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문제 정의
- 연구된 사례가 거의 없다. 따라서 이 연구에서는 유기물과 같이 생물학적으로 분해되는 물질이 아닌 분해되지 않는 중금속으로 오염된 토양에서 바이오 필름 형성을 촉진하고 미생물의 흡착 반응을 유도함으로써 용존 중금속의 이동을 억제하는 방법이 가능한지의 여부를 파악하고자 하였다.
- 컬럼 내 토양에 바이오 필름 형성을 위한 탄소원을 공급하기 위하여 별도의 수조에 초산염 (acetate), 유산염 (lactate), 포도당 (glucose) 각 10mM을 넣고 연동식 펌프를 통해 컬럼에 상향식으로 주입하였다. 세 가지 탄소원을 사용한 것은 토양 내 토착 미생물 집단이 탄소원에 따라 바이오 필름을 형성하는 속도에 차이가 있는지 여부를 파악하기 위해서였다. 초기 탄소원 용액 통과 속도는 0.
- 왔다. 이 연구에서는 중금속으로 오염된 자연 상태의 토양을 대상으로 미생물학적 흡착 기술을 적용함으로써 용존 중금속이 하부 생태계로 유입되지 않고 토양 중에 원위치 고정화(in situ stabilization)가 가능한지의 여부를 파악하고자 하였다. 이때 중금속을 흡착한 미생물이 토양 내에서 자유유영 (planktonic) 상태로 존재한다면 토양수 및 지하수의 흐름을 띠라 하부생태계로 이동하므로 고정화의 효과를 전혀 기대할 수 없게 된다.
- 이는 토양 내 바이오필름이 형성될 경우, 바이오 필름을 통과하여 배출된 유출수 내에 존재하는 자유 유영상태의 미생물 개체수도 비례하여 증가할 가능성을 확인하기 위한 것이었다. 만약 바이오필름이 형성되며 유출 수량이 감소하는 것과 비례하여 자유유영 미생물의 개체 수가 증가한다면 유출수의 광밀도를 측정하는 간단한 방법으로 매질 내 형성된 바이오필름의 양을 유추할 수 있을 것이다.
- 산화환원전위, 미생물 수를 측정하였다. 토양 내공 극에 바이오필름이 형성되면 주입수의 원활한 흐름을 저해할 것이므로 컬럼을 통과한 후 배출되는 유출수의 부피를 바이오필름 형성의 간접적인 지표로 사용하려 하였다. 미생물 수는 UV-vis spectrophotometer 를 사용하여 600 nm의 파장에서 유출수의 광밀도 (optical density)를 측정하였다.
제안 방법
- 채취한 토양으로부터 자갈과 식물 잔해를 육안으로 선별, 제거하고 상온에서 10일간 건조하였다. 2 mm 입경을 통과한 토양 시료를 대상으로 하여 지구화학적 특성인 토양 pH, 양이온교환능력 (CEC, cation exchange capacity), 작열감량(LOI, loss-on-ignition)을 측정하고 입도분석 (size analysis)을 실시하였다.
- 중금속 용액 주입과 유출수 채취는 10일간 지속하였다. 2차 주입 시에는 바이오필름에 의한 흡착 특성이 확인된 Cr(VI)을 제외하고, 비교시료에 비하여 바이오 필름에 의한 뚜렷한 흡착 결과를 보이지 않는 Cd, Cu, Pb, Zn에 대하여 각각 100mg/L의 농도로 제조한 후 혼합하여 16일간 동일 컬럼에 주입하였다. 컬럼을 통과하여 컬럼 상부에서 나오는 유출수를 동일하게 24 시간 단위로 채취하여 중금속을 정량하였다.
- 다양한 염산 농도에 따른 중금속의 용출 특성을 파악하기 위하여, 토양 시료 10 g에 0.0, 0.1, 0.5, 1.0, 3.0 N 염산 용액을 각각 제조하여 50mL씩 투입하였고 6 시간 동안 항온수평진탕기에서 30℃, lOOrpm으로반응시켜 용출하였다. 독성용출시험법 (TCLE toxicity characteristic leaching procedure, EPA SW-846 Method 1311)에서는 토양 pH가 5 미만이면 토양 2g 에 pH 4.
- 토양 내공 극에 바이오필름이 형성되면 주입수의 원활한 흐름을 저해할 것이므로 컬럼을 통과한 후 배출되는 유출수의 부피를 바이오필름 형성의 간접적인 지표로 사용하려 하였다. 미생물 수는 UV-vis spectrophotometer 를 사용하여 600 nm의 파장에서 유출수의 광밀도 (optical density)를 측정하였다. 비교 시료(control)로서 탄소원이 없는 탈이온수를 컬럼에 주입하고 그 결과를 비교하였다.
- 탄소원 컬럼들의 흡착 효율은 90% 이상으로 매우 높았으나, 탈이 온수와 탄소원을 넣어준 컬럼 간에 전혀 차이가 발생하지 않았으므로 토양 자체의 흡착 능력만으로도 주입한 중금속이 제거되었다고 판단된다. 바이오필름에 의한 흡착 효과를 파악하기 위해 추가적으로 100mg/L 의 Cd, Cu, Pb, Zn 용액을 주입하고 16일 동안 관찰하였다.
- 미생물 수는 UV-vis spectrophotometer 를 사용하여 600 nm의 파장에서 유출수의 광밀도 (optical density)를 측정하였다. 비교 시료(control)로서 탄소원이 없는 탈이온수를 컬럼에 주입하고 그 결과를 비교하였다. 모든 실험 용기는 10% 염산 용액에 24시간 세척하여 중금속을 제거하였다.
- 위에서 기술한 방법으로 컬럼 내 토양에 바이오 필름을 형성한 후, 중금속으로 오염된 토양수 또는 지하수가 토양 매체를 통과하며 바이오필름에 의해 흡착되고고 정화되는 정도를 파악하기 위하여 인위적으로 조제한 중금속 용액을 컬럼에 주입하였다. 컬럼에 주입할 중금속 오염 용액을 제조하기 위해 사용된 중금속은 Cd, Cu, Cr(VI), Pb, Zn으로 CdCl2(Aldrich), CuCl2(Junsei), K2Cr2O7(Junsei), PbCl2(Junsei), ZnCl2(JunseiX 사용하였다.
- 유출수에 존재하는 미생물의 개체수를 파악하기 위하여 UV-vis를 이용하여 유출수의 광밀도를 측정하였다. 이는 토양 내 바이오필름이 형성될 경우, 바이오 필름을 통과하여 배출된 유출수 내에 존재하는 자유 유영상태의 미생물 개체수도 비례하여 증가할 가능성을 확인하기 위한 것이었다.
- 25g 토양에 염산 3 ml과 질산 1mL을 넣어 70℃로 1시간 가열하며 용출한 후 최종 부피가 10 mL이 되도록 증류수를 채워 넣었다. 이들 각 최종 용출액을 대상으로 하여 AAS(atomic absorption spectrometer; Pgrkin Elmer; AAnalyst 100)를 이용하여 중금속의 함량을 측정하였다. 현재 우리나라 토양오염공정시험법에서는 Cd, Cu, Pb에 대해서는 0.
- 이러한 조건으로 10일간 탄소원을 주입하여 바이오 필름을 계속 형성시키는 동시에 24시간 단위로 컬럼을 통과하여 나오는 유출수량을 관찰하였고, 유출수의 pH, 산화환원전위, 미생물 수를 측정하였다. 토양 내공 극에 바이오필름이 형성되면 주입수의 원활한 흐름을 저해할 것이므로 컬럼을 통과한 후 배출되는 유출수의 부피를 바이오필름 형성의 간접적인 지표로 사용하려 하였다.
- 초기에는컬럼의 안정화를 위해 중금속 용액 주입 후 기포를 제거하고 24시간 동안 그대로 두어 안정화한 후 24 시간 단위로 유출수를 채취하여 중금속 함량을 분석하였다. 중금속 용액 주입과 유출수 채취는 10일간 지속하였다. 2차 주입 시에는 바이오필름에 의한 흡착 특성이 확인된 Cr(VI)을 제외하고, 비교시료에 비하여 바이오 필름에 의한 뚜렷한 흡착 결과를 보이지 않는 Cd, Cu, Pb, Zn에 대하여 각각 100mg/L의 농도로 제조한 후 혼합하여 16일간 동일 컬럼에 주입하였다.
- 중금속 용액은 1차로 Cd, Cu, Cr(VI), Pb, Zn의 농도가 각각 30mg/L이 되도록 제조한 후 혼합하여 수조에 넣고 연동식 펌프를 통해 초기 500 mL/day가 통과하도록 20.84 mUh 속도로 주입하였다. 초기에는컬럼의 안정화를 위해 중금속 용액 주입 후 기포를 제거하고 24시간 동안 그대로 두어 안정화한 후 24 시간 단위로 유출수를 채취하여 중금속 함량을 분석하였다.
- 중금속의 거동에 영향을 미치는 주요 인자 중 하나인 유출수의 pH 및 산화환원전위 변화를 24시간 주기로 측정하였다. 반응 초기 24시간 경과 후 탈이 온수는 약 7.
- 채취하였다. 채취한 토양으로부터 자갈과 식물 잔해를 육안으로 선별, 제거하고 상온에서 10일간 건조하였다. 2 mm 입경을 통과한 토양 시료를 대상으로 하여 지구화학적 특성인 토양 pH, 양이온교환능력 (CEC, cation exchange capacity), 작열감량(LOI, loss-on-ignition)을 측정하고 입도분석 (size analysis)을 실시하였다.
- 84 mUh 속도로 주입하였다. 초기에는컬럼의 안정화를 위해 중금속 용액 주입 후 기포를 제거하고 24시간 동안 그대로 두어 안정화한 후 24 시간 단위로 유출수를 채취하여 중금속 함량을 분석하였다. 중금속 용액 주입과 유출수 채취는 10일간 지속하였다.
- )를 사용하였다. 컬럼 내 토양에 바이오 필름 형성을 위한 탄소원을 공급하기 위하여 별도의 수조에 초산염 (acetate), 유산염 (lactate), 포도당 (glucose) 각 10mM을 넣고 연동식 펌프를 통해 컬럼에 상향식으로 주입하였다. 세 가지 탄소원을 사용한 것은 토양 내 토착 미생물 집단이 탄소원에 따라 바이오 필름을 형성하는 속도에 차이가 있는지 여부를 파악하기 위해서였다.
- 2차 주입 시에는 바이오필름에 의한 흡착 특성이 확인된 Cr(VI)을 제외하고, 비교시료에 비하여 바이오 필름에 의한 뚜렷한 흡착 결과를 보이지 않는 Cd, Cu, Pb, Zn에 대하여 각각 100mg/L의 농도로 제조한 후 혼합하여 16일간 동일 컬럼에 주입하였다. 컬럼을 통과하여 컬럼 상부에서 나오는 유출수를 동일하게 24 시간 단위로 채취하여 중금속을 정량하였다.
- 토양 570g 충진한 컬럼에 각각 탈이온수와 10 mM 초산염, 유산염, 포도당 탄소원 수용액을 500mL/day 가 통과하도록 주입하였다. 컬럼을 통과해서 나오는 탄 소원 수용액과 탈이온수의 유출수 부피를 시간에 따라 측정한 결과를 Fig.
- 토양 컬럼에 10일간 탄소원을 주입함으로써 바이오 필름을 형성시킨 후, 30 mg/L 농도의 중금속(Cd, Cu, Cr(VI), Pb, Zn) 수용액을 10일간 주입하였고 동일 컬럼에 연속적으로 100mg/L의 중금속(Cd, Cu, Pb, Zn)을 16일간 주입하여 시간에 따른 유출수 내 각 중금속농도를 측정하였다.
대상 데이터
- 컬럼에 주입할 중금속 오염 용액을 제조하기 위해 사용된 중금속은 Cd, Cu, Cr(VI), Pb, Zn으로 CdCl2(Aldrich), CuCl2(Junsei), K2Cr2O7(Junsei), PbCl2(Junsei), ZnCl2(JunseiX 사용하였다. 실험에 사용한 물은 이온교환수지를 통과시켜 18.2 MQ/cm 저항을 갖는 초순수를 사용하였으며 완충용액을 사용하지 않고 그대로 사용하였다. 중금속 용액의 주입 조건은 위에 기술한 탄소원 주입 조건과 동일하였으며 상온에서 상향으로 수행하였다.
- 실험에 사용한 토양은 유류와 중금속으로 오염된 것으로 알려진 토양으로서 인천광역시에서 채취하였다. 채취한 토양으로부터 자갈과 식물 잔해를 육안으로 선별, 제거하고 상온에서 10일간 건조하였다.
- 오염 토양 특성 규명의 일환으로서 다양한 추출제(extractantX 가하였을 경우 나타나는 중금속(Cd, Cu, Pb, Zn)의 용출 특성을 파악하기 위해 Table 1과 같은 추출제를 사용하였다.
- 용액을 컬럼에 주입하였다. 컬럼에 주입할 중금속 오염 용액을 제조하기 위해 사용된 중금속은 Cd, Cu, Cr(VI), Pb, Zn으로 CdCl2(Aldrich), CuCl2(Junsei), K2Cr2O7(Junsei), PbCl2(Junsei), ZnCl2(JunseiX 사용하였다. 실험에 사용한 물은 이온교환수지를 통과시켜 18.
이론/모형
- 바이오필름에 의한 중금속 흡착 실험은 컬럼 (column)식으로 수행하였다. 이때 사용한 컬럼은 아크릴 재질로서 직경 5cm, 길이 3L4cm가 되게 제작하였으며 컬럼에 충진한 토양의 질량은 570 g이었다.
- 1 mL의 HCl(Ultra pure grade, Kanto chemicalX 주입하여 튜브의 벽면에 흡착될 수 있는 중금속을 탈착시켰다. 중금속 분석은 ICP-AES(inductively coupled plasma- atomic emission spectrometer, OPTIMA 300XL, Perkin Elmer)를 이용하여 수행하였다.
- 토양 내 각 중금속의 존재 형태를 규명하기 위하여 연속추출법 (sequential extraction)을 적용하였다. 이 실험에 사용된 연속추출법은 Davidson et al.
성능/효과
- 탈이온수를 주입한 경우에도 유출수의 부피는 점차 감소하였으며 이는 아마도 물의 흐름으로 인해 물리적으로 토양 공극 일부가 붕괴되는 현상이 발생했기 때문으로 판단된다. 10일 경과 후 초산염, 유산염, 포도당의 유출수 부피는 탈이온 수 대비 98.5%, 97.3%, 94.7%의 비율을 나타내었다. 이는 10mM의 탄소원을 지속적으로 토양에 공급함으로써 토양 내 토착 미생물에 의한 바이오필름이 형성되었고, 생성된 바이오필름으로 인하여 토양 내 공극이 감소되어 주입수의 흐름이 억제되었기 때문으로 여겨진다.
- 추출하는 산의 농도가 증가함에 따라 pH의 급격한 감소와 그에 따라 추출되는 중금속의 함량이 증가하는 일반적인 결과를 나타내었다. 3N 염산으로 추출할 경우 0.1 NS 추출할 때보다 약 2 배 정도 높은 추출을 보였으며, 0.1 N 염산으로 용출했을 경우 왕수에 비해 중금속의 용출이 15-20% 정도를 나타내었다. SPLP에 의한 추출 방법은 0.
- 1에 도시하였다. Cd는 다른 중금속에 비하여 4가지 존재 형태가 거의 균일하게 분포하고 있으며, 비잔류상으로존재하는 비율이 70% 정도로 높았다. 또한 CM Zn 에 비해 유기물이나 황화물과 결합한 '산화성 형태' 비율이 높았다.
- 1 N 염산으로 용출했을 경우 왕수에 비해 중금속의 용출이 15-20% 정도를 나타내었다. SPLP에 의한 추출 방법은 0.1 N 염산으로 용출하는 방법에 비해 Cd, Cu, Pb는 비슷한 양을 추출하였으나 Zne 약 2배 정도 더 높은 함량이 용출되었고, TCLP에 의한 방법은 0.1 N 염산으로 용출하는 방법과 비교하였을 때에 Zig 비슷한 양을 추출하였으나, Cd, Cu, Pb는 적은 양이 용출되었다(Eble 3). 한편, 왕수분해 결과치와 Kloke(1979)가 제시한 토양의 최대허용 한계치 (Cd 3mg/L, Cu 100 mgZL, Pb lOOmgeL, Zn 300mgL)를 비교하였을 때, 왕수 분해 결과 토양 내 추출 가능한 총 Cd 농도가 4.
- 만약 바이오필름이 형성되며 유출 수량이 감소하는 것과 비례하여 자유유영 미생물의 개체 수가 증가한다면 유출수의 광밀도를 측정하는 간단한 방법으로 매질 내 형성된 바이오필름의 양을 유추할 수 있을 것이다. UV-vis를 이용하여 24시간 간격으로 10일에 걸쳐 600 nm 파장에서 광밀도를 측정한 결과, 시간별 및 탄소원별로 아무런 경향^을 보이지 않아 유출수량의 감소 추이와는 아무런 연관성을 띠지 않았다(Fig. 4). 주어진 조건에서 UV-vis로 측정하기에는 배출된 자유유영 상태의 미생물 개체수가 극히 적었을 가능성도 있으나, 이러한 결과는 유출수 내의 자유유영 상태의 미생물 개체수가 토양이나 암반에 형성된 바이오필름 양의 지표가 될 수 없다는 것을 의미한다.
- 이는 Pb가 주로 광물 격자 내에 존재하여 이동 도가 다른 금속에 비하여 낮고 황화물이나 유기물과 결합한 형태로 존재한다는 결과와 일치한다(Alloway, 1995). Zne 다른 중금속에 비하여, 교환성 형태, 의 비율이 약 30% 정도로 높게 나타나 생물학적 흡수 도가 높을 것으로 예상되었다.
- 이는 Pb에 대한 토양 자체의 흡착 능력이 매우 크기 때문으로 토양의 흡착 능력만으루-두 주입된 Pb를 거의 모두 제거할 수 있는 것으로 나타났다. Zn의 경우, Cd, Cu와 마찬가지로 탄소 원을 주입한 컬럼에서 향상된 제거 효율을 보였으며, 제거 효율은 초산염>유산염>포도당 순으로 나타났다(Fig. 9). 토양의 흡착 능력은 753.
- 고농도의 중금속을 주입한 후 시간에 따라 각 컬럼을 통과하여 나온 유출수의 농도로부터 계산된 중금속제거량을 살펴 보면(Figs. 6-9), Pb를 제외한 Cd, Cu, Zn의 경우, 탈이온수만 주입한 컬럼에 비하여 탄소 원을 주입한 컬럼에서 중금속의 흡착 제거량 및 지속 시간이 증가한 것을 관찰할 수 있었다.
- 30 mg/L 농도의 중금속 주입시, Cr(6I)은 토양 입자 자체에 비하여 바이오필름에 의한 제거 효과가 뚜렷하게 나타났으나 다른 중금속들은 토양 자체에 의한 흡착으로 인하여 바이오필름 효과가 나타나지 않았다. 다른 중금속에 대하여 연속적으로 lOOmg/L 농도의 중금속 용액을 주입하자 Pb> 제외한 Cd, Cu, Zne 바이오 필름흡착으로 인하여 탈이온수에 비하여 향상된 제거 효과를 보였다. Pb의 홉착량은 탈이온수를 공급한 컬럼과탄소원을 공급한 컬럼 간에 큰 차이를 보이지 않았다.
- 다양한 추출제에 의한 용출 특성을 알아본 결과, 토양 오염공정시험법에 제시된 0.1 N 염산(Cd, Cu, Pb 추출용) 및 왕수(Zn 추출용)를 이용한 산가용성침출법 (환경부, 2002)에 의해 추출된 연구 대상 토양의 중금속 평균 함량은 Cd 0.6 ㎎/㎏, Cu 3.2 ㎎/㎏, Pb 55.7 ㎎/㎏ 및 Zn 226.8 ㎎/㎏을 보였으며, 이는 환경부 규정, '가', 지역(농경지)에 대한 토양오염우려기준(Cd 1.5 ㎎/㎏, Cu 50 ㎎/㎏, Pb 100 ㎎/㎏, Zn 300 ㎎/㎏)과 비교하였을 때 모두 낮은 값이었다.
- Cd는 다른 중금속에 비하여 4가지 존재 형태가 거의 균일하게 분포하고 있으며, 비잔류상으로존재하는 비율이 70% 정도로 높았다. 또한 CM Zn 에 비해 유기물이나 황화물과 결합한 '산화성 형태' 비율이 높았다. Cu는 토양에서 약 40% 정도가 잔류 상으로 존재하고 있으며 비잔류상 형태 중에서는, 환원성 형태, 의 비율이 높은 것으로 나타났다.
- 이는 10mM의 탄소원을 지속적으로 토양에 공급함으로써 토양 내 토착 미생물에 의한 바이오필름이 형성되었고, 생성된 바이오필름으로 인하여 토양 내 공극이 감소되어 주입수의 흐름이 억제되었기 때문으로 여겨진다. 또한 유출수량의 감소 정도로 보아 연구 대상 토양 내 토착 미생물들은 포도당>유산염 >초산염의 순으로 바이오필름 형성에 필요한 탄소원을 선호하는 것으로 나타났다.
- 탄소 원을 주입한 경우에 pH 및 산화환원전위는 시간에 따른 변화가 발생하지 않고 거의 일정하게 유지되었다. 바이오필름 형성 후에 Cd, Cr(VI), Cu, Pb, Zn 용액을 컬럼에 주입하여 시간에 따른 제거 효율을 관찰한 결과, 탄소원에 따라 제거량이 다르게 나타났다. 30 mg/L 농도의 중금속 주입시, Cr(6I)은 토양 입자 자체에 비하여 바이오필름에 의한 제거 효과가 뚜렷하게 나타났으나 다른 중금속들은 토양 자체에 의한 흡착으로 인하여 바이오필름 효과가 나타나지 않았다.
- 측정하였다. 반응 초기 24시간 경과 후 탈이 온수는 약 7.1의 pH를 나타낸 반면 탄소원을 주입한 컬럼들은 이보다 다소 낮은 6.4~6.8의 pH 값을 보였다 (Fig. 3(a)).
- 3(b)에 나타내었다. 시간에 따른 증류수와 각 탄소 원의 유출수에서 측정된 산화환원전위 역시 반응 시간 동안 일정한 경향 없이 거의 변화하지 않았으며 다만 약 10-20mV 정도로 미약한 변이가 관찰되었다. 탈이 온수와 탄소원 상호 간에는 약간의 차이를 보여 10 일간 측정된 평균 산화환원전위는 탈이온수 231 mV 초산염 241 mV 유산염 264 mV 포도당 277 mV로 나타났다.
- 실험 결과, 다른 중금속들은 일차로 주입한 30 mg/L 의 농도가 토양 입자에 의해 모두 흡착, 제거되는 결과를 보여 바이오필름에 의한 흡착 특성을 관찰할 수 없었으나(아래 설명 참조), 용존 Cr(VI)은 저농도에서도 바이오필름에 의한 제거 양상을 뚜렷이 나타내었다 (Fig. 5). 탄소원을 공급하지 않고 탈이온수만을 넣어준컬럼의 경우, 토양이 용존 Cr(VI)을 3일 동안 90% 이상 제거하였으나 그 이후에는 제거량이 급격하게 감소하여 15일 이후에는 제거 효율이 30% 이하로 감소하였다.
- 실험 토양의 지구화학적 특성을 분석한 결과, pH는 5.82~6.59로 나타났으며 평균값은 6.14로서 약산성의 pH를 보였다. 토양의 CEC와 L0I 측정 결과, 각각 평균 9.
- 그간 카을린, 활성탄, 제올라이트 등의 담체에 미생물 바이오필름을 형성시킨 후 중금속 제거 메커니즘을 연구한 예는 특히 환경공학 분야에서 상당히 많이 시도된 바 있으나 이 연구처럼 자연 상태의 토양을 대상으로 하여 바이오필름을 형성하고 중금속 제거를 시도한 예는 극히 드물었다. 이 연구는 중금속으로 오염된 자연 토양세 토착 미생물을 이용한 바이오필름을 형성하면 중금속이 지하수 및 토양수를 따라 하부 생태계로 이동하는 것을 억제할 수 있는 가능성을 나타낸 것으로 판단된다. 자연 상태의 토양에 적용하므로 잘 조절된 공정 수립이 필요하지 않으며 매우 넓은 범위의 토양을 대상으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.
- 3(a)). 이러한 값들은 10일에 걸친 반응 기간 동안 모두 큰 변화를 보이지 않고 거의 일정하게 유지되었으며, 10일간의 평균 pH는 탈이온수 7.12, 초산염 6.63, 유산염 6.47, 포도당 6.29로 각각 측정되었다. 탈이 온수에 비하여 탄소원을 주입한 컬럼의 유출수에서 약 0.
- 반면 탄소원을 공급하여 바이오필름을 생성시킨 경우에는 초산염, 유산염 , 포도당 모두 9일 경과시까지 90% 이상의 높은 제거 효율을 나타내었다. 이후에는지속적으로 제거 효율이 감소하였으나 15일 경과 후에도 약 50%의 높은 제거 효율을 보였다. 토양 입자의 Cr(VI) 제거 용량은 15일까지 212.
- 이에 비하여 탄소 원을 공급하여 바이오필름을 형성한 컬럼에서는 약 400 시간이 경과하며 제거량이 감소하기 시작하였다. 전체적인 탄소원별 제거 효율은 포도당>초산염>유산염 순으로 나타났다. 토양의 흡착 능력은 599.
- 4). 주어진 조건에서 UV-vis로 측정하기에는 배출된 자유유영 상태의 미생물 개체수가 극히 적었을 가능성도 있으나, 이러한 결과는 유출수 내의 자유유영 상태의 미생물 개체수가 토양이나 암반에 형성된 바이오필름 양의 지표가 될 수 없다는 것을 의미한다. 최근 수행되고 있는 다른 연구에서 암반 균열 면에 다량의 바이오필름을 형성한 후 균열면을 통과한 유출수 내 미생물의 평판계수(plate counting) 및 광 밀도를 측정한 결과에서도 실제 형성된 바이오필름 양과 유출수 내 미생물 개체수와는 관계가 없다는 것이 밝혀진 바 있다(미발표 자료).
- 5, 1, 3N) 의 염산을 가한 경우와 SPLP 및 TCLP 방법에 의한 용출, 탈이온수와 왕수를 가하였을 경우에 추출된 중금속의 함량 변화 및 토양 pH 변화를 Table 3에 나타내었다. 추출하는 산의 농도가 증가함에 따라 pH의 급격한 감소와 그에 따라 추출되는 중금속의 함량이 증가하는 일반적인 결과를 나타내었다. 3N 염산으로 추출할 경우 0.
- 시간에 따른 증류수와 각 탄소 원의 유출수에서 측정된 산화환원전위 역시 반응 시간 동안 일정한 경향 없이 거의 변화하지 않았으며 다만 약 10-20mV 정도로 미약한 변이가 관찰되었다. 탈이 온수와 탄소원 상호 간에는 약간의 차이를 보여 10 일간 측정된 평균 산화환원전위는 탈이온수 231 mV 초산염 241 mV 유산염 264 mV 포도당 277 mV로 나타났다. 비록 무시할만한 차이이기는 하나 유산-염과 포도당을 공급하였을 경우 산화환원전위가 다소 높게 나타난 원인에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- 주로 제거되는 것으로 판단된다. 탈이온수 및 탄 소원 세 종류를 공급한 컬럼에 30 농도로 주입한 결과, 컬럼을 통과한 유출수에서 반응 기간인 10 일 내내 모두 검줄한계 이하에서 3 mgl에 이르는 매우 낮은 농도가 나타났다. 시간에 따른 각 중금속의 제거량 변화를 Figs.
- 이후에는지속적으로 제거 효율이 감소하였으나 15일 경과 후에도 약 50%의 높은 제거 효율을 보였다. 토양 입자의 Cr(VI) 제거 용량은 15일까지 212.7 mg/kgsoil이며, 유산염을 주입한 경우의 토양과 바이오필름에 의한 제거용량은 361.8mg/kgsoil로써 바이오필름만의 제거 용량은 149.1㎎/㎏soil로 계산되었다.
- 토양을 컬럼에 충진하고 토착 미생물을 이용하여 바이오 필름을 형성하기 위해 탄소원과 탈이온수를 주입하였을 때, 초산염, 유산염, 포도당은 탈이온수 대비 각각 98.5%, 973%, 94.7%의 부피비를 갖는 유출수가 배출되었다. 이는 공급된 영양 물질에 의해 바이오 필름의 생성으로 토양 내 공극이 감소되어 주입수의 흐름이 억제되기 때문에 발생된 결과로 생각된다.
- 14로서 약산성의 pH를 보였다. 토양의 CEC와 L0I 측정 결과, 각각 평균 9.14meq/100g과 6.2%로 나타났으며, 입도분석 결과 모래 90.2%, 미사 8.7%, 점토 1.1%로서 사토의 토성을 보였다.
- 전체적인 탄소원별 제거 효율은 포도당>초산염>유산염 순으로 나타났다. 토양의 흡착 능력은 599.2mgkgSOR 로계산되었으며, 바이오필름의 흡착 능력은 최대 흡착효율을 보인 포도당의 경우에 340.1mg/kgsoil로 계산되었다. Cu의 경우, 탄소원별 흡착량이 Cd에 비하여 더욱 뚜렷이 나타났으며, 탄소원별 제거 효율은 초산염>포도당>유산염 순으로 나타났다(Fig.
- 9). 토양의 흡착 능력은 753.2 mg/kgsoil로 계산되었으며, 바이오필름의 흡착 능력은 최대 흡착효율을 보인 초산염의 경우에 294.lmg/kgsoil로 계산되었다. 그간 카을린, 활성탄, 제올라이트 등의 담체에 미생물 바이오필름을 형성시킨 후 중금속 제거 메커니즘을 연구한 예는 특히 환경공학 분야에서 상당히 많이 시도된 바 있으나 이 연구처럼 자연 상태의 토양을 대상으로 하여 바이오필름을 형성하고 중금속 제거를 시도한 예는 극히 드물었다.
- 7). 토양의 흡착 능력은 863.5 mg/kgsoil로 계산되었으며, 바이오필름의 흡착 능력은 최대 흡착 효율을 보인 초산염의 경우에 567.6 mg/kfeaS. 계산되었다.
후속연구
- Pb의 홉착량은 탈이온수를 공급한 컬럼과탄소원을 공급한 컬럼 간에 큰 차이를 보이지 않았다. 각 중금속 별로 공급된 탄소원 종류에 따라 제거량 이상 이하게 나타났다, 토양 내 토착 미생물이 분비하는 EPS에 의해 바이오필름을 형성함으로써 중금속 흡착을 유도할 수 있는 것으로 나타났으며, 이러한 방법은 중금속 오염 토양에서 용존 상태로 존재하는 중금속 이온의 이동성을 감소시켜 토양 오염의 확산을 저지하는 기술에 활용될 것으로 기대된다.
- 이 연구에서는 주입한 탄소원의 종류에 따라 중금속 제거량이 상이하게 나타났으며 이는 토양 내 토착미생물 집단이 각 탄소원을 이용하여 성장하며 형성시킨 바이오 필름의 생화학적 특성이 서로 다르기 때문으로 여겨진다. 따라서 보다 효율적인 중금속 고정화를 위해서는 오-염 부지별로 가장 적합한 탄소원을 선정하는 작업이 선행되어야 할 것이다. 또한 투입하는 탄소 원의 양 및 경제적 대체 탄소원 - 예를 들면 퇴비 등 - 에관한 조사 역시 수행되어야 할 것이다.
- 따라서 보다 효율적인 중금속 고정화를 위해서는 오-염 부지별로 가장 적합한 탄소원을 선정하는 작업이 선행되어야 할 것이다. 또한 투입하는 탄소 원의 양 및 경제적 대체 탄소원 - 예를 들면 퇴비 등 - 에관한 조사 역시 수행되어야 할 것이다.
- 탈이 온수와 탄소원 상호 간에는 약간의 차이를 보여 10 일간 측정된 평균 산화환원전위는 탈이온수 231 mV 초산염 241 mV 유산염 264 mV 포도당 277 mV로 나타났다. 비록 무시할만한 차이이기는 하나 유산-염과 포도당을 공급하였을 경우 산화환원전위가 다소 높게 나타난 원인에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
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