황 산화세균과 암모니아 산화세균의 분리와 황화계 및 암모니아 악취 제거의 특성

Abstract

There are a lot of the malodorous gases generated from the sewage treatment plant, nightsoil treatment plant, and live-stock waste treatment, but the main components are H₂S and NH₃, which are the highly odorous, toxic, and corrosive air pollutants. The ratio of hydrogen sulfide and ammonia is varied according to the components of wastewater or waste products of each plant. There are numerous and various well-established physicochemical techniques presently available for the treatment of sulfur-containing gases, especially H₂S. The major disadvantages of these conventional techniques are their relatively high-energy requirement, treatment cost, and high disposal cost. The growing demand for the more economical and improved process has prompted investigations into microbiological alternatives, and led to a variety of biological gas deodorization process. Biological treatment, especially biofiltration method, has been widely used to remove malodorous gases recently due to high efficiency and economic advantages. In biological deodorization, the efficiency of removal by microorganisms is the limiting factor, thus there are needs to isolate and develop the active deodorizing microorganisms to improve the efficiency. Thens of kinds of sulfur oxidizing bacteria which degrade sulfur-containing malodorous gases were isolated from the enrichment of activated sludge, soil, and anaerobic digested sludge. From these samples, 3 kinds of strains were selected in respect of growth ability in SOB medium, and named as MET, AZ11, and TAS respectively. All of them were classified as a chemolithoautotroph because they could grow on SOB medium which contained elemental sulfur as the energy source and CO₂as the carbon source. Also from the chemotaxanomic results of quinones, cellular fatty acids, and ferrous iron usage, they were considered to be Thibacillus thioosidans. Several factors affecting the sulfur oxidizing characteristics of T. thiooxidans MET were investigated to determine the optimal operation of biofilter. T. thiooxidans MET had a relatively high sulfur oxidation rate in broad ranges of pH from 2 to 8, and the optimum pH was pH 4. The sulfur oxidation rate increased linearly as the concentration of elemental sulfur increased. On the other hand, the sulfur oxidation rate and the thiosulfate oxidation rate were inhibited at the concentration of over than 5.4g/L of thiosulfate as substrate. T. thiooxidans MET was an acid-tolerant because it kept sulfur oxidation activities up to 48g/L of SO₄² accumulated in the medium. T. thiooxidans AZ11, which degrades H₂S, methanethiol, and dimethy1 sulfide, was isolated from the enrichment of soil with continuous supply of H₂S. When 50g/L of elemental sulfur as substrate was supplemented to the medium, the maximum value of specific sulfur oxidation rate of T. thiooxidans AZ11 was 22 g-S·g-DCW ¹·d ¹. T. thiooxidans AZ11 kept the relatively high sulfur oxidation rate up to 79g/L of SO₄² accumulated in the medium, which means T. thiooxidans AZ11 could be a good candidate when it is applied to degrade sulfur-containing malodorous gases effectively for a long time in biodeodorization systems. T. thiooxidans TAS, which tolerated high concentration of (NH₄)₂SO₄ was isolated from the enrichment of activated sludge with continuous supply of H₂S in order to apply to degrade the mixed gases of H₂S and NH₃. T. thiooxidans AZ11, and strain DM18 could not grow in the medium supplemented with 60g/L of (NH₄)₂SO₄. On the other hand, T. thiooxidans TAS should 1.23 g-3·g-DCW ¹·d ¹of specific sulfur oxidation rate at 60g/L of (NH₄)₂SO₄. T. thiooxidans TAS had a relatively high sulfur oxidation rate in broad ranges of pH from 2 to 8, and the optimum pH was pH 6. The sulfur oxidation rate and the growth rate of T. thiooxidans MET, T. thiooxidans AZ11, and T. thiooxidans TAS were compared. Considering of the oxidation reaction from elemental sulfur to sulfate as first order, the data of the concentration of sulfate and of cell mass were plotted to Monod equations. A plot of 1/Vm versus 1/S gave an excellent straight line. From the slope and the intercept of the regression line fitted to the data, the maximum sulfur oxidation rate ranged from 1.38 to 1.88 g-S·L ¹·d ¹and the maximum growth rate ranged from 0.3 to 0.43d ¹. The microbial growth accompanied an increase of dry cell weight and of the production of sulfate. The specific production rate of sulfate was proportional to the specific growth rate. The growth yield(Yx/s) and product yield(Yp/x) of T. thiooxidans ranged from 0.020 to 0.033g-DCW/g-S and from 88 to 149 g-SO₄² /g-DCW, respectively. The effect of organics, glucose, tryptone, and yeast extract, on the growth and on the sulfur oxidation rate of T. thiooxidans was investigated. The growth rate and growth yield of T. thiooxidans were enhanced about twice with the addition of less than 10g/L of glucose. The sulfur oxidation rate of T. thiooxidans was slightly enhanced by the addition of less than 1 and 2g/L of tryptone and yeast extract, respectively. That is, small amount of organics could increase the growth and sulfur oxidation rate of T. thiooxidans. The maximum removal rates of H₂S were calculated from the Hanes-Wolf plot at various temperatures. At 30℃, the rates by the biofilter inoculated with T. thiooxidans TAS, T. thiooxidans AZ11, T. thiooxidans MET were 579, 425, and 400g-S·m ³·h ¹, respectively. At 15, and 25℃, the rates were 4.8 and 8.3 g-S·g-DCW ¹·d ¹, which were about 85% and 49% of those of 30℃, respectively. Methanethiol was degraded by the biofilter inoculated with T. thiooxidans AZ11 and T. thiooxidans MET. Dimethy1 sulfide was degraded by the biofilter inoculated with T. thiooxidans AZ11 although the removal rate of it was low. In shorts, H₂S was degraded the most, followed by methanethiol and then dimethy1 sulfide. Mixed gases of H₂S and NH₃were degraded by the biofilter inoculated with T. thiooxidans TAS had tolerance to (NH₄)₂SO₄. when H₂S single gas was supplied, H₂S was degraded completely at the load less than 810 g-S·m ³·h ¹of H₂S. But, when mixed gases of H₂S and NH₃were supplied, the removal capacity of H₂S was inversely proportional to the increase of inlet loading, due to the presence of NH₃gas was removed completely at less than 190 g-N·m ³·h ¹ of NH₃through the reaction of chemical process. It was neutralized with sulfate, the final product of oxidation, to form (NH₄)₂SO₄. These results showed that T. thiooxidans TAS could be an adequate candidate for the treatment of mixed gases of H₂S and NH₃. Worm cast enriched with ammonia was inoculated to the biofilter and was acclimated with NH₃gas for sixties days. Ammonia oxidizing bacterium, EA11, was isolated from the biofilter. The result of kinetic analysis of removal of NH₃ showed the maximum removal rates of NH₃at 15 and 30℃ were 125 and 2801g-N·m ³·h ¹, respectively. When mixed gases of H₂S and NH₃were supplied to the biofilter, the removal activity NH₃was inhibited by high concentration of H₂S over 200ppm. In this study, three kinds of sulfur oxidizing bacteria, T. thiooxidans, and ammonia oxidizing bacterium, EA11, were isolated to be applied to the biodeorizing systems. Through the kinetic analysis of several factors influencing the sulfur oxidation rate, the characteristics of the isolates were understood and the basic data for the application of the biodeodorization obtained. Also, lab-scale biofilters inoculated biofilter sulfur oxidizing bacteria and ammonia oxidizing bacteria were used to degrade H₂S and NH₃respectively. They showed much higher efficiency in the removal of H₂S and NH₃than other experiments with biofilers. Finally, the biofilter inoculated with T. thiooxidans TAS degrade the mixed gases of H₂S and NH₃at the load of less than 410g-S·m ³·h ¹ of H₂S. ; 하수처리시설, 분뇨처리시설 및 축산폐기물 처리시설 등에서 발생하는 악취는 많은 종류의 악취 물질이 함유된 형태이지만, 주성분 가스는 황화수소와 암모니아이다. 각 시설에 있어서 폐수나 폐기물의 성상 및 조업 조건에 따라서 발생하는 악취 중의 황화수소와 암모니아의 조성비는 매우 다양하다. 이들 악취 물질을 처리하기 위한 다양한 종류의 물리·화학적인 방법들이 응용되고 있다. 기존의 물리·화학적인 방법의 가장 큰 단점은 상대적으로 많은 에너지 사용과 높은 처리비와 소모품비 등에 있다. 이러한 기존 공정의 대안으로 생물학적인 탈취방법이 활발하게 연구되고 있다. 생물 탈취 방법은 악취물질을 분해 대사하여 무취화시키는 미생물의 활성을 이용하는 방법으로, 물리·화학적 방법보다 유지관리가 용이하며 소모품 재료가 거의 필요하지 않기 때문에 운전비가 저렴한 장점을 가지고 있다. 생물학적 탈취장치에 있어서 미생물에 의한 악취 제거 효율이 장치의 탈취 효율을 결정하는 제한인자이기 때문에, 장치의 탈취 효율을 향상시키기 위해서는 우수 탈취 미생물 균주의 분리와 개발이 요구되어 진다. 따라서, 본 연구에서는 주요 악취 물질인 황화계 악취물질을 분해하는 황 산화세균 3균주를 분리·동정하고, 각 균주의 황 산화활성에 미치는 여러 인자들의 영향을 속도론적으로 해석하였다. 또한, 황화계 악취 물질과 더불어 중요 악취 물질인 암모니아를 분해하는 세균을 분리하여 암모니아 제거 특성을 조사하였다. 또한, 황 산화세균에 의한 황화수소 제거 효율 및 암모니아 산화세균에 의한 암모니아 제거효율에 미치는 황화수소와 암모니아 혼합 가스의 영향을 규명하였다. 혐기성 소화 슬러지, 활성 슬러지, 토양 그리고 지렁이 분변토의 현탁액을 황화수소 혹은 암모니아로 농화 배양하여 황 산화세균 및 암모니아 산화 세균을 분리하였다. 모양과 색이 상이한 10여 종류의 colony를 얻었으며 그 중 황 산화배지에서의 증식이 우수한 colony를 3개 선별하여 MET, AZ11, TAS라고 명명하였다. 분리 균주들은 모두 환원형 황 화합물을 에너지원으로 산화하고 이산화탄소를 탄소원으로 이용하는 화학 독립영양세균이었으며 생화학적 특성, quinone 및 지방산을 분석한 결과 호흡연소대사에 coenzyme으로 ubiquinone-8을 가지며 hydroxy 3-OH 14:0, nonhydroxy 16:0을 주 세포지방산으로 갖는 Thiobacillus thiooxidans로 동정되었다. 분리균 T. thiooxidans MET의 황 산화 특성에 미치는 여러 가지 영향 인자에 대해 조사하였다. T. thiooxidans MET는 pH2에서 8의 넓은 영역에 대하여 적응력이 있는 균주였으며 최적 pH는 4이었다. 유리황의 농도가 증가함(5∼50g-S/L)에 따라서 황 산화속도는 기질 농도에 저해 받지 않고 지속적으로 증가하였다. 그러나, thiosulfate를 첨가한 농도가 증가될 경우는 5.4g/L이상의 thiosulfate 농도에서는 황 산화속도와 thiosulfate 산화속도 모두 감소되었다. T. thiooxidans MET 균주의 황 산화 활성은 배지에 황산염이 45g/L까지 축적되어도 거의 저해를 받지 않은 내산성 균주이었다. 토양을 접종원으로 하는 황화수소의 농화배양액으로 부터 황화수소, MT뿐 아니라 DMS을 제거하는 능력을 가진 화학 독립 영양 세균 T. thiooxidans AZ11을 순수 분리하였다. 배지내에 50g/L의 기질이 첨가되었을 때 비 황 산화속도는 다른 2 종의 황 산화균주보다 높았고, 최대 비 황 산화속도는 22 g-S·g-DCW-1·d-1이었다. 또한, 79 g-SO42-/L의 황산염이 배지에 축적되어도 황 산화능은 거의 저해를 받지 않았다. 따라서, T. thiooxidans AZ11은 고농도의 황산염 뿐 아니라 매우 낮은 pH에 대하여 내성을 가진 황 산화균주로서 biofilter의 장기간의 운전에도 높은 효율을 유지할 수 있는 우수한 탈취 균주로 판단되었다. 황화수소와 암모니아의 혼합 악취 제거에 활용하기 위하여 고농도의 (NH4)2SO4에 내성이 있는 T. thiooxidans TAS균주를 분리하였다. 다른 황 산화 균주가 60g/L의 (NH4)2SO4 농도에서 전혀 증식하지 않는데 반하여, TAS 균주는 60g/L의 농도에서 1.23g-S·g-DCW-1·d-1의 비 황 산화속도를 보였다. T. thiooxidans TAS 균주는 pH 2-8의 넓은 영역에서 증식이 가능하였고, 최적 증식 pH는 2∼6이었다. 본 연구에서 분리한 황 산화세균의 황 산화속도와 증식 속도를 비교하여보았다. 유리황을 기질로 첨가한 배지에서 증식하는 균주의 최대 황 산화속도는 Monod식에 대입하여 계산 한 결과 T. thiooxidans AZ11이 가장 높아서 1.88g-S·L-1·d-1이었으며, T. thiooxidans TAS와 T. thiooxidans MET는 각각 1.66과 1.38g-S·L-1·d-1이었다. 동일한 방법을 적용하여 유리황을 기질로 이용할 때의 최대 증식속도는 0.45 d-1 에서 0.3 d-1이었다. T. thiooxidans MET와 T. thiooxidans AZ11, 및 T. thiooxidans TAS의 균체 생산수율은 각각 29, 20, 33 mg-DCW·g-S-1이었다. 화학무기영양세균인 T. thiooxidans TAS, T. thiooxidans AZ11,및 T. thiooxidans MET의 증식과 황 산화속도에 미치는 유기물의 영향에 대하여 알아보았다. Glucose를 10g/L 이하로 첨가할 경우 각 균주의 증식 속도와 균체 생산수율이 약 2배 씩 증가되었다. Tryptone과 yeast extract 역시 각각 2, 1g/L 이하의 농도를 첨가하여 황 산화속도에 소량의 촉진 효과를 보였다. 즉, 소량의 유기물을 첨가함으로서 황 산화세균의 증식 속도와 균체 생산수율을 향상시킬 수 있었다. 분리균의 황화수소분해능을 Hanes-Woolf식에 대입하여 속도론적으로 해석하여본 결과 30℃에서 T. thiooxidans TAS균주는 578.71 g-S·m-3·h-1의 높은 제거속도를 보였으며, T. thiooxidans AZ11과 T. thiooxidans MET는 각각 424.79 g-S·m-3·h-1과 400.21g-S·m-3·h-1 이었다. 분리 균주 T. thiooxidans TAS의 황화수소 제거특성을 각 온도별로 알아본 결과, 25℃와 15 ℃에서는 각기 30℃에서의 값의 85%와 49%으로 저온에서도 증식할 수 있었다. 또한, methanethiol는 T. thiooxidans AZ11과 T. thiooxidans MET를 접종한 biofilter에서 제거되었으며, 비록 제거속도는 낮았지만 T. thiooxidans AZ11에 의하여 dimethyl sulfide가 분해되었다. 악취가스의 제거 속도는 황화수소, methanethiol, diemthyl sulfide의 순서로 분해되었다. 고농도의 (NH4)2SO4에 내성을 지닌 T. thiooxidans TAS균주를 biofilter에 접종하여 황화수소와 암모니아의 혼합악취를 제거하였다. 황화수소의 단독 가스만이 공급될 때, 부하량이 810g-S·m-3·h-1 미만인 모든 조건에서 황화수소가 완벽하게 제거되었다. 그러나, 황화수소와 암모니아의 혼합가스가 공급되면, 암모니아의 공급에 의하여 황화수소의 처리 용량은 감소하였다. 500ppm이하의 암모니아의 농도는 황화수소의 처리 용량에는 거의 영향을 미치지 않았다. 반면, 황화수소가 동시에 공급될 때 암모니아는 황화수소의 분해산물인 황산염에 의해 화학적으로 중화되어 제거됨으로서 190g-N·m-3·h-1 의 부하량 범위에서 거의 100% 제거되었다. 지렁이 분변토를 암모니아로 농화 배양한 암모니아 산화세균이 접종된 biofilter를 암모니아 가스로 순취하였다. 배양 60일까지 평균 600ppm의 암모니아가 공급되었을 때 89 %의 제거 효율을 보였으며, 암모니아 가스로 순취한 biofilter에서 암모니아 제거능이 우수한 암모니아 산화균주 EA11을 분리하였다. 암모니아 제거속도를 속도론적으로 해석한 결과 30℃에서의 최대제거속도는 280.7g-N·m-3·h-1 이었으며, 15℃에서도 122.8g-N·m-3·h-1의 효율을 유지할 수 있었다. 암모니아 단독 가스가 공급될 경우, 125g-N·m-3·h-1의 부하량 범위까지 모든 조건에서 biofilter에 의해 공급되는 암모니아가 완벽하게 제거되었다. 암모니아와 황화수소가 동시에 공급되는 경우 암모니아 산화세균이 고정화된 biofilter의 암모니아 처리 효율은 황화수소의 입구 농도의 증가에 비례하여 감소하였다. 황화수소의 유입 농도가 200ppm 이상일 때, 또는 유입 부하량이 40-80g-S·m-3·h-1이상일 때, 암모니아 처리용량이 감소하였다.