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문제 정의
- 본 연구에서는 대수층 인공함양기술에서 미생물에 의한 수질개선을 이해하기 위해 실험실 규모의 반응기를 이용하여 대수층을 모사한 포화층토양에 하천수를 주입하고 주입한 하천수에 존재하는 NO3-이 포화층의 토착미생물에 의해 제거가 되는지를 확인하고 그 특성을 조사하였다.
제안 방법
- Analytical column AS16 (Dionex)과 guard column AG16(Dionex)이 장착된 IC를 사용하여 NO3- 농도를 분석하였으며 검출한계는 68 μg NO3-/l이었다(Table 1).
- 제거 실험을 수행하였다. 낙동강 하류에서 최근 2년간 측정된 NO3- 농도 범위를 고려해서 4가지 초기 농도(5.07, 6.81, 8.27, 그리고 11.07 mg NO3-/l)를 각각 모사 반응기에 도입함으로써 포화층 토양미생물에 의한 NO3- 제거를 조사하였다. 본 연구에서 사용한 NO3-의 다양한 초기농도에 상관없이 반응기에 유입된 하천수에 포함된 NO3-는 반응기에 체류하는 동안 농도가 감소되는 것이 관찰되었다(Fig.
- 하천수의 총생균수 농도분석에는 문헌[13, 17]에 따라 물에 존재하는 세균계수에 흔히 사용되는 R2A 배지를 사용하였고, 한편 토양의 총생균수분석에는 문헌[1]에 기술된 것과 같이 YEPG배지를 사용하였다. 도말된 각 배지를 25℃에서 3일간 배양 한 후 자란 콜로니를 계수하여 총생균수를 결정하였다. 토양은 문헌[1]에 기술된 것과 같이 0.
- 모사 반응기를 이용하여 포화층 토양 미생물에 의한 낙동강 물의 대표적인 무기오염 물질인 NO3- 제거 실험을 수행하였다. 낙동강 하류에서 최근 2년간 측정된 NO3- 농도 범위를 고려해서 4가지 초기 농도(5.
- 물시료의 음이온 농도는 농도는 ion chromatography (IC)를 사용하여 분석하였다. 반응기의 유입수와 유출수는 주기적으로 채취하여 NO3- 농도와 pH를 분석하였다.
- 반응기에 사용한 하천수와 토양의 총생균수 분석은 시료채취 당일 실험실에서 실시하였다. 시료는 적절히 희석하여 phosphate-buffered saline (pH 7.
- 물시료의 음이온 농도는 농도는 ion chromatography (IC)를 사용하여 분석하였다. 반응기의 유입수와 유출수는 주기적으로 채취하여 NO3- 농도와 pH를 분석하였다. 채취한 시료는 syringe filter (pore size, 0.
- 유입수의 NO3- 농도는 최근 2년간(2011-2012년) 낙동강 하류인 물금지역에서 관찰된 낙동강 수질에 대한 통계[2]를 바탕으로 하였다. 반응기의 유출수 시료는 주기적으로 채취하여 NO3- 농도를 측정하였다. 한편 abiotic control 반응기에는 0.
- 반응기에 사용한 하천수와 토양의 총생균수 분석은 시료채취 당일 실험실에서 실시하였다. 시료는 적절히 희석하여 phosphate-buffered saline (pH 7.4)으로 적절히 연속희석하여 배지에 평판도말 하였다. 하천수의 총생균수 농도분석에는 문헌[13, 17]에 따라 물에 존재하는 세균계수에 흔히 사용되는 R2A 배지를 사용하였고, 한편 토양의 총생균수분석에는 문헌[1]에 기술된 것과 같이 YEPG배지를 사용하였다.
- 85 mm sieve와 2 mm sieve)를 사용하여 사질 토양만을 선별하여 토양반응기내에 균일하고 조밀하게 16 cm 높이로 채워 넣었다. 연동펌프(Masterflex C/L Dual-Channel Variable-Speed Tubing Pump; Cole-Parmer, IL USA)를 사용하여 토양 반응기에 낙동강 하류에서 채취한 하천수를 상향류 방식으로 주입하여 물로 포화된 포화층 토양을 형성하였다. 유입수의 반응기내 체류시간(hydraulic retention time, HRT)을 12시간으로 조정하여 본 연구기간 동안 계속 유지하였다.
- 유입수의 NO3- 농도는 최근 2년간(2011-2012년) 낙동강 하류인 물금지역에서 관찰된 낙동강 수질에 대한 통계[2]를 바탕으로 하였다.
- 연동펌프(Masterflex C/L Dual-Channel Variable-Speed Tubing Pump; Cole-Parmer, IL USA)를 사용하여 토양 반응기에 낙동강 하류에서 채취한 하천수를 상향류 방식으로 주입하여 물로 포화된 포화층 토양을 형성하였다. 유입수의 반응기내 체류시간(hydraulic retention time, HRT)을 12시간으로 조정하여 본 연구기간 동안 계속 유지하였다. 초기 운전기간 동안 토양반응기에 채취한 하천수를 8일간 주입하여 발생하는 유출수의 화학적 성상을 안정화한 후 NO3- 제거 실험을 실시하였다.
- 채취한 시료는 syringe filter (pore size, 0.22 μm)로 여과 후 필요에 따라서는 적당히 희석하여 IC (Dionex ICS-1100; Dionex, Sunnyvale, CA, USA) 분석에 사용하였다.
- 1). 채취한 토양은 2 가지 채(0.85 mm sieve와 2 mm sieve)를 사용하여 사질 토양만을 선별하여 토양반응기내에 균일하고 조밀하게 16 cm 높이로 채워 넣었다. 연동펌프(Masterflex C/L Dual-Channel Variable-Speed Tubing Pump; Cole-Parmer, IL USA)를 사용하여 토양 반응기에 낙동강 하류에서 채취한 하천수를 상향류 방식으로 주입하여 물로 포화된 포화층 토양을 형성하였다.
- 초기 운전기간 동안 토양반응기에 채취한 하천수를 8일간 주입하여 발생하는 유출수의 화학적 성상을 안정화한 후 NO3- 제거 실험을 실시하였다.
- 토양 시료의 수분함량 측정은 채취 당일 실시하였고, 시료는 냉장 보관하여 일주일 내에 그 외의 분석항목은 측정하는데 사용하였다. 토양은 실온에서 3일간 풍건한 후 pH, 토양유기오염물(soil organic matter, SOM), 그리고 밀도를 측정하였다.
- 도말된 각 배지를 25℃에서 3일간 배양 한 후 자란 콜로니를 계수하여 총생균수를 결정하였다. 토양은 문헌[1]에 기술된 것과 같이 0.1% (w/v) sodium pyrophosphate buffer (pH 7.2)에서 1분간 강하게 vortex 하여 토양입자로부터 미생물을 유리시킨 후 연속희석 하였다.
- 토양 시료의 수분함량 측정은 채취 당일 실시하였고, 시료는 냉장 보관하여 일주일 내에 그 외의 분석항목은 측정하는데 사용하였다. 토양은 실온에서 3일간 풍건한 후 pH, 토양유기오염물(soil organic matter, SOM), 그리고 밀도를 측정하였다. 한편 물 시료는 Multimeter (Model 915PDC; ISTEK, Inc.
- 토양의 포화층을 모사하기 위해 SpectraChrom HPLC glass column (Spectrum Chromatography; TX, USA)을 실험실 규모(2.5 cm I.D. X 20 cm length)의 토양 반응기로 사용하였다(Fig. 1). 채취한 토양은 2 가지 채(0.
- 4)으로 적절히 연속희석하여 배지에 평판도말 하였다. 하천수의 총생균수 농도분석에는 문헌[13, 17]에 따라 물에 존재하는 세균계수에 흔히 사용되는 R2A 배지를 사용하였고, 한편 토양의 총생균수분석에는 문헌[1]에 기술된 것과 같이 YEPG배지를 사용하였다. 도말된 각 배지를 25℃에서 3일간 배양 한 후 자란 콜로니를 계수하여 총생균수를 결정하였다.
- 반응기의 유출수 시료는 주기적으로 채취하여 NO3- 농도를 측정하였다. 한편 abiotic control 반응기에는 0.04% (w/v) NaN3를 유입수에 첨가해서 유입수와 토양의 미생물 활성을 억제시킨 후 동일하게 실험하였다. 본 연구기간 동안 모든 반응기는 어두운 항온기(25℃)내에 설치하여 운전하였다.
- 토양은 실온에서 3일간 풍건한 후 pH, 토양유기오염물(soil organic matter, SOM), 그리고 밀도를 측정하였다. 한편 물 시료는 Multimeter (Model 915PDC; ISTEK, Inc.,Korea)를 사용하여 온도, DO, pH, 그리고 전기 전도도(conductivity)를 측정하였다. 한편 용존유기탄소(Doc)와 용해된 무기원소는 Toc analyzer (Sievers InnovOx Toc; GE analytical instruments, Boulder, CO, USA)와 ICP-AES(Activa; JY Horiva, Japan)를 각각 사용하여 측정하였다.
- 한편 용존유기탄소(Doc)와 용해된 무기원소는 Toc analyzer (Sievers InnovOx Toc; GE analytical instruments, Boulder, CO, USA)와 ICP-AES(Activa; JY Horiva, Japan)를 각각 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
- Analytical column AS16 (Dionex)과 guard column AG16(Dionex)이 장착된 IC를 사용하여 NO3- 농도를 분석하였으며 검출한계는 68 μg NO3-/l이었다(Table 1). IC 분석에 사용한 표준시약은 AccuStandard Inc. (New Haven, CT, USA)에서 구매하였다.
- NO3- 제거 실험에는 채취한 하천수에 인위적으로 NO3-를 용해한 유입수를 사용하였다. 유입수의 NO3- 농도는 최근 2년간(2011-2012년) 낙동강 하류인 물금지역에서 관찰된 낙동강 수질에 대한 통계[2]를 바탕으로 하였다.
- 본 연구에 사용된 ammonium nitrate (NH4NO3; 순도>99%)와 sodium azide (NaN3; 순도 98%)는 ACROS Organics(New Jersey, USA)와 Junsei Chemical Co., Ltd. (Tokyo, Japan)에서 각각 구입하였다.
- 본 연구에서 사용한 실험실 규모 반응기에 유입된 하천수와 충진된 토양은 낙동강 하류 지점의 낙동강물과 인근 토양을 각각 사용하였다. 하천수는 부산광역시 사상구에 위치한 삼락 공원지역에서 채취하였으며, 한편 토양시료는 물 시료를 채취한 지점 근처(물과 토양 경계지점에서 1 m 떨어진 곳)의 표토를 채취하여 실험실규모 반응기에 충진하였다.
- 하천수는 부산광역시 사상구에 위치한 삼락 공원지역에서 채취하였으며, 한편 토양시료는 물 시료를 채취한 지점 근처(물과 토양 경계지점에서 1 m 떨어진 곳)의 표토를 채취하여 실험실규모 반응기에 충진하였다. 본 연구에서 사용한 표토는 지표에서 30 cm 밑 지점에서 채취하였다. 물과 토양 시료의 채취는 각각 수질오염공정시험기준[14]와 토양오염공정시험기준[15]에 준하여 실시하였다.
- 본 연구에서는 대수층토양을 모사하기 위해 인위적으로 형성시킨 포화층토양을 이용하여 실험하였다. 실제 대수층에서 채취한 토양을 사용하면 대수층의 생물학적 수질개선을 이해하는데 더 도움을 줄 것으로 여겨진다.
- 물과 토양 시료의 채취는 각각 수질오염공정시험기준[14]와 토양오염공정시험기준[15]에 준하여 실시하였다. 채취한 시료들은 ice box에 담아 당일 동아대학교 토양환경연구실의 실험실로 운반하였다. 채취한 하천수는 GFC filter (Whatman, Ltd.
- 본 연구에서 사용한 실험실 규모 반응기에 유입된 하천수와 충진된 토양은 낙동강 하류 지점의 낙동강물과 인근 토양을 각각 사용하였다. 하천수는 부산광역시 사상구에 위치한 삼락 공원지역에서 채취하였으며, 한편 토양시료는 물 시료를 채취한 지점 근처(물과 토양 경계지점에서 1 m 떨어진 곳)의 표토를 채취하여 실험실규모 반응기에 충진하였다. 본 연구에서 사용한 표토는 지표에서 30 cm 밑 지점에서 채취하였다.
- 하천수의 총생균수 조사에는 R2A배지(Becton Dickinson & Co.; NJ, USA)를 사용하였다.
이론/모형
- 22 μm)로 여과 후 필요에 따라서는 적당히 희석하여 IC (Dionex ICS-1100; Dionex, Sunnyvale, CA, USA) 분석에 사용하였다. IC를 사용한 NO3-의 분석은 수질오염공정시험기준[14]에 따라 실시하였다. Analytical column AS16 (Dionex)과 guard column AG16(Dionex)이 장착된 IC를 사용하여 NO3- 농도를 분석하였으며 검출한계는 68 μg NO3-/l이었다(Table 1).
- 본 연구에서 사용한 표토는 지표에서 30 cm 밑 지점에서 채취하였다. 물과 토양 시료의 채취는 각각 수질오염공정시험기준[14]와 토양오염공정시험기준[15]에 준하여 실시하였다. 채취한 시료들은 ice box에 담아 당일 동아대학교 토양환경연구실의 실험실로 운반하였다.
- 한편 용존유기탄소(Doc)와 용해된 무기원소는 Toc analyzer (Sievers InnovOx Toc; GE analytical instruments, Boulder, CO, USA)와 ICP-AES(Activa; JY Horiva, Japan)를 각각 사용하여 측정하였다. 토양의 수분함량과 pH는 토양오염공정시험기준[15]에 의해 측정하였고, SOM의 농도와 토양밀도는 문헌[21]에 기술된 것과 같이 실시하였다.
성능/효과
- 농도는 거의 차이가 없었다(데이터 제시 안됨). 그래서 본 연구를 통해 본 실험조건하에서 포화층의 토착 미생물에 의해 인공함양된 하천수에 존재하는 NO3-이 제거됨을 알 수 있었다. NaN3는 미생물활성을 억제하므로 control 실험에 첨가하여 물이나 토양에서 미생물에 의한 오염물질 제거를 연구하는데 사용되었다[3, 11, 18, 20].
- 본 실험기간 동안 모사반응기로부터 발생한 유출수는 평균 pH 7.98을 유지하였다(Fig. 3). 유입수와 유출수의 pH는 큰 차이는 없었으나, 유출수의 pH가 평균 0.
- 49 mg NO3-/l 이하를 유지하였다. 본 연구에서 관찰된 유출수의 이 NO3-농도는 상수원수를 취수하는 물금 취수장에서 측정된 낙동강물의 최근 2년의 평균 농도(2011년, 9.7 mg NO3-/l; 2012년, 8.4 mg NO3-/l)보다 낮으며, 2012년도 최저 농도(3.5 mg NO3-/l)보다도 낮다. 한편 NO3- (또는 NO3-N) 농도에 대한 상수원수의 수질기준은 정해지지 않았다.
- 07 mg NO3-/l)를 각각 모사 반응기에 도입함으로써 포화층 토양미생물에 의한 NO3- 제거를 조사하였다. 본 연구에서 사용한 NO3-의 다양한 초기농도에 상관없이 반응기에 유입된 하천수에 포함된 NO3-는 반응기에 체류하는 동안 농도가 감소되는 것이 관찰되었다(Fig. 2). 반응기 운전 7일과 19일째에 새 batch의 유입수를 각각 주입하고 1일 후 관찰된 유출수의 NO3- 농도가 다른 때보다 비교적 높게 나온 것을 제외하고는 본 실험기간 동한 유출수는 1.
- 3). 유입수와 유출수의 pH는 큰 차이는 없었으나, 유출수의 pH가 평균 0.29 정도 낮은 것으로 나타났다. 유출수의 최대 pH는 8.
- 모사반응기내의 포화층 토양을 구축하는데 사용된 사질토양의 성상은 Table 3과 같다. 토양의 pH는 7.53이었고 SOM과 공극율은 각각 4.75%와 39.10% 이었다. 한편 토양의 총생균수는 1.
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