KR100922481B1

KR100922481B1 - 고체 당밀 정화제가 주입된 주입공체와 종속영양 탈질을 이용한 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템

Info

Publication number: KR100922481B1
Application number: KR1020090033047A
Authority: KR
Inventors: 이병선; 엄재연; 이규연; 김양빈; 남경필; 우남칠
Original assignee: 한국농어촌공사
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2009-10-21

Abstract

질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템이 개시된다. 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템은 질산성질소로 오염된 지하수의 유동방향에 직교하도록 토양에 고정되어 있고, 당밀을 함유하는 고체 당밀 정화제를 수용하며, 측벽에 상기 고체 당밀 정화제로부터 상기 당밀을 용출하기 위한 적어도 하나 이상의 슬릿이 형성되어 있는 주입공체를 구비하는 시스템으로서, 상기 토양 내 토착 종속영양 탈질 미생물이 상기 고체 당밀 정화제로부터 용출된 상기 당밀을 탄소원으로 이용하여 상기 오염된 지하수 내의 상기 질산성질소를 질소가스로 전환시켜 상기 질산성질소를 정화한다. 이를 통해, 수질이 양호해진 지하수의 재이용이 가능해진다.

Description

고체 당밀 정화제가 주입된 주입공체와 종속영양 탈질을 이용한 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템 {A DENITRIFICATION SYSTEM USING INDIGENOUS HETEROTROPHIC MICROORGNISM WITH A CONTROLLED RELEASE MOLASSES BARRIERS}

본 발명은 지하수 환경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질산성질소로 오염된 지하수를 정화할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

환경부 상수도 통계(환경부, 2008)에 의하면, 농촌 면 단위 인구의 약 55%(약 282만명), 읍 단위 인구의 약 14%(약 54만명)가 생활용수의 대부분을 전적으로 지하수와 계곡수에 의존한다. 환경부 지하수 수질측정망 운영결과(환경부, 2008)에 의하면, 유아에게 청색증을 유발하며, 비호킨스 림프암 발생과 밀접한 관련이 있는 질산성질소(NO₃-N)는 농촌지역 지하수의 주된 오염물질로 나타났다(수질기준초과 시료의 약 22%). 대부분의 농촌지역 주민들에게 주 상수원으로 존재하는 지하수의 오염은 상수원 환경개선의 관점을 넘어 삶의 기본인 물 문제, 나아가 삶의 근거를 좌우하는 중요한 문제이다. 그러므로, 농촌 지하수 수질의 안전을 위해, 농촌 지하수의 주요 오염 물질인 질산성질소의 제거를 통한 지하수의 재이용이 필 요하다.

지하수에 함유된 질산성질소를 제거하기 위한 여러 방법 가운데, 외부 탄소원으로 액상 당밀과 종속영양 탈질 미생물을 이용한 질산성질소 제거 연구는 그 동안 몇몇 연구자 등에 의해 수행된 바 있다(Suthersan et al., 2000; Cunningham et al., 2003; Quan et al., 2005). 그런데, 당밀은 사탕수수에서 설탕을 추출하고 남은 잔류물로서, 당(sugar) 성분이 48 내지 56% 포함된 액상(시럽) 물질이어서 고체 형태로 제조하기가 쉽지 않다. 이 때문에, 언급한 연구 사례에서도 지상주입설비를 이용하여 질산성질소로 오염된 지하수에 액상 당밀을 주입한 후, 액상 당밀을 탄소원으로 활용하는 탈질미생물을 활성화시켜 질산성질소 오염지하수를 정화하는 기술을 보고한 바 있다. 그러나, 액상 당밀 주입방법은 액상 당밀을 지하에 주입하기 위한 지상주입설비가 지속적으로 운영되어야 하므로, 이에 따른 시설비, 운영비, 인건비 등이 소요되어 정화처리에 막대한 비용이 소요되는 단점이 있다.

본 발명의 일 실시예는 지상주입설비가 없어도 장기간 정화가 가능하여 정화처리 비용을 절감할 수 있는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템은 질산성질소로 오염된 지하수의 유동 방향에 직교하도록 토양에 고정되어 있고, 당밀을 함유하는 고체 당밀 정화제를 수용하며, 측벽에 상기 고체 당밀 정화제로부터 상기 당밀을 용출하기 위한 적어도 하나 이상의 슬릿(slit)이 형성되어 있는 주입공체를 구비하는 시스템으로서, 상기 토양 내 토착 종속영양 탈질 미생물이 상기 고체 당밀정화제로부터 용출된 당밀을 탄소원으로 이용하여 상기 오염된 지하수 내의 질산성질소를 질소가스로 전환시켜 상기 질산성질소를 정화한다. 이를 통해, 지상주입설비 없이도 장기간 정화가 가능하고, 수질이 양호해진 지하수의 재이용이 가능해진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 적은 양의 고체 당밀 정화제를 주입공체 내 에 단 한 번 주입하는 것만으로도 장기간 당밀의 용출이 가능하므로, 기존의 액상 당밀을 이용한 정화 방법에서 소요되던 정화처리 비용을 절감할 수 있다. 또한, 토착 종속영양 탈질 미생물의 탈질능 뿐만 아니라 비토착 종속영양 탈질 미생물을 인위적으로 증식 후 토양에 부착하여 비토착 종속영양 탈질미생물의 탈질능을 동시에 이용하여 정화 효율을 극대화할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정화 시스템은 질산성질소로 오염된 지하수(110)와 접촉되도록 설치되며, 고체 당밀정화제(120)를 수용하는 주입공체(130)를 포함한다. 또한, 상기 정화 시스템은 용출된 당밀을 토양 내에 분산시키는 당밀 분산 장치(150)를 더 포함할 수 있다.

상기 고체 당밀정화제(120)는 상기 질산성질소로 오염된 지하수(110)가 흐르는 토양의 종속영양 토착 탈질 미생물의 탄소원으로 이용되는 당밀을 포함한다.

상기 토착 종속영양 탈질 미생물의 예로서는 Pseudomonas spp., Bacillus spp., Paracocos spp., Achrobacter spp., Bosea spp., Ensifer spp. 등을 들 수 있으나, 본 발명은 상기한 바에 국한되지 않는다. 상기 질산성질소를 제거하기 위 해 상기 토착 종속영양 탈질 미생물을 단독으로 사용할 수 있으나, 필요에 따라 상기 토양에 비토착되어 있는 외부 탈질 미생물, 즉, 비토착 종속영양 탈질 미생물을 인위적으로 증식 후 토양에 부착하여 함께 사용할 수 있다. 여기서, 상기 비토착 종속영양 탈질 미생물은 상기 고체 당밀정화제(120)로부터 용출되는 당밀을 탄소원으로 이용하고, 외부에서 배양되어 상기 토양에 추가적으로 주입된 미생물을 말한다. 상기 토착 종속영양 탈질 미생물 및 상기 비토착 종속영양 탈질 미생물을 함께 사용하는 경우, 그 시너지 효과로 인해 질산성질소의 제거 효율이 극대화될 수 있다.

상기 당밀은 주로 다당류로, 또는 단당류로, 또는 상기 다당류 및 상기 단당류가 혼합되어 이루어질 수 있다. 일반적으로, 당밀의 주성분은 탄소결합 사슬이 긴 다당류이기 때문에 단당류에 비해 탈질 미생물에 의한 분해성이 상대적으로 떨어진다. 따라서, 주로 다당류로 이루어진 당밀을 탈질 미생물이 쉽게 활용할 수 있도록 자당, 포도당, 과당 등의 환원형 단당류로 가수분해된 당밀을 이용할 수 있다.

상기 고체 당밀 정화제(120)는 상기 당밀을 필수 성분으로 하나, 필요에 따라 결합제 및 파라핀과 같은 다른 성분을 더 포함할 수 있다.

상기 결합제는 일반적으로 액상으로 존재하는 당밀을 분말화할 수 있다. 상기 결합제는 미결정셀룰로오스 및/또는 무수규산으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 의해 제한되거나 한정되지는 않는다.

상기 파라핀은 상기 고체 당밀 정화제(120)로부터 지하수(110)로 당밀이 용 출될 때, 그 용출량 및 용출 속도를 제어할 수 있다. 상기 파라핀은 인체에 무해한 물질로서, 증기 중탕으로 액상화된 후, 대기 또는 저온 상태에서 냉각됨으로써 고형화될 수 있다.

전술한 구성을 갖는 고체 당밀 정화제(120)는, 구체적으로, 상기 당밀 20 내지 50 중량%, 상기 미결정셀룰로오스 10 내지 30 중량%, 상기 무수규산 1 내지 10 중량%, 및 상기 파라핀 20 내지 60 중량%로 이루어질 수 있으나, 이는 요구되는 조건에 따라 조절될 수 있으므로, 본 발명은 상기 고체 당밀 정화제(120)의 구체적인 성분비에 의해 한정되거나 제한되지 않는다. 상기 고체 당밀 정화제(120)는 분말 형태, 또는 원기둥 형태를 가질 수 있으며, 이 외에도 기타 다양한 형태로 제조될 수 있다.

상기 주입공체(130)는 주입공(132)에 삽입되어 상기 지하수(110)의 대수층과 접촉하도록 설치될 수 있다. 즉, 상기 주입공체(130)는 질산성질소로 오염된 지하수의 유동방향에 직교하도록 토양에 고정된다. 상기 주입공체(130)의 측벽에는 상기 지하수(110)가 상기 주입공체(130) 내부로 유입될 수 있음과 아울러 상기 주입공체(130) 내부로 유입된 지하수(110)가 상기 주입공체(130) 외부로 유출될 수 있는 적어도 하나 이상의 슬릿(slit: 134)이 형성되어 있다. 이러한 주입공체(130)의 내부에는 상기 고체 당밀 정화제(120)가 수용될 수 있다. 이 때문에, 상기 슬릿(134)을 통해 유입된 지하수(110)가 상기 고체 당밀 정화제(120)와 접촉할 수 있으며, 이를 통해 상기 당밀이 상기 슬릿(134)을 통해 유입된 지하수(110)로 용출될 수 있다. 상기 지하수(110)로 용출된 당밀은 주입공체(130) 하류부 토양에 공급될 수 있다. 이때, 주입공체(130) 하류부 토양에 이미 존재하며, 상기 당밀을 탄소원으로 하면서 탈질작용(질산성질소를 질소가스로 전환하여 제거)을 하는 토착 종속영양 탈질 미생물에 의해 질산성질소가 정화될 수 있다. 이를 통해 수질이 양호해진 지하수(110)의 재이용이 가능해진다. 상기 주입공체(130)는 관정형으로 형성될 수 있으나, 이는 다양한 변형이 가능하므로 본 발명은 이에 국한되지 않는다.

상기 주입공체(130)는 복수개일 수 있다. 상기 복수개의 주입공체(130)는 지하수 유동방향(112)을 교란시키지 않기 위해 서로 이격되도록 설치될 수 있다. 여기서, 주입공체(130)간 이격 거리를 짧게 하면 많은 수의 고체 당밀 정화제(120)를 배치할 수 있기 때문에 정화 효율이 상승할 수 있다.

상기 복수개의 주입공체(130)는 적어도 2개의 주입공체군, 예를 들어, 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 주입공체군(140, 142, 144)을 형성할 수 있으며, 상기 제1 내지 제3 주입공체군(140, 142, 144)은 전체적으로 1개의 반응벽체를 형성한다. 상기 제1 내지 제3 주입공체군(140, 142, 144)은 상기 지하수 유동방향(112)에 수직으로 순차적으로 배열될 수 있다. 이를 통해, 제1 주입공체군(140)에 의한 탈질작용으로 미처 정화되지 못한 질산성질소는 제2 주입공체군(142), 제3 주입공체군(144)에서 순차적으로 정화되어 순차적인 정화를 도모할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 주입공체군(140, 142, 144) 각각을 이루는 주입공체(130)는 상기 제1 내지 제3 주입공체군(140, 142, 144) 각각 내에서 상기 지하수 유동방향(112)과 교차하는 방향을 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 주입공체군(140)을 구성하는 주입공체(130)는 제1 주입공체군(140) 내에서 상기 지하수(110)가 흐 르는 토양인 대수층의 폭 방향으로 배열될 수 있다. 상기 주입공체(130)는 각 주입공체군(140, 142, 144) 내에서 일렬로 배열될 수 있으나, 지하수 흐름(112)의 교란을 최소화하고, 정화 효율을 증진하기 위해 도 1과 같이 지그재그 형태로 배열될 수 있다.

상기 주입공체(130)가 상호 이격되어 있으므로, 고체 당밀 정화제(120)에서 방출된 당밀은 전체 토양에 골고루 용출되지 않아서, 탈질미생물은 존재하나 당밀이 도달하지 못하여 탈질을 수행하지 못하는 토양구역이 생길 수 있으며, 이 구역을 통과하는 질산성질소로 오염된 지하수(110)가 존재할 수 있다. 이로 인해, 정화 효율이 떨어질 수 있다. 이를 방지하기 위해 당밀 분산 장치(150)를 설치하여 토양 내에 자연 용출된 당밀을 인위적으로 횡분산시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 정화 시스템을 이용한 정화 방법은 별도의 지상주입설비가 필요치 않을 수 있다. 또한, 파라핀의 양 조절을 통해 당밀의 용출량 및 용출 속도를 제어할 수 있으므로, 적은 양의 고체 당밀 정화제(120)를 주입공체(130) 내에 단 한 번 주입하는 것만으로도 장기간 당밀의 용출이 가능하다. 이 때문에, 기존의 액상 당밀을 이용한 정화 방법에서 소요되던 정화처리 비용을 절감할 수 있다.

이하, 한국농어촌공사의 지하수 수리시험장에 설치되어 현장 규모로 실험할 수 있는 실험용 정화 시스템에 따른 하기 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 보다 더 구체적으로 설명하기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 하기 실험용 정화 시스템의 구체적인 사항들은 필요에 따라 현장에 직접 적용될 수 있을 것이다.

1. 실험 과정

고체 당밀 정화제 제조 및 당밀 장기 제어방출 실험

고체 당밀 정화제 제조를 위해 액상 당밀은 (주)하이덱스 스토리지에서 구매하였고, 무수규산은 (주)삼천화학에서, 미결정셀룰로오스는 시그마-알드리치사에서, 파라핀은 화학약품 등급의 제품을 구매하여 각각을 준비하였다.

이어, 미결정셀룰로오스와 무수규산의 혼합 분말에 액상 당밀을 혼합한 후, 이들을 균일하게 섞어 혼합물을 준비하였다. 이어, 고체 파라핀을 증기 중탕으로 녹는점(60 내지 70℃)에서 액상화시킨 후, 상기 혼합물에 섞은 후, 그 혼합물을 폴리프로필렌 재질의 봉형 제조틀(지름 × 길이 = 4 cm × 30 cm)에 붓고, 상온에서 약 1 내지 2시간 자연 건조한 뒤, 상기 봉형 제조틀을 해체하여 고체 당밀 정화제를 제조하였다. 여기서, 당밀 : 미결정셀룰로오스 : 무수규산 : 파라핀의 중량비(wt%)는 5 : 3 : 1 : 6이었다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템에서 주입공체 및 시료채취 위치를 설명하기 위한 도면이다.

상기 제조된 고체 당밀 정화제를 도 2의 수리시험장(길이 × 너비 × 깊이 = 8 m × 4 m × 1 m)에 설치된 제1 내지 제3 주입공체군으로 이루어진 반응벽체(길이 × 너비 × 깊이 = 3 m × 4 m × 1 m)에 주입하여 당밀 장기 배출 실험을 실시하였다. 실험은 동절기에 아무런 영양분을 첨가하지 않은 순수한 수돗물 만을 토양 내에 유입한 채로 실시하여 토양미생물의 활동을 최대한 억제하였다. 이러한 방법으로 두 번의 실험을 실시하였는데, 첫 번째 실험은 제1 내지 제3 주입공체군 각각의 첫 번째 주입공체열에만 당밀 정화제를 주입하였고(20개 당밀 정화제/1개 주입공체군, 총 60개 주입), 두 번째 실험은 제1 내지 제3 주입공체군의 모든 주입공체에 당밀 정화제를 주입하여(40개 당밀 정화제/1개 주입공체군, 총 120개 주입) 당밀 장기 배출 실험을 실시하였다. 채수된 시료는 당밀의 간접적인 농도 측정을 위하여 곧바로 COD(HACH, DR-2800, USA)를 측정하였다.

실험용 정화 시스템을 이용한 정화 실험 과정

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템을 개략적으로 도시한 측면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 실험용 정화 시스템(200)은 지하수에 용존된 질산성질소를 제거하는 정화 시스템의 효율을 수돗물을 사용하여 시험하기 위한 장치로서, 크게 오염수 공급부(210), 입수조(220), 시험조(230), 주입공체(240), 고체 당밀 정화제(250), 시료 채수관(260), 배수조(270) 및 하수처리조(280)로 구성된다.

오염수 공급부(210)는 지하수를 대신하여 사용하는 수돗물에 질산성질소와 무기염 배지를 용존시킴으로써 인공오염수를 제조 및 공급하도록 설치되었다.

입수조(220)는 오염수 공급부(210)를 통해 제공받은 인공오염수가 균일한 농도로 유지되고 일정한 유량으로 공급되도록 설치되었다.

시험조(230)는 철근콘크리트 구조물로서 입수조(220)로부터 유입되는 인공오염수가 통과하는 경로를 제공하도록 설치되었다. 상기 시험조(230)에는 약 95 톤의 모래(밀도 = 1.47 g/cm³; 공극율 = 0.45; 총유기탄소함량 = 0.18%; 투수계수 = 8.01 × 10^-2 cm/s)가 채워졌고, 상기 시험조(230) 내부의 모래에 비닐을 덮고 콘크리트를 씌워서 시험조(230) 내부 물질과 대기와의 접촉을 차단하였다.

주입공체(240)는 도 2에 도시된 바와 같은 위치에 설치되었다. 여기서, 미설명 부호 242, 244는 각각 주입공 및 슬릿(slit)을 나타낸다.

고체 당밀 정화제(250)는 매쉬망(252)에 넣어진 상태로 주입공체(240) 내부에 착탈 가능하게 설치되었다.

시료 채수관(260)은 정화 효율을 측정하기 위한 인공오염수의 시료 채수를 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 주입공체(240) 전/후로 15 개가 설치되었다.

배수조(270)는 최외벽에 펌프가 설치되어 실험의 수행 중 시험조(230)로부터 배출되는 인공오염수를 하수처리조(280)로 배출하도록 설치되었다.

하수처리조(280)는 배수조(270)로부터 유입된 잔류 인공오염수 중에서 질산성질소를 제거하여 맑은 물만 배출되도록 설치되었다.

전술한 구성을 갖는 실험용 정화 시스템(200)에 사용될 인공오염수 제조를 위하여, 인위적으로 제조된 질산성질소 용액(0.5 m³/day)을 수돗물(1.1 m³/day)과 혼합하였고, 유량조절 밸브로 주입량을 조절하여 시험조(230)에 유입시켰다. 구체적으로, 질산성질소의 농도가 약 32 mg/L인 인공오염수를 제조하기 위하여, 1 m³의 물통에 KNO₃ 508 g을 용해시켜 질산성질소의 농도가 약 71 mg/L인 1 m³ 용액을 제조 하였다. 이를 수돗물과 부피비 약 1 : 2.2로 혼합시켜 약 32 mg/L의 질산성질소 인공오염수를 제조하였다. 이렇게 제조된 인공오염수를 정화 실험 전, 약 8주 동안 시험조(230) 내부로 통과/순환시켰다. 질산성질소 농도가 전 구간에서 32 mg/L로 일관되게 검출되어 시험조(230) 내부에서 자연적인 저감이 발생되지 않음을 확인한 후, 각기 14일(1차), 21일(2차), 54일(3차)간 정화 실험을 실시하였다. 시료채수 간격은 1차 실험의 경우 2, 6, 9, 13일 경과 후, 2차 실험은 2, 6, 9, 13, 17, 21일 경과 후, 3차 실험의 경우 2, 5. 9, 12, 16, 19, 30, 44, 54일에 시료를 채수하였다. 인공오염수에는 무기염 배지로 NH₄Cl 19 mg/L, K₂HPO₄ 7 mg/L, KH₂PO₄ 19 mg/L, MgSO₄ 19 mg/L을 포함시켜 주입하였다.

고체 당밀 정화제(250)는 1차 실험에 총 60개, 2차 및 3차 실험에 총 120개를 사용하였다. 1차 및 2차 질산성질소 정화 실험에서는 시험조(230) 내 토착 종속영양 탈질 미생물인 Ensifer adhaerens의 탈질능을 활용하였다. 3차 실험에서는 비토착 종속영양 탈질 미생물인 Pseudomonas sp. KY1이 대량 증식된 배지용액 1 m³을 반응벽체 주변 토양에 주입/접종하여 기존 Ensifer adhaerens와 더불어 질산성질소를 제거시켰다.

토착 종속영양 탈질 미생물의 분리 및 그 종류의 판별 과정

시험조(230)를 채운 토양으로부터, 외부 탄소원으로 당밀을 이용하며 질산성질소를 제거하는 토착 종속영양 탈질 미생물을 분리하였다. 구체적으로, 원심분리용 튜브에 0.8% 식염수 20 mL와 토양 10 g을 넣고 2 내지 3 분간 강하게 교반한 뒤 15 분간 정치하였다. 여기서 생긴 상등액에는 토양 입자로부터 떨어진 미생물이 있다. 이 상등액 1 mL을 당밀 선택배지에 접종하였다. 상기 당밀 선택배지의 조성은 1L의 증류수에 질산칼륨(KNO₃) 4g, 제이인산칼륨(K₂HPO₄) 0.4g, 인산이수소칼륨(KH₂PO₄) 0.15g, 염화암모늄(NH₄Cl) 0.4g, 황산마그네슘(MgSO₄·H₂O) 0.4g, 미량 성분 용액(trace element solution) SL-10^a 10mL이 포함되며, 탄소원으로 당밀이 추가적으로 포함되어 있었다. 하기 표 1은 상기 당밀 선택배지의 조성을 정리한 것이고, 하기 표 2는 미량 성분 용액 조성을 정리한 것이다.

화합물	함량
KNO₃	4g
K₂HPO₄	0.4g
KH₂PO₄	0.15g
NH₄Cl	0.4g
MgSO₄·H₂O	0.4g
Trace element solution SL-10^a	10mL

^afrom DSMZ media 320

화합물	함량
HCl (25%; 7.7M)	10mL
FeCl₂ × 4H2O	1.5g
ZnCl₂	70mg
MnCl₂ × 4H₂O	100mg
H₃BO₃	6mg
CoCl₂ × 6H₂O	190mg
CuCl₂ × 2H₂O	2mg
NiCl₂ × 6H₂O	24mg
Na₂MoO₄ × 2H₂O	36mg
증류수	990mL

토양에서 분리한 미생물을 상기 당밀 선택배지에 접종하고 2주 동안 배양한 후 분자생물학적 분석을 수행하였다. 구체적으로, 상기 콜로니의 미생물에 대해 셀 팔렛(cell pallet) 상태로 채취(harvest)하여 미국의 Promega사의 Wizard^® Genomic DNA Purification Kit를 이용하여 DNA를 추출하였고, 추출한 DNA의 16S rDNA 부분을 PCR(Polymerase Chain Reaction) 방법으로 증폭하였다. 이 염기 서열을 분석하여 BLAST(Basic Local Alignment Search Tool) 조사를 통해 GenBank (EMBL, DDBJ, PDB)에 등록되어 있는 기존 미생물들과 비교한 결과 Ensifer adhaerens와 97% 유사하였다. Ensifer adhaerens는 토양 내 흔히 존재하는 미생물로서 주요 탈질 미생물 중 하나인 것으로 알려져 있다. 또한, 상기와 유사한 방법으로 nirK 유전자를 분리한 결과 본 Ensifer adhaerens에서만 nirK 유전자(도 4의 HC-2)가 발견되어, 본 Ensifer adhaerens는 시험조(230)의 주된 토착 종속영양 탈질 미생물로 밝혀졌다(도 4 참조). 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템 내의 토양에서 분리된 Ensifer adhaerens의 계통학적 분류를 나타낸 계통도이다. 도 5에서, 단위 막대(Scale bar)는 뉴클레오티드(nucleotide)당 0.05에 대응하며 각 마디의 숫자는 부트스트랩(bootstrap) 값을 나타낸다.

비토착 종속영양 탈질 미생물의 분리 및 배양 과정

3차 실험에 이용할 Pseudomonas sp. KY1을 일정량 이상 확보하기 위하여, 경기도에 소재한 어느 일 지역의 농경지 토양에서 분리한 Pseudomonas sp. KY1을 계대 배양하고, 실내 대량 배양(10 L)을 실시하였다. 계대배양 및 실내 대량배양의 무기염 배지의 조성은 Na₂HPO₄ 1.2 g, KH₂PO₄ 1.8 g, MgSO₄·H₂O 0.1 g, (NH₄)₂SO₄ 0.1 g, CaCl₂ 0.03 g, FeCl₃·H₂O 0.02 g, MnSO₄·H₂O 0.02 g, Na₂S₂O₃·H₂O 10 g, NaHCO₃ 0.5 g, KNO₃ 5 g / 1 L로 구성되었다. 계대배양 시 160 mL의 내열 유리 재질 시료병(pyrex serum bottle)에 무기염배지 100 mL을 채우고, N₂ 기체로 불순물을 제거한 후, 부틸 고무마개와 알루미늄 뚜껑으로 닫아서 탈질 환경을 조성하여 배양하였다. 실내 대량 배양을 위해 20 L 내열 유리 재질 병에 무기염 배지를 10 L 채운 후, N₂ 기체로 불순물을 제거하고 뚜껑이 달린 마개로 막아 4주간 배양하였다.

이렇게 실내 대량 배양된 Pseudomonas sp. KY1을 현장 규모 시험조(230)에 활용하고자 현장 규모로 한 번 더 대량 배양(1 m³)을 실시하였다. 구체적으로, Pseudomonas sp. KY1이 배양된 10L 배지용액을 액체배지가 채워진 1 m³ 용량의 물통에 넣었다. 1 m³ 용량 물통의 액체 배지조성은 KNO₃ 0.6 g/L, KH₂PO₄ 0.8 g/L, NH₄Cl 0.1 g/L, MgCl₂·H₂O 0.1 g/L, FeSO₄·H₂O 0.004 g/L로 구성되었다. 이후, 약 15일 간 25 내지 30℃ 에서 1 m³ 용량 물통 내 배지용액을 순환시키면서(유량 19 L/min) 현장 규모 실험에 필요한 만큼 Pseudomonas sp. KY1을 증식시켰다. Pseudomonas sp. KY1의 증식이 성공적으로 진행되는지를 살펴보고자, 매일 시료를 채수하여 질산성질소 농도를 이온크로마토그래피(Metrohm, 761 Compact, Switzerland)로 분석하였다.

한편, 1 m³ 용량 물통 내 질산성질소 농도 저감이 더 이상 발생되지 않았을 때(15일), Pseudomonas sp. KY1이 대량 증식된 배지용액 1 m³을 주입공체(240) 주변 토양에 주입/접종하였다. 이후, Pseudomonas sp. KY1이 토양 내에서 생리적 활동공간(niche)을 확보할 수 있도록 3일간 정치시킨 후에 3차 실험을 실시하였다.

시료채수 및 분석 과정

수질 시료는 다중심도 시료 채수관(260)에 고인물의 4 내지 5배를 양수하고 수온이 일정해진 후 채수하였다. 채수와 동시에 수온 및 pH(Thermo Orion 3-Star series, USA), EC(TOA CM-14P, Japan), ORP(Thermo Orion 3-Star series, USA), 용존산소(Thermo Orion 3-Star series, USA)를 기록하였다. 채수한 물 시료는 0.20 ㎛ 막여과지를 이용하여 부유물을 걸러내었고, 당밀의 간접적인 농도 측정을 위하여 곧바로 COD(HACH, DR-2800, USA)를 측정하였다. 이 후 남은 시료는 4℃로 냉장보관 후, 이온크로마토그래피(Dionex, DX-80, U.S.A.)로 질산성질소 농도 분석을 실시하였다.

2. 실험 결과 분석

고체 당밀 정화제의 장기 배출 실험 결과

도 6은 고체 당밀 정화제로부터 당밀이 토양 내로 장기 배출되는 것을 보여주는 당밀 장기 배출 실험의 COD 농도 그래프이다.

도 6을 참조하면, 고체 당밀 정화제의 첫 번째 당밀 장기 배출 실험 결과(20개/1개 주입공체군, 총60개) 고체 당밀 정화제 주입 5일, 16일, 37일, 61일 후, 1열 주입공체군에서 각기 COD 기준 ~288 mg/L, ~138 mg/L, ~122 mg/L, ~111 mg/L, 2열 주입공체군에서 ~370 mg/L, ~255 mg/L, ~118 mg/L, ~85 mg/L, 3열 주입공체군에서 ~763 mg/L, ~335 mg/L, ~267 mg/L, ~195 mg/L의 당밀이 꾸준히 배출되었다. 그리고 두번째 실험 결과(40개/1개 주입공체군, 총120개) 당밀 정화제 주입 5일, 16일, 37일, 61일 후, 1열 주입공체군에서 각 COD 기준 ~440 mg/L, ~330 mg/L, ~250 mg/L, ~125 mg/L, 2열 주입공체군에서 ~403 mg/L, ~375 mg/L, ~297 mg/L, ~151 mg/L, 3열 주입공체군에서 ~1150 mg/L, ~685 mg/L, ~475 mg/L, ~106 mg/L의 당밀이 꾸준히 배출되었다.

첫 번째 및 두 번째 실험 공통적으로 열이 거듭될수록 당밀 배출량이 높아지는 이유는 선행 열에서 방출된 당밀농도가 누적되기 때문이고, 시간이 지날수록 COD 농도가 줄어드는 것은 고체 당밀 정화제 내부에 남은 당밀의 양이 시간이 갈수록 점진적으로 줄어들기 때문이다. 그리고 두 번째 실험이 첫 번째 실험보다 COD가 높은 이유는 주입공체에 주입된 고체 당밀 정화제의 양이 2배이기 때문이다. 이로써, 고체 당밀 정화제는 2개월 이상 당밀을 장기 배출이 가능함을 확인하였다.

Pseudomonas sp. KY1의 대량 증식 중 질산성질소 제거능 평가

1 m³ 용량 배지용액 물통을 이용하여 3차 실험에 사용할 Pseudomonas sp. KY1을 대량 증식하였다. Pseudomonas sp. KY1은 탈질반응 동안 당밀(C₁₂H₂₂O₁₁)을 탄소원 및 에너지원으로 사용하면서, NO₃를 N₂로 환원시킨다(하기 반응식 1 참조).

C₁₂H₂₂O₁₁ + 48NO₃ ^- → 24N₂ + 60CO₂ + 48OH^-

1 m³ 용량 배지용액 물통에서 Pseudomonas sp. KY1가 성공적으로 대량 증식되는지 여부는 1 m³ 배지용액 내 질산성질소 저감으로 확인 가능하였다.

도 7은 Pseudomonas sp. KY1의 대량 증식 중 질산성질소 제거능을 보여주는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 초기 농도 81 mg/L의 질산성질소는, 3일 경과 후 ∼17%, 6일 경과 후 ∼64%, 9일 경과 후 ∼72%, 종료 시(14일)까지 ∼89%가 제거되어 최종적으로 72 mg/L가 제거되었다. 이 결과는 Pseudomonas sp. KY1과 같은 종속영양 탈질 미생물은 물통처럼 닫힌계에서 성공적으로 대량 증식하면서 질산성질소를 최대수준까지 제거할 수 있음을 시사하였다.

주입공체 정화 효율 및 내구연한 평가

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템을 이용한 정화 실험에서 거리와 시간에 따른 질산성질소의 정화 효율을 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 1, 2, 3차 실험 공통적으로 주입공체의 1, 2, 3열과 순차적인 반응이 진행될수록 질산성질소 농도가 순차적으로 저감되었고, 결과적으로 질산성질소의 먹는물 수질기준인 10 mg/L 이하의 성공적인 제거 효율을 보였다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템을 이용한 정화 실험에서 시간에 따른 질산성질소의 평균 정화 효율을 나타낸 그래프이고, 하기 표 3에 시간에 따른 질산성질소의 정화 효율을 나타내었다.

보다 구체적으로, 도 9 및 표 3을 참조하면, 1차 실험의 경우, 반응전 질산성질소 농도 평균 32 mg/L이었던 인공오염수는 1열 반응 후 평균 32%, 2열 반응 후 평균 61%, 3열 반응 후 평균 80%의 정화 효율을 보였다. 2차 실험의 경우, 1열 반응 후 평균 32%, 2열 반응 후 평균 68%, 3열 반응 후 평균 84%의 정화 효율을 보였다. 3차 실험의 경우, 1열 반응 후 평균 24%, 2열 반응 후 평균 70%, 3열 반응 후 평균 79%의 정화 효율을 보였다. 이 후 5.5 m 구간(3열로부터 1.75m 하류 지점)에서 1, 2, 3차 실험 각기 평균 82%, 91%, 88%의 최종 정화 효율을 보여, 최종적으로 평균 26 mg/L, 29 mg/L, 28 mg/L가 제거되었다.

결론적으로 2, 3차 실험이 1차 실험에 비해 당밀 정화제가 2배 주입되어 탈질 미생물이 활용할 수 있는 당밀의 양이 상대적으로 많아졌고, 그로 인해 증식된 미생물의 양이 더 많을 수 있었으며, 그 결과 질산성질소도 그만큼 더 제거될 수 있었던 것으로 분석되었다. 그러나, 최종 제거된 질산성질소의 총량을 살펴보면, 2, 3차 실험이 1차 실험보다 6 내지 9% 더 제거되는 걸로 나타나, 고체 당밀 정화제의 양적인 차이가 질산성질소 제거량에 끼치는 영향은 상대적으로 그다지 크지 않았던 것으로 분석되었다.

그러나, 고체 당밀 정화제의 주입량의 차이는, 정화 효율 유지기간에 영향을 주었다. 표 3을 참조하면, 1차 실험의 경우, 13일 경과 후 최종정화 효율이 77%였다. 그런데 2차 실험의 경우 13일 경과 후 최종정화 효율이 94%였고, 21일 후에도 93%를 유지하였다. 3차 실험의 경우, 12일 경과 후 최종정화 효율이 90%였고, 44일 경과 후 78%, 54일 경과 후 74%였다. 3차 실험 54일째의 정화 효율은 1차 실험의 13일째 정화 효율과 유사하였다. 즉, 1차 실험에 비해 2, 3차 실험이 2배의 당밀정화제를 주입한 결과, 약 40일 이상 지속적인 정화 효율을 더 유지할 수 있었다. 나아가, 외부 탈질 미생물의 주입 유무에 따라서 정화 효율 유지기간 차이가 나타났다. 2, 3차 실험의 경우 모든 조건은 동일하지만, 3차 실험에서는 외부 탈질 미생물인 Pseudomonas sp. KY1을 인위적으로 주입하였다.

다시 도 9를 참조하면, 3차 실험의 정화 효율 그래프의 기울기가 2차 실험 정화 효율 그래프의 기울기보다 완만하게 나타났다. 이는 3차 실험이 2차 실험보다 정화 효율이 상대적으로 장기간 안정적으로 유지됨을 의미하였다. 예를 들어, 2차 실험은 17일 경과 후, 1열 13%, 2열 57%, 3열 80%의 정화 효율을 보였다. 그런데, 3차 실험은 16일 경과 후, 1열 24%, 2열 78%, 3열 89%의 정화 효율을 보였고, 30일 경과 후 1열 25%, 2열 52%, 3열 76%의 정화 효율을 보였다. 3차 실험의 30일 째의 정화 효율은 2차 실험의 17일 째 정화 효율과 유사하였다. 즉, 외부 종속영양 탈질 미생물이 토착 탈질 미생물과 더불어 탈질을 수행하였기 때문에 주입공체(240)의 정화 효율 유지기간이 약 2배정도 증가한 것으로 분석된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 정화 효율을 장기간 안정적으로 유지하면서 주입공체(240)의 내구연한을 늘이기 위해서는 고체 당밀 정화제(250) 주입량을 조절로 결정할 수 있고, 필요시 외부 당밀 탈질 미생물을 주입하여 시너지 효과를 모색할 수 있음을 보였다.

반응벽체의 현장 적용 가능성 평가

도 10을 참조하면, 실험용 정화 시스템(200)의 고체 당밀 정화제(250)에서 용출된 당밀은 COD 기준 ∼1.0 mM 이고, 초기 질산성질소 농도는 2.3 mM 였다. 화학양론식에 따르면, 1 mM 의 당밀을 탈질 미생물이 모두 이용하면 48 mM의 질산성질소를 완벽히 제거할 수 있다. 따라서, 실험용 정화 시스템(200)을 이용한 실시예에서 주입한 초기 질산성질소 농도는 당밀을 이용하는 미생물에 의해 모두 제거가 되었어야 한다.

그러나, 결과적으로 약 10% 내외의 질산성질소가 미제거되었다. 이 때, 블래더 펌프 등의 당밀 분산 장치(150)를 주입공체(240) 주변의 토양 내에 설치하여 자연 용출된 당밀을 인위적으로 횡분산시켜서 당밀을 주입공체 하류부의 토착 탈질 미생물에 골고루 공급할 수 있다면 미제거된 질산성질소의 양을 줄일 수 있을 것이라 분석되었다.

먹는물 수질 기준의 COD는 10 mg/L 이하이다. 그런데, 실험용 정화 시스템(200)을 이용한 정화 실험에서 5.5 m 구간(주입공체에서 1.75m 하류 지점)에서 최종 COD는 1, 2, 3차 실험에서 38 내지 479 mg/L 으로 먹는물 수질 기준을 초과하였다. 그러나, 당밀은 탈질 미생물 뿐만 아니라, 탈질 미생물이 아닌 일반적인 미생물이 탄소원으로 사용할 수 있다.

따라서, 현장 적용 시, 반응벽체에서 상대적으로 원거리에 지하수 취수정을 설치하여 지하수를 사용한다면, 반응벽체와 취수정 사이에 존재하는 각종 토양 미생물이 당밀을 이용할 수 있을 것으로 분석되었다. 그 결과, 취수정에서 양수하는 지하수의 COD는 현저히 줄어들 것으로 기대된다. 그러므로, 취수정의 위치는 배출 당밀의 COD를 고려하여 반응벽체로부터 일정부분 원거리에 설치해야 할 필요가 있을 것으로 분석되었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 현장 규모의 실험용 정화 시스템을 이용한 실험 결과, 주입공체는 최대 54일 이상 82 내지 91%의 질산성질소 제거 효율을 보였다. 또한, 주입공체의 내구연한은 고체 당밀 정화제 주입량 조절에 의해 결정될 수 있으며, 필요시 외부 당밀 탈질 미생물을 주입하여 시너지 효과를 모색할 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 고체 당밀 정화제의 각 성분의 함량비는 해당 오염 부지 지하수의 질산성질소 오염 농도에 따라서 조절되어야 함을 알 수 있었다. 즉, 고농도 오염 부지에는 당밀의 중량비를 상대적으로 높게, 저농도 오염부지에는 상대적으로 낮게 하여 당밀의 제어 방출량을 조절할 필요가 있을 것으로 분석되었다. 또한, 질산성질소 오염 부지의 오염 수준을 고려하여 고체 당밀 정화제의 주입 개수를 조절하여 주입할 필요가 있는 것으로 분석되었다. 또한, 실험용 정화 시스템을 이용한 실시예를 통해, 그에 사용된 주입공체 및 고체 당밀 정화제 등은 현장에 즉시 적용 가능한 수준임을 알 수 있었다.

이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템 내의 토양에서 분리된 Ensifer adhaerens와 이의 nirK 탈질특이유전자의 존재를 보여주는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템 내의 토양에서 분리된 Ensifer adhaerens의 계통학적 분류를 나타낸 계통도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템을 이용한 정화 실험에서 시간에 따른 질산성질소의 평균 정화 효율을 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 정화 시스템을 이용한 정화 실 험에서 시간에 따른 COD의 평균 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

110: 지하수 112: 지하수 유동방향

120, 250: 고체 당밀 정화제 130, 240: 주입공체

132, 242: 주입공 134, 244: 슬릿

140, 142, 144: 제1 내지 제3 주입공체군

150: 당밀 분산 장치 200: 실험용 정화 시스템

210: 오염수 공급부 220: 입수조

230: 시험조 252: 매쉬망

260: 시료 채수관 270: 배수조

280: 하수처리조

Claims

지하수면 하부 심도의 대수층 토양에서 유동하는 질산성질소로 오염된 지하수의 유동방향에 직교하도록 상기 토양에 고정되어 있고, 당밀을 함유하는 고체 당밀 정화제를 수용하며, 측벽에 상기 고체 당밀 정화제로부터 방출되는 상기 당밀을 상기 지하수가 유동하는 방향을 따라 용출시키기 위한 적어도 하나 이상의 슬릿(slit)이 형성된 주입공체로 구성된 반응벽체를 구비하는 시스템으로서,

상기 시스템의 상기 주입공체에 수용된 상기 고체 당밀 정화제에서 상기 슬릿을 통하여 용출된 상기 당밀을 상기 시스템이 설치된 대수층 토양 지점으로부터 하류부에 위치한 대수층 토양 내에 존재하는 토착 종속영양 탈질미생물이 탄소원으로 이용하여 상기 오염된 지하수 내의 상기 질산성질소를 질소기체로 전환시켜 상기 질산성질소를 정화하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.
제1항에 있어서,

상기 토착 종속영양 탈질 미생물에게 당밀을 골고루 공급시키기 위한 당밀 분산 장치

를 더 포함하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.
제1항에 있어서,

상기 고체 당밀 정화제는 미결정셀룰로오스, 무수규산 및 파라핀을 더 함유하며,

상기 고체 당밀 정화제는,

상기 당밀 20 내지 50 중량%;

상기 미결정셀룰로오스 10 내지 30 중량%;

상기 무수규산 1 내지 10 중량%; 및

상기 파라핀 20 내지 60 중량%

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.
제1항에 있어서,

상기 주입공체는 복수개이며, 상기 복수개의 주입공체는 서로 지그재그 형태로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.
제4항에 있어서,

상기 복수개의 주입공체는 적어도 2개의 주입공체군으로 구성된 반응벽체 를 형성하며, 상기 적어도 2개의 반응벽체는 상기 지하수가 유동하는 방향을 따라 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.
제5항에 있어서,

상기 적어도 2개의 반응벽체 각각을 이루는 주입공체는, 상기 적어도 2개의 반응벽체 내에서 상기 지하수가 유동하는 방향과 교차하는 방향을 따라 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.
제1항에 있어서,

인위적으로 증식되어 상기 대수층 토양에 부착 가능한 외부 기원 비토착 종속영양 탈질 미생물이 상기 대수층 토양에 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 질산성질소로 오염된 지하수의 정화 시스템.