KR20120054979A - 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 방법 및 그 시스템. - Google Patents
해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 방법 및 그 시스템. Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 해수 담수화 설비에서 생물학적 오염 정도를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 해수 담수화 설비로 유입되는 원시해수(raw seawater), 상기 원시해수를 전처리한 전처리수, 상기 전처리수가 담수화 공정을 거친 후 생성되는 생산수 및 농축 해수(brine) 중에서 선택되는 어느 하나를 채취하는 단계와, 상기 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수(brine)에 포함된 자연 형광체를 형광 분광광도계에 의해서 파장과 강도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 해수 담수화 시설의 설비를 별도로 분리하거나 분해하지 않고도 짧은 시간에 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수에 포함된 자연형광체 물질을 감지하여 생물학적 오염정도를 측정할 수 있고, 오염원을 판별할 수 있어 역삼투막과 같은 담수화 공정 설비의 교체 주기와 설비에 투입하는 살균제, 세정제의 종류와 양을 판단할 수 있다.
Description
본 발명은 해수 담수화 시설내의 생물학적 오염을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역삼투막과 같은 담수화 설비를 별도로 분리하지 않고도 역삼투막의 생물학적 오염 정도와 그 오염원을 판별할 수 있는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
해수 담수화 시설에서 역삼투막을 이용한 막 여과 공정은 해수의 담수화를 비롯하여 많은 산업이나 수처리 분야에서 널리 응용되고 있으며, 성능이나 에너지 효율 등의 면에서 우위성이 실증되어 왔다. 다른 한편으로 역삼투막 여과 공정에서는 피처리 수측(역삼투막 비투과수측)의 막면상에서 미생물이 바이오필름(biofilm)의 형태로 증식하여, 역삼투막의 조작 압력을 상승시키거나, 역삼투막의 투수량이나 분리 성능을 저하시키는 바이오파울링(biofouling, 생물오손 내지는 생물부착에 의한 오염) 현상이 운전상 문제가 되고 있다. 이는 다양한 오염물에 의해서 막 표면 오염(Surface fouling)이 발생하는 것으로서, 유기 또는 무기의 부유 입자, 용존 유기물(DOM), 용해 고체 및 biogenic 물질이 그 오염 물질이고, 주요 오염원은 대량의 유기물과 관련된 유기 오염이다.
"바이오필름"이란, 물이 흐를 때에 관벽이나 역삼투막면 상에 형성되는 미생물에 의해 형성되는 구조체로서, 주로 다당류나 단백질 등으로 이루어지는 세포외 중합체 물질과 세균을 포함하는 것이다.
역삼투막 여과 플랜트에서 바이오파울링의 대책으로서는, 피처리수에 바이오필름의 증식을 억제하는 살균제를 첨가하는 기술과, 역삼투막을 세정하는 세정제를 첨가하는 기술이 많이 제안되어 있다. 다만, 바이오파울링의 정도를 측정하여 살균제나 세정제의 첨가조건의 유효성을 정확하고 간편하게 평가, 검증할 수 있는 방법이 문제가 되었다.
종래 바이오파울링의 검출방법으로서, 첫 번째 방법은 역삼투막이나 바이오필름을 분해하지 않고 바이오필름 구조 자체를 분석하는 것으로서 원자력 현미경, 광간섭 단층촬영, 전자주사현미경, 자기 공명 영상, 공촛점 레이저주사현미경 및 투과전자현미경을 이용한 방법이나, 고가의 장비 및 전문가가 필요하고, 바이오파울링이 된 표면만을 확인할 수 있는 문제점이 있다.
두 번째 방법은 PCR 증폭산물의 실시간 모니터링(real-time PCR), 제한효소단편길이다형성(RFLP) 분석, denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE) 유전자 분석, 제자리형광잡종화(fluorescence in situ hybridization) 등의 생물학적 분석 방법이 있으나, 수일의 시간이 소요되고, 역시 전문가가 필요하다는 문제점이 있었다.
세 번째 방법은 바이오 매스 축적을 통해 바이오파울링을 정량 분석하는 것으로서, ATP 측정법, 직접계수법(total direct cell count, TDC), 종속 영양체 평판 계수(heterotrophic plate count, HPC) 등이 있으나, 이러한 기술 역시 전문적인 지식이 필요하고, 화학적 효소를 소모하는 점에서 문제가 있고, TDC는 큰 표준 편차가 있으며 HPC는 미생물 표본의 작은 일부분만 확인할 수 있다는 문제점이 있었다.
따라서, 해수 담수화 설비에서 역삼투막 같은 설비를 분해하거나 분리하지 않고 짧은 시간에 바이오파울링의 정도(생물학적 오염 정도)를 감시할 수 있는 방법이 필요한 실정이고, 또한 해수 담수화 설비내의 해수에 포함된 자연형광체를 이용한 바이오파울링 감시방법은 보고되어 있지 않았다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 해수 담수화 시설의 설비를 별도로 분리하지 않고 생물학적 오염 정도를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 해수 담수화 시설에서 형광 분광 광도계 장치에 의해서 해수 담수화 설비의 생물학적 오염을 측정하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
해수 담수화 설비로 유입되는 원시해수(raw seawater), 상기 원시해수를 전처리한 전처리수, 상기 전처리수가 담수화 공정을 거친 후 생성되는 생산수 및 농축 해수(brine) 중에서 선택되는 어느 하나를 채취하는 단계와, 상기 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수(brine)에 포함된 자연 형광체를 형광 분광광도계에 의해서 파장과 강도를 측정하는 단계를 포함하여 해수 담수화 시설의 생물학적 오염을 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 형광 분광광도계의 파장 측정 범위는 220 ~ 600㎚일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 자연 형광체는 색소성 지질(lipo-pigment), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드 인산(NADPH), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드(NADH), 플라빈 보조효소, 티로신, 트립토판, 풀브산(fulvic acid) 및 휴믹산(humic acid)으로 이루어진는 군에서 1종 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 해수 담수화 설비는 원수 취수부, 전처리부 및 삼투막 모듈을 가지는 역삼투막 여과부를 포함하는 역삼투막 여과 플랜트일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
해수 담수화 설비에 있어서, 상기 해수 담수화 설비로 유입되는 원시해수(raw seawater), 상기 원시해수를 전처리한 전처리수, 상기 전처리수가 담수화 공정을 거친 후 생성되는 생산수 및 농축 해수(brine) 중에서 선택되는 어느 하나에서 자연 형광체를 감지하는 형광 분광 광도계 장치를 더 포함하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 해수 담수화 설비는 원수 취수부, 전처리부 및 삼투막 모듈을 가지는 역삼투막 여과부를 포함하는 역삼투막 여과 플랜트일 수 있다.
본 발명에 따르면, 해수 담수화 시설의 설비를 별도로 분리하거나 분해하지 않고도 짧은 시간에 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수에 포함된 자연형광체 물질을 감지하여 생물학적 오염정도를 측정할 수 있고, 오염원을 판별할 수 있어 역삼투막과 같은 각종 담수화 공정 설비의 교체 주기와 설비에 투입하는 살균제, 세정제의 종류와 양을 판단할 수 있다.
도 1은 역삼투막 시스템을 포함하는 해수 담수화 플랜트의 개략도이다. 노란색 원을 샘플을 채취하는 지점으로서, 각각 전처리 전의 원시 해수, 전처리 후 RO 멤브레인 통과 전의 전처리수, 농축해수, 생산수이다.
도 2a는 원시 해수에 대한 여기 발광 형광을 분석한 등고선 플롯이다.
도 2b는 역삼투막에 쌓인 생물학적 막 오염물질에 대한 여기 발광 형광을 분석한 등고선 플롯이다.
도 2a는 원시 해수에 대한 여기 발광 형광을 분석한 등고선 플롯이다.
도 2b는 역삼투막에 쌓인 생물학적 막 오염물질에 대한 여기 발광 형광을 분석한 등고선 플롯이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 해수 담수화 시설내의 설비의 바이오파울링(biofouling, 생물부착에 의한 생물오염)정도를 측정하는 것으로서, 그 설비는 취수 펌프, 취수관, 담수화 시설 공정의 배관 및 여과막 등이 그 대상이 될 수 있다. 특히, 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 역삼투막 시스템을 이용한 해수의 담수화 플랜트에서 역삼투막의 바이오파울링(biofouling, 생물부착에 의한 생물오염)의 정도와 그 오염원을 감지하여 역삼투막 시스템의 교체 주기 또는 살균제, 세정제의 투입양을 사전에 판단할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 역삼투막 시스템을 이용한 해수 담수화 플랜트 시스템에서 RO(reverse osmosis) 멤브레인 여과막의 오염 정도를 여과막을 플랜트에서 별도로 분리하지 않고 원시해수(raw seawater), 취수탱크를 통과하고 전처리한 전처리수, 여과막 시스템을 통과한 생산수 및 농축해수(brine)를 채취하여 각각에 포함된 자연형광체 물질을 형광 분광 광도계에 의해서 바이오파울링 정도와 그 오염원을 측정하는 방법에 관한 것이다.
이에 따라, 본 발명은 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수(brine)를 각각 채취하고, 상기 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수(brine)에 포함된 자연 형광체를 형광 분광광도계에 의해서 파장과 강도를 측정하여 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 정도와 그 오염원을 측정한다.
원시 해수는 직접적으로 바다의 표층부분에서 취한 것일 수도 있고, 심층수에서 취한 것일 수도 있으며, 전처리수는 상기 원시 해수를 모래여과장치, 부상 분리 장치, 한외 여과막이나 정밀 여과막, 루스 역삼투막 등에 의한 막처리를 거친 것을 의미한다. 이러한 전처리수를 역삼투막 모듈을 포함하는 여과장치에 통과시켜서 투과된 투과수가 생산수이고, 농축해수(brine)는 비투과수로서 다시 바다로 폐기되는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 의하면, 상기 형광 분광 광도계는 입체 여기 발광형광 분석장치(Three-dimensional excitation-emission (EEM) fluorescence spectroscopy)로서 높은 감도와 시료의 분해 없이 높은 선택도를 가지는 것이 바람직하고, 이에 의해서 용존 유기물의 특성을 파악하는 시료 분석 시간이 짧고 장치의 사용이 쉬운 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 자연 형광체는 색소성 지질(lipo-pigment), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드 인산(NADPH), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드(NADH), 플라빈 보조효소, 티로신, 트립토판, 풀브산(fulvic acid) 또는 휴믹산(humic acid) 등의 물질일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 본 발명에 따른 형광 분광광도계의 파장 측정 범위는 220 ~ 600㎚일 수 있다.
바이오파울링은 다양한 오염물에 의해서 막 표면 오염(surface fouling)이 발생하며, 유기 또는 무기의 부유 입자, 용존유기물질(dissolved organic matter, DOM), 용해 고체 및 biogenic 물질이 그 오염 물질일 수 있고, 대부분의 해수 담수화 공정의 주요 오염원에 해당한다.
박테리아 셀의 표면은 셀 표면과 상호작용을 하는 용존 유기물 종류의 일종인 지질다당체(lipopolysaccharides, LPS)와 멤브레인의 세포외 고분자물질(extra cellular polymeric substances, EPS)을 포함하고, 박테리아 셀은 아미노산, 색소성 지질(lipo-pigment), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드 인산 (pyridinic NADPH), 플라빈 보조효소 등과 같은 자연 형광체를 포함한다. 이러한 자연 형광체는 특징적인 여기 및 발광(형광)의 파장을 가지고 있어 이를 감지하여 형광체의 종류를 확인할 수 있다.
바이오파울링(biofouling)의 초기 단계에서 대부분의 물질들은 해수 담수화 설비, 특히 역삼투막의 표면에 부착하여 생물막(biofilm)을 형성한다. 생물막을 형성한 후에 미생물 분자 덩어리가 떨어져서 벗겨지고 다시 부착하는 과정을 반복하게 된다. 역삼투막 공정으로부터 농축폐수로 상기의 물질이 유동되고, 이때 리포지질 다당류체(lipopolysaccharide, LPS), 세포외 고분자 물질(extra cellular polymeric substances, EPS), 용존유기물질(dissolved organic matter, DOM), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드(NADH)와 같은 생물학적 오염물질이 염수에 농축된다. 생물학적 오염물질은 대부분 자연 형광체이기에 염수에서 자연형광체를 감지하는 것으로 역삼투막의 생물오염을 확인할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 원수 취수부, 전처리부 및 삼투막 모듈을 가지는 역삼투막 여과부를 포함하는 역삼투막 여과 플랜트에서 상기 원수 취수부의 원시 해수, 전처리부를 통과한 전처리수, 역삼투막 여과부를 통과한 농축 해수 및 생산수에서 각각 자연 형광체를 감지하는 형광 분광 광도계 장치를 더 포함하는 생물학적 오염 측정 시스템인 것을 특징으로 한다.
하기 도 1의 일반적인 역삼투막 여과 플랜트에서, 원시 해수를 취수한 취수 탱크와 RO 멤브레인 시스템을 통과한 농축 해수(brine)가 흐르는 배관에 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 입체 여기 발광 형광 분석장치를 더 포함하여 농축 해수에 포함되어 있는 자연 형광체를 측정할 수 있는 역삼투막의 생물학적 오염 측정 시스템일 수 있다.
본 발명에 따른 해수 담수화 설비에서 생물학적 오염 측정 대상이 되는 시료 채취를 원시해수, 전처리수, 생산수(여과공정 투과수) 및 농축해수(여과공정 비투과수)로 하여 설명하였으나, 해수 담수화 시설내의 각종 설비, 예를 들면, 취수관, 취수 탱크, 전처리 여과장치, 각종 펌프 및 배관, 역삼투막 모듈 등의 여과막, 배출관 등에서도 시료를 각각 채취하여 생물학적 오염정도를 측정할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
실시예 1
우선, 농축해수의 시료는 Fujairah(United Arb Emirates), 연도, 독도에 위치한 역삼투막 플랜트에서 각각 채취하였다. 샘플 시료는 연도, 독도 플랜트 4가지 지점에서 채취하였고, 4가지 지점은 각각 해수 원수, RO 멤브레인 시스템 유입직전 전처리수, RO 멤브레인을 거친 농축 해수, 생산수이다. 또한, Fujairah 플랜트의 급수와 생물학적 오염된 멤브레인을 재료로 하였다.
상기 샘플 시료는 형광분석장치(F-2500 FL spectrophotometer, Hitachi High-Technologies Corporation, Japan)로 분석하였고, 10nm의 샘플링 간격으로 여기와 방출 모두 220 ~ 600nm의 범위에서 수행하였다. 여기 및 방출 슬릿은 5nm로 유지하고, 스캐닝 속도는 3000nm/min로 설정하여 시료를 분석하였다.
하기 도 2a는 원시 해수를 채취하여 샘플 시료로 제조한 후에, 이에 대한 여기 발광 형광을 분석한 등고선 플롯이다.
하기 도 2b는 역삼투막을 통과한 농축해수를 채취하여 샘플 시료로 제조한 후에, 이에 대한 여기 발광 형광을 분석한 등고선 플롯이다.
상기 도 2a와 도 2b에서, 현저하게 구분되는 피크로서 A, B, C, D, F의 다섯 개 피크가 있고, 피크 A와 D는 티로신이나 트립토판 또는 이와 유사 단백질과 같은 방향족 단백질과 관련된 것이고, 나머지 B, C는 자연 해수에 풍부하게 존재하는 부식산인 휴믹 물질과 관련되어 있다. 피크 F는 티로신, 프로틴, 페놀 또는 이와 유사물질과 관련되어 있다. 원시해수와 농축해수에는 수많은 단백질과 다양한 용존 유기물이 존재하고 있음을 보여준다.
농축 해수는 원시 해수보다 피크가 단순함을 알 수 있으며, 이는 생물오염원의 대부분이 생물학적으로 유사한 합성분자로 구성되어있음을 알 수 있다. 따라서, 형광분석장치에 의해서 생물오염원을 구분할 수 있다.
하기 [표 1] 및 [표 2]에 각각 연도와 독도에 있는 해수 담수화 플랜트에서 채취한 샘플 시료에 대한 형광 여기 발광 파장과 강도를 나타내었다.
하기 표에서 DOC(dissolved organic carbon)는 용존 유기 탄소를 나타내고, Cond는 전도도를 나타낸다.
| 구분 (연도) |
DOC (㎎/L) |
Cond. (mS/㎝) |
peak 1 (220/290) |
peak 2 (270-280/410-440) |
peak 3 (330/410) |
peak 4 (230/330-340) |
| 강도 | 강도 | 강도 | 강도 | |||
| 원시해수 | 3.83 | 34.1 | 79.91 | 132.7 | 96.18 | 60.70 |
| 농축해수 | 3.99 | 42.0 | 76.39 | 80.80 | 91.97 | 38.52 |
| 전처리수 | 4.22 | 36.4 | 83.44 | 72.07 | 84.51 | 63.96 |
| 생산수 | 0.54 | 0.39 | 149.7 | - | - | 79.83 |
| 구분 (독도) |
DOC (㎎/L) |
Cond. (mS/㎝) |
peak 1 (220/290) |
peak 2 (250-260/400-410) |
peak 3 (330-340/410) |
| 강도 | 강도 | 강도 | |||
| 원시해수 | 7.37 | 50.8 | 115.3 | 76.72 | 118.1 |
| 농축해수 | 7.09 | 51.1 | 125.8 | 52.59 | 84.17 |
| 전처리수 | 7.35 | 50.6 | 109 | 92.74 | 89.99 |
| 생산수 | 0.49 | 0.58 | 142.6 | - | - |
상기 [표 1] 및 [표 2]에서 보는 바와 같이, 피크 1, 4는 프로틴 물질과 관련된 피크이고, 피크 2-1은 휴믹물질, 피크 3은 풀브산과 관련된 것이다. 각 물질과 관련된 파장 범위 피크의 강도가 원시 해수보다 농축 해수에서 감소함을 알 수 있다. 이는 강도의 차이만큼 역삼투막이 바이오파울링이 되어 있음을 의미하여 그 오염정도와 각 피크별로 오염원을 확인할 수 있다.
Claims (6)
- 해수 담수화 설비로 유입되는 원시해수(raw seawater), 상기 원시해수를 전처리한 전처리수, 상기 전처리수가 담수화 공정을 거친 후 생성되는 생산수 및 농축 해수(brine) 중에서 선택되는 어느 하나를 채취하는 단계; 및
상기 원시해수, 전처리수, 생산수 또는 농축해수(brine)에 포함된 자연 형광체를 형광 분광광도계에 의해서 파장과 강도를 측정하는 단계;를 포함하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 형광 분광광도계의 파장 측정 범위는 220 ~ 600㎚인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자연 형광체는 색소성 지질(lipo-pigment), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드 인산(NADPH), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오타이드(NADH), 플라빈 보조효소, 티로신, 트립토판, 풀브산(fulvic acid) 및 휴믹산으로 이루어진는 군에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 해수 담수화 설비는 원수 취수부, 전처리부 및 삼투막 모듈을 가지는 역삼투막 여과부를 포함하는 역삼투막 여과 플랜트인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 방법. - 해수 담수화 설비에 있어서,
상기 해수 담수화 설비로 유입되는 원시해수(raw seawater), 상기 원시해수를 전처리한 전처리수, 상기 전처리수가 담수화 공정을 거친 후 생성되는 생산수 및 농축 해수(brine) 중에서 선택되는 어느 하나에서 자연 형광체를 감지하는 형광 분광 광도계 장치를 더 포함하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 해수 담수화 설비는 원수 취수부, 전처리부 및 삼투막 모듈을 가지는 역삼투막 여과부를 포함하는 역삼투막 여과 플랜트인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 시설의 생물학적 오염 측정 시스템.
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