특정 오염 물질의 생분해

도시 하수의 처리에서 존재하는 각각의 유기 화합물들은 단 하나 또는 매우 적은 세균 종에 의해 분해되는 경우가 많다.

 

그러므로 폐수의 불균질 성 (heterogeneity)은 미생물 생물량의 불균질 성을 상당한 정도로 결정하게 된다. 많은 산업 폐수는 도시 하수보다 훨씬 덜 복잡하며 일부는 주로 한 가지 유기 화합물만으로 구성되어 있을 수도 있다. 이런 경우에 활성 슬럿지 floc과 유사한 복잡한 생물량은 처리에 필요치 않게 된다.

 

(a) 미생물 절대성 원리 미생물 절대성 원리(the microbial infallibility principle)를 가장 간단히 표현하면 사람 또는 자연이 만들 수 있는 모든 것을 미생물이 분해할 수 있다는 것이다. 이 것은 자연적으로 나타나는 화합물의 경우에 쉽게 예측할 수 있는데 그 이유는 분해 과정은 근본적으로 기존의 생합성 경로의 역순을 포함하기 때문이다. 그러나 자연 적으로 나타나지 않는 인공합성 (xenobiotic) 화합물의 경우에는 반드시 이 원리가 적용되는 것은 아닌데 그 이유는 미생물들이 분해에 필요한 효소 체제를 보유하지 않을 수 있기 때문이다.

 

이 원리는 상당한 정도로 타당성이 있으며 분명히 그것을 부정하기가 어려우며 난분해성 인공합성 유기화합물들의 경우에도 일부의 미생물들 에 의해 분해가 일어날 수 있다. 심지어 오랫동안 가장 분해가 되지 않는 화합물 중의 하나라고 간주되었던 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo - p-dioxin(TCDD) 같은 화합 물도 실제로 매우 적은 종류의 미생물에 의해서 매우 느리게 분해될 수 있다. 이러 한 분해 기작은 제9장에서 구체적으로 다루고 있다.

 

일부 인공합성 유기화합물의 분해에 필요한 효소들, 예를 들면 분해 효소들이나 투과 효소를 갖고 있지 않을 수 있는데 현재의 대사 경로들이 몇십 억 년의 생물 진화 과정 중 장기간에 걸쳐 얻어진 결과이며 현재 분해되지 않고 있는 인공합성 유기화합물들이 불과 수십 년 전에 나타난 물질들이라는 것을 감안하면 앞으로 상당한 시간이 경과할 경우 현재의 난분해성 인공합성 유기화합물들도 여러 미생물들에 의해 완전히 분해될 수 있다는 것을 예상할 수 있다.

 

(b) 적합한 균주의 선택 독성 또는 난분해성 (recalcitrant) 화합물을 분해할 수 있는 미생물들이 존재할 가능성이 큰 장소는 예전에 그러한 화합물에 노출되었던 곳들이다. 그런 좋은 예가 산업 지대의 오염된 토양이다. 오염된 지역에서 얻은 시료는 실험실에서 관심의 대상이 되는 화합물을 분해할 수 있는 생물체를 선택하기 위해 계획된 농화 배양(enrichment. culture)의 접종 물(inocula)로 사용될 수 있다.

 

분해 미생물에서의 바람직 한 특성의 발달을 위해 돌연변이성 화학물질이나 자외선 조사를 이용하기도 하는데 그런 것들은 유전적 변화의 결과로 미생물의 분해 능력을 향상할 수도 있기 때문이다. 이런 방법들은 현재 유전 공학(genetic engineering)이라고 부르는 기술의 초보 단계인데 현재는 다양한 미생물들로부터 유래된 유전물질을 가진 미생물을 만드는 것이 유전자 조작(gene manipulation 또는 recombinant DNA technology)을 통 해 가능해졌으며 그런 유전자 조작 미생물(genetically engineered microorganism, GEM)들은 자연환경에 존재하는 생물체들이 분해하지 못하는 물질들을 분해할 수 있다.

 

석유와 제초제인 2,4,5-trichlorophenoxyacetic acid(2,4,5-T)를 분해할 수 있 는 Pseudomonas spp. 는 유전자를 조작해서 만든 세균이다. 그러나 유전자 조작 미 생물을 자연환경에 방출시켰을 때의 결과와 영향은 아직 예측하기 어려우며 이것 이 GEM을 오염 제어에 아직까지 이용하지 못하는 큰 이유가 되고 있다. 그러나 유전자 조작을 하지 안은, 다양한 난분해성 화합물들을 분해할 수 있는 미생물들이 자연환경에 많이 존재하고 있으며 일부 예들이 표 15.2에 나와 있다.

 

(c) 구조-생분해성 관계 유기 분자에 다른 물질들이 추가되면 생분해 가능한 화합물들이 잘 분해되지 않 는 화합물로 변할 수 있다. 그런 치환물(substituents)로는 amino기, methoxy기, sulfonyl기, nitro기, chloro기, benzene 고리에 붙는 다양한 meta - 치환기, ether 결합과 탄소 사슬의 가지치기(branching) 등이 있다.

 

염소화합물들은 특별히 관심거리인데 DDT 같이 일부의 화합물들이 강한 독성을 가지고 있으며 매우 난분해성인 것이 그 부분적인 이유이며 또한 유기염소 화합물 이 자연환경에 드문 것이 또 다른 이유가 된다. 많은 유기염소 화합물의 생분해는 혐기성 조건에서 일어나는 초기의 환원적 탈염 소화(reductive dechlorination)에 따라 결정된다.

 

이것은 염소화 지방족 화합물(chlorinated aliphatic compounds)들의 경우에 특히 중요하다. 반면에 염소화 벤젠 유도체(chlorinated benzene derivatives) 들과 다염화 비페닐(polychlorinated biphenyls, PCBs)들은 호기성 조건에서만 분해되는 것으로 알려졌다. 그러나 최근에는 PCB의 혐기성 분해에 대한 보고들이 계속 나오고 있다.

 

비록 호기성 공정들이 산업 폐수 처리에 여전히 크게 이용되지만 nitrosamine 분 해, epoxide와 nitro-reduction, 특정한 방향족 화합물의 분해 등을 포함한 반응들 에는 혐기성 조건이 보다 유리하다. 물질 구조 - 분해성 (degradability) 관계에 대해 알려진 많은 정보들이 일반론에 근거하기 때문에 시행하고자 하는 적당한 처리 방법을 고려할 때에는 문제가 되는 폐수에 대한 생분해성 실험을 실제로 시도하는 것 이 통상적인 일이다.

 

(d) 시안 분해 시안(cyanide, CN-)은 많은 종류의 생물체들에 대해 강한 독성을 갖고있다. 유럽 공동체(EC)에서는 시안화수소(HCN)의 농도는 산업 폐수에서 전형적으로 1g/l 또는 그 이하로 제한된다. 식수의 경우는 0.05g/l 이상 농도의 시안은 허용되지 않는다. 우리나라는 식수의 경우 시안이 검출되어서는 안 되게 되어있다. 시안은 특정 식물에서 cyanogenic glycosides의 형태로 자연적으로 나타나는데 그 구조는 그림 15.1에서 보는 바와 같다.

 

이 물질을 함유한 식물체가 병원성 균류에 의해 공격을 받으면 시안이 방출되어 균류를 죽이게 된다. 일부 균류는 이에 대응 를 이용하여 시안을 포름알데히드(HCONH)로, 또는 암모니아와 이산화탄소로 전환시킬 수 있다. ICI 같은 회사에서는 Fusarium moniliforme를 비롯한 여러 균류가 수천 mg/l의 시안을 함유한 산업 폐수를 무독화시킬 수 있는 능력을 보유하 고 있다는 것을 시험한 바 있다. (e) 생분해성 시험 유기 화합물들의 상대적 생분해성(biodegradability)은 3개의 범주로 나누어진다. Ready biodegradability는 환경에서 빠르게 그리고 확실히 분해되는 화합물에 적용된다.

 

Inherently biodegradable compounds는 양호한 시험 조건하에서 분해되나 덜 양호한 환경 조건에서는 빠르고 확실한 분해가 일어나지는 못한다. 이들 두 종류는 제9장에서 이미 구체적으로 다루어졌다. 세 번째 종류는 simulation test를 포함하고 있다. OECD의 Expert Group on Degradation/Accumulation에서는 활성 슬러지 처리와 유사한 조건 하에서 시험 물질의 궁극적 생분해성 (ultimate biodegradability)을 측정하기 위한 시험으로 한 가지 방법을 추천하였다. 그림 15.2에 나오는 2개의 bench-scale 활성 슬러지 체제는 동시에 작동된다.

 

각 체제 내의 생물량의 성질과 운전 효율을 동일하게 하기 위해 교차접종(transinoculation)을 하며 따라서 이 시 검은 coupled units test라고 알려져 있다. 이 체제는 탄소 기질 및 적당한 질소, 인 원 소원으로 peptone, meat extract와 요소를 함유한 인공합성 하수를 이용하지 된다. 혼합 접종 물은 2차 하수 방류수, 토양 현탁액과 오염된 지표수로 이루어진다. 한쪽의 활성 슬러지 체제에는 40 mg/l 또는 그 이상의 COD에 상당하는 농도 시험 물질을 추가하고 또 다른 체제는 인공합성 하수만으로 유지한다. 두 체제 가능한 한 유사하게 운영하기 위해 매일 각 포기조로부터 1.5 리터의 혼합액 red liquor)을 서로 교환한다. 주요 운전 기준은 표 15.3에 나와 있다.

 

* 호기성 처리 공정

 

살수 여상과 활성 슬럿지 공정 모두 제약, 화학 및 석유화학, 석탄 전환(coal conversion), 식품 및 낙농 산업의 방류수를 포함한 다양한 산업 폐수에 적용되어 왔다. 이 폐수들은 도시 하수 처리장에서 이들 공정에 의해 보통 처리되었던 폐수들 과는 일반적으로 다음의 한 가지 또는 그 이상의 측면에서 다르다. 이 산업 폐수들 은 훨씬 높은 산소 요구성을 가지며, 처리 공정 내의 미생물 개체군에 독성을 나타 내는 물질을 함유하는데 이러한 성질에는 산성이나 알칼리성의 극단적인 pH도 포 함 될 수 있다. 또한 질소나 인 같은 필수 영양 성분이 하나 또는 그 이상 부족할 수도 있다.

 

폐수의 독성은 종종 희석에 의해 극복될 수도 있는데 만일 희석액이 생 활 하수라면 영양물질 부족 현상은 동시에 해결될 수도 있다. 산업 폐수의 산소 요 구도 또한 희석에 의해 저하될 수 있는데 그러나 산소 요구가 매우 높은 경우에는 혐기성 공정이 보다 적당한 처리 방법이 될 수도 있다. 이 |재래식 여재인 쇄석이나 소괴(clinker) 대신 인공 여재(synthetic media)를 사용함으로써 산업 폐수의 처리에 살수 여상 공정이 보다 많이 적용될 수 있었다. 플라 스틱 여자는 훨씬 가볍기 때문에 재래식 여지보다 훨씬 높게 쌓을 수 있다.

 

인공 여재에 많은 주름이나 구멍을 만들 경우 200 m2/m3 이상의 비표면적(specific surface area)을 얻을 수 있는데 그것은 화강암이나 광재(slag) 여재의 최대치와 유사하거나 그보다 더 크며 빈 공간(공극)의 비율이 90% 이상이 되는데 반해 재래식 여재들은 40-50%에 불과하다. 따라서 여상 내의 높은 생물량 농도가 공극의 막힐 위험이 크지 않은 상태로 유지될 수 있다. 높은 공극률은 고부하를 처리하기 위해 강제 통기가 필요한 경우 또한 유리하게 된다.

 

저속과 고속 여상 모두 육가공업(meat processing), 양계업(poultry), 낙농업 (dairy processing) 등에서 나오는 유출수의 처리에 이용되어 왔다. 플라스틱 여재 살수 여상은 1000 mg/l까지의 BOD를 가진 과일과 야채 처리 방류수에 가장 적당 한 방법으로 이용되고 있다. 종종 활성 슬럿지를 이용한 처리 이전에 roughing fil 가 이용되기도 하나 다른 경우에는 이중 살수 여상(double filtration) 또는 교대 조 여상(alternating double filtration)이 더 적합할 수도 있다. 비록 살수 여상이 는 처리에 상당한 융통성을 갖고 있으나 특히 유출수 재순환을 할 경우 높은지 노도를 갖고 있는 폐수의 처리에는 적합지 않은데 그 이유는 이 경우 여상이 막 시거나 연못화(ponding)를 일으키기 때문이다.

 

화성 슬럿지 체제를 개선한 다양한 변형 공정들은 제13장에서 다룬 바 있다. 이 로 변형 공정들은 예를 들면 혼합액 (mixed liquor) 내의 산소 용해도를 증가시킴으로써 종종 높은 유기 부하의 산업 폐수를 처리하는데 이용될 수 있다. 높은 생물량 도 또한 높은 부하의 폐수 처리에 유리한데 이것은 생물량 유지 장치의 이 함한 여러 가지 방법에 의해 이루어질 수 있다. 특별한 종류의 폐수를 처리하고자 하려면 기존의 처리 체제를 변형하거나 또는 능을 개선시키기 위해 공정을 재조정할 수 있다.

 

이런 예로 활성슬러지 공정에 첨가제로 분말 활성탄(powdered activated carbon, PAC)을 사용하는 방법이 PAC는 분해되지 않는 유기 화합물을 흡수하며 또한 방류수의 색깔을 감소 시 키 중금속도 제거한다. PAC의 또 다른 장점은 저해 물질의 실질적 수준을 감소 시는 것이다. 산업 폐수의 처리에 있어 활성슬러지 공정의 적용 범위는 매우 넓으며 여기에서 는 그것을 모두 다루지는 못한다. 비용 평가 시에는 15.5절에서 설명한 고속 혐기성 등정을 포함하지 않는 경우가 많지만 대부분의 경우 활성슬러지 공정은 가장 경제 인 방법이 될 수 있다.

 

활성 슬러지 법을 이용할 때 일어날 수 있는 가장 흔한 문 점은 영양 물질이 부족하거나, pH가 6-8.5 사이의 범위를 벗어나거나, 중온성 위 밖의 온도를 가진 폐수의 경우에 나타난다. 생물량의 응집이 불량한 경우는 수가 매우 적은 종류의 분해 가능한 기질만을 함유하고 있을 때 많이 나타나는데 럴 경우 적은 종수의 세균만이 존재하고 그 결과 floc의 구성 요소에서 다양성이 족하게 되어 floc이 잘 응집되지 못한다. 적절한 방법의 활성슬러지 공정의 적용에 의해 효율적으로 처리될 수 있는 난분해 성과 독성 물질을 모두 포함하고 있는 폐수의 예는 석탄 가공(coal processing)으 부터의 배수이다.

 

그러나 심지어 폐수의 희석 후에도 phenols과 thiocyanates의 독성은 상당히 강하여 처음 가동하는 새로운 처리장에서는 적응된 seed sludges를 대량으로 접종해야 할 정도이다. 현재는 이런 seed sludges를 따로 배양 저장하여 포기조에 공급하거나 냉동 건조된 형태로 이용하고 있다(15.4.1절 참조). 비록 질화 작용이 낮은 수준의 독성에도 아주 민감하나 저해 효과를 완화하기 위 해 PAC를 50g/l 수준까지 사용함으로써 coking plant 폐수를 처리하는 활성 슬럿 지 처리장에서도 질화 작용이 일어날 수 있다.

 

* Bioaugmentation

 

Bioaugmentation은 비교적 새로운 기술로서 생물학적 조건과 관련된 이유 때문에 요구되는 것만큼 잘 운영되지 못하고 있는 폐수 처리장에 종균제(bacterial formulation)를 투여하는 방법이다. Bulking으로 인한 문제, floc의 해체 (deflocculation), 폐수내 지질 같은 물질의 존재로 인한 저조한 BOD 제거, 낮은 질화 작용(nitrification), phenol 같은 특정 화합물의 낮은 제거율 등을 bioaugmentation을 이용하여 해결할 수 있다. 종균제는 여러 가지의 순수 배양한 세균을 냉동 건조한 후 혼합하고 영양물질, 효 소 및 기타 성분 등을 섞어서 만든다.

 

이것은 처음에 수십 kg 정도로 투여되며 그 후에도 소량을 계속 추가로 첨가해야 하는데 그 이유는 접종한 세균들이 폐수의 물 리화 학적 요인과 다른 생물체들과의 상호작용 등에 의해 지속적으로 처리 체제에서 소실되기 때문이다. 이 종균제의 정확한 조성은 상업적인 이유 때문에 밝혀지지 않고 있다. 제조회사들은 매우 넓은 적용 범위를 갖는다고 선전하고 있으며 생물학적 요소로 인한 문제를 완화시키는데 상당한 수준의 성공을 거두고 있다.

 

* 혐기성 처리 공정

 

새롭고 더 높은 처리율을 가진 혐기성 공정들은 산업 폐수의 처리에 상당한 잠재력을 보여주고 있다. 비록 호기성 공정들이 많은 종류의 쉽게 분해될 수 있는 산업 폐수들에 대해 아직도 주된 처리 방법이지만 몇 가지 이유 때 문에 혐기성 공정들이 점차 주목을 받고 있다. 이들 이유 중에는 이전에 가능하다고 생각되었던 것보다 훨씬 높은 부하를 견디는 혐기성 체제의 능력, 공정 실패의 원 인과 그것을 피하는 방법들에 대한 이해의 증가, 포기의 불필요성으로 인한 저렴한 운전 비용과 에너지원으로서의 메탄의 이용 가능성 등이 있다.

 

혐기성 처리에는 여러 가지 반응조들이 존재하지만 산업 폐수 처리에 이용 1. 국정들은 호기성 처리에서와 같이 부유 생물량 체제(suspended biomass am)와 부착 막 체제(attached film system)의 두 종류로 나누어진다. 이들은 비로 생화학적 측면이 재래식 혐기성 소화의 그것과 매우 유사하나 생물량의 형태면 시 각각 활성 슬럿지 및 살수 여상과 유사하다. 그러나 하수 슬럿지의 혐기성 소를 위한 체제와는 달리 많은 산업폐수 처리 공정에서 기질은 용해된 형태로 존재 다. 이것은 용해성 기질로부터 생물량을 분리할 수 있게 해 주며 <인 조건에 이 운전을 가능케 한다.

 

따라서 혐기성 공정의 성공은 주로 부유성 고형물 분리의 발로 인해 이루어졌다고 말할 수 있다. 이런 처리 잠재력의 향상은 체제 내에 생 등량 농도를 가능한 한 크게 유지하게끔 계획된 기술에 의해 이루어졌다. 이런 접 는 방법으로부터 발달된 여러 가지 반응조들이 그림 15.3에 나와 있다.