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문제 정의
- 본 연구에서는 박테리아를 활용한 친생태 콘크리트 2차 제품 개발의 기초자료로서 박테리아의 생장환경을 조성할 수 있는 흡착 기술을 제시하고 그를 활용한 모르타르의 친생태성(식물생장성 및 수질정화능력)을 평가하였다. 박테리아는 강알칼리성 환경(pH 10이상)에서 지속적인 생장이 가능하고 식재의 생장 증대 및 수질개선의 효과를 갖는 Bacillus alcalophilus 및 Rhodoblastus acidophilus 균주를 분리, 배양하였다.
- 2012). 이와 같은 제품들은 유해물질 제거, 분해 및 항산화 작용을 활용하여 식물생육 또는 하천의 수질 복원 기능을 통한 생태환경 보존에 도움을 주는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나 콘크리트는 수화과정에서 발생되는 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 영향으로 강알칼리성(pH 11 이상)과 내부 수분 감소로 인한 극건조 환경으로 변화됨에 따라 박테리아의 최적 생장 환경 훼손, 영양분 및 생장처 감소로 인해 투입된 박테리아의 지속생장성 확보가 어려우며, 이로 인해 초기 의도된 콘크리트의 친생태 성능이 떨어질 수 있다(Shin 2014).
제안 방법
- KS L ISO 679에 따라 물-결합재비 50%, 모래-결합재비 3의 모르타르 시험체(50×50×50mm)를 제작하여 하였으며, 항온항습(20℃, 상대습도 60%) 환경에서 양생을 실시하였다.
- 경화된 모르타르에서 박테리아의 생장성을 평가하기 위하여 재령 28일 이후 친생태 모르타르의 표면 및 내부 시료를 채취하여 분말화 하였으며, 이를 Bacillus alcalophilus 및 Rhodoblastus acidophilus가 생장과 증식이 가능한 한천 배지에 접종하였다. 박테리아 종류 및 혼입양이 모르타르의 식물생장성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 조경의 목적으로 사용되는 100×100mm 크기의 들잔디 모종을 증류수에 침지된 친생태 모르타르 표면에 이식하여 재령에 따른 잔디길이 성장을 평가하였다.
- 또한, 양이온 교환용량(120~150meq/100g)이 뛰어나 주변 환경으로부터 교환성 양이온(Ca2+, Mg2+ 등)을 효과적으로 흡수하는 특성을 가지고 있어 박테리아의 흡착에 유리하다. 박테리아 및 유기영양분(배양액)을 팽창질석에 흡착시키기 위해 팽창질석을 박테리아가 접종된 배양액에 72시간 동안 침지한 후, 원심분리법에 의한 개체수 산정(Fig. 3) 및 표면미세구조 분석을 통해 박테리아의 흡착성능을 평가하였다(Fig. 4). 원심분리법에 의한 팽창질석 내부 및 표면의 박테리아 흡착 개체수 평가 결과 Bacillus alcalophilus의 경우 5.
- 박테리아는 강알칼리성 환경(pH 10이상)에서 지속적인 생장이 가능하고 식재의 생장 증대 및 수질개선의 효과를 갖는 Bacillus alcalophilus 및 Rhodoblastus acidophilus 균주를 분리, 배양하였다. 박테리아 생장환경 조성을 위한 쉘터(shelter)로서 보습성 및 이온교환능력(120~150meq/100g)이 우수한 팽창질석을 이용하였다.
- 박테리아 적용을 위해서는 팽창질석을 109 cell/mL의 농도로 배양된 박테리아 배양액에 72시간 동안 침지하였으며, 이를 골재의 부피 대비 5%, 7.5% 및 10%의 치환율로 변화하여 투입하였다.
- 박테리아 종류 및 혼입양이 모르타르의 식물생장성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 조경의 목적으로 사용되는 100×100mm 크기의 들잔디 모종을 증류수에 침지된 친생태 모르타르 표면에 이식하여 재령에 따른 잔디길이 성장을 평가하였다.
- 이 연구에서는 친생태 콘크리트 2차 제품 개발의 기초연구로서 박테리아를 흡착한 팽창질석을 이용하여 친생태 모르타르의 강도발현 및 생태환경영향을 평가하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 특히, 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)에 의해 강알칼리성 환경(pH 11~12)으로 변화하며, 이는 박테리아의 최적 생장환경(pH 4~9) 조성에 있어 가장 큰 저해 요소가 된다. 이를 극복하면서 박테리아의 지속적 생장환경을 조성하기 위하여 팽창질석을 쉘터(shelter)로 활용하였다. 팽창질석은 비교적 중성에 가까운 pH(6~9)를 나타내며, 높은 수분 흡수성 및 보수성 을가지고 있다(Table 4).
- 배양액의 pH는 박테리아 투입시 콘크리트의 강알칼리성 환경의 개선을 위하여 약산성(pH 4~6)으로 하였으며, 구성요소로는 1L의 증류수를 기준으로 beef extract, yeast extract, sodium chloride 및 KH2PO4 등이 사용되었다. 조성이 완료된 배지에 0.1%(v/v)의 박테리아를 접종한 뒤 20~30℃ 환경의 인큐베이터 내에서 7일 동안 배양을 실시하였으며, 광학현미경을 통해 배양결과를 관찰하였다(Fig. 2). 관찰결과 둥근 막대형상의 Bacillus alcalophilus 및 Rhodoblastus acidophilus를 확인 할 수 있었다.
대상 데이터
- 고온(40℃ 이상) 환경에서 생장할 수 있는 박테리아 선별조건은 프리캐스트 콘크리트의 양생환경을 고려한 것이다. 선정된 박테리아는 Bacillus alcalophilus 및 Rhodoblastus acidophilus로서(Fig. 1) 특징은 Table 1과 같다. Bacillus alcalophilus는 그람 양성균으로 운동성이 강한 호기성 균주이며, 높은 pH(8~11) 환경 및 비교적 높은 온도(25~45℃)에서 지속생장과 증식이 가능한 특징을 가지고 있다.
- 수질정화능력 평가의 경우 식물생장 영향평가 결과 비교적 높은 식물생장 증대 효과를 보인 Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석을 10% 혼입한 시험체를 선정하였다. 실제 하천 환경에서의 적용을 고려하여 수원시 광교산에 위치한 광교저수지 하류에서 원수시료를 채취하였으며, 친생태 모르타르를 원수시료에 침지하여 14일 이후의 수질변화를 측정하였으며 결과를 Table 8에 나타내었다.
- 수질정화능력 평가의 경우 식물생장 영향평가 결과 비교적 높은 식물생장 증대 효과를 보인 Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석을 10% 혼입한 시험체를 선정하였다. 실제 하천 환경에서의 적용을 고려하여 수원시 광교산에 위치한 광교저수지 하류에서 원수시료를 채취하였으며, 친생태 모르타르를 원수시료에 침지하여 14일 이후의 수질변화를 측정하였으며 결과를 Table 8에 나타내었다. COD 및 T-N 측정결과 초기 원수시료 농도에 비하여 각각 41% 및 5% 감소하여 원수시료에 비해 정화되는 결과를 보였다.
- 친생태 모르타르 제작을 위하여 시멘트 수화에 따른 극건조, 고온(40℃ 이상) 및 강알칼리성환경(pH 10 이상)에서도 지속 생장과 증식이 가능하며, 식물생장성 증대 및 수질정화 효과를 갖는 균주를 선별하였다. 고온(40℃ 이상) 환경에서 생장할 수 있는 박테리아 선별조건은 프리캐스트 콘크리트의 양생환경을 고려한 것이다.
이론/모형
- 박테리아 흡착재 기반 친생태 모르타르의 기본 역학적 특성 평가를 위해 KS F 4039 및 KS L 5105에 따라 슬럼프 및 재령별 압축강도를 측정하였다. 친생태 모르타르의 pH 및 수질정화특성 (T-N, T-P, BOD, COD)는 각각 KS M 0011와 수질오염공정시험방법에 따라 평가하였다.
- 박테리아 흡착재 기반 친생태 모르타르의 기본 역학적 특성 평가를 위해 KS F 4039 및 KS L 5105에 따라 슬럼프 및 재령별 압축강도를 측정하였다. 친생태 모르타르의 pH 및 수질정화특성 (T-N, T-P, BOD, COD)는 각각 KS M 0011와 수질오염공정시험방법에 따라 평가하였다.
성능/효과
- 1. 모르타르의 압축강도 발현을 고려하면 박테리아를 흡착한 팽창질석의 적절한 치환율(모래 부피대비)은 박테리아 종류에 관계없이 최대 7.5~10% 이하가 추천될 수 있었다.
- 2. 선정분리 된 박테리아 및 약산성의 배양액은 모르타르의 pH 저감에 중요한 영향을 미치지 않았다.
- 3. 재령 28일의 모르타르에서 채취한 박테리아 균주들의 재접종결과 그 생존을 확인할 수 있었다.
- 4. 증류수에 침지된 모르타르 표면에 이식한 잔디들은 박테리아 무혼입의 경우 14일 이후 모두 고사한 반면 박테리아 혼입의 경우에는 박테리아 무혼입 대비 100~220% 이상의 생장율을 보였다.
- 5. 박테리아 혼입 모르타르의 수질정화 평가결과 COD 및 T-N의 경우 초기 원수시료에 비해 각각 41%와 5% 낮은 값을 보였지만, T-P와 BOD의 경우 박테리아 대사과정에 따른 배출물로 인해 그 변화 값은 무의미하였다.
- 팽창질석 무혼입 시험체에 이식된 평대잔디의 경우 재령 14일 이후 길이의 성장없이 고사되었다. Bacillus alcalophilus 기반 팽창질석을 5% 및 7.5% 치환한 모르타르 시험체에 이식된 평대잔디의 경우 재령 14일 까지 약 40~110%의 길이성장을 보였지만 이후 고사되는 모습을 보였다(Table 7). 반면 Bacillus alcalophilus 기반 팽창질석이 10% 치환된 시험체 및 Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석이 치환된 모든 시험체는 재령 28일까지 약 100~222%의 길이성장을 보였으며 고사되지 않았다.
- 실제 하천 환경에서의 적용을 고려하여 수원시 광교산에 위치한 광교저수지 하류에서 원수시료를 채취하였으며, 친생태 모르타르를 원수시료에 침지하여 14일 이후의 수질변화를 측정하였으며 결과를 Table 8에 나타내었다. COD 및 T-N 측정결과 초기 원수시료 농도에 비하여 각각 41% 및 5% 감소하여 원수시료에 비해 정화되는 결과를 보였다.
- 5% 및 10% 혼입한 시험체는 약 5~10% 높은 수준이었다. Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석을 혼입한 시험체의 경우 재령 28일 압축강도는 Bacillus alcalophilus가 혼입된 시험체에 비하여 비교적 낮게 나타났는데, 치환율이 5%, 7.5% 및 10%일 때 각각 38.1MPa, 34.2MPa 및 29.8MPa이었다. 또한, 팽창질석 무혼입 시험체의 재령 28일 압축 강도 비하여 Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석을 7.
- 2). 관찰결과 둥근 막대형상의 Bacillus alcalophilus 및 Rhodoblastus acidophilus를 확인 할 수 있었다.
- 97의 범위로 가장 낮았다. 그러나 박테리아 흡착재 기반 친생태 모르타르의 pH 감소는 팽창질석 무혼입 시험체 대비 약 2~3% 수준으로 큰 차이를 보이지 않았으며, 모르타르의 강알칼리성 저하를 위한 박테리아 약산성(pH 4~6) 배양액의 조성은 별다른 영향을 미치지 못한 것으로 판단된다.
- 8MPa이었다. 또한, 팽창질석 무혼입 시험체의 재령 28일 압축 강도 비하여 Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석을 7.5% 및 10% 혼입한 시험체의 경우 약 8~21% 낮은 수준이었으며, 5% 혼입한 시험체는 약 3% 높은 수준으로 Bacillus alcalophilus를 혼입한 시험체와는 반대의 경향을 보였다. 이는 사용된 팽창질석의 최대 수분흡수율의 차이 및 Bacillus alcalophilus와 Rhodoblastus acidophilus의 특이성이 모르타르의 강도발현에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 원심분리법에 의한 팽창질석 내부 및 표면의 박테리아 흡착 개체수 평가 결과 Bacillus alcalophilus의 경우 5.65×108 cell/mL, Rhodoblastus acidophilus의 경우 3.05×108 cell/mL의 박테리아가 흡착된 것을 확인할 수 있었다.
- 반면 Bacillus alcalophilus 기반 팽창질석이 10% 치환된 시험체 및 Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석이 치환된 모든 시험체는 재령 28일까지 약 100~222%의 길이성장을 보였으며 고사되지 않았다. 특히, Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석이 혼입된 시험체의 경우 치환율이 증가할수록 평대잔디의 길이성장이 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 팽창질석의 치환 비율이 증가함에 따라 흡착된 박테리아의 투입비율은 증가하게 되며, 비교적 다량의 박테리아가 존재하는 모르타르 시험체의 경우가 식물생장 증대에 더 많은 영향을 미치기 때문이라고 판단된다.
- 2MPa이었다. 팽창질석 무혼입 시험체의 재령 28일 압축강도 비하여 Bacillus alcalophilus 기반 팽창질석을 5% 혼입한 시험 체의 경우 약 3% 낮은 수준이었으며, 7.5% 및 10% 혼입한 시험체는 약 5~10% 높은 수준이었다. Rhodoblastus acidophilus 기반 팽창질석을 혼입한 시험체의 경우 재령 28일 압축강도는 Bacillus alcalophilus가 혼입된 시험체에 비하여 비교적 낮게 나타났는데, 치환율이 5%, 7.
- 박테리아 흡착재 치환율에 따른 친생태 모르타르의 플로우 측정 결과는 Table 6에 나타내었다. 팽창질석을 투입하지 않은 시험체의 경우 플로우는 205mm였으며, 박테리아가 흡착된 팽창질석을 골재의 부피대비 10%의 비율로 혼입한 시험체의 경우 90~100mm의 범위로 비교적 낮은 수준이었다. 또한, 박테리아가 흡착된 팽창질석의 치환율이 증가할수록 슬럼프는 감소하였는데, 이는 모르타르 배합 시 팽창질석의 최대 수분흡수율을 고려하여 단위수량을 감소하였기 때문이다.
- 05×108 cell/mL의 박테리아가 흡착된 것을 확인할 수 있었다. 팽창질석의 표면미세구조 분석결과 Bacillus alcalophilus는 비교적 여러 개의 세포로 이루어진 형태의 군락을 형성하였으며, 박테리아 세포벽사이의 치밀한 구조를 확인할 수있었다. Rhodoblastus acidophilus의 경우에는 Bacillus alcalophilus 에 비해 뚜렷한 세포벽 사이의 구조를 확인할 수 없었지만, 다량의 박테리아 군락이 형성된 모습을 확인할 수 있었다.
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