염색폐수 분해를 위한 미생물 선별 및 분해 최적화 연구

최광근, 임지훈, 이기용, 이영락, 박철환*, 김상용**, 신기하***, 이진원

광운대학교 화학공학과, 고려대학교 화학공학과*, 한국생산기술연구원**, MA-NET(주)***

A study on the microbes isolating and degrading optimization for dyeing wastewater degrading

Kwang-Keun Choi, Ji-Hun Lim, Gi-Yong Lee, Young-Rak Lee, Chul-Hwan Park*, Sang-Yong Kim**, Ki-Ha Shin***, Jin-Won Lee

Dept. of Chemical Engineering, Kwangwoon univ., Dept. of Chemical Engineering, Korea univ.*, Korea Institute Of Industrial Technology**, MA-NET(Co. Ltd)***

서론

1960년대 경제개발이 시작된 후 소비활동의 다양화, 고급화, 대량화되는 현상이 나타났다.  이러한 경제의 발달과 생활환경의 발달로 인해 쾌적하고 풍요로운 삶을 영위해 나갈 수 있긴 하지만, 그에 따른 환경오염문제를 극복해야할 필요가 있다.  특히 생활환경의 고급화와 맞물려 미관상 혹은 사용품의 고급화를 위한 방편으로 나타난 산업이 염색공업이다.  염색공업의 발달로 매우 다양한 염료가 생성되었으며 더욱 안정화되었고, 분해 및 제거가 어려운 상태로 배출되고 있는 실정이다.  전체 산업폐수발생량에서 볼 때 염색공업 관련업체는 총 폐수 배출업체 중 약 6%를 차지하고 있으며, 폐수배출량은 약 4.5%를 차지하고 있지만, 오염부하량은 전체의 약 24%를 차지하고 있어 매우 큰 영향을 미치고 있다.1)  우리 나라 폐수의 배출허용기준은 수질환경보전법 제 8조 및 동법 시행규칙 제 8조에서 28개 항목에 대하여 설정되어 있으며, 지역별로 4단계(청정, 가, 나, 특례지역)로 구분하여 적용하고 있고, BOD, COD, SS의 경우, 폐수배출량 3,000m3/일 이상과 미만으로 구분 설정함으로써 지역별, 규모별로 차등적용하고 있다.  따라서 개별 산업체에서 배출하고 있는 산업폐수도 더욱 엄격한 규제를 받게 되어 고도처리 시설의 도입이 불가피한 실정이다.

산업폐수 중 염색폐수는 주로 착색공정과 마무리 공정에서 발생하며 염료의 종류와 염색방법 및 시간에 따라 폐수의 양과 질이 크게 변화하며, 하절기에 원폐수의 수온이 40℃ 이상의 고온을 나타내 산소전달율이 낮아져 폭기조 내가 종종 혐기성 상태를 나타내 미생물의 처리활성이 낮아지고 슬러지 원생동물의 생존 또한 어려워 폐수처리 효율이 저조해진다.2, 3, 4)  염색공장에서 배출되는 폐수는 높은 pH 및 색소로 인한 가시적, 심리적 영향이 강하다.  또한 하천에 방류될 경우 확산성이 높아 미생물에 의한 자연적 정화작용을 방해하여 하천의 오염도를 증가시키고 수중 생태계마저 파괴시킬 우려가 있어 상수원 고갈의 위험성을 안고 있다.

본 연구에서는 염색폐수를 분해하고, 독성 폐수에 강한 내성을 지닌 균주를 선별하여 최적화한 후, 실제 염색폐수 처리에 적용하는데 그 목적을 두고 있다.

이론

난분해성폐수 처리방법에는 물리적, 화학적, 생물학적 방법을 들 수 있는데, 화학적 처리는 슬러지가 많고, 여과나 탈수에 많은 어려움이 있다.  또 물리적 처리는 흡착, 추출, 역삼투압, 소각 등의 방법들을 들 수 있는데 이는 오염도가 높을수록 처리비용이 급격히 높아지는 단점이 있다.  이에 1980년도 이후부터는 처리 단가가 비교적 낮으며, 2차 오염물의 발생이 적은 생물학적 처리, 또는 생물학적 처리와 화학적 처리를 병행하는 경향이 두드러지고 있다.5)  표 1에 일반적인 폐수 처리방법을 보였다.

표 1. 일반적인 폐수 처리방법

폐수처리방법	물리학적 처리	침전, 여과, 부상, 스크린
	화학적 처리	응집, 산화환원, 이온교환, 흡착, 중화
	생물학적 처리	호기성 처리	활성슬러지법, 생물막법, 산화지법
		혐기성 처리	소화법

생물학적 처리를 적용하면 생분해 속도가 느리고 다른 주변 환경인자에 커다란 영향을 받는 단점이 있지만, 자연현상을 이용하기 때문에 에너지 사용량이 적어 경제적이고 미생물의 대사작용에 의하여 오염물질이 무해한 기본 원소들로 바뀜으로써 부수적인 2차 오염물질의 발생이 적어 별도의 처리가 필요하지 않은 장점을 지니고 있다.6)  생물학적 처리에 있어서 정화에 관여하는 미생물은 세균, 균류, 조류, 원생동물, 윤충류, 빈모류 등 여러 가지에 이르며, 활성 슬러지와 같은 비교적 단순한 계에 있어서도 세균과 원생동물을 주로 한 수십종 이상의 종이 존재한다7).  미생물을 분리·이용하여 생물학적으로 염색폐수를 처리하는 방법은 오래 전부터 연구되고 사용되어 왔다.8, 9, 10)

실험

1. 균주 선별

본 실험에 사용된 균주 분리는 폴리에스테르를 주로 염색하는 경기도 의정부시 T사의 폐수를 균원시료로 하였으며, 원폐수에서 분리한 균주와의 비교를 위해 T사에서 사용하는 종균제(MICOM, Y환경)에서도 균주를 분리하였다.

2. 균주 보관

미생물의 장기보관은 0.5□의 살균된 glycerol과 0.5□의 최대 활성을 지닐때까지 배양시킨 미생물을 혼합하여 냉동보관하였다.  실험을 할 때에는 저장된 미생물을 1백금이씩 취하여 예비배양 후 배지에 접종시켰다.

3. 배지조성 및 사용 염료

3-1. 배지조성

본 연구에서 균주의 분리와 보관을 위한 액체배지는 potatodextrose 배지,  Nutrient Broth를 사용하였다.  potatodextrose 배지는 Potato Infusion  200g, bacto-dextrose  20g, 증류수 1L의 조성을 가지며, Nutrient Broth는 peptone 5g, meat extract 3g, pH 6.8, 증류수 1L의 조성을 가진다.  고체 배지는 상기 조성에 agar(1.5%, w/w)를 첨가하여 사용하였다.  각 배지를 사용할 때에는 121℃, 1.5기압으로 20분간 살균한 후 사용하였다.  균주의 예비배양은 500□ 진탕배양용 삼각플라스크를 사용하여 30℃, 150rpm 조건 하에서 저온배양기(Shaking Incubator SI-900R, Jeio Tech Co. Korea)에서 진탕배양하여 실험하였다.

3-2. 사용 염료

균원시료와의 통일을 기하기 위해 T사에서 사용하는 L화학의 염료를 사용하였다.  균원시료의 상세한 염료의 종류는 공정에 따라 각각 다르고 사용하는 업체마다 다르므로 명확하지 않다.  따라서 본 연구에서는 L화학에서 제조되는 아조계 염료 중 삼원색(Lumacron red F3BS, Lumacron blue S-FBL 200, yellow 5GR)을 사용하였다.

4. 삼원색의 최대 흡수파장 영역 및 균주 성장

4-1. 삼원색의 최대흡수파장영역

염색폐수 분해를 알아보는데 있어 가장 용이한 방법 중 하나가 색도를 이용하는 것이다.  따라서 본 연구에서도 이를 이용하고자 하였다.  본 연구에 사용한 삼원색의 최대흡수파장은 red는 550∼600, yellow는 400∼450, blue는 600∼650nm이다.

4-2. 균주 성장

분리한 균주의 최대활성을 알아보기 위하여 시간별로 성장곡선을 작성하였다. 각 균주를 표기한 내용은 다음과 같다.  Potatodextrose -> P, Nutrient Broth -> N, 폐수 -> A, 종균제 -> B, Yellow -> Y, Red -> R로 표기하였다.

결과 및 토론

1. 먼저 선별된 미생물중 Nutrient Broth에서 분리된 미생물 5종을 이용하여 행     한 염료분해를 알아보았다.  이 중 특히 NAR2가 가장 좋은 분해효율을 보였     다. 그림 1에 염료분해를 나타냈다.

2. 원심분리로 인한 염료 제거율을 보았는데, red는 시간추이에 따라 원심분리 효     과가 많이 나타난다.  그림 2에 원심분리한 염료의 OD값을 나타냈다.

3. 원배지는 약산성(6.85)이었으나 미생물이 성장하면서 약알칼리성으로 변하였      으며, 이로 인해 미생물의 성장에 저해를 주어 계속적인 미생물량의 증가는      보이지 않았다.  그림 3에 시간에 따른 pH변화를 나타냈다.

4. 시간추이에 따른 초기 wet weight 변화를 보았는데, 배지가 약알칼리성으로      변한 이유로 인해 미생물량 변화가 일정하게 유지됨을 볼수 있다.  그림 4에     시간추이에 따른 초기 wet weight 변화를 나타냈다.

5. 실제 폐수처리에 적용할 경우 bacteria와 사상균, 그리고 담체를 동시에 사용     한다면 더욱 좋은 효율을 거둘 것이다.

그림 1. 염료분해	그림 2. 원심분리한 염료의 OD값

그림 3. 시간에 따른 pH 변화              그림 4. 시간 추이에 따른 초기

wet weight 변화

참고문헌

1. 환경처.: 환경백서(1997)

2. 日本中小企業振興協會 染色專門委員會.: □染色工業과 排水公害□(1992)

3. Japan International Cooperation Agency.: "Final report for the study on        industrial waste water treatment and recycling project in the republic of       korea"(1993)

4. 박영규.: □염색가공공장의 폐수처리기술-폴리에스테르 감량폐수가 주인 경        우□(1991), 한국염색가공학회지, 염색가공기술세미나

5. Chevalier, P. and Noe, J. de la.: "Efficiency of immobilized hyper-           concentrated algae for ammonium and orthophosphate removal from           wastewaters", Biotechnol. Lett., 7, 395(1985)

6.  Ray, B. T.: "Environmental engineering", PWS, ITP. (1995)

7. Eckenfelder, W. W. et al.: "Water quality management library. vol 1 :         Activated sludge process design and control", Technomic publishing           company, Inc. (1992)

8. Ramachandra, M., Crawford, D., and Herter, G. "Characterization of an         extracellural lignin peroxidase of the lignocellulolytic actinomycete  ,          Streptomyces viridosporus", Appl. Environ. Microbiol. 54, 3057(1988)

9. 배재근, 正田 誠, □사상균 Deco 11에 의한 반응성염료의 탈색분해□, 대           한 환경공학회지, 15(3), 517(1993)

10. 배재근, 김혜경, □Geotrichum Candidum Deco 11에 의한 염색폐수의 미생물      탈색□, 대한환경공학회지, 18(9), 1103(1996)