KR20170101449A - 연안 표층 퇴적물 개선제 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연안 표층의 퇴적물을 친환경적으로 정화하기 위한 퇴적물 개선제에 관한 것이다. 본 발명에 따른 퇴적물 개선제는 표층에 산소를 발생시킬 수 있는 산소발생제와, 제오라이트에 미생물을 담지한 바이오볼을 혼합하여 이루어진다. 퇴적물 개선제는 연안 표층에 살포되어 화학적산소요구량, 총질소, 총인 등 다양한 항목에서 우수한 효과를 발휘하였다. 본 발명에 따른 퇴적물 개선제를 연안 표층에 살포함과 동시에 연안의 빈산소 수괴층을 해소하는 기술을 함께 도입하여 연안의 생태환경을 친환경적으로 변화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
Description
본 발명은 연안, 하천, 호소의 바닥에 침전된 표층퇴적물로 인하여 발생하는 환경 오염을 개선하기 위한 연안 저질 개선제에 관한 것이다.
연안 표층은 수층과 함께 수생생태계를 구성하는 기본 요소로서 저서생물의 서식지를 제공하며, 수생 환경과 밀접하게 연결되어 있다. 이에 연안 표층의 오염은 수층의 오염으로 이어지며, 환경 변화에 민감한 생물종들의 식생에 악영향을 미치게 된다.
연안 표층의 오염에서 가중 중요한 인자는 연안 퇴적물이다.
연안 퇴적물은 생활하수, 농축산하수, 양식장 배설물, 오폐수가 바다로 유입되어 침전되면서 형성된다. 그리고 오염물이 유입 및 퇴적되는 양이 자연의 자정능력을 초과하면서 오염이 점차 심화된다. 특히 대한민국 남해안과 같이 반 폐쇄 또는 폐쇄성 해안선을 가진 연안의 경우 해수 교환이 원활하지 않아 오염 정도가 매우 빠르게 심화된다. 즉, 연안 표층의 미생물은 산소를 소모하면서 연안 퇴적물(유기물)을 분해한다. 그러나 해수의 수층 사이의 밀도 차이로 인하여 층간의 혼합이 이루어지지 않아 산소 공급이 원활하지 않게 된다. 산소의 결핍으로 인해 퇴적물 내의 저서생물의 활동이 저하되며, 식물 플랑크톤의 먹이인 인, 질소가 생성되어 적조, 녹조, 청조, 빈산소 수괴가 발생된다.
또한 혐기적 상태에서 퇴적물 내 유기물이 분해될 경우 황화수소나 암모니아와 같은 독성이 있는 부산물들이 생성되어 퇴적물 내 서식 생물종의 수와 형태를 제한할 수도 있다.
종래에는 오염된 표층 표층퇴적물을 개선하기 위하여 폭기, 준설 등의 방법을 실시하고 있지만, 이러한 방법들은 수질의 오염물질 확산, 어패류의 양식 중지, 2차 오염물의 처리, 실시비용의 과다 등의 문제가 있다.
또한 퇴적물의 처리를 위한 다른 방법으로 점토, 생석회 등의 약제를 살포하는 방법이 있지만, 점토살포는 점토 중의 알루미나 및 실리카 성분이 수중의 유기 현탁물을 응집, 침전시키는 문제가 있다. 또한 생석회 중 칼슘성분은 수중의 황산염과 반응하여 석회석과 석고를 생성시켜 퇴적물을 피복시킴으로써 퇴적물 내부에 서식하는 생물의 산소접촉을 차단시켜 많은 피해가 발생한다.
또한 황토, 제오라이트 등을 살포하여 이들 물질이 갖는 염기 치환능, pH 조절효과 등을 이용하여 퇴적층의 환경을 개선하는 방법도 사용하지만, 이들은 단순히 유기물을 분해하는 미생물을 흡착시켜 저질 개선에 이용되지만 유기물 분해 미생물의 안정화를 이루지 못해 뚜렷한 효과를 보지 못하고 있다. 최근에는 생물학적 방법을 이용한 개선이 시도되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오염된 연안 표층 퇴적물을 개선하기 위하여 생물학적 제제를 포함하는 개선제를 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 산소소모에 영향을 미치는 표층유기물(LOM) 오염퇴적물을 제거하기 위한 개선제를 공급한다. 특히 여름철 빈산소 수괴로 산소가 부족해지는 시기에 해양기원 유기물을 분해하는 개선재를 제공하고자 한다. 표층 퇴적물에 내 유기물은 대부분 분해되기 쉬운 유기물(Labile oganic matter)이므로 개선제를 공급함으로써 산소 소모를 줄일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연안 표층 퇴적물 개선제는, 연안 표층의 오염된 퇴적물에 살포되어 오염된 퇴적물을 정화하기 위한 것으로서, 연안 표층 퇴적물에 산소를 공급하기 위한 산소발생제; 및 다공성의 결정질 알루미노규산염을 담체로 하여 상기 퇴적물 내 유기물과 오염물을 제거하기 위한 미생물을 고정시킨 바이오 볼;을 포함하며, 상기 미생물은 브라키모나스 데니트리피컨스(Brachymonas denitrificans) 및 박테로이데스 세균(bacteroidales)을 포함하는 것에 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 미생물은 유황 세균인 배지아토아(beggiatoa), 씨오트릭스(thiothrix), 씨오플로카(thioploca), 아크로마티움(acromatium), 애시드티오바실루스(acidthiobacillus), 크로마티움(chromatium), 씨오카프사(thiocapsa) 및 클로로비움(chlorobium)을 모두 포함할 수 있다.
또한, 상기 미생물은 포토트로픽(phototrophic) 박테리아, 락토바실루스(lactobacillus) 박테리아, 바실루스(bacillus) 박테리아, 수도모나스(pseudomonas) 박테리아, 지질분해 효모(yeast), 수도모나스(pseudomonas) 박테리아, 니트로소모나스(nitrosomonas) 박테리아 및 니트로박터(nitrobacter) 박테리아를 포함할 수 있다.
그리고 상기 산소발생제는 마그네슘과 칼슘의 수산화물, 산화물 및 과산화물 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 산소발생제 100 중량부에 대하여, 상기 바이오 볼은 200 ~ 350 중량부의 비율로 배합되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 퇴적물 개선제는 연안 표층의 화학적 산소요구량, 총질소, 총인 등 다양한 환경 항목에서 우수한 효과가 있다. 특히 바이오볼이 산소공급제보다 2배 이상, 더욱 바람직하게는 바이오볼이 3배 이상 혼합될 때 생태독성을 포함한 모든 항목에서 우수한 효과를 발휘한다.
본 발명에 따른 퇴적물 개선제를 연안 표층에 살포함과 동시에 연안의 빈산소 수괴층을 해소하는 기술을 함께 도입하여 연안의 생태환경을 친환경적으로 변화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 연안 표층 퇴적물을 환경적으로 정화하기 위한 퇴적물 개선제에 관한 것이다. 다만, 본 발명이 연안 표층의 퇴적물 뿐만 아니라, 호소나 하천의 오염된 퇴적물에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 본 발명의 처리 대상이 되는 퇴적물의 오염원은 주로 유기물이지만, 질소, 인과 같은 무기물도 모두 포함한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연안 표층 퇴적물 개선제(이하 '퇴적물 개선제'라고 한다)에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 퇴적물 개선제는 산소발생제와 생물학적 제제가 혼합하여 이루어진다.
연안 표층 퇴적물 오염원은 주로 유기물이다. 인구가 특정 지역에 밀집되고, 농축산업이 대규모로 집중화되면서 발생되는 다양한 유기물이 오폐수, 하수와 함께 연안으로 유입되어 퇴적되기 때문이다. 유기물이 자연적 정화능력 이상으로 많이 유입되면 이들은 분해되지 못하고 부영양화를 일으키게 된다. 주로 호기성 미생물에 의해서 유기물이 분해되는데 부영양화에 따라 산소가 부족해지면서 유기물은 분해되지 못하고 계속 쌓이게 된다. 이러한 상태가 장기적으로 지속되면 퇴적물은 혐기성 환경으로 변화하게 되고 오염은 더욱 심각해진다.
본 발명에서 산소발생제와 생물학적 제제로서 미생물을 혼합하여 개선제를 조성한 것은 상기한 이유와 같다. 즉 산소와 미생물을 함께 공급함으로써 오염물을 분해하고자 하는 것이다.
본 발명에서 산소발생제로는 칼슘, 마그네슘과 같은 2가 양이온의 산화물, 과산화물 및 수산화물 형태가 사용된다. 예컨대, 본 실시예에서는 MgO, CaO, MgO2, CaO2, Mg(OH)2, Ca(OH)2 중 적어도 어느 하나 또는 2개 이상을 조합하여 사용한다. 특히 과산화물 형태를 주로 사용한다.
과산화물인 MgO2와 CaO2는 아래의 반응식과 같이 물과 반응하여 마그네슘 하이드록사이드와 칼슘 하이드록사이드로 바뀌면서 산소를 배출시킨다.
MgO2 + H2O = Mg(OH)2 + 1/2 O2
CaO2 + H2O = Ca(OH)2 + 1/2 O2
상기한 반응은 장시간에 걸쳐 지속적으로 일어나므로 퇴적물에 산소 공급을 원활하게 할 수 있다. 산소가 공급되면 호기성 미생물이 활동할 수 있는 분위기를 형성하게 된다.
본 발명에서 바이오 볼은 담체에 미생물을 흡착, 고정화시킨 형태이다.
담체로서는 다공성, 결정질 물질이 사용되는데, 본 실시예에서는 특히 제오라이트가 사용된다. 제오라이트는 다공성 물질로서 오염물의 흡착제로 사용될 수 있다. 제오라이트는 양이온 교환능력(C.F.C:Cation Exchange Capacity)이 크기 때문이다. 또한 제오라이트는 다공성으로 이루어져 반응이 일어날 수 있는 비표면적이 매우 넓으므로 그 자체로서 매우 우수한 오염물질의 흡착제로서 기능한다는 이점이 있다. 무엇보다도 담체는 많은 수의 미생물이 고정화될 수 있어야 하므로, 비표면적이 넓은 다공성 물질인 제오라이트를 사용하면 이점이 있다.
정리하면 본 발명에서 제오라이트는 그 자체로서 수중 또는 퇴적물 내 오염물을 흡착시켜 제거하는 흡착제의 기능과, 미생물이 안정적으로 수용되는 담체로서의 기능을 함께 수행한다.
본 실시예에서 제오라이트는 소성하여 사용하며 대략 1~3 mm의 입경을 가진다. 입경이 1~3mm인 경우가 미생물의 고정량 및 오염원 흡착을 최대화할 수 있다.
담체에는 다양한 종류의 미생물이 고정화된다.
본 발명에서는 그람음성의 Brachymonas denitrificans를 사용하여 호기적 탈질과 슬러지 감량을 도모한다. 또한 단백질 분해가 능한 혐기성 박테리아인 proteinclasticum ruminis을 담체에 고정시킨다. 또한 혐기적 탈질이 가능한 박테로이데스 세균(bacteroidales)을 담체에 고정시켜 사용할 수도 있다.
미생물을 담체에 고정시키는 방법은 공지의 다양한 방법을 사용할 수 있다. 즉, 미생물을 담체에서 배양시키는 방법을 통해 고정화할 수도 있으며, 알긴산소다 등의 흡착제를 이용하여 기배양된 미생물을 스프레이 방식으로 담체에 흡착시킬 수도 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서는 위 미생물 이외에 다양한 미생물을 사용할 수 있다. 먼저 설퍼 박테리아(sulfur bacteria)를 더 포함할 수 있다. 설퍼 박테리아는 무기영양균(autorophic bacteria) 가운데 유황 및 그 화합물을 산화해서 에너지를 얻는 세균군을 말한다. 보다 구체적으로 배지아토아(beggiatoa), 씨오트릭스(thiothrix), 씨오플로카(thioploca), 아크로마티움(acromatium), 애시드티오바실루스(acidthiobacillus), 크로마티움(chromatium) 씨오카프사(thiocapsa), 클로로비움(chlorobium) 등이 사용될 수 있다.
또한 포토트로픽(phototrophic) 박테리아, 락토바실루스(lactobacillus) 박테리아, 바실루스(bacillus) 박테리아 및 수도모나스(pseudomonas) 박테리아를 사용할 수 있다.
포토트로픽 박테리아는 광에너지를 이용하여 탄소 동화작용을 행하는 세균을 총칭한다. 홍색세균(purple bacteria)과 녹색세균(green bacteria)을 사용 가능하며, 할로박테리아를 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로는 로도필라(rhodopila), 로도박터(rhodobacter), 클로로비움(chlorobium) 등을 사용할 수 있다. 홍색세균과 녹색세균은 질소를 고정하며 유기물을 분해한다. 유기물의 분해에 의하여 퇴적물 내 화학적 산소요구량(COD)과 탁도를 낮춘다.
락토바실루스 박테리아는 글루코오스로부터 주로 락트산을 만들며 그람 양성으로 포자 생성능이 없는 간상(桿狀) 세균을 총칭한다. 보다 구체적으로 Lactobacillus casei, L. bulgaricus, L. plantarum, L. acidophilus, L. delbruckii, L. brevis, L. fermenti, L. bifidus 등이 사용될 수 있다. 락토바실루스 박테리아도 퇴적물과 수층 내 유기물을 분해한다.
바실루스 박테리아는 막대모양 또는 원통모양의 세균으로서 가늘고 긴 것, 짧은 것 등 여러 가지 형상이지만, 크기와 형태는 종에 따라 거의 일정하다. 바실루스 박테리아는 그람염색법에 의해 양성균과 음성균으로 나뉜다. 보다 구체적을 h본 실시예에서 그람양성 바실루스 박테리아로서 Bacillaceae, Lactobacillaceae 등을 사용 가능하며, 그람음성 바실루스로는 Enterobacteriaceae, Pseudomo-nadaceae 등을 사용 가능하다. 바실루스는 다중 효소 시스템(multiple enzyme system)을 가진 미생물로서 단백질, 탄수화물 및 지질을 분해가능하며, 질소와 인도 제거할 수 있다.
수도모나스 박테리아는 토양, 수중에 매우 넓게 분포하는 그람음성의 간균으로, 일반적으로는 운동성이 있으며 1개 또는 여러 개의 극성 편모를 갖는다. 색소(피오시아닌, 플오레신)를 생산하는 것도 많아 배지가 착색되거나 형광을 발하는 경우가 있다. 대체로 대단히 호기적이지만 탈질소작용이나 질산호흡을 하는 것에서는 혐기적으로 생육한다. 지방족탄화수소, 방향족탄화수소, 페놀류, 테르펜, 스테로이드 등 광범위하게 유기물을 분해한다.
또한 본 발명에서는 지질분해 효모(yeast), 니트로소모나스(nitrosomonas) 박테리아, 니트로박터(nitrobacter) 박테리아를 담체에 고정화할 수 있다.
특히 본 발명에서는 암모니아 제거를 위하여 니트로소모나스와 니트로박터 속의 박테리아를 사용한다는데 또 다른 특징이 있다.
니트로소모나스 박테리아는 아질산균의 1속으로서 타원형 또는 단간균이며, 1내지 2개의 아극편모가 있다. 그람음성이며 편성의 화학독립영양세균으로 암모니아를 아질산으로 산화하며 동시에 탄산을 고정다. 편성호기성균이며 담수, 해양, 토양 등에 분포한다. 구체적으로 N. europaea를 사용할 수 있다. 퇴적물에서 암모니아를 산화시켜 제거가능하다.
니트로박터 박테리아는 질산균의 1속이며, 단간균의 일종으로 출아로 증식하고 비운동성 그람음성이다. 많은 균주는 편성 화학독립영양세균으로서 아질산을 질산으로 산화시키며 동시에 탄산고정을 한다. 소수의 균주는 종속영양적으로도 성장하지만 성장속도는 독립영양적으로 성장하는 경우에 비하면 느리다. 생식장소는 토양, 담수, 해양 등이며, 본 실시예에서는 N. winogradskyi가 사용된다.
상기한 미생물들은 대략 1×108 ~ 1×109 cfu/g 정도의 균체수가 되도록 한다. 이를 위해서 배양시에는 단위 그램당 균체수가 위 수보다 더 커져야 할 것이다.
상기한 바와 같이 유기물 및 무기물을 분해하여 제거할 수 있는 미생물들이 담체에 고정화된 바이오볼과 산소발생제는, 산소발생제 100 중량부에 대하여 바이오볼 200 ~ 350 중량부의 범위로 배합하여 사용할 수 있다. 배합비는 매우 중요한데, 후술할 각종 실험을 통해 최적 배합은 산소발생제:바이오볼이 1:3 중량부로 배합하는 것이 유리하다. 유기물과 무기물의 분해 및 제거의 측면에서는 바이오볼이 산소발생제 대비 1.5~2.5 정도로도 충분한 효과를 얻을 수 있지만, 생태독성영향 평가를 고려할 때 1:3의 비율이 가장 우수한 것으로 확인하였다.
본 발명의 연구진은 산소발생제와 바이오볼의 배합 비율을 달리하여 오염물 제거에 대한 다양한 실험을 진행하였다. 그리고 본 발명에 따른 퇴적물의 각 구성성분만을 따로 분리하여 함께 실험하였다. 실험결과에 대해서는 이하 설명하기로 한다.
(1) 시료
실험에서는 A, D, E, F, G, H의 6개의 퇴적물 개선제를 사용하였고, 대조군(control)으로서 아무런 처리도 하지 않은 시료를 사용하였다. 본 발명과 비교하기 위한 A개선제는 Brachymonas denitrificans, proteinclasticum ruminis 및 박테로이데스 세균을 우점종으로 한 미생물 제제이며, D개선제는 산소발생제로서 MgO2와 CaO2를 주성분으로 하는 개선제이며, E개선제는 제올라이트에 미생물을 수용한 바이오볼만으로 이루어진 개선제이다.
그리고 본 발명에 따른 퇴적물 개선제는 F, G, H로서 F는 바이오볼과 산소발생제를 1:1로 혼합한 것이고, G는 산소발생제와 바이오볼을 2:1로 배합한 것이고, H는 거꾸로 산소발생제와 바이오볼을 1:2로 배합한 것이다. 그리고 바이오볼에는 본 발명에서 예로 언급한 미생물이 모두 포함되게 하였으며, 각 세균은 1×108 ~ 1×109 cfu/g 의 균체수가 되도록 하여 실험하였다.
(2)실험 방법
- 이화학적 성분 분석
퇴적물의 실험법은 해양환경공정시험법에 준하여 실시하였다. 퇴적물의 pH와 ORP(oxidation Reduction Potential)는 측정기기(ORION model 210A, USA)로 28일간 총 5회 측정하였으며 각 반응조의 퇴적물로부터 전극을 통해 직접 pH 및 ORP를 측정하였다.
COD(Chemical Oxygen Demand)는 알칼리성 과망간산칼륨법으로 측정하였으며, 티오황산나트륨용액의 표정은 250ml 삼각 플라스크에 0.1N 중크롬산나트륨 용액 25ml를 넣은 후, 이 용액에 증류수 약 100ml와 요오드화 칼륨용액 10ml 및 10% 황산용액 2ml를 더하였다. 이 용액을 방냉한 후 0.1N 티오황산나트륨용액으로 적정하였다. 적정 후 역가 f는 다음과 같이 구하였다.
f = 25/(표정시 들어간 양)
AVS(Acid Volatile Sulfide)는 황 검지관법으로 수행하였으며 습식 퇴적물 2 g을 검지관이 결합 된 가스발생 관에 옮긴 후, 18 N 황산(H2SO4)2㎖를 가하여 일정 시간 동안 펌프로 흡입시킨 후 검지관의 변색이 멈출 때 눈금을 읽어 AVS를 계산하였다. 이때 흡입시간의 준수와 발생가스가 누출되지 않도록 주의하였으며 실험에 이용된 황 검지관은 (Detectop Tube NO. 201H, GASTEC, Japan)을 사용하였다.
T-N(Total Nitrogen)과 T-P(Total Phosphorus)는 습식 퇴적물 20g을 원심분리시켜 상등액을 채취하여 GF/C(47mm)로 여과시키고 희석한 뒤 해수법에 따라 수행하였다. T-N은 알칼리성 과황산칼륨으로 분해하여 질산성 질소로 산화시킨 후 카드뮴-구리 환원칼럼을 통과시켜 질산이온을 아질산 이온으로 환원하여 비색 정량하였으며 분광광도계 UV-1800(Shimadzu, USA)으로 543 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. T-P는 과황산칼륨으로 산화 분해하여 인산염(PO4-P)형태로 변화시킨 다음 아스코르빈산 환원법으로 비색 정량하였으며 UV-1800(Shimadzu, USA)으로 885 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다.
퇴적물의 함수율은 항량으로 건조한 후, 무게를 측정한 병에 일정량의 시료의 무게를 측정한 후, 건조온도인 110℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 1차 건조가 끝나면 무게를 측정한 후 다시 12시간 이상 건조시킨 후 항량으로 될 때까지 건조하여 건조 후 병의 무게를 측정하였다. 해저 퇴적물의 건조 전 무게와 건조 후 무게 차이를 측정하였다.
함수율 = (건조시 시료 무게 - 건조 후 시료 무게)/건조 전 시료 무게
- 총 생균수(Total Viable Counts: TVCs)
분석 시, 시료는 각 반응조의 퇴적토를 100g을 비커에 담은 뒤 30분간 shake하여 상등수를 채취, 100배 희석한 후, 액 1㎖를 Marine Agar배지에 균일하게 접종한 후, 상온에서 이틀간 배양하고, Colony Count로 배지상의 집락(colony)을 계산하고, 희석배수를 곱한 후 최종적으로 결과를 도출하였다.
(3) 결과 및 고찰
A. 개별 개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 퇴적물에 대한 환경변화조사
[표 1] 개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 퇴적물에 대한 COD분석
[표 2]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 퇴적물에 대한 AVS분석
[표 3]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 퇴적물에 대한 T-N 분석
[표 4]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 퇴적물에 대한 T-P 분석
[표 5]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 퇴적물에 대한 총세균수 분석
위의 표 1 내지 표 5를 참고하면, 화학적산소요구량(COD), AVS(산성 휘발성 설파이드), 총 질소(T-N), 총 인(T-P) 및 총세균수를 실험한 결과, 개별적 실험항목에서는 D개선제 또는 E개선제가 가장 탁월한 효과가 있는 사항도 있었지만, 전체적으로 보면 본 발명에 따른 개선제 F가 모든 항목에서 고르게 우수한 효과를 나타내는 것으로 확인되었다.
본 연구진은 퇴적물 뿐만 아니라 수층에 대해서도 개선제 F에 대한 실험을 진행하였다. 그 결과는 아래와 같다.
B. 개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 환경변화조사
[표 6]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 COD 분석
[표 7]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 T-P 분석
[표 8]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 PO4-P 분석
[표 9]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 T-N 분석
[표 10]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 NO2-N 분석
[표 11]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 NO3-N 분석
[표 12]개별개선제(A, D, E)와 복합개선제(F)의 수층에 대한 NH4-N 분석
위의 표 6 내지 표 12를 참고하면, 화학적산소요구량, 총 인, 인산염 인, 총 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소, 암모니아성 질소를 실험한 결과, 개별적 실험항목에서는 D개선제 또는 E개선제가 가장 탁월한 효과가 있는 사항도 있었지만, 전체적으로 보면 본 발명에 따른 개선제 F가 모든 항목에서 고르게 우수한 효과를 나타내는 것으로 확인되었다.
한편, 본 연구진은 위 실험은 통해 본 발명에 따른 산소발생제와 미생물을 포함하는 바이오볼을 혼합한 퇴적물 개선제의 우수성에 대하여 확인한 후, 좀 더 구체적으로 산소발생제와 바이오볼의 혼합비율에 따른 효과 차이를 확인하는 실험을 진행하였다. 그 결과는 아래와 같다.
C. 혼합비율에 따른 퇴적물에 대한 환경변화조사
[표 13] 혼합비율에 따른 퇴적물에 대한 COD분석
[표 14]혼합비율에 따른 퇴적물에 대한 AVS분석
[표 15]혼합비율에 따른 퇴적물에 대한 T-N 분석
[표 16]혼합비율에 따른 퇴적물에 대한 T-P 분석
위의 표 13 내지 표 16을 참고하면, 거의; 대부분 항목에서 바이오볼이 산소발생제보다 높은 중량으로 함유되었을 때 그 효과가 더 우수한 것으로 나타났다. 즉 바이오볼 대비 산소발생제가 2:1인 경우가 퇴적물층에 대한 환경처리에 있어서 우수하였다.
본 연구진은 퇴적물 뿐만 아니라 수층에 대해서도 동일한 실험을 진행하였다. 그 결과는 아래와 같다.
D. 혼합비율에 따른 수층에 대한 환경변화조사
[표 17]혼합비율에 따른 수층에 대한 COD 분석
[표 18]혼합비율에 따른 수층에 대한 T-P 분석
[표 19]혼합비율에 따른 수층에 대한 PO4-P 분석
[표 20]혼합비율에 따른의 수층에 대한 T-N 분석
[표 21]혼합비율에 따른의 수층에 대한 NO2-N 분석
[표 22]혼합비율에 따른 수층에 대한 NO3-N 분석
[표 23]혼합비율에 따른 수층에 대한 NH4-N 분석
위의 표 17 내지 표 23을 참고하면, 수층에 대한 화학적산소요구량, 총 인, 인산염 인, 총 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소, 암모니아성 질소를 실험한 결과, 여기서도 마찬가지로 바이오볼이 산소발생제에 대하여 2배의 중량으로 포함되는 경우가 더 우수한 효과를 나타낸 것으로 확인되었다.
그리고 본 연구진은 본 발명에 따른 퇴적물 개선제에 대한 생태영향평가를 수행하였다. 이를 위하여 2종의 저서 성단각류를 선택하여 실험하였다. 저서성 단각류 Mandibulophoxus mai는 시험 전에 충청남도 태안군 만리포와 천리포 모래사장에서 채집하였고, Monocorophium acherusicum은 (주)네오엔비즈 연구실에서 상시배양중인 시험개체를 이용하였다. 실험실에서 상시배양중인 M. acherusicum은 2003년 대부도 갯벌에서 채집한 이후 현재까지 계대배양을 실시하고 있다.
실험에 이용한 해수는 인천 영흥도에 위치한 인천수산연구소에서 여과해수를 공급받아 이용하였다. 실험해수의 수질은 배양기간과 실험기간 전 과정 동안에 항상 점검하였다. 기본 수질항목으로는 수온, 염분, pH, 용존산소 및 암모니아를 측정하였다. 온도, 염분 내성실험을 제외하면 종에 관계없이 모든 배양과 실험과정에서 수온은 20±1℃, 염분은 30±1 psu, pH는 8.0±0.5, 용존산소는 >80%, 암모니아는 <1 mg·l-1를 유지하도록 하였다. 실험해수는 해수독성시험(water-only test)의 경우 폭기하지 않는 대신 매일 교환하였고, 퇴적물 독성시험의 경우 배양해수(overlying water)를 폭기하면서 5일에 한번 교환해 주었다.
본 연구에서 결과를 제시한 환경요인 내성 및 유해물질 민감도 파악 시험 및 현장 퇴적물 독성시험 방법에 대한 자세한 설명은 기존 문헌을 참조한다(Lee et al., 2005a; 이 등, 2005). 단각류를 이용한 생태영향시험법은 10일 동안의 단기 노출 영향을 반영하므로 다른 만성 시험법에 비해 다소 민감도가 낮을 수 있지만, 시험법이 전 세계적으로 퇴적물의 독성 시험평가에서 가장 널리 이용될 뿐만 아니라, 가장 기본적인 시험법으로 인식되고 있다. 이 시험법은 퇴적물 유해물질 오염에 의한 생물영향에 대해 신속 스크리닝이라는 목적에 따라 보다 널리 활용될 필요가 있다.
저서성 단각류를 이용한 퇴적물 생태독성 평가는 실험생물인 저서성 단각류를 10일간 퇴적물 노출배양한 이후 각 실험구와 대조구에서 생존율 또는 사망률을 비교하여 생물영향을 평가하는 시험법으로 널리 활용되고 있다 (해양환경공정기준 별첨 3. 폐기물공정시험기준 참조).
실험실에서 계대배양 중인 저서성 단각류 M. acherusicum은 망목 500-㎛인 표준체는 통과하고 300-㎛ 표준체는 통과하지 못하는 개체를, M. mai는 2 mm 표준체는 통과하고 1 mm 표준체는 통과하지 못하는 개체를 선별하여 시험에 이용하였으며, 외관상 상처나 부속지의 손상이 없이 건강하고 움직임이 활발한 개체만을 선별하여 실험에 이용하였다.
퇴적물 개선제와 함께 시험에 사용한 퇴적물은 동일 정점에서 수차례에 걸쳐 채취된 것을 혼합하여 채취된 시료간의 퇴적물 특성의 차이를 최소화하여 사용하였다. 이렇게 균질화된 퇴적물은 500-㎛의 표준체를 통과시켜 굵은 입자와 내서 생물을 제거한 후 실험에 사용하였다.
10일간의 노출이 끝난 후, 300-㎛의 표준체로 걸러서 체에 남은 개체들을 수거하여 현미경으로 생존한 개체와 사망한 개체를 관찰하여 각각을 계수하였으며, 계수된 결과를 이용하여 생존율(또는 사망률)은 다음과 같은 식으로 계산하였다.
S (%) = (Nf / N0) 100, M (%) = 100 - S
[S: 생존율; Nf = 최종 생존개체수; N0: 초기투입 개체수, M: 사망률]
각 시료의 생존율이 대조구와 통계적 차이가 있는지 여부를 알아보기 위하여 Student's t-test를 실시하여 독성의 유무를 판단하였으며, 저서성 단각류를 이용한 퇴적물 개선제에 대한 생태영향시험의 수행조건은 아래의 표 24에 정리하였다.
[표 24]
퇴적물 개선제에 대한 생태영향평가를 위하여 2종의 저서성단각류를 선택하여 실험하였다. 저서성 단각류 Mandibulophoxus mai와 Monocorophium acherusicum을 이용하였다. 생태영향평가를 수행한 퇴적물 개선제는 바이오볼과 산소공급제를 1:1 ~ 9:1의 범위에서 실험하였다. 그리고 퇴적물에 살포하는 방식과 혼합하는 방식으로 나누어서 실험하였다.
퇴적물개선제 혼합사용에 대한 생태영향평가 결과, 산소공급제와 바이오볼을 혼합하여 사용하는 경우, 바이오볼의 구성비가 75 % 이상이면 퇴적물 표면에 살포하는 방식 또는 혼합하는 방식 모두 생태영향이 없는 것으로 나타났다(표 25 참고).
[표 25]
즉, 생태독성평가 결과 바이오볼이 산소공급제에 비하여 3배 이상의 중량%로 혼합되는 것이 바람직하다. 범위를 좀 넓히는 경우 적어도 2배 이상으로 포함되어야 할 것으로 보인다. 그리고 3배가 넘는 경우라면 그 이상으로 바이오볼이 더 요구되는 것은 아니기 때문에, 정리하면 산소공급제 100 중량부에 대하여 바이오볼 200~350 중량부 수준으로 배합되는 것이 퇴적물과 수층의 환경처리 및 생태독성의 관점에서 가장 우수한 것으로 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 제오라이트에 미생물을 담지한 바이오볼과, 칼슘과 마그네슘의 과산화물로 이루어진 산소공급제를 혼합하여 연안 표층의 퇴적물 개선제로 활용한다. 본 발명에 따른 퇴적물 개선제는 연안 표층의 화학적 산소요구량, 총질소, 총인 등 다양한 환경 항목에서 우수한 효과가 있음을 확인하였다. 특히 바이오볼이 산소공급제보다 2배 이상, 더욱 바람직하게는 바이오볼이 3배 이상 혼합될 때 생태독성을 포함한 모든 항목에서 우수한 효과를 발휘한다. 본 발명에 따른 퇴적물 개선제를 이용함과 동시에 연안 수층의 빈산소 수괴층을 해소하는 기술을 함께 도입하여 연안의 생태환경을 친환경적으로 변화시킬 수 있을 것이다.
Claims (5)
- 연안 표층의 오염된 퇴적물에 살포되어 오염된 퇴적물을 정화하기 위한 것으로서,
연안 표층 퇴적물에 산소를 공급하기 위한 산소발생제; 및
다공성의 결정질 물질을 담체로 하여 상기 퇴적물 내 유기물과 오염물을 제거하기 위한 미생물을 고정시킨 바이오 볼;을 포함하며,
상기 미생물은 브라키모나스 데니트리피컨스(Brachymonas denitrificans) 및 박테로이데스 세균(bacteroidales)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연안 표층 퇴적물 개선제. - 제1항에 있어서,
상기 미생물은 배지아토아(beggiatoa), 씨오트릭스(thiothrix), 씨오플로카(thioploca), 아크로마티움(acromatium), 애시드티오바실루스(acidthiobacillus), 크로마티움(chromatium), 씨오카프사(thiocapsa) 및 클로로비움(chlorobium)을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 연안 표층 퇴적물 개선제 - 제1항에 있어서,
상기 미생물은 포토트로픽(phototrophic) 박테리아, 락토바실루스(lactobacillus) 박테리아, 바실루스(bacillus) 박테리아, 수도모나스(pseudomonas) 박테리아, 지질분해 효모(yeast), 수도모나스(pseudomonas) 박테리아, 니트로소모나스(nitrosomonas) 박테리아 및 니트로박터(nitrobacter) 박테리아를 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 연안 표층 퇴적물 개선제. - 제1항에 있어서,
상기 산소발생제는 마그네슘과 칼슘의 수산화물, 산화물 및 과산화물 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 연안 표층 퇴적물 개선제. - 제1항에 있어서,
상기 산소발생제 100 중량부에 대하여, 상기 바이오 볼은 200 ~ 350 중량부의 비율로 배합되는 것을 특징으로 하는 연안 표층 퇴적물 개선제.
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