KR100967639B1

KR100967639B1 - 서모모나스 종 ＧＳｌｙｓｏ-1 균주를 사용하는 잉여슬러지저감방법

Info

Publication number: KR100967639B1
Application number: KR1020080027902A
Authority: KR
Inventors: 장덕진; 서선근; 펭페이 구오; 오영기; 김효상; 이상도
Original assignee: 지에스건설 주식회사
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2010-07-07
Also published as: KR20090102448A

Abstract

본 발명은 라이소자임을 분비하는 서모모나스 종(Thermomonas sp.)의 균주, 특히 GSlyso-1 균주(KCTC 11169BP)를 사용하는 잉여슬러지 저감방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법에 따르면, 상기 균주를 하수슬러지에 처리하여 슬러지를 가용화시킴으로써 잉여슬러지의 양을 감소시킬 수 있다.

잉여슬러지, 라이소자임

Description

서모모나스 종 ＧＳｌｙｓｏ-1 균주를 사용하는 잉여슬러지 저감방법{METHOD FOR REDUCING EXCESS SLUDGE USING THERMOMONAS SP. GSlyso-1 STRAIN}

본 발명은 라이소자임을 분비하는 서모모나스 종(Thermomonas sp.)의 균주, 특히 GSlyso-1 균주(KCTC 11169BP)를 사용하는 잉여슬러지 저감방법에 관한 것이다.

현재 우리나라에서는 산업폐수 및 생활하수를 처리하는데 활성 슬러지공정을 비롯한 생물학적 처리방법이 가장 널리 사용되고 있다. 그러나, 생물학적 처리방법은 하수 내 유기물질의 섭취에 의한 미생물의 성장으로 인해 처리과정 중 많은 양의 슬러지를 발생시키며(문헌[Jung et al., Kinetic analysis of disruption of excess activated sludge by Dyno Mill and characteristics of protein release for recovery of useful materials, Biochemical Engineering Journal 8 (1), 1-7, 2001] 참조), 이러한 슬러지의 양은 지속적으로 증가하고 있다. 실례로 우리나라의 폐수처리 시설로부터 발생되는 잉여슬러지의 연평균 생산량은 1999년부터 2005 년까지 매년 25%씩 증가하고 있으며 2011년에는 10,071 톤/일의 슬러지가 발생될 것으로 예상되고 있다(환경부, 유기성 오니 처리 종합대책, 2006).

종래의 활성 슬러지공정은 발생된 슬러지의 처분을 위해 2차 공정이 필요하며, 2차 공정에 전체 하수처리장 운영비용의 약 50%가 소요된다고 알려져 있다. 또한, 관련 법률 단속이 점차 강화됨에 따라, 슬러지 처분이 환경적, 경제적, 기술적 관점에서 하/폐수처리의 가장 중요한 문제중의 하나로 제기되고 있다. 현재 잉여슬러지는 탈수처리를 거친 후 해양투기, 매립, 소각 등의 방법으로 처리되고 있다. 그러나, 매립지의 부족과 강화되는 법률 규제에 따른 잉여슬러지 처리비용의 증가와 더불어, 해양투기에 의한 오염의 문제점을 해결하기 위한 런던협약 96의정서에 의해 2012년부터 해양투기가 전면 금지될 예정이다(환경부, 유기성 오니 처리 종합대책, 2006). 이에, 소각, 퇴비화, 자원화 등 하수슬러지를 처리하는 다양한 방법들이 제시되고 있지만 대부분 슬러지 발생 후 감량이라는 측면에서 궁극적인 해결방안이라 보기 힘들며, 슬러지 발생량 자체를 줄일 수 있는 기술이 요구되고 있다.

잉여슬러지의 주성분은 폭기조에서 성장한 미생물이며 질량상의 주성분은 박테리아로 알려져 있다. 잉여슬러지의 가용화, 즉 전처리는 플록(floc)의 해체 및 미생물세포를 파괴하여 슬러지의 생분해성을 높이는 방법을 말하며 물리적(마이크로파 처리, 밀파쇄, 열처리 등), 화학적(오존, 알칼리, 산 처리 등), 생물학적(고온 호기성 세균, 혐기소화 등) 방법들이 알려져 있다(문헌[Perez-Elvira et al., Sludge minimisation technologies. Environmental Science and Bio/Technology, 5(24), 375-398, 2006] 및 [Wei et al., Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment, Water Res., 37(15), 4453-4467, 2003] 참조).

특히, 생물학적 방법을 이용한 가수분해는 비교적 저비용이며 가수분해로부터 얻어지는 가수액의 성질은 생물학적으로 이용이 용이하며 외부 탄소원으로도 사용할 수 있다.

생물학적 방법은 주로 효소를 사용하며, 여러 효소들 중 특히 라이소자임(lysozyme)은 세균의 세포벽에 있는 다당류 중의 n-아세틸무람산(NAM)과 n-아세틸글루코사민(NAG) 사이의 β-1,4-글라이코사이드 결합을 가수분해하는 기능을 갖고 있다(문헌[Nakimbugwe et al., Cell wall substrate specificity of six different lysozymes and lysozyme inhibitory activity of bacterial extracts, FEMS Microbial Letts, 259(1), 41-46, 2006] 참조).

이에, 본 발명자들은 잉여슬러지를 처리할 수 있는 효과적인 방법을 찾기 위하여 연구를 거듭한 결과, 라이소자임을 분비하는 서모모나스 종 GSlyso-1 균주(KCTC 11169BP; 대한민국 특허출원 제2007-92261호 참조)를 이용한 슬러지 가용화를 통해 잉여슬러지를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

[문헌 1] Jung et al., Kinetic analysis of disruption of excess activated sludge by Dyno Mill and characteristics of protein release for recovery of useful materials, Biochemical Engineering Journal 8 (1), 1-7, 2001

[문헌 2] Perez-Elvira et al., Sludge minimisation technologies. Environmental Science and Bio/Technology, 5(24), 375-398, 2006

[문헌 3] Wei et al., Minimization of excess sludge production for biological wastewater treatment, Water Res., 37(15), 4453-4467, 2003

[문헌 4] Nakimbugwe et al., Cell wall substrate specificity of six different lysozymes and lysozyme inhibitory activity of bacterial extracts, FEMS Microbial Letts, 259(1), 41-46, 2006

[문헌 5] 대한민국 특허출원 제2007-92261호 (지에스건설 주식회사), 2007. 9. 11

따라서, 본 발명의 목적은 하수슬러지를 가용화시킴으로써 잉여슬러지의 양을 효과적으로 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 라이소자임을 분비하는 서모모나스 종의 균주, 특히 GSlyso-1 균주를 하수 슬러지에 처리하는 것을 포함하는 잉여슬러지의 저감방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 서모모나스 종의 균주를 처리하기 전에 비이온성 계면활성제를 전처리하는 것을 포함하는 잉여슬러지의 저감방법을 제공한다.

본 발명에 따른 잉여슬러지 저감방법은, 가용화액으로부터 유출되는 유기물에 의한 오염 부하가 낮으며, 잉여슬러지의 관리를 용이하게 하여 운반, 처분경비를 절감시키고, 2차 오염이 적고, 매립시 매립의 용적을 적게 차지하여 매립지의 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명은 라이소자임을 분비하는 서모모나스종의 균주를 하수슬러지에 처리하여 슬러지를 가용화시키는 것을 포함하는 잉여슬러지의 저감방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 균주 처리 전에 비이온성 계면활성제로 슬러지를 전처리하는 것을 특징으로 하는 잉여슬러지의 저감방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 비이온성 계면활성제는 트라이튼(Triton) X-100, NP-40 및 트윈(Tween)20으로 구성된 군으로부터 선택되며, 트라이튼 X-100이 가장 바람직하다.

본 발명의 한 실시양태에서, 잉여슬러지의 저감방법은 10 내지 60℃의 온도, 예를 들어 30 내지 60℃의 온도에서 0.1 내지 4 vvm, 예를 들어 0.5 내지 2 vvm(공기 부피/슬러지 부피·분)의 속도로 공기를 공급하면서 수행된다.

본 발명의 한 실시양태에서, 잉여슬러지의 저감방법은 균주 처리전에 잉여슬러지를 고압 전처리하는 것을 포함하며, 바람직하게는 0 초과 내지 30,000 psi의 압력에서 전처리하는 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시양태에서, 상기 서모모나스종의 균주는 KCTC 11169BP로 기탁된 GSlyso-1 균주이다. 상기 서모모나스 종 GSlyso-1 균주(KCTC 11169BP)는 하수처리장의 활성슬러지로부터 분리된 것으로, 다른 서모모나스 종과는 달리 라이소자임을 생산 및 분비한다(대한민국 특허출원 제2007-92261호 참조). 상기 GSlyso-1 균주는 잉여슬러지의 주성분인 박테리아의 구성성분인 펩타이도글라이칸(peptidoglycan)을 분해할 수 있는 라이소자임을 분비하므로 이들 균주를 잉여슬러지에 처리할 경우 잉여슬러지의 양을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 실험에 사용한 기질은 하수종말처리장의 반송라인에서 채취한 반송슬러지이며, 그 특성은 하기 표 1에 나타내었다.

항목	단위 (mg/L)
TSS(total suspended solid; 총 현탁 고체)	6,448
VSS(volatile suspended solid; 휘발성 현탁 고체)	5,004
TN(total nitrogen; 총 질소)	23.89
TP(total phosphorus; 총 인)	3.77
TCOD(total chemical oxygen demand; 총 화학적 산소 요구량)	8,448
SCOD(soluble chemical oxygen demand; 가용성 화학적 산소 요구량)	27.3

슬러지 가용화에 있어서 온도, 산소 공급 속도 및 초기 슬러지 농도의 영향

온도변화에 따른 슬러지 가용화 영향을 확인하기 위하여 잉여슬러지를 플라스크에 담아 수욕조를 이용하여 온도를 각각 30℃, 45℃, 60℃로 조절하여 반응시켰다. 산소 공급은 산기석을 이용하여 공기를 주입하였으며, 공기 주입속도를 0.5, 1, 1.5, 2vvm(공기 부피/슬러지 부피·분)으로 나누어 실험하였다. 또한 초기 슬러지 농도에 따른 가용화의 영향을 확인하기 위하여 슬러지 농도를 6,000, 8,000, 10,000, 11,000 mg/L로 각각 나누어 45℃, 1vvm 조건으로 실험하였다.

온도에 따른 슬러지의 가용화 변화를 도 1a 및 도 1b에 나타내었다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 온도가 높아짐에 따라 SS(suspended solid; 현탁 고체) 저감률과 SCOD 증가 효과가 커지는 것을 알 수 있다. 4일 경과시 SS 저감률은 30℃, 45℃, 60℃에서 각각 약 10%, 25%, 40%를 나타내었다. 온도가 높을수록 가용화 효과는 높아지나, 가용화에 따른 소모에너지 또한 증가하므로 에너지 측면에서 살펴보았을 때, 중온 범위인 45℃를 반응온도로 결정하였다.

공기 공급 속도에 따른 슬러지 저감 효과를 도 2a 및 도2b에 나타내었다. 공기 공급 속도가 2vvm일 경우 SS 저감률이 가장 높았으나 그 외의 조건에서는 거의 비슷한 효과를 나타내었다. 따라서, 1vvm에서 충분한 가용화 효과를 얻을 수 있으리라 생각되며, 이후 1vvm 조건으로 고정하여 실험을 진행하였다.

슬러지의 초기 농도에 따른 슬러지 저감 효과를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 초기 농도를 각각 6,000, 8,000, 10,000, 11,000 mg/L로 나누어 45℃, 1vvm 조건에서 실험하였다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 슬러지의 초기 농도에 따른 TSS 및 SS 저감률의 변화는 크게 차이가 없었으므로, 농도에 따른 슬러지 가용화 효과의 변동을 염려하지 않아도 되었다.

실시예 1

라이소자임 분비 균주를 이용한 처리

잉여슬러지 가용화를 위하여 세포벽 구성성분인 펩타이도글라이칸의 글라이칸 1,4-글라이코사이드 결합을 가수분해하는 라이소자임 효소를 분비하는 세균을 분리하였다(대한민국 특허출원 제2007-92261호 참조). 선행 실험을 통해 분리 동정한 라이소자임 분비 균주인 서모모나스 종 GSlyso-1을 45 ℃, 150 rpm 조건의 진탕배양기에서 OD₆₀₀이 1 이상이 될 때까지 LB(Luria-Bertani) 배지에서 배양하였다. 배양액을 10,000 rpm에서 10 분간 원심분리시키고 pH 7.0의 인산완충용액에 재현탁한 후 5 %(v/v)의 비율로 잉여슬러지와 섞어 45 ℃, 150 rpm의 진탕배양기에서 48시간 동안 다시 반응시키며 관찰하였다.

라이소자임 분비 균인 서모모나스 종 GSlyso-1을 접종하였을 때의 슬러지 저감률을 도 4a 및 4b에 나타내었다. 48시간 동안 반응시킨 경우, 약 20 %의 TSS 저감 효과가 나타났다. 반응시간을 더 늘린다면 TSS 저감률은 더 증가할 것이나, 24시간에서 48시간 사이의 TSS 저감 속도가 느려지는 것으로 보아, 반응시간이 길어질수록 저감 속도는 더 느려질 것으로 예상된다. SCOD의 경우 다른 물리화학적 방법과 달리 미생물들이 생장하며 소비하기 때문에 증가폭이 작은 것으로 보이며, 이는 가용화액을 폭기조로 반송하여 탄소원으로 재사용시 반응기로의 유기물 부하가 작음을 의미하므로, 종래의 방법과 비교하여 유리한 효과를 가질 것이다.

실시예 2

물리적 전처리

라이소자임 분비 미생물로 처리전, 가용화 효율에 대한 고압 전처리 효과를 실험하였다.

먼저 압력처리의 효율을 확인하기 위해, 프렌치 프레셔(프렌치 프레셔 셀 40K(French Pressure cell 40K), 미국 월뎀(Waltham) 소재의 서모 일렉트론 코포레이션(Thermo Electron Corporation))를 사용하여 잉여슬러지의 세포를 파쇄하였다. 압력은 0 내지 40,000 psi로 조절하고 각 압력별로 처리 전후의 TSS, VSS 및 SCOD를 측정하여 그 효율을 확인하였다. 도 5a 및 도 5b에서 보는 바와 같이, 처리 압력이 증가할수록 슬러지 분해 효율이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 구체적으로 10,000 psi 가 증가할 때마다 약 10 %의 TSS가 감소하는 것으로 나타났다.

실시예 3

화학적 전처리

라이소자임 분비 미생물로 처리전, 계면활성제를 사용하여 전처리하고 가용화 효율의 변화를 관찰하였다.

계면활성제는 양이온성, 음이온성, 비이온성으로 구분할 수 있으며, 양이온성 계면활\제로는 CTAC(cetyltrimethylammonium chloride; 염화 세틸트라이메틸암모늄)를 사용하였고, 음이온성 계면활성제로는 SDS(sodium dodecyl sulfate; 도데실 황산 나트륨)를 사용하였다. 비이온성 계면활성제의 경우 시그마(Sigma)사로부터 입수가능한 트라이튼(Triton) X-100, NP-40, 트윈(Tween)20을 각각 사용하였다.

계면활성제는 최종 농도가 0.05 %, 0.1 % (w/v)가 되도록 주입하고, pH 7.0의 인산완충용액에 재현탁된 균주를 5 % (v/v)가 되도록 잉여슬러지와 혼합하고, 마지막으로 45 ℃, 150 rpm 진탕배양기에서 48시간 동안 배양하였다.

실시예 3-1(비교예 1)

음이온성 계면활성제 전처리

음이온성 계면활성제인 0.1 % SDS로 전처리한 결과를 도 6에 나타내었다. 대조군과 비교하여 저감효율에 영향을 미치지 못한 것을 알 수 있었다. SDS가 슬러지로부터 단백질 용출에 효과적이라는 연구결과가 있으나 본 실험결과에서는 용출효과는 나타나지 않았다. 이는 계면활성제가 라이소자임 분비 균에게도 영향을 미친 것으로 보인다.

실시예 3-2(비교예 2)

양이온성 계면활성제 전처리

양이온성 계면 활성제인 CTAC로 전처리한 결과를 도 7에 나타내었다. 앞서 수행한 음이온성 계면활성제의 결과와는 다르게 오히려 TSS가 늘어난 것을 볼 수 있었다. 일반적으로 세포 외부의 전하는 음전하를 나타내는데 양이온의 고분자 계면활성제 물질이 세포들과 전기적 결합을 하여 분자크기가 켜져 TSS가 증가한 것으로 보인다.

실시예 3-3

비이온성 계면활성제 전처리

비이온성 계면활성제인 트라이튼 X-100의 농도별 전처리 결과를 도 8a 및 도 8b에 나타내었다. 비이온성 계면활성제의 경우 앞서 수행한 음이온성 및 양이온성 계면활성제와는 달리 약 10 %에 해당하는 TSS 저감효과가 나타났다. 0.1 % 농도로 실험한 후 결과에 따라 농도를 구분하여 실험하였다. 농도가 0.1 %와 0.05 %일 때 각각 약 31 % 및 29 %의 비슷한 TSS 저감 효율을 나타내었다. 일반적으로, 계면활성제의 표준 사용량 결정은 계면활성제가 오염물질을 둘러싼 형태의 미셀 회합체를 형성하는 농도 부근에서 정해지며, 계면활성제를 더 많이 주입하여도 오염물질 및 기타 고형물의 유화액(emulsion)은 증가하지 못하게 된다.

도 9a 및 도 9b는 비이온성 계면활성제인 트라이튼 X-100, NP-40 및 트윈20으로 전처리하였을 때의 결과를 비교한 그래프이다. 농도는 0.05 %로 맞추었으며, 그래프에서 보는 바와 같이, 대조군과 비교했을 때 NP-40 및 트윈20, 트라이튼 X-100의 TSS 저감률은 각각 1 %, 3 %, 10 % 증가했음을 알 수 있다. 비이온성 계면활성제의 경우 전기적 전하를 나타나지 않아 전기적 결합들을 형성하지 않고 유화액을 형성하여 TSS 저감률이 증진된 것으로 보인다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 가용화를 위한 처리없이 45 ℃에서 2일 동안 반응시킨 경우 약 10 내지 12%의 슬러지 저감효과를 보인 반면, 서모모나스 종 GSlyso-1 균주를 처리한 경우 약 15 내지 20%의 보다 높은 슬러지 저감효과를 보였다. 또한, 상기 균주의 처리전 비이온성 계면활성제로 전처리한 경우 약 30%의 높은 저감효율을 보였다(도 10 참고).

도 1a는 온도에 따른 슬러지의 가용화 변화를 SS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 1b는 온도에 따른 슬러지의 가용화 변화를 SCOD로 나타낸 그래프이고,

도 2a 및 도 2b는 공기 공급 속도에 따른 슬러지 저감효과를 SS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 3a는 슬러지 초기 농도에 따른 슬러지 저감효과를 TSS 농도로 나타낸 그래프이고,

도 3b는 슬러지 초기 농도에 따른 슬러지 저감 효과를 SS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 4a는 서모모나스 종 GSlyso-1 균주에 의한 슬러지 저감효과를 TSS, VSS 및 SCOD 농도로 나타낸 그래프이고,

도 4b는 서모모나스 종 GSlyso-1 균주에 의한 슬러지 저감효과를 TSS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 5a는 프렌치 프레스를 이용한 압력 처리에 의한 슬러지 저감효과를 TSS, VSS 및 SCOD 농도로 나타낸 그래프이고,

도 5b는 프렌치 프레스를 이용한 압력 처리에 의한 슬러지 저감효과를 TSS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 6은 음이온성 계면활성제(SDS)의 전처리 효과를 TSS 농도로 나타낸 그래프이고,

도 7는 양이온성 계면활성제(CTAC)의 전처리 효과를 TSS 농도 및 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 8a는 비이온성 계면활성제(트라이튼 X-100)의 농도별 전처리 효과를 TSS 농도로 나타낸 그래프이고,

도 8b는 비이온성 계면활성제(트라이튼 X-100)의 농도별 전처리 효과를 TSS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 9a는 다수의 비이온성 계면활성제(트라이튼 X-100, NP-40 및 트윈20)의 전처리 효과를 TSS 저감률로 나타낸 그래프이고,

도 9b는 다수의 비이온성 계면활성제(트라이튼 X-100, NP-40 및 트윈20)의 전처리 효과를 SCOD 농도로 나타낸 그래프이고,

도 10는 균주의 무처리시, 서모모나스 종 GSlyso-1 균주 처리시, 양이온성 계면활성제(CATC)로 전처리시, 음이온성 계면활성제(SDS)로 전처리시, 및 비이온성 계면활성제(트라이튼 X-100, NP-40 및 트윈20)로 전처리시 슬러지 저감효과를 비교하는 그래프이다.

Claims

라이소자임을 분비하는 서모모나스 종(Thermomonas sp.)의 균주를 하수슬러지에 처리하여 슬러지를 가용화시키는 것을 포함하는, 잉여슬러지의 양을 감소시키는 방법.
제 1 항에 있어서,

균주 처리 전에 비이온성 계면활성제로 슬러지를 전처리하는 것을 특징으로 하는, 잉여슬러지의 양을 감소시키는 방법.
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제 1 항에 있어서,

균주 처리를 10℃ 내지 60℃의 온도에서 0.1 내지 4vvm(공기 부피/슬러지 부피· 분)의 속도로 공기를 공급하면서 수행하는 것을 특징으로 하는, 잉여슬러지의 양을 감소시키는 방법.
제 2 항에 있어서,

균주 처리 전에 잉여슬러지를 고압 전처리 하는 것을 특징으로 하는, 잉여슬러지의 양을 감소시키는 방법.
제 6 항에 있어서,

고압 전처리는 0 초과 내지 30,000 psi의 압력에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 잉여슬러지의 양을 감소시키는 방법.
제 1 항, 제 2 항 및 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

서모모나스 종의 균주가 기탁번호 KCTC 11169BP로 기탁된 GSlyso-1 균주인 것을 특징으로 하는, 잉여슬러지의 양을 감소시키는 방법.