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문제 정의
- 본 연구에서는 제지폐수 속에 존재하며 다양한 오염원인 난분해성 물질 및 독성 물질의 분해능이 우수한 미생물을 분리하여 제지 폐수처리에 적합한 미생물 제제를 개발하고 이를 이용한 제지폐수의 처리에 미치는 영향 및 특성에 대하여 조사하였다.
제안 방법
- Benzene과 phenol 등 방향족 화합물 분해 균주의 분리는 전국 각지에서 채집한 폐수와 토양을 균주원 시료로 하여 멸균된 증류수로 연속 희석한 후 희석액을 LB 평판 고체배지에 도말하여 나타난 집락(colony)을 tooth-pick로써 고체 최소배지에 접종하고 benzene과 phenol을 각각 증기상태로 공급하면서 25℃에서 약 5일간 배양한 후 집락을 관찰하여 자화능이 우수한 균주를 분리하였다. 미생물 배양 및 특성 조사를 위하여 사용한 배지는 고 등[13]이 사용한 최소배지를 사용하였으며, 배지 1 l당 각 성분의 조성과 함량은 NH4Cl 1.
- Cellulose 분해 균주인 GT21은 Gram 음성의 간균으로서 포자를 형성하지 못하였으며, 운동성을 나타내었다. Catalase test와 oxidase test에서 양성반응을 나타내었으며 lactose에서는 산을 생성하지 못하였나 glucose, sucrose, xylose에서 산을 생성하였다. Gelatin을 잘 분해하였으며 VP test에서 음성을 나타내었고 nitrate reduction은 양성을 나타내었다.
- KN27 균주 외에 cellulose 분해균주 Acinetobacter sp. GT21 균주를 첨가하여 제지폐수 처리용 미생물제제로 사용하였고 이를 J30으로 명명하였다. 제지폐수처리용 미생물 제제 J30의 미생물 재현성을 확인하기 위하여 plate count agar (PCA) 배지 상에서 보존 기간별로 도말하여 균체의 생존능을 검정하였다.
- KN27 균주에 cellulose 분해활성이 뛰어난 Pseudomonas sp. GT21을 첨가하여 제지폐수 처리용 미생물제제를 제조하였다. 미생물제제 제조는 각 균주배양액을 왕겨분말에 4% 접종하고 영양액인 0.
- Ca2+는 알칼리도 충진의 목적으로, Fe2+는 미생물의 흡착완화를 증진시키기 위해 CaCl2와 FeSO4의 형태로 조합시켰다. 무기염의 조합비율은 AMP, ADP, CaCl2와 FeSO4를 각각 1:1:0.2:0.5의 비율로 무게 비 10%로 첨가하였다. 정선 과정을 거친 후 제조된 미생물 제제는 미생물제제 J30으로 명명하였으며 미생물제제 J30의 특성은 Table 2와 같다.
- GT21을 첨가하여 제지폐수 처리용 미생물제제를 제조하였다. 미생물제제 제조는 각 균주배양액을 왕겨분말에 4% 접종하고 영양액인 0.5% yeast extract 용액을 6% (v/w)로 첨가하였으며, 25% 내외의 수분함량을 유지하기 위하여 5～7일간 자연발효 및 건조를 병행하였다. 제제의 건조 후 N, P원과 무기영양원으로 Ca2+, Fe2+를 첨가 조합하였다.
- 분리 균주의 동정을 위하여 형태학적, 생리학적, 생화학적 특성을 조사하였다(Table 1). 분리균주 KN11은 Gram 음성 간균으로서 운동성을 지니고 있었다.
- 제지 1차 처리수는 체류시간 48 hr로 초기 조정하여 미생물제제 J30 처리구와 기존 현장의 활성오니를 대조구로 하여 처리효율 시험을 수행하였다. 시험 전 2일간 활성오니를 공폭기하여 제지폐수에 충분히 순양하도록 적응 기간을 두었고 미생물제제 J30의 접종량은 초기 200 mg/l를 투여하고, 안정화 기간 동안 매일 100 mg/l씩 투여하였으며 안정화 이후 50 mg/l를 투여하였다. 두개의 pilot을 대조구와 실험구로 하여 미생물 제제 J30의 투입 전 10일 동안 유입수(1차 처리 수)와 유출수(처리된 폭기조 물)의 COD 변화와 미생물제제 J30 투입 후 10일간의 변화를 조사한 결과(Fig.
- 5% yeast extract 용액을 6% (v/w)로 첨가하였으며, 25% 내외의 수분함량을 유지하기 위하여 5～7일간 자연발효 및 건조를 병행하였다. 제제의 건조 후 N, P원과 무기영양원으로 Ca2+, Fe2+를 첨가 조합하였다. Ca2+는 알칼리도 충진의 목적으로, Fe2+는 미생물의 흡착완화를 증진시키기 위해 CaCl2와 FeSO4의 형태로 조합시켰다.
- 제지폐수처리 시험은 실험실 규모의 아크릴 반응조(2 l)에서 미생물제제 J30의 COD 제거효율을 검토하기 위하여 연속 실험을 진행하였다. 제지 1차 처리수는 체류시간 48 hr로 초기 조정하여 미생물제제 J30 처리구와 기존 현장의 활성오니를 대조구로 하여 처리효율 시험을 수행하였다. 시험 전 2일간 활성오니를 공폭기하여 제지폐수에 충분히 순양하도록 적응 기간을 두었고 미생물제제 J30의 접종량은 초기 200 mg/l를 투여하고, 안정화 기간 동안 매일 100 mg/l씩 투여하였으며 안정화 이후 50 mg/l를 투여하였다.
- 제지폐수 중 난분해성 물질의 유도산물 및 COD 증가의 원인 물질을 분석하기 위하여 GC/MS를 이용하여 분석한 결과(data not shown), 리그닌과 같은 난분해성 물질의 유도산물인 벤젠 고리를 가진 방향족 탄화수소와 벤젠 고리에 여러 가지 작용기 및 할로겐 원자 등으로 치환된 방향족 탄화수소의 유도체를 관찰하였다. 리그닌과 같은 난분해성 물질이 산화되면 그 내부 구조인 벤젠 구조 자체가 파괴되는 것이 아니라 중합 구조의 연결 고리가 파괴되거나 증가되어 더욱 안정된 물질로 변화하므로 일반적인 미생물에 의해서 분해되기 어렵다[10,14,25].
- 제지폐수에 함유되어 있는 난분해성 물질의 유도산물 및 COD 증가의 원인 물질을 분석하기 위하여 폐수 시료를 gachromatography (GC)와 mass spectrometer (MS)를 이용하여 분석하였다.
- 제지폐수의 생물학적 처리효율을 조사하고, COD 증가의원인 물질을 규명하기 위하여 J 제지공장 폐수처리장의 각 공정별 원수, 1차 처리수, 폭기조, 침전조, 방류수를 채취하여 BOD, CODMn, CODCr, total oxygen concentration (TOC), T-N 및 T-P 성상을 분석하였다. Table 3과 같이 각 공정별 폐수의 성상을 분석한 결과 원수에서 CODMn, CODCr이 각각 1523 및 2614 mg/l로 매우 높은 수치를 나타내었다.
- 제지폐수의 주성분인 cellulose를 분해시킬 수 있는 미생물을 분리하기 위하여 경남, 전남, 부산 일원의 토양, 톱밥퇴비 및 썩은 볏집 등에서 채취한 시료를 생리식염수로 10-3～10-6으로 희석하여 분리용 고체배지에서 상기 시료의 현탁액을 도말하여 배양한 후 0.1% congo red 용액으로 30분간 염색하고 1.0 M NaCl 용액으로 세척하여 clear zone의 형성 유무를 확인하였다[26]. 손 등[22]의 방법을 변형한 분리용 고체배지는 멸균된 생리식염수 1 l에 carboxlymethyl cellulose 5 g, (NH4)2SO4 2.
- 제지폐수의 효율적 처리를 위하여 선별된 4 균주로 구성된 미생물제제 J30의 플라스크 수준에서 COD 감소효율 최적화를 위하여 온도, pH 및 배양시간에 따른 균체 성장을 조사하였다. 온도 변화에 따른 COD 감소효율은 25℃ 이후 급격히 증가하여 분리균주는 28～30℃에서 약 70%의 제거효율을 나타내었으며 미생물제제 J30은 처리온도 30℃에서 82%의 효율을 나타내었다(data not shown).
- 제지폐수처리 시험은 실험실 규모의 아크릴 반응조(2 l)에서 미생물제제 J30의 COD 제거효율을 검토하기 위하여 연속 실험을 진행하였다. 제지 1차 처리수는 체류시간 48 hr로 초기 조정하여 미생물제제 J30 처리구와 기존 현장의 활성오니를 대조구로 하여 처리효율 시험을 수행하였다.
- 제지폐수처리 시험을 위한 실험실 규모의 반응조는 활성오니공정과 접촉산화식공정을 병행하여 운전할 수 있도록 설계하였다. 실험실 규모의 장치는 용량 2 l의 투명 아크릴판을 이용하여 제작하였으며, 공기는 반응조의 바닥에 산기석을 설치하고 air blower에 연결하여 폭기 하였다.
- GT21 균주를 첨가하여 제지폐수 처리용 미생물제제로 사용하였고 이를 J30으로 명명하였다. 제지폐수처리용 미생물 제제 J30의 미생물 재현성을 확인하기 위하여 plate count agar (PCA) 배지 상에서 보존 기간별로 도말하여 균체의 생존능을 검정하였다.
- 폐수처리장 내 각 공정상의 원수, 1차 처리 수, 폭기조에서 채취한 시료를 폭기조 내 생물량을 기준으로 이들의 호흡에 영향을 미치는 원인인자를 조사하기 위하여 산소소모율을 조사하였으며, 단위 시간당 소비되는 산소 농도를 측정하여 폐수에 대한 미생물의 호흡률을 계산하였다.
대상 데이터
- Benzene과 phenol 등의 난분해성 방향족 화합물 분해균주는 전국 각지의 토양, 폐수 등에서 분리한 120 균주 중 방향족 화합물의 분해 활성이 우수한 균주를 선별하였다. 1차 선별은 방향족 화합물을 증기상으로 공급하면서 30℃에서 5일간 고체배양 하였을 때 세균 집락 형성능이 뛰어난 균주를 선별하였으며, 이들 균주 중 방향족 화합물을 공급한 액체 최소배지에서 방향족 화합물 자화능이 우수한 균주 KN11, KN13, KN27 균주를 최종 선별하였으며, 이들 분리균주들은 방향족 화합물뿐만 아니라 일반 유기물 분해활성도 뛰어난 것으로 확인되었다.
- 또한 제지폐수의 주성분인 cellulose를 분해하는 균주를 선별하기 위하여 균주원 시료로부터 분리된 70여 균주 중 cellulose 고체배지 상에서 clear zone 형성능이 높은 균주들을 선별하였으며 이들 분리균주 중 cellulose 분해활성이 가장 큰 GT21 균주를 최종 선별하여 본 연구에 사용하였다.
- 미생물 배양 및 특성 조사를 위하여 사용한 배지는 고 등[13]이 사용한 최소배지를 사용하였으며, 배지 1 l당 각 성분의 조성과 함량은 NH4Cl 1.0 g, K2HPO4 4.35 g, NaH2PO4 3.9 g, MgSO4·7H2O 0.48 g CaCl2 0.03 g, FeSO4 0.01 g, MnCl2 0.01 g, CoCl2 0.001 g, Na2MnO4 0.001 g 등이며 pH를 6.8로 조절하였다.
이론/모형
- 분리균주의 형태적, 생리적 그리고 생화학적 특징을 조사한 후 Bergey's manual of determinative bacteriology [20]와 manual for the identification of medical bacteria (2nd ed)[16]에 따라서 균주 동정을 실시하였다. 각 균주의 DNA 염기 조성(G＋C 함량)은 Tamaoka와 Komagata [24]의 방법에 따라 reversed-phase HPLC에 의해 분석하였다. 분리균주는 최소 배지에 계대배양하여 보존하였고, 또한 ampoule에 동결 건조하여 보관하였다.
- 대상폐수의 총 유기탄소 농도는 TOC analyzer (DoHrmann DC-180, 나라)로 분석하였으며, biological oxygen demand (BOD), CODMn, CODCr, 총 질소함량(T-N) 및 총 인함량(T-P) 등은 수질오염공정시험법과 standard method [4]에 준하여 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 폐수시료는 경남 소재의 J 제지공장의 원수, 1차 처리 수, 폭기조, 침전조와 방류수를 대상 제지폐수로 선정하였고, 이들 폐수의 성상은 환경오염 공정시험법과 standard method [4]를 이용하여 분석하였다.
- 분리균주의 형태적, 생리적 그리고 생화학적 특징을 조사한 후 Bergey's manual of determinative bacteriology [20]와 manual for the identification of medical bacteria (2nd ed)[16]에 따라서 균주 동정을 실시하였다.
성능/효과
- Benzene과 phenol 등의 난분해성 방향족 화합물 분해균주는 전국 각지의 토양, 폐수 등에서 분리한 120 균주 중 방향족 화합물의 분해 활성이 우수한 균주를 선별하였다. 1차 선별은 방향족 화합물을 증기상으로 공급하면서 30℃에서 5일간 고체배양 하였을 때 세균 집락 형성능이 뛰어난 균주를 선별하였으며, 이들 균주 중 방향족 화합물을 공급한 액체 최소배지에서 방향족 화합물 자화능이 우수한 균주 KN11, KN13, KN27 균주를 최종 선별하였으며, 이들 분리균주들은 방향족 화합물뿐만 아니라 일반 유기물 분해활성도 뛰어난 것으로 확인되었다.
- 이것은 제지공장의 폐수 발생원이 생산 공정뿐만 아니라 원료의 재생 및 가공공정에서 발생되는 폐수가 함께 유입되어 폐수의 발생량 또한 많았던 것이 원인으로 생각되었다. BOD 제거 효율을 조사한 결과, 화학침전 1차 처리조에서는 유입수인 원수에 대해 76.3%의 비교적 높은 처리효율을 보였다. 폭기조의 생물학적 처리조에서는 원수에 대해 44.
- Catalase test와 oxidase test에서 양성반응을 나타내었으며 lactose에서는 산을 생성하지 못하였나 glucose, sucrose, xylose에서 산을 생성하였다. Gelatin을 잘 분해하였으며 VP test에서 음성을 나타내었고 nitrate reduction은 양성을 나타내었다. DNA 염기성분인 G＋C 함량은 61%를 나타내어 Pseudomonas sp.
- , total oxygen concentration (TOC), T-N 및 T-P 성상을 분석하였다. Table 3과 같이 각 공정별 폐수의 성상을 분석한 결과 원수에서 CODMn, CODCr이 각각 1523 및 2614 mg/l로 매우 높은 수치를 나타내었다. 이것은 제지공장의 폐수 발생원이 생산 공정뿐만 아니라 원료의 재생 및 가공공정에서 발생되는 폐수가 함께 유입되어 폐수의 발생량 또한 많았던 것이 원인으로 생각되었다.
- 시험 전 2일간 활성오니를 공폭기하여 제지폐수에 충분히 순양하도록 적응 기간을 두었고 미생물제제 J30의 접종량은 초기 200 mg/l를 투여하고, 안정화 기간 동안 매일 100 mg/l씩 투여하였으며 안정화 이후 50 mg/l를 투여하였다. 두개의 pilot을 대조구와 실험구로 하여 미생물 제제 J30의 투입 전 10일 동안 유입수(1차 처리 수)와 유출수(처리된 폭기조 물)의 COD 변화와 미생물제제 J30 투입 후 10일간의 변화를 조사한 결과(Fig. 3), 미생물제제 투입 전 대조구의 COD 제거율은 71%로 나타났으며, 미생물제제 J30의 투입 후 평균 COD 제거효율은 87%로 약 16% 상승한 것으로 조사되었다. 시험기간 동안 pH(data not shown)는 대조구에서 운전 3일째부터 감소하기 시작하여 처리 5일째 이후 약산성 영역으로 유지되었다.
- 이상의 결과에서 단일 균주는 약 70～80% 감소효율을 나타낸 데 비하여 미생물제제 J30 처리구에서는 약 10～20% 정도의 상승효과를 나타내었다. 따라서 제지폐수의 효율적인 처리를 위해서는 혼합균주인 미생물제제 J30을 이용하였을 때 COD 처리효율을 극대화할 수 있는 것으로 파악되었다.
- 3), 미생물제제 투입 전 대조구의 COD 제거율은 71%로 나타났으며, 미생물제제 J30의 투입 후 평균 COD 제거효율은 87%로 약 16% 상승한 것으로 조사되었다. 시험기간 동안 pH(data not shown)는 대조구에서 운전 3일째부터 감소하기 시작하여 처리 5일째 이후 약산성 영역으로 유지되었다. 이는 COD 감소와 비교할 때 미생물의 활발한 증식활동에 의하여 생산되는 대사산물, 즉 유기산의 영향에 기인하는 것으로 생각된다.
- 제지폐수의 효율적 처리를 위하여 선별된 4 균주로 구성된 미생물제제 J30의 플라스크 수준에서 COD 감소효율 최적화를 위하여 온도, pH 및 배양시간에 따른 균체 성장을 조사하였다. 온도 변화에 따른 COD 감소효율은 25℃ 이후 급격히 증가하여 분리균주는 28～30℃에서 약 70%의 제거효율을 나타내었으며 미생물제제 J30은 처리온도 30℃에서 82%의 효율을 나타내었다(data not shown). 처리 온도 30℃에서 pH에 따른 COD 감소 효율을 조사한 결과 Fig.
- 이상의 결과에서 단일 균주는 약 70～80% 감소효율을 나타낸 데 비하여 미생물제제 J30 처리구에서는 약 10～20% 정도의 상승효과를 나타내었다. 따라서 제지폐수의 효율적인 처리를 위해서는 혼합균주인 미생물제제 J30을 이용하였을 때 COD 처리효율을 극대화할 수 있는 것으로 파악되었다.
- 리그닌과 같은 난분해성 물질이 산화되면 그 내부 구조인 벤젠 구조 자체가 파괴되는 것이 아니라 중합 구조의 연결 고리가 파괴되거나 증가되어 더욱 안정된 물질로 변화하므로 일반적인 미생물에 의해서 분해되기 어렵다[10,14,25]. 제지 공장의 폐수처리장 내에 유입되는 난분해성 물질이 고분자 형태의 물질로 존재하는 것으로 알려져 있지만, 각 폐수 공정별 처리를 통해 폐수 내에 존재하는 난분해성 물질은 고분자가 아닌 유도산물로 전환되는 것으로 판단되었다. 이는 유도산물을 효율적으로 분해할 수 있는 적정 미생물의 탐색 및 선별을 통하여 제지폐수의 생물학적 처리효율을 높일 수 있는 것으로 생각된다.
- 온도 변화에 따른 COD 감소효율은 25℃ 이후 급격히 증가하여 분리균주는 28～30℃에서 약 70%의 제거효율을 나타내었으며 미생물제제 J30은 처리온도 30℃에서 82%의 효율을 나타내었다(data not shown). 처리 온도 30℃에서 pH에 따른 COD 감소 효율을 조사한 결과 Fig. 1에 나타난 바와 같이 분리 균주는 pH 7.0～8.0의 범위에서 73%의 효율을 보였으며, 미생물제제 J30의 경우 pH 7.5에서 87%의 감소율을 나타내었다. 배양시간에 따른 COD 제거효율은 미생물제제 J30의 경우 배양 60시간에서 감소효율 90%로 최대를 나타내었다(Fig.
- 폐수 처리장내의 원수, 1차 처리수 및 폭기조 세 지점에서 채수한 폐수를 대상으로 미생물에 미치는 독성 영향을 평가하기 위하여 호흡률을 조사한 결과(Table 4), 활성오니를 기준으로 1차 처리수와 원수의 산소 소비율 및 상대 호흡률이 감소하는 것으로 나타났다. 산소 소비량이 증가하는 것은 미생물의 호흡이 빨라지고 유기원의 부하가 증가하는 것을 의미하며, 상대 호흡률의 감소는 폐수 내의 물질 중 미생물 호흡을 방해하는 물질을 내포하고 있는 것으로 심할 경우 폭기조 미생물에 독성을 유발하는 것으로 보고되었다[11].
- 3%의 비교적 높은 처리효율을 보였다. 폭기조의 생물학적 처리조에서는 원수에 대해 44.4%, 침전조에서는 71.3%, 방류수에서는 78.9%로 처리가 잘 되는 것으로 조사되었다. 폭기조에서의 원수에 대한 처리효율 감소는 폭기에 의한 BOD 증가로 인해 제거효율이 감소된 것으로 생각되었다.
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