Thiobacillus thiooxidans를 이용한 폐기물로부터의 생물학적 중금속 제거에 관한 연구

Abstract

하수 슬러지, fly ash 및 준설 오니 등의 폐기물에 함유된 중금속은 매립에 의해 최종 처분되는 경우, 물리화학적, 생물학적 작용에 의해 용출되어 토양, 하천 및 지하수 등을 오염시킨다. 중금속을 함유한 폐기물로부터 중금속을 제거하기 위한 유망한 방법 중의 하나가 황산화 세균을 이용한 생물 용출 방법이다. 생물 용출 방법은 기존의 화학적인 방법보다 경제적이며, 높은 중금속 제거 효율을 가지는 장점을 가진다. 지금까지의 연구는 미생물의 유기물 농도에 대한 저해로 대부분 5Og/L미만의 저농도의 고형물에서만 수행되었으며 외국의 경우에도 폐기물 내에서 자생하는 황산화 호합 균주를 이용하는 연구만이 진행되었다. 본 연구에서는 순수 분리 균주 Thiobacillus thiooxidans MET와 AZll균주를 이용하여 하수 슬러지, fly ash 및 준설 오니로부터 생물학적으로 중금속을 용출하여 제거하는 방법에 대하여 연구하였다. 본 연구에서 사용한 균주는 pH 6의 중성 부근 뿐만 아니라 pH 2이하의 강산성 조건에서도 황산화 활성을 발휘할 수 있었으며, 폐기물내의 중금속 화합물을 간접적으로 산화하여 중금속을 용출하였다. 본 연구에서 사용한 T. thiooxidans 균주는 Zn가 500mg/L 첨가된 조건하에서 1.2lg-S·L^-1·d¹ 의 황산화 활성을 나타내었으며, Cu 70mg/L, Ni과 Cd가 200mg/L 첨가된 조건에서도 황산화 활성은 거의 저해 받지 않았다. 그러나, 5mg/L의 Cr(VI)을 첨가하면, T. thiooxidans 균주의 황산화 활성은 완전히 저해 받았다. 하수 슬러지로부터 중금속을 제거하기 위해 순수 분리한 균주를 접종함으로써 슬러지 내의 자생균이나 황산화 세균 혼합 균주를 이용하는 것보다 처리 시간을 2배 정도 단축할 수 있었으며, 최종 pH도 더 낮게 도달하여 중금속 제거 효율을 증가시킬 수 있었다. 90g/L∼130g/L 슬러지 고형물 농도에서도 Pb를 제외한 중금속의 제거효율은 60∼90%에 달하였다. 슬러지로부터 중금속을 용출하기 위한 기질의 최적 첨가량은 건조 슬러지량의 10∼20%(w/w)이였다. Air-lift 생물 반응기를 이용하여 회분식 실험을 수행한 결과, 60g/L의 고형물 농도에서 Zn, Cu, Cr, Mn은 99%제거되었다. 30g/L 고형물 농도에서 fill and draw 반응 실험을 수행한 결과 체류 시간을 1.5일까지 단축 시킬 수 있었다. 발전소 fly ash로부터 중금속의 용출 효율에 미치는 fly ash 고형물 농도의 영향을 조사한 결과, 100 g/L이하의 낮은 고형물 농도에서는 0.70-0.75 g-S·L¹·d¹의 황산화 속도를 얻을 수 있었다. 그러나, 150g/L 이상의 높은 고형물 농도에서는 고형물 농도가 증가할수록 황산화 세균의 황산화 활성은 급격하게 저해 받았으며, 중금속의 제거 효율도 고형물 농도가 증가할수록 감소하였다. 준설 오니를 대상으로 효율적인 중금속 제거 효율을 얻을 수 있는 여러 인자들의 최적 조건을 조사하였다. 효과적인 중금속 제거 효율을 얻을 수 있는 최대 고형물 농도는 200g/L였으며, 균주 접종량은 10∼15%(v/v)였다. 최적 기질 첨가량은 준설 오니 건조 무게의 4∼5%(w/w)이였다. 준설 오니의 초기 pH의 조절은 최종 중금속 제거 효율에는 큰 영향을 미치지 않았다. Thiobacillus thiooxidans를 이용하여 폐기물로부터 중금속을 제거하는 과정에서 중금속 용출 효율은 중금속의 종류에 관계없이 배양액의 pH와 황산염 농도에 크게 의존하였다. 중금속 용출량은 폐기물에 존재하는 초기 중금속 농도에 비례하였으며, 폐기물의 고형물의 농도가 높아질수록 buffering capacity가 증가하여 더 많은 양의 황산염이 요구되었다. 이상의 결과로부터 T. thiooxidans MET와 AZll 균주를 이용함으로써 기존의 생물 용출 방법보다 높은 고형물 농도에서 보다 효율적으로 폐기물로부터 중금속을 제거할 수 있음을 알 수 있었다. ; When the solid wastes, for example, sewage sludge, fly ash and sediment, including toxic heavy metals were treated by landfill for the final disposal, they can contaminate soils, rivers and groundwaters by the physio-chemical and biological interaction. One of the promising methods to remove heavy metals from wastes is microbial leaching using sulfur oxidizing bacteria. This method is more economic and more effective than the conventional methods. The previous studies were carried out in low solids concentration of the less than 50g/L using inherent sulfur oxidizing bacteria due to growth inhibition of the microorganisms on organic substances. In this study, heavy metals was solubilized biologically from sewage sludge, fly ash, sediment using Thiobacillus thiooxidans MET and AZll. The bacterium used in this study had an sulfur oxidizing activity not only in the condition of pH 6 but also in the strong acid condition of less than pH 2 and were able to solubilized heavy metals indirectly. T. thiooxidans used in this study had an sulfur oxidizing activity of 1.218-S·L¹·d¹ in the condition supplemented with 500mg/L of Zn and the growth of T. thiooxidans was not inhibited in 70mg/L of Cu and 200mg/L of Ni, Cd. But, in 5 mg/L of Cr(VI ), activity of T. thiooxidans was inhibited completely. An inoculation of T. thiooxidans isolated purely could reduce the treatment time by the half than using the inherent bacteria or mixed sulfur oxidizing bacteria and the final pH reached lower enough to remove heavy metals. In 90∼130g/L sludge solids concentration, most of heavy metals except Pb, were removed 60∼90%. The optimum substrate concentration to remove heavy metals efficiently was 10∼20%(w/w) of dry weight basis. In the batch air-lift reactor, Zn, Cu, Cr, Mn were removed 99% in the 60g/L solids concentration. In the fill and draw air-lift reactor of 30g/L solids concentration, the retention time was reduced to 1.5days. In study about effect of fly ash solids concentration in microbial leaching, we obtained 0.70∼0.75 g-S·L¹·d^1 of sulfur oxidizing activity in the less than 100g/L solids concentration. But, as increasing solids concentration, sulfur oxidizing activity was inhibited abrubtly and the removal efficiencies of heavy metals were decreased. We studied the optimum conditions of various parameters for removing heavy metals from sediment. The maximum solids concentration to remove heavy metals was 200g/L, the optimum inoculum size was 10∼15%(v/v). The optimum substrate concentration was 4∼5%(w/w). To control the initial pH of sediment was not influenced on the efficiency of microbial leaching. The removal efficiencies of heavy metals in microbial leaching depended on the pH and sulfate concentration regardless of the kinds of heavy metals. The concentration of heavy metals solubilized were proportional to the initial concentration of heavy metals. The buffering capacity of wastes was increased, as solids wastes concentration increasing and high solids concentration required the more sulfate concentraion to remove heavy metals. As these results, we founded that bioleaching using T. thiooxidans MET and AZll can remove heavy metals from various solid wastes more effectively than conventional methods in high solids concentration.