KR102213392B1 - 빛 조사를 통한 미생물의 정족수 감지 억제방법 및 생물오염 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빛 조사를 통한 미생물의 정족수 감지 억제방법과 광분해에 의한 생물오염 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛 조사에 의해 액체 내 존재하는 감광제에 의해 생성되는 산화제가 미생물의 신호전달물질을 불활성화시키는 과정을 통해 미생물의 정족수 감지를 억제하는 방법과 생물오염을 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 미생물의 정족수 감지 억제방법 및 광분해에 의한 생물오염 제어방법은 미생물의 소통에 작용하는 신호분자물질을 불활성화시키는 과정을 포함하여, 미생물이 군집을 이루어 발생하게 되는 정족수 감지와 생물막 형성을 억제 또는 저감시킴으로써 생물오염 현상을 억제하고 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 환경 분야의 고도 수처리 과정 중 분리막의 오염 현상을 차단하고 각종 산업에서 사용되는 기계 또는 기구 등과 접촉하여 발생되는 생물오염을 차단하며, 생물막 형성의 제어에 의해 병원균 증식과 관련하여 의료 분야에서도 기술적으로 적용이 가능하다.
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또한, 환경 분야의 고도 수처리 과정 중 분리막의 오염 현상을 차단하고 각종 산업에서 사용되는 기계 또는 기구 등과 접촉하여 발생되는 생물오염을 차단하며, 생물막 형성의 제어에 의해 병원균 증식과 관련하여 의료 분야에서도 기술적으로 적용이 가능하다.
Description
본 발명은 빛 조사를 통한 미생물의 정족수 감지 억제방법과 광분해에 의한 생물오염 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛 조사에 의해 액체 내 존재하는 감광제에 의해 생성되는 산화제가 미생물의 신호전달물질을 불활성화시키는 과정을 통해 미생물의 정족수 감지를 억제하는 방법과 생물오염을 제어하는 방법에 관한 것이다.
근래에 종래의 물리화학적 또는 생물학적 수처리 공정에 대한 대안으로서 생물학적 수처리 반응기(생물반응조)에 막분리 공정을 결합한 분리막 생물반응기 공정이 최근에 활발히 연구되고 있으며, 실제 공정에도 널리 적용되고 있다.
분리막 생물반응기 (membrane bioreactor, MBR) 공정이란 일반적인 활성 Fs슬러지 공법 (conventional activated sludge, CAS)에 분리막 공정을 결합하여 각각의 장점을 극대화한 것으로, MBR 공정은 기존의 활성 슬러지 공법에 비해서 설비 면적이 좁으며 외부 충격 부하에도 안정적으로 운전하여 높은 수질의 여과수를 얻을 수 있고 또한 자동화에 용이하므로, 다국적 기업 및 국내 대기업들도 사업에 참여하고 있다.
그러나 MBR 공정은 운전이 진행됨에 따라 반응기 내부에 존재하는 박테리아, 곰팡이, 조류(algae) 등과 같은 미생물들이 분리막 표면에서 부착성장(attached growth)을 시작하여, 수십 마이크로미터 내외의 두께를 가지는 막(film), 즉 생물막(biofilm)을 형성하며 표면을 덮게 되며, 이로 인해 분리막이 오염되는 문제를 지니고 있다. 생물막은 분리막의 여과 성능을 저하시키고 에너지 소모를 가중시키며, 여과수량이 감소하거나 분리막의 세정주기 및 수명이 단축되는 등의 문제로 인해 분리막 생물반응기 공정의 경제성을 악화시킨다.
이와 같은 문제 해결을 위해 다양한 물리적 방법과 화학적 방법이 연구되어 왔다. 대표적인 분리막 표면의 생물막 저감 기술의 물리적인 방법으로는 폭기를 통한 전단력 증가에 의한 생물막 탈리 유도와 역세척을 통한 생물막 탈리 등의 방법이 있으며, 화학적인 방법으로는 입자 크기를 증가시키기 위한 고분자 응집제의 주입 혹은 분리막 표면의 친수성을 증가시키기 위한 개질 등의 방법이 있다.
하지만, 이러한 연구들은 미생물의 생장에 필요한 수분과 양분이 어디에나 존재하는 수처리 공정의 특성과 분리막의 여과 방향으로 폐수가 유동하다는 점 및일단 형성되면 외부의 물리·화학적 충격에 높은 내성을 가지는 생물막 자체의 특성상 지금까지 만족할 만한 수준의 해결책이 되지 못하고 있다. 따라서, 생물막 오염 현상의 근본적인 해결을 위해서는 미생물의 특성에 대한 이해와 이를 바탕으로 한 생물학적 접근법이 절실한 실정이다.
미생물들은 온도, pH, 양분 등 여러 가지 주위 환경의 변화에 반응하여 특정 신호분자를 합성하고 이를 세포 외로 배출/흡수하는 방법으로 주변의 세포 밀도를 인지한다. 세포 밀도가 증가하여 이러한 신호분자의 농도가 일정수준에 이르게 되면 특정 유전자의 발현이 시작되고 그 결과 미생물 집단의 생리현상이 조절 (group behavior regulation)되는데, 이를 정족수 감지 (quorum sensing) 현상이라고 하며, 일반적으로 세포의 밀도가 높은 환경 하에서 발생한다. 이러한 정족수 감지 현상으로 미생들은 독성 (virulence), 생물막 형성 (biofilm formation), 접합 (conjugation), 포자 형성 (sporulation) 등의 집단 행동을 나타낸다.
이러한 정족수 감지 현상 억제 (quorum quenching) 방법은 생물막 오염의 주요 원인인 미생물간의 신호전달 물질을 억제하여 군집(미생물 층)을 형성하는 것을 차단함으로써 생물막 오염의 본질적인 원인을 파악하고 이를 해결하기 위한 가장 효율적인 방안으로서 각광받고 있다.
이에 따라, "대한민국 등록특허 10-1903043호"에서는 하·폐수의 슬러지를 침전시켜 제거하는 침전조와 미량유해물질을 산화·분해하는 생물막처리조, 오존공급부, 과산화수소공급부, UV 조사부, 고도산화처리조, 흡착조 및 소독조로 이루어지는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 고도산화, 흡착시스템을 개시하고 있으나, 유해물질을 처리하는 시스템이 복잡하며 미생물이 형성하는 생물막을 이용하여 유해물질을 분해하는 과정만 개시할 뿐, 유해물질의 처리 과정에 대한 구체적인 실시예에 대한 내용이 개시되어 있지 않다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 미생물의 정족수 감지 억제방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 적용한 분리막 생물반응기 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은
미생물 및 감광제가 존재하는 액체에 파장이 300 내지 400 nm인 빛을 조사하는 제 1단계;
상기 조사된 빛에 의해 상기 감광제가 활성화되는 제 2단계;
상기 활성화된 감광제로부터 산화제를 생성하는 제 3단계; 및
상기 산화제에 의해 미생물의 신호분자물질이 불활성화되는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물의 정족수 감지 억제방법을 제공한다.
상기 다른 목적을 해결하기 위하여 본 발명은
미생물 및 질산성 이온이 존재하는 수용액에 파장이 300 내지 400nm인 빛을 조사하는 (a)단계;
상기 조사된 빛에 의해 상기 질산성 이온이 활성화되는 (b)단계;
상기 활성화된 질산성 이온으로부터 산화제를 생성하는 (c)단계; 및
상기 산화제에 의해 미생물의 신호분자물질이 불활성화되는 (d)단계를 포함하고,
상기 신호분자물질의 불활성화로 인해 정족수 감지 현상이 억제되는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 제공한다.
상기 또 다른 목적을 해결하기 위하여 본 발명은
광분해에 의한 생물오염 제어방법을 적용한 분리막 생물반응기 시스템을 제공한다.
본 발명의 미생물의 정족수 감지 억제방법 및 광분해에 의한 생물오염 제어방법은 미생물의 소통에 작용하는 신호분자물질을 불활성화시키는 과정을 포함하여, 미생물이 군집을 이루어 발생하게 되는 정족수 감지와 생물막 형성을 억제 또는 저감시킴으로써 생물오염 현상을 억제하고 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 환경 분야의 고도 수처리 과정 중 분리막의 오염 현상을 차단하고 각종 산업에서 사용되는 기계 또는 기구 등과 접촉하여 발생되는 생물오염을 차단하며, 생물막 형성의 제어에 의해 병원균 증식과 관련하여 의료 분야에서도 기술적으로 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 분리막 생물반응기를 그림으로 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(A단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(A단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(B단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(B단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(C단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(C단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(D단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(D단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 생물막 분리반응기 멤브레인의 CLSM (Confocal laser scanning microscope) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 A, B, C, 및 D 단계에서의 DPD 농도 변화에 기반한 AI-2의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실험예에 따른 중탄산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 DPD의 분해효율 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실험예에 따른 중탄산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C6-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 8c는 본 발명의 일 실험예에 따른 중탄산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C8-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실험예에 따른 질산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 DPD의 분해효율 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 일 실험예에 따른 질산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C6-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 9c는 본 발명의 일 실험예에 따른 질산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C8-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 가용성 미생물의 생성물의 단백질 및 다당류 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 세포 외 고분자 물질의 단백질 및 다당류 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 혼합물 부유 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS) 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 침전물 크기(floc size)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 총 유기 탄소(total organic carbon, TOC) 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD) 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 총 질소(total nitrogen, TN)량 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 총 인(total phosphorus, TP)량 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 NH4 +-N량 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(A단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(A단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(B단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(B단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(C단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(C단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(D단계)에 따른 막 오염 분리지표를 나타난 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예 및 비교예(D단계)에 따른 막 오염 제어 기간을 나타난 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 생물막 분리반응기 멤브레인의 CLSM (Confocal laser scanning microscope) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 A, B, C, 및 D 단계에서의 DPD 농도 변화에 기반한 AI-2의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실험예에 따른 중탄산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 DPD의 분해효율 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실험예에 따른 중탄산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C6-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 8c는 본 발명의 일 실험예에 따른 중탄산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C8-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실험예에 따른 질산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 DPD의 분해효율 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 일 실험예에 따른 질산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C6-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 9c는 본 발명의 일 실험예에 따른 질산염을 첨가한 회분식 MBR 내 UV의 조사 유무에 따라 나타나는 C8-HSL의 분해효율 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 가용성 미생물의 생성물의 단백질 및 다당류 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 세포 외 고분자 물질의 단백질 및 다당류 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 혼합물 부유 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS) 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 침전물 크기(floc size)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 총 유기 탄소(total organic carbon, TOC) 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD) 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 총 질소(total nitrogen, TN)량 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 총 인(total phosphorus, TP)량 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 NH4 +-N량 제거율을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 빛 조사를 통해 액체 내 존재하는 감광제에 의해 생성되는 산화제가 미생물의 신호전달물질을 불활성화시키는 과정을 통해 미생물의 정족수 감지를 억제하는 방법과 생물오염을 제어하는 방법에 관한 것이다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 미생물 및 감광제가 존재하는 액체에 파장이 300 내지 400 nm인 빛을 조사하는 제 1단계; 상기 조사된 빛에 의해 상기 감광제가 활성화되는 제 2단계; 상기 활성화된 감광제로부터 산화제를 생성하는 제 3단계; 및 상기 산화제에 의해 미생물의 신호분자물질이 불활성화되는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물의 정족수 감지 억제방법을 제공한다.
미생물들은 온도, pH, 양분 등 여러 가지 주위 환경의 변화에 반응하여 특정 신호분자를 합성하고 이를 세포 외로 배출/흡수하는 방법으로 주변의 세포 밀도를 인지한다. 세포 밀도가 증가하여 이러한 신호분자의 농도가 일정수준에 이르게 되면 특정 유전자의 발현이 시작되고 그 결과 미생물 집단의 생리현상이 조절 (group behavior regulation)되는데, 이를 정족수 감지 (quorum sensing) 현상이라고 하며, 일반적으로 세포의 밀도가 높은 환경 하에서 발생한다. 이러한 정족수 감지 현상으로 미생들은 항생제 생산(antibiotic production), 공생(symbiosis), 독성 (virulence), 경쟁(competetion), 생물막 형성 (biofilm formation), 접합 (conjugation), 포자 형성 (sporulation) 등의 집단 행동을 나타낸다.
이러한 정족수 감지 현상 억제 (quorum quenching)를 위하여 생물막 오염의 주요 원인인 미생물간의 신호전달물질을 억제하여 군집(미생물 층)을 형성하는 것을 차단할 수 있으며, 이는 가장 효율적인 정족수 억제방법 중 하나이다.
종래의 정족수 억제에는 정족수 억제 미생물이 사용되어왔으며, 로도코쿠스 BH4 (Rhodococcus sp. BH4), 아세니토박터 DKY-1 (Acinetobacter sp. DKY-1), 수도모나스(Pseudomonas sp. Li4-2, Pseudomonas sp. 1A1), 바실러스(Bacillus methylotrophicus와 Bacillus amyloliquefaciens), 칸디다 알비칸스(Candida albicans), 아쓰로박터(Arthrobacter sp. MP1-2), 델프티마(Delftia sp. Le2-5) 및 랄스토니아(Ralstonia sp. XJ12B)가 있다. 이러한 정족수 억제 미생물은 생물막 형성을 억제하는 효소 또는 정족수 감지 억제 효소를 생산할 수 있다.
로도코쿠스 BH4는 정족수 감지 기작에 이용되는 신호전달 물질 중 하나인 아실 호모세린 락톤(AHL)의 효소적 분해를 통해 신호물질을 무력화시킴으로써 미생물에 의한 생물막 형성을 저해할 수 있으며, 아세니토박터 DKY-1는 미생물 종 간의 정족수 감지에 이용되는 제 2유형 신호전달물질(autoinducer-2, AI-2)를 분해하는 화학물질을 생성하여 세포 외로 배출시켜 정족수 기작을 방해할 수 있다고 알려져 있다.
본 발명의 미생물 정족수 감지 억제방법은 300 내지 400 nm 파장의 빛에 의해 감광제가 활성화되어 생성되는 산화제에 의한 것으로, 미생물의 신호분자물질을 불활성화함으로써 정족수 감지를 억제할 수 있다. 이러한 감광제는 질산성 이온, 중탄산염 이온, 자연산 유기물, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
질산성 이온은 폐수 중에 존재하는 가장 흔한 감광제의 하나로 빛을 받아서 반응성 산소 종(reactive oxygen species)을 생성할 수 있으며, 이렇게 발생되는 반응성 산소 종에 의해 미생물의 정족수 억제방법에 적용될 수 있다. 빛을 받아 반응성 산소 종을 생성할 수 있는 물질, 즉 감광제로는 질산성 이온 외에도 중탄산염, 자연산 유기물, 단백질 성분 등이 있을 수 있다.
본 발명의 미생물의 정족수 억제방법에 적용되는 빛은 바람직하게는 300 내지 400 nm 파장의 빛일 수 있으며, 이러한 빛은 인공의 자외선 광 외에 자연 태양광도 포함할 수 있다. 이때, 조사되는 자외선 광은 종래의 미생물 살균에 사용되는 100 내지 280 nm의 자외선 C보다 더 긴 파장(300 내지 400 nm)의 자외선 A로, 미생물의 DNA를 파괴, 분해 또는 변형시켜 미생물을 살균하는 자외선 C와는 달리 미생물간 신호전달물질을 불활성화하여 신호분자에 의한 생물막 형성 등과 같은 집단 행동을 억제함으로써 결과적으로 미생물의 정족수 감지 현상을 제어할 수 있다. 또한, 자외선 A는 미생물이 생존할 수 있는 빛의 파장 범위로서, 각종 오염물질 또는 하·폐수 처리과정에서 생물학적으로 유용한 역할을 수행하는 미생물을 해치지 않고 정족수 감지에 의한 오염을 제어할 수 있어 종래의 자외선 C와는 미생물에 의한 오염을 억제하는 작용기전과 그에 따른 효과가 상이할 수 있다.
본 발명의 미생물의 정족수 억제방법에서 빛 조사에 의해 활성화된 질산성 이온으로부터 생성되는 산화제는 미생물의 신호분자물질 불활성화 이외의 미생물의 다른 대사경로에 영향을 미치지 않을 수 있다. 산화제의 활성화 유무에 따른 가용성 미생물의 생성물(soluble microbial products, SMP)과 세포 외 고분자(extracellular polymeric substances, EPS) 각각의 단백질 및 다당류의 농도를 하기 실시예와 실험예를 통해 확인하였으며, 산화제 활성화 유무에 관계없이 각각 단백질 및 다당류의 함량 비율이 유사한 것을 확인할 수 있었다. 또한, MBR 내 혼합물 부유 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS)량, 침전물 크기(floc size), 총 유기 탄소(total organic carbon, TOC)량, 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD), 총 질소(total nitrogen, TN)량, 총 인(total phosphorus, TP)량 및 NH4 +-N량을 측정하여 빛 조사에 의해 활성화된 질산성 이온으로부터 생성되는 산화제에 의한 영향이 없는지 하기 실시예와 실험예를 통해 확인하였으며, 산화제 활성화 유무에 관계없이 각각의 함량, 크기, 제거효율이 일정한 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 빛 조사를 통한 정족수 억제방법이 생물오염을 야기하는 생물막 형성과 같은 미생물의 집단 행동을 차단하기 위한 신호분자물질을 불활성화하면서도 이외의 다른 미생물의 대사 경로를 방해하거나 변경시키지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 미생물의 신호분자물질 불활성화 작용 외에 MBR 가동을 위해 필요한 물질들에 영향을 미치지 않으며, 생물학적 폐수처리효율과 MBR에 필요한 생물학적 성능을 유지하고, 신호분자물질 불활성화 외 다른 미생물의 대사작용에 영향을 미치지 않음을 의미할 수 있다. 따라서, 자외선 C에 의한 살균과 다르게 미생물과 유기물의 변형을 유발하지 않으며, 정족수 감지만을 선택적으로 억제하여 다른 생물학적 성능, 효과 또는 기전에 영향을 미치지 않을 수 있다.
본 발명에서 산화제는 광조사에 의해 생성되는 반응성 산소 종으로 미생물의 정족수 억제방법에서 정족수 억제에 기여할 수 있으며, 하이드록실 라디칼(·OH), 산화라디칼 이온(O·-), 산소원자종(O(3p)) 등이 있고, 바람직하게는 하이드록실 라디칼, 산화라디칼 이온 및 산소 원자로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
신호분자물질의 불활성화는 상기 빛의 조사량 또는 빛의 조사 시간 중 선택되는 어느 하나 이상에 의해 조절될 수 있다. 빛을 연속적으로 조사한 경우와 간헐적으로 조사한 경우를 나누어 하기 실시예와 실험예를 통해 정족수 억제 감지 효과를 확인하였으며, 빛이 지속적으로 조사되거나 또는 빛의 조사량이 많을 경우 더 큰 정족수 억제 감지 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 미생물 및 질산성 이온이 존재하는 수용액에 파장이 300 내지 400nm인 빛을 조사하는 (a)단계; 상기 조사된 빛에 의해 상기 질산성 이온이 활성화되는 (b)단계; 상기 활성화된 질산성 이온으로부터 산화제를 생성하는 (c)단계; 및 상기 산화제에 의해 미생물의 신호분자물질이 불활성화되는 (d)단계를 포함하고, 상기 신호분자물질의 불활성화로 인해 정족수 감지 현상이 억제되는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 제공한다.
(A)단계의 수용액에는 질산성 이온, 중탄산염 이온, 자연산 유기물, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 감광제를 투입할 수 있다. 생물오염이 유발된 미생물이 존재하는 수중에는 자연적으로 질산성 이온이 함께 존재할 수 있다. 이렇듯 본래 수중에 존재하는 질산성 이온이 감광제의 역할을 하여 빛을 받게되어 활성화되면 산화제를 생성하여 미생물의 신호분자물질을 불활성화시킬 수 있다. 본 발명에서는 미생물과 질산성 이온이 존재하는 수용액의 더 효율적인 정족수 감지 현상 억제를 통한 생물오염 제어를 위해 추가적으로 감광제를 투입할 수 있다.
종래의 광 분해에 의한 생물오염 제어방법은 100 내지 280nm의 자외선 C를 이용하여 미생물의 DNA를 파괴, 분해 또는 변형시켜 미생물을 살균하는 방법을 적용해왔으나, 본 발명의 광분해에 의한 생물오염 제어방법은 자외선 C보다 더 긴 파장의 빛을 조사하여 미생물간 신호분자물질을 불활성화하여 신호분자에 의한 생물막 형성과 같은 미생물의 집단 행동으로 억제함으로써 생물오염을 제어할 수 있다.
본 발명의 미생물의 정족수 억제방법에 적용되는 빛은 바람직하게는 300 내지 400 nm 파장의 빛일 수 있으며, 이러한 빛은 인공의 자외선 광 외에 자연 태양광도 포함할 수 있다. 300 내지 400 nm 파장의 자외선(자외선 A)은 미생물이 생존할 수 있는 빛의 파장 범위로서, 각종 오염물질 또는 하·폐수 처리과정에서 생물학적으로 유용한 역할을 수행하는 미생물을 해치지 않고 정족수 감지 현상에 의한 오염을 제어할 수 있어 종래의 자외선 C와는 미생물에 의한 오염을 억제하는 작용기전과 그에 따른 효과가 상이할 수 있다.
본 발명의 광분해에 의한 생물오염 제어방법은 300 내지 400 nm 파장의 빛에 의해 질산성 이온이 활성화되어 생성되는 산화제에 의한 것으로, 미생물의 신호분자물질을 불활성화함으로써 정족수 감지를 억제하고 이를 통해 생물오염을 제어할 수 있다.
질산성 이온은 폐수 중에 존재하는 가장 흔한 감광제의 하나로 빛을 받아서 반응성 산소 종(reactive oxygen species)을 생성할 수 있으며, 이렇게 발생되는 반응성 산소 종에 의해 미생물의 정족수 억제방법에 적용될 수 있다. 빛을 받아 반응성 산소 종을 생성할 수 있는 물질, 즉 감광제로는 질산성 이온 외에도 중탄산염, 자연산 유기물, 단백질 성분 등이 있을 수 있다.
이러한 장파장의 빛과 감광제에 의한 신호분자물질의 불활성화는 빛의 조사량 또는 빛의 조사 시간 중 선택되는 어느 하나 이상에 의해 조절될 수 있다. 빛을 연속적으로 조사한 경우와 간헐적으로 조사한 경우를 나누어 하기 실시예와 실험예를 통해 정족수 억제 감지 효과를 확인하였으며, 빛이 지속적으로 조사되거나 또는 빛의 조사량이 많을 경우 더 큰 정족수 억제 감지 효과를 나타낼 수 있다.
또한 본 발명의 생물오염 제어방법은 신호분자물질의 불활성화에 의해 생물막 형성이 감소되거나 생물막이 제거될 수 있다. 정족수 감지 현상을 억제하여 생물오염을 제어함으로, 미생물이 생성하는 신호분자에 의해 형성되는 생물막을 제거하거나 또는 그 형성을 감소시켜 오염을 억제할 수 있다.
본 발명의 미생물의 정족수 억제방법에서 빛 조사에 의해 활성화된 질산성 이온으로부터 생성되는 산화제는 미생물의 신호분자물질 불활성화 이외의 미생물의 다른 대사경로에 영향을 미치지 않을 수 있다. 산화제의 활성화 유무에 따른 가용성 미생물의 생성물(soluble microbial products, SMP)과 세포 외 고분자(extracellular polymeric substances, EPS) 각각의 단백질 및 다당류의 농도를 하기 실시예와 실험예를 통해 확인하였으며, 산화제 활성화 유무에 관계없이 각각 단백질 및 다당류의 함량 비율이 유사한 것을 확인할 수 있었다. 또한, MBR 내 혼합물 부유 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS)량, 침전물 크기(floc size), 총 유기 탄소(total organic carbon, TOC)량, 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD), 총 질소(total nitrogen, TN)량, 총 인(total phosphorus, TP)량 및 NH4 +-N량을 측정하여 빛 조사에 의해 활성화된 질산성 이온으로부터 생성되는 산화제에 의한 영향이 없는지 하기 실시예와 실험예를 통해 확인하였으며, 산화제 활성화 유무에 관계없이 각각의 함량, 크기, 제거효율이 일정한 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 빛 조사를 통한 정족수 억제방법이 생물오염을 야기하는 생물막 형성과 같은 미생물의 집단 행동을 차단하기 위한 신호분자물질을 불활성화하면서도 이외의 다른 미생물의 대사 경로를 방해하거나 변경시키지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 미생물의 신호분자물질 불활성화 작용 외에 MBR 가동을 위해 필요한 물질들에 영향을 미치지 않으며, 생물학적 폐수처리효율과 MBR에 필요한 생물학적 성능을 유지하고, 신호분자물질 불활성화 외 다른 미생물의 대사작용에 영향을 미치지 않음을 의미할 수 있다. 따라서, 자외선 C에 의한 살균과 다르게 미생물과 유기물의 변형을 유발하지 않으며, 정족수 감지만을 선택적으로 억제하여 다른 생물학적 성능, 효과 또는 기전에 영향을 미치지 않을 수 있다.
본 발명에서 산화제는 광조사에 의해 생성되는 반응성 산소 종으로 미생물의 정족수 억제방법에서 정족수 억제에 기여할 수 있으며, 하이드록실 라디칼(·OH), 산화라디칼 이온(O·-), 산소원자종(O(3p)) 등이 있고, 바람직하게는 하이드록실 라디칼, 산화라디칼 이온 및 산소 원자로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 적용한 분리막 생물반응기 시스템(membrane bioreactor system, MBR system)을 제공한다. 분리막 생물반응기 시스템은 기존 생물학적 처리공정의 최종 처리단계로 사용되는 침전조를 대신하여 분리막을 이용하는 처리 공정 시스템으로, 반응기내의 미생물 농도를 높게 유지하여 유기물, 질소성분 등의 처리효율을 높이고, 또한 막에 의해 부유물질, 미생물 등이 제거됨으로써 고·액 분리의 효율을 높이고 기존 생물학적 처리공정의 문제점을 해결할 수 있는 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 분리막 생물반응기는 기존의 재래식 활성슬러지 공정보다 소요부지 면적이 적고 시스쳄의 처리 효율성이 높으며, 환경 분야에서 하폐수 고도처리·담수화 분야에서 적용할 수 있다.
그러나 MBR 운전이 진행됨에 따라 반응기 내부에 존재하는 박테리아, 곰팡이, 조류(algae) 등과 같은 미생물들이 분리막 표면에서 부착성장(attached growth)을 시작하여, 수십 마이크로미터 내외의 두께를 가지는 막(film), 즉 생물막(biofilm)을 형성하며 표면을 덮게 되며, 이로 인해 분리막이 오염되는 문제를 지니고 있다. 미생물이 생성하는 신호분자물질과 이로 인한 정족수 감지 현상에 의해 형성되는 생물막은 분리막의 여과 성능을 저하시키고 에너지 소모를 가중시키며, 여과수량이 감소하거나 분리막의 세정주기 및 수명이 단축되는 등의 문제로 인해 분리막 생물반응기 공정의 경제성을 악화시킨다. 본 발명에 따른 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 적용한 분리막 생물반응기 시스템은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 우수한 효과를 나타내며, 이는 하기 제조예, 실험예, 및 실시예를 통해 확인할 수 있다.
본 발명에서의 생물오염 제어방법은 미생물 및 여러 생물에 의한 환경오염의 악화가 심화됨에 따라 오염을 제거하고 처리할 수 있는 모든 방법들에 적용될 수 있다. 또한, 미생물에 의한 생물막 형성을 제어하여 생물오염을 제어하므로 환경 분야 외에도 각종 산업에서 사용되는 기계 또는 기구 등과 접촉하여 발생되는 생물오염을 차단할 수 있으며, 더 나아가 병원균 증식의 기본 기작이 되는 생물막 형성을 제어할 수 있으므오 이와 관련된 의료 분야에서도 기술적으로 적용이 가능하다.
이하 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 가에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
<실험예>
제조예 1 - 분리막 생물반응기(membrane bioreactor) 제조 및 작동 조건
분리막 생물반응기(MBR)에 사용되는 막은 0.1 ㎛의 기공 사이즈의 polyvinyl difluoride hollow fiber로 제작되었으며, 유효 표면적은 96 cm2이다. 3개의 MBR(Reactor 1, Reactor 2, Reactor 3)은 각각 2 L의 폐수량을 유지하면서 계속해서 폐수가 흐르게 작동시켰으며, 폐수 여과 과정 20분 중 1분간 반응기 작동이 멈추게 하였다. 에어레이션의 에어 펌프와 에어 확산기를 이용하여 MBR에 계속해서 공기를 공급하였으며, 공기의 흐름은 1 L/min의 속도를 유지하게 하였다. MBR 내 폐수의 온도는 25℃를 유지하였으며, 고형물의 체류 기간은 40일, 폐수의 반응기 내 체류시간은 7시간으로 하여 반응기를 작동하였다.
제조예 2 - 회분식 MBR 반응조 제조 및 작동 조건
MBR 내 중탄산염, 질산염, 체외세포 단백질 및 바이오매스를 충분히 공급하고 연속적인 흐름이나 배출없이 일정시간 동안 작동하였으며, MBR 내 공기는 1 L/min으로 주입하였고, pH는 7 내지 8을 유지하였다. 회분식 MBR은 시간에 따른 UV 광분해에 의한 정족수 억제, 즉 분리막 오염을 유발하는 미생물 신호 분자(DPD, AHLs)의 분해정도를 파악하는 불활성화 실험을 실시하기 위하여 활용하였다.
실험예 1 - 분리막 오염지표(transmembrane pressure, TMP) 측정
MBR에서 분리막 오염지표인 TMP를 측정하기 위하여 압력 변환기(ZSE, 40F, SMC, Japan) 및 멀티미터(M-3850D, Metex, Korea)를 이용하여 그 값을 기록하였다.
실험예 2 - CLSM 분석
UV 광분해에 의한 MBR 막 오염 억제 효과가 생물막 형성의 억제에 의한 것인지 확인하기 위하여 상기 제조예 1에 따른 반응기 3개에 각각 무처리, 지속적인 UV 조사, 간헐적인 UV 조사(10분 on, 10분 off) 조건으로 MBR을 작동시킨 후, 무처리한 기존의 MBR의 TMP가 50 kPa에 도달하였을 때 작동을 멈추었다. 이후 멤브레인의 상부, 중간부, 및 하부로부터 오염된 멤브레인의 시험편을 절단하여 SYTP 9 (10㎛)와 함께 30분간 배양하였다. 이후 시험편 표면의 생물막을 CLSM(Confocal laser scanning microscope, LSM 700, Germany)으로 확인하였다.
실험예 3 - 신호 분자 물질의 전구체(DPD)의 농도 측정
정족수 감지 (quorum sensing)의 원인이 되는 미생물의 신호 전달 물질 즉, 신호 분자에 의한 군집 형성을 억제하기 위해서는 근본적으로 신호 분자의 제어가 중요하다. 따라서 본 발명의 UV 조사에 의한 광분해가 제조예 1에 따른 MBR 작동 중 정족수 감지에 의한 생물오염을 억제하는지 확인하기 위하여, 신호 분자 중 하나인 제 2유형 신호전달물질(autoinducer-2, AI-2)의 전구체인 4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione(DPD)의 농도를 측정하였다.
실험예 4 - 감광제의 종류에 따른 신호 분자 농도 변화 측정
상기 제조예 2에 따른 MBR 내 공급하는 구성 요소 중 질산염, 중탄산염의 첨가 유무를 달리하여 300 내지 400 nm의 파장의 UV 광분해에 의해 신호 분자의 분해에 직접적으로 관여하는 감광제를 확인하였다. 질산염과 중탄산염은 자외선에 의해 활성화되면 산화제를 생성할 수 있다.
MBR 폐수 내 중탄산염(217 mg/L)을 첨가하여 정족수 활성 억제 지표로 사용되는 신호 분자인 N-hexanoyl-DL-homoserine lactone(C6-HSL), N-octanoyl-DL-homoserine lactone(C8-HSL), 및 DPD의 농도를 UV 광분해 유무에 따라 나누어 비교하였으며, MBR 폐수 내 질산염(0.3 mg/L)을 첨가하여 C6-HSL, C8-HSL, 및 DPD의 농도를 UV 광분해 유무에 따라 나누어 비교하였다.
실험예 5 - SMP 및 EPS의 단백질과 다당류 농도 측정
SMP 및 EPS를 미생물액으로부터 추출하였다. SMP는 미생물액 중 0.45 ㎛ 필터를 통과한 여과액을 이용하였고, EPS는 미생물액을 원심분리한 후 침전된 미생물 펠렛을 열처리하여 획득하였다. 추출액 중에 존재하는 SMP와 EPS의 단백질 및 다당류 농도는 각각 Lowry법, 페놀황산법을 이용하여 측정하였다.
실험예 6 - 미생물 대사경로 관련 매개 변수 측정
본 발명의 광조사에 의한 정족수 감지 억제방법이 미생물의 신호분자물질 불활성화 이외의 미생물의 다른 대사경로나 생물학적 폐수처리효율에 미치는 영향이 있는지 확인하기 위하여 하기 실시예 및 비교예에 따른 MBR 내 혼합물 부유 고형물(mixed liquor suspended solids, MLSS)량, 침전물 크기(floc size), 총 유기 탄소(total organic carbon, TOC)량, 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD), 총 질소(total nitrogen, TN)량, 총 인(total phosphorus, TP)량 및 NH4 +-N량을 측정하였다.
MLSS는 표준방법을 이용하여 측정하였으며, 플록 사이즈는 레이저 회절 입자 크기 분석기(LS 13320, Beckman Coulter, USA)로, 총 질소, 인, 암모니아 질소 농도는 Hach 화학 키트와 Hach spectrophotometer(DR/4000U)로 측정하였고, COD는 자동 적정 시스템(809 Titrando, Metrohm, Switzerland)을 사용하여 dichromate 방법으로 측정하였으며, TOC는 TOC 분석기(TOC-V, Shimadzu, Japan)를 사용하여 측정하였다.
<실시예>
미생물을 이용한 정족수 감지 억제 효과와 본 발명의 UV 광분해에 의한 정족수 감지 억제효과를 비교하기 위해 A 내지 D의 총 4가지 단계에서 MBR 처리 조건을 달리한 반응기 1 내지 3을 이용하였으며, 대조군(E)으로서 반응기 3가지 모두 어떠한 처리도 하지 않은 기존의 MBR 조건으로 가동시켰다. 그 조건을 하기 표 1에 나타내었다.
| 단계 | 반응기 1 | 반응기 2 | 반응기 3 |
|
A |
무처리 -비교예 1 |
지속적인 UV 조사 - 실시예 1 |
간헐적인 UV 조사 (2분 on, 18분 off) - 비교예 2 |
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B |
정족수 감지 억제 시트 고정(BH4) -비교예 3 |
지속적인 UV 조사 - 실시예 2 |
간헐적인 UV 조사 (2.4 시간 on, 21.6 시간 off) -비교예 4 |
|
C |
무처리 - 비교예 5 |
지속적인 UV 조사 - 실시예 3 |
간헐적인 UV 조사 (10분 on, 10분 off) - 실시예 4 |
|
D |
정족수 감지 억제 시트 고정(BH4) - 비교예 6 |
지속적인 UV 조사 - 실시예 5 |
간헐적인 UV 조사 (10분 on, 10분 off) - 실시예 6 |
|
E |
무처리 - 비교예 7 |
무처리 - 비교예 7 |
무처리 - 비교예 7 |
또한, 본 실시예에서 사용된 3가지의 반응기의 각각의 조건에 따른 MBR의 도면을 도 1에 도시하였다.
실시예 1 - 지속적으로 UV를 조사한 MBR (A-2)
A단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)2 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 지속적으로 UV를 조사하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 3회 반복 실시하였다.
실시예 2 - 지속적으로 UV를 조사한 MBR (B-2)
B단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)2 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 지속적으로 UV를 조사하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 3회 반복 실시하였다.
실시예 3 - 지속적으로 UV를 조사한 MBR (C-2)
C단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)2 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 지속적으로 UV를 조사하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였다.
실시예 4 - 간헐적으로 UV를 조사한 MBR (C-3)
C단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)3 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 10분간 UV를 조사하고 10분간 UV를 꺼두는 과정을 반복하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였다.
실시예 5 - 지속적으로 UV를 조사한 MBR (D-2)
D단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)2 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 지속적으로 UV를 조사하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 2회 반복 실시하였다.
실시예 6 - 간헐적으로 UV를 조사한 MBR (D-3)
D단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)3 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 10분간 UV를 조사하고 10분간 UV를 꺼두는 과정을 반복하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 2회 반복 실시하였다.
비교예 1 - 무처리 MBR (A-1)
A단계에서 UV 광분해에 의한 정족수 감지 억제 효과와 비교하기 위하여 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)1 내부에 아무런 처리를 하지 않은 상태로 MBR을 가동시켰으며, 총 5회 반복 실시하였다.
비교예 2 - 간헐적으로 UV를 조사한 MBR (A-3)
A단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)3 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 2분간 UV를 조사하고 18분간 UV를 꺼두는 과정을 반복하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 4회 반복 실시하였다.
비교예 3 - 정족수 억제 미생물을 접종한 시트를 고정한 MBR (B-1)
B단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)1 내부에 정족수 감지 기작에 사용되는 신호전달 물질을 효소적으로 분해하여 무력화시키는 미생물인 로도코쿠스 BH4(Rhodococcus sp. BH4)를 접종한 시트를 설치하였다. 설치된 시트를 잘 고정하여 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 3회 반복 실시하였다.
비교예 4 - 간헐적으로 UV를 조사한 MBR (B-3)
B단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)3 내부에 광속 4 W/cm2이며, 300 내지 400 nm의 파장을 나타내는 블랙라이트 청광 UV 램프를 설치하였다. 설치된 UV 램프를 이용하여 2.4시간 동안 UV를 조사하고 21.6시간 동안 UV를 꺼두는 과정을 반복하며 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 3회 반복 실시하였다.
비교예 5 - 무처리 MBR (C-1)
C단계에서 UV 광분해에 의한 정족수 감지 억제 효과와 비교하기 위하여 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)1 내부에 아무런 처리를 하지 않은 상태로 MBR을 가동시켰으며, 총 2회 반복 실시하였다.
비교예 6 - 정족수 억제 미생물을 접종한 시트를 고정한 MBR (D-1)
D단계에서 상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기(MBR)1 내부에 정족수 감지 기작에 사용되는 신호전달 물질을 효소적으로 분해하여 무력화시키는 미생물인 로도코쿠스 BH4(Rhodococcus sp. BH4)를 접종한 시트를 설치하였다. 설치된 시트를 잘 고정하여 MBR을 가동시켜 정족수 감지 억제 효과를 확인하였으며, 총 2회 반복 실시하였다.
비교예 7 - 무처리 MBR (control, E단계)
상기 제조예에 따라 제조된 분리막 생물반응기 1 내지 3에 폐수를 공급하여 MBR을 가동시켰으며, 반응기 1 내지 3 각각 3회씩 반복 실시하였다.
<평가 및 결과>
결과 1 - MBR 오염 제어에 대한 효과 비교 결과 (A단계)
상기 실시예 1(A-2), 비교예 1(A-1) 및 비교예 3(A-3)에 따라 각각 MBR을 가동시킨 후 폐수의 오염 정도를 확인하기 위하여 실험예 1에 따라 TMP 값이 50 kPa로 도달하기까지의 오염 제어 시간을 측정하였으며, 그 결과를 도 2a 및 도 2b에 도시하였다.
그 결과, A-2 작동 기간은 14.2±2.3일로 아무런 처리를 하지 않은 기존의 MBR인 A-1 작동 기간인 6.8±0.8일 보다 2배 이상 작동 기간을 연장시킨 것으로 나타났다. 또한 A-3 작동 기간은 8.2±2.9일로 A-1 보다는 작동 기간이 연장되었으나 그 차이가 크지는 않은 것으로 확인되었다.
결과 2 - MBR 오염 제어에 대한 효과 비교 결과 (B단계)
상기 실시예 2(B-2), 비교예 3(B-1) 및 비교예 4(B-3)에 따라 각각 MBR을 가동시킨 후 폐수의 오염 정도를 확인하기 위하여 실험예 1에 따라 TMP 값이 50 kPa로 도달하기까지의 오염 제어 시간을 측정하였으며, 그 결과를 도 3a 및 도 3b에 도시하였다.
그 결과, 작동 기간이 11.9±0.6일인 B-2와 작동 기간인 10.5±0.9일인 B1(로도코쿠스 BH4를 접종한 시트를 내부에 고정시킨 MBR)은 막 오염을 유의하게 지연시킨 것으로 나타났으며, UV 광분해가 미생물을 이용한 정족수 감지 억제보다 우수한 막 오염 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 B-3의 작동 기간은 5.6±1.4로 비교예 1(A-1)보다 오염 지연 효과가 없었다.
결과 3 - MBR 오염 제어에 대한 효과 비교 결과 (C단계)
상기 실시예 3(C-2), 실시예 4(C-3) 및 비교예 5(C-1)에 따라 각각 MBR을 가동시킨 후 폐수의 오염 정도를 확인하기 위하여 실험예 1에 따라 TMP 값이 50 kPa로 도달하기까지의 오염 제어 시간을 측정하였으며, 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 도시하였다.
그 결과, C-2의 작동 기간은 8.7일로 나타났으며, C-3 또한 8.0일로 거의 유사한 막 오염 효과를 나타내었으며, C-1의 작동 기간은 3.9±0.0으로 나타났다. C-3는 C-2의 UV 조사 시간의 50 %를 조사하였음에도 작동 기간이 거의 근접하게 나타나 UV선 량이 실질적으로 막 오염 제어에 필수적인 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다.
결과 4 - MBR 오염 제어에 대한 효과 비교 결과 (D단계)
상기 실시예 5(D-2), 실시예 6(D-3) 및 비교예 6(D-1)에 따라 각각 MBR을 가동시킨 후 폐수의 오염 정도를 확인하기 위하여 실험예 1에 따라 TMP 값이 50 kPa로 도달하기까지의 오염 제어 시간을 측정하였으며, 그 결과를 도 5a 및 도 5b에 도시하였다.
그 결과, D-2의 작동 기간은 8.5±1.0일로 나타났으며, D-3, D-2는 각각 6.8±0.2, 6.8±0.3으로 나타났다. 지속적인 UV 조사로 인한 광분해에 의해 D-2의 막 오염 제어 효과가 가장 우수했으며, 미생물을 이용한 정족수 감지 억제에 의한 D-1과 간헐적인 UV 조사로 인한 광분해에 의한 D-3의 오염 제어 효과는 유사한 것을 확인할 수 있었다.
결과 5 - CLSM 이미지 측정
상기 실험예 2에 따라 각각의 조건을 달리한 MBR 반응기의 시험편을 CLSM으로 확인하였으며, 그 이미지를 도 6에 도시하였다.
그 결과, 기존의 MBR 멤브레인 시험편(도 6의 A)의 상부, 중간부, 하부는 생물막이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었으나, UV를 조사한 멤브레인의 시험편의 경우 지속적이거나(도 6의 B) 간헐적인 것(도 6의 C)에 관계없이 모두 거의 생물막이 관찰되지 않았다. 이러한 결과에 따라 UV 광분해에 의한 막 오염 방지가 생물오염 방지에 기인함을 확인할 수 있었다.
결과 6 - A, B, C, 및 D단계에서의 신호 분자의 농도 변화 확인(AI-2)
상기 실시예 및 비교예에 따른 A, B, C, 및 D 단계에서의 DPD 농도 변화를 측정하고, DPD의 각 단계별 농도 변화에 기반하여 도 7에서 각 단계에 따른 신호 전달 분자인 AI-2의 농도 변화를 그래프로 나타내었다.
그 결과, A단계에서 DPD의 농도는 지속적으로 UV를 조사한 반응기 2에서 500-1200 ng/L로 나타났으며, 평균값은 671 ng/L로 아무런 처리를 하지 않은 반응기 1(1086 ng/L)과 간헐적으로 UV를 조사한 반응기 3(861 ng/L)보다 그 농도가 유효하게 낮은 것을 확인할 수 있었다. B단계에서는 지속적으로 UV를 조사한 반응기 2(482 ng/L)에서 미생물을 이용한 정족수 감지 억제에 의한 반응기 1(656 ng/L)와 간헐적으로 UV를 조사한 반응기 3(713 ng/L)보다 더 낮은 DPD 농도를 나타내었다.
또한, C단계 및 D단계에서는 지속적인 UV 조사 반응기 외에 간헐적이지만 더 오랜시간 UV를 조사한 반응기(10분 on, 10분 off)에서도 효과적으로 DPD 농도를 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 UV에 따른 광분해가 생물오염 제어 측면에서 정족수 감지 억제를 위한 신호 분자 물질의 제어에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.
결과 7 - MBR 내 중탄산염 또는 질산염의 첨가 유무에 따른 신호 분자의 농도 변화 비교 (DPD, C6-HSL, C8-HSL)
상기 실험예 4에 따른 회분식 MBR를 아무런 처리를 하지 않는 반응기와 지속적으로 300 내지 400 nm의 파장의 UV를 조사하는 반응기로 나누어 각각 중탄산염을 첨가하여 작동시켰으며, 각각의 반응기에서 신호 분자인 DPD, C6-HSL, 및 C8-HSL의 분해효율을 확인하여 도 8a 내지 8c에 나타내었다.
또한, 상기 실험예 4에 따른 회분식 MBR를 아무런 처리를 하지 않는 반응기와 지속적으로 300 내지 400 nm의 파장의 UV를 조사하는 반응기로 나누어 각각 질산염을 첨가하여 작동시켰으며, 각각의 반응기에서 신호 분자인 DPD, C6-HSL, 및 C8-HSL의 분해효율을 확인하여 도 9a 내지 9c에 나타내었다.
그 결과, 중탄산염을 첨가한 경우 신호 분자 DPD, C6-HSL, 및 C8-HSL 모두 무처리 반응기에 대비하여 UV를 조사한 반응기에서 효과적인 분해효율을 나타내지 않았으나, 질산염을 첨가한 경우 시간이 흐를수록 신호 분자 DPD, C6-HSL, 및 C8-HSL 모두 무처리 반응기에 대비하여 UV를 조사한 반응기에서 효과적인 분해효율을 나타내었으며, UV 조사 420분 이내에 그 분해효율이 50 % 이상 도달하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 질산염에 의한 MBR 내 신호 분자 불활성화는 하기의 과정 1 및 과정 2와 같은 반응을 통해 이루어질 수 있으며, 질산염은 UV와 반응하여 혹은 UV에 의해 활성화되어 신호 분자를 불활성화시킬 수 있는 산화제 즉, 반응성 산소 중 하나인 하이드록시 라디칼을 생성할 수 있다.
결과 8 - MBR 내 SMP와 EPS의 단백질 및 다당류 농도 측정
상기 실시예, 비교예, 및 실험예 5에 따라 A, B, C, D, 및 E단계에서의 가용성 미생물의 생성물(SMP)의 단백질 및 다당류 농도를 측정하여 나타낸 그래프를 도 10에 도시하였으며, A, B, C, D, 및 E단계에서의 세포 외 고분자 물질(EPS)의 단백질 및 다당류 농도를 측정하여 나타낸 그래프를 도 11에 도시하였다.
그 결과, 각각의 단계별로 반응기 1 내지 3의 SMP와 EPS의 농도 차이는 미미한 것으로 나타났으며, 구체적으로 SMP 내 단백질은 3.3-8.2 mg/L, 다당류는 7.6-8.2 mg/L의 농도 범위를 나타냈으며, EPS 내 단백질은 51-73 mg/L, 다당류는 15-23 mg/L의 농도 범위를 나타내 광조사 여부에 따른 단백질과 다당류의 농도 차이는 미미한 것을 확인할 수 있었다. 또한 A 내지 E 단계에서 SMP와 EPS의 단백질과 다당류의 비율이 모두 유사한 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 UV를 통한 광분해 정족수 억제방법이 미생물의 대사 경로를 방해하거나 변경시키는 등 어떠한 영향을 미치지 않음을 나타내며, MBR 내 유기물들의 변형을 유발하지 않아 MBR의 생물학적 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.
결과 9 - MBR 내 미생물 대사경로 관련 매개 변수 측정
상기 실시예, 비교예, 및 실험예 6에 따라 A, B, C, D, 및 E단계에서의 미생물 대사경로 관련 매개 변수인 MLSS, floc size, COD, TOC, TN, TP 및 NH4 +-N를 측정하여 나타낸 그래프를 도 12내지 도 18에 도시하였다.
그 결과, MLSS와 floc size는 각각의 단계별로 반응기 1 내지 3에서의 농도와 크기의 유의미한 차이가 나타나지 않았으며, 이는 UV 조사가 MBR의 다른 생물학적 성능에 영향을 미치지 않음을 보여준다. 또한, COD, TOC, TN, TP 및 NH4 +-N은 평균적으로 90 %, 90 %, 35 %, 25 %, 및 99 %의 제거효율을 나타내었으며, 각각의 단계별로 반응기 1 내지 3에서의 제거효율이 거의 변화가 없음을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 본 발명의 UV를 통한 광분해 정족수 억제방법이 정족수 감지 억제를 위한 미생물의 신호분자물질 불활성화 작용 외에 MBR 가동을 위해 필요한 물질들에 영향을 미치지 않으며, 생물학적 폐수처리효율과 MBR에 필요한 생물학적 성능을 유지하고, 신호분자물질 불활성화 외 다른 미생물의 대사작용에 영향을 미치지 않음을 의미한다.
Claims (10)
- 미생물 및 감광제가 존재하는 액체에 파장이 300 내지 400 nm인 빛을 조사하는 제 1단계;
상기 조사된 빛의 광분해에 의하여 상기 감광제가 활성화되는 제 2단계;
상기 활성화된 감광제로부터 산화제를 생성하는 제 3단계; 및
상기 산화제에 의해 미생물의 신호분자물질이 불활성화되는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 미생물의 정족수 감지 억제방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 감광제는 질산성 이온, 중탄산염 이온, 자연산 유기물, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 미생물의 정족수 감지 억제방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 산화제는 미생물의 신호분자물질 불활성화 이외의 미생물의 다른 대사경로에 영향을 미치지 않는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 미생물의 정족수 감지 억제방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 신호분자물질의 불활성화는 상기 빛의 조사량 또는 빛의 조사 시간 중 선택되는 어느 하나 이상에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 미생물의 정족수 감지 억제방법.
- 미생물 및 질산성 이온이 존재하는 수용액에 파장이 300 내지 400nm인 빛을 조사하는 (a)단계;
상기 조사된 빛의 광분해에 의하여 상기 질산성 이온이 활성화되는 (b)단계;
상기 활성화된 질산성 이온으로부터 산화제를 생성하는 (c)단계; 및
상기 산화제에 의해 미생물의 신호분자물질이 불활성화되는 (d)단계를 포함하고,
상기 신호분자물질의 불활성화로 인해 정족수 감지 현상이 억제되는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 (A)단계의 수용액에 질산성 이온, 중탄산염 이온, 자연산 유기물, 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 감광제를 투입하는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 산화제는 미생물의 신호분자물질 불활성화 이외의 미생물의 다른 대사경로에 영향을 미치지 않는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 신호분자물질의 불활성화는 상기 빛의 조사량 또는 빛의 조사 시간 중 선택되는 어느 하나 이상에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 생물오염 제어방법은 상기 신호분자물질의 불활성화에 의해 생물막 형성이 감소되거나 생물막이 제거되는 것을 특징으로 하는 광분해에 의한 생물오염 제어방법.
- 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 광분해에 의한 생물오염 제어방법을 적용한 분리막 생물반응기 시스템.
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