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문제 정의
- BM 제제 주입에 따른 유해물질 처리 특성을 파악하기 위하여 유입수 및 유출수의 미량 성분을 주기적으로 분석하였으다. 유기성분은 Purge & Trap(O.
- 또한 BM 제제를 첨가한 슬러지와 첨가하지 않은 슬러지의 EPS(Extracellar Polymetric Substances) 성분을 정량하여 BM제제 주입에 따른 오수처리 능력의 차이를 규명하고자 하였다.
- 본 연구에서는 선박오수의 생물학적 처리 시 안정적인 처리효율을 확보하기 위하여 유해물질의 유입에 따른 생물학적 처리 효율 저하에 대한 대안책으로 BM의 적용을 검토하였다. 이를 위하여 기존의 SBR 프로세스를 활성슬러지로 운영한 경우와 활성슬러지에 BM을 추가 주입하여 운영하여 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 선박오수의 생물학적 처리시 발생할 수 있는 문제 해결과 안정적인 수처리 효율을 확보하기 위하여 BM의 적용을 검토하였다. 이를 위하여 기존의 SBR 프로세스를 활성슬러지로 운영하는 경우를 run-1, 활성슬러지에 BM을 추가 주입하여 운영한 경우를 run-2로 하여 결과를 비교 관찰하였으며, Lab scale로 제작한 실험장치의 개략도를 Fig.
- 이에 본 연구에서는 선박환경에 적합한 SBR 공정을 도입하여 기초실험을 수행하였으며, BM 미생물 제제를 추가 주입하여 유해물질 유입에 따른 생물학적 처리 장치의 효율 저하 문제에 대한 대처법을 찾고자 하였다.
제안 방법
- 각 공정 내 미생물의 생장 환경 확인을 위하여 pH, DO, 온도, ORP, SV30을 지속적으로 측정하였고, 슬러지의 현미경 관찰과 생균수 확인을 통하여 미생물 생장 상태의 정상 여부를 판단하였다.
- 반응기는 2010년 1월부터 2010년 3월까지 약 3개월 동안 연속 운전하였으며, 수온은 20℃로 유지하고, DO 2.0～ 5.0 mg/L, pH 6.5 ～ 7.5, F/M비 0.15 kg·BOD/kg·MLVSS·DAY로 운전하였다.
- 반응조 가동에 사용한 시료는 한국해양대학교 학생기숙사에서 발생되는 오수에 한국해양대학 학생들의 도색작업 실습으로 발생한 폐수를 인위적으로 혼입하여 현장 실험과 가까운 데이터를 얻을 수 있도록 하였다. 기숙사 오수는 선박오수의 일반적인 조성과 매우 유사하였고 시간대에 따라 배출량과 농도 편차가 심한 특성도 선박오수와 유사하게 나타났다.
- 반응조의 슬러지는 현미경 관찰과 MLSS, SV30, 생균수 확인을 통하여 미생물 생장 상태의 정상여부를 판단하였다.
- 복합미생물을 이용한 선박오수 처리의 적용 가능성을 검토하기 위하여 다른 조건들은 동일하게 유지하고 BM 제제를 주입하면서 반응기를 운영하여 그 결과를 비교하였다. BM 제제는 원액(B사, BM-S-1)을 구매하여 50배 희석한 후 사용하였으며, BM 제제가 안정적으로 식종될 수 있도록 초기에는 슬러지 부피의 10%에 해당하는 양의 희석액을 반응조에 3일간 주입하고, 이후 반응조 운영시에는 유입수 부피의 1%에 해당하는 양을 유입수에 섞어 주입하였다.
- 우선 실험에 사용된 활성슬러지와 BM 제제 식종 슬러지의 미생물 조성을 조사하기 위하여 반응기 내 슬러지를 채취하여 순수배양하였다. 순수 배양한 미생물은 미생물자동동정기(VITEK2 Compact, Biomeroeux)로 동정하거나 16S rDNA법으로 분석하였다.
- 의 우점화를 위해 B3공법으로 운전하고 있는 P-분뇨처리장(부산 감전동)의 폭기조 내 농축 슬러지를 채취하여 사용하였다. 슬러지는 체를 이용한 협작물 제거와 수 차례의 세척과정을 거친 후 10일간 인공 폐수를 이용한 기질 적응기간을 두어 공정에 투입하였으며, MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도는 약 3000 mg/L 정도를 유지하여 운전하였다.
- 우선 실험에 사용된 활성슬러지와 BM 제제 식종 슬러지의 미생물 조성을 조사하기 위하여 반응기 내 슬러지를 채취하여 순수배양하였다. 순수 배양한 미생물은 미생물자동동정기(VITEK2 Compact, Biomeroeux)로 동정하거나 16S rDNA법으로 분석하였다.
- 유출수에 함유되어 있는 미량 유기화합물의 성분을 파악하고자 Purge & Trap을 이용한 GC/MSD Scan 모드로 성분들을 분석하였으며, BM 제제 주입 시와 주입하지 않은 유출수의 크로마토그램을 비교하여 Fig. 4 에 나타내었다.
- 본 연구에서는 선박오수의 생물학적 처리시 발생할 수 있는 문제 해결과 안정적인 수처리 효율을 확보하기 위하여 BM의 적용을 검토하였다. 이를 위하여 기존의 SBR 프로세스를 활성슬러지로 운영하는 경우를 run-1, 활성슬러지에 BM을 추가 주입하여 운영한 경우를 run-2로 하여 결과를 비교 관찰하였으며, Lab scale로 제작한 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 도시하였다.
- 본 연구에서는 선박오수의 생물학적 처리 시 안정적인 처리효율을 확보하기 위하여 유해물질의 유입에 따른 생물학적 처리 효율 저하에 대한 대안책으로 BM의 적용을 검토하였다. 이를 위하여 기존의 SBR 프로세스를 활성슬러지로 운영한 경우와 활성슬러지에 BM을 추가 주입하여 운영하여 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 반응기 운영 기간 중 도색 폐수 유입 시 ICP 분석 결과에서는 도료로부터 함유되었을 것으로 추정되는 Pb과 Cr 및 Zn, As, Cu 등의 중금속이 검출되었다. 이에 생물학적 처리에 의한 중금속 제거 특성을 파악하고자 BM 제제를 주입 전후의 중금속 제거효율을 비교하였다.
대상 데이터
- 복합미생물을 이용한 선박오수 처리의 적용 가능성을 검토하기 위하여 다른 조건들은 동일하게 유지하고 BM 제제를 주입하면서 반응기를 운영하여 그 결과를 비교하였다. BM 제제는 원액(B사, BM-S-1)을 구매하여 50배 희석한 후 사용하였으며, BM 제제가 안정적으로 식종될 수 있도록 초기에는 슬러지 부피의 10%에 해당하는 양의 희석액을 반응조에 3일간 주입하고, 이후 반응조 운영시에는 유입수 부피의 1%에 해당하는 양을 유입수에 섞어 주입하였다.
- 을 우점종으로 하여 연구하였으며, 초기 Bacillus sp.의 우점화를 위해 B3공법으로 운전하고 있는 P-분뇨처리장(부산 감전동)의 폭기조 내 농축 슬러지를 채취하여 사용하였다. 슬러지는 체를 이용한 협작물 제거와 수 차례의 세척과정을 거친 후 10일간 인공 폐수를 이용한 기질 적응기간을 두어 공정에 투입하였으며, MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도는 약 3000 mg/L 정도를 유지하여 운전하였다.
이론/모형
- 유기성분은 Purge & Trap(O.I4560, VOCARBTM Trap)법으로 전처리하여 GC/MSD(Agilent 6590/5973N) Scan mode로 분석하고, 중금속은 ICP(Perkin Elmer, OPTIMA2000DV)를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 1. 기존의 활성슬러지는 B.subtilis, B.cereus, B.valismortis, B.megaterium 등으로 구성되어 있는 반면 BM 제제는 Pyrosequencing 결과 130종의 다양한 세균 및 효모로 구성되어 있어 오·폐수 내 유해물질 처리에 유리한 미생물종이 더 다양하게 존재하는 것으로 나타났으며 미생물의 개체수 또한 더 높게 나타났다.
- 2. BM 제제의 주입에 의해 슬러지의 EPS의 함량이 단백질과 탄수화물의 합으로 약 40% 정도 높아졌으며 이로써 유분 유입에 따른 슬러지 팽화현상을 제어할 수 있었다.
- 3. 기존의 SBR 공정에서 BM 제제를 주입하는 것에 의하여 휘발성 유기화합물과 같은 유기유해물질이 생분해 되는 것을 확인할 수 있었으며, 중금속과 같은 무기유해물질도 70% 이상의 안정적인 처리효율을 확보할 수 있었다.
- BM 제제를 주입한 경우 예상대로 미생물종의 다양성과 함께 높은 미생물 개체수를 보였으며, 이러한 미생물의 조성의 차이에 기인하여 유해물질의 처리에 있어서도 안정적인 수처리 효율을 확보할 수 있었던 것으로 판단된다.
- SVI 측정과 현미경 관찰을 통해 BM 제제 주입 시 슬러지의 침강성이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 본 실험에서도 Yu(2005)의 연구 결과와 유사하게 BM 제제의 주입에 의해 슬러지의 EPS 함량이 단백질과 탄수화물의 합으로 약 40% 정도 높아졌다. 이는 BM 제제가 슬러지의 활성을 향상시켜 EPS의 분비가 증가된 결과로 해석되며, 결과적으로 슬러지의 침강성도 향상시킨진 것으로 판단된다.
- 089 ppm이었다. run-1과 run-2의 유출수에서 Cr은 모두 검출되지 않았으며 Cu는 run-1과 run-2의 유출수에서 모두 평균 0.017 ppm으로 유입수 대비 평균 80% 정도 제거율을 나타내며 그 처리 효율은 별다른 차이를 보이지 않았다.
- 기간 내 유입수의 Pb 평균농도는 0.282 ppm, Zn 1.243 ppm, As 0.016 ppm으로 나타났으며, run-1 유출수의 Pb 농도는 평균 0.014 ppm, Zn 0.983 ppm, As 0.013 ppm으로 나타나 run-1에서는 Pb의 경우 50% 정도, Zn과 As의 경우 매우 낮은 처리 효율을 보였다. 반면, BM 제제를 주입하여 장치 운영한 run-2에서의 평균 유출농도는 Pb 0.
- 반응조 가동에 사용한 시료는 한국해양대학교 학생기숙사에서 발생되는 오수에 한국해양대학 학생들의 도색작업 실습으로 발생한 폐수를 인위적으로 혼입하여 현장 실험과 가까운 데이터를 얻을 수 있도록 하였다. 기숙사 오수는 선박오수의 일반적인 조성과 매우 유사하였고 시간대에 따라 배출량과 농도 편차가 심한 특성도 선박오수와 유사하게 나타났다. 또한 유입 오·폐수에는 도료로부터 배출되었을 것으로 추정되는 유분, 톨루엔 등의 VOCs류와 Pb 등의 중금속 성분이 함유되어 있었다.
- 단 난분해성 유기물질에 있어서는 BM 제제에 의한 강력한 분해력을 확인할 수 있었으며, 미생물의 활성을 저하할 수 있는 독성 유기물에 대한 순응력도 BM 제제를 주입한 경우 더 높을 것으로 사료된다. 이에 안정적인 생물학적 처리 효율 유지를 위해 BM제제의 적용은 매우 유용한 방안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 BM 주입 5일 이후 SVI는 150∼170 정도로 낮아졌고 이후 SVI는 100∼110으로 관측되어 정상적인 SVI 값을 보이며 안정된 수치를 나타내었다.
- 4 와 같이 run-2에서는 run-1보다 검출된 피크의 수와 피크의 강도가 매우 작게 나타났다. 또한 크로마토그램에서 보여지듯 run-2에서 검출된 피크는 대부분 RT(Retention time)가 짧은분자량이 작은 유기물인 반면 run-1에서는 run-2보다 분자량이 큰 유기물들이 검출되는 특징을 나타내었으며, 알데하이드, 알콜류 등의 유기물질도 미량 검출되었다. 이에 활성슬러지로 운영 시와 BM 제제를 주입한 두 경우에서 유입수의 특성상 COD, BOD와 같은 총괄적인 유기물의 제거효율은 크게 상이하지 않았으나, 크로마토그램의 피크 패턴으로 미루어 고분자 물질의 산화력이나 특정 유해 성분을 산화시킬 수 있는 분해력은 복합미생물 군집체인 BM 제제의 경우가 더 높을 것으로 판단된다.
- 활성슬러지를 이용한 run-1에서 공정 내 반응조의 미생물은 Bacillus sp.로 우점화되어 있었으며, run-2 공정에 주입한 BM 제제는 Pyrosequencing 결과와 미생물자동동정기(VITEK2Compact, Biomeroeux)로 동정한 결과 130종의 다양한 세균 및 효모로 구성되어 있었다. BM 종균에서 동정된 유산균 균주들은 불용성 염도 가용화 하는 것으로 보고되고 있으며(Lee, 2009), 동정된 메탄올 자화성 효모(Methanol-assimilatin yeast)인 Candida boidinii는 증식속도가 빠르고 생장환경이 넓으며 효소생성능력이 높을뿐 아니라 페놀화합물의 분해능 또한 높아 수처리에 매우 유용한 미생물로 알려져 있다((Assiam.
- 013 ppm으로 나타나 run-1에서는 Pb의 경우 50% 정도, Zn과 As의 경우 매우 낮은 처리 효율을 보였다. 반면, BM 제제를 주입하여 장치 운영한 run-2에서의 평균 유출농도는 Pb 0.005 ppm, Zn 0.358 ppm, As 0.004 ppm으로 나타나 Pb 80%, Zn 70%, As 70% 정도의 확연히 높은 제거효율을 나타냈다. run-1과 run-2에서의 Cu, Pb, Zn, As의 제거효율을 Fig.
- 슬러지의 팽화를 제어하고자 슬러지 침강성 향상을 위하여 50배 희석한 BM 제제를 1일 1회 슬러지 부피의 10% 비율로 주입한 결과 아크릴 반응기 내 수면 위에 떠 있던 유분층은 사라지며 슬러지 플럭도 안정적으로 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 BM 주입 5일 이후 SVI는 150∼170 정도로 낮아졌고 이후 SVI는 100∼110으로 관측되어 정상적인 SVI 값을 보이며 안정된 수치를 나타내었다.
- 슬러지의 현미경 관찰 결과 장치 운영기간 동안 반응조 내 슬러지는 전반적으로 정상적인 플록을 형성하고 있었다. 활성슬러지로 운영 시 평균 SVI(Sludge Volume Index)는 117을 나타내었으며 BM 제제 주입 시 SVI는 거의 일정하게 평균 105를 나타내었다.
- 유입수에서 검출된 벤조인산의 경우에서도 동일한 같은 결과가 도출되었으며, run-1의 유출수에서는 벤조인산은 분해되지 않고 Fig. 6과 같이 검출된 반면 BM 제제를 주입한 run-2의 유출수에서는 관련 화합물은 검출되지 않았다.
- SVI 측정과 현미경 관찰을 통해 BM 제제 주입 시 슬러지의 침강성이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 본 실험에서도 Yu(2005)의 연구 결과와 유사하게 BM 제제의 주입에 의해 슬러지의 EPS 함량이 단백질과 탄수화물의 합으로 약 40% 정도 높아졌다. 이는 BM 제제가 슬러지의 활성을 향상시켜 EPS의 분비가 증가된 결과로 해석되며, 결과적으로 슬러지의 침강성도 향상시킨진 것으로 판단된다.
- 실험에 사용된 기숙사 오수의 경우 유입수의 유기물의 농도가 매우 낮아 F/M비가 매우 낮게 나타났으며, 전체적으로 생물학적 처리 가능한 유기물로 구성되어 있었다. 이에 운영기간 동안 run-1, run-2 두 공정 모두에서 BOD5의 경우 처리효율은 95%, CODCr의 경우 93%를 상회하였다.
- 또한 크로마토그램에서 보여지듯 run-2에서 검출된 피크는 대부분 RT(Retention time)가 짧은분자량이 작은 유기물인 반면 run-1에서는 run-2보다 분자량이 큰 유기물들이 검출되는 특징을 나타내었으며, 알데하이드, 알콜류 등의 유기물질도 미량 검출되었다. 이에 활성슬러지로 운영 시와 BM 제제를 주입한 두 경우에서 유입수의 특성상 COD, BOD와 같은 총괄적인 유기물의 제거효율은 크게 상이하지 않았으나, 크로마토그램의 피크 패턴으로 미루어 고분자 물질의 산화력이나 특정 유해 성분을 산화시킬 수 있는 분해력은 복합미생물 군집체인 BM 제제의 경우가 더 높을 것으로 판단된다.
- 난분해성 물질의 생분해를 위해서는 적절한 효소가 필요하며, 방향족 고리의 분열은 분열에 앞서 Monooxygenase에 의해 산소 분자가 방향족 고리에 도입되는 것으로 생화학적 분해 경로가 알려져 있다. 톨루엔과 벤조인산이 함유된 시료의 처리 결과로 유추해볼 때 BM 제제를 주입한 경우가 단순 활성슬러지보다 함유된 미생물 종의 다양성 및 높은 개체수에 기인하여 분비 효소의 종류와 분비량 면에서 우월하고 유해화합물에 순응할 수 있는 미생물이 더 많이 존재할 것으로 예측된다. 이에 일반적인 생물학적 처리가 어려운 난분해성 물질을 함유한 폐수에 있어서 BM 제제의 적용은 매우 유용할 것으로 판단되나, 체계적인 자료의 적립을 위해서는 다양한 처리 대상 목표 화합물에 대한 분해 여부 파악과 분해메커니즘을 정확하게 규명하기 위한 정밀한 시험이 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
- 활성슬러지로 운전하면서 도료를 함유한 폐수를 유입하여 반응기를 관찰한 결과 아크릴 반응기 내 수면 위로 유분이 뜨는 것을 확인할 수 있었으며 SVI값이 285, 320을 나타내며 팽화현상이 발생되었다.
후속연구
- 4. 또한 이러한 결과는 여타의 시설 추가 없이 기존의 활성슬러지에 BM 제제를 주입하는 것만으로 얻을 수 있어 선박 환경에서 매우 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 유효미생물(BM, Beneficial Microorganisms)은 수처리에 매우 유용한 것으로 알려져 있으며 매우 다양한 종류의 미생물 복합체이다. 또한 생물학적 수처리에 적용할 경우 기존 시설에 여타의 시설 추가 없이 활성슬러지에 BM 제제를 주입하는 것만으로 상승효과를 얻을 수 있어 생물학적 처리시 발생할 수 있는 문제의 해결책으로 그 적용이 매우 용이할 것으로 판단된다
- 단 난분해성 유기물질에 있어서는 BM 제제에 의한 강력한 분해력을 확인할 수 있었으며, 미생물의 활성을 저하할 수 있는 독성 유기물에 대한 순응력도 BM 제제를 주입한 경우 더 높을 것으로 사료된다. 이에 안정적인 생물학적 처리 효율 유지를 위해 BM제제의 적용은 매우 유용한 방안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 톨루엔과 벤조인산이 함유된 시료의 처리 결과로 유추해볼 때 BM 제제를 주입한 경우가 단순 활성슬러지보다 함유된 미생물 종의 다양성 및 높은 개체수에 기인하여 분비 효소의 종류와 분비량 면에서 우월하고 유해화합물에 순응할 수 있는 미생물이 더 많이 존재할 것으로 예측된다. 이에 일반적인 생물학적 처리가 어려운 난분해성 물질을 함유한 폐수에 있어서 BM 제제의 적용은 매우 유용할 것으로 판단되나, 체계적인 자료의 적립을 위해서는 다양한 처리 대상 목표 화합물에 대한 분해 여부 파악과 분해메커니즘을 정확하게 규명하기 위한 정밀한 시험이 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
- 이에 BM 제제를 식종한 슬러지에서 관찰된 안정적인 특성으로 미루어 생물학적 처리 시 발생할 수 있는 문제에 대한 대비책으로 BM 제제의 적용은 매우 간단한 해결방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.
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