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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 소규모 정수장에서 채택하고 있는 완속 모래여과 공정에서의 geosmin의 제거능을 파악하고자, 실험실 규모의 완속 모래여과 컬럼을 이용하여 운전 초기부터 운전 기간에 따른 컬럼 상부의 생물막(schmutzdecke)층에서의 미생물 부착 특성을 조사하였고, 완속 모래여과 컬럼의 부착 박테리아 군집이 정상상태(steady-state)에 도달한 후에는 유입수의 수온을 변화시켜 수온변화에 따른 유기물 제거특성과 함께 geosmin에 대한 생분해 특성을 평가하여 원활한 완속 모래여과 공정의 운전을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 유입수는 완속 모래여과 공정을 운영중인 부산시 B 정수장의 침사 처리 후 완속 모래여과 공정 유입수(유입수)를 실험에 사용하였다. Geosmin은 sigma-aldrich사의 standard급 물질을 유입수에 직접 투입하여 유입되는 geosmin의 농도가 100 ng/L가 되도록 하였다. 실험 기간 중의 유입수 성상을 Table 1에 나타내었다.
- )하여 세균을 탈리21)시킨 후 R2A agar(Difco) 평판배지22)에 시료 1 mL를 단계적으로 희석 도말한 후 25℃ 배양기에서 2주간 배양하여 습중량 1 g당 colony 형성 세균수로 표시하였다. 또한, 부착 종속영양 박테리아의 활성도(activity) 측정은 3H-thymidine이 박테리아의 DNA에 흡수되는 정도로 구하였다.23) 시료수 2 mL에 200 nM[methyl-3H] thymidine 용액(specific activity: 40~50 Ci/mmol)1 mL와 200 nM cold thymidine 용액 1 mL를 첨가한 후 교반 배양기에서 in situ 조건으로 4시간 배양하였다.
- 본 실험에 사용된 실험실 규모의 완속 모래여과 컬럼은 직경 5 cm의 아크릴 재질로 컬럼의 높이 100 cm였으며, water jacket을 이용하여 컬럼 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 설계하였다. 실험에 사용된 완속 여과사의 유효경(effective size)은 0.
- 실험실 규모의 완속 모래여과 컬럼을 이용하여 운전 기간에 따른 생물막(schmutzdecke) 층에서의 미생물 부착 특성과 수온변화시 geosmin에 대한 생분해 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 완속 모래여과 컬럼 상층의 생물막(schmutzdecke) 층이 정상상태 구간인 운전 시작 50일 이후에 수온 변화에 따른 geosmin과 DOC의 생물분해능을 평가하였다. Fig.
- 3이었고, 실험에 사용하기 전에 완속 여과사를 증류수로 깨끗이 세척한 후 120℃에서 충분히 건조시켜 실험에 사용하였다. 완속 모래여과 컬럼에 여과사를 60 cm 충진하였으며, 여과장치 하부에는 입경 0.5 cm 정도의 자갈을 5 cm 충진하여 상부의 완속 여과사 층을 지지하도록 하였다. 완속 모래여과 컬럼은 유입수 저장조에서 농도가 100 ng/L인 geosmin을 정량 펌프를 사용하여 컬럼의 상부로 이송시켜 여과속도를 0.
- 5 cm 정도의 자갈을 5 cm 충진하여 상부의 완속 여과사 층을 지지하도록 하였다. 완속 모래여과 컬럼은 유입수 저장조에서 농도가 100 ng/L인 geosmin을 정량 펌프를 사용하여 컬럼의 상부로 이송시켜 여과속도를 0.167 m/hr (4 m/day)로 고정하여 운전하였다. 여층 깊이 5 cm, 10 cm, 20 cm, 40 cm 및 60 cm(최종 처리수)에 따른 접촉시간(empty beb contact time, EBCT)은 0.
- 완속 모래여과 컬럼의 상부 생물막 층에 부착된 종속영양 박테리아의 생체량(biomass)의 측정은 완속 모래 여과사습중량 1 g을 37 kHz, 190 W로 3분 동안 초음파 처리(DHA 1000, Branson, U.S.A.)하여 세균을 탈리21)시킨 후 R2A agar(Difco) 평판배지22)에 시료 1 mL를 단계적으로 희석 도말한 후 25℃ 배양기에서 2주간 배양하여 습중량 1 g당 colony 형성 세균수로 표시하였다. 또한, 부착 종속영양 박테리아의 활성도(activity) 측정은 3H-thymidine이 박테리아의 DNA에 흡수되는 정도로 구하였다.
- 용존유기탄소(dissolved organic carbon, DOC)은 0.45 µm 멤브레인 여지로 시료수를 여과하여 TOC 분석기(Sievers 820,Sievers, USA)로 분석하였다.
- 6 hr이었다. 유입수의 수온은 완속 모래여과 공정 컬럼 상부에 온도계를 설치, 운전 시작부터 운전 기간 50일까지는 수온조절 장치(Buchi, Recirculating chiller B-740, Swiss)를 이용하여 수온을 20℃로 고정하여 운전하였으며, 생물막 층이 정상상태에 도달한 후에는 수온변화에 따른 geosmin과 DOC 제거능 평가실험을 위하여 각각의 수온조건(5℃, 15℃ 및 25℃)에서 15일간 순응시킨 후 수온변화에 따른 geosmin과 DOC 제거능 실험을 실시하였다. 완속 모래여과 컬럼에 대한 개략도를 Fig.
- 5에 나타내었다. 유입수의 수온을 변경한 후 15일간의 수온 변화에 대한 순응 기간을 거친 후 실험을 진행하였다. 유입수의 수온이 5℃ 일 경우 geosmin과 DOC의 평균 제거율은 각각 62%와 10%로 나타났으나 수온을 15℃와 25℃로 증가시켰을 경우에는 geosmin과 DOC의 평균 제거율이 각각 88%와 25% 및 100%와 42%로 나타나 수온 증가에 따라 이들의 제거율도 월등히 증가하는 경향을 보였다.
- 2µm 멤브레인 필터로 여과하였다. 이 여지를 vial에 넣고 건조시킨 후 ethyl acetate 1 mL와 10 mL의 scintillation cocktail (Aquasol-2, Packard Co.)을 주입하여 liquid scintillation analyzer (HP, 2500 TR/AB, USA)로 방사선량을 측정하였다. 얻어진 DPM (disintergrate per minute) 값으로부터 Parsons 등24)에 의한 식을 이용하여 incorporation된 thymidine의 양을 계산하였다.
대상 데이터
- 유입수는 완속 모래여과 공정을 운영중인 부산시 B 정수장의 침사 처리 후 완속 모래여과 공정 유입수(유입수)를 실험에 사용하였다. Geosmin은 sigma-aldrich사의 standard급 물질을 유입수에 직접 투입하여 유입되는 geosmin의 농도가 100 ng/L가 되도록 하였다.
이론/모형
- Geosmin의 분석은 polydimethylsiloxane(PDMS)이 코팅되어 있는 교반막대(TwisterTM, Gerstel, Germany)에 geosmin을 흡착시켜 수중에서 분리하는 교반막대 흡착추출법(stir bar sorptive extraction: SBSE)을 전처리 법20)으로 사용하여 GC/MSD로 분석하였으며, GC/MSD의 분석조건을 Table 2에 나타내었다.
- )을 주입하여 liquid scintillation analyzer (HP, 2500 TR/AB, USA)로 방사선량을 측정하였다. 얻어진 DPM (disintergrate per minute) 값으로부터 Parsons 등24)에 의한 식을 이용하여 incorporation된 thymidine의 양을 계산하였다.25)
성능/효과
- 1) 완속 모래여과 공정에서의 오염물질 정화작용은 햇빛과 산소의 공급이 원활한 표층 수 cm 이내에서 미생물이 성장하고, 모래여재 표면에 부착하여 형성된 생물 여과막(schmutzdecke)에서 이루어진다. 입자상 오염물질들은 여재 표면의 생물여과막의 점액질에 부착되어 제거되며, 용존성 오염물질의 경우는 생물막 층에 존재하는 다양한 미생물들에 의해 생물분해(biodegradation) 된다.
- 1) 완속 모래여과 컬럼의 생물막(schmutzdecke)은 운전 시작 30일 이후에 정상상태에 도달하는 것으로 나타났으며, 생체량과 활성도는 각각 4.5×106CFU/g과 3.42 mg·C/m3·hr로 나타났다.
- 3) 운전 기간에 따른 DOC와 geosmin의 제거율 변화를 살펴본 결과, 운전 시작 30일 경에 DOC와 geosmin의 제거율이 각각 27.4%와 94.9%로 나타나 최대의 제거율을 나타내었으며, 그 이후에는 DOC와 geosmin의 제거율에는 큰 변화가 없었다.
- 4) 수온 변화에 따른 DOC와 geosmin의 제거율 변화에서 유입수의 수온이 5℃일 경우 geosmin과 DOC의 평균 제거율은 각각 62%와 10%로 나타났으나 수온을 15℃와 25℃로 증가시켰을 경우에는 geosmin과 DOC의 평균 제거율이 각각 88%와 25% 및 100%와 42%로 나타났다.
- 5) 수온 변화에 따른 완속 모래여과 컬럼의 상부 생물막 (schmutzdecke) 층에서의 geosmin과 DOC에 대한 생물분해 속도상수(k)는 1.842~15.965 hr-1와 0.253~1.123 hr-1이였고, 상부의 생물막 층이 그 하부 보다 DOC와 geosmin에 대한 생물분해 속도상수가 각각 18~32배 및 20~51배 정도 큰 것으로 나타났다.
- 4,5) 국내의 완속 모래여과 공정을 채택한 정수장 현황을 보면 대부분이 소규모 정수장으로 약 200여 곳에서 완속 모래여과 공정을 채택하여 운전 중인 것으로 알려져 있다.6,7) 완속 모래여과 공정은 급속 모래 여과 공정에 비해 상대적으로 건설비가 저렴하고, 응집제와 같은 약품투입이 필요 없어 유지관리가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 여과속도가 느리고, 넓은 면적의 부지가 필요하며, 급작스러운 오염사고가 발생할 경우 후속대책을 마련하기가 곤란하다는 단점이 있다.
- 와 같은 남조류나 방선균에 의해서 생성되는 geosmin과 같은 이취물질에 대해 매우 민감한 실정이다.9) 이취 물질은 인체에 직접적인 위해성을 나타내지는 않으나 수돗물에 대한 불신을 초래하여 미국 등 선진국에서도 정수처리 공정에서 이취물질의 제거에 많은 투자와 관심을 기울이고 있다.10~14) 이들 물질의 역치농도(threshold concentration)는 개인별로 차이는 있으나 6~10 ng/L15,16) 정도로 알려져 있어 수돗물에 매우 낮은 농도로 함유되어 있어도 민원을 유발한다.
- Fig. 2에 나타낸 생체량과 활성도 결과를 살펴보면 전체적으로 운전 기간이 증가할수록 점진적으로 생체량과 활성도가 증가하는 추세를 보이고 있으며, 생체량과 활성도 모두 운전 30일 후에 각각 4.5×106 CFU/g과 3.42 mg·C/m3·hr로 최대값을 나타내었다.
- 전체 박테리아들의 군집에서 Pseudomonas sp. 가 차지하는 비율이 56%로 매우 높은 것을 알 수 있으며, 그 중에서 Pseudomonas fluorescens가 전체비율의 22%를 차지하는 것으로 나타났다.
- 9%로 나타나 최대의 제거율을 나타내었으며, 운전 시작 30일 이후에는 DOC와 geosmin의 제거율에는 큰 변화가 없었다. 따라서 Fig. 2에서와 같이 완속 모래여과 칼럼의 경우 운전 시작 30일 경에 상층 생물막(schmutzdecke) 층의 박테리아 생체량과 활성도가 최대가 되어 유기성 오염물질의 제거능도 최대의 효율을 보이는 것으로 나타났다.
- 7배 정도 빠른 제거능을 보였다. 또한, 수온이 5℃에서 25℃로 증가하였을 경우 상부의 활성층인 schmutzdecke 층에서의 geosmin과 DOC에 대한 생물분해 속도상수를 비교해 보면 각각 8.7배와 4.4배 증가하였으나, schmutzdecke 층 하부에서의 geosmin과 DOC에 대한 생물분해 속도상수의 경우는 geosmin과 DOC 각각 5배와 11.4배 증가하였다. Geosmin 의 경우는 수온 증가에 따라 schmutzdecke 층에서의 생물분해 속도상수의 증가폭이 큰 반면에 DOC의 경우는 schmutzdecke 층의 하부에서의 생물분해 속도상수의 증가폭이 크게 나타나고 있다.
- 완속 모래여과 공정에서의 자연유기물질(NOM) 제거 특성을 평가한 박 등의 연구26)에서는 상부의 생물막 층에서의 NOM 제거속도가 생물막 층 하부에 비해 20배 정도 빠르다고 보고하고 있다. 본 연구에서는 수온 변화에 따른 geosmin과 DOC에 대해 상부 생물막(schmutzdecke) 층과 그 하부의 구간으로 나누어 평가하였으며, Fig. 6(a)에 나타낸 geosmin의 경우를 보면 수온이 5℃일 경우 schmutzdecke 층에서의 생분해 속도상수(k)는 1.842 hr-1로 나타난 반면 그 하부에서의 생분해 속도상수(k)는 0.101 hr-1로 나타나 schmutzdecke 층에서의 geosmin의 생분해가 18.2배 정도 빠른 것으로 조사되었다. 수온을 15℃와 25℃로 하였을 경우에는 상부의 활성층인 schmutzdecke 층이 그 하부에 비해 각각 21.
- 유입수의 수온을 변경한 후 15일간의 수온 변화에 대한 순응 기간을 거친 후 실험을 진행하였다. 유입수의 수온이 5℃ 일 경우 geosmin과 DOC의 평균 제거율은 각각 62%와 10%로 나타났으나 수온을 15℃와 25℃로 증가시켰을 경우에는 geosmin과 DOC의 평균 제거율이 각각 88%와 25% 및 100%와 42%로 나타나 수온 증가에 따라 이들의 제거율도 월등히 증가하는 경향을 보였다. 수온의 증가에 따른 DOC와 geosmin의 제거율 증가에서 geosmin 보다는 DOC의 증가 추세가 더욱 뚜렷하게 나타나고 있으며, 이는 geosmin의 경우는 종속 영양성 박테리아들이 쉽게 유기 탄소원으로 섭취가 가능한 저분자 유기물질인데 반해 수중의 DOC의 경우는 다양한 유기물질들이 혼합되어 있기 때문에 활성도(activity)가 떨어진 박테리아들이 쉽게 유기 탄소원으로 이용하기에는 어려움이 있다.
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