KR20140047344A - 내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 미생물의 농화배양방법 - Google Patents

내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 미생물의 농화배양방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐수 및 지하수에 포함된 퍼클로레이트 및 나이트레이트를 제거할 수 있는 내염성 미생물의 농화배양방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법에 의해 얻은 미생물 배양액은 오염된 지하수 또는 폐수로부터 퍼클로레이트 및 나이트레이트를 효율적으로 제거하는 것이 가능하므로 이런 오염물을 연속처리하는 반응기나 장치에 식종균으로 사용될 수 있으며 궁극적으로 경제적으로 공업용수 및 농업용수를 확보하는 것이 가능하다. 본 발명의 방법은 이온교환법으로 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 처리하고 발생한 폐재생액 내의 염분성 물 속에 녹아 있던 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 내염성 미생물인 PRB 또는 NRB를 사용하여 분석한계(0.62 μg ClO4 -/L; 47.6 μg NO3 --N/L) 이하로 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명은 농화배양액에 전자공여체로 황입자를 사용하므로 황입자 자체가 담체로도 작용한다. 그래서 따로 담체가 불필요하고, 기존의 방법보다 간단하고 처리 비용도 적게 드는 효과가 있다.

Description

내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 미생물의 농화배양방법{Enrichment culture method of perchlorate or nitrate reducing bacteria}
본 발명은 지하수 또는 폐수에 포함된 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 제거할 수 있는 농화배양방법에 관한 것으로, 염분이 있는 폐수의 오염물을 제거할 수 있는 미생물을 농화배양하는 방법에 관한 것이다.
폭약 산업, LCD 제조산업 등에서 발생되는 폐수에는 퍼클로레이트 이온, 나이트레이트 이온 등의 오염물질이 다수 포함된다. 이러한 폐수는 하천이나 바다로 흘러들어 하천수나 바닷물의 오염원으로 작용하고 오염된 하천수가 지표면에 스며들어 지하수를 오염시킨다. 이와 같이, 지하수가 퍼클로레이트 이온, 나이트레이트 이온 등의 오염물질로 오염되는 경우 토양 및 지하수 환경이 오염되고 그로인해 농작물의 오염과 지하수를 이용한 용수의 공급에 큰 차질을 빚을 수 있으므로 이러한 오염물질을 처리하는 기술은 산업적으로 매우 중요하다.
퍼클로레이트 이온은 사람의 호흡기, 피부 등을 자극하고 과다 노출 시 갑상선 장애를 일으켜 여러 가지로 몸에 이상 유발할 수 있는 것으로 전해진다. 퍼클로레이트 이온은 염소(Cl)원자 한 개와 네 개의 산소(O)원자가 결합한 것으로서 화학식은 ClO4 -이다. 퍼클로레이트 이온은 자연적으로 발생하기도 하지만 대부분 공업용으로 사용하기 위해 인공적으로 제조된 퍼클로레이트로부터 유래한다. 따라서 퍼클로레이트 이온을 오염물질에 포함시키고 새로운 규제와 기준을 설정하기 위해 퍼클로레이트 이온 오염의 발생, 상수 및 하수처리방법 개발에 관한 광범위한 연구가 진행되고 있다.
퍼클로레이트 이온은 물에 대한 용해도가 높고 화학적으로 안정하여 쉽게 분해되지 않는 특성을 갖는다. 물에 대한 높은 용해도로 인하여 지하수에 오염된 퍼클로레이트는 지하수의 이동과 더불어 광범위한 오염을 초래한다.
퍼클로레이트 이온을 제거하기 위한 방법으로는 이온교환, 막분리 기술, 전기투석, 활성탄을 이용한 저감기술 등이 적용된다. 하지만 이러한 방법들은 퍼클로레이트를 분해하기 보다는 물에서 다른 매질로 이 오염물을 이동시킬 뿐이며, 활성탄을 이용하는 경우는 흡착력 저하에 따라 활성탄을 주기적으로 교체해야 하는 문제가 있다.
현재 가장 널리 사용되는 방법인 이온교환법은 주기적으로 이온교환수지를 재생해야하는데 이러한 재생으로 인해 발생하는 폐재생액에는 퍼클로레이트 및 나이트레트가 염분성 물에 용해되어 있다. 발생된 폐재생액은 폐기처분하는데 비용이 발생하며, 폐기처분이 부적절할 경우는 이차오염을 야기할 수도 있다. 염분을 포함하는 폐재생액내의 퍼클로레이트 및 나이트레이트를 생물학적 방법으로 완전히 제거하기 위해서는 내염성이면서 이러한 오염물을 분해할 수 있는 미생물이 필요하나 아직까지 퍼클로레이트 이온과 나이트레이트 이온을 동시에 효과적으로 제거할 수 있는 방법에 대한 연구가 미미한 실정이다. 특히 내염성이면서 이런 오염물을 분해할 수 있는 미생물에 대한 연구가 드물다.
한국등록특허 제0882228호 한국등록특허 제0971588호
이에 본 발명자들은 본 발명의 내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 미생물이 폐수 오염의 원인인 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 효과적으로 분해 및 제거할 수 있다는 사실을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 농화배양액을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 농화배양액을 이용한 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 미생물 농화 배양 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 염분을 포함하는 폐수나 해수의 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 제거하는 생물학적 방법에 식종균으로 상용될 농화배양액을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 황 입자; 1.647 mg MgCl2·6H2O, 47 mg K2HPO4, 27 mg NaH2PO4·H2O, 16 mg NH4H2PO4 및 1 g NaHCO3을 함유한 최소배지; 및 내염성 미생물을 포함하는 퍼클로레이트 또는 나이트레이트제거용 농화배양액을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 황 입자는 50 ~ 70g/L의 양으로 함유된 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 내염성 미생물은 퍼클로레이트 환원 세균(perchlorate-reducing bacteria, 이하 간단하게 ‘PRB’라 함) 또는 나이트레이트 환원 세균(nitrate-reducing bacteria, 간단하게 'NRB' 라 함)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 내염성 미생물은 5%(w/v)의 NaCl 농도에서 내염성을 갖는 것 일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 농화배양액을 이용한 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 미생물 농화 배양 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 방법은 N2 가스를 이용하여 산소를 제거하고, 25℃의 암 조건에서 150 rpm의 속도로 진탕 배양하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 상기 농화배양액을 이용한 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 방법은 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 검출한계 이하로 감소시키는 것일 수 있다.
본 발명의 간단한 방법으로 얻은 미생물 배양액은 오염된 지하수 또는 폐수로부터 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 동시에 효율적으로 제거하는 것이 가능하므로 경제적으로 공업용수 및 농업용수를 확보하는 것이 가능하다. 본 발명의 방법은 이온교환법으로 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 처리하고 발생한 폐재생액 내의 염분성 물 속에 녹아 있던 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 내염성 미생물인 PRB 또는 NRB를 사용하여 분석한계(0.62 μg ClO4 -/L; 47.6 μg NO3 --N/L) 이하로 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명은 농화배양액에 전자공여체로 황입자를 사용하므로 황입자 자체가 담체로도 작용한다. 그래서 따로 담체가 불필요하고, 기존의 방법보다 간단하고 처리 비용도 적게 드는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 미생물을 배양할 수 있는 농화배양기를 도시화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라서 본 발명의 농화배양액에 퍼클로레이트 및 나이트레이트를 주입하였을 때 분해 결과를 나타낸 결과이다.
본 발명은 폐수에 포함된 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 동시에 분해 및 제거할 수 있는 내염성 미생물인 PRB 또는 NRB를 농화배양하는 방법을 제공함에 그 특징이 있다.
퍼클로레이트(perchlorate, ClO4 -)는 지표수, 지하수 및 토양의 주요 오염물로서, 퍼클로레이트는 대부분 일상생활에 사용되는 제품(예: 성냥, 건전지, 자동차 에어백, 페인트, 의약품, 비료 제조 등)이나 화약류 제조공정에서 생성된다. 우리나라에서는 퍼클로레이트의 오염원으로서 주로 LCD 제조공정의 세정제나 아연제련 공정에서 배출되는 폐수가 보고되었다. 2008년부터 퍼클로레이트가 수질오염물질로 신규 지정되었고, 퍼클로레이트의 배출허용기준은 검토 중에 있는 실정이다. 2010년에는 퍼클로레이트가 먹는 물 수질감시항목으로 지정됨에 따라 권고기준 15μg ClO4 -/L이 설정되어 먹는 물의 퍼클로레이트 농도 검사를 실시하기 시작하였다.
퍼클로레이트는 물에 대한 높은 용해도 및 화학적 안정성으로 인하여 오염이 광범위하게 발생하며, 대부분의 경우 나이트레이트와 동시에 존재하는 경우가 많다. 퍼클로레이트가 인체에 흡수되면 갑상선에 요오드가 흡수되는 것을 막아 갑상선호르몬 생성을 방해하고 성장과 물질대사를 저해하므로 인체에 전반적인 영향을 미친다.
퍼클로레이트의 처리에는 전기분해 및 이온 교환과 같은 물리, 화학적 처리가 사용되어 왔으나 최근에는 생물학적 환원을 통한 처리도 연구되고 있다. 퍼클로레이트는 미생물에 의해 ClO4 - -> ClO3 - -> ClO2 - -> Cl- + O2의 경로를 거쳐 환원되며, 속도 제한 단계는 퍼클로레이트(과염소산 이온)가 염소산 이온으로 환원되는 단계이다.
지하수에 포함된 나이트레이트 이온의 처리방법으로는 암모니아 탈기법, 파괴점 염소처리법, 이온교환법 등 여러 가지 방법에 있지만 경제성, 기술적 한계 등의 이유로 미생물을 이용한 생물학적 질소제거방법이 주로 이용되고 있다.
생물학적 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 이온의 제거방법에는 조류(algae) 배양법, 수생식물 재배법, 미생물에 의한 질화 방법 등이 사용되고 있으나, 공정이 간단하지 않고 제거 효율도 낮다. 또한 퍼클로레이트 이온을 다량 발생시키는 산업용 폐수에는 나이트레이트 이온이 함께 포함되기 때문에 퍼클로레이트 이온과 나이트레이트 이온을 동시에 제거할 수 있는 효율적인 방법을 마련하는 것이 시급한 실정이나 아직까지 퍼클로레이트 이온과 나이트레이트 이온을 동시에 제거할 수 있는 농화배양방법에 관한 연구가 많이 진행되지 못하였으며 폐재생액의 염분성 물에 있는 퍼클로레이트 이온 및 나이트레이트 이온까지 완벽하게 제거할 수 있는 방법에 대한 연구는 드물다.
따라서 본 발명자들은 내염성이면서 퍼클로레이트와 나이트레이트를 효과적으로 분해할 수 있는 미생물을 간단하고 저렴하게 농화배양할 수 있는 방법을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
현재 폐수 내의 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 처리하는 방법 중 가장 상용화된 기술은 이온교환법이다. 이 방법은 운전공정이 간단하며 비교적 낮은 가격으로 빠른 시간 내에 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 처리할 수 있다는 장점이 있으나 이온교환수지를 재생해야하고, 재생하는 과정에서 고농도의 염분과 퍼클로레이트를 포함한 폐재생액을 배출한다는 단점이 있다. 폐재생액 내의 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 제거하기 위해 내염성 PRB 또는 NRB을 사용할 수 있는데 종래의 기술은 주로 전자공여체로 유기물(예: 아세테이트, 메탄올 등)을 사용하는 종속영양 PRB 또는 NRB을 이용하였다. 이러한 종속영양 방식으로 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 제거하기 위해서는 유기물을 지속적으로 공급해주어야 하므로 경제성이 낮고, 반응기를 운전할 경우 반응기내에 PRB 또는 NRB가 부착할 수 있는 담체를 넣어주어야 하며, 슬러지발생량이 많아 막힘 현상이 발생하여 반응기 효율을 저감시킨다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 전자공여체로 H2를 사용하는 독립영양 방식의 PRB 또는 NRB로 퍼클로레이트 및 나이트레이트를 처리하는 법을 사용하기도 하나 H2가 취급과 저장에 위험성이 있어 실규모 반응기를 운전하는 데는 한계가 있다.
따라서 본 발명은 상기의 단점을 극복하고자 전자공여체로 황입자를 사용하고 염농도를 단계적으로 증가시킨 농화배양을 통해 내염성 미생물인 PRB 또는 NRB를 얻을 수 있었다. 이 농화배양액을 이용하면 폐수 중의 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 이온 교환법으로 처리하고 발생된 폐재생액(염분성 물에 퍼클로레이트 및 나이트레이트가 용해되어 있음) 내의 퍼클로레이트 및 나이트레이트까지 검출한계 이하로 감소시킬 수 있다. 본 발명의 농화배양액에 주입된 황입자는 비교적 가격이 저렴하며 황입자 자체가 담체로 작용하므로 따로 담체가 불필요하다는 점에서 간편하고 경제적이라는 특징이 있다.
또한 본 발명은 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거를 위한 생물학적 방법에 본 발명에 따른 상기 농화배양액을 식종균으로 제공할 수 있다는 점에 특징이 있다.
이러한 사실은 본 발명의 일실시예를 통해 확인할 수 있었는데, 본 발명의 농화배양방법을 이용하여 회분배양 시 시간에 따른 퍼클로레이트 및 나이트레이트의 잔류농도를 측정한 결과, 퍼클로레이트 주입 3 ~ 4일 이후 퍼클로레이트가 검출한계 이하로 감소되었음을 알 수 있었고, 퍼클로레이트의 완전한 분해를 확인하고 나이트레이트를 주입하여 나이트레이트 잔류농도도 확인한 결과 나이트레이트 주입 2일 이후에 나이트레이트의 잔류농도 역시 검출한계 이하로 감소되었음을 알 수 있었다(도 2 참조).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
본 발명에 따른 내염성 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 미생물의 농화배양방법
본 발명의 발명자들은 내염성 미생물인 PRB 또는 NRB를 보다 간편하게 농화배양하는 방법을 제공하고자 하기의 방법을 사용하였다.
PRB의 농화배양은 500 ml Wheaton bottle로 된 반응기를 사용하였으며, 반응기에 주입한 황은 그 농도가 60 g/L가 되게 하여 반응기 set-up 시 한번만 주입해 주었다. 최소배지 조성(L 당)은 1.647 mg MgCl2· 6H2O, 47 mg K2HPO4, 27 mg NaH2PO4·H2O, 16 mg NH4H2PO4, 1 g NaHCO3과 같으며, 탈염소된 수돗물로 1L를 조제했다. 또한 식종균은 하수처리장에서 채취한 잉여 슬러지를 0.4 gVSS/L 만큼 주입했다.
농화배양은 유가배양(Fed-batch) 형식으로 진행하였으며, 반응기내의 반응액의 부피는 500 ml 이었다. 초기에는 배양액의 퍼클로레이트 농도를 20 mg/L가 되도록 하다가 점차적으로 주입농도를 증가시킴에 따라 120 mg/L까지 증가시켰다. NaCl 의 농도는 초기 0%(W/V)부터 0.5%(W/V)씩 점차적으로 증가하여 5%(W/V)까지 농도를 상승시켰으며, 2주일에 1번씩 반응기로부터 200 ml의 배지를 제거하고 새 배지 200 ml을 주입하였다. 반응기 내부는 N2 gas(순도, 99.99%)로 2분간 배출(purge)하여 O2를 제거하였고 25℃의 어두운 곳에서 150 rpm으로 진탕배양 하였다. 농화 배양하는 동안 주입한 퍼클로레이트의 농도가 검출한계(0.62 μg ClO4 -/L)미만으로 감소할 때마다 다시 퍼클로레이트를 주입해주었다.
상기와 같이 퍼클로레이트 농화배양을 하여 퍼클로레이트(ClO4 -)를 분해하는 미생물을 확보한 후에는 농화배양된 미생물이 나이트레이트(NO3 -)도 분해할 수 있는지 확인하였다. 퍼클로레이트 대신 나이트레이트를 40 ~ 50mg NO3 --N/L이 되도록 농화배양액에 주입하여 농도감소를 확인하였고 완전 분해가 확인되면 나이트레이트를 다시 반복 주입하여 NO3 - 분해를 확인하였다.
그 결과, 본 발명의 배양액에서 퍼클로레이트가 주입 3 ~ 4일 안에 검출한계 이하로 감소됨을 알 수 있었으며, 또한 나이트레이트도 완전히 분해시킴을 알 수 있었다(도 2 참조).
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 황 입자; 1.647 mg MgCl2·6H2O, 47 mg K2HPO4, 27 mg NaH2PO4·H2O, 16 mg NH4H2PO4 및 1 g NaHCO3을 함유한 최소배지; 및 내염성 미생물을 포함하는 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 농화배양액.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 황 입자는 50 ~ 70g/L의 양으로 함유된 것을 특징으로 하는 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 농화배양액.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내염성 미생물은 퍼클로레이트를 환원하는 세균(perchlorate-reducing bacteria, PRB) 또는 나이트레이트를 환원하는 세균(nitrate-reducing bacteria, NRB)인 것을 특징으로 하는 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 농화배양액.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내염성 미생물은 5%(w/v)의 NaCl 농도에서 내염성을 갖는 것을 특징으로 하는 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 농화배양액.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 농화배양액을 이용한 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거용 미생물 농화 배양 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방법은 N2 가스를 이용하여 산소를 제거하고, 25℃의 암 조건에서 150 rpm의 속도로 진탕 배양하는 것을 특징으로 하는 농화 배양 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 농화배양액을 이용한 폐수 내의 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방법은 퍼클로레이트 또는 나이트레이트를 검출한계 이하(0.62 μg ClO4 -/L; 47.6 μg NO3 --N/L)로 감소시키는 것을 특징으로 하는 퍼클로레이트 또는 나이트레이트 제거 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105800797A (zh) * 2016-05-11 2016-07-27 环境保护部南京环境科学研究所 一种改性纤维素缓释碳材料及应用该材料的可渗透反应墙结构
CN108358309A (zh) * 2017-11-01 2018-08-03 中国科学院城市环境研究所 一种提高反硝化厌氧甲烷氧化微生物运行稳定性的方法
CN111439851A (zh) * 2020-05-29 2020-07-24 江苏华东地质工程有限公司（江苏省有色金属华东地质勘查局八一〇队） 可渗透反应系统及利用其治理污染土壤与地下水的方法
CN113023901A (zh) * 2021-02-01 2021-06-25 山东大学 一种耐盐微生物组的构建方法及在高盐废水治理领域的应用

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