토양미생물을이용한복합유류오염토양의정화에관한연구 최필권 허평 김복준 나경호 김상훈 경지영 이진영 토양분석팀 Bioremediation of Soil Contaminated with Multiple Petroleum Products by Soil Microorganisms

토양미생물을이용한복합유류오염토양의정화에관한연구 최필권 허평 김복준 나경호 김상훈 경지영 이진영 토양분석팀 Bioremediation of Soil Contaminated with Multiple Petroleum Products by Soil Microorganisms Phil-Kweon Choi, Pyeung Heo, Bog-Joon Kim, Kyung-Ho Na, Sang-Hoon Kim, Ji-Young Kyung and Jin-Young Lee Soil Analysis Team Abstract : The purpose of this study is to investigate the biodegradation characteristics of the BTEX and TPH by petroleum-degrading bacteria which were seperated from soil contaminated with petroleum products, and the optimum biodegradation conditions according to the type of soil texture. The removal efficiencies of benzene, toluene, ethyl-benzene and xylene by the mixed gasoline- and diesel- degrading bacteria were 100.0%, 89.2%, 76.4%, 60.8% after 9 days respectively, and thus they were clearly distinguished from the control group. The removal efficiencies of TPH for 37 days by the mixed gasoline- and diesel-degrading bacteria were 76.7% at 1.0 L/min of air flow rate and 89.4% at 5.0 L/min for sandy clay loam, and 87.2% at 0.25 L/min and 91.7% at 2.0 L/min for sandy loam, and they were higher than the control group (42.3%) and proved the petroleum-degrading bacteria are available. The removal efficiency was increased along with the higher air flow rate and permeability but the preventive action for the reduction of soil moisture contents and the volatilization of BTEX according to the increase of air flow rates was needed. The removal rate of TPH for sandy loam which is a typical soil texture in South Korea showed above 90.0% at 2.0 L/min and below of air flow rate. Key Words : biodegradation, soil texture, BTEX, TPH, permeability 요약 : 본연구의목적은유류로오염된토양으로부터분리된고효율분해균주에의한 BTEX와 TPH의분해특성을조사하고토성에따른최적유류분해조건을파악하는것이다. BTEX 분해균주에의한 9일간의제거율은공기공급없이 Benzene, Toluene, Ethyl-Benzene, Xylene 각각 100.0%, 89.2%, 76.4%, 60.8% 였으며 31.0% 의대조군과명확한차이를보였다. TPH 분해균주에의한 37일간의제거율은사질식양토 (sandy clay loam) 의경우공기공급량 1.0 L/min에서 76.7%, 5.0 L/min에서 89.4%, 사질양토 (sandy loam) 의경우 0.25 L/min에서 87.2%, 2.0 L/min에서 91.7% 로서대조군토양 (42.3%) 에비해높은제거율을나타내어분해균주의유효성을확인할수있었다. 공기공급량이증가할수록, 공기투과도가큰토양일수록높은제거효율을보였으나공기공급의증가에따른토양수분의감소와 BTEX의휘산을방지하기위한조치가필요하며우리나라토질의대부분인사질양토에서는 2.0 L/min 이하의공기공급으로 90% 이상의분해효과를나타내었다. 주제어 : 생분해, 토성, BTEX, TPH, 투과도

토양분석팀, 최필권外 1. 서론산업공단지역의유류취급, 보관, 저장소그리고송유관, 20,000여개주유소등을포함한다양한잠재오염원들에의한유류오염사고등으로토양, 지하수오염의심화가우려되고있다. 실제전국토양측정망운영및토양실태조사결과 1) 토양오염우려기준초과지점의많은부분이 BTEX, TPH 등유류물질에의한것이며반환되는많은미군부대부지에서상당한유류오염이확인되고있다. 유류오염지역의정화를위한시간과비용을줄이기위해지중생물학적정화 (in situ bioremediation) 를포함한많은혁신적인기술들이적용되고개선되어왔으나지상처리에비해경제적이고오염물의추출, 굴착이필요없이대중의접근이가능한상태에서자연적으로오염물을정화할수있는 in situ bioremediation 기술이지속적으로선택, 적용되고있는추세이다 2-4). 이중 bioventing은석유계탄화수소 (petroleum hydrocarbons) 로오염된토양의생물학적분해 (biodegradation) 에있어효과적이고경제적인기술로알려져있으며상대적으로낮은공기주입율 (air ininjection rate) 로운전되어지상으로이동되는휘발성오염물질의양은최소화하는동시에생물학적분해는최대화할수있는방법이다 5,6). bioventing 기술을성공적으로수행하기위해서는분리배양된균주의분해효율, 적정한토양공기투과도 (soil gas permeability), 토양수분함량 (soil water content), 적정미생물농도 (suitable microbial population), 휘발성오염가스 (contaminant vapor plume) 의제어등이고려되어야한다 7,8). bioventing 기술의주요영향요소인공기투과도및오염물의이동특성은토성 (soil texture) 과토양구조 (soil structure), 토양수분함량에따라달라질수있으며토성에따라공기공급율도변화되어야한다 9,10). 이러한영향요인들을고려하여본연구에서는 SVE 외기존의생물학적처리공정으로제거가어려웠던휘발유, 등유, 경유등복합유류물질로오염된토양을지중에서빠른시간내효과적으로처리하기위하여유류로오염된토양으로부터분리된분해균주를이용한 bioventing 공정을적용해봄으로서분해균주에의한효과를규명하고현장오염토양에직접적용할경우주요영향요인으로작용하는토양의형태 (type) 즉토성 (soil texture) 을고려한공기공급방법, 유류분해특성, 최적유류분해조건을파악해보고자하였다. 2. 재료및방법실험에이용된토양은연구원인근산간지대및논에서채취하였으며, 유류분해균주는경기도소재 A 연구센터로부터분양받아사용하였다. 사전에균체증가율과유류섭취능력에대한회분식실험 (batch test) 를거쳐휘발유, 등유, 경유각각에뛰어난분해능력을가진고효율분해균주를시험대상토양 1 kg 에 1 g의비율로휘발유, 경유는토양 kg 당 200 ml 첨가후고르게혼합하여토양반응기시험을수행하였다. 실험에사용된토양의이 Table 1. Physicochemical characteristics of soil used in bioventing test Soil Texture ph Organic Compounds Moisture Contents MgO CaO K 2O Fe 2O 3 P 2O 5 Sandy Clay Loam 7.2 6.6 21.0 0.6 0.4 1.5 3.6 0.2 Sandy Loam 6.6 3.0 14.6 0.5 0.4 1.8 3.9 0.2 % J. of KIHE/Vol.20, 2007

토양미생물을이용한복합유류오염토양의정화에관한연구 Fig. 1. Schematic diagram of bioventing system used as a remedy for petroleumcontaminated soil. 분해균주가주입된토양의세가지방법으로분류하였으며공기공급율은 BTEX의휘발을방지하기위해 0.2 L/min으로하여조사하였다. 또한시험에사용된토양의토성별로공기공급방법을달리적용하여우리나라토성 (soil texture) 의 60% 이상을차지하는사양토 (Sandy Loam) 에는비교적높은공극율을감안하여 0.25 L/min, 0.5 L/min, 1.0 L/min, 점토함량이상대적으로많은사질식양토 (Sandy Clay Loam) 에는토양공극율이낮아공기유통이원활하지않은상황을고려하여 1.0 L/min, 3.0 L/min, 5.0 L/min의공기공급율을적용하였다 11). 토성의분석은농업과학기술원토성및식물체분석법의비중계법 (Hydrometer Method) 12), 토양중영양성분의분석은 EPA method 3015 13), 기타토양의이화학적특성및 BTEX, TPH의함량분석은토양오염공정시험방법 14) 에따랐다. Table 2. Operating conditions according to soil textures and air flow rates Operating Conditions Soil Air Flow Texture (L/min) Sterilized Soil Sandy 1.0 Control Group Soil Clay 1.0 Mixed Bacteria* Loam 1.0 Mixed Bacteria* Sandy Clay Loam 1.0 3.0 5.0 0.25 Sandy 0.5 Loam 2.0 * A mixture of the gasoline- and diesel-degrading bacteria 화학적특성은 Table 1과같고토양반응기실험을위한장치구성은 Fig. 1과같다. 기질종류 (BTEX, TPH) 별분해균주의유효성을확인하고토성과공기공급율에따른복합오염유류의분해특성조사를위해 Table 2와같은방법으로토양반응기시험을실시하였다. 120 에서 12 hr 열건조한토양, 별도의균주주입없이무처리된일반토양, 고효율 3. 결과및고찰 3.1. 혼합유류분해균주에의한 BTEX 분해특성경유, 휘발유로오염시킨토양에유류오염토양으로부터분리, 배양된탄화수소를먹이로하는분해미생물 (Hydrocarbon- degrading bacteria) 을이용하여 BTEX의분해특성을알아보기위해공기공급을하지않은상태에서시간경과에따른토양내 BTEX 함량변화를조사하였으며그결과는 Fig. 2와같다. 분해균주에의한유효성을확인하기위해멸균토양 (sterilized soil) 및분해균주를주입하지않은무처리일반토양 (control) 과비교한결과혼합분해미생물주입실험결과와대조군간에유효한차이를확인할수있었다. 3~6일경까지는전구간에서 BTEX 함량이급속히감소하고있으나 Benzene의경우 3일경과부터, Toluene, Ethyl-Benzene, Xylene의경우 6일경과지점부터분해양상이달라지고있다. 초기의급속한 BTEX 함량감소는이들화합물

토양분석팀, 최필권外 들의높은증기압과헨리상수 (Henry s constant) 그리고낮은 boiling point에의한것으로서생물학적분해보다휘발에의한영향이더지배적으로작용한것으로여겨진다 2). Benzene, Toluene, Ethyl-Benzene, Xylene의 9 일경과시점에서의제거율은 100.0%, 89.2%, 76.4%, 60.8% 로서휘발성및분자량의크기에따라그생분해율도줄어들고있으며상대적으로증기압이낮은 Ethyl-Benzene, Xylene의경우분해속도가느리게나타나고있다. 탄화수소분해미생물 (hydrocarbon-degrading bacteria) 은유기물질을대사하여이산화탄소와물을생산하게되는호기성호흡 (aerobic respiration) 에산소를이용하며석유계탄화수소 (petroleum hydrocarbon) 를효과적으로분해하기위해분해효율이높은많은균이필요한데이때이들의대사과정 (metabolic process) 과균체질량 (bacterial mass itself) 의증가를위해산소를필요로하게된다 2). 결과적으로초기에는 BTEX의휘발을방지하기위한조치가필요하지만휘발기능이줄어드는일정기간후적절한산소공급과정을부과함으로서다소효율이낮은 Ethyl - Benzene, Xylene 에서도더높은효율을나타낼수있을것이다. 3.2. 토양공극내휘발성 BTEX 분해특성토양표면또는토양유기물층에흡착되어있는유류성분외토양공극과토양반응기상부의 head space에존재하는휘발성유류성분또한성공적인 bioventing 수행을위해고려되어야할사항이다. 일반적으로증기압 0.5 mmhg 또는헨리상수 100 이상의화합물은생물학적분해기작에의한것보다휘발 (volatilization) 기능에의해더많은영향을받으며공급되는공기의흐름에이끌려휘발될수있으며, 석유계화합물의여러구성물들은 bioventing 시스템에의해그들의증기압 (vapor pressure) 의크기에따라또는헨리상수의크기에따라서로다른정도로휘발되므로필요할경우휘발되는증기를처리해야한다 2). 이러한사항을고려하여유출되는가스중 BTEX 농도를알아보기위하여토양반응기내부를순환하고외부로유출되는가스를채취하여 BTEX 성분을분석하였으며그결과 80 benzene toluene ethylbenzene xylene control mixed bacteria 70 60 71.0 58.8 66.5 BTEX (mg/kg) 50 40 44.2 34.2 36.6 44.8 30 20 10 10.4 7.7 13.9 26.1 0 0.0 0d 3d 6d 9d -- 0d 3d 6d 9d -- 0d 3d 6d 9d -- 0d 3d 6d 9d elapsed time(day) Fig. 2. Variation of residual BTEX concentration in soil by mixed gasolin and diesel degrading bacteria without air injection. J. of KIHE/Vol.20, 2007

토양미생물을이용한복합유류오염토양의정화에관한연구 BTEX (ppm ) 30 25 20 15 10 5 0 toluene xylene benzene 27.4 ethylbenzene 12.9 6.8 1.4 0.9 ~ 5.5 benzene-bacteria b e n ze n e -s te rilize benzene-control toluene-bacteria toluene-sterilize toluene-control e-benzene-bacteria e-benzene-sterilize e-benzene-control xylene-bacteria xylene-sterilize xylene-control 0.01~0.4 0 5 10 15 20 25 30 elapsed tim e(day) Fig. 3. Variation of vapor phase BTEX concentration in soil pores. 는 Fig. 3과같다. 초기에증기압이높은 Benzene(76 mmhg) 이가장높게, 증기압이낮은 Xylene(6 mmhg) 이가장낮은농도로배출되기시작하였다. 기체상 BTEX의농도변화특성은상대적으로끓는점 (boiling point) 이높고, 휘발성이낮은 Xylene은낮은농도로느리게기체상농도가저감되고있으나 Benzen의경우 6일경과일까지급속히감소하였고이후농도저감효과가둔화되는 6일전후에서생분해기작이지배적으로작용하고있는것으로보여진다. 이결과는 Fig. 2의혼합분해균주에의한 BTEX 분해특성 ( 공기무공급 ) 에서의조사결과와유사한경향을보이고있다. 대기가스상물질배출허용기준 15) (Benzene 30 ppm) 을적용해보았을때 Benzene의초기농도는 27.36 ppm으로허용기준이내로나왔으나공기공급량을크게하여운영할경우또는 BTEX 농도가높 은오염지역에서 bioventing 시스템을적용할경우휘발되는가스상물질에의한지상부오염이우려되며유출되는가스에대한처리및관리가요구된다. 멸균처리, 무처리일반토양의대조군과분해균주를주입한토양공극내 BTEX 농도의결과를비교해보았을때무균또는일반토양서식미생물과유류분해미생물에의한차이는유의한것으로판단된다. 3.3. 혼합분해균주에의한 TPH 분해특성 ( 공기무공급 ) 유류오염토양에서분리하여휘발유, 등유, 경유각각에분해효율이높은균주를혼합하여인공으로조제한오염토양에 bioventing 시스템을적용함으로서분해균주에의한 TPH의분해특성을조사한결과는 Fig. 4와같다. Table 3. Variation of vapor phase BTEX concentration in soil pores Elapsed Time (day) Benzene Toluene Ethyl-Benzene Xylene bacteria sterilize control bacteria sterilize control bacteria sterilize control bacteria sterilize control 0 day 27.36 27.36 27.36 6.75 6.75 6.75 12.92 12.92 12.92 1.37 1.37 1.37 6 day 0.72 4.94 1.89 5.48 5.17 3.41 5.16 2.82 3.45 0.96 2.36 2.33 30 day 0.01 0.08 0.02 0.08 0.41 0.15 0.32 0.39 0.34 0.05 0.26 0.07

토양분석팀, 최필권外 경과일약 6일까지는증기압및헨리상수가높은 n-octane, n-decane 등휘발성탄화수소 (volatile hydrocarbon) 들의휘발과정이생분해과정에앞서지배적으로작용하고있다. 석유계화합물중휘발성, 용해성이낮은고분자석유계화합물 (heavier petroleum constituents) 들의경우생분해속도는저분자물질 (lighter components) 들에비해느리고휘발보다는생분해과정이주요메카니즘 (mechanism) 으로작용한다고알려져있는데 2) 본시험에서는 6~9일이후부터새로운토양에적응된분해균주에의한 TPH의생분해과정이점차증가하는것으로보여진다. 30일경과일을기준으로볼때대조군인무처리일반토양에서 TPH 평균함량 14,018 mg/kg, 혼합분해균주주입군에서 TPH 평균함량 5,139 mg/kg, 평균제거율은각각 41.4%, 77.6% 로서혼합분해균주에의한분해효율은일반토양미생물에비해높게나타나주입된분해균주에의한유효성은인정되나제거율은다소미흡하여지속적인관찰이요구되고있다. 또한본시험에이용된인공오염 토양은 TPH 함량이최고 25,010 mg/kg의고농도로서분해미생물을위한충분한산소와영양분 (nutrients) 의공급이필요하며공기를공급하지않을경우산소의결핍, 미생물대사과정에서발생되는독성부산물의생성등생분해에이롭지못한영향을많이받았을것이다. 따라서최종전자수용체 (TEA;Terminal Electron Acceptor) 로서산소를토양미생물에공급하는 bioventing 등의방법을이용하여효율을더높일수있을것이다. 3.4. 토성과공기공급율변화에따른 TPH 분해특성일반적으로석유계유류로오염된토양 (petroleum-contaminated soils) 에서의공기투과도는사실상토양표면아래에존재하는유류분해미생물 (hydrocarbon-degrading microorganisms) 에공급되는산소의양을결정하게되며토성에따라투과도도달라지게되는데점토 (clay), 실트 (silt) 등미세토양 (fine-grained soils) 은상대적으로입자가굵은모래, 자갈 30000 28000 26000 24000 25010 control1 control2 control3 bacteria1 bacteria2 bacteria3 22000 20000 TPH 18000 (mg/kg) 16000 22579 19983 16542 14018 14000 12000 15530 10000 8000 9864 6000 4000 5139 0day 3day 6day 9day 12day 17day 20day 30day elapsed time(day) Fig. 4. Variation of residual TPH concentration in soil by mixed gasoline and diesel degrading bacteria without air injection. J. of KIHE/Vol.20, 2007

토양미생물을이용한복합유류오염토양의정화에관한연구 등으로구성된거친토양 (coarse-grained soils) 보다낮은투과도를지니게된다. 석유계화합물 (petroleum constituents) 들은높은분자량에도불구하고충분한산소와영양물질이공급되는한토착미생물 (indigenous microorganisms) 에의해분해될수있으며석유계물질의분해를위해서대략그물질량의 3~3.5배의산소가소모된다 2,7). 따라서본연구에서는우리나라토성의대부분을차지하는사질양토 (sandy loam) 와이보다공기공급이어려운조건을가상하여사질식양토 (sandy clay loam) 두가지토성에서공기공급율의변화에따른 TPH의분해특성을조사하고아울러멸균시킨토양및미생물을별도주입하지않은일반토양과분해균주를주입한토양에서의분해특성을비교해보고자 bioventing을적용하여 Fig. 5와같은결과를얻었다. 초기에는증기압 (vapor pressure) 이높은저분자물질 (lighter components) 들이내부공기흐름에따라휘발되고대조군으로사용된멸균토양에서 TPH의농도저감효과가줄어드는 10일경부터생분해가서서히진행되고있다. 또다른대조군으로서고효율분해균주가주입되지않은일반토양의토착미생물에의한분해도같이진행이되다약 23일이후부터분해균주주입구간이일반토착미생물에의한대조군에비해높은분해율을나타내기시작하였고전구간에서분해율의증가세는차츰줄어들고있다. 멸균토양에서의 37일간제거율은 17.6%, 일반토양 (control) 42.3%, 균주주입에의한것들은 76.7 ~ 91.7% 로서분해균주주입에의한효과는명확히구분되며공기공급량의증가에따라서제거율도증가하는경향을보이고있다. 비교적공극율이높은사질양토 (sandy loam) 에서는낮은공기공급율 0.25, 0.5, 2.0 L/min에서도 87.2, 91.4, 91.7% 로높은제거효율을보이고, 점토가많아공극률이상대적으로낮은사질식양토 (sandy clay loam) 의경우비교적높은공기공급 1.0, 3.0, 5.0 L/min에서도 76.7%, 84.5%, 89.4% 로서사질양토 (sandy loam) 에비해낮게나타나산소전달의장애로인한결과로판단된다. 사양토의경우 0.5 L/min, 2.0 L/min 에서높은효율을보이고있으나공기공급에따른부하, 휘발성 24000 22000 20000 18000 16000 TPH 14000 (mg/kg) 12000 10000 8000 22117 18470 15784 14967 sterilize control sandy clay loam(1.0 L/min) sandy clay loam(3.0 L/min) sandy clay loam(5.0 L/min) sandy loam(0.25 L/min) sandy loam(0.5 L/min) sandy loam(2.0 L/min) 13001 8637 6000 4000 2000 0 0 day 10day 23day 37 day elapsed time(day) 5163.8 3438.1 2368.1 1526.7 Fig. 5. Variation of residual TPH concentration in soil according to soil textures and air flow rates.

토양분석팀, 최필권外 물질의유출, 오염되지않은주변토양으로의부득이한오염확산, 경제성등을고려해볼때약 0.5 L/min 정도가효과적일것으로판단되며, 이보다공기공급이어려운사질식양토 (sandy clay loam) 의경우 3~5 L/min 이상이적합할것으로생각된다. 아울러공기공급율의변화에따른 bioventing 적용시주요고려사항으로서사질양토 (sandy loam) 의경우내부공기순환에따라 bacteria 성장에필수적인수분이감소하여분해효율이낮아지는경우가발생할수있으므로토양내적절한함수율 (moisture contents) 를유지할수있는수분공급시스템이마련되어야할것이다. 4. 결론유류로오염된토양으로부터분리된고효율분해균주에의한 BTEX와 TPH의분해특성을조사하고토성및공기공급량에따른최적유류분해조건을조사하여다음과같은결과를얻었다. 1. 토양공극내 BTEX 농도조사결과대조군으로사용된멸균토양, 무처리일반토양, 유류분해균주를주입한토양간의유의한차이를보이며주입미생물에의한유출가스중 BTEX 저감효과를확인하였다. 2. TPH 분해균주에의한제거율실험결과 76.7~91.7% 로서멸균토양및일반토양 17. 6~42.3% 에비해높은제거율로서분해균주의유효성을확인하였다. 3. 우리나라토양종류의대부분인사질양토 (sandy loam) 에서는 2.0 L/min 이하의공기공급으로 90% 이상의 TPH를분해할수있었다. 4. 공기공급량이크고, 공기투과도가큰토양일수록높은제거효율을확인할수있었다. 5. 주입공기량증가에따른토양수분함량의감소와 BTEX의휘산을방지하기위해적절한공기및수분의공급과유지가필요하였다. 이상의결과로볼때토양오염우려기준 (TPH 500 mg/kg) 의만족과더나은제거효율을유지하기위해토성에따른적정공기공급외에 대사과정에서생성되는독성부산물에대한제어, 미생물에필요한토양수분함량의유지, 그리고유기, 무기영양성분의적절한혼합, 미생물밀도등이고려되어야할것이다. 참고문헌 1. 환경부 (2007), 2006년토양측정망및실태조사결과, pp. 1-35. 2. U.S. EPA (1994), Bioventing Principles and Practice vol Ⅲ, U.S. Government Printing Office via GPO Access, USA, pp. 1-9. 3. 최희철, 지재성, 유도윤 (1997), 탄화수소화합물로오염된지반환경복원기술개발, 한국건설기술연구원, pp. 1-3. 4. National Research Council(NRC) (1993), In Situ Bioremediation, National Academy Press, USA, pp. 3-5. 5. Johnson, P. C., Kemblowski, M. W. and Colthart, J. D. (1990), Quantitave Analysis for the Cleanup of Hydrocarbon-Contaminated Soil by In-situ Soil Venting, Ground Water 28(3), pp. 413. 6. 산업자원부 (2001), In-Situ 오염토양복원 On-Line 모니터링시스템개발, pp. 13-15. 7. Leeson and Hinchee (1997), Soil Bioventing Principles and Practice, Lewis Publishers, CRC Press, Inc. Boca Raton, USA. pp. 5-6. 8. U.S. EPA (1995), Principles and Practices of Bioventing, EPA/540/R-95/534, USA, pp. 3-5. 9. U.S. EPA (2006), In Situ treatment technology for contaminated soil, Engineering Forum Issue Paper, USA, pp. 1-5. 10. U.S. EPA (2000), Passive Bioventing in Stratified Soils and Shallow Groundwater Conditions, Naval Facilities Engineering Command, USA, pp. 5-8. 11. 정종배, 김민경, 김복진, 김계훈 (1999), Micro-Pipette법과 Hydrometer법에의한토양입경분석의비교, 한국토양비료학회지 32(3), pp. 274-278. J. of KIHE/Vol.20, 2007

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