[미국] SF공병 환경연구소, 저온 살균녹조제거선 개발

CyanoSTUN™, 미생물 조사해 시아노박테리아 세포에 손상입혀

화학물질을 사용하고 생태학적 영향을 주지 않고 녹조 제거 가능

미국 FPS 공병 연구 개발 센터(ERDC)의 환경 연구소(EL)는 최신 화학물질을 사용하거나 목표를 유지하기 위해 생태학적 영향을 행사지 않도록 보호 세균(UV-C)을 가지고 노시아박테리아 성분 녹조(CyanoHABs)를 해결합니다 으로 물리치고 박멸하는 CyanoSTUN™을 개발했습니다. CyanoSTUN™ 보트 이미지. [사진제공(사진출처)=ERDC]

미국 FPS 공병 연구 개발 센터(ERDC)의 환경 연구소(EL)는 최신 화학물질을 사용하거나 목표를 유지하기 위해 생태학적 영향을 행사지 않도록 보호 세균(UV-C)을 가지고 노시아박테리아 성분 녹조(CyanoHABs)를 해결합니다 으로 노력하고 박멸하는 기술을 개발했습니다. 이 기술은 현재 매사추세츠와 코티네컷에서 현장 실험을 시작합니다.

CyanoHABs를 관리하기 위해서는 기존 기술은 안전하지 않고 적군에 배치되기 때문에 더 큰 크기를 축소하는 데가 있었습니다. 이러한 것을 처리하기 위해 ERDC-EL의 연구 환경 공학자 본 연구 연구소인 테일러 라이크로프트(Taylor Rycroft)는 EL의 한랭 연구 연구소(Cold Regions Research and Engineering Laboratory)와 대형리지 과학 교육 연구소( Oak Ridge Institute for Science and Education)의 손잡이들과 협력해 CyanoSTUN™(자외선-광-C 중화를 다루기 시아노박테리아) 보트를 설계했습니다.

라이크로프트 연구원은 “CyanoSTUN™은 하수 등급의 UV-C 반응기와 UV 처리 능력을 최적화하기 위해 개조된 소형 평저선 보트다"며 "보트가 CyanoHABs로 오염된 물을 지나갈 때, 수층 상단 5~8인치에 있는 시아노박테리아와 시아노톡신은 시아노박테리아의 세포 DNA를 파괴하고 특정 독소를 분해할 수 있는 파장의 UV 광을 조사한다"고 설명했다.

CyanoSTUN™ 보트의 목표는 물관리자가 어떤 화학물질도 사용하지 않고 장기간 동안 녹조의 번성을 신속하고 안전하게 중단하거나 완전히 제거할 수 있게 하는 것이다. 실험실 규모의 테스트 결과에 따르면, UV-C는 시아노박테리아의 세포 내 과정을 방해해 방사선에 노출되는 시간에 따라 세포에 가역적 및 비가역적 손상을 입혔다.

라이크로프트 연구원은 “UV-C는 생태계에 유익한 다른 미세조류에 비해 독소를 생성하는 시아노박테리아에 불균형적으로 해를 끼치는 것으로 나타났다"며 "그런 점에서, 우리가 목표로 하는 UV-C 조사량에서 CyanoSTUN™은 '유해한 녹조'는 제거하고 '무해한 녹조'에는 거의 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다"고 설명했다.

UV 채널 반응기는 평저선 보트 바닥에 장착돼 스테인리스 스틸 크로스바로 고정된다. 반응기는 보트의 갑판에 있는 해치 컷을 들어올려 접근할 수 있는 10개의 87.5W UV-C 램프를 사용한다. 램프 중 하나에 부착된 UV 센서는 반응기 내의 UV 강도를 실시간으로 측정하며, 해당 정보는 적절한 처리를 위해 보트의 적절한 속도를 알리는 데 사용된다.

또한 연구진은 내부 스테인레스 스틸 벽을 UV254 반사율이 높은 폴리테트라플루오로에틸렌 확산 반사 시트로 라이닝해 반응기를 맞춤화했다.

라이크로프트 연구원은 “이 디자인은 벽 반사율을 약 25~95%로 향상시키도록 구현됐다"며 "이를 통해 반응기 벽을 따라 흐르는 물 흐름 경로가 램프와의 거리에도 불구하고 가능한 가장 높은 UV 강도를 받도록 하는 데 도움이 된다”고 말했다.

또한 CyanoSTUN™에는 알루미늄 천공 시트로 제작된 맞춤형 활 장착형 스크린이 있어 잔해물이 반응기로 유입돼 램프가 손상되는 것을 방지한다. 이 보트는 활에 장착된 전동 트롤링 모터로 구동된다.

시아노박테리아 유해 녹조 퇴치 UV 반응기를 잔여물로부터 보호하고 UVC 반응 영역 내에서 혼합성을 극대화하기 위한 활 장착 스크린 및 트롤링 모터 이미지. [사진제공(Photo Source) = ERDC]

라이크로프트 연구원은 "트롤링 모터는 추력과 방향 제어를 제공하는 것 외에도 물이 반응기 내부로 들어갈 때 난류를 생성해 반응기 벽과 모서리 부근의 비활용 공간이나 층류 유동(laminar flow lanes)의 가능성을 줄여준다"고 설명했다.

끝으로, 휴대용 발전기를 사용해 반응기로 램프와 트롤링 모터 배터리에 전력을 공급한다.

CyanoSTUN™은 목표 시간 동안 UV-C를 사용해 시아노박테리아를 비활성화하고 오염된 물의 시아노톡신 농도를 줄인다.

라이크로프트 연구원은 “이 과정은 채널 반응기 내에서 이뤄지는데, 이는 UV-C가 설계된 양보다 초과해 조사하는 것을 방지해 유해하고 목표를 벗어난 생태학적 영향의 위험을 없앤다"고 말했다.

CyanoSTUN™이 조사하는 살균 UV-C의 양은 반응기 내의 UV 강도와 반응기를 통과하는 시아노박테리아의 체류 시간에 따라 달라진다. UV 강도는 전적으로 지표수의 UV 투과율(UVT)에 의존하며, 이는 물에 부유 및 용해 성분의 유형과 농도에 따라 달라진다. 높은 UVT(또는 낮은 흡광도)에서는 낮은 UVT보다 더 많은 UV254 방사선이 반응기의 표적 시아노박테리아에 도달할 것이며, 이 때 방출된 UV254 방사선 중 더 많은 것이 흡수되고 시아노박테리아 및 시아노톡신에 작용할 수 있는 가능성이 더 적다. 시아노박테리아의 체류 시간은 보트의 속도를 조절해 제어된다. 보트가 빠르게 이동할수록 시아노박테리아가 반응기에 머무는 시간이 줄어들고 그 반대의 경우도 마찬가지다.

CyanoSTUN 플랫폼 아래에 있는 UV 반응기. [사진제공(Photo Source) = ERDC]

이 보트는 현재 파도가 적은 잔잔한 담수 호수와 연못을 위해 설계됐지만 라이크로프트와 그의 팀은 더 큰 파도와 더 넓은 수역에서 대규모 녹조를 다룰 수 있도록 CyanoSTUN™을 향상시키고자 한다.

라이크로프트 연구원은 “CyanoSTUN™은 크기가 3에이커 미만인 소규모 녹조를 퇴치하도록 설계됐다. 이 크기를 넘어서면, 보트가 더 넓은 표면적을 커버하기 위해 최대 속도로 이동해야 하고 이로인해 시아노박테리아의 노출 시간, 즉 UV 선량이 손상될 것”이라고 설명했다.

현장 테스트의 초기 결과에 따르면, CyanoSTUN™은 UV-C의 투여량에 따라 강력한 시아노톡신인 마이크로시스틴의 농도를 30~50%까지 줄일 수 있다. 라이크로프트 팀은 여전히 다양한 시아노박테리아 및 조류 종에 걸쳐 세포 밀도와 군집 구성에 CyanoSTUN™이 미치는 영향을 보여주는 분석 결과를 기다리고 있다. ERDC는 2023년 4월 CyanoSTUN™에 대한 특허 출원을 제출했다.

CyanoSTUN 아래에 있는 UV 반응기에 불이 켜진 모습. [사진제공(Photo Source) = ERDC]

 

[원문보기]

ERDC researchers combat cyanobacterial harmful algal blooms

 

The U.S. Army Engineer Research and Development Center’s (ERDC) Environmental Laboratory (EL) recently completed field trials in Massachusetts and Connecticut, using germicidal ultraviolet light (UV-C) to sustainably suppress and potentially eradicate cyanobacterial harmful algal blooms (cyanoHABs) without using chemicals or causing off-target ecological effects.

Many of the conventional techniques for managing cyanoHABs are challenging to deploy in a safe and timely manner, as well as difficult to scale to size. To address these limitations, Taylor Rycroft, a research environmental engineer in ERDC-EL and principal investigator of the study, is working with a team consisting of representatives from EL, the Cold Regions Research and Engineering Laboratory and the Oak Ridge Institute for Science and Education. Together, they engineered the CyanoSTUNTM (Cyanobacterial Suppression Through Ultraviolet-Light-C Neutralization) vessel.

“The CyanoSTUNTM is a small pontoon boat fitted with a wastewater-grade UV-C reactor and other modifications to optimize UV treatment capability. As the vessel traverses the cyanoHAB-contaminated water, the cyanobacteria and cyanotoxins in the top five to eight inches of the water column are irradicated with UV light at a wavelength capable of disrupting the cellular DNA of the cyanobacteria and degrading certain toxins,” said Rycroft.

The goal of the CyanoSTUNTM vessel is to give water managers the ability to rapidly and safely suspend an algal bloom for an extended period of time, or destroy it entirely, without using any chemicals. Laboratory results show UV-C can disrupt intracellular processes within cyanobacteria, leading to both reversible and irreversible damage depending on the amount of time the cells are exposed to radiation.

“UV-C has been shown to disproportionately harm toxin-producing cyanobacteria compared to other microalgae that are beneficial to the ecosystem,” Rycroft said. “In that sense, at our targeted UV-C doses, the CyanoSTUNTM is expected to knock out the ‘bad guys’ and have little effect on the ‘good guys’.”

A UV channel reactor is mounted to the bottom of the pontoon boat and braced with stainless steel crossbars.  The reactor uses ten 87.5W UV-C lamps, which are accessible by lifting a hatch cut in the deck of the vessel. A UV sensor attached to one of the lamps provides a real-time measurement of UV intensity within the reactor, and that information is then used to inform the appropriate velocity of the boat for adequate treatment.

Rycroft and his team also customized the reactor by lining the interior stainless-steel walls with high-UV254-reflectance polytetrafluorethylene diffuse reflector sheeting.

“This design was implemented to improve wall reflectance from approximately 25% to approximately 95%. The modification helps ensure the water flow paths along the reactor wall receive the highest possible UV intensity despite their distance from the lamps,” Rycroft said.

Additionally, the CyanoSTUNTM has a custom bow-mounted screen made from aluminum perforated sheeting, which prevents debris from entering the reactor and damaging the lamps. The vessel is powered by a bow-mounted electric trolling motor.

“In addition to providing thrust and directional control, the trolling motor creates turbulent flow as the water enters the reactor, thereby improving mixing and reducing the potential for dead space or laminar flow lanes near the reactor walls and corners,” Rycroft said.

Finally, electrical power is supplied to the reactor lamps and trolling motor batteries using a portable generator.

The CyanoSTUNTM uses UV-C for a targeted amount of time to inactivate cyanobacteria and reduce the concentration of cyanotoxins in the contaminated water.

“The process takes place within the channel reactor which prevents UV-C from emitting beyond the designed control volume, thereby eliminating the risk of harmful, off-target ecological effects,” said Rycroft.

The dose of germicidal UV-C administered by the CyanoSTUNTM is dependent on the UV intensity within the reactor and the residence time of the cyanobacteria as they pass through the reactor. The UV intensity is entirely dependent on the UV transmittance (UVT) of the surface water which will fluctuate depending on the type and concentration of suspended and dissolved constituents in the water. At a high UVT (or low absorbance), more UV254 radiation will reach the target cyanobacteria in the reactor than at a low UVT, when more of the emitted UV254 radiation will be absorbed and less will be available to act upon the cyanobacteria and cyanotoxins. The residence time of the cyanobacteria is controlled by adjusting the speed of the boat. The faster the boat travels, the less time the cyanobacteria spend in the reactor, and vice versa.

The vessel is currently designed for calm freshwater lakes and ponds with low wave action, but Rycroft and his team have ambitions to enhance the CyanoSTUNTM to tackle larger blooms in larger waterbodies with more challenging wave and current conditions.

“The CyanoSTUNTM is designed to combat small-scale blooms that are less than 3 acres in size. Beyond this size, exposure time of cyanobacteria – and therefore UV dose – will be compromised because the boat will need to travel at the maximum speed to cover the larger surface area,” Rycroft stated.

Early results of the field trials have indicated that that the CyanoSTUNTM can reduce the concentration of microcystin, a potent cyanotoxin, by 30-50% depending on the administered dose of UV-C. Rycroft’s team is still awaiting analytical results showing the effect of the CyanoSTUNTM on cell density and community composition across various cyanobacteria and algal species. ERDC filed a patent application for the CyanoSTUNTM in April 2023.

[출처 = ERDC ( https://www.erdc.usace.army.mil/Media/News-Stories/Article/3620420/erdc-researchers-combat-cyanobacterial-harmful-algal-blooms/ ) / 2023년 12월 18일 일]