최종보고서 173-081-018 오염정화기술 Pollution Remediation Technologies 난분해성염화유기화합물로오염된지하수정화시스템의최적화를위한매뉴얼개발 Development of manuals for an optimized remediation system of the ground water polluted by nondegradable chlorinated organic compounds 한국과학기술원 환경부
제출문 환경부장관귀하 본보고서를 난분해성염화유기화합물로오염된지하수정화시스템의최 적화를위한매뉴얼개발에관한연구 과제의보고서로제출합니다. 2011 년 3 월 31 일 주관연구기관명 : 한국과학기술원 연구책임자연구원 : 이성택 : 이형관 : 최영순 : 백상훈 : 최창호 - 1 -
과제번호 173-081-018 대분야명 중분야명 연구개발과제명 연구책임자 연구기관명및소속부서명 국문명 영문명 이성택 해당단계연구기간 보고서초록 2008.04.01-2011.03.31 구분 토양 지하수오염방지기술개발사업 오염정화기술 공공 난분해성염화유기화합물로오염된지하수정화시스템의 최적화를위한매뉴얼개발 Development of manuals for an optimized remediation system of the ground water polluted by nondegradable chlorinated org anic compounds 총 : 6 명정부 : 76,000 천원해당단계해당단계내부 : 6 명기업 : 천원참여연구원수연구개발비외부 : 명계 : 76,000 천원총 : 9 명정부 : 233,000 천원총연구기간총내부 : 9 명기업 : 천원참여연구원수연구개발비외부 : 명계 : 233,000 천원 한국과학기술원생명과학과 참여기업명 국제공동연구상대국명 : 상대국연구기관명 : 위탁연구연구기관명 : 연구책임자 : 요약 보고서면수 113 기존염화유기화합물정화기술시스템조사 지하수오염물질이되는염화유기화합물들의분해기작연구 반응기운전을위한고정하거나변화시킬파라미터결정및최적화조건확립 조건별운전을통한오염원농도별분해효율측정분석 동시물질대사등의기술을이용한염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼작성 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글염화유기화합물, TCE, 동시물질대사, 매뉴얼영어 chlorinated organic compound, TCE, co-metabolism, manual - 2 -
요약문 Ⅰ. 제목 난분해성염화유기화합물로오염된지하수정화시스템의최적화를위한매뉴얼 개발 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성산업발전및인구의도시집중화로인해발생되는각종오염물질의배출은자연계의자정작용의한계를초월하여하천, 호소등공공수역을오염시킬뿐아니라지하수를오염시켜인간의건강이나생태계까지위협하고있다. 특히, 우리나라의기간산업으로등장한석유화학공업, 중화학공업, 섬유산업, 전자산업등으로부터배출되는폐수는전국토의하천수및지하수를오염시키는주원인이되고있다. 이들폐수에포함된많은솔벤트 (solvent) 중고리를하나가진단핵방향족화합물들은수용성이높으며구조적으로안정한난분해성인동시에발암성물질 (carcinogen) 및돌연변이성물질 (mutagen) 로작용하여자연계에축적될경우중대한오염문제를야기시킨다. 특히염화페놀화합물은화학반응의부산물또는중간산물의형태로생성되는데, 이들중에서 4-클로로페놀 (4-chlorophenol), 2,4- 다이클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 2,4,6- 트리클로로페놀 (2,4,6-trichlorophenol), 펜타클로로페놀 (pentachlorophenol) 등은강한독성으로인하여미국 EPA (Environmental Protection Agency, 환경보호국 ) 에의해중요오염원 (priority pollutants) 로지정되어있다. 또한염화페놀은살충제, 살균제, 제초제로도많이사용되고있어토양에살포될경우지하수와토양의심각한오염문제를야기한다. 실제로이러한산업활동과정에서독성물질들이자연계로방출되고있어, 지하수와토양을오염시켜심각한문제를유발시키고있다. 본연구에서는국내뿐만아니라외국의경우에서도제시되었듯이가장큰지하수오염원으로작용하고있는물질이각종산업체에서사용되는유기용매와유류저장시설등에서나오는염화유기독성물질이기때문에오염원으로서염화유기독성물질과질산성질소, 그리고중금속중염화유기독성물질의처리에중점을두고있다. - 3 -
Ⅲ. 연구개발의내용및범위 1. 1차년도 (2008) 가. 기존정화기술시스템조사나. 지하수오염물질이되는염화유기화합물들의분해기작연구다. 동시물질대사 (co-metabolism) 등의기술을이용한염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼초안작성 2. 2차년도 (2009) 가. 오염물질별반응기운전을위한고정하거나변화시킬파라미터 (parameter) 결정나. 결정된파라미터 (parameter) 를이용한반응기운전다. 조건별운전을통한오염원 (pollutant) 의농도별저감효율 (degrading efficiency) 측정실험라. 실험결과에따른염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼보완 3. 3차년도 (2010) 가. 정화시스템운전최적화조건연구및확립나. 기존의다양한지하수정화시스템및기술에대한조사다. 연구및조사결과를종합하여염화유기화합물들의정화기술별시스템최적화를위한매뉴얼완성 Ⅳ. 연구개발결과 1. 기존정화기술시스템조사 2. 지하수오염물질이되는염화유기화합물들의분해기작연구 3. 반응기운전을위한고정하거나변화시킬파라미터 (parameter) 결정및최적화조건확립 4. 조건별운전을통한오염원 (pollutant) 의농도별저감효율 (degrading efficiency) 측정분석 5. 동시물질대사 (co-metabolism) 등의기술을이용한염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼작성 - 4 -
Ⅴ. 연구개발결과의활용계획앞으로상수원고갈로인한지하수의상수원수로서의이용가능성증대에따라이에대한오염방지, 오염확산억제및정화기술이필요하다. 지하수의주요오염원으로작용하는중금속, 유기독성물질, 그리고질산성질소를처리하는종합적인생물학적처리시스템이개발되면각지역에따라서로다른오염양상을보이는경우에있어서도효과적으로처리할수있으리라기대된다. 그중독성물질인염화유기화합물들은특수지역에고농도로오염이되어있는심각한단계이며현재정화시스템이나미생물군집의특성연구를통한개선의여지가확실히있어높은효율의처리반응기의제작및운전이가능하고이를개선하고최적화하기위한매뉴얼개발로손쉽고광범위한기술의적용이가능할것으로예상된다. - 5 -
S U M M A R Y ( 영문요약문 ) I. Title The manual development for optimization of ground water purification system polluted by indecomposable organic chloridation compounds. Ⅱ. Purpose and need for research and development The various polluted emissions which was occurred by industry development and urbanized population transcendence self-purification capacity of the natural world. Not only were rivers and lakes polluted, but also the ground waters. They threat human health and the ecosystem. The main source of the river and ground water pollutions is from basic industries particularly petrochemical industry, heavy chemical industry, textile industry and electronics industry etc. Mono-heteroaromatic compounds(benzene, toluene, chlorophenol, etc.) which has high water-solubility and indecomposable structures act as carcinogen and mutagen, even will wake pollution problems when accumulate in the natural world. The phenolic chloride compound which produced as by-products from chemical reactions or intermediates. Of them, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 2,4,6-trichlorophenol and pentachlorophenol etc which have high toxicities are designated as priority pollutants by American EPA (Environmental Protection Agency). Furthermore, they can also wake serious problems to ground water and soil when used as insecticide, bactericide and herbicide. Actually toxicity compounds are emiting to the natural world in those industrial activities. The polluted ground water and soil are inducing serious problems now. The indecomposable organic chlorindation compounds which regard as the major pollution source of ground water from organic solvents used by various industries and oil storage facilities. Our focus is mainly on the treatment research for indecomposable organic chloridation compounds. - 6 -
Ⅲ. Contents and scopes of research and development 1. 1st year(2008) a. Technical survey on existing purification technology systems. b. Existing research on ground water-polluting indecomposable organic chloridation compounds(tce, DCE, PCE etc) c. Preparations for manual drafts to each organic chloridation compounds purification technologies, such as Co-metabolism. 2. 2nd year(2009) a. Parameters decision for treatment reactor working b. Reactor working with new parameters. c. Pollutant concentration and degrading efficiency detection experiments in working with various conditions. d. Manual complement to each organic chloridation compounds purification technologies. 3. 3rd year(2010) a. Optimization of purification system working condition b. Technical survey on existing ground water purification systems and technologies. c. Manual completion for organic chloridation compounds purification technologies. Ⅳ. Research and development result 1. Technical survey on existing purification technology systems. 2. Existing research on ground water-polluting organic chloridation compounds(tce, DCE, PCE etc) 3. Parameters decision for treatment reactor working - 7 -
4. Pollutant concentration and degrading efficiency detection experiments in working with various conditions. 5. Preparations for manual drafts to each organic chloridation compounds purification technologies, such as Co-metabolism. V. Applicable Planning of research and development result When the source of water is exhausting, it is necessary to develop the technologies for ground water antipollution, pollution control and purification. After overall biological treatment system is established, heavy metal, organic toxicity compounds and nitric nitrogen which are regarded as major pollution source to ground water are expected to treat effectively and regionally. The toxic product-organic chloridation compounds, remains high concentration in special regions. It leaves room for improvement with present purification system or microbial characterization, and make it possible to manufacture high efficiency treatment reactor and work with them. So, it is expected that easy and far-reaching technology application will be achieved by optimized manual development. - 8 -
C O N T E N T S ( 영문목차 ) Chapter 1. Introduction...15 Chapter 2. State of Arts...21 Chapter 3. Research Results...25 Chapter 4. Achievement and Contribution...51 Chapter 5. Application...53 Chapter 6. Overseas Science & Technology Information...55 Chapter 7. Reference...57 Attachment. Manuals for remediation system of the ground water polluted by nondegradable chlorinated organic compounds...61-9 -
목 차 제 1 장연구개발과제의개요...15 제 1 절연구개발의목적및필요성...15 1. 연구개발의중요성 필요성...15 2. 연구개발의목적...18 제 2 절연구개발의범위...19 제 2 장국내외기술개발현황...21 제 1 절국내외기술개발현황...21 1. 국외기술개발현황...21 2. 국내기술개발현황...21 제 2 절연구개발결과가국내외기술개발에차지하는위치...23 제 3 장연구개발수행내용및결과...25 제 1 절 PCE, TCE, DCE, VC 분해기작연구...25 1. 염화반응 (Chloridogenesis)...25 2. 탈염반응들의기질범위 (substrate spectrum)...26 3. PCE/TCE 환원성탈할로겐효소 (dehalogenase)...28 제 2 절기존정화처리시스템조사...30 1. 기존정화시스템들...30 2. 염화알켄 (alkene)...31 3. 방향족화합물...32 4. 주요오염물질의생물학적분해...34 5. 지하수의생물학적처리기술...35 제 3 절염화유기화합물정화반응기운전및최적화...37 1. 지하수오염물질분해실험...37 2. 반응기운전...37 3. 분석방법...40 4. 염화유기화합물들의분해율측정...40 5. 반응기파라미터 (parameter) 들의영향...46 6. 반응기최적화조건확립...48 제 4 절지하수의염화유기화합물정화매뉴얼개발...49-10 -
제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도...51 제 1 절연구개발목표달성도...51 제 2 절관련분야의기여도...52 제 5 장연구개발결과의활용계획...53 제 6 장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보...55 제 7 장참고문헌...57 붙임. 난분해성염화유기화합물로오염된지하수정화시스템의최적화를위한매뉴얼...61-11 -
표목차 표 1.1. 오염우려지역유형별지하수오염현황...17 표 1.2. 연구진행방법의모식도...20 표 3.1. 염화반응에서산화환원전위...26 표 3.2. TCE의이화학적성질...30 표 3.3. cis-dce 의기간별 1단계반응기분해효율표...43 표 3.4. cis-dce 의기간별 2단계반응기분해효율표...43 표 3.5. TCE의기간별 1단계반응기분해효율표...45 표 3.6. TCE의기간별 2단계반응기분해효율표...45 표 4.1. 연구개발목표와연구목표달성도...51-12 -
그림목차 그림 3.1. 클로로에틸렌의탈염반응...25 그림 3.2. 탈할로겐효소의계통학적분석...29 그림 3.3. TCE의호기적미생물분해에관여하는효소들...31 그림 3.4. 톨루엔의호기적미생물분해에관여하는효소들...33 그림 3.5. 1단계반응기시스템 (one-stage reactor system)...38 그림 3.6. 2단계반응기시스템 (two-stage reactor system)...39 그림 3.7. 메탄올을기질로사용하였을때 cis-dce 의농도변화, 1단계...41 그림 3.8. 메탄올을기질로사용하였을때 TCE의농도변화, 1단계...41 그림 3.9. 톨루엔을기질로사용하였을때 cis-dce 의농도변화, 1단계...42 그림 3.10. 톨루엔을기질로사용하였을때 TCE의농도변화, 1단계...42 그림 3.11. cis-dce 의각조건별분해효율실험결과...44 그림 3.12. TCE의각조건별분해효율실험결과...44 그림 3.13. 톨루엔을기질로사용하였을때톨루엔과 cis-dce 의농도변화, 1단계...47-13 -
요약어 EPA(Environmental Protection Agency, 환경보호국 ) FBR(Fluidized Bed Reactor, 유동상반응기 ) PCE(tetrachloroethene, 테트라클로로에틸렌 ) TCE(trichloroethene, 트리클로로에틸렌 ) DCEs(dichloethene isomers, 다이클로로에틸렌이성질체 ) VC(vinylchloride, 비닐클로라이드 ) ETH(ethene, 에틸렌 ) CP(chlorophenol, 염화페놀 ) MCP(mono-chlorophenol, 모노염화페놀 ) RDHase(dehalogenase, 탈할로겐효소 ) CHC(chlorinated hydrocarbon, 염소계탄화수소 ) BTEX{ 벤젠 (benzene), 톨루엔 (toluene), 에틸벤젠 (ethylbenzene), 자일렌 (xylene)} smmo(soluble methane monooxygenase, 메탄산화효소 ) NADH(nicotinamide adenine dinucleotide, 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드 ) FID(flame-ionization detector, 불꽃이온화검출기 ) GC(gas chromatography, 가스크로마토그래피 ) - 14 -
제 1 장연구개발과제의개요 제 1 절연구개발의목적및필요성 1. 연구개발의중요성 필요성 가. 국내의지하수이용현황현재까지우리나라는수자원으로주로호수와같은지표수를이용하여왔다. 흔히강우에의한수자원공급량이풍부한것으로알려져왔으며대부분의사람들도그렇게인식하고있는실정이다. 우리나라연평균강수량은 1,245mm 로세계평균 (880 mm) 의 1.4배이지만, 인구밀도가높기때문에 1인당강수량은 2,591m 3 / 년으로세계평균 1인당강수량 (19,635m 3 / 년 ) 의 13% 에불과하다. 따라서수요의입장에서볼때결코사용할물이풍부하지는않은형편이다. 또한계절적, 지역적으로불균형이심해결과적으로수자원의효율적인수급이더욱어려운실정이다. 이와같이국내수자원의여건은상당히좋지않은편이다. 그러나현재이와같은실태파악후에도이에근거한장기적인계획이나국내여건에적합한수자원수급방안의개발은선진국들에비해크게미흡한편이다. 최근국내수자원의운용체계는공급수의수질저하와공급수량의부족이라는쉽지않은문제에당면하게되었으며이에따라수자원의종합적인운용체계보완과재정립의필요성이시급한시점에이르렀다. 지하수는매우중요한수자원이지만국내에서는지표수에비해상대적으로관심밖에있었으며효율적인관리와활용이거의이루어지지않고있다. 국내에는풍부한지하수자원이있으며아직더개발할수있는여력도충분하므로계획적인개발과활용이전제된다면최근의수자원부족문제를해결하는데크게기여할것으로사료된다. 지하수는오염정도가현저히낮고변동이거의없으므로상수원으로이용할경우지표수를이용하여발생하는오염문제를상당히해결할수있다. 또한지하수는지표수에비해저수량의변화가적으므로통제와관리에의해안정적인공급체계를확보할수있는장점이있다. 2005 년까지파악된자료에의하면전국의지하수취수공은약 127 만개에달하며연간지하수이용량은 37억톤으로이는연간총용수이용량 (331 억톤 ) 의약 11.2% 에달한다. 그러나우리나라의지하수이용량은지속적으로증가하고있고, 새로운지표수원의개발이거의한계에도달한것으로볼때우리나라의지하수이용률도오래지않아미국, 유럽, 일본등의지하수이용률에육박하는약 20% 내외까지도달할것으로전망된다. 그러나지하수의활용에는여러가지해결해야할문제들이많다. 최근조사에의하면국내지하수의오염도는이제방치할수없을정도로서특히공장이밀집한지역과도시지역에서는매우심각한것으로밝혀지고있다. 따라서예전과같이지하수를깨끗한물로인식하여조사와개발에만치중하기보다는용도에따른적절한오염된지하수의처리가시급한실정이다. - 15 -
나. 국내의지하수오염실태건설교통부에서는주요한지하수오염원으로지하저장소, 정화조, 매립지, 농약살포및방치된유해폐기물매립지등을제시하고있다. 지하수오염원은시간적, 공간적으로그형태가다양하고지하수의이동통로가되는지질매체의특성에따라서오염원의확산정도가달라지기때문에지상에지하수의잠재오염원이존재하더라도지하수의오염의범위와정도를추정하기어렵다. 또지하수의오염현상은우리의가시권역에서벗어나있으며, 하나의지하수질측정을위한샘플링에도많은노력과기본적인시설이필요하기때문에지표수처럼어느정도체계화된오염현상의시공간적분석이어렵다. 전국적인지하수의오염실태를파악하기위한환경부주관의지하수수질측정망운영결과조사지하수정의약 6.3% 가지하수환경기준을초과한것으로나타났다. 도시지역에서는질산성질소에의한지하수오염현상이뚜렷한데정화조, 가정하수, 그리고하수도및오염된하천수의유입이그주요원인일것으로추정된다. 또한도시지역에산재한유류저장탱크의누출로인한지하수오염현상도지역에존재할것으로예상된다. 공단지역은공업시설이집중되어있을뿐아니라그주변에형성되는도시형생활공간때문에도시지역에서나타나는생활하수나정화조등에의한소위인위적오염현상, 즉질산성질소등에의한오염이확인된다. 공단또는공단밀집지역지하수내의오염물질중대표적인것은 TCE(trichoroethylene, 트리클로로에틸렌 ) 와같은공단에서주로사용되는세정제와연관이있는것으로조사되었다. 그리고유기용매에의한지하수오염문제도일부특정지역뿐만아니라전국적으로산재되어새로운사회문제로대두되고있다. 또한공단지역의금속류, 탄화수소류와같은오염물질들이그지역지하수에포함되어있을가능성이클것으로판단된다. 아래의표에따르면그중에서도 TCE 로인한오염정도가가장심각하다는것을알수있다. 다. 고도의난분해성물질인 TCE TCE는일반적인정화방법으로는처리하기힘든난분해성물질이며유독성, 발암성물질이다. 그리고고농도에서금속공업부품세정, 접착제첨가제, 페인트제거제, 얼룩제거제, 냉동제, 세정용매등에사용되는유해화학물질관리법상의유독물질로알려져있다. 그러나 2006 년상반기한강유역환경청의지하수수질측정결과 ( 표 1.1. 오염우려지역유형별지하수오염현황 ) TCE 항목이초과된지점이절반에달하며그중에는 TCE 기준치의 114 배를넘는곳도있을정도로심각한지하수오염물질이다. - 16 -
표 1.1. 오염우려지역유형별지하수오염현황 항목별초과내역 지역 구분 조사시료 초과기준초과율초과항목 (%) Cd As CN Hg 유기인 페놀 Cr+ TC Pb 6 E PC E 1.1. 1- TC E 벤젠 톨루엔 에틸벤젠 크실렌 ph EC NO 3 -N Cl - 일반세균 계 1,440 136 9.4 143 0 1 2 0 0 0 0 0 29 9 2 0 0 0 0 6 0 22 22 50 영농 수질 농업용수 93 6 6.5 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 농작물 20 1 5.0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 오염우려하천 112 13 11.6 13 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 6 공단 332 30 9.0 36 0 0 1 0 0 0 0 0 18 9 2 0 0 0 0 0 0 2 2 2 일반 180 14 7.8 14 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 4 7 폐기물 지정 49 6 12.2 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 1 금속광산 57 4 7.0 5 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 0 1 분뇨 63 11 17.5 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 1 5 주민건강 26 5 19.2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 3 유원지 70 4 5.7 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 3 기타 골프장 65 3 4.6 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 2 도시주거 306 29 9.5 29 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5 13 저장탱크 67 10 14.9 10 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 3 0 1 2 3 지하수보전법과같은지하수의무분별한개발을규제할수있는제도적장치가없는상태에서지하수확보경쟁의결과지하수자원의고갈뿐아니라지하수질의급격한악화를초래하였다. 예로대구지역의경우세계에서그유래를찾아보기힘들정도로짧은기간동안에많은양의지하수개발이진행되었다. 그결과강수의지하침투에의해유지되는지하수의수지균형이깨지면서지표상의크고작은오염원이빠른속도로침투되었을뿐아니라신천주변과금호강주변에서오염된하천수가지하수계로침투하여불과 20년전만해도음용으로가능했던지하수가이제는세척이나세차용등의허드렛물로만사용되는지경에이르렀다. 라. 연구개발의필요성산업발전및인구의도시집중화로인해발생되는각종오염물질의배출은자연계의자정작용의한계를초월하여하천, 호소등공공수역을오염시킬뿐아니라지하수를오염시켜인간의건강이나생태계까지위협하고있다. 특히, 우리나라의기간산업으로등장한석유화학공업, 중화학공업, 섬유산업, 전자산업등으로부터배출되는폐수는전국토의하천수및지하수 - 17 -
를오염시키는주원인이되고있다. 이들폐수에포함된많은솔벤트 (solvent) 중고리를하나가진단핵방향족화합물들 { 벤젠 (benzene), 톨루엔 (toluene), 클로로페놀 (chlorophenol) 등 } 은수용성이높으며구조적으로안정한난분해성인동시에발암성물질 (carcinogen) 및돌연변이성물질 (mutagen) 로작용하여자연계에축적될경우중대한오염문제를야기시킨다. 특히염화페놀화합물은화학반응의부산물또는중간산물의형태로생성되는데, 이들중에서 4-클로로페놀 (4-chlorophenol), 2,4- 다이클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 2,4,6- 트리클로로페놀 (2,4,6-trichlorophenol), 펜타클로로페놀 (pentachlorophenol) 등은강한독성으로인하여미국 EPA(Environmental Protection Agency, 환경보호국 ) 에의해중요오염원 (priority pollutants) 으로지정되어있다. 또한염화페놀은살충제, 살균제, 제초제로도많이사용되고있어토양에살포될경우지하수와토양의심각한오염문제를야기한다. 실제로이러한산업활동과정에서독성물질들이자연계로방출되고있어, 지하수와토양을오염시켜심각한문제를유발시키고있다. 난분해성화합물을물리 화학적방법으로제거하는방법은처리비용이많이들고 2차공해를유발하기때문에적절한방안이라볼수없다. 난분해성독성물질이함유된지하수를일반적인활성오니법으로처리할경우에는독성으로말미암아처리효율이저하되고방향족독성화합물이완전하게제거되지않는문제가발생할수있으며, 슬러지내에도이들물질들이농축되어매립처리시 2차오염이발생될수있다. 2. 연구개발의목적 본연구에서는국내뿐만아니라외국의경우에서도제시되었듯이가장큰지하수오염원으로작용하고있는물질이각종산업체에서사용되는유기용매와유류저장시설등에서나오는염화유기독성물질이기때문에오염원으로서염화유기독성물질과질산성질소, 그리고중금속중염화유기독성물질의처리에중점을두고있다. 기존국외관련기술들과함께본연구에서시행한동시물질대사 (co-metabolism) 방법으로, 첫번째단계에서세포 (cell) 를배양시킨후다음단계에서목표 (target) 물질을처리하는, 2단계 FBR(Fluidized Bed Reactor, 유동상반응기 ) 을사용해 TCE 등의난분해성염화화합물의처리효율을높이는정화처리시스템을최적화하여지하수오염현장에적용하기위한매뉴얼을개발하고자하였다. - 18 -
제 2 절연구개발의범위 표 1.2 는연구진행방법을모식화한것이며 3 단계에걸친연구의세부주제는다음과같다. 1. 1차년도 (2008) 가. 기존정화기술시스템조사나. 지하수오염물질이되는염화유기화합물들의분해기작연구다. 동시물질대사 (co-metabolism) 등의기술을이용한염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼초안작성 2. 2차년도 (2009) 가. 오염물질별반응기운전을위한고정하거나변화시킬파라미터 (parameter) 결정나. 결정된파라미터 (parameter) 를이용한반응기운전다. 조건별운전을통한오염원 (pollutant) 의농도별저감효율 (degrading efficiency) 측정실험라. 실험결과에따른염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼보완 3. 3차년도 (2010) 가. 정화시스템운전최적화조건연구및확립나. 기존의다양한지하수정화시스템및기술에대한조사다. 연구및조사결과를종합하여염화유기화합물들의정화기술별시스템최적화를위한매뉴얼완성 - 19 -
표 1.2. 연구진행방법의모식도 - 20 -
제 2 장국내외기술개발현황 제 1 절국내외기술개발현황 1. 국외기술개발현황 지하수질의오염은지하수를음용수로사용하는많은나라에서커다란관심사이다. 지하수질의주요오염원으로는가스공장 (gasworks), 석탄가스공장 (coal gasification plants), 정제공장 (refineries), 폐기산업지역 (abandoned industrial areas), 저장탱크지역 (storage tank areas), 군사지역 (military areas), 버스정류장 (bus-stations) 과그리고공항 (airports) 등이다. 이러한시설물로부터의가솔린과다른원유관련연료의유출은지하수오염의가장큰원인이다. 이스라엘의경우에는지하수위를지나는연료파이프망 (fuel pipe network) 을연장하고있고, 또한주유소 (petrol stations), 군주둔지 (army camps), 공단 (industrial plants), 그리고주거지 (residential areas) 안에많은수의지하저장탱크를가지고있다. 20년의기간동안크고작은많은유출사고가보고되었다. 미국의경우주오염원으로는지하저장탱크, 정화조, 농업활동으로야기되는농약살포및생활폐기물매립지순으로나타났다. 오염물질의발생빈도평가시질산염, 제초제및휘발성유기물등으로조사되었다. 한보고서에따르면미국의가솔린저장탱크중약 10% 가새고있다는보고가있다. 1,1,2,2,- 테트라클로로에탄 (1,1,2,2,-Tetrachloroethane), 1,1,1- 트리클로로에탄 (1,1,1-trichloroethane), 1,1,1- 트리클로로메탄 (1,1,1-trichloromethane) 과카본테트라클로라이드 (carbon tetrachloride) 와같은염화방향족 (chlorinated aromatic) 과지방족 (aliphatic) 화합물이가장주요한오염물질이다. 전체생물정화프로젝트들 (bioremediation projects) 의약 70% 가석유 (petroleum), 방부목재 (wood preservatives), 콜타르 (coal-tar) 화합물과관련되어있다. 전세계적으로오염된지하수지역과지하수처리상황을살펴보면, 미국의경우약 32,000-37,000 개의슈퍼펀드지역 (Superfunds site) 이선정되어양수및처리 (pump and treatment), 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 등의지하수오염방지기술에대한연구가활발하게수행되고있으며, 현장적용도아울러이루어지고있는실정이다. 독일의경우에는오염된지역이약 250,000 개에이른다고한다. 영국의경우에는약 50,000-100,000 개지역이오염되어있으며처리비용만도약 100-300 억파운드 (pounds) 에달하는것으로보고되고있다. 네덜란드의경우에는 1982 년이후약 6,000 개의오염된지역을정화하였으며그비용은약 15억달러 (dollars) 에달했다. 많은다른나라에서도지하수오염지역과오염물질을조사하고이를정화하고자하는프로젝트 (project) 를계획하고있는실정이다. 대표적인지하수오염정화방법에는양수및처리 (pump and treatment) 와현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 가있다. 양수및처리 (pump and treatment) 는 1980 년초반과중반에지하수정화기술로가장일반적으로사용되었으며, 1990 년대초반에 EPA 및다른연구자들에 - 21 -
의해이들공법의처리효율이평가되었다. 최근에양수및처리 (pump and treatment) 를현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 와결합한처리방법이효과적인것으로알려져있다. 양수및처리 (pump and treatment) 기술은휘발성방향족탄화수소와다환방향족탄화수소와같은생분해성유기화합물로오염된지하수에적용이가능하다고제시되고있다. 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 는오염된지하수에영양물질과산소를공급하여오염물질을생물학적으로제거하는방법으로양수및처리 (pump and treatment) 와달리오염물질의이동과굴착요구를최소화함으로서휘발에의한손실과취급에소요되는비용을최소화할수있는장점을지니고있다. 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 처리동안은현장특성을대상오염물질을분해할수있는미생물의성장을촉진할수있도록교정한다. 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 의처리효율은지역과오염물의특성에매우의존적이어서이러한인자들에의해오염물의생물학적이용도, 미생물활성, 화학반응속도등이영향을받는다. 2. 국내기술개발현황국내에서도오염된지하수의정화에대한관심이높아지고있으나아직까지연구실적은미미한실정이다. 최근들어수자원연구소와환경부에서지하수오염현황을조사한바있다. 오염된지하수의처리에는침출수로인한지하수오염을모델로하여한국과학기술원토목공학과신항식교수연구팀에서지중수의오염물질거동과물리화학적전후처리기술및생물학적처리에관한연구를수행한바있다. 한국자원연구소윤인주박사팀에서는오염된지하수를정수하여음용수화하는기술로서중급규모정수설비를대상으로막분리기술의적용성여부와적합한공정구성방법의기초연구를수행하였다. 그러나생물공학적인개념으로가장뛰어난분해능을가진탈질미생물의분리동정하고그균주에적합한생물반응기를제작하여산업적이용을목표로하는연구는거의전무한실정이다. - 22 -
제 2 절연구개발결과가국내외기술개발에차지하는위치 본연구개발결과는기존의국외기술내용들과함께난분해성염화유기화합물로오염된지하수를생물학적으로처리하기위해 2단계 FBR(Fluidized Bed Reactor, 유동상반응기 ) 을사용하며, 반응효율을높이기위한고정화방법개선과중요미생물의특성연구를통한반응기효율증대를위해시스템의최적화매뉴얼을개발하였다. 또한난분해성염화유기화합물의분해능이우수한고활성미생물을분리동정하고분리된미생물간의동시물질대사 (co-metabolism) 연구를통한생물반응기의개선및오염지하수처리효율이높은생물반응계를구축하였다. 따라서질산성질소와중금속에오염된지하수의처리를위해수행된연구결과와병합하여종합적처리시스템을구축할수있으리라기대된다. 이러한지하수처리기술은선진국에서활발히진행되고있으나국내에서는거의시작단계에있으므로이기술의확립은국내기술의발달에지대한영향을미칠것으로기대된다. - 23 -
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제 3 장연구개발수행내용및결과 제 1 절 PCE, TCE, DCE, VC 분해기작연구 1. 염화반응 (Chloridogenesis) 할로겐호흡 (Halorespiration) 과탈할로겐호흡 (dehalorespiration) 이라는용어를자주문헌에서볼수있다. 이는염화유기물질의탈염반응을가리키고전자전달계인산화과정 (electron-transport-coupled phosphorylation) 을통하여반응과정중에너지가보존되는것을말한다. 일반적으로할로겐호흡과탈할로겐호흡반응들에서는염화유기물질이최종전자수용체 (terminal electron acceptor) 로작용되는데이는다른호흡과정에서질산염 (nitrate) 이나이온이최종전자수용체로사용되는것과같은원리이다. 또한염화반응 (Chloridogenesis) 이라는용어로할로겐호흡과탈할로겐호흡두용어를대체하여사용할수있다. 전반적인과정이그림 3.1 에서제시되었다. 그림 3.1. 클로로에틸렌의탈염반응 (Reductive dechlorination of chloroethenes). PCE(tetrachloroethene, 테트라클로로에틸렌 ), TCE( trichloroethene, 트리클로로에틸렌 ), DCEs(dichloethene isomers, 다이클로로에틸렌이성질체 : cis-dce 가대표적임 ), VC(vinylchloride, 비닐클로라이드 ), ETH(ethene, 에틸렌 ) 표 3.1 을참고하면염화반응의한종류로수소원자가염소원자를대체하는반응 ( 수소화분해, hydrogenolysis) 이있다. 염화유기물질의산화환원전위는 +260mV 에서 +660mV 사이이고이수치는수소원자가염소원자를대체하는능력과밀접한관계가있다. 이반응은탈할로겐화반응에서황산염환원 (sulfate reduction) 이질산염환원 (nitrate reduction) 보다우세를차지한다. 다른염화반응종류는염화지방산화합물의환원반응인이할로겐화제거반응 (dihaloelimination) 이다. 이는인접한두염소원자가동시에떨어져나가면서탄소-탄소결합이이중결합 (double bond) 으로바뀌는반응이다. 이때오직 1개분자의수소분자 (H 2 ) 가인접한두개의염소원자의떨어짐에참여하는데이반응은위에서설명한수소화분해반응에서두개분자가필요되는것과대조된다. 헥사클로로에탄 / 테트라클로로에탄 (Hexachloroethane/tetrachloroethane) 과같은염화지방산화합물의산화환원전위는수소화분해반응보다훨씬높은 1192mV 까지될수있는데이는산소 / 물 (O 2 /H 2 O) 의산화환원전위와거의비슷하다. - 25 -
표 3.1. 염화반응에서산화환원전위 1998 년맥키위즈 (Mackiewicz) 와위에겔 (Wiegel) 은처음으로디설피토박테리엄 (Desulfitobacterium) 속 (genus) 의일부균주는전자전달계인산화반응에서탈할로겐반응과정중이동되는전자를이용하여생장할수있다고밝혔으며그실례로디설피토박테리엄디할로게난스 (Desulfitobacterium dehalogenans) 균주를배양할때포메이트 (formate) 는전자공여체 (electron-donor) 로, 3Cl 4 OHPA(3-chloro-4 hydroxyphenylacetic acid, 3-클로로-4 하이드로옥시페닐아세틱산 ) 은전자수용체 (electron-acceptor) 로이용되고있다고논문에발표하였다. 2001 년연구결과, 같은배지 (medium) 에질산염, 3Cl 4 OHPA, 푸마르산염 (fumarate) 그리고아황산염 (sulfite) 을모두넣었을때, 균주는먼저질산염과 3Cl 4 OHPA를환원하였고나중에푸마르산염과아황산염을환원하였다고발표하였다. 2001 년반데파스 (Van de Pas) 연구팀도디설피토박테리엄디할로게난스균주를이용하여전자전달계인산화반응실험을실행하였고배양액에전자공여체로포메이트 (formate) 혹은 3Cl 4 OHPA를넣었다. 이들의연구결과에의하면중탄산염 (bicarbonate) 이버퍼로사용될때피루빈산염발효 (pyruvate fermentation) 실험결과아세트산염 (acetate) 은젖산염 (lactate) 의두배가된다는것이다. 이렇기때문에이산화탄소가디설피토박테리엄디할로게난스균주에의하여전자수용체로이용되면서균주대사에필요한 ATP(adenosine triphosphate, 아데노신트리포스페이트 ) 를생산할수있는아세트산염를만들어낸다는것을알수있다. 2. 탈염반응들의기질범위 (substrate spectrum) 디설피토박테리엄 (Desulfitobacterium) 속 (genus) 의균주들을이용한다양한연구결과들은 이균주들이매우다양한환원효소를갖고있다고설명한다. 이러한효소의다양성은자연계에 - 26 -
존재하는염화유기물질의다양성을대변할수있다. 1995 년디설피토박테리엄속의디설피토박테리엄디할로게난스 (Desulfitobacterium dehalogenans) JW/IU-DC1 균주는일부염화페놀화합물 (chlorophenolic compound) 의 ortho- 위치에있는염소를치환할수있다고보고하였다 (Utkin et al. 1995). 1996 년에는디설피토박테리엄속에속하는균주 PCE1는 PCE를거의전부 TCE로전환할수있지만, 아주소량의 cis- 혹은 trans-dce 가배양액에서발견되었다고하였으며, 실험에의하면이균주는일부 CP(chlorophenol, 염화페놀 ) 의 ortho- 위치에있는염소만치환할수있다고보고하였다 (Gerritse et al., 1996). 또한일부디설피토박테리엄속의균주들은 MCP(mono-chlorophenol, 모노염화페놀 ) 를페놀 (phenol) 로, 염화지방산과방향성화합물 (aromatic compound) 들의염소를치환시킬수있다는결과를얻었다. 디설피토박테리엄하프니엔세 (Desulfitobacterium hafniense) 균주 DCB-2는일부염화페놀의 ortho- 혹은 meta-위치의염소를치환 (Madsen & Licht, 1992; Christiansen & Ahring, 1996) 시킬수있으며피루브산염 (pyruvate), L-젖산염 (L-lactate) 혹은 3Cl 4 OHPA에서전배양 (pre-culture) 하면 PCE를느리게 TCE로전환 (Gerritse et al., 1999) 할수있었다. 디설피토박테리엄하프니엔세균주 PCP-1는지금까지발견된균주들중유일하게혐기성조건에서 PCE를 3-CP 로탈염시킬수있는균주로알려지고있다. 이균주는 ortho-, meta- 그리고 para- 위치에있는염소를모두치환시킬수있으며페닐 (phenyl) 혹은피리딘 (pyridine) 의링 (ring) 구조를갖고있는다양한유기물을분해할수있으며염소를대신해수산기, 니트로기, 메소옥시 (methoxy) 혹은아미노기등으로치환될수있다. 폴리염화니트로벤젠 (Polychlorinated nitrobenzene) 의경우에는니트로기 (nitro group) 가탈염반응이일어나기전에먼저아미노기로환원된다 (Bouchard et al., 1996; Dennie et al., 1998). 이는또한처음혐기성조건에서수산기가붙은 PCE의염소를치환할수있는균주로알려지고있다. 그러나 2-하이드로옥시-3,5- 다이클로로바이페닐 (2-hydroxy-3,5-dichlorobiphenyl), 2-하드로옥시-2,5 - 다이클로로바이페닐 (2-hydroxy-2,5 -dichlorobiphenyl), 4-하이드로옥시-2,2,5 - 트리클로로바이페닐 (4-hydroxy-2,2,5 -trichlorobiphenyl) 과같이염소유기물질은분해할수없는데, 이는수산기의존재여부및그위치가중요한역할을한다는것을알수있다. 그러므로수산기, 아미노기등과같은극성치환기혹은질소, 피리딘등이존재해야만탈염반응이진행될수있다. 극성기가효소의활성부위와서로작용하는지아니면탈염반응이전자공여효과 (electron-donating-effect) 에의하여진행되는지는아직알려지지않았다. 디설피토박테리엄하프니엔세균주 TCE1은 PCE와 TCE를 cis-dce 로탈염소시킬수있지만소량의 1,1-DCE 를검출해낼수있었다. 이균주는 PCE에서전배양 (pre-culture) 하면낮은농도의 CCl 4 를 CHCl 3, 와 CH 2 Cl 2 로전환시킬수있다고한다. 만약처음부터 PCE에서배양하지않고 CCl 4 에서배양하였다면탈염반응이일어나지않는데, 이는동시물질대사과정 (co-metabolic process) 에의하여반응이진행된다고발표되었다 (Gerritse et al., 1996). 디설피토박테리엄하프니엔세균주 Y51 은 PCE 와 TCE를 cis-1,2-dce 로전환시킬수있으며물에용해될수있는 PCE의최고의농도 960mM 에서도탈염반응이일어날수있었다. 이균주는염화된에탄 (ethane) 을 DCE로, 1,1,1,2,2,3,3- 헵타클로로프로판 (1,1,1,2,2,3,3-heptachloropropane) 을펜타클로로프로필렌 (pentachloropropene) 으로전환시킬수 - 27 -
있는데, 이는이할로겐화제거반응기작 (dihaloelimination mechanism) 에의해반응이진행된다고발표되었다 (Suyama et al., 2001). 디설피토박테리엄하프니엔세균주 TCP-A 는 ortho- 와 meta-위치에염소가붙은 CP를탈염소시킬수있다 (Breitenstein et al., 2001). 디설피토박테리엄하프니엔세균주 Co23 은 ortho- 위치에방향성화합물질의염소를치환시킬수있다 (Sanford et al., 1996; Cupples et al., 2005). 그러나 ioxynil계화합물하나만존재하거나혹은브롬옥시닐 (bromoxynil) 계화합물질과같이배양되면탈요오드반응이일어나지않았다. 그대신해아이옥시닐 (ioxynil) 계화합물과 3-클로로-4- 하이드록시벤조에이트 (3-chloro-4-hydroxybenzoate) 가같이배양되면탈요드반응이일어날수있었는데이는탈요드반응이유도반응이라는것으로예상될수있다. 디설피토박테리엄다이클로로엘리미난스 (Desulfitobacterium dichloroeliminans) 균주 DCA1 은일부다이클로로알칸 (dichloroalkane) 을완전히탈염소시킬수있다. 이박테리아는다이클로로엘리미네이션기작 (dichloroelimination mechanism) 에의해필요한에너지를얻는다는연구가진행되고있다. 3. PCE/TCE 환원성탈할로겐효소 (dehalogenase) 디설피토박테리엄 (Desulfitobacterium) 속 (genus) 의균주들에서분리된클로로에틸렌 (chloroethene) 을환원시킬수있는 RDHase(dehalogenase, 탈할로겐효소 ) 들중에서지금까지 4개의 PCE/TCE RDHase가서로다른디설피토박테리엄균주들에서정제가되었으며모든효소들은세포막 (cell membrane) 혹은세포벽 (cell wall) 에서분리되었다. 디설피토박테리엄 RDHase의일부유전자는이미발견되었으며 5개염화방향성 RDHase는 CprA Rdhase 패밀리 (family) 에속하고 3개 PCE/TCE RDHase는 PceA 패밀리에속하였다. 디설피토박테리엄하프니엔세 (Desulfitobacterium hafniense) PCP-1의 2,4,6-TCP RDHase는 PceA 패밀리에속하지않으며디설피토박테리엄균주 PCE1의 PCE/TCE RDHase 유전자는아직연구되지않았다. 이미알려진디설피토박테리엄 PCE/TCE RDHase는디설피토박테리엄하프니엔세의균주들 PCE-S, TCE1, Y51 및디설피토박테리엄속균주 PCE1에서분리되었다. 그중 Y51은 TCE에의해 PCE/TCE RDHase활성이 25배나증가된다고연구되었다 (Suyama et al., 2002). 이정제된 PCE/TCE RDHase는 PCE와 TCE를 cis-1,2-dce 로탈염소시킬수있으며많은클로로에탄 (chloroethane) 을 PCE 혹은 TCE를통하여 cis-dce 로전환시킬수있다. Y51가탈염할수있는기질의범위는디할로박터레스티릭터스 (Dehalobacter restrictus) 의 PCE RDHase와유사하다. 클로로알칸 (chloroalkane) 화합물을염소물질이적은염화알켄 (chloroalkene) 으로전환하는것은수소화분해 (hydrogenolysis) 기작보다이할로겐화제거반응 (dihaloelimination) 기작이더욱특징적인것으로나타났다. 디설피토박테리엄하프니엔세 Y51과디할로박터레스티릭터스 PCE의 RDHase의두가지탈염화기작은같은효소에의한것으로볼수있다. PCE1, PCE-S와 TCE1 균주들은 PCE와 TCE를 DCE로전환시킬수있는것으로증명되었다. 그러나 4가지디설피토박테리엄 PCE/TCE RDHase는 DCE를탈염소시킬수없다. 균주 PCE-S 와 - 28 -
Y51의 PCE/TCE RDHase는아무런염화화합물을탈염소시킬수없다. 디설피토박테리엄하프니엔세 PCE-S, TCE1와 Y51의 PCE/TCE RDHase N-터미널 (N-terminal) 은디할로박터레스티릭터스 PCE RDHase (ADIVAPITETSEFPYKVDAK) 의 N-터미널와동일하다. 클로닝 (Cloning) 결과 pcea 유전자에대응하는염기서열에서디설피토박테리엄하프니엔세 PCE-S, TCE1, Y51과디할로박터레스티릭터스의유전자염기서열이거의동일한것을알수있다 (96% 이상유사성 ; 그림 3.2). 그림 3.2. 탈할로겐효소의계통학적분석 (Phylogenetic analysis of reductive dehalogenases) - 29 -
제 2 절기존정화처리시스템조사 1. 기존정화시스템들 지하수오염은점점심각한문제로취급되고있다. 많은서로다른위험한오염물질이지하수에서발견되고있다. 그중에서도염화에틸렌 (chloroethene), 특히 TCE( 표 3.2) 는미국지하수에서휘발성유기물질로검출되고있다. 세계적으로 TCE는염화유기물질로서용매작용특성에따라공업용세제와그리스제거용물질로많이이용되고있다. 표 3.2. TCE 의이화학적성질 Properties Value Density 1.46 g ml -1 Water solubility 1000 mg l -1 Henry s Law Constant (atm-m 3 mol -1 at20 C) 0.00892 Molecular Weight 131.4 Boiling Point 86.7 C Log Octanol-Water Partition Coefficient 2.42 오래전부터 TCE는호기성조건에서고도로산화된구조특성에의하여분해되기힘든물질로알려졌다. 일련의모노옥시제나아제 (mono-oxygenase) 가호기성조건에서 TCE 분해능력 ( 그림 3.3) 을보여주지만비닐클로라이드 (vinyl chloride) 의생성혹은완벽한광화작용이불가능하다. 그러나방향족화합물톨루엔 (toluene) 혹은페놀 (phenol) 이존재하는조건에서는촉매작용이가능하다. 그결과적당한방향족화합물혹은다른촉매가이시스템의응용에서필수적인첨가물질로인식된다 (Nelson et al., 1987; Harker & Young, 1990). 이러한프로세스를동시물질대사 (co-metabolism) 라고불린다. 염화유기물질을동시물질대사에의하여생물학적으로분해하려면반드시효소혹은보인자 (co-factor) 의촉매작용이있어야하며이런효소혹은보인자는다른생물에의해만들어진다. 이런생물은염화유기물질을분해하는과정에서자신에게유익하지않다. 다시말하면동시물질대사에의한생물학적분해과정은이런생물들의생명활동에필요한효소혹은보인자를만드는데해롭다고볼수있다. - 30 -
그림 3.3. TCE 의호기적미생물분해에관여하는효소들 (Enzymes involved in aerobic microbial degradation of TCE) 비록동시물질대사작용이혐기성조건에서도일어날수있지만호기성조건의연구가많이진행되었다. 호기성조건에서퍼클로에틸렌 (perchlorethylene) 이존재하면염화에틸렌은가장쉽게동시물질대사에의해분해될수있다고보고되었다 (Vogel, 1994; Murray & Richardson, 1993). 보젤 (Vogel) 은탈염반응 (dechlorination) 이감소됨에따라동시물질대사속도가증가한다는연구결과를발표하였다. 2. 염화알켄 (chloroalkene) 다른염화유기물질처럼염화에틸렌 (chloroethylene) 도대기, 물, 토양등의일반적인오염물질이다. 이부류의오염물질에속하는것으로 PCE, TCE, DCE 그리고 VC가있다. 혐기성조건에서 PCE는 TCE를거쳐많은이성질체 (isomer) 를갖고있는 DCE, 다음으로 VC에서에틸렌 (ethylene) 으로탈염소과정으로분해된다 (Freedman and Gossett, 1989). 이중 PCE, TCE 및 VC는널리알려져있는발암물질이다. - 31 -
TCE는일부가래커 (lacquer) 제조에사용되고있지만주로 PCE처럼그리스제거제 (degreasing agent) 로사용되거나드라이크리닝의솔벤트, 자연화합물질의추출용매로많이사용되고있다. TCE와 PCE는난분해성특징때문에위험물질로널리알려져있다. PCE는불화계탄화수소 (fluorinated hydrocarbon) 와 CHC(chlorinated hydrocarbon, 염소계탄화수소 ) 제조의중간체 (intermediate) 로많이사용되고있다. cis- 및 trans-dce 는아주소량으로생성되며세계적으로도많이사용되지않는다 (Rippen, 1999). PCE와 TCE의혐기성전환비율은 25:1 이다. 이외에소량의 1,1-DCE 가쓰레기매립지, 혐기성슬러지소화조, 그리고오염된지하수에서생성된다 (Wood et al., 1981). VC는 PVC제조에대량으로사용되고있다. 세계적으로 1985 년생산량은 16.7 Mio t/a이며생산량의 0.02% 는환경으로방출되고있다. (Singh et al., 1981) 3. 방향족화합물 톨루엔 (toluene) 은페인트혹은래커 (lacquer) 용매로, 연료로많이사용되고있으며벤젠 (benzene) 과페놀 (phenol) 과같은화학물질의합성에많이쓰이고있다. 환경으로방출되는양은 6 8 Mio t/a로총생산량의 10% 를차지한다 (Fischbein, 1985). 톨루엔의호기적분해과정은그림 3.4 과같다. 자일렌아이소머 (xylene-isomer) 는제초제의용매로사용되고있으며 o-자일렌 (o-xylene) 은래커용매또는폴리에스테르 (polyester) 생산에사용되고있다 (Verschueren, 1996). 1996 년세계총생산량은 o-자일렌 (o-xylene) 이 2 Mio. t/a, p-자일렌 (p-xylene) 이 6 Mio. t/a이라고한다 (Rippen, 1999). 에틸벤젠 (ethylbenzene) 도역시용매로많이사용되고스티렌 (styrene) 과기타화학물질을생산하는방법에사용되고석유연료에많이포함되어있다. 1983 년유럽에서 3 Mio. t/a가량생산되었으며그중 2% 는환경으로방출되었다고보고되었다. 트리메틸벤젠아이소머 (trimethylbenzene-isomer) 는무색의액체로서원유혹은콜타르에많이함유되어있다. 1,2,4- 트리메틸벤젠 (1,2,4-trimethylbenzene) 은많은유기기질의합성중간생성물질인데래커, 페인트또는제약과정중많이생성된다. 1,3,5- 트리메틸벤젠 (trimethylbenzene) 은메시틸렌 (mesitylene) 으로알려져있으며페인트제조중유기용매로쓰인다. - 32 -
그림 3.4. 톨루엔의호기적미생물분해에관여하는효소들 (Enzymes involved in aerobic microbial degradation of toluene) - 33 -
4. 주요오염물질의생물학적분해 4.1. 염화알켄 (chloroalkene) 염화알켄의분해는두가지과정이필요하다. 첫번째과정은탈염과정 (dechlorination) 이고광수화 (mineralisation) 와동화 (assimilation) 과정이두번째과정이다. 탈염과정은효소에의한촉매반응이며혐기성혹은호기성조건에서모두진행될수있다. 대체로염화정도가높은알켄일수록혐기성조건에서더욱쉽게탈염과정이일어날수있다. PCE는 TCE, cis-dce, trans-dce, 1,1-DCE 및 VC을거쳐마지막으로에틸렌 (ethylene) 으로전환된다 (Freedman and Gossett, 1989). VC는일종발암물질로서혐기성조건에서누적되며더이상분해되기힘들다 (Ndon and Randall, 1999). 오염원에서 DCE-isomer, TCE 그리고 VC 의존재여부는혐기성조건에서오염물질이분해될수있다는근거로판단될수있다. 호기성미생물은동시물질대사 (co-metabolism) 에의하여많은알칸 (alkane), 알켄 (alkene) 그리고염화알칸 (chloroalkane) 을산화시킬수있다. TCE는고도로산화된화합물질로서미생물의생장에탄소원으로사용되기어렵다. 호기성미생물은옥시제나아제 (oxygenase) 라는일련의효소에의하여많은기질을이용할수있으며염화알켄을동시물질대사에의하여분해할수있다. 메탄모노옥시제나아제 (methane monooxygenase), 암모니엄모노옥시제나아제 (ammonium monooxygenase), 톨루엔 (toluene) 모노혹은다이옥시제나아제 (mono- or dio-xygenase) 등의효소가이에포함된다. 이런효소들은서로특이적인기질의유도를받아야활성을일으킬수있다. 대부분의연구들은메탄모노옥시제나아제의활성에초점을맞추고있다. 기질의농도및보조기질 (co-substrate) 의존재여부에의하여분해율은 20nmol 에서 200nmol 까지다양하다. 연구에의하면오직가용성메탄모노옥시제나아제가 TCE를분해할수있다고보고되었다. 메타노트로픽 (Methanotrophic) 배양에의한염화유기물질분해의동시물질대사작용 (co-metabolic activity) 을억제하는요소는아래와같다. 경쟁적저해 (Competitive inhibition) 생산물저해 (Product inhibition) 환원에너지한계 (Reducing energy limit) 산소한계 (Oxygen limit) 일부반응기에서는경쟁적저해 (competitive inhibition) 를찾아볼수있다. 염화알켄의동시물질대사분해반응 (co-metabolic degradation) 은독성중간물질을만들어낼수있는데이는효소의생성을억제할수있다. 이런단점을극복하기위하여미생물생장과염화유기물질의분해를다른단계에서진행하는 2단계반응시스템 (two-stage reactor system) 을이용할수있다. 4.2. 방향족화합물 비편재화 p- 전자시스템 (delocalized p-electron system) 의방향족화합물질은매우안정적이 다. 혐기성조건에서만약체인 (chain) 의일부분이변형 (modify) 되면산화능력이있는방향성 - 34 -
링 (aromatic ring) 구조를갖고있는수산화물이생성될수있다. 대부분의방향족화합물은주로두가지중심화합물 (central compound) 경로를거쳐분해된다. 하나는브렌즈카테신 (brenzcatechine) 이고다른하나는프로토카테츄에이트 (protocatechuate) 이다. 따라서다이옥시제나아제 (dioxygenase) 의촉매작용에의하여링구조가열리는데이는수산화기가붙어있는쪽에서열리거나혹은하이드로옥시라이즈드 (hydroxylised) 또는논하이드로옥시라이즈드카본 (non-hydroxylised carbon) 쪽에서열릴수있다. 호기성미생물에의한 BTEX{ 벤젠 (benzene), 톨루엔 (toluene), 에틸벤젠 (ethylbenzene), 자일렌 (xylene)} 분해는미생물세포 (cell) 를고정시키는방법에의한분해가잘알려져있다. 방향족화합물질의분해는원칙상혐기성조건에서진행될수있다. 그이유는비편재화 π-전자시스템 (delocalised π-electron system) 때문에링이열리려면많은에너지가필요하기때문이다. 5. 지하수의생물학적처리기술 염화에틸렌 (chloroethylene) 에오염된지하수의생물학적처리는많이연구되고있다. 이런화합물질은이미물에용해되어있으며화학적으로안정하기에오염원으로부터많이떨어져있는지역의지하수에서도검출될수있다. 그러므로많은연구가오염된토양과지하수의현지내 (in situ) 처리에초점을맞추고있다. 몇가지주요기술이이용되고있는데고정상반응기 (fixed-bed reactor) 를이용한지하수처리방법이나생물자극 (biostimulation) 을결합한현지내생물처가방법 (in situ bioaugmentation) 등이있다. 5.1 호기성조건호기성조건에서혼합배양액을이용하여 TCE 분해를분해하는연구는다양하게진행되고있다. 예를들면고정성 (fixed-bed), 유동상 (fluidized-bed), 익스팬디드상 (expanded-bed) 와필름부착 (attached-film) 반응기등이있다. Tschantz et al. (1995) 의연구에의하면효소가억제되지않았을때 TCE 전환능률은 109mg 까지갈수있다고보고했다. 이연구지은메틸로시너스트리코스포리엄 (M ethylosinus trichosporium) OB3b라는뮤턴트 (mutant) 를배양해유가배양반응기 (fed-batch reactor) 에서오직 smmo(soluble methane monooxygenase, 메탄산화효소 ) 만생성한다. 이뮤턴트균주를 TCE와함께 4개의연속된플러그흐름반응기들 (plug-flow reactors) 에넣어 smmo에대한 TCE와메탄 (methane) 의경쟁적저해 (competitive inhibition) 를줄였다. 90% 이상의 TCE(3mg/L) 가 4.5 시간내에제거되었다고한다. 메탄과방향족화합물질들은일부 TCE-분해미생물의생장기질로사용될수있다. TCE에오염된지하수처리과정에서톨루엔 (toluene) 을기질로할때 TCE분해속도는 45 mg TCE/m 2 biofilm/d 이였고호기성 biofilm 반응기의전환능률은 50 mg TCE/g toluene 이였다고보고된바있다. - 35 -
5.2 혐기성조건일련의 PCE 및기타염화에틸렌 (chloroethene) 의탈염소처리방법은혐기성조건에서많은지하수오염물질처리를위한생물반응기 (bioreactor) 에이용되고있다. 이때전자공여기질 (electron donating substrate) 을첨가물로따로넣어주어야한다. 혐기성필름부착익스팬디드상 (attached-film expanded-bed) 반응기를이용한염화에틸렌에오염된지하수생물학적정화방법등이있다 (Sean & Jewell, 1993). 메탄이생성될수있는조건하에서생장기질및전자공여체를따로넣어주었을때 PCE(10 ml/l) 는거의완벽히탈염소되거나혹은보다낮은염소를함유한에틸렌 (ethylene) 으로전환되었다 (residence time 2.9 h). 이때주요탈염소산물인 VC가 4.1 mg/l로누적되었다. 최대탈염반응속도 (mg/g solids/h) 는각각 PCE 5.33, TCE 5.29, DCE 2.22, VC 0.012 로측정되었다. 염화에틸렌이누적됨에따라탈염반응을완벽히하려면호기성미생물의추가주입이필요했다. Wu et al. (1993) 에의하면혐기성조건에서수소 (hydrogen), 포름산염 (formate), 사탕수수당밀 (cane molasses), 포도당 (glucose) 또는 3-클로로벤조네이트 (3-chlorobenoate) 를전자공여기질로넣어주면 PCE를아주높은속도로분해할수있는데최종산물은에틸렌혹은에탄이라고하였다. - 36 -
제 3 절염화유기화합물정화반응기운전및최적화 1. 지하수오염물질분해실험 본연구에서는오염지하수를처리했던파일럿플랜트 (pilot plant) 가호기적유동상 (fluidized bed) 반응기였기에산화적인동시물질대사적 (co-metabolic) 분해실험을선택하게되었다. 메탄, 톨루엔, 메탄올을기질로선택하여염화에틸렌의동시물질대사분해실험을진행하였다. 선택된기질들을지하수혹은미네랄염에넣어배지를만들었다. 기체상태메탄은부동상태에서침전율이다른액체상태의메탄올, 톨루엔과비교하였다. 메탄의가용성은메탄올에비해많이떨어졌다. 미생물이성장촉진을위하여효모추출물 (yeast-extract), 펩톤 (peptone), 인산염 (phosphate salt) 및소듐포메이트 (sodium formate) 를기질로넣어주었다. 소듐포메이트는메탄에서메탄올로산화하는전자전달체 (electron carrier) 로넣어주었는데이는보효소 (coenzyme) NADH(nicotinamide adenine dinucleotide, 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드 ) 를재순환 (recycle) 하는데필요한물질이다. 2. 반응기운전 2.1. 1단계유동상반응기 (One-stage fluidized bed reactor) 오염된지하수처리를위한반응기 ( 그림 3.5) 에파일럿공장 (pilot plant) 의지하수오염방지용물질 200 PUFC를넣었다. 미생물은주로톨루엔 (toluene) 과자일렌 (xylene) 에적응되었다. 랩스케일 (Lab scale) 실험을수행하기위하여샘플링한지하수는 4m 3 버퍼탱크 (buffer tank) 에담았으며다시 30L 통에담아서 4 ºC에보관하였다 1주일동안 90L 버퍼탱크에담아두었으며 4 ºC에보관하였다. 실험은 80일을걸쳐실행되었다. - 37 -
O 2 Effluent Sample Effluent Collector PU Foam Cubes Controller Sample Groundwater (O ) 2 그림 3.5. 1 단계반응기시스템 (one-stage reactor system) 2.2. 2단계유동상반응기 (two-stage fluidized bed reactor) 1단계반응기에서는경쟁적저해 (competitive inhibition) 가생길수있다. 염화알켄의동시물질대사적분해과정 (co-metabolic degradation) 은독성중간물질을만들어낼수있는데이는효소생성을억제할수있다. 이런단점을극복하기위하여세포생장과염화유기물질의분해를서로다른과정에서수행하는 2단계유동상반응기 (two-stage fluidized bed reactor) 를운전하였다 ( 그림 3.6). - 38 -
ph TIC M ph TIC M Air Decanter Carbon source Medium Medium Pollutant Heating water Cell growth reactor Treatment reactor Cooling water 그림 3.6. 2 단계반응기시스템 (two-stage reactor system) 의모식도 - 39 -
3. 분석방법 GC(gas chromatography, 가스크로마토그래피 ) 를이용하여물샘플의오염물질을측정하였다. 액체샘플의여러가지오염물질은 FID(flame-ionization detector, 불꽃이온화검출기 ) 혹은전자포획검출기 (electron-capture detector) 를이용하여 HP 5890 Series II에서측정하였고캐리어가스로는헬륨 (helium) 을사용하였으며속도는 2.2 ml/min로하였다. 세퍼레이션칼럼 (separation column) 은 CP-Sil 13 (Fa. Chrompack, 50 m * 0.32 mm * 1.2 mm) 을사용하였다. 15ml 의액체샘플은테를론 (teflon) 을감은부틸고무 (butyl rubber) 마개로막아 22ml 유리병에담아보관하였다. 샘플은 30분동안 80 C에서가열한다음 GC로측정하였다. 밀봉한액체샘플은 15분동안워터배스 (water bath) 에서소니케이션 (sonification) 한다음 4 C 냉장고에보관하였다. 반응기의산소함량과온도는지속적으로산소계수측정기 (oxygen electrodes; Fa. Chemtronic) 로측정하였다. 4. 염화유기화합물들의분해율측정 지하수의염화에틸렌화합물은 cis-dce 와 TCE 가가장많았다. 결과는실험을시행후 5 일째 부터기록하였다. 4.1. 1 단계유동상반응기 (One-stage fluidized bed reactor) cis-dce 와 TCE의농도와분해율은 38일후부터측정하였으며결과는그림 3.7 와그림 3.8 에서볼수있다. 실험시작단계에서유입액 (influent) 농도는변화가심하였다. cis-dce 의농도는 600 µg/l에서 1000 µg/l로증가되면서점차안정되었고 TCE는 800 µg/l에서 300 µg/l로감소되었다. 유출액 (effluent) 농도는 cis-dce 는 25일째부터 600 µg/l되었으며 TCE는 150 µg/l로되었다. 시작단계에서분해율은 cis-dce 는 30%, TCE는 20% 였지만 25일후최고수치에도달하였는데 cis-dce 는 60%, TCE는 70% 였다. 효모추출물 (yeast extract) 과펩톤 (peptone) 의긍정적인영향 (positive effect) 은 10일과 25일째비교해볼때현격한차이를보였다. cis-dce 의분해율은 15% 증가 (25% 40%) 하였으며 TCE의분해능률은 25% 증가 (30% 50%) 하였다. 그림 3.9 과그림 3.10 에서는톨루엔 (toluene) 과 cis-dce의농도및분해율을보여준다. 톨루엔의농도는보조기질 (co-substrate) 에따라서달랐는데보조기질을일정한농도로유지 { 효모추출물, yeast extract(20 mg/l); 트립토판, tryptone(20 mg/l); 다이소듐하이드로옥시포스페이트, di-sodium hydroxyphosphate(14 mg/l)} 하였다. cis-dce 와 TCE의투여 (feeding) 농도는실험시행 40일째되는날에는 700 µg/l이었지만 48일째되는날에는 300 µg/l로감소되었다. 유출액의농도는 cis-dce 는 800 µg/l에서 100 µg/l이하로저감되었는데이것은분해능률이 25% 에서 94% 로증가했다는것을보여준다. TCE의유출액농도는 250 µg/l에서 80 µg/l로저감되었으며분해율은 20% 에서 76% 로증가하였다. - 40 -
그림 3.7. 메탄올을기질로사용하였을때 cis-dce 의농도변화, 1 단계 (Concentration and elimination of cis-dce with methanol as substrate, one-stage) 그림 3.8. 메탄올을기질로사용하였을때 TCE 의농도변화, 1 단계 (Concentration and elimination of TCE with methanol as substrate, one-stage) - 41 -
그림 3.9. 톨루엔을기질로사용하였을때 cis-dce 의농도변화, 1 단계 (Concentration and elimination of cis-dce with toluene as substrate, one-stage) 그림 3.10. 톨루엔을기질로사용하였을때 TCE 의농도변화, 1 단계 (Concentration and elimination of TCE with toluene as substrate, one-stage) - 42 -
표 3.3. cis-dce 의기간별 1 단계반응기분해효율표 기질조건 MeOH:12 mg/l MeOH:51,6 mg/l MeOH:156 mg/l 기간 ( 일 ) 0-10 11-15 16-21 cis-dce 분해율 (%) 26 41 39 MeOH:312mg/l MeOH:187mg/l MeOH:80mg/l 기질조건 + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + 14mg/l K2HPO4 + 14mg/l K2HPO4 + 14mg/l K2HPO4 기간 ( 일 ) 22-28 29-35 36-38 cis-dce 분해율 (%) 48 56 56 Toluene:1,5 mg/l Toluene:10 mg/l Toluene:20 mg/l 기질조건 + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + + 14mg/l K2HPO4 + 14mg/l K2HPO4 14mg/l K2HPO4 기간 ( 일 ) 39-42 43-45 46-48 cis-dce 분해율 (%) 23 57 92 표 3.4. cis-dce 의기간별 2단계반응기분해효율표 20mg/l Tryptone 20mg/l Tryptone 기질조건 + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast Medium:200mg/L Medium:400mg/L MeOH MeOH 기간 ( 일 ) 49-55 56-59 cis-dce 분해율 (%) 53 22 기질조건 20mg/lTryptone + 20mg/l Yeast + 0,136g/l NaCOOH Medium:400mg/L MeOH 20mg/l Tryptone +20mg/l Yeast +1,36g/l NaCOOH Medium:400mg/L MeOH 20mg/l Tryptone + 20mg/l Yeast + 1,36g/l NaCOOH Medium:20,9mg/L CH4 기간 ( 일 ) 60-63 64-67 68-79 cis-dce 분해율 (%) 47 70 62-43 -
4.2. 2 단계유동상반응기 (tow-stage fluidized bed reactor) 그림 3.11. cis-dce 의각조건별분해효율실험결과 (two-stage, methanol & methane) 그림 3.12. TCE 의각조건별분해효율실험결과 (two-stage, methanol & methane) - 44 -
표 3.5. TCE 의기간별 1 단계반응기분해효율표 기질조건 MeOH:12 mg/l MeOH:51,6 mg/l MeOH:156 mg/l 기간 ( 일 ) 0-10 11-15 16-21 TCE 분해율 (%) 11 25 46 MeOH:312mg/l MeOH:187mg/l MeOH:80mg/l 기질조건 + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + 14mg/l K2HPO4 + 14mg/l K2HPO4 + 14mg/l K2HPO4 기간 ( 일 ) 22-28 29-35 36-38 TCE 분해율 (%) 64 64 48 Toluene:1,5 mg/l Toluene:10 mg/l Toluene:20 mg/l 기질조건 + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + 20mg/l Tryptone + + 14mg/l K2HPO4 + 14mg/l K2HPO4 14mg/l K2HPO4 기간 ( 일 ) 39-42 43-45 46-48 TCE 분해율 (%) 24 31 76 표 3.6. TCE의기간별 2단계반응기분해효율표 20mg/l Tryptone 20mg/l Tryptone 기질조건 + 20mg/l Yeast + 20mg/l Yeast Medium:200mg/L Medium:400mg/L MeOH MeOH 기간 ( 일 ) 49-55 56-59 TCE 분해율 (%) 55 30 기질조건 20mg/lTryptone + 20mg/l Yeast + 0,136g/l NaCOOH Medium:400mg/L MeOH 20mg/l Tryptone +20mg/l Yeast +1,36g/l NaCOOH Medium:400mg/L MeOH 20mg/l Tryptone + 20mg/l Yeast + 1,36g/l NaCOOH Medium:20,9mg/L CH4 기간 ( 일 ) 60-63 64-67 68-79 TCE 분해율 (%) 53 75 66-45 -
5. 반응기파라미터 (parameter) 들의영향 5.1. 메탄올이분해효율에미치는영향 cis-dce 의경우약간의증가된효율이눈에띄었다. 분해공정을랩스케일 (Lab scale) 반응기로 10시간동안처리했을때에는 40% 의증가율을보였다. TCE의분해효율은메탄올에의해 5% 에서 45% 까지증가되었다. 메탄올의농도와분해효율의관련성이있다고판단된다. 5.2. 효모추출물과트립톤이분해효율에미치는영향그림 3.7 와그림 3.8 에서 10일과 25일을비교해보았을때, 효모추출물및펩톤은분해율향상에영향을보였다. 두경우유사한메탄올농도에서효모추출물과트립톤이첨가되었다. 이후 cis-dce 분해효율은 30% 에서 45% 로, TCE의분해효율은 35% 에서 55% 로증가하였다. 효모추출물과트립톤은생물자원 (biomass) 의성장에유익한역할을한다고알려져있다. 지하수는다양한종류의미생물들을가지고있으므로효모추출물과트립톤을공급할경우세포들을성장이촉진되며염화된에틸렌들의대사및분해를처리할수있을것이다. 이실험에서메탄올을사용할때, 그리고메탄올의양을기질로써고려했을때최적의조건은다음과같다 : 메탄올 효모추출물 트립톤 K 2 HPO 3 190mg/L 20mg/L 20mg/L 14mg/L 오염된지하수정화에서위와같은조건을만족시키기위한기술적현실성에문제점이있다. 많은기질을소모함에도불구하고처리후배출수내의염화에틸렌의농도가여전히방수하기에는높다. 다시말하자면생 (bio) 반응기처리를한다음에도후처리 (post-treatment) 공정이필요하다는것이다. 5.3. 톨루엔이분해효율에미치는영향염화된에틸렌의분해효율에톨루엔이미치는영향은메탄올의영향보다매우높게나타났다. 9100ug/L 농도의톨루엔을입수 (inlet) 에첨가하고 ( 단, 완충액탱크에는 20mg/L 의톨루엔을첨가함 ), 20mg/L 의효모추출물, 20mg/L 의트립톤, 그리고 14mg/L 의 K 2 HPO 3 를추가기질로넣어주었을때 cis-dce 의경우분해효율은 95%, TCE의경우 75% 에달하였다. 배출수에서검출된 DCE의최저농도는 36ug/L 였으며 TCE의경우 70ug/L 이었다. 20mg/L 의톨루엔을기질로제공하였을때가장높은분해효율은 cis-dce 의경우 92% 이었고 TCE의경우 76% 이었다. 이의농도관계식은다음과같다. 톨루엔 : cis-dce : TCE = 20 : 4 : 1-46 -
그러나여전히농도가기준수치를초과하기때문에방수할수없다. 즉, 활성탄소를이용한처리후공정이요구된다는것이다. 이경우활성탄소의수명은추가기질이없을때보다더길어질수있음으로총처리비용은더증가하게될수있다. 첨가되는톨루엔의양을더증가시키면염화된에틸렌의분해효율을더증진시킬수있을것으로보인다. 본연구의톨루엔농도는최적톨루엔의농도가기존에알려진 14-24 mg/1mg TCE와달랐다. 톨루엔의유익한영향은이것의효소들인톨루엔모노옥시제나아제 (toluene monooxygenase) 와톨루엔다이옥시제나아제 (toluene dioxygenase) 에의한것이며이효소들은염화된에틸렌들을동시물질대사시킬수있다는기존의연구결과의타당성에뒷받침될수있다. 톨루엔은쉽게분해될수있는기질이고 Fig. 3.13 에서보이는것처럼 4 에서도분해될수있었다. 반응기의완충탱크는 45일째되는날세정된뒤오염지역에서얻은지하수샘플로다시채워졌다. 완충탱크에넣어준 20000ug/L 의톨루엔은 ( 시작농도는 20700ug/L) 20시간후에이미분해되어 9100ug/L 가되었다. 이는톨루엔옥시제나아제가 cis-dce 를이미완충탱크에서분해했음을의미할수있다. 톨루엔이공급된후 cis-dce 의농도가 45일째날의농도인 980ug/L 에서그후하루가지난날 670ug/L 로감소하였다는것으로부터알수있다. 완충탱크내에서의톨루엔의분해는또한반응기에공급해준효소들의농도를높여주며, 이것역시 cis-dce 의분해를증진시킨다. 그림 3.12 는 46일이후톨루엔의분해가더일어나지만 cis-dce 의분해는더이상일어나지않음을보여준다. 그이유는완충탱크의용해된산소가톨루엔을분해시키기에는충분했지만염화된에틸렌을분해시키기에는효소가존재함에도불구하고충분치못했던것으로보인다. 이것은용해된산소농도가 0.75mg/L 로맞춰졌을때에는염화된에틸렌의분해가감소한시험제조공장의결과와비교될수있겠다. 그림 3.13. 톨루엔을기질로사용하였을때톨루엔과 cis-dce 의농도변화, 1 단계 (Concentration of toluene and cis-dce with toluene as substrate, one-stage) - 47 -
6. 반응기최적화조건확립 본연구에서생장기질 (growth substrate) 은톨루엔 (toluene) 이가장좋은효과를보였고, 2단계반응기 (two-stage reactor) 에서도동시물질대사 (co-metabolism) 공정의효과를확실하게볼수있다. 또한메탄 (methane) 의양을고려하며메탄을기질로사용했을때도높은분해율을얻을수있다. 톨루엔 (toluene) 을기질 (substrate) 로사용한 1단계시스템 (one stage system) 에서 cis-dce 의최대분해효율 94% 와 TCE의최대분해효율 76% 이었다. 앞에서언급되었듯이 TCE의동시물질대사 (co-metabolic) 분해는독성중간체들을생성하는데이것은생물정화를위한동시물질대사과정에저해 (inhibition) 가일어날수있어 2단계반응기 (two-stage reactor) 를이용하는것으로효율을증대시킬수있다 (Oldenhuis et al., 1991). 반응기운전조건에대해서는본연구의매뉴얼에서자세히다루고있다. - 48 -
제 4 절지하수의염화유기화합물정화매뉴얼개발 본연구에서이용된동시물질대사 (co-metabolism) 공정은현지외 (ex-situ) 공정으로연구를통하여매뉴얼을작성하였다. 그리고국내외의특허문헌조사를통하여다양한정화기술들을조사하여실용가능한몇가지현지외 (ex-situ) 와현지내 (in-situ) 공정들을함께매뉴얼로작성하였다. 이는본연구의보고서 붙임 에서볼수있다. - 49 -
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제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 1 절연구개발목표달성도 전체연구결과의목표달성도는 1, 2, 3 차년도연구계획서상에기술된항목을기준으로평 가하였다. 각항목은표 4.1 에정리되어있으며, 각항목에대한연구목표달성도를평가하였 다. 표 4.1. 연구개발목표와연구목표달성도 목표연구개발수행내용달성도 (%) 기존정화기술시스템조사 기존정화기술시스템인 1단계유동상반응기 (Fluidized Bed Reactor) 를이용한 TCE 100 정화시스템을조사하였다 지하수오염물질이되는염화유기화합물들 (TCE, DCE, 문헌조사를통해 PCE, TCE, DCE, VC 등의호기적, 혐기적분해기작을자세히 100 PCE 등 ) 의분해기작연구 연구하였다. 동시물질대사등의기술을이용한염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼초안작성 상기의두가지조사를통하여동시물질대사등의기술을이용한염화유기화합물들의정화기술별매뉴얼초안을작성하였다 100 오염물질별반응기운전을생장기질, 배지조성, 반응기단계등의위한고정하거나변화시킬파라미터를결정하였다파라미터결정 100 결정된파라미터를이용한생장기질, 배지조성, 반응기단계등의반응기운전파라미터를이용하여반응기를운전하였다 100 조건별운전을통한오염원농도별분해효율 (degrading efficiency) 측정실험 생장기질, 배지조성, 반응기단계등의파라미터들로조건을잡아 cis-dce, TCE 의분해효율을측정하였다 100 실험결과에따른각조건별분해효율결과를토대로매뉴얼을염화유기화합물들의보완하였다. 정화기술별매뉴얼보완 100 정화시스템운전최적화조건연구및확립 최적화조건을확립하며매뉴얼을작성하였다. 100 기존의다양한지하수정화매뉴얼에함께기술될수있는실용화가능한시스템및기술에대한국외특허기술들을조사하였다. 조사 100 염화유기화합물들의본연구의기술과함께국외특허기술들을정화기술별시스템매뉴얼화하였다. 최적화를위한매뉴얼완성 100 종합적목표달성도 염화유기화합물들의정화시스템매뉴얼 100-51 -
제 2 절관련분야의기여도 본연구는난분해성염화유기화합물로오염된지하수를생물학적으로처리하기위해 2단계 FBR(Fluidized Bed Reactor, 유동상반응기 ) 을사용하며, 반응효율을높이기위한고정화방법개선과중요미생물의특성연구를통한반응기효율증대를위해시스템을최적화하고매뉴얼을개발하였다. 또한난분해성염화유기화합물의분해능이우수한고활성미생물을이용해미생물간의동시물질대사 (co-metabolism) 연구를통해생물반응기의개선및오염지하수처리효율을높였다. 따라서본연구에서개발된처리시스템은난분해성염화유기화합물에오염된지하수의처리가가능하고차후에질산성질소와중금속에오염된지하수를위해서는이미수행된연구결과와병합하여종합적처리시스템을구축할수있으리라기대된다. 이러한지하수처리기술은선진국에서활발히진행되고있으나국내에서는거의시작단계에있으므로본연구결과는국내기술의발달에영향을미칠것으로기대된다. - 52 -
제 5 장연구개발결과의활용계획 앞으로상수원고갈로인한지하수의상수원수로서의이용가능성증대에따라이에대한오염방지, 오염확산억제및정화기술이필요하다. 지하수의주요오염원으로작용하는중금속, 유기독성물질, 그리고질산성질소를처리하는종합적인생물학적처리시스템이개발되면각지역에따라서로다른오염양상을보이는경우에있어서도효과적으로처리할수있으리라기대된다. 그중독성물질인염화유기화합물들은특수지역에고농도로오염이되어있는심각한단계이며본연구에서작성된매뉴얼에따라높은효율의처리반응기의제작및운전이가능하고다른기술들과도접목하여손쉽고광범위한기술의적용이가능할것으로예상된다. 최근조사에의하면국내지하수의오염도는이제방치할수없을정도로특히공장이밀집한지역과도시지역에서는매우심각한것으로밝혀지고있다. 따라서예전과같이지하수를깨끗한물로인식하여조사와개발에만치중하기보다는용도에따른적절한오염된지하수의처리가시급한실정이다. 그러나지하수오염은지표수오염이나대기오염과달리일단한번오염이되면오염이정화가매우어렵다. 본연구의지하수오염정화기술공정매뉴얼은이런지하수의오염을정화하고깨끗한수자원을제공해줄수있을것으로기대된다. - 53 -
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제 6 장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 본연구에서수집된해외과학기술정보들은제 3 장연구개발수행내용및결과의제 1 절과제 2 절에서자세하게기술되어있으며, 해당내용들은제 7 장참고문헌들을수집하여연구하면서작성하였다. 또한본보고서붙임의연구결과매뉴얼인 난분해성염화유기화합물로오염된지하수정화시스템의최적화를위한매뉴얼 에서는본연구에서시행한기술외에실용화할수있는국외특허기술들 (in situ and ex situ) 에대해서도자세한방법을기술하였다. - 55 -
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제 7 장참고문헌 Bouchard, B., Beaudet, R., Villemur, R., McSween, G., Lepine, F. & Bisaillon, J. G., 1996, Isolation and characterization of Desulfitobacterium frappieri sp. nov., an anaerobic bacterium which reductively dechlorinates pentachlorophenol to 3-chlorophenol. Int J Syst Bacteriol, 46, 1010-1015. Bram, A. van de Pas., Gerritse, J., de Vos, W. M., Schraa, G. & Stams, A. J., 2001, Two distinct enzyme systems are responsible for tetrachloroethene and chlorophenol reductive dehalogenation in Desulfitobacterium strain PCE1. Arch of M icrobiol, 176, 165-169. Bram, A. van de Pas., Jansen, S., Dijkema, C., Schraa, G., de Vos, W. M., & Stams, A. J. M., 2001, Energy Yield of Respiration on Chloroaromatic Compounds in Desulfitobacterium dehalogenans. Appl Environ M icrobiol, 67, 3958-3963. Breitenstein, A., Saano, A., Salkinoja-Salonen, M., Andreesen, J. R. & Lechner, U., 2001, Analysis of a 2,4,6-trichlorophenol-dehalogenating enrichment culture and isolation of the dehalogenating member Desulfitobacterium frappieri strain TCP-A. Arch M icrobiol, 175, 133 142. Christiansen, N. & Ahring, B. K., 1996, Introduction of a de novo bio-remediation activity into anaerobic granular sludge using the dechlorinating bacterium DCB-2. Antonie van Leeuwenhoek, 69, 61-66. Cupples, A. M., Sanford, R. A. & Sims, G. K. 2005, Dehalogenation of the herbicides bromoxynil (3,5-dibromo-4-hydroxybenzonitrile) and ioxynil (3,5-diiodino-4-hydroxybenzonitrile) by Desulfitobacterium chlororespirans. Appl Environ M icrobiol, 71, 3741 3746. Dennie, D., Gladu, I., Lepine, F., Villemur, R., Bisaillon, J. G. & Beaudet, R., 1998, Spectrum of the reductive dehalogenation activity of Desulfitobacterium frappieri PCP-1. Appl Environ M icrobiol, 64, 4603 4606. Dolfing, J. & Harrison, K. B., 1992, Gibbs free energy of formation of halogenated aromatic compounds and their potential role as electron acceptors in anaerobic environments. Environ Sci Technol, 26, 2213-2218. - 57 -
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붙임 난분해성염화유기화합물로오염된지하수 정화시스템의최적화를위한매뉴얼 KAIST 환경및분자미생물학실험실 - 61 -
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목차 1. 총론...65 2. 목적...73 3. 현지외 (ex-situ) 처리기술...74 3.1. 동시물질대사법 (co-metabolism) 을이용한염화에틸렌 (chlorinated ethylene) 에오염된지하수의정화매뉴얼 ( 본연구결과 )...74 3.1.1 적용범위...74 3.1.2 용어의정의...74 3.1.3 처리공정의흐름도...75 3.1.4 반응기의구성및구성요소...76 3.1.5 톨루엔, TCE 분해경로 (pathway) 및효소...82 3.1.6 반응기운전...84 3.2 가스-고상광촉매산화법 (gas-solid photocatalytic oxidation) 을이용한환경오염물질정화시스템매뉴얼 ( 특허 US 5045288 및보고서수집문헌참조 )...88 3.2.1 적용범위...88 3.2.2 처리공정의흐름도...88 3.2.3 반응기의구성및구성요소...89 3.2.4 TiO 2 를이용한 TCE 제거원리...92 3.2.5 반응기운전...93 4. 현지내 (in situ) 처리기술...99 4.1 Double well system 을이용한 in situ 방식의염화유기화합물에오염된지하수의정화매뉴얼 ( 특허 WO 94/05604 및보고서수집문헌참조 )...99 4.1.1 적용범위...99 4.1.2 용어의정의...99 4.1.3 처리공정의흐름도...100 4.1.4 처리시스템의구성및구성요소...101 4.1.5 처리시스템운전...105 5. Reference...110-63 -
표목차 표 1.1. 염화반응에서산화환원전위...67 표 3.1. 미생물배양반응기의기본배지 (mineral media) 조성...80 표 3.2. 처리반응기의기본배지 (mineral media) 조성...80 표 3.3. 미량원소용액 (trace element solution) 의조성...81 표 3.4. 미생물배양반응기기질조성...81 표 3.5. TCE 농도별 TiO 2 처리양및분해율...96 그림목차 그림 1.1. 클로로에틸렌의탈염반응...66 그림 1.2. 탈할로겐효소의계통학적분석...70 그림 3.1. 처리공정의흐름도...75 그림 3.2. 반응기의구성도...76 그림 3.3. 반응기의구성도...77 그림 3.4. 유동상반응기를이용한지하수의호기적처리...78 그림 3.5. 톨루엔의호기적분해경로...82 그림 3.6. TCE의호기적분해경로...83 그림 3.7. 가스-고상광촉매산화시스템처리공정의흐름도...88 그림 3.8. 광촉매유동상반응기...89 그림 3.9. 오염물질탐지장치...90 그림 3.10. 유동상반응기...90 그림 3.11. TiO 2 와 TCE가서로결합하는두가지모드...92 그림 3.12. TiO 2 광촉매반응에의한 TCE 분해...92 그림 3.13 UV 및 TiO 2 의작용...93 그림 4.1. 처리공정의흐름도...100 그림 4.2. 처리시스템의구성도 ( 수평설치한경우 )...101 그림 4.3. 처리시스템의구성도 ( 수직설치한경우 )...102 그림 4.4. 처리기간동안의메탄영양세균밀도와 TCE 농도의변화...107-64 -
1. 총론 1) 국내의지하수이용현황 지하수는매우중요한수자원이지만국내에서는지표수에비해상대적으로관심밖에있었으며효율적인관리와활용이거의이루어지지않고있다. 국내에는풍부한지하수자원이있으며아직더개발할수있는여력도충분하므로계획적인개발과활용이전제된다면최근의수자원부족문제를해결하는데크게기여할것으로사료된다. 지하수는오염정도가현저히낮고변동이거의없으므로상수원으로이용할경우지표수를이용하여발생하는오염문제를상당히해결할수있다. 또한지하수는지표수에비해저수량의변화가적으므로통제와관리에의해안정적인공급체계를확보할수있는장점이있다. 2005 년까지파악된자료에의하면전국의지하수취수공은약 127 만개에달하며연간지하수이용량은 37억톤으로이는연간총용수이용량 (331 억톤 ) 의약 11.2% 에달한다. 그러나우리나라의지하수이용량은지속적으로증가하고있고, 새로운지표수원의개발이거의한계에도달한것으로볼때우리나라의지하수이용률도오래지않아미국, 유럽, 일본등의지하수이용률에육박하는약 20% 내외까지도달할것으로전망된다. 그러나지하수의활용에는여러가지해결해야할문제들이많다. 최근조사에의하면국내지하수의오염도는이제방치할수없을정도로서특히공장이밀집한지역과도시지역에서는매우심각한것으로밝혀지고있다. 따라서예전과같이지하수를깨끗한물로인식하여조사와개발에만치중하기보다는용도에따른적절한오염된지하수의처리가시급한실정이다. 2) 국내의지하수오염실태 건설교통부에서는주요한지하수오염원으로지하저장소, 정화조, 매립지, 농약살포및방치된유해폐기물매립지등을제시하고있다. 지하수오염원은시간적, 공간적으로그형태가다양하고지하수의이동통로가되는지질매체의특성에따라서오염원의확산정도가달라지기때문에지상에지하수의잠재오염원이존재하더라도지하수의오염의범위와정도를추정하기어렵다. 또지하수의오염현상은우리의가시권역에서벗어나있으며, 하나의지하수질측정을위한샘플링에도많은노력과기본적인시설이필요하기때문에지표수처럼어느정도체계화된오염현상의시공간적분석이어렵다. 전국적인지하수의오염실태를파악하기위한환경부주관의지하수수질측정망운영결과조사지하수정의약 6.3% 가지하수환경기준을초과한것으로나타났다. 도시지역에서는질산성질소에의한지하수오염현상이뚜렷한데정화조, 가정하수, 그리고하수도및오염된하천수의유입이그주요원인일것으로추정된다. 또한도시지역에산재한유류저장탱크의누출 - 65 -
로인한지하수오염현상도지역에존재할것으로예상된다. 공단지역은공업시설이집중되어있을뿐아니라그주변에형성되는도시형생활공간때문에도시지역에서나타나는생활하수나정화조등에의한소위인위적오염현상, 즉질산성질소등에의한오염이확인된다. 공단또는공단밀집지역지하수내의오염물질중대표적인것은 TCE(trichloroethene, 트리클로로에틸렌 ) 와같은공단에서주로사용되는세정제와연관이있는것으로조사되었다. 그리고유기용매에의한지하수오염문제도일부특정지역뿐만아니라전국적으로산재되어새로운사회문제로대두되고있다. 또한공단지역의금속류, 탄화수소류와같은오염물질들이그지역지하수에포함되어있을가능성이클것으로판단된다. 아래의표에따르면그중에서도 TCE 로인한오염정도가가장심각하다는것을알수있다. 3) 염소화화합물분해기작 염화반응 (Chloridogenesis) 할로겐호흡 (Halorespiration) 과탈할로겐호흡 (dehalorespiration) 이라는용어를자주문헌에서볼수있다. 이는염화유기물질의탈염반응을가리키고전자전달계인산화과정 (electron-transport-coupled phosphorylation) 을통하여반응과정중에너지가보존되는것을말한다. 일반적으로할로겐호흡과탈할로겐호흡반응들에서는염화유기물질이최종전자수용체 (terminal electron acceptor) 로작용되는데이는다른호흡과정에서질산염 (nitrate) 이나이온이최종전자수용체로사용되는것과같은원리이다. 또한염화반응 (Chloridogenesis) 라는용어로할로겐호흡과탈할로겐호흡두용어를대체하여사용할수있다. 전반적인과정의그림 1.1 에서제시되었다. 그림 1.1 클로로에틸렌의탈염반응 (Reductive dechlorination of chloroethenes). PCE(tetrachloroethene, 테트라클로로에틸렌 ), TCE(trichloroethene, 트리클로로에틸렌 ), DCEs(dichloethene isomers, 다이클로로에틸렌이성질체 : cis-dce 가대표적임 ), VC(vinylchloride, 비닐클로라이드 ), ETH(ethene, 에틸렌 ) 표 1.1 을참고하면염화반응의한종류로수소원자가염소원자를대체하는반응 ( 수소화분해, hydrogenolysis) 이있다. 염화유기물질의산화환원전위는 +260mV 에서 +660mV 사이이고이수치는수소원자가염소원자를대체하는능력과밀접한관계가있다. 이반응은탈할로겐화반응에서황산염환원 (sulfate reduction) 이질산염환원 (nitrate reduction) 보다우세를차지한다. 다른염화반응종류는염화지방산화합물의환원반응인이할로겐화제거반응 (dihaloelimination) - 66 -
이다. 이는인접한두염소원자가동시에떨어져나가면서탄소-탄소결합이이중결합 (double bond) 으로바뀌는반응이다. 이때오직 1개분자의수소분자 (H 2 ) 가인접한두개의염소원자의떨어짐에참여하는데이반응은위에서설명한수소화분해반응에서두개분자가필요되는것과대조된다. 헥사클로로에탄 / 테트라클로로에탄 (Hexachloroethane/tetrachloroethane) 과같은염화지방산화합물의산화환원전위는수소화분해반응보다훨씬높은 1192mV 까지될수있는데이는산소 / 물 (O 2 /H 2 O) 의산화환원전위와거의비슷하다. 표 1.1. 염화반응에서산화환원전위 1998 년맥키위즈 (Mackiewicz) 와위에겔 (Wiegel) 은처음으로디설피토박테리엄 (Desulfitobacterium) 속 (genus) 의일부균주는전자전달계인산화반응에서탈할로겐반응과정중이동되는전자를이용하여생장할수있다고밝혔으며그실례로디설피토박테리엄디할로게난스 (Desulfitobacterium dehalogenans) 균주를배양할때포메이트 (formate) 는전자공여체 (electron-donor) 로, 3Cl 4 OHPA(3-chloro-4 hydroxyphenylacetic acid, 3-클로로-4 하이드로옥시페닐아세틱산 ) 은전자수용체 (electron-acceptor) 로이용되고있다고논문에발표하였다. 2001 년연구결과, 같은배지 (medium) 에질산염, 3Cl 4 OHPA, 푸마르산염 (fumarate) 그리고아황산염 (sulfite) 을모두넣었을때, 균주는먼저질산염과 3Cl 4 OHPA를환원하였고나중에푸마르산염과아황산염을환원하였다고발표하였다. 2001 년반데파스 (Van de Pas) 연구팀도디설피토박테리엄디할로게난스균주를이용하여전자전달계인산화반응실험을실행하였고배양액에전자공여체로포메이트 (formate) 혹은 3Cl 4 OHPA를넣었다. 이들의연구결과에의하면중탄산염 (bicarbonate) 이버퍼로사용될때피루빈산염발효 (pyruvate fermentation) 실험결과아세트산염 (acetate) 은젖산염 (lactate) 의두배가된다는것이다. 이렇기때문에이산화탄소가디설피토박테리엄디할로게난스균주에의하여전자수용체로이용되면서균주대사에필요한 ATP(adenosine triphosphate, 아데노신트리포스페이트 ) 를생산할수있는아세트산염를만들어낸다는것을알수있다. - 67 -
탈염반응들의기질범위 (substrate spectrum) 디설피토박테리엄 (Desulfitobacterium) 속 (genus) 의균주들을이용한다양한연구결과들은이균주들이매우다양한환원효소를갖고있다고설명한다. 이러한효소의다양성은자연계에존재하는염화유기물질의다양성을대변할수있다. 1995 년디설피토박테리엄속의디설피토박테리엄디할로게난스 (Desulfitobacterium dehalogenans) JW/IU-DC1 균주는일부염화페놀화합물 (chlorophenolic compound) 의 ortho- 위치에있는염소를치환할수있다고보고하였다 (Utkin et al. 1995). 1996 년에는디설피토박테리엄속에속하는균주 PCE1은 PCE를거의전부 TCE로전환할수있지만, 아주소량의 cis- 혹은 trans-dce 가배양액에서발견되었다고하였으며, 실험에의하면이균주는일부 CP(chlorophenol, 염화페놀 ) 의 ortho- 위치에있는염소만치환할수있다고보고하였다 (Gerritse et al., 1996). 또한일부디설피토박테리엄속의균주들은 MCP(mono-chlorophenol, 모노염화페놀 ) 를페놀 (phenol) 로, 염화지방산과방향성화합물 (aromatic compound) 들의염소를치환시킬수있다는결과를얻었다. 디설피토박테리엄하프니엔세 (Desulfitobacterium hafniense) 균주 DCB-2는일부염화페놀의 ortho- 혹은 meta-위치의염소를치환 (Madsen & Licht, 1992; Christiansen & Ahring, 1996) 시킬수있으며피루브산염 (pyruvate), L-젖산염 (L-lactate) 혹은 3Cl 4 OHPA에서전배양 (pre-culture) 하면 PCE를느리게 TCE로전환 (Gerritse et al., 1999) 할수있었다. 디설피토박테리엄하프니엔세균주 PCP-1은지금까지발견된균주들중유일하게혐기성조건에서 PCE를 3-CP 로탈염시킬수있는균주로알려지고있다. 이균주는 ortho-, meta- 그리고 para- 위치에있는염소를모두치환시킬수있으며페닐 (phenyl) 혹은피리딘 (pyridine) 의링 (ring) 구조를갖고있는다양한유기물을분해할수있으며염소를대신해수산기, 니트로기, 메소옥시 (methoxy) 혹은아미노기등으로치환될수있다. 폴리염화니트로벤젠 (Polychlorinated nitrobenzene) 의경우에는니트로기 (nitro group) 가탈염반응이일어나기전에먼저아미노기로환원된다 (Bouchard et al., 1996; Dennie et al., 1998). 이는또한처음혐기성조건에서수산기가붙은 PCB의염소를치환할수있는균주로알려지고있다. 그러나 2-하이드로옥시-3,5- 다이클로로바이페닐 (2-hydroxy-3,5-dichlorobiphenyl), 2-하드로옥시-2,5 - 다이클로로바이페닐 (2-hydroxy-2,5 -dichlorobiphenyl), 4-하이드로옥시-2,2,5 - 트리클로로바이페닐 (4-hydroxy-2,2,5 -trichlorobiphenyl) 과같이염소유기물질은분해할수없는데, 이는수산기의존재여부및그위치가중요한역할을한다는것을알수있다. 그러므로수산기, 아미노기등과같은극성치환기혹은질소, 피리딘등이존재해야만탈염반응이진행될수있다. 극성기가효소의활성부위와서로작용하는지아니면탈염반응이전자공여효과 (electron-donating-effect) 에의하여진행되는지는아직알려지지않았다. 디설피토박테리엄하프니엔세균주 TCE1 은 PCE 와 TCE 를 cis-dce 로탈염소시킬수있지 만소량의 1,1-DCE 를검출해낼수있었다. 이균주는 PCE 에서전배양 (pre-culture) 하면낮은 - 68 -
농도의 CCl 4 를 CHCl 3, 와 CH 2 Cl 2 로전환시킬수있다고한다. 만약처음부터 PCE 에서배양하 지않고 CCl 4 에서배양하였다면탈염반응이일어나지않는데, 이는동시물질대사과정 (co-metabolic process) 에의하여반응이진행된다고발표되었다 (Gerritse et al., 1996). 디설피토박테리엄하프니엔세균주 Y51 은 PCE 와 TCE를 cis-1,2-dce 로전환시킬수있으며물에용해될수있는 PCE의최고의농도 960mM 에서도탈염반응이일어날수있었다. 이균주는염화된에탄 (ethane) 을 DCE로, 1,1,1,2,2,3,3- 헵타클로로프로판 (1,1,1,2,2,3,3-heptachloropropane) 을펜타클로로프로필렌 (pentachloropropene) 으로전환시킬수있는데, 이는이할로겐화제거반응기작 (dihaloelimination mechanism) 에의해반응이진행된다고발표되었다 (Suyama et al., 2001). 디설피토박테리엄하프니엔세균주 TCP-A 는 ortho- 와 meta-위치에염소가붙은 CP를탈염소시킬수있다 (Breitenstein et al., 2001). 디설피토박테리엄하프니엔세균주 Co23 은 ortho- 위치에방향성화합물질의염소를치환시킬수있다 (Sanford et al., 1996; Cupples et al., 2005). 그러나 ioxynil계화합물하나만존재하거나혹은브롬옥시닐 (bromoxynil) 계화합물질과같이배양되면탈요오드반응이일어나지않았다. 그대신해아이옥시닐 (ioxynil) 계화합물과 3-클로로-4- 하이드록시벤조에이트 (3-chloro-4-hydroxybenzoate) 가같이배양되면탈요드반응이일어날수있었는데이는탈요드반응이유도반응이라는것으로예상될수있다. 디설피토박테리엄다이클로로엘리미난스 (Desulfitobacterium dichloroeliminans) 균주 DCA1 은일부다이클로로알칸 (dichloroalkane) 을완전히탈염소시킬수있다. 이박테리아는다이클로로엘리미네이션기작 (dichloroelimination mechanism) 에의해필요한에너지를얻는다는연구가진행되고있다. PCE/TCE 환원성탈할로겐효소 (dehalogenase) 디설피토박테리엄 (Desulfitobacterium) 속 (genus) 의균주들에서분리된클로로에틸렌 (chloroethene) 을환원시킬수있는 RDHase(dehalogenase, 탈할로겐효소 ) 들중에서지금까지 4개의 PCE/TCE RDHase가서로다른디설피토박테리엄균주들에서정제가되었으며모든효소들은세포막 (cell membrane) 혹은세포벽 (cell wall) 에서분리되었다. 디설피토박테리엄 RDHase의일부유전자는이미발견되었으며 5개염화방향성 RDHase는 CprA Rdhase 패밀리 (family) 에속하고 3개 PCE/TCE RDHase는 PceA 패밀리에속하였다. 디설피토박테리엄하프니엔세 (Desulfitobacterium hafniense) PCP-1의 2,4,6-TCP RDHase는 PceA 패밀리에속하지않으며디설피토박테리엄균주 PCE1의 PCE/TCE RDHase 유전자는아직연구되지않았다. - 69 -
이미알려진디설피토박테리엄 PCE/TCE RDHase는디설피토박테리엄하프니엔세의균주들 PCE-S, TCE1, Y51 및디설피토박테리엄속균주 PCE1에서분리되었다. 그중 Y51은 TCE에의해 PCE/TCE RDHase활성이 25배나증가된다고연구되었다 (Suyama et al., 2002). 이정제된 PCE/TCE RDHase는 PCE와 TCE를 cis-1,2-dce 로탈염소시킬수있으며많은클로로에탄 (chloroethane) 을 PCE 혹은 TCE를통하여 cis-dce 로전환시킬수있다. Y51가탈염할수있는기질의범위는디할로박터레스티릭터스 (Dehalobacter restrictus) 의 PCE RDHase와유사하다. 클로로알칸 (chloroalkane) 화합물을염소물질이적은염화알켄 (chloroalkene) 으로전환하는것은수소화분해 (hydrogenolysis) 기작보다이할로겐화제거반응 (dihaloelimination) 기작이더욱특징적인것으로나타났다. 디설피토박테리엄하프니엔세 Y51과디할로박터레스티릭터스 PCE의 RDHase의두가지탈염화기작은같은효소에의한것으로볼수있다. PCE1, PCE-S와 TCE1 균주들은 PCE와 TCE를 DCE로전환시킬수있는것으로증명되었다. 그러나 4가지디설피토박테리엄 PCE/TCE RDHase는 DCE를탈염소시킬수없다. 균주 PCE-S 와 Y51의 PCE/TCE RDHase는아무런염화화합물을탈염소시킬수없다. 디설피토박테리엄하프니엔세 PCE-S, TCE1와 Y51의 PCE/TCE RDHase N-터미널 (N-terminal) 은디할로박터레스티릭터스 PCE RDHase (ADIVAPITETSEFPYKVDAK) 의 N-터미널와동일하다. 클로닝 (Cloning) 결과 pcea 유전자에대응하는염기서열에서디설피토박테리엄하프니엔세 PCE-S, TCE1, Y51와디할로박터레스티릭터스의유전자염기서열이거의동일한것을알수있다 (96% 이상유사성 ; 그림 1.2). 그림 1.2. 탈할로겐효소의계통학적분석 (Phylogenetic analysis of reductive dehalogenases) - 70 -
4) 국내외기술현황 지하수질의오염은지하수를음용수로사용하는많은나라에서커다란관심사이다. 지하수질의주요오염원으로는가스공장 (gasworks), 석탄가스공장 (coal gasification plants), 정제공장 (refineries), 폐기산업지역 (abandoned industrial areas), 저장탱크지역 (storage tank areas), 군사지역 (military areas), 버스정류장 (bus-stations) 과그리고공항 (airports) 등이다. 이러한시설물로부터의가솔린과다른원유관련연료의유출은지하수오염의가장큰원인이다. 이스라엘의경우에는지하수위를지나는연료파이프망 (fuel pipe network) 을연장하고있고, 또한주유소 (petrol stations), 군주둔지 (army camps), 공단 (industrial plants), 그리고주거지 (residential areas) 안에많은수의지하저장탱크를가지고있다. 20년의기간동안크고작은많은유출사고가보고되었다. 미국의경우주오염원으로는지하저장탱크, 정화조, 농업활동으로야기되는농약살포및생활폐기물매립지순으로나타났다. 오염물질의발생빈도평가시질산염, 제초제및휘발성유기물등으로조사되었다. 한보고서에따르면미국의가솔린저장탱크중약 10% 가새고있다는보고가있다. 1,1,2,2,- 테트라클로로에탄 (1,1,2,2,-Tetrachloroethane), 1,1,1- 트리클로로에탄 (1,1,1-trichloroethane), 1,1,1- 트리클로로메탄 (1,1,1-trichloromethane) 과카본테트라클로라이드 (carbon tetrachloride) 와같은염화방향족 (chlorinated aromatic) 과지방족 (aliphatic) 화합물이가장주요한오염물질이다. 전체생물정화프로젝트들 (bioremediation projects) 의약 70% 가석유 (petroleum), 방부목재 (wood preservatives), 콜타르 (coal-tar) 화합물과관련되어있다. 전세계적으로오염된지하수지역과지하수처리상황을살펴보면, 미국의경우약 32,000-37,000 개의슈퍼펀드지역 (Superfunds site) 이선정되어양수및처리 (pump and treatment), 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 등의지하수오염방지기술에대한연구가활발하게수행되고있으며, 현장적용도아울러이루어지고있는실정이다. 독일의경우에는오염된지역이약 250,000 개에이른다고한다. 영국의경우에는약 50,000-100,000 개지역이오염되어있으며처리비용만도약 100-300 억파운드 (pounds) 에달하는것으로보고되고있다. 네덜란드의경우에는 1982 년이후약 6,000 개의오염된지역을정화하였으며그비용은약 15억달러 (dollars) 에달했다. 많은다른나라에서도지하수오염지역과오염물질을조사하고이를정화하고자하는프로젝트 (project) 를계획하고있는실정이다. 대표적인지하수오염정화방법에는양수및처리 (pump and treatment) 와현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 가있다. 양수및처리 (pump and treatment) 는 1980 년초반과중반에지하수정화기술로가장일반적으로사용되었으며, 1990 년대초반에 EPA 및다른연구자들에의해이들공법의처리효율이평가되었다. 최근에양수및처리 (pump and treatment) 를현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 과결합한처리방법이효과적인것으로알려져있다. 양수및처리 (pump and treatment) 기술은휘발성방향족탄화수소와다환방향족탄화수소와같은생분해성유기화합물로오염된지하수에적용이가능하다고제시되고있다. 현지내생물정화 - 71 -
(in-situ bioremediation) 는오염된지하수에영양물질과산소를공급하여오염물질을생물학적으로제거하는방법으로양수및처리 (pump and treatment) 와달리오염물질의이동과굴착요구를최소화함으로서휘발에의한손실과취급에소요되는비용을최소화할수있는장점을지니고있다. 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 처리동안은현장특성을대상오염물질을분해할수있는미생물의성장을촉진할수있도록교정한다. 현지내생물정화 (in-situ bioremediation) 의처리효율은지역과오염물의특성에매우의존적이어서이러한인자들에의해오염물의생물학적이용도, 미생물활성, 화학반응속도등이영향을받는다. 국내에서도오염된지하수의정화에대한관심이높아지고있으나아직까지연구실적은미미한실정이다. 최근들어수자원연구소와환경부에서지하수오염현황을조사한바있다. 오염된지하수의처리에는침출수로인한지하수오염을모델로하여한국과학기술원토목공학과신항식교수연구팀에서지중수의오염물질거동과물리화학적전후처리기술및생물학적처리에관한연구를수행한바있다. 한국자원연구소윤인주박사팀에서는오염된지하수를정수하여음용수화하는기술로서중급규모정수설비를대상으로막분리기술의적용성여부와적합한공정구성방법의기초연구를수행하였다. 그러나생물공학적인개념으로가장뛰어난분해능을가진탈질미생물의분리동정하고그균주에적합한생물반응기를제작하여산업적이용을목표로하는연구는거의전무한실정이다. 5) 연구개발의필요성 산업발전및인구의도시집중화로인해발생되는각종오염물질의배출은자연계의자정작용의한계를초월하여하천, 호소등공공수역을오염시킬뿐아니라지하수를오염시켜인간의건강이나생태계까지위협하고있다. 특히, 우리나라의기간산업으로등장한석유화학공업, 중화학공업, 섬유산업, 전자산업등으로부터배출되는폐수는전국토의하천수및지하수를오염시키는주원인이되고있다. 이들폐수에포함된많은 solvent 중고리를하나가진단핵방향족화합물들 { 벤젠 (benzene), 톨루엔 (toluene), 클로로페놀 (chlorophenol) 등 } 은수용성이높으며구조적으로안정한난분해성인동시에발암성물질 (carcinogen) 및돌연변이성물질 (mutagen) 로작용하여자연계에축적될경우중대한오염문제를야기시킨다. 특히염화페놀화합물은화학반응의부산물또는중간산물의형태로생성되는데, 이들중에서 4-클로로페놀 (4-chlorophenol), 2,4- 다이클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 2,4,6- 트리클로로페놀 (2,4,6-trichlorophenol), 펜타클로로페놀 (pentachlorophenol) 등은강한독성으로인하여미국 EPA (Environmental Protection Agency, 환경보호국 ) 에의해중요오염원 (priority pollutants) 으로지정되어있다. 또한염화페놀은살충제, 살균제, 제초제로도많이사용되고있어토양에살포될경우지하수와토양의심각한오염문제를야기한다. 실제로이러한산업활동과정에서독성물질들이자연계로방출되고있어, 지하수와토양을오염시켜심각한문제를유발시키고있다. 이난분해성화합물을물리 화학적방법으로제거하는방법은처리비용이많이들고 2차공해를유발하기때문에적절한방안이라볼수없다. 난분해성독 - 72 -
성물질이함유된지하수를일반적인활성오니법으로처리할경우에는독성으로말미암아처리효율이저하되고방향족독성화합물이완전하게제거되지않는문제가발생할수있으며, 슬러지내에도이들물질들이농축되어매립처리시 2차오염이발생될수있다. 본연구에서는국내뿐만아니라외국의경우에서도제시되었듯이가장큰지하수오염원으로작용하고있는물질이각종산업체에서사용되는유기용매와유류저장시설등에서나오는염화유기독성물질이기때문에오염원으로서염화유기독성물질과질산성질소, 그리고중금속중염화유기독성물질의처리에중점을두고있다. 2. 목적 / Object 석유화학공업, 중화학공업, 섬유산업, 전자산업등으로부터배출되는폐수에다량포함된 BTEX{ 벤젠 (benzene), 톨루엔 (toluene), 에틸벤젠 (ethylbenzene), 자일렌 (xylene)}, TCE(trichloroethene, 트리클로로에틸렌 ), DCEs(dichloethene isomers, 다이클로로에틸렌이성질체 : cis-dce 가대표적임 ) 등의독성물질을모델화합물 (model compound) 로선정하여 FBR(Fluidized Bed Reactor, 유동상반응기 ) 공정에서의미생물에의한오염지하수의생물학적처리를위한연구를수행되고있다. 호기조건의 FBR 공정은지하수에서독성유기물질중 BTEX와염화유기독성물질의제거에자주이용되고있다. 동시물질대사법 (co-metabolism) 으로 2단계 (two stage) 로나누어첫번째단계에서세포 (cell) 를배양시킨후다음단계에서타겟 (target) 물질을처리하는 2단계유동상반응기 (two-stage fluidized bed reactor) 를사용해 TCE 등의난분해성염화화합물의처리효율을높이는정화처리시스템을고안하였다. 그러나이정화처리시스템의문제점을파악하고개선하여실제로현장에적용하기위해서는시스템을최적화하는연구가필수적일것이다. 따라서이전시스템의문제점을개선하고최적화하기위한매뉴얼을제공하고자한다. - 73 -
3. 현지외 (ex-situ) 처리방법 3.1. 동시물질대사법 (co-metabolism) 을이용한염화에틸렌 (chlorinated ethylene) 에오염된지하수의정화매뉴얼 ( 본연구진연구결과 ) 3.1.1. 적용범위 / Scope 미생물을이용한생물학적환경정화 (bioremediation) 을통해난분해성염화유기화합물을분 해하고자하는자를대상으로한다. 3.1.2. 용어의정의 / Definition of Terms 생물학적환경정화 (bioremediation) 생물학적으로유해한유기화합물을무해한물질로변화시키고, 유해한무기물은구조를단순화하여안전한물질로변화시켜환경복원을꾀하는것을말한다. 급속한사회개발로인해생태계가지닌자정작용이한계를초월하여심각하게오염된지역이나타나고있다. 이러한지역에유해물질을분해하는미생물을육성하고, 직접도입해능률적으로오염을제거하도록한다. 생물학적환경정화의장점은 2차오염의걱정이비교적적고현장처리가가능하며에너지투입이적다는것을들수있다. 동시물질대사 (co-metabolism) 미생물이어느화학물질을단독으로서는기질로이용하지않고, 기타의적당한기질이 존재할때증식하고이과정에서화학물질의대사, 분해하는경우를말함 생장기질 (growth substrate) 동시물질대사에서미생물의증식에사용되는기질로본공정에서는톨루엔 (toluene) 이나메 탄올 (methanol) 등을의미한다. 세포배양반응기 (cell growth reactor) 미생물이생장기질 (growth substrate) 을탄소원으로이용하여증식하도록하는반응기 처리반응기 (treatment reactor) - 74 -
세포배양반응기 (cell growth reactor) 에서생장기질 (growth substrate) 을이용하여증식된 미생물들로하여금오염원 (pollutant) 인염화에틸렌 (chlorinated ethylene) 을분해하도록하는반 응기 3.1.3. 처리공정의흐름도 처리공정은다음과같은흐름으로진행된다 ( 그림 3.1). 그림 3.1. 처리공정의흐름도 - 75 -
3.1.4. 반응기의구성및구성요소 반응기는세포배양반응기 (cell growth reactor) 와처리반응기 (treatment reactor), 총 2 개의 반응기로구성된다 ( 그림 3.2, 3.3, 3.4). ph TIC M ph TIC M Air Decanter Carbon source Medium Medium Pollutant Heating water Cell growth reactor Treatment reactor Cooling water 그림 3.2. 반응기의구성도 - 76 -
그림 3.3. 반응기의구성도 - 77 -
그림 3.4. 유동상반응기를이용한지하수의호기적처리 Aerobic treatment of groundwater by fluidized bed reactor (pilot plant) - 78 -
미생물배양반응기 (cell growth reactor) 미생물배양반응기는교반반응기로, ph 미터기, 용존산소량및온도측정장치와폭기장치가갖추어져있어야한다. 미생물배양반응기의기본배지 (mineral media) 성분은표 3.1 과같다. 미생물생장에필요한탄소원및기타영양분으로는톨루엔, 효모추출물, 트립톤등을배지 ( 표 3.4) 에주입해준다. 미네랄배지가펌프를통해주입된다. 폭기는공기 (air) 를주입하기보다산소를주입하는것이바람직하다. 산소의용존량은 7-8ppm 이면충분하고 5ppm 이하로떨어지면미생물생장에불리하므로자동으로산소주입을통제할수있는시스템설치가필요하다. 미생물들의세출현상 (wash-out) 을방지하기위해미생물고정화담체로서셀라이트비드 (celite bead) 를사용하고디켄터 (decantor) 를설치한다. 처리반응기 (treatment reactor) 처리반응기는교반반응기로, ph 미터기, 용존산소량및온도측정장치가갖추어져있어야한다. 처리반응기의기본배지 (mineral media) 성분은표 3.2 과같다. 처리반응기는오염된지하수에존재하는전형적인방향족들인염화에틸렌과벤젠, 톨루엔, 자일렌중주요한오염원인 TCE로오염된지하수를처리하기위해사용된다. 반응기운전비용을낮추기위하여반응기의온도는 14 를유지한다. 그리고연속적인운전중에일어날수있는미생물들의세출현상을방지하기위해미생물배양반응기와같이미생물고정화담체로서셀라이트비드를사용하고디켄터를설치한다. 미네랄배지는펌프를통해주입된다. 오염된지하수내탄소원이아주적고용존산소량은 5ppm 이상이며체류시간 (retention time) 이 10h 로상대적으로짧은시간이기에폭기는필요로하지않는다. 미생물선정 하수종말처리장활성슬러지 : 슈도모나사푸티다 (Pseudomonas putida DSM 6899) : 로 도코커스루버 (Rhodococcus ruber DSM 7511) = 1 : 1 : 1 미생물고정화담체 셀라이트비드 (Celite bead) 는다음과같이사용전에준비한다. 1. 먼저비드 (bead) 입자의크기는 0.1 0.5mm 사이의것으로준비한다. 2. 수돗물로세번세척한후에증류수로다섯번세척한다. 3. 드라이오븐, 95 에서 24시간동안건조시킨다. 4. 도가니, 600 에서 12시간동안정화시킨다. - 79 -
디켄터 (decanter) 각반응기의윗부분의처리수가나오는부분에연속적인운전도중에처리수와함께셀라이 트비드가세출 (wash-out) 되는것을막기위해유리로만들어진디켄터를설치한다. 표 3.1. 미생물배양반응기의기본배지 (mineral media) 조성 Compound K 2 HPO 4 Amount 12.5 g KH 2 PO 4 3.8 g (NH 4 ) 2 SO 4 1.0 g MgSO 4 *7H 2 O 0.1 g T.E. sol. ( 표 3) 1 ml 표 3.2. 처리반응기의기본배지 (mineral media) 조성 Compound K 2 HPO 4 Amount 2.0 g KH 2 PO 4 1.0 g (NH 4 ) 2 SO 4 1.0 g MgSO 4 *7H 2 O 0.1 g T.E. sol. ( 표 3) 1 ml - 80 -
표 3.3. 미량원소용액 (trace element solution) 의조성 Compound g/l H 3 BO 3 1.160 ZnSO 4 *7H 2 O 0.870 FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 *6H 2 O 0.580 CoSO 4 *7H 2 O 0.480 (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 *4H 2 O 0.110 CuSO 4 *5H 2 O 0.040 MnSO 4 *4H 2 O 0.040 water 1L 표 3.4. 미생물배양반응기기질조성 Compound toluene yeast extract trytone K 2 HPO 4 농도 20 mg/l 20 mg/l 20 mg/l 14 mg/l - 81 -
3.1.5. 톨루엔, TCE 분해경로 (pathway) 및효소 톨루엔과 TCE 의화학적분해경로는그림 3.5 와그림 3.6 과같다. Aerobic Toluene Pathway CH 3 CH 3 CH 3 Toluene Toluene Toluene toluene 2-monooxygenase toluene 3-monooxygenase toluene dioxygenase CH 3 CH 3 CH 3 H OH OH 2-Hydroxytoluene 3-Hydroxytoluene Toluene-cisdihydrodiol OH OH H toluene toluene 2-monooxygenase 3-monooxygenase toluene-cisdihydrodiol CH 3 OH dehydrogenase Methylcatechol H HO C H 3 CH 3 COH Acetaldehyde O H + O OH catechol 2,3-dioxygenase OH OH O O O - OH O - OH cis,cis-2-hydroxy- 6-oxohepta-2,4-dienoate cis,cis-2-hydroxy- 6-oxohepta-2,4-dienoate hydrolase cis-2-hydroxypenta-2,4-dienate cis-2-hydroxypenta-2,4-dienate hydrolase 4-Hydroxy-2-oxovalerate O CH 3 CCOO Pyruvate 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase 그림 3.5. 톨루엔의호기적분해경로 - 82 -
Aerobic TCE Pathway Cl Cl Cl Cl Cl trichloroethylene Cl Cl trichloroethylene Cl Cl trichloroethylene soluble methane monooxygenase (smmo) toluene 2-monooxygenase toluene diooxygenase Cl OH Cl O O O O Cl Cl OH Cl Cl O - + O - chloral hydrate TCE-epoxide glyoxylate formate dehydrogenase dehydrogenase smmo toluene 2-monooxygenase formate dehydrogenase CO 2 Cl O Cl Cl O O O O Cl Cl O - Cl Cl OH Cl O - + CO 2 + O - + O - trichloroacetate trichloroethanol dichloroacetate glyoxylate formate E2 haloacid dehalogenase O dichloroacetate halidohydrolase O formate dehydrogenase CO 2 CO 2 HO O O - glyoxylate O O - oxalate 그림 3.6. TCE 의호기적분해경로 - 83 -
3.1.6. 반응기운전 톨루엔을생장기질로적용하고동시물질대사 (co-metabolism) 에의하여염화에틸렌 (chlorinated ethylene) 을분해하는 2단반응기시스템 (two reactor system) 은미생물배양반응기와처리반응기를필요로한다. 우선미생물배양반응기에서유용미생물이톨루엔을생장기질로이용하면서톨루엔-2- 모노옥시제나아제 (toluene-2-monooxygenase) 와톨루엔-다이옥시제나아제 (toluene-dioxygenase) 등의효소를발현하도록시간을준다. 이두효소를발현한즉 TCE를효율적으로생분해할수있는미생물을펌프로처리반응기에이동시킨다. 그리고시간별로샘플을채취하여염소화유기물질의양을 GC(gas chromatography, 가스크로마토그래피 ), LC(liquid chromatography, 액상크로마토그래피 ) 등을이용하여정량분석을진행하고보고서를작성하고처리된방류수가환경오염을일으킬수있을지다각도로분석을진행한다. 2 단반응시스템 (two reactor system) 을이용하는이유 : 염화에틸렌은세포및톨루엔을생장기질로이용하면서생성된톨루엔-2- 모노옥시제나아제 (toluene-2-monooxygenase) 와톨루엔-다이옥시제나아제 (toluene-dioxygenase) 등유용효소를공격 (attack) 하여세포의생존력을신속하고현저하게저하시키므로처리공정상미생물배양과염소화유기물질의생분해를갈라놓는것이바람직하다. 반응기 : 미생물배양반응기, 처리반응기 미생물고정화담체 : 셀라이트 560(Celite 560) 반응기관련정보는반응기구성및구성요소참고 3.1.6.1. 미생물배양반응기에서의유용미생물대량배양및유용효소발현 ( 적용단계 ) 이단계는유용미생물의대량확보및톨루엔-2- 모노옥시제나아제 (toluene-2-monooxygenase) 와톨루엔-다이옥시제나아제 (toluene-dioxygenase) 등의유용효소를발현하게하기위한전처리단계이다. 이를수행함으로써지하수오염성분중가장문제가되는염화에틸렌을더욱효율적으로처리하기위함이다. 사용하려는미생물배양반응기는총볼륨 (total volume) 의절반가량을작업볼륨 (working volume) 으로정하고 ph 측정기 (ph meter), 교반기, TIC(Temperature indicator Controler, 온도조절기 ), 기폭장치 (aerator) 및용존산소계를설치한다. 처음시작 ph는 7.0, 교반속도는 100 rpm, 기폭속도 (aeration rate) 는 2.5 vvm, 온도는 30 C 로맞춘다. Celite 560의농도는 140 g/l로반응기에넣는다. 기본배지 (mineral media, 표 3.1) 에표 3.4 의농도로배양액을만들어 O.D. 620nm 에서 0.25-0.3 이될때까지배양한다 ( 약 1개월소요 ). 사용될미생물은하수종말처리장활성슬러지 : 슈도모나사푸티다 (Pseudomonas putida DSM 6899) : 로도코커스루버 (Rhodococcus - 84 -
ruber DSM 7511) = 1 : 1 : 1로섞어서총배양액의 5 % 접종한다. 배양하는동안기본배지 (mineral media, 표 3.1) 는펌프로자동적으로주입한다 ( 체류시간 25h). 미생물생장에필요한배지는매일표 4의농도를 1000 X 로만들어주입하면서처음시작농도를유지한다. 3.1.6.2. 2 단계시스템 (two reactor system) 의안정화단계 적용 (adaptation) 단계가끝나면미생물배양반응기와처리반응기를연결하여동시운전을시작한다. 처리반응기역시미생물배양반응기와마찬가지로총볼륨의절반가량을작업볼륨 (working volume) 으로정하고 ph 측정기, 교반기, TIC, 용존산소계를설치한다. 처음시작 ph는 7.0, 교반속도는 60 rpm, 온도는 14 C로맞춘다. Celite 560 의농도는 140 g/l로반응기에넣는다. 미생물배양반응기에서체류시간이 25 h의유속으로방류수를처리반응기에주입한다. 동시에미생물배양조에같은유속으로펌프로주입하고톨루엔을제외한표 4의성분을 1000 X 로만들어주입하고톨루엔은 1.5 g/l의양으로미생물배양반응기에주입한다. 유용미생물배양액이흘러들면서오염된지하수에함유된유해물질 ( 염화에틸렌과벤젠, 톨루엔, 자일렌등 ) 이생분해되고가장생분해가어려운염화에틸렌 (chlorinated ethylene) 역시톨루엔-2- 모노옥시제나아제 (toluene-2-monooxygenase) 와톨루엔-다이옥시제나아제 (toluene-dioxygenase) 등유용효소를발현한미생물에의해탈염되고정화된다. 10-30 일정도안정화단계가필요하며이단계의처리반응기방류수는오염된지하수의유입통로로처리반응기로반송하여순환처리를진행하고오염된지하수의주입은반응기의작업볼륨에해양되는양만주입하고안정화가끝날때까지주입을하지않는다. 시스템이안정화되고방류수가기준치에도달하면방류를진행하고오염된지하수처리가시작된다. 3.1.6.3. 2 단반응기시스템 (two reactor system) 운전 미생물배양반응기와처리반응기가모두안정화되고염소화유기물질 (TCE 등 ) 이방류수기준치에도달하면 2단반응기시스템을이용하여염소화유기물질에오염된지하수를처리할수있다. 미생물배양반응기및처리반응기의조건은위의단계와같다. 처리반응기에는오염된지하수를연속적으로주입하고속도는아래공식으로계산하여방류한다. V 처리반응기 /10 - V 미생물배양반응기 /25 = 방류속도 (/h) 미생물의생장및유용효소의발현을위하여기본배지 (mineral media, 표 3.1) 및톨루엔 (1.5 g/l) 을지속적으로넣어준다. 처리반응기에는기본배지 (mineral media, 표 3.2) 를넣어준다. - 85 -
처리반응기에서샘플을채취하고독성물질의양을측정하고방류수기준에부합하면방류 할수있다. 3.1.6.4. 처리반응기에서시료채취및염소화물질측정 처리반응기에서염소화물질의생분해결과를알아보기위하여일정한시간별로샘플을채취한후 GC(gas chromatograph, 가스크로마토그래피 ) 와 IC(ion chromatograph, 이온크로마토그래피 ) 로염소화물질의생분해결과를측정한다. 먼저 GC와 IC의표준곡선 (standard curve) 를작성하고공식을유도하여아래에서측정한결과로실제염소화물질의양을계산한다. 처리반응기로부터반응시액 10ml 을채취하여 22ml 유리병에담고테플론 (Teflon) 으로병입구를잘감은후부틸고무 (butyl rubber) 뚜껑으로밀봉한후알루미늄뚜껑으로밀봉 (sealing) 한다. 샘플이들어있는유리병은 30분동안 80 C 워터배스 (water bath) 에서가열한다. 헤드스페이스 (headspace) 의 0.1ml 가스 (gas) 를가스타이트실린지 (gas-tight syringe) 로채취하여 GC(Hewlett-Packard 5890A) 의주입구에주입한다. GC의칼럼 (column) 은 30m( 길이 ), 0.53mm ( 내부직경 ), 2.65μm ( 필름두께, film thickness) 인 HP-5 모세관칼럼 (capillary column, Agilent Technology, 19095J-123) 을사용하고 FID(flame-ionization detector, 불꽃이온화검출기 ; 헬륨유속 6ml/min, 공기유속 400ml/min, 수소유속 45ml/min) 로측정한다. GC 오븐 (oven) 은처음온도 50 C 로부터시작하여최종온도가 120 C 될때까지 10 C/min 의속도로온도를올리고탐지기 (detector) 온도는 275 C 를유지하며주입기 (injector) 온도는 200 C 로한다. 생성된염소이온을측정시채취한샘플을 0.22μm 의필터 (Millex GP, Millipore, Ireland) 로여과한후 IC (Methrom 790 Personal IC, Switzerland) 로측정한다. IC의칼럼은 AnionSUPP4 칼럼을사용한다. 유출수 (eluent) 는 Na 2 CO 3 0.3816g, NaHCO 3 0.2856g 를 2L 3차증류수에잘녹여사용하였다. 3.1.6.5. 분석결과보고서의작성및분석그리고이에따른반응기의최적화 GC와 IC를이용하여측정한결과로분석보고서를작성하고비교분석하여생분해율을계산하고더좋은결과를위하여반응기조건등을재설정하면서반응기크기, 종류그리고지하수의오염정도, 지하수오염물질등차이에따른실정에맞는최적화조건을탐색한다. 나 처리반응기를거쳐방류되는방류수에는기준치이하의염소화물질등오염물이있어야한 다. 반응기운전시독성유기물질에의한공기오염을차단하기위하여반응기의위쪽에활성 탄필터 (active carbon filter) 를설치할수있다. - 86 -
3.1.6.7. 폐기물관리 처리반응기를일정한시간운전하면반응기아래부분에미생물슬러지 ( 생분해과정에서독 성물질에내성이없음으로인해죽은미생물들 ) 등물질이누적될수있는데이를따로분리 하여퇴비로사용할수있는가능성이있다. - 87 -
3.2. 가스 - 고상광촉매산화법 (gas-solid photocatalytic oxidation) 을이용한환경 오염물질정화시스템매뉴얼 ( 특허 US 5045288 및보고서수집문헌참조 ) 3.2.1. 적용범위 / Scope 물리화학적방법으로지하수오염물질을처리하는방법중하나다. 이시스템은지하수및대기의오염물질인 VOCs(volatile organic compounds, 휘발성유기화합물 ) 와비휘발성인 PCBs(polychlorinated biphenyls, 폴리염화바이페닐 ) 를광촉매반응 (photocalatysis) 을이용하여환경에문제가되지않는물질로전환하는방법이다. 3.2.2. 처리공정의흐름도 처리공정은다음과같은흐름으로진행된다 ( 그림 3.7). 그림 3.7. 가스 - 고상광촉매산화시스템 (Gas-solid photocatalytic oxidation system) 처리공정의흐름도 - 88 -
3.2.3. 반응기의구성및구성요소 반응기는폐수처리공정에자주쓰이는 GAC(granular activated carbon, 입자활성탄 ) 상반응기, GAC 리제너레이션퍼니스 (Regeneration Furnace), 광촉매 (Photcatalytic) FBR(Fluidized bed reactor, 유동상반응기 ) 등세부분이포함된다. 그중염소화오염물질을처리하는가장핵심적인부분은광촉매 FBR로아래그림 3.8 에서그구성을표시하였다. 그림 3.8. 광촉매유동상반응기 - 89 -
그림 3.9. 오염물질탐지장치 그림 3.10. 유동상반응기 - 90 -
GAC(granular activated carbon, 입자활성탄 ) 입자활성탄은분말활성탄혹은기타활성탄에비하여상대적으로큰입자크기 (particle size) 를갖고있고폐수처리에서흔히사용되고있다. 본시스템에서사용된 GAC는미국의 Calgon Carbon Corp. 회사제품을사용하였고구경 (pore diameter) 은 3 10-4 m이었다. 최대회분 (maximum ash content) 은 5%, 수분은 5%, 요오드흡착력은 800mg g -1 min이었다. 비표면은 1112m 2 g -1, 충진밀도는 748kg m -3 이었다. GAC로충전된 GAC상반응기는오염된지하수에함유된 VOCs(volatile organic compounds, 휘발성유기화합물 ) 및 non-vocs를흡착하여정화한다. GAC 리제너레이션퍼니스 (Regeneration Furnace) GAC 리제너레이션퍼니스는 GAC 를재활용하기위한설비다. 온도는일반적으로 300-400 로설정하여사용한다. 본시스템에서는 Charcoal 리제너레이션퍼니스를사용하였다. 광촉매 FBR(Photcatalytic Fluidized bed reactor, 유동상반응기 ) 자외선 (UV light) 75 와트 (W) 로시중에서판매하는자외선장비 (320-440nm) 를사용하였다. 반응기본체 반응기본체는 304 스테인레스스틸 (strainless steel) 을사용하여제조하였다. UV 창 (UV window) 자외선과가시광선 (visible light) 을모두통과시킬수있는 7056 유리 (glass) 를사용하였다. 온도측정기 (thermocouple) Type J 온도측정기 (Omega Engineering) 를사용하였다. TiO 2 (Titanium dioxide, 이산화티탄 ) TiO 2 는매우안정한물질로산화력이커광촉매로널리쓰이고생물학적으로반응을하지않아환경및인체에무해하다. 빛을잘흡수하고다른물질을산화시키는능력이뛰어나며산, 염기용액에녹지않아유기물을광분해시킴에있어서광촉매로아주적합하다. 밴드갭 (band gap) 은 3.0-3.2 ev로상대적으로큰편이기에자외선영역의빛을흡수하여광촉매역할을쉽게수행할수있다. 특히 385nm 파장의빛을잘이용한다. - 91 -
본시스템에서사용한 TiO 2 파우더 (powder) 는 Aldrich Chemical Co. 에서구매하였다. 3.2.4. TiO 2 를이용한 TCE 제거원리 자외선을쬐면광유도전자 (photo-induced electrons, e - ) 와정공 (positive hole, h + ) 이 TiO 2 로부 터생성된다. 광유도전자와정공은프리라디칼 (free radical) 을생성할수있다 ( 아래식참조 ). TiO 2 와 TCE 는주로아래의두가지모드 (mode) 로결합한다 ( 그림 3.11). 이런물질은아주 불안정하여산소와물이존재하는조건에서염산 (HCl) 과이산화탄소 (CO 2 ) 그리고 TiO 2 를생성 하고 TiO 2 는계속반응에이용될수있다. 그림 3.11. TiO 2 와 TCE 가서로결합하는두가지모드 TCE 가자외선이있고 TiO 2 가촉매작용하였을때물, 산소와반응하는식 ( 그림 3.12) 은아 래와같다. 그림 3.12. TiO 2 광촉매반응에의한 TCE 분해 - 92 -
3.2.5. 반응기운전 가스-고상광촉매반응 (Gas-solid photocatalysis) 는 VOCs와 non-vocs 를광분해하여환경에유해되지않는물질로전환하는방법이다. 지하수오염원에서제일문제가되는염소화물질이 TCE이므로본시스템은 TCE분해를메인으로하는 TCE분해전용시스템으로볼수있다. 주로 GAC(granular activated carbon, 입자활성탄 ) 상반응기, GAC 리제너레이션퍼니스 (Regeneration Furnace), 광촉매 (Photcatalytic) FBR(Fluidized bed reactor, 유동상반응기 ) 등세개부분으로나뉜다. GAC상반응기에서는주로오염된지하수중함유된유기화합물질 (TCE 등 ) 을흡착하고이흡착된활성탄이고온인 GAC 리제너레이션퍼니스를통과하면활성탄은재활용가능한상태로바뀌고활성탄에흡착된유해물질은기체상태로바뀐다. 이기체는다시광촉매 FBR을지나면서 UV 및 TiO 2 에의해 HCl과 CO 2 로전환되는시스템이다. UV 및 TiO 2 를사용한이유는아래와같다. ( 그림 3.13) 그림 3.13. UV 및 TiO 2 의작용 반응은 TiO 2 를촉매로, UV 및산소가있는조건에서 TCE 분해률이가장높고 UV 혹은 TiO 2 중어느하나가없어도반응이진행되지않았으며광촉매 FBR( 의산소함량이낮을때도 TCE 분해율이높지않음을알수있다. 반응기 : GAC 상반응기, GAC 리제너레이션퍼니스, 광촉매 FBR 활성탄 : 입자활성탄 (granular activated carbon) 반응기관련정보는반응기구성및구성요소참고 - 93 -
3.2.5.1. GAC 상반응기에서의유기오염물질흡착 이단계는지하수오염물질이 GAC에흡착되는과정이다. GAC는먼저물에잘세척하여 103.5 C에서 24시간오븐에서건조시킨다. 건조된 GAC를반응기내부하단에약 15cm (4 m/h 의유속으로반응기에유입할시의량. 지하수처리량에따라변화됨.) 를반응기에깔고펌프를이용하여처리하고자하는오염된지하수를지속적으로 GAC상반응기에주입한다. GAC 상반응기에서오염물질은흡착되고지하수는정화된다. 3.2.5.2. GAC 리제너레이션퍼니스 (regeneration furnace) 에의한오염물질의기체화 오염물질이충분히흡착된 GAC는 GAC 리제너레이션퍼니스로이동한다. 퍼니스 (furnace) 의온도는 300-400 C 로올려 GAC에흡착된 VOCs와 non-vocs 를기화시키고 GAC에함유된수분도수증기로변화된다. 공기의양이너무적으면다음단계인광촉매반응에불리하므로일정한비례로공기를인위적으로주입해줄수도있다. 재생된 GAC는다시 GAC상반응기로이동시켜재활용한다. GAC의수명은용도별로틀리는아래계산법에의하여계산할수있다. - 94 -
활성탄의용도별계산법 1. 처리용액에필요한활성탄필요량계산 단위중량의활성탄 이론상의처리량과용량 원액농도와평형활성탄단위중량의흡착량 원액농도 용도제품의시료중량 ( 예 ) 용적기준의변동의계산단위 단위중량의활성탄이론처리상 용도상의시료의량 2. 기창흡착시의수명계산 활성탄의수명 가스의온도 활성탄의조직흡착율 조작 활성탄의량 처리풍량 요적기준오염질의농도 오염질의분자량 3. COD 에따른활성탄의소요량측정 필요한활성탄의량 제거할 량 활성탄 이흡착할수있는 량 활성탄의 평균흡착 - 95 -
3.2.5.3. 광촉매 FBR(Photocatalytic fluidized bed reactor) 에의한탈염반응 광촉매 FBR는 304 스테인리스스틸 (stainless steal) 소재로만들어졌고자외선이들어오는창 (UV window) 는 7056 유리 (glass) 로구성되었다. 반응기내부에는 TiO 2 파우더 (powder) 로충진되어있다. 광촉매반응은열에민감하므로 Type J 온도측정기 (Omega Engineering) 로온도를조절하였다. UV는 UV A에속하는 320-440 nm를사용하였다. 경제적으로볼때 UV 램프를선택함에있어서 UV A방출하는램프는 UV B를방출하는램프에비하여가격이저렴하고또한 UV A 파장은반응기창이석영 (quartz) 이아니고그에비하여훨씬저렴한 7056 유리 (glass) 도통과함으로반응기제작면에서많은비용을절감할수있다. TiO 2 의양은 20mg/2.5cm 3 으로반응기에충진한다. 1.5-2.2cm 3 /min ( 광촉매 FBR이 2.5cm 3 기준 ) 의유속으로오염물질을함유한가스스팀 (Gas-stream) 을반응기에통과한다. 공기, TiO 2, UV 320-440nm 및수증기가있을때오염물질의광분해반응산물은환경에해가되지않는물질로전환되었다. TCE 농도는 50 ppb에서 474 ppm에거쳐실험을진행하였으며분해율은다음과같다 ( 표 3.5). 표 3.5. TCE 농도별 TiO 2 처리양및분해율 TCE 농도 (ppm) TiO 2 양 (mg) 유속 (cm 3 /min) 분해율 % 10 이하 44.1 1.5 98 50 22.6 97 300 22.6 1.5~2.2 94 474 22.6 90 위의표를참고로하여 TCE 함량에따른 TiO 2 의양과유속을조절하여실정에맞게반응기 를제작할수있다. 3.2.5.4. 가스 - 고상광촉매산화시스템을이용하여처리할수있는기타물질 클로로폼 (chloroform), 다이클로로메탄 (dichlromethane), 사염화탄소 (carbon tetrachloride), 퍼클로로에틸렌 (perchloroethylene), 1,1- 다이클로로에탄 (1,1-dichloroethane), 다이클로로아세트알데하이드 (dichloroacetaldehyde), 다이클로로아세트산 (dichloroacetic acid), 트리클로로메탄 (trichloromethane), 1,2- 다이클로로에탄 (1,2-dichloroethane), 모노클로로아세트산 (monochloroacetic acid), 트리클로로아세트산 (trichloroacetic acid), 모노클로로벤젠 (monochlorobenzene), 다이클로로벤젠 (dichlorobenzene), 4-4' -다이클로로바이페닐 (4-4' -dichlorobiphenyl), 2-2' -다이클로로바이페닐(2-2' -dichlorobiphenyl), 2- 클로로바이페닐 (2-chlorobiphenyl), 3-클로로바이페닐 (3-chlorobiphenyl), 4-클로로바이페닐 (4-chlorobiphenyl), 바이페닐 (biphenyl), 페놀 (phenol), 벤젠 (benzene), 니트로벤젠 (nitrobenzene), 아닐린 (aniline), 벤조산 (benzoic acid), 카테콜 (catechol), 레조르시놀 (resorcinol), 하드로퀴논 (hydroquinone), 2-클 - 96 -
로로페놀 (2-chlorophenol), 3-클로로페놀 (3-chlorophenol), 4-클로로페놀 (4-chlorophenol), 2,4- 다이클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 2,4,6- 트리클로로페놀2,4,6-trichlorophenol, 2-나프톨 (2-naphthol), 에틸렌다이아민 (ehtylene diamine), 플루오로트리클로로메탄 (fluorotrichloromethane), 다이플루오로트리클로로메탄 (difluorotrichloromethane), 다이브로모메탄 (dibromomethane), 1,1- 다이브로모메탄 (1,1-dibromomethane), 1,2- 다이브로모메탄 (1,2-dibromomethane), 비닐클로라이드 (vinyl chloride), 비닐브로마이드 (vinyl bromide), 유기아황산염 (organic sulfites), 시안화물 (cyanides) 3.2.5.5. 시료의채취및염소화물질분석 GAC 재활용이끝나고생성된가스스팀 (gas stream) 시료의채취와분석을통하여오염물질의종류와오염정도를알아볼수있으며광촉매반응기 (photocatalytic reactor) 에서반응이끝난후의시료에서는최종광촉매반응 (photocatalysis) 의산물및오염물질의분해효율을측정할수있다. 시스템을거쳐염소화물질의분해결과를알아보기위하여일정한시간별로샘플을채취한후 GC 염소화물질의분해결과를측정한다. 먼저여러가지농도의 TCE로 GC 표준곡선 (standard curve) 을작성하고공식을유도하여아래에서측정한결과로실제염소화물질의양을계산한다. 헤드스페이스 (Headspace) 의 0.1ml 가스 (gas) 를가스타이트실린지 (gas-tight syringe) 로채취하여 GC(Hewlett-Packard 5890 A) 의주입구에주입한다. GC의칼럼 (column) 은 30m( 길이 ), 0.53mm( 내부직경 ), 2.65μm( 필름두께, film thickness) 인 HP-5 모세관칼럼 (capillary column, Agilent Technology, 19095J-123) 을사용하고불꽃이온화검출기 ( 헬륨유속 6 ml/min, 공기유속 400 ml/min, 수소유속 45 ml/min) 로측정한다. GC 오븐 (oven) 은처음온도 50 C 로부터시작하여최종온도가 120 C 될때까지 10 C/min 의속도로온도를올리고탐지기 (detector) 온도는 275 C 를유지하며주입기 (injector) 온도는 200 C 로한다. 3.2.5.6. 분석결과보고서의작성및분석그리고이에따른반응기의최적화 GC를이용하여측정한결과로분석보고서를작성하고비교분석하여분해율을계산하고더좋은결과를위하여반응기조건, GAC의양, TiO 2 의양, UV의파장등을재설정하면서반응기크기, 종류그리고지하수의오염정도, 지하수오염물질등차이에따른실정에맞는최적화조건을탐색한다. 3.2.5.7. 오염방지 광촉매 FBR 을거쳐배출되는기체에기준치이하의염소화물질등오염물이있어야한다. 반 - 97 -
응기운전시독성유기물질에의한공기오염을차단하기위하여광촉매 FBR 의기체배출구 에활성탄필터 (active carbon filter) 를설치할수있다. - 98 -
4. 현지내 (in situ) 처리기술 4.1. 이중공시스템 (double well system) 을이용한현지내 (in situ) 방식의염화 유기화합물에오염된지하수의정화매뉴얼 ( 특허 WO 94/05604 및보고서수집문헌 참조 ) 4.1.1. 적용범위 / Scope 미생물을이용한환경생물정화 (bioremediation) 를현재내 (in situ) 처리방법으로난분해성 염화유기화합물을분해하고자하는자를대상으로한다. 4.1.2. 용어의정의 / Definition of Terms 생물학적환경정화 (bioremediation) 생물학적으로유해한유기화합물을무해한물질로변화시키고, 유해한무기물은구조를단순화하여안전한물질로변화시켜환경복원을꾀하는것을말한다. 급속한사회개발로인해생태계가지닌자정작용이한계를초월하여심각하게오염된지역이나타나고있다. 이러한지역에유해물질을분해하는미생물을육성하고, 직접도입해능률적으로오염을제거하도록한다. 생물학적환경정화의장점은 2차오염의걱정이비교적적고현장처리가가능하며에너지투입이적다는것을들수있다. 주입공시스템 (injection well system) 산화유체 (oxygenated fluid) 와영양유체 (nutrient fluid) 를주입시켜정화장소를호기성환경 으로만들고미생물의생장과증식을촉진시키는장치 배출공시스템 (extraction well system) 휘발성인염화유기화합물과분해된부산물이배출되어오염물질을저감및정화시키는장치 유체 (fluid) 액체와기체를합쳐부르는용어이다. 변형이쉽고흐르는성질을갖고있으며형상이정해 지지않았다는특징이있다. 이생물학적환경정화에서는영양분을공급하는영양유체 (nutrient fluid) 와호기성환경을만들어주는산화유체 (oxygenated fluid) 를공급한다. - 99 -
동시물질대사 (co-metabolism) 미생물이어느화학물질을단독으로서는기질로이용하지않고, 기타의적당한기질이 존재할때증식하고이과정에서화학물질의대사, 분해하는경우를말함 4.1.3. 처리공정의흐름도 처리공정은다음과같은흐름으로진행된다 ( 그림 4.1). 그림 4.1. 처리공정의흐름도 - 100 -
4.1.4. 처리시스템의구성및구성요소 생물학적환경정화를위한처리시스템은주입공시스템 ( 그림 4.2, 26; 그림 4.3, 52) 과배출 공시스템 ( 그림 4.2, 34; 그림 4.3, 60), 총 2 개의장치로구성된다. 그림 4.2. 처리시스템의구성도 ( 수평설치한경우 ) - 101 -
그림 4.3. 처리시스템의구성도 ( 수직설치한경우 ) - 102 -