KR100684604B1

KR100684604B1 - 막투과성 미생물을 이용한 생물전기화학적 질소 제거방법

Info

Publication number: KR100684604B1
Application number: KR1020060000787A
Authority: KR
Inventors: 유영제; 김양희; 송승훈; 최경오
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2007-02-22
Also published as: WO2007078089A1

Abstract

본 발명은 막투과성 미생물을 이용한 생물전기화학적 질소 제거방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유기용매 처리에 의해 막투과성을 지니도록 퍼미어빌라이제이션(permeabilization)된 미생물의 존재하에, 외부에서 전기에너지를 공급하여 상기 막투과성 미생물 내의 효소를 활성화시키므로써, 외부 탄소원의 공급이 없이도 생물전기화학적으로 질소를 제거할 수 있는 방법에 관한 것이다.

막투과성, 미생물, 생물전기화학, 질소, 제거방법

Description

막투과성 미생물을 이용한 생물전기화학적 질소 제거방법{BIOELECTROCHEMICAL PROCESS FOR DENITRIFICATION USING PERMEABILIZED MICROORGANISM}

도 1은, 본 발명의 실시예 1에 있어서, 시간의 경과에 따른 질산성 질소(NO₃-N) 농도의 감소 경향 및 아질산성 질소(NO₂-N)의 잔류 경향을 나타낸 그래프이다.

도 2는, 본 발명의 비교예 1에 있어서, 시간의 경과에 따른 질산성 질소(NO₃-N) 농도의 감소 경향 및 아질산성 질소(NO₂-N)의 잔류 경향을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 막투과성 미생물을 이용한 생물전기화학적 질소 제거방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유기용매 처리에 의해 막투과성을 지니도록 퍼미어빌라이제이션(permeabilization)되므로써 미생물 내의 효소 활성은 최대로 유지되면서 그 생존력(viability)은 거의 없는 상태의 미생물인 생촉매의 존재하에, 외부에 서 전기에너지를 공급하여 상기 막투과성 미생물 내의 효소를 활성화시키므로써, 외부 탄소원의 공급이 없이도 생물전기화학적으로 질소를 제거할 수 있는 방법에 관한 것이다.

산업화와 대량 소비에 따른 인류문명의 발달이 환경에 미치는 영향은 날로 심각해지고 있으며, 이에 따라 수질의 보존에 대한 관심이 증가하고 있다. 여러 가지 환경 오염 원인 중에서, 하수나 폐수에 포함된 질소는 상수원의 오염 및 호수와 저수지의 부영양화를 가속시킬 수 있고, 이로 인한 양식장 피해 등 많은 문제를 야기하고 있기 때문에, 정부 차원에서 하수나 폐수 중의 질소 함량에 대한 규제를 실시하고 있고, 그 기준도 점차 강화되고 있는 실정이다.

특히 질산성 질소는, 성인의 경우에는 체내에 들어왔을 때 신장을 통해서 빠르게 배출되기 때문에 비교적 무해하지만, 6개월 이하의 유아의 경우에는 10ppm 이상의 농도에서 치명적일 수 있다. 이는, 섭취된 질산염(nitrate, NO₃ ^-)으로부터 환원된 아질산염(nitrite)이 혈액에서 헤모글로빈과 반응하여 형성되는 메테모글로빈(methemoglobin)이, 헤모글로빈과 달리 세포조직으로 산소를 전달하는 능력이 없어서, 결국은 '청색아증(blue baby syndrome)'을 유발하게 되기 때문이다. 또한, 인체 내에서 질산염의 아질산염으로의 전환은, 발암물질로 알려진 니트로소아민(nitrosoamine)을 형성하게 된다.

이러한 질산성 질소는 특히 하수 및 폐수 중에 다량으로 포함되게 되는데, 질산성 폐수는 주로 질산을 용제나 세척제로 사용하고 있는 반도체, 전자, 화학분 야와 비료공장 등에서 배출되고 있다. 따라서, 폐수 중의 질산성 질소를 제거하기 위해 화학적인 방법, 물리학적인 방법, 생물학적인 방법 등 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 일부는 실제 현장에 적용되고 있다. 그러나, 대부분의 물리/화학적인 방법은 질산성 질소를 농축된 상태로 치환하는 것이므로, 2차적인 처리공정을 필요로 하며, 그러한 후처리가 불충분할 경우, 그로 인해 또 다른 오염을 유발시킬 수 있는 위험이 있다.

한편, 질산성 질소는 많은 미생물에 의해서 질소원 또는 무산소 조건에서의 호흡을 위한 수단으로서 이용될 수 있다. 무산소 조건에서 미생물은, 산소 대신에 질산성 질소를 최종 전자 수용체로 이용하여 호흡을 하는데, 이를 질산성 질소 호흡(nitrate respiration)이라고 한다. 이 질산성 질소 호흡 이후에 연속적인 반응을 통하여, 질산성 질소가 아질산성 질소(nitrite)를 거쳐 최종적으로 질소 가스로 전환되는 일련의 공정(NO₃ ^- → NO₂ ^- → NO → N₂O → N₂)을 탈질(denitrification)이라 하며, 그 첫번째 단계인 질산성 질소를 아질산성 질소로 전환시키는 반응에 질산염 환원효소(nitrate reductase)가 관여한다. 따라서, 미생물을 이용하여 질산성 질소를 무해한 질소가스 상태로 전환시키는 생물학적인 방법이 최근 들어 각광을 받고 있는데, 활성 슬러지 공법과 같은 생물학적 방법이, 공정의 안정성과 신뢰도가 높고, 공정운전이 비교적 쉬우며, 비용이 물리/화학적 방법에 비해 낮기 때문에 주로 선호되어 왔다.

최근에는 상기한 바와 같이 미생물을 이용한 탈질공정의 효율을 향상시키기 위한 다양한 방법이 연구되고 있으며, 그 결과, 상기 활성 슬러지 공법의 효율을 향상시키기 위해 예컨대 A2O, UTS, Bardenpho 등과 같은 다양한 공정들이 제시되었다. 그러나, 이들 대부분의 공정들은, 여전히 활성 슬러지를 주로 이용하고 있어 전체적인 탈질 효율이 낮고, 탈질 공정 중에 미생물의 활성을 유지해 주기 위해서 외부 탄소원의 지속적인 공급을 필요로 한다. 이러한 지속적인 외부 탄소원의 공급은 경제적인 문제뿐만 아니라, 그로 인한 2차 오염 내지 미생물의 과성장으로 인한 2차 오염을 일으킬 수 있으며, 높은 설비 비용과 넓은 부지의 사용을 필요로 한다는 한계점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 외부 탄소원의 지속적인 공급을 필요로 하지 않기 때문에 경제적일 뿐만 아니라, 외부 탄소원 내지 미생물의 과성장으로 인한 2차 오염을 방지할 수 있으며, 높은 설비 비용과 넓은 부지의 사용을 필요로 하지 않고, 탈질과정에서 질산성 질소의 환원이 아질산성 질소의 생성에 그치지 않고, 최종적으로 질소 가스로까지 완전하게 전환되는 고효율의 생물전기화학적 질소 제거방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 탈질 능력을 가지는 미생물을 이용하여 생물전기화학적으로 질소를 제거하는 방법으로서, 질산성 질소, 유기용매 처리에 의해 퍼미어빌라이제이션(permeabilization)된 막투과성 미생물 및 전자전달 매개체를 포함하여 이루 어지는 반응계에 전기에너지를 공급하여 상기 질산성 질소를 환원시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 질소 제거방법이 제공된다.

본 발명의 질소 제거방법에 있어서, 상기 유기용매 처리에 의해 퍼미어빌라이제이션된 막투과성 미생물은, 탈질 능력을 가지는 미생물을 유기용매로 처리하여 얻어지는 것으로서, 상기 탈질 능력을 가지는 미생물로는 오크로박트럼 안트로피(Ochrobactrum anthropi) SY509, 파라코커스 디니트리피칸스(Paracoccus denitrificans), 슈도모나스 스투쩌리(Pseudomonas stutseri) 등이 사용될 수 있으며, 그 중에서도 오크로박트럼 안트로피(Ochrobactrum anthropi) SY509를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 질소 제거방법에 있어서, 상기 유기용매 처리에 의해 퍼미어빌라이제이션된 막투과성 미생물은, 바람직하게는 클로로포름, 아세톤, 에탄올, 톨루엔, 이소프로필 알코올 및 디메틸술폭사이드로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 유기용매로 처리하므로써 얻어진다. 유기용매 처리에 의한 미생물의 퍼미어빌라이제이션은, 예컨대, 처리될 미생물을 인산염 완충용액(phosphate buffer)에 투입하고, 여기에 유기용매를 첨가한 다음, 4℃ 정도의 저온 반응조에서 반응시키고, 반응 완료 후 결과물을 원심분리하고, 분리된 미생물을 인산염 완충용액으로 세척하는 것에 의해 수행될 수 있다.

탈질 능력을 가지는 미생물에 있어서, 탈질 능력은 미생물 막에 존재하는 질산염 환원 효소에 의해 나타나는데, 이는 시토크롬 환원 효소와 같은 형태로서 전자 전달계의 마지막 단계에 존재하며, 미생물 막 내에서 여러 경로를 통해 전달되 어진 전자를 최종적으로 받아서 질산성 질소를 아질산성 질소로 환원시키는 작용을 한다. 이러한 환원 작용을 통해 미생물은 전자 구배력을 형성할 수 있으며, 에너지원인 ATP를 생산하게 된다.

살아있는 미생물의 경우 상기와 같은 복잡한 내부 과정을 거처 탈질공정이 이루어지는데, 탈질공정에서 미생물을 사용하면, 비용, 공정, 안정성 등의 측면에서 분리 정제된 질산염 환원 효소를 사용하는 것에 비해 유리하다. 그러나, 미생물을 살아있는 상태 그대로 사용하는 경우, 미생물 내부로 기질이 충분히 이동할 수 없고, 미생물을 계속 살려두기 위해서는 지속적으로 외부 탄소원을 공급해 주어야 한다는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 질소 제거방법에서는, 상기한 바와 같이 유기용매를 사용하여 처리되므로써 얻어지는 막투과성 미생물을 사용하므로써 이러한 문제점들을 해결할 수 있다. 유기용매 처리를 하므로써 미생물 막의 지질 부분이 유실되고, 그로 인해 미생물 막이 얇아지게 되면, 미생물 자체의 생물학적 활성은 잃어버리게 되지만, 내부에 존재하는 질산염 환원 효소의 활성은 유지되고 있는 상태가 된다. 그러면, 효소로의 기질의 접근이 얇아진 미생물 막을 통하여 이루어지기 때문에 더욱 용이하게 되고, 미생물이 생물학적 활성을 잃은 상태이므로 외부 탄소원의 공급이 필요치 않게 되며, 또한, 후술하는 바와 같이, 전자전달 매개체를 통해 전자를 효소에 직접 전달할 수 있기 때문에 더욱 효율적으로 탈질공정이 수행되게 된다.

한편, 본 발명의 질소 제거방법에 있어서, 상기 전자전달 매개체는, 탈질공정이 수행되는 상기 반응계에 공급된 전기에너지에 의해 반응계에 투입되는 전자를 상기 유기용매 처리에 의해 얻어진 막투과성 미생물 내의 질산염 환원 효소에 전달하는 기능을 하는 물질로서, 본 발명에서 상기 전자전달 매개체는 뉴트럴 레드(neutral red), 메틸 바이올로겐(methyl viologen), 벤질 바이올로겐(benzyl viologen), 애쥬어 A(azure A) 및 사프라닌 O(safranine O)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것을 사용할 수 있으며, 그 중에서도 뉴트럴 레드를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 질소 제거방법에 있어서는, 상기 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물 1g 당 상기 전자전달 매개체 0.05~1밀리몰을 사용하는 것이 바람직한데, 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물 1g 당 전자전달 매개체 사용량이 0.05밀리몰 미만이면, 질소제거 효과가 충분치 않게 되고, 1밀리몰을 초과하면, 지나친 사용량에 비하여 질소제거 효율의 개선이 미미하므로, 전체 공정의 효율이 떨어진다.

미생물 내의 질산염 환원 효소가 기능을 하기 위해서는, 전자공여체인 NADH로부터 전자를 공급받아야 하지만, 본 발명에서와 같이, 유기용매 처리에 의하여 얻어지는 막투과성 미생물을 사용하고, 외부에서 전기에너지를 공급하여 효소 반응을 진행시키는 경우에는, 막투과성 미생물 내의 질산염 환원 효소와 전기에너지를 공급하는 장치 사이에 직접적인 전자전달이 일어나지 못한다는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 질소 제거방법에서는, 전자전달을 도와주는 역할을 하는 물질인 전자전달 매개체를 인위적으로 반응계에 투입하고, 이 전자전달 매개체를 통해 전자가 효소에 효율적으로 전달될 수 있도록 한다.

한편, 본 발명의 질소 제거방법에 있어서는, 상기 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물 및 전자전달 매개체를 재사용하기 위하여, 또는 질소 제거공정을 연속식 공정으로 구성하기 위하여, 상기 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물 및 전자전달 매개체 중 하나 이상을 담체에 고정화시켜 사용할 수도 있다.

본 발명의 일 구체예에 따른 질소 제거방법은 예컨대 다음과 같이 수행될 수 있다.

먼저, 탈질 능력을 보이며, 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물을 준비한다. 이는, 그 종류에 따라 상업적으로 입수할 수도 있으며, 다르게는, 탈질 능력을 보이는 미생물을, 상기한 바와 같이 직접 유기용매로 처리하여 퍼미어빌라이제이션시킨 후에 사용할 수도 있다. 다음으로, 준비된 유기용매 처리에 의해 막투과성 미생물과 전자전달 매개체를 인산염 완충용액을 포함하는 반응계에 투입하고, 여기에 질산성 질소를 포함하는 오염물을 투입한 후, 이 반응계에 전기에너지를 공급하여 질산성 질소를 환원시킨다.

상기에서, 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물, 전자전달 매개체 또는 양자 모두는, 재사용 및 연속 공정을 의도하는 경우라면, 탄소담체 등에 고정화된 형태로 반응계에 투입될 수도 있다.

이하에서 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 하나, 이들 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1~3

실시예 1~3에 대하여, 탈질 능력을 가지는 서로 다른 미생물[오크로박트럼 안트로피(Ochrobactrum anthropi) SY509(실시예 1), 파라코커스 디니트리피칸스(Paracoccus denitrificans)(실시예 2), 슈도모나스 스투쩌리(Pseudomonas stutseri)(실시예 3)] 0.1g을 인산염 완충용액(phosphate buffer) 10ml에 투입하고, 여기에 유기용매로서 클로로포름(chloroform) 0.05ml를 첨가한 다음, 4℃ 반응조에서 15분간 반응시켰다. 반응 종료 후, 결과물을 원심분리하여 미생물을 분리하고, 이를 인산염 완충용액으로 3회 세척하는 것에 의해, 생물전기화학적 질소 제거에 사용될, 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물을 준비하였다.

다음으로, 상기에서 제조된 막투과성 미생물을 인산염 완충용액으로 희석하여 미생물 농도 15g/l로 만든 미생물 용액 10ml(용액중 미생물 양: 0.15g)와, 전자전달 매개체로서 20mM 농도의 뉴트럴 레드(neutral red) 용액 3ml(용액중 뉴트럴 레드 양: 0.06밀리몰)를, 30ml의 인산염 완충용액이 담겨진 50ml 전기화학 반응기에 투입하고, 여기에 140ppm의 질산성 질소를 투입한 다음, 여기에 전기에너지를 공급하여 질산성 질소의 환원 반응을 수행하였다. 이 전기화학적 환원반응에 있어서, 반응전극으로는 2.0cm×2.5cm 면적의 탄소 부직포(carbon felt)를 사용하였고 상대전극으로는 백금선(Pt wire)을, 기준전극으로는 Ag/AgCl 전극을 사용하였다.

상기 질산성 질소의 환원 반응이 수행되는 동안에, 반응 개시 후 30분, 60분, 90분 및 120분이 경과되는 시점에서 상기 반응기로부터 시료를 채취하여, 실시예 1~3에 있어서 시료 중의 질산성 질소(NO₃-N)의 농도를 각각 측정하였으며, 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었고, 또한, 실시예 1에 있어서 시료 중의 아질산성 질소(NO₂-N)의 농도를 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 특히 실시예 1에 있어서 질산성 질소(NO₃-N) 및 아질산성 질소(NO₂-N) 농도측정 결과를 도 1에 나타내었다.

비교예 1~3

비교예 1~3에 대하여, 탈질 능력을 가지는 서로 다른 미생물[오크로박트럼 안트로피(Ochrobactrum anthropi) SY509(비교예 1), 파라코커스 디니트리피칸스(Paracoccus denitrificans)(비교예 2), 슈도모나스 스투쩌리(Pseudomonas stutseri)(비교예 3)]을 인산염 완충용액으로 희석하여 미생물 농도 15g/l로 만든 미생물 용액 10ml와, 전자전달 매개체로서 20mM 농도의 뉴트럴 레드(neutral red) 용액 3ml를, 30ml의 인산염 완충용액이 담겨진 50ml 전기화학 반응기에 투입하고, 여기에 140ppm의 질산성 질소를 투입한 다음, 실시예 1~3과 같은 방법에 의해 질산성 질소의 환원 반응을 수행하였다.

상기 질산성 질소의 환원 반응이 수행되는 동안에, 실시예와 같은 방법으로 상기 반응기로부터 시료를 채취하여, 비교예 1~3에 있어서 시료 중의 질산성 질소(NO₃-N)의 농도를 각각 측정하였으며, 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었고, 또한, 비교예 1에 있어서 시료 중의 아질산성 질소(NO₂-N)의 농도를 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 특히 비교예 1에 있어서 질산성 질소(NO₃-N) 및 아질산성 질소(NO₂-N) 농도측정 결과를 도 2에 나타내었다.

[표 1] 시료 중의 질산성 질소(NO₃-N) 농도(ppm)

	반응개시후 경과시간(분)
	0	30	60	90	120
실시예 1	140	124.7	115.76	104.59	93.83
실시예 2	140	134.96	132.01	128.31	124.71
실시예 3	140	130.21	124.49	117.34	110.45
비교예 1	140	125.44	106.59	97.99	96.12
비교예 2	140	135.13	128.97	127.52	126.84
비교예 3	140	130.55	118.62	115.11	113.03

[표 2] 시료 중의 아질산성 질소(NO₂-N) 농도(ppm)

	반응개시후 경과시간(분)
	0	30	60	90	120
실시예 1	0	0	0	0	0
비교예 1	0	12.98	19.06	26.97	29.81

상기 표 1에 따르면, 유기용매 처리에 의해 얻어진 막투과성 미생물을 사용하여 질산성 질소를 제거한 본 발명의 실시예 1~3이 각각, 같은 미생물을 살아 있는 상태로 사용한 비교예 1~3 각각에 비하여, 미생물과 기질의 접근성이 용이하기 때문에 더 좋은 질소제거 능력을 보였음을 알 수 있으며, 상기 표 2에 따르면, 본 발명의 실시예 1의 경우 탈질과정에서 일차적으로 환원되는 질산성 질소의 전부가 아질산성 질소를 거쳐, 최종적으로 질소 가스로까지 완전하게 전환되었던 반면, 비교예 1의 경우 탈질과정에서 일차적으로 환원되는 질산성 질소의 상당량이 아질산성 질소까지만 환원되는 데에 그쳤음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 경제적이면서도 2차 오염의 우려 없이, 탈질과정에서 일차적으로 환원되는 질산성 질소의 전부를 최종적으로 질소 가스로까지 완전하게 전환되도록 하므로써, 하수나 폐수에 포함된 오염원인 질산성 질소를 고효율로 제거할 수 있다.

Claims

탈질 능력을 가지는 미생물을 이용하여 생물전기화학적으로 질소를 제거하는 방법으로서, 질산성 질소, 유기용매 처리에 의해 퍼미어빌라이제이션된 막투과성 미생물 및 전자전달 매개체를 포함하여 이루어지는 반응계에 전기에너지를 공급하여 상기 질산성 질소를 환원시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 질소 제거방법.
제1항에 있어서, 상기 유기용매 처리에 의해 퍼미어빌라이제이션된 막투과성 미생물은, 오크로박트럼 안트로피 SY509, 파라코커스 디니트리피칸스 또는 슈도모나스 스투쩌리를 유기용매로 처리하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 생물전기화학적 질소 제거방법.
제1항에 있어서, 상기 유기용매는 클로로포름, 아세톤, 에탄올, 톨루엔, 이소프로필 알코올 및 디메틸술폭사이드로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 질소 제거방법.
제1항에 있어서, 상기 전자전달 매개체는 뉴트럴 레드, 메틸 바이올로겐, 벤질 바이올로겐, 애쥬어 A 및 사프라닌 O로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 질소 제거방법.
제1항에 있어서, 상기 유기용매 처리에 의해 얻어지는 막투과성 미생물 1g 당 상기 전자전달 매개체 0.05~1밀리몰을 사용하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 질소 제거방법.