WO2021251667A1

WO2021251667A1 - 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템

Info

Publication number: WO2021251667A1
Application number: PCT/KR2021/006760
Authority: WO
Inventors: 추광호
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-12-16
Also published as: KR102468429B1; KR20210152142A

Abstract

본 발명은 다공성 보호 커버; 및 상기 다공성 보호 커버 내부의 담체;를 포함하고, 상기 담체는 생물막 형성 억제 미생물 및 친수성 고분자로 형성되고, 전체 밀도가 1.0 내지 1.5 g/mL인 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 분리막의 오염을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템은 다공성 보호 커버의 향상된 유동성을 통해 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있는 효과가 있다.

Description

생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템

본 발명은 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 다공성 보호 커버가 씌워진 담체를 분리막 생물반응기에 투입하여 분리막의 오염을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있는 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템에 관한 것이다.

생물학적 처리와 분리막 여과를 결합한 분리막 생물반응기는 고도처리 공정으로 30여년 가까이 현장에 적용되어 왔다. 그러나 분리막 표면에서 미생물이 부착하여 성장하는 생물오염은 분리막 생물반응기의 가장 큰 장애요인으로 지적되고 있으며 운전 및 유지관리 비용의 상승을 초래한다. 이로 인해 생물오염은 분리막 생물반응기의 확장을 저해하는 가장 큰 난관으로 여겨지고 있다. 다양한 전후처리 방법들이 적용되고 최적의 운전 방안들이 제시되고 있고, 분리막 선정에 세심한 주의를 기울이고 있다. 그러나 이런 접근들은 여전히 고유한 미생물의 단체 행동으로 유발되는 생물오염 현상을 억제하지 못한다는 문제점이 있다.

최근 연구자들의 보고에 따르면, 생물오염은 신호분자를 통한 미생물 간의 소통방법인 정족수 감지에 의해 야기되는 것으로 보고하고 있다. 이를 방지하기 위한 방안으로 정족수 감지 억제의 개념이 개발되었는데, 효소, 박테리아, 곰팡이 들을 이용하며 이들이 미생물 간의 신호전달을 차단하여 생물오염을 효과적으로 억제할 수 있는 실효적인 방법으로 간주되고 있다.

박테리아를 이용한 정족수 감지 억제 전략은 정족수 억제균이 생성하는 효소에 의한 신호분자의 분해에 근거한다. 한 예로 Rhodococcus sp. BH4 박테리아는 N-acylhomoserine lactone (AHL) 계열의 신호분자를 분해하는 효소를 생성한다. BH4 미생물을 중공사 분리막의 내부에 담지한 용기를 분리막 생물반응기에 설치한 경우 막오염을 효과적으로 제어할 수 있었다. 다양한 종류의 담체 설계가 이루어졌는데, 구슬형, 중공사형, 시트형 등이 개발되어 보고되었는데 물질전달과 물리적 세척효과를 높이는 것으로 조사되었다. 더욱이 정족수 감지 억제와 함께 물리적 혹은 화학적 세정을 병행한 경우 분리막의 여과 및 에너지 효율을 동시에 개선할 수 있는 것으로 파악되었다. 그러나 수용성 고분자를 이용해 제조된 정족수 억제 담체의 내구성이 실제 담체의 적용성 및 실용성과 관련하여 여전히 해결해야할 중요한 이슈로 남아 있다.

이에 따라 본 발명자는 이러한 미생물의 생물오염 현상을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있는 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템을 개발하였다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 0001) 한국등록특허 제10-1270906호

(특허문헌 0002) 한국등록특허 제10-1246117호

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 분리막의 오염을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있는 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 다공성 보호 커버의 유동성을 통해 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있는 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템을 제공하는 것을 두번째 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다공성 보호 커버; 및 상기 다공성 보호 커버 내부의 담체;를 포함하고, 상기 담체는 생물막 형성 억제 미생물 및 친수성 고분자로 형성되고, 전체 밀도가 1.0 내지 1.5 g/mL인 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 장치를 개시한다.

여기서, 상기 다공성 보호 커버의 기공의 크기는 상기 담체의 크기보다 작을 수 있다.

여기서, 상기 다공성 보호 커버는 플라스틱 재질일 수 있다.

여기서, 상기 다공성 보호 커버는 구형, 타원구형, 원통형 및 소세지형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.

여기서, 상기 담체는 생물반응기에 투입하여 일정 기간 사용을 완료한 후에 다시 회수하여 반복적으로 재사용할 수 있다.

여기서, 상기 담체는 상기 다공성 보호 커버 내부에 50% 이상의 부피비로 포함될 수 있다.

여기서, 상기 친수성 고분자는 상기 생물막 형성 억제 미생물을 고정화시킬 수 있다.

여기서, 상기 친수성 고분자는 알지네이트, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 키토산 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.

여기서, 상기 생물막 형성 억제 미생물은 정족수 감지 억제 효소를 생산하는 것일 수 있다.

여기서, 상기 정족수 감지 억제 효소는 락토나제 또는 아실라제일 수 있다.

한편, 본 발명은 피처리수를 수용하는 생물반응기, 수처리용 분리막 모듈 및 상기 생물반응기 내부에 배치된 본 발명에 따른 생물막 형성 억제 장치를 포함하는 분리막 수처리 시스템을 추가로 개시한다.

상술한 바에 따른 본 발명의 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템은 분리막의 오염을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템은 다공성 보호 커버의 향상된 유동성을 통해 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 다공성 보호 커버의 실제 모습을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 여러 종류의 다공성 보호 커버의 모습을 구체적으로 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물반응기를 포함하는 분리막 수처리 시스템의 구성도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 담체의 표면을 전자현미경 및 레이저현미경으로 촬영하여 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치 및 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 분리막 생물반응기에 투입하여 운전하기 전과 후의 정족수 감지 억제 담체의 활성을 각각 측정하여 그래프로 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치 및 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 분리막 생물반응기에 투입하여 운전하기 전과 후의 정족수 감지 억제 담체의 기계적 강도를 각각 측정하여 그래프로 도시한 것이다.

도 7은 본 발명의 일 실시에 따른 생물막 형성 억제 장치 및 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 분리막 생물반응기에 투입하고 운전하기 전과 후의 정족수 감지 억제 담체의 표면을 촬영하여 사진으로 도시한 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치 및 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 분리막 생물반응기에 투입한 후 운전 초기와 운전 말기의 막오염 경향성을 각각 측정하여 그래프로 도시한 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

<생물막 형성 억제 장치>

본 발명자들은 상술한 과제를 해결하기 위하여 연구한 결과, 하기와 같은 발명을 안출하기에 이르렀다. 본 명세서는 다공성 보호 커버; 및 상기 다공성 보호 커버 내부의 담체;를 포함하고, 상기 담체는 생물막 형성 억제 미생물 및 친수성 고분자로 형성되고, 전체 밀도가 1.0 내지 1.5 g/mL인 것을 특징으로 하는 생물막 형성 억제 장치를 개시한다.

도 1은 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 다공성 보호 커버의 실제 모습을 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 1a는 격자 무늬 형태의 기공이 형성된 다공성 보호 커버의 실제 모습을 촬영한 것이고, 도 1b는 원형 모양의 기공이 형성된 다공성 보호 커버의 실제 모습을 촬영한 것이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 다공성 보호 커버는 일정한 크기의 기공(구멍)이 다수 형성되어 본 발명의 담체를 내부에 담지하여 보호하기 위한 역할을 할 수 있는 점을 확인할 수 있다. 이 경우 후술하는 바와 같이 다공성 보호 커버 외부로 담체 자체가 빠져나오지 못하도록 하기 위하여 다공성 보호 커버의 기공의 크기는 상기 담체의 크기보다 작을 수 있다. 한편, 도 1a 및 도 1b에서 알 수 있듯이, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 다공성 보호 커버의 기공의 모양은 원형에 국한되지 않으며, 수중폭기 조건 일 때 생물반응기의 피처리수 내에서 담체 표면을 통한 물질전달이 원활하게 진행될 수 있는 범위에서 다양한 모양으로 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 여러 종류의 다공성 보호 커버의 모습을 구체적으로 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 2a 및 도 2b는 타원구형(달걀형)의 다공성 보호 커버를 도시한 것이고, 도 2c는 원통형 (원기둥형)의 다공성 보호 커버를 도시한 것이고, 도 2d는 소세지형의 다공성 보호 커버를 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b에서 알 수 있듯이, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 다공성 보호 커버의 기공의 모양은 원형에 국한되지 않으며, 수중폭기 조건 일 때 생물반응기의 피처리수 내에서 담체 표면을 통한 물질전달이 원활하게 진행될 수 있는 범위에서 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치에서 다공성 보호 커버는 구형, 타원구형(달걀형), 원통형(원기둥형) 및 소세지형에 국한되는 것은 아니며, 수처리용 분리막 모듈 내에서 다공성 보호 커버의 유동성이 향상되고, 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있는 범위에서 다양한 모양으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다공성 보호 커버는 본 발명의 담체의 내구성을 향상시키기 위한 용도로서, 본 발명의 담체를 외부 층이 단단하고 견고하면서 다공성인 보호 커버에 다시 담지함으로써 본 발명의 담체가 외부의 물리적 충격이나 수리학적 전단력으로부터 보호받을 수 있도록 한다. 이에 따라 다공성 보호 커버가 씌워진 담체를 분리막 생물반응기에 투입하여 분리막의 오염을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다공성 보호 커버 외부로 담체 자체가 빠져나오지 못하도록 하기 위하여 다공성 보호 커버의 기공의 크기는 상기 담체의 크기보다 작을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다공성 보호 커버 외부로 담체 자체가 빠져나가지 못하고, 다공성 보호 커버 내부에 담체가 위치함으로써 담체의 내구성이 향상된 결과, 분리막 수처리 시스템 내에서 담체가 장기간 안정적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 다공성 보호 커버의 기공 단면의 지름은 0.01 내지 50 mm의 범위 이내인 것이 바람직하고, 0.1 내지 5 mm의 범위 이내인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 다공성 보호 커버의 기공 단면의 지름이 0.01 mm 미만인 경우 다공성 보호 커버의 기공의 크기가 너무 작음에 따라 수중폭기 조건 일 때 생물반응기의 피처리수 내에서 담체 표면을 통한 물질전달이 원활하게 진행될 수 없어, 생물막 형성을 효율적으로 억제할 수 없다는 문제점이 있다. 반대로, 다공성 보호 커버의 기공 단면의 지름이 50 mm를 초과하는 경우 다공성 보호 커버의 기공의 크기가 너무 큼에 따라 담체 자체가 다공성 보호 커버 외부로 유출되는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 관점에서 본 발명의 다공성 보호 커버의 기공 단면의 지름은 0.1 내지 5 mm의 범위 이내인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 다공성 보호 커버는 플라스틱 재질인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 다공성 보호 커버는 수중의 유체 흐름 속에서 자유롭게 휘어지면서도 복원력이 있는 가요성의 형태 및 재질을 사용할 수도 있다. 보다 강한 폭기 조건에서 분리막 표면의 손상을 최소화하면서도 생물막의 물리적 탈리를 극대화하기 위해서는 가요성의 형태 및 재질을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 담체가 외부의 물리적 충격이나 수리학적 전단력으로부터 보호받을 수 있는 것이라면, 다공성 보호 커버의 재질은 특별히 제한되지 않는다.

또한, 본 발명의 다공성 보호 커버는 직육면체와 같은 다면체 이외에도 구형 또는 원통형(구를 수 있는 다면체)으로 이루어진 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 나아가, 본 발명의 다공성 보호 커버는 타원구형(달걀형) 또는 소세지형으로 이루어진 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다공성 보호 커버가 구형 또는 원통형(구를 수 있는 다면체)으로 이루어짐에 따라 수처리용 분리막 모듈 내에서 다공성 보호 커버의 유동성이 향상되고, 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있는 효과가 있다. 나아가, 본 발명의 다공성 보호 커버가 타원구형(달걀형) 또는 소세지형으로 이루어짐에 따라 수처리용 분리막 모듈 내에서 다공성 보호 커버의 유동성이 향상되고, 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 담체(정족수 감지 억제 담체)는 생물막 형성 억제 미생물 및 친수성 고분자를 포함할 수 있다.

본 발명의 담체(정족수 감지 억제 담체)는 생물막 형성 억제 미생물을 수처리 생물반응기 내의 피처리수로부터 고밀도로 분리하여 배치할 수 있으면서, 생물막 형성 억제 미생물의 생장 및 활성에 관련되는 산소, 영양분, 대사물질 등의 유출입을 가능하게 하도록 적절한 투과성을 갖는 것이라면 특별한 제한은 없다.

본 발명의 담체(정족수 감지 억제 담체)는 구슬형, 중공사형, 시트형, 기둥형 등이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 담체는 수중 폭기 조건에서 침지형 분리막 표면의 손상을 방지할수 있으면서 담체 내부의 생물막 형성 억제 미생물이 외부의 피처리수와 접촉할 수 있는 것이라면, 그 형태에 특별한 제한은 없다.

본 발명의 담체(정족수 감지 억제 담체)는 다공성 보호 커버 내부에 50% 이상의 부피비로 포함되는 것이 바람직하고, 80% 이상의 부피비로 포함되는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 담체가 다공성 보호 커버 내부에 50% 미만의 부피비로 포함되는 경우, 상대적으로 담체의 양이 작아 분리막 수처리의 효율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 본 발명의 담체(정족수 감지 억제 담체)는 담체 자체의 크기 조절이 용이하므로 마이크로시브, 스크린 등과 같은 수단으로 쉽게 분리 또는 회수할 수 있어서, 종래의 자성-담체 용기에서 문제가 되었던 담체의 회수 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 담체(정족수 감지 억제 담체)는 다공성 보호 커버 내부에 다시 담지되어 사용되는 결과, 담체 자체의 내구성이 향상되므로 분리막 수처리 시스템의 생물반응기에 투입하여 일정 기간 사용을 완료한 후에 담체를 다시 회수하여 반복적으로 재사용할 수 있다.

본 발명의 친수성 고분자는 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물을 고정화시킬 수 있다. 본 발명의 실시형태에서 본 발명의 친수성 고분자가 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물을 고정화시킬 수 있다는 것은 친수성 고분자에 생물막 형성 억제 미생물이 부착, 포괄, 캡슐화, 포집, 담지 등이 되는 것을 포함한다.

본 발명의 친수성 고분자는 하이드로겔을 주성분으로 하는 것일 수 있으며, 하이드로겔은 알지네이트계, PVA계, 폴리에틸렌글리콜계, 키토산계 및 폴리우레탄계으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 고분자를 포함할 수 있다. 하이드로겔은 내부의 화학적 가교 결합을 통하여 3차원 망상 구조를 갖는 것이, 생물막 형성 억제 미생물을 화학적 가교 결합 사이에 포획시켜서 담체 내부에서 지속적으로 성장할 수 있게 된다는 점에서 바람직하다.

본 발명의 친수성 고분자는 알지네이트, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 키토산 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 이에 따라 본 발명의 담체 내외를 통한 물질 전달이 보다 용이해질 뿐 아니라 강한 수중 폭기 조건에서 분리막 표면과 접촉하는 경우에도 분리막 표면의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 담체에는 이러한 친수성 고분자 이외에도 기계적 강도를 증가시키기 위하여 그래핀옥사이드(GO), 탄소나노튜브(CNT) 등과 같은 탄소계 첨가제를 첨가할 수 있고, 내부 접착력을 향상시키기 위하여 폴리도파민계 고분자, 폴리노르에피네프린계 고분자 등의 생체모방형(bio-inspired) 접착성 고분자 첨가제를 첨가할 수도 있다.

본 발명의 생물막 형성 억제 미생물은 정족수 감지 억제 효소를 생산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 적용 가능한 생물막 형성 억제 미생물은 생물막 형성 억제 효소를 생산할 수 있는 종류의 미생물이라면 유전자 재조합 미생물 또는 천연 미생물의 어떤 종류라도 사용할 수 있다. 대표적으로는, 정족수 감지 기작에 사용되는 신호 분자를 분해하는 '정족수 감지 억제 효소'를 생산할 수 있는 미생물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 그람 음성균(박테리아)의 신호 분자(AHL)을 분해하는 효소인 락토나제 또는 아실라제와 같은 정족수 감지 억제 효소를 생산하는 미생물을 사용할 수 있다. 예컨대, 유전자 재조합에 널리 사용되는 대장균 E. coli XL1-blue에 Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki에서 추출한 aiiA 유전자(락토나제 생산과 관련된 유전자)를 재조합시킨 대장균, 또는 자연계에 존재하는 천연 미생물(예컨대, Rhodococcus qingshengii 종의 박테리아)을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 생물막 형성 억제 미생물은 수중 박테리아의 정족수 감지 기작의 억제물질인 파네솔(farnesol)을 생산할 수 있는 Candida 속(genus)의 균류(fungi), 보다 구체적으로 Candida albicans (AI-2 관련 정족수 감지 억제 활성이 있는 파네솔을 과량으로 분비하도록 유전자 재조합된 Candida albicans을 포함)등과 같은 미생물을 생물막 형성 억제 미생물로서 사용할 수도 있다. 이와 같은 균류 미생물은 박테리아에 비하여 내후성 등의 환경 적응력이 뛰어나기 때문에, 분리막 생물반응조 내부와 같이 가혹한 환경의 조건 하에서도 생물막 형성 억제 효과를 극대화할 수 있는 추가적인 장점이 있다.

본 발명의 생물막 형성 억제 장치는 전체 밀도가 1.0 내지 1.5 g/mL인 것이 바람직하고, 전체 밀도가 1.02 내지 1.25 g/mL인 것이 더욱 바람직하다. 가령 생물막 형성 억제 장치의 전체 밀도가 1.0 g/mL 미만인 경우, 물보다 밀도가 낮기 때문에 생물반응기 내 피처리수 상에 부유하게 되어 분리막 수처리 효율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 생물막 형성 억제 장치의 전체 밀도가 1.5 g/mL를 초과하는 경우, 생물막 형성 억제 장치가 너무 무거워 생물반응기 내 피처리수 아래로 가라앉게 되어 수중 폭기 조건에서도 분리막 수처리 효율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치의 전체 밀도가 1.0 내지 1.5 g/mL인 경우 생물막 형성 억제 장치가 생물반응기의 피처리수 상에 부유하거나 가라앉지 않고, 수중 폭기 조건일 때 생물반응기의 피처리수 내에서 담체 표면을 통한 물질전달이 보다 효율적으로 진행되어서 분자생물학적으로 생물막 형성을 효과적으로 억제할 수 있고, 이와 함께 수증 폭기 조건에서의 담체의 유동성을 유지하면서 분리막 표면에의 물리적인 타격에 의한 생물막 탈리를 더욱 효과적으로 유도할 수 있다.

<생물막 형성 억제 장치를 포함하는 분리막 수처리 시스템>

한편, 본 명세서는 피처리수를 수용하는 생물반응기, 수처리용 분리막 모듈 및 상기 생물반응기 내부에 배치된 본 발명에 따른 생물막 형성 억제 장치를 포함하는 분리막 수처리 시스템을 추가로 개시한다.

본 발명의 분리막 수처리 시스템에 적용할 수 있는 분리막 모듈로서는 생물오염의 억제 또는 완화를 통하여 투수도를 향상시킬 수 있는 일반적인 수처리용 분리막 모듈이라면 특별한 제한은 없다.

또한, 본 발명의 분리막 수처리 시스템은 생물반응기(반응조) 내부의 수많은 종류의 수처리용 미생물 등에 의해 분리막 표면에 생물막이 형성되는 분리막 생물반응조(MBR) 장치 뿐만 아니라, 피처리수에 존재하는 미생물로 인하여 분리막 표면에 생물막이 형성되는 정밀여과막 장치, 한외여과막 장치와 같은 통상의 분리막 수처리 장치 외에 나노여과 장치, 역삼투 여과 장치 등의 고도 수처리 장치를 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면 내지 실시예 등은 통상의 기술자에게 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 명세서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명을 통상의 기술자로 하여금 더욱 정확하게 이해할 수 있도록 돕기 위하여 제시되는 것으로서 실제보다 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

{실시예 및 평가}

실시예 1. 본 발명에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)

정족수 억제 미생물은 Rhodococcus sp. BH4를 사용하였으며 Luria-Bertani (LB) 한천 배지에 배양하였다. 단일 콜로니를 20 mL LB 배지에 키우고 이것을 다시 2 L 배지에서 배양하였다. 원심분리기(9000 rpm, 13700 g)를 이용해 BH4를 회수한 후 증류수에 재분산시켰다. 폴리비닐알콜 고분자, 알지네이트와 물을 10:1:100의 질량 비율로 혼합하여 고분자 용액을 제조하고 121 ℃에서 15분간 멸균하였다. 이 고분자 용액과 BH4 용액을 혼합하여 유리판 위에 펼친 후 시트(담체)를 만들고, 염화칼슘과 붕산을 질량비로 4:1 함유한 용액에 정치하여 가교반응을 시키고 0.2 M 황산나트륨 용액에 추가적으로 8시간 담궈 안정화시킨다. 시트(담체)는 0.5 mm 두께로 캐스팅하고 유동상 시트(담체)는 가로세로 10Х10 mm 크기로 제작한다. 이렇게 제직된 시트(담체)를 플라스틱 재질의 다공성 보호 커버에 넣었다. 시트를 담는 다공성 보호 커버는 다공성(기공크기 5 mm 이하)의 구형으로 내부에 정족수 감지 억제 시트를 넣을 수 있도록 제작하여 본 발명에 따른 생물막 형성 억제 장치(이하, '실시예 1'이라 한다)를 완성하였다.

비교예 1. 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체

제직된 시트(담체)를 플라스틱 재질의 다공성 보호 커버에 넣지 않은 점을 제외하고는, 상기 실시예와 동일한 방법으로 제조하여 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체(이하, '비교예 1'이라 한다)를 얻을 수 있었다.

실험예. 분리막 수처리 시스템의 운전 및 생물막 형성 억제 활성 측정

(1) 원수의 조성

분리막 생물반응기의 피처리수(유입수)는 인공폐수를 사용하였으며, 매일 실험실에서 제조하여 냉장고에 보관하였다. 원수의 화학적 산소요구량은 약 245 mg/L, 총유기탄소농도는 140 mg/L, 총질소는 44.9 mg/L, 총인은 5.0 mg/L이었다. 원수의 자세한 조성은 아래 표 1과 같다.

조성	값
Glucose (mg/L)	120
Peptone (mg/L)	90.0
Yeast extract (mg/L)	12.0
(NH₄)₂SO₄ (mg/L)	96.0
KH₂PO₄ (mg/L)	17.0
NaHCO₃ (mg/L)	300
CaCl₂·2H₂O (mg/L)	2.40
MgSO₄·7H₂O (mg/L)	24.0
MnSO₄·5H₂O (mg/L)	2.16
FeCl₃·6H₂O (mg/L)	0.12
pH	7.70±0.10
COD (mg/L)	245±10
TOC (mg/L)	140±5
Total nitrogen (mg/L)	44.9±1.9
Total phosphorus (mg/L)	5.0±0.2

(2) 분리막 수처리 시스템의 운전

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막 생물반응기를 포함하는 분리막 수처리 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 분리막 생물반응기를 포함하는 분리막 수처리 시스템의 구성, 운전 조건 등을 확인할 수 있다. 또한, 도 3에서 반응기 1(Reactor 1)은 본 발명의 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 투입한 반응기에 해당하며, 반응기 2(Reactor 2)는 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)를 투입한 반응기에 해당한다.

본 발명의 분리막 생물반응기를 포함하는 분리막 수처리 시스템에서 각 반응기의 운전 부피는 2 L이며 분리막, 폭기장치, 담체 등을 포함한다. 중공사형 분리막(코로롱, 한국)은 폴리비닐다이플루오라이드 재질이며, 세공 크기는 0.1 ㎛이고 분리막의 유효면적은 94.2 cm²이다.

본 발명의 분리막 생물반응기를 포함하는 분리막 수처리 시스템에 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)와 본 발명의 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 각각 투입하였다.

분리막 생물반응기 운전조건으로 분리막의 투과도는 30 L/m²-h이고, 19 분 운전 후 1 분 휴지하는 방식이다. 폭기는 1 L/min (속도구배 값 72 s^-1) 조건에서 분리막 모듈 하단의 폭기장치를 통해 공기를 주입하였다. 수위센서를 이용해 반응기 부피를 거의 일정하게 유지하였고, 반응기 온도는 항온수조를 이용하여 25 ℃로 일정하게 유지하였다. 수리학적 체류시간은 7.45 시간, 슬러지 체류시간은 100 일로 운전하였다. 운전동안 막투과 압력 변화는 압력계와 데이터 수집 장치를 이용하여 측정하고 기록하였다. 전체 시스템은 프로그램 로직 제어기(K&M-DR30S, LG, Korea)를 이용하여 자동화하였다.

(3) 생물막 형성 억제 장치(정족수 감지 억제 담체) 활성 측정

본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)와 본 발명의 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 활성을 측정하였다.

보다 구체적으로, 정족수 감지 억제 담체의 활성은 신호분자(N-octanoyl-L-homoserine lactone; C8-HSL)의 분해속도를 측정하여 평가하였다. 정족수 감지 억제 담체를 20 nM C8-HSL 400 mL 용액에 넣고 진탕기에서 200 rpm으로 혼합하면서 시간에 따라 시료 100 μL를 채취하였고 C8-HSL의 농도는 바이오어세이 방법으로 분석하였다.

리포터 종인 Agrobacterium tumefaciens A136를 tetrcycline과 spectinomycin 항생제 2개와 함께 LB 배지를 제조하였다. 측정용 한천 배지는 LB 배지 10 mL를 지지층으로 놓고 그 위에 기능성 LB 배지 9 mL를 올려 준비하였다. 여기서, 기능성 배지는 A136, 항생제 및 X-gal을 포함한다. 한천 배지에 각 시료 당 2개의 구멍을 뚫어 20 μL의 시료를 주입하고 30 ℃에서 24 시간 배양하였다. 알고 있는 C8-HSL 농도에 대하여 검량 후 미지의 시료에 대한 푸른색 원의 크기에 근거하여 농도를 결정하였다.

평가 1. 생물막 형성 억제 장치 내 정족수 감지 억제 담체 표면의 관찰

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 담체의 표면을 전자현미경 및 레이저현미경으로 촬영하여 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 담체의 표면을 전자현미경으로 촬영하여 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 담체의 표면을 공촛점 레이저현미경으로 촬영하여 도시한 것이다.

상술한 바와 같이, 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치에서 담체는 친수성 고분자와 BH4 정족수 억제균을 혼합하여 시트형 담체를 만들었다. 도 4a를 참조하면, 전자현미경 사진에서 보듯이 정족수 억제균이 표면에 부착되어 존재함을 가시적으로 확인할 수 있다. 또한, 도 4b를 참조하면, 공촛점 레이져현미경으로 본 발명의 담체의 표면을 관찰한 경우 정족수 억제균(초록색)이 담체 표면에 고르게 잘 결합되어 존재함을 확인할 수 있다.

평가 2. 생물막 형성 억제 장치(정족수 감지 억제 담체) 활성 평가

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)와 본 발명의 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체에 대한 정족수 감지 억제 담체의 활성을 측정하였다.

도 5를 참조하면, 운전 초기에는 두 경우 모두 3.1 내지 3.4 h^-1 범위의 활성도를 나타내었으며, 155일 운전 후에는 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)의 경우 정족수 감지 억제 담체의 활성도가 2.9 h^-1으로, 운전 초기와 비교하여 거의 대동소이한 것을 확인할 수 있다. 그러나, 본 발명의 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 경우 정족수 감지 억제 담체의 활성도가 0.77 h^-1로 급격하게 감소하였다. 이러한 시간 경과에 따른 정족수 감지 억제 담체의 활성도의 급격한 감소는 정족수 감지 억제 담체가 반응기 내에서의 물리적 전단력을 직접 받으면서 마모되거나 손상되어 기계적 강도가 급격하게 감소되었기 때문으로 추정된다.

반면에, 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)의 경우 일정 시간 경과 후에도 정족수 감지 억제 담체의 활성도가 잘 유지되는 점에 비추어, 본 발명의 정족수 감지 억제 담체를 다공성인 보호 커버에 다시 담지함으로써 본 발명의 정족수 감지 억제 담체가 외부의 물리적 충격이나 수리학적 전단력으로부터 보호받을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

평가 3. 생물막 형성 억제 장치(정족수 감지 억제 담체) 기계적 강도 평가

도 6을 참조하면, 운전 전에는 두 경우 모두 정족수 감지 억제 담체의 기계적 인장강도가 약 0.359 MPa이었으나, 본 발명의 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 경우 약 150일 동안 분리막 생물반응기에 투입하여 사용한 결과 기계적 인장강도를 측정할 수 없을 정도로 약해진 것을 확인할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치(다공성 보호 커버에 씌워진 정족수 감지 억제 담체)의 경우 약 150일 동안 분리막 생물반응기에 투입하여 사용한 후에도 정족수 감지 억제 담체의 기계적 인장강도가 약 0.271 MPa로서, 초기 기계적 인장강도 대비 약 75% 정도의 값을 유지하였다.

도 7은 본 발명의 일 실시에 따른 생물막 형성 억제 장치 및 본 발명의 일비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 분리막 생물반응기에 투입하고 운전하기 전과 후의 정족수 감지 억제 담체의 표면을 촬영하여 사진으로 도시한 것이다.

보다 구체적으로, 도 7a는 운전 전 실시예 1 및 비교예 1의 정족수 감지 억제 담체의 표면을 나타내고, 도 7b는 약 150일 동안 분리막 생물반응기를 운전 후 남아있는 비교예 1의 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 표면을 나타내고, 도 7c는 약 150일 동안 분리막 생물반응기를 운전 후 남아있는 실시예 1의 정족수 감지 억제 담체의 표면을 나타낸 것이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 비교예 1의 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 경우 초기 상태와 대비하여, 분리막 생물반응기에 투입 후 운전이 경과함에 따라 담체의 구조가 상당히 손상되거나 작게 부서진 것을 육안으로 확인할 수 있다. 반면에 도 7a 및 도 7c를 참조하면, 실시예 1의 정족수 감지 억제 담체의 경우 초기 상태와 대비하여, 분리막 생물반응기에 투입 후 운전이 경과하더라도 담체의 구조가 큰 손상없이 거의 그대로 유지된 것을 육안으로 확인할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 경우 본 발명의 담체를 다공성 보호 커버 내부에 위치시켜 보호함에 따라 분리막 생물반응기에 투입하더라도 담체의 물리적 손상을 막아 수명을 오래도록 지속시킴을 확인할 수 있다.

평가 4. 생물막 형성 억제 장치(정족수 감지 억제 담체) 막오염 경향성 평가

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치 및 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체를 분리막 생물반응기에 투입한 후 운전 초기와 운전 말기의 막오염 경향성을 각각 측정하여 그래프로 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 정족수 감지 억제 담체의 경우 다공성 보호 커버의 유무에 따라서 막오염 속도의 차이가 있는 것을 확인할 수 있다.

보다 구체적으로, 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 경우 운전 초기(First run)에 막오염 속도가 약 3.5 kPa/d이었으며 운전 말기(Last run, 운전 종료 시점으로 약 150여일 운전 후를 의미함)에는 막오염 속도가 약 5.3 kPa/d으로 운전 초기의 막오염 속도에 비하여 1.5배 이상 막오염이 증가하였다. 반면에, 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치의 정족수 감지 억제 담체의 경우 운전 초기(First run)에는 막오염 속도가 약 2.3 kPa/d이었으며 운전 말기(Last run, 운전 종료 시점으로약 150여일 운전 후를 의미함)에는 막오염 속도가 약 2.8 kPa/d로 운전 초기의 막오염 속도와 큰 차이가 없었다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 경우 정족수 감지 억제 담체를 다공성 보호 커버로 보호함에 따라 분리막 생물반응기 내의 막오염을 효과적으로 제어하는 것을 확인할 수 있다. 이는 운전 초기 정족수 감지 억제 담체의 활성이 거의 동일하지만, 비교예 1에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 경우 담체들이 반응기 내의 분리막 등에 끼이거나 활동이 방해되어 정족수 억제를 효과적으로 수행하지 못하는 것으로 추정된다. 반면에 실시예 1에 따른 생물막 형성 억제 장치의 경우 정족수 감지 억제 담체가 다공성 보호 커버 내부에 위치하여 반응기 내에 유동적으로 움직이면서 정족수 억제 작용을 원활하게 수행하고, 담체가 유실되는 현상도 발생하지 않기 때문에 효과적으로 막오염을 제어하는 것으로 판단된다.

특히, 분리막 수처리 시스템의 운전 말기에 본 발명의 일 비교예에 따른 다공성 보호 커버가 없는 정족수 감지 억제 담체의 경우 담체가 크게 손상되어 정족수 억제 능력이 크게 감소하는 반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 경우 담체가 여전히 물리적 구조와 생물학적인 정족수 억제 활성을 잘 유지하여 막오염을 효과적으로 제어하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물막 형성 억제 장치의 경우 정족수 감지 억제 담체가 충분히 큰 다공성 보호 커버에 담겨 생물반응기 내로 투입되기 때문에 슬러지 배출 등의 과정에서 외부로 유실될 우려도 전혀 없다는 것이 또 다른 장점이라 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템은 분리막의 오염을 효과적으로 제어하고, 담체의 내구성을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 생물막 형성 억제 장치 및 이를 포함하는 분리막 수처리 시스템은 다공성 보호 커버의 향상된 유동성을 통해 분리막 수처리가 효율적으로 수행될 수 있다.

Claims

다공성 보호 커버; 및

상기 다공성 보호 커버 내부의 담체;를 포함하고,

상기 담체는 생물막 형성 억제 미생물 및 친수성 고분자로 형성되고,

전체 밀도가 1.0 내지 1.5 g/mL인 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 다공성 보호 커버의 기공의 크기는 상기 담체의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 다공성 보호 커버는 플라스틱 재질인 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 다공성 보호 커버는 구형, 타원구형, 원통형 및 소세지형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 담체는 생물반응기에 투입하여 일정 기간 사용을 완료한 후에 다시 회수하여 반복적으로 재사용하는 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 담체는 상기 다공성 보호 커버 내부에 50% 이상의 부피비로 포함되는 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 친수성 고분자는 상기 생물막 형성 억제 미생물을 고정화시키는 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 친수성 고분자는 알지네이트, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 키토산 및 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제1항에 있어서,

상기 생물막 형성 억제 미생물은 정족수 감지 억제 효소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
제9항에 있어서,

상기 정족수 감지 억제 효소는 락토나제 또는 아실라제인 것을 특징으로 하는, 생물막 형성 억제 장치.
피처리수를 수용하는 생물반응기, 수처리용 분리막 모듈 및 상기 생물반응기 내부에 배치된 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 생물막 형성 억제 장치를 포함하는 분리막 수처리 시스템.