KR20190054234A - 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 그에 의한 미세조류 배양방법 - Google Patents

미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 그에 의한 미세조류 배양방법 Download PDF

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Abstract

생물전기화학장치로 처리된 축산폐수의 오염물질을 충분하게 제거하고, 동시에 이산화탄소 제거 또는 바이오매스 생산과 같은 유용한 산물을 산출하는 광독립영양 미세조류를 고농도로 대량 배양을 할 수 있는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 그에 의한 배양방법을 제시한다. 그 장치 및 방법은 생물전기화학적으로 축산폐수를 처리하는 생물전기화학적 처리기와, 생물전기화학적 처리기에 연동되며 처리기에 의해 처리된 축산폐수를 이용하여 광독립영양 미세조류를 배양하는 배양기와, 배양기 외부에 배치되고 배양기를 향하여 빛을 조사하는 광조사부 및 배양기 외부에 배치되고 배양기에 무기탄소를 공급하는 무기탄소 공급펌프를 포함한다.

Description

미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 그에 의한 미세조류 배양방법{Apparatus of treating animal waste water using microalgae and method of cultivating the microalgae by the apparatus}
본 발명은 축산폐수 처리장치 및 배양방법에 관한 것으로, 보다 상세하기는 생물전기화학적으로 처리된 축산폐수를 배양액으로 활용하여 바이오매스에 활용되는 미세조류를 배양하여 축산폐수를 처리하는 장치 및 미세조류의 배양방법에 관한 것이다.
광합성을 하는 광독립영양 미세조류를 활용하면, 이산화탄소, 질소, 인 등의 무기 오염물질의 제거를 통해 기후변화에 대응하고 환경 친화적 수질 오염방지가 동시에 가능하다. 또한, 상기 미세조류는 이산화탄소를 고정하여 생체에 지질로 축적하므로, 바이오매스에 축적된 지질을 이용한 바이오디젤의 생산에 활용될 수 있다. 이에 따라, 상기 미세조류는 유한한 에너지원인 화석연료를 대체할 생물학적 에너지로 큰 관심을 받고 있다. 한편, 미세조류를 이용하여 이산화탄소 제거 또는 바이오매스와 같은 유용한 산물을 실용화하기 위해서는, 광독립영양 미세조류를 고농도로 대량 배양하는 기술이 필요하다.
한편, 축산폐수에는 미세조류의 배양에 유용한 유기물질, 질소 및 인을 다량으로 포함하고 있다. 미세조류를 이용한 축산폐수 처리에 대하여, 클로렐라(Chlorella)와 세네데스무스 쿼드리카우다(Scenedesmus quadricauda)를 적용하여 액상분뇨로부터 질소와 인의 제거하는 방법을 제시하고 있다. (Wang, H., Xiong, H., Hui, Z. and Zeng, X. (2012) Mixotrophic cultivation of Chlorella pyrenoidosa with diluted primary piggery wastewater to produce lipids. Bioresour Technol 104, 215-220, Wong, Y.K., Yung, K.K.L., Tsang, Y.F., Xia, Y., Wang, L. and Ho, K.C. (2015) Scenedesmus quadricauda for Nutrient Removal and Lipid Production in Wastewater. Water Environment Research 87(12), 2037-2044) 또한, 축산폐수의 효율적 처리를 위하여, 광합성 미세조류인 스피룰니나(Spirulina platensis) 배양 공정의 최적화를 제시하고 있다.(Cheunbarn, S. and Peerapornpisal, Y. (2010) Cultivation of Spirulina platensis using Anaerobically Swine Wastewater Treatment Effluent. International Journal of Agriculture and Biology 12(4), 586-590) 그런데, 종래의 미세조류를 이용한 축산폐수 처리는 유기물질, 질소 및 인과 같은 오염물질의 제거에 매우 효과적이어서 방류수 수질기준 만족에는 유리하지만, 단순한 타당성 평가에 그치고 있는 정도로 아직 구체화되지 않고 있다.
한편, 생물전기화학장치는 전극에서 발생되는 전자에 의해 산화환원물질을 환원시키고 이들을 인위적인 전자공여체로 사용하거나, 또는 환원전극을 전자공여체로 사용해서 미세조류의 혐기성 호흡을 지원할 수 있다. 생물전기화학장치는 비교적 저렴한 비용으로 축산폐수의 오염물질을 제거할 수 있다. 그런데, 생물전기화학장치로 축산폐수를 처리한다고 해도, 처리된 축산폐수 내의 유기물질, 질소 및 인과 같은 오염물질이 충분하게 제거되지 않는다. 이에 따라, 생물전기화학장치로 처리된 축산폐수의 보다 효과적인 정화 및 활용이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 생물전기화학장치로 처리된 축산폐수의 오염물질을 충분하게 제거하고, 동시에 이산화탄소 제거 또는 바이오매스 제조와 같은 유용한 산물을 산출하는 광독립영양 미세조류를 고농도로 대량 배양을 할 수 있는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 그에 의한 배양방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치는 생물전기화학적으로 축산폐수를 처리하는 생물전기화학적 처리기 및 상기 생물전기화학적 처리기에 연동되며 상기 처리기에 의해 처리된 축산폐수를 이용하여 광독립영양 미세조류를 배양하는 배양기를 포함한다. 또한, 상기 배양기 외부에 배치되고 상기 배양기를 향하여 빛을 조사하는 광조사부 및 상기 배양기 외부에 배치되고 상기 배양기에 무기탄소를 공급하는 무기탄소 공급펌프를 포함한다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 배양기는 상기 생물전기화학적 처리기에 의해 처리된 상기 축산폐수가 인입되어 상기 광독립영양 미세조류를 배양하기 위한 배양액을 이루는 배양조 및 상기 배양조 외부에 배치되며 상기 생물전기화학적 처리기에 의해 처리된 축산폐수를 상기 배양조로 투입하기 위하여 상기 축산폐수를 저장하는 유입수 저장부를 포함한다. 또한, 상기 배양조의 내부에 위치하며 상기 배양액에 포함된 방출수를 분리하는 분리막 및 상기 배양조 외부에 배치되며 상기 분리막에 의해 분리된 상기 방출수를 저장하는 방출수 저장부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 장치에 있어서, 상기 유입수 저장부 및 상기 배양조 사이에 위치하며, 상기 생물전기화학적 처리기에 의해 처리된 상기 축산폐수를 상기 배양조로 투입하는 투입펌프 및 투입관을 포함할 수 있다. 상기 방출수 저장부 및 상기 배양조 사이에 위치하며, 상기 방출수를 상기 방출수 저장부로 방출하는 방출펌프 및 방출관을 포함할 수 있다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 광조사부는 복수개로 배열된 광원으로 이루어지거나 일측의 광원에서 조사되는 빛을 반사하는 반사부를 활용할 수 있다. 상기 배양조는 상기 광조사부의 빛이 투과하도록 투명한 재질을 포함하여 이루어진다. 상기 무기탄소는 공기 중의 이산화탄소일 수 있다. 상기 광독립영양 미세조류는 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii)일 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법은 먼저, 생물전기화학적으로 처리된 축산폐수를 광독립영양 미세조류를 포함하는 배양조에 투입하여 배양액을 형성한다. 그후, 상기 배양액의 배양온도 25~28℃, 광밀도 160~220 μmol/m2/sec 및 무기탄소를 위한 공기 유입량 5~10 L/min로 하여 상기 광독립영양 미세조류를 배양한다. 상기 배양액 중의 방출수를 분리막에 의해 분리한다. 상기 분리막에 의해 분리된 방출수를 방출수 저장부에 저장한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 배양된 미세조류는 전이 에스테르화 과정을 통하여 바이오디젤을 생산할 수 있다.
본 발명의 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치 및 그 미세조류 배양방법에 의하면, 생물전기화학적으로 처리된 축산폐수를 배양액으로 활용하여 광독립영양 미세조류를 배양함으로써, 생물전기화학장치로 처리된 축산폐수의 오염물질을 충분하게 제거하고, 동시에 이산화탄소 제거 또는 바이오매스 제조와 같은 유용한 산물을 산출하는 광독립영양 미세조류를 고농도로 대량 배양을 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 축산폐수 처리장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 배양기를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 운전조건에서 배양을 거친 보트리오코커스 브라우니 농도를 시간에 따라 보여주는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 축산폐수 처리장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 처리장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 생물전기화학적으로 처리된 축산폐수를 배양액으로 활용하여 광독립영양 미세조류를 배양함으로써, 생물전기화학장치로 처리된 축산폐수의 오염물질을 충분하게 제거하고, 동시에 이산화탄소 제거 또는 바이오매스 제조와 같은 유용한 산물을 산출하는 광독립영양 미세조류를 고농도로 대량 배양을 할 수 있는 축산폐수 처리장치 및 그 배양방법을 제시한다. 즉, 본 발명의 실시예는 광독립영양 미세조류의 배양 및 축산폐수의 정화를 동시에 구현하는 것이다. 이를 위해, 생물전기화학적으로 처리된 축산폐수에 의해 광독립영양 미세조류를 배양하는 장치를 구체적으로 살펴보고, 상기 장치에 의해 축산폐수가 정화되고 상기 미세조류가 배양되는 과정을 상세하게 설명하기로 한다.
광독립영양 미세조류는 빛을 에너지원으로 하여 영양분을 만드는 세균으로 빛과 이산화탄소를 이용하여 에너지와 영양물질을 만들어낸다. 즉, 빛에너지를 이용해 탄소동화작용을 하는 세균을 의미하며, 무기원소, 무기화합물과 빛을 이용하여 포도당이나 그 생명활동에 필요한 화합물을 합성한다. 광독립영양 미세조류는 광합성작용을 하는 녹색식물과 유사하게 산소를 배출하고 물을 전자공여체로 이용한다. 하지만 녹색식물과 다르게 매우 빠르게 성장하며 단위 면적당 에너지 생산 잠재력이 크다. 광독립영양 미세조류는 주로 홍색 및 녹색세균으로 나누며, 할로박테리아를 포함시키기도 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 축산폐수 처리장치를 나타내는 블록도이다. 다만, 엄밀한 의미의 블록도를 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 블록도 상에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1에 의하면, 본 발명의 축산폐수 처리장치는 생물전기화학적 처리기(100) 및 배양기(200)가 연동되어 있다. 배양기(200)는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 생물전기화학적 처리기(100)는 전극에서 발생되는 전자에 의해 산화환원물질을 환원시키고 이들을 인위적인 전자공여체로 사용하거나, 또는 환원전극을 전자공여체로 사용해서 본 발명의 미세조류의 혐기성 호흡을 도와준다. 생물전기화학적 처리기(100)는 비교적 저렴한 비용으로 축산폐수 내의 유기물질, 질소 및 인과 같은 오염물질을 제거할 수 있다. 이러한 생물전기화학적 처리기(100)는 이미 공지된 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 축산폐수를 생물전기화학적 처리기(100)에 의해 처리를 한다고 해도, 상기 오염물질이 충분하게 제거되지 않는다. 배양기(200)는 생물전기화학적 처리기(100)에 의해 처리된 축산폐수 내의 오염물질을 광독립영양 미세조류를 활용하여 제거한다. 상기 오염물질은 생물전기화학적 처리기(100) 및 배양기(200)를 거쳐 제거된다. 이와 같이 축산폐수 내의 오염물질을 생물전기화학적 처리기(100) 및 배양기(200)에 의해 중복하여 제거하므로, 축산폐수의 정화를 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
도 2는 도 1의 배양기(200)를 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 본 발명의 범주 내에서 배양의 기능을 원활하게 수행하고 확장시키기 위한 공지의 요소, 예를 들어 제어하는 장치를 부가할 수 있다.
도 2에 의하면, 배양기(200)는 유입수 저장부(10), 배양조(15), 광조사부(13), 분리막(16) 및 방출수 저장부(23)을 포함하여 이루어진다. 유입수 저장부(10) 및 방출수 저장부(23)는 각각 배양조(15) 외부의 일측 및 타측에 배치된다. 유입수 저장부(10)는 생물전기화학적 처리기(100)로부터 처리되어 유입된 축산폐수(TW)를 저장한다. 즉, 축산폐수(TW)는 생물전기화학적 처리기(100)를 거친 축산폐수로 한정된다. 축산폐수(TW)는 투입펌프(11)를 이용하여 투입관(12)을 통하여 배양조(15)로 투입된다. 투입펌프(11)는 축산폐수(TW)를 흡입하는 역할을 한다. 투입펌프(11)에 의한 축산폐수(TW)를 흡입하는 과정은 연속적으로 이루어지거나 또는 필요에 따라 단속적으로 진행될 수 있다.
배양조(15) 외부의 적어도 일측에는 배양조(15)를 향하여 빛을 조사하는 광조사부(13)가 배치된다. 광조사부(13)는 미세조류가 광합성이 충분하게 이루어지도록 백색광을 출사하는 예컨대 LED 모듈을 사용하는 것이 바람직하다. 미세조류의 종류에 따라, 상기 백색광 이외에도 녹색광 등이 부가될 수도 있다. 광조사부(13) 및 배양조(15) 사이의 거리(D)는 광조사부(13)에서 출사되는 광강도, 배양조(15)의 광투과도, 미세조류의 배양 효율 등을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 광조사부(13)는 복수개의 광원을 배열하여 제조하거나, 일측의 광원에서 조사되는 빛을 반사시키는 반사갓과 같은 반사부를 활용할 수 있다.
배양조(15)는 미세조류를 함유하며, 배양조 지지대(14)에 의해 지지된다. 배양조(15)는 빛이 투과되는 투명한 재질, 예컨대 아크릴로 이루어지며, 상기 투명한 부분이 배양조(15)에서 차지하는 면적, 투명한 부분의 형상은 광조사부(13) 및 배양조(15)의 형상 등을 고려하여 설정될 수 있다. 구체적으로, 배양조(15)는 원통 형태 또는 각을 이루는 형태 또는 이들이 혼합된 형태로 이루어질 수 있으며, 이에 부합하여 광조사부(13)는 라운딩되거나 평탄한 모양을 가진다. 물론, 배양조(15)의 형상과 무관하게, 광조사부(13)는 출사되는 빛이 배양조(15)에 균일하게 조사되도록 설계된다. 도면에서는 사각통 형태의 배양조(15) 및 그에 따른 광조사부(13)를 표현하였으며, 광조사부(13)는 사각통 형태의 배양조(15)의 양 측에 배치된다.
배양조(15)의 외부에는 배양조(15)에 이산화탄소(CO2)와 같은 무기탄소를 공급하는 무기탄소 공급펌프(19)가 설치된다. 상기 무기탄소는 빛과 함께 미세조류에 의해 광합성을 일으키는 필수적인 요소이다. 이산화탄소(CO2)는 축산폐수(TW)에 용해되며, 상기 무기탄소를 공급하는 무기탄소 공급원이 될 수 있다. 상기 이산화탄소는 하나의 사례를 제시한 것에 불과하며, 본 발명의 범주 내에서 다른 무기탄소 공급원을 활용할 수도 있다. 무기탄소 공급펌프(19)는 상기 이산화탄소를 포함하는 공기를 흡입함으로써, 상기 무기탄소를 배양조(15)에 용해된다. 무기탄소 공급펌프(19)로부터 흡입되는 공기는 무기탄소 공급관(20)을 통하여 배양조(15)로 투입된다. 무기탄소 공급펌프(19)에 의한 공기의 흡입은 연속적으로 이루어지거나 또는 필요에 따라 단속적으로 진행될 수 있다. 무기탄소 공급펌프(19)는 실질적으로 공기 주입펌프라고도 할 수 있다.
배양조(15)에는 축산폐수(TW) 및 무기탄소가 혼재된 배양액(CW)에 광독립영양을 하는 미세조류가 담지된다. 배양액(CW)는 무기탄소를 포함한다는 점에서 생물전기화학적 처리기(100)를 거친 축산폐수(TW)와 구별된다. 상기 미세조류는 빛과 무기탄소를 이용하여 광합성을 하며, 축산폐수(TW)가 제공하는 유기물질, 질소 및 인을 영양소로 하여 배양이 이루어진다. 즉, 축산폐수(TW)는 상기 미세조류를 대량으로 배양되기 위한 영양소를 공급한다. 이와 같이 본 발명의 실시예에 의한 축산폐수 처리기는 생물전기화학적 처리 및 미세조류의 배양이 연속적으로 수행된다. 종래에는 상기 영양소를 불연속적으로 별도의 장치를 이용하여 투입해야 했지만, 본 발명의 배양기(200)는 생물전기화학적 처리기(100)로부터 직접 연속적으로 공급받는다.
배양조(15) 내부에는 분리막(16), 가열기(17), 교반기(18)를 구비할 수 있다. 분리막(16)은 굳이 이에 한정되는 것은 아니지만, 대략 0.2㎛의 공극을 가지는 멤브레인(membrane)으로써, 배양조(15)의 배양액(CW)에 포함된 방출수(DW)를 분리한다. 분리막(16)에 의해 분리된 방출수(DW)는 방출펌프(21) 및 방출관(22)을 거쳐 방출수 저장부(23)에 저장된다. 분리막(16)을 이용하여 배양액(CW)으로부터 방출수(DW)를 추출되면서, 배양조(15)에는 배양되는 미세조류의 밀도가 높아진다. 즉, 상기 미세조류는 방출수(DW)에는 포함되지 않고 배양조(15)에 잔존한다.
배양된 상기 미세조류는 회수되어 전이 에스테르화 과정을 통하여 바이오 디젤 등의 바이오매스의 생산에 활용될 수 있다. 미세조류에 의한 바이오매스를 제조하는 과정은 공지의 방법이 활용된다. 또한, 상기 미세조류가 축산폐수(TW)에 포함된 유기물질, 질소 및 인 등의 오염물질을 흡수하여 제거하므로, 방출수(DW)에는 축산폐수(TW)에 비해 상기 오염물질이 획기적으로 감소된다. 다시 말해, 본 발명의 축산폐수 처리장치는 추후에 바이오매스의 생산에 활용되는 미세조류를 대량으로 생산하고, 오염물질이 획기적으로 정화된 방출수(DW)를 얻을 수 있다.
가열기(17) 및 교반기(18)는 배양액(CW)의 온도를 조절하고 교반하는 기기이다. 가열기(17) 및 교반기(18)는 통상적으로 사용되는 장치를 활용할 수 있으며, 가열기(17)의 위치는 배양액(CW)의 온도를 적절하게 조절할 수 곳에 장착될 수 있다. 도면에서는, 가열기(17)가 배양조(15)의 하부에 설치된 것을 표현하였으나, 배양액(CW)의 온도를 효과적으로 조절하는 관점에서 다른 위치에 설치될 수도 있으며, 심지어 배양조(15)의 외벽에 부착될 수도 있다. 교반기(18)는 기계식, 자석식 등의 다양한 방식이 가능하나, 도면에서는 기계식을 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 최적으로 축산폐수 처리방법을 제시한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 적용되는 광독립영양 미세조류는 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii)가 바람직하다. 상기 보트리오코커스 브라우니는 담수, 염분 호수, 온대, 열대 지방 등에 널리 분포하는 군집형 미세조류로서, 체내 오일함량이 최대 75%로 다른 조류에 비해 월등히 높고 생산되는 지질은 바이오디젤로 전환하기가 매우 용이한 종이다. 이에 따라, 본 발명에서는 광독립영양 미세조류로서, 보트리오코커스 브라우니가 적용된다.
상기 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii)의 최적의 배양조건은 배양온도 25~28℃, 광밀도 160~220 μmol/m2/sec 및 무기탄소를 위한 공기 유입량은 5~10 L/min이 좋다. 배양온도 25~25℃는 미세조류가 배양되기 위한 최적으로 조건으로 가열기(17)에 의해 조성된다. 상기 광밀도는 미세조류 배양에 대한 다른 선행연구를 근거로 광밀도, 질소, 인 함유량에 따른 미세조류 성장속도 및 성장률 도출에 관하여 파악하였고, 그 결과 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii) 배양의 적정 광밀도의 범위는 160~220 μmol/m2/sec로 도출되었다. 상기 공기 유입량이 5 L/min보다 작으면 배양이 원활하게 일어나지 않고, 10 L/min보다 크면 무기탄소의 함량이 지나치게 커서 배양조(15) 내의 pH가 최적 성장 조건 이하로 감소할 수 있다.
표 1은 본 발명의 실시예에 의한 미세조류 배양을 위한 항목별 운전조건을 나타낸 것이다. 이때, 교반기의 교반속도는 150rpm이었다.
항목 단위 운전조건
수리학적체류시간(HRT) day 5
반응기 운전시간 day 15
유입/유출 용량 L 0.4
반응기 부피 L 5.0
반응기 유효부피 L 2.0
유입수 생물전기화학장치 유출수
배양온도 ℃ 26
광밀도 μmol/m2/sec 175
공기 주입량 L/min 7.0
무기탄소 유입량(Ci) g C/L/day 2.05
분리막 공극(pore size) μm 0.2
한편, 미세조류 성장에 필요한 무기탄소 공급은 공기 주입펌프(19)를 이용하여, 약 0.45㎛ 시린지 필터(syringe filter)를 이용하여 순수한 공기를 공급을 통해 주입하였으며, 이를 이론적으로 계산하였을 때, 반응기 내 공급되는 무기탄소(Ci)의 양을 도출하였다.
표 2는 표 1의 조건에서의 배양을 거치지 않은 축산폐수(TW) 및 배양을 거친 방출수(DW)의 화학적 산소요구량, 총 질소 및 총 인의 농도 및 제거율을 보여주는 것이다.
분석항목 단위 TW DW 제거율 (%)
화학적 산소요구량(COD) mg COD/L 502.9 76.2 84.8
총 질소(T-N) mg N/L 140.7 8.1 94.2
총 인(T-P) mg P/L 1.0 0.09 90.8
표 2에 의하면, 상기 표 1의 조건으로 배양하기 전에는 화학적 산소요구량(COD)은 502.9 mg COD/L, 총 질소(T-N)은 140.7 mg N/L 및 총 인(T-P)은 1.0 mg P/L이었으나, 배양 후에는 화학적 산소요구량(COD)은 76.2 mg COD/L, 총 질소(T-N)은 8.1 mg N/L 및 총 인(T-P)은 0.09 mg P/L이었다. 이에 따라, 화학적 산소요구량(COD), 총 질소(T-N) 및 총 인(T-P)의 제거율(%)는 각각 84.8, 94.2 및 90.8이었다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 배양을 거치면, 방출수(DW)에서의 화학적 산소요구량(COD), 총 질소(T-N) 및 총 인(T-P)이 획기적으로 감소됨을 알 수 있었다.
도 3은 본 발명의 운전조건에서 배양을 거친 보트리오코커스 브라우니 농도를 시간에 따라 보여주는 그래프이다.
도 3에 의하면, 미세조류의 농도는 폐수, 증류수 및 여러 액체가 포함된 배양액에 부유성장을 하고 있으므로 총 부유물질을 의미하는 TSS(total suspended solid)로 나타낼 수 있다. 점이 포함되지 않은 실선은 pH를 의미하며, 약 8~10의 범위로 나타내었다. 대부분의 미세조류의 최적 성장의 pH는 7~9의 범위이고, 일부 미세조류는 9~10 범위에서 최적의 성장을 보여준다. 본 발명의 실시예에서는 다른 화학물질을 첨가하여 pH를 따로 조절하지 않았으므로, pH 8.928의 성상을 보인 유입수의 영향을 받았다. 외부에서 공급한 무기탄소가 배양조(15)의 배양액으로 용존됨에 따라 배양조(15) 내부의 pH는 낮아질 수 있으나, 미세조류 성장 시 무기탄소의 동화작용과 질소원의 흡수로 미세조류 성장에 따라 pH는 점점 증가하나 그 단위가 0.1 단위로 증가하여 실질적으로 거의 변하지 않았다.
점이 포함된 실선인 바이오매스는 초기 2일 정도까지는 성장이 더디다가 그 이후에 성장이 급증하는 양상을 나타내었다. 미세조류의 최대 성장점인 약 11인 변곡점을 지나 성장이 더뎌졌다. 상기 변곡점에는 배양조(15) 내부는 초기와 비교하여 고농도의 미세조류가 존재하게 되고 각 미세조류 개체 간 먹이경쟁으로 인해 무기탄소, 질소, 인 등 영양원의 부족으로 인한 성장제한이 발생하게 된다. 이로 인해 지수성장을 한 미세조류는 사멸기에 들어가게 되어 반응기 내 미세조류의 농도는 점점 감소하게 된다. 이에 따라, 변곡점에 다다르기까지 본 발명의 실시예에 의한 미세조류의 배양은 고농도로 대량으로 이루어짐을 알 수 있었다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 유입수 저장조
11, 12; 투입펌프 및 투입관
19, 20; 무기탄소 공급펌프 및 공급관
13; 광조사부 15; 배양조
16; 분리막 17; 가열기
18; 교반기 21; 방출펌프
22; 방출관 23; 방출수 저장조
100; 생물전기화학적 처리기
200; 배양기

Claims (14)

  1. 생물전기화학적으로 축산폐수를 처리하는 생물전기화학적 처리기;
    상기 생물전기화학적 처리기에 연동되며, 상기 처리기에 의해 처리된 축산폐수를 이용하여 광독립영양 미세조류를 배양하는 배양기;
    상기 배양기 외부에 배치되고, 상기 배양기를 향하여 빛을 조사하는 광조사부; 및
    상기 배양기 외부에 배치되고, 상기 배양기에 무기탄소를 공급하는 무기탄소 공급펌프를 포함하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배양기는
    상기 생물전기화학적 처리기에 의해 처리된 상기 축산폐수가 인입되어 상기 광독립영양 미세조류를 배양하기 위한 배양액을 이루는 배양조;
    상기 배양조 외부에 배치되며, 상기 생물전기화학적 처리기에 의해 처리된 축산폐수를 상기 배양조로 투입하기 위하여 상기 축산폐수를 저장하는 유입수 저장부;
    상기 배양조의 내부에 위치하며, 상기 배양액에 포함된 방출수를 분리하는 분리막; 및
    상기 배양조 외부에 배치되며, 상기 분리막에 의해 분리된 상기 방출수를 저장하는 방출수 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유입수 저장부 및 상기 배양조 사이에 위치하며, 상기 생물전기화학적 처리기에 의해 처리된 상기 축산폐수를 상기 배양조로 투입하는 투입펌프 및 투입관을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 방출수 저장부 및 상기 배양조 사이에 위치하며, 상기 방출수를 상기 방출수 저장부로 방출하는 방출펌프 및 방출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광조사부는 복수개로 배열된 광원으로 이루어지거나 일측의 광원에서 조사되는 빛을 반사하는 반사부를 활용하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 배양조는 상기 광조사부의 빛이 투과하도록 투명한 재질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 무기탄소는 공기 중의 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광독립영양 미세조류는 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii)인 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치.
  9. 생물전기화학적으로 처리된 축산폐수를 광독립영양 미세조류를 포함하는 배양조에 투입하여 배양액을 형성하는 단계;
    상기 배양액의 배양온도 25~28℃, 광밀도 160~220 μmol/m2/sec 및 무기탄소를 위한 공기 유입량 5~10 L/min로 하여 상기 광독립영양 미세조류를 배양하는 단계;
    상기 배양액 중의 방출수를 분리막에 의해 분리하는 단계; 및
    상기 분리막에 의해 분리된 방출수를 방출수 저장부에 저장하는 단계를 포함하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광독립영양 미세조류는 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii)인 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 광밀도는 상기 배양조의 외부에 위치하는 광조사부에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 무기탄소 유입량은 상기 배양조의 외부에 위치하는 무기탄소 공급부에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 무기탄소는 공기 중의 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 배양된 미세조류 바이오매스는 전이 에스테르화 과정을 통하여 바이오디젤을 생산하는 것을 특징으로 하는 미세조류를 이용한 축산폐수 처리장치에 의한 미세조류 배양방법.
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