[논문]영가철 및 철환원균을 이용한 2가 산화철 매질에 의한 TCE 제거 연구 - 모델수립

배연욱; 김두일; 박재우

문제 정의

철환원균과 철의 관계를 해석하기 위해 철환원균의 농도에 따른 산화철 환원을 모델링했다. 또한 영가철과 철환원균에 의해 환원된 2가 산화철을 이용한 TCE의 제거능력을 시간의 경과와 컬럼의 위치 변화에 따른 경향을 모델을 통해 기존 연구와 비교하고자 하였다. 마지막으로 철환원균이 2가 산화철의 환원과 TCE의 제거에 주는 영향도 분석하였다.
본 연구를 통해 철환원균, 영가철 및 2가 산화철, TCE의 유기적인 관계를 정량적인 결과로 도출하여 영가철과 철 환원균에 의한 2가 산화철의 TCE 환원 능력 특성을 비교하여, 궁극적으로 TCE 처리 효과를 증진시키기 위한 분석을 수행할 수 있었다. 영가철에 의한 컬럼에서의 TCE 제거는 초기 236시간까지는 99% 이상의 높은 효율을 얻을 수 있지만, 290시간 이후에는 80% 이하로 떨어져 긴 시간 동안 처리능력을 유지하기에는 부적합하다고 판단되었다.
철환원균의 주입은 궁극적으로 TCE를 제거하는데 그 목적이 있다. 따라서 위에서 언급한 적정 2가 산화철 생성 속도를 위한 철환원균의 주입은 지속적인 TCE 제거 효과를 가질 수 있도록 하는데 다시 한 번 초점이 맞춰져야 한다.

가설 설정

수중 및 영가철 환경에서의 pourbaix diagram에 의하면, pH 7 조건에서 영가철과 TCE가 반응을 하게 되면 철은 Fe(OH)₃ 형태로 산화하게 된다.¹⁾ 따라서 pH=7 조건의 본 연구에서도 영가철은 3가 산화철로 산화된다고 가정했다. 일반적으로 2가 산화철은 액상으로 존재한다.
지하수 혹은 실험상의 컬럼 내의 다른 물질로의 전이를 비롯하여 여러 가지 원인에 의하여 TCE 환원에는 철이 방출하는 전체 전자의 일부만이 기여한다.²⁰⁾ 철이 방출하는 전자 중 정확히 어느 정도의 비율이 TCE 환원에 기여하는지는 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 TCE를 Ethylene까지 분해시키는데 기여하는 전자수가 영가철과 2가 산화철이 방출하는 총 전자수의 1/3이라고 가정했다.
따라서 R_Fe(II)에는 TCE 분해에 대한 2가 철의 산화수율(Y_Fe(II))을 곱해주어야 2가 산화철 변화를 나타낼 수 있다. 2가 산화철은 3가 산화철로부터의 환원되는 농도만 고려를 했고, 영가철로부터 2가 철로의 직접적인 산화는 없는 것으로 가정했다. 본 연구에서는 식 (9)를 궁극적으로 모델에 적용하여 컬럼에 유입되는 TCE, 철환원균에 의해 생성된 2가 산화철, 철환원균의 상호 관계를 분석했다.
TCE의 주입 농도는 10 mg/L로 설정했고, 유속은 0.5 cm/hr로 가정했다. Shewanella algae BrY, Shewanella putrefaciens 등의 대표적인 철환원균들이 생존하기 위한 최적의 pH는 7이다.
335 사이로 측정결과가 나왔다. 따라서 본 모델링에서는 모래와 철의 혼합물로 충진 되어있는 컬럼의 공극률을 0.325로 가정했다.
와 본 모델링과 조건이 유사한 다른 연구들로부터 실험상의 기본적인 매개변수(parameter)들의 수치를 구했다. 모델링 과정에서의 복잡성을 줄이고 해석을 보다 단순하고 명료하게 하고자 컬럼 내 유량의 흐름을 이상적인 지하수의 흐름으로 가정했다. 이를 위하여 컬럼을 Plug-Flow Reactor (PFR)로 재현하여 1차원의 흐름을 가정하였고, 이를 위해 컬럼의 직경(column diameter, D)과 길이(column length, L)를 각각 2.
그리고 컬럼의 길이에 따른 농도의 변화를 통해 파과곡선을 그리기 위하여 컬럼 중간 부분의 농도를 분석한다. 본 모델링에서도 모델에서 컬럼에 의한 최종 분해와 그의 대조군, 그리고 컬럼 길이에 따른 파과곡선을 나타내기 위하여 컬럼 길이의 0 cm, 25 cm, 50 cm 부분을 각각 inlet port, mid-port, outlet port로 정하여 sampling하는 것으로 가정하였다. 본 연구의 공극률은 컬럼과 동일한 조건의 모래(20-30 mesh)와 iron powder(20-30 mesh)를 질량 8:2의 비율로 혼합하여 측정을 했고, 그 결과 0.
²⁰⁾ 철이 방출하는 전자 중 정확히 어느 정도의 비율이 TCE 환원에 기여하는지는 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 TCE를 Ethylene까지 분해시키는데 기여하는 전자수가 영가철과 2가 산화철이 방출하는 총 전자수의 1/3이라고 가정했다.
본 연구에서는 이 논문의 내용을 바탕으로 모래 매질 조건과 유속을 고려하여 확산계수를 1.15 × 10-3cm2/hr로 정했다.
의 초기치를 각각 10, 100, 1,000 mg/L 으로 설정하여 모델을 수행하였다. 본래 미생물의 생균수는 lag phase, log phase, stationary phase, death phase 등의 단계에 따라 변하지만, 본 연구에서는 철환원균의 특정 농도에 의한 영향만을 보고자 X_s는 일정하게 유지되는 것으로 가정했다. 본 연구에서 영가철 및 철환원균에 의해 생성된 2가 산화철이 TCE를 제거하는 기작은 산화환원에 의한 화학반응이다.
여기서 X_s는 철환원균의 농도이고, µ_Fe는 최대 비(比)철환원속도, K_Fe는 3가 산화철을 고려한 철환원 반(半)속도 농도이다. 본래 미생물의 성장에서는 전자수용체뿐만 아니라 전자공여체도 같이 고려해야 하지만, 본 모델에서는 전자 수용체로 작용하는 Fe(III)의 영향을 알아보는데 좀 더 중점을 두고자 전자공여체는 매우 충분하다고 가정하고, 전자수용체만 제한인자(limiting factor)로 설정하여 그에 대한 영향만을 모델에서 고려했다. 식 (5)에서 철환원균의 성장은 철환원균 농도에 비례하고 전자수용체인 3가 산화철에 대해서는 낮은 농도에서 대체로 비례하다가 점차 농도가 높아질수록 상수로 작용한다.
하지만 Shin의 연구¹¹⁾에 의하면 철환원균, Shewanella algae BrY에 의해 생성된 2가 산화철은 대부분이 매질에 고정된 고체 형태로 산화된다고 한다. 위의 Shin의 연구¹¹⁾와 비슷한 조건에서의 모델링을 수행한 본 연구에서는 철환원균에 의해 3가 산화철로부터 생성된 2가 산화철은 모두 고체 상태라고 가정을 했다. 본 연구에서는 반응항의 반응상수, K_Fe(0), k_Fe(II)를 각각 영가철과 2가 산화철에 의한 TCE 환원 실험을 수행한 Shin의 연구¹¹⁾와 Liu의 연구²³⁾를 바탕으로 TCE의 농도, CT 단위 부피당 영가 철의 질량, M_Fe(0) 및 단위 부피당 2가 산화철의 질량 M_Fe(II)을 고려하여 계산했고, k_Fe(0)와 k_Fe(II)의 수치는 각각 7.
15 × 10^-3cm²/hr로 정했다. 컬럼의 단위 부피 당 철의 질량(M_Fe(0), M_Fe(II)) 및 반응 상수(k_Fe(0), k_Fe(II))값에 대해서는 몇 가지 가정을 했다. 일반적으로 오염물질의 환원은 철 표면에서 일어나고, 이에 따라 오염물질의 환원율은 철의 표면적에 비례한다.

제안 방법

3가 산화철과 철환원균에 의한 TCE 처리에 관한 모델링에서는 철환원균의 농도를 100 mg/L와 1,000 mg/L로 나누어 알아보았다. 철환원균 농도 1,000 mg/L의 경우 22시간 이후에 평형상태에 도달하여 247시간이 소요되는 100 mg/L의 경우 보다 TCE 처리 효율이 빨리 평형상태에는 도달하는 것으로 나타났다.
2에 나타냈다. TCE 10 mg/L 농도와 영가철 1,061 mg/L의 초기조건에서 모델링 했을 때 유입부에 해당하는 inlet-port 부분, 중간에 해당하는 mid-port 부분, 유출부에 해당하는 outlet-port 부분에서 TCE 농도를 측정하는 것으로 설정했다. 컬럼 유출부 부분에서는 60시간부터 235시간까지 99%이상의 TCE 제거율을 유지했다.
TCE 10 mg/L와 3가 산화철 1,061 mg/L, 2가 산화철 0 mg/L의 초기 조건으로 했고, 철환원균의 농도는 100 mg/L, 1,000 mg/L 각각 2가지 경우로 나누어서 모델링을 수행했다. 그 결과를 Fig.
에서 다룬 영가철을 이용한 TCE 제거 컬럼 실험과 철환원균에 의해 환원된 2가 산화철에 의한 TCE 제거 컬럼 실험에 대한 모델링을 수행했다. TCE, 영가철 및 2가 산화철, 철환원균의 관계를 수식으로 정리하고, 이를 다시 MATLAB을 이용하여 수치해석을 통해 정량적으로 해석하여 궁극적으로는 영가철 컬럼과 철환원균을 이용한 2가 산화철 컬럼의 TCE 제거 능력을 비교 분석했다.
컬럼실험에서 일반적으로 유출수의 농도를 파악하고, 그에 대한 대조군(control)으로서 유입수의 농도를 분석한다. 그리고 컬럼의 길이에 따른 농도의 변화를 통해 파과곡선을 그리기 위하여 컬럼 중간 부분의 농도를 분석한다. 본 모델링에서도 모델에서 컬럼에 의한 최종 분해와 그의 대조군, 그리고 컬럼 길이에 따른 파과곡선을 나타내기 위하여 컬럼 길이의 0 cm, 25 cm, 50 cm 부분을 각각 inlet port, mid-port, outlet port로 정하여 sampling하는 것으로 가정하였다.
따라서 위에서 언급한 적정 2가 산화철 생성 속도를 위한 철환원균의 주입은 지속적인 TCE 제거 효과를 가질 수 있도록 하는데 다시 한 번 초점이 맞춰져야 한다. 기존 연구¹³⁾에서 철환원균인 Shewanella algae BrY를 주입한 3가 산화철 column에서의 TCE 제거를 실험으로 수행했다. 본 연구에서도 기존 연구에서의 실험 조건들을 기반으로 식 (3)과 (10)에 의한 모델링을 수행하여 철환원균에 의해 생성된 2가 산화철의 TCE 제거를 모델링했다.
하지만, 2가 산화철 농도변화는 철환원균에 의한 환원뿐만 아니라, TCE와의 반응에 의한 산화도 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 monod 식을 기반으로 한 식 (8)의 철환원균에 의한 항과 TCE에 의한 산화를 다룬 식 (3)을 같이 고려하여 식 (9)를 만들었다.
또한 영가철과 철환원균에 의해 환원된 2가 산화철을 이용한 TCE의 제거능력을 시간의 경과와 컬럼의 위치 변화에 따른 경향을 모델을 통해 기존 연구와 비교하고자 하였다. 마지막으로 철환원균이 2가 산화철의 환원과 TCE의 제거에 주는 영향도 분석하였다.
미생물의 농도 X_s의 초기치를 각각 10, 100, 1,000 mg/L 으로 설정하여 모델을 수행하였다. 본래 미생물의 생균수는 lag phase, log phase, stationary phase, death phase 등의 단계에 따라 변하지만, 본 연구에서는 철환원균의 특정 농도에 의한 영향만을 보고자 X_s는 일정하게 유지되는 것으로 가정했다.
는 반응항이다. 반응항은 Mayer^,15) Li¹⁶⁾의 연구를 바탕으로 영가철이라는 조건을 고려하여, 본 연구에서의 컬럼 단위부피당 영가철의 질량과 TCE 농도를 이용하여 표현하였다. 여기서 k_Fe(0)(L/mg/hr)는 TCE 및 영가철에 의한 2차 반응상수, M_Fe(0)는 본 연구에서 사용되는 컬럼의 단위부피 당 반응성이 있는 영가철의 질량이다.
에서는 철환원균을 응용했다. 본 모델링에서는 철환원균이 2가 산화철 생성에 미치는 영향을 식 (8)을 통해서 정량적으로 분석했다. Fig.
본 연구는 채희훈¹³⁾의 이전 연구를 바탕으로 TCE, 철, 철 환원균의 유기적인 관계를 컬럼의 길이와 시간의 흐름에 대해 수학적으로 분석하여 모델링을 통해 정량적으로 해석했다. 철환원균과 철의 관계를 해석하기 위해 철환원균의 농도에 따른 산화철 환원을 모델링했다.
본 연구에서는 기존 연구¹³⁾에서 다룬 영가철을 이용한 TCE 제거 컬럼 실험과 철환원균에 의해 환원된 2가 산화철에 의한 TCE 제거 컬럼 실험에 대한 모델링을 수행했다. TCE, 영가철 및 2가 산화철, 철환원균의 관계를 수식으로 정리하고, 이를 다시 MATLAB을 이용하여 수치해석을 통해 정량적으로 해석하여 궁극적으로는 영가철 컬럼과 철환원균을 이용한 2가 산화철 컬럼의 TCE 제거 능력을 비교 분석했다.
본 연구에서는 반응항의 반응상수, KFe(0), kFe(II)를 각각 영가철과 2가 산화철에 의한 TCE 환원 실험을 수행한 Shin의 연구11)와 Liu의 연구23)를 바탕으로 TCE의 농도, CT 단위 부피당 영가 철의 질량, MFe(0) 및 단위 부피당 2가 산화철의 질량 MFe(II)을 고려하여 계산했고, kFe(0)와 kFe(II)의 수치는 각각 7.539× 10-5 L/mg/hr로 계산되었다.
2가 산화철은 3가 산화철로부터의 환원되는 농도만 고려를 했고, 영가철로부터 2가 철로의 직접적인 산화는 없는 것으로 가정했다. 본 연구에서는 식 (9)를 궁극적으로 모델에 적용하여 컬럼에 유입되는 TCE, 철환원균에 의해 생성된 2가 산화철, 철환원균의 상호 관계를 분석했다.
본 연구에서는 위의 식들의 유기적인 상관관계를 정량적으로 해석하기 위하여 MATLAB을 이용한 수치해석을 수행했다. 각 요소들의 시간의 경과와 컬럼 길이에 따른 변화를 계산하기 위해서 유한차분법을 이용하여 모델하였다.
본 연구에서는 위의 이론들을 기반으로, 모델링을 위하여 기존 연구¹²⁾와 본 모델링과 조건이 유사한 다른 연구들로부터 실험상의 기본적인 매개변수(parameter)들의 수치를 구했다. 모델링 과정에서의 복잡성을 줄이고 해석을 보다 단순하고 명료하게 하고자 컬럼 내 유량의 흐름을 이상적인 지하수의 흐름으로 가정했다.
기존 연구¹³⁾에서 철환원균인 Shewanella algae BrY를 주입한 3가 산화철 column에서의 TCE 제거를 실험으로 수행했다. 본 연구에서도 기존 연구에서의 실험 조건들을 기반으로 식 (3)과 (10)에 의한 모델링을 수행하여 철환원균에 의해 생성된 2가 산화철의 TCE 제거를 모델링했다.
위의 모델을 기반으로 한 TCE 농도 분포를 컬럼의 위치에 따라서 도시했다. 컬럼에 TCE 용액을 주입하기 시작한 이후, 100시간, 300시간, 500시간, 1,000시간, 1,500시간 후의 TCE 농도 분포를 Fig.
모델링 과정에서의 복잡성을 줄이고 해석을 보다 단순하고 명료하게 하고자 컬럼 내 유량의 흐름을 이상적인 지하수의 흐름으로 가정했다. 이를 위하여 컬럼을 Plug-Flow Reactor (PFR)로 재현하여 1차원의 흐름을 가정하였고, 이를 위해 컬럼의 직경(column diameter, D)과 길이(column length, L)를 각각 2.5 cm, 50 cm로 설정하였다. 컬럼실험에서 일반적으로 유출수의 농도를 파악하고, 그에 대한 대조군(control)으로서 유입수의 농도를 분석한다.
의 이전 연구를 바탕으로 TCE, 철, 철 환원균의 유기적인 관계를 컬럼의 길이와 시간의 흐름에 대해 수학적으로 분석하여 모델링을 통해 정량적으로 해석했다. 철환원균과 철의 관계를 해석하기 위해 철환원균의 농도에 따른 산화철 환원을 모델링했다. 또한 영가철과 철환원균에 의해 환원된 2가 산화철을 이용한 TCE의 제거능력을 시간의 경과와 컬럼의 위치 변화에 따른 경향을 모델을 통해 기존 연구와 비교하고자 하였다.
4는 철환원균에 의해 3가 산화철이 2가 산화철로 환원된 질량을 그래프로 도시한 것이다. 철환원균의 농도 10 mg/L, 100 mg/L, 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 조건에서 모델을 수행하여 300시간 동안의 철환원 경향을 보았다. 철환원균의 농도 10 mg/L, 100 mg/L 조건에서는 300시간 동안 각각 3.
따라서 본 연구에서 컬럼에 주입하는 용액의 pH 역시 7이라고 했다. 컬럼의 확산계수는 컬럼 용적의 대부분이 위의 Ottawa sand와 iron powder로 충진되어 있다는 조건을 충족시키는 방향으로 설정했다. Grane²¹⁾은 다양한 조건에서의 확산계수에 대해서 기술하고 있다.

데이터처리

본 연구에서는 위의 식들의 유기적인 상관관계를 정량적으로 해석하기 위하여 MATLAB을 이용한 수치해석을 수행했다. 각 요소들의 시간의 경과와 컬럼 길이에 따른 변화를 계산하기 위해서 유한차분법을 이용하여 모델하였다. 일반적으로 유한차분법에서는 초기 격자점과 마지막 격자점을 초기 조건(initial condition, IC)으로 설정하여 모델링을 수행하는 중심차분법(central differential method, CDM)을 사용한다.

이론/모형

각 요소들의 시간의 경과와 컬럼 길이에 따른 변화를 계산하기 위해서 유한차분법을 이용하여 모델하였다. 일반적으로 유한차분법에서는 초기 격자점과 마지막 격자점을 초기 조건(initial condition, IC)으로 설정하여 모델링을 수행하는 중심차분법(central differential method, CDM)을 사용한다. 하지만, 본 연구에서는 초기 격자점들의 시간과 길이에 대한 값을 가지고 시간 및 길이의 경과에 따른 수치를 예측하는 것이 목적이고, 이에 따라 초기 격자점들로만 IC가 이루어진 후진차분법(backward differential method, BDM)을 이용하여 모델링을 수행했다.
일반적으로 유한차분법에서는 초기 격자점과 마지막 격자점을 초기 조건(initial condition, IC)으로 설정하여 모델링을 수행하는 중심차분법(central differential method, CDM)을 사용한다. 하지만, 본 연구에서는 초기 격자점들의 시간과 길이에 대한 값을 가지고 시간 및 길이의 경과에 따른 수치를 예측하는 것이 목적이고, 이에 따라 초기 격자점들로만 IC가 이루어진 후진차분법(backward differential method, BDM)을 이용하여 모델링을 수행했다.

성능/효과

1,2) PRB는 오염물질을 함유하는 지하수가 지나가는 지반에 설치하여 지하수의 수리학적 흐름을 통해 PRB 내의 반응매질과 오염물질의 물리학적, 화학적 및 생물학적인 반응을 유도하여 오염물질을 처리한다. 영가철(zero-valent iron, ZVI, Fe⁰ )은 비용이 저렴하고 인체 및 생태계에 무해하다는 특성 때문에 PRB 반응 매질로 널리 사용되고 있고, 이를 보다 효과적으로 응용하기 위한 연구들이 국내외에서 활발히 이루어져 왔다.
5에 나타냈다. TCE 제거가 평형상태에 도달했을 때 TCE 제거량은 철환원균 초기 농도 조건 100 mg/L, 1,000 mg/L에서 차이가 없는 것으로 나타났다. 하지만, TCE 제거 평형에 도달하는 시간은 고농도인 1,000 mg/L의 경우, 100 mg/L의 경우 보다 짧게 나타났다.
이는 100 mg/L와 1,000 mg/L 모두에서 철환원균에 의한 2가 산화철의 생성량이 컬럼 내 철의 절대량 1,061 mg/L으로 환원되어 일정하게 평형을 이루기 때문인 것으로 사료된다. TCE 처리 능력이 시간의 경과에 따라 줄어드는 영가철 컬럼과는 달리 철환원균에 의해 생성된 2가 산화철 컬럼은 TCE 처리 능력이 최대 수치가 된 이후에도 평형을 이루어 컬럼 체류 시간동안 8.53 mg/L의 지속적인 제거율을 유지하는 모습을 보였다.
3에 나타냈다. 모델에서 가장 낮은 시간 조건인 100시간 조건의 경우 컬럼 앞의 20 cm 부분까지 90%에 해당하는 9 mg/L의 TCE를 제거했고 컬럼 36 cm부분까지는 99%에 해당하는 9.9 mg/L의 TCE를 제거하여 컬럼 앞부분에서 대부분의 TCE를 제거하는 경향을 보였고, 컬럼의 유출부에 해당하는 50 cm 부분에서 99.8% 이상의 TCE를 제거하는 것으로 나타났다. 유출부의 농도의 경우 300시간 조건에서 98.
하지만, TCE 제거 능력이 서서히 감소되어 제거능력을 잃었다. 반면 철환원균을 포함한 2가 산화철 컬럼 모델의 TCE 최대 제거능력은 철환원균 농도 100 mg/L, 1,000 mg/L에서 모두 85.3%로 영가철에 비해 TCE 최대 제거능력이 낮았으나, TCE 최대 제거능력에 도달한 이후 지속적으로 유지되는 경향을 보였다.
영가철에 의한 컬럼에서의 TCE 제거는 초기 236시간까지는 99% 이상의 높은 효율을 얻을 수 있지만, 290시간 이후에는 80% 이하로 떨어져 긴 시간 동안 처리능력을 유지하기에는 부적합하다고 판단되었다. 반면, 철환원균을 이용한 컬럼은 85% 이상의 지속적인 TCE 제거율을 유지하는 것으로 분석되었다. 결론적으로 장기적인 지하수 복원을 목적으로 하는 PRB는 영가철만을 매질로 사용한 PRB보다 철 매질에 철환원균을 응용한 PRB가 지속적인 오염물질 처리 측면에서 더 효과적일 것으로 사료된다.
본 모델링에서도 모델에서 컬럼에 의한 최종 분해와 그의 대조군, 그리고 컬럼 길이에 따른 파과곡선을 나타내기 위하여 컬럼 길이의 0 cm, 25 cm, 50 cm 부분을 각각 inlet port, mid-port, outlet port로 정하여 sampling하는 것으로 가정하였다. 본 연구의 공극률은 컬럼과 동일한 조건의 모래(20-30 mesh)와 iron powder(20-30 mesh)를 질량 8:2의 비율로 혼합하여 측정을 했고, 그 결과 0.322-0.335 사이로 측정결과가 나왔다. 따라서 본 모델링에서는 모래와 철의 혼합물로 충진 되어있는 컬럼의 공극률을 0.
식 (3)에 의하면 2가 산화철과 TCE가 반응하면서 TCE의 농도가 줄어드는 항이 있는데 그래프 상에서 2가 산화철의 질량에 비례하여 시간당 TCE 농도가 감소하는 양상을 보여주었다. 영가철 컬럼의 경우 TCE 제거 효율이 시간의 경과에 따라 감소하여 결국은 제거율이 1%이하로 떨어졌던 것과 달리, 3가 산화철 컬럼은 철환원균의 지속적인 영향으로 2가 산화철 컬럼이 최대량으로 평형을 이룬 후, 철환원균의 농도 100 mg/L, 1,000 mg/L에서 컬럼의 체류시간 동안 8.53 mg/L의 TCE를 꾸준히 제거하는 것으로 나타나 TCE 제거 효율 85.3%를 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
영가철에 의한 TCE 제거는 반응 초기에는 상당한 효과를 나타냈지만, 시간이 경과함에 따라 그 효과가 감소하는 것으로 나타나 지속적인 오염물질 제거를 위해서는 개선이 필요하다는 것을 정량적으로 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 철환원균, 영가철 및 2가 산화철, TCE의 유기적인 관계를 정량적인 결과로 도출하여 영가철과 철 환원균에 의한 2가 산화철의 TCE 환원 능력 특성을 비교하여, 궁극적으로 TCE 처리 효과를 증진시키기 위한 분석을 수행할 수 있었다. 영가철에 의한 컬럼에서의 TCE 제거는 초기 236시간까지는 99% 이상의 높은 효율을 얻을 수 있지만, 290시간 이후에는 80% 이하로 떨어져 긴 시간 동안 처리능력을 유지하기에는 부적합하다고 판단되었다. 반면, 철환원균을 이용한 컬럼은 85% 이상의 지속적인 TCE 제거율을 유지하는 것으로 분석되었다.
8% 이상의 TCE를 제거하는 것으로 나타났다. 유출부의 농도의 경우 300시간 조건에서 98.4%, 500시간 조건에서 86.3%, 1,000시간 조건에서는 11.3%, 그리고 1,500시간 조건에서는 0.5%의 TCE 제거 능력을 나타냈는데, 이를 통해 TCE의 제거효과가 시간의 경과에 따라 점점 떨어지는 것을 컬럼의 TCE 분포를 통해서 다시 한 번 확인할 수 있었다. 시간이 경과함에 따라 TCE의 제거 능력도 낮아짐을 알 수 있는데, 이는 모델식 (4)에 의해 TCE와 영가철의 반응에 따라 영가철이 3가 산화철로 산화되어 식 (1)의 반응항에서 TCE 제거의 역할을 할 수 있는 영가철의 질량이 줄어드는 것으로 결과가 나왔기 때문인 것으로 분석된다.
7%의 3가 산화철이 2가 산화철로 환원되었고, 철환원균의 농도 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 조건에서는 모두 99% 이상 환원되었다. 철환원균 농도 1,000 mg/L 조건에서는 3가 산화철을 99% 환원시키는데 247시간이 소요된 반면에, 철환원균 농도 10,000 mg/L 조건에서는 그 보다 훨씬 적은 22시간이 소요된 것으로 나타나 미생물 농도가 높은 조건에서 철환원 속도가 빠른 것을 확인할 수 있었다. 철의 절대량이 1,061 mg/L이기 때문에 3가 산화철로부터 2가 산화철로 생성될 수 있는 최대량도 이 수치를 넘지 못한다(식 (10) 참조).
3가 산화철과 철환원균에 의한 TCE 처리에 관한 모델링에서는 철환원균의 농도를 100 mg/L와 1,000 mg/L로 나누어 알아보았다. 철환원균 농도 1,000 mg/L의 경우 22시간 이후에 평형상태에 도달하여 247시간이 소요되는 100 mg/L의 경우 보다 TCE 처리 효율이 빨리 평형상태에는 도달하는 것으로 나타났다. 하지만, 두 조건에서 평형상태에서의 TCE 처리 효율은 차이가 없는 것으로 나타났다.
철환원균의 농도 10 mg/L, 100 mg/L, 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 조건에서 모델을 수행하여 300시간 동안의 철환원 경향을 보았다. 철환원균의 농도 10 mg/L, 100 mg/L 조건에서는 300시간 동안 각각 3.8%, 33.7%의 3가 산화철이 2가 산화철로 환원되었고, 철환원균의 농도 1,000 mg/L, 10,000 mg/L 조건에서는 모두 99% 이상 환원되었다. 철환원균 농도 1,000 mg/L 조건에서는 3가 산화철을 99% 환원시키는데 247시간이 소요된 반면에, 철환원균 농도 10,000 mg/L 조건에서는 그 보다 훨씬 적은 22시간이 소요된 것으로 나타나 미생물 농도가 높은 조건에서 철환원 속도가 빠른 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

반면, 철환원균을 이용한 컬럼은 85% 이상의 지속적인 TCE 제거율을 유지하는 것으로 분석되었다. 결론적으로 장기적인 지하수 복원을 목적으로 하는 PRB는 영가철만을 매질로 사용한 PRB보다 철 매질에 철환원균을 응용한 PRB가 지속적인 오염물질 처리 측면에서 더 효과적일 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PRB는 어떻게 오염물질을 처리하는가?	지하수 내의 trichloroethylene(TCE) 등의 오염물질을 제거하기 위해 널리 쓰이는 현장처리방법으로는 투수성 반응벽체(permeable reactive barrier, PRB)가 있다.1,2) PRB는 오염물질을 함유하는 지하수가 지나가는 지반에 설치하여 지하수의 수리학적 흐름을 통해 PRB 내의 반응매질과 오염물질의 물리학적, 화학적 및 생물학적인 반응을 유도하여 오염물질을 처리한다. 영가철(zero-valent iron, ZVI, Fe0 )은 비용이 저렴하고 인체 및 생태계에 무해하다는 특성 때문에 PRB 반응 매질로 널리 사용되고 있고, 이를 보다 효과적으로 응용하기 위한 연구들이 국내외에서 활발히 이루어져 왔다.
	지하수 내의 trichloroethylene등의 오염물질 을 제거하기 위해 널리 쓰이는 현장처리방법으로는 무엇이 있는가?	지하수 내의 trichloroethylene(TCE) 등의 오염물질을 제거하기 위해 널리 쓰이는 현장처리방법으로는 투수성 반응벽체(permeable reactive barrier, PRB)가 있다.1,2) PRB는 오염물질을 함유하는 지하수가 지나가는 지반에 설치하여 지하수의 수리학적 흐름을 통해 PRB 내의 반응매질과 오염물질의 물리학적, 화학적 및 생물학적인 반응을 유도하여 오염물질을 처리한다.
	철환원균(iron-reducing bacteria, IRB)의 사용은 PRB에서 어떤 역할을 하며, 무엇을 가능하게하는가?	철환원균과 관련된 연구들이 수행되었으며,9,10) 영가철을 반응매질로 이용하는 PRB에 지속적인 오염물질 환원 능력을 주기 위하여 철환원균(iron-reducing bacteria, IRB)의 사용이 고려되기도 하였다.11,12) 철환원균은 매질 내의 3가 산화철을 2가 산화철(ferrous iron)로 환원시키는 역할을 한다. 2가 산화철은 영가철에 비하여 TCE 등의 오염물질을 처리하는 능력은 떨어지지만, 철환원균의 존재시 지속적인 오염물질의 처리가 가능하다. 이전 연구에서 batch test를 통한 철환원균의 산화철 환원 실험을 통해 철환원균에 의해 환원된 철의 TCE 제거 능력을 알아볼 수 있었고,11) 철 환원균을 이용한 영가철 컬럼실험를 통해 지하수를 재현한 유동조건에서의 TCE 처리를 알아볼 수 있었다.

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