[논문]이산화염소를 이용한 선박평형수 내 지표 미생물 불활성화

박종훈; 심영보; 강신영; 김상현

doi:10.17820/eri.2018.5.3.111

[국내논문] 이산화염소를 이용한 선박평형수 내 지표 미생물 불활성화
Inactivation of Indicating Microorganisms in Ballast Water Using Chlorine Dioxide 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.5 no.3, 2018년, pp.111 - 117

박종훈 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 심영보 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 강신영 (대구대학교 환경공학과) , 김상현 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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선박평형수 처리에의 적용을 목적으로 다양한 미생물 농도, 소독제 주입량, pH 조건에서 이산화염소의 소독 효과를 조사하였다. 살균 반응 속도 및 소독 부산물 생성 여부는 선박평형수 처리에 일반적으로 사용되는 소독제인 염소와 비교 평가하였다. 선박평형수 배출 규제 항목인 E. coli 와 Enterococcus의 이산화염소에 의한 사멸 효과는 유사 2차 반응으로 모사하였다. 선박평형수 처리를 위한 최적 이산화염소 투입 농도는 1 mg/L으로 나타났다. pH 7.2 - 9.2 범위에서 이산화염소의 살균 반응 속도 상수의 변화폭이 5% 이내였던데 비해 같은 유효염소 농도에서의 염소의 살균 반응 속도 상수는 E. coli 기준 17%, Enterococcus 기준 25% 감소하여 약 염기성인 선박평형수의 소독에 이산화염소가 염소에 비해 효과적임을 확인하였다. 또한 생태계를 교란할 수 있는 소독 부산물 생성에 있어서도 염소에 비해 현격히 낮은 결과를 보였다. 소독 후 장기 보관 시 30일까지는 지표 세균 및 플랑크톤의 재증식은 발견되지 않았다. 이산화염소는 선박평형수에 적합한 소독제로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Disinfection of ballast water using chlorine dioxide was investigated under various initial microorganism contents, dose concentrations and pH values. Kinetics of microorganism inactivation and byproduct generation of chlorine dioxide treatment were compared with the chlorine treatment. Results of treatments with chlorine dioxide concentrations of 0 to $10mg\;Cl_2/L$ showed that The optimum concentration of chlorine dioxide required for disinfection of ballast water was 1 mg/L. The difference among the second order reaction constants for bacterial disinfection at pH 7.2 to 9.2 for chlorine dioxide was less than 5% for both bacteria. This result implied that the bactericidal effects of chlorine dioxide was independent of the pH in the examined range. On the other hand, the inactivation kinetics of chlorine for E. coli and Enterococcus decreased by 17% and 25%, respectively, when pH increased from 7.2 to 9.2. The bactericidal power of chlorine dioxide was superior to sodium hypochlorite above pH 8.2, the average pH value of sea water. Furthermore, treatments of chlorine dioxide generated less harmful byproducts than chlorine and had a long-term disinfection effect on bacteria and phytoplankton from the results of experiment for 30 days. Chlorine dioxide would be a promising alternative disinfectant for ballast water.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2014). 본 연구에서는 강력한 산화제로 알려져 있는 이산화염소 (ClO₂)의 해수 내 미생물 사멸 능력을 염소와 비교 평가하여 선박평형수 처리에 대한 적용 가능성을 타진하였다. 선박평형수를 모사한 다양한 미생물농도, 소독제 주입량, pH 조건에서 이산화염소의 소독효과를 조사하고, 살균 반응 속도 및 소독 부산물 생성여부를 선박평형수 처리에 일반적으로 사용되는 소독제인 염소와 비교 평가하였다.

제안 방법

coli 및 Enterococcus 반응 해석 최적화를 위한 모델링결과 2차 반응의 반응상수 (k) 및 결정계수 (R²)가 1차반응의 반응상수 및 결정계수에 비해 반응 해석에 적합한 것으로 판단되어 차후 실험 결과 해석은 Eq. 2를 이용하여 세균 농도에 대한 2차 반응으로 해석하였다. 한편 E.
이산화염소 및 염소 농도는 Standard Methods (APHA1998)의 DPD ferrous titrimetric method (4500-Cl-F)로 측정하였다. E. coli, Enterococcus, heterotrophicbacteria 농도는 IDEXX laboratories Inc. (Maine, USA)의 Colilert18, Enterolert, HPC kit를 이용하여 분석하였다. Tetraselmis suecica의 배양 및 계수는 Standardmethods (APHA, 1998) 및 Creswell (2010)을 참고하였다.
for phytoplankton), t는 살균시간 (hr)이다. E. coli는 초기 개체수 572, 885, 1,847, 4,674, 8,704CFU/100 mL 조건에서, Enterococcus는 초기 개체수 122, 197, 450, 1,095, 1,951 CFU/100 mL 조건에서 실험을 진행하였으며, 결과를 Table 3에 도시하였다. E.
Tetraselmis suecica 초기 농도, 온도, 용존 유기탄소 농도는 각각 6,000cell/mL, 20°C, 5 mg/L으로 고정하였다.
Tetraselmis suecica 초기 농도, 온도, 용존 유기탄소 농도는 각각 6,000cell/mL, 20°C, 5 mg/L으로 고정하였다. pH 영향 고찰시 동일한 유효 염소량의 염소 (Cl₂)를 투입하여 미생물 사멸 효율을 비교 평가하였다. 또한 도출된 최적 조건에서 이산화염소 및 염소 투입 후 42일간 실험을 수행하여 미생물 재성장 여부 및 소독부산물 생성을 검증하였다.
pH 영향 고찰시 동일한 유효 염소량의 염소 (Cl₂)를 투입하여 미생물 사멸 효율을 비교 평가하였다. 또한 도출된 최적 조건에서 이산화염소 및 염소 투입 후 42일간 실험을 수행하여 미생물 재성장 여부 및 소독부산물 생성을 검증하였다.
미생물 살균 반응의 동력학적 해석을 위해 세균의 초기 농도를 달리하여 온도 20°C, pH 8.2, 이산화염소 5mg/L에서 이산화염소를 이용한 살균 실험을 수행하였다.
1967). 반면 Tetraselmissuecica의 경우 1차 반응의 반응상수 (k) 및 결정계수(R²)가 2차 반응의 반응상수 및 결정계수에 비해 반응해석에 적합한 것으로 판단되어 차후 실험 결과 해석은1차 반응으로 해석하였다 (Table 4).
본 연구에서는 강력한 산화제로 알려져 있는 이산화염소 (ClO₂)의 해수 내 미생물 사멸 능력을 염소와 비교 평가하여 선박평형수 처리에 대한 적용 가능성을 타진하였다. 선박평형수를 모사한 다양한 미생물농도, 소독제 주입량, pH 조건에서 이산화염소의 소독효과를 조사하고, 살균 반응 속도 및 소독 부산물 생성여부를 선박평형수 처리에 일반적으로 사용되는 소독제인 염소와 비교 평가하였다.
세균 초기 농도 (E. coli 572 - 8,704 CFU/100 mL,Enterococcus 122 - 1,951 CFU/100 mL), 이산화염소농도 (0 - 10 mg/L), pH (7.2 - 9.2)를 변화하면서 8 - 12hr 동안 살균 실험을 수행하였다. Tetraselmis suecica 초기 농도, 온도, 용존 유기탄소 농도는 각각 6,000cell/mL, 20°C, 5 mg/L으로 고정하였다.
coli 및Enterococcus의 살균 반응속도를 비교하는 실험을 수행하였다. 염소와의 살균 영향을 대조하기 위해 환원반응식 (Eqs. 3 and 4)을 참조하여 유효염소농도를 동일하게 하였으며 (이산화염소 1 mg/L, 염소 2.63 mg/L),pH에 따른 세균 농도 및 살균 반응 해석 결과를 각각 Tables 5 and 6에 나타내었다.
2). 이산화염소 제조에 소요되는 비용을 절감하고 해수 방류시 이산화염소에 의한 생태계 2차 교란을 방지하기 위하여, 추후 살균 조건 도출 실험은 최적 이산화염소 농도인 1 mg/L에서 진행하였다.
평형수 처리 소독제 투입 시기를 결정하기 위해, 이산화염소 주입 시 E. coli, Enterococcus, Total coliforms,Tetraselmis suecica 대한 영향을 42일 동안 관찰하였다 (Table 5). 실험 결과, 42일 이후 E.
해수의 pH 농도 및 소독제 종류에 따른 E. coli 및Enterococcus의 살균 반응속도를 비교하는 실험을 수행하였다. 염소와의 살균 영향을 대조하기 위해 환원반응식 (Eqs.

대상 데이터

2로 측정되었다. 사용한 시약은 모두 덕산약품 (대한민국)에서 구입하였고 미량물질의 영향을 최소화하기 위하여 희석수로는 초순수를 사용하였다. E.

이론/모형

Tetraselmis suecica의 배양 및 계수는 Standardmethods (APHA, 1998) 및 Creswell (2010)을 참고하였다. THMs 항목은 Gas chromatography/massspectrometry (GC/MS, Bruker 320MS, USA)를 활용하여 측정하였다 (Lee and Lee 2015). 타 분석 항목은 Standard Methods (APHA, 1998)을 준용하여 분석하였다.
(Maine, USA)의 Colilert18, Enterolert, HPC kit를 이용하여 분석하였다. Tetraselmis suecica의 배양 및 계수는 Standardmethods (APHA, 1998) 및 Creswell (2010)을 참고하였다. THMs 항목은 Gas chromatography/massspectrometry (GC/MS, Bruker 320MS, USA)를 활용하여 측정하였다 (Lee and Lee 2015).
추가로 식물성 플랑크톤 (phytoplankton)의 대표적인 종인Tetraselmis suecica를 식종하였다 (Creswell 2010).각 미생물의 초기 농도는 해수에 대한 기존 문헌을 참고하여 설정하였다 (Maranda et al. 2013).
대표성이 있는 해수 제조를 위해 ASTM (2013)에서 제안한 해수 조성에 따라 인공 해수를 제조하였으며 (Table 2), 이때 pH는 8.2로 측정되었다. 사용한 시약은 모두 덕산약품 (대한민국)에서 구입하였고 미량물질의 영향을 최소화하기 위하여 희석수로는 초순수를 사용하였다.
이산화염소 및 염소 농도는 Standard Methods (APHA1998)의 DPD ferrous titrimetric method (4500-Cl-F)로 측정하였다. E.
THMs 항목은 Gas chromatography/massspectrometry (GC/MS, Bruker 320MS, USA)를 활용하여 측정하였다 (Lee and Lee 2015). 타 분석 항목은 Standard Methods (APHA, 1998)을 준용하여 분석하였다.

성능/효과

pH 7.2에서의 살균력은 이산화염소와 염소가 유사하였지만, pH 8.2와 9.2에서는 이산화염소가 염소에 비해 우수한 살균 효과가 있음을 확인하였다. 해수의 pH가 통상적으로 8.
반면, 동일한 유효 농도의 염소를 사용한 경우 trichloromethane 4.55 µg/L, dichlorobromomethane 1.82µg/L가 검출되어, 이산화염소를 이용한 선박평형수 살균이 상대적으로 해양 생태계에 미치는 잠재적인 부작용이 낮은 방안이라는 것을 확인하였다.
실험 결과, 42일 이후 E. coli의 농도는 각각 855 CFU/100 mL에서 82 CFU/100 mL로 감소하였고, Enterococcus의 농도는 637 CFU/100 mL에서 75CFU/100 mL로 감소하여 IMO기준에 따른 개발목표치인 <200 및 <80 CFU/100 mL를 달성함을 보여주었다.
이산화염소 투입 농도를 0, 0.1, 0.5, 1 mg/L로 변화시키면서 8시간 동안 살균 실험을 수행한 결과, 대조군에 비해 이산화염소 투입 시 미생물의 농도가 확연히 줄어들고, 이산화염소 농도의 증가에 따라 살균 반응 속도가 향상됨을 효율이 향상됨을 확인하였다 (Fig. 1).이에 추가적으로 이산화염소의 농도를 1, 3, 5, 8, 10mg/L로 달리하여 8시간 동안 살균 실험을 진행하였으며, 1 mg/L 이상에서는 이산화염소 농도 증가에 따른살균 증대 효과가 미미한 것을 확인하였다 (Fig.
1).이에 추가적으로 이산화염소의 농도를 1, 3, 5, 8, 10mg/L로 달리하여 8시간 동안 살균 실험을 진행하였으며, 1 mg/L 이상에서는 이산화염소 농도 증가에 따른살균 증대 효과가 미미한 것을 확인하였다 (Fig. 2). 이산화염소 제조에 소요되는 비용을 절감하고 해수 방류시 이산화염소에 의한 생태계 2차 교란을 방지하기 위하여, 추후 살균 조건 도출 실험은 최적 이산화염소 농도인 1 mg/L에서 진행하였다.
2를 이용하여 세균 농도에 대한 2차 반응으로 해석하였다. 한편 E. coli, Enterococcus 모두 초기 개체수가 많을수록 2차 살균반응속도 k가 감소하는 형태를 보여 미생물 농도에 있어 완전한 2차 반응이 아닌 유사 2차식인 것으로 나타났다. 이는 이산화염소에 의한 세균의 소독 반응이 단순한 1차 또는 2차 반응이 아닌 여러 단계로 구성된 다소 복잡한 기작에 의해 진행되기 때문인 것으로사료된다 (Benarde et al.
2에서는 이산화염소가 염소에 비해 우수한 살균 효과가 있음을 확인하였다. 해수의 pH가 통상적으로 8.0 이상임을 감안할 때, 동일한 유효염소 농도에서 이산화염소가 염소에 비해 우수한 세균 살균력을 보일 것으로 판단된다. 이는 염소의 경우 차아염소산 이온 (OCl^-)에 비해 살균력이 100배 정도 높은 차아염소산 (HOCl)의 비율이 pH가 증가할수록 감소하나 (MetCalf and Eddy 2014), 이산화염소의 경우pH에 따른 이온화가 진행되지 않기 때문인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박평형수로 이동된 생물이 새로운 환경에서 정착에 성공했을 경우 문제점은 무엇인가?	국제해사기구 (International Maritime Organization, IMO)에서는 선박평형수로 세계에서 매년 30 - 50 억 톤 이상의 바닷물이이동하고 있으며, 7000종 이상의 수중 생물이 선박 평형수와 함께 이동하고 있다고 보고하였다 (Latarche2014). 선박평형수로 이동된 생물이 새로운 환경에서 정착하여 생존할 확률은 낮으나, 정착에 성공했을 경우 토착생물의 생존을 위협하며 생태계 교란을 일으킬 수있다. 이에 따라 IMO는 2004년에 ‘선박평형수 처리기준’을 제시하여, 우리나라를 비롯하여 세계의 모든 선박은 2017년부터 선박평형수 처리장치를 의무적으로 장착하고 있다.
	선박평형수는 무엇인가?	선박평형수 (Ballast water)란 선박에 화물을 적하시 부력에 의해 무게 중심이 높아져 선박안정성이 낮아지는 것을 방지하기 위해 선박의 밑 부분에 채우는 물로써, 해로를 통한 선박이동이 대부분이므로 주로 해수가 사용되며 국제적인 무역량이 증가함에 따라 선박평형수의 사용량도 증가하는 추세이다. 국제해사기구 (International Maritime Organization, IMO)에서는 선박평형수로 세계에서 매년 30 - 50 억 톤 이상의 바닷물이이동하고 있으며, 7000종 이상의 수중 생물이 선박 평형수와 함께 이동하고 있다고 보고하였다 (Latarche2014).
	선박평형수 처리 기술 중 염소 (Cl2)를 이용한 처리 기술의 문제점은 무엇인가?	현재 상용화된 선박평형수 처리 기술은 대부분 약품 주입 또는 전기분해로 생성된 염소 (Cl2)를 이용한 살균에 바탕을 두고있다. 그러나, 염소를 이용한 처리 기술은 pH가 높을 경우 효율이 급격히 저하되며, Trihalomethanes (THM)등과 같은 해양 생태계에 유해한 부산물이 생성될 가능성이 높다는 한계가 있다 (Maranda et al. 2013, Simonet al.

참고문헌 (12)

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Benarde, M.A., Snow, W.B., Olivieri, V.P., and Davidson, B. 1967. Kinetics and mechanism of bacterial disinfection by chlorine dioxide. American Society for Microbiology 15(2): 257-265.
Cha, H.-G., Seo, M.-H., Lee, H.-Y., Lee, J.-H., Lee, D.-S., Shin, K.-S., and Choi, K.-H. 2015. Enhancing the efficacy of electrolytic chlorination for ballast water treatment by adding carbon dioxide. Marine Pollution Bulletin 95(1): 315-323.

상세보기
Creswell, L. 2010. Phytoplankton Culture for Aquaculture Feed. Pub. No. 5004, Southern Regional Aquaculture Center (SRAC), USA.
International Maritime Organization (IMO) 2004. International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments. Document BWM/CONF/36, 16 February 2004. IMO, London, UK.
Latarche, M. 2014. Ballast Water Treatment: A Guideline to Regulation and Technology. ShipInsight, Surrey, UK.
Lee, K. and Lee, W. 2015. Effects of pH, water temperature and chlorine dosage on the formation of disinfection byproducts at water treatment plant. Journal of Korean Society of Environmental Engineers 37(9): 505-510. (in Korean)
Maranda, L., Cox, A.M., Campbell, R.G., and Smith, D.C. 2013. Chlorine dioxide as a treatment for ballast water to control invasive species: Shipboard testing. Marine Pollution Bulletin 75: 76-89.

상세보기
Metcalf and Eddy. 2014. Wastewater Engineering Treatment and Reuse, 5th ed., McGraw-Hill, Singapore.
Simon, F.X., Berdalet, E., Gracia, F.A., Espana. F., and Llorens, J. 2014. Seawater disinfection by chlorine dioxide and sodium hypochlorite. A comparison of biofilm formation. Water, Air, & Soil Pollution 225: 1921-1.
Waite, T.D., Kazumi, J., Lane, P.V.Z., Farmer, L.L., Smith, S.G., Smith, S.L., Hitchcock, G., and Capo, T.R. 2003. Removal of natural populations of marine plankton by a large-scale ballast water treatment system. Marine Ecology Progress Series 258: 51-63.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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