초록 ▼

1. 최종 목표 유기염소계 화합물 등의 난분해성 물질을 포함하는 산업폐수 정화 및 폐수처리에서 흔히 발생하는 벌킹방지 및 억제를 위하여 환경학적으로 안전하며 경제적인 특화된 복합 미생물제재를 개발하여 폐수처리의 문제점 해결과 함께 개발된 제품을 상품화한다. 2. 사업의 목적 및 중요성 PCP(pentachlorophenol)로 대표되는 페놀계 염소화합물과 TCE(trichloroethylene)로 대표되는 알켄계 염소화합물은 농약제조, 섬유산업, 전자산업, 금속산업, 페인트산업, 목재보존 등에 폭넓게 사용되어 왔다.

1. 최종 목표 유기염소계 화합물 등의 난분해성 물질을 포함하는 산업폐수 정화 및 폐수처리에서 흔히 발생하는 벌킹방지 및 억제를 위하여 환경학적으로 안전하며 경제적인 특화된 복합 미생물제재를 개발하여 폐수처리의 문제점 해결과 함께 개발된 제품을 상품화한다. 2. 사업의 목적 및 중요성 PCP(pentachlorophenol)로 대표되는 페놀계 염소화합물과 TCE(trichloroethylene)로 대표되는 알켄계 염소화합물은 농약제조, 섬유산업, 전자산업, 금속산업, 페인트산업, 목재보존 등에 폭넓게 사용되어 왔다. 이런 화합물들은 난분해성과 생물체에 대한 광범위한 영향력으로 인하여 환경오염물질로서 계속적인 관리대상이 되고 있다. 환경오염물질의 처리방법 중에서 미생물의 탁월한 분해 및 무독화 기능을 이용한 생분해(biodegradation)는 지하수나 토양과 같은 오염지의 환경정화에 효과적으로 적용할 수 있을 뿐아니라 산업폐수처리에 적용함에 있어서 경제적이고, 환경친화적이라는 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구는 자연계로부터 페놀계 염소화합물 및 알켄계 염소화합물을 중심으로 다양한 염소화합물을 분해할 수 있는 미생물을 탐색하고, 이들 미생물의 분해특성을 조사하였다. 그리고, 탐색된 미생물을 바탕으로 실제 산업폐수처리에 이용할 수 있도록 제재화하고 최적화 한다. 또한, 폐수처리 현장에서 종종 문제가 되고 있는 bulking(팽화)을 제어할 수 있는 생물학적 방법을 개발하고자 하였다. 3. 사업의 내용 및 범위 가. 분해미생물 탐색 및 분해특성 조사 유기 염소화합물이 포함된 산업폐수의 미생물에 의한 분해능을 증진시키기 위하여 기 분리하여 보존중인 균주들의 특성을 조사하고, 유기 염소화합물로 오염된 토양 및 수질에서 유기 염소화합물에 대한 분해능이 우수한 신 균주를 분리한다. 선별된 미생물의 유기 염소화합물 분해기작에 따른 혼합배양 및 최적화를 통한 분해효율의 향상 방안에 대해서 조사한다. 나. 복합미생물제재의 개발 난분해성 화합물이 포함된 폐수에 대해서는 일반 균주로는 효과를 거두기 어려운 점이 상존하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 유기염소계 산업폐수에 특이적으로 사용할 수 있는 기능이 강화된 새로운 형태의 미생물제재를 제조하여 실용화를 추진한다. 다. 처리공정의 최적화 방안 미생물에 의한 폐수처리의 효율을 증진시키기 위해서는 유용균주의 사용과 더불어 처리공정의 최적화가 이루어져야 한다. 우선 대상 화합물을 특이적으로 분해하는 미생물의 분리와 분리된 미생물이 화합물을 분해하는 최적조건을 도출한다. 그리고 처리 미생물이 최적조건에서 효과적인 활성 유지를 위하여 다양한 미생물 고정화 담체를 적용하여 복합미생물제재를 제조한다. 벌킹에 따른 분해효율 저하를 방지하기 위한 방법을 현재 폐수처리를 위하여 광범위하게 사용되고 있는 활성오니법에 의한 처리를 기본으로 하여 이의 효율을 증진시키기 위한 여러 가지 개선책을 검토한다. 라. 유기염소계 산업폐수의 처리 Pentachlorophenol(PCP) 등과 같은 페놀계 염소화합물 및 trichloroethylene(TCE)과 같은 알켄계 염소화합물 등의 다양한 유기염소계 화합물을 함유하고 있는 산업폐수를 대상으로 기 분리된 미생물 균주를 제재화 하여 실제 산업폐수에 대한 처리효율의 증진 방안에 대하여 조사하여 효율적인 처리 시스템이 되도록 추진한다. 이와 같이 난분해성 독성물질로 환경오염의 비중이 큰 화합물을 포함한 산업폐수의 처리기술을 순차적으로 개발하도록 한다. 4. 사업결과 가. 미생물 탐색 (1) 페놀계 염소화합물 분해미생물 탐색 페놀계 염소화합물에 대하여 분해활성이 있는 약 30 여종의 균주를 분리하고, 이중에서 분해능이 우수한 6종을 선별하여 2종을 동정한 결과 Pseudomonas sp. BM와 Acinetobacterium sp. BM1으로 조사되었다. (2) 알켄계 염소화합물 분해미생물 탐색 알켄계 염소화합물에 대하여 분해과 Alcaligenes odorans N6과 Nocardia sp. H17로 조사되었다. (3) 제지 및 석유화학폐수 처리 미생물 탐색 제지 및 석유화학폐수에 처리하기 위하여 20 여종의 균주를 분리하고, 이중에서 제지 및 석유화학폐수에서 균체성장이 우수한 4종의 균주를 선별하여 동정한 결과 Flavobacterium sp. BEN2, Acinetobacter sp. MS, Acinetobacter sp. B4, 그리고 Pseudomonas sp. C29로 동정되었다. 나. 복합미생물제재 제조 (1) 페놀계 염소화합물 분해 복합미생물제재 페놀계 염소화합물이 포함된 폐수처리에 이용할 목적으로 제조된 복합미생물제재는 페놀계 염소화합물에 대한 분해능이 우수한 것으로 판정된 Pseudomonas sp. BM와 Acinetobacterium sp. BM1을 모체로 분리된 다른 4종의 미생물을 첨가하여 페놀계 염소화합물 함유 폐수처리용 복합미생물제재를 제조하였다. 제조한 복합미생물제재의 균체량은 3.2 × 107 CFU/g로 조사되었으며, 수분함량 27.2%였다. (2) 알켄계 염소화합물 분해 복합미생물제재 알켄계 염소화합물이 포함된 폐수처리에 이용할 목적으로 제조된 복합미생물제재는 알켄계 염소화합물에 대한 분해능이 우수한 것으로 판정된 Alcaligenes odorans N6과 Nocardia sp. H17을 모체로 알켄계 염소화합물 분해능이 이미 검증된 Pseudomonas putida 3종 및 Sphingomonas chlorophenolica 1종을 첨가하여 알켄계 염소화합물 함유 폐수처리용 복합미생물제재를 제조하였다. 제조된 6종의 미생물제재의 각각의 균체량은 최저 2.3 × 107 CFU/g, 최고 1.6 × 109 CFU/g로 조사되었으며, 6종의 미생물제재를 혼합한 복합미생물제재의 균체량은 6.2 × 108 CFU/g으로 조사되었다. (3) 제지 및 석유화학폐수 처리용 복합미생물제재 제지 및 석유화학폐수 처리에 이용할 목적으로 제조된 복합미생물제재는 Flavobacterium sp. BEN2, Acinetobacter sp. MS, Acinetobacter sp. B4, 그리고 Pseudomonas sp. C29를 모체로 Candida tropicalis PW로 동정된 효모를 추가하여 조제하였다. 제조된 복합미생물제재의 균체량은 1.6 × 1010 CFU/g로 매우 높았다. 그리고, 보존 45일 이후에도 균체량은 9.6 × 109 CFU/g을 유지하여 보존성 또한 우수하였다. 다. 분리된 미생물 및 복합미생물제재에 의한 염소화합물의 생물학적 분해 (1) 페놀계 염소화합물의 생물학적 분해 복합미생물제재가 분해할 수 있는 페놀계 염소화합물은 2-CP, 4-CP, 2,4-DCP, 2,4,5-TCP, 2,3,4,6-TCP, 그리고 PCP로 다양하게 나타났으며, PCP의 경우 50 mg/L이하의 농도에서는 거의 완전분해가 이루어 졌으며, 최고 2,000 mg/L농도에서도 복합미생물제재는 23%의 분해효율을 나타내는 것으로 조사되었다. (2) 알켄계 염소화합물의 생물학적 분해 분리된 미생물 Alcaligenes odorans N6과 Nocardia sp. H17에 의한 TCE분해는 inducer의 유무에 관계없이 72%와 67%로 나타났다. TCE에 대한 toluene 분해균주인 Pseudomonas putida와 Sphingomonas chlorophenolica의 분해능은 inducer의 존재하에서만 95%로 가장 높게 조사되었다. 6종을 모두 혼합하였을 경우 inducer를 첨가하였을 때와 하지 않았을 때 각각 84% 및 61%로 조사되었다. PCE의 경우는 각각 54% 및 27%로 TCE에 비하여 낮게 조사되었다. 라. 유기염소계 산업폐수의 처리 (1) 페놀계 염소화합물 폐수의 미생물학적 처리 페놀계 염소화합물이 많이 함유되어 있는 제지폐수에 대한 분해능이 우수한 균주 Pseudomonas sp. BM와 Acinetobacterium sp. BM1 등 6종으로 구성된 복합미생물제재를 사용하여 연속배양 실험을 수행하였다. 활성슬러지만을 처리한 대조구에 비하여 분해효율은 배양 11일 후 약 2.2배, 균체수는 약 2.5배 증가하여 복합미생물제재의 처리는 페놀계 염소화합물의 제거에 효과가 있는 것으로 판단되었다. (2) 알켄계 염소화합물 폐수의 생물학적 분해 알켄계 염소화합물이 많이 함유되어 있는 세탁 폐수에 대한 분해능이 우수한 균주 Alcaligenes odorans N6과 Nocardia sp. H17 및 Pseudomonas putida와 Sphingomonas chlorophenolica등 6종을 사용하여 복합미생물제재를 제조한 다음 세탁 폐수를 대상으로 연속시험을 수행하였다. 휘발성이 강한 알켄계 염소화합물의 특성으로 배양 60시간 이후 활성슬러지만을 처리한 대조구에서나 6종의 균주를 혼합처리한 실험구 모두 완전히 제거되었다. 그러나, 실험구는 배양 12시간 후 90%이상 제거되었으나 대조구에서는 24시간 이후 90%이상 제거되어 첨가된 미생물에 의해 분해가 향상되었음이 증명되었다. PCE의 경우 실험구에서 배양 24시간 이후에 완전히 제거되었으나 대조구는 36시간 이후에 완전히 제거되어 실험구에서 더욱 빠른 제거속도를 나타내었다. 그러나, TCE에 비해 제거속도는 느리게 나타났다. 대조구와 실험구의 TOC의 변화는 관찰되지 않아 6종의 미생물은 TOC에는 영향을 주지 않고 알켄계 염소화합물의 제거속도에만 영향을 미친 것으로 조사되었다. 마. 벌킹(bulking) 억제 (1) 균주의 분리 및 동정 주변에서 원유로 오염된 토양과 난분해성 화합물을 포함하고 있는 폐수 등에서 균주를 분리하여 40여종의 분해균주 중 가장 분해력이 우수한 분해균주와 점성을 갖는 균주를 선별하였다. 선별된 미생물 중 표준 점토광물인 kaolin clay에 대한 응집활성이 뛰어난 34종류의 균주를 선택하여, 폐수 내에서 응집활성이 높은 균주를 각각 4종을 최종 분리하였다. 분리된 균주 #46(Bacillus circulans)과 O24(Pseudomonas sp.) 2종을 제외한 나머지 균주들의 동정결과는 #24T3, #24P3, #24B3은 Bacillus sp.로 동정되었고 #81, #152, 29는 미동정 되었다. (2) 폐수 처리 분해균주의 폐수에 대한 처리효율은 TOC가 84%, T-N이 98%, T-P가 68%로 조사되었으며, 응집균주의 경우 TOC가 80%, T-N이 98%, T-P가 71%였다. 분해+응집균주가 microcosm을 형성한 경우 처리효율은 TOC가 85%, T-N이 99%, T-P가 76%로 단일균주의 처리에 비해 다소 높았다. 페놀계 염소화합물(3-chlorophenol)을 함유한 폐수의 경우 처리효율은 분해균주 처리구, 응집균주 처리구, 분해+응집균주 처리구에서 모두 80%이상 페놀계 염소화합물의 처리효율 보였다. TCE의 생분해는 시험장치의 head space로부터 조사된 각 처리구 모두에서 98%이상의 분해효율을 보였다. 또한, 분해미생물을 처리한 모든 실험구에서 72시간 경과 후 TCE가 98%의 이상 제거되는 결과를 얻었다. 바. 연구성과(특허 및 논문발표) 5. 기대효과 가. 환경개선 효과 다양한 유기 염소화합물 중 전세계적으로 사용량이 많으며 환경에 유입되었을 때 인체 및 생태계에 많은 영향을 미치는 페놀계 염소화합물과 알켄계 염소화합물들은 생물학적 분해가 어렵다고 보고된 물질들이다. 본 연구결과는 특정산업(염소화합물) 폐수 등 기존의 방법으로는 그 처리효율이 낮았던 오염현장의 정화에 복합미생물제재를 투입하여 처리효율을 크게 증가시킬 수 있다. 그리고, 벌킹현상 처리용 복합미생물제재는 정화효율에 변동 없이 벌킹문제를 해결함으로써 폐수처리의 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 연구를 통하여 개발된 복합미생물제재를 다양한 난분해성 폐수처리 현장에 적용하여 처리효율을 증진시킴으로서 방류수의 수질개선을 통한 환경개선에 이바지 할 수 있다. 나. 경제적 기대효과 혼합 연속배양 또는 다단계 연속 배양방법으로 개발한 우수한 기능의 복합미생물제재를 비교적 저가로 공급하여 각종 환경오염정화처리에 경제적으로 사용 가능하게 된다. 그리고, 산업체에서 배출되는 난분해성 유해화합물을 무독화 또는 분해 처리하는 방법을 개발하여 청정생산기술을 확보함과 동시에 산업체에 대한 신뢰감을 회복하여 산업체의 체질강화 및 경쟁력 향상도 기대할 수 있다. 특히, 염소화합물을 포함한 난분해성 폐수는 산업현장에서 처리에 어려움을 겪고 있으므로, 미생물학적 분해처리의 핵심요소인 복합미생물제재를 실용화하고 산업화함으로서 수입대체 및 수출증진 효과를 기대할 수 있다. 다. 활용방안 개발된 복합미생물제재와 고정화 담체는 각각의 특정응용분야별로 제품화하여 기존의 오․폐수 처리시설 및 오염정화시설에 공급하여 기존시설에서 처리효율의 향상을 기할 수 있다. 그리고, 복합미생물제재에 대한 계속적인 미생물 기능향상과 특수한 개별현장을 통한 최적화 등의 연구에 의하여 지속적이고 새로운 환경 정화용 미생물 제품 및 오염처리 시설의 개발이 가능하다. 또한, 본 연구에서 개발된 복합미생물제재는 난분해성 물질, 유류 등으로 오염된 토양, 저니(sediment), 지하수 등의 bioremediation에 투입되어 활용될 수 있다.

Abstract ▼

I. Title Development of microbial consortia for the treatment of industrial wastewater containing chlorinated organic compounds II. Results 1. Biological treatment of wastewater containing chlorinated phenols by a mixed culture. The biodegradation of chlorinated phenols in an artifici

I. Title Development of microbial consortia for the treatment of industrial wastewater containing chlorinated organic compounds II. Results 1. Biological treatment of wastewater containing chlorinated phenols by a mixed culture. The biodegradation of chlorinated phenols in an artificial wastewater was investigated using a mixed culture. The mixed culture was composed of 8 microorganisms isolated from the soil contaminated with various chlorinated phenols. Pseudomonas sp. BM as a main constituent of a mixed culture was Gram-negative, catalase- and oxidase-positive, and rod-shaped, and did not grow at 41℃. It degraded 99% of initial 500 mg/L PCP (pentachlorophenol) in the minimal salts medium as a sole source of carbon and energy within 3 days. The degradation efficiency of Pseudomonas sp. BM was not affected by the other organic carbon and nitrogen compounds. Pseudomonas sp. BM was able to grow in a broad range of pH 5 - 8, and degrade 2,000 mg/L PCP. In the experiment with an artificial wastewater containing chlorinated phenols, the degradation efficiency of the mixed culture was the range of 73% (2,4-dichlorophenol) - 96% (2-chlorophenol) during an incubation of 7 days. In a continuous culture experiment, the degradation efficiency of mixed culture plus activated sludge was about 2 times higher than that of the control containing only activated sludge. These results indicate that it is possible to apply the mixed culture to other wastewaters containing chlorinated phenols. 2. Biological treatment of wastewater containing chlorinated alkens by a mixed culture. The biodegradation of trichloroethylene (TCE) and perchloroethylene (PCE) was investigated using a mixed culture which was composed of 6 microorganisms. Two bacterial strains capable of degrading TCE and PCE were isolated from soil contaminated with various chlorinated alkenes and identified as Alcaligenes odorans N-6 and Nocardia sp. H-17. The other strains were able to degrade toluene and identified as Pseudomonas putida and Sphingomonas chlorophenolica. A. odorans N-6 and Nocardia sp. H-17 degraded 84% of initial amount in the minimal salts medium containing 200 μM TCE as its sole source of carbon and energy for 1 day. They also degraded 33% of 200 μM PCE. The optimal pH for their growth was in a range of 7.0 - 8.0. The mixed culture of 4 toluene-degrading isolates degraded 95% of 200 μM TCE and 76% of 200 μM PCE with 1.5 mM toluene as an inducer, whilst they could not degrade TCE and PCE without the inducer. The degradation efficiencies of 200 μM TCE and PCE by the mixed culture of 6 isolates were 72% and 26% without the inducer for 1 day, but they were 82% and 73% with toluene as an inducer. Therefore, it seems that the mixed culture of 6 isolates can degrade a mixture of TCE and PCE more effectively and stably in any condition with/without inducer. 3. Bulking control using microorganisms having bacteriolytic activity The screening of the microorganisms having bacteriolytic activity were conducted with soil and wastewater. Two bacterial strains which strongly inhibited the growth of bulking strain, Sphaerotilus natans KCTC1629 and Beggiatoa alba KCTC2686, were isolated and designated as Bacillus sp. AB215 and strain EM, respectively. The optimal media for the highest bacteriolytic activity of Bacillus sp. AB215 and strain EM were PDA (Potato Dextrose Agar) and COM (Complex Medium) medium. The optimum temperature and pH for the growth of Bacillus sp. AB215 were 30℃ and 7～9, respectively. Proper environmental conditions in order to induce bulking were pH 4, sodium sulfide 0.02%, glucose 0.5%, and inoculation of Sphaerotilus natans or Beggiatoa alba as a inoculum size of 3%. The removal efficiency by Bacillus sp. AB215 from pulp wastewater was SVI 78.2%, COD 90.7% and TOC 89.1%, respectively. The removal efficiency by strain EM was SVI 88.2%, COD 70.9% and TOC 73.6%, respectively. Mixed strains of Bacillus sp. AB215 and strain EM were SVI 80.9%, COD 85.3% and TOC 90.7%, respectively. Consequently, this study has been focused on the isolation and detection of bacteriolysis bacteria and effective prevention of bulking from pulp wastewater.

목차 Contents

• 제 1 장 총론...21
• 제 1 절 염소화합물에 의한 환경오염...21
• 1. Chlorophenol계 화합물...22
• 2. Chloroalkene계 화합물...22
• 제 2 절 염소화합물의 분해...22
• 1. 페놀계 염소화합물...22
• 2. 알켄계 염소화합물...24
• 제 3 절 산업폐수 중의 난분해성 물질...27
• 제 4 절 앞으로의 연구동향...28
• 1. 균주 개량...28
• 2. 복합미생물제재의 사용...29
• 3. 처리방법 개선...29
• 4. Bioremediation(생물정화)...30
• 제 2 장 방향족 염소화합물의 생분해...31
• 제 1 절 서 론...31
• 제 2 절 페놀계 염소화합물의 생물학적 분해...34
• 1. 재료 및 방법...34
• 가. 균주의 분리 및 동정...34
• 나. 미생물 배양...34
• 다. 분해능 조사...35
• 라. 복합미생물제재 제조...36
• 2. 결과 및 고찰...36
• 가. 균주의 분리 및 동정...36
• 나. BM 및 BM1 균주에 의한 PCP의 분해...37
• 다. 복합미생물제재의 특성 및 분해조건...38
• 라. 연속배양에 의한 페놀계 폐수처리...44
• 제 3 절 산업폐수의 생물학적 처리...46
• 1. 재료 및 방법...46
• 가. 균주의 분리 및 동정...46
• 나. 미생물 배양...46
• 다. 분해능 조사...47
• 라. 복합미생물제재 제조...47
• 2. 결과 및 고찰...47
• 가. 미생물의 분리 및 동정...47
• 다. 제지폐수의 처리...49
• 다. 석유화학폐수의 처리...57
• 라. 복합미생물제재의 특성 및 분해...58
• 제 3 장 알켄계 염소화합물의 생분해...61
• 제 1 절 서 론...61
• 제 2 절 알켄계 염소화합물의 생물학적 분해...64
• 1. 재료 및 방법...64
• 가. TCE 및 PCE 분해균주의 분리 및 동정...64
• 나. 미생물 배양...64
• 다. 분해능 조사...65
• 라. 복합미생물제재 제조...65
• 2. 결과 및 고찰...65
• 가. 균주의 분리 및 동정...66
• 나. pH에 따른 TCE 및 PCE의 분해...68
• 다. 단독 또는 혼합배양에 의한 TCE 및 PCE의 분해...70
• 라. 혼합배양에 의한 TCE 및 PCE의 분해...72
• 마. 복합미생물제재의 특성...75
• 바. 연속배양에 의한 TCE 및 PCE 함유 폐수의 처리...76
• 제 4 장 참고문헌...79
• 위탁연구과제: 난분해성 화합물질의 분해 및 벌킹제어를 위한 미생물의 특성연구...87