KR20240017634A - 악취 제거 미생물 및 이를 이용한 악취 제거 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 악취 제거 미생물 및 이를 이용한 악취 제거 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii)룹으로부터 선택된 균주를 포함하는, 악취 제거 미생물; 및 상기 미생물로 악취 원인 물질을 처리하는 단계를 포함하는, 악취 제거 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 악취 제거 미생물 및 이를 이용한 악취 제거 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아 및 황화수소 유래 악취 제거에 탁월한 효능을 가지는 미생물을 이용한 악취 제거 기술에 관한 것이다.
일반적으로 하수 처리장, 분뇨 처리장, 음식물 쓰레기 처리 시설, 축산 시설 등과 같은 장소에서는 악취가 발생하며, 이와 같은 악취 문제는 정부에서 지정한 5대 환경 난제인 악취, 미세먼지, 가뭄, 녹조 및 지반 침하 중 하나에 해당하는 문제이나, 정부 및 지방자치단체의 악취 개선 노력에도 지속적으로 민원 건수가 증가하고 있다.
특히, 가정 및 대형빌딩에서 배출되는 오수 및 부패된 하수관거 퇴적물의 악취가 합류식 하수관거에 연결되어 있는 빗물받이를 통해 대기로 확산되어 악취를 발생하고 있으며, 이와 같이 악취가 발생하는 빗물받이가 음식점 입구이거나 좁은 골목에 위치하여 공기순환이 잘 안 되는 곳인 경우 음식점 주인 및 인근 주민들이 빗물받이에 임의로 고무관이나 나무덮개 등의 차단막을 설치하여 집중 호우 시 하수관로의 배수기능을 상실케 하여 도시침수의 한 요인이 되고 있다. 특히 빗물받이 악취는 그 자체의 문제뿐만 아니라 배수기능과도 관련하여 부차적인 문제를 야기하므로 빗물받이 악취에 대한 대책 마련이 필요한 실정이다.
이에, 미생물을 이용한 생물학적 처리 방법이 친환경 및 저비용의 악취 처리기술로 인식되고 있으며, 유럽의 바이오 필터 등과 같은 생물학적 처리기술의 사용을 증가하고 있다. 그러나, 기존의 생물학적 악취 저감 기술은 소량 및 저농도의 악취 제거에는 효과적이나, 복합 악취 문제 및 대용량의 악취 처리에는 효과적이지 못한 문제가 있다.
악취 관련 환경 문제가 지역 사회 및 국가 사회의 민감한 문제로 대두됨에 따라, 축사 시설 및 악취 저감 시설 등에 대한 지원이 확대되고 있으나 여전히 근본적 원인 해결에는 부족한 상황이다. 예를 들어 한국공개특허 제10-2006-0003835호는 방사선조사기술을 이용한 축산분뇨에 함유된 항생물질, 악취 유발성 물질과 병원성 미생물의 저감 및 이를 이용한 부산물 비료 제조방법을 개시하고 있으나, 이러한 기술은 유기질 비료의 원료에 방사선 조사기술을 적용하는 것으로, 악취 원인 물질에 직접 적용되는 것이 아니므로 악취 제거에 효과적이라고 볼 수 없다.
따라서, 고농도의 악취를 효율적으로 제거할 수 있으면서도 친환경적인 생물학적 제거 방법 및 이러한 방법에 적용될 수 있는 균주가 제공되는 경우 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 한 측면은 황화수소 및 암모니아 제거능이 우수한 미생물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 미생물을 포함하는 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 미생물을 이용하여 악취를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 미생물 또는 복합재료 포함하는 악취제거용 파이프, 멘홀 및 빗물받이를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii)룹으로부터 선택된 균주를 포함하는, 악취 제거 미생물이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 미생물이 담체에 담지된, 악취 제거용 복합재료가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료로 악취 원인 물질을 처리하는 단계를 포함하는, 악취 제거 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료를 포함하는 악취제거용 파이프, 멘홀 및 빗물받이가 제공된다.
본 발명에 의하면 암모니아 및 황화수소 가스 제거효율이 높은 균주를 획득할 수 있으며, 이러한 미생물을 이용하여 담체에 흡착시킨 복합재료 등을 이용하여 하수관거와 빗물받이를 연결하는 연결관 등에 설치하여 밋물받이 악취를 제거하는 등과 같이 관련 분야에서 악취 저감에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1(a)및 (b)는 본 악취 제거 실험을 위한 예시적인 설계또를 도시한 것이다.
도 2는 (a) 탈취제를 포화시킨 여제를 장착한 시스템을 도시한 것이며, (b)탈취시스템을 빗물받이 역할을 하는 정육면체에 장착시킨 사진으로, 탈취 시스템은 현장 사용 시 담배꽁초, 나뭇잎, 먼지 등이 쌓이므로 측면으로 탈취제가 나오도록 설계하고, 빗물받이 하단에 설치할 수도 있고, 모양을 변형하여 빗물받이 연결관에 설치할 수도 있다.
도 3은 (a) 맨홀 설치용 탈취시스템 및 (b) 하수관거 설치용 탈취시스템의 예를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 (a) 탈취제를 포화시킨 여제를 장착한 시스템을 도시한 것이며, (b)탈취시스템을 빗물받이 역할을 하는 정육면체에 장착시킨 사진으로, 탈취 시스템은 현장 사용 시 담배꽁초, 나뭇잎, 먼지 등이 쌓이므로 측면으로 탈취제가 나오도록 설계하고, 빗물받이 하단에 설치할 수도 있고, 모양을 변형하여 빗물받이 연결관에 설치할 수도 있다.
도 3은 (a) 맨홀 설치용 탈취시스템 및 (b) 하수관거 설치용 탈취시스템의 예를 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 황화수소 및 암모니아 제거능이 우수한 미생물 및 이를 이용한 관련 기술이 제공되며, 본 발명의 미생물을 이용하는 경우 지속적으로 고효율의 악취 제거가 가능하다.
보다 상세하게, 본 발명의 악취 제거 방법에 사용되는 미생물은 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii)로부터 선택된 균주를 포함하는 것으로 예를 들어 이들의 혼합 균주일 수 있다.
상기 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) 균주는 기탁번호가 KACC 81178BP인 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) Thio 매포 10 균주인 것이 바람직하고, 상기 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii)는 기탁번호가 KACC 81179BP인 슈다르트로박터 니가텐시스(Pseudarthrobacter niigatensis) Thio 매포25 균주인 것이 바람직하며, 상기 혼합 균주는 기탁번호가 KACC 81178BP인 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) Thio 매포 10 균주 및 기탁번호가 KACC 81179BP인 슈다르트로박터 니가텐시스(Pseudarthrobacter niigatensis) Thio 매포25 균주 중 적어도 하나를 포함하는 혼합 균주인 것이 바람직하다.
상기 기탁된 균주들은 국립농업과학원에 2021년 9월 28일자로 Brucella cytisi Thio 매포 10의 명칭으로 수탁번호 KACC 81178BP로, 그리고 Pseudarlhrobacter niigatensis Thio 매포25의 명칭으로 KACC 81179BP로 기탁된 것이다.
상기 악취 원인 물질은 암모니아 및 황화수소를 포함하는 것으로, 다만 이들 성분으로 제한되는 것은 결코 아니며, 암모니아 및 황화수소를 포함하는 복합 악취 원인 물질로써 예를 들어 상기 복합 악취 원인 물질은 암모니아 및 황화수소와 함께, 메틸메르캅탄, 다이메틸설파이드, 다이메틸다이설파이드, 트라이메틸아민, 아세트산, 프로피온산, n-뷰틸산, n-발레르산, i-발레르산, 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 뷰틸알데하이드, n-발레르알데하이드, i-발레르알데하이드, 스타일렌, 톨루엔, 자일렌, 메틸에틸케톤, 메틸아이소뷰틸케톤, 뷰틸아세테이트, i-뷰틸알코올, 페놀, 크레졸, 인돌, 스카톨, 바람직하게는 암모니아, 황화수소, 메틸메르캅탄 및 휘발성유기화합물(VOC)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 추가로 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 적어도 암모니아 및 황화수소를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 미생물이 담체에 담지된, 악취 제거용 복합재료가 제공된다. 상기 담체는 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 제올라이트, 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질을 포함하는 것일 수 있으며, 특히 이에 제한되는 것은 아니나 폴리우레탄 소재 담체를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 담체는 겉보기 기공률이 40 내지 60%인 것이 바람직하며, 상기 겉보기 기공률이 40% 미만인 경우에는 미생물 및 악취 성분의 흡착에 문제가 있으며, 60 %를 초과하는 경우에는 경도가 약해지고 미생물의 흡착에 문제가 있다.
나아가 상기 담체는 탈취제 성분을 추가로 포함할 수 있으며, 예를 들어 목초액, 죽초액, 및 편백나무 추출액 중 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있다. 상기 탈취제 성분은 2시간 이상의 침지 과정으로 담체에 충분히 포화시켜 적용될 수 있다. 악취종류 및 농도에 따라 탈취제 종류와 농도를 다양하게 하야 사용할 수 있으며, 암모니아, 및 황화수소 계열의 악취 성분이 복합적으로 존재하는 경우, 죽초액, 목초액, 편백나무 추출액을 혼합하여 사용할 수 있으며, 예를 들어 죽초액:목초액:편백나무 추출액을 중량비로 2~3:1~2:1로 혼합하여 사용할 수 있으며, 5ppm 이상의 농도인 경우는 원액으로, 5ppm 이하 농도에서는 1/10으로 희석해서 사용한다.
상기 미생물의 담체에 대한 고정은 흡착에 의해 이루어지는 것일 수 있으며, 예를들어 담체와 함께 균주를 수일 동안, 예를 들어 30분 내지 7일 동안, 바람직하게는 30분 내지 12 시간 동안 배양하는 방법에 의해 담체에 고정될 수 있다. 예를 들어 상기 악취 제거용 복합재료는 107 내지 109 /ml의 농도로 상기 미생물을 포함하는 배지에 담체를 20 내지 37℃에서 30분 내지 12 시간 동안 흡착시켜 담체에 담지된 형태로 획득되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 미생물을 이용한 악취 제거 방법이 제공된다.
본 발명의 악취 제거 방법은 상기 본 발명의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료로 악취 원인 물질을 처리하는 단계를 포함하는 것이다.
상기 균주로 악취 원인 물질을 처리하는 단계는 상기 악취 원인 물질을 상기 미생물을 포함하는 영역을 통과시켜 수행되는 것일 수 있으며, 이때 상기 영역은 본 발명의 미생물 및 미생물이 고정된 담체를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 악취 원인 물질이 기체 형태로 미생물을 포함하는 영역을 통과하면서 본 발명의 미생물 균주에 의해 저감될 수 있다.
한편, 상기 상기 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료는 3주 내지 3개월 주기로 교체하여 적용되는 것일 수 있다.
본 발명의 처리 대상이 되는 악취 원인 물질의 농도는 예를 들어 2ppm 이하의 저농도부터 50ppm에 이르는 고농도까지 일 수 있으며, 본 발명에 의하면 이와 같은 고농도의 암모니아 및 황화수소도 효율적으로 저감시킬 수 있다.
나아가 본 발명에 의하면 상기 본 발명의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료를 적어도 일 영역에 포함하는, 악취제거용 파이프의 형태로 구현될 수 있으며, 예를 들어 상기 파이프는 하수관거와 빗물받이를 연결하는 연결관인 것일 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 상기 본 발명의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료를 적어도 일 영역에 포함하는 멘홀 또는 빗물받이 등으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 악취 발생 원인 물질이 존재하거나 존재가 예상되는 영역뿐 아니라 악취가 발생하거나 발생할 것으로 예상되는 영역이라면 제한없이 적용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 미생물 선정
악취 제거 효과가 있는 것으로 확인한 바실러스(Bacillus), 스테노트로포모나스(Stenotrophomonas), (할로모나스)Halomonas, 로도박터(Rhodobacter), 아크로모박터(Achromobacter), 알칼리게네스(Alcaligenes)의 6속에 속하는 20여종을 대상으로 고효율 균주 스크린 연구를 수행하였다.
각 균주들을 대상으로 1차 선별을 통해 12종의 미생물을 선정하였으며, 이 1차 선정된 미생물을 대상으로 최종 6종의 미생물로 암모니아 제거 효율과 황화수소 제거 효율을 측정하였다. 1차 선정 군주는 바실러스(Bacillus) 속이 많았고 일부의 로도코커스(Rhodococcus) 속도 선별되었다. 각각은 4%~62.6%의 암모니아 제거 효율을 보였다. 이들 중에 생장이 좋고 효율이 좋은 6종을 선정하여 2차 선별작업을 진행하였다.
보다 상세하게, 증식 배양 후 순수분리 한 균주들을 대상으로 스크린 테스트를 실시하였으며, 실험에 사용하기 전, 배양액을 준비하기 위해 멸균된 100 mL 배지가 담긴 500 mL 병 용기에 각 균주를 0.1%(v/v)으로 접종, 28℃에서 150 rpm으로 24시간 배양하였다. 사용된 악취 기질, 즉 암모니아(NH4), 황화수소(H2S))의 농도는 기질에 따라 저(5-10ppm), 중(50ppm), 고 농도(100ppm)로 오염시켰다. 120 mL 병 용기를 악취의 휘발을 최소화하기 위하여 teflon-silicon septum 및 aluminum seal을 이용하여 밀봉하였다. 충분히 배양된 배양액(pre-culture)은 15분 동안 6000 rpm으로 원심분리한 후, 상등액은 버리고 남은 펠렛(pellet)을 새로운 MSM으로 3회 세척(washing)한 후, 각각의 악취 성분을 넣고 균 농도 1g/L(wet weight)를 접종하여 각 기간 내 28 내지 30℃에서 진탕배양 하고, 배양 병 내에 초기 농도와 잔류 농도를 GC(gas chromatographic)로 측정하여 그 효율을 평가하였다.
| KEMB No. | 균주 명 | 암모니아 제거 효율(%) |
| 43-014 | Brucella cytisi | 88.54 |
| 43-017 | Pseudarthrobacter niigatensis | 78.30 |
| 4-341 | Rhodococcus qingshengii | 62.70 |
| 001-589 | Rhodobacter capsulatus | 49.50 |
| 43-004 | Alcaligenes faecalis subsp. parafaecalis | 16.84 |
| 001-592 | Achromobacter marplatensis | 9.42 |
| 9001-072 | Alcaligenes xylosoxidans | 9.31 |
| 4-058 | Bacillus nitratireducens | 4.06 |
| KEMB No. | 균주 명 | 황화수소 제거 효율(%) |
| 43-014 | Brucella cytisi | 17.5 |
| 4-058 | Bacillus nitratireducens | 14.5 |
| 001-589 | Rhodobacter capsulatus | 2.6 |
| 43-017 | Pseudarthrobacter niigatensis | - |
| 4-341 | Rhodococcus qingshengii | - |
| 43-004 | Alcaligenes faecalis subsp. parafaecalis | - |
활성이 높은 균주들 각각에 대하여 형태학적 특징, 생리 생화학적 특징, DNA 염기서열 분석, MIDI를 사용한 지방산(Fatty acid) 분석 및 Quinone 분석의 결과로 동정하였으며, 16S rRNA를 통한 염기서열 분석은 Bioedit, Clustalx, BioEdit 및 Mega소프웨어를 이용하여 수행하고, 동정을 하였으며, 그 결과를 표3에서 나타냈었다.
| KEMB no. | 근연종 학명 | 근연종의 strain name | 근연종의 Accession | Similarity |
| 4-058 | Bacillus nitratireducens | 4049 | KJ812430 | 100 |
| 001-589 | Rhodobacter capsulatus | DSM 1710(T) | jgi.1048965 | 100 |
| 43-014 | Brucella cytisi | ESC1(T) | AY776289 | 100 |
| 43-017 | Pseudarthrobacter niigatensis | LC4(T) | AB248526 | 100 |
| 4-341 | Rhodococcus qingshengii | JCM 15477(T) | LRRJ01000016 | 100 |
| 43-004 | Alcaligenes faecalis subsp. parafaecalis | G(T) | AJ242986 | 100 |
그 결과 선정된 균주들은 각각 바실러스 니트라티레듀센스(Bacillus nitratireducens), 로도박터 캅술라투스(Rhodobacter capsulatus), 브루셀라 시티시(Brucella cytisi), 슈다르트로박터 니가텐시스(Pseudarthrobacter niigatensis), 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii), 알칼리게네스 패칼리스(Alcaligenes faecalis)로 동정되었다.
2번의 선별 과정에서 암모니아와 황화수소 처리효율이 가장 좋은 브루셀라 시티시(Brucella cytisi)와 1차 선별 과정에서 암모니아 처리 효율이 두번째로 높고 생장이 좋은 슈다르트로박터 니가텐시스(Pseudarthrobacter niigatensis)를 각각 국립농업과학원에 2021년 9월 28일자로 Brucella cytisi Thio 매포 10의 명칭으로 수탁번호 KACC 81178BP로, 그리고 Pseudarlhrobacter niigatensis Thio 매포25의 명칭으로 KACC 81179BP로 기탁하였다.
2. 악취 성분 별 배양 및 분해 조건 확립
악취제어 효율성 평가 시 악취제거능이 높은 상위 3종인 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) KACC 81178BP, 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) KACC 81179BP및 로도박터 캅술라투스(Rhodobacter capsulatus)를 회분식 배양(batch culture)를 통해 다양한 환경적인 요인(산소, pH, 온도 등)에서 최적조건을 확립하였다. 악취제어능이 높은 특허 균주는 회분식 배양(batch culture)을 진행하면서 분석장비 IC, GC-MS, SPME를 이용한 GC-FID를 이용하여 악취성분 등을 분석하고, 미생물 성장을 측정하고 다양한 환경 조건에서 최적 조건을 도출하였다.
| KEMB No. | 근연종 |
| 43-004 | Alcaligenes faecalis |
| 4-058 | Bacillus nitratireducens |
| 001-589 | Rhodobacter capsulatus |
| 43-014 | Brucella cytisi |
| 43-017 | Pseudarthrobacter niigatensis |
| 43-004 | Alcaligenes faecalis subsp. parafaecalis |
| 43-075 | Halomonas mongoliensis |
| 43-084 | Halomonas stevensii |
| 43-096 | Halomonas alkaliphila |
| 43-106 | Halomonas alkaliantartica |
| 43-101 | Halomonas daqingensis |
| 1-2 | Rhodobacter capsulatus ATCC 11166(T) |
| 001-589 | Rhodobacter capsulatus ATCC 11166(T) |
| 4-341 | Rhodococcus qingshengii djl-6(T) |
| 001-542 | Achromobacter deleyi LMG 3458(T) |
| 001-592 | Achromobacter marplatensis B2(T) |
| 4-345 | Paracoccus denitrificans DSM 413(T) |
| 9001-072 | Alcaligenes xylosoxidans subsp. KCCM40240 |
이때 배양을 위한 배지는 ATCC 412 medium과 nutrient medium을 이용하였고, 배양용 배지 (Thiobacillus medium )와 측정용 배지(Modified 27s medium )의 조성은 표 5 및 표 6에 각각 기재된 조성으로 제작하여 사용하였다.
| 배양용 배지 (Thiobacillus medium) | |
| Yeast extract | 2g |
| Na2S2O3 | 5g |
| KH2PO4 | 1.5g |
| Na2HPO4 | 4.5g |
| MgSO4.7H2O | 0.1g |
| NH4Cl | 0.3g |
| DW | 1000ml |
| pH | 7 |
| 측정용 배지 (Modified 27s medium ) | |
| Yeast extract | 0.1g |
| Absolute ethanol | 0.25ml |
| Disodium succinate hexahydrate | 0.1g |
| NH4Cl | 0.076g |
| KH2PO4 | 0.007g |
| NaCl | 0.4g |
| MgCl2.7H2O | 0.4g |
| CaCl2.2H2O | 0.05g |
| Ferric citrate solution | 1ml |
| Trace element | 1ml |
| DW | 1000ml |
| pH | 7 |
3. 악취 제거 시스템 설계 및 제작
실제 빗물받이는 하수관거에 빗물받이가 연결되어 우수가 하수관거로 포집되는 구조로 연결관은 보통 직경 30cm 관으로 길이는 빗물받이에 따라 다양하게 되어 있다.
따라서 본 연구를 위한 모형은 2개의 가로세로 높이 50cm 정육면체 통을 만들어 하나는 악취가 유발되는 하수관거용으로 다른 하나는 빗물받이 부분으로 하였고, 두 정육면체를 각 길이가 1m, 75cm, 50cm, 30cm 인 직경 6cm 관으로 연결하여 제작하였다(도 1(a)).
3개의 모형을 설계 및 제작하여 하나는 대조구로 그대로 악취를 유통시키며 각 부분 악취농도를 측정하였고, 다른 하나는 실험구 1로 관을 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) KACC 81178BP 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) KACC 81179BP를 흡착한 담체로 둘러싸서 악취저감 장치로 만들어 각 부분 악취농도를 측정하였다. 3번째 시스템은 빗물받이 역할을 하는 정육면체 바닥에 도 2와 같은 탈취시스템을 장치하여 탈취제의 효과를 실험하였다.
또한, 가로, 세로, 높이가 각각 60cm 정육면체를 각 길이가 1m, 75cm, 50cm, 30cm 인 직경 30cm 관으로 연결한 시스템을 제작하여 같은 방법으로 연구하였다.(도 1(b)). 이 시스템의 특징은 하수관거 대용 정육면체와 빗물받이 대용 정육면체를 수평이 아닌 구배를 주어 공기흐름을 주도록 설계한 것으로, 이 시스템은 실제 현장의 빗물받이 연결과과 같은 직경으로 제작하여 악취제어 시스템의 효과를 테스트 하였다.
보다 상세하게 제작된 빗물 하수관을 대상으로 황화수소 제거와 암모니아 제거 효율을 측정하기 위해 위에 선정된 미생물을 하수관과 하수관 사이에 미생물을 다공성 여재에 흡착하여 진행하였으며, 이러한 미생물 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) KACC 81178BP 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii) KACC 81179BP는 최종 균체의 양을 10-7에서 10-9 인 배양액을 혼합하여 흡착을 시켰고, 미생물 사용하지 않은 대조구(control)와 미생물을 사용한 실험군 1(test)의 관 두개로 비교 실험을 진행하였다. 이때 악취 물질의 측정은 외부로 빠져나가는 관 (OUT)과 내부의 안쪽 (IN)을 측정하여 비교 분석을 하였다.
4.
악취분석 방법
(1) 검지관 측정법
황화수소(H2S) 측정 시에는 페니실린병 상층부를 5ml씩 주사기로 채취하고 1/10비율로 공기와 희석해서 50ml 가스를 측정했다. 검지관 가스 측정기 GV-100S를 사용했고 hydrogen sulfide detector tube는 No. 4LL, 4LK, 4LB를 사용했다. 측정 시 detection tube상 나타난 황화수소 농도값은 1/10 희석한 값이기에 10을 곱해주었다.
암모니아(NH3) 측정 시에도 황화수소와 동일하게 페니실린병 상층부를 5ml씩 주사기로 채취하고 1/10비율로 공기와 희석해서 50ml 가스를 측정했다. 검지관 가스 측정기 GV-100S를 사용했고 Ammonia detector tube는 No. 3L, 3La, 3M을 사용했다. 측정 시 detection tube상 나타난 황화수소 농도값은 1/10 희석한 값이기에 10을 곱해주었다.
(2) 발색 시약법을 이용한 hach 사의 kit를 사용한 방법
HACH 측정방법은 Standard method for examination of water and wastewater (4500-S)에 기반한 HACH kit를 활용하여 DR 6000 spectrophotometer로 측정하였다. HACH는 균주 OD값, 황산이온, 황화이온 측정 시 사용되었다. Sulfate, sulfide 측정 시에는 배양액 시료를 20ml씩 주사기로 채취하여 0.2㎛ 실리 지 필터로 여과하여 측정하였다.
가) 황산이온 (SO4
2-) 측정: 황산이온 (SO4
2-)은 측정은 USEPA (375.4 method)에서 인정한 방법으로 HACH 8051 method를 사용하였다. 이는 Power Pillows를 적용하여 spectrometer에서 발현을 측정하는 방법이다. 시료 10ml를 측정에 사용하며, 시료 자체를 Blank(영점)로 하여 SulfaVer4 Reagent Powder Pillow(21067-69)를 넣고 흔들어 혼합하였다. 그 후 5분간 반응시간을 두고 발현된 시료를 450nm 파장에서 측정하였다.
나) 황화이온 (S2-) 측정: 황화이온 (S2-)은 측정은 USEPA (376.2 method)에서 인정한 방법으로 HACH 8131 Methylene blue method를 사용하였다. 이는 Sulfide Reagent 1, Sulfide Reagent 2를 적용하여 spectrometer에 서 발현을 측정하는 방법이다.
다) 탈이온수(DI water, deionized water)와 시료 10ml를 각각 측정에 사용하며, 탈이온수(DI)와 시료에 Sulfide Reagent 1, Sulfide Reagent 2를 0.5 ml씩 각각 순차적으로 넣고 흔들어서 5분간 반 응시간을 두고 발현된 시료를 665nm 파장에서 측정하였다. 탈이온수 혹은 측정용 배지에 발현된 것을 Blank(영점)로 하고 측정 시료를 측정하였다.
(3) 기타 악취 성분 분석
현행 우리나라 악취공정시험방법(국립환경연구원 고시 제2005-4호, 2007년 개정)은 공기 희석 관능법과 기기분석법이 있다. 공정 시험 방법으로 암모니아와 황화 수소 뿐만아니라, 아세트알데히드, 스티렌, 트리메틸아민, 메틸 머캅탄, 디메틸 설파이드, 디메틸 다이설파이드의 8종의 화합물이 있으므로 이를 참고할 수 있다.
5.
실험 조건 확립: 기압(공기흐름)에 따른 악취가스 유동
초기 실험 세팅은 설계 제작된 빗물받이 모형을 설치하고 빗물받이 역할을 하는 박스 쪽 관만 오픈한 후 하수관거 역할을 하는 박스에 15리터 내지 20리터 물을 채우고 수용액 속에 악취성분을 용해시킨 후 악취가 충분히 포화된 후 하수관거 박스 상, 중, 하, 빗물 받이 박스 상, 중, 하에서 공기를 샘플링하여 악취성분을 분석하였다.
한편, 실험 모형내의 공기 흐름 형성을 위해 하수관거 및 빗물받이 양쪽에 실리콘 관을 연결 후 후드에 연결시키고, 두 박스 안의 공기압을 일정하게 유지시키며, 흐름을 주기 위하여 5분간 빗물받이 부분에서 진공펌프를 사용하여 공기를 흡입시켰다.
실재와 같은 하수관거(30cm)를 사용하는 시스템의 경우 하수관거용 박스와 빗물받이 용 박스에 구배를 주어 공기흐름을 유도하였다.
(1) 직경이 6cm인 연결관을 가진 시스템
연결관 직경이 6cm인 축소된 모형에서는 대조구(control) 안쪽 (in)과 배출되는 바깥쪽(out)에서 지속적으로 황화수소가 검출되고, 대조구(Control) 내부의 황화수소는 점진적으로 20에서 11ppm으로 점진적으로 감소하였으며, 황화수소는 바깥쪽(out)으로 이동하여 바깥쪽은 0~ 3.2ppm으로 지속적으로 검출되었다.
이 파일럿 시스템을 통해서 현재 사용되는 빗물 하수관의 모델이 잘 작동함을 유추할 수 있었고, 이러한 결과를 바탕으로 미생물을 사용한 실험구 1의 축소 모형에서는 황화수소가 안쪽(in)에서는 꾸준한 감소를 보였으나, 배출되는 바깥쪽(out)에서는 전혀 검출되지 않았고, 실험구 1(test) 내부의 황화수소는 점진적으로 20에서 2.5로 감소하였다. 이는 대조구(control)보다 더 빠르게 감소하였고, 반면에 배출되는 바깥쪽(out)에서는 황화수소가 전혀 검출되지 않았다. 이러한 결과로 연결관의 미생물이 흡착된 여제 혼합제가 황화수소를 효율적으로 제거하고 있음을 알 수 있었다.
| 황화수소 | 대조구(Control) | 실험구 1(test) | ||
| in | out | in | out | |
| 초기 | 20 | 0 | 20 | 0 |
| 12 h | 20 | 0.8 | 19 | 0 |
| 20 h | 15 | 1.3 | 12 | 0 |
| 36 h | 12 | 3 | 8 | 0 |
| 60 h | 11 | 3.2 | 2.5 | 0 |
동일한 방법으로 암모니아를 대상으로 실험을 진행한 결과, 대조구의 안쪽의 암모니아 농도는 시간이 흐름에 따라 18 ppm에서 3.5 ppm으로 점차 감소하였고, 내부 물층의 암모니아 농도는 17.6에서 16.9로 감소되는 것을 확인하였다.
한편, 미생물을 사용한 실험구 1의 축소모형에서는 악취발생 시스템 내 암모니아의 농도는 18 ppm에서 3.5 ppm으로 점진적으로 감소하였으며, 대조구와 비교하여 비슷하게 감소하였다. 그러나 외부로 유출되는 암모니아의 농도는 전혀 측정되지 않아 황화수소와 같이 암모니아 역시 효율적으로 제거하고 있음을 알 수 있었다.
| 대조구(Control) | 실험구 1(test) | |||
| in | out | in | out | |
| 초기 | 18 | 0 | 18 | 0 |
| 12 h | 10 | 0 | 10 | 0 |
| 13 h | 10 | 0 | 10 | 0 |
| 31 h | 9 | 0 | 8 | 0 |
| 48 h | 5 | 0.5 | 6 | 0 |
| 72 h | 3.5 | 2 | 3.5 | 0 |
(2) 직경이 30cm인 연결관을 가진 시스템
실제와 같은 규격의 빗물 하수관(직경 30cm)을 제작하여 상기 (1)과 동일한 실험을 진행하여 현장적용 시에 나타나는 연구 오차를 줄이고자 하였다.
그 결과 황화수소는 초기 대조구(control) 탱크에서는 18 ppm에서 10 ppm으로 내부의 황화수소가 소폭 감소하였고, 바깥으로 연결된 관(out)에서는 시간이 흐르면서 일정하게 10 ppm 내외로 검출되는 것으로 나타났다.
그리고 미생물/다공성 여제 융합시스템을 사용한 실험구 1의 결과는 초기값 이후 점진적으로 하락하고, 나중에는 황화수소가 검출되지 않는 것으로 나타났다. 또한, 유사하게 바깥쪽(out)에서도 24시간 이후에는 황화수소가 전혀 검출되지 않았다.
이러한 결과는 안쪽에 연결된 관의 두께가 일반 빗물 하수관처럼 커져서 공기의 흐름이 원활하게 되어 하수연결관에 심어 놓은 악취제어 시스템에 빠르게 흡착 분해되어 나타난 결과로 판단된다.
| 대조구(Control) | 실험구 1(test) | |||
| IN | OUT | IN | OUT | |
| 초기값 | 18.0 | 15 | ||
| 0 h | 6.0 | 6.0 | 4 | 3.0 |
| 24 h | 9.0 | 10.5 | 1 | 0.7 |
| 48 h | 9.9 | 10.1 | 0 | 0 |
| 72 h | 10.0 | 12.0 | 0 | 0 |
| 96 h | 10.0 | 10.5 | 0 | 0 |
암모니아를 대상으로 동일 크기에서 실험한 결과, 황화수소 테스트와 유사한 결과를 나타냈다.
나아가, 본 실험에서는 30일 이상 장시간을 측정하여 상태의 변화를 추적한 결과, 대조구(control) 빗물 오수관 영역 안쪽의 암모니아 농도는 초기 23 ppm에서 300시간이 지나도 38 ppm정도도 유지되거나 다소 증가함을 나타냈으며, 이러한 대조구 하수관에서 바깥으로 (out) 검출되는 암모니아는 최대 5ppm이고 1 내지 0ppm으로 일정 시간 이후는 꾸준하게 검출되었고, 미생물/다공성 여재를 사용한 실험구 1에서는 안쪽의 암모니아의 농도가 18 ppm에서 2 ppm으로 지속적으로 감소하였다. 감소되는 양상은 초기 24-48 시간에 감소폭이 컸으며, 그 뒤는 점진적으로 감소함을 나타냈고, 바깥으로 배출되는 암모니아는 전혀 검출되지 않았다.
이는 300 시간을 관찰한 결과에서도 동일하여 초기에만 적용하는 것이 아니라 미생물의 활성에 의한 악취 제거의 지속성을 확인하였고, 또한, 실측 빗물 하수관의 결과와 축소한 하수관에서의 결과가 유사하게 미생물에 의해 악취 물질이 검출되지 않는 동일한 결과를 도출하는 것을 확인하였다.
장시간 암모니아 악취제어 결과를 보면 대조구에서는 지속적으로 하수관거 부분과 빗물받이 부분 모두에서 암모니아가스가 측정되었으나 실험구 1에서는 하수관거 부분에서 지속적으로 암모니아 가스가 발생되었지만 미생물/다공성 여재를 통과하면서 악취가 흡착되어 빗물받이 부분에서는 암모니아 가스가 측정되지 않았다.
6. 담체 선정 및 미생물/담체 융합소재 개발
(1) 담체 선정
악취제어 시스템 내의 담체(여제)의 역할은 빠르게 발생한 악취물질을 흡착시키고, 흡착된 악취물질을 미생물이 분해시키도록 하는 것이므로, 여제는 악취물질과 미생물을 효율적으로 흡착시킬 수 있는 특성을 갖고 있어야 하며, 여제의 물리적, 화학적 특성이 악취성분과 미생물을 흡착시키는데 최적화되어 있어야 한다.
본 연구에서는 40T, 50T 다공성 폴리 우레탄, 및 액상 폴리머에 미생물을 혼합한 코팅제 폴리우레탄을 나노 소재로 코팅한 여제 등을 사용하였다. 보다 상세하게, 기존 다공성 폴리우레탄 40T, 50T를 주문 제작하여 이 담체에 선정된 균주를 슬라임이 잘 생기도록 배양액을 선정 7일이상 배양 후 균주 배양액에 담체를 넣어 3시간이상 실온 방치하여 담체에 균체를 충분히 흡착시킨다.
여제 종류에 따라 최적 미생물 흡착조건 확립을 위한 미생물 농도, 흡착 용액, 온도, 시간 등 요소들을 확립하기 위해 선정된 6종(알칼리게네스 패칼리스(Alcaligenes faecalis), 바실러스 니트라티레듀센스(Bacillus nitratireducens), 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii), 로도박터 캅술라투스(Rhodobacter capsulatus), 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) 및 슈다르트로박터 니가텐시스(Pseudarthrobacter niigatensis)을 각각 배양하여 10-7 에서 10-9 /ml 농도가 되도록 한 후 연결관이 들어갈 수 있는 큰 통에 배양된 미생물 혼합 균주를 채우고 이곳에 여재를 설치한 연결관을 넣어 상온에서 3시간 흡착시킨 후 사용하였다.
(2) 탈취제/다공성 담체를 포함하는 흡착 시스템의 악취 제거 효율
천연탈취제 인 죽초액, 목초액, 편백나무 추출액 등을 다공성 여제 (4T, 5T 폴리우레탄 제제, 세라믹제제 등)에 흡착시켜 암모니아, 황화수소 탈취효율을 측정하였다. 이때 탈취시스템은 빗물받이 혹은 연결관에 장치할 수 있도록 설계 및 제작하였으며, 또한 탈취시스템은 하수관거 맨홀 뚜껑 뒷면에 설치하여 탈취작용을 하도록 제작하였다. 도 3은 예시적인 탈취 시스템을 도시한 것으로, 보다 상세하게 도 3은 (a) 맨홀 설치용 탈취시스템 및 (b) 하수관거 설치용 탈취시스템의 예를 도식적으로 나타낸 것으로, (a) 맨홀 뚜껑에 부착시키도록 키트(kit)를 제작하여 부착 후 사용할 수 있다. 맨홀 뚜껑 부착 악취제거 키트는 그림처럼 3개의 원통 시스템을 십자로 연결한 형태로 각 원통에 탈취제를 충분히 흡착시킨 담체가 들어있어 각 원통의 측면 홈을 통해 탈취제가 확산되어 방출되게 제조할 수 있다.
또한, 도 3(b)와 같이 하수관거용 탈취시스템은 빗물받이 바닥에 설치 가능하도록 탈취시스템을 제작하고 상부의 담배꽁초 등 쓰레기의 의한 막힘 현상을 막기 위하여 탈취제 방출하는 공간은 측면에 배치하고(그림 참조), 내부에 탈취제를 충분히 흡착시킨 담체를 설치할 수 있다. 선행 연구결과 3달간 유지되었으며, 3달마다 탈취제를 보충하도록 설계되었다.
본 발명에 사용할 수 있는 죽초액은 ㈜ 첨단환경으로부터 구입하여 사용하며 죽초액 성분분석 결과는 다음과 같다.
죽초액은 증발분이 96.78Wt.%이고 잔류분이 3.22Wt.%로 잔류분은 유기물 3.15Wt.%와 무기물 0.07Wt.%로 조성되어 있었으며, 무기물의 경우 다음 표 10와 같이 측정된 13 항목 중 칼륨성분(K)이 205.6ppm으로 가장 많았고, 수은 성분(Hg)이 0.0009 ppm으로 가장 적게 나타났다. (1Wt.%=10,000ppm)
| 분석 물질 | Hg | Na | K | Ca | Mg | Fe | Pb | Cd | Cr | Al | Se | Ge | As |
| 농도 | 0.0009 | 7.98 | 205.6 | 6.7 | 2.0 | 21.3 | 0.12 | 0.012 | 0.03 | 1.2 | 0.002 | 0.005 | 0.012 |
상기 죽초액을 이용하여 2개의 실험구를 연결하고 전단은 악취발생 부분으로 후단부는 바닥에 탈취 카트리지를 설치하여 탈취제의 악취제어 효율을 분석하였다. 악취제어 효율은 하기 표11 및 표12와 같이 암모니아, 황화수소가스 모두에 효과가 있어 빗물받이 부분에서 두 가스 성분 모두 검출되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 보다 바람직하게는 상기 탈취제 시스템을 설치할 경우 3달에 한번씩 교체할 수 있다.
| 탈취제 | ||||
| Ammonia | 대조구(Control) | 실험구 1(test) | ||
| IN | OUT | IN | OUT | |
| 2021.11.23 | 17 | 5 | 20 | 0 |
| 2021.11.24 | 14 | 8 | 11 | 0 |
| 2021.11.25 | 3 | 15 | 5.5 | 0 |
| 2021.11.26 | 2 | 15 | 20 | 2 |
| 2021.11.27 | 2.5 | 15 | 19 | 0 |
| 2021.11.29 | 15 | 2.1 | 15 | 0 |
| 2021.11.30 | 20 | 2.2 | 15 | 0 |
| 2021.12.02 | 14.9 | 6 | 16 | 0 |
| 2021.12.03 | 20 | 5 | 15 | 0.5 |
| 탈취제 | ||||||
| H2S | 대조구(Control) | 실험구 1(test) | ||||
| IN | OUT | 용액 | IN | OUT | 용액 | |
| 2021.12.04 | 5 | 0 | 1.34 | 4 | 0 | 1.09 |
| 2021.12.05 | 48 | 16.5 | 0.05 | 10 | 0 | 1.82 |
| 2021.12.06 | 54 | 39.5 | 0.01 | 2.4 | 0 | 0.7 |
| 2021.12.07 | 70 | 40 | 0.016 | 0 | 0 | 0.29 |
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (13)
- 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) 및 로도코커스 큉솅지(Rhodococcus qingshengii)로부터 선택된 균주를 포함하는, 악취 제거 미생물.
- 제1항에 있어서, 상기 균주는 기탁번호가 KACC 81178BP인 브루셀라 시티시(Brucella cytisi) Thio 매포 10 균주 및 기탁번호가 KACC 81179BP인 슈다르트로박터 니가텐시스(Pseudarthrobacter niigatensis) Thio 매포25 균주 중 적어도 하나를 포함하는 혼합 균주인, 악취 제거 미생물.
- 제1항의 미생물이 담체에 담지된, 악취 제거용 복합재료.
- 제3항에 있어서, 상기 담체는 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 제올라이트, 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질을 포함하는, 악취 제거용 복합재료.
- 제1항 또는 제3항의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료로 악취 원인 물질을 처리하는 단계를 포함하는, 악취 제거 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 악취 원인 물질은 암모니아 및 황화수소를 포함하는, 악취 제거 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 악취 제거용 복합재료는 107 내지 109 /ml의 농도로 상기 미생물을 포함하는 배지에 담체를 20 내지 37℃에서 30분 내지 12 시간 동안 흡착시켜 담체에 담지된 형태로 획득되는, 악취 제거 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 미생물로 악취 원인 물질을 처리하는 단계는 상기 악취 원인 물질을 상기 미생물을 포함하는 영역을 통과시켜 수행되는, 악취 제거 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료는 3주 내지 3개월 주기로 교체하여 적용되는, 악취 제거 방법.
- 제1항 또는 제3항의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료를 적어도 일 영역에 포함하는, 악취제거용 파이프.
- 제10항에 있어서, 상기 파이프는 하수관거와 빗물받이를 연결하는 연결관인, 악취제거용 파이프.
- 제1항 또는 제3항의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료를 적어도 일 영역에 포함하는, 멘홀.
- 제1항 또는 제3항의 미생물 또는 미생물이 담체에 담지된 악취 제거용 복합재료를 적어도 일 영역에 포함하는, 빗물받이.
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|---|---|---|---|
| KR1020220095564A KR20240017634A (ko) | 2022-08-01 | 2022-08-01 | 악취 제거 미생물 및 이를 이용한 악취 제거 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220095564A KR20240017634A (ko) | 2022-08-01 | 2022-08-01 | 악취 제거 미생물 및 이를 이용한 악취 제거 방법 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220095564A KR20240017634A (ko) | 2022-08-01 | 2022-08-01 | 악취 제거 미생물 및 이를 이용한 악취 제거 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240017634A (ko) |
-
2022
- 2022-08-01 KR KR1020220095564A patent/KR20240017634A/ko unknown
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