정수처리 공정에서 생물활성탄(BAC) 공정은 미생물의 유기물 제거능을 극대화시킨 일종의 생물여과 공정이다. 본 연구는 낙동강 원수를 이용하여 재질이 다른 생물활성탄을 사용하고 있는 정수장을 대상으로 세균 군집을 조사하였다. 실험결과 석탄계 재질의 BAC 부착세균 생체량 및 활성도가 각각 $1.20{\sim}34.0{\times}10^7$ CFU/g, 0.61~1.10 mg-C/$m^3{\cdot}h$의 범위를 보여 세균 생체량과 DOC 제거율은 석탄계 재질이 가장 높은 것으로 나타났다. 부착세균을 동정한 결과 Pseudomonas 속이 우점하였으며, 그 다음으로 Chryseomonas 속, Flavobacterium 속, Alcaligenes 속, Acinetobacter 속, Sphingomonas 속 등의 순으로 동정되었다. 그리고 Pseudomonas cepacia는 석탄계 재질, Chryseomonas luteola는 목탄계 재질의 우점세균으로 조사되었다.
정수처리 공정에서 생물활성탄(BAC) 공정은 미생물의 유기물 제거능을 극대화시킨 일종의 생물여과 공정이다. 본 연구는 낙동강 원수를 이용하여 재질이 다른 생물활성탄을 사용하고 있는 정수장을 대상으로 세균 군집을 조사하였다. 실험결과 석탄계 재질의 BAC 부착세균 생체량 및 활성도가 각각 $1.20{\sim}34.0{\times}10^7$ CFU/g, 0.61~1.10 mg-C/$m^3{\cdot}h$의 범위를 보여 세균 생체량과 DOC 제거율은 석탄계 재질이 가장 높은 것으로 나타났다. 부착세균을 동정한 결과 Pseudomonas 속이 우점하였으며, 그 다음으로 Chryseomonas 속, Flavobacterium 속, Alcaligenes 속, Acinetobacter 속, Sphingomonas 속 등의 순으로 동정되었다. 그리고 Pseudomonas cepacia는 석탄계 재질, Chryseomonas luteola는 목탄계 재질의 우점세균으로 조사되었다.
The use of biological-activated carbon (BAC) processes in water treatment involves biofiltration, which maximizes the bacteria's capabilities to remove organic matter. In this study, the distribution of the bacterial community was assessed in response to different types of BAC processes applied down...
The use of biological-activated carbon (BAC) processes in water treatment involves biofiltration, which maximizes the bacteria's capabilities to remove organic matter. In this study, the distribution of the bacterial community was assessed in response to different types of BAC processes applied downstream in the Nakdong River. The bacterial biomass and activity were $1.20{\sim}34.0{\times}10^7$ CFU/g and 0.61~1.10 mg-C/$m^3{\cdot}hr$ in coal-based BAC, respectively. The attachment of the bacterial biomass and the removal efficiency of the organic carbon were greatest with the coal-based activated carbon. The bacteria attached to each activated carbon material were detected in the order of Pseudomonas genus, Chryseomonas genus, Flavobacterium genus, Alcaligenes genus, Acinetobacter genus, and Spingomona genus. Pseudomonas cepacia was the dominant species in the coal-based materials, and Chryseomonas luteola was the dominant species in the wood-based material.
The use of biological-activated carbon (BAC) processes in water treatment involves biofiltration, which maximizes the bacteria's capabilities to remove organic matter. In this study, the distribution of the bacterial community was assessed in response to different types of BAC processes applied downstream in the Nakdong River. The bacterial biomass and activity were $1.20{\sim}34.0{\times}10^7$ CFU/g and 0.61~1.10 mg-C/$m^3{\cdot}hr$ in coal-based BAC, respectively. The attachment of the bacterial biomass and the removal efficiency of the organic carbon were greatest with the coal-based activated carbon. The bacteria attached to each activated carbon material were detected in the order of Pseudomonas genus, Chryseomonas genus, Flavobacterium genus, Alcaligenes genus, Acinetobacter genus, and Spingomona genus. Pseudomonas cepacia was the dominant species in the coal-based materials, and Chryseomonas luteola was the dominant species in the wood-based material.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 3개 정수장에서 사용하고 있는 생물활성탄에 대한 부착세균 연구를 통해 BAC 처리에 의한 유기물 제거효율과 세균과의 상관관계를 비교분석하여 DOC 등 유기물 제거효율과 정수장 및 활성탄 종류별로 부착세균의 군집구조 특성을 조사하였다. 그리고 이 결과를 토대로 고도 정수처리시설의 효율 평가 및 문제점 개선시 기초자료로 활용하고자 하였다.
Kihn 등[12]이 1일 최대 100톤 처리 용량의 Pilot-plant을 대상으로 BAC 공정에서 활성탄 재질별로 수질개선 및 부착세균 분포특성을 조사한 결과 BAC 활성탄 종류 및 부착세균의 생체량과 활성도에 따라 유기물 제거농도에 차이를 보이는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서는 3개 정수장에서 사용하고 있는 생물활성탄에 대한 부착세균 연구를 통해 BAC 처리에 의한 유기물 제거효율과 세균과의 상관관계를 비교분석하여 DOC 등 유기물 제거효율과 정수장 및 활성탄 종류별로 부착세균의 군집구조 특성을 조사하였다. 그리고 이 결과를 토대로 고도 정수처리시설의 효율 평가 및 문제점 개선시 기초자료로 활용하고자 하였다.
8) 10 ml로 실온에서 세정하였다. 그리고 각 10 ml의 30, 50, 70, 80, 90, 95, 100% ethanol로 각각의 농도에서 10분간씩 탈수시킨 후[19], 부산시 부산진구 당감동에 위치한 한국 신발피혁 연구소에 SEM 촬영을 의뢰하여 BAC 입자에 부착된 세균을 관찰하였다.
생물활성탄 입자 표면에 부착된 세균들을 관찰하기 위한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 분석은 건조시킨 BAC 시료에 10 ml의 2.5% glutaraldehyde 용액(0.1 M sodium caccodylate buffer (pH 6.8)로 희석)을 첨가하여 4℃에서 2시간 동안 전 고정한 후 0.1 M sodium caccodylate buffer (pH 6.8) 10 ml로 전 고정과 같은 조건에서 세정하였다. 1% OsO4 용액(0.
세균의 동정은 형성된 colony의 형태학적 특징을 관찰하여 서로 다른 colony를 종속영양세균 분리배지인 R2A에 획선 도말하여 순수 분리하였다. 순수 분리된 세균은 API 20 NE Kit(bioMerieux, France)로 확인한 후 Bergey's manual의 분류체계에 따라 속 혹은 종명까지 분류 동정하였다[13].
수중에 존재하는 용존 유기탄소 즉 DOC는 주로 수계에 존재하는 세균의 물질대사작용에 의하여 제거되므로[2] 수중 미생물이 많이 부착 서식하고 있는 BAC에 의해 어느 정도 제거 되는지를 조사하였다. 조사기간 동안 명장, 화명 및 덕산 원수의 평균 DOC는 각각 2.
순수 분리된 세균은 API 20 NE Kit(bioMerieux, France)로 확인한 후 Bergey's manual의 분류체계에 따라 속 혹은 종명까지 분류 동정하였다[13].
) 10 ml 주입하여 liquid scintillation analyzer (PerkinElmer, Quantulus 1220)로 방사선량을 측정하였다. 얻어진 DPM (disintergrate per minute) 값으로부터 얻어진 식을 이용하여 incorporation된 thymidine의 양을 계산하였다[5,18].
조사기간은 1년(2011. 1월~2011. 12월)으로 하였으며, 조사 주기는 수질인자 항목인 DOC의 경우 월 2회, 부착세균 분포 조사는 월 1회 간격으로 조사하였다. DOC (dissolved organic carbon)는 시료를 0.
대상 데이터
덕산 정수장은 1정수 계통은 20지, 2정수 계통은 18지, 3정수 계통은 16지로 총 54지의 입상활성탄 여과지로 구성되어 있으며, 1정수 계통과 2정수 계통에 각각 1지의 야자계 입상활성탄을 제외하면 나머지 52지의 입상활성탄은 모두 석탄계 입상활성탄을 이용하여 정수처리하고 있다. 2010년 1정수에 12지 2정수에 8지를 재생하였으며 재생중에 손실된 탄을 신탄으로 보충하여 사용 중에 있다.
성능/효과
Pseudomonas속은 가장 큰 집단인 γ-proteobacteria에는 속하는 세균으로 다양한 생리학적 유형을 보이는 것으로 알려져 있는데 이번 조사에서 석탄계인 덕산 BAC에는 Pseudomonas vesiculari와 Pseudomonas cepacia, 같은 석탄계인 화명 BAC에는 Pseudomonas cepacia가 우점한 것으로 나타났으나 목탄계인 명장 BAC는 덕산 및 화명 정수장과는 다르게 Chryseomonas luteola가 우점종으로 나타났다.
정수장별(활성탄 재질별)로 부착세균의 동정 결과를 Table 4에 나타내었는데, 배양적 방법으로 15종의 세균을 분리하였다. 각각의 활성탄에서 그람 음성 세균인 Pseudomonas 속이 가장 많이 분포하는 것으로 나타났고, 그 다음으로 Chryseomonas 속, Flavobacterium 속, Alcaligenes 속, Acinetobacter 속, Sphingomonas 속 등의 순으로 동정되었다. 이는 Stewart 등[24]이 조사한 연구결과 즉 생물활성탄에 부착된 세균으로는 주로 Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus, Acinetobacter, Aeromonas, Chromobacterium 속 등이 있는 것으로 알려진 결과와 비슷한 경향을 보였다.
그리고 SEM 사진 분석결과로는 활성탄 표면에 부착된 세균들에 대하여 형태학적인 특성만을 나타내기 때문에 정확한 구분은 힘들지만 명장 BAC (목탄계 재질 활성탄)이 덕산 정수장 BAC (석탄계 재질 활성탄)에 비하여 단조로운 세균 군집과 적은 개체수를 가지는 것을 관찰할 수 있었다. 저층보다는 주로 표층에 세균이 분포하였고, 구균 보다는 간균이 많이 존재함을 알 수 있었다(Fig.
명장 정수장은 고속 원형식을 이용한 정수처리, 화명 정수장은 맥동식과 횡류식 침전지를 이용하여 정수처리를 실시하고 있으며, 덕산 정수장의 경우 3개 정수계열로 나뉘어져 있는데 모두 맥동식 방식을 이용하여 정수처리를 수행하고 있다. 명장, 화명, 덕산 정수장의 정수 생산능력은 각각 28만톤, 60만톤, 155만톤/일로 덕산 정수장의 1일 정수 생산능력이 가장큰 것으로 나타났다.
10 mg-C/m3·h의 활성을 보였다. 세균의 생체량과 활성도에 대한 실험 결과로 볼 때 세균은 주로 BAC 여과표층에 더 많이 분포하고 있음을 알 수 있었고 세균 생체량이 많을수록 세균 활성도 또한 높은 것으로 나타나 생체량과 활성도는 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
그리고 활성탄 종류별로 생체량이 차이가 나는 주된 이유는 세균이 부착과 증식를 하는데 필요한 영양물인 수중의 유기물질이 활성탄에 흡착하는 비율이 다르기 때문인 것으로 추정된다. 이번 조사결과 석탄계인 덕산 BAC가 가장 높았는데 이는 앞서 DOC 제거효율도 가장 높은 것으로 조사된 결과와 비슷한 경향을 보여 부착세균 생체량과 DOC 제거효율과는 상관관계가 있는 것으로 확인되었다[16,21].
그리고 SEM 사진 분석결과로는 활성탄 표면에 부착된 세균들에 대하여 형태학적인 특성만을 나타내기 때문에 정확한 구분은 힘들지만 명장 BAC (목탄계 재질 활성탄)이 덕산 정수장 BAC (석탄계 재질 활성탄)에 비하여 단조로운 세균 군집과 적은 개체수를 가지는 것을 관찰할 수 있었다. 저층보다는 주로 표층에 세균이 분포하였고, 구균 보다는 간균이 많이 존재함을 알 수 있었다(Fig. 2).
정수장별(활성탄 종류별)로는 표층을 기준으로 하여 덕산 BAC (석탄계)가 3.4×108 CFU/g으로 세균 생체량이 가장 많았으며, 다음으로 명장(목탄계), 화명(석탄계) 순으로 나타났다.
수중에 존재하는 용존 유기탄소 즉 DOC는 주로 수계에 존재하는 세균의 물질대사작용에 의하여 제거되므로[2] 수중 미생물이 많이 부착 서식하고 있는 BAC에 의해 어느 정도 제거 되는지를 조사하였다. 조사기간 동안 명장, 화명 및 덕산 원수의 평균 DOC는 각각 2.81, 2.79, 2.67 mg/l, BAC 유입수인 후오존수의 평균 DOC는 1.54~1.69 mg/l이었으며 BAC의 DOC에 대한 제거율은 대략 2.5~36.8%로 나타났다. 그중에서도 석탄계 BAC인 덕산 정수장 유출수가 약 36.
후속연구
본 연구에서 생물활성탄 부착세균의 정수장별 분포실태를 조사한 결과 생물활성탄 처리공정의 효과여부를 평가하는 중요한 항목인 DOC 제거효율의 극대화를 위해서는 석탄계 재질인 덕산 및 화명 정수장의 경우 주기적인 생물활성탄 재생 및 교체를 통해 유기물질의 흡착능을 유지하여야할 것으로 생각되며, 목탄계 재질인 명장 정수장은 석탄계 활성탄 도입에 대한 타당성을 조사하는 것이 바람직할 것이라고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
활성탄이란?
현재 적용되고 있는 고도처리방법중의 하나인 활성탄 여과 법은 활성탄의 다공성에 의해 수중의 각종 유해물질들이 활성탄에 잘 흡착되므로 기존의 급속여과법에서는 제거되지 않는 용해성 유기물, 미량 유기화합물, 암모니아성 질소, 철, 망간, 이취미 원인 물질, 소독 부산물 등의 제거에 매우 효과적이어서 구미 각국에서도 고도정수처리에 많이 이용하고 있다[17]. 활성탄은 다공성 여재(media)로 목재(wood), 야자각 (coconut), 역청탄(bituminous coal), 갈탄(lignite) 등을 원료로 하여 제조되며, 정수 및 하수처리 공정에서도 흡착제로 널리 이용되고 있고, 보통 탁질이나 유기물 농도부하가 적은 여과 공정 후단에 입상활성탄(granular activated carbon, GAC) 형태로 많이 적용된다[8]. 또한 GAC 공정에서 GAC 파과점을 지나 지속적으로 운전한 결과, GAC 표면에 부착된 미생물의 응집체(aggregation)에 의한 생물학적 분해 작용으로 인하여 용존유기탄소(dissolved organic carbon, DOC)가 제거된다는 보고가 있다[3].
BAC 공정의 장점 두가지는?
BAC 공정의 장점으로는 첫째, 수중에 존재하는 다양한 오염물질들에 대한 높은 제거능이고[4,11,15,23], 둘째, BAC 처리 수는 낮은 염소요구량을 나타내어 소독부산물의 생성이 적고, 배․급수관망에서 미생물 재성장능이 낮다[7,21,25]. 또한, 셋째로 흡착능이 소진된 GAC의 효율적인 생물학적 재생으로 인한 GAC의 사용기간 연장이다[10,20]. BAC의 입자 표면은 세균이 부착하는데 아주 적절하고 또한 원수에는 세균의 영양 분이 될 수 있는 각종 유기 및 무기물질이 포함되어 있어 세균의 번식을 가능하게 한다.
생물활성탄 공정에서 세균의 역할은?
세균은 활성탄의 macro pore (500 Å 이상)에 대부분 부착 되며 이곳에서 효소를 생산하며 이 효소들은 micro pore (20Å 이하)에도 쉽게 확산되어 흡착된 기질과 반응하여 각종 유기물들을 분해하는 등 활성탄의 흡착 능력을 재생시키는 역할도 한다. BAC에 부착․서식하고 있는 세균은 낮은 농도의 유기물과 영양염류를 이용하여 생장하고 이 과정에서 체내의 영양염류를 고농도로 축적하게 된다.
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