있는)을 위한 회전 휠 표면상의 효과적인 물질을 하기 기술되는 실험에 의하여 상이한 물질 및 표면 성질(화학적 및 물리적 성질)의 선택을 통하여 결정하였다.

본 발명은 또한 현탁 및 부착 상태 모두에서 미생물의 고밀도 배양 및 활성화된 슬러지의 배양에 대한 신규한 생물반응기에 관한 것이다. 플라스틱 그물 사이에 패킹된 고분자 페이퍼 캐리어의 쌓여진 벽 및 신규한 산소 수송 방법을 이용함으로써 더 많은 바이오매스에서 미생물의 고밀도 배양 및 활성화된 슬러지의 안정적인 배양에 대한 방법이 본 발명의 범위 내에 있으며, 상기 방법은 폐수 처리에 대하여 방금 언급된 시스템을 이용하는 것을 포함한다.

일 실시예에서, 그것은 종래 임펠러 기반 깊은 탱크 생물반응기(도 11, 13, 및 14를 참고한다)와 비교되는 현탁액으로 고밀도 대장균을 배양하는데 용존 산소를 만드는 휠의 사용을 포함한다. 다른 실시예에서, 그것은 부착된 모드에서 많은 바이오매스를 가진 활성화된 슬러지의 안정한 배양을 위해 플라스틱 그물 사이에 패킹된 고분자 페이퍼 캐리어의 쌓여진 벽의 사용을 포함한다(도 16-21). 이 물질의 예는 부직 고분자 섬유 페이퍼 캐리어 및 생체에 적합한 플라스틱 그물을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

본원에 기술된 시스템 및 방법을 폐수의 처리를 위한 현탁 및 부착 상태 모두에서 미생물 및 활성화된 슬러지의 고밀도 배양에 사용할 수 있다. 상기 방법에 기초하여, 신규한 생물반응기 시스템(도 11-21을 참고한다)을 미생물의 효과적인 고밀도 배양 및 폐수 처리를 위하여 설계하고 구축하였다. 효과적인 물질을 하기 기술한 실험에 의한 상이한 물질(화학적 및 물리적 특징)의 선택을 통하여 결정하였다.

많은 특정 실시태양이 하기에 있다. 기체를 액체 배지에 도입시키는 시스템은 도 5 또는 22에 보여진 탱크(10)를 포함한다. 액체 배지를 도입시키기 위한 액체 주입구(12), 및 액체 배지로 도입될 기체를 제공하는 기체 주입구(14)가 탱크(10)로 이어진다. 제거가능한 덮개(15)가 탱크(10)를 덮고 밀봉된 챔버(17)의 윤곽을 나타낸다. 도 23의 그것의 열린 위치에서 보여지는 덮개(15)는 작동하는 동안 닫혀있다. 결과적으로, 기체 주입구(14)를 통하여 도입된 기체는 챔버(17) 안에 가두어 진다.

이제, 도 5 또는 23에 대하여, 휠 조립체는 탱크(10) 내에 탑재된 회전가능한 휠(16)을 특징으로 한다. 전형적으로 고체 알루미늄 합금 또는 플라스틱인 휠(16)은 선택된 속도에서 휠(16)을 회전시키는 모터(18)와 결합된다. 전형적인 실시태양에서, 모터(18)는 휠(16)을 40 rpm 내지 90 rpm 사이에서 회전시킨다. 휠 그 자체는 전형적으로 약 0.5 미터의 지름을 갖는다. 그러나, 휠의 지름 및 회전 속도는 특정 응용에 의존하게 만들어질 수 있다.

도 1 아래 패널 또는 도 24는 휠의 주변부(18)를 마주보는 각도로부터 휠(16)의 한 예를 보여준다. 휠은 휠의 표면과 직각인 방향을 규정하는 축(23) 주변을 회전한다. 휠(16)을 향하는 축(23)을 따른 방향을 "휠-쪽" 방향이라고 언급할 것이다. 휠-쪽 방향에 반대인 방향을 "휠-반대-쪽" 방향이라고 언급할 것이다.

휠(16)은 그것의 표면 중 하나에 외부 그물/바둑판 무늬 층(20) 및 내부 그물/바둑판 무늬 층(22)에 의해 형성된 그물 구조(21)를 갖는다. 도 25에 보여지는 실시예에서 그물/바둑판 무늬 측(20), (22)은 서로 교차하거나 가로질러서 일련의 공극을 형성하는 뼈대(23)에 의해 형성될 수 있다. 본원에 "셀(27)"로 언급되는 이 공극은 휠 표면의 바둑판 무늬를 형성한다.

뼈대(23)는 챔버(17)에 존재하는 기체의 효과를 견딜 수 있는 물질로 만들어진다. 그래서, 기체가 오존을 포함하는 곳에서, 뼈대(23)는 내오존 물질로 만들어진다. 뼈대(23)로 사용할 수 있는 다른 물질은 폴리프로필렌, EVA/PE, 합성 유리, 내오존 플라스틱을 포함하는 플라스틱, 및 알루미늄과 같은 금속을 포함한다.

셀(27)은 불규칙하거나 임의의 모양일 수 있다. 그러나, 일부 실시태양에서, 셀(27)은 규칙적인 크기 및 모양을 갖는다. 이러한 실시태양에서, 바둑판 무늬 층은 망 층 또는 그물처럼 보일 수 있다.

셀(27)은 정사각형, 직사각형, 육각형, 마름모, 또는 평행사변형일 수 있다. 게다가, 상이한 망 층으로부터의 셀(27)은 같은 모양을 가질 필요가 없다. 그래서, 어떤 것은 마름모 셀로 된 외부 층 및 육각형 셀로 된 내부 층을 가질 수 있다.

게다가, 임의의 수의 망 층이 있을 수 있다. 하기 실험에서 논의된 바와 같이, 단지 하나의 망 층으로 상당한 개선을 달성할 수 있다. 그러나, 더 많은 층이 더해질 때 용해 속도가 증가한다.

도 1 또는 24에 보여지는 바와 같이, 단지 두 층만이 있다. 그러나, 층의 수는 두 개로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 셋 내지 여섯 개의 층을 가진 휠(16)을 또한 사용할 수 있다. 더욱이, 최내부 층, 즉 휠(16)과 가장 가까운 층은 휠(16) 그 자체와 일체화될 수 있다. 예를 들어, 휠(16)은 망을 형성하기 위하여 그것에 천공된 구멍의 어레이를 가질 수 있거나, 휠(16)은 그것에 형성된 움푹패인 것들의 어레이를 가질 수 있다.

도 25는 휠(16)의 표면상의 가장 가까운 휠-쪽 층(32)으로 시작되고, 부가적인 층(34), (36), (30)이 휠-반대-쪽 방향에 쌓여진 한 더미의 층으로 형성된 그물 구조(21)의 분해도를 나타낸다.

휠(16) 상의 망 층 또는 바둑판 무늬 층의 더미가 그물 구조(21)를 구축하는데 유용한 방법이라도, 그물 구조(21)는 예를 들어, 기계가공, 주형 또는 에칭에 의한 임의의 다른 방법으로 구축될 수 있다.

특히 도 1 또는 24에서 보여지는, 단지 두 바둑판 무늬 층을 가진 휠의 경우, 가장 먼 휠-쪽, 또는 가장 바깥쪽 층의 셀 크기는 가장 가까운 휠-쪽, 또는 가장 안쪽 층의 셀 크기보다 바람직하게 더 크다. 2 초과의 층이 휠(16)에 존재하는 경우, 셀 크기는 휠-쪽 방향으로 갈수록 감소한다. 본원에 사용된 바와 같이, 셀 크기는 셀(27)이 얼마나 큰지 나타내는 치수를 말한다. 적합한 치수는 셀 면적, 셀 둘레, 또는 셀 측면의 길이를 포함한다.

작동 중, 기체가 도입되는 탱크(10)는 부분적으로 액체로 채워진다. 탱크(10)가 채워지는 수준은 휠(16)이 부분적으로 액체의 표면 위로 돌출하는 정도이다. 바람직하게, 휠(16)의 절반 정도가 액체의 표면 위에 있다. 챔버(17)는 그리고 나서 기체로 채워진다. 챔버(17)가 채워진 후, 모터(18)는 미리 정한 시간 동안 미리 정한 속도로 휠(16)을 회전시킨다.

도 25에 대하여, 휠(16)이 회전할 때, 휠(16) 상에 있는 그물 구조(21)로부터 셀(27)은 번갈아 밑으로 담기고 액체 표면으로 올라온다. 휠(16) 상의 그물 구조(21)가 기체의 용해를 촉진하는 물리적 메카니즘은 완전히 이해되지 않는다. 그러나, 휠(16)이 회전할 때, 주변 기체의 방울이 그물 구조(21)의 가장 바깥쪽 층(38)에 혼입된다고 믿어진다. 이 방울은 잠재적으로 그물 구조(21)를 통하여 휠쪽, 내부 층(36)의 더 작은 셀(27)로 이동한다. 그렇게 함으로써, 그들은 내부 층(36)의 뼈대(23)와 만나고 그 뼈대(23)에 의해 더 작은 방울로 나누어진다. 점차적으로 더 작은 방울을 가져오는, 그물 구조를 통한 상기 휠쪽 이동은, 가장 가까운 휠쪽, 또는 가장 안쪽 층(32)에 도달할 때까지 계속될 것이다. 가장 가까운 휠쪽 층(32)에 의해 형성된 미세방울은 빠져나가고 쉽게 용해되기 충분할 정도로 작다. 그러나, 전술한 물리적 메카니즘은 오직 이론이며 청구항의 범위를 한정하기 위하여 기초로써 사용된 것은 아니다. 하기 논의되는 것처럼, 의존되는 물리적 메카니즘에 관계없이, 본원에 공개된 장치는 빠르고 효과적으로 기체를 액체에 용해시킨다.

일부 실시에서, 기체는 계속적으로 챔버(17)로 공급되어 기체의 일정한 농도 또는 양이 항상 존재한다.

용해된 기체의 최적 수준에 도달했을 때, 기체 공급이 중단되고, 휠(16)은 그 뒤로 얼마 동안 회전이 허용된다. 이 시간 동안, 어떠한 나머지 기체도 챔버(17)에서 액체에 용해된다. 이는 얼마나 오래 휠(16)이 기체 공급이 중단된 후 회전을 유지하는지에 의존하며, 기체의 거의 100% 활용을 가능하게 한다.

일 실시예에서, 지름 0.5 미터인 휠 및 상이한 수의 바둑판 무늬 층을 산소로 채워진 챔버에 110 리터의 물에 담지하였다. 아무런 층이 없는 경우, 0%의 기준선 용존 산소 수준으로부터 100%의 용존 산소 수준에 도달하는 것은 20분이 소요될 것이다.

하나의 층을 가진 그물 구조를 휠(16)에 첨가하는 것은 이 시간을 단지 150초 감소시켰다. 제2 층을 그물 구조에 첨가하는 것은 단지 90초로 시간을 추가로 감소시켰다.

다른 시험에서, 챔버를 청색 잉크로 염색된 110 리터의 물로 채웠고, 챔버의 남아있는 부분은 오존으로 채웠다. 같은 휠 지름(0.5 미터) 및 회전 속도(90 rpm)를 사용하였다. 이 경우에서, 휠(16)이 하나의 바둑판 무늬 층을 가질 때 40분이 지나서 투명해졌고, 두 바둑판 무늬 층을 가진 그물 구조를 사용할 때 25분이 지나서 투명해졌다.

다수의 바둑판 무늬 층을 갖는 그물 구조를 갖는 것의 효율성은 예를 들어, 하기 실시예 3의 표 3에서 볼 수 있고, 이는 상이한 수의 바둑판 무늬 층을 사용하는 작동의 첫 6분 동안 용존 산소의 수준을 보여준다. 이 실험에서, 바둑판 무늬 층은 알루미늄으로 만들어졌고, 휠(16)은 지름 1.0 m이고 53 rpm으로 회전하고, 650 리터의 0.16 g/L Na₂SO₃ 수용액이 있었다.

본원에 기술된 그물 구조에 의해 보조되는 기체 용해를 다양한 응용에 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템을 산소를 폐수에 도입시키는데 사용할 수 있으며, 따라서 호기성 박테리아의 생장을 가능하게 한다. 또는, 상기 시스템을 오존으로 물을 살균하는데 사용할 수 있다. 이러한 물은 세정 및, 그렇게 함으로써 야채나 고기를 살균하는데 유용하다. 또는 상기 시스템을 예를 들어 레몬 향을 가진 기체와 같은, 방향성 기체를 물에 도입시키는데, 또는 염소 또는 다른 살균 기체를 수영장 물에 도입시키는데 사용할 수 있다. 본원에 기술된 오존 처리를 페놀 오염된 폐수와 같은 오염된 폐수를 사전처리하는데 또한 사용할 수 있다.

본원에 기술된 오존 처리는 도 9 또는 26에 보여지는 바와 같이, 오염된 지하수를 처리하는데 또한 사용할 수 있다. 상기 나타난 시스템은 우물(52)로부터 지하수를 끌어올리는 펌프(50), 및 0.5 m 지름 휠(16)을 가지는 생물-반응기(54)를 포함한다. 오존 발생기(56)는 생물반응기(54)를 채우기 위해 오존을 제공한다. 생물반응기(54)로부터 물은 물 배출구(59)에서 땅으로 다시 방출되기 전에 활성탄소 컬럼(58)을 통하여 통과된다.

본원에 기술된 생물반응기는, 도 10에 보여지는 바와 같이, 트럭(60)의 위치에서 수송되기 위하여 충분하게 작고 이동 가능하다. 보여지는 생물반응기(61)에서, 모터(64)는 휠(62)의 어레이를 가지는 휠 조립체를 구동하는데, 이들 각각은 도 5 또는 23과 연관되어 기술된 것처럼 구축된다. 이는 오존 발생기(66)에 의해 발생된 오존의 더 빠른 용해를 제공한다. 도 10에서 보여지는 이동 가능 시스템은 지하수 정화, 또는 수영장, 웅덩이, 및 쉽게 수송할 수 없는 물의 다른 부분의 오염 제거와 같은 일에 특히 유용하다.

휠(16)이 기체를 액체에 도입시키는 속도는 휠(16)의 구조 및 그것과 동반하는 그물 구조(21)에 의존한다. 실시예 15는 몇몇의 지름 0.25 m 휠이 90 rpm으로 회전할 때 7분 이내에 산소를 용해시킬 수 있는 정도를 보여준다.

본원에 기술된 시스템 및 방법은, 현탁되던지 부착되던지, 미생물의 고밀도 배양 및 활성화된 슬러지의 배양을 용이하게 하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은 플라스틱 망 사이에 패킹된 고분자 페이퍼 캐리어의 쌓여진 벽과 함께 제공될 수 있다. 이러한 물질의 예는 부직 고분자 섬유 페이퍼 캐리어 및 생체에 적합한 플라스틱 그물을 포함하지만 이것으로 한정되는 것은 아니다.

부가적인 실시태양에서, 휠(16)의 주변부(18)는 그것에 배치된 그물 구조(21)를 가질 수 있는 주변 면을 규정한다. 이것은 도 2 또는 27에 보여지는 것과 같은 넓은 주변부(18)를 가진 휠에 특히 유용하다. 그물 구조(21)는, 법선 벡터가 축(23)에 대하여 직각보다는 평행한 휠의 그 면들에 놓여진 그물 구조와 연결되어 상술한 것과 같다. 휠-쪽 및 휠-반대-쪽 방향은 도 2 또는 27의 문맥에서, 휠의 표면에 대하여 규정되고, 상기 표면은 실제로 휠의 주변부(18)이고, 그물 구조(21) 안의 셀(27)의 크기는 휠-쪽 방향으로 갈수록 다시 감소될 것이다.

도 2 또는 27에 보여지는 바와 같이, 그물 구조로 된 휠 표면적의 증대는 도 9 또는 28에 보여진 바와 같이, 복수개의 같은 축을 가진 휠(82), (84), (86)을 가지는 휠 조립체를 사용하여 또한 달성할 수 있다.

도 5 또는 29는 그물 구조(21)로 된 휠 면적을 증가시키는 다른 방법을 보여준다. 도 5 또는 29에서, 휠 조립체는 제1 및 제2 같은 축을 가진 휠(92), (94)을 포함하며 그들 사이에 보드(96)가 펼쳐져 있다. 그물 구조(21)는 보드(96)에 배치된다. 각 보드(96)는 보드(96)의 면에 법선 관계에 있는 벡터가 반지름 벡터(즉, 축(23)에 법선관계에 있는 벡터이고 보드(96)를 향하여 펼쳐진)와 평행하도록 탑재될 수 있다. 그러나, 보드는 보드의 면과 법선관계에 있는 벡터가 반지름 벡터를 형성하도록 또한 탑재될 수도 있다.

더욱이, 도 5 또는 29에 보여지는 실시태양에서, 하나 이상의 보드(96)는 보드(96)의 일 부분이 휠(92), (94)의 주변부 너머로 확장될 수 있도록 반지름 바깥쪽으로 이동될 수 있다. 이는 패들-휠 배치를 가져오고, 또한 단지 보드(96)가 표면 아래 잠기도록 휠(92), (94)가 물의 표면 위에 탑재되는 것을 허용한다. 이러한 배치는 탱크(10)가 너무 얇아서 휠(92), (94)를 수용할 수 없을 때 유용하다.

도 27-29에 보여지는 배치는 그물 구조(21)가 휠의 측면(즉, 법선 벡터가 축(23)과 평행한 면) 상에 있을 때, 셀(27)의 선속도가 위치에 따라 다르지 않기 때문에 특히 유용하다.

도 23에서, 오직 단일 휠(16)이 있다. 그러나, 임의의 수의 휠을 사용할 수 있다. 더욱이, 상기 휠을 탱크(10) 이내의 다른 위치에 위치시킬 수 있다.

더욱이, 본원에 기술된 바와 같이, 그물 구조(21)를 회전 구조 상의 그것을 탑재함으로써 물에 담그고 물로부터 담근다. 그러나, 그물 구조(21), 또는 그것들의 부분을 담그는 다른 메카니즘이 가능하다. 예를 들어, 그물 구조(21)는 반복적으로 물에 담기고 물로부터 담기는 평평하거나 곡면인 보드와 같은 왕복동식(reciprocating) 구조에 탑재될 수 있다. 또는 그물 구조(21)는 표면 아래의 회전 실린더 및 표면 위의 다른 회전 실린더 사이를 고리 모양으로 운동하는 무한 벨트 상에 탑재될 수 있다.

하기 특정 실시예는 단지 예시적으로 구축된 것이고, 어떠한 임의의 방식으로든 공개의 나머지로 한정되지 않는다. 추가적인 노력 없이 당업자가 본원의 설명에 기초하여 본 발명을 그것의 최대 정도까지 활용할 수 있다고 믿어진다. 본원에 인용된 모든 문헌은 그들 전체가 참고문헌으로 본원에 인용되어 있다. 추가로, 하기에 제안된 임의의 메카니즘은 청구된 발명의 범위를 어떤 방식으로든 제한하지 않는다.

실시예 1

이 실시예에서, 도 1 및 2에서 보여지는 O₂ 수송 휠 구축물을 위해 변형된 자전거 휠 구조를 사용하였다. 이 결과는 이 설계가 성공적으로 사용되어 가장 세고 가장 안정한 기체 수송 휠을 만들었다는 것을 나타내었다. 예를 들어, 그것은 휠 안정성을 잃지 않고 가장 가벼운 휠 구조를 도출하였다. 다른 예로써, 그것은 회전하는 동안 최소의 물 저항을 가지는 가장 안정한 휠 구조를 도출하였다(도 1, 2, 4, 5, 및 8-12).

실시예 2

미세방울을 발생시키기 위하여, 발명자들은 큰 기포가 금속 또는 플라스틱 또는 유기 유리 바 또는 그물의 표면 및 마지막으로 고체 표면에 3번 부딪히거나 상호작용(상호작용 동안 미세한 방울이 혼입됨)한 후 미세방울이 된다(도 3에 나타남)고 가정하였다. 이 가정을 검토하기 위하여, 발명자들은 플라스틱 또는 유기 유리 또는 금속 그물(지름 0.5 미터 휠을 사용함)의 0-2 층으로 덮힌 고체 휠을 사용하였다. 용존 산소(DO) 프로브 또는 고속 카메라 또는 상 도플러 풍속계(PDA)에 의해 미세한 방울 형성을 검출하였다. O₂를 수송하기 위해 발명자들은 알루미늄 그물을 사용하였다. 표 1의 결과는 2 층 그물로 덮힌 휠이 상당히 더 좋은 산소 수송 성능을 가진다는 것을 명확히 보여준다.

O₃를 수송하기 위해 발명자들은 오존의 산화 작용을 피하기 위하여 플라스틱 그물을 사용하였다. 발명자들은 오존의 성능을 사용하여 표지로써 잉크의 청색을 제거하였다. 표 2의 결과는 2 층 그물로 덮힌 휠이 더 좋은 오존 수송 성능을 가진다는 것을 보여준다.

실시예 3

상술한 바와 같이, 큰 기포는 금속 또는 플라스틱 또는 그물의 유기 유리 바 및 마지막으로 고체 표면에 3번 부딪힌 후 미세방울이 된다(도 3 참고). 이 가정을 추가적으로 검토하기 위해, 발명자들은 플라스틱 또는 유기 유리 또는 금속 그물의 1-6 층으로 덮힌 고체 휠을 사용하였다. 상술한 것과 같은 방식으로 미세한 방울 형성을 검출하였다. O₂를 수송하기 위해, 발명자들은 알루미늄 그물을 사용하였다. 표 3 및 표 4의 결과는 6 층 그물로 덮힌 휠이 상당히 더 좋은 산소 수송 성능을 가진다는 것을 명확하게 나타낸다.

표 3에 보여지는 결과의 경우, 지름 1.0 미터인 휠을 사용하였다. 산소 수송을 DO(%)로 표현한다. 물의 총 부피는 650 L이고; 0.16 g/L의 Na₂SO₃를 충전하였다. 휠 회전 속도는 53 rpm이었다.

표 4에 보여지는 결과의 경우, 지름 1.0 미터인 휠을 사용하였다. 산소 수송 속도를 K_LA로 표현하였다. 물의 총 부피는 650 L이었고; 0.16 g/L의 Na₂SO₃를 충전한다. 휠 회전 속도는 53 rpm이었다.

실시예 4

O₂ 및 O₃ 수송을 위하여 지름 2.0 M의 휠을 가진 휠 생물반응기 조립체를 사용하였다. 표 5에 보여지는 바와 같이, 그 결과는 유사한 O₂ 및 O₃ 수송 속도를 나타내었다.

실시예 5

환경적 O₃을 폐수 살균(표 6), 야채 세정(표 7), 식기(표 8) (오존 40 mg/L), 및 고기 세척(오존 40 mg/L)을 위한 밀봉된 챔버로 100% 수송하기 위하여, 발명자들은 O₃공급을 정지한 후 10분 휠 회전을 정지하였다. 발명자들의 기체 O₃ 측정은 O₃공급을 정지한 후 10분의 회전 후 아무런 O₃도 존재하지 않는다는 것을 나타내었다. 이는 모든 O₃를 주변 환경으로 누출되지 않게 물로 100% 수송하였다는 것을 나타내었다.

실시예 6

상술한 주변 기체 수송 생물반응기를 사용하여 방향성 기체(레몬 향)를 물로 수송하였다. 이 결과(하기 표 9에 보여짐)는 방향성 기체(레몬 향)의 물로의 급속한 첨가를 나타내었다.

실시예 7

100% O₃ 수송을 달성할 수 있는 상술한 생물반응기(도 4에 나타남)를 양어지 물의 처리를 위해 사용하였다. O₃ 처리(6-12 mg/L O₃) 후, 상당히 깨끗한 양어지 물을 관찰하였다.

실시예 8

상술한 생물반응기(도 5에 나타남)를 수영장 물의 처리를 위하여 또한 사용하였다. O₃ 처리(6-12 mg/L O₃) 후, 상당히 깨끗한 수영장 물을 관찰하였다.

실시예 9

상술한 생물반응기(도 5에 나타남)를 혐기성 발효의 박테리아 시드(seed) 접종을 위한 배양 배지를 전처리하기 위하여 질소 및 CO₂ 수송을 위해 사용하였다. 발명자들의 결과는 15분의 처리 시간이 배지 내 용존 산소를 0-2%로 낮추는데 충분하였다는 것을 나타내었고, 이는 혐기성 발효 배양 배지의 전처리의 가치있는 응용을 나타낸다.

실시예 10

산업 폐수 처리 예 중 하나(이스트-차이나 파마(East-China Pharma))를 이 실시예에서 설명하였다. 더 효율적인 생물학적 방법 처리를 위한 화학적 조성물을 변경하기 위하여 상술한 생물반응기(도 4에 나타남)를 사용하여 화학적으로(페놀) 오염된 폐수를 전처리하였다. 표 10은 그 결과를 보여주며, 폐수의 전처리가 다음 단계 생물학적 처리의 효율성을 증가시켰다는 것을 나타낸다. 이는 100%에 가까운 오존 사용 방법을 사용함으로써 화학적으로 오염된 산업 폐수의 오존 전처리를 위한 토대를 만든다.

실시예 11

산업적으로 오염된 웅덩이 물의 처리를 위하여 상술한 생물반응기(도 4에 나타남)를 사용하였다. 그 결과는 하기 표 11에 보여진다. 표 11에 나타난 바와 같이, 주변 오존 수송 생물반응기는 산업적으로 오염된 색 있는 웅덩이 물로부터 냄새와 색을 효과적으로 제거하였다. 이 결과는 주변 오존 수송 생물반응기에 의해 저비용으로 주변 오존을 물로 효과적으로 수송하는 것을 또한 나타내었다.

실시예 12

물 시료를 중국에서 6번째로 가장 큰 담수호인, 조류가 자라는 디엔츠호(Dianchi Lake)로부터 얻었다. 상기 물 시료를 그리고 나서 상술한 생물반응기를 사용하여 30분의 오존 처리를 하였다. 상기 처리 후 아무런 맛, 냄새 및 색이 관찰되지 않았다는 것이 발견되었다.

실시예 13

물로의 오존 수송 속도를 주변 오존 수송 생물반응기(6 리터 작업 부피; 지름 0.25 미터 휠 x 2; 12 g/시간 O₃ 발생기)를 사용함으로써 조사하였다. 표 12가 그 결과를 보여준다.

실시예 14

오존 수송 효과를 주변 오존 수송 생물반응기(6 리터 작업 부피; 지름 0.25 미터 휠 x 2; 12 g/시간 O₃ 발생기) 및 잉크로 착색한 물 시료를 사용함으로써 조사하였다. 발명자들의 결과는 다양한 처리 시간에서 탈색된 물 시료에 의해 O₃ 수송 효과가 명확히 나타난다는 것을 보여주었다.

실시예 15

회전 휠을 구축하는 가장 좋은 물질을 찾기 위하여, 다양한 구조적 모양의 금속, 플라스틱, 고분자, 합성 유리를 포함하는 상이한 물질들을 주사 전자 현미경(SEM), 용존 산소 프로브, 용존 오존 프로브, 고속 카메라 프로브 및 상 도플러 풍속계(PDA) 프로브에 의해 그들의 산소 및 오존 수송 특성을 연구하였다. 표 13 및 표 14는 그들의 산소 및 오존 수송 결과를 보여준다. 양 쪽 면에 스테인리스 스틸 금속 그물이 코팅된 합성 유리 휠을 현 용도로 선택하였다. 이 연구의 경우, 폐수 시료에서, 지름 0.25 미터(90 rpm)를 가진 휠을 사용하였다.

실시예 16

회전 휠(지름 1.0 미터) 산소 수송 방법 및 공기-스파징이 서로 간섭되었는지 또는 그들이 다른 메카니즘을 이용하는지 이해하기 위하여 다른 방법 및 조합을 사용하였다. 표 15의 결과는 조합으로써 함께 사용된 이 두 방법이 회전 휠 방법 단독인 경우보다 더 좋게 수행하지 못했다는 것을 나타내며, 서로의 성능에 대한 그들의 간섭을 제안한다. 이는 또한 두 산소 수송 방법의 다른 메카니즘을 제안한다.

실시예 17

상이한 지름(0.25, 0.5, 1.0, 또는 2.0 미터)을 가진 회전 휠을 10분 주기에서 그들의 오존 수송 특성에 대하여 연구하였다. 표 16은 그 결과를 보여주며, 모든 크기의 지름이 잘 작동하였다는 것을 나타낸다. 모든 실험에 대하여, 12 g/L O₃ 발생기를 사용하였다. 그래서, 오존 발생기의 성능 제한 때문에 O₃을 큰 휠 오존 수송 실험에 공급하기에 오존 공급이 충분하지 않았다.

실시예 18

상술한 O₃ 수송 기술을 오염된 지하수를 처리하는데 또한 적용하였다. 자세한 설계는 도 9에 있다. 그 결과는 10 mg/L O₃ 공급을 사용함으로써 600 에서 0 콜로니로 상당하게 감소된 박테리아 수준을 나타내었다. 다른 화학적 오염물질을 또한 연구하였다. 농업 목적에 대한 상당한 일반 화학물질을 10 mg/L O₃ 공급량을 사용하여 0으로 감소시켰다.

본 발명은 또한 현탁 및 부착 상태 모두에서 미생물의 고밀도 배양 및 활성화된 슬러지의 배양에 대한 신규한 생물반응기에 관한 것이다. 플라스틱 그물 사이에 패킹된 고분자 페이퍼 캐리어의 쌓여진 벽 및 신규한 산소 수송 방법을 이용함으로써 더 많은 바이오매스에서 미생물의 고밀도 배양 및 활성화된 슬러지의 안정한 배양에 대한 방법이 본 발명의 범위 내에 있으며, 상기 방법은 폐수 처리에 대해 방금 언급된 시스템을 이용하는 것을 포함한다.

일 실시예에서, 그것은 종래 임펠러 기반 깊은 탱크 생물반응기(도 11, 13, 및 14)와 비교되는 현탁액으로 고밀도 대장균을 배양하는데 용존 산소를 만드는 휠의 사용을 포함한다. 다른 실시예에서, 그것은 부착된 모드에서 많은 바이오매스를 가진 활성화된 슬러지의 안정한 배양을 위해 플라스틱 그물 사이에 패킹된 고분자 페이퍼 캐리어의 쌓여진 벽의 사용을 포함한다(도 16, 17, 18, 19, 20 및 21). 이 물질의 예는 부직 고분자 섬유 페이퍼 캐리어 및 생체에 적합한 플라스틱 그물을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.

본원에 기술된 시스템 및 방법을 폐수의 처리를 위한 현탁 및 부착 상태 모두에서 미생물 및 활성화된 슬러지의 고밀도 배양에 사용할 수 있다. 상기 방법에 기초하여, 신규한 생물반응기 시스템(도 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 및 21)을 미생물의 효과적인 고밀도 배양 및 폐수 처리를 위하여 설계하고 구축하였다. 효과적인 물질을 하기 기술한 실험에 의한 상이한 물질(화학적 및 물리적 특징)의 선택을 통하여 결정하였다.

실시예 19

도 11은 DO를 만드는 휠 생물반응기 및 종래 임펠러/발포-기반 깊은 탱크 생물반응기의 산소 수송 속도를 비교하는 실험을 보여준다. 공기를 배양을 위해 사용하였다. 휠의 최대 회전 속도가 190 rpm일 때, 임펠러의 최대 속도는 750 rpm이었다. 결과(도 11, 패널 3)는 DO를 만드는 휠 생물반응기가 상대적으로 더 적은 전단력, 즉 원심 분리 후 시료의 더 투명한 상등액을 발생한 것을 명확히 제안하였다. 표 17의 결과는 두 가지 상이한 산소 수송 메카니즘을 가진 두 생물반응기에 의해 유사한 최대 산소 수송 속도를 얻었다는 것을 나타내었다. 표 18의 결과는 두 가지 상이한 산소 수송 메카니즘을 가진 두 생물반응기에 의해 유사한 최대 셀 밀도를 얻었다는 것을 나타내었다. 표 19의 결과는 DO를 만드는 휠 생물반응기가 세포 생존력에 크게 영향을 끼치지 않고 임펠러 기반 깊은 탱크 생물반응기의 전단력보다 훨씬 더 작은 전단력을 발생시켰다는 것을 나타내었다. 함께 고려하면, DO를 만드는 휠 생물반응기는 종래의 임펠러/발포-기반 깊은 탱크 생물반응기와 비교할 경우 더 적게 발생된 전단력, 휼륭한 산소 수송 속도 및 세포 성장 특성을 특징으로 한다. 발명자들은 DO를 만드는 휠이 도 3에 나타난 바와 같이 신규한 효과적인 산소 수송 방법이라고 결론내렸다.

실시예 20

활성화된 슬러지의 적용을 위한 방법을 이 실시예에 기술한다. 실온(18-24 ℃)에서 공기 스파징과 함께 공급된 용기에서 폐수 COD 400-800 mg/L를 이용하였다. 배양 1 주 후, 활성화된 슬러지들이 나타났다. 그리고 나서, 폐수의 50%를 제거하고 같은 양의 새로운 폐수 부피를 매주 첨가하였다. 2 주 뒤, 적합한 활성화된 슬러지를 얻었다. 상기 활성화된 슬러지 배양을 유지하기 위하여 매주 50% 부피 변경을 계속하였다.

실시예 21

폐수 리터 당 쌓여진 고분자 페이퍼의 60 그램을 가진 생물반응기를 사용하여 폐수를 처리하였다. 상기 폐수를 6, 8, 10 및 12시간 동안 배양하였다. COD를 측정하였다. 표 20의 결과는 COD의 효과적인 제거가 이루어졌다는 것을 보여준다.

활성화된 슬러지의 고분자 페이퍼 캐리어에의 부착을 배양 용기에서 또한 연구하였다. 슬러지 부착 상태 및 상등액의 투명성을 관찰하였다. 표 21은 공기-스파징 또는 회전 휠 중 임의의 것에 의해 혼합되는 동안 투명한 상등액 및 활성화된 슬러지의 거의 완벽한 부착을 나타내는 결과를 보여준다.

활성화된 슬러지 및 관련된 미생물의 부착 및 생장을 자세하게 이해하기 위하여, 주사 전자 현미경을 사용하였다. 발명자들의 결과는 캐리어 상 및 내부에서 명확한 미생물 생장 및 부착을 보여준다.

실시예 22

발명자들은 미생물이 부직 고분자 섬유 내 및 플라스틱 및 유기 유리 그물 상에서 생장한다는 것을 관찰하였다(도 15). 발명자들은 그리고 나서 부직 고분자 섬유, 플라스틱 그물, 유기 유리 그물, 알루미늄 그물, 알루미늄 합금 그물 및 스테인리스 그물을 부착된 배양되는 활성화된 슬러지 및 미생물에 대해 조사하였다. 발명자들은 부직 고분자 섬유 시트 및 플라스틱, 유기 유리로 된 그물이 알루미늄, 알루미늄 합금 및 스테인리스로 된 것들보다 활성화된 슬러지 및 미생물의 부착된 생장에 더 좋다는 것을 발견하였다(도 15). 따라서, 발명자들은 활성화된 슬러지 및 미생물의 부착된 생장을 위해 캐리어로써 플라스틱 또는 유기 유리 그물의 1-2 층 사이에 패킹된 부직 고분자 섬유를 사용하였다(도 15). 6 개월 실험을 통하여, 발명자들은 이 물질의 표면 상에 아무런 부식이 발생되지 않았음을 발견하였다.

실시예 23

지름 0.25 미터 회전 휠 배양 시스템을 이용하는 살포 시스템을 공정 개발에 사용하였다. 상기 원형 시스템은 도 21 a-f에 있다. 완전한 시스템은 혐기성 발효, 호기성 발효, O₃ 처리 및 Pi 제거를 포함한다. 이 시스템을 사용하여 폐수 처리를 연구하였다. 호기성 발효에 대해 4 시간 체류 시간의 처리 결과가 표 22에 있다. 게다가, 수조를 사용하여 수질을 생물학적으로 모니터링하였다. 일주일 동안 어떠한 물고기의 죽음도 관찰하지 못하였다. 놀랍게도, 물고기들을 수초와 함께 길렀을 때 총 포스페이트(TP) 및 총 암모니아 질소(NH4-N)가 상당히 감소하였다. 예를 들어 NH4-N이 20.0 mg/L로부터 7.1 mg/L로 감소하는 동안 TP는 0.8 mg/L로부터 0.2 mg/L까지 감소하였다. 이 결과는 마지막 투명한 물 탱크에서 물고기와 함께 수초의 사용이 TP 및 NH4-N을 감소시키는 것을 나타내었다.

몇 번의 시행 후, COD 수준과 같은 풍부한 폐수를 충전하는 것은 활성화된 슬러지의 바이오매스를 자동적으로 조절한다고 결론내렸다. 예를 들어, 폐수의 COD 충전이 더 높아질수록 페이퍼 캐리어에 부착되는 활성화된 슬러지의 바이오매스는 더 높아진다. 폐수의 COD 충전이 더 낮아질수록 활성화된 슬러지의 바이오매스는 더 낮아진다. 이 특징은 폐수 처리에 대한 안정한 살포 배양 시스템에 아주 많이 유리하다.

매우 놀랍게도, 발명자들은 호기성 발효 유닛 전에 O₃ 처리를 사용하였고, 발명자들의 결과는 10 mg/L 수준에서 O₃ 처리는 COD를 1001에서 650으로 감소시키고, 암모니아 질소를 37 mg/L에서 19 mg/L로 감소시켰다는 것을 나타내었다. 이 놀라운 결과는 O₃ 유닛 및 호기성 발효 유닛의 결합된 사용이 폐수 처리의 공정 개발에 대해 하나 초과의 선택을 더했다는 것을 나타내었다.

실시예 24

지름 1.0 미터 회전 휠 배양 시스템을 이용하는 살포 시스템을 일일 120 톤 처리 시설에 대해 설계하였다. 완전한 시스템은 혐기성 발효, 호기성 발효, O₃ 처리 및 Pi 제거를 포함한다. 이 시스템을 사용하여 일 당 120 톤 폐수 처리를 연구하였다. 각각의 호기성 유닛(유닛 당 2톤 작업 부피)에 대하여 COD 제거 200-500 그램/톤/시간을 예상하였다. 표 23은 25-30 ℃에서 4시간의 살포 배양 체류 시간에 2시간의 오존 처리를 더한 결과를 보여준다. 수조를 다시 사용하여 외부 수질을 생물학적으로 모니터링하였다. 발명자들은 안정한 폐수 처리 시스템이 확립되었다고 결론내렸다.

다시, 발명자들은 물고기들을 수초와 함께 길렀을 때 총 포스페이트(TP) 및 총 암모니아 질소(NH4-N)가 상당히 감소하였다는 것을 발견하였다. 예를 들어, NH4-N이 16.0 mg/L로부터 4.6 mg/L로 감소하는 동안 TP는 1.2 mg/L로부터 0.4 mg/L까지 감소하였다. 이 결과는 마지막 투명한 물 탱크에서 물고기와 함께 수초의 사용이 TP 및 NH4-N을 감소시키는 것을 다시 나타내었다.

기타 실시태양

본 명세서에서 공개된 모든 특징들을 임의의 조합으로 결합할 수 있다. 본 명세서에 공개된 각 특징들을 같은, 균등한, 또는 유사한 목적을 제공하는 다른 특징에 의해 대체할 수 있다. 따라서, 명확하게 달리 언급되지 않는다면, 공개된 각 특징은 단지 포괄적인 일련의 균등하거나 유사한 특징의 예이다. 상기 설명으로부터, 당업자는 본 발명의 기본 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 본 발명의 본질적인 특징을 쉽게 알 수 있고, 본 발명의 다양한 변경 및 변형을 만들어서 그것을 다양한 용도 및 조건에 적응시킬 수 있다. 따라서, 기타 실시태양은 또한 다음의 청구항의 범위 이내에 있다.

Claims (35)

1. 표면을 갖는 휠 플레이트; 및 표면 상의 그물 구조를 포함하는,
   주변 기체를 액체에 도입시키는 회전 휠 조립체.
2. 제1항에 있어서, 휠 플레이트의 일부분이 액체의 수면 위에 돌출되도록 위치하는, 휠 플레이트를 관통하는 축을 추가로 포함하는 회전 휠 조립체.
3. 제1항에 있어서, 상기 그물 구조가 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 또는 내오존성 플라스틱으로 만들어진 회전 휠 조립체.
4. 제1항에 있어서, 상기 그물 구조가 표면 상에 플라스틱 또는 금속 그물의 하나 이상의 층을 포함하는 회전 휠 조립체.
5. 제4항에 있어서, 상기 그물이 다이아몬드, 정사각형, 또는 육각형 모양을 가지는 망을 가지는 회전 휠 조립체.
6. 제4항에 있어서, 상기 그물이 지름이 0.5 - 2.0 cm인 망을 가지는 회전 휠 조립체.
7. 제4항에 있어서, 그물의 층으로부터 가장 가까운 휠쪽 층이 제1 크기를 가지는 복수개의 망을 포함하고, 복수개의 그물 층으로부터 가장 먼 휠쪽 층이 제2 크기를 가지는 복수개의 그물 망을 포함하고, 상기 제2 크기가 제1 크기보다 더 큰 회전 휠 조립체.
8. 제1항에 있어서, 상기 표면이 휠 플레이트의 측면인 회전 휠 조립체.
9. 제1항에 있어서, 상기 표면이 휠 플레이트의 주위 면인 회전 휠 조립체.
10. 제1항에 있어서, 상기 휠 조립체가, 각각 그물 구조의 배치를 위한 표면을 가진, 복수개의 휠 플레이트를 포함하는 회전 휠 조립체.
11. 제10항에 있어서, 상기 휠 조립체가,
    제1 휠 플레이트;
    제1 휠 플레이트와 공통 축을 가지고 탑재되고 축 방향을 따라서 제1 휠 플레이트로부터 분리된 제2 휠 플레이트; 및
    제1 및 제2 휠 사이에 펼쳐지고, 표면을 가진 복수개의 보드를 포함하고,
    상기 그물 구조가 보드의 표면에 배치되는, 회전 휠 조립체.
12. 제1항에 있어서, 상기 휠이 그물 구조의 하나 이상의 층으로 덮힌 회전 관인 회전 휠 조립체.
13. 기체의 기포를 혼입하는 수단;
    액체 표면 아래에 기포 혼입 수단을 담그는 수단 및 큰 크기의 공기 기포를 가두고 더 작은 크기로 잘라내는 수단을 포함하는,
    기체를 액체로 도입시키는 회전 휠 조립체.
14. 다수 회전 휠 조립체가 생물반응기 탱크 또는 챔버에 함께 조립되는,
    제1항 또는 제13항의 다수 회전 휠 조립체를 포함하는 장치.
15. 액체를 보유하는 탱크; 및
    탱크에 회전가능하게 탑재된 제1항의 휠 조립체를 포함하는,
    주변 기체를 액체에 도입시키는 생물반응기.
16. 제15항에 있어서, 탱크에 대한 밀폐 두껑을 추가로 포함하는 생물반응기.
17. 제15항에 있어서, 상기 기체가 공기, 산소, 오존, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂인 생물반응기.
18. 제15항에 있어서, 상기 그물 구조가 플라스틱, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸로 만들어지고 상기 기체가 공기, 산소, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂인 생물반응기.
19. 제15항에 있어서, 상기 그물 구조가 내오존성 플라스틱으로 만들어지고 상기 기체가 오존인 생물반응기.
20. 제19항에 있어서, 상기 탱크가 밀폐된 생물반응기.
21. 제16항에 있어서, 상기 액체가 화학물질, 바이러스, 미생물, 식물 세포, 또는 포유동물 세포를 포함하는 생물반응기.
22. 제21항에 있어서, 상기 미생물이 박테리아 또는 효모인 생물반응기.
23. 제15항에 있어서, 상기 액체가 물, 산업 폐수, 또는 하수를 포함하는 생물반응기.
24. 액체에 용해될 기체를 통하여 그물 구조를 반복적으로 이동시키는 단계; 및 그물 구조를 액체에 담그는 단계를 포함하고, 상기 액체가 탱크 안에 있는, 액체 처리 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 기체가 공기, 산소, 오존, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂인 방법.
26. 제24항에 있어서, 상기 그물 구조가 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 또는 플라스틱으로 만들어지고, 상기 기체가 공기, 산소, 방향성 기체, N₂, 또는 CO₂인 방법.
27. 제24항에 있어서, 상기 그물 구조가 내오존성 플라스틱으로 만들어지고 상기 기체가 오존인 방법.
28. 제27항에 있어서, 상기 탱크가 밀폐된 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 액체가 화학물질, 바이러스, 미생물, 식물 세포, 포유동물 세포를 포함하는 방법.
30. 제29항에 있어서, 상기 미생물이 박테리아 또는 효모인 방법.
31. 제24항에 있어서, 상기 액체가 물, 산업 폐수 또는 하수, 배양 배지, 또는 브로쓰를 포함하는 방법.
32. 휠 플레이트가 고체인 회전 휠 조립체.
33. 제15항에 있어서, 상기 탱크가 활성화된 슬러지를 추가로 포함하는 생물반응기.
34. 제15항에 있어서, 상기 활성화된 슬러지가 매트릭스에서 생장하는 생물반응기.
35. 제34항에 있어서, 상기 매트릭스가 플라스틱 그물 사이에 있는 고분자 부직물의 한 층을 포함하는 생물반응기.

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