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문제 정의
- 2의 결과를 보면 중금속, 독성 유기화합물 그리고 농약성분에 대해 수 ng/L~mg/L의 농도범위의 저농도에서도 높은 민감도를 나타냄을 알 수 있었다. 본 연구에서는 생물학적 처리공정에 독성을 나타낼 수 있는 중금속, 고분자 유기화합물이 혼재되어 일상적으로 배출되는 염색공단폐수를 대상으로 각 독성물질에 대한 효율성이 검증된 C d나를 이용하여 실 폐수의 총괄적 독성을 평가하고, 기존의 표준독성시험법과 온도증가 단기독성평가법의 결과와 비교하여 현장에서의 적용 가능성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 독성조사법을 이용하여 처리장에 유입되는 하.폐수의 독성도를 측정함으로써 독성물질의 효과적인 관리와 하수처리장의 정상화를 이루는데 필요한 자료를 제공하고 이를 바탕으로 처리장의 원활한 유지 관리 및 효율 증대를 위한 대책을 강구하는데 이바지하고자 하였다.
제안 방법
- C. d나)ia를 이용한 온도증가법과 표준 48시간 독성 법과의 상호관계를 알아보기 위해 중금속, 독성 유기화합물 및 농약 성분에 대한 LCso을 비교하여 Fig. 2에 나타내었다. 사선은 표준 48시간 독성법의 값과 온도증가법이 같은 값을 가질 때 나타나는 실선이다.
- Ceriodaphnia du를 이용한 새로운 독성시험법인 온도증가 단기독성평가법 (ToxTemp, TOXcity test based on TEMPerature control)과 표준 48시간 독성평가법을 이용하여 중금속, 독성 유기화합물 그리고 농약성분에 대한 독성감지 능력을 평가하고 실폐수에 대한 적용가능성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 수행하였다. 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 300mL BOD병에 넣고 DO meter로 시간에 따른 용존산소의 농도를 측정하여 산소소모율(Specific Oxygen Up take Rate, SOUR)을 계산한다. 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 독성도가 0~90% 되는 희석 배수를 구하고 희석배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 IC5o(Inhibi- tion concentration for 50% inhibition)을 구한다.
- 수행하였다. 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 암모니아 및 질산염의 변화율을 관찰하였다. 실험은 25℃에서 이루어 졌으며, 일정한 온도에 도달했을 때 기질(NHaCI) 을 주입하고 일정시간 간격으로 시료를 채취하였다.
- 농축질화균의 배양액으로부터 질화균을 채취하여 3회 이상 수세를 한 후 질화균의 농도를 일정하게 유지시킨 후측 정하고자 하는 독성물질의 희석배수를 다르게 하여 독성실험을 수행하였다. 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 300mL BOD병에 넣고 DO meter로 시간에 따른 용존산소의 농도를 측정하여 산소소모율(Specific Oxygen Up take Rate, SOUR)을 계산한다.
- 농축질화균의 배양액으로부터 질화균을 채취하여 3회 이상 수세를 한 후 질화균의 농도를 일정하게 유지시킨 후측 정하고자 하는 원수의 희석배수를 다르게 하여 독성실험을 수행하였다. 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 암모니아 및 질산염의 변화율을 관찰하였다.
- diMa의 온도증가에 의한 폐사는 나타나지 않았고, 37 ℃ 에서 40분의 노출시간에 대조군이 전부 폐사하는 결과를 보였다. 따라서 본 연구에서는 C. a에 상당한 스트레스를 가하면서도 주어진 노출 시간 내에서는 폐사현상을 보이지 않는 조건인 35.5C를 실험온도로 결정하였다. 원수의 농도를 희석배수에 따라 농도를 조절한 후 실험생물인 C.
- 이 폐수에 있을 것으로 예상되는 독성물질인 증금속 및 유기 독성물질은 폐수처리효율에 크게 영향을 미칠 것으로 예상된다. 본 연구에서는 질화균이 독성물질에 노출되어 영향을 받게 되면 시간에 따른 용존산소의 이용률이 달라지는데 이 점을 이용하여 폐수의 독성 도를 측정하였다.
- 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 암모니아 및 질산염의 변화율을 관찰하였다. 실험은 25℃에서 이루어 졌으며, 일정한 온도에 도달했을 때 기질(NHaCI) 을 주입하고 일정시간 간격으로 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 Membrane filter로 채취 즉시 여과한 후 NH;-N, NO2--N 및 NOj-N를 측정하였다.
- 실험은 공단폐수가 혼합되지 않은 하수 (A), 폐수가 혼합된 후 하수 (B), 염색공단폐수원수 (C)를 대상으로 질화균의 대사율 저하에 미치는 영향을 측정하여 Fig. 3에 나타내었다. (A)에서 암모니아의 소모율을 통해 질산화에 대한 독성효과를 보면 =1일 때의 IC50값이 295.
- 온도증가 단기독성평가법은 표준 48시간 독성실험법과 같은 방법으로 실험하되, 항온수조에서 온도를 35.5℃로 조절을 한 후폐수를원수대비 5~320배로 희석을 하여 독성실험을 하였다. 온도증가에 대한 이전 연구결과에서 배양온도를 증가시킴에 따라 C.
- 5C를 실험온도로 결정하였다. 원수의 농도를 희석배수에 따라 농도를 조절한 후 실험생물인 C. dubia의 유생을 각 test chamber에 10마리씩 넣고 각각 1시간 접촉시킨 후 사멸여부를 관찰한다. 나온 사멸수롤 가지고 probit method로 계산하여 IC50 을 가지는'희석배수의 값을 나타내었다.
- 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 독성도가 0~90% 되는 희석 배수를 구하고 희석배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 IC5o(Inhibi- tion concentration for 50% inhibition)을 구한다. 원수의 주입 농도에 따른 활성도의 변화관계는 sigmoid 형태이므로 IC50을 구하기 위해서 각 주입농도에서 구한 inhibition 결과를 다음 식으로 변환하여 직선형태로 변환 후 최소자승법으로 최적 직선을 도출하여 IC50을 구한다.
- 0%로서 높은 수준의 독성을 함유하고 있음을 알 수 있으며 이 정도의 농도는 후속되는 공정에서 대부분의 질화균을 사멸시킬 것으로 사료되었다. 이런 실험 결과 각기 다른 조성을 가지는 (A), (B), (C)시료에 대한 질산화 독성정도를 파악할 수 있었으며 이후 OUR 실험 및 C. dubia를 이용한 실험에서의 대조군으로서 이용되었다.
- 수표면은 산소가 녹아들어 가기 용이하게 산기관을 이용하여 약하게 폭기(공기방울수 1~2/sec)시켜주었다. 조명은 형광등으로 하여 낮을 16시간 밤은 8시간으로 낮과 밤의 주기를 고정하였다. C.
- 실험은 25℃에서 이루어 졌으며, 일정한 온도에 도달했을 때 기질(NHaCI) 을 주입하고 일정시간 간격으로 시료를 채취하였다. 채취한 시료는 Membrane filter로 채취 즉시 여과한 후 NH;-N, NO2--N 및 NOj-N를 측정하였다. 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 원수대비 0-90%되는 희석 배수를 구하고 희석배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 KM을 구한다.
- 최근에 물벼룩의 배양온도를 증가시킬 경우, 간단한 실험장비와 전처리로서 단시간에 독성도를 측정할 수 있다는 연구 결과가 보고되었다 본 연구에서는 중금속, 독성 유기화합물 그리고 농약성분에 대한 표준 48시간 독성 시험과 온도증가 단기독성평가법을 비교, 평가하고 실제 염색공단하. 폐수를 이용하여 표준 48시간 독성시험법과 온도증가 단기 독성평가법의 독성감지 특성을 비교, 검토하여 현장 적용 가능성을 조사하였다.
- 카바메이트계 농약성분인 BPMC, 질소를 함유한 유기인계 살충제인 Diazinon, Fenitrothion 등 하수의 생물학적 처리공정에서 독성을 나타낼 수 있는 물질들에 대한 표준 48 시간 급성독성법과 온도증가법으로 독성도를 측정한 것을 Fig. 1에 나타내었다(95% 신뢰구간). 본 연구에 이용된 농약 성분들은 끓는점이 83~140℃이며 중성환경에서는 안정적이며 알칼리에서 가수분해되거나 100℃ 이상에서 산화되는 성질을 가지고 있다 따라서 실험에 적용된 온도나 배양액의 조성이 농약성분에 큰 변화를 가져온다고 예상되지는 않으며, 본 연구에서는 온도변화에 대한 농약성분 자체의 용해도나 이온화율의 변화에 대한 고찰은 연구내용에 포함되지 않았다.
- 폐수를 이용하여 표준 48시간 독성시험법과 온도증가 단기 독성평가법의 독성감지 특성을 비교, 검토하여 현장 적용 가능성을 조사하였다.
- 기질 및 산소를 충분히 공급한 상태에서 300mL BOD병에 넣고 DO meter로 시간에 따른 용존산소의 농도를 측정하여 산소소모율(Specific Oxygen Up take Rate, SOUR)을 계산한다. 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 독성도가 0~90% 되는 희석 배수를 구하고 희석배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 IC5o(Inhibi- tion concentration for 50% inhibition)을 구한다. 원수의 주입 농도에 따른 활성도의 변화관계는 sigmoid 형태이므로 IC50을 구하기 위해서 각 주입농도에서 구한 inhibition 결과를 다음 식으로 변환하여 직선형태로 변환 후 최소자승법으로 최적 직선을 도출하여 IC50을 구한다.
- 채취한 시료는 Membrane filter로 채취 즉시 여과한 후 NH;-N, NO2--N 및 NOj-N를 측정하였다. 하수의 독성도 변화를 위해 원수를 희석하여 원수대비 0-90%되는 희석 배수를 구하고 희석배수에 따른 독성도의 관계를 해석하여 KM을 구한다. 계산은 OUR 실험결과와 같은 방법으로 하였다.
대상 데이터
- 경기도 J 하수처리장의 유입수를 이용하였다. 이 처리장에는 일반 하수와 염색공단폐수가 혼합되어 유입되고 있는데, 이 염색공단폐수에 있을 것으로 예상되는 독성물질인 중금속 및 유기 독성물질이 처리장 효율에 영향을 주고 있을 것으로 예상된다.
- 농약류는 BPMC, Diazinon 및 Fenitrothion을 사용하였다. BPMC는 카바메이트계로써 벼의 흰등멸구.
- 배양액은 중수(moderately hard reconstituted water)로 조성되었으며 (Table 1), NaHCCb, MgSO4, 그리고 KC1 은 100 배 농축하여 만들어 놓은 모액을 사용하였고 보존기간은 6 개월로 하였다. 배지는 24시간 이상 폭기된 배지로 주 2회 교환하였다.
이론/모형
- dubia의 유생을 각 test chamber에 10마리씩 넣고 각각 1시간 접촉시킨 후 사멸여부를 관찰한다. 나온 사멸수롤 가지고 probit method로 계산하여 IC50 을 가지는'희석배수의 값을 나타내었다. 보다 구체적인 실험 방법은 조 둥)의 논문에 자세히 서술되어 있다.
- J 하수처리장의 경우 미생물의 상태는 양호하나 질산화가 저해되기 쉬운 문제점이있으므로 중금속, 유기 독성물질의 영향에 대해 검토할 필요가 있었다. 본 연구에서는 독성조사법을 이용하여 처리장에 유입되는 하.폐수의 독성도를 측정함으로써 독성물질의 효과적인 관리와 하수처리장의 정상화를 이루는데 필요한 자료를 제공하고 이를 바탕으로 처리장의 원활한 유지 관리 및 효율 증대를 위한 대책을 강구하는데 이바지하고자 하였다.
성능/효과
- 독성도가 낮았던 (A)시료에서 표준 48시간 독성실험의 경우(점선)를 보면 5배 희석의 경우 C. d"bia가 9마리가 사멸하였고 160배까지 희석을 하였을 경우는 2마리 사멸하는 결과를 보였다. 표준 48시간 독성실험의 경우는 40배 희석 , 한 경우에서 5마리가 사멸하는 결과를 보였다.
- 1) BPMC, Diazinon, Fenitrothion등 하수의 생물학적 처리에 독성을 나타낼 수 있는 물질들에 대하여 온도증가 단기 독성평가법은 1~ 1.5시간의 짧은 접촉시간에도 기존의 실험 방법인 표준 48시간 독성시험법과 유사한 독성도 결과를 보였다.
- 측정한 독성물질 모두 접촉시간이 증가함에 따라 LCso이감소하여 보다 독성도가 높아지고 민감해 지는 것을 볼 수 있다. 1.5 hr의 접촉시간을 가진 일부 값은 48시간 독성 법의 결과와 유사하거나 더 낮은 LCso을 보이기도 했다.
- 2) 표준독성시험법과 온도증가 단기독성평가법은 중금속, 독성 유기화합물, 농약등 각각의 독성물질에 대하여 높은 상관도를 보이면서 독성을 감지할 수 있었으며 넓은 범위의 독성물질에 대한 적용가능성을 보여주었다.
- 3) 실폐수에서의 독성평가능을 검토하기위하여 각기 다른 성상의 염색폐수를 이용하여 질산화율의 저해도를 기준으로 하여 산소이용율 (OUR)과 표준 48시간 독성시험법, 온도증가법을 비교한 결과 OUR을 이용한 평가에서는 비교적 높은 질산화율 저해도를 보인 원수에 대해서도 독성민감도가 낮아 현장적용에 한계가 있었다.
- 4) C. dubia를 이용한 표준 48시간 독성시험법과 온도증가 단기독성평가법은 서로 좋은 상관도를 보였으며 활성슬러지를 이용한 질산화율에 의한 독성도평가와도 좋은 상관관계를 보였다. 결론적으로 온도증가 단기독성평가법은 표준 48시간 독성시험법과 유사한 독성감지능력을 유지하면서 현장에서의 신속한 감지가 가능하다는 점에서 하수처리장에서의 질산화 독성진단에 대한 적용가능성이 높다고 사료되 었다.
- 이용되어왔다. 8)질화 반응에 관여하는 미생물중 Nitrosomonas가 Nitrobacter보다 독성에 더 민감하다고 알려져 있다. 탄소순환에서 독성물질의 영향은 미생물의 호흡율의 방해를 측정함으로서 간편하게 검사된다.
- 023(48 hr)g/L로 BPMC와 마찬가지로 접촉 시간에 따라 독성이 높아졌다. 95% 신뢰구간을 비교하면 1.25 hr과 1.5 hr의 결과가 48 hr과 유사하게 나타남을 알 수 있었다. 측정한 독성물질 모두 접촉시간이 증가함에 따라 LCso이감소하여 보다 독성도가 높아지고 민감해 지는 것을 볼 수 있다.
- C. dtibia를 이용한 독성변화를 나타낸 Fig. 2의 결과를 보면 중금속, 독성 유기화합물 그리고 농약성분에 대해 수 ng/L~mg/L의 농도범위의 저농도에서도 높은 민감도를 나타냄을 알 수 있었다. 본 연구에서는 생물학적 처리공정에 독성을 나타낼 수 있는 중금속, 고분자 유기화합물이 혼재되어 일상적으로 배출되는 염색공단폐수를 대상으로 각 독성물질에 대한 효율성이 검증된 C d나를 이용하여 실 폐수의 총괄적 독성을 평가하고, 기존의 표준독성시험법과 온도증가 단기독성평가법의 결과와 비교하여 현장에서의 적용 가능성을 검토하였다.
- 같은 방법으로 (B)시료에서는 LC50값은 각각 희석배수로서 30배 및 80배일 때로 나타나 상대적으로 독성이 높은 것으로 판명되었으며, 물벼룩을 이용한 독성실험이 질화균을 이용한 독성실험에서보다 더 민감함을 알 수 있었다. (C)에서 LC50값은 각각 희석배수로서 320배 및 640배일 때로 나타나 독성도가 높게 나타났다.
- dubia를 이용한 표준 48시간 독성시험법과 온도증가 단기독성평가법은 서로 좋은 상관도를 보였으며 활성슬러지를 이용한 질산화율에 의한 독성도평가와도 좋은 상관관계를 보였다. 결론적으로 온도증가 단기독성평가법은 표준 48시간 독성시험법과 유사한 독성감지능력을 유지하면서 현장에서의 신속한 감지가 가능하다는 점에서 하수처리장에서의 질산화 독성진단에 대한 적용가능성이 높다고 사료되 었다.
- 4에 나타내었다. 그 결과 r=l 일 때의 값인 IC50값이 독성도가 낮은 (A)시료에서는 367.5%, (B) 시료에서는 103.9%, 강한 독성의 (C)시료에서는 29.0%로 나타나, 질산화 독성평가와 근사한 KM값의 범위를 보여주고 있다.
- du를 이용한 독성시험법은 높은 상관성을 보여 주고 있다. 그러나 독성에 대한 민감도는 차이가 나서, 각 실폐수에서 질산화 저해율에 대한 IGo에 해당하는 희석율이 7~295%일때 C. dubia를 이용한 두 독성시험법에서는 1~7%의 희석율로도 독성감지능력을 나타내어, C. du를 이용한 경우 질산화율보다 매우 높은 민감도를 나타냄을 알 수 있었다. 표준 48시간 독성법이 온도증가형 급성 독성법에 비해 1.
- 본 연구에 이용된 농약 성분들은 끓는점이 83~140℃이며 중성환경에서는 안정적이며 알칼리에서 가수분해되거나 100℃ 이상에서 산화되는 성질을 가지고 있다 따라서 실험에 적용된 온도나 배양액의 조성이 농약성분에 큰 변화를 가져온다고 예상되지는 않으며, 본 연구에서는 온도변화에 대한 농약성분 자체의 용해도나 이온화율의 변화에 대한 고찰은 연구내용에 포함되지 않았다. 농약별 독성도를 살펴보면, BPMC의 독성도 는 1, 1.25, 1.5 hr의 접촉시간의 순서대로 LCso이 평균 0.247, 0.082 및 0.016 g/L로 나타나 점점 낮아져서 독성이 높아졌다. 48시간 독성 값인 0.
- 이상의 실험을 통하여 표준 48시간 독성법 및 온도 증가형 급성 독성 법의 결과를 보면 LCso값은 각각 희석배수로서 40배 및 20 배일 때로 나타나 적은 .독성이 있는 것으로 판명되었는데, 이 값을 %값으로 나타내면 표준 48시간 독성법과 온도증가형 급성 독성법에서 각각 4.63%, 7.21%로 나타났으며 시료의 독성도가 낮음을 알 수 있었다.
- 25 hr이 가장 유사한 결과 값을 보였으며 온도증가법을 이용하여 단시간에 48시간 독성 법과 같은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 두 시험법에서 보여준 이러한 상관도는 온도증가에 의해발생될 수 있는 독성물질 자체의 물리화학적 성질의 변화를 포함한 결과로서 같은 투여량에 대하여 유사한 독성 도를 보이며 단지 검출시간을 크게 단축시킬 수 있는 특징을 보여주고 있다. 그리고 이것이 수계와 같이 유속이 빨라 체류 시간이 짧은 하천의 독성도를 신속히 측정하는 것은 물론 일반 산업체 현장에서 방류되는 폐수의 독성도를 신속하게 측정하여 문제를 야기 시킬 수 있는 폐수나 하천에 대해 조속한 조치를 취할 수 있을 것으로 사료된다.
- 5 hr의 경우 실선아래에 위치함을 알 수 있다. 따라서 본 연구결과 48 hr과 1.25 hr이 가장 유사한 결과 값을 보였으며 온도증가법을 이용하여 단시간에 48시간 독성 법과 같은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 두 시험법에서 보여준 이러한 상관도는 온도증가에 의해발생될 수 있는 독성물질 자체의 물리화학적 성질의 변화를 포함한 결과로서 같은 투여량에 대하여 유사한 독성 도를 보이며 단지 검출시간을 크게 단축시킬 수 있는 특징을 보여주고 있다.
- (C)에서 LC50값은 각각 희석배수로서 320배 및 640배일 때로 나타나 독성도가 높게 나타났다. 이러한 LCso값의 희석배수를 %값으로 나타내면 표준 48시간 독성법은 1.03%이고, 온도증가형 급성 독성법은 2.51%이므로 상당히 적은 양에서도 독성도를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 실험 결과를 질산화율 독성실험과 비교한 것을 Table 3에 나타내었다.
- 온도 중가형의 경우는 20배 희석한 경우에서 5마리가 사멸하는 결과를 보였다. 이상의 실험을 통하여 표준 48시간 독성법 및 온도 증가형 급성 독성 법의 결과를 보면 LCso값은 각각 희석배수로서 40배 및 20 배일 때로 나타나 적은 .독성이 있는 것으로 판명되었는데, 이 값을 %값으로 나타내면 표준 48시간 독성법과 온도증가형 급성 독성법에서 각각 4.
- 있다. 즉 질산화율을 절반으로 떨어트리는 독성을 가지고 있음에도 불구하고 (A)시료의 OUR과 비교했을 때 큰 기울기 차이를 보이지 않고, (A)와 (B)모두 매우 낮은 기울기를 보임으써, OUR test 결과를 기준으로 현장에서의 독성을 평가하는 경우 독성이 낮은 정상상태와 독성상태를 민감하게 감지하기는 어렵다고 판단된다.
- 5 hr의 결과가 48 hr과 유사하게 나타남을 알 수 있었다. 측정한 독성물질 모두 접촉시간이 증가함에 따라 LCso이감소하여 보다 독성도가 높아지고 민감해 지는 것을 볼 수 있다. 1.
- 폐수자체의 독성을 나타내는 (C)의 결과에서는=1일 때의 IC50값이 7.0%로서 높은 수준의 독성을 함유하고 있음을 알 수 있으며 이 정도의 농도는 후속되는 공정에서 대부분의 질화균을 사멸시킬 것으로 사료되었다. 이런 실험 결과 각기 다른 조성을 가지는 (A), (B), (C)시료에 대한 질산화 독성정도를 파악할 수 있었으며 이후 OUR 실험 및 C.
- du를 이용한 경우 질산화율보다 매우 높은 민감도를 나타냄을 알 수 있었다. 표준 48시간 독성법이 온도증가형 급성 독성법에 비해 1.5% 정도 민감도가 높은 결과를 나타내었지만, 양 분석법 모두 질산화 저해율과 비례하면서 높은 상관성을 보여주었으며 현장에서의 독성감지에 대한 적용 가능성이 높다고 판단되었다.
후속연구
- 두 시험법에서 보여준 이러한 상관도는 온도증가에 의해발생될 수 있는 독성물질 자체의 물리화학적 성질의 변화를 포함한 결과로서 같은 투여량에 대하여 유사한 독성 도를 보이며 단지 검출시간을 크게 단축시킬 수 있는 특징을 보여주고 있다. 그리고 이것이 수계와 같이 유속이 빨라 체류 시간이 짧은 하천의 독성도를 신속히 측정하는 것은 물론 일반 산업체 현장에서 방류되는 폐수의 독성도를 신속하게 측정하여 문제를 야기 시킬 수 있는 폐수나 하천에 대해 조속한 조치를 취할 수 있을 것으로 사료된다.
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