[논문]실험실 규모 하수슬러지 퇴비화공정에서 기계적 교반이 배출가스 내 부유세균과 내독소의 발생특성에 미치는 영향

김익현; 김기연; 배재근; 김대근

doi:10.4491/ksee.2012.34.3.143

실험실 규모 하수슬러지 퇴비화공정에서 기계적 교반이 배출가스 내 부유세균과 내독소의 발생특성에 미치는 영향
Effect of Mechanical Agitation on Generation of Airborne Bacteria and Endotoxin in Exhaust Gases from Lab-Scale Composting of Sewage Sludge 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.34 no.3, 2012년, pp.143 - 148

김익현 (서울과학기술대학교 환경공학과) , 김기연 (부산가톨릭대학교 산업보건학과) , 배재근 (서울과학기술대학교 환경공학과) , 김대근 (서울과학기술대학교 환경공학과)

초록
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본 연구는 퇴비화 공정에서 발생되는 배출가스 내 생물학적 인자의 발생 특성을 파악하기 위하여 퇴비단 온도변화에 따른 부유세균과 내독소의 발생농도를 관찰하였다. 실험은 도시하수슬러지를 대상으로 실험실 규모의 기계적 교반이 가능한 퇴비화 장치(반응기 부피 0.06 $m^3$)에서 실시되었다. 부유세균은 미교반 퇴비화 공정에서 퇴비단 온도변화와 유사한 발생경향을 보였지만 통계적 유의성이 다소 낮았고(p>0.05), 최고 발생농도는 $1.03{\times}10^5\;CFU/m^3$이었다. 내독소는 기계교반 퇴비화 공정에서 퇴비단의 온도변화와 유사한 발생경향을 보였으며(통계적 유의성: p<0.05), 최고 발생농도는 1,415 EU/$m^3$이었다. 퇴비화 공정의 기계적 교반이 퇴비단 미생물의 활성과 이에 따른 배출가스 중 내독소 발생 증가에 영향을 미친 것으로 보인다. 내독소의 발생농도와 부유세균의 발생농도는 유사한 발생 경향을 보였으며, 특히 미교반 퇴비화공정에서 높은 통계적 상관성이 나타났다(통계적 유의성: p<0.01).

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed to investigate the concentration variation of airborne bacteria and endotoxin by the temperature in the compost pile in order to identify the generation characteristics of biological factors in the exhaust gases generated from lab-scale sludge compositing reactors (0.06 $m^3$ of total reactor volume). Airborne bacteria showed the highest concentration of generation ($1.03{\times}10^5\;CFU/m^3$) in the composting reactor without mechanical agitation, and similar change tendency to temperature variation of composting, but somewhat lower statistical significance (p>0.05). In the compost reactor with mechanical agitation, endotoxin showed similar generation characteristic to temperature variation of composting (statistical significance; p<0.05) and the highest generation concentration to 1,415 EU/$m^3$. Mechanical agitation of the composting process affected activity of microorganism and positive generation of endotoxin in exhaust gases. Endotoxin and airborne bacteria showed similar tendency of generation, especially the highest statistical correlation was observed in the compost reactor without mechanical agitation (statistical significance: p<0.01).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험은 실험실 규모의 퇴비화장치를 이용하여 퇴비화 진행 시간에 따른 퇴비단 온도변화를 관찰하고, 배출가스 중 생물학적 유해인자인 부유세균과 내독소의 발생농도를 분석하였다. 또한 퇴비화 공정에서 기계적 교반의 실시여부가 부유세균과 내독소의 발생에 미치는 영향을 파악하였다
반응기내 호기성 미생물에 의한 퇴비화 반응이 완료되는 시간(퇴비단 온도가 반응기 유입공기의 온도와 같아지는 시간)의 경우, 기계적 교반 퇴비화공정에서는 120 hr, 미교반 퇴비화공정에서는 144 hr이었다. 본 실험에서는 전형적인 퇴비화반응을 보인 두 반응기에서 배출되는 생물학적 유해인자(부유세균, 내독소)를 관찰하였다.
본 연구는 하수슬러지 퇴비화공정에서 배출되는 공기 중생물학적 유해인자의 발생특성을 파악하고자 실시되었다. 본 실험은 실험실 규모의 퇴비화장치를 이용하여 퇴비화 진행 시간에 따른 퇴비단 온도변화를 관찰하고, 배출가스 중 생물학적 유해인자인 부유세균과 내독소의 발생농도를 분석하였다.
본 연구는 하수슬러지의 호기성 퇴비공정에서 교반여부에 따라 배출가스 중으로 발생되는 부유세균 및 내독소의 발생 특성을 파악하였다.

제안 방법

내독소 분석을 위하여 시료포집이 완료된 흡수액은 분석실로 운반시켜 LAL (Limulus Amebocyte Lysate)분석을 실시하였다. 분석된 값은 EU (Endotoxin Unit)으로 정량화되었으며, EU를 흡입된 공기 유량으로 나누어 주어 산출하였다(식 (2)).
사용된 평판배지는 Trypticase Soy Agar (TSA)배지이다. 도말이 완료된 배지는 항온기에 서 38℃의 조건으로 4일간 배양 후, 배지에 형성된 집락(Colony unit)을 계수한 값에 채취한 공기량으로 나누는 방법으로 부유세균 농도 CFU (Colonies Forming Unit)/m³를 산출하였다(식 (1)). 모든 실험은 재현성을 확보하기 위하여 3회 반복 실시되었다.
퇴비단에서 발생된 가스는 반응기 상단에 위치된 가스 배출구를 통하여 배출되며, 공기시료 채취를 위해 가스 배출구는 공기시료 채취장치과 연결이 가능하도록 설치되었다. 또한 퇴비단의 온도변화를 추적하기 위하여 반응기 내부에 두 개의 온도센서를 설치하였으며, 설치된 위치는 반응기 하단으로부터 40 cm와 50 cm이었다.
반응기에서 배출되는 가스시료의 포집은 반응기 상단에 위치된 가스 배출구에서 실시되었으며, 퇴비화 반응기간 동안 총 8회 진행되었다. 가스포집방법은 바이오샘플러를 이용한 흡수법이다.
본 연구는 하수슬러지 퇴비화공정에서 배출되는 공기 중생물학적 유해인자의 발생특성을 파악하고자 실시되었다. 본 실험은 실험실 규모의 퇴비화장치를 이용하여 퇴비화 진행 시간에 따른 퇴비단 온도변화를 관찰하고, 배출가스 중 생물학적 유해인자인 부유세균과 내독소의 발생농도를 분석하였다. 또한 퇴비화 공정에서 기계적 교반의 실시여부가 부유세균과 내독소의 발생에 미치는 영향을 파악하였다
본 실험의 주요 공정 운전인자는 교반이며, 기계적 교반이 수반된 퇴비화 실험과 미교반 퇴비화실험을 각각의 동일한 반응기에서 수행하였다. 실험실 퇴비화의 총 운전기간은 330 hr이었다.
내독소 분석을 위하여 시료포집이 완료된 흡수액은 분석실로 운반시켜 LAL (Limulus Amebocyte Lysate)분석을 실시하였다. 분석된 값은 EU (Endotoxin Unit)으로 정량화되었으며, EU를 흡입된 공기 유량으로 나누어 주어 산출하였다(식 (2)). 시료포집이 완료된 흡수액 전량은 분석 전 4℃에 냉장 보관하였다.
실험실 퇴비화의 총 운전기간은 330 hr이었다. 실험은 초기 시료 투입 후로부터 기계적 교반 퇴비화공정에서는 1일 1회, 10 rpm으로 교반을 실시하였다. 반응기의 유입공기는 수분트랩을 통과하여 수분이 제거된 건조한 상태로 2.
본 연구에서 사용된 퇴비원료는 경기도 소재 공공하수처리시설에서 발생된 탈수슬러지이다. 탈수 처리된 하수슬러지의 수분 함유율은 80.6%이었으며, 톱밥(수분 함유율 12.1%,입자크기 10 mm, 겉보기 밀도 66.7 kg/m³)을 공극개량제로 혼합하여 퇴비화를 위한 초기 수분 함유율을 50%로 조절하였다. 퇴비화 반응기에 충전된 퇴비원료의 총 부피는 0.

대상 데이터

1에 제시된 바와 같다. 반응기는 지름 0.35 m, 높이 0.85 m, 전체부피 0.06 m³의 스테인리스 재질로 만들어진 원통형이며, 총 2기가 제작되었다. 반응기는 보온이 가능하고 외부로부터 퇴비화 과정에 미칠 수 있는 영향을 최소화하기 위하여 완전 밀폐가 가능한 구조로 제작되었다.
본 연구에서 사용된 퇴비원료는 경기도 소재 공공하수처리시설에서 발생된 탈수슬러지이다. 탈수 처리된 하수슬러지의 수분 함유율은 80.
2 mL를 평판배지에 도말하여 정량 분석하였다. 사용된 평판배지는 Trypticase Soy Agar (TSA)배지이다. 도말이 완료된 배지는 항온기에 서 38℃의 조건으로 4일간 배양 후, 배지에 형성된 집락(Colony unit)을 계수한 값에 채취한 공기량으로 나누는 방법으로 부유세균 농도 CFU (Colonies Forming Unit)/m³를 산출하였다(식 (1)).

성능/효과

5~4,400) EU/m³의 내독소 배출이 관찰되었으며, 바이오매스(하수슬러지와 가축분뇨를 건조해 성형한)의 퇴비화 과정 중에는 539 (12~2,500)EU/m³의 내독소 발생이 확인되었다.²⁸⁾ 본 연구결과와는 실험 적용대상이 다소 상이하여 절대적 비교는 불가하지만, 상당량의 내독소가 하수슬러지 퇴비화 과정에서 발생될 수 있음을 본 연구결과를 통해 확인할 수 있다
9) 기계식 교반 공정은 퇴비단식 공정에 비해 초기 투자비와 건설비용이 많이 소요되지만, 부지소요면적이 적고 퇴비화영향인자를 인위적으로 제어할 수 있어 악취 등 공정 운전상 발생되는 문제점을 상대적으로 쉽게 해결할 수 있다.
기계적 교반을 실시한 실험에서 발생된 부유세균의 양은 미교반 실험에 비해 전반적으로 낮았다(p < 0.05).
내독소의 발생농도와 퇴비단 온도의 상관관계는 통계적 유의성(p < 0.05)이 있었으나(교반 r2 = 0.68; 미교반 r2 = 0.57), 부유세균과 온도와의 통계적 상관성 및 유의성(p > 0.05)은 다소 낮은 것으로 분석되었다(교반 r2 = 0.15; 미교반 r2 = 0.39).
2) EU/m³으로 나타났다. 드럼형 퇴비화 처리시설에서 하수슬러지는 퇴비화 중 1,104 (2.5~4,400) EU/m³의 내독소 배출이 관찰되었으며, 바이오매스(하수슬러지와 가축분뇨를 건조해 성형한)의 퇴비화 과정 중에는 539 (12~2,500)EU/m³의 내독소 발생이 확인되었다.²⁸⁾ 본 연구결과와는 실험 적용대상이 다소 상이하여 절대적 비교는 불가하지만, 상당량의 내독소가 하수슬러지 퇴비화 과정에서 발생될 수 있음을 본 연구결과를 통해 확인할 수 있다
미교반 실험에서는 통계적 상관성이 높았으며(교반 r2 = 0.48; 미교반 r2 = 0.97), 통계적 유의성이 있는 것으로 분석되었다(p < 0.01).
2는 퇴비화 실험기간 동안에 관찰된 퇴비단의 온도변화와 부유세균의 농도변화를 보여주고 있다. 퇴비단의 온도는 실험기간 동안 퇴비단 교반여부에 상관없이 반응 초기에 급격한 상승을 보인 후 낮아지는 경향을 보였으며, 반응 후기에는 일정한 온도를 유지하는 전형적인 퇴비화 반응을 보였다.^17~19) 퇴비단의 반응온도가 최고점에 도달하는 시간은 기계적 교반 퇴비화공정에서 실험개시 후 33 hr(퇴비단 최고온도 52℃), 미교반 퇴비화공정에서는 37 hr(퇴비단 최고온도 55℃)이었다.
퇴비화 공정의 기계적 교반이 부유세균의 발생량 저감에는 효과적으로 나타났지만, 퇴비단 미생물 사멸에 따른 배출가스 중 내독소 발생량을 증가시켰다. 따라서 퇴비화 시설의 작업환경의 생물학적 인자 노출영향을 최소화하기 위해서는 발생가스의 적정처리가 반드시 필요하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 하수슬러지의 2009년 발생량은?	국내 하수슬러지의 발생량은 2001년 190만톤에서 2009년 303만톤으로 약 110만톤 이상 증가하였으며,1) 경제발전 및 생활수준이 향상됨에 따라 하수슬러지의 발생량이 증가하고 있다. 현재 하수슬러지의 처리정책은 자원화를 통한 매립의 최소화 방향으로 시행되고 있다.
	퇴비화시설에서 대기 중으로 배출될 수 있는 유해인자에는 무엇이 있는가?	퇴비화시설에서 대기 중으로 배출될 수 있는 유해인자에는 악취, 휘발성유기화합물, 바이오에어로졸(Bioaerosol) 등이 있다. 3~5) 이 중 생물학적 유해인자에 속하는 바이오에어로졸은 부유세균(Airborne bacteria), 부유곰팡이(Airborne fungi), 부유바이러스(Airborne virus) 등의 부유미생물군과 그람음성세균의 외부 세포막에 존재하는 세포내독소(Endotoxin)와 곰팡이독(Mycotoxin) 등을 포함한다.
	퇴비화시설에서 배출되는 유해인자 중 생물학적 유해인자는?	퇴비화시설에서 대기 중으로 배출될 수 있는 유해인자에는 악취, 휘발성유기화합물, 바이오에어로졸(Bioaerosol) 등이 있다. 3~5) 이 중 생물학적 유해인자에 속하는 바이오에어로졸은 부유세균(Airborne bacteria), 부유곰팡이(Airborne fungi), 부유바이러스(Airborne virus) 등의 부유미생물군과 그람음성세균의 외부 세포막에 존재하는 세포내독소(Endotoxin)와 곰팡이독(Mycotoxin) 등을 포함한다.6) 바이오에어로졸은 입자상 물질에 흡착되거나 그 자체로 호흡을 통해 인체와 가축의 폐포에 도달하여 폐렴, 천식, 기관지염, 비염 등과 같은 호흡기 계통의 질병을 유발하는 것으로 보고되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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