KR101787401B1 - 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주, 이를 이용한 염색 폐수 처리 방법 및 장치 - Google Patents

유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주, 이를 이용한 염색 폐수 처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주 및 이를 이용한 염색 폐수 처리 방법에 관한 것으로, 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주; 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 포함하는, 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거용 조성물; 이를 이용하여 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계를 포함하는 염색 폐수 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주, 이를 이용한 염색 폐수 처리 방법 및 장치{MIXED STRAIN HAVING EXCELLENT ABILLITY OF REMOVING ORGANIC MATTER AND NITROGRN, METHOD AND APPARATUS FOR TREATING DYE WASTEWATER USING THE SAME}
본 발명은 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주 및 이를 이용한 염색 폐수 처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 새로운 혼합 균주를 이용하여 유기물 및 질소 함량이 높은 염색 폐수에 의한 토양 및 수질 오염을 효과적으로 제거할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 인류의 급격한 산업화에 따라 환경 생태계가 파괴되어 심각한 오염을 야기하고 있다. 환경오염 중 가장 심각한 문제를 야기하고 있는 것은 수질 오염인데, 수질 오염은 생활하수, 축산 폐수, 산업폐수 등에 의해 야기되고 있다. 그 중 생활하수와 축산폐수는 정화할 수 있는 시설이 많이 설치되어 해결하고 있지만, 가장 큰 문제로 야기되는 것은 산업폐수이다.
특히, 산업폐수의 가장 큰 문제점은 박테리아에 의한 생물학적 분해 등의 자연적 정화가 되지 않는 난분해성 물질이 다량 포함되어 있다는 것이다. 그 중 염색 폐수를 비롯한 산업 폐수는 성상과 발생량의 변동 폭이 매우 커 안정적인 수처리가 매우 어렵다고 알려져 있다. 염색 폐수의 재료인 합성염료(synthetic colorants)는 직물, 피혁, 플라스틱, 화장품, 식품 등의 많은 산업에 사용되고 있으며, 이러한 합성염료의 대부분은 아조 염료(azo dye)로, 이와 같은 아조 염료는 다량의 질소를 포함하고 있으며, 생물학적 처리(bio-degradative process)에 내성을 가진 난분해성 물질(xenobiotic compound)로 알려져 있다.
또한, 방류수에 대한 질소 농도의 규제가 시작되면서 산업 폐수에서의 질소 제거가 문제가 되고 있다. 이와 같은 산업 폐수에서의 질소 농도는 일반적인 하수의 질소 농도와 달리 고농도이므로 처리가 쉽지 않다. 특히 암모니아를 산화시키는 질산화 박테리아는 외부 환경에 민감할 뿐 아니라 성장 속도가 느려서 질소 제거 공정이 제한된다. 예를 들어 고농도의 암모니아를 처리할 경우 독성으로 인해 안정된 처리수를 생산하기 어렵고 문제가 발생한 후 회복하는데 오랜 시간이 소요되기 때문에 새로운 처리 방법의 필요성이 증대되고 있다.
지금까지 난분해성 물질을 포함한 아조계 염료(색도)를 분해하는 미생물로서 플라보박테리움 (Flavobacterium), 컴마모나스 (Commamonas), 잔토모나스 (Xanthomonas) 등의 호기성 미생물과 혐기성 미생물로 바실러스 속(Bacillus), 유박테리아 속(Eubacteria), 스핑코모나스 속(Sphingomonas), 스텝토바실러스 속(Streptobacillus) 등이 알려져 있으나, 실제 산업에 적용하기에 적합한 고효율을 가지는 미생물의 제공이 여전히 요구되고 있는 실정이다.
특히, 염색 폐수의 난분해성 물질 처리 연구는 현재까지 흡수, 침전, 화학적 산화, 광분해, 막여과법 등의 화학적 처리 및 물리학적 처리에 의존되고 있는 실정이며, 이러한 처리는 많은 비용과 제2의 독성물질을 야기한다.
따라서, 염색 폐수와 같은 산업 폐수에 대한 생물학적 처리가 요구되고 있는 실정이며, 염색 폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 미생물 및 이를 이용하여 염색 폐수 등의 산업 폐수를 효과적으로 제거할 수 있는 방법 및 장치가 제공되는 경우에는 관련 분야에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명의 한 측면은 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액을 포함하는 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 혼합 균주 또는 이의 배양액을 이용하여 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계를 포함하는 염색 폐수 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 혼합 균주 또는 이의 배양액을 이용하여 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주 를 포함하는 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주가 제공된다.
상기 혼합 균주는 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주 를 포함하는 질소 제거능이 우수한 혼합 균주 또는 이의 배양액을 포함하는, 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거용 조성물이 제공된다.
상기 혼합 균주는 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
상기 염색 폐수는 유기물, 질산성 질소(NO3-N) 및 암모니아성 질소(NH3-N)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 견지에 의하면, 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 질소 제거능이 우수한 혼합 균주 또는 이의 배양액을 이용하여 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계를 포함하는 염색 폐수 처리 방법이 제공된다.
상기 혼합 균주는 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
상기 염색 폐수 내 질소는 질산성 질소(NO3-N), 암모니아성 질소(NH3-N) 또는 이들이 혼합된 질소인 것이 바람직하다.
상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 혐기 분위기, 무산소 분위기 및 호기 분위기를 거처 수행되는 것이 바람직하다.
상기 혐기 분위기는 D.O 0.5 mg/L 이하의 통성 혐기 조건이며, 상기 호기 분위기는 D.O 2.5 내지 3.0 mg/L의 호기 조건인 것이 바람직하다.
상기 혐기 분위기 및 무산소 분위기에서의 체류 시간은 각각 2 내지 6 시간이며, 상기 호기 분위기에서의 체류 시간은 6 내지 10 시간인 것이 바람직하다.
상기 혼합 균주는 슬러지와 함께 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계에 투입되는 것이 바람직하다.
상기 혼합 균주는 염색 폐수 1 L 당 0.1 내지 2g/L(w/w)의 양으로 이용되는 것이 바람직하다.
상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 33 내지 37℃의 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 6 내지 8의 pH에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 견지에 의하면, 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하며, 상기 혐기조는 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 염색 폐수 처리 장치가 제공된다.
상기 혼합 균주는 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
상기 염색 폐수 처리 장치는 침전조를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 호기조의 유입 BOD 농도는 200 내지 300 mg/L이고, 유입 BOD량은 1 내지 10 kgBOD/day인 것이 바람직하다.
상기 혐기조는 슬러지를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 염색 공단 등에서 발생된 폐수의 처리에 있어서 순산소 폭기조를 이용하지 않으면서도 유기물 및 질소를 효과적으로 처리하여 오염된 수질을 효과적으로 회복시킬 수 있다.
도 1은 통성혐기 조건에서 혼합 균주의 회분식 실험결과를 나타낸 것이다.
도 2는 호기 조건에서 혼합 균주의 회분식 실험결과를 나타낸 것이다.
도 3은 예시적인 파일럿 플랜트의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 예시적인 실험실 규모의 반응기를 제작하여 실제 구현한 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 호기 및 혐기 조건에서 파일럿 플랜트 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 유류 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주가 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명의 혼합 균주는 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 것이 바람직하다. 각 속에 속하는 균주는 1 이상의 종(species), 예를 들어 2종 이상의 균주를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 상기 혼합 균주는 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진, 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 슈도모나스 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하며, 상기 염색 폐수는 유기물, 질산성 질소(NO3-N) 및 암모니아성 질소(NH3-N)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 상기 혼합 균주 NIX60은 국립농업과학원 농업유전자원센터(KACC)에 2014년 12월 04일에 기탁번호 KACC92012P 로 기탁하였다.
한편, 상기 본 발명의 혼합 균주에 포함되는 각각의 균주는 환경미생물은행(Korea Environmental Microorganisms Bank, KEMB)에도 개별적으로 기탁하였다.
보다 상세하게, 상기 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . Cloacae) YN14는 KEMB 211-629, 바실러스(안트라시스 Bacillus anthracis) YN19는 KEMB 211-582, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150는 KEMB 211-470, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis . ) YN12는 KEMB 211-573, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii .) YN47는 KEMB 211-507, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides .) YA36는 KEMB 211-607, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii .) YA2는 KEMB 211-516, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae.) YA129는 KEMB 211-437, 엔테로박터 아스부리애 (Enterobacter asburiae .) YA118는 KEMB 211-256, 그리고 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides.) YA32는 KEMB 211-600로 기탁하였다.
한편, 본 발명에 의하면 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 질소 제거능이 우수한 혼합 균주 또는 이의 배양액을 포함하는 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거용 조성물이 제공되며, 상기 염색 폐수는 유기물, 질산성 질소(NO3-N) 및 암모니아성 질소(NH3-N)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 상기 혼합 균주는 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 상기 혼합 균주는 호기 조건 및 통성 혐기 조건 모두에서 우수한 유기물 및 질소 제거능을 발휘할 수 있으며, 따라서 상기 혼합 균주 또는 이의 배양액은 염색 폐수 내의 유기물 및 질소 제거에 효과적으로 이용될 수 있다 .
특히, 상기 본 발명의 혼합 균주 또는 이의 배양액은 염색 공장 등으로부터 유출된 후 순산소 폭기 단계를 거치지 않은 염색 폐수 내의 유기물 및 질소 제거에도 효과적으로 적용될 수 있다.
나아가, 본 발명에 의하면, 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 질소 제거능이 우수한 혼합 균주 또는 이의 배양액을 이용하여 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계를 포함하는 염색 폐수 처리 방법이 제공된다.
상술한 바와 같이 상기 혼합 균주는 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
상기 염색 폐수 내 질소는 질산성 질소(NO3-N), 암모니아성 질소(NH3-N) 또는 이들이 혼합된 질소인 것이 바람직하다.
다만, 상기 본 발명의 혼합 균주는 실시예에서의 회분식 실험 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 유기물의 제거는 호기 조건에서 더 높은 효율을 나타내며, 질산성 질소의 제거의 경우 통성 혐기 조건 하에서 높은 제거 효율을 나타내며, 암모니아성 질소의 제거는 호기 조건에서 혐기 조건보다 제거 효율이 높게 나타났다. 그러나, 호기 조건 및 통성 혐기 조건 모두에서 전체적으로 유기물 및 질소에 대한 우수한 제거능을 갖는 것을 확인할 수 있다.
바람직하게 상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 혐기 분위기, 무산소 분위기 및 호기 분위기를 거처 수행되는 것이다. 바람직하게 상기 단계는 상술한 혐기 분위기, 무산소 분위기 및 호기 분위기를 순차적적으로 거쳐 수행되는 것이다.
이때, 상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계에 있어서, 상기 혐기 분위기는 D.O 0.5 mg/L 이하의 통성 혐기 조건이며, 상기 호기 분위기는 D.O 2.5 내지 3.0 mg/L 의 호기 조건인 것이 보다 바람직하며, 상기 호기 분위기가 D.O 2.5 내지 3.0 mg/L 호기 조건에서 수행되는 경우 유기물 및 암모니아성 질소 제거 효과가 향상될 수 있으며, 상기 혐기 분위기가 D.O 0.5 mg/ L 이하의 통성 혐기 조건에서 수행되는 경우에는 질산성 질소의 제거보다 효과적으로 적용될 수 있다.
한편, 상기 혐기 분위기 및 무산소 분위기에서의 체류 시간은 각각 2 내지 6 시간이며, 상기 호기 분위기에서의 체류 시간은 6 내지 10 시간인 것이 바람직하며, 보다 바람직한 체류 시간은 혐기 분위기 및 무산소 분위기의 경우 3 내지 5시간, 호기 분위기의 경우 7 내지 9시간이다.
나아가, 상기 혼합 균주는 슬러지와 함께 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계에 투입되는 것이 바람직하며, 이 경우 이 후 추가될 수 있는 침전 단계에서 혼합 균주의 침전을 유도할 수 있다.
한편, 상기 혼합 균주는 염색 폐수 1 L (리터) 당 0.1 내지 2g/ L (w/w)의 양으로 이용되는 것이 바람직하며, 상기 혼합 균주가 염색 폐수 1 L (리터) 당 0.1 g/l(w/w) 미만의 양으로 포함되는 경우에는 유기물 및 질소 제거 효과가 불충분할 수 있으며, 염색 폐수 1 L (리터) 당 2 g/ L (w/w)를 초과하는 양으로 포함되는 경우에는 과포화된 균주가 대사 과정 중 분비하는 산에 의해 pH가 떨어져 생존에 문제가 생실 수 있으며, 이에 따라 유기물 및 질소 제거 효과가 떨어지는 문제가 있다.
상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 33 내지 37℃의 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 35 ℃의 온도 조건에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 온도가 33℃ 미만이거나 37℃를 초과하는 경우에는 혼합 균주의 활동이 저하되는 경향이 있다.
나아가, 상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 6 내지 8의 pH에서 수행되는 것이 바람직하며, pH 6 미만과 pH 8을 초과하는 경우에는 유기물 및 질소 제거 효과가 불충분한 경향이 있다.
나아가, 본 발명에 의하면 상기 본 발명의 혼합 균주를 이용한 염색 폐수 처리 장치가 제공되며, 보다 상세하게 상기 장치는 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하며, 상기 혐기조는 엔테로박터(Enterobacter sp.)속 균주, 바실러스(Bacillus sp.)속 균주, 오크로박트럼(Ochrobactrum sp.) 속 균주, 로도코커스(Rhodococcus sp.) 속 균주, 리시니바실러스(Lysinibacillus sp.) 속 균주 및 아시네토박터(Acinetobacter sp.) 속 균주를 포함하는 것이다. 한편, 상기 염색 폐수 처리 장치는 침전조를 추가로 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 혼합 균주는 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인 것이 바람직하다.
상기호기조의 유입 BOD 농도는 200 내지 300 mg/L이고, 유입 BOD량은 1 내지 10 kgBOD/day인 것이 바람직하다.
상기 혐기조가 슬러지를 추가로 포함하는 경우에는 혼합 균주의 침전을 보다 효과적으로 유도할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 염색 폐수 내 균주 분리
가. 시료
시료는 부산염색공단 공동폐수처리장에서 응집 및 부상 분리의 1차 처리 후 순산소폭기조로 유입되기 전의 폐수를 채취하였다. 폐수의 특성을 알기 위하여 CODMn, T-N, NH3-N, NO3-N를 측정하였다.
나. 증식 배양
균주의 증식배양 시 뭉쳐있는 슬러지의 파쇄를 위하여 폭기조 폐수 25㎖를 50㎖ 큐브(tube)에 담은 후, 초음파 분쇄기를 3분 파쇄, 1분 정치를 2회 반복하였다. 슬러지의 파쇄 정도는 위상차 현미경(BX50, OLYMPUS, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 파쇄가 확인된 후, 시료는 100㎖ 영양배지(Difco)에 접종하여 호기, 혐기로 각각 24시간 동안 배양되었다. 호기 조건은 진탕 배양기에서, 혐기 조건은 배양기에서 정치배양 하였다.
다. 균주 분리
균주 분리는 획선평판법(streak plate methods)과 도말평판법(spread plate methods)을 이용하였다. 균주 분리 시에는 고형 배지를 사용하였으며, 호기는 배양기에, 혐기는 혐기 병(anaerobic jar)에서 35~38℃ 조건에서 배양하였다. 고형 배지에서 배양된 군체(colony)들을 형태별로 구별하여 멸균된 이쑤시개를 이용하여 4㎖ 영양배지(혐기의 경우, 8㎖ 배지를 사용함)가 들어있는 8㎖ 캡튜브(cap tube)에 접종한 후, 호기 배양은 진탕 배양기에서, 혐기 배양은 정치 배양하였다.
라. 형태관찰
배양액을 단순 염색(simple staining)을 하여 광학 현미경(BX41, Olympus, × 1,000)을 이용하여 형태와 크기, 군집 형태를 관찰하였으며, 그람 염색(Gram staining)으로 그람 양성, 음성 박테리아로 판별하였다. 위상차 현미경(BX50, Olympus, ×1,000)으로 웨트 마운트 방법(wet mount method)을 사용하여 균들의 운동성을 관찰하였다.
마. 균주 동정
생리학적 및 생화학적 특성 검정은 탄소원 이용 실험(carbon source utilize test), 효소(enzyme), 가수분해(hydrolysis), 발효(fermentation) 등으로 실험을 나누어 실시하였다.
효소는 카탈라아제(Catalase), 옥시다아제(Oxidase) 실험, 질산환원효소(Nitrate Reductase), 오리니틴(Orinithine)/리신(Lysine) 디카르복실라아제(Decarboxylase) 실험을 하였으며, 발효는 MR/VP 실험, 글루코즈로부터의 기체 생산(Gas production from Glucose) 등의 실험을 하였다.
가수분해는 전분(Starch), 우레아제(Urease), 트립토판(Tryptophan, Indole test), 젤라틴 가수분해를 실험하였다. 탄소원 실험(Carbon source Test)은 최소 배지를 만들어 탄소로는 아스파레이트, 글루타메이트, 글리신을 사용하였다.
바. 염색 폐수 내 균주 분리 및 동정 결과
염색 폐수 내 균주를 총 150개 분리하였으며, 생리 및 생화학적 특성과 형태학적 특징을 확인한 결과, 그람 양성 균주 60개, 그람 음성 균주 90개를 획득하였다.
2. 질소원 제거 고효율 균주 스크린
가. 염색 실폐수에 균주 접종 및 배양
분리된 균주 150종을 염색 공단 폐수 처리장에 채수된 실폐수에 접종하였다. 염색 실폐수는 멤브레인 필터(membrane filter, 0.2㎛ pore size, cellulose ester)를 사용하여 막 여과 장치에 여과하여 사용하였다. 여과된 염색 실 폐수를 10 ㎖씩 120㎖ 병(bottle)에 분주하여 사용하였다. 염색 실 폐수에 각 균주를 0.1%씩 접종하여 진탕 배양기에 호기 조건으로 24시간 배양하였다.
나. 측정 및 분석
균주 접종 전 염색 폐수와 24시간 배양 후의 폐수내의 유기물(CODMn) 암모니아성 질소(NH3-N)와 질산성 질소(NO3-N) 제거량을 측정 분석하였다. 분석은 비색법(colorimetric method)을 사용하여 DR4000 스펙트로미터(spectrometer, HACH, USA)로 분석하였다.
다. 질산성 질소 스크린 결과
150 균주에 대해서 모두 호기 및 통성 혐기 조건에서 질산성 질소의 제거율을 확인하였다. 배양 24시간 후, 질산성 질소의 잔류량을 측정 한 결과 표 1과와 같은 결과를 얻었으며, 그 중 5개 균주는 90%이 상의 고효율을 보였다. 5개 균주 중 YN14는 통성 혐기 조건에서 질 산성 질소를 24시간 동안 92.8% 제거하였으나, 호기 조건에서는 58.4%의 제거율을 보였다. 호기 배양 조건에서도 질산성 질소를 60개 균주가 70% 이상 제거하는 것을 보여주었다(표 1).
(단위: NO3 - mg/ℓ)
통성혐기 배양 호기 배양
0h 24h 제거율 (%) 0h 24h 제거율 (%)
YN14 22.0 1.6 ± 0.1 92.8 22.0 9.1 ± 0.1 58.4
YN19 22.0 1.7 ± 0.2 92.4 22.0 9.4 ± 0.2 57.1
YN150 22.0 1.7 ± 0.2 92.4 22.0 10.0 ± 0.1 54.0
YN12 22.0 1.7 ± 0.2 92.1 22.0 5.7 ± 1.0 52.9
YN47 22.0 1.8 ± 0.1 91.8 22.0 8.1 ± 0.2 62.6
라. 암모니아성 질소 스크린 결과
150개 균주에 대한 암모니아성 질소 스크린에서는 34개 균주가 호기에서 70%이상의 제거 효율을 보였으며, 혐기에서는 4개의 균주가 70% 이상의 제거 효율을 보였다. 표 2에서는 호기 조건과 통성혐기 조건에서의 암모니아성 질소 제거율을 나타내고 있다. YA36은 호기 조건에서 24시간 동안 84.9%의 제거율을 보였으며, 통성 혐기 조건에서는 64.0%의 제거율을 보였다(표 2).
(단위: NH3 mg/ℓ)
호기 배양 통성혐기 배양
0h 24h 제거율(%) 0h 24h 제거율 (%)
YA36 35.0 5.3 ± 0.7 84.9 35.0 12.6 ± 0.5 64.0
YA2 35.0 5.4 ± 0.4 84.4 35.0 12.6 ± 0.3 64.3
YA129 35.0 5.9 ± 0.2 83.4 35.0 24.8 ± 0.3 29.0
YA118 35.0 6.0 ± 0.2 82.8 35.0 8.1 ± 1.4 76.6
YA32 35.0 6.4 ± 0.4 81.8 35.0 14.2 ± 0.5 59.7
3. 회분식 실험
질산성 질소와 암모니아성 질소의 제거에 대한 회분식 실험에서는 스크린 테스트에서 선별된 10개 균주인 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp . cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47, 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32를 혼합하여 호기와 혐기 조건으로 각각의 제거능을 확인하였다.
가. 균주 배양
선별된 고효율의 상기 10개 균주를 혼합하여 500㎖의 NB 배지가 들어있는 1 L 병(bottle)에서 배양하였다. 호기 조건은 진탕 배양(35℃, 150rpm)하였으며, 통성혐기 조건은 CO2 기체로 1 분간 버블링 후, 35℃에서 3일간 배양하였다.
나. 균체의 수집(Cell harvest)
배양 후 원심분리기(CENTRIKON T-124, KONTRON, Italy)를 사용하여 6,000rpm으로 20분간 원심분리 하여 균 세포를 얻은 후, 습윤 중량을 측정하였다.
다. 접종 및 회분식 실험
회분식 배양기에 염색 폐수 2 L를 넣고 원심분리 하여 얻은 균체 1.0 g/ L (w/w)을 접종하였다. 회분식 배양기의 호기 조건은 D.O 2.5~3.0 mg L로 유지하였으며, 혐기 조건은 D.O 0.5mg/ L 이하로 유지하였다. 배양 조건은 35℃를 유지하였으며, 계속 혼합하여 주었다.
라. 질소 제거 실험
(1) 통성혐기조건
질산성 질소 제거 고효율 균주 YN14, YN19, YN150, YN12, YN47 5개와 암모니아성 질소 제거 고효율 균주 YA36, YA2, YA129, YA118, YA32 5개를 혼합하여 배양한 후, 호기 조건과 혐기 조건에서 유기물(CODMn), 질산성 질소(NO3-N), 암모니아성 질소(NH3-N)을 측정하였다.
통성혐기 조건에서의 회분식 실험결과, 표 3 및 도 1에 나타난 바와 같이 유기물은 48.1%가 제거되었으며, 질산성 질소는 91.9%, 암모니아성 질소는 64.7%의 제거율을 보였다.
(Unit: mg/ L)
시간(hours) CODMn NO3-N NH3-N
0 187.8 20.4 13.4
5 174.4 17.8 5.2
10 160.3 18.5 5.2
15 143.7 12.7 5.1
20 135.6 2.8 7.5
25 143.0 1.6 5.7
40 97.4 1.7 4.7
제거율(%) 48.1 91.9 64.7
(2) 호기 조건
호기 조건에서의 유기물 제거율은 도 2 및 표 4에 나타난 바와 같이 60.7%로 나타났고, 질산성 질소와 암모니아 질소의 제거율은 각각 62.5%와 72.3%의 제거율을 보였다.
(Unit: mg/ L)
Time(hours) CODMn NO3-N NH3-N
0 187.8 20.4 13.4
5 154.6 19.9 5.6
10 146.1 17.2 6.1
15 106.6 13.8 5.0
20 86.1 12.1 5.6
25 79.1 9.6 5.3
40 73.9 7.6 3.7
Rem.(%) 60.7 62.5 72.3
(3)소결
혼합 균주의 회분식 실험결과, 유기물의 제거는 호기 조건에서 더 높은 효율을 보이고 있었다. 질산성 질소의 제거의 경우, 통성 혐기 조건 하에서 91.9%의 높은 제거효율을 보여주었고, 암모니아성 질소의 제거는 호기 조건에서 72.3%로 혐기 조건보다 높게 나타났다. 그러나, 호기 조건 및 통성 혐기 조건 모두에서 유기물 및 질소에 대한 우수한 제거율을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
4. 파일럿 플랜트 실험
(1) 파일럿 플랜트의 구성
도 3에 도시된 바와 같이 혐기조(Anaerobic), 무산소조(Anoxygenic), 호기조(Aerobic)로 이루어진 파일럿 플랜트를 제조하였다. 호기조는 블로어(Blower)를 이용하여 공기를 공급하였으며, 모터(M;moter)를 이용하여 지속적으로 혼합하여주었다. 혼합 균주는 0.5 g/L로 접종하였으며, 펌프 (pump)를 이용하여 실폐수를 유입 (Influence)하였다. 주입된 실폐수는 혐기조와 무산소조는 HRT 4 hr으로 통과하였고, 호기조는 HRT 8 hr으로 통과하였다. 유기물 및 질소 농도를 유입부 (Influence)와 유출부 (Effluence)에서 측정하였다. 호기조까지 통과한 실폐수는 침점조(settlement)에서 혼합 균주를 침전시킨 후, 다시 혐기조로 운반하였다(recycle). 도 4는 상기와 같이 제조된 실제 장치를 나타낸 사진이다.
(2)파일럿 플랜트의 설계 인자
1) 혐기조
-체류시간 ; 4.0 hr
-용적 계산 ; 4.0 hr X 20 m3/day/24 hr = 3.33 m3
2) 무산소조
-체류시간 ; 4.0 hr
-용적 계산 ; 4.0 hr X 20 m3/day/24 hr = 3.33 m3
3) 호기조
-체류시간 ; 8.0 hr
-용적 계산 ; 8.0 hr X 20 m3/day/24 hr = 6.66 (7) m3
-유입 BOD 농도 ; 250 mg/L
-유입 BOD 량 (L) ; 5 kgBOD/day
-MLVSS (X) ; 3,000 mg/L
-BOD 부하량 (R) ; 0.60 kgBOD/m3·day
(3) 혐기 및 호기 조건에 따른 염료의 탈색 효과
파일럿 플랜트에 혼합 균주를 접종한 후 색측정(colorimetry) 기기를 이용하여 염료의 탈색 효과를 측정하였다. 혐기조와 호기조에서 시료를 채취하여 각각 확인해본 결과 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 혐기조에서의 탈색 효과가 더 좋은 것을 확인하였다.
(4) 염색 폐수 내 제거 효과
혼합 균주는 0.5 g/L로 접종하였으며, 펌프 (pump)를 이용하여 실폐수를 유입(Influence)하였다. 주입된 실폐수는 혐기조와 무산소조는 HRT 4 hr으로 통과하였고, 호기조는 HRT 8 hr으로 통과하였다. 유기물, 질소 및 인 농도를 유입부 (Influence)와 유출부(Effluence)에서 측정하였다.
표 5는 파일럿 플랜트에 혼합 균주만 접종하였을 때의 결과이며, 혼합 균주만 접종하였을 때 유기물은 70.9, 79.1, 72.5%의 제거율을 보였고, 암모니아성 질소는 60.6, 61.0, 59.5%의 제거율을 보였다. 질산성 질소의 경우 84.7, 83.6, 84.2%의 제거율을 보였다.

시작(초기) 1일 2일
결과(mg/l) 제거율(%) 결과(mg/l) 제거율(%) 결과(mg/l) 제거율(%)
COD 유입부 2848 2720 2792
유출부 828 70.9 568 79.1 768 72.5
NH3-N 유입부 20.3 21.8 21.0
유출부 8.0 60.6 8.5 61.0 8.5 59.5
NO3 --N 유입부 72.0 70.0 73.0
유출부 11.0 84.7 11.5 83.6 11.5 84.2
표 6은 혼합 균주와 슬러지(sludge)를 같이 접종했을 때의 결과이다. 슬러지는 침전조에서 혼합 균주의 침전을 유도하였다. 혼합 균주와 슬러지를 같이 접종하였을 때 유기물은 72.9, 74.8, 73.4%의 제거율을 보였고, 암모니아성 질소는 64.3, 63.8, 65.5%의 제거율을 보였다. 질산성 질소의 경우 86.3, 86.5, 83.9%의 제거율을 보였다.

시작(초기) 1일 2일
결과(mg/l) 제거율(%) 결과(mg/l) 제거율(%) 결과(mg/l) 제거율(%)
COD 유입부 2920 2586 2642
유출부 792 72.9 652 74.8 702 73.4
NH3-N 유입부 20.3 40.0 34.8
유출부 7.3 64.3 14.5 63.8 12.0 65.5
NO3 --N 유입부 69.5 18.5 15.5
유출부 9.5 86.3 2.5 86.5 2.5 83.9
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
농업생명공학연구원 KACC92012 20141204

Claims (20)

  1. 질산성 질소 제거 균주 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp. cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47; 및 암모니아성 질소 제거 균주 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)인, 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수한 혼합 균주.
  2. 삭제
  3. 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수하며, 질산성 질소 제거 균주 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp. cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47; 및 암모니아성 질소 제거 균주 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P) 또는 이의 배양액을 포함하는, 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거용 조성물.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 염색 폐수는 유기물, 질산성 질소(NO3-N) 및 암모니아성 질소(NH3-N)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거용 조성물.
  6. 염색 폐수 내 유기물 및 질소 제거능이 우수하며, 질산성 질소 제거 균주 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp. cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47; 및 암모니아성 질소 제거 균주 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P) 또는 이의 배양액을 이용하여 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계를 포함하는 염색 폐수 처리 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 염색 폐수 내 질소는 질산성 질소(NO3-N), 암모니아성 질소(NH3-N) 또는 이들이 혼합된 질소인 염색 폐수 처리 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 염색 폐수에 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)를 접종하고, 혐기 분위기, 무산소 분위기 및 호기 분위기에서 순차적으로 배양하여 수행되는 염색 폐수 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 혐기 분위기는 D.O 0.5 mg/L 이하의 통성 혐기 조건이며, 상기 호기 분위기는 D.O 2.5 내지 3.0 mg/L의 호기 조건인 염색 폐수 처리 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 혐기 분위기 및 무산소 분위기에서의 체류 시간은 각각 2 내지 6 시간이며, 상기 호기 분위기에서의 체류 시간은 6 내지 10 시간인 염색 폐수 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 혼합 균주는 슬러지와 함께 염색 폐수 내 유기물 및 질소를 제거하는 단계에 투입되는 염색 폐수 처리 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 혼합 균주는 염색 폐수 1 L 당 0.1 내지 2g/L(w/w)의 양으로 이용되는 염색 폐수 처리 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 33 내지 37℃의 온도 조건에서 수행되는 염색 폐수 처리 방법.
  15. 제6항에 있어서, 상기 유기물 및 질소를 제거하는 단계는 6 내지 8의 pH에서 수행되는 염색 폐수 처리 방법.
  16. 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하며, 상기 혐기조는,
    질산성 질소 제거 균주 엔테로박터 클로아케(Enterobacter cloacae subsp. cloacae) YN14, 바실러스 안트라시스(Bacillus anthracis) YN19, 오크로박트럼 오리재(Ochrobactrum oryzae) YN150, 바실러스 안트라시스 (Bacillus anthracis) YN12 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) YN47; 및 암모니아성 질소 제거 균주 리시니바실러스 마크로이데스(Lysinibacillus macroides) YA36, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) YA2, 엔테로박터 히래(Enterobacter hirae) YA129, 엔테로박터 아스부리애(Enterobacter asburiae) YA118 및 리시니바실러스 마크로이데스 (Lysinibacillus macroides) YA32로 이루어진 혼합 균주 NIX60(KACC92012P)를 포함하는 염색 폐수 처리 장치.
  17. 삭제
  18. 제16항에 있어서, 상기 염색 폐수 처리 장치는 침전조를 추가로 포함하는 염색 폐수 처리 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 호기조의 유입 BOD 농도는 200 내지 300 mg/L이고, 유입 BOD량은 1 내지 10 kgBOD/day인 염색 폐수 처리 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 혐기조는 슬러지를 추가로 포함하는 염색 폐수 처리 장치.
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