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문제 정의
- 본 연구에서는 생물학적 정화방법으로 biopile에 대한 기술 활성화를 위해 국내 오염토양에 대한 biopile의 현장 적용을 위해 pilot 규모의 biopile 처리시스템을 설계·설치하여 오염토양의 특성 및 운전조건에 따른 유류분해 특성을 파악하고 biopile의 현장적용 시 생분해 속도 등 주요 영향 인자에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 1℃로 우리나라와 같이 기후 변화가 뚜렷한 조건에서 biopile과 같이 실외에서 정화가 이루어질 때 처리 속도는 온도에 크게 영향을 받게 된다. 이러한 온도의 영향을 파악하기 위하여 온도의 증가에 따른 생분해속도와의 관계를 조사하였다. Fig.
제안 방법
- Biopile은 총 100일간 운영되었으며, biopile의 처리효율을 평가하기 위해 0, 10, 30, 50, 70, 100일째에 주기적으로 토양시료를 채취하였다. 각 pile별 시료채취는 각 파일의 좌, 우측에서 깊이 10~30 cm, 30~60 cm 위치에서 채취하여 분석하였다.
- Biopile을 이용한 유류오염토양의 처리효율을 조사하기 위해 가로 2.5m × 세로 3.0m × 높이 1.0m 크기의 pilot 규모의 biopile 2기와 biopile dome, 송풍기, 토양가스 모니터링장치 등이 포함된 biopile시스템을 설계·제작하였다.
- 따라서 biopile 의 산소농도 측정은 통기시스템의 효율성 및 미생물활성을 확인하는데 사용하며, 토양가스 내의 산소 농도가 15~20%로 측정된 것은 공기 유량이 충분하다는 것을 나타낸다. Biopile의 최적운전 조건을 설정하기 위한 공기의 공급주기와 시간은 Fig. 2에서와 같이 초기 산소소모율 측정 결과를 토대로 산소농도가 15~20% 수준이 유지되는 시간을 기준으로 설정하였으며, Pile A는 4시간 주기로, Pile B는 8시간 주기로 공기추출시간을 정하였다.
- Biopile은 총 100일간 운영되었으며, biopile의 처리효율을 평가하기 위해 0, 10, 30, 50, 70, 100일째에 주기적으로 토양시료를 채취하였다. 각 pile별 시료채취는 각 파일의 좌, 우측에서 깊이 10~30 cm, 30~60 cm 위치에서 채취하여 분석하였다.
- 또한 biopile내 토양가스의 모니터링을 위해 자동계측 센서와 GA94 가스측정기를 이용하였다. 산소와 온도, 수분은 자동계측센서를 이용하였으며, 이산화탄소는 GA94 가스측정기를 이용하였다.
- 산소와 온도, 수분은 자동계측센서를 이용하였으며, 이산화탄소는 GA94 가스측정기를 이용하였다. 또한 유류분해율 평가를 위해 TPH, 토양미생물 분석을 실시하였다.
- 또한, biopile에 산소를 공급하기 위한 송풍기의 운전조건은 각각의 파일의 산소소모량을 감안하여 감압운전 조건의 압력 및 유량을 100mmAq와 13Nm3/h로 결정하였다.
- 9% NaCl용액) 에 첨가하여 vortex mixer로 균질화 시킨 후 10−7~10−8까지 단계적으로 희석하여 세균분석을 위한 시료로 사용하였다. 종속영양세균(Heterotrophic bacteria)의 검출은 plate count agar 배지를 사용하여 pour plate 방법으로 접종한 후 30℃에서 5일간 배양하여 형성된 집락을 계수하였다. 한편, 유류분해 미생물은 최적확수(Most probable number : MPN)계수법을 이용하여 분석하였다Wrenn and Venosa, 1996).
- 법으로 각각 정량하였다. 토성은 피펫법으로 측정하여 미 농무성에서 제정한 방법으로 분류하였다.
- 토양 1g을 9 mL 멸균된 saline 용액(0.9% NaCl용액) 에 첨가하여 vortex mixer로 균질화 시킨 후 10−7~10−8까지 단계적으로 희석하여 세균분석을 위한 시료로 사용하였다.
대상 데이터
- 한편, 유류분해 미생물은 최적확수(Most probable number : MPN)계수법을 이용하여 분석하였다Wrenn and Venosa, 1996). MPN배지로는 Bushnell-hass 배지를 사용하였고, 유일 탄소원으로는 경유(5%, w/v)를 이용하였다.
- Pilot 규모의 biopile 시스템에 사용할 시험토양은 경유로 오염된 토양으로 석유계총탄화수소(TPH)농도가 토양 오염 우려기준과 대책기준 이상이 되는 토양을 대상으로 2개 지역의 유류오염토양을 선정하였다. 각 시험토양에 대해 약 13m3의 토양을 채취한 후 10mm체로 체거름하여 균질하게 혼합한 후 이를 biopile에 사용하였다.
- 또한 biopile내 토양가스의 모니터링을 위해 자동계측 센서와 GA94 가스측정기를 이용하였다. 산소와 온도, 수분은 자동계측센서를 이용하였으며, 이산화탄소는 GA94 가스측정기를 이용하였다. 또한 유류분해율 평가를 위해 TPH, 토양미생물 분석을 실시하였다.
- 체거름한 토양의 piling은 수분함량을 약 12%, 영양염류는 C:N:P의 비율이 100 : 10 : 3이 되도록 하였으며, 이때 사용한 영양염은 인공급원으로는 DAP(diammonium phosphate), MAP(monoammonium phosphate), 질소공급원으로는 Urea를 사용하였다.
이론/모형
- 토양의 pH는 토양 5g에 증류수를 1 : 5 비율로 혼합하여 유리전극법으로 측정하였으며, 총유기탄소(TOC)함량은 강열감량법으로 질소함량은 자동킬달분석장치(Kjeltec 2300 analyzer unit)로 측정하였다. 또한 유효인 함량은 Bray No 1.법으로 각각 정량하였다. 토성은 피펫법으로 측정하여 미 농무성에서 제정한 방법으로 분류하였다.
- 시험토양의 TPH분석은 토양오염공정시험기준(MOE, 2009)에 준하였다.
- 토양의 이화학성 분석용 시료는 직사광선이 닿지 않는 장소에서 통풍이 잘 되는 곳에서 풍건시킨 다음 눈금간격이 2mm 인 표준체에 통과한 시료를 균등하게 혼합하여 사용하였다. 시험토양의 이화학성 분석은 토양화학분석법 (NIAST, 1998)에 준하였다. 토양의 pH는 토양 5g에 증류수를 1 : 5 비율로 혼합하여 유리전극법으로 측정하였으며, 총유기탄소(TOC)함량은 강열감량법으로 질소함량은 자동킬달분석장치(Kjeltec 2300 analyzer unit)로 측정하였다.
- 유류분해 세균수의 계산은 Tomas's simple formula(APHA, 1998)를 이용하였다.
- 시험토양의 이화학성 분석은 토양화학분석법 (NIAST, 1998)에 준하였다. 토양의 pH는 토양 5g에 증류수를 1 : 5 비율로 혼합하여 유리전극법으로 측정하였으며, 총유기탄소(TOC)함량은 강열감량법으로 질소함량은 자동킬달분석장치(Kjeltec 2300 analyzer unit)로 측정하였다. 또한 유효인 함량은 Bray No 1.
- 종속영양세균(Heterotrophic bacteria)의 검출은 plate count agar 배지를 사용하여 pour plate 방법으로 접종한 후 30℃에서 5일간 배양하여 형성된 집락을 계수하였다. 한편, 유류분해 미생물은 최적확수(Most probable number : MPN)계수법을 이용하여 분석하였다Wrenn and Venosa, 1996). MPN배지로는 Bushnell-hass 배지를 사용하였고, 유일 탄소원으로는 경유(5%, w/v)를 이용하였다.
성능/효과
- Biopile 시스템을 이용하여 유류오염토양의 처리효율을 평가하기 위해 pilot 규모의 biopile을 설계 및 제작하여 100일간 운전하여 유류분해능 및 처리효율을 평가한 결과 토양 중 TPH 농도는 시간이 경과함에 따라 토양의 종류 및 농도에 관계없이 감소하는 경향으로 나타났으며, 처리 효율은 70~30% 수준이었다. 한편 토양중 총세균수는 Pile A의 경우 초기 3.
- Biopile의 제작을 위해 유류오염 부지 두 곳(A, B지역) 을 선정하여 채취한 오염토양의 TPH 농도는 각각 약 10,000mg/kg과 약 2,300mg/kg으로 나타났다. 시험토양의 토성분석결과 A지역(Pile A)은 사양토이며, B지역(Pile B)은 양질사토로 나타났다.
- 3에 나타내었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 토양 중 TPH 농도는 시간이 경과함에 따라 토양종류 및 농도에 관계없이 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 Pile A의 경우 Pile B에 비하여 TPH 농도는 감소 정도가 크게 나타났다.
- Fig. 7에서와 같이 총세균수는 Pile A의 경우 초기 3.8 × 107CFU/ g-soil에서 시간이 경과하면서 50일 후에는 1.4 × 108CFU/ g-soil까지 증가한 후 100일 후 에도 4.1 × 108CFU/g-soil 으로 큰 변화가 없이 그 수가 유지되었으나, Pile B의 경우에는 초기와 100일 경과 후 모두 총 세균수가 3.2 ×107~6.4 × 107CFU/g-soil 수준으로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 이처럼 pile B가 pile A 에 비해 처리효율이 낮은 것은 유류분해미생물의 활성이 pile A에 비해 크게 활성화되지 못한 것이 가장 큰 원인으로 추정된다. Pilot 규모의 biopile을 이용하여 두 종류의 유류오염토양에 대한 100일간의 처리효율은 70~30%수준인 것으로 나타났다. Jorgensen et al.
- Table 2에서와 같이 Pile A에서는 유류분해미생물이 초기 평균 5.6 × 104 MPN/g-soil에서 50일 후에 3.9 × 107 MPN/g-soil로 크게 증가한 후 100일 후에도 큰 변화 없이 그 수가 유지되었으나 pile B에서는 초기 평균 2.9 × 105 MPN/g-soil에서 50일 후에 1.4 × 103 MPN/g-soil로 다소 감소하였으며, 이러한 경향은 100일 후에도 4.4 × 103MPN/g-soil 로 큰 변화 없이 그 수가 유지되어 유류분해미생물의 활성이 다소 감소된 것으로 나타났다.
- 유류 분해미생물의 경우도 총세균수의 변화와 비슷한 경향을 나타내었다. biopile의 평균 생분해속도는 Pile A에서 66.8mg/kg-day, Pile B에서 10.9mg/kgday로 측정되었으며, 온도에 크게 영향을 받는 것으로 판단되었다. 또한 생물학적 정화공법의 성공적인 현장적용을 위해서는 미생물의 생분해 속도에 영향을 주는 온도, 기질의 농도, 가용성 및 수분 등 다양한 인자들에 대한 영향이 추가적으로 검토되어야 할 것으로 사료된다.
- Pile A에서는 초기 평균 8,094mg/kg이던 TPH 농도가 100일이 지난 후에는 2,289mg/kg으로 감소하여 총 유류의 약 70%가 분해된 것으로 나타났다. 그러나 pile B에서는 초기 TPH 평균농도가 1,917mg/kg이었으나 100일 후에는 TPH 농도가 1,206 mg/kg으로 총 유류의 30% 정도만 감소된 것으로 나타나 pile A에 비해 유류의 분해감소 정도가 낮은 것으로 나타났다. 이처럼 pile B가 pile A 에 비해 처리효율이 낮은 것은 유류분해미생물의 활성이 pile A에 비해 크게 활성화되지 못한 것이 가장 큰 원인으로 추정된다.
- , 1998). 따라서 biopile 의 산소농도 측정은 통기시스템의 효율성 및 미생물활성을 확인하는데 사용하며, 토양가스 내의 산소 농도가 15~20%로 측정된 것은 공기 유량이 충분하다는 것을 나타낸다. Biopile의 최적운전 조건을 설정하기 위한 공기의 공급주기와 시간은 Fig.
- 반면, B지역 토양시료의 경우는 총 세균수가 6.6 × 105CFU/g-soil, 유류분해 미생물 수는 1.9 × 106MPN/g-soil로 총 세균수는 낮으나 유류분해 미생물 수가 높게 나와 토양 내에서 유류분해가 활발히 일어나고 있거나, 이미 유류분해가 일어난 후에 감소하고 있는 추세로 추정되었다.
- 본 연구에서 고농도인 Pile A의 TPH 생분해속도는 평균 66.8mg/kg-day이었으며, 저농도인 Pile B의 TPH 생분해속도는 평균 10.9mg/kg-day로 나타났다.
- Biopile의 제작을 위해 유류오염 부지 두 곳(A, B지역) 을 선정하여 채취한 오염토양의 TPH 농도는 각각 약 10,000mg/kg과 약 2,300mg/kg으로 나타났다. 시험토양의 토성분석결과 A지역(Pile A)은 사양토이며, B지역(Pile B)은 양질사토로 나타났다. 각 시험토양의 이화학적 특성은 Table 1에서와 같다.
- 오염부지의 토양미생물 분석결과, A 지역의 경우 총 세균 수는 3.63 × 107CFU/g-soil이었고, 유류분해 미생물 수는 5.6 × 104MPN/g-soil로서 총 세균수에 비해 유류분해 세균 수가 낮게 나타나 토착미생물에 의한 유류분해가 활발히 진행되고 있지는 않은 것으로 판단되었다.
- 토양미생물 활성을 촉진하기 위해 첨가한 질소와 인성분의 변화를 조사한 결과, 질소성분의 농도는 Pile A, B 모두 biopile 운전시기와 관계없이 0.14~0.17%로 큰 변화는 없는 것으로 나타났으나, 인성분의 경우 Pile A는 운전 초기 600ppm이었으나 100일 후에는 149ppm으로 나타났고, Pile B의 경우도 biopile 운전 초기 1,460ppm 이던 유효인 농도가 100일 후에는 458ppm으로 감소한 것으로 나타났다. Fahnestock et al.
- 한편 TPH농도의 감소와 함께 생물학적 유류분해 지표 (biomarker)로 이용되고 있는 isoprenoid 계열인 pristane 과 phytane의 분해정도를 보면, Fig. 4에서와 같이 Pile B에 비해 Pile A에서 C17/pristane 및 C18/phytane ratio 의 변화가 뚜렷하게 나타나 유류의 생분해가 효과적으로 진행되고 있음을 알 수 있었다. 다만 pile B의 경우 C18/ phytane ratio가 다소 낮게 나타난 것은 오염토양의 초기 특성결과에서와 같이 이미 유류분해가 일어난 후에 감소하고 있는 경향과 관련이 있을 것으로 추정되나 이에 대한 구체적인 파악을 위해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 한편 토양중 총세균수는 Pile A의 경우 초기 3.8 × 107CFU/g-soil에서 100일 후에는 약 4.1 × 108CFU/g-soil 수준까지 증가되었으나, Pile B의 경우에는 초기와 100일 경과후 모두 총세균수가 3.2 ×107~6.4 × 107CFU/g-soil 수준으로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- (1998)에 따르면 biopile에서 오염물질이 생물학적 활동에 의해 저감된다고 하더라도 무기 영양염류는 생태계에서 재순환되며, 초기 무기영양분의 투여 후에 더 이상의 영양분 공급은 불필요한 것으로 보고한 바 있어 질소성분의 경우 이러한 경향을 반영한 것으로 판단된다. 그러나 인성분의 감소경향은 미생물에 의한 이용뿐만이 아니라 토양 중 흡착 및 비가용성 형태로의 변화 등에 의한 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 4에서와 같이 Pile B에 비해 Pile A에서 C17/pristane 및 C18/phytane ratio 의 변화가 뚜렷하게 나타나 유류의 생분해가 효과적으로 진행되고 있음을 알 수 있었다. 다만 pile B의 경우 C18/ phytane ratio가 다소 낮게 나타난 것은 오염토양의 초기 특성결과에서와 같이 이미 유류분해가 일어난 후에 감소하고 있는 경향과 관련이 있을 것으로 추정되나 이에 대한 구체적인 파악을 위해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- 9mg/kgday로 측정되었으며, 온도에 크게 영향을 받는 것으로 판단되었다. 또한 생물학적 정화공법의 성공적인 현장적용을 위해서는 미생물의 생분해 속도에 영향을 주는 온도, 기질의 농도, 가용성 및 수분 등 다양한 인자들에 대한 영향이 추가적으로 검토되어야 할 것으로 사료된다.
- pile B의 경우 실험 초기에는 총세균수는 낮고 유류분해 미생물수가 다소 높은 경향에서 실험 종료 시에는 유류분해미생물의 활성이 낮아진 것으로 보아 이미 유류분해가 일어난 후에 감소하고 있는 추세가 반영된 것으로 추정되었다. 이처럼 biopile 적용 시 총 세균수 및 유류분해미생물수에 대한 경향을 파악하는 것은 유류오염토양의 생물학적 정화가능성, 생분해 속도 및 저감규모 등을 추정하기 위한 유용한 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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