The study was conducted to identify the anti-inflammatory and anti-cancer effects in sprouts of mouse-eyed bean (Rhynchosia nulubilis), ginseng (Panax ginseng), perilla (Perilla frutescens), broccoli (Brassica oleracea var. italica), and lettuce (Lactuca sativa) grown with organic germanium concentrate. Western blot analysis was performed to assess the antiinflammatory activity of the extract. All extracts exhibited noticeable anti-oxidant activity, indicating a significant correlation between the germanium content and anti-oxidant activity (p<0.05). In particular, rat-eyed bean sprouts with the highest germanium content showed significant anti-inflammatory activity (p<0.05) by significantly inhibiting the expression of the inflammatory complexes, NLRP3, cytokines IL-1β and caspase-1. Ginseng and broccoli sprouts showed strong anti-cancer properties and had high anti-oxidant effects (p<0.001). Germanium-concentrated water allows the mass production of agricultural products containing high concentrations of organic germanium. Agricultural produce grown with germanium concentrate add organic germanium to various physiological active ingredients, increasing the anti-oxidant and anti-cancer effects. These results strongly suggest that agricultural products containing high germanium concentrations can be used as novel health supplements to improve health.

최근 국내에서 세계 최초로 개발한 SWRO-PRO 복합해수담수화 시스템은 압력지연삼투(PRO) 기술을 활용하여 역삼투(SWRO) 해수담수화 플랜트에서 발생하는 고염도 농축수의 삼투에너지를 회수하는 기술이다. 고염도 농축수와 저염도 하수처리수를 각각 PRO 시스템의 유도용액과 유입수로 사용하며, 두 용액의 농도차에 의해 발생되는 삼투에너지를 압력교환장치(isobaric pressure exchanger)를 통해 회수하여 SWRO 고압펌프에서 필요한 에너지를 줄이거나, 터빈 형태의 에너지 회수장치(Pelton turbine)를 통해 전력을 생산하는 기술이다. PRO 시스템을 통해 회수된 에너지는 해수담수화 운영비를 절감하는데 기여하고, 고농도 농축수의 희석 방류로 해양생태계 영향을 최소화 시킬 수 있다.

The problem of disposal of brine due to increased MD/RO desalination plant has recently become a big social issue. The chlor-alkali process through electrolysis of brine has been studied as a method to overcome this problem. In order to increase the electrolysis efficiency, a pretreatment process for removal of hard substances must be preceded. In this study, we investigated the mechanism of removal of hardness through chemical precipitation. As a result, Ca was greatly influenced by addition of Na2CO3, and Mg was strongly influenced by pH. Also, the addition of NaOH and Na2CO3 enabled simultaneous removal of Ca and Mg, and showed a removal efficiency of 99.9% or more. Finally, the residual concentrations of Ca and Mg in the brine after the reaction were 0.14 and 0.13 mg/L, respectively. Saturation index was calculated using Visual MINTEQ 3.1, and solid phase analysis of the precipitate was performed by FE-SEM and PXRD analysis. It was confirmed that precipitate formed by the formation of calcite and brucite.

역삼투(RO) 해수담수화 공정에 필요한 많은 에너지를 절감하기 위해 최근에 다양한 연구개발이 추진 중이다. 그 중에서 농도차에 의해 발생하는 삼투현상을 이용한 정삼투(FO)와 압력지연삼투(PRO) 기술을 접목한 하이브리드 해수담수화 공정들이 대표적이다. 특히, PRO 기술은 해수담수화 플랜트에서 배출되는 농축수와 하수처리수를 PRO 시스템의 유도용액과 원수로 각각 활용하여 두 용액의 염도차에 의해 발생되는 에너지를 회수함으로써, 기존 역삼투 해수담수화 공정 대비 25% 이상의 에너지 절감이 가능하며, 해수담수화 플랜트의 고농도 농축수를 희석 방류함으로써 해양생태계 파괴 방지 및 농축수 처리비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

역삼투법 해수담수화 기술은 에너지 소모 및 농축수 처리 문제로 인하여 기술 활용의 보급에 제한이 있는 실정이다. 해수·하수를 유도용액과 원수로써 사용하는 정·역삼투 융합공정은 별도의 유도용액이 필요하지 않으며 희석된 해수가 역삼투 공정의 원수로써 사용되기 때문에 일반적인 역삼투법 해수담수화 기술보다 낮은 압력에서 운전된다. 또한 역삼투 공정 후단에 정삼투 공정을 추가시킴으로써 농축수를 희석시킬 수 있으며 이로써 농축수 배출로 인한 문제점을 최소화 시킬 수 있다. 현재 국외에서는 Modern water, Porifera사 주도로 정삼투 모듈 개발 및 실용플랜트 개발이 이루어지고 있으며, 국내의 경우 FOHC 연구단에서 해당 공정의 기본 메커니즘 및 실용화에 관한 연구가 이루어지고 있다.

근래 해수담수화나 하수재이용에서 정삼투와 역삼투 공정을 결합한 FO-RO 공정에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 역삼투 공정은 기본적으로 까다로운 전처리를 거쳐야하는 경우가 많은데 이를 정삼투 공정으로 대체하는 것이 기본적인 개념이다. 정삼투 공정은 멤브레인은 사이에 두고 염도차가 있는 두 용액을 순환시켜주면 두 용액 사이의 삼투압 차이에 의해 염도가 높은 쪽으로 물이 이동하는 현상을 이용한다. 정삼투 공정의 장점은 역삼투 공정과는 다르게 자연적인 삼투압을 이용하기 때문에 가압이 할 필요가 없다. 그렇기에 역삼투 공정의 운전비용의 많은 부분을 차지하는 전력비를 감소시킬 수 있다. 또한 후단의 역삼투 공정의 부하를 감소시켜주는 효과도 있다. 하지만 역삼투 공정과 마찬가지로 정삼투 공정에서도 농축수가 발생하게 되고, 하수가 농축되기 때문에 적절한 처리 없이 배출하지 못하는 단점이 있다. 본 연구는 실험실 규모의 정삼투 장치를 이용하여 회수율 50%를 기준으로 하수 농축수를 생산하고 수질 분석과 유기물 특성분석을 통해 농축수의 생물학적 처리가 가능한지 알아보았다. COD 22.1 mg/L, BOD 9.7 mg/L 수준의 K시 WWTP 2차 침전지 유출수를 원수로 사용하였고, 농축된 후에는 COD 38.6 mg/L, BOD 7.9 mg/L 의 값을 보였다. 이는 2차 침전지 방류수가 농축되면서 난분해성 유기물이 증가하였다는 것을 보여준다. 또한 FEEM을 이용하여 유기물의 intensity를 측정한 결과 aromatic protein-like, fulvic 과 humic acid-like의 intensity가 크게 증가하였다. 이상의 결과로 정삼투 농축수의 생물학적 처리를 위해서는 난분해성 유기물의 분해가 필요할 것이라고 생각된다.

엄격해져가는 수질기준과 수자원 확보를 위하여 정수처리시설 및 하폐수처리시설에 나노막(Nanofiltration, NF)과 RO(Reverse Osmosis, RO) 멤브레인 적용이 증가하고 있다. 멤브레인 공정의 경우 오염물질이 지속적으로 농축됨에 따라 고농도의 농축수를 발생시키는 문제점을 지니고 있다. 이러한 NF/RO 농축수의 경우 용존 고형물로 구성되어 있으며, 유입수 대비 경도 물질(Ca2+, Mg2+), 난분해성 유기물 및 미량오염물질 등이 4~10배 농축되어 고농도이므로 별도의 처리가 요구된다. 본 연구에 적용한 CaCO3 결정화 기법은 유동상 반응기 내 seed를 충진하고, 반응기 하단부에서 상향류식 흐름으로 원수를 주입함과 동시에 NaOH, Ca(OH)2 등의 약품을 주입하는 방법이다. 약품 주입으로 pH는 증가하고, 이 과정에서 CaCO3, Mg(OH)2 의 형태로 경도 유발물질을 결정화시켜 회수가 가능하다. 반응기 내부의 seed는 반응 표면적을 증가시켜 반응속도를 증가시키는 역할을 하며, 이 과정에서 seed 표면에 결정이 성장하게 된다. 성장한 seed는 회수하여 석회생산, 산성폐수 중화제 등으로 재활용이 가능하다. 또한, 후단의 Ozone 산화 공정(1mg O3/mg DOC)을 연계하여 추가적으로 유기물 제거를 위한 연구를 진행하였다. 실험은 NF 농축수와 RO 농축수(G, D)로 진행하였으며, NF 농축수와 G RO 농축수의 경우 Ca 85%, Mg 13~32% 제거율을 나타났다. 그러나 D RO 농축수의 경우 상대적으로 경도 제거가 낮게 확인되었으며, 이는 수중의 알칼리도가 낮아 결정화 반응이 충분히 이루어지지 못한 것으로 판단된다. EDS-SEM 분석으로 seed 표면을 관찰하여 결정물질의 형성과 사용 전․후 seed의 구성 원소 분석을 통하여 Ca함량 변화를 확인하였으며, 경도 제거율이 높을 경우에 seed 표면에서의 Ca함량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 경도 제거시 seed 표면에서 올바르게 결정화 반응이 이루어짐에 따라 회수 가능성을 확인하였다. PS 후단에 오존 산화를 연계하여 농축수를 처리한 후, COD, DOC, LC-OCD, UV254, SUVA, F-EEM 분석을 진행하였다. 그 결과 COD, DOC는 크게 변하지 않았으나, LC-OCD의 경우 biopolymer peak가 감소하고 humic peak가 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 유기물의 무기화가 아닌 비교적 고분자 물질인 biopolymer가 상대적으로 저분자 물질인 humic 등으로 저분자화된 것으로 사료된다. 또한, UV254 값은 원수대비 전체적으로 감소하였으며, SUVA 값의 경우 NF 농축수 34.5±2.7%, G RO 농축수 43.2±1.1%, D RO 농축수 45.2±10% 감소한 것으로 확인되었다. F-EEM 경향은 LC-OCD, UV254, SUVA와 유사한 경향을 나타냈으며, 모든 영역(Aromatic protein-like, Tryptophan Protein-like, Humic-like)에서 80% 이상의 높은 intensity 감소율을 보였다. 이는 오존 산화에 의하여 불포화 결함이 깨짐에 따라 저분자화가 이루어진 것으로 보인다. 위와 같은 결과를 통하여, 본 연구에서 멤브레인 농축수에서의 경도 물질의 결정화를 통한 회수 가능성을 확인할 수 있었다. 또한, 오존 산화 공정과의 연계를 통하여 유기물질의 저분자화를 통하여 추후 연구시 고려되어지는 MBR 공정과 같은 생물학적 처리 공정에 긍정적으로 작용 가능할 것으로 예상된다.