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문제 정의
- 따라서 본 연구는 부산시 정수장에서 운영하고 있는 고도정수처리공정을 축소한 pilot-plant를 이용하여 생물활성탄 및 오존처리공정의 효율성을 수질 변화 조사를 통해 평가하고, 부산시 상수원수에서 가장 많이 검출되는 장바이러스 3종을 대상으로 정수처리 공정별로 각 바이러스종의 제거효율을 조사하였다. 또한, 표준시험방법에서 제시한 BGM 세포주 외의 다른 세포주에서 각 바이러스들의 감염효율을 조사함으로써 BGM 세포주 사용의 적정성을 평가하고자 하였다.
- 따라서 본 연구는 부산시 정수장에서 운영하고 있는 고도정수처리공정을 축소한 pilot-plant를 이용하여 생물활성탄 및 오존처리공정의 효율성을 수질 변화 조사를 통해 평가하고, 부산시 상수원수에서 가장 많이 검출되는 장바이러스 3종을 대상으로 정수처리 공정별로 각 바이러스종의 제거효율을 조사하였다. 또한, 표준시험방법에서 제시한 BGM 세포주 외의 다른 세포주에서 각 바이러스들의 감염효율을 조사함으로써 BGM 세포주 사용의 적정성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 바이러스 회수율은 1-MDS catridge filter로 여과시켜 유기 응집법을 이용하여 농축시켰다. 농축시킨 양성 시료는 원액, 1:5, 1:25 희석배율로, 음성 농축액(Na2HPO4ㆍ7H2O, pH 7.4)은 원액 농도로 각각 BGM 세포에 1 ml씩 접종한 후 14일간 배양하여 CPE 여부로 확인하였다. MPN program으로 산출한 결과 1850～2230 MPN/100 l로 나타났으며, 회수율은 72～108%를 보여 표준시험방법에서 규정한 회수율 35～150% 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 먼저 탈리된 용출액의 pH를 7.0～7.5로 조정하고 1 M HCl로 3.5±0.1로 조절한 후 실온에서 30분간 교반시켜 침전물의 생성 유무를 확인하였다.
- 생물활성탄 공정에 따른 수질조사 항목의 이화학적 분석은 Standard method [1]에 따랐다. 미생물 항목인 총대장균군(Total coliforms) 및 대장균(E.coli) 실험은 막여과법을 이용하여 실시하였으며, 종속영양 세균(HPC)은 R2A agar (Difco사) 평판배지에 시료 1 ml를 도말한 후 25℃ 배양기에서 7일간 배양하여 형성된 colony를 계수하였다[1].
- 바이러스 회수율은 음성시료와 양성시료 각각 1개를 이용하여 3회 실시하였다. 먼저 양성시료는 멸균된 폴리프로필렌 용기에 3차 증류수 40 l를 넣고 약 200 PFU/ml 농도의 약독화 폴리오바이러스 정도관리용 저장용액 1 ml를 첨가하였다.
- 본 연구에서 사용된 폴리오바이러스, 콕사키바이러스, 에코바이러스를 6개의 세포주를 대상으로 하여 세포병변현상을 관찰하여 감수성 조사를 실시하였다(Table 3). 폴리오바이러스의 경우 BGMK, Hela, Hep-2 세포주 순으로 바이러스에 대한 감수성이 높게 나타났으며, 콕사키바이러스의 경우 원숭이 신장세포인 BGMK 와 Vero 세포주에서 높은 감수성을 나타내었다.
- 세포들이 배양용기의 바닥에서 완전히 떨어지는 것을 확인한 후 떨어진 세포들을 1,000× g, 10분간 실온에서 원심 분리한 후에 상층액을 깨끗이 제거하고 침전된 세포를 새로운 증식용 배양액에 혼합한 후 세포배양 플라스크(25 cm2)에 분주하여 36.5℃, 5% CO2의 배양기에서 배양하였다.
- 실험은 3차 증류수 30l에 2.5×108 PFU의 에코바이러스, 3.5×107 PFU의 콕사키바이러스, 3×107 PFU의 폴리오바이러스를 각각 첨가시켜 혼합한 후, 정량펌프를 이용하여 3 ml/min의 속도로 원수 유입조에 주입하였다.
- 또한, 음성시료도 3차 증류수 40 l를 멸균된 폴리프로필렌 용기에 넣어 양성시료 실험과 동일하게 통과시켰다. 여과시킨 1-MDS filter를 총 배양성 바이러스 분석법에 따라 농축하여 3～4일 전에 배양된 BGM (Buffalo Green Monkey kidney) 세포에 각각 감염시켜 세포병변현상(Cytopathic effect: CPE) 여부를 관찰한 후 MPN program (ICR-MPNV Software Program)을 이용하여 수치를 산출하였다.
- 22 μm 멸균 필터를 이용하여 상등액을 여과하였다. 여과시킨 상등액을 3～6일간 배양된 세포배양 플라스크(25 cm2)의 BGM (Buffalo green monkey kidney) 세포주, VERO (African green monkey kidney, adult)세포주, Hep-2 (Human larynx epidermoid) 세포주, Hela (Human cervix epitheroid carcinoma) 세포주, MDCK (Bovine kidney) 세포주, RD (Human embryonal rhabdomyosarcoma) 세포주에 각각의 시료를 접종하였다(Fig. 2). 음성대조구 및 양성대조구는 각각 0.
- 원수 분배 탱크조에 연속적으로 바이러스를 주입시키면서, 정수처리 공정별로 시료를 채취하였다. 원수 분배 탱크조를 통과한 시료는 전오존 접촉조ㆍ침전ㆍ여과ㆍ후오존 접촉조ㆍBAC 여과를 거쳤으며, 각 공정별로 500～1,500 l의 시료를 여과, 농축하여 표준시험방법에 의거한 세포배양법으로 실험하였다. 200 l의 원수에서 정량된 바이러스를 기준으로 하였을 때 전 오존 접촉에서는 96.
- 접종 80～120분 후 세포 배양플라스크에 2% Fetal Bovine Serum (FBS)가 함유된 각 세포주의 배지를 분주한 후 14일간 배양하며 세포병변현상을 관찰하였다. 원수ㆍ전오존수는 100 l, 침전수는 300 l, 여과수ㆍ후오존수ㆍBAC 처리수 그리고 정수는 1,000 l를 기준으로 환산하였으며 3회 반복 실험하였다.
- 2). 음성대조구 및 양성대조구는 각각 0.15 M Na2HPO4ㆍ7H2O (pH 7.4) 용액과 순화된 3종의 바이러스를 0.15 M Na2HPO4ㆍ7H2O 용액으로 희석하여 시료 접종량과 동일하게 접종하였다. 배양기에서 각세포주에 시료를 흡착시켜 15분 간격으로 배양용기를 좌우로 가볍게 기울여 접종된 시료가 골고루 세포에 흡착되도록 하였다.
- 배양기에서 각세포주에 시료를 흡착시켜 15분 간격으로 배양용기를 좌우로 가볍게 기울여 접종된 시료가 골고루 세포에 흡착되도록 하였다. 접종 80～120분 후 세포 배양플라스크에 2% Fetal Bovine Serum (FBS)가 함유된 각 세포주의 배지를 분주한 후 14일간 배양하며 세포병변현상을 관찰하였다. 원수ㆍ전오존수는 100 l, 침전수는 300 l, 여과수ㆍ후오존수ㆍBAC 처리수 그리고 정수는 1,000 l를 기준으로 환산하였으며 3회 반복 실험하였다.
- 정수공정별에 따른 수질조사는 6단계 즉 원수, 전오존 처리조, 침전조, 여과 수조, 후오존 처리조, BAC 여과수(석탄계 여과수)시료를 대상으로 실시하였다. 생물활성탄 공정에 따른 수질조사 항목의 이화학적 분석은 Standard method [1]에 따랐다.
- 환경시료에서 많이 분리되는 장내바이러스 중 폴리오바이러스, 콕사키바이러스, 에코바이러스를 이용하여 정수처리 공정별 제거율을 조사하였다. 양성 시료로 사용된 바이러스들의 회수율은 72-108%의 범위로 나타났다.
대상 데이터
- 원수는 낙동강 하류지점인 매리 취수장의 표층수를 사용하였고, 응집제로는 Polyaluminum Sulfate Organic Magnesium (PSOM)을 사용하였다. 또한 본 실험장치의 입상활성탄의 재질은 석탄계(F-400, Calgon사) 재생탄이며 여과층의 깊이는 2.5 m이다.
- 바이러스 배양에는 국립환경연구원에서 분양받은 BGM 세포주와 한국세포주은행으로부터 분양받은 VERO 세포주, Hep-2 세포주, Hela 세포주, HepG2 세포주, MDCK 세포주를 사용하였다. 세포의 계대는 먼저 monolayer가 형성된 세포주를 배양기에서 꺼내어 배양용기 안에 있는 배지를 제거한 후 trypsin-EDTA를 세포배양용기에 적정량(약 10 ml)을 넣고 36.
- 본 연구에 사용된 Pilot-plant 실험장치는 기존 급속 여과시스템에서 전 염소처리 공정이 생략되었고, 오존의 전ㆍ후 처리와 BAC 공정을 부가한 시스템으로 실험하였으며(Fig. 1), BAC 운영조건은 Table 1과 같다. 원수는 낙동강 하류지점인 매리 취수장의 표층수를 사용하였고, 응집제로는 Polyaluminum Sulfate Organic Magnesium (PSOM)을 사용하였다.
- 5×107 PFU의 콕사키바이러스, 3×107 PFU의 폴리오바이러스를 각각 첨가시켜 혼합한 후, 정량펌프를 이용하여 3 ml/min의 속도로 원수 유입조에 주입하였다. 시료 채수는 미국 EPA의 ICR 및 환경부에서 권장하는 표준필터장치를 조합하여 사용하였으며, 시료 채수는 1-MDS filter를 이용하여 원수ㆍ전오존은 200～300 l를 침전ㆍ여과ㆍ후오존ㆍBAC 여과 그리고 정수는 1,600 l 이상을 여과하였다. 채수한 시료의 전처리는 미국 EPA의 ICR 방법 및 환경부에서 정한 표준시험방법에 준하여 수행하였다[3].
- 정수처리공정에 따른 바이러스 제거효율은 맥동식 Pilot-plant를 이용하여 3회 실시하였다. 원수 분배 탱크조에 연속적으로 바이러스를 주입시키면서, 정수처리 공정별로 시료를 채취하였다. 원수 분배 탱크조를 통과한 시료는 전오존 접촉조ㆍ침전ㆍ여과ㆍ후오존 접촉조ㆍBAC 여과를 거쳤으며, 각 공정별로 500～1,500 l의 시료를 여과, 농축하여 표준시험방법에 의거한 세포배양법으로 실험하였다.
- 1), BAC 운영조건은 Table 1과 같다. 원수는 낙동강 하류지점인 매리 취수장의 표층수를 사용하였고, 응집제로는 Polyaluminum Sulfate Organic Magnesium (PSOM)을 사용하였다. 또한 본 실험장치의 입상활성탄의 재질은 석탄계(F-400, Calgon사) 재생탄이며 여과층의 깊이는 2.
이론/모형
- 바이러스 회수율은 1-MDS catridge filter로 여과시켜 유기 응집법을 이용하여 농축시켰다. 농축시킨 양성 시료는 원액, 1:5, 1:25 희석배율로, 음성 농축액(Na2HPO4ㆍ7H2O, pH 7.
- 정수공정별에 따른 수질조사는 6단계 즉 원수, 전오존 처리조, 침전조, 여과 수조, 후오존 처리조, BAC 여과수(석탄계 여과수)시료를 대상으로 실시하였다. 생물활성탄 공정에 따른 수질조사 항목의 이화학적 분석은 Standard method [1]에 따랐다. 미생물 항목인 총대장균군(Total coliforms) 및 대장균(E.
- 정수처리공정에 따른 바이러스 제거효율은 맥동식 Pilot-plant를 이용하여 3회 실시하였다. 원수 분배 탱크조에 연속적으로 바이러스를 주입시키면서, 정수처리 공정별로 시료를 채취하였다.
- 시료 채수는 미국 EPA의 ICR 및 환경부에서 권장하는 표준필터장치를 조합하여 사용하였으며, 시료 채수는 1-MDS filter를 이용하여 원수ㆍ전오존은 200～300 l를 침전ㆍ여과ㆍ후오존ㆍBAC 여과 그리고 정수는 1,600 l 이상을 여과하였다. 채수한 시료의 전처리는 미국 EPA의 ICR 방법 및 환경부에서 정한 표준시험방법에 준하여 수행하였다[3]. 멸균 튜브가 장착된 연동펌프(peristaltic pump)를 사용하여 50 mM glycine이 함유된 1.
성능/효과
- 3종의 바이러스 정량은 양성 바이러스주를 대상으로 Plaque assay법을 이용하였으며, 정량한 결과 ml당 2.5×108 PFU의 에코바이러스, 3.5×107 PFU의 콕사키바이러스 그리고 3×107 PFU의 폴리오바이러스를 얻을 수 있었다.
- 에코바이러스의 경우에는 현재 사용 중인 BGMK 세포주에 비해 RD 세포주에서 30% 정도 높은 감수성을 나타낸 것으로 보아 현재 표준시험방법에 사용 중인 BGMK 세포주만을 사용했을 경우 바이러스종류에 따라 검출률이 현저히 낮아질 수 있음을 알 수 있었다. 3종의 바이러스가 정수처리공정을 거치고 난 후에도 세포주에 따라 검출률에 차이가 나는 것을 알 수 있었다(Table 4). 따라서, 환경 중에 존재하는 다양한 바이러스를 검출 및 검출률을 높일 수 있는 다양한 세포주 및 시험방법의 개발이 시급한 것으로 판단된다.
- 이들 3종 바이러스들을 대상으로 정수처리공정별 제거효율을 조사한 결과 약 99%의 바이러스가 침전단계에서 제거되어졌고, 후오존과 BAC 여과 과정을 거치면서 100% 제거되어짐을 확인할 수 있었다. 6개의 세포주를 사용하여 바이러스별 감수성을 조사한 결과 폴리오 바이러스는 BGMK 세포주, 콕사키바이러스는 Vero 및 BGMK 세포주가 다른 세포주에 비해 높은 감수성을 나타내었고, 반면 에코바이러스는 RD 세포주에서 가장 분리가 용이하였다.
- 4)은 원액 농도로 각각 BGM 세포에 1 ml씩 접종한 후 14일간 배양하여 CPE 여부로 확인하였다. MPN program으로 산출한 결과 1850～2230 MPN/100 l로 나타났으며, 회수율은 72～108%를 보여 표준시험방법에서 규정한 회수율 35～150% 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 따라서 오존이 주입되는 전ㆍ후오존 과정이 정수처리과정에서 바이러스 및 미생물 농도를 감소시키는데 있어서 가장 효율적인 단계임을 알 수 있었다. 그리고 이러한 바이러스 제거율은 규모가 비슷한 Pilot-plant를 사용하여 조사한 Robeck의 침전단계에서 98%, 여과단계에서 99.84% 제거율과 거의 비슷한 결과를 보였는데[11], 적절한 정수처리공정을 유지하여 BAC 여과를 거치면 대부분의 바이러스는 정수처리과정에서 거의 100% 제거될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 마지막 단계인 BAC 유출수는 후 오존처리 단계에서까지 제거되지 않았던 NH+4-N 등을 포함한 모든 항목들이 거의 제거됨을 알 수 있었다. 따라서 수질분석결과 BAC 여과 단계에 이르면 유입되는 유기물질을 적절하게 흡착과 생분해에 의하여 제거하는 것으로 나타났다. 그러나 이들의 수질조사 항목별 분석치의 절대값은 원수의 상황에 따라 차이가 날 수 있으며, 낙동강 원수의 경우 식물플랑크톤에 의한 부영양화 즉 하계의 Microcystis aeruginosa, 동계의 Stephanodiscus hantzschii 등에 의한 대량 증식으로 pH, NH+4-N, BOD 등의 농도가 계절에 따라 다르게 나타나는 것으로 보고된 바 있다[10].
- 지표세균인 총대장균군의 경우 원수에서는 평균 340 MPN/100 ml 검출되었으나 후오존을 거친 BAC 여과수 부터 검출되지 않았고, 대장균의 경우에는 전오존 단계 이후부터 검출되지 않아 바이러스와 비슷한 제거 경향을 보였다. 따라서 오존이 주입되는 전ㆍ후오존 과정이 정수처리과정에서 바이러스 및 미생물 농도를 감소시키는데 있어서 가장 효율적인 단계임을 알 수 있었다. 그리고 이러한 바이러스 제거율은 규모가 비슷한 Pilot-plant를 사용하여 조사한 Robeck의 침전단계에서 98%, 여과단계에서 99.
- 8%의 제거효율을 보였으며 pH, NH+4-N 등은 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 마지막 단계인 BAC 유출수는 후 오존처리 단계에서까지 제거되지 않았던 NH+4-N 등을 포함한 모든 항목들이 거의 제거됨을 알 수 있었다. 따라서 수질분석결과 BAC 여과 단계에 이르면 유입되는 유기물질을 적절하게 흡착과 생분해에 의하여 제거하는 것으로 나타났다.
- 바이러스의 경우는 일반적인 탁질과는 달리 여과 및 소독 과정이 병행 되어야만 완전한 제거가 가능하다. 본 연구 결과에 따르면 바이러스의 경우 전오존을 거친 침전단계에서는 평균 99.0%, 여과에서는 99.5%가 제거되었으며, 후오존을 거친 BAC 여과수 시료에서는 100% 제거되어짐을 확인할 수 있었다(Table 2). 세 종류의 바이러스 중에서 에코바이러스의 경우 폴리오바이러스와 콕사키바이러스에 비해 제거율이 약간 떨어지는 것으로 나타났다.
- 그러나 이들의 수질조사 항목별 분석치의 절대값은 원수의 상황에 따라 차이가 날 수 있으며, 낙동강 원수의 경우 식물플랑크톤에 의한 부영양화 즉 하계의 Microcystis aeruginosa, 동계의 Stephanodiscus hantzschii 등에 의한 대량 증식으로 pH, NH+4-N, BOD 등의 농도가 계절에 따라 다르게 나타나는 것으로 보고된 바 있다[10]. 본 연구의 조사기간 중에는 조류 농도의 감소 등으로 인하여 예년에 비해 원수의 수질은 전반적으로 양호한 것으로 나타났다.
- 5%가 제거되었으며, 후오존을 거친 BAC 여과수 시료에서는 100% 제거되어짐을 확인할 수 있었다(Table 2). 세 종류의 바이러스 중에서 에코바이러스의 경우 폴리오바이러스와 콕사키바이러스에 비해 제거율이 약간 떨어지는 것으로 나타났다. 지표세균인 총대장균군의 경우 원수에서는 평균 340 MPN/100 ml 검출되었으나 후오존을 거친 BAC 여과수 부터 검출되지 않았고, 대장균의 경우에는 전오존 단계 이후부터 검출되지 않아 바이러스와 비슷한 제거 경향을 보였다.
- 폴리오바이러스의 경우 BGMK, Hela, Hep-2 세포주 순으로 바이러스에 대한 감수성이 높게 나타났으며, 콕사키바이러스의 경우 원숭이 신장세포인 BGMK 와 Vero 세포주에서 높은 감수성을 나타내었다. 에코바이러스의 경우에는 현재 사용 중인 BGMK 세포주에 비해 RD 세포주에서 30% 정도 높은 감수성을 나타낸 것으로 보아 현재 표준시험방법에 사용 중인 BGMK 세포주만을 사용했을 경우 바이러스종류에 따라 검출률이 현저히 낮아질 수 있음을 알 수 있었다. 3종의 바이러스가 정수처리공정을 거치고 난 후에도 세포주에 따라 검출률에 차이가 나는 것을 알 수 있었다(Table 4).
- 원수가 전오존 처리조에서 침전조ㆍ여과조를 거쳐 후오존 처리 공정 단계에 이르면, 이미 탁도ㆍKMnO4 소비량ㆍ금속성 양이온 함량 등은 각각 원수에 비해 97.4%, 73.1%, 71.8%의 제거효율을 보였으며 pH, NH+4-N 등은 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. 마지막 단계인 BAC 유출수는 후 오존처리 단계에서까지 제거되지 않았던 NH+4-N 등을 포함한 모든 항목들이 거의 제거됨을 알 수 있었다.
- 양성 시료로 사용된 바이러스들의 회수율은 72-108%의 범위로 나타났다. 이들 3종 바이러스들을 대상으로 정수처리공정별 제거효율을 조사한 결과 약 99%의 바이러스가 침전단계에서 제거되어졌고, 후오존과 BAC 여과 과정을 거치면서 100% 제거되어짐을 확인할 수 있었다. 6개의 세포주를 사용하여 바이러스별 감수성을 조사한 결과 폴리오 바이러스는 BGMK 세포주, 콕사키바이러스는 Vero 및 BGMK 세포주가 다른 세포주에 비해 높은 감수성을 나타내었고, 반면 에코바이러스는 RD 세포주에서 가장 분리가 용이하였다.
- 세 종류의 바이러스 중에서 에코바이러스의 경우 폴리오바이러스와 콕사키바이러스에 비해 제거율이 약간 떨어지는 것으로 나타났다. 지표세균인 총대장균군의 경우 원수에서는 평균 340 MPN/100 ml 검출되었으나 후오존을 거친 BAC 여과수 부터 검출되지 않았고, 대장균의 경우에는 전오존 단계 이후부터 검출되지 않아 바이러스와 비슷한 제거 경향을 보였다. 따라서 오존이 주입되는 전ㆍ후오존 과정이 정수처리과정에서 바이러스 및 미생물 농도를 감소시키는데 있어서 가장 효율적인 단계임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 사용된 폴리오바이러스, 콕사키바이러스, 에코바이러스를 6개의 세포주를 대상으로 하여 세포병변현상을 관찰하여 감수성 조사를 실시하였다(Table 3). 폴리오바이러스의 경우 BGMK, Hela, Hep-2 세포주 순으로 바이러스에 대한 감수성이 높게 나타났으며, 콕사키바이러스의 경우 원숭이 신장세포인 BGMK 와 Vero 세포주에서 높은 감수성을 나타내었다. 에코바이러스의 경우에는 현재 사용 중인 BGMK 세포주에 비해 RD 세포주에서 30% 정도 높은 감수성을 나타낸 것으로 보아 현재 표준시험방법에 사용 중인 BGMK 세포주만을 사용했을 경우 바이러스종류에 따라 검출률이 현저히 낮아질 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 실제로 2년 동안의 바이러스 분포조사에서도 부산시 3개 정수장의 고도정수처리공정을 거친 정수와 수도꼭지에서는 바이러스가 검출되지 않았기 때문에 부산시 정수장의 바이러스 제거능은 충분히 확보한 것으로 판단된다[9]. 그리고 전오존 처리에서 97% 이상의 바이러스가 제거되어질 수 있음을 확인하였으므로, 오존과 같은 소독제에 대해 지속적인 모니터링이 필요할 것으로 보여진다.
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