KR100290579B1 - 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주와 이를 이용한 생물학적 악취 제거 방법 - Google Patents

황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주와 이를 이용한 생물학적 악취 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 황산을 생성하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주(Thiobacillus thiooxidans TAS) KCTC 8930P 및 이 균주를 이용하여 황화계 및 질소계 악취물질을 동시에 처리하는 생물학적 악취 제거방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 이산화탄소와 같은 무기탄소화합물을 탄소원으로 이용하는 독립영양세균으로, 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산의 형태로 무취화하는 황산화 세균인 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주 및 이를 이용한 생물학적 악취 제거방법을 제공한다.
본 발명에 의하여 상온·상압에서 효율적으로 유기물의 부패에 의한 주요 악취원인 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 나아가 동시에 발생되는 암모니아 가스도 함께 제거할 수 있기 때문에 저렴하면서도 간편하게 각종 오폐수 등에서 발생하는 악취를 처리할 수 있다.

Description

황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주와 이를 이용한 생물학적 악취 제거 방법{Thiobacillus thiooxidans TAS and Merhod for Biological Deoderization using the Strain}
본 발명은 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 황산을 생성하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주(Thiobacillus thiooxidans TAS) KCTC 8930P 및 이 균주를 이용하여 황화계 및 질소계 악취물질을 동시에 처리하는 생물학적 악취 제거방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산으로 전환하며, pH 2∼8의 넓은 pH 영역과 60g/L의 고농도 황산암모늄염 존재하에서 생장과 황산화 활성 및 황화수소 탈취 활성을 유지하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주 및 이 균주를 이용하여 황화수소와 같은 황화계 악취물질을 황산염으로 전환·제거 및 황화계 악취물질의 분해 산물인 황산염의 중화작용에 의해 질소계 악취물질을 동시에 제거하는 생물학적 악취 제거 방법에 관한 것이다.
'악취'란 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 기타 자극성 있는 기체상 물질이 사람의 후각을 자국하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새를 말한다. 주요 악취 발생원인 생활하수 및 산업폐수내의 악취물질은 대개 분자량 30∼150g의 저분자 화합물이거나, 비교적 휘발성이 있는 물질로서 대부분 유황계 및 질소계 유기물이 혐기성 분해되면서 발생된다. 이러한 오폐수 내의 유기물이 분해되면서 생성되는 기체로는 황화수소, 암모니아, 이산화탄소 및 메탄가스 등이 있으나 주요 악취물질은 황화수소와 암모니아이며, 이외에 스카톨, 메르캅탄류, 질소함유 유기물 등도 악취의 원인이 되고 있다. 이중 계란 썩는 냄새를 지닌 황화수소는 독성이 강하고 철, 아연, 구리, 납, 카드뮴 등을 강하게 부식시키는 특징이 있다.
현실적으로, 하수처리장, 분뇨처리장, 매립지와 같은 환경기초시설 및 각종 산업시설등에서 발생되는 악취는 사업장에서 근무하고 있는 근로자와 주변 주민들의 건강과 생활환경을 해치고 있다. 또한, 악취에 관한 민원이 빈번히 접수되고 있으며, 환경기초시설과 산업장 부지를 확보하는데 있어 걸림돌이 되고 있다. 환경기초시설과 산업장에서 발생되는 악취의 주성분은 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)이며, 이러한 악취물질은 반응성이 강한 부식성 가스로 건축물이나 주요시설의 부식을 야기시킨다. 따라서, 일반적으로 악취원으로부터 동시에 발생되는 황화수소와 암모니아를 경제적으로, 나아가 동시에 제거할 수 있는 탈취기술의 개발이 요구된다.
종래 악취를 제거하기위한 기술로는 크게 악취의 발생을 미연에 방지하는 방법, 각종 오폐수 등에 함유되어 있는 악취물질을 액상에서 제거하는 방법 그리고 각종 오폐수 등에서 발산된 취기를 포집하여 처리하는 방법 등이 적용되어 왔다.
악취의 발생을 사전에 방지하는 방법으로서, 오폐수 등을 호기성 상태로 유지하여 환원반응에 의한 악취물질의 생성을 방지하거나, 일단 환원된 악취물질을 무기형태로 산화하는 기술이 있다.
또다른 전통적인 방법으로는 악취물질과 반응하는 약품 예를들면, 염소, 오존, 과산화수소, 과망산칼륨 등을 첨가하여 화학반응에 의한 산화처리기술이 응용되어 왔다. 그러나 산화처리방법의 경우 악취의 원인물질이 불완전하게 산화되는 경우가 많기 때문에 강력한 산화제를 투입해야 하며, 이에 따라 처리비용이 증가하고 2차오염이 발생되는 문제가 있다.
액상에서 악취물질을 제거하는 기술로 활성탄 흡착법, 포기조에 의한 미생물 처리법, 포기여과지를 이용한 처리 등이 있으나, 처리를 위한 장치, 설비비 대비 효율이 낮은 것이 문제로 지적되고 있다.
한편, 오폐수 내의 악취물질을 탈취(stripping) 등의 방법으로서 대기 중으로 방출시킨 후 기체상에서 처리하는 방법이 특히 황화수소계 및 암모니아계 물질을 처리하는 기술이 연구개발되고 있다. 기체상의 악취물질 제거기술은 크게 물리·화학적 처리와 생물학적 처리로 나눌 수 있는데, 대표적인 물리·화학적 처리기술로는 활성탄 흡착법, 약액 세정법, 연소법 등이 있으며, 대표적인 생물탈취로는 토양탈취, 포기조 탈취 및 각종 바이오 필터 등을 들 수 있다. 이제까지는 활성탄 흡착법, 약액 세정법 등이 일반적인 탈취기술로 적용되어 왔으나, 최근에는 우수한 제거능력을 갖추고 있으면서도 운전관리가 간편한 생물탈취에 관심이 집중되고 있다.
생물학적 탈취기술로서, 다음과 같은 산화반응을 수행하는 티오바실러스 페로옥시단스(Thiobacillus ferrooxidans)를 활용한 황화수소를 제거하는 방식이 개발되었다.
2FeSO4+ H2SO4+ 0.5O2→Fe2(SO4)3+ H2O(식 1)
H2S + Fe2(SO4)3→S0+ FeSO4+ H2SO4(식 2)
즉, 식 1의 반응에 의하여 Fe2+이온이 Fe3+이온으로 산화되고, 산화된 Fe3+이온은 강력한 산화제로서 H2S와 반응하여 자신은 Fe2+이온으로 환원되면서 황화수소를 유리황(S0)으로 산화시킨다. 생성된 Fe2+이온은 다시 티오바실러스 페로옥시단스의 에너지원으로 사용된다. 이러한 연쇄반응에 의해 악취물질인 H2S가 제거되는 것이다.
그러나 이러한 티오바실러스 페로옥시단스를 이용한 생물학적 탈취방법은촉매의 재생속도 즉, 상기 식 1의 생물학적 산화반응이 식 2의 화학반응속도에 비해 매우 느리다는 점, 상기 균주의 성장속도가 느려 촉매의 재생속도를 증가시키는데 한계가 있다는 점 및 여러종류의 악취물질 중 황화수소만을 제거할 수 있다는 점이 문제로 되어 그 적용이 일반화되지 못하고 있는 실정이다.
즉, 미생물을 이용한 생물학적 탈취기술이 가장 경제적인 방법으로 제안되고 있지만, 대부분의 탈취미생물은 황화수소 혹은 암모니아를 동시에 분해하는 것이 불가능하다. 그러므로, 황화수소와 암모니아를 동시에 제거 가능한 탈취 기술의 개발이 요청되고 있으며, 이를 위한 적합한 균주의 개발이 시급한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하고자 하는 본 발명은, 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산으로 전환하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주(Thiobacillus thiooxidans TAS) KCTC 8930P 및 이 균주를 이용하여 황화계 및 질소계 악취물질을 제거하는 생물학적 악취 제거 방법을 제공한다.
도 1은 pH에 따른 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 생장 및 황산화 능력을 나타내는 도표.
도 2는 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 고정화한 생물탈취장치에 의한 황화수소 단독 가스 처리능력을 나타내는 도표.
도 3은 황산암모늄염 농도 변화에 따른 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스의 황산화능력을 나타내는 도표.
도 4는 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 고정화한 생물탈취장치에 의한 황화수소와 암모니아 혼합악취 중 황화수소 처리능력을 나타내는 도표.
도 5는 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 고정화한 생물탈취장치에 의한 황화수소와 암모니아 혼합악취 중 암모니아 처리능력을 나타내는 도표.
상기한 첫 번째 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 이산화탄소와 같은 무기탄소화합물을 탄소원으로 이용하는 독립영양세균으로, 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산의 형태로 무취화하는 황산화 세균인 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스(Thiobacillus thiooxidans TAS) KCTC 8930P를 제공한다.
이 균주에 의한 황화수소 분해 산물인 황산은 암모니아와 화학적으로 반응하여 황산암모늄염의 형태로 암모니아를 제거 할 수 있다. 또한, 이 균주는 60g/L의 고농도의 황산암모늄염이 존재하는 조건에서도 황산화능을 발휘할 수 있는 특성을 가지고 있다. 그러므로, 이 균주를 이용하는 경우 각종 유기성 폐기물 및 산업성 폐기물의 주된 악취원인 황화수소와 암모니아를 동시에 제거 가능하며, 탈취장치내에 황산암모늄염이 고농도로 축적되어도 탈취능을 발휘 할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명의 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주는 하수처리장의 활성슬러지에 황화수소를 주입하여 농화 배양한 배양액으로부터 선별 과정을 거쳐 분리하였다. 농화 배양은 무기염배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 증류수 1 리터, pH 6.0) 100mL에 하수처리장의 활성슬러지 시료 10g(건조중량)넣고 약 200ppm의 황화수소 가스를 100ml/min 유량으로 주입하여 배양하였다. 세균에 의해 황화수소가 산화되어 배지내에 황화수소의 분해산물인 황산의 축적에 의해 pH가 1.0이하로 떨어지면, 이 농화배양액을 황산화세균 배양용 배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0)에 재접종하여 배양하였다. 이러한 과정을 약 3회 반복하여 얻은 순치 배양액을 한천이 함유된 황산화 세균배양용 고체배지에 도말·배양하여 수 종의 균주들을 얻었고, 이들 균주의 황산암모늄염에 대한 내성을 조사하여 황산암모늄염에 대한 가장 큰 내성을 보인 균주를 단독 분리하였다.
상기 방법으로 분리한 균주에 대하여 일반적인 실험방법(Pelczar과 Chan, 1977)에 의거하여 그람염색, 산화효소(oxidase), 카탈라제(catalase), 유기물의 이용, 최적 pH, 환원철(Fe2+)의 산화, 질산 호흡 등 생화학적 특성을 조사하였다. 또한 균주의 세포벽 성분의 유기산 및 퀴논(quinone) 성분의 분석은 한국과학기술연구원 부설 생물공학연구소내의 유전자은행(KCTC)에 의뢰하여 분석하였다. 분석결과 분리균은 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans)에 속하는 신균주로 동정되었고, 한국과학기술연구원 부설 생물공학연구소내의 유전자은행(KCTC)에 기탁하여 균주번호 KCTC 8930P를 부여받고 그 명칭을 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스로 정하였다.
분리균 티에이에스는 길이가 1㎛ 가량의 단간균으로서 운동성이 있는 그람음성균이다. 황산화세균 배양배지에서의 콜로니의 색은 불투명한 흰색이고 노쇠한 균은 진한 노란색을 띄었다. 시토크롬 옥시다제(cytochrome oxidase)와 카탈라제(catalase) 활성실험 결과 각각 음성 및 양성의 반응을 보인다. 2가 철이온의 산화반응을 수행할 수 없으며, 질산 호흡이 불가능한 독립 영양세균이다. 전자전달계의 조효소(coenzyme)로 유비퀴논 8(ubiquinone 8)을 가지며, 세포벽 지방산의 주요성분은 non-hydroxy 16:0과 hydroxy 3-OH 14:0이다. 지방산과 유비퀴논성분, 질산 호흡 및 철산화능 여부 등 분리균은 티오바실러스 티오옥시단스(Thiobacillus thiooxidans)로서의 특성을 보인다.
본 발명에서 제공되는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 는 하기 실시예 1에서 알 수 있듯이 pH2∼8의 넓은 범위에서 1일 1리터 배양액당 0.6∼0.7g의 유리황 산화능력을 갖고 있는 특징이 있으며, 생장과 유리황 산화능을 위한 최적 pH는 4이다. 본 발명의 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 습득하는 과정에서 조사된 다른 종류들의 황산화 세균은 60g/L의 고농도 황산암모늄염이 첨가된 배지에서는 전혀 생육할 수 없었으나, 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스균주는 60g/L의 고농도의 황산암모늄염이 첨가된 배지에서도 1일 1g의 균체가 1.2g의 유리황을 산화할 수 있는 능력을 보이는 등 황산암모늄염에 대한 내성이 매우 강한 특징이 있다.
상기한 두 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 황화수소와 같은 황화계 악취물질을 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주와 접촉시켜 황화수소를 황산염으로 전환·제거하는 방법 및 계속해서 상기 분해 산물인 황산염의 중화작용에 의해 질소계 악취물질을 제거함으로써 황화계 및 질소계 악취물질을 동시에 제거하는 생물학적 악취 제거 방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 황산화 세균인 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 다음 식 3과 같은 반응 수행능력을 활용하여 악취물질인 황화수소(H2S)를 제거하는 방법이다.
H2S + 2O2→ H2SO4(식 3)
본 발명의 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주는 pH 2이하의 낮은 수준에서도 생존이 가능하기 때문에 H2SO4이 다량 생성되더라도 황화수소 산화능력을 나타낼 수 있으며, 다른 미생물에 의한 오염문제가 거의 없어 별도의 멸균작업이 필요없다.
본 발명에서 제공되는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치에 황화수소 농도를 100에서 1000ppm으로, 공간속도를 100에서 550h-1의 조건으로 주입한 결과, 모든 조건에서 완벽하게 황화수소를 제거한다. 즉, 하기 실시예 2에 나타난 바와 같이, 이 균주를 이용하여 기존의 생물탈취장치의 황화수소 제거효율을 한시간에 생물탈취장치 1m3당 810g-S에 해당하는 황화수소를 제거할 수 있게 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에서 제공되는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주는 하기 실시예 4에서 볼 수 있는 바와 같이 15∼30℃의 넓은 온도영역에서도 황화수소를 제거하는 특성이 있다. 즉, 15℃와 30℃에서의 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 황화수소 최대제거능은 1일 1g의 건조균체량당 각각 4.8g-S 및 9.8g-S이 되기 때문에 동절기에도 별도의 보온 장치 없이 효과적으로 황화수소 악취물질을 제거하는 것이 가능하다.
한편, 악취물질 중에서 암모니아가 존재하는 경우, 본 발명은 상기 식 3에 연속하여 다음 식 4와 같은 화학적 반응이 연속적으로 수행될 수 있다.
H2SO4+ NH4OH →(NH4)2SO4+ 2H2O(식 4)
즉, 본 발명의 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주에 의해 생성된 황산이 암모니아와 화학적으로 중화반응을 일으켜 황산암모늄 형태로 암모니아를 무취화하는 것이다.
본 발명에서 제공되는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치에 의한 황화수소와 암모니아 혼합악취의 제거효율은 하기 실시예 4에 기재된 바와 같이 상당히 우수하다. 즉, 100% 제거 가능한 최대 황화수소 부하량은 한시간에 생물탈취장치 1m3당 400g-S이고, 암모니아의 부하량은 한시간에 생물탈취장치 1m3당 190 g-N이다.
본 발명은 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스의 황화수소 및 암모니아 가스의 제거능력을 활용하기 위하여 상기 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 현탁 또는 고정화하여 사용할 수 있다. 보다 상세하게는, 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스를 황산화세균용 배지에 대량 배양하여 농축한 균체 농축액을 미생물 담체에 고정한다. 균주를 고정한 담체를 충전한 생물탈취기에 황화수소 단독가스 혹은 황화수소와 암모니아 혼합가스를 불어 넣으면, 황화수소 악취는 황산으로 암모니아 악취는 황산암모늄염 형태로 무취화되는 것이다. 이 균주는 고농도의 황산암모늄염에 대해 내성을 가지고 있기 때문에, 생물탈취기내에 황산암모늄염이 고농도로 축적되어도 효율적으로 황화수소와 암모니아를 제거 하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다. 실시예에서는 필요에 따라 본 발명의 균주를 담체에 고정하여 실험하였다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐 이에 의해 본 발명의 기술적 사상이나 발명의 범위가 영향받는 것은 아니다.
실시예 1 : pH에 따른 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 생장 및 황산화능
pH를 2∼8로 다양화시킨 상기 황산화 세균 배양배지 100mL에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 종균 배양액 5 mL를 접종한 후 30℃, 180 rpm에서 진탕 배양하면서 생장과 황산화 특성을 확인하였다. 도 1에서 보듯이 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 황산화능은 pH 2.0에서 6.0의 넓은 영역에서 약 0.62g-S/L·d로 우수하였고, pH 7이상의 중성영역에서도 황산화와 생장이 가능한 균주임을 확인하였다.
실시예 2 : 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 황화수소 단독가스 제거능력
황산화 세균 배양배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0) 1L에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종·배양한 후, 배양액을 8000rpm에서 25분간 원심 분리하여 균체를 회수하였다. 회수된 균체는 40ml의 무기염배지에 현탁하여 이 균체 농축액을 입경이 2.8∼4.0 mm인 건조 다공성 세라믹(89g)과 혼합하여 고정화하였다. 티에이에스 균주가 고정화된 담체를 유리 칼럼(46mm ×300mm L)에 충전하였다. 생물탈취장치의 충전 부피 및 밀도는 각각 0.266L과 335 g/L이었다.
황화수소 가스원으로 10%의 가스 실린더로부터 배출된 가스를 가스 혼합기(mixing chamber)에서 공기로 희석하여 필요로 하는 농도로 조절하였다. 황화수소 입구 농도와 공간 속도를 각각100-980ppm와 100-640h-1로 설정하였다. 우선, 공간속도를 100h-1로 설정하고, 황화수소를 100ppm에서 980ppm까지 단계적으로 증가시켜 주었다. 각 조건에서 매 20 분마다 생물탈취장치 출구 가스를 채취하여 황화수소 농도를 측정하여, 출구 황화수소 농도가 일정하게되면 새로운 조건으로 변화시켰다. 일반적으로 각 조건에서 출구 황화수소 농도가 일정해질 때까지 약 1.5-2시간 정도 소요되었다. 각 실험 조건을 변화시킬 때마다 멸균수로 생물탈취장치를 세정하였다. 황화수소의 농도는 생물탈취장치의 입구와 출구의 공기중의 가스를 채취한 후 가스 크로마토그래피(HP5890 plus II, U.S.A.)로 분석하였다.
실험 결과, 황화수소의 입구 농도가 100 - 970ppm이며 공간속도가 100 - 550h-1인 모든 조건에서 100% 제율을 나타내었다(도 2). 즉, 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치에 의해 황화수소를 단위시간당 단위부피당 810g-S 이상의 용량을 처리하는 것이 가능하였다.
실시예 3 : 황산암모늄염에 대한 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 내성
황산화 세균 배양배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0) 성분 중, NH4Cl 대신 황산암모늄염을 0.5∼100g/L 첨가한 배지를 이용하여 황산암모늄염에 대한 내성을 조사하였다. 배지 100mL에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 종균 배양액 5 mL 접종한 후 30℃, 180 rpm에서 진탕배양하면서 생장속도와 황산화능을 측정하였다.
(NH4)2SO4이 0.5∼100g/L 첨가된 배지에서 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 비황산화속도와 균체생장속도를 도 3에 도시하였다. 낮은 (NH4)2SO4의 농도에서는 (NH4)2SO4의 농도가 증가함에 따라 비황산화속도가 증가하였고, 10∼20 g/L 범위에서 최대 값에 도달하였다. 20g/L 이상의 황산암모늄염이 첨가된 배지에서는 티에이에스 균주의 황산화능이 약간 저해를 받기 하였지만, 60g/L의 고농도의 황산암모늄염이 첨가된 배지에서도 1일 1g의 균체가 1.2g의 유리황을 산화하였다. 또한, 60g/L의 고농도의 황산암모늄염이 첨가된 배지에서 1일 1L의 배양액당 0.028g의 균체가 생장하였다.
실시예 4 : 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 황화수소와 암모니아 혼합가스 제거능력
황산화 세균 배양배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0) 1L에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 배양한 후, 배양액을 8000rpm에서 25분간 원심 분리하여 균체를 회수하였다. 회수된 균체는 40ml의 무기염배지에 현탁하여 이 균체 농축액을 입경이 2.8∼4.0 mm인 건조 다공성 세라믹(89g)과 혼합하여 고정하였다. 티에이에스 균주가 고정된 담체를 유리 칼럼(46mm ×300mm L)에 충전하였다. 생물탈취장치의 충전 부피 및 밀도는 각각 0.266L과 335 g/L이었다.
황화수소 입구농도 100-900ppm, 암모니아 입구 농도 50-500ppm, 및 100 - 630 h-1의 조건에서 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치에 의한 황화수소와 암모니아 혼합악취 제거 실험을 행하였다. 각 실험 조건을 변화시킬 때마다 멸균수로 생물탈취장치를 세정하였다. 황화수소의 농도는 생물탈취장치의 입구와 출구의 공기중의 가스를 채취한 후 가스 크로마토그래피(HP5890 plus II, U.S.A.)로 분석하였다. 암모니아 가스는 0.01 N H2SO4용액에 흡수시킨 후, 흡수액 중의 암모니아 농도를 양이온 컬럼(IC-PackTM Cation M/D)이 장착된 이온 크로마토그래피(Waters 510, U.S.A.)를 이용하여 분석하였다.
실험 결과, 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주는 황화수소와 암모니아의 혼합 악취를 동시에 제거 가능한 것으로 나타났다. 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치에 주입한 황화수소의 부하량과 생물탈취장치에 의한 처리 용량을 계산하여 도 3에 도시하였다. 암모니아가 공존하는 경우, 생물탈취장치에 의해 100% 제거 가능한 황화수소 부하량은 400g-S·m-3·h-1이었다.
황화수소와 암모니아가 동시에 공급되는 조건에서 암모니아의 부하량의 증가에 따른 생물탈취장치에 의한 암모니아 처리용량을 계산하여 도 5에 도시하였다. 황화수소가 동시에 공급되는 조건에서 암모니아는 190g-N·m-3·h-1까지 100% 제거되었다. 즉, 암모니아 입구 농도와 공간 속도가 500ppm이고, 630h-1까지 증가되는 조건에서 공급되는 암모니아가 완벽하게 제거되었다. 황화수소와 암모니아가 동시에 공급되는 경우 본 발명에서 제공하는 균주 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주는 황화수소를 황산으로 산화시키고, 이 황산이 암모니아 가스와 화학적으로 반응하여 황산 암모니움의 형태로 제거됨을 확인할 수 있었다.
실시예 5 : 저온에서 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주의 황화수소 제거능측정
황산화 세균 배양배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0) 1L에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 배양한 후, 배양액을 8000rpm에서 25분간 원심 분리하여 균체를 회수하였다. 회수된 균체는 40ml의 무기염배지에 현탁하여 이 균체 농축액을 입경이 2.8∼4.0 mm인 건조 다공성 세라믹(89g)과 혼합하여 고정하였다. 티에이에스 균주가 고정된 담체를 유리 칼럼(46mm ×300mm L)에 충전하였다. 생물탈취장치의 충전 부피 및 밀도는 각각 0.266L과 335 g/L이었다.
티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치의 황화수소 처리용량에 미치는 온도의 영향을 각각 15, 25, 30℃에서 조사하였다. 생물탈취장치에 유입되는 악취가스에서의 황화수소의 농도와 공간속도를 각각 200-1100ppm과 190-570h-1로 입구 부하량을 변화시키면서 황화수소 최대제거속도를 조사하였다.
온도에 따른 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 접종한 생물탈취장치에 의한 황화수소의 최대 제거속도를 하기 표에 나타내었다. 황화수소의 최대제거속도는 충전 담체내의 균체량으로 환산한 값(g-S·g-DCW-1·d-1), 충전물의 무게로 환산한 값(g-S·kg-carrier-1·d-1), 그리고 충전 부피로 환산한 값(g-S·m-3·h-1)으로 표현하였다. 온도가 증가함에 따라 황화수소의 제거속도가 증가하였다. 일반적인 조업조건인 30℃에서 최대 제거속도 9.8g-S·g-DCW-1·d-1이었고, 동절기 조업 온도인 15℃에서도 30℃에서 얻은 산화속도의 약 49%인 4.8g-S·g-DCW-1·d-1의 제거능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 발명에 의한 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주를 사용함으로써 2차 오염문제가 없으며, 상온·상압에서 효율적으로 유기물의 부패에 의한 주요 악취원인 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있으며, 나아가 동시에 발생되는 암모니아 가스도 함께 제거할 수 있기 때문에 저렴하면서도 간편하게 각종 오폐수 등에서 발생하는 악취를 처리할 수 있다. 또한 상기 균주는 넓은 pH 영역, 넓은 온도영역 및 넓은 황산암모늄염 농도 하에서도 생장이 원활하고 황화수소 처리능력이 뛰어나기 때문에 종래 티오바실러스 페로옥시단스를 활용한 생물학적 악취제거방법에 비해 효과적이다.

Claims (4)

  1. 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산으로 전환하며, pH 2∼8의 넓은 pH 영역과 60g/L의 고농도 황산암모늄염 존재하에서 생장과 황산화 활성 및 황화수소 탈취 활성을 유지하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 균주(Thiobacillus thiooxidans TAS) KCTC 8930P.
  2. 황화수소와 같은 황화계 악취물질을 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 KCTC 8930P 균주와 접촉시켜 황산염으로 전환·제거하는 것을 특징으로 하는 생물학적 악취 제거 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 황화계 악취물질의 분해 산물인 황산염의 중화작용에 의해 질소계 악취물질을 동시에 제거하는 것을 특징으로 하는 생물학적 악취 제거 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 티오바실러스 티오옥시단스 티에이에스 KCTC 8930P 균주를 현탁 또는 고정화하여 사용하는 것을 특징으로 하는 생물학적 악취 제거 방법.
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