황산화 세균을 이용한 중금속으로 오염된 준설 퇴적물의 생물학적 복원에 관한 연구

Abstract

Dredged sediment including toxic heavy matal and PAHs has treated by landfill for the final disposal. But this disposal can generate the second pollution through leachat and accompany problem like the tribe of landfill area. Therefore, recycling of dredging sediment present and removal of contaminant is essential to this treatment. In this study, we researched removal process of heavy metals using T. thiooxidans AZ11. This process is the second process of 2 steps biologically treated process to remove PAHs and heavy metals from dredged sediment. We examined the effect of mineral salt addion, solid density, substrate addition and initial pH to draw optimum conditions of heavy metals removal process. We observed the effect of solid and the addition amount of chemicals to neutralize acidified sediment after heavy metal removal process. Also, we operated bioreactor and pilot-scale slurry reactor with optimum conditions and evaluated application and efficiency as linked process. In PAHs removal process, the first step of 2 steps treated process, strain must have tolerance within the concentration of dissolved metals. So, we investigated the effect of heavy metals on activity of PAHs degrading strain, Burkholderia cepacia 2A-12. In results of the optimum conditions for effective heavy metals removal from PAHs removed sediment. Addition of mineral salt didn't influence on removal efficiency of heavy metals. Optimum condition is solid concentration of 90g/L, substrate addition amount of 10g/L, initial of pH 4~5. In these condition, leaching efficiency of Zn, Cu, Cr, Cd, Ni is 83~100%. In results of the neutralization of acidified dredged sediment, when pH of dredged sediment is raised by using chemicals, most leached heavy metals began to settle rapidly at pH4~5. Heavy metals were recovered mostly at pH 7~8 except Cr. As increasing solid concetration, pH of dredged sediment in which heavy metals began to precipitate decreased and the recovery efficiency increased at same pH. The recovery efficiency using CaCO₃ was similar to using NaOH in most heavy metals excepting Zn and Ni. In results of a bio-reactor experiment that operated in optimum conditions, efficiency of Zn and Cu reached to 100% after 7 day but the efficiency of Cd was 60%. In results of a pilot-scale slurry reactor experiment about heavy metals leaching tendency, when operated at 40LPMs for 5day, the efficiency of Zn, Cu, Cr, Ni, Cd and Pb is 90%, 60%, 63%, 60%, 10% respectively. After flow rate raised to 60LPMs, efficiency of Zn, Cu, Cr, Ni, Cd and Pb reached to 96%, 91%, 83%, 92%, 94%, 47% respectively. In results of effect of heavy metals on activity of PAHs degrading strain, heavy metal inhibited growth and phenanthrene degrading ability of Burkholderia cepacia 2A-12. It had higher tolerance to heavy metals than other environmental microorganisms. It had highest tolerance to Cu and most sensitive to Hg. Tolerance to heavy metals decreased order as follows: Ni, Zn, Co, Cd, Cr. As these results, we founded that heavy metal removal process using T. thiooxidans AZ11 is effective and stable process which is not influenced by pre-biological process.;고농도의 중금속과 PAHs등으로 오염된 준설 퇴적물은 주로 매립처분에 의해 처리되고 있다. 그러나 이 같은 준설퇴적물의 매립처분은 침출수를 통한 2차 오염과 매립지의 부족과 같은 문제점을 수반한다. 따라서 현재는 준설 퇴적물의 재이용이 고려되고 있으며 이를 위해서는 오염물질의 제거가 필수적이다. 본 연구에서는 준설 퇴적물로부터 PAHs와 중금속을 제거하기 위한 2단계 생물학적 복합 공정 중 두 번째 공정인 T. thiooxidans AZ11을 이용한 중금속 제거 공정에 대해 연구하였다. T. thiooxidans AZ11을 이용한 중금속 용출공정의 최적조건을 도출하고자 무기염 첨가, 고형물 농도, 기질 첨가량, 초기 pH의 영향을 연구하였으며 용출 공정 후 산성화된 퇴적물을 처리하기 위한 중화처리에 미치는 고형물의 영향과 중화제의 첨가량에 대해 조사하였다. 또한 플라스크에서 얻은 실험 결과들을 바탕으로 생물반응기와 pilot-scale 슬러리 반응조를 운전하여 연계 공정으로써의 적용성과 효율을 평가하였다. 한편, 이 연구에서 제안한 PAHs 제거 공정은 2단계 복합 공정의 첫 번째 단계로 이에 이용되는 미생물은 준설퇴적물에 함유된 고농도의 중금속에 내성이 있는 균주의 이용함이 중요하다. 따라서 PAHs 분해 균주 Burkholderia cepacia 2A-12의 활성에 미치는 중금속의 영향을 또한 조사하였다. 주 연구 결과는 다음과 같다. PAHs가 제거된 준설퇴적물로부터 효과적인 중금속 제거를 위한 최적 조건을 조사한 결과, 무기염의 첨가는 중금속을 용출하는데 영향을 미치지 않았다. 고형물의 농도 90g/L, 기질 첨가량은 10g/L, 초기 pH4~5일 때 최고의 효율을 얻을 수 있었으며 Zn, Cu, Cr, Cd, Ni에 대해 83~100%의 용출 효율을 보였다. 생물 용출 공정 후 산성화된 퇴적물 중화에 관한 실험 결과, 대부분의 용출된 중금속은 중화제을 이용하여 퇴적물의 pH를 올려주었을 때 pH 4와 5사이에서 급격히 침전 회수되기 시작하여 Cr을 제외한 대부분의 중금속이 pH 7~8에서 회수되었다. 또한 고형물 농도가 높을수록 대부분의 중금속은 낮은 pH에서 회수되기 시작하였고 동일 pH에서는 회수율 높은 경향을 나타냈다. CaCO₃는 퇴적물의 pH를 6이상으로 올리기 어려웠으나 그 회수율은 NaOH로 처리하여 얻은 것과 비교하여 Zn, Ni를 제외한 다른 중금속에서는 비슷하였다. 최적조건에서 운전된 생물 반응기 실험 결과, T. thiooxidans AZ11를 이용한 생물 용출 공정으로 PAHs가 제거된 준설퇴적물에서 운전 7일째 Zn와 Cu의 용출 효율은 100%에 이르렀고 Cd은 60%의 효율을 보였다. Pilot-scale 슬러리 반응조에서의 중금속 용출 특성 조사 결과, 40LPM으로 5일 운전하였을 때 Zn는 90%, Cu는 60%, Cr 20%, Ni 63%, Cd 60%, Pb 10% 였으며 이후 60LPM으로 운전하여 최종 Zn, Cu, Cr, Ni, Cd, Pb에 대해 각각 96%, 91%, 83%, 92%, 94%, 47%의 용출 효율을 얻었다. PAHs 분해 균주의 활성에 미치는 중금속의 영향 조사 결과, 중금속은 농도가 높을수록 Burkholderia cepacia 2A-12의 성장과 phenanthrene 분해능을 방해하였다. 또한 이 균는 다른 환경 미생물들과 비교하여 중금속에 대해 높은 내성을 갖는 것으로 나타났으며 그 내성은 Cu가 가장 컸고 다음으로는 Ni, Zn, Co, Cd, Cr 순이였며 Hg에 가장 민감하였다. 이상의 결과로부터 준설퇴적물의 자원화를 위한 중금속 제거에 T. thiooxidans AZ11를 이용한 중금속 용출공정이 다른 생물학적인 공정에 영향을 받지 않는 안정하고 효과적인 공정임을 알 수 있었다.