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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 저질생태계를 복원 시키고자 반 폐쇄적이고 오염이 심화된 연안 저층의 오염물질의 생분해(biodegradation)촉진과 더불어 연안 저질의 생태계 회복을 향상시키기 위한 생물정화기술 (Bioremediation techniques)의 한 방법으로 생물자극 법(biostimulation)에 기초하여 산소발생제(Oxygen Release Compounds: ORC)인 CaO2와 기능성 미생물제제를 활용(Bohan과 Schlett, 1997; Davis-Hoover 등, 1995)하여 오염된 갯벌로부터 오염물질의 저감도의 효율성을 관찰하고자 한다.
제안 방법
- 강열감량(Ignition Loss)은 습식 퇴적물 10 g을 항량으로 건조시키고 550℃에서 강열한 후 무게 차이에 따른 강열감량을 계산하였다. COD(Chemical Oxygen Demand)는 알칼리성 과망간산칼륨법으로 측정하였으며 AVS(Acid Volatile Sulfide)는 황 검지관법으로 수행하였으며 습식 퇴적물 2 g을 검지관이 결합된 가스발생 관에 옮긴 후, 18 N 황산(H2SO4) 2 ㎖를 가하여 일정 시간 동안 펌프로 흡입시킨 후 검지관의 변색이 멈출 때 눈금을 읽어 AVS를 계산하였다. 이때 흡입시간의 준수와 발생가스가 누출되지 않도록 주의하였으며 실험에 이용된 황 검지관은 (Detectop Tube NO.
- 와 미생물제재를 혼합 투여한 4개의 반응조로 구성하였다. CaO2,와 미생물제재의 투여량은 퇴적토 1 ㎏에 대한 부피기준으로 5%씩 각각 투여하였으며 분석은 1주간 1회씩 총 35일 동안 실시하였고, 실험실 내에 상온하에서 하루 3회 교반하여 혐기화를 방지하고, 하루 1회 여과해수로 수분을 공급하여 함수율을 60%로 유지하였다.
- TN은 알칼리성 과황산칼륨으로 분해하여 질산성 질소로 산화시킨 후 카드뮴-구리 환원칼럼을 통과시켜 질산이온을 아질산 이온으로 환원하여 비색 정량하였으며 분광광도계 UV-1800 (Shimadzu, Japan)으로 543 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. TP는 과황산칼륨으로 산화 분해하여 인산염(PO4-P)형태로 변화시킨 다음 아스코르빈산 환원법으로 비색 정량하였으며 UV-1800(Shimadzu, Japan)으로 885 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 위의 실험법은 해양환경공정시험법(2005)에 준하여 실시하였다.
- 각종 유기오염물질로 오염된 토양 및 연안저질을 생태학적으로 복원하기 위하여 산소발생제인 CaO2, 와 미생물제재, CaO2와 미생물제재를 혼합 처리 시, 이화학적 성분의 변화를 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 퇴적물의 pH(ORION model 210A, USA)와 ORP (Oxidation reduction potential)는 일주일 1회씩 5주간 측정하였으며 각 반응조의 퇴적물로부터 전극을 통해 직접 pH 및 ORP를 측정하였다. 강열감량(Ignition Loss)은 습식 퇴적물 10 g을 항량으로 건조시키고 550℃에서 강열한 후 무게 차이에 따른 강열감량을 계산하였다. COD(Chemical Oxygen Demand)는 알칼리성 과망간산칼륨법으로 측정하였으며 AVS(Acid Volatile Sulfide)는 황 검지관법으로 수행하였으며 습식 퇴적물 2 g을 검지관이 결합된 가스발생 관에 옮긴 후, 18 N 황산(H2SO4) 2 ㎖를 가하여 일정 시간 동안 펌프로 흡입시킨 후 검지관의 변색이 멈출 때 눈금을 읽어 AVS를 계산하였다.
- 퇴적물의 pH(ORION model 210A, USA)와 ORP (Oxidation reduction potential)는 일주일 1회씩 5주간 측정하였으며 각 반응조의 퇴적물로부터 전극을 통해 직접 pH 및 ORP를 측정하였다. 강열감량(Ignition Loss)은 습식 퇴적물 10 g을 항량으로 건조시키고 550℃에서 강열한 후 무게 차이에 따른 강열감량을 계산하였다.
대상 데이터
- ML-101 1종, 황화 수소 및 암모니아의 분해력이 뛰어난 Rhodobacter sp. 2종을 선별하였으며 분리한 균주의 내염성을 측정 시 6%의 염농도에서 50%정도의 성장을 보인 균주를 최종적으로 사용하였다. 그리고 미생물의 생육에 필요한 영양성분이 함유된 고체상태의 미세분말 침강제를 이용하여 그래뉼의 형태로 제조되었으며 미생물의 활력유지를 위한 방법으로 배양된 미생물을 코팅하기 위한 코팅재료로서 Maltodextrin 40%와 Gelatine 60%의 혼합 비율을 사용한 제제를 국내에서 구입하여 대기 중의 수분과 접촉되지 않게 밀봉하여 사용하였다.
- 201H, GASTEC, Japan)을 사용하였다. TN(Total Nitrogen)과 TP(Total Phosphorus)는 습식 퇴적물 20 g을 원심분리 시켜 상등액을 채취하여 GF/C(47 mm)로 여과시키고 희석한뒤 분석에 사용하였다. TN은 알칼리성 과황산칼륨으로 분해하여 질산성 질소로 산화시킨 후 카드뮴-구리 환원칼럼을 통과시켜 질산이온을 아질산 이온으로 환원하여 비색 정량하였으며 분광광도계 UV-1800 (Shimadzu, Japan)으로 543 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다.
- 2종을 선별하였으며 분리한 균주의 내염성을 측정 시 6%의 염농도에서 50%정도의 성장을 보인 균주를 최종적으로 사용하였다. 그리고 미생물의 생육에 필요한 영양성분이 함유된 고체상태의 미세분말 침강제를 이용하여 그래뉼의 형태로 제조되었으며 미생물의 활력유지를 위한 방법으로 배양된 미생물을 코팅하기 위한 코팅재료로서 Maltodextrin 40%와 Gelatine 60%의 혼합 비율을 사용한 제제를 국내에서 구입하여 대기 중의 수분과 접촉되지 않게 밀봉하여 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 산소발생제(Oxygen Release Compounds: ORC)는 분말형태의 calcium peroxide(CaO2)를 사용하였다. CaO2는 불용성이며 과산화물 (peroxide)로서 다음 반응식과 같이 물과 반응하여 calcium peroxide로 바뀌면서 H2O2를 생성시키며 H2O2는 분해되어 산소를 배출시킨다.
- 시료채취는 남해의 인근연안에 위치한 양식어장에서 채니기를 통하여 표층으로부터 10 cm 깊이의 퇴적물을 20 kg을 채취하여 실험실로 가져와 2 L부피의 반응조에 각각 1 kg씩 담았으며, 반응조의 설정조건은 화학적 성분 변화 및 처리 효율성을 관찰하고자 산소발생제 및 미생물제재를 투여하지 않은 대조구와 CaO2, 미생물제재, CaO2와 미생물제재를 혼합 투여한 4개의 반응조로 구성하였다. CaO2,와 미생물제재의 투여량은 퇴적토 1 ㎏에 대한 부피기준으로 5%씩 각각 투여하였으며 분석은 1주간 1회씩 총 35일 동안 실시하였고, 실험실 내에 상온하에서 하루 3회 교반하여 혐기화를 방지하고, 하루 1회 여과해수로 수분을 공급하여 함수율을 60%로 유지하였다.
- COD(Chemical Oxygen Demand)는 알칼리성 과망간산칼륨법으로 측정하였으며 AVS(Acid Volatile Sulfide)는 황 검지관법으로 수행하였으며 습식 퇴적물 2 g을 검지관이 결합된 가스발생 관에 옮긴 후, 18 N 황산(H2SO4) 2 ㎖를 가하여 일정 시간 동안 펌프로 흡입시킨 후 검지관의 변색이 멈출 때 눈금을 읽어 AVS를 계산하였다. 이때 흡입시간의 준수와 발생가스가 누출되지 않도록 주의하였으며 실험에 이용된 황 검지관은 (Detectop Tube NO. 201H, GASTEC, Japan)을 사용하였다. TN(Total Nitrogen)과 TP(Total Phosphorus)는 습식 퇴적물 20 g을 원심분리 시켜 상등액을 채취하여 GF/C(47 mm)로 여과시키고 희석한뒤 분석에 사용하였다.
이론/모형
- TP는 과황산칼륨으로 산화 분해하여 인산염(PO4-P)형태로 변화시킨 다음 아스코르빈산 환원법으로 비색 정량하였으며 UV-1800(Shimadzu, Japan)으로 885 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 위의 실험법은 해양환경공정시험법(2005)에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- 5%의 CaO2, 처리 시, 유기물과 영양염류의 제거효과가 높게 나타났다. 강열감량의 경우, CaO2가 제거 효율이 12.
- 62%를 나타내었다. 5%의 CaO2를 투여 시, 초기 33.37%에서 35일 후, 29.08%로 낮아졌으며 감소율은 12.9%로 나타났다. 5%의 미생물제재를 투여 시, 초기 33.
- 5%의 CaO2를 투여 시, 초기 COD농도는 27.6 mg/g·ds에서 35일 후, 17.2 mg/g·ds로 37.9%로 높은 제거효율을 보였다.
- 6이상으로 유지됨을 알 수 있었다. 5%의 CaO2를 투여 시, 초기 pH값이 7.41을 나타내었으며, 7일째 측정 시 pH가 9.66으로 증가하였고, 35일 경과 시에도 pH가 9.69로 유지됨을 관찰하였으며 미생물제재보다 다소 높은 pH값을 보였다. 5%의 CaO2와 5%의 미생물제재를 혼합한 경우에는 초기 pH값이 7.
- 3%의 감소율을 보였다. 5%의 CaO2와 5%의 미생물제재를 혼합하여 투여 시 초기 TN농도는 1.64 mg/g로 그 이후 낮아졌다가 7일 후부터 증가하기 시작하여 21일에 1.61 mg/g로 증가하였다가 35일 경과 후 1.20 mg/g으로 다시 낮아져 39.0%의 감소율로 CaO2와 미생물제재를 단일로 투여했을 때보다 TN감소율이 약간 높아졌음을 알 수 있었다.
- 5%의 제거효율로 CaO2보다 효율성이 다소 낮았다. 5%의 CaO2와 5%의 미생물제재를 혼합하여 투여시 초기 농도는 35일 경과 시 0.047 mg/g에서 0.011 mg/g으로 크게 낮아졌으며 76.6%의 제거효율을 나타내었다. 총 인의 경우, 5%의 CaO2와 5%의 미생물제재를 혼합하여 투여 시 TP의 제거율이 미 혼합시 보다 가장 높게 나타난 것은 산소발생제에 의한 인 제거에 효과가 있음을 알 수 있었으며 이러한 인 제거 기작은 산소발생제의 반응으로 부터 Ca2+이온과 Ca(OH)2이 PO4-3과 H3PO4와 각각 결합하여 불용성 인을 만들어 제거시키므로(Snoeyink과 Jenkins, 1998) 산소발생제에 따른 인 제거와 함께 미생물제재의 유용미생물을 활성화시킴으로서 인 제거 효과가 증대된 것으로 사료된다.
- 5%의 미생물제재를 투여 시 초기 황화물량은 0.191 mg/g·ds로 35일 경과 후, 0.027 mg/g·ds으로 감소하였으며 85.9%의 발생감소율을 나타내었다.
- 9%로 나타났다. 5%의 미생물제재를 투여 시, 초기 33.30%에서 35일 후, 31.80%로 낮아졌으며 감소율은 4.5%로 낮은 제거효율을 보인 반면에 5%의 CaO2와 5%의 미생물제재를 혼합 한 경우, 초기 33.36%에서 35일 후, 26.74%로낮아졌으며 제거효율이 19.8%로 증가하였다.
- ORP를 측정한 결과, Fig. 2와 같이 대조구를 제외하고 ORP가 상승하는 경향을 보였다. 미생물제재 처리 시 초기 ORP는 -282.
- 강열감량(Ignition Loss)을 관찰한 결과, Fig. 3에서 대조구를 제외하고 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 산소발생제와 미생물제재를 투여하지 않은 자연토인 대조구의 경우, 초기 강열감량은 33.
- , 처리 시, 유기물과 영양염류의 제거효과가 높게 나타났다. 강열감량의 경우, CaO2가 제거 효율이 12.9%로 미생물제재(4.5%)보다 정화효과가 좋았으며, COD의 경우에도 CaO2가 37.9%로 높은 제거율로 미생물제재(18.7%)보다 정화효과가 다소 우수하게 나타났다. 여기에 미생물제재를 혼합하여 처리 시 강열감량에서 CaO2의 경우 12.
- 그리고 5%의 미생물제재를 투여 시, 초기 COD농도가 27.6 mg/g·ds에서 35일 후, 22.4 mg/g·ds로 18.7%의 감소율을 보인 반면에 5%의 CaO2와 5%의 미생물제재를 혼합한 경우, 초기 COD농도가 27.7 mg/g·ds에서 35일 후, 21.5 mg/g·ds로 22.4%의 감소율을 나타냈으며 CaO2만을 투여 했을때 보다 제거효율이 떨어짐을 관찰하였다.
- 따라서 위 실험결과로 볼 때, TN은 전체적으로 감소하는 경향을 보였으며 이는 산소공급에 따른 호기성미생물의 성장을 촉진시켜 퇴적물내 질소를 제거시킨 것으로 판단된다. 그 중에서도 미생물제재가 CaO2보다 TN 감소율이 높게 나타난 것은 미생물제재 내의 유용미생물에 의한 질소 소비를 들 수 있으며 산소발생제와 함께 사용 시 저질내의 질산화를 가속화시켜 수중으로 질산염이 용출되는 결과로 볼 수 있다.
- 마찬가지로 TP의 경우에도 CaO2를 처리 시, 제거 율이 71.1%로 미생물제재(56.5%)보다 높은 제거율을 나타내었으며 CaO2와 미생물제재를 혼합하여 처리시 효율성이 71.1%→76.1%로 증가하였다.
- 1). 먼저 5%의 미생물제재를 투여 시 초기 pH값이 7.42를 나타내었으며, 7일째 측정 시 pH가 7.68로 별다른 차이를 보이지 않았으나 이후로 pH가 상승하여 8.6이상으로 유지됨을 알 수 있었다. 5%의 CaO2를 투여 시, 초기 pH값이 7.
- 이와 같이 높은 인 제거율은 산소발생제의 처리로부터 인의 흡착으로 인한 것과 침전물의 형성으로 침전됨에 따라 제거될 뿐만 아니라 침전된 인으로 부터 미생물의 인의 섭취와 관련된 것으로 사료된다. 반대로 TN의 경우, CaO2를 처리 시 19.9%, 미생물제재를 처리 시 33.3%의 제거율로 미생물제재가 높은 TN감소율을 보였는데 이는 산소발생제 처리에 따른 암모니아 질소의 발생 억제 및 질산성 질소의 수층으로의 용출로 인하여 TN이 감소하겠지만 여기에 미생물제재만의 유용미생물로부터 질소제거에 탁월한 미생물로 인한 TN감소가 더해진 결과로 판단된다.
- AVS의경우 CaO2를 처리 시 21일 경과 후. 불검출을 나타내 었으며 마찬가지로 미생물제재를 처리 시 85.9%의 제거율로 이 또한 황화물발생을 억제시키는데 탁월한 것으로 나타났다. 특히 CaO2와 미생물제재와 혼합 시에도 시간이 경과 후 AVS가 불검출이 나타났는데 이는 산소발생제에 따른 높은 pH의 상승을 유발과 동시에 생성물로서 Ca(OH)2로 부터의 낮은 용해도에 의해 고형물이 퇴적물 표면에 피막을 형성하여 황산염 환원균을 불활성화시킴에 따라 나타난 것으로 판단된다.
- 산 휘발성 황화물(AVS)을 관찰한 결과, Fig. 5에서 자연토인 대조구의 초기 황화물량은 0.193 mg/g·ds 로 나타났으며, 35일 경과 후, 0.051 mg/g·ds으로 낮아졌으며 이는 자연적인 휘발에 따른 영향으로 판단된다.
- 여기에 미생물제재를 혼합하여 처리 시 강열감량에서 CaO2의 경우 12.9%→19.8%로 제거효율성이 증가함을 관찰하였으며 COD에서는 CaO2의 경우 37.9%→22.4%로 오히려 감소하는 경향을 보였다.
- 53으로 떨어짐을 관찰하였다. 위 실험결과로 pH변화를 살펴 볼 때, 미생물제재에 의한 pH의 증가보다도 산소발생제인 CaO2,를 첨가함으로써 높은 pH의 상승효과를 가져온 것은 CaO2가 퇴적물내로부터 지속적인 산소를 공급해줌과 동시에 Ca(OH)2가 생성되고, 이 화합물은 식 (3)의 반응에 의해 OH기를 방출함으로써 퇴적물내의 pH증가를 통한 약알칼리성을 띄게 하는 특징이 있다.
- 총 인(TP)의 농도 변화를 관찰한 결과, Fig. 7과 같이 자연토인 대조구의 초기 총 인은 평균 0.042 mg/g 으로 나타났으며 35일 경과 후 0.043 mg/g으로 변화를 보이지 않았다. 5%의 CaO2를 투여 시 초기 TP농도는 0.
- 총 질소(TN)농도 변화를 관찰한 결과, Fig. 6과 같이 자연토인 대조구의 초기 총 질소는 1.69 mg/g로 35일 경과 후 1.59 mg/g으로 나타났다. 5%의 CaO2를 투여했을 경우 초기 TN농도는 1.
후속연구
- 산소 발생제(CaO2)의 경우에 유기물분해에 큰 차이를 보이지는 않지만 산소발생제가 퇴적물 내에 호기적 여건을 조성함으로써 유기물 분해능이 높은 토착미생물의 생장을 유도하고 유기물 분해를 촉진시켜 COD농도를 감소시킨 것으로 사료된다. 따라서 산소발생제를 오염된 연안저질 및 퇴적물에 적용 시, 오염된 저질을 개선시키는데 보다 효과적으로 작용되리라 판단되며, 장기간동안 지속적인 모니터링을 통하여 관찰해야 할것으로 사료된다.
- 이는 호기성 미생물이 유기물을 분해하는 속도가 빠르고 유기물을 이산화탄소와 열로 바꾸기 때문에 암모니아와 같은 악취가 덜 한 반면, 혐기성 미생물은 토양의 유기물을 분해하면서 다양한 유기산과 악취 유발 물질(암모니아)등을 발생시키기 때문에 수질악화 및 미관상으로도 문제가 되기 때문에 산소발생제와 같이 사용 하면 정화효과를 극대화 시킬 수 있어서 각종 유기물로 오염된 연안 저질을 효율적으로 정화시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 미생물제재의 활성에 의한 유기물 및 질소, 인 화합물의 감소가 미생물제재에 의한 것인지 아니면 토착균주의 활성에 의한 것인지 추후 PCR-DGGE 기법을 이용하여 처리 전·후에 따른 미생물의 군집변화를 연구할 필요성이 있을 것으로 보인다.
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