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문제 정의
- 생산된 수돗물을 다시 정수하는 정수기에서도 거의 필수적으로 활성탄이 이용되고 있고, 관망에서 발생한 생물막 유래의 세균들이 GAC 상에서 성장할 수 있는데도 이에 대한 연구가 거의 없는 실정이었다. 이에 본 연구에서는 수돗물을 다시 정수하는 과정에서 활성탄의 물리화학적 정수 능력을 파악함과 동시에 활성탄 필터 유출수에 대한 미생물학적 분석을 하였다.
제안 방법
- GAC 양을 다르게 투입하였다. 교반기에서 평형에 이를 때까지 교반시킨 후 여과지 (Whatman, Cat. No. 1441190)로 활성탄을 제거하고 여과액 속의 흡착 대상 물질 초기 농도와 활성탄 처리 후의 농도를 구하였다. 그 후 Freundlich equation을 적용하여 두 활성탄의 각 물질에 대한흡착능을 구하였다.
- 0 mg/L인지 확인한 후 5분 이상 방치한 후 이용하였다. 다시 염소로 처리한 재염소처리 (re-chlorinated) 유입수는 정량 펌프 (multichannel perist시tic pump, Cole Panner Instrument Co.) 를 이용하여 상향류 (upflow) 방식으로 유량이 550 - 600 mL/min 되도록 (EBCT = 0.92 ~1분) 1일 45 L씩 76일 동안 GAC 칼럼에 통수시키면서 유입수와 유출수를 분석하였다.
- 일정량 채취하였다. 멸균된 거즈 위에 시료를 놓고 멸균된 수돗물을 이용하여, 생물막을 형성하지 않고 가역적 흡착한 세균을 제거하였다. 멸균된 인산완충용액 50 ml이 들어 있는 시험관에 활성탄 L0 g을 넣고 mild sonication 1 분standing 1분 처리를 3회 반복한 것을 다시 vortexing 1분 standing 1분 처리를 3회 반복한 후 R2A agar medium을 이용하여 활성탄 상의 종속영양세균을 계수하였다.
- 멸균된 거즈 위에 시료를 놓고 멸균된 수돗물을 이용하여, 생물막을 형성하지 않고 가역적 흡착한 세균을 제거하였다. 멸균된 인산완충용액 50 ml이 들어 있는 시험관에 활성탄 L0 g을 넣고 mild sonication 1 분standing 1분 처리를 3회 반복한 것을 다시 vortexing 1분 standing 1분 처리를 3회 반복한 후 R2A agar medium을 이용하여 활성탄 상의 종속영양세균을 계수하였다. 미생물 활성을 조사하기 위하여 전자전달계 활성 (ETS activity)을 측정하였다.
- 멸균된 인산완충용액 50 ml이 들어 있는 시험관에 활성탄 L0 g을 넣고 mild sonication 1 분standing 1분 처리를 3회 반복한 것을 다시 vortexing 1분 standing 1분 처리를 3회 반복한 후 R2A agar medium을 이용하여 활성탄 상의 종속영양세균을 계수하였다. 미생물 활성을 조사하기 위하여 전자전달계 활성 (ETS activity)을 측정하였다. 시험군으로 시료 0.
- 세균농도는 PCA agar 배지와 R2A agar 배지에 시료를 접종한 후, 각각 37℃에서 48시간, 20℃에서 7일간 배양한 후에 생성된 종속영양세균을 계수하였다.
- 5 g을 사용하였다. 시료에 0.4% INT solution (2-(p-iodophenyl)-3-(p-nitrophenyl)-5-phenyl tetrazolium chloride) 1 mL을 가한 후 2시간 동안 어두운 곳에서 배양한 후에 INT가 INT-formazan (iodonitrotetrazolium formazan)으로 환원된 것을 ethanol (Hayman limited) 5 mL로 추출하여 분광광도계 (Shimadzu, UV-160)에서 480 nm를 이용하여 분석하였다.
- 야자 (coconut shell)와 역청탄 (bituminous coal)을 원료로 제작된 정수용 입상활성탄을 체로 걸러 2 mm 이상의 것을 제거한 후 DDW (deionized distilled water, Millipore)로 씻어 미세한 입자를 없앴다. 이후 dry oven (110℃)에서 건조된 활성탄은 desiccator에 보관을 하였고, 실험 전에 dry oven (11 0℃, 3시간)에서 건조시켰다.
- 잔류 염소는 o-toluidine colorimetry 법으로 측정하였고 총 유기 탄소 (TOC)는 NPOC (non-purgeable organic carbon)로 TOC analyzer (TOC5000, Shimadzu)를 이용하여 측정하였다. 온도, pH, 용존 산소(DO)는 시료 채취 즉시 온도계, pH meter (model DP-515M, DMS), DO meter (model 58, YSI incorporation)를 이용하여 측정하였다.
- 25 mg/L의 농도로 3분 처리하면 HPC가 없음을 관찰한 보고(11)도 있었지만, 본 실험의 유입수는 2 mg/L의 농도에서 5분 처리한 후에 HPC (heterotrophic plate count)가 감소함을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 하여 이 후의 실험에서는 5 분 이상 염소 처리한 수돗물을 칼럼에 통수시켰다.
- 정수용 입상활성탄 (granular activated carbon, GAC)으로사용되는 식물계와 석탄계 활성탄의 미생물 재생장 현상을 파악하고 비교하기 위해 활성탄 칼럼을 대상으로, 유입수와 유출수 비교와 함께 활성탄 상의 종속영양세균의 분포와 활성을 분석하였다. 활성탄 칼럼은 총유기탄소와 잔류염소를 잘 제거하였으며 이온은 잘 제거하지 못하는 것을 알 수 있었으며, 칼럼 유출수의 세균수는 10일째 파과 (breakthrough) 가 발생한 후 증가하여 최종적으로 석탄계와 식물계 활성탄에서 각각 1.
- 칼럼 가동 76일 후 칼럼 내부의 입상활성탄을 8 cm 간격으로 일정량 채취하였다. 멸균된 거즈 위에 시료를 놓고 멸균된 수돗물을 이용하여, 생물막을 형성하지 않고 가역적 흡착한 세균을 제거하였다.
이론/모형
- 1441190)로 활성탄을 제거하고 여과액 속의 흡착 대상 물질 초기 농도와 활성탄 처리 후의 농도를 구하였다. 그 후 Freundlich equation을 적용하여 두 활성탄의 각 물질에 대한흡착능을 구하였다.
- 무기영양염류 분석은 Standard Method(lO)를 따라 분광광도계 (spectrophotometer; Shimadzu, UV-160)를 이용하였다. 잔류 염소는 o-toluidine colorimetry 법으로 측정하였고 총 유기 탄소 (TOC)는 NPOC (non-purgeable organic carbon)로 TOC analyzer (TOC5000, Shimadzu)를 이용하여 측정하였다.
- 이용하였다. 잔류 염소는 o-toluidine colorimetry 법으로 측정하였고 총 유기 탄소 (TOC)는 NPOC (non-purgeable organic carbon)로 TOC analyzer (TOC5000, Shimadzu)를 이용하여 측정하였다. 온도, pH, 용존 산소(DO)는 시료 채취 즉시 온도계, pH meter (model DP-515M, DMS), DO meter (model 58, YSI incorporation)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- INT reduction method를 활성탄에 이용한 보고(13)도 있었지만, 본 실험에서 미생물 활성은 세균수 변화 양상과는 일치하지 않는 양상을 보였다. 이러한 결과가 세균수와 ETS activity가 비례하지 않는 것에 기인한 것인지, ETS activity가 다른 세균 들이 생장하는 등 ecological niche가 다른 것인지는 알 수가 없었다.
- 보인 것과 일치하였다(2). 그리고 석탄계 활성탄이 야자계 활성탄에 비해 근소하나마 높은 세균수를 유지하는 것을 볼 수 있었다. 항균 활성을 갖는 은을 활성탄에 사용하여 세균 농도를 감소시키는 보고(17)도 있었지만 더 많은 연구가 필요한 것을 알 수 있었다.
- 흡착 제거 능력은 비슷한 것을 알 수 있었다. 두 활성탄 모두 잔류 염소 제거율은 다른 제거 대상에 비해 월등히 좋았다. 이는 활성탄의 잔류 염소 제거가 흡착 과정이 아닌 촉매 작용에 기인하기 때문에 높은 제거율을 보인 것이라고 유추된다(11).
- 유기물농도가 높은 배지인 PCA medium을 이용한 경우 유입수는 실험 기간 동안 5 CFU/mL 이하의 HPC를 유지하였다. 반면 유출수는 컬럼 통수 시작일로부터 34일까지 세균이 유입수와 비슷하게 낮은 값을 유지하였고 37일째부터 유입수보다 아주 높은 세균의 검출이 시작되었다. GAC-B 유출수가 GAC-P 유출수보다 세균농도가 높은 것으로 나타났고 시간에 따라 요동 (fluctuation)하였다<Fig.
- 이러한 결과는 용존 산소의 증가로 biomass의 증가를 확인하였던 보고(12)와 세균 성장에 따라 용존 산소의 농도가 GAC column 전후에서 차이가 났던 결과(13)에 상치되는 것이었다. 본 연구에서는 GAC에 흡착하는 용존 산소의 양이 연구 기간 동안 GAC 상에서 성장하였던 세균들이 호흡 원 등으로 이용하기에 충분한 양이었다고 사료된다.
- 본 연구에서는 석탄계 활성탄이 야자계 활성탄에 비해 유기물 흡착 제거 능력은 우수하고 암모니아성 질소나 질산성 질소의 흡착 제거 능력은 비슷한 것을 알 수 있었다. 두 활성탄 모두 잔류 염소 제거율은 다른 제거 대상에 비해 월등히 좋았다.
- 이 기간 동안 칼럼은 유입수 속의 오염 물질을 제거함과 동시에 washing도 일어났던 것으로 사료된다. 암모니아성 질소 농도는 유출수 속의 세균수가 빈영양배지인 R2A medium에서 높아진 후에 유출수의 농도가 유입수보다 전반적으로 높게 나타났다. 실험에 이용한 Phenate method는 10 “g/mL 이상의 농도를 인지하는 민감도를 가지고 있어(10) 검출 한계를 벗어나는 것도 있지만 전반적으로 유출수 농도가 높으므로 다른 요인에 인한 결과일 가능성이 높다.
- 활성탄은 수계에 포함된 TOC와 잔류 염소를 제거하는 능력이 아주 뛰어남을 잔류농도에서 알 수 있었고 제거능은 석탄계가 야자계보다 우수한 것을 알 수 있었다. 암모니아성 질소와 질산성 질소의 제거능도 석탄계 활성탄이 야자계 활성탄보다 우수한 것으로 나타났다.
- 연구 기간 동안 유입수와 유출수의 TOC 차이가 GAC에홉착되었다면 GAC의 TOC에 대한 adsoqjtion capacity (Table 2), 사용한 유입수 총량 등으로 계산하면 필요한 활성탄 양은 약 15,000 g인데 실제 사용된 양은 350 g 내외이므로 차이가 아주 큰 것을 알 수 있었다. R2A medium에서 유출수의 종속영양 세균이 확인되기 전인 7일까지의 NPOC 제거에 필요한 활성탄 양은 1, 528 g과 2, 030 g인데 실제 사용량은 350 g 내외였다.
- 양상이 나타났다. 용존 산소 농도는 연구 기간 동안 유출수가 유입수보다 낮은 값을 유지하였고, 세균 파과 (breakthrough)가 일어난 후 계속 유출 세균수가 높아져도 유입수와 유출수의 농도 차이는 칼럼에서 뚜렷한 변화가 없었다. 이러한 결과는 용존 산소의 증가로 biomass의 증가를 확인하였던 보고(12)와 세균 성장에 따라 용존 산소의 농도가 GAC column 전후에서 차이가 났던 결과(13)에 상치되는 것이었다.
- 활성탄을 이용한 수돗물 처리에서 종속영양 세균수 파악에는 부영양배지인 PCA medium보다 빈 영양 배지인 R2A medium의 유용성을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 파과가 일어난 후 연구 기간 동안 약 10배 정도의 HPC 차이가 난다는 사실에서도 알 수 있었다. 그리고 실험에 이용한 각 배지가 미생물이 성장하는 GAC 상의 영양 상태를 반영한다고 볼 때 GAC는 37일까지 부영양화가 지속되고 있었다고 유추할 수 있다.
- 입상 활성탄은 세균 성장의 좋은 substratum을 제공하여 입상 활성탄 입자 상에서 세균 재생장 현상이 활발하게 일어났고 세균 재생 장은 석탄계 활성탄에서 야자계 활성탄보다 잘 일어나며 이는 활성탄의 흡착력에 의한 것으로 생각된다. 입상 활성탄 칼럼의 수계 유기물 제거는 초기에는 활성탄의 흡착력이, 후기에는 미생물 활성이 중요한 역할을 수행한 것으로 추측되었다.
- 06 “g INT- formazan/g-GAC/h이었고, 세균수와 세균활성 모두 석탄계가 조금 높았다. 입상활성탄 상의 미생물 재생장 현상이 확인되었고, 석탄계 활성탄이 야자계 활성탄보다 미생물 재생장 유발 효과가 큰 것으로 판명되었으며, 활성탄 상의 세균에 의한 유기물 제거능력이 확인되었다.
- 재염소처리 유입수를 이용하여 유입수 속의 HPC가 낮으면서 일정하게 하여 비염소처리 유입수에서 야기되는 HPC가 높고 변동이 심한 것을 방지하였다. 활성탄 유출수를 잔류염소 농도 0.
- 재염소처리 유입수를 이용한 경우에 입상활성탄 부착 종속영양 세균 계수 (attached bacteria enumeration) 결과는 칼럼의 유출부로 갈수록 감소하는 양상을 보였으며 두 활성탄은 비슷한 수의 부착 세균을 갖고 있는 것으로 판명되었다(Fig. 2). GAC-B가 6.
- 반면 유출수는 컬럼 통수 시작일로부터 8일까지 세균이 유입수와 비슷하게 낮은 값을 유지하였지만 10일째부터 세균의 검출이 시작되었다. 전체적인 양상은 시간에 따라 요동 (fluctuation)하면서 HPC가 증가하였다. 특이한 것은 석탄계 활성탄의 유출수에서 20일을 전후하여 높은 HPC를 유지하다가 감소 후에 다시 증가하는 양상을 보였다는 점이다 (Fig.
- 2 X 102 CFU/mL로 나타났다. 칼럼 내부 활성탄 상의 미생물 활성은 GAC-C가 15.35~29.06 “g INT- formazan/g-GAC/h이었고, 세균수와 세균활성 모두 석탄계가 조금 높았다. 입상활성탄 상의 미생물 재생장 현상이 확인되었고, 석탄계 활성탄이 야자계 활성탄보다 미생물 재생장 유발 효과가 큰 것으로 판명되었으며, 활성탄 상의 세균에 의한 유기물 제거능력이 확인되었다.
- 변동이 심한 것을 방지하였다. 활성탄 유출수를 잔류염소 농도 0.5 mg/L로 5분 처리하여 완전한 HPC 감소와 1.25 mg/L의 농도로 3분 처리하면 HPC가 없음을 관찰한 보고(11)도 있었지만, 본 실험의 유입수는 2 mg/L의 농도에서 5분 처리한 후에 HPC (heterotrophic plate count)가 감소함을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 하여 이 후의 실험에서는 5 분 이상 염소 처리한 수돗물을 칼럼에 통수시켰다.
- 분석하였다. 활성탄 칼럼은 총유기탄소와 잔류염소를 잘 제거하였으며 이온은 잘 제거하지 못하는 것을 알 수 있었으며, 칼럼 유출수의 세균수는 10일째 파과 (breakthrough) 가 발생한 후 증가하여 최종적으로 석탄계와 식물계 활성탄에서 각각 1.1 X 103, 6.2 X 102 CFU/mL로 나타났다. 칼럼 내부 활성탄 상의 미생물 활성은 GAC-C가 15.
- 활성탄의 암모니아성 질소에 대한 흡착 제거 능이 우수하지 않음을 1/n이 1을 초과한다는 사실에서 알 수 있었고, 두 활성탄 모두 암모니아성 질소에 비해 질산성 질소 제거가 잘 되는 것을 1/n이 0~1 사이를 유지하는 데에서 알 수 있었다. 활성탄은 수계에 포함된 TOC와 잔류 염소를 제거하는 능력이 아주 뛰어남을 잔류농도에서 알 수 있었고 제거능은 석탄계가 야자계보다 우수한 것을 알 수 있었다. 암모니아성 질소와 질산성 질소의 제거능도 석탄계 활성탄이 야자계 활성탄보다 우수한 것으로 나타났다.
- 그리고 R2A medium을 이용하였을 때는 10일 때부터 파과가 본격적으로 시작되었다. 활성탄을 이용한 수돗물 처리에서 종속영양 세균수 파악에는 부영양배지인 PCA medium보다 빈 영양 배지인 R2A medium의 유용성을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 파과가 일어난 후 연구 기간 동안 약 10배 정도의 HPC 차이가 난다는 사실에서도 알 수 있었다.
- 나타내었다. 활성탄의 암모니아성 질소에 대한 흡착 제거 능이 우수하지 않음을 1/n이 1을 초과한다는 사실에서 알 수 있었고, 두 활성탄 모두 암모니아성 질소에 비해 질산성 질소 제거가 잘 되는 것을 1/n이 0~1 사이를 유지하는 데에서 알 수 있었다. 활성탄은 수계에 포함된 TOC와 잔류 염소를 제거하는 능력이 아주 뛰어남을 잔류농도에서 알 수 있었고 제거능은 석탄계가 야자계보다 우수한 것을 알 수 있었다.
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