KR100290716B1 - 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주와 이를 이용한 생물학적 악취 제거 방법 및 장치 - Google Patents

황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주와 이를 이용한 생물학적 악취 제거 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 황산을 생성하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 (Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P 및 이 균주를 이용하여 황화계 악취물질을 처리하는 생물학적 악취 제거방법, 제거장치에 관한 것이다.
목적달성을 위해 본 발명은, 황화수소 등 황화계 화합물을 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산을 생성하며, 고농도 황산염이 존재하는 조건에서도 황화계 화합물을 처리할 수 있고, pH 0.5 이하의 낮은 pH 조건에서도 생육과 황산화 능력을 가진 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 및 이를 이용한 악취 제거방법 및 제거장치를 제공한다.
본 발명에 의해, 2차 오염문제가 없으며, 상온·상압에서 효율적으로 유기물의 부패에 의한 주요 악취원인 황화수소를 효과적으로 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 종래에 비해 효율적인 악취 제거방법 및 제거장치가 가능하다.

Description

황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주와 이를 이용한 생물학적 악취 제거 방법 및 장치{Thiobacillus thiooxidans AZ11, and Method and Apparatus for Biological Deoderization using the Strain}
본 발명은 황화수소를 에너지원으로 이용하여 최종 대사산물로 황산을 생성하는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11(Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P 및 이 균주를 이용하여 황화계 악취물질을 처리하는 생물학적 악취 제거방법, 제거장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 황화계 화합물을 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산을 생성하며, 고농도 황산염이 존재하는 조건에서도 황산화활성을 유지 가능하고, pH 0.5 이하의 pH 조건에서도 생육과 황산화 능력을 가진 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 이용하여 악취물질을 제거하는 생물학적 악취 제거방법 및 제거장치에 관한 것이다.
'악취'란 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 기타 자극성 있는 기체상 물질이 사람의 후각을 자극하여 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.
석유 화학 및 제지, 합성수지 제조, 피혁가공 및 농수산물 가공공장, 하수처리장, 분뇨처리장, 쓰레기 적환장 및 매립지 등과 같은 오염물질 처리시설공장 등에서 방출되는 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸등의 황화계 악취물질은 각종 환경문제를 야기하고 있다. 황화계 악취물질은 ppb 미만의 매우 낮은 농도에서도 사람의 후각을 자극하는 감각 오염물질로 소음과 함께 주요한 민원의 대상이 되고 있으며, 특히 하수처리장과 관련된 민원사례 중 가장 큰 비율을 차지하고 있다. 특히, 황화수소는 산성가스로 부식성을 가지고 있어 주변의 시설을 부식시키므로 이로 인한 경제적인 손실과 재해 위험성이 있다. 실제로 황화수소는 분뇨와 하수 처리시설에서 콘크리트 구조물과 하수관거의 부식현상을 유발하여 시설관리의 측면에서 심각한 문제 중의 하나로 지적되고 있다.
지금까지 개발된 탈취 방법은 크게 물리· 화학적 탈취 방법과 생물학적 탈취 방법으로 나눌 수 있다. 물리·화학적 탈취방법은 설치비가 비싸고 활성탄, 약품액, 연료 등 소모품을 필요로 하며, 시설의 부식이 심하고 소모된 재료의 재생이나 2차 처리 등의 고도의 기술이 필요하고 비경제적 것이 단점이다. 이에반해, 생물 탈취 방법은 악취물질을 분해 대사하여 무취화시키는 미생물의 활성을 이용하는 방법으로, 물리·화학적 방법보다 유지관리가 용이하며 소모품 재료가 거의 필요하지 않기 때문에 운전비가 저렴한 장점을 가지고 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 탈취방법은 촉매의 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 아주 낮은 pH 영역에서는 상기 균주의 생장이 어렵고 상기 식 1의 수행능력이 저하된다는 점 등이 문제로 되어 그 적용이 일반화되지 못하고 있는 실정이다.
즉, 황화계 악취물질은 미생물에 의해 황산으로 전환되므로, 생물 탈취 장치를 장기간 운전하게되면, 황산염이 고농도로 축적되어 균주 생장공간 내의 pH가 저하되며, 이로 인해 미생물의 활성이 치명적으로 저해받아 황화수소 제거효율이 급격하게 저하되는 문제가 발생하는 것이다. 따라서, 고농도의 황산염과 낮은 pH에 대해 내성이 있어, 장기간에 걸쳐 높은 제거 효율을 유지할 수 있는 균주의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 고농도의 황산염에 대해 내성이 있어 pH 0.5의 낮은 pH 조건하에서 황화계 악취물질을 효율적으로 제거 가능한 신규의 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 (Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P 및 이 균주를 이용하여 황화계 악취물질을 처리하는 생물학적 악취 제거방법과, 그 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 황산염 농도변화에 따른 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 황산화능력을 보여주는 도표.
도 2는 pH 변화에 따른 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 황산화능력을 보여주는 도표.
도 3은 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치의 황화수소 유입농도 변화에 따른 황화수소 제거를 보여주는 도표.
도 4는 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치의 황화수소 가스의 유입용량 변화에 따른 황화수소 제거를 보여주는 도표.
도 5는 본 발명의 생물학적 탈취장치 중 일 실시예의 개략도.
상기한 첫 번째 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 황화수소 등 황화계 화합물을 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산을 생성하며, 고농도 황산염이 존재하는 조건에서도 황화계 화합물을 처리할 수 있고, pH 0.5 이하의 낮은 pH 조건에서도 생육과 황산화 능력을 가진 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 (Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P를 제공한다.
본 발명의 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주는 이산화탄소와 같은 무기 탄소화합물을 탄소원으로 이용하는 독립영양세균으로, 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 유리황, 타오황산염과 같은 환원형의 황화합물을 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산의 형태로 산화하는 황산화세균이다. 상기 균주의 생장배지에 유리황을 에너지원으로 첨가할 경우, 유리황의 농도가 증가함에 따라 황산화속도가 증가하는데, 예를들어 50g/L의 황을 첨가할 경우 황산화속도는 1.8g-S·L-1·d-1까지 증가한다. 또한 상기 균주는 황화합물의 최종분해산물인 황산염이 배양액에 79g/L 이상 고농도로 축적되어도 황산화능을 유지할 수 있는 황산염에 대해 강한 내성을 갖는다.
본 발명의 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주는 토양에 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, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0) 100mL에 토양시료를 1g(건조중량) 넣고 약 200ppm의 황화수소 가스를 100ml/min 유량으로 주입하여 배양하였다. 황화수소가 제거되어 배지내에 황화수소의 분해산물인 황산이 축적되어 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 접종하여 배양하였다. 이러한 과정을 약 3회 반복하여 얻은 순치 배양액을 한천이 함유된 황산화 세균배양용 고체배지에 도말·배양하여 우점종의 균주를 수종 얻었고, 그 중에서 황산염에 대해 내성이 가장 강한 균주 한 종을 분리하였다.
상기 방법으로 분리한 균주에 대하여 일반적인 실험방법(Pelczar과 Chan, 1977)에 의거하여 그람염색, oxidase, 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 8929P를 부여받고 그 명칭을 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11로 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. 또한 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 로서의 특성을 보인다.
본 발명에서 제공되는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주는 1일 1리터 배양액당 최대로 1.8g의 유리황을 산화할 수 있는 능력이 있다. 함께 분리한 다른 황산화세균은 배지에 황산염이 50g/L 이상 축적되면 전혀 생육할 수 없었으나, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주는 하기 실시예 1 및 2에서 볼 수 있듯이, 79g/L의 고농도의 황산염이 첨가된 배지에서도 황산화능을 유지 가능할 뿐만아니라, pH 0.5의 낮은 pH 조건에서도 생육과 황산화능을 발휘할 수 있다.
상기한 본 발명의 두번째 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주를 이용하여 환경기초시설 및 각종 사업장에서 발생되는 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸등과 같은 황화계 악취물질을 처리하여 무취화하는 생물학적 탈취 방법을 제공한다. 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸 등은 상기 균주의 산화분해 기작에 의해 각각 다음 반응식 3, 4, 5과 같이 황산염으로 전환된다.
황화수소 + 산소 →황산염(식 3)
메틸메르캅탄 + 산소 →황산염(식 4)
황화메틸 + 산소 →황산염(식 5)
본 발명에 의해서 제공되는 생물탈취 방법은 현탁 배양균을 이용하는 탈취방법인 바이오스크러버와 폭기조 탈취 등을 적용할 수도 있고, 고정화된 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11균주를 이용하는 것도 가능하다. 고정화의 경우, 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11을 황산화세균용 배지에 대량 배양하여 준비한 균체 농축액을 미생물 담체에 고정화하고, 균주를 고정화한 담체를 충전한 생물탈취기에 황화계 물질을 포함하고 있는 악취물질을 주입시켜, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11의 악취물질 산화작용에 의해 황화계 악취물질을 황산으로 무취화시키는 것이다.
이하, 본 발명의 생물학적 악취제거 방법을 상세히 설명한다.
먼저, 각종 악취 발생원으로부터 배출되는 악취물질을 포함하는 공기 중의 분진 등의 고체성 이물질을 제거한다. 나중에 담체에 고정화된 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11의 생존환경을 양호하게 하기 위하여 미세 물입자 분무 등의 방법으로 상기 여과된 공기 중의 수분이 70% 이상 되도록 습기를 조절한다. 이 상태의 악취공기의 온도가 낮은 경우 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11균주의 악취물질 분해 활성을 높게 유지하기 위하여 15∼35℃ 범위가 되도록 오염가스의 온도를 조절한다. 이렇게 가습·가온된 악취가스를 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주가 고정화된 고정화 담체층으로 통과시킨다. 고정화 담체층에서는 공기 중에 포함되어 있는 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸 등의 황화계 악취물질이 상기 식 3, 4 및 5의 반응에 따라 산화되어 황산염으로 전환된다.
탈취효능을 유지하기 위해서는 고정화 담체층의 습도를 95∼100%로 일정하게 조절하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상기 고정화 담체층의 상부에 1일 6∼7회 정도 순환수를 살포하는 것이 좋다. 이때, 순환수에는 간헐적으로 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 생장과 탈취 활성유지를 위한 무기염배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0)를 공급하며, 순환수의 pH는 0.5이하로 내려가지 않도록 조절해 주는 것이 바람직하다.
이 과정에서 미량 악취물질이 미처리되는 경우 상기 담체층을 통과한 공기를 활성탄층으로 통과시켜 마지막으로 제거할 수 있다.
본 발명에서는 상기 담체층의 처리효율과 악취가스의 처리용량에 따라 활성탄 흡착이 필요하지 않는 경우도 있고, 처리하고자 하는 악취가스에 따라 가습 또는 가온이 불필요할 수도 있다.
상기 본 명의 세 번째 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 의한 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주를 이용한 악취의 생물학적 제거장치는, 각종 산업시설과 환경기초설비에서 발생되는 악취가스를 제거하기 위해 공급하는 송풍기, 악취가스 중의 먼지나 분진을 제거하는 공기여과기, 악취가스의 습도를 높이는 증습탑과 순환펌프, 가스 온도 조절용 가열기, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주가 고정화된 담체가 충전되어 있고 고정화된 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 산화작용에 의해 악취물질을 제거하는 생물탈취탑, 고정화 담체층의 건조 방지와 영양분 공급을 위한 순환펌프, 생물여과기에 액을 살포하기위한 살수기, 생물탈취탑을 통해 처리된 가스중의 미처리 악취물질을 흡착할 수 있도록 활성탄이 충전된 흡착탑으로 구성된 장치에 적용시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 악취제거 장치를 첨부한 도 4를 참조하면서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
전기한 바와 같이, 본 발명의 목적 및 특징들은 일 예로서 도시한 첨부도면에 의해 기술되는 다음의 설명을 통해 더욱 상세히 설명될 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 악취 제거장치는 송풍기(1), 공기여과기(2), 증습탑(3), 살수기(4), 공기가열기(5), 고정화 담체층(6), 생물탈취탑(7), 활성탄 흡착탑(8), 순환 펌프(9, 10) 등으로 구성되어 있다.
상기한 구성 장치에 의하면, 각종 악취 발생원으로부터 배출되는 악취가스가 송풍기(1)에 의하여 일정한 속도로 공기 여과기(2)를 통과하면서 가스 중에 포함된 분진이나 먼지 등이 제거된다. 공기여과기를 통과한 악취가스는 증습탑(3)에 공급되어 순환펌프(9)에 의해 공급되는 순환수와 향류 또는 병류로 접촉하면서 수분을 함유하게 되어 습도가 90% 이상이 되도록 조절된 뒤 공기가열기(5)로 공급된다. 공기가열기(5)에 주입된 악취가스는 15℃ 이상으로 가온된 후 생물탈취탑(7)에 주입되어 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11균주가 고정화된 고정화 담체층(6)을 통과한다. 생물탈취탑(7) 내의 고정화 담체층(6)에 존재하는 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 악취물질 산화작용에 의해 최종산물인 황산염으로 분해되어 악취가 제거된다. 생물탈취탑(7)을 통과한 처리가스는 활성탄이 충전되어있는 흡착탑(8)을 거쳐 미 처리된 미량의 악취물질들이 활성탄에 흡착되어 제거된 후 대기로 배출된다.
본 발명에 의해서 제공되는 생물탈취 장치에 있어서 증습탑(2)은 여재를 충전시켜 기·액 접촉이 원활하도록 한 충전탑 또는 상부에서 액을 분무시켜 기체와 접촉시키는 방식의 살수탑 등 다양한 형태의 것을 사용할 수 있다. 증습탑(2)은 오염가스에 수분을 가하는 효과 뿐만 아니라 미세먼지를 제거하는 효과도 있다. 증습탑(2)을 통과한 오염가스는 생물탈취탑(7)에 공급될 때 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11균주의 악취물질 분해 활성을 높게 유지하기 위하여 15∼35℃ 범위로 주입되도록 하는 것이 바람직하므로, 기온이 낮은 동절기에는 공기가열기(5)를 사용하여 오염가스의 온도를 조절해야 한다.
생물탈취탑(7)에 충전된 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 고정화하기 위하여 다양한 종류의 담체들을 사용할 수 있다. 각종 다공성 무기 담체, 플라스틱으로 제작한 여재, 우드칩, 활성탄 등이 사용가능하고, 고정화 담체의 충전높이는 1∼1.5m를 사용하는 것이 바람직하다.
탈취효능을 유지하기 위해서는 생물탈취탑(7)의 습도를 95∼100%로 일정하게 조절하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 순환펌프(10)을 작용시켜 생물탈취탑 상부에 설치된 살수기를 통해 1일 6∼7회 정도 순환수를 고정화 담체층(6)에 살포시킬 수 있다. 이때, 순환수의 pH는 0.5이하로 내려가지 않도록 조절해 주는 것이 바람직하며, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 생장과 탈취 활성을 유지하기 위하여 무기염배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 유리황 10g, 증류수 1 리터, pH 6.0)를 순환수에 간헐적으로 공급하는 것이 바람직하다.
활성탄이 충전된 흡착탑(8)은 생물탈취탑(7)에서 미처리된 악취물질을 제거하기 위하여 제공되나, 생물탈취탑(7)의 처리효율과 악취가스의 처리용량에 따라 흡착탑(8)이 필요하지 않는 경우도 있고, 처리하고자 하는 악취가스에 따라 증습탑(3)이 불필요한 경우도 있다. 따라서, 본 발명에서 제공되는 탈취방법을 적용할 탈취장치는 도 5의 구성에서 흡착탑(8)이나 증습탑(3) 등의 일부 구성요소가 없는 탈취장치도 가능하다.
본 발명에서 제공되는 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 이용한 생물탈취장치는 하기 실시예 3에서 볼 수 있듯이, 황화수소 악취를 공간속도 200h-1의 조건에서 유입농도를 200-2200ppm로 하여 주입하면, 황화수소 제거효율은 2,200 ppm의 고농도 황화수소에 대해 전혀 영향을 받지 않고 100% 처리 가능하다. 즉, 공간속도 200h-1의 조건에서 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 본 발명에 의해 제공되는 생물탈취장치는 단위시간당 단위부피당 650g-S 이상의 황화수소 처리용량을 제공하였고, 100일 동안의 장기 조업과정에서도 안정적인 탈취효율을 제공하였다.
또한, 본 발명에서 제공되는 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치에 황화수소 악취를 유입농도를 200ppm으로 하고, 공간속도를 200-600h-1까지 증가시키면서 생물탈취장치에 의한 황화수소의 제거효율을 조사한 결과, 생물탈취장치의 황화수소 제거효율은 공간속도 400h-1이하에서는 100%이었고, 공간속도 500h-1에서 98.9%, 600h-1에서도 95.9%의 매우 높은 황화수소 제거효율을 나타낸다(하기 실시예 4 참조).
하수처리장이나 분뇨처리장 등에 황화수소를 제거하기 위하여 설치되어 있는 생물탈취장치에 공급되는 가스의 유입용량(공간속도)은 대부분 200h-1로 설계되나, 본 발명에서 제공되는 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치에 의한 황화수소 제거효율은 2,200ppm의 고농도 황화수소에 의해 전혀 영향을 받지 않을 뿐만아니라, 공간속도를 기존 생물탈취장치의 설계조건보다 3배인 600h-1인 조건에서도 신뢰성 있는 H2S 제거효율을 보인다.
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 : 고농도 황산염에 대한 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 생장과 황산화능
무기염 배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 증류수 1 리터, pH 6.0)에 에너지원으로 유리황을 10, 20, 30, 40, 50g/L로 첨가한 배지에서 30℃, 180rpm에서 진탕 배양하면서 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주의 생장과 황산화능을 측정하였다. 10-50g/L의 유리황을 첨가한 배지에서 균주의 생장과 함께 축적된 황산염이 비황산화속도(g-S g-DCW-1d-1)에 미치는 영향을 도 1에 도시하였다. 비세포생산성은 배지내에 황산염이 축적됨에 따라 증가하다가 감소되는 경향을 보였다. 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주는 최대로 1일 1g의 균체당 22g-S의 많은 양의 유리황을 산화할 수 있었고, 산화 반응의 최종 산물인 황산염의 농도가 79g-SO4 2-/L까지 축적될 때까지 황산화활성이 유지되었다.
즉, 본 발명에서 제공되는 황산화세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트 11 균주는 고농도의 황산염이 축적된 환경에 적응성이 있는 내산성균주로서, 생물학적 탈취탑에 적용하였을 때 황화계 악취물질을 장기간에 걸쳐 효과적으로 제거할 수 있는 우수한 탈취 균주임을 확인하였다.
실시예 2 : 낮은 pH영역에서의 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트 11 균주의 생장과 황산화능
에너지원으로 유리황을 50g/L 첨가한 무기염 배지(K2HPO42.0g, KH2PO42.0g, NH4Cl 0.4g, MgCl2·7H2O 0.2g, FeSO4·7H2O 0.01g, 증류수 1 리터, pH 6.0)에 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11를 30℃, 180rpm로 진탕 배양하면서 균주의 생장과 황산화능을 측정하였다. 50g/L의 유리황을 첨가한 배지에서 배지의 pH와 균주의 비황산화속도(g-S g-DCW-1d-1) 및 비균체생산성과의 관계를 도 2에 도시하였다. 배지의 pH가 0.5인 매우 낮은 조건에서도 어느 정도 황산화능을 발휘할 수 있었고, pH1.8∼3.5사이에서 최대 비황산화속도를 가짐을 확인할 수 있었다. 도 2에서 보듯이, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 비균체생산성은 pH 0.7∼1.5에서 최대값을 가지며, pH 1이하의 낮은 pH 조건에서도 생장 가능한 내산성균주임을 확인하였다.
실시예 3 : 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 고농도 황화수소 제거능
황산화 세균 배양배지 1L에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 배양한 후, 배양액을 8000rpm에서 25분간 원심 분리하여 균체를 회수하였다. 회수된 균체는 40ml의 무기염배지에 현탁하여 이 균체 농축액을 입경이 2.8∼4.0mm인 건조 다공성 세라믹(89g)과 혼합하여 고정화하였다. 에이제트11 균주가 고정화된 담체를 유리 칼럼(46mm ×300mm L)에 충전하였다. 생물탈취장치의 충전 부피 및 밀도는 각각 0.266L과 335g/L이었다.
황화수소 가스원으로 10%의 가스 실린더로부터 배출된 가스를 가스 혼합기(mixing chamber)에서 공기로 희석하여 필요로 하는 농도로 조절하였다. 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치에 황화수소를 공간속도 200h-1의 조건에서 유입농도를 200ppm에서 2,200ppm까지 200ppm씩 증가시키면서 하루에 8시간동안 공급하였을 경우, 2,200ppm의 고농도 황화수소가스를 생물탈취장치에 주입하여도 유출가스 중 황화수소는 전혀 검출되지 않았다(도 3). 즉, 200-2,200ppm의 황화수소 농도 범위에서 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치의 황화수소 제거효율은 100%이었다. 이러한 결과는 에이제트11 균주의 황화수소 분해활성은 2,200ppm의 고농도 황화수소에 의해 전혀 영향을 받지 않음을 의미한다. 공간속도 200h-1, 황화수소 유입농도 200∼2,200ppm의 각각의 실험조건을 단위시간당 생물탈취장치의 단위부피당 공급된 황화수소량(부하량)을 계산하여 각각의 부하량의 조건에서 얻은 생물탈취장치의 황화수소 처리용량을 계산한 결과, 본 발명에서 제공되는 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 활용한 생물탈취장치의 황화수소 처리용량은 650 g-S·m-3·h-1이상임을 확인 하였다.
실시예 4 : 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주의 황화수소 제거에 미치는 유입가스용량의 영향
황산화 세균 배양배지 1L에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 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 고정화하였다. 에이제트11 균주가 고정화된 담체를 유리 칼럼(46mm ×300mm L)에 충전하였다. 생물탈취장치의 충전 부피 및 밀도는 각각 0.266L과 335g/L이었다.
황화수소 가스원으로 10%의 가스 실린더로부터 배출된 가스를 가스 혼합기(mixing chamber)에서 공기로 희석하여 필요로 하는 농도로 조절하였다. 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치에 황화수소의 200ppm으로 설정하고, 공간속도를 200h-1에서 600h-1까지 단계적으로 증가시키면서 생물탈취장치의 유출가스중의 황화수소 농도를 측정하였다. 도 4에서 보듯이, 공간속도 400h-1이하의 조건에서는 생물탈취장치의 유출가스에서 황화수소는 전혀 검출되지 않았다. 또한, 공간속도 500h-1조건에서는 생물탈취장치의 유출가스에서 평균 5 ppm의 황화수소가 검출되었고, 공간속도 600h-1에서는 평균 15ppm의 황화수소가 검출되었다. 각각의 공간속도에 얻은 황화수소 제거율은 공간속도 400h-1까지는 H2S 제거율이 100%이었고, 공간속도 500h-1및 600h-1에서는 각각 98.9% 및 95.9%로 매우 높은 황화수소 제거효율을 얻을 수 있었다.
실시예 5 : 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주에 의한 메틸메르캅탄 및 황화메틸의 제거능
황산화 세균 배양배지 1L에 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 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 고정화하였다. 에이제트11 균주가 고정화된 담체를 유리 칼럼(46mm ×300mm L)에 충전하였다. 생물탈취장치의 충전 부피 및 밀도는 각각 0.266L과 335g/L이었다.
이 생물탈취장치에 메틸메르캅탄 및 황화메틸 악취물질을 주입하여 각각의 악취물질의 제거효율을 조사하였다. 그 결과, 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주를 접종한 생물탈취장치에 의한 메틸메르캅탄의 제거효율은 단위시간당 단위부피당 3.8529 g-S이었고, 황화메틸의 제거효율은 단위시간당 단위부피당 18.68 mg-S이었다. 즉, 본 발명에서 제공되는 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 균주는 황화수소뿐만 아니라, 메틸메르캅탄과 황화메틸과 같은 유기황화물 악취물질도 제거 가능함을 확인하였다.
본 발명에 의한 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P 균주를 사용함으로써 2차 오염문제가 없으며, 상온·상압에서 효율적으로 유기물의 부패에 의한 주요 악취원인 황화수소를 효과적으로 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. 황화계 화합물을 에너지원으로 이용하여 최종 대사 산물인 황산을 생성하며, 79g/L의 고농도 황산염이 존재하는 조건에서도 황산화활성이 유지되고, pH 0.5 이하의 pH 조건에서도 생육과 황산화 능력을 가진 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 (Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P.
  2. 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 KCTC 8929P를 이용하여 악취물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 생물학적 악취 제거방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각종 악취 발생원으로부터 배출되는 악취물질을 포함하는 공기 중의 고체성 이물질을 제거하는 여과단계와;
    상기 여과된 공기에 습기를 공급하는 가습단계와;
    상기 여과·가습된 공기의 온도를 15℃ 이상으로 가온하는 가열단계와;
    상기 가온된 공기를 티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 (Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P 균주가 고정화된 고정화 담체층으로 통과시켜 공기 중에 포함되어 있는 황화계 악취물질을 산화시키는 탈취단계와;
    상기 탈취된 공기를 활성탄층으로 통과시켜 공기 중에 남아있는 미량 악취물질을 흡착·제거하는 흡착단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 생물학적 악취 제거방법.
  4. 악취를 제거하기 위한 생물학적 탈취장치에 있어서,
    각종 악취 발생원으로부터 배출되는 악취물질을 포함하는 공기를 전달하는 송풍기(1)와;
    상기 송풍기(1)에 의해 전달된 공기 중의 고체성 이물질을 제거하는 공기여과기(2)와;
    상기 공기여과기(2)를 통과한 공기에 습기를 공급하는 증습탑(3)과;
    상기 증습탑(3)을 통과하여 습기를 함유하는 공기의 온도를 15℃ 이상으로 가온하는 공기가열기(5)와;
    티오바실러스 티오옥시단스 에이제트11 (Thiobacillus thiooxidans AZ11) KCTC 8929P 균주가 고정화된 고정화 담체층(6)을 내장하고 있어 상기 공기가열기(5)를 통과한 공기 중의 황화계 악취물질을 산화시키는 생물탈취탑(7)과;
    활성탄이 충전되어 있어 상기 생물탈취탑(7)을 통과한 공기 중의 미량 악취물질을 흡착·제거하는 흡착탑(8);으로 구성된 것을 특징으로 하는 생물학적 탈취장치.
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