KR100679754B1 - 호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지처리방법 및 이의 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법 및 이의 장치에 관한 것이다. 본 발명은 미생물을 이용한 슬러지 처리방법에 있어서, 호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법을 제공한다. 본 발명은 생물학적 슬러지처리방법에 있어서 호알칼리 균주를 사용함으로써, 슬러지 가용화효율을 높일 뿐만 아니라, 종래 처리하지 못했던 슬러지를 처리할 수 있으며, 가용화된 유기물을 생물학적 처리공정으로 재투입하여 분해시킴으로써 슬러지의 원천감량이 가능하도록 하는 효과가 있다.

호알칼리 균주, 슬러지, 활성슬러지방법, 가용화

Description

호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법 및 이의 장치{Method and apparatus for decomposing sludge using alkalophilic strain}

도 1은 본 발명에 따라 분리된 호알칼리 균주(E-18, C-10)를 탈지유 고체 배지에 배양하여 단백질분해효소의 활성도를 클리어 존으로 확인한 사진,

도 2는 본 발명에 따라 분리된 호알칼리 균주의 단백질분해효소의 활성도를 정량적으로 측정하여 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명에 따라 분리된 호알칼리 균주의 슬러지 분해 활성도(S-COD)를 측정하여 나타낸 그래프,

도 4는 미생물동정시스템으로 본 발명의 E-18 균주가 포함하고 있는 지방산프로파일을 나타낸 분석 결과,

도 5는 본 발명에 따른 E-18 균주의 16s-rRNA 염기서열을 나타낸 결과,

도 6은 미생물동정시스템으로 본 발명의 C-10 균주가 포함하고 있는 지방산프로파일을 나타낸 분석 결과,

도 7은 본 발명에 따른 C-10 균주의 16s-rRNA 염기서열을 나타낸 결과,

도 8은 본 발명의 E-18과 C-10 균주의 탈지유 농도와 pH에 따른 생장을 나타낸 그래프,

도 9는 본 발명의 E-18과 C-10 균주의 배양온도와 배양액 내의 용존산소량 에 따른 생장을 나타낸 그래프,

도 10은 본 발명의 바실러스 세레우스의 생장곡선을 나타낸 그래프,

도 11은 본 발명의 바실러스 세레우스를 슬러지에 접종한 후 생성되는 S-COD의 측정치를 나타낸 그래프,

도 12는 슬러지에 호알칼리 균주를 접종한 실험군과 이의 대조군을 12시간 배양하고 생성된 분해산물의 지방산 프로파일을 나타낸 그래프,

도 13은 균주에 의해 가용화한 슬러지를 탄소원으로 하여 배양한 폭기조의 슬러지 내 미생물의 건체량을 나타낸 그래프,

도 14는 본 발명에 따라 바실러스 세레우스와 슬러지를 처리하고, 처리산물로 부터 염색체 DNA를 추출하여 RFLP방법에 의해 처리한 전기영동 사진,

도 15는 RFLP를 통해 슬러지 내의 미생물 다양성 및 본 발명의 따른 슬러지 처리의 효과를 나타낸 전기영동 사진,

도 16은 알긴산나트륨으로 고정한 바실러스 세레우수의 생존능력을 나타낸 그래프,

도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬러지 처리 장치를 나타낸 모식도.

본 발명은 호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법에 관한 것이다.

우리나라는 급격한 경제발전 과정에서 환경보전에 대한 인식부족으로 대기는 물론 수질 또한 그 오염의 정도가 매우 심각한 지경에 이르고 있다. 특히, 생활하수, 농/축산 폐수 및 산업 폐수 등은 호소, 내만 및 내해 등의 공용 수역과 도시 중소 하천 등의 수질을 오염시키는 요인이 되고 있다.

그리고, 생활수준의 향상으로 환경문제에 대한 관심이 높아지면서 환경질의 개선에 관한 요구가 증가하게 되었으며, 이에 대하여 주요하천의 수질오염을 방지하기 위하여 기초시설을 점진적으로 확충하게 되었다. 이러한 기초시설 중에서 각종 폐수 및 생활 오수 등의 하수처리장은 가장 시급한 사업으로서 대도시는 하수처리장이 거의 완비되었으며, 최근에는 중소도시로 대상이 확대되어 가고 있다.

그러나, 이러한 하수처리장이 가동됨에 따라 부수적으로 많은 양의 슬러지가 발생하게 된다. 이러한 슬러지는 발생량 대부분이 단순매립 처분되고 있는데 최근에는 매립지의 부족으로 해양매립까지 시도하고 있으나, 각종 규제의 강화에 의하여 처리에 많은 문제점을 안고 있다. 특히 단순매립 시에는 하수슬러지가 80%정도의 수분을 함유하고 있는 관계로 수송·운반상에서 2차오염을 유발시키며, 매립지 반입시에 지반의 다짐에 어려움을 보여, 생활폐기물 매립지에서는 이러한 물질의 반입을 기피하고 있는 실정이다. 또한 대부분이 유기성폐기물로서 분해에 의한 매립지 내에서 악취, 침출수, 해충 등의 2차 환경오염을 야기시키고 있으며, 폐기물 처리에 대한 지역이기주의(NIMBY)현상은 더욱 더 하수슬러지 처분을 어렵게 만들고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 각종 오/폐수 등의 슬러지의 처리 공정별로 슬러지의 양을 감소시킬 수 있는 많은 방법들이 연구되고 있는 실정이다.

이는 슬러지의 감량화의 효과로는 여러 가지 부대효과를 가져올 수 있다. 관리가 용이하여 운반, 처분경비 등이 절감되며 처분의 용이성을 갖는다. 2차 오염이 적고, 매립시 매립의 용적을 적게 차지하여 매립지의 수명을 연장 시킬 수 있기 때문이다.

이중, 활성슬러지법(활성오니법)은 오/폐수를 호기적(好氣的) 조건에서 폐수를 분해하는 세균집단과 함께 폭기조(曝氣槽)에서 폭기 및 교반(攪伴)하여 BOD(생물학적 산소요구량)를 거의 규정에 적합하도록 하고, 폐수 속의 콜로이드상(狀) 또는 용해한 물질이 침전하거나 활성오니에 흡착되어 물을 정화하는 방법으로, 이때 활성슬러지는 정화작용을 한 다음 차례로 침전에 의해 분리하여 탈수, 농축 등의 과정을 거친 후, 폐기되거나 또는 다시 본처리과정으로 반송되는 데, 일반적으로 생슬러지는 폭기조 내에서 20∼30일, 30∼37 에서 반응이 되면, 초기에는 산생성균이라고 불려지는 세균군에 의하여 고분자유기물이 가수분해되어 저분자화하고, 중간생성물로서 저급지방산(유기산)과 알콜, 무기염이 생성된다. 이 과정을 액화과정, 산발효과정, 대량의 수소가 발생되기 때문에 수소발효기라고도 말하며, pH는 5∼6정도로 저하된다. 그리고, 산발효과정에서 생성된 유기산과 알콜 등의 중간생성물은 다음 단계에서 메탄균에 의하여 메탄, 탄산가스 및 암모니아로 분해되는 데, 이 과정을 메탄발효단계 및 가스화공정이라고도 말한다. 즉, 생성된 탄산가스와 메탄의 대부분은 확산하지만, 암모니아와 알카리성은 아질산성암모늄으로 되어 용해되어 메탄발효조는 pH가 7.4영역까지 상승하게 된다. 이 때문에 메탄발효를 알카리 발효기라고 부르기도 한다.

또한, 오/폐수 내의 산성화된 유기물을 포함한 부유물질에 강제적으로 염기도(basicity)를 변형시켜, 부유물질 등이 응집되어 침전되게 하기 위해 화학제제인 무기 응집제를 사용하기도 하는 데, 대부분이 염기도가 높은 것을 사용하여 슬러지나 슬러지를 포함하는 오/폐수의 조건을 알칼리화 하게 된다.

그러나, 지금까지 슬러지를 분해 또는 제거하는 균주는 대부분이 호산 균주(acidophilic)였기 때문에 알칼리화된 슬러지를 분해하는 것에는 한계가 있어왔다.

이에, 본 발명자는 종래 미생물을 이용한 슬러지 처리방법에 사용할 수 있으면서 알칼리 조건에서도 슬러지를 분해하여 각종 오/폐수의 슬러지의 분해 또는 제거 효율을 증가할 수 있는 방법을 찾고자 하였으며, 각종 슬러지, 퇴비 및 토양에서 중온 호알칼리 균주를 선별 및 동정함으로써, 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 미생물을 이용한 슬러지 처리방법에 있어서, 호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 가용화된 슬러지를 하폐수처리 공정과 연계하여 슬러지 감령효율 뿐만 아니라 처리 수질의 향상을 도모할 수 있는 슬러지 처리방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미생물을 이용한 슬러지 처리방법에 있어서, 호알칼리 균주를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법을 제공한다.

또한, 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미생물을 이용한 슬러지 장치에 있어서, 호알칼리 균주가 슬러지를 포함하는 폐수 또는 슬러지를 가용화할 수 있는 가용화조가 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 장치를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 종래 활성 슬러지법(활성 오니법)에 그대로 적용할 수 있으며 알칼리 조건의 슬러지에서도 미생물에 의해 가용화(분해)되도록, 슬러지 가용화에 최적인 중온 호알칼리 균주를 슬러지, 퇴비 또는 토양에서 선별 및 동정하여 슬러지의 가용화 효율을 최대한 높게 한 것이다.

이는 개발 초기에는 슬러지 제거 효율이 우수한 고온 호기성 세균을 대상으로 하고자 하였으나 실제 산업에 적용될 시, 고온을 유지하기 위한 에너지의 비용을 고려해야 하는 고온성 균주보다는 중온성 균주가 더 바람직하기 때문이다.

이때, 본 발명에서 슬러지(sludge)는 하수, 오수, 분뇨폐수, 축산폐수, 산업폐수, 고농도 유기폐수 또는 난분해성 폐수 유래의 슬러지를 말한다.

그리고, 본 발명에서 사용하는 균주는 슬러지, 퇴비 및 흙에서 선별하여 동정한 균주이기 때문에, 상술한 각종 오/폐수 및 하수 등의 슬러지를 처리하는 데 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 오/폐수를 탈수하여 케이크화한 슬러지에 사용할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 슬러지 분해능과 효율이 우수한 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) 또는 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 호알칼리 균주는 종래 활성 슬러지법의 폭기조에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 알칼리화 된 특정 산업 폐수나 응집제 등의 알칼리성 제제의 사용에 의한 알칼리 조건의 슬러지에 사용할 수 있기 때문에 슬러지의 가용화 효율이 종래 활성 슬러지법과 비교하여 월등히 우수하다.

이때, 본 발명에서 알칼리 조건은 20∼40 ℃에서 pH가 8∼11인 것이 바람직 하고, 더 구체적으로는 30℃, pH 10이 바람직하다. 이는 상기 온도와 pH 범위를 초과하는 범위에서는 본 발명의 호알칼리 균주의 단백질 분해능이 저하되기 때문이 다.

그리고, 본 발명에서 사용하는 호알칼리 균주는 담체에 고정하여 슬러지를 처리하는 데 사용하는 것이 바람직하다.

통상적으로 균체의 고정화는 단위 용기부피당 세포부하량 증가로 인한 원료절감, 노동력절약, 시설 규모축소 등으로 경제성을 증진시킬 수 있어서 항생제, 커피, 간장, 에탄올 생산 등이나 산업폐수처리 등 광범위한 생물 산업분야에 걸쳐서 이용되고 있는데, 본 발명에서는 비반응물질표면에 부착시키는 흡착법 (adsorption)과 물질내에 가두어 두는 포괄법 (entrapment) 모두를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 다량의 균체를 고정시킬 수 있는 포괄법을 사용한다.

또한, 비반응성의 담체는 세포고정화 과정에서 열이나 화학적 처리가 세포의 안정성에 관여하여 세포의 생존능력을 훼손할 수 있으므로 화학적 성질을 고려하여, 본 발명에서는 알긴산칼슘(Ca-alginate), 알긴산나트륨(Na-alginate), 카라기난(carrageenan), 젤라틴(gelatin), 키토산(chitosan), 폴리아크릴아마이드젤(polyacrylamide gel) 및 카르복시메틸 셀룰로즈(carboxymethyl cellulose)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 소재로 제조된 다공성 담체를 사용하는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명에서는 대량으로 손쉽게 구할 수 있고, 고정화 과정이 저렴하고, 간단하며 장기간 동안 기계적 강도가 우수하고 포어 사이즈(porous size)가 커서 균주의 활동이 우수하면서 무독성의 천연고분자인 알긴산나트륨 또는 알긴산칼슘(calcium-alginate)을 이용한 포괄법을 사용하는 것이 더 바람직하다.

그리고, 본 발명에 따른 슬러지 처리 장치는 호알칼리 균주가 슬러지를 포함하는 폐수나 슬러지를 가용화할 수 있는 가용화조가 종래 미생물을 이용한 폐수 처리 장치나 분리된 슬러지의 처리장치에 적용하여 사용할 수 있는 것이다.

구체적으로 본 발명에 따른 슬러지 처리장치는 도 17에 도시된 바와 같이, 종래 미생물을 이용한 폐수 처리장치에 있어서, 유입되는 유기성 폐수를 생물처리하는 생물처리조(1)와 상기 생물처리물을 슬러지와 처리액으로 분리하는 침전조(2)에 상기 침전조에서 분리된 슬러지의 일부를 호알칼리 균주로 가용화할 수 있는 가용화조(3)를 연결하여 사용한다. 이때, 가용화조(3)에서는 생물처리조(1)로 가용화물을 생물장치로 반송할 수 있도록 반송수단(10)이 연결된다. 즉, 생물처리조(2)에서 처리된 처리물을 침전조(2)에서 슬러지와 처리수로 분리하고, 상기 슬러지의 일부는 생물처리장치(1)로, 남은 일부는 가용화조(3)로 반송하게 하는 데, 이들의 사이클을 반복하여 외부로 배출되는 처리수에 포함되는 슬러지의 양을 최소화함으로써, 수질환경을 향상시키는 것이다. 이때, 상기 침전조에 침전장치, 부상분리장치, 원심분리장치, 막분리 장치와 같은 고액분리장치를 설치하여 슬러지와 처리수의 분리를 원활하게 하고 침전조와 가용화조(3) 사이에 농축장치를 설치하여 슬러지를 농축함으로써, 호알칼리 균주의 생육에 적합한 영양조건을 형성하게 하여 높은 가용화율을 나타내도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 다른 구체적인 예로 본 발명은 폐수 및 하수 처리장에서 배출되거나 준설을 통해 슬러지만을 여과하여 분리된 슬러지 케이크를 직접 호알칼리 균주의 가용화조에서 처리하는 장치에 적용할 할 수 있다.

그러나, 본 발명의 슬러지 처리 장치는 상술한 장치에 한정되는 것이 아니고, 미생물을 사용하여 슬러지나 폐수를 처리할 수 있는 장치라면 다른 균주와 구획화하여 호알칼리 균주를 사용할 수 있는 가용화조를 별도로 설치하여 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예에 의해 보다 더 상세히 설명하고자 한다. 하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 여러 가지 변형 또는 수정할 수 있음은 이 분야에서 당업자에게 명백한 것이다.

[실시예]

본 실시예에서는 미생물을 이용하여 슬러지 가용화 효율을 증가 시키고자 퇴비, 흙, 슬러지 등 자연환경에서 단백질분해효소(protease) 활성이 우수한 균주를 분리한 뒤 균주동정과 함께 기질의 농도, 배양온도, 배양 pH, 배양액내의 용존산소량 등 분리된 균주의 생장에 미치는 배양 환경 요인을 확인하고자 하였다.

그리고, 분리된 균주를 슬러지에 첨가하여 배양한 뒤 첨가된 균주에 의한 슬러지 가용화 효과를 확인하고자 하였다.

또한, 슬러지 내의 미생물 군집을 RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism) 방법으로 확인하고, 첨가된 미생물이 슬러지내의 미생물군집에 미치는 영향 및 분리된 유효균주의 생장에 미치는 배양인자를 확인하고 균체를 고정화하여 제조된 미생물제제의 안정화를 확인하고자 하였다.

(1) 슬러지 가용화를 위한 균주 확보

① 균주 스크리닝(Screening)

슬러지 분해를 위한 유효균주를 확보하기 위해 우선 다양한 환경에서 다양한 성질을 지닌 후보균주들을 분리하였다. 고온 호기, 고온 호 알칼리, 중온 호 알칼리성 균주를 퇴비, 슬러지, 토양 등의 시료를 채취하여 영양배지(Nutrient Broth)를 배지로 하여 50℃, 60℃의 고온과 30℃의 중온, pH 7의 중성과 pH 10의 알칼리조건에서 농후배양(enrichment culture)을 통하여 분리하였다.

본 실시예에서는 퇴비, 슬러지, 토양에서 총 310의 후보균주를 얻을 수 있었으며, 분리된 여러 특성을 지닌 균주 중 특히, 중온 호알칼리의 성질을 지닌 균주를 대상으로 하였다.

이때, 각 조건에서 분리된 균주의 목록을 하기 표 1에 나타내었다.

② 슬러지 가용화를 위한 유효균주 선정

일반적으로 하수슬러지에 존재하는 세포의 세포벽 성분은 대부분 단백질(Protein), 탄수화물(Carbohydrate), 지질(Lipid)로 구성되어 있기 때문에 이들 물질을 분해할 수 있는 효소의 분비능이 뛰어난 미생물이 슬러지 분해능이 우수하다고 할 수 있다.

이에, 본 실시예에서는 상기 물질 분해능 중, 특히 단백질(protein) 분해능이 슬러지 분해에 가장 커다란 영향을 미치므로 슬러지 분해능이 우수한 균주를 선별하고자 일차적으로 선별된 310 종류의 후보균주를 대상으로 단백질분해효소(protease) 활성을 조사하고자 하였다.

먼저, 단백질분해효소(Protease) 활성이 우수한 균주를 선별하기 위해 탈지유(skim milk)의 고체 배지를 사용하여 30℃ 에서 24시간 배양하여 클리어 존(clear zone)이 형성되는 310 종류의 유효균주 를 선별하였다(도 1 참조). 그리고, 하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 일정 시간 뒤, 형성된 클리어 존의 지름 크기가 1.2㎝ 이상인 균주를 선택하여, 일차 선별된 310종의 후보균주 중 38종의 단백질분해효소(protease) 활성이 우수한 중/고온 균주를 선별하였다.

특히, 상기 분리된 중온 호알칼리 균주 중 단백질분해효소 활성이 우수한 11 균주를 대상으로 이들의 단백질분해효소 활성도(protease activity)를 정량적으로 측정(Lowry assay)하였으며(도 2 참조), 이들을 약 1.0 %의 슬러지에 각각 접종 하여 각 균주들의 슬러지 분해 활성을 확인하였다. 미생물을 슬러지에 처리하여 20시간동안 30℃에서 배양한 뒤 생성된 S-COD의 양을 대조군과 비교하였다. 미생물이 첨가되지 않은 슬러지에서 생성된 S-COD의 양과 비교하여 약 2배 이상 S-COD 생성량이 증가한 실험군인 E-18, C-10 균주를 유효균주로서 확정하였다 (도 3 참조).

③ 분리된 유효균주의 프로파일(profile) 조사

(1) 균주동정[16r-rRNA sequencing 과 FA analysis (Fatty Acid analysis)]

선별된 E-18 균주와 C-10균주는 16s-rRNA와 fatty acid 미생물동정시스템을 이용하여 동정하였다.

일반적으로, 균주 동정을 위하여 분자생물학적 방법을 응용할 수 있으며, 이 중, 16s-rRNA를 분석 대상으로 사용하는 데, 이는 16s-rRNA 유전자가 세균들을 종 수준으로 구분할 수 있는 정보를 담고 있는 영역이며, 염기 서열의 변화는 미생물간의 유연관계를 파악하는 데에 유용하고, 또한 축적된 자료가 비교적 많기 때문에 rRNA 자료(database)의 정보를 특정 세균의 분류 및 동정에 이용할 수 있으며 다양한 분류군 수준에서의 PCR 프라이머 및 DNA 프로브의 설계가 가능하기 때문이다.

먼저, 분리된 E-18 균주의 지방산 프로파일(fatty acid profile)은 대부분의 지방산(major fatty acid)이 ISO-15 : 0 (33.04 %), ISO-13 : 0 (10.66 %), ISO-17 : 0 (7.08 %)로 바실러스 세레우스(Bacillus cereus)와 74.7 %의 유사성을 가지고 있고(도 4 참조), 확인된 16s-rRNA의 염기서열(서열번호 1 참조)을 Genbank의 Blast 조사를 통한 결과 E-18균주는 바시러스 세레우스와 100 %의 상동성을 보여 이상의 결과로 E-18균주는 바실러스 세레우스(이하, B. cereus 라 함.)임을 확인하였다(도 5 참조).

그리고, 분리된 C-10균주의 경우, 지방산 프로파일은 대부분의 지방산이 ISO-15 : 0(45.10 %), ANTEISO-15 : 0(32.50 %)으로 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)과 78.8 %의 유사성을 보이고 있으며(도 6 참조), 16s-rRNA 염기서열(서열번호 2 참조)분석 결과 바실러스 메가테리움과 99.9 %의 유사성을 보여 C-10균주는 바실러스 메가테리움(이하 B. megaterium 라 함.)임을 확인하였다(도 7 참조).

(2) 균주의 생장에 미치는 배양조건

분리된 두 균주 [E-18; Bacillus cereus, C-10; Bacillus megaterium]의 활성을 확인하기 위해 탈지유(skim milk)의 농도, 배양온도, pH, 배양액 내의 산소농도를 달리하여 각 환경 조건에 따른 균주의 활성을 확인하였다.

탈지유의 양을 2.5, 5.0, 7.5, 10.0 및 20.0 g/L로 하여 30℃, pH 10의 조건으로 24 시간동안 배양하였다.

B. cereus 균주의 경우, 배양액 내의 탈지유의 양이 증가할수록 균주의 생장이 월등이 증가하여 2.5g/L의 탈지유가 들어간 배지에서의 생장보다 20g/L의 탈지유가 첨가된 배지에서 약 1.5배의 증가한 생장능력을 보였다. 반면 B. megaterium 균주의 경우 전체적인 생장양상이 B. cereus균주에 비해 저조하였으며 배양액 내의 탈지유의 양이 7.5 g/L 까지 증가할수록 생장양상이 증가하나 이후 증가된 탈지유의 배지에서는 오히려 생장에 저해를 받는 양상을 확인할 수 있었다. 배양액 내의 pH를 각각 7, 8, 9, 10 및 11로 하여 30℃, 탈지유 5 g/L의 조건으로 24 시간 배양하였다. 그 결과 B. cereus균주는 pH 10에서 최적 생장 양상을 보였으며 이보다 높은 pH11의 배양조건에서는 생장에 저해를 받는 양상을 확인하였다. B. megaterium균주의 경우 pH8에서 가장 월등한 생장을 보이며 그 이상 pH가 증가할수록 생장이 저해 받는 양상이 뚜렷하게 나타나, pH 10 이상에서는 pH 8의 조건에 비해 50 % 이상 생장이 감소하였음을 확인하였고 이 균주의 최적 생장 pH는 8정도의 중성 pH임을 확인할 수 있었다(도 8 참조).

그리고, 20℃, 30℃, 40℃의 배양온도에서 탈지유 5g/L, pH 10의 조건으로 24 시간 배양하였다. 각 활성을 확인한 결과 두 균주 모두 저온인 20℃나 고온인 40℃ 에 비해 중온인 30℃ 에서 우수한 활성을 보여 이들 두 균주는 중온세균임을 확인하였다. 500 ml의 플라스크(flask)에 배양액의 양을 각각 50, 100, 200, 300 ml씩 넣어 배양액 내에 존재할 수 있는 용존산소의 양을 달리하고 탈지유 5g/L, 30℃, pH 10의 조건으로 24 시간 배양하여 용존산소가 미생물의 생장에 미치는 영향을 확인하였다. B. cereus균주에 비해 B. megaterium균주가 상대적으로 높은 용존산소를 요구하는 호기성 세균임을 확인할 수 있으며 B. cereus균주의 경우 높은 용존산소를 포함하는 배지에서의 생장이 매우 낮은 용존산소를 포함하는 배지에서와 비슷한 생장을 보여, 오히려 높은 용존산소는 균주의 생장에 저해작용을 함을 확인할 수 있었다(도 9 참조).

상기의 결과로 동일 시간 동안 pH 10의 알칼리 환경에서 탈지유의 고체배지에서 단백질분해효소 활성을 확인하였을 경우 B. cereus균주가 B. megaterium균주에 비해 높은 단백질분해효소 활성을 보였으며 생장양상을 확인한 결과 pH 10의 배양조건에서 B. cereus균주의 생장 양상이 B. megaterium균주에 비해 월등이 뛰어남을 확인하였다. 따라서, B. cereus균주의 배양조건은 10g/L 이상의 탈지유가 포함된 배지에서 30℃, pH10의 조건으로 너무 높지 않은 호기적 조건임을 확인하였다. 반면 B. megaterium균주는 높은 용존산소량을 요구하는 중온 세균이며 pH 8 정도의 중성 pH에서 최적 생장양상을 보였고 높은 용존산소량을 요구함는 호기성 세균임을 알 수 있었다. 따라서 알칼리 조건에서 생장과 단백질분해효소 활성이 우수한 B. cereus 균주를 최종 유효균주로서 결정하였으며 플라스크 테스트(flask test)의 결과에 따라 pH 10, 30℃, 0.5 vvm(aeration volume/medium volume/minute), 300 rpm의 조건으로 발효(fermentation)를 수행하였다. 그 결과, pH 10의 알칼리 조건에서 B. cereus균주는 10 g/L의 skim milk를 배지로 사용하였을 경우 배양 15시간 후 stationary phase에 도달함을 확인하였다(도 10 참조).

2. 유효 균주 효과 및 슬러지 성상 분석

(1) 유효 균주 효과

중온 호 알칼리의 환경을 유지시킨 조건에서 선택된 유효균주인 B. cereus의 슬러지 분해능을 확인하고자 5L용 발효기(jar fermentor)를 이용하여 30℃, 250rpm, 0.5 vvm, pH를 10으로 유지하는 조건으로 대조군은 슬러지만을, 실험군은 슬러지에 유효균주인 B. cereus을 접종하여 24시간 배양하였다.

슬러지에 유효 균주를 접종 하여 배양할 경우에는 seed에 있는 배지 성분을 완전히 제거하기 위해 2번 무균 증류수로 세척한 뒤 접종하였다. 생성되는 S-COD의 양상은 대조군과 실험군 사이에 커다란 차이점은 없으나 미생물이 접종된 경우의 S-COD 농도는 대조군에 비해 약 30 % 이상 증가하는 결과를 보였으며. 슬러지 가용화 정도는 배양 12시간을 전후로 최고점에 도달하였다. 이것으로 pH가 10으로 유지되는 알칼리 조건에서 호알칼리 균주의 첨가로 인해 슬러지의 가용화가 증가함을 확인할 수 있었다(도 11 참조).

(2) 분해산물의 특성조사

알칼리 조건에서 생성된 슬러지 분해 산물과 미생물이 첨가됨으로 인해 생성된 슬러지 분해 산물의 특성을 비교하고자 5L 발효기를 이용하여 슬러지 2L에 B. cereus균주를 첨가한 경우와 그렇지 않은 경우를 각각 배양하였다.

12시간 배양 뒤 배양액을 harvest하여 상등액만 얻은 뒤 배양산물내의 지질을 분석하기 위해 지방산의 조성과 비율을 비교하고자 가스 크로마토그래피(Gas chromatography; GC)를 이용하여 슬러지 분해산물을 측정하였다.

도 12에 도시된 바와 같이, 미생물이 첨가되지 않은 대조군인 왼쪽 GC 그래프(A)와 미생물이 슬러지 가용화에 영향을 끼친 오른쪽의 GC 그래프(B)의 결과를 비교하면 미생물에 의해 슬러지가 분해되어 생성된 산물의 종류가 오른쪽의 대조군의 경우에 비해 다양함을 확인할 수 있다. 그리고, 대조군의 분해 산물에서 생성되지 않은 긴 탄소수를 갖는 지방산이 18, 20, 22분 대에서 확인되었으며 5, 7, 10, 11, 12분대에서 관찰되는 짧은 탄소수를 갖는 지방산의 경우에도 그 조성비가 미생물을 이용하여 슬러지를 가용화한 경우가 대조군보다 훨씬 다양함을 확인하였다. 이로써 미생물을 이용하여 슬러지를 가용화 할 경우, 생성되는 분해산물은 미생물의 작용이 없었던 대조군에서 분해되지 않았던 고분자들이 미생물의 분비 효소에 의해 저분자로 더욱 분해되어 다양한 조성의 지방산이 생성되었음을 확인할 수 있다.

또한, 상기와 같이 조성과 그 비가 다른 대조군과 실험군의 슬러지 분해산물을, 폐수처리 시 활성오니의 탄소원으로 사용될 때의 효율을 확인하고자 이를 탄소원으로 하여 폭기조 슬러지를 각각 30℃에서 20시간 배양하였다. 또한 분해산물의 S-COD양을 동일하게 맞추어 S-COD의 양에 의한 효과를 배제하였다.

즉, S-COD 농도가 5,600ppm인 미생물이 작용하여 생성된 슬러지 가용화 산물인 B와 이를 희석하여 대조군의 S-COD의 농도(4,000ppm)와 동일하게 맞춘 A(4,000ppm), 대조군으로 미생물을 첨가하지 않고 슬러지를 가용화하여 생성된 산물(C, S-COD 4,000ppm)을 탄소원으로 사용하여 활성 슬러지를 배양하였다. 그리고, 동일 시간 배양한 뒤 각 시료를 모아(harvest) 동결 건조한 뒤, 건체량을 측정하여 각 조건의 탄소원이 활성 슬러지의 생장에 미치는 영향을 확인하였다. 위의 가용화 산물의 분석 결과에서도 알 수 있 듯이, 슬러지에 미생물이 첨가되어 단백질분해효소 등의 외분비 효소로 인해 슬러지의 가용화가 일어날 때 효소의 역할로 슬러지에서 분비된 고분자가 저분자로의 분해가 활발히 일어난 A, B를 탄소원으로 사용하였을 경우, 활성슬러지의 생장이 C에서보다 각각 1.3, 1.6배 증가함을 확인할 수 있다(도 13 참조). 이로써 미생물이 슬러지에 첨가됨으로써 슬러지분해를 효율을 증가시키고 이에 따라 생성되는 죽은 세포에서의 부산물에 미생물 효소가 작용하여 고분자인 부산물을 저분자로 더욱 잘게 분해하였기 때문에 이들을 탄소원으로 사용할 경우 활성 슬러지 세포들이 생장에 더욱 쉽게 이용한다는 사실을 확인할 수 있다.

이로써, 호알칼리 균주인 B. cereus를 첨가하여 슬러지를 분해 할 경우, 그 효과가 균주를 사용하지 않은 경우에 비해 약 30 % 이상의 가용화 효과를 확인할 수 있었다. 또한 이때 생성된 가용화 분해 산물은 미생물의 효과가 없는 산물에 비해 다양한 유기물 조성을 가짐을 확인할 수 있었고 이를 탄소원으로 사용하였을 경우 폭기조 슬러지의 생장에 긍정적인(positive) 효과를 확인할 수 있었다.

(3) 분자생태학적 기법을 이용한 슬러지내 군집분석

본 실시예에서는 배양방법을 이용하지 않고 미생물 군집을 이해하기 위한 접근 방법 중의 하나가 분자생물학적 방법을 이용하고자 하였다.

이중, 통상의 RFLP 분석 방법을 이용하여, 현장 시료에서 핵산을 추출하고 PCR을 통해 증폭시킨 다음에 제한 효소를 처리한 후 전기 영동하면 젤(gel)에서 여러 가지 밴드(band) 패턴을 확인할 수 있는데, 이렇게 나타나는 밴드의 총 합계는 시료의 종 다양성을 확인하고자 하였다.

먼저, pH가 7 정도인 원 슬러지와 pH를 10으로 맞춘 슬러지, 그리고 pH가 10인 슬러지에 분리한 B. cereus 균주를 접종하여 6시간, 12시간 배양한 뒤의 시료를 각각 준비하여 가을철 슬러지의 균주 성상과 함께 유효 균주를 슬러지에 처리했을 경우 슬러지 내의 미생물 군집의 변화양상을 알아보았다(도 14 A참조).

그리고, 유효 균주인 B. cereus 및 실험 조건 슬러지의 염색체 DNA(chromosomal DNA)를 게놈 DNA 키트(Genomic DNA kit, QIAGEN Co.)를 사용하여 추출하고, 이를 PCR 수행의 주형 DNA(template DNA)로 사용하였다. 그리고, 유니버살 프라이머(Universal Primer)로 27F 5'(AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG)과 785R 5' (ACT ACC RGG GTA TCT AAT CC)를 사용하여 PCR을 통해 대상 균주와 슬러지내의 미생물의 16S rDNA를 증폭하였다(도 14 B 참조).

이때, 도 14 (A)에서 래인 1과 17은 1kb의 래더(ladder), 래인 2 내지 4는 pH 7, 래인 5 내지 7은 pH 10, 0시간 배양; 래인 8 내지 10은 pH 10, 12시간 배양; 래인 11 내지 13은 슬러지 + B. cereus, 6시간 배양; 및 래인 14 내지 16은 슬러지 +B. cereus, 12시간 배양을 나타내고, 도 14 (B)에서는 래인 1은 pH7; 래인 2 는 pH 10, 0시간 배양; 래인 3은 pH 10, 12시간 배양; 래인 4는 슬러지 +B. cereus, 6시간 배양; 래인 5는 슬러지 +B. cereus , 12시간 배양; 및 래인 6은 1kb 래더를 시료로 한 것이다.

이의 결과, 16s-rRNA의 특정부분을 PCR을 통하여 증폭 시킨 뒤 증폭된 DNA 절편을 HaeIII restriction enzyme을 처리하여 잘려진 DNA fragment를 3.5 % Nusieve : agarose (3:1) gel을 이용하여 잘려진 DNA의 패턴을 확인하여 슬러지내 미생물의 다양성을 확인하였다.

그리고, RFLP 분석 결과 원 슬러지와 pH를 알칼리 조건으로 한 슬러지에서 추출한 염색체 DNA에 HaeIII의 제한 효소(restriction enzyme)를 처리하여 나타나는 DNA 절편의 패턴을 확인하였다. 도 16에 도시된 바와 같이, 두 개(A, B)의 그림 모두에서 살펴보면, 래인 1, 2에서 보이듯이 초반 슬러지 내에서 확인되는 DNA 밴드는 흐릿하지만 도말(smear)하게 끌릴 정도로 많은 DNA 절편의 수를 나타내어 존재하는 미생물 군집이 다양함을 간접적으로 나타내 주었다. 균주를 처리하지 않고 12 시간동안 배양한 뒤의 슬러지에서 관찰되는 DNA 밴드의 패턴은 원 슬러지나 pH10으로 맞춘 바로 후의 DNA band 패턴에 비해 DNA 절편이 10개미만으로 줄어든 것을 확인할 수 있다 (래인 3). 반면 B. cereus를 첨가하여 슬러지를 분해한 경우의 DNA 밴드는 대조군인 미생물을 처리하지 않은 래인 3에 비해 더욱 단순해진 경향을 확인할 수 있으며, B. cereus균주의 독특한 DNA 밴드가 관찰됨을 확인할 수 있었다. 특히, 오른쪽 그림에서 더욱 확실히 보이듯이 미생물과 슬러지를 함께 배양한 뒤 6시간째에 보이는 DNA 밴드의 굵기에 비해 12시간 배양후의 DNA 밴드 굵기가 월등히 굵게 보여, 이로써 B. cereus균주는 슬러지 분해에 효과적이었으며 그 집단에서 우점종이 된 것을 확인 할 수 있다.

반면, 슬러지에 B. cereus 균주를 처리하여 배양한 뒤에 DNA 절편의 패턴은 대조군에 비해 단순해 졌으며 특히 B. cereus 균주 자체만의 DNA 절편 패턴과 슬러지에 B. cereus 균주를 접종하여 6시간, 12시간 배양한 뒤의 DNA 절편 패턴 (lane 4, 5번)을 비교하였을 때, 대조군에서 관찰되지 않았던 B. cereus균주에서 특이적으로 나타나는 DNA 밴드가 나타나며 그 밴드의 굵기가 배양 시간이 지남에 따라 굵어지는 경향을 확인 할 수 있었다.

이때, 도 15에서 (A)의 래인 1은 pH 7, 래인 2는 pH 10, 0시간 배양; 래인 3은 pH 10, 12시간 배양; 래인 4는 슬러지 + B. cereus, 12시간 배양; 래인 5는 B. cereus; 래인 6은 1kb 래더를 나타내고, (B)의 래인 1은 pH 7, 래인 2는 pH 10, 0시간 배양; 래인 3은 pH 10, 12시간 배양; 래인 4는 슬러지 + B. cereus, 6시간 배양; 래인 5는 슬러지 + B. cereus, 12시간 배양; 래인 6은 B. cereus; 래인 7은 100bp 래더; 및 래인 8은 1kb 래더의 시료를 나타낸 것이다.

이의 결과, B. cereus를 슬러지에 첨가하여 배양하면 이 균주는 알칼리 조건에서 B. cereus균주가 분비하는 단백질분해효소 등의 효소에 의해 다른 슬러지 미생물들을 효과적으로 분해하여 S-COD의 양이 증가하고, 상기 슬러지와 다른 미생물을 분해함과 동시에 알칼리 조건에서 이의 분해산물의 일부를 섭취하며 생장하는 것으로 판단되고, 이에 슬러지내의 군집은 더욱 단순화 되고 첨가해준 균주는 이 군집에서 우점화하는 것으로 예측된다.

(4) 알긴산나트륨(Sodium-alginate)을 이용한 균주 고정

본 실시예에서는 유효균주인 B. cereus를 탈지유에서 18시간 동안 배양한 후 원심분리하여 농축한 뒤 멸균 증류수로 한번 세척한 뒤 2.4, 3.4 %의 알긴산나트륨 용액과 혼합하여 최종 알긴산나트륨 용액이 각각 2.0, 3.0 %가 되게 하여 B. cereus균주를 고정화하였다. 알긴산 비드(Alginate beads)는 균주와 알긴산나트륨의 혼합액을 멸균한 주사기에 넣고 2 % CaCl2용액에 떨어뜨려서 직경 3 mm의 알긴산나트륨 비드를 제조하였다. 그리고, 안정화를 위해 상온에서 2시간 방치 한 뒤 제조된 비드와 대조군인 고정하지 않은 B. cereus균주를 증류수에서 진탕 배양하여 B. cereus균주의 생존능력을 각각 확인하였다. 각 시료의 일정량을 채취하여 희석한 뒤 영양 아가(Nutrient agar; NA) 고형배지에 접종하여 30℃에서 18시간 정치 배양 한 뒤 생성된 colony의 수를 측정하여 생균수를 확인하고 이를 배양 0시간의 생균수에 대비하여 생존율로 나타내었다.

도 16에 도시된 바와 같이, B. cereus 균주를 고정하지 않고 pH 10, 30℃에서 별도의 영양분이 없는 증류수에서 진탕배양 하였을 경우 균주의 생존능력은 배양 하루 만에 약 40 %로 감소하였고, 배양 2일 후 균주의 생존율은 약 20 % 미만임을 확인할 수 있었다. 반면 알긴산나트륨에 균주를 고정한 비드는 대조군의 균주와 동일 조건에서 배양할 경우 배양 3일후에도 균주의 생존력은 약 90 % 이상을 유지하고 있음을 관찰 할 수 있었고, 알긴산나트륨의 양이 3.4 %인 경우보다는 2.4 %인 경우 균주의 생존율이 조금 더 높게 유지됨을 확인할 수 있다. 즉, 배양 3일의 균주 생존율에서, 2.4 %의 알긴산을 사용하여 고정한 균주의 경우는 97 %의 생존율을 보였으며 3.4 %의 알긴산으로 고정한 경우는 약 92%의 균주 생존율을 나타내었다.

따라서, 알긴산나트륨에 균주를 고정하면, 균주의 생존율이 90 % 이상 유지됨을 확인할 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명은 활성슬러지방법에 있어서, 중온의 호알칼리 균주를 사용함으로써, 슬러지의 제거 효율을 높일 뿐만 아니라, 종래 처리하지 못했던 슬러지를 처리할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 동종 업계에 진출 시, 종래 처리방법에서 적용하기 용이하기 때문에 처리비용이 절감되면서 환경문제와 민원문제 등을 줄일 수 있다.

또한 본 발명은 미생물을 이용하여 경제적으로 슬러지를 가용화함으로써 초음파처리, 오존처리, 마이크로웨이브처리, 전자빔조사, 열적처리등 종래 슬러지를 가용화하는 방법들이 가지고 있는 고가의 처리비용, 악취발생 등 2차환경오염등의 문제점을 해결할 수 있다. 또한 기존의 물리화학적 가용화방법과는 달리, 미생물의 대사작용을 이용한 가용화방법으로 가용화산물이 생물학적으로 보다 분해가 용이한 유기물(RBDCOD)로 전환되므로, 가용화된 슬러지를 하폐수처리공정과 연계하여 재투입시 탄소원으로서의 활용도가 매우 높아져 슬러지감량효율 뿐 아니라, 처리수질의 향상을 도모할 수 있다.

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Claims (9)

1. 미생물을 이용한 슬러지 처리방법에 있어서,

   호알칼리 균주를 담체에 고정하고, 상기 담체를 사용하여 슬러지를 가용화하는 슬러지 처리방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 호알칼리 균주는 슬러지, 퇴비, 토양유래의 호알칼리 균주인 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 호알카리 균주는 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) 또는 바실러스메가테리움(Bacillus megaterium)인 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   알칼리 조건의 슬러지에 사용하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 알칼리 조건은 20∼40 ℃에서 pH가 8∼11인 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 담체는 알긴산나트륨, 알긴산칼슘, 카라기난, 젤라틴, 키토산, 폴리아크릴아마이드젤 및 카르복시메틸 셀룰로즈로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 소재로 제조된 담체인 것을 특징으로 하는 슬러지 처리방법.
8. 삭제
9. 미생물을 이용한 슬러지처리 장치에 있어서,

   호알칼리균주를 담체에 고정하고, 상기 담체에 의해 하폐수처리 공정 중에 발생하는 슬러지를 가용화하는 슬러지가용화조 및 가용화된 슬러지를 하폐수처리공정으로 재투입하는 반송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리 장치.

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