연속회분식반응조(SBR) 공정에서 슬러지 체류시간(SRT)에 따른 중금속의 독성도 변화를 측정하였다. 중금속은 구리(Cu), 카드뮴(Cd) 및 아연(Zn)을 사용하였고, SRT는 $2\sim30$일로 변화시켰으며, 독성도는 INT-dehydrogenase 활성도의 변화로 측정하였다. 중금속의 농도가 증가함에 따라 독성도가 증가하였으며, Cu가 Zn 및 Cd 보다 독성도가 높았다. SRT를 변화시켰을 때 $IC_{50}$ 값이 Cu의 경우 $0.37\sim1.96$ mg/L의 범위를 나타내었으며, Cd의 경우는 $15.4\sim16.9$ mg/L를 나타내었다. 또한 Zn의 경우는 $9.70\sim23.4$ mg/L의 범위를 나타내었다. Cu와 Zn의 경우, SRT가 증가함에 따라 독성이 감소하였으며, 이는 긴 SRT에서 세포외 중합체의 농도가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 중금속을 포함한 산업폐수를 처리하는 SBR 공정에서 SRT를 길게 운영하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
연속회분식반응조(SBR) 공정에서 슬러지 체류시간(SRT)에 따른 중금속의 독성도 변화를 측정하였다. 중금속은 구리(Cu), 카드뮴(Cd) 및 아연(Zn)을 사용하였고, SRT는 $2\sim30$일로 변화시켰으며, 독성도는 INT-dehydrogenase 활성도의 변화로 측정하였다. 중금속의 농도가 증가함에 따라 독성도가 증가하였으며, Cu가 Zn 및 Cd 보다 독성도가 높았다. SRT를 변화시켰을 때 $IC_{50}$ 값이 Cu의 경우 $0.37\sim1.96$ mg/L의 범위를 나타내었으며, Cd의 경우는 $15.4\sim16.9$ mg/L를 나타내었다. 또한 Zn의 경우는 $9.70\sim23.4$ mg/L의 범위를 나타내었다. Cu와 Zn의 경우, SRT가 증가함에 따라 독성이 감소하였으며, 이는 긴 SRT에서 세포외 중합체의 농도가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 중금속을 포함한 산업폐수를 처리하는 SBR 공정에서 SRT를 길게 운영하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
In order to elucidate the relationship between the sludge retention time(SRT) and the toxicity of heavy metals, such as copper (Cu), cadmium(Cd), and zinc(Zn), in sequencing batch reactor(SBR) process, IC50 was estimated with measuring of INT-dehydrogenase activity in variable SRTs. When the concent...
In order to elucidate the relationship between the sludge retention time(SRT) and the toxicity of heavy metals, such as copper (Cu), cadmium(Cd), and zinc(Zn), in sequencing batch reactor(SBR) process, IC50 was estimated with measuring of INT-dehydrogenase activity in variable SRTs. When the concentrations of heavy metals were increased, the activity of INT-dehydrogenase was gradually decreased indicating the heavy metals inhibit bacterial activity. Cu showed higher toxicity than Zn and Cd. $IC_{50}$ of Cu, Cd, and Zn ranged from $0.37\sim1.96$ mg/L, $15.4\sim16.9$ mg/L, and $9.70\sim23.4$ mg/L, respectively. The toxicity of Cu and Zn was reversely proportional to the length of SRT. It is probably caused by the increased concentration of extracellular polymeric substances in longer SRT which absorb heavy metals. Therefore, the operation of SBR with increased SRT is desirable in treatment of industrial wastewater containing heavy metals.
In order to elucidate the relationship between the sludge retention time(SRT) and the toxicity of heavy metals, such as copper (Cu), cadmium(Cd), and zinc(Zn), in sequencing batch reactor(SBR) process, IC50 was estimated with measuring of INT-dehydrogenase activity in variable SRTs. When the concentrations of heavy metals were increased, the activity of INT-dehydrogenase was gradually decreased indicating the heavy metals inhibit bacterial activity. Cu showed higher toxicity than Zn and Cd. $IC_{50}$ of Cu, Cd, and Zn ranged from $0.37\sim1.96$ mg/L, $15.4\sim16.9$ mg/L, and $9.70\sim23.4$ mg/L, respectively. The toxicity of Cu and Zn was reversely proportional to the length of SRT. It is probably caused by the increased concentration of extracellular polymeric substances in longer SRT which absorb heavy metals. Therefore, the operation of SBR with increased SRT is desirable in treatment of industrial wastewater containing heavy metals.
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문제 정의
손상시킴으로써 미생물에 독성을 나타낸다. 따라서 산화-환원 효소의 활성 변화를 측정하여 중금속에 의한 독성 도를 평가할 수 있다. Dehydrogenase는 산회~환원 효소 중 대표적인 것으로 이의 활성을 측정하는 방법이 간단하고 비용이 적기 때문에 많은 연구자들에 의해 사용되었다.
본 연구에서는 산업폐수에서 발견되어지는 유해한 유기성 오염물질을 처리하는데 경제적인 것으로 알려져 있는 연속회분식반웅조(SBR, sequencing batch reactor) 공정에서 이 공정의 중요한 운전조건인 슬러지 체류시간(SRT, sludge re tention time)의 변화에 따른 중금속의 독성도의 변화를 측정하였다. 독성은 INT-dehydrogenase의 활성도 변화로 측정하였으며, 독성물질은 산업폐수 중에 있는 대표적인 중금속인 구리(Cu), 카드뮴(Cd) 및 아연(Zn)을 사용하였다.
제안 방법
SRT가 다른 5개의 공정을 3개월 운영하여 각 공정이 정상 상태(steady-state)에 도달한 후 슬러지를 채취하여 독성 실험을 실시하였다. 독성실험은 슬러지 용액(4.
1). 각 독성물질의 농도 변화에 대한 대사 저해율을 이용하여 logy을 구한 후 독성물질의 농도와 logy과의 관계식으로부터 IC50 값을 구하였다. IC5o 값으로 비교하였을 때 Zn과 Cd에 비해 Cu 의 독성이 큰 것으로 나타났다(Table 2).
실시하였다. 독성실험은 슬러지 용액(4.5 mL), 기질 용액(1.0 mL), 중금속 용액(0.5 mL)을 섞어 만든 반응용액을 사용하여 실시하였다. 활성슬러지 용액은 각 공정에서 취한슬러지를 1, 000(±100) mg/L이 되도록 희석하고 pH를 7.
실험에 사용한 중금속은 아연(Zn), 구리(Cu) 및 카드뮴(Cd)이었다. 반응용액 중 중금속의 최종농도는 Cu의 경우 0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5 mg/L를 사용하였으며, Cd의 경우에는 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32 m&L를 사용하였다. 또한 Zn의 최종농도는 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 50 mg/L이 었다.
호기성 조건에서 용존산소(DO)의 농도는 2-3 mg/L를 유지하였다. 시스템이 안정화 된 이후 각 반웅조의 MLSS(mixed-liquor suspended solids)는 SRT 2, 5, 9, 14 및 30일에서 각각 850, 1, 400, 2, 200, 2, 810 및 3, 670 mg/L로 나타났으며, 독성 실험시 동일한 개체수가 존재하는 상태에서 분석을 하기 위하여 반응조에서 채취한 미생물은 임의로 1, 000 mg/L의 농도로 맞추어서 분석을 하였다.
회분식 공정에서 수리학적 체류 시간(HRT, hydraulic retention time)을 6시간으로 운영하였다. 유입수의 주입(fill)-호기성 반응(aerobic)-침전(settle)-유출(de cant) 의 단계별 시간은 각각 30분-40분-30분-10분(1시간 50 분)이었으며, 나머지 4시간 10분 동안은 공폭기를 시키는 방법으로 운전하였다. 호기성 조건에서 용존산소(DO)의 농도는 2-3 mg/L를 유지하였다.
중금속에 의한 활성슬러지의 활성도 저해 정도는 INT를 사용하여 측정하였다. 활성슬러지와 중금속을 섞은 반응용액을 25 °C 에서 30분간 배양한 후 INT 용액(0.
도시하수를 유입수로 사용하였다(Table 1). 크기가 10 L인 반응조를 5조 운영하였으며, 각각의 SRT를 2, 5, 9, 1 14 및 30일로 설정하였다. 회분식 공정에서 수리학적 체류 시간(HRT, hydraulic retention time)을 6시간으로 운영하였다.
크기가 10 L인 반응조를 5조 운영하였으며, 각각의 SRT를 2, 5, 9, 1 14 및 30일로 설정하였다. 회분식 공정에서 수리학적 체류 시간(HRT, hydraulic retention time)을 6시간으로 운영하였다. 유입수의 주입(fill)-호기성 반응(aerobic)-침전(settle)-유출(de cant) 의 단계별 시간은 각각 30분-40분-30분-10분(1시간 50 분)이었으며, 나머지 4시간 10분 동안은 공폭기를 시키는 방법으로 운전하였다.
대상 데이터
독성은 INT-dehydrogenase의 활성도 변화로 측정하였으며, 독성물질은 산업폐수 중에 있는 대표적인 중금속인 구리(Cu), 카드뮴(Cd) 및 아연(Zn)을 사용하였다.
본 연구에서는 SBR 공정을 사용하였으며, C시 환경사업소의 도시하수를 유입수로 사용하였다(Table 1). 크기가 10 L인 반응조를 5조 운영하였으며, 각각의 SRT를 2, 5, 9, 1 14 및 30일로 설정하였다.
활성슬러지의 기질은 아세트산 (acetate) 용액(150 mg-COD/L)을 사용하였다. 실험에 사용한 중금속은 아연(Zn), 구리(Cu) 및 카드뮴(Cd)이었다. 반응용액 중 중금속의 최종농도는 Cu의 경우 0, 0.
6으로 조정한 후 사용하였다. 활성슬러지의 기질은 아세트산 (acetate) 용액(150 mg-COD/L)을 사용하였다. 실험에 사용한 중금속은 아연(Zn), 구리(Cu) 및 카드뮴(Cd)이었다.
데이터처리
독성물질의 농도와 logy 의 관계식은 최소자승법 (least of square) 을 통한 회귀분석으로 구하였다. 이 식에서 logy = 0일 때의 독성물질의 농도가 IC5o 값이 된다.
성능/효과
본 연구에서 사용한 Zn의 농도는 0〜50 mg/L이었으며, 1 "의 낮은 농도일 때에도 미생물에 대한 독성을 나타내었다(Fig. 1). 이러한 결과는 Zn이 40 mg/L 이상에서만 독성효과를 나타내며 이 농도 이하에서는 활성슬러지에 있는 미생물의 성장을 촉진한다는 Lin 등의 연구 결과1)와 다르다.
1) 중금속의 농도가 증가됨에 따라 미생물에 대한 독성이 증가하였으며, 중금속의 농도가 10 mg/L 이하에서는 급격히 증가하다가 이후 증가속도가 둔화되는 양상을 보여주었다.
2) 중금속의 독성도는 Cu가 가장 강하며, Cd과 Zn의 독성 강도는 SRT에 따라 다른데, 짧은 SRT에서는 Zn의 독성이 크며 SRT가 길 때에는 Cd의 독성이 큰 것으로 나타났다.
3) Cu와 Zn의 경우 SRT가 증가함에 따라 독성이 감소하였으며, Cd의 경우에는 큰 차이가 나타나지 않았다. 활성슬러지의 SRT가 증가함에 따라 독성이 감소하는 것은 흡착을 통하여 독성물질을 제거하는 세포외 중합체(EPS)의 농도가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
각 독성물질의 농도 변화에 대한 대사 저해율을 이용하여 logy을 구한 후 독성물질의 농도와 logy과의 관계식으로부터 IC50 값을 구하였다. IC5o 값으로 비교하였을 때 Zn과 Cd에 비해 Cu 의 독성이 큰 것으로 나타났다(Table 2). Zn과 Cd는 SRT 에 따라 독성의 강도가 다른 것으로 나타났는데, SRT가 작을 때에는 Zn의 독성이 Cd보다 크며 SRT가 클 때에는 Cd 의 독성이 큰 것으로 측정되었다.
널리 알려진 바와 같이, Zn은 여러 효소의 활성을 유지시키는데 필요한 필수 영양소이기 때문에12,13)미생물의 성장을 촉진하며, 이는 Lin 등의 연구 결과와 일치한다. INT-dehydrogenase의 활성도 변화로 독성 도를 평가한 본 연구의 결과에 따르면, Zn에 의해 dehy- drogenase의 활성이 저해되었기 때문에 독성 효과가 있는 것으로 판단되었다. 즉 본 실험에서 사용된 효소 저해법은 어떤 농도에서 생물의 성장을 촉진하지만 특정 효소의 활성도에 영향을 주는 물질은 독성이 있는 것으로 평가될 수 있다는 것이다.
4 mg/L의 범위를 나타내었다(Table 2). Zn 및 Cu는 슬러지의 SRT가 증가함에 따라 독성 정도가 크게 감소하지만, Cd은 슬러지의 SRT의 변화에 크게 영향을 받지 않는 것으로 관찰되었다.
IC5o 값으로 비교하였을 때 Zn과 Cd에 비해 Cu 의 독성이 큰 것으로 나타났다(Table 2). Zn과 Cd는 SRT 에 따라 독성의 강도가 다른 것으로 나타났는데, SRT가 작을 때에는 Zn의 독성이 Cd보다 크며 SRT가 클 때에는 Cd 의 독성이 큰 것으로 측정되었다. 중금속에 의해 슬러 지에 있는 미생물의 활성이 저해되는 것은 여러 연구자들에 의해보고 되었다 본 연구에서 나타난 것과 같이, 중금속의 종류에 따라 독성의 강도가 다르며 Cu의 독성이 Zn에 비하여 강한 것으로 알려져 있다.
즉 본 실험에서 사용된 효소 저해법은 어떤 농도에서 생물의 성장을 촉진하지만 특정 효소의 활성도에 영향을 주는 물질은 독성이 있는 것으로 평가될 수 있다는 것이다. 물질이 독성이 있는지 판단할 때, 한 종류의 효소 활성에 미치는 영향을 측정하는 것보다 생물의 성장을 저해하는 정도를 측정하는 것이 타당하다. 하지만, 어떤 조건에서특정 효소의 활성을 억제하는 물질은 또 다른 조건에서 독성물길로 작용할 '개연성이 있기 때문에 특정 효소의 활성도 변화를 통한 독성측정이 의미가 있으며, 또한 이 방법이 생물의 사멸 정도를 측정하는 것보다 빠르기 때*) 문에 독성물질의 효과를 실시간으로 평가하는 목적으로 사용하기에 적합하다.
실험에 사용된 Cu, Cd 및 Zn을 활성슬러지에 첨가하였을 때, 미생물의 활성이 저해되었으며 저해되는 정도는 중금속의 농도와 비례하는 것으로 나타났다. 중금속의 농도가 0〜10 mg/L의 범위에서는 대사저해율이 급격히 증가하였으나 io mg/L 이상의 범위에서는 완만하게 증가하였다.
비례하는 것으로 나타났다. 중금속의 농도가 0〜10 mg/L의 범위에서는 대사저해율이 급격히 증가하였으나 io mg/L 이상의 범위에서는 완만하게 증가하였다. 이러한 현상은 Cu, Cd 및 Zn에서 모두 관찰되었다(Fig.
중금속의 농도가 같은 조건에서 SRT가 낮을 때 상대적으로 대사저해율이 높으며, SRT가 증가할수록 중금속에 의해 미생물의 활성이 적게 영향을 받는 것으로 관찰되었다(Fig. 2~4). 예를 들어, SRT가 2, 5, 9, 14 및 30일로 운영되는 공정에서 채집한 활성슬러지를 사용하였을 때 Zn에 대한 ICso 값은 각각 9.
INT-dehydrogenase의 활성도 변화로 독성 도를 평가한 본 연구의 결과에 따르면, Zn에 의해 dehy- drogenase의 활성이 저해되었기 때문에 독성 효과가 있는 것으로 판단되었다. 즉 본 실험에서 사용된 효소 저해법은 어떤 농도에서 생물의 성장을 촉진하지만 특정 효소의 활성도에 영향을 주는 물질은 독성이 있는 것으로 평가될 수 있다는 것이다. 물질이 독성이 있는지 판단할 때, 한 종류의 효소 활성에 미치는 영향을 측정하는 것보다 생물의 성장을 저해하는 정도를 측정하는 것이 타당하다.
후속연구
4) 중금속을 포함한 독성물질이 포함된 폐수를 처리할 때 SRT가 중요한 인자로 작용하기 때문에, 폐수 처리 시 최적의 SRT로 운영한다면 갑작스런 독성물질 유입에 의한 처리 공정 내 미생물의 활성 저하를 방지할 수 있을 것으로 사료된다.
수생태계로 유입된 중금속은 생물체 내에 축적되어 생태계를 파괴하고 수질 악화를 초래하기 때문에, 폐수에 포함된 증금속은 처리과정에서 반드시 제거되어야 한다. 그러나 중금속과 같은 독성물질은 폐수처리에 관여하는 미생물의 활성을 저해하여 생물학적 처리효율을 떨어뜨리기 때문에, 중금속이 포함된 산업폐수를 적절히 처리하기 위하여 중금속에 의한 독성을 저감시키는 공정 운전 조건의 확립에 대한 연구가 필요하다.,
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