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문제 정의
- 다양한 전자수용체 조건에서의 소화조 슬러지 첨가에 의한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해속도를 비교하여, 최적의 전 자수용체 조건을 도출하기 위한 실험을 수행하였다. 전자수 용체로서 질산염, 황산염, 탄산염 및 혼합 전자수용체를 주입 하였으며, 슬러지는 phosphate buffered saline(PBS) 용액으로 2회 세척한 뒤 30 mL/kg soil이 되도록 주입하였다.
- 다양한 전자수용체 조건에서의 소화조 슬러지 첨가에 의한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해속도를 비교하여, 최적의 전 자수용체 조건을 도출하기 위한 실험을 수행하였다. 전자수 용체로서 질산염, 황산염, 탄산염 및 혼합 전자수용체를 주입 하였으며, 슬러지는 phosphate buffered saline(PBS) 용액으로 2회 세척한 뒤 30 mL/kg soil이 되도록 주입하였다.
- 폐슬러지 재활용 방안 가운데 토양개량제로 활용하는 방안이 널리 사용되어 왔으며, 미국 등 선진국에서는 슬러지를 토양에 적용하는 기술이 보편화되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 하수처리장의 혐기성 소화조에서 발생하는 슬러지를 디젤에 오염된 토양의 정화에 활용하는 방안을 검토하였다.
- 1. 소화 슬러지 첨가량에 따른 토양 내 TPH 변화 혐기성 소화조 슬러지의 첨가에 의한 혐기성 상태에서의 오염토양 내 디젤의 분해 가능성을 조사하였다. 디젤 오염토 양에 혐기성 소화 슬러지를 각각 0, 15, 30 mL/kg soil 농도로 첨가한 후 90일 동안의 TPH 변화율을 Fig.
- 혐기성 소화조 슬러지를 이용한 디젤 오염토양 내 총석유계 탄화수소(total petroleum hydrocarbon: TPH)의 분해 가능성을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 디젤을 이용하여 인위적으로 10, 000 mg TPH/kg soil의 농도로 오염시킨 토양에 혐기성 소화조 슬러지를 15 mL/kg soil 및 30 mL/kg soil 농도로 첨가하고 완전 혼합하였다.
제안 방법
- 추출물을 진공원심 농축한 후, 염이온화 검출기가 장착된 가스 크로마토그래프(GC-FID, HP 5890)를 이용하여 TPH 농도를 측정하였으며, 측정된 값은 HP Chemstation과 MS Excel로 계산하였다. 또한, NOj, NCh', SO?" 등의 전자수용체 농도는 이온 크로마토그래프(Ioniza tion Chromatogrphy, Waters series, U.S.A.)를 이용하여 분석 하였다.
- 일반적으로 유류오염 토양의 복원에는 호기성 미생물을 이용한 복원기술이 적용되고 있으며, 호기성 미생물에 의한 유류의 분해속도가 혐기성 미생물에 의한 유류분해 속도에 비하여 월등히 빠른 것으로 알려져 있다.7) 그러나 혐기성 소화 슬러지에 의한 토양 내 디젤의 분해속도는 본 실험실에서 이 전에 수행된 호기성 바이오벤팅 공정에 의한 토양 내 디젤의 분해속도와 대등한 수준이었다(비교한 호기성 바이오벤팅 공정에서는 외부미생물의 첨가 없이 오염 토양 내 토착미 생물의 디젤분해 활성을 자극하기 위하여 산소와 영양원을 첨가하였다). 따라서 혐기성 소화 슬러지 첨가에 의한 디젤 오염토양 복원기술은 산소 또는 과산화수소와 같은 전자수용체의 공급을 필요로 하는 호기성 토양복원기술의 경제적인 대안이 될 수 있을 것으로 사료된다.
- 등의 바이오 가스를 분석하였다. 가스 분석 후에 bottle을 개봉하고, 토양시료 5 g를 채취하여 methylene chloride와 NazSQ를 이용한 속실렛 추출방법으로 토양 내 석유계 탄화수소를 추출하였다. 추출물을 진공원심 농축한 후, 염이온화 검출기가 장착된 가스 크로마토그래프(GC-FID, HP 5890)를 이용하여 TPH 농도를 측정하였으며, 측정된 값은 HP Chemstation과 MS Excel로 계산하였다.
- 각 전자수용체 조건의 serum bottle 기상부분으로부터 gas tight syringe로 가스 샘플을 채취한 후, 열전도도 검출기가 장착된 가스 크로마토그래프(GC-TCD, HP 5890)을 이용하여 CO2, CH4 등의 바이오 가스를 분석하였다. 가스 분석 후에 bottle을 개봉하고, 토양시료 5 g를 채취하여 methylene chloride와 NazSQ를 이용한 속실렛 추출방법으로 토양 내 석유계 탄화수소를 추출하였다.
- 소화조 슬러지를 첨가하지 않은 디젤 오염토양을 제조하여 대조군으로 사용하였다. 각 조건에는 7개의 serum bottle 를 제조하였으며, 15일 간격으로 한 bottle씩 기상의 바이오 가스 농도를 측정한 후, 개봉하여 토양 내 잔류 TPH 농도를 관찰하였다';
- 소화 슬러지 첨가량에 따른 토양 내 TPH 변화 혐기성 소화조 슬러지의 첨가에 의한 혐기성 상태에서의 오염토양 내 디젤의 분해 가능성을 조사하였다. 디젤 오염토 양에 혐기성 소화 슬러지를 각각 0, 15, 30 mL/kg soil 농도로 첨가한 후 90일 동안의 TPH 변화율을 Fig. 1에 나타내었다. 소화 슬러지를 15 mL/kg soil과 30 mL/kg soil 농도로 첨가한 시료의 TPH 분해율은 각각 37.
- 디젤 오염토양에 혐기성 소화 슬러지를 각각 0, 15, 30 mL/kg soil 농도로 첨가한 후 90일 동안 발생하는 바이오가스의 농도변화를 측정하였다(Fig. 2(a), (b)).
- 혐기성 소화조 슬러지를 이용한 디젤 오염토양 내 총석유계 탄화수소(total petroleum hydrocarbon: TPH)의 분해 가능성을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 디젤을 이용하여 인위적으로 10, 000 mg TPH/kg soil의 농도로 오염시킨 토양에 혐기성 소화조 슬러지를 15 mL/kg soil 및 30 mL/kg soil 농도로 첨가하고 완전 혼합하였다. 혐기성 소화 슬러지가 첨가된 디젤오염토양 50 g를 100 mL의 serum bottle에 주입한 후, 혐기성 상태를 조성하기 위하여 bottle의 기상부분을 헬륨가스(>99.
- 다양한 전자수용체 조건에서의 소화조 슬러지 첨가에 의한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해속도를 비교하여, 최적의 전 자수용체 조건을 도출하기 위한 실험을 수행하였다. 전자수 용체로서 질산염, 황산염, 탄산염 및 혼합 전자수용체를 주입 하였으며, 슬러지는 phosphate buffered saline(PBS) 용액으로 2회 세척한 뒤 30 mL/kg soil이 되도록 주입하였다. 구체적인 전자수용체의 첨가 및 처리 방법은 Table 2에 상세히 설명하였으며, 오염 토양의 양 및 배양 방법 등의 다른 조건은 상기 실험과 동일하게 수행되었다.
- 구체적인 전자수용체의 첨가 및 처리 방법은 Table 2에 상세히 설명하였으며, 오염 토양의 양 및 배양 방법 등의 다른 조건은 상기 실험과 동일하게 수행되었다. 전자수용체 조건의 각 set은 18개의 serum bottle로 구성되었으며, 배양 120일 동안 15일 간격으로 기상의 바이오 가스를 측정한 후, 각 조건에서 2개씩 bottle을 개봉하여 토양 및 전자수용체 농도변화를 관찰하였다.
- 가스 분석 후에 bottle을 개봉하고, 토양시료 5 g를 채취하여 methylene chloride와 NazSQ를 이용한 속실렛 추출방법으로 토양 내 석유계 탄화수소를 추출하였다. 추출물을 진공원심 농축한 후, 염이온화 검출기가 장착된 가스 크로마토그래프(GC-FID, HP 5890)를 이용하여 TPH 농도를 측정하였으며, 측정된 값은 HP Chemstation과 MS Excel로 계산하였다. 또한, NOj, NCh', SO?" 등의 전자수용체 농도는 이온 크로마토그래프(Ioniza tion Chromatogrphy, Waters series, U.
- 디젤을 이용하여 인위적으로 10, 000 mg TPH/kg soil의 농도로 오염시킨 토양에 혐기성 소화조 슬러지를 15 mL/kg soil 및 30 mL/kg soil 농도로 첨가하고 완전 혼합하였다. 혐기성 소화 슬러지가 첨가된 디젤오염토양 50 g를 100 mL의 serum bottle에 주입한 후, 혐기성 상태를 조성하기 위하여 bottle의 기상부분을 헬륨가스(>99.9%)로 치환하였으며, 테플론으로 코팅된 부틸 고무마개로 밀봉하고, 35±2°C의 암실에서 90일간 배양하였다. 소화조 슬러지를 첨가하지 않은 디젤 오염토양을 제조하여 대조군으로 사용하였다.
대상 데이터
- 9%)로 치환하였으며, 테플론으로 코팅된 부틸 고무마개로 밀봉하고, 35±2°C의 암실에서 90일간 배양하였다. 소화조 슬러지를 첨가하지 않은 디젤 오염토양을 제조하여 대조군으로 사용하였다. 각 조건에는 7개의 serum bottle 를 제조하였으며, 15일 간격으로 한 bottle씩 기상의 바이오 가스 농도를 측정한 후, 개봉하여 토양 내 잔류 TPH 농도를 관찰하였다'
- 실험에 사용된 토양은 부산대학교 인근 야산에서 채취하였 다. 토양표면의 유기물을 제거한 후 30 cm의 깊이에서 토양 샘플을 채취하였으며, 2 mm 체를 통과한 토양만을 실험에 이용하였다.
- 오염토양 내 디젤성분의 혐기성 분해를 위해 부산 수영 하수처리장의 혐기성 소화조의 슬러지를 사용하였다. 슬러지의 물리.
- 실험에 사용된 토양은 부산대학교 인근 야산에서 채취하였 다. 토양표면의 유기물을 제거한 후 30 cm의 깊이에서 토양 샘플을 채취하였으며, 2 mm 체를 통과한 토양만을 실험에 이용하였다. 토양의 물리.
성능/효과
- 본 연구의 목적은 1) 하수처리장의 혐기성 소화조 슬러지를 이용한 토양 내 디젤의 혐기성 분해 가능성을 확인하고,2) 다양한 전자수용체 조건 가운데에서 혐기성 소화조 슬러지를 적용한 토양 내 디젤의 분해 효율이 가장 좋은 조건을 결정하는데 있다.
- 또한, 다양한 전자수용체 조건에서 소화조 슬러지 첨가에 의 한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해속도를 비교한 결과, 혼 합 전자수용체 조건에서 가장 빠른 디젤의 분해를 나타내었다. 그러므로 소화 슬러지내의 다양한 전자수용체를 요구하는 미생물들이 디젤의 혐기성분해에 관여함을 알 수 있었으며, 여러 전자수용체를 혼합한 경우에 다양한 미생물들의 분해 능 력이 발휘되어 가장 높은 TPH제거율을 나타낸 것으로 사료된다. 특히, 황산염을 전자수용체로 사용한 경우에는 n-alkane 뿐만 아니라 난분해성물질인 pristane과 phytane의 분해에 높은 분해율 및 반응속도를 나타내었으며, 혐기성 소화 슬러 지에 존재하는 황산염 환원 미생물이 토양 내 석유계 탄화 수소의 분해에 중요한 역할을 수행하는 것으로 추정되었다.
- 디젤을 구성하고 있는 탄화수소 중 노말 알칸(n-alkane)족 탄화수소는 모든 전자수용체 조건에서 탄소의 수가 많아질수록 분해되기 어려운 것으로 나타났으며(date not shown), 난분해성 물질인 isoprenoid(pristane, phytane)성분은 황산염 황원조건에서 가장 잘 분해되는 것으로 나타났다. Table 3에는 TPH, pristane, phytane의 각 전자수용체 조건에서의 분해를 1차 반응으로 가정하여 비선형 회귀분석법으로 산출된 반응속도 상수와 반감기를 나타내었다.
- 그러나 30일 이후에는 메탄생성균의 성장으로 TPH 분해로부터 발생된 CO가 메탄 생성에 소모되었기 때문에, C6 농도의 증가는 나타나지 않고 CH4 농도가 급격하게 증가된 것으로 사료된다. 따라서 메탄생성균에 의해 직접적으로 석유계 탄화수소가 분해되었는지는 분명하지 않으나, 적어도 메탄균을 포함한 혐기성 미생물 consor- tium이 디젤의 분해에 관여한 것으로 사료되었다.
- 배양 120일 후 각 조건의 TPH 분해율은 멸균 처리한 토양 및 슬러지 첨가 대조군 set l(abiotic control, 4%)<슬러지를 첨가하지 않은 대조군 set 2(natural attenuation control, 17%)< 메탄 생성 조건(43%)< 질산염환원 조건(53%)<황산염환원 조건(67%)<혼합 전자수용체 조 건(75%) 순으로 나타났다. 따라서 소화 슬러지 내 다양한 전자수용체를 요구하는 미생물들이 디젤의 혐기성분해에 관여함을 알 수 있었으며, 여러 전자수용체를 혼합한 경우에 다양한 미생물들의 분해 능력이 발휘되어 가장 높은 TPH제거 율을 나타낸 것으로 사료된다. 이러한 결과는 석유계 탄화수소 오염토양의 혐기성 분해를 조사한 선행 연구의 주장과 일치한다10).
- 하수처리장의 혐기성 소화조 슬러지를 이용한 디젤 오염토양 내 석유계 탄화수소의 혐기성 분해 가능성을 평가한 결과,소화 슬러지 첨가량이 증가함에 따라 높은 TPH 제거율을 나타내었으며, 호기성 bioventing 공정에서의 TPH제거 속도와 대등한 수준이었다. 따라서 소화 슬러지의 첨가는 혐기성 조건하에서의 토양 내 디젤 분해에 유효함을 알 수 있었다. 또한, 다양한 전자수용체 조건에서 소화조 슬러지 첨가에 의 한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해속도를 비교한 결과, 혼 합 전자수용체 조건에서 가장 빠른 디젤의 분해를 나타내었다.
- 일반적으로 황산염환원 조건하에서는 방향족 탄화수소, PAH, 알칸 등의 분해가 잘 일어나는 것으로 보고되어 있으나,11) 본 실험 결과로부터 황산염환원 조건에서는 isoprenoid 와 같은 난분해성 화합물의 분해 또한 잘 일어남을 확인할 수 있었다. 따라서 오염토양에서의 TPH분해는 다양한 전자수용체를 필요로 하는 다양한 미생물들이 공존함으로써 가장 빠른 속도로 진행될 수 있는 것으로 사료되며, 디젤의 분해, 특히, 난분해성 성분의 분해에는 황산염 환원 조건에서 성장하는 미생물들이 가장 큰 역할을 수행하는 것으로 추측되었다.
- 4(b), (c)). 따라서 이들 전자수용체 조건에서는 질산염환원 미생물 또는 황산염환원 미생물이 디젤의 분해에 관여하는 것으로 사료되며, 일정기간 이후에는 모든 조건에서 메탄생성균 또한 디젤분해에 관여하는 것으로 사료되었다.
- 따라서 소화 슬러지의 첨가는 혐기성 조건하에서의 토양 내 디젤 분해에 유효함을 알 수 있었다. 또한, 다양한 전자수용체 조건에서 소화조 슬러지 첨가에 의 한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해속도를 비교한 결과, 혼 합 전자수용체 조건에서 가장 빠른 디젤의 분해를 나타내었다. 그러므로 소화 슬러지내의 다양한 전자수용체를 요구하는 미생물들이 디젤의 혐기성분해에 관여함을 알 수 있었으며, 여러 전자수용체를 혼합한 경우에 다양한 미생물들의 분해 능 력이 발휘되어 가장 높은 TPH제거율을 나타낸 것으로 사료된다.
- 멸균된 토양에 멸균된 슬러지를 첨가한 대조군에서 120일 동안 약 4%의 TPH농도가 생물학적 요인 이외의 영향에 의해 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 소화슬러지를 첨가하지 않은 대조군에서는 120일 동안 17%의 TPH농도 감소를 보여, 자연정화에 의해서도 일정 부분 TPH 제거가 일어남을 알 수 있었다. 혐기성 소화 슬러지를 첨가한 경우에는 질산염환원 조건, 황산염환원 조건, 메탄 생성 조 건, 혼합 전자수용체 조건 모두에서 대조군에 비하여 빠른 속도로 TPH를 분해하였다.
- 4(a)). 또한, 첨가한 전자수용체 농도는 120일의 배양기간 동안 계속적으로 감소함이 확인되었으며, 질산염의 경우 최종농도 8.7 mM, 황산염의 경우에는 8.0 mM이었다(Fig. 4(b), (c)).
- 메탄가스(CHQ는 CO2의 증가가 둔화되고 안정한 농도를 나타낸 배양 30일 이후에 검출되기 시작하였으며, 특히, 45일 이후에는 소화 슬러지를 첨가한 두 조건에서 급격하게 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 2(b)).
- 3은 120일 동안 측정된 여러 전자수용체 조건에서의 TPH 농도변화를 나타낸 것이다. 멸균된 토양에 멸균된 슬러지를 첨가한 대조군에서 120일 동안 약 4%의 TPH농도가 생물학적 요인 이외의 영향에 의해 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 소화슬러지를 첨가하지 않은 대조군에서는 120일 동안 17%의 TPH농도 감소를 보여, 자연정화에 의해서도 일정 부분 TPH 제거가 일어남을 알 수 있었다.
- 혐기성 소화 슬러지를 첨가한 경우에는 질산염환원 조건, 황산염환원 조건, 메탄 생성 조 건, 혼합 전자수용체 조건 모두에서 대조군에 비하여 빠른 속도로 TPH를 분해하였다. 배양 120일 후 각 조건의 TPH 분해율은 멸균 처리한 토양 및 슬러지 첨가 대조군 set l(abiotic control, 4%)<슬러지를 첨가하지 않은 대조군 set 2(natural attenuation control, 17%)< 메탄 생성 조건(43%)< 질산염환원 조건(53%)<황산염환원 조건(67%)<혼합 전자수용체 조 건(75%) 순으로 나타났다. 따라서 소화 슬러지 내 다양한 전자수용체를 요구하는 미생물들이 디젤의 혐기성분해에 관여함을 알 수 있었으며, 여러 전자수용체를 혼합한 경우에 다양한 미생물들의 분해 능력이 발휘되어 가장 높은 TPH제거 율을 나타낸 것으로 사료된다.
- 1에 나타내었다. 소화 슬러지를 15 mL/kg soil과 30 mL/kg soil 농도로 첨가한 시료의 TPH 분해율은 각각 37.2%와 58.0%로서, 슬러지를 첨가하지 않은 대조군의 TPH 분해율 17.8%에 비하여 2〜3배 높은 분해율을 나타내었다. 이러한 결과로부터 혐 기성 소화 슬러지를 디젤 오염토양에 주입함으로써, 혐기성 조건하에서 디젤을 분해할 수 있음을 확인하였다.
- 2(a), (b)). 소화 슬러지의 주입량이 증가함에 따라 이산화탄소(CO2)농도 또한 비례하여 증가하였으나, 배양 30일 이후에는 농도 증가가 둔화되어 거의 안정적인 농도를 나타내었으며, 배양 90일 후 각 조건의 CO2 농도는 각각 0.6, 1.05, 1.27%이었다 발생 농도를 보고한 다른 연구의 결과와 잘 상응하였다.”)</fig.
- 8%에 비하여 2〜3배 높은 분해율을 나타내었다. 이러한 결과로부터 혐 기성 소화 슬러지를 디젤 오염토양에 주입함으로써, 혐기성 조건하에서 디젤을 분해할 수 있음을 확인하였다.
- 화학적 성질은 다음과 같다. 토양의 토성은 사질토이었으며, 입경분포는 0.05-2.0 mm, 유기물함량은 2.1 〜2.38%, pH는 약산성(6.5〜7), 입자밀도는2.22 g/mL, 겉보기밀도는 1.2 g/mL, 그리고, 공극률은 47.0-50.2%이 었다.
- 그러므로 소화 슬러지내의 다양한 전자수용체를 요구하는 미생물들이 디젤의 혐기성분해에 관여함을 알 수 있었으며, 여러 전자수용체를 혼합한 경우에 다양한 미생물들의 분해 능 력이 발휘되어 가장 높은 TPH제거율을 나타낸 것으로 사료된다. 특히, 황산염을 전자수용체로 사용한 경우에는 n-alkane 뿐만 아니라 난분해성물질인 pristane과 phytane의 분해에 높은 분해율 및 반응속도를 나타내었으며, 혐기성 소화 슬러 지에 존재하는 황산염 환원 미생물이 토양 내 석유계 탄화 수소의 분해에 중요한 역할을 수행하는 것으로 추정되었다. 이러한 결과로부터, 소화조 슬러지를 이용한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해기술은 석유계 탄화수소로 오염된 토양의 실질적인 정화에 효율적이고 경제적인 생물학적 복원기술로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 하수처리장의 혐기성 소화조 슬러지를 이용한 디젤 오염토양 내 석유계 탄화수소의 혐기성 분해 가능성을 평가한 결과,소화 슬러지 첨가량이 증가함에 따라 높은 TPH 제거율을 나타내었으며, 호기성 bioventing 공정에서의 TPH제거 속도와 대등한 수준이었다. 따라서 소화 슬러지의 첨가는 혐기성 조건하에서의 토양 내 디젤 분해에 유효함을 알 수 있었다.
후속연구
- 7) 그러나 혐기성 소화 슬러지에 의한 토양 내 디젤의 분해속도는 본 실험실에서 이 전에 수행된 호기성 바이오벤팅 공정에 의한 토양 내 디젤의 분해속도와 대등한 수준이었다(비교한 호기성 바이오벤팅 공정에서는 외부미생물의 첨가 없이 오염 토양 내 토착미 생물의 디젤분해 활성을 자극하기 위하여 산소와 영양원을 첨가하였다). 따라서 혐기성 소화 슬러지 첨가에 의한 디젤 오염토양 복원기술은 산소 또는 과산화수소와 같은 전자수용체의 공급을 필요로 하는 호기성 토양복원기술의 경제적인 대안이 될 수 있을 것으로 사료된다.
- 특히, 황산염을 전자수용체로 사용한 경우에는 n-alkane 뿐만 아니라 난분해성물질인 pristane과 phytane의 분해에 높은 분해율 및 반응속도를 나타내었으며, 혐기성 소화 슬러 지에 존재하는 황산염 환원 미생물이 토양 내 석유계 탄화 수소의 분해에 중요한 역할을 수행하는 것으로 추정되었다. 이러한 결과로부터, 소화조 슬러지를 이용한 오염토양 내 디젤의 혐기성 분해기술은 석유계 탄화수소로 오염된 토양의 실질적인 정화에 효율적이고 경제적인 생물학적 복원기술로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
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