KR20090057747A

KR20090057747A - 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 신규 미생물, 이를유효성분으로 함유하는 폐수 처리용 바이오클로드, 이의제조방법 및 이를 이용한 폐수 처리방법

Info

Publication number: KR20090057747A
Application number: KR1020070124457A
Authority: KR
Inventors: 박완철; 김태형; 이미애
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-08
Also published as: KR100941352B1

Abstract

본 발명은 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 신규 미생물, 상기 미생물을 유효성분으로 함유하는 폐수 처리용 바이오클로드(Bio-clod), 이의 제조방법 및 이를 이용하여 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오클로드는 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 신규 미생물을 유효성분으로 함유하는 미생물 제제로서 폐수 중의 유기물질과 영양소, 특히 질소를 효율적으로 제거할 뿐만 아니라 처리 과정에서 발생하는 악취를 효과적으로 탈취할 수 있어 하수, 오수, 분뇨, 축산폐수 또는 산업폐수 등의 처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

바이오클로드, 미생물 제제, 폐수 처리, 탈취

Description

질산화 및 탈질화 작용이 우수한 신규 미생물, 이를 유효성분으로 함유하는 폐수 처리용 바이오클로드, 이의 제조방법 및 이를 이용한 폐수 처리방법{NOVEL MICROORGANISMS SHOWING EXCELLENT NITRIFICATION AND DENITRIFICATION EFFECTS, BIO-CLOD FOR TREATING WASTEWATER, METHOD FOR THE PREPARATION THEREOF AND METHOD FOR TREATING WASTEWATER BY USING THE SAME}

본 발명은 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 신규 미생물, 이를 유효성분으로 함유하여 폐수의 유기물질과 영양소, 특히 질소를 효율적으로 제거하고 이들의 처리과정에서 발생하는 악취를 효과적으로 탈취할 수 있는 바이오클로드(Bio-clod), 이의 제조방법 및 이를 이용하여 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

폐수중의 유기물질은 주로 단백질, 지방, 탄수화물 성분으로서 미생물의 분해대사 경로에 의하여 분해된다. 따라서 이러한 유기물질을 분해하는 효소활성이 우수한 미생물을 각각 선발하고 조건을 최적화하면, 미생물을 이용한 유기성 폐수의 처리효율을 증대시킬 수 있다.

폐수 처리는 크게 물리학적 처리, 화학적 처리 및 생물학적 처리로 나눌 수 있는데, 폐수의 상태에 따라 이들을 조합하여 사용하거나 어느 공정을 생략하는 것 도 가능하기는 하나 상기 세 가지의 방법을 모두 사용하는 것이 일반적이다.

생물학적 처리는 미생물을 이용하여 산업폐수, 축산폐수 등에 함유되어 있는 유기물을 산화 분해시키는 방법으로서 여러 가지 생분해성 물질의 동시 제거가 가능하며, 공정 운전 시 소모되는 에너지 비용의 측면에서 경제성이 있고, 2차적 오염의 우려가 적다는 장점이 있다.

생물학적 폐수 처리방법은 일반적으로 생물학적 산소요구량(BOD) 농도에 따라 활성오니법(호기성 처리법)과 소화법(혐기성 처리법)으로 나뉘는데, 활성오니법은 자연 침전 및 화학약품을 이용한 침전 (약품전처리) 처리를 한 후 호기성 미생물을 이용하여 BOD 농도가 낮은 폐수를 처리하는 방법이며, 소화법은 BOD 농도가 상대적으로 높은 폐수를 혐기성 미생물을 이용하여 호기성 처리법보다 비교적 높은 온도에서 처리하는 폐수 처리방법이다. 따라서 높은 BOD의 폐수인 경우에는 혐기성 처리를 먼저 거쳐 적정 수준으로 BOD를 낮춘 후 호기성 처리를 병행하는 방법이 이용되고 있다.

생물학적 폐수처리에 사용되는 미생물들은 오니로부터 분리되므로 다양한 미생물을 포함하고 있지만, 생물학적 처리의 특성상 다양한 종류의 미생물을 포괄적으로 이용하게 되므로 그 반응 메카니즘이나 개별적 미생물의 생리학적 반응 특징에 대해서는 예측이 힘들다는 문제점이 있다. 그러나 생물학적 폐수처리 역시 미생물을 이용한 반응의 최적화라는 관점에서 볼 때, 관련 폐수에 대해 적응성이 높고 해당 폐수성분에 대한 생물학적 분해능이 우수한 미생물의 선발 및 그 처리조건의 설정이 관련 기술분야의 핵심임은 명백하다. 따라서 최근에는 폐수처리에 응용 되는 오니로부터 분리된 개별 미생물에 대하여 그 생리학적 특성 및 분해조건, 환경 설정에 대하여 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 이렇게 개별적으로 생물학적 능력이 우수한 균주라 할지라도 단독으로 사용되는 예는 거의 없으며, 다만 활성오니 속의 다른 균주들과 함께 폐수처리공정에 적용시키고 해당균주의 생물학적 활성이 더욱 높아지도록 환경을 설정하는 것으로 이들의 활용도를 높이는 경우가 대부분이다.

최근에는 바실러스 속(Bacillus sp.) 균주의 특성을 하ㅇ폐수의 생물학적 처리에 효과적으로 이용할 수 있다는 결과가 발표되면서(Murakami, K., 등, J. J. Wat. Env. 18(2): 97-108, 1995), 바실러스 속 균주를 우점화하여 하ㅇ폐수 처리에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편, 폐수는 기존의 생물학적 처리공정으로는 유기물질의 제거 효율이 매우 낮고, 유기물질에 비해 월등히 높은 질소 농도로 인해 효율적인 처리가 곤란하며, 특히 처리과정에서 악취가 발생하여 2차 오염이 발생한다는 문제점이 심각하게 대두되고 있다.

지금까지 개발된 탈취방법은 크게 물리ㅇ화학적 방법과 생물학적 방법으로 나눌 수 있는데, 물리·화학적 탈취방법은 설치비가 비싸고 활성탄, 약품액, 연료 등의 소모품을 필요로 할 뿐만 아니라, 처리시설의 부식이 심하고 소모된 재료의 재생이나 2차 처리 등에 고도의 기술이 요구되어 비경제적인 것으로 알려져 있다. 이에 반해 생물학적 탈취방법은 악취물질을 분해 대사하여 무취화시키는 미생물의 활성을 이용하는 방법으로, 물리·화학적 방법보다 유지관리가 용이하고 소모품 등 의 재료를 요구하지 않아 2차 오염에 대한 위험이 없기 때문에 운전비가 저렴한 장점을 가지고 있다.

이에, 본 발명자들은 폐수의 효과적인 생물학적 처리를 위해 예의 연구 노력한 결과, 질산화 및 탈질화 작용이 우수하여 폐수 중의 유기물질과 영양소, 특히 질소를 효율적으로 제거할 뿐만 아니라 처리 과정에서 발생하는 악취를 효과적으로 탈취할 수 있는 신규 미생물들을 분리하고, 이들을 유효성분으로 하여 제조된 바이오클로드가 미생물 제제로서 폐수의 처리에 유용하게 사용될 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 폐수 중의 유기물질과 영양소, 특히 질소를 효율적으로 제거할 뿐만 아니라 처리 과정에서 발생하는 악취를 효과적으로 탈취할 수 있는 미생물 제제 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 상기 미생물 제제를 이용하여 폐수를 처리하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 신규 미생물 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) BSDL1 및 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium) DSM3을 제공한다.

또한, 본 발명은 폐수 처리를 위한 미생물 제제로서, 상기 미생물을 유효성 분으로 함유하고 생육기질 및 보존 담체로서 황토 및 부엽토를 포함하는 바이오클로드(Bio-clod)를 제공한다.

아울러, 본 발명은 상기 바이오클로드의 제조방법을 제공한다.

마지막으로, 본 발명은 상기 바이오클로드를 이용하여 폐수를 처리하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 폐수 처리용 바이오클로드는 질산화 및 탈질화 작용이 우수하여 폐수 중의 유기물질 및 영양소, 특히 질소를 효율적으로 제거하고 그 과정에서 발생하는 악취도 효과적으로 탈취할 수 있어 하수, 오수, 분뇨, 축산폐수 또는 산업폐수 등의 다양한 폐수 처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명은 폐수 처리를 위한 미생물 제제로서 생육기질 및 보존 담체로 황토 및 부엽토를 포함하고, 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) BSDL1 및 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium) DSM3을 유효성분으로 함유하는 바이오클로드(Bio-clod)를 제공한다.

본 발명에 따른 바이오클로드는 폐수 중의 유기물질 및 영양소, 특히 질소를 효율적으로 제거하고 그 과정에서 발생하는 악취를 효과적으로 제거할 수 있는 미생물 제제로서 우수한 질산화 및 탈질화 작용을 나타내는 신규한 바실러스 서브틸리스 BSDL1(Bacillus subtilis, BSDL1)(KFCC-11399P) 및 바실러스 메가테리움 DSM3(Bacillus megaterium DSM3)(KFCC-11402P)을 유효성분으로 함유하는 것을 특징 으로 한다.

또한 본 발명의 바이오클로드는 유효성분으로 함유된 바실러스 서브틸리스 BSSL1과 바실러스 메가테리움 DSM3의 우수한 질산화 및 탈질화 작용에 의해 폐수를 처리할 뿐만 아니라, 대상 폐수 내에 존재하는 토착 미생물 군집을 활성화시켜 이들 스스로 자체적인 폐수 처리가 가능한 환경을 조성해 주기 때문에, 폐수 처리공정에서 유기물질과 영양소(특히, 질소) 및 그 과정에서 발생하는 악취의 보다 효과적인 제거를 기대할 수 있다.

구체적으로 본 발명에서는 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 미생물을 분리, 동정하기 위하여, 먼저 대상 폐수를 분해하는 미생물이 존재할 가능성이 높은 축산 지역이나 분뇨 처리장 근처의 토양과 산림에서 채취된 부엽토와, 전국적으로 수집한 20여종의 청국장을 대상으로 미생물 군집의 성상을 분석하여 미생물 성장 가능성이 가능 높은 부엽토와 청국장 시료를 선발한 후 이들을 대상으로 우점종을 분리한다.

부엽토와 청국장 시료로부터 분리한 우점종을 대상으로 유기물질과 질소 제거 및 탈취 성능실험을 수행하여 우수한 질산화 및 탈질화 작용을 나타내는 2종의 미생물을 선발한다. 선발된 미생물 균주의 형태학적, 배양학적 및 생리학적 분석과 16S rRNA 분석을 통해 이들이 막대모양을 한 간균과(桿菌科, Bacillaceae)에 속하는 슈도모나스 속의 신규한 미생물임을 확인한다.

이와 같이 청국장에서 분리, 동정된 미생물은 바실러스 서브틸리스 BSDL1(Bacillus subtilis BSDL1)로 명명하여 2007년 10월 17일자로 사단법인 한국 종균협회 부설 한국미생물보존센터(KOREAN CULTURE CENTER OF MICROORGANISMS, KFCC)에 기탁번호 KFCC-11399P로 기탁하였다. 또한, 부엽토에서 분리, 동정된 미생물은 바실러스 메가테리움 DSM3(Bacillus megaterium DSM3)으로 명명하고 2007년 11월 7일자로 사단법인 한국종균협회 부설 한국미생물보존센터에 기탁번호 KFCC-11402P로 기탁하였다.

상기에서 청국장 및 부엽토 시료로부터 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 것으로 분리, 동정된 바실러스 균주들은 모두 호기성 또는 통성혐기성의 간균으로 보통 그람양성을 나타내며, 환경조건에 따라서는 균체 내에 구조적 변화가 생겨서 내생포자(內生胞子, endospore)를 형성할 수 있고, 모세포 안에 거의 성숙한 포자가 들어 있으며, 영양세포 중앙에 포자가 위치하는 것으로 알려져 있다.

포자는 열, 방사선, 화학물질 등에 대한 저항성이 강하고, 영양세포에는 존재하지 않는 디피코린산의 칼슘염을 다량 함유하고 있다. 또한, 구조적으로 포자는 원형질의 외부가 내측으로부터 두꺼운 피층(cortex), 포자각(spore coat), 엑소스포리움(exosporium)의 순으로 3층의 막에 의해 둘러싸여 있으며, 바실러스 속 균주는 균체의 크기, 포자의 형태와 균체 내에서의 위치, 당의 이용과 생성물, 질산 환원의 유무, 고농도의 식염 존재 하에서의 생장 유무 등에 따라 다양한 종으로 분류된다.

바실러스 서브틸리스는 고초균으로서, 포도당과 같은 다양한 당류, 전분 등을 혐기적으로 대사하여 메주나 청국장과 같은 발효식품 제조에 이용되기도 하는 유기물 분해 미생물로 알려지고 있다. 바실러스 서브틸리스는 식물조직의 펙틴과 다당류를 분해하지만, 일부 계통은 감자 괴경을 부패시키기도 한다.

또한 바실러스 메가테리움은 유기영양세균으로, 그 크기가 직경은 약 1.5 ㎛이고 사슬 길이는 18 내지 20 ㎛이며, 광합성 세균인 로도박터 캡슐라투스(Rhodobactor Capsulatus)와 공생관계를 유지하고, 플럭(floc) 형성에도 기여하는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기에서 분리, 동정된 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3을 폐수 처리를 위한 미생물 제제로 이용하기 위하여, 황토 및 부엽토를 생육기질 및 보존 담체로 사용하고, 상기 균주를 유효성분으로 함유하는 바이오클로드(Bio-clod)를 제공한다. 본 발명에 따른 바이오클로는 바이오클로드의 총 중량을 기준으로 상기 질산화 및 탈질화 미생물인 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3의 배양 농축액을 3 내지 7 중량%, 황토 43 내지 47 중량% 및 부엽토 48 내지 52 중량%를 함유한다.

본 발명에서 "바이오클로드"는 질산화 및 탈질화 작용이 우수하여 폐수 처리에 효과적인 것으로 분리, 동정된 상기 바실러스 속 균주들을 대량으로 증식시킨 후 이들이 쉽게 용해되지 않도록 담체에 고정하고 일정한 형상으로 성형한 다음 소성하여 제조된 것으로, 처리하고자 하는 폐수 처리 시스템에 이를 적용하면 담체에 고정되어 있던 상기 미생물이 서서히 용출되면서 장기간에 걸쳐 폐수를 효과적으로 정화할 수 있는 미생물 제제의 일종이다.

폐수 처리를 위한 미생물 제제로서 효과적인 바이오클로드의 조건은 미생물을 장기간 보존할 수 있고, 장기 보존에 따른 미생물의 생존 가능성을 보장해야 하 며, 적절한 외부 환경이 주어졌을 경우 함유된 미생물이 외부로 용출되어 활성화될 수 있어야 하고, 군집체를 이루는 부산물의 외형이 일정기간 동안 유지되도록 견고성이 확보되어야 한다.

이러한 조건을 만족하는 바이오클로드를 제조하기 위하여, 본 발명에서는 점성이 우수하고 미생물의 생육에 필요한 무기물을 다량 함유하고 있는 황토와 각종 유기물질이 풍부하고 다량의 토양 미생물을 함유하는 부엽토를 생육기질 및 보존 담체로 사용한다.

이와 같이 미생물을 담체에 고정화함으로써 제조공정 중에 사멸되는 미생물의 수를 최소화하여 높은 생균수를 유지할 수 있으며, 담체에 고정화된 미생물은 휴면 상태와 같은 상황에 놓이게 되므로 유통 안정성 향상에 아주 효과적이고, 특히 독성물질 분해능이 탁월하지만 주위환경에 민감한 미생물 균주를 폐수 처리용 미생물 제제로 제조하고자 할 때 매우 유용하다. 또한 유효 미생물을 담체에 고정화된 상태로 폐수 처리시설인 정화조나 하수 처리장, 폐수 처리장 등에 적용하면 독성물질에 대한 내성과 안정성이 높고 워싱 아웃(washing out) 현상을 방지할 수 있어 높은 생균수 유지에 의한 폐수 처리효율의 지속성과 안정성을 확보할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따라 제조된 바이오클로드는 시간이 지남에 따라 서서히 담체 자체의 구조가 분해되므로 기존 미생물 제제 등이 포함하고 있는 침강제, 예컨대 규조토, 벤토나이트, 황산철 등에 의한 슬러지 발생이 거의 유발되지 않아 폐슬러지 처리에 있어서도 훨씬 경제적이며, 1회 투여로 반송오니에서 수 주간 그 효과가 지속되므로 현장 관리 및 미생물 제제의 사용량 측면에서도 아주 효 과적이라 할 수 있다.

본 발명에 따른 폐수 처리용 바이오클로드는 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.

1) 황토와 부엽토를 완전히 배합하는 단계;

2) 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3을 대량 배양하한 후 농축하여 미생물 배양 농축액을 얻는 단계;

3) 상기 단계 1)의 배합물에 단계 2)의 미생물 배양 농축액을 혼합한 후 압출 성형하는 단계; 및

4) 상기 압출 성형물을 수분 공급 하에서 건조시킨 후 소성하여 바이오클로드를 제조하는 단계.

단계 1)은 본 발명의 바이오클로드에서 생육기질 및 담체로 사용되는 황토와 부엽토를 배합하는 단계로, 황토와 부엽토를 1:1 내지 1:1.5의 중량비로 배합하는 것이 바람직하다.

천연 재료인 황토는 지표의 약 10%를 덮고 있고 주로 실트 크기의 지름 0.002 내지 0.005 ㎜인 입자로 이루어진 퇴적물로서 다량의 탄산칼슘(CaCO₃)을 함유하고 있고, 기타 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 철분, 마그네슘, 나트륨, 칼리 등으로 구성되어 있다(대한민국에서 채취되는 황토의 구성성분은 지역에 따라 다소 차이는 있으나 일반적으로 규소가 48%로 가장 많고 알루미늄 35%, 철 11%, 마그네슘 6% 등이 포함된다). 상기 탄산칼슘에 의해 황토는 쉽게 부서지지 않는 점력을 지니게 되며 물을 가하면 찰흙으로 변하는 성질이 있는데, 본 발명에서는 상기와 같이 물을 가하면 찰흙으로 변하는 황토의 성질을 이용하여 미생물의 필수 영양소로 이용되는 다종 다량의 무기물질이 포함되어 있는 부엽토를 효과적으로 결합시키도록 한다.

천연 부엽토는 수천 년간 나무와 낙엽식물의 유체가 퇴적된 무균, 무독, 무취의 암갈색 천연 부식질로서, 양분(비료분)이나 수분의 보축력(保蓄力)이 높고 지력유지, 고결(固結)의 경감, 배수의 보조, 지온의 확보 등에 효과가 있으며, 유기질 보급재(補給材)와 함께 토양개량에 이용된다. 천연 부엽토는 질소 1％, 인 0.2％, 칼륨 0.1％ 정도를 함유한다.

단계 2)는 본 발명에서 우수한 질산화 및 탈질화 작용을 나타내는 미생물로 분리, 동정된 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3을 대량으로 배양한 후 농축하여 미생물 배양 농축액을 얻는 단계로, 상기 균주들을 세포 증식용 영양배지에 접종하여 24 내지 26℃에서 24 내지 48시간 동안 배양한 후 이 종균 배양액을 발효용 영양배지에 접종하여 배양 온도 24 내지 26℃, pH 6.6 내지 7.0, 용존 산소농도는 180 내지 200 rpm의 진탕기에서 포화 값이 10 내지 60이 유지될 수 있도록 조절하면서 내생포자가 완전히 형성될 때까지 배양한다. UV 분광광도계(spectrophotomoter)를 이용하여 대수생장기(증식기)에서 정지기까지 미생물의 O.D(Optical Density) 값이 0.5 내지 1.8이 되도록 상기 미생물 배양액을 농축한다.

단계 3)은 상기 단계 1)에서 준비된 황토와 부엽토의 배합물에 단계 2)에서 준비된 미생물 배양 농축액을 혼합한 후 압력 1 내지 1.5 ㎏f/㎠의 조건으로 압출 성형하는 단계이다. 이때, 황토와 부엽토의 배합물에 대한 미생물 배양 농축액의 혼합 비율은 중량비로 18:1 내지 20:1이 바람직하고, 성형물의 형상은 제조 제품의 특성, 사용용도, 소재의 품질 정도 또는 소성 온도에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로는 구형, 봉상형, 섬유형, 큐빅형 또는 불규칙형 등 필요에 따라 다양하게 구현될 수 있다.

단계 4)는 상기 압출 성형물을 수분이 공급되는 조건 하, 30 내지 40℃에서 건조시킨 후 20 내지 25℃에서 소성하여 바이오클로드를 제조하는 단계이다. 이때, 압출 성형물은 바이오클로드는 형태 변형을 유발하지 않고, 급속한 수분 증발에 의한 갈라짐 현상을 방지하며, 바이오클로드 내부의 미생물의 생존에 나쁜 영향을 주지 않기 위하여 적절한 수분이 공급되는 환경 하에서 건조시키는 것이 바이오클로드의 견고성과 형상 유지를 도모하는데 바람직하다. 상기와 같이 제조된 바이오클로드는 수분 함량이 5% 이내이고, 생균수 측정 결과 4.7 내지 5.2×10⁸ cfu/g의 유효 생균수를 포함하고 있는 것으로 확인된다.

또한, 본 발명은 질산화 및 탈질화 작용이 우수하여 폐수의 처리에 유용하게 사용될 수 있는 바이오클로드를 이용하여 폐수를 고효율로 처리하는 방법을 포함한다.

구체적으로 본 발명에 따른 폐수의 고효율 처리방법은,

1) 혐기성 소화조에서 폐수 중에 섞여 있는 협잡물, 침전가능한 고형 물질 및 반송된 슬러지를 침전 및 혐기성 소화시키는 단계;

2) 미생물 조정조에 부착된 바이오클로드로부터 용출되어 활성화된 미생물이 폭기조로 유입되고 상기에서 혐기성 소화 처리된 폐수와 혼합되면서 폭기 처리되는 단계;

3) 상기에서 폭기 처리된 폐수를 탈질조에서 탈질하는 단계;

4) 상기에서 탈질 처리된 폐수에 존재하는 슬러지를 침전조에서 침전시키는 단계; 및

5) 상기에서 침전된 슬러지의 일부는 혐기성 소화조로 반송하고 나머지 일부는 고액 분리된 상등액과 함께 폐기 처리하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 처리될 수 있는 폐수로는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 하수, 오수, 분뇨, 축산폐수 또는 산업폐수 등이 다양하게 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 폐수 처리방법은 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 바실러스 서브틸리스 BSSL1과 바실러스 메가테리움 DSM3을 유효성분으로 함유하는 바이오클로드를 이용하기 때문에 폐수 중의 유기물질과 영양소, 특히 질소를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 그 처리 과정에서 발생하는 악취에 대한 탈취효과도 우수하여 하수, 오수, 분뇨, 축산폐수 또는 산업폐수 등의 처리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통 상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

실시예 1: 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 균주의 분리 및 동정

본 발명자들은 질산화 및 탈질화 작용이 우수하여 폐수 처리에 효과적으로 사용될 수 있는 신규 미생물을 분리하기 위하여, 축산 지역이나 분뇨 처리장 근처의 토양과 산림에서 채취한 부엽토와 전국적으로 20여 지역의 청국장을 수집하여 이들을 대상으로 하기 실험을 수행하였다.

먼저, 수집된 청국장 시료 중에서 청국장균의 집락형성이 가장 많았던 경상북도 상주시의 한 가정집에서 재래식으로 제조된 청국장 1 g을 생리식염수 99 ㎖에 현탁하여 25±1℃의 진탕 배양기에서 24시간 동안 교반한 후, 차례로 생리식염수로 십진 희석하여 분리용 평판 영양배지(nutrient agar medium; enzymatic digest of gelatin 5 g, beef extract 3 g, agar 15 g, pH 6.8±0.2)에 도말하였다. 이와 유사하게, 채취된 부엽토 100 g을 생리식염수 900 ㎖에 현탁하여 25±1℃의 진탕 배양기에서 24시간 동안 교반한 후, 차례로 생리식염수로 십진 희석하여 토양 미생물 분리용 평판 영양배지(soil extract agar medium; agar 15 g, glucose 1 g, K₂HPO₄0.5 g, soil extract 100 ㎖, tap water 900 ㎖, pH 6.8±0.2)에 도말하였다. 상기 각각의 평판 영양배지를 25±1℃ 배양기에서 24 내지 48시간 동안 배양하였고, 배지에 형성된 균체의 군락을 형태별로 분리하고 현미경으로 관찰하여 각각의 우점 미생물들을 선발하였다.

선발한 우점 미생물들을 증식용 영양배지(nutrient broth; beef extract 3 g, enzymatic digest of gelatin 5 g, pH 6.8±0.2)에 접종하고 25±1℃의 배양조에서 24시간 동안 교반 하에 농축 배양하였다. 이때 무균 실험대(clean bench) 내에 설치된 통풍기(aerator)에 의해 발생된 공기를 멸균된 유리솜 파이프(glass wool pipe)를 통해 공급함으로써 외부로부터의 타균 감염을 제한하였다.

이와 같이 농축 배양된 각각의 우점 미생물에 대한 질산화 및 탈질화 작용을 조사하기 위하여 이들의 오염물 처리 효능 테스트를 수행하였다. 선발된 미생물에 대한 질산화 및 탈질화 실험은 회분식 테스트를 위해 실험실에서 원통형 아크릴로 제작한 5 ℓ의 폭기조와 1.5 ℓ의 탈질화조에 축산폐수를 원수로 하여 공급한 후 청국장으로부터 선발한 우점 미생물과 부엽토로부터 선발한 우점 미생물을 각각 접종하였고, 대조군에는 아무런 미생물도 접종하지 않았다. 우점 미생물을 적용하지 않은 처리수와 적용한 처리수의 유기물질과 영양소(특히, 질소와 인)의 처리수질을 분석하고 비교함으로써 상기에서 선발된 우점 미생물의 질산화 및 탈질화 작용을 검증하였다.

구분	CODcr	BOD	TSS	TKN/NH₃	NOx-N	T-P
원수	18,250	10,920	9,034	1,490/1,037	0	264
미적용 대조군	3,154	254	497	550/152	125	77
부엽토 유래 우점 미생물	1,300	132	275	101/35	15	79
청국장 유래 우점 미생물	1,250	121	261	95/25	21	85

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 미생물을 적용하지 않은 대조군의 경우에는 BOD(Biological Oxygen Demand) 농도가 254 ㎎/ℓ, TSS(Total Suspended Solid)가 497 ㎎/ℓ, TKN(Total Kjeldahl Nitrogen)이 550 ㎎/ℓ, NOx-N이 125 ㎎/ℓ로 나타난 반면, 부엽토 유래 우점 미생물 적용 처리수의 경우에는 TKN이 101 ㎎/ℓ이고 NOx-N이 15 ㎎/ℓ로 나타나 질산화와 탈질화 작용이 훨씬 효과적으로 수행되었음을 알 수 있었다. 또한 청국장 유래 우점 미생물 적용 처리수의 경우에도 TKN이 95 ㎎/ℓ이고 NOx-N이 21 ㎎/ℓ로 나타나 대조군에 비해 질산화와 탈질화 효율이 월등한 것을 확인하였다.

이로부터 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 것으로 확인된 2종의 우점 미생물을 사단법인 한국종균협회 부설 한국미생물보존센터에 의뢰하여 동정한 결과, 16S rRNA 서열분석을 통해 청국장 시료로부터 분리된 균주는 바실러스 서브틸리스와 99% 유사성을 나타내고(도 1a), 부엽토 시료로부터 분리된 균주는 바실러스 메가테리움과 99% 유사성을 나타냄을 확인하고(도 1b), 이들을 각각 바실러스 서브틸리스 BSDL1과 바실러스 메가테리움 DSM3로 명명하였다.

바실러스 서브틸리스 BSDL1은 2007년 10월 17일자로 한국미생물보존센터에 기탁번호 KFCC-11399P로 기탁하였고, 바실러스 메가테리움 DSM3은 2007년 11월 7일자로 동 센터에 기탁번호 KFCC-11402P로 기탁하였다.

실시예 2: 바이오클로드의 제조

상기 실시예 1에서 질산화 및 탈질화 작용이 우수한 균주로 분리, 동정된 바바실러스 서브틸리스 BSDL1과 바실러스 메가테리움 DSM3을 미생물 제제로 폐수 처리에 이용하기 위하여 하기와 같이 바이오클로드를 제조하였다.

먼저, 45 g의 황토(경북 상주시에 있는 황토)와 50 g의 부엽토(경기도 감악산에서 채취)를 혼합한 후 볼 밀(ball mill)기를 이용하여 미분말 상태로 균질하게 분쇄하였다. 미생물 배양 농축액을 제조하기 위하여, 발효용 영양배지(nutrient broth; beef extract 3 g, enzymatic digest of gelatin 5 g, pH 6.8±0.2) 2,000 ℓ를 만들어 3,000 ℓ 용량의 발효조에 채운 후 고압증기로 121℃에서 15분간 멸균하였다. 바실러스 서브틸리스 BSDL1과 바실러스 메가테리움 DSM3을 세포 증식용 영양배지에서 24시간 동안 배양한 후 이 배양액을 상기 발효조에 접종하고 배양온도 24 내지 26℃, pH 6.6 내지 7.0, 용존 산소농도는 포화 값이 10 내지 60이 유지될 수 있도록 통기량과 교반속도를 조절하면서 내생포자가 완전히 형성될 때까지 배양을 실시하였다. 각각의 미생물 배양액을 UV 분광광도계(spectrophotomoter)를 이용하여 대수생장기(증식기)에서 정지기까지 미생물의 O.D(Optical Density) 값이 0.5 내지 1.8이 되도록 농축하여 미생물 배양 농축액을 제조하였다.

미리 준비된 황토와 부엽토의 배합물에 상기 미생물 배양 농축액을 19:1의 비율로 첨가한 후 교반기를 이용하여 충분히 혼합하여 담체로 사용된 황토와 부엽토에 미생물 균주가 고정화되도록 하였다. 이 혼합물을 1 내지 1.5 ㎏f/㎠의 저속 압력으로 압축하여 막대 모양의 봉상으로 성형한 후 상기 성형물의 견고성과 형상 유지력을 유지하기 위하여 수분을 공급하면서 40℃에서 건조시켰다. 건조 과정을 거친 성형물을 전기로에 투입하여 소성하여 최종적으로 바이오클로드를 제조하였다. 제조된 바이오클로드는 수분 함량이 5% 이내이고, 생균수 측정 결과 4.7 내지 5.2×10⁸ cfu/g의 유효 생균수를 포함하고 있는 것으로 확인되었다.

이와 같이 제조된 바이오클로드에 포함된 활성 미생물이 폐수에 적용된 후에 활성화되는지 여부를 확인하기 위하여, 멸균된 폐수를 회분식 반응기에 넣고 여기에 상기 바이오클로드를 투입한 후 일정기간 동안 호기성 조건에서 미생물 활성화 실험을 수행하였다. 활성화된 미생물의 변화는 나이서(Neisser) 염색법을 이용하여 착색한 시료를 유침한 상태로 광학현미경으로 관찰하였다. 또한 미생물의 농도 변화는 1일 2회 이상 UV 분광광도계(spectrophotomoter)를 이용하여 600 ㎚의 파장에서 흡광도를 측정하여 조사하였다. 관찰 결과, 실험 3일째부터 바이오클로드로부터 용출되어 나온 바실러스 속 균주들이 급격히 증가하여 활성화되는 것을 확인하였다.

실시예 3: 바이오클로드의 폐수 처리효과

상기 실시예 2에서 제조된 바이오클로드의 폐수 처리효과를 조사하기 위하여 축산폐수, 분뇨 및 하수를 대상으로 하기와 같은 실험을 수행하였다.

구체적으로, 바이오클로드 적용실험은 하기 표 2에 나타난 바와 같은 용량과 재원을 갖는 혐기성 소화조, 폭기조, 탈질조, 미생물 조정조 및 침전조로 구성된 반응기를 이용하였고, 미생물 조정조에 본 발명의 바이오클로드를 장착하였다. 축산폐수, 하수 및 분뇨를 대상으로 처리공정에 본 발명의 바이오클로드를 적용하지 않은 처리수와 적용한 처리수의 유기물질과 영양소(특히, 질소와 인)의 처리수질을 분석하고 비교함으로써 바이오클로드의 폐수 처리효과를 검증하였다.

반응기 및 기기	규격	비고
혐기성 소화조	8.5 ℓ(φ=18 ㎝, H=40 ㎝)	원통형, 하수 슬러지 식종
폭기조	29.0 ℓ(L=42 ㎝, B=18.5 ㎝, H=48 ㎝)	구형
탈질조	4.0 ℓ(φ=15 ㎝, H=35 ㎝)	원뿔형
침전조	4.0 ℓ(φ=23 ㎝, H=35 ㎝)	원뿔형, 호퍼경사 60^o 유지
미생물 조정조	0.2 ℓ(φ=0.7 ㎝, H=18 ㎝)	원통형
pH, 온도측정기	오리온(Orione) 250A	pH, 온도측정
이송펌프	마스터-플렛그(Master-flex) 펌프	2헤드
혼합기	파나소닉(panasonic) M6GA30M	60 rpm
송풍기	코리아다까스끼 SPP-200GJ-H	40 ℓ/분 용량

본 실험에 사용된 시료는 축산폐수, 하수 및 분뇨의 공공처리장에서 각각 직접 채취하였으며, 각 시료의 농도는 BOD 기준 10,000 ㎎/ℓ 정도로 희석하여 사용하였다. 폭기조의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도는 10,000 ㎎/ℓ 정도를 유지하였으며, 폭기조의 적절한 MLSS 유지를 위하여 침전조에서 일정량의 잉여슬러지를 폐기하였고, 주처리장치는 중력에 의한 자연 유하방식으로 피처리물이 이동하도록 고안하였고, 시료 투입과 반송은 정확한 양을 확보하기 위하여 타이머(timer)를 부착한 정량펌프를 이용하여 자동으로 조절하였다. 실험 결과는 운전기간 동안의 평균치로 나타내었고, 모든 운전조건은 동일한 상황에서 바이오클로드의 생물학적 처리에 미치는 영향 여부를 조사한 실험값이다. 축산폐수, 하수 및 분뇨 각각에 대한 본 발명의 바이오클로드의 처리효과를 하기 표 3 내지 5에 나타내었다.

구분	CODcr	BOD	TSS	TKN/NH₃	NOx-N	T-P
원수	21,853	10,400	10,980	2,076/1,434	0	537
바이오클로드 미적용 처리수	2,690	221	472	572/103	86	85
바이오클로드 적용 처리수	1,052	44	247	71/12	6	73

상기 표 3은 축산폐수에 대한 실험 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 바이오클로드가 적용되지 않은 축산폐수에 비하여 적용된 축산폐수가 훨씬 더 효과적으로 처리되었음을 알 수 있다. 바이오클로드 미적용 처리수의 경우에는 BOD(Biological Oxygen Demand) 농도가 221 ㎎/ℓ, TSS(Total Suspended Solid)가 472 ㎎/ℓ, TKN(Total Kjeldahl Nitrogen)이 572 ㎎/ℓ로 나타난 반면, 바이오클로드 적용 처리수의 경우에는 BOD가 44 ㎎/ℓ, TSS가 247 ㎎/ℓ, TKN이 71 ㎎/ℓ로 나타나 훨씬 우수한 생물학적 처리효과를 나타내었다. 특히 바이오클로드가 적용된 처리수에서 질산화 작용이 우수하고, 탈질조에서의 탈질화 작용이 거의 완벽하게 이루어지는 것으로 나타났는데, 이는 바이오클로드 내의 활성 미생물인 바실러스 서브틸리스 BSDL1과 바실러스 메가테리움 DSM3의 작용인 것으로 생각되며, 최종 침전조에서의 슬러지 침전상태도 매우 우수한 것으로 확인되었다.

구분	CODcr	BOD	TSS	TKN/NH₃	NOx-N	T-P
원수	30,822	9,689	12,397	3,064/2,399	0	310
바이오클로드 미적용 처리수	3,789	215	512	789/151	99	91
바이오클로드 적용 처리수	1,842	41	197	89/17	9.5	85

상기 표 4는 분뇨에 대한 실험 결과를 나타낸 것으로, 바이오클로드 미적용 처리수의 경우에는 BOD 농도가 215 ㎎/ℓ, TSS가 512 ㎎/ℓ, TKN이 789 ㎎/ℓ로 나타난 반면, 바이오클로드 적용 처리수의 경우에는 BOD가 41 ㎎/ℓ, TSS가 197 ㎎/ℓ, TKN이 89 ㎎/ℓ로 나타나 훨씬 우수한 생물학적 처리효과를 나타내었다. 특히, 바이오클로드 적용 처리수에서 질산화 작용이 우수하고, 탈질조에서의 탈질화 반응이 우수한 것으로 확인되었다.

구 분	CODcr	BOD	TSS	TKN/ NH₃	NOx-N	T-P
원 수	382	230	144	67/52	0	12
바이오클로드 미적용 처리수	53	18	13	41/33	12	9.2
바이오클로드 적용 처리수	41	7.4	6.8	25/10	1.3	8.5

상기 표 5는 하수에 대한 실험 결과를 나타낸 것으로, 바이오클로드 미적용 처리수의 경우에는 BOD 농도가 18 ㎎/ℓ, TSS가 13 ㎎/ℓ, TKN이 41 ㎎/ℓ로 나타난 반면, 바이오클로드 적용 처리수의 경우에는 BOD가 7.4 ㎎/ℓ, TSS가 6.8 ㎎/ℓ, TKN이 25 ㎎/ℓ로 나타나 훨씬 우수한 생물학적 처리효과를 나타내었다. 특히, 바이오클로드 적용 처리수에서 NOx-N이 1.3 ㎎/ℓ로 거의 완전한 탈질화 반응이 일어나는 것으로 확인되었다.

실시예 4: 바이오클로드의 악취 제거효과

상기와 같이 축산폐수, 하수 및 분뇨에 대한 본 발명에 따른 바이오클로드의 처리효과를 확인한 후 이들의 처리과정에서 발생하는 악취에 대한 탈취효과를 다음과 같이 조사하였다. 탈취실험은 회분식(batch) 공정으로 실시하였는데, 100 ㎖의 플라스크 2개에 암모니아(NH₃), 황화수소(H₂S), 메틸머캅탄(CH₃SH) 및 황화메틸[(CH₃)₂S]을 각각 1.12 ppm, 12.6 ppb, 1.2 ppb 및 7.2 ppb 농도로 함유하는 인공 폐수를 조성한 후 하나에는 상기 실시예 2에서 제조된 바이오클로드를 넣고 다른 하나에는 넣지 않은 상태로 밀봉하였다. 상기 플라스크에서 발생하는 악취를 1일 2회씩 포집하여 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC)로 분석하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

항목	바이오클로드 미적용 플라스크	바이오클로드 적용 플라스크	배출허용기준
암모니아(NH₃)	1.12 ppm	0.41 ppm	< 1.0 ppm
황화수소(H₂S)	12.6 ppb	5.4 ppb	< 20.0 ppb
메틸머캅탄(CH₃SH)	1.2 ppb	0.31 ppb	< 2.0 ppb
황화메틸[(CH₃)₂S]	7.2 ppb	1.34 ppb	< 10.0 ppb

상기 표 6에 나타난 바와 같이, 축산폐수, 하수 및 분뇨의 처리과정에서 발생하는 악취의 원인 물질로 알려진 암모니아, 황화수소, 메틸머캅탄과 황화메틸의 복합물에 대해 본 발명의 바이오클로드가 매우 우수한 탈취효과를 나타내는 것으로 확인되었다. 구체적으로, 실험 6일 후, 바이오클로드 미적용 플라스크에 비하여 바이오클로드 적용 플라스크에서 암모니아는 63%, 황화수소는 57%, 메틸머캅탄은 74%, 황화메틸은 81%가 제거되었고, 이는 배출허용기준을 모두 만족하는 훨씬 낮은 수준이었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

도 1a 및 1b는 본 발명에서 각각 청국장과 부엽토로부터 분리, 동정한 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3을 미분 간섭현미경으로 관찰한 사진(×400)이다.

Claims

질산화 및 탈질화 작용이 우수한 바실러스 서브틸리스 BSDL1(Bacillus subtilis BSDL1)(기탁번호: KFCC-11399P).
질산화 및 탈질화 작용이 우수한 바실러스 메가테리움 DSM3(Bacillus megaterium DSM3)(기탁번호: KFCC-11402P).
미생물 제제로서 제1항의 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 제2항의 바실러스 메가테리움 DSM3을 활성 미생물로 포함하는, 폐수의 처리를 위한 바이오클로드(bio-clod).
제3항에 있어서, 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3의 미생물 배양 농축액을 유효성분으로 함유하고, 상기 미생물의 생육기질 및 보존 담체로서 황토 및 부엽토를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오클로드.
제4항에 있어서, 바이오클로드의 총 중량을 기준으로 3 내지 7 중량%의 미생물 농축 배양액, 43 내지 47 중량%의 황토 및 48 내지 52 중량%의 부엽토를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오클로드.
하기 단계를 포함하는 상기 제3항의 바이오클로드를 제조하는 방법:

1) 황토와 부엽토를 완전히 배합하는 단계;

2) 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3을 대량 배양하한 후 농축하여 미생물 배양 농축액을 얻는 단계;

3) 상기 단계 1)의 배합물에 단계 2)의 미생물 배양 농축액을 혼합한 후 압출 성형하는 단계; 및

4) 상기 압출 성형물을 수분 공급 하에서 건조시킨 후 소성하여 바이오클로드를 제조하는 단계.
제6항에 있어서, 단계 1)에서 황토와 부엽토가 1:1 내지 1:1.5의 중량비로 배합되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 단계 2)에서 미생물 배양 농축액 내 바실러스 서브틸리스 BSDL1 및 바실러스 메가테리움 DSM3 균수가 각각 4.7×10⁸ 내지 5.2×10⁸ CFU/㎖인 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 단계 3)에서 황토와 부엽토의 배합물에 대한 미생물 배양 농축액의 혼합 비율이 중량비로 18:1 내지 20:1인 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 단계 3)에서 압출 성형이 1 내지 1.5 ㎏f/㎠의 저속 압력 조건으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 단계 4)에서 압출 성형물이 수분이 공급되는 조건 하, 30 내지 40℃에서 건조된 후 20 내지 25℃에서 소성되는 것을 특징으로 하는 방법.
하기 단계를 포함하는, 제3항의 바이오클로드를 이용하여 폐수를 고효율로 처리하는 방법:

1) 혐기성 소화조에서 폐수 중에 섞여 있는 협잡물, 침전가능한 고형 물질 및 반송된 슬러지를 침전 및 혐기성 소화시키는 단계;

2) 미생물 조정조에 부착된 바이오클로드로부터 용출되어 활성화된 미생물이 폭기조로 유입되고 단계 1)에서 혐기성 소화 처리된 폐수와 혼합되면서 폭기 처리되는 단계;

3) 상기에서 폭기 처리된 폐수를 탈질조에서 탈질하는 단계;

4) 상기에서 탈질 처리된 폐수에 존재하는 슬러지를 침전조에서 침전시키는 단계; 및

5) 상기에서 침전된 슬러지의 일부는 혐기성 소화조로 반송하고 나머지 일부는 고액 분리된 상등액과 함께 폐기 처리하는 단계.
제12항에 있어서, 상기 폐수가 하수, 오수, 분뇨, 축산폐수 또는 산업폐수인 것을 특징으로 하는 방법.