WO2024048810A1 - 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법 - Google Patents

방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법 Download PDF

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WO2024048810A1
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tritium
microalgae
reaction tank
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radioactive wastewater
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김원석
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(주)엔씨스퀘어
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    • B01D35/02—Filters adapted for location in special places, e.g. pipe-lines, pumps, stop-cocks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant

Definitions

  • the present invention relates to a method for removing tritium contained in radioactive wastewater.
  • the present invention relates to a method for removing tritium contained in radioactive wastewater through the photosynthetic process of algae, thereby maximizing the tritium removal rate, and further removing tritium contained in radioactive wastewater.
  • This relates to a method of removing tritium contained in radioactive wastewater that can minimize the volume of secondary waste generated by removing .
  • Tritium is one of the nuclides that is treated as very important in terms of radiation safety management of nuclear power plants because it is difficult to concentrate and separate and accounts for most of the radioactive effluent from nuclear power plants.
  • heavy water reactor nuclear power plants use heavy water (D 2 O) as a coolant and moderator necessary for operation of the nuclear reactor.
  • D 2 O heavy water
  • some of the heavy water combines with neutrons and is converted into tritium ( 3H or T), generating radioactivity, and the concentration of the generated radioactivity increases with the number of years of operation of the power plant.
  • Tritium is one of the hydrogen isotopes and is an artificial radioactive element with a mass number of 3, consisting of one proton and two neutrons. Tritium is not only the heaviest of the isotopes of hydrogen, but also undergoes beta decay and is a radioactive element with a half-life of 12.3 years, causing radioactive contamination when used in large quantities.
  • Tritium emits low-energy beta rays that enter the body through the worker's breath or skin, causing internal radiation exposure. Therefore, heavy water reactor nuclear power plants are making constant efforts, including applying various methods, to prevent workers from being exposed to tritium.
  • Tritium Removal Facility (TRF) is in operation at heavy water reactor nuclear power plants.
  • tritium removal facilities are also unable to completely remove tritium in the form of water vapor and are diluted with seawater and released as warm wastewater. Therefore, when using seawater as a source of drinking water, tritium (T 2 O) in seawater can be a major problem.
  • Korean Patent Registration No. 10-0532774 Korean Patent Registration No. 10-0532774.
  • the prior art is a device for removing tritium in the air, but there is a problem in that tritium discharged through hot wastewater from nuclear power plants cannot be removed.
  • a technology to remove tritium contained in radioactive wastewater through biotechnology is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-1611275. This is a technology that removes tritium contained in radioactive wastewater by using the photosynthesis of microalgae while injecting microalgae into radioactive wastewater containing tritium.
  • the tritium removed from the radioactive wastewater is absorbed into the cells of microalgae, so it must be stored separately as radioactive waste. It still has the problem of generating bulky secondary waste (microalgae with tritium absorbed).
  • tritium contained in radioactive wastewater is removed using microalgae, and the tritium removal rate can be maximized. Furthermore, secondary waste generated in removing tritium from radioactive wastewater can be removed. We would like to propose a tritium removal method that can minimize the volume.
  • the method for removing tritium contained in radioactive wastewater includes the steps of (a) introducing radioactive wastewater containing tritium and microalgae into a first reaction tank in an aerobic state; and (b) a photosynthetic process of microalgae in the first reaction tank using tritium, carbon dioxide, and light, including the step of synthesizing carbohydrates within the cells of the microalgae,
  • the tritium may be included as a component of carbohydrates synthesized within the cells of the microalgae.
  • step (c) the microalgae that have undergone step (b) are separated from the first reaction tank and then introduced into a second reaction tank; and (d) after step (c), in the second reaction tank in a microaerobic or anaerobic state, carbohydrates in the microalgae cells are fermented by the enzymatic action of microaerobic microorganisms or anaerobic microorganisms to produce methane. can do.
  • tritium contained in the carbohydrate may be released and included as a component of the methane.
  • the first reaction tank includes a first detailed reaction tank, a second detailed reaction tank, and a third detailed reaction tank, and each of the first detailed reaction tank, the second detailed reaction tank, and the third detailed reaction tank includes (a) and Step (b) proceeds;
  • the radioactive wastewater containing tritium introduced into the second detailed reactor is radioactive wastewater containing tritium separated from the first detailed reactor after steps (a) and (b) have been performed in the first detailed reactor.
  • the radioactive wastewater containing tritium introduced into the third detailed reactor is the radioactive wastewater containing tritium separated from the second detailed reactor after steps (a) and (b) are performed in the second detailed reactor. You can.
  • step (e) after step (d), it further includes the step of collecting the methane produced in step (d),
  • the microalgae is one or more freshwater microalgae selected from chlorella, spirulina, and senedesmus, or tetraselmis, chlorella, and dunaliella. ), one or more seawater microalgae selected from chaetoceros, nannochloropsis, and isochrysis,
  • the microaerobic microorganism or anaerobic microorganism may be one or more microorganisms selected from cellulomonas, pseudomonas, rhodopseudomonas, flavobacterium, and bacillus.
  • Figure 1 is a flowchart of steps for removing tritium contained in radioactive wastewater.
  • Figures 2 and 3 are diagrams schematically showing an apparatus for removing tritium contained in radioactive wastewater.
  • Step 100 Step in which radioactive wastewater and microalgae containing tritium are introduced into the first reaction tank.
  • the first reactor may be in an aerobic state. Radioactive wastewater containing tritium and microalgae undergoing photosynthesis can be introduced into this first reaction tank.
  • the microalgae to be introduced can be any microalgae that synthesizes carbohydrates using hydrogen contained in water through the photosynthetic process, preferably among chlorella, spirulina, and senedesmus.
  • One or more selected freshwater microalgae, or tetraselmis, chlorella, dunaliella, chaetoceros, nannochloropsis and isochrysis ( isochrysis) may be any one or more seawater microalgae selected from the group.
  • microalgae can be replaced with plants that can synthesize carbohydrates using hydrogen contained in water through the photosynthetic process.
  • the photosynthetic process of microalgae may proceed in the first reaction tank in an aerobic state.
  • Carbohydrates can be synthesized within microalgae cells through the photosynthetic process of microalgae.
  • photosynthesis of microalgae can be carried out using carbon dioxide, light, water, and tritium contained in radioactive wastewater supplied to the first reaction tank.
  • Carbohydrates are synthesized within microalgae cells through photosynthesis of microalgae.
  • tritium contained in radioactive wastewater may be included as a component of carbohydrates synthesized within microalgae cells. Through this process, tritium can be removed from radioactive wastewater.
  • the tritium contained in the radioactive wastewater is used and ultimately the tritium contained in the radioactive wastewater can be removed.
  • tritium is absorbed into microalgae cells through the photosynthesis process. It discloses the technical feature that it is included as a component of carbohydrates synthesized within algae cells.
  • tritium is included in carbohydrates through the photosynthetic process
  • the technical feature that tritium is contained in microalgae cells through the photosynthetic process alone cannot predict the technical feature that tritium is separated from microalgae by fermentation under microaerobic or anaerobic conditions.
  • Step 300 Step in which microalgae that have undergone a photosynthetic process are introduced into a second reactor in a microaerobic or anaerobic state.
  • carbohydrates are synthesized within microalgae cells through photosynthesis, and tritium is included as a component of carbohydrates.
  • microalgae may be introduced into a second reactor in a microaerobic or anaerobic state where dissolved oxygen is very low.
  • microaerobic microorganisms or anaerobic microorganisms may be added to the second reaction tank.
  • Microaerobic microorganisms or anaerobic microorganisms can be any microorganisms that can ferment carbohydrates through enzymatic action. Preferably, it may be one or more microorganisms selected from Cellulomonas, Pseudomonas, Rhodopseudomonas, Flavobacterium, and Bacillus.
  • Carbohydrates within microalgae cells are fermented due to the enzymatic action of microaerophilic or anaerobic microorganisms introduced into the second reaction tank, and methane may be produced as the carbohydrates are fermented.
  • Tritium contained in carbohydrates is released from carbohydrates through the fermentation process and may eventually be included as a component of the produced methane.
  • the secondary waste to be stored as radioactive waste may be limited to the form of methane gas, which has a small volume. The volume of secondary waste can be minimized.
  • Methane generated in the second reaction tank may be collected in a methane collector connected to the second reaction tank.
  • the captured methane may contain tritium as a component.
  • tritium can be separated from the captured methane in a separate process, the volume of secondary waste to be stored as radioactive waste can be further reduced, or the separately separated tritium can be reused for nuclear power plants, etc. It can also be configured so that no car waste is generated at all.
  • FIGS. 2 and 3 a device for removing tritium contained in radioactive wastewater will be described.
  • the device for removing tritium contained in radioactive wastewater is a first reaction tank in an aerobic state into which radioactive wastewater containing tritium and algae are input, and microalgae that have undergone a photosynthetic process in the first reaction tank are introduced after being separated from the first reaction tank. It may include a second reaction tank.
  • tritium, carbon dioxide, and light contained in radioactive wastewater are used to carry out the photosynthetic process in microalgae, and the carbohydrates synthesized accordingly can contain tritium as a component as described above. It's like a bar.
  • the first reaction tank may be made of a transparent material that allows light to pass through, and a light source device capable of irradiating light may be installed in the first reaction tank.
  • the light source device may be an LED lighting device.
  • An air supply device or a carbon dioxide supply device may be installed to supply air or carbon dioxide to the first reaction tank, and preferably, may be installed to supply air or carbon dioxide from the bottom of the first reaction tank.
  • a stirring device may be installed inside the first reaction tank, and a temperature control device that can adjust the temperature of the first reaction tank to suit photosynthesis conditions may be provided.
  • the microalgae containing the synthesized carbohydrate are introduced into the second reaction tank in a microaerobic or anaerobic state, and in the microaerobic or anaerobic state, microalgae are added to the microalgae or As described above, carbohydrates are fermented through the enzymatic action of anaerobic microorganisms to produce methane, and the produced methane may contain tritium.
  • methane generated in the second reaction tank can be collected in the methane collector.
  • a separate device capable of separating tritium from methane may be provided in the methane collector. In removing tritium, the volume of secondary waste that must be stored as radioactive waste can be minimized.
  • the first reaction tank may include a first detailed reaction tank, a second detailed reaction tank, and a third detailed reaction tank.
  • the technical features of the material of the reaction tank, the installed air supply device or carbon dioxide supply device, the light source device, the stirring device, the temperature control device, etc. described in one embodiment are applied to each of the first detailed reaction tank, the second detailed reaction tank, and the third detailed reaction tank. You can.
  • Radioactive wastewater containing tritium and microalgae may be input into each of the first detailed reactor, the second detailed reactor, and the third detailed reactor.
  • the radioactive wastewater containing tritium injected into the second subreactor is radioactive wastewater containing tritium separated after going through the photosynthesis process in the first subreactor
  • the radioactive wastewater containing tritium injected into the third subreactor is The radioactive wastewater may be radioactive wastewater containing tritium separated after going through the photosynthesis process in the second detailed reactor.
  • the purpose is to increase the tritium removal rate by going through a multi-stage photosynthesis process.
  • the tritium removal rate after going through the first detailed reaction tank was about 60%, but the tritium removal rate after going through the third detailed reaction tank reached 93.6%.
  • microalgae that have undergone photosynthesis in each of the first detailed reactor, the second detailed reactor, and the third detailed reactor may be input into the second reactor.
  • the radioactive wastewater containing tritium from the first detailed reactor is fed through a filter into the second detailed reactor to carry out the photosynthesis process in the first detailed reactor. It is possible to block coarse microalgae from flowing into the second detailed reaction tank.
  • the radioactive wastewater containing tritium from the second detailed reactor is fed into the third detailed reactor through a filter to carry out the photosynthesis process in the second detailed reactor. It is possible to block coarse microalgae from flowing into the third detailed reaction tank.
  • chlorella is separated from the first reactor and then introduced into the second reactor in an anaerobic state, while cellulomonas, pseudomonas, and rhodopseudomonas Fermentation proceeded through enzyme action.
  • the methane produced during the fermentation process was captured, and the condensate of the captured methane gas was analyzed for tritium to confirm whether tritium was contained in the methane.
  • the tritium concentration of 500mL of radioactive wastewater introduced into the first detailed reactor was 2,000Bq/mL, and after the photosynthesis process in the first detailed reactor, the tritium concentration of the radioactive wastewater in the first detailed reactor was measured to be 800Bq/mL. It has been done.
  • the radioactive wastewater that went through the photosynthesis process in the first detailed reactor was put into the second detailed reactor and the photosynthesis process progressed.
  • the tritium concentration of the radioactive wastewater in the second detailed reactor was 320 Bq/mL. It was measured as
  • the radioactive wastewater that went through the photosynthesis process in the 2nd detailed reactor was put into the 3rd detailed reactor to proceed with the photosynthesis process.
  • the tritium concentration of the radioactive wastewater in the 3rd detailed reactor was 128 Bq/mL. It was measured as
  • the removal rate of tritium removed through the photosynthetic process in the first detailed reactor was 60%, and the removal rate of tritium removed through the photosynthetic process through the final third detailed reactor reached 93.6%.
  • Chlorella which had undergone photosynthesis in each of the first detailed reactor, second detailed reactor, and third detailed reactor, was put into the second reactor and underwent a fermentation process. Under anaerobic conditions, carbohydrates in chlorella were fermented to produce methane. The generated methane was condensed, the condensed methane was sampled, and the tritium present in the methane condensate was measured using LSC.

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Abstract

본 발명은 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법에 관한 것으로서, (a) 삼중수소가 포함된 방사성 폐수 및 미세조류가 호기성 상태의 제1반응조에 투입되는 단계; 및 (b) 상기 삼중수소, 이산화탄소 및 빛이 이용되어 진행되는 상기 제1반응조에서의 미세조류의 광합성 과정으로, 상기 미세조류의 세포 내에서 탄수화물이 합성되는 단계를 포함하며, 상기 삼중수소가 상기 미세조류의 세포 내에서 합성된 탄수화물의 구성성분으로 포함되는 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법에 관한 것이다.

Description

방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법
본 발명은 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법에 관한 것으로서, 조류의 광합성 과정을 통하여 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하되, 삼중수소 제거율을 최대화할 수 있고, 나아가 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거함에 따라 발생되는 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있는 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법에 관한 것이다.
삼중수소는 농축, 분리가 어려워 원전 방사성 유출물의 대부분을 점유하고 있기 때문에 원전의 방사선안전관리 측면에서 매우 중요하게 취급되는 핵종 중 하나이다.
일반적으로 중수로원전에서는 원자로의 운전에 필요한 냉각재 및 감속재로 중수(D2O)를 사용한다. 원자로의 출력 운전 중 중수의 일부가 중성자와 결합하여 삼중수소(Tritium; 3H 또는 T)로 바뀌어 방사능을 발생하게 되며, 그 발생 농도는 발전소의 가동연수에 따라 증가하게 된다.
삼중수소는 수소 동위 원소의 하나로서, 한 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 질량수 3인 인공 방사성원소이다. 이러한 삼중수소는 수소의 동위원소 중 가장 무거울 뿐만 아니라 베타 붕괴(β-decay)를 하며, 반감기가 12.3년인 방사성 원소로서 대량 사용 시 방사능 오염을 유발하게 된다.
삼중수소는 저에너지의 베타선을 방출하여 작업자의 호흡 또는 피부를 통해 체내로 유입되어 내부 피폭을 일으키게 된다. 따라서 중수로원전에서는 작업종사자가 삼중수소에 노출되지 않게 하기 위하여 여러 가지 방법을 적용하는 등 부단한 노력을 기울이고 있다.
최근 삼중수소에 의한 피폭의 영향을 저감하기 위해 중수로원전에서는 삼중수소제거설비(TRF; Tritium Removal Facility)가 가동되고 있다. 그러나 삼중수소제거설비 또한 수증기 형태의 삼중수소를 완벽히 제거하지 못하고 바닷물로 희석하여 온배수로 방출하고 있는 실정이다. 따라서 바닷물을 식수원으로 이용할 때에는 해수 중의 삼중수소(T2O)가 큰 문제가 될 수 있다.
한편, 삼중수소를 제거하기 위한 장치에 관한 기술이 대한민국 특허등록번호 제10-0532774호에 개시되어 있다. 선행기술은 공기 중의 삼중수소를 제거하기 위한 장치로, 원자력발전소에서 온배수를 통해 배출되는 삼중수소는 제거할 수 없는 문제가 있다.
생물공학적으로 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하는 기술이 대한민국 특허등록번호 제10-1611275호에 개시되어 있다. 삼중수소가 포함된 방사성 폐수에 미세조류를 투입한 상태에서 미세조류의 광합성을 이용함으로써 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하는 기술이다.
그러나, 미세조류의 광합성으로 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거함에 있어서 그 삼중수소의 제거율이 제한적이다.
나아가, 방사성 폐기물 처리시 방폐장에서 보관되어야 할 방사성 폐기물의 부피를 최소화해야 하는 현실정에서, 방사성 폐수에서 제거된 삼중수소가 미세조류의 세포 내로 흡수된 상태인 바, 방사성 폐기물로 보관되어야 할 별도의 부피가 큰 2차 폐기물(삼중수소가 흡수된 미세조류)이 발생되는 문제점을 여전히 안고 있다.
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 미세조류를 이용하여 제거하되 삼중수소 제거율을 최대화할 수 있고, 나아가 방사성 폐수에서 삼중수소를 제거함에 있어서 발생되는 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있는 삼중수소 제거방법을 제안하고자 한다.
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자 본 발명에 따른 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법은, (a) 삼중수소가 포함된 방사성 폐수 및 미세조류가 호기성 상태의 제1반응조에 투입되는 단계; 및 (b) 상기 삼중수소, 이산화탄소 및 빛이 이용되어 진행되는 상기 제1반응조에서의 미세조류의 광합성 과정으로, 상기 미세조류의 세포 내에서 탄수화물이 합성되는 단계를 포함하며,
상기 삼중수소가 상기 미세조류의 세포 내에서 합성된 탄수화물의 구성성분으로 포함될 수 있다.
바람직하게는, (c) 상기 (b) 단계를 거친 상기 미세조류가 상기 제1반응조에서 분리된 이후 제2반응조로 투입되는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계 이후, 미호기성 또는 혐기성 상태의 상기 제2반응조에서, 미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물의 효소작용으로 상기 미세조류 세포 내의 탄수화물이 발효되어 메탄이 생성되는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (d) 단계에서, 상기 탄수화물에 포함된 삼중수소가 방출되어 상기 메탄의 구성성분으로 포함될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1반응조는 제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조를 포함하며, 상기 제1세부반응조, 상기 제2세부반응조 및 제3세부반응조 각각에서 상기 (a) 및 (b) 단계가 진행되며,
상기 제2세부반응조에 투입되는 삼중수소가 포함된 방사성 폐수는 상기 제1세부반응조에서 상기 (a) 및 (b) 단계가 진행된 이후 상기 제1세부반응조에서 분리된 삼중수소가 포함된 방사성 폐수이며,
상기 제3세부반응조에 투입되는 삼중수소가 포함된 방사성 폐수는 상기 제2세부반응조에서 상기 (a) 및 (b) 단계가 진행된 이후 상기 제2세부반응조에서 분리된 삼중수소가 포함된 방사성 폐수일 수 있다.
바람직하게는, (e) 상기 (d) 단계 이후, 상기 (d) 단계에서 생성된 메탄이 포집되는 단계를 더 포함하며,
상기 미세조류는 클로렐라(chlorella), 스피룰리나(spirulina) 및 세네데스무스(senedesmus) 중 선택되는 어느 하나 이상의 담수성 미세조류이거나, 또는 테트라셀미스(tetraselmis), 클로렐라(chlorella), 듀날리엘라(dunaliella), 채토세로스(chaetoceros), 난노클로롭시스(nannochloropsis) 및 이소크리시스(isochrysis) 중 선택되는 어느 하나 이상의 해수성 미세조류이며,
상기 미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물은 셀룰로모나스(cellulomonas), 슈도모나스(pseudomonas), 로도슈도모나스(rhodopseudomonas), 플라보박테리움(flavobacterium) 및 바실러스(bacillus) 중 선택되는 어느 하나 이상의 미생물일 수 있다.
상술한 과제해결수단으로 인하여, 미세조류의 광합성으로 방사성 폐기물에 포함된 삼중수소가 제거되는 과정을 특정함으로써, 이후 삼중수소를 제거함에 따라 발생되는 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있다. 즉, 미세조류의 광합성 과정으로 탄수화물이 합성되는 과정 중 삼중수소가 탄수화물의 구성성분으로 포함되고, 이후 이러한 탄수화물을 발효시켜 탄수화물에 포함된 삼중수소를 가스 형태로 포집함에 따라, 삼중수소를 제거함에 따라 발생되는 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있다.
나아가, 상술한 과제해결수단으로 인하여, 미세조류의 광합성 과정으로 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거함에 있어서 삼중수소의 제거율을 최대화할 수 있다.
도 1은 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하는 단계에 대한 순서도이다.
도 2 및 도 3은 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1을 참조하여 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하는 방법에 대해서 설명한다.
100: 삼중수소가 포함된 방사성 폐수 및 미세조류가 제1반응조에 투입되는 단계
제1반응조는 호기성 상태일 수 있다. 이러한 제1반응조에 삼중수소가 포함된 방사성 폐수와 광합성 과정이 진행되는 미세조류가 투입될 수 있다.
투입되는 미세조류는 광합성 과정으로 수중에 포함된 수소를 이용하여 탄수화물을 합성하는 미세조류이면 어떠한 미세조류도 가능하며, 바람직하게는 클로렐라(chlorella), 스피룰리나(spirulina) 및 세네데스무스(senedesmus) 중 선택되는 어느 하나 이상의 담수성 미세조류이거나, 또는 테트라셀미스(tetraselmis), 클로렐라(chlorella), 듀날리엘라(dunaliella), 채토세로스(chaetoceros), 난노클로롭시스(nannochloropsis) 및 이소크리시스(isochrysis) 중 선택되는 어느 하나 이상의 해수성 미세조류일 수 있다.
이러한 미세조류는 광합성 과정으로 수중에 포함된 수소를 이용하여 탄수화물을 합성할 수 있는 식물로 대체될 수 있다.
200: 미세조류의 광합성으로 미세조류 세포 내에서 탄수화물이 합성되는 단계
호기성 상태의 제1반응조에서 미세조류의 광합성 과정이 진행될 수 있다. 미세조류의 광합성 과정으로 미세조류 세포 내에서 탄수화물이 합성될 수 있다. 이때, 미세조류의 광합성은 제1반응조에 공급되는 이산화탄소, 빛, 물 및 방사성 폐수에 포함된 삼중수소가 이용되어 진행될 수 있다.
미세조류의 광합성으로 미세조류 세포 내에서 탄수화물이 합성되는데, 이때 방사성 폐수에 포함된 삼중수소가 미세조류 세포 내에서 합성되는 탄수화물의 구성성분으로 포함될 수 있다. 이러한 과정으로 방사성 폐수에서 삼중수소가 제거될 수 있다.
광합성 과정으로 미세조류 세포 내에서 탄수화물이 합성되기 위해서는 물에 포함된 수소, 이산화탄소 및 빛에너지 등이 이용되고, 탄수화물 합성 과정 중에 전자의 이동에 따른 에너지가 요구되는데, 삼중수소의 경우 그 방사성 에너지가 저감되면서 전자의 이동에 따른 에너지가 방출됨에 따라 탄수화물 합성을 촉진시키는 것으로 보이는 바, 탄수화물 합성에 있어서 방사성 폐수에 포함된 삼중수소가 물에 포함된 보통수소보다 탄수화물 구성성분으로서의 선택도가 더 높을 수 있다.
이에 따라, 광합성으로 미세조류 세포 내에서 탄수화물이 합성되는 경우 방사성 폐수에 포함된 삼중수소가 이용되어 결국 방사성 폐수에 포함된 삼중수소가 제거될 수 있다.
방사성 폐수에 포함된 삼중수소가 광합성 과정으로 미세조류 세포 내로 흡수된 상태에서 무거운 삼중수소가 미세조류 세포에서 빠져나오지 못한다는 기술을 개시한 종래기술과 달리, 본 발명에서는 광합성 과정으로 삼중수소가 미세조류 세포 내에서 합성되는 탄수화물의 구성성분으로 포함된다는 기술적 특징을 개시하고 있다.
삼중수소가 포함된 미세조류를 별도로 보관할 수밖에 없는 선행기술에 따르면, 삼중수소가 포함된 미세조류라는 큰 부피의 2차 폐기물이 발생되는 문제점이 여전히 남아 있다. 즉, 큰 부피로 방사성 폐기물의 보관상의 문제점이 따르게 된다.
그러나, 본 발명에서는 미세조류의 광합성으로 방사성 폐기물에 포함된 삼중수소가 제거되는 과정을 특정함으로써, 이후 삼중수소를 제거함에 따라 발생되는 2차 폐기물을 최소화할 수 있다. 즉, 미세조류의 광합성 과정으로 탄수화물이 합성되는 과정 중 삼중수소가 탄수화물의 구성성분으로 포함되고, 이후 이러한 탄수화물을 발효시켜 탄수화물에 포함된 삼중수소를 가스 형태로 포집함에 따라, 삼중수소가 제거되면서 발생되는 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있다.
광합성 과정으로 삼중수소가 탄수화물에 포함된다는 기술적 특징을 특정하지 않은 상태에서는, 미호기성 또는 혐기성 상태에서 이러한 탄수화물을 발효시켜 부피가 작은 가스 형태로 삼중수소를 보관할 수 있다는 기술적 특징을 전혀 예측할 수 없다. 즉, 광합성 과정으로 삼중수소가 미세조류 세포 내에 포함된다는 기술적 특징만으로는 미호기성 또는 혐기성 상태에서 발효시켜 삼중수소를 미세조류에서 분리시킨다는 기술적 특징을 예측할 수 없다.
300: 광합성 과정을 거친 미세조류가 미호기성 또는 혐기성 상태의 제2반응조에 투입되는 단계
제1반응조에서 광합성 과정으로 미세조류 세포 내에서의 탄수화물 합성으로, 삼중수소가 탄수화물의 구성성분으로 포함된 상태이다.
이러한 탄수화물에서 삼중수소를 방출시키기 위해 미세조류를 용존산소가 매우 낮은 미호기성 또는 혐기성 상태의 제2반응조에 투입될 수 있다.
미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물의 효소작용으로 미세조류 세포 내의 탄수화물을 발효시키기 위해, 제2반응조에 미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물이 투입될 수 있다.
미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물은 탄수화물을 효소작용으로 발효시킬 수 있는 어떠한 미생물일 수 있다. 바람직하게는, 셀룰로모나스(cellulomonas), 슈도모나스(pseudomonas), 로도슈도모나스(rhodopseudomonas), 플라보박테리움(flavobacterium) 및 바실러스(bacillus) 중 선택되는 어느 하나 이상의 미생물일 수 있다.
400: 제2반응조에서 미세조류 세포 내의 탄수화물이 발효되어 메탄이 생성되는 단계
제2반응조에 투입된 미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물의 효소작용으로 미세조류 세포 내의 탄수화물이 발효되고, 탄수화물이 발효되면서 메탄이 생성될 수 있다. 탄수화물에 포함된 삼중수소는 발효 과정을 통해 탄수화물에서 방출되고, 결국 생성된 메탄의 구성성분으로 포함될 수 있다.
이에 따라, 삼중수소가 제거됨에 따라 발생된 2차 폐기물이 부피가 큰 미세조류 자체였던 선행기술과 달리, 방사성 폐기물로서 보관되어야 할 2차 폐기물이 부피가 작은 메탄 가스 형태로 한정될 수 있는 바, 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있다.
500: 메탄 포집기에서 삼중수소가 포함된 메탄 포집
제2반응조에 연통된 메탄포집기에서 제2반응조에서 생성된 메탄이 포집될 수 있다. 포집된 메탄에는 삼중수소가 구성성분으로 포함될 수 있다.
이후, 포집된 메탄에서 삼중수소를 별도의 공정으로 분리할 수 있는 경우, 방사성 폐기물로서 보관되어야 할 2차 폐기물의 부피를 더욱 감소시킬 수 있고, 또는 별도로 분리된 삼중수소를 다시 원전 등에 재사용함으로써 2차 폐기물이 전혀 발생되지 않도록 구성될 수도 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거하는 장치에 대해서 설명한다.
도 2를 참조하여 일실시예를 설명한다.
방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거장치는, 삼중수소가 포함된 방사성 폐수 및 조류가 투입되는 호기성 상태의 제1반응조, 제1반응조에서 광합성 과정을 거친 미세조류가 제1반응조에서 분리된 이후 투입되는 제2반응조를 포함할 수 있다.
호기성 상태의 제1반응조에서, 방사성 폐수에 포함된 삼중수소, 이산화탄소 및 빛 등이 이용되어 미세조류에서 광합성 과정이 진행되고, 이에 따라 합성된 탄수화물에 삼중수소가 구성성분으로 포함될 수 있다는 것은 상술한 바와 같다.
나아가, 미세조류의 광합성 과정을 최대한 발생시키기 위해, 제1반응조는 빛이 투과될 수 있는 투명 재질일 수 있으며, 제1반응조에 빛이 조사될 수 있는 광원장치가 장착될 수 있다. 광원장치는 LED조명 장치일 수 있다.
제1반응조에 에어 또는 이산화탄소가 공급되도록 에어 공급장치 또는 이산화탄소 공급장치가 장착될 수 있으며, 바람직하게는 제1반응조의 하부에서 에어나 이산화탄소가 공급되도록 장착될 수 있다.
나아가, 방사성 폐수와 미세조류의 원활한 접촉을 위하여 제1반응조 내부에는 교반장치가 장착될 수 있으며, 제1반응조의 온도를 광합성 조건에 맞게 조절할 수 있는 온도조절장치 등이 구비될 수 있다.
제1반응조에서 합성된 탄수화물에 삼중수소가 구성성분으로 포함된 상태에서, 합성된 탄수화물이 포함된 미세조류가 미호기성 또는 혐기성 상태의 제2반응조에 투입되고, 미호기성 또는 혐기성 상태에서 미호기성 또는 혐기성 미생물의 효소작용으로 탄수화물이 발효되어 메탄이 생성되고, 생성된 메탄에는 삼중수소가 포함될 수 있다는 것은 상술한 바와 같다.
메탄포집기가 제2반응조에 연통된 상태에서, 제2반응조에서 생성된 메탄이 메탄포집기에 포집될 수 있다.
나아가, 메탄에서 삼중수소를 분리할 수 있는 별도의 장치가 메탄포집기에서 구비될 수 있다. 삼중수소를 제거함에 있어서 방사성 폐기물로서 보관되어야 할 2차 폐기물의 부피를 최소화할 수 있다.
도 3을 참조하여 다른 실시예를 설명한다.
제1반응조는 제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조를 포함할 수 있다.
일실시예에서 설명한 반응조의 재질, 장착되는 에어 공급장치 또는 이산화탄소 공급장치, 광원장치, 교반장치, 온도조절장치 등에 대한 기술적 특징은 제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조 각각에 적용될 수 있다.
제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조 각각에 삼중수소가 포함된 방사성 폐수 및 미세조류가 투입될 수 있다. 다만, 제2세부반응조에 투입되는 삼중수소가 포함된 방사성 폐수는 제1세부반응조에서 광합성 과정을 거친 후 분리된 삼중수소가 포함된 방사성 폐수이며, 제3세부반응조에 투입되는 삼중수소가 포함된 방사성 폐수는 제2세부반응조에서 광합성 과정을 거친 후 분리된 삼중수소가 포함된 방사성 폐수일 수 있다.
즉, 방사성 폐수에 포함된 삼중수소를 제거함에 있어서, 다단의 광합성 과정을 거치도록 함으로써 삼중수소 제거율을 높이고자 함이다. 후술할 실험결과를 살펴보면, 제1세부반응조를 거친 후의 삼중수소 제거율은 60% 정도였지만, 제3세부반응조를 거친 후의 삼중수소 제거율은 93.6%에 도달하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조 각각에서 광합성을 거친 미세조류가 제2반응조에 각각 투입될 수 있다.
나아가, 제1세부반응조와 제2세부반응조가 연통된 상태에서, 제1세부반응조로부터의 삼중수소가 포함된 방사성 폐수가 필터를 거쳐 제2세부반응조로 투입되도록 하여 제1세부반응조에서 광합성 과정을 거친 미세조류가 제2세부반응조로 유동되는 것을 차단할 수 있다.
마찬가지로, 제2세부반응조와 제3세부반응조가 연통된 상태에서, 제2세부반응조로부터의 삼중수소가 포함된 방사성 폐수가 필터를 거쳐 제3세부반응조로 투입되도록 하여 제2세부반응조에서 광합성 과정을 거친 미세조류가 제3세부반응조로 유동되는 것을 차단할 수 있다.
나머지 구성요소의 설명은 일실시예의 설명에 따른다.
실험
삼중수소의 농도가 2,000Bq/mL인 방사성 폐수 500mL가 제1반응조에 투입된 상태에서, 제1반응조에 투입된 클로렐라(chlorella), 스피룰리나(spirulina)에서 광합성 과정이 진행되도록 하였다.
5일 동안의 광합성 반응 후 남은 방사성 폐수에서의 삼중수소 농도를 측정하였다.
제1반응조에서 광합성 과정을 거친 후, 클로렐라(chlorella)가 제1반응조에서 분리된 이후 혐기성 상태의 제2반응조로 투입된 상태에서, 셀룰로모나스(cellulomonas), 슈도모나스(pseudomonas), 로도슈도모나스(rhodopseudomonas)에 의한 효소작용으로 발효가 진행되었다.
발효되는 과정 중에 생성된 메탄을 포집한 다음, 포집된 메탄가스의 응축수에서 삼중수소를 분석하여, 삼중수소가 메탄에 포함되어 있는지 확인하였다.
실험결과
제1세부반응조에 투입된 500mL의 방사성 폐수의 삼중수소 농도는 2,000Bq/mL인 상태에서, 제1세부반응조에서의 광합성 과정 후 제1세부반응조 내의 방사성 폐수의 삼중수소 농도는 800Bq/mL인 것으로 측정되었다.
제1세부반응조에서 광합성 과정을 거친 방사성 폐수가 제2세부반응조에 투입되어 광합성 과정이 진행되었고, 제2세부반응조에서의 광합성 과정 후 제2세부반응조 내의 방사성 폐수의 삼중수소 농도는 320Bq/mL인 것으로 측정되었다.
제2세부반응조에서 광합성 과정을 거친 방사성 폐수가 제3세부반응조에 투입되어 광합성 과정이 진행되었고, 제3세부반응조에서의 광합성 과정 후 제3세부반응조 내의 방사성 폐수의 삼중수소 농도는 128Bq/mL인 것으로 측정되었다.
제1세부반응조에서 광합성 과정으로 제거된 삼중수소의 제거율은 60%이며, 최종 제3세부반응조를 거치면서 광합성 과정으로 제거된 삼중수소의 제거율은 93.6%에 이른 것으로 나타난다.
제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조 각각에서 광합성 과정을 거친 클로렐라(chlorella)를 제2반응조에 투입하여 발효과정을 거쳤다. 혐기성 상태에서 클로렐라(chlorella) 내의 탄수화물이 발효되어 메탄이 발생되었고, 발생된 메탄을 응축시키고 응축된 메탄에서 샘플링하여 메탄 응축수 내에 존재하는 삼중수소를 LSC를 이용하여 측정하였다.
측정한 결과는 표 1과 같다.
day 1 3 5 7 9 10 12
삼중수소 농도(Bq/mL) 0 450 1,300 9,400 15,000 8,200 1,100
혐기성 반응에서 메탄이 발생되고, 발생된 메탄이 응축된 메탄 응축수의 샘플에서 반응시간에 따라 삼중수소의 농도가 높아지는 것으로 확인되었다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. (a) 삼중수소가 포함된 방사성 폐수 및 미세조류가 호기성 상태의 제1반응조에 투입되는 단계; 및
    (b) 상기 삼중수소, 이산화탄소 및 빛이 이용되어 진행되는 상기 제1반응조에서의 미세조류의 광합성 과정으로, 상기 미세조류의 세포 내에서 탄수화물이 합성되는 단계를 포함하며,
    상기 삼중수소가 상기 미세조류의 세포 내에서 합성된 탄수화물의 구성성분으로 포함되는 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (c) 상기 (b) 단계를 거친 상기 미세조류가 상기 제1반응조에서 분리된 이후 제2반응조로 투입되는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계 이후, 미호기성 또는 혐기성 상태의 상기 제2반응조에서, 미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물의 효소작용으로 상기 미세조류 세포 내의 탄수화물이 발효되어 메탄이 생성되는 단계를 더 포함하는 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 탄수화물에 포함된 삼중수소가 방출되어 상기 메탄의 구성성분으로 포함되는 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1반응조는 제1세부반응조, 제2세부반응조 및 제3세부반응조를 포함하며,
    상기 제1세부반응조, 상기 제2세부반응조 및 제3세부반응조 각각에서 상기 (a) 및 (b) 단계가 진행되며,
    상기 제2세부반응조에 투입되는 삼중수소가 포함된 방사성 폐수는 상기 제1세부반응조에서 상기 (a) 및 (b) 단계가 진행된 이후 상기 제1세부반응조에서 분리된 삼중수소가 포함된 방사성 폐수이며,
    상기 제3세부반응조에 투입되는 삼중수소가 포함된 방사성 폐수는 상기 제2세부반응조에서 상기 (a) 및 (b) 단계가 진행된 이후 상기 제2세부반응조에서 분리된 삼중수소가 포함된 방사성 폐수인 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    (e) 상기 (d) 단계 이후, 상기 (d) 단계에서 생성된 메탄이 포집되는 단계를 더 포함하며,
    상기 미세조류는 클로렐라(chlorella), 스피룰리나(spirulina) 및 세네데스무스(senedesmus) 중 선택되는 어느 하나 이상의 담수성 미세조류이거나, 또는 테트라셀미스(tetraselmis), 클로렐라(chlorella), 듀날리엘라(dunaliella), 채토세로스(chaetoceros), 난노클로롭시스(nannochloropsis) 및 이소크리시스(isochrysis) 중 선택되는 어느 하나 이상의 해수성 미세조류이며,
    상기 미호기성 미생물 또는 혐기성 미생물은 셀룰로모나스(cellulomonas), 슈도모나스(pseudomonas), 로도슈도모나스(rhodopseudomonas), 플라보박테리움(flavobacterium) 및 바실러스(bacillus) 중 선택되는 어느 하나 이상의 미생물인 방사성 폐수에 포함된 삼중수소 제거방법.
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