KR20050080651A - 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적복원방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유류분해능력을 가진 토착미생물이 토양 내 유류오염물질에 적응하여 개체수가 증가된 상태, 즉 미생물이 집적된 토양을 이용한 유류오염토양의 생물학적 복원방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 미생물 생장에 필수 요소인 영양분, 수분 및 산소 등의 적절한 공급을 통해 유류오염 토양 내 유류분해능을 가진 유효미생물의 활성도를 증진시키고 이로 인해 유효미생물의 개체수가 증가된 토양 내에서 유류오염물질의 분해가 활발히 진행중인 상태의 미생물 집적토양의 일부 또는 전부를 오염토양에 혼합 후 생물학적으로 복원하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 미생물 집적토양에 의한 생물학적 복원방법은 현장 오염토양 조건에 적응된 유효미생물을 활용하므로 상업용 미생물 제제를 투입하는 생물학적 복원방법에 비해 미생물 제제 미사용에 따른 비용절감 효과를 갖고 외부미생물의 투입에 의한 토양생태계 교란을 방지할 수 있어 생태학적으로 안정적인 토양오염복원을 수행할 수 있는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 복원방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 유류오염 토양 내에 유류분해능력을 가진 유효미생물을 일정 개체수 이상이 되도록 오염토양에 집적시킨 후 미생물집적토양을 오염토양에 투입하여 오염토양을 경제적이고 효율적으로 복원하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 복원방법에 관한 것이다.
유류오염토양은 대규모 저유 시설, 송유관, 주유소 등의 저장시설에서 수년 내지 수 십 년간에 거친 유류유출에 의해 오염된 토양으로 토양 내 유류오염물질은 토양작물의 생장에 악영향을 미칠 뿐 아니라 지하수 오염을 유발시킨다.
토양 오염에 의한 토양생태계 및 인체에 미치는 환경적 피해가 부각되면서 미국 등 선진국에서 다양한 토양복원방법이 개발되고 적용되어 왔다. 유류오염토양복원방법은 오염토양의 굴착여부에 따라 원위치(In-situ) 복원방법과 비원위치(Ex-situ) 복원방법으로 구분되고, 적용되는 기술의 특성에 따라 생물학적 복원방법 및 물리, 화학적 복원방법으로 구분된다. 특히 생물학적 복원방법은 유류분해능력을 가진 미생물을 활용하거나 식물을 활용하는 방안으로 물리, 화학적 복원방법에 비해 환경친화적이고 경제적인 복원방법으로 토양경작법(Landfarming), 바이오파일(Biopile), 바이오벤팅(Bioventing), 에어스파징(Air Sparging) 등의 다양한 복원방법이 개발되어 적용되고 있다.
토양경작법 및 바이오파일법은 대표적인 비원위치 복원방법으로 국내에서도 다수의 유류오염토양복원에 적용되었다. 토양경작법은 굴착된 오염토양을 경작장으로 운반하여 미생물의 성장에 필요한 수분, 영양분 등을 주입하고 주기적으로 기계적 경작을 통해 산소를 공급하여 미생물의 대사작용을 촉진시켜 오염토양내 유류를 분해하는 방법이며, 바이오파일법은 굴착된 오염토양을 쌓아 파일형태를 만들고 파일 내부에 유공관을 설치하여 유공관을 통해 산소, 영양분, 수분 등을 공급하여 미생물의 대사작용을 촉진시켜 오염토양내 유류를 분해하는 방법이다. 전형적인 토양경작법 및 바이오파일법은 외부미생물의 주입 없이 토착미생물을 성장 및 증식시켜 오염물을 제거하는 복원방법으로 복원진행 초기에 토착미생물이 일정 개체수 이상으로 성장, 증식하기까지의 초기 지체시간이(Lag Time) 소요되는 특징을 갖는다.
국내의 경우 도시집중화에 따른 토지활용성 증대 및 대부분의 오염토양이 주거지와 인접한 관계로 단기간내에 복원을 수행해야하는 경우가 많아 상업용 미생물제제를 다량 투입하여 미생물의 성장 및 증식에 필요한 초기 지체시간을 단축시켜 토양경작법 및 바이오파일법의 복원기간을 단축시키는 방안이 많이 적용되고 있다. 하지만 이러한 방법은 미국환경청(USEPA)에 의해 실시된 1991년 엑슨발데즈(Exxon Valdez)호 유류누출사건 발생시 10여종의 상업용 미생물제제 주입에 의한 생물학적 복원효율 향상 실험에서 입증되었듯이 미생물제제의 주입이 효율향상에 기여하는 바가 거의 없는 것으로 알려졌다. 이는 상업용 미생물제제가 실험실 수준에서 모든 조건이 미생물 성장에 유리하도록 조절된 상태에서 개발되어 현장 오염물의 독성 및 자연환경변화에 대한 적응력이 떨어지거나 토착미생물과의 생존경쟁에서 뒤쳐져 우점화에 실패할 가능성이 크고, 또한 유류오염은 다양한 탄화수소물질의 복합체이므로 일부 오염물에 대한 분해능력만을 가진 몇 종의 미생물로 제조된 상업용 미생물제제로는 제한적인 범위의 오염물만을 제거하기 때문이다(Sanjeet M.et al., Appl. Environ. Microbiol., 67.4, 1675-1681, 2001). 또한 일정규모 이상의 오염된 토양을 대상으로 복원을 수행할 경우 상업용 미생물제제의 사용에 따른 비용부담을 가질 수밖에 없는 실정이다.
상기와 같은 상업용 미생물제제의 단점을 보완하기 위한 방안으로 다년간 오염토양조건에 적응해온 토착미생물중 유류분해능력을 가진 미생물들을 실험실에서 분리 후 대량 배양하여 오염토양에 투입할 경우 자연환경변화 및 오염물 독성에 대한 적응력이 뛰어나 우점화가 가능하고 초기지체시간을 단축시켜 복원효율을 증진 시킬 수 있으나(Sanjeet M. et al., Appl. Environ. Microbiol., 67.4, 1675-1681, 2001) 이를 위해서는 미생물의 대량배양 및 투입에 필요한 추가적인 비용이 많이 소요된다.
토양환경의 특성상 대부분의 미생물이 토양입자에 부착성장하고 일부만이 토양내에서 부유 성장하므로 대량배양된 미생물의 개체 수 및 활성의 저하없이 효과적으로 토양생태계에 투입하기위해 미생물을 부착 성장시킨 담체를 적용하기도 하나(Chen-Ko K. & Kai-Chee L., Adv. Environ. Res., 7, 889-900, 2003) 이 또한 만족스러운 효과를 얻지 못하였다.
이에 본 발명에서는 기존의 생물학적 토양복원방법의 단점을 해결하기 위한 방법으로 유류분해능력을 가진 토착미생물을 현장 오염토양에서 활성화시켜 유효미생물이 일정 개체 수 이상으로 증식된 상태의 미생물집적토양을 제조한 후 상기 미생물집적토양을 오염토양에 투입하여 오염토양을 생물학적으로 처리하는 방법이 토양복원에 효과가 있음을 확인하였으며, 본 발명은 이를 기초로 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상업용 미생물 제제의 사용 없이 경제적이고 효율적인 토양복원을 수행하고 생태적인 안정화를 꾀할 수 있는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 복원방법을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 복원방법은 오염토양의 일부에 미생물 성장에 필수적인 영양분, 수분 및 산소 등을 공급하여 토착미생물중 유류분해능력을 가진 유효미생물을 활성화시켜 유효미생물이 일정 개체 수 이상으로 증식된 미생물집적토양을 제조한 다음 상기 미생물집적토양을 오염토양에 일정량 혼합하여 상기 오염토양을 복원시키는 것으로 구성된다.
이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 전술한 바와 같이, 유류오염토양에서 유류분해능력을 가진 토착미생물을 활성화시켜 유효미생물의 개체수가 일정수준 이상으로 증식된 상태의 미생물집적토양을 오염토양에 투입하여 처리하는 생물학적 토양복원 방법으로 유류분해능력이 높은 유효미생물의 집적화 작업을 거친 후 미생물이 집적된 토양을 기존의 오염토양과 일정비율로 섞어 토양경작법 및 바이오파일법 등의 기존의 생물학적 방법으로 복원하는 방법에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 미생물집적토양은 현장에서 유류오염토양의 일부를 굴착하여 현장에 설치된 미생물집적용 방형구로 이송한 후 미생물 성장에 필요한 영양분(탄소, 질소, 인 등) 및 수분을 적정량 주입하고 기계적 경작에 의해 산소를 공급하면서 제조된다.
본 발명에 따르면 미생물집적토양 제조에 있어 가장 중요한 사항은 단 기간 내에 유류 분해 능력을 가진 유효미생물을 집적시키는 것으로 이를 위해 강우 및 기온변화 등 미생물증식에 있어 제약요인들을 최소화시키면서 유효미생물의 집적을 단 기간 내에 완료시켜야한다.
본 발명의 미생물 집적화 작업은 기후영향을 최소화시키기 위해 하우스구조물과 같은 실내 방형구를 설치하고 방형구내에서 유효미생물의 빠른 집적을 위해 주 3회 이상의 기계적 경작을 통해 원활한 산소공급 및 오염물과 유효미생물간의 접촉기회를 증가시켜 유효미생물의 활성도 및 증식을 촉진시키는 방법을 사용하였다.
미생물 집적화 작업의 완료여부는 주기적으로 집적토양내의 유류분해능력을 가진 유효미생물의 개체 수 측정을 통해 이루어지고 유효미생물의 개체수가 1ㅧ105CFU/g-soil 이상이 되면 집적화 작업을 완료하나 유효미생물의 개체수는 고밀도로 집적될수록 복원효율이 향상되므로 이를 고려하여 집적화 작업을 완료하는 것이 바람직하다. 상기 유효미생물의 개체수가 1105CFU/g-soil 미만으로 집적된 토양을 투입할 경우 오염토양에 투입된 유효미생물의 개체수가 적어 초기 지체시간 단축효과가 미미한 단점이 있다.
또한 단기간에 고농도로 미생물을 집적시켜야 할 경우 미생물 집적화 작업에 앞서 토착미생물중 유류분해능력을 가진 다수의 유효미생물들을 실험실에서 분리, 배양한 후 미생물 집적용 토양에 집적화 작업 초기에 대량 투입하여 집적화 기간을 단축시킬 수 있다. 이 경우 초기에 미생물 분리배양을 위한 비용이 소모되나 전체 오염토양복원을 위해 미생물을 대량 배양하여 투입하는 기존의 복원방법에 비해 배양되는 미생물의 양이 훨씬 적어 상대적으로 경제적인 토양 복원 수행이 가능하게 된다.
미생물집적화가 완료된 토양은 현장 오염토양과 기계적으로 혼합하게 되며 이때 투입되는 미생물집적토양의 양은 현장에 적용될 생물학적 복원공정 1 배치(Batch) 처리물량의 5∼30 Vol%가 되도록 하며 본 발명에서 제시한 주입량 범위 내에서 더욱더 정확한 주입량을 결정하려면 경제성, 복원효율 및 복원기간 등의 세밀한 검토가 필요하고 이를 위해 오염토양에 대한 실험실 수준의 실증실험을 수행하는 것이 바람직하다. 상기 집적토양의 투입량이 5 Vol% 미만이 되면 투입량이 적으므로 오염토양에 투입되어 오염토양과 혼합된 후 유류분해 미생물 개체수의 밀도가 낮아 초기 지체시간 단축효과가 미미하며, 투입량이 30 Vol%을 초과하면 초기 집적화 작업에 소요되는 비용이 증가하고 대규모의 집적화 작업공간이 요구되어 복원수행의 경제성이 저하되는 단점이 있다.
미생물집적토양과 혼합된 오염토양은 토양경작법 및/또는 바이오파일법과 같은 비원위치(Ex-Situ) 생물학적 복원방법을 부가하여 복원을 수행할 수 있다. 또한, 복원할 지역이 광범위할 경우, 본 발명에 의해 복원된 토양을 미생물집적토양의 원재료로 활용할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 좀더 구체적으로 설명하나 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
오염토양내 미생물의 집적화
가솔린과 디젤로 오염된 오염토양을 채취하여 미생물 성장에 필요한 영양분 및 수분을 주입하고 주기적으로 토양을 교반시켜 산소를 공급하여 토착미생물중 유류분해능력을 가진 유효미생물의 활성화 및 성장을 유도하였다.
미생물의 집적화 및 집적토양 투입에 의한 복원실험은 강우등에 의한 환경조건을 최소화하기 위해 하우스 구조물을 설치하여 하우스내부에서 수행하였으며 운전기간중 하우스 내부 온도의 인위적 조정은 없었으며 하우스 외기온도 변화에 따라 하우스 내부 온도가 변화되도록 하였고 실험기간중 하우스내부 평균온도는 29℃이며 최고 및 최저는 각각 48℃ 및 10℃이었다. 하기 표 1에 미생물 집적화에 사용된 조건을 나타내었다.
| 오염토양내 초기 유류오염농도(TPH) | 2,700㎎/㎏ |
| 탄소:질소:인 비율(C:N:P Ratio) | 100:10:1 |
| 수분함량 | 10∼20wt% |
| 산소공급 | 토양교반에 의한 산소공급(3회/주) |
상기 실험조건에서 17일간 운전후 TPH는 1,500㎎/㎏으로 감소하였고 토양내 유류분해능을 가진 유효미생물수는 초기 7.5×104CFU/g-soil에서 17일 경과 후 2×107CFU/g-soil으로 증가되었다.
실시예 2
미생물집적토양 투입에 의한 유류오염토양의 복원실험
미생물집적토양 투입에 의한 유류오염토양의 복원효율 향상실험을 위해 영양제투입구, 미생물집적토양 10% 투입구 및 미생물집적토양 30%투입구의 3가지의 실험구를 하우스 내부에 설치하여 실험을 수행하였고 모든 실험구는 주 1회 교반을 통해 산소공급을 하였고 탄소:질소:인(C:N:P)의 비율은 100:10:1로 조정하였고 수분함량은 10∼20wt%로 유지하였다. 투입된 질소와 인의 양은 본 실험에 사용된 토양내 유류오염물질(TPH) 농도를 탄소농도비율인 100으로하여 계산되었고 질소원으로는 (NH4)2SO4, CO(NH2)2 및 NH4NO
3을 사용하였고 인원으로는 KH2PO4 및 K2HPO4를 사용하였으며 각각의 화학약품을 증류수에 용해시켜 실험초기에 오염토양에 투입하였다.
영양제투입구는 미생물집적토양 투입에 따른 복원효율 향상효과를 비교하기 위한 대조구의 역할로 미생물제제를 사용치 않는 전형적인 생물학적 토양복원방법을 모사하였고, 미생물집적토양 실험구는 각각의 실험구 전체토양중 미생물집적토양의 투입량이 부피비로 10% 내지 30%가 되도록 오염토양과 혼합하였고 투입된 집적토양은 실시예 1의 실험에 의해 17일간 미생물 집적화가 일어난 토양을 사용하였다.
본 실험에 의한 유류분해결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 실험구 | 경과일수(일) | 제거율(%) | ||
| 0 | 14 | 28 | ||
| 영양제투입구 | 2,682㎎/㎏ | 1,396㎎/㎏ | 1,325㎎/㎏ | 51 |
| 미생물집적토양10% 투입구 | 2,309㎎/㎏ | 1,296㎎/㎏ | 1,078㎎/㎏ | 53 |
| 미생물집적토양30% 투입구 | 2,192㎎/㎏ | 1,506㎎/㎏ | 871㎎/㎏ | 60 |
미생물집적토양 투입에 따른 초기 오염농도의 희석으로 각각의 실험구의 초기 유류오염농도가 달라 유류오염제거율에 의한 단순 비교시 실험구들 간의 효율비교의 정확도가 떨어질 수 있어 표 3 및 도 2에 나타낸바와 같이 생분해속도상수(K)의 비교를 통해 각 실험구들 간의 효율비교를 수행하였다. 토양중 미생물에 의한 유기오염물질의 분해는 하기 수학식 1 내지 3에서 볼 수 있듯이 1 차 반응식에 기인하고 1 차 반응식상의 K값이 생분해속도상수이며 이는 시간경과에 따른 유기오염물질의 제거정도를 나타낸다.
| 실험구 | 경과일수(일) | 생분해상수평균값 | |
| 0∼14 | 14∼28 | ||
| 영양제투입구 | 0.0933K | 0.0075K | 0.0504K |
| 미생물집적토양10% 투입구 | 0.0825K | 0.0263K | 0.0544K |
| 미생물집적토양30% 투입구 | 0.0536K | 0.0782K | 0.0659K |
상기 수학식에서 C는 오염농도이고, T는 시간을 나타낸다.
실험결과 미생물집적토양을 투입함에 따라 상기 표 3 및 도 2에서 알 수 있듯이 생분해속도상수값은 증가하였으며 미생물집적토양을 30% 투입시 영양분만을 투입한 실험구에 비해 생분해속도상수값이 30%이상 증가한 결과를 보였다. 실험초기 영양제투입구의 생분해속도상수값이 높게 나타난 것은 생분해되지 않고 휘발되는 오염물의 양이 집적토양을 투입한 실험구에 비해 상대적으로 많아 일어난 현상으로 판단되고 실험이 경과됨에 따라 미생물집적토양이 투입된 실험구의 생분해속도상수값이 높게 나타나 집적토양 투입에 의한 생물학적 분해효율 상승효과를 확인할 수 있었다.
실험기간중 전체미생물의 개체수는 도 3에 나타낸 바와 같이 증가하였으며, 유류분해미생물 개체수의 변화는 하기 표 4 및 도 4에서 볼 수 있듯이 미생물집적토양 투입시 영양제 투입구에 비해 유류분해능력을 갖춘 유효미생물의 개체수가 증가하였다.
| 실험구 | 경과일수 (일) | ||
| 0 | 14 | 28 | |
| 영양제투입구 | 3×105CFU/g-soil | 1.42×106CFU/g-soil | 2.06×106CFU/g-soil |
| 미생물집적토양10% 투입구 | 6×105CFU/g-soil | 2.73×106CFU/g-soil | 4.77×106CFU/g-soil |
| 미생물집적토양30% 투입구 | 6.8×105CFU/g-soil | 2.6×106CFU/g-soil | 3.62×106CFU/g-soil |
전술한 바와 같이, 본 발명의 효과는 오염토양내 토착미생물중 유류분해능력을 가진 유효미생물을 오염토양내에서 집적시킨후 미생물집적토양을 기존 오염토양에 투입함으로 오염토양조건에 적응된 유효미생물에 의한 분해효율 증진효과를 기대할 수 있으며 상업용 미생물제제를 사용치 않고 복원을 수행함에 따라 미생물제제 비용의 절감 및 외부 미생물에 의한 토양생태계 교란을 방지할 수 있다. 또한 안정적으로 토양입자에 부착성장된 유효미생물을 토양에 투입하므로 토착미생물을 분리배양후 오염토양에 직접 투입하는 방법에 비해 미생물 개체수의 손실저하를 방지하고 유효미생물의 활성도를 유지할 수 있다. 특히 본 발명은 일정규모 이상의 비원위치(Ex-Situ) 생물학적 복원방법중 토양경작법 및 바이오파일법에 활용도가 높을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 미생물집적토양 투입에 의한 생물학적 복원방법에 대한 개념도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 미생물집적토양의 투입 후 오염토양에서의 생분해속도상수(K)를 나타내는 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 미생물집적토양을 투입한 오염토양내의 전체미생물 개체수를 나타내는 그래프이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 미생물집적토양을 투입한 오염토양내 유류분해능력을 가진 유효미생물 개체수를 나타내는 그래프이다.
Claims (6)
- 오염토양의 일부에 미생물 성장에 필수적인 영양분, 수분 및 산소를 공급하여 토착미생물중 유류분해능력을 가진 유효미생물을 활성화시켜 유효미생물이 일정 개체수 이상으로 증식된 미생물집적토양을 제조한 다음, 상기 미생물집적토양을 오염토양에 혼합하여 상기 오염토양을 복원시키는 것을 특징으로 하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 토양 복원방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미생물집적토양은 유류분해능을 가진 유효미생물의 개체수를 1×105CFU/g-soil 이상으로 포함하는 것을 특징으로 하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 토양 복원방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미생물집적토양은 현장에 적용될 생물학적 복원공정 1 배치(Batch) 처리물량의 5∼30Vol%가 되도록 혼합되는 것을 특징으로 하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 토양 복원방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미생물집적토양은 미생물 집적화 전에 오염토양으로부터 분리 및 배양된 토착미생물이 대량 투입되는 것을 특징으로 하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 토양 복원방법.
- 제1항에 있어서, 상기 방법은 미생물집적토양을 오염토양에 혼합한 후 토양경작법 또는 바이오파일법을 더욱 수행하여 상기 오염토양을 복원시키는 것을 특징으로 하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 토양 복원방법.
- 제1항에 있어서, 상기 방법으로 복원된 토양을 미생물집적토양의 원재료로 활용하는 것을 특징으로 하는 유효미생물의 토양집적에 의한 유류오염토양의 생물학적 토양 복원방법.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100872862B1 (ko) * | 2008-06-11 | 2008-12-10 | 주식회사 한미엔텍 | 토양미생물 복원을 통한 오염토양개량공법 |
| WO2009091168A2 (ko) * | 2008-01-16 | 2009-07-23 | Sewavision Co., Ltd. | 무기질 다공체를 이용한 오염토양 복원 방법 |
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-
2004
- 2004-02-10 KR KR1020040008742A patent/KR20050080651A/ko not_active Application Discontinuation
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