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문제 정의
- 운전환경에 따라 외부탄소원을 메탄올 등의 화학약품으로 공급하는 경우가 있는데 이는 경제성을 저해한다. 더욱이 광산배수의 자연정화시설은 운전 및 운영 비용이 적게 소요되는 장점이 있는데 여기에 화학약품을 통한 외부탄소원 공급은 적합하지 않다고 판단하고, LD medium 대신 가정하수와 축산폐수에 포함된 유기물 이용가능성을 평가하였다. 회분식 실험을 실시하여 150시간 지난 후 망간제거 효율을 산정한 결과는 Fig.
- 본 연구는 산성광산배수 자연정화시설에서 처리되지 않고 유출되는 망간을 생물학적으로 처리하기 위한 망간산화미생물 적용에 그 목적이 있다. 연구에 사용 된 망간산화미생물은 Pseudomonas sp.
- 국내에서는 산성광산배수처리를 위해 대부분 자연정화법을 사용하고 있으며 본 연구에서 활용한 대상시설에서와 같이 일부 처리시설에서 망간이 처리되지 않고 고농도로 유출 되는 현상이 나타난다. 본 연구는 이렇듯 처리되지 않는 망간에 대한 생물학적 처리 적용에 그 목적이 있다. 연구에 사용된 망간산화 미생물은 Pseudomonas sp.
- 그러나 물과 접촉시간이 경과할수록 함유된 알칼리성 물질의 용출량은 감소하고, 이에 따라 pH는 점점 낮아지면서 기능성이 감퇴된다. 본 연구에서는 알칼리성 물질의 용출량이 감소하여 중성의 pH가 유지되는 조건에서 화학적 산화가 일어나지 않을 때 망간산화미생물을 담지하여 생물학적 망간산화를 유도하고자 하였다.
제안 방법
- MN5의 pH에 따른 망간산화 분석을 위해 LD medium의 pH를 3, 7, 8, 9.5, 11로 조절하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 실험은 48시간 동안 진행하였고, 초기 망간농도는 pH 3, 7, 8, 9.
- 연구에 사용 된 망간산화미생물은 Pseudomonas sp. MN5이고 산성광산배수의 수질특성에 따른 영향을 파악하기 위해 회분식 실험을 실시하였다. 또한 산성광산배수 자연정화시설 유출수에의 적용 실험은 small column test를 통해 진행되었으며 망간산화미생물은 알칼리성 물질을 포함한 매질(functional polyurethane; FPU)에 부착시켜 사용하였다.
- 5까지 증식된 MOB를1 mL 접종시켜 사용하였다. Mn(II)와 Fe(II)는 각각 MnCl2․4H2O와 FeCl2․4H2O를 사용하여 stock solution을 조제한후 적정량 희석하여 주입하였고, pH는 1 M의 NaOH와 HCl 을 사용하여 조절하였다. 또한 공급기질에 따른 실험은 LD medium에 포함된 유기물질인 yeast extract와 D(+)-glucose 를 주입할 때와 주입하지 않을 때를 비교하였다.
- 다른 기질의 이용능을 평가하기 위해 추가적으로 pyruvate와 C하수처리장 유입수, K대학교 교내식당의 음식물 폐수를 사용하였고 하수처리장 유입수와 음식물폐수는 고형물 분리를 위해 0.45 µm membrane filter로 여과하였다.
- Glucose 농도에 상관없이 망간 산화가 발생한 것은 LD medium내 yeast extract가 든든한 탄소원으로 작용하고 있기 때문이었으며 이는 glucose를 포함한 LD medium의 초기 CODCr 농도가 3,400~4,400 mg/L 인 것으로 확인할 수 있었다. 다양한 기질에 따른 망간산화능을 평가하기 위해 LD medium 내 glucose와 yeast extract 를 각각 제외한 시료와 둘 다 제외하고 pyruvate를 주입한 시료를 비교하였으며 그 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 앞선 결과와 마찬가지로 glucose는 망간산화에 큰 영향을 미치지 않았으며, yeast extract를 제외한 시료에서는 망간산화가 발생하지 않았다.
- Mn(II)와 Fe(II)는 각각 MnCl2․4H2O와 FeCl2․4H2O를 사용하여 stock solution을 조제한후 적정량 희석하여 주입하였고, pH는 1 M의 NaOH와 HCl 을 사용하여 조절하였다. 또한 공급기질에 따른 실험은 LD medium에 포함된 유기물질인 yeast extract와 D(+)-glucose 를 주입할 때와 주입하지 않을 때를 비교하였다. 다른 기질의 이용능을 평가하기 위해 추가적으로 pyruvate와 C하수처리장 유입수, K대학교 교내식당의 음식물 폐수를 사용하였고 하수처리장 유입수와 음식물폐수는 고형물 분리를 위해 0.
- MN5이고 산성광산배수의 수질특성에 따른 영향을 파악하기 위해 회분식 실험을 실시하였다. 또한 산성광산배수 자연정화시설 유출수에의 적용 실험은 small column test를 통해 진행되었으며 망간산화미생물은 알칼리성 물질을 포함한 매질(functional polyurethane; FPU)에 부착시켜 사용하였다.
- 부착된 망간산화미생물의 망간산화능 평가는 연속류의 column test로 실시하였다(Fig. 1(a)).
- 5, 11로 조절하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 실험은 48시간 동안 진행하였고, 초기 망간농도는 pH 3, 7, 8, 9.5, 11에서 각각 48.7, 45.6, 42.4, 28, 0.5 mg/L로 나타났다. 이중 알칼리성을 띄는 pH 9.
- 재순환을 통해 매질에 담지된 망간산화미생물의 망간산화능은 연속류 운전으로 평가하였다. 운전 36시간까지 망간 산화미생물의 성장 및 증식을 위해 Mn(II) 50 mg/L를 포함한 LD medium을 사용한 후 산성광산배수 자연정화시설 유출수를 유입하였다. 그 결과 Fig.
- 하지만 Table 1에 나타난바와 같이 연구 대상으로 하는 산성광산배수 자연정화시설의 DOC는 21 mg/L의 매우 낮은 농도로 존재한다. 이에 따라 MN5의 공급기질에 따른 영향을 평가하기위해 최적 성장조건을 갖춘 LD medium에 유기물의 농도를 추가적으로 조절하여 실험을 실시하였다. LD medium에 포함된 glucose의 농도를 CODCr기준으로 100, 300, 600, 1,000 mg/L 로 조절하여 실험한 결과 24시간 내에 4개의 시료에서 완전한 망간산화가 발생하였다.
- 재순환을 통해 매질에 담지된 망간산화미생물의 망간산화능은 연속류 운전으로 평가하였다. 운전 36시간까지 망간 산화미생물의 성장 및 증식을 위해 Mn(II) 50 mg/L를 포함한 LD medium을 사용한 후 산성광산배수 자연정화시설 유출수를 유입하였다.
- 채취된 시료는 0.45 µm membrane filter로 여과한 후 Sequential Plasma Spectrometer (Shimadzu, ICP-7510)를 이용하여 Mn, Fe, Mg, Al, Zn를 분석하였다.
- 회분식 실험을 통해 MN5의 망간산화 특성 분석을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 이 실험은 5번 반복 실험한 결과의 평균으로 LD medium에서 측정된 초기 망간 농도는 46.
- 회분식 실험을 통해 다양한 수질 조건에서 MN5의 망간 산화 특성을 분석하였으며 미생물 배양을 위해 실험에 사용된 LD medium은 증류수(1 L)에 yeast extract 0.5 g, CaCl2 0.07 g, casamino acid 0.5 g, MgSO4 0.14 g, FeCl3 0.001 g, D(+)-glucose 0.901 g, HEPES 2.383 g, trace element 1 mL 로 조성한 후 pH 7로 조절하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 망간산화미생물은 한남대학교 박경량 교수 연구팀이 충청남도 병천 일원의 6개 토양시료에서 분리동정한 Pseudomonas sp. MN5(이하 MN5)를 분양받아 사용하였다. 분양받은 미생물은 4℃에서 보관하고 실험에 이용할때 계대배양하여 사용하였다.
- 실험에 사용된 매질은 FPU이며 다공성 물질로 망간산화미생물 부착이 용이하며 MgO를 포함하고 있어 물과 접촉시 수산화기를 방출하여 pH를 상승시킨다. FPU의 수산화기 용출 반응식은 다음과 같다.
- 실험에 사용된 원수는 LD medium에 Mn(II) 50 mg/L를 주입한 합성폐수와 D광산의 자연정화시설 유출수를 사용 하였다. D광산의 자연정화시설 유출수의 특성은 Table 1과같이 pH는 4.
이론/모형
- COD측정은 standard method에 준하여 K2Cr2O7법으로 측정하였으며, DOC는 0.45 µm membrane filter로여과한 후 Total Organic Carbon Analyzer (Shimadzu, TOC5000)로 분석하였다.
성능/효과
- 12시간 경과후 결과를 살펴보면 망간 농도 약 100 mg/L를 기점으로 하여 상반된 결과가 나왔는데 저농도(<100 mg/L)에서는 망간 산화가 비교적 빠르게 진행되는데 반해 고농도(>100 mg/L)에서는 24시간 이상의 지체기를 거친 후 망간산화가 발생하였다.
- 3 mg/L로 초기에 비해 감소하였다. 72시간에서 나타난 Mg농도의 증가는 사용원수의 교체에 의한 것으로 교체된 원수의 초기 Mg농도가 14.9 mg/L 더 높았고, Mg 용출량은 큰 차이를 보이지 않았다.
- 실험에 사용된 원수는 LD medium에 Mn(II) 50 mg/L를 주입한 합성폐수와 D광산의 자연정화시설 유출수를 사용 하였다. D광산의 자연정화시설 유출수의 특성은 Table 1과같이 pH는 4.42로 산성을 띄며, Mn, Al, Zn, Fe의 농도는 각각 43.3, 10.5, 7.3, 1.6 mg/L로 Mn을 제외한 다른 중금속은 Fe의 공침에 의해 일정량 처리 된 반면 Mn은 처리되지 않고 고농도로 유출되었다. 또한 탄소원으로 이용되는 DOC (dissolved organic carbon)함량은 21 mg/L로 낮게 나타났다.
- 3 mg/L로 측정되었다. FPU를 통과한 AMD의 pH 상승은 식 (1)에 의해 Mg 용출량을 측정함으로써 수산화기 용출에 의한 것임을 확인하였다. 시간이 지남에 따라 pH는 서서히 감소하기 시작하여 170시간 이후에는 pH 7.
- 이에 따라 MN5의 공급기질에 따른 영향을 평가하기위해 최적 성장조건을 갖춘 LD medium에 유기물의 농도를 추가적으로 조절하여 실험을 실시하였다. LD medium에 포함된 glucose의 농도를 CODCr기준으로 100, 300, 600, 1,000 mg/L 로 조절하여 실험한 결과 24시간 내에 4개의 시료에서 완전한 망간산화가 발생하였다. Glucose 농도에 상관없이 망간 산화가 발생한 것은 LD medium내 yeast extract가 든든한 탄소원으로 작용하고 있기 때문이었으며 이는 glucose를 포함한 LD medium의 초기 CODCr 농도가 3,400~4,400 mg/L 인 것으로 확인할 수 있었다.
- 연구에 사용된 망간산화 미생물은 Pseudomonas sp. MN5로 중금속에 대한 내성이 커서 산성광산배수 사용에 적합하고, 회분식 실험을 통해 최적 pH 7, 최대망간산화속도는 10.4 mg/L h, 그리고 평균망간산화속도는 5.8 mg/L h로 나타났다. 또한 망간농도 100 mg/L까지는 완전산화가 가능하였으며, 처리 대상수에 철분이 포함될 경우 철분의 완전 산화 이후 생물학적 망간산화가 발생하는 것을 확인하였다.
- 0 mg/L h로 각각 산정되었다. 결론적으로 pH 3, 9.5, 11에서는 MOB에 의한 망간산화는 나타나지 않았고, 중성인 pH 7, 8에서는 MOB에 의한 망간 산화가 나타났으나 산화속도가 pH 7에서 빠른 것으로 나타났다. 산성광산배수 자연정화시설 유출수의 pH범위는 대개 4~7로 pH가 중성 범위를 벗어날 때 망간산화 미생물을 적용하기 위해 pH조절이 필요함을 알 수 있었다.
- 결론적으로 매질에 부착된 망간산화미생물에 의해 초기에는 생물학적 망간산화가 발생하지만 시간이 지남에 따라 망간산화미생물의 산소소비에 의해 반응조 내 혐기조건이 형성되어 축적된 망간이 재용출되는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 매질에 망간산화물 부착 후 산성광산배수 자연정화시설 유출수를 바로 적용했을 때도 유사하게 나타났는데이 때는 반응 초기 10시간 동안 망간은 43.
- 운전 36시간까지 망간 산화미생물의 성장 및 증식을 위해 Mn(II) 50 mg/L를 포함한 LD medium을 사용한 후 산성광산배수 자연정화시설 유출수를 유입하였다. 그 결과 Fig. 9에 나타난 바와 같이 망간을 포함한 LD medium에는 12시간과 24시간 이후 Mn(II) 의 농도는 각각 2.3 mg/L, 5.2 mg/L로 감소하였으나, 36시간 이후에는 유출수 농도 130 mg/L로 유입수에 비해 78 mg/L 높은 농도로 유출되었다. 이는 망간산화미생물을 담지하기전 화학적 망간산화에 의해 축적된 망간산화물(MnO2)이 Mn (II)로 환원되면서 나타난 현상으로 판단된다.
- 12시간 경과후 결과를 살펴보면 망간 농도 약 100 mg/L를 기점으로 하여 상반된 결과가 나왔는데 저농도(<100 mg/L)에서는 망간 산화가 비교적 빠르게 진행되는데 반해 고농도(>100 mg/L)에서는 24시간 이상의 지체기를 거친 후 망간산화가 발생하였다. 그리고 24시간 경과 후 초기 망간 농도 약 100 mg/L까지 완전한 산화가 이루어졌으며 그 이상의 농도에서는 망간 제거 효율은 40~60%로 나타났다. 이러한 현상은 100시간이 경과한 후에도 유사하게 나타났으며 이를 통해 초기 망간농도 100 mg/L까지 MN5를 통해 완전 산화가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 또한 망간농도 100 mg/L까지는 완전산화가 가능하였으며, 처리 대상수에 철분이 포함될 경우 철분의 완전 산화 이후 생물학적 망간산화가 발생하는 것을 확인하였다. 단일 탄소원으로 pyruvate가 사용가능하며 음식물폐수에 포함된 유기물의 사용도 가능함을 확인하였다. 망간산화미생물 부착에 사용된 FPU는 알칼리성 물질을 포함하고 있어 산성광산배수의 pH중화에는 효과적이나 망간산화미생물을 부착시켜 운전할경우 반응조 내 용존산소 저감 및 혐기조건 형성으로 망간 재용출 현상이 나타났다.
- 앞선 결과와 마찬가지로 glucose는 망간산화에 큰 영향을 미치지 않았으며, yeast extract를 제외한 시료에서는 망간산화가 발생하지 않았다. 또한 glucose와 yeast extract를 제외하고 pyruvate (COD 기준 1,000 mg/L)를 주입한 시료에서 LD medium과 비슷한 결과가 나타나 MN5를 이용한 생물학적 처리시 pyruvate를 단일 탄소원으로 공급가능하다는 것을 알수 있었다.
- 8 mg/L h로 나타났다. 또한 망간농도 100 mg/L까지는 완전산화가 가능하였으며, 처리 대상수에 철분이 포함될 경우 철분의 완전 산화 이후 생물학적 망간산화가 발생하는 것을 확인하였다. 단일 탄소원으로 pyruvate가 사용가능하며 음식물폐수에 포함된 유기물의 사용도 가능함을 확인하였다.
- 5에서는 초기 보다 망간 농도가 약 5 mg/L 정도 감소하였지만 이는 미생물을 주입하지 않는 실험에서도 유사한 결과가 나와 미생물에 의한 망간산화는 아닌 것으로 판단된다. 또한 망간산화가 발생하는 pH 7, 8에서 미생물을 주입하지 않았을 때는 망간산화가 나타나지 않아 MOB에 의한 생물학적 망간산화 임을 확인하였다. 또한 생물학적 망간산화가 발생하는 pH 7과 pH 8에서는 망간이 0.
- 또한 망간산화가 발생하는 pH 7, 8에서 미생물을 주입하지 않았을 때는 망간산화가 나타나지 않아 MOB에 의한 생물학적 망간산화 임을 확인하였다. 또한 생물학적 망간산화가 발생하는 pH 7과 pH 8에서는 망간이 0.5 mg/L 이하로 산화되는데 소요된 시간이 각각 8시간, 20시간으로 나타났으며, 이 때 평균 망간산화속도는 5.8 mg/L h, 2.0 mg/L h로 각각 산정되었다. 결론적으로 pH 3, 9.
- 또한 중금속에 대한 내성은 Cd < 10 mg/L, Hg < 5 mg/L, Cu <140 mg/L, Ba, Li, Mn < 3,600 mg/L으로서 Ba, Li, Mn에 특히 강한내성을 보이고 있어 산성광산배수 적용에 적합한 것으로 판단되었다.
- 단일 탄소원으로 pyruvate가 사용가능하며 음식물폐수에 포함된 유기물의 사용도 가능함을 확인하였다. 망간산화미생물 부착에 사용된 FPU는 알칼리성 물질을 포함하고 있어 산성광산배수의 pH중화에는 효과적이나 망간산화미생물을 부착시켜 운전할경우 반응조 내 용존산소 저감 및 혐기조건 형성으로 망간 재용출 현상이 나타났다. 망간의 재용출을 방지하기 위해서는 추가적 용존산소 공급이 필요하며 운전 및 운영비용이 적게 되는 자연정화시설의 추가 시설임을 고려해 볼 때 경제적으로 용존산소를 공급할 수 있는 방법이 필요할 것으로 사료된다.
- 5까지 배양된 망간산화미생물이 포함된 LD medium에 Mn(II) 농도를 50 mg/L로 조절하고 재순환을 통해 매질에 망간산화 미생물을 담지하였다. 망간산화미생물담지량은 순환수의 VSS 측정 결과를 통해 확인할 수 있었는데 VSS는 430 mg/L에서 320 mg/L로 20시간 동안 110 mg/L가 감소하였으며, 이를 토대로 하면 매질에 담지된 망간산화미생물량은 5.5 mg biomass/g media로 계산되었다. 또한 Mn(II) 농도는 Fig.
- 본 연구에 사용된 원수는 pH 4.42로 산성을 띄고 있어 앞선 pH 영향의 결과와 같이 pH조절 없이는 망간산화미생물 적용이 불가능하다. 하지만 FPU를 사용할 경우 초기에는 높은 pH (>pH9)에 의해 화학적 망간산화가 가능하고 시간이 지나 중성을 유지하는 구간에서는 MOB에 의한 망간산화가 가능하다.
- 5, 11에서는 MOB에 의한 망간산화는 나타나지 않았고, 중성인 pH 7, 8에서는 MOB에 의한 망간 산화가 나타났으나 산화속도가 pH 7에서 빠른 것으로 나타났다. 산성광산배수 자연정화시설 유출수의 pH범위는 대개 4~7로 pH가 중성 범위를 벗어날 때 망간산화 미생물을 적용하기 위해 pH조절이 필요함을 알 수 있었다.
- 이러한 결과는 여과를 하지 않는 경우 본래 하수에 포함된 미생물의 유기물 섭취능력이 더해졌기 때문으로 판단된다. 음식물 폐수에서는 하수에서보다 더 높은 67.3%의 제거 효율이 나타났으며 DOC는 13,910 mg/L에서 5,005로 8,905 mg/L 감소하였다. 이는 음식물 폐수에는 하수에서 보다 다양한 유기성 물질이 포함되어 있기 때문으로 판단된다.
- 2에 나타내었다. 이 실험은 5번 반복 실험한 결과의 평균으로 LD medium에서 측정된 초기 망간 농도는 46.6 mg/L로 나타났으며 약 9시간 동안 망간 농도의 변화는 나타나지 않았다. 이 후 망간은 산화되기 시작하였으며 11시간 후에 완전 산화되었고, 최대 망간산화속도는 16~18시간 사이에서 10.
- 그리고 24시간 경과 후 초기 망간 농도 약 100 mg/L까지 완전한 산화가 이루어졌으며 그 이상의 농도에서는 망간 제거 효율은 40~60%로 나타났다. 이러한 현상은 100시간이 경과한 후에도 유사하게 나타났으며 이를 통해 초기 망간농도 100 mg/L까지 MN5를 통해 완전 산화가 가능함을 확인할 수 있었다.
- Fe(II)가 완전히 제거된 후 MOB에 의한 망간 산화가 나타났으나 완전 산화되는데 소요시간은 이로부터 약 30시간 후로 망간만 주입 했을 때보다 총 55시간이 더 소요되었다. 이를 통해 MN5을 이용한 생물학적 망간 산화시 철 제거를 위한 처리 방법 및 전처리가 필요함을 확인할 수 있었다.
- 6에 나타내었다. 합성 폐수는 제어군으로 사용하는데 yeast extract 0.5 g/L와 10 mM HEPES를 주입한 결과 15.2%의 제거 효율이 나타났다. 하수에서는 5.
후속연구
- 망간산화미생물 부착에 사용된 FPU는 알칼리성 물질을 포함하고 있어 산성광산배수의 pH중화에는 효과적이나 망간산화미생물을 부착시켜 운전할경우 반응조 내 용존산소 저감 및 혐기조건 형성으로 망간 재용출 현상이 나타났다. 망간의 재용출을 방지하기 위해서는 추가적 용존산소 공급이 필요하며 운전 및 운영비용이 적게 되는 자연정화시설의 추가 시설임을 고려해 볼 때 경제적으로 용존산소를 공급할 수 있는 방법이 필요할 것으로 사료된다.
- 9 mg/L였다. 이와 같은 현상을 방지하기 위해서는 폭기 시설 등 호기조건을 유지할 수 있는 추가적 시설도입이 필요할 것으로 판단되고 이에 대한 후속 연구가 진행될 예정이다.
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