KR0170626B1 - 오염 토양의 생물학적 처리 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

오염 토양(50)과 토양 정화 미생물을 채운 실린더형 드럼(1)을 중력 방향에 대하여 수직으로 설치한 회전축을 중심으로 회전시키면서 오염 토양을 처리할 경우 오염된 토양을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있으며, 처리 비용이 저렴한다.

Description

오염 토양의 생물학적 처리 방법 및 그 장치

제1도는 본 발명의 일 실시예에 드럼 바이오리액터 시스템을 개략적으로 나타내는 장치도.

제2도는 상기 제1도의 드럼 바이오리액터의 내부 구조의 상세도.

제3도는 본 발명의 일 실시예에 따라 오염 토양을 처리한 결과를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 드럼 바이오리액터 3 : 세라믹 히터

5 : 온도 조절 장치 7 : 수분 공급 장치

11 : 배플 50 : 오염 토양 및 미생물

[산업상 이용분야]

본 발명은 오염된 토양을 처리하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 처리 시간이 짧고, 처리효율이 우수하며, 처리 비용이 저렴한 오염토양의 생물학적 처리 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

[종래 기술]

산업이 발달하면서 각종 오염 물질 배출량의 급증과 화석 연료 사용량의 증가에 따라 환경 오염이 급증하여왔다. 이러한 환경 오염은 물, 토양, 대기 등 다양한 경로를 통하여 인간에게 영향을 미치는데, 특히 토양 오염은 수질오염이나 대기 오염과 달리 노출속도가 느리고 전달 경로가 복잡하여 오랫동안 관심 대상에서 제외되어 왔다. 그러나 최근의 잇단 유류 선박 사고는 그 피해의 규모나 정도에 있어서 그 해안 인접의 토양을 크게 오염시켜 토양 오염의 심각성을 극명하게 보여 주고 있다.

이와 같은 토양 오염의 심각성에 따라 최근 선진국에서는 유류 사고지역뿐만 아니라 페놀류 및 PAH(Polynuclear Aromatic Hydrocarbon)류를 포함한 유해성 유기물로 장기간 노출된 산업지역이나 폐기물 처리장의 부근의 오염된 토양의처리에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다.

현재까지 오염된 토양의처리는 온 사이트(on site) 또는 인 사이투(in situ) 기술들을 적용하고 있다. 온 사이트 기술은 오염된 지역의 지표토를 처리하기 위하여 현장의 토양을 그대로 둔 상태에서 생물학적 기술을 적용하는 방법으로서, 토양 경작(landfarming) 방식과 퇴비화(composting) 방식이 있다. 이와 같은 온 사이트 방법은 방법이 간단하고 경제적이라는 장점이 있으나 효율이 매우 낮아 처리 기간이 수년 내지 수십년이 요구된다는 문제점이 있다. 인 사이투 기술은 오염지역의 지하에 관정을 심어 공기나 물, 영양분을 첨가하여 불포화 토양층 뿐만 아니라, 포화 토양층, 지하수 등을 함께 처리 및 관리하는 방법으로서, 이 역시 처리기간이 수개월에서 수년이 소요된다는 문제점이 있다.

이와 같은 토양 처리 방법의 낮은 처리 효율을 극복하기 위한 기술로서, 최근에는 슬러리 바이오리액터(slurry bioreactor)를 이용하여 오염된 토양을 처리하는 기술이 연구되고 있다(Pilot-scale demonstaration of a alurry-phase biological reactor for cresote-contaminated soil, EPA/540/A5-91/009, 1993). 이와 같은 슬러리 바이오리액터를 이용하여 오염 토양을 처리하는 방법은, 먼저 오염된 토양을 굴착하고, 자갈이나 나뭇가지 등을 패로 골라 내고, 토양을 크기별로 분리하여 큰 입자의 토양은 세척하고, 작은 입자의 토양은 슬러리 바이오리액터를 이용하여 처리한 후 탈수 하여 각각 오염 토양을 처리한다. 그러나 큰 입자와 작은 입자로 오염 토양을 분리하여야 하며, 큰 입자는 별도로 세척하여야 하고, 작은 입자는 슬러리 바이오리액터로 처리한후 탈수를 하여야 하는 등 공정이 복잡하고, 다량의물을 사용하여야 하기 때문에 토양의 함량이 30% 이하로만 운전이 가능하고여 처리할 수 있는 토양의 양이 적고, 탈수 등에 비용이 많이 필요하다는 단점이 있다.

[본 발명이 해결하려 하는 과제]

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개벌된 것으로서, 본 발명의 목적은 오염된 토양을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있으며, 처리 비용이 저렴한 오염 토양의 생물학적 처리 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 오염 토양 및 오염 토양을 정화하는 미생물을 수납하는 수납 수단과, 상기 수납 수단에 오염 토양을 출입시키는 출입수단과, 상기 수납 수단을 회전시키기 위하여 중력 방향에 대하여 거의 수직으로 설치한 회전축과, 상기 회전축을 회전시키는 구동수단을 포함하는 오염 토양의 생물학적 처리 장치를 제공한다.

상기한 본 발명의 생물학적 처리 장치에 있어서, 상기 생물학적 처리 장치는 상기 수납 수단내의 온도를 조절하는 온도 조절 수단, 상기수납 수단내에 산소공급을 조절하는 공기량 조절 수단을 각각 독립적으로 선택하여 더욱 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기한 본 발명의 생물학적 처리 장치에 있어서, 상기 수납 수단은 실린더형이 바람직하며, 상기 회전축의 설치각은 중력 방향에 대하여 90~45°인, 더욱 바람직하게는 중력 방향에 대하여 수직인 것이 바람직하다.

또 본 발명은 수납 수단에 오염 토양 및 오염 토양을 정화하는 미생물을 투입하고, 중력 방향과 거의 수직 방향을 중심으로 상기 수납 수단을 회전시키는 공정을 포함하는 오염 토양의 생물학적 처리 방법이 바람직하다.

상기한 본 발명의 생물학적 처리 방법에 있어서, 상기 생물학적 처리 방법은 공기를 더욱 첨가하면서 실시하거나, 온도를 조절하면서 실시하거나, 수분을 더욱 공급하면서 실시하거나, 또는 상기 생물학적 처리 방법은 계면활성제를 더욱 공급하면서 실시하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 오염된 토양을 채취하고, 상기 오염된 토양로부터 고형물질들을 제거하고, 상기 고형 물질이 제거된 오염된 토양을 미생물과 함께 상기한 본 발명의 생물학적 처리 장치에 투입하는 공정을 포함하는 오염된 토양이 생물학적 처리 방법을 제공한다.

[실시예]

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

I. 재료 및 방법

1. 시료 제조

오염되지 않은 사토를 토양 시료로 취하여, 채를 사용하여 토양 크기분포(soil size distribution)를 측정하고, 액제 비중 측정 방법에 의하여 토양텍스처(soil textrue)를 조사하였다. 이 토양(2mm) 5kg을 나프탈렌과 페난트렌(phenanthrene) 일정량을 함유한 메틸렌클로라이드 용매로 인위적으로 오염시킨 후 용매를 휘발시켜 오염 토양 시료를 제조하였다.

2. 미생물 균주

미생물 균주는 철도의 버팀목 부근 토양으로부터 분리한 PAH 분해균주(이하 'PM'이라 함)와 제철소 폐수 처리 공정중 활성오니공정으로부터 분리한 페놀 분해 균주(이하 'PNM'이라 함), 10:1 리조스피어(rhizosphere) 토양추출물(이하 '토양 R 추출물'이라 함)을 사용하였다. 본 발명에서 사용할 수 있는 미생물은 본 실시예에서 사용한 균주외에도 토양내 오염 물질 분해능이 있는 규주이면 어떤 균주라도 사용 가능하다.

3. 영양소

영양소로는 에반스 염 배지(Evan's salt medium)에서 질소원을 질산 칼륨 317mM로 치환하여 첨가하고 초기 수분 함량을 21%로 유지하였다.

II. 오염 토양의 생물학적 처리 장치

제1도는 본 발명의 오염 토양 생물학적 처리 장치의 일 실시예로서 실린더형의 생물학적 처리 장치(이하 '드럼 바이오리액터'라 함)를 갖는 생물학적 처리 장치 시스템을 개략적으로 나타내는 장치도이다. 제2도는 제1도의 드럼 바이오리액터 시스템중 드럼 바이오리액터의 내부 구조를 보다 상세하게 나타낸 도면이다.

제1도에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 드럼 바이오리액터는 오염토양(50)과 토양 정화 미생물을 채운 실린더형 드럼(1)을 기본 구조로 하여, 실린더형 드럼을 중력 방향에 대하여 수직으로 설치한 회전축을 중심으로 회전시키면서 오염 토양을 처리하였다. 이 때 실린더형 드럼에는 필요에 따라 수부을 더욱 공급할 수 있는 수분 공급 장치(7)를 설치하였다. 그리고 드럼내에 적절한 온도를 유지하기 위하여 열을 공급할 수 있는 세라믹 히터(3)를 설치하고, 드럼내의 온도를 감지하고 이에 따라 적절한 온도를 유지하기 위하여 상기한 세라믹 히터(3)을 켜짐과 꺼짐을 조절하는 온도 조절 장치(5)를 설치하였다.

그리고 제1도의 드럼 바이오리액터의 내부는 다수의 배플(11)을 설치하여 드럼 바이오리액터 내부의 토양과 미생물, 수분 등 첨가제가 보다 효과적으로 혼합되도록 하였다.

이와 같은 드럼 바이오리액터 시스템을 이용하여 오염 토양을 처리하는 공정을 상기 드럼 바이오리액터 장치와 연관지어 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

III. 오염 토양의 처리

[비교예 1]

생물학적 처리 장치로서 제1도에 도시한 드럼 바이오리액터 시스템에, 상기한 I. 1. 시료 제조 공정에 기재된 방법에 따라 건조 토양 5kg(S2mm), 페나트렌 30ppm, 페놀 1000ppm, 나프탈렌 100ppm을 혼합하여 제조한 오염 토양 시료와, PAH 분해 균주인 PM 200ml, 페놀 분해 균주(PNM) 200ml, 토양 R추출물 200ml의 혼합 균주와, 영양소 500ml, 수분 21중량%를 첨가하여 30℃에서 공기를 표면에 0.51/min 공급하면서 매일 1회씩 드럼 바이오리액터를 1회전시키는 조건으로 오염 토양을 처리하였다.

상기한 비교예 1의 오염 토양 처리 조건을 요약하면 하기한 표 1과 같다. 그리고 비교예 1의 바이오리액터 운전 조건은, 공기를 토양 표면에만 공급하고 바이오리액터를 간헐적을 회전하기 때문에 종래 오염 토양의 온 사이트 처리 공정과 실질적으로 동일한 조건이다.

[실시예 1]

생물학적 처리 장치로서 제1도에 도시한 드럼 바이오리액터 시스템에, 상기한 I. 1. 시료 제조공정에 기재된 방법에 따라 건조 토양 5kg(S2mm), 페난트렌 30ppm, 페놀 500ppm을 혼합하여 제조한 오염 토양 시료와, PAH 분해 균주인 PM 200ml, 페놀 분해 균주(PNM) 200ml, 토양 R 추출물 200ml의 혼합 균주와, 영양소 500ml을 첨가하여 30℃에서 공기를 표면에 0.51/min 공급하면서 30rpm으로 바이오리액터 드럼을 회전시키는 조건으로 오염 토양을 처리하였다.

[실시예 2]

상기한 실시예 1에서 오염 토양 시료에 페놀 1000ppm을 첨가하고, 나프탈렌 100ppm을 더욱 첨가하고, 바이오리액터 드럼을 9rpm으로 회전시키는 것을 제외하고는 상기한 실시예 1과 실질적으로 동일하게 실시하여 오염 토양을 처리하였다.

[실시예 3]

생물학적 처리 장치로서 제1도에 도시한 드럼 바이오리액터 시스템에, 상기한 I. 1. 시료 제조 공정에 기재된 방법에 따라 건조 토양 5kg(S2mm), 페난트렌 30ppm, 페놀 500ppm을 혼합하여 제조한 오염 토양 시료와, PAH 분해 균주인 PM 200ml, 페놀 분해 균주(PNM) 200ml, 토양 R 추출물 200ml의 혼합균주와, 영양소 500ml와, 수분 21중량%를 첨가하여 30℃에서 공기를 표면에 0.51/min 공급하면서 9rpm으로 바이오리액터 드럼을 회전시키고, 중간에 수분함량이 저하되면, 수분을 보충하는 조건으로 오염 토양을 처리하였다.

상기한 실시예 1-3의 오염 토양 처리 조건을 요약하면 하기한 표 2와 같다.

상기한 비교예 및 실시예에 따라 바이오리액터의 운전조건을 변경하면서 오염 토양을 2회 처리한 후, 토양내의 페놀, 페난트렌, 나프탈렌의 잔존량, 나이트레이트의 양, 토양내 미생물의 활성을 다음과 같은 방법으로 측정하였다. 그 결과는 제3도 및 제4도에 도시하였다.

1. 페놀, 페난트렌, 나프탈렌의 잔존량 측정

상기 페놀, 페난탈렌, 나프탈렌의 잔존량은 EPA 의 초음파(sonication) 방법에 의하여 측정하였다. 이 초음파 방법에 의하면 페난트렌의 추출율이 87-100%였으며, 추출오차는 서로게이트 스탠다드(surrogate standard)를 첨가하여 해결하였다.

2. 미생물의 활성 측정

미생물의 활성은 CFU(colony forming unit)으로 측정하였다. 첨가한 PM혼합 균주와 PNM 혼합 균주의 최대 분해 속도를 측정한 결과 액체 배지를 이용한 진탕배양시 9.0mg 페난트렌/l/day, 454mg 페놀/l/day이었다.

IV. 결과

상기한 실시예 및 비교예의 오염 토양 처리에 따른 처리 결과를 제 3(a)도 내지 제3(f)도 및 제4(a)도 내지 제4(f)도에 도시하였다.

상기한 비교예 1의 오염 토양 철에 따른 결과는 제3도의 (I)구간에 해당된다. 제3도의 (I)구간에서 확인되는 바와 같이 종래의 온 사이트 방법에 따른 오염 토양 처리는 토양내에 낮은 산소 전달 속도 및 기질 영양소의 전달속도에 의해 미생물의 성장 및 유지가 이루어지지 않으며 이에 따라 미생물의 수가 급격히 감소하고 그 결과 토양내 오염 물질인 페놀 및 페난트렌의 분해가 거의 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 그러나 나프탈렌의 경우 휘발에 의해 모두 제거되었다.

실시예 2의 오염 토양 처리에 따른 결과는 제3도의 (II) 구간에 해당한다. 제3도의 (II) 구간에서 확인되는 바와 같이 본 발명이 드럼 바이오리액터에 따른 오염 토양 처리는 토양내에 산소 전달 및 기질 영양소의 전달이 원활히 이루어져 오염 토양내의 페놀은 43.2mg/kg 건조 토양/일의 속도로 분해되어 모두 제거되었으며, 페난트렌은 7.85mg/kg 건조토양/일의 속도로 분해되었다. 이때 C/N비는 3.81이었다.

실시예 3의 오염 토양 처리에 따른 결과는 제3도의 (III) 구간에 해당한다. 제3도의 (III) 구간에서 확인되는 바와 같이 본 발명의 드럼 바이오리액터에 따른 오염 토양 처리는 토양에 수분을 공급함으로써 최종적으로 페난트렌을 모두 분해할 수 있었다.

또한 본 발명에 따른 상기한 실시예 1의 오염 토양 처리 방법을 적용한 결과 역시 제4도에 도시한 바와 같이 우수한 오염 토양 처리 결과를 나타낸다.

아울러 제3도와 제4도의 결과를 비교하여 보면, 계면활성제를 첨가할 경우 더욱 오염 토양의 처리 효율이 우수함을 할 수 있다.

[효과]

이상에 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 오염 토양 처리 장치 및 방법을 사용할 경우 오염된 토양을 신속하고 효율적으로 처리할 수 있으며, 오염 토양의 처리 비용이 매우 저렴하다.

Claims (12)

1. 오염 토양 및 오염 토양을 정화하는 미생물을 수납하는 수납 수단과; 상기 수납 수단에 오염 토양을 출입시키는 출입 수단과; 상기 수납 수단을 회전시키기 위하여 중력 방향에 대하여 거의 수직으로 설치한 회전축과; 상기 회전축을 회전시키는 구동 수단을; 포함하는 오염 토양의 생물학적 처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 생물학적 처리 장치는 상기 수납 수단내의 온도를 조절하는 온도 조절 수단을 더욱 포함하는 생물학적 처리 장치.
3. 제1항에 또는 제2항에 있어서, 상기 생물학적 처리 장치는 상기 수납수단내에 산소 공급을 조절하는 공기량 조절 수단을 더욱 포함하는 생물학적 처리 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 수납 수단은 실린더형인 생물학적 처리 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 회전축의 설치각은 중력 방향에 대하여 90~45°인 생물학적 처리 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 회전축의 설치각은 중력방향에 대하여 수직인 생물학적 처리 장치.
7. 수납 수단에 오염 토양 및 토양을 정화하는 미생물을 투입하고; 중량 방향과 거의 수직 방향을 중심으로 상기 수납 수단을 회전시키는; 공정을 포함하는 오염 토양의 생물학적 처리 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 생물학적 처리 방법은 공기를 더욱 첨가하면서 실시하는 생물학적 처리 방법.
9. 제7항에 또는 제8항에 있어서, 상기 생물학적 처리 방법은 온도를 조절하면서 실시하는 생물학적 처리 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 생물학적 처리 방법은 수분을 더욱 공급하는 공정을 포함하는 생물학적 처리 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 생물학적 처리 방법은 계면활성제를 더욱 공급하는 공정을 포함하는 생물학적 처리 방법.
12. 오염된 토양을 채취하고; 상기 오염된 토양으로부터 고형 물질들을 제거하고; 상기 고형 물질이 제거된 오염된 토양을 미생물과 함께 상기 제1항의 생물학적 처리 장치에 투입하는; 공정을 포함하는 오염된 토양의 생물학적 처리 방법.