KR101378763B1 - 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물의 공동대사를 이용하여 염소계 유기화합물로 오염된 지하수를 정화하는 방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법은, 트리클로로에틸렌(TCE)으로 오염된 지역의 지하수 유속 및 상기 트리클로로에틸렌의 오염농도를 측정하는 단계; 상기 트리클로로에틸렌과 1차 기질인 톨루엔(Toluene)의 농도비가 1:50 ~ 1:70이 되도록 톨루엔의 투입농도를 결정하는 단계; 상기 지하수의 이동 경로 상에 호기성 공동대사(Aerobic Cometabolism)를 하는 미생물이 포괄고정된 담체가 충전된 투수성 반응벽체를 설치하는 단계; 상기 투수성 반응벽체의 일측에 설치된 기질 투입관을 통해 1차 기질인 상기 톨루엔을 상기 결정된 투입농도에 따라 과산화수소와 함께 투입하고, 이 때 상기 과산화수소의 투입농도는 70mg/L를 초과하지 않는 범위 내에서 1차 기질인 상기 톨루엔과의 농도비가 1:2 ~ 1:3이 되도록 결정하는 단계; 및 상기 투수성 반응벽체 내에서 1차 기질의 순환이 이루어지도록 상기 투수성 반응벽체의 반대측에 설치된 기질 회수관을 통해 상기 톨루엔을 흡입하는 단계;로 구성된다.

Description

미생물을 이용한 오염지하수 정화방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체{METHOD FOR PURIFYING CONTAMINATED GROUNDWATER WITH BACTERIA AND PERMEABLE REACTIVE BARRIER USED FOR PURIFYING}

본 발명은 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미생물의 공동대사를 이용하여 염소계 유기화합물로 오염된 지하수를 정화하는 방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체에 관한 것이다.

급격한 산업화의 부산물로 대량의 산업 폐기물이 발생하고, 이로 인해 자연상태에서는 존재하지 않는 수많은 유기화합물이 다량으로 배출되어 심각한 환경오염을 유발하고 있다. 특히 이들 물질은 토양 오염 및 지하수 오염의 주요 원인 물질로 알려져 있어 이들에 대한 철저한 관리가 요구된다. US EPA(1990)에 의하면, PCE, TCE, 1,1,1-trichloroethane(1,1,1-TCA) 등으로 대표되는 염소계 유기화합물(CAHs)이 지하수의 주 오염물질로 나타나고 있다.

염소계 유기화합물로 오염된 지하수를 정화하는 방법으로는, 굴착제거, 표면제어, 차폐, 양수, 진공추출, 고화 및 수압 파쇄 등의 물리적 방법과, 산화, 중화, 이온교환 및 계면활성제 첨가 등의 화학적 방법과, 영양분 주입, 특정 미생물 이용 등의 생물학적 방법 등이 있다.

이 중에서 물리·화학적 방법은 대량의 지하수를 처리하기에는 유지 관리비가 많이 소요되는 반면에 생물학적 방법은 상대적으로 비용이 저렴한 것으로 알려져 있다. 또한 생물학적 정화방법은 대량의 지하수를 양수한 후에 지상에서 처리하는 On-Site 공정과 지하에서 직접 처리하는 In-Situ 공정으로 구분될 수 있는데, On-Site 공정에 비해 비용이 저렴하고 인간이 오염물질에 노출될 염려가 적다는 점에서 In-Situ 공정이 많이 사용되고 있다.

또한, 생물학적 정화방법은 호기성 미생물의 공동대사 작용을 이용하여 염소계 유기화합물을 무독성 물질로 전환시키는 AC(Aerobic Cometabolism) 공정과 혐기성 미생물의 환원 작용을 이용하여 염소계 유기화합물을 탈염소화시키는 ARD(Anaerobic Reductive Dechlorination) 공정이 있다.

본 발명자들은 상기 AC(Aerobic Cometabolism) 공정을 In-Situ 상태로 실행하는 정화방법에 대해 연구를 진행하였고, 이에 대해 대한민국 공개특허 제2011-0118395호(투수성 반응벽체 및 이를 이용한 오염지하수 정화방법(문헌 1))로 특허출원 한 바 있다. 위 문헌 1에는 미생물이 포괄고정된 담체를 이용한 투수성 반응벽체의 기본 구조 및 이를 이용한 정화방법이 개시되어 있다. 본 발명자들은 이에 대한 연구를 계속하여 문헌 1에 개시된 연구실 수준의 반응벽체를 실제 In-Situ 공정으로 적용하기 위한 형태로 개선하였고, 실제 정화 시에 요구되는 여러 가지 반응 조건들을 새로이 규정하여 본 발명을 완성하게 되었다.

[문헌 1] 대한민국 공개공보 제2011-0118395호: 투수성 반응벽체 및 이를 이용한 오염지하수 정화방법(출원인: 주식회사 대일이앤씨), 2011. 10. 31. 공개

본 발명은 이러한 연구 과정을 통해 최종 완성된 것으로서, 염소계 유기화합물 중에서 특히 트리클로로에틸렌(TCE, Trichloroethlylene)을 특정 미생물인 슈도모나스 세파시아 G4(Pseudomonas cepacia G4)의 호기성 공동대사(Aerobic Cometalbolism) 작용을 이용하여 분해하는 정화방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법은, 트리클로로에틸렌(TCE)으로 오염된 지역의 지하수 유속 및 상기 트리클로로에틸렌의 오염농도를 측정하는 단계; 상기 트리클로로에틸렌과 1차 기질인 톨루엔(Toluene)의 농도비가 1:50 ~ 1:70이 되도록 톨루엔의 투입농도를 결정하는 단계; 상기 지하수의 이동 경로 상에 호기성 공동대사(Aerobic Cometabolism)를 하는 미생물이 포괄고정된 담체가 충전된 투수성 반응벽체를 설치하는 단계; 상기 투수성 반응벽체의 일측에 설치된 기질 투입관을 통해 1차 기질인 상기 톨루엔을 상기 결정된 투입농도에 따라 과산화수소와 함께 투입하고, 이 때 상기 과산화수소의 투입농도는 70mg/L를 초과하지 않는 범위 내에서 1차 기질인 상기 톨루엔과의 농도비가 1:2 ~ 1:3이 되도록 결정하는 단계; 및 상기 투수성 반응벽체 내에서 1차 기질의 순환이 이루어지도록 상기 투수성 반응벽체의 반대측에 설치된 기질 회수관을 통해 상기 톨루엔을 흡입하는 단계;로 구성된다.

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또한, 상기 투수성 반응벽체의 폭은 1차 기질인 상기 톨루엔이 상기 투수성 반응벽체 내에서 농도당 체류하는 시간이 0.5 ~ 7 hr/ppm이 되도록 해주는 폭으로 결정하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 호기성 공동대사를 하는 미생물은 슈도모나스 세파시아 G4(Pseudomonas cepacia G4)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 투수성 반응벽체의 내부 온도를 22 ~ 28℃로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기질 회수관을 통해 회수된 톨루엔은 일직선에 위치한 상기 기질 투입관이 아니라 대각선 상에 위치한 기질 투입관으로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기한 정화방법을 구현하기 위하여 본 발명에 따른 투수성 반응벽체는, 트리클로로에틸렌과 같은 염소계 유기화합물로 오염된 지역을 정화하기 위해 오염지하수의 이동 경로 상에 설치되는 투수성 반응벽체에 있어서, 특정 미생물이 포괄고정된 담체가 수용되는 케이스; 상기 케이스의 일측에 설치되고 상기 특정 미생물에 기질을 공급해주는 기질 투입관; 및 상기 케이스의 반대측에 설치되고 상기 케이스 내에서 상기 기질의 순환이 이루어지도록 공급된 기질을 회수하는 기질 회수관;으로 이루어진다.

이때, 상기 케이스의 일측에는 상기 기질 투입관이 설치되는 공간을 상기 담체가 수용되는 공간과 분리시켜주는 다공판이 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따르면, 상기 투수성 반응벽체는 트리클로로에틸렌과 같은 염소계 유기화합물로 오염된 지역을 정화하기 위해 오염지하수의 이동 경로 상에 설치되는 투수성 반응벽체에 있어서, 특정 미생물이 포괄고정된 담체가 수용되는 케이스; 상기 케이스의 일측 외부에 위치한 토양 내에 삽입 설치되고 상기 특정 미생물에 기질을 공급해주는 기질 투입관; 및 상기 케이스의 반대측에 설치되고 상기 케이스 내에서 상기 기질의 순환이 이루어지도록 공급된 기질을 회수하는 기질 회수관;으로 이루어진다.

또한, 상기 본 발명에 따른 투수성 반응벽체는, 상기 케이스 내에 그 깊이 방향을 따라 복수 개가 적층되는 내부 저장망이 설치되고, 상기 특정 미생물이 포괄고정된 담체가 상기 내부 저장망 내에 수용되도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 투수성 반응벽체는, 상기 기질 투입관 및 기질 회수관은 복수 개로 설치되고, 회수된 기질이 상기 투수성 반응벽체 내로 재투입될 수 있도록 상기 기질 투입관 및 기질 회수관이 상호 일직선 상에 대향하는 것끼리 연결 설치되거나, 상기 기질 투입관 및 기질 회수관이 상호 대각선 상에 대향하는 것끼리 연결 설치되도록 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법은, 기존의 정화방법에 비해 트리클로로에틸렌(TCE)와 같은 염소계 유기화합물로 오염된 지하수를 가장 효과적으로 정화시킬 수 있는 최적화된 공정 조건을 제공해 준다.

또한, 지하수 내의 TCE의 오염농도 및 지하수의 유속 등을 기반으로 1차 기질인 톨루엔의 농도를 최적화함으로써 처리 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 톨루엔의 과잉 공급에 따른 2차 오염을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 대량의 오염지하수를 지상에서 처리하지 않고 지하에서 In-Situ 공정으로 처리할 수 있어 오염물질이 지상으로 노출되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 투수성 반응벽체는, 기질 투입관 및 회수관의 설치 위치 및 재공급 연결 경로를 최적화함으로써 미생물의 공동대사 작용이 가장 효과적으로 이루어질 수 있도록 해준다.

또한, 투수성 반응벽체의 내부에 미생물이 충전된 저장망을 적층하는 구조를 사용함으로써 장시간 처리 시에도 오염지하수의 정화 효과가 지속될 수 있도록 해준다.

도 1은 본 발명에 따른 투수성 반응벽체의 설치 상태를 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 정화방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 정화방법의 효과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 투수성 반응벽체를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 기질 공급관의 다양한 설치 형태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 다른 투수성 반응벽체의 2가지 구조를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 기질 공급관 및 기질 회수관의 2가지 연결 형태를 나타낸 도면.

이하에서 첨부된 도면을 사용하여 본 발명에 따른 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법 및 이에 사용되는 투수성 반응벽체의 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 투수성 반응벽체의 설치 상태를 나타낸 모식도이다. 케이스(100)의 내부에 미생물이 포괄고정된 담체(110)가 저장된 투수성 반응벽체는 트리클로로에틸렌(TCE)와 같은 염소계 유기화합물로 오염된 지하수(500)가 흐르는 지역에 매설된다. 투수성 반응벽체의 규격은 염소계 유기화합물에 의한 오염의 정도, 지하수(500)가 흐르는 단면적, 유속 등에 의해 결정된다. 또한, 상기 투수성 반응벽체의 내부에는 호기성 미생물에 의한 공동대사(Cometabolism) 작용에 사용되는 1차 기질을 순환 공급시키기 위해 기질 투입관(200), 기질 회수관(300) 및 펌프(400)가 연결 설치된다. 본 발명에 따른 투수성 반응벽체의 보다 상세한 구성에 대해서는 도 4 내지 도 7을 참조로 후술하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 미생물을 이용한 정화방법을 설명한 순서도이다. 도 2를 참조로 본 발명의 정화방법을 구체적으로 설명하기에 앞서 본 발명이 이용하고자 하는 호기성 미생물에 의한 공동대사 작용에 대해 간단히 설명한다.

담체(Porous solid media) 내의 호기성 미생물은 포괄고정화된 상태로서 난분해성 오염물질(Xenobiotic contaminants)을 공동대사 작용에 의해 무해한 물질로 분해시킨다. 담체를 이용하여 미생물을 포괄고정시키는 방법은 오염 지역의 토착 미생물의 영향으로부터 호기성 미생물을 보호하여 미생물의 유지 및 안정성을 향상시킴으로써 오염물질의 처리능력을 향상시킨다. 더 나아가 투수성 반응벽체에 사용하는 경우 미생물의 효과 수명을 늘리 수 있어 고효율의 생물학적 정화 및 복원을 가능하게 해준다.

공동대사(Cometabolism)라 함은 호기성 미생물로 하여금 1차 기질의 도움을 받아 2차 기질을 분해하는 것을 의미한다. 미생물은 1차 기질을 분해할 때 특정한 분해효소를 배출한다. 미생물은 기질로 사용할 수 있는 특정 물질에 대해서는 효소를 배출하지만 모든 물질을 기질로 사용할 수 있는 것은 아니다. 특히, 염소성 유기물, 브롬화 유기물 등은 기질로 사용하지 못하기 때문에 효소를 배출하지 못한다. 참고로 이러한 물질들은 환경공학적 측면에서는 처리의 대상으로 삼는 생물학적 난분행성 물질로 분류된다.

따라서, 호기성 미생물에 1차 기질로 사용할 수 있는 분해성 물질과 오염 물질인 난분해성 물질이 공존하는 환경을 만들어 주면, 호기성 미생물이 1차 기질을 분해할 때 생성되는 특정 분해효소가 난분해성 물질을 분해하는 효과를 나타낼 수 있다. 즉, 호기성 물질이 분해성 물질을 분해되는 과정에서 난분해성 물질까지 함께 분해하게 되는 것이다. 이 때, 효소를 생성하는 분해성 물질을 1차 기질이라 하고, 효소를 직접 생성은 못하지만 효소에 의해 분해가 되는 난분해성 물질을 2차 기질이라 한다. 1차 기질은 세포의 성장이나 유지에 필요한 환원력과 에너지를 제공하는 전자공여체를 의미하며, 공동대사 효소와 보조인자들의 생성을 유도하는 작용을 하는 것이다.

공동대사 작용을 하는 대표적인 호기성 미생물인 슈도모나스 세파시아 G4(Pseudomonas cepacia G4)는 1차 기질로서 톨루엔(Toluene)을 사용하고, 니트로소모나스 유로패아(Nitrosomonas europaea)는 1차 기질로서 질산염(Nitrate)을 사용한다.

본 발명에 따른 정화방법은 트리클로로에틸렌이라는 염소성 유기화합물로 오염된 지하수를 정화하기 위하여 상기 슈도모나스 세파시아 G4가 충전된 투수성 반응벽체 내에 1차 기질로서 톨루엔을 공급하는 경우에 있어서 최적의 공정 단계 및 공정 조건을 연구하여 도출된 것이다.

도 2에서 보듯이 본 발명에 따른 정화방법은 먼저 오염지역 내를 현장 조사하여 오염지하수의 흐르는 방향, 유량, 유속 등과 트리클로로에틸렌의 오염농도 등 공정 조건을 설정하는데 필요한 기초 정보를 수집한다(S10). 트리클로로에틸렌은 의류의 드라이 클리닝, 기계 및 전기부품의 기름 제거 등에 사용되는 화학약품으로서 전 세계적으로 토양 및 지하수의 주요 오염원으로 알려져 있다. 지하수 내의 트리클로로에틸렌은 대기 중으로 최대한 노출되지 않도록 채취하여 가스크로마토그래피를 이용하여 그 농도를 측정한다. 지하수 내의 용존되어 있는 트리클로로에틸렌의 농도는 휘발, 흡착, 생물학적 분해와 같은 인공적인 정화방법이 사용되지 않는 한 일정하게 유지된다.

상기 수집된 기초 정보, 그 중에서 트리클로로에틸렌의 오염농도를 토대로 하여 1차 기질인 톨루엔의 투입농도를 결정한다(S20). 본 발명에 따르면 트리클로로에틸렌(2차 기질)과 톨루엔(1차 기질)의 농도비는 1:50 ~ 1:70으로 제어하는 것이 바람직하다. 위 농도비가 1:50 미만이 되면 호기성 미생물이 톨루엔을 분해할 때 발현되는 효소(Toluene 2-monooxoygenase)의 생성량이 적어 충분한 트리클로로에틸렌 분해 효과를 얻을 수 없다. 반면, 위 농도비가 1:70을 초과하면 미생물에 의해 분해되지 않은 톨루엔이 담체 충전구역을 통과하여 토양으로 흡수됨으로써 2차 오염원이 될 수 있다. 톨루엔 역시 지하수 오염원 중 하나로서 먹는 샘물 기준치 0.7 mg/L로 관리되고 있는 화학성분이므로, 이에 의한 2차 오염을 방지하기 위해서는 트리클로로에틸렌과의 농도비를 1:70 이하로 제어한다.

도 3은 1차 기질과 2차 기질의 농도비에 따른 정화 효과를 나타낸다. 트리클로로에틸렌과 톨루엔의 농도비가 1:50 이상이 되면 트리클로로에틸렌의 제거 효율이 상용적으로 적용 가능한 80% 이상이 된다. 위 농도비가 1:70을 초과하면 트리클로로에틸렌의 제거 효율은 포화되는 반면에 상술한 바와 같이 톨루엔에 의한 2차 오염이 발생하게 된다. 이러한 점을 종합적으로 고려할 때, 트리클로로에틸렌과 톨루엔의 농도비는 앞서 설명한 바와 같이 1:50 ~ 1:70으로 제어하는 것이 바람직하다.

톨루엔의 투입농도가 결정되면, 이를 토대로 톨루엔과 함께 투입될 산소의 양을 결정한다(S30). 산소는 1차 기질과 함께 호기성 미생물이 공동대사 작용에 필요한 필수 성분으로서, 통상 과산화수소 형태로 공급된다. 본 발명에 따르면 지하수에 희석된 톨루엔과 과산화수소의 농도비가 1:2 ~ 1:3가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 하한치인 1:2는 지하수 내에 용존 산소가 일부 존재할 경우에 사용되는 것이며, 상한치인 1:3은 지하수에 용존 산소가 전혀 없어 순수하게 과산화수소만으로 산소를 공급해야 하는 경우에 사용될 수 있다.

이 때, 상기 과산화수소의 투입농도는 70mg/L를 초과하지 않는 범위 내에서 결정하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 지하수에 희석되는 과산화수소의 농도가 70mg/L를 초과하게 되면 오히려 호기성 미생물의 활동을 저해하기 때문이다. 본 발명에 따른 산소의 투입농도는 과산화수소를 이용하는 통상적인 방법에 근거하여 규정되었으나, 순산소 형태로 공급하는 경우도 당연히 포함한다 할 것이다.

이 밖에도 미생물의 생장에 필요한 각종 미네랄 성분의 조절도 필요하다. 일반적으로 미생물의 대사(성장,호흡)에는 세포를 합성하는데 필요한 탄소, 질소, 단백질 이외에도 미량의 영양소가 필요한데, 지하수를 분석하여 이들 미네랄 성분이 부족한 경우 호기성 미생물의 생장을 더욱 활성화시켜주기 위해 적정한 함량을 공급해 준다.

다음으로, 앞서 수집한 오염지역 지하수의 기초 정보를 토대로 지하에 매설될 투수성 반응벽체의 규격(높이×너비×폭), 그 중에서 투수성 반응벽체의 폭을 결정한다(S40). 투수성 반응벽체의 단면적(높이×너비)은 도 1에서 보는 바와 같이 지하수가 흐르는 단면적을 고려하여 상대적으로 쉽게 결정될 수 있다. 즉, 투수성 반응벽체의 단면적은 미생물이 포괄고정화된 담체가 지하수가 흐르는 단면적을 충분히 커버할 수 있을 정도가 되도록 결정한다.

반면, 투수성 반응벽체의 폭의 결정함에 있어서는 오염지하수에 투입된 톨루엔이 호기성 미생물에 의해 분해될 수 있도록 충분한 시간 동안 투수성 반응벽체의 내부에 체류할 수 있도록 해주어야 한다. 1차 기질인 톨루엔이 투수성 반응벽체의 담체 충전구역 내에서 충분히 체류하지 못하면 분해되지 않은 톨루엔이 반응벽체의 외부로 유출되어 2차 오염원이 될 수 있음은 이미 상기한 바와 같다.

톨루엔의 체류시간은 톨루엔의 투입농도 및 지하수의 유속과 관련되는데, 본 발명에서는 1차 기질인 톨루엔이 투수성 반응벽체 내에서 농도당 체류하는 시간이 0.5 ~ 7 hr/ppm이 되도록 투수성 반응벽체의 폭을 결정한다. 톨루엔의 농도당 체류시간이 0.5 hr/ppm 미만이 되면 호기성 미생물에 의해 분해되지 못한 톨루엔이 반응벽체 외부로 유출되고, 7 hr/ppm 를 초과하면 충분히 체류시간이 보장되지만 반응벽체의 폭이 지나치게 증가하여 제작비, 설치비 등의 비용이 증가된다.

톨루엔의 농도당 체류시간은 투수성 반응벽체의 폭이 아니라 전체 부피 및 지하수의 유속과 관련되므로, 앞서 설명한 바와 같이 투수성 반응벽체의 단면적이 결정되면, 상기한 톨루엔의 농도당 체류시간 및 지하수 유속을 고려하여 반응벽체의 폭을 최종적으로 결정할 수 있다.

이상에서 설명한 1차 기질 투입농도 결정단계(S20), 과산화수소 투입농도 결정단계(S30), 투수성 반응벽체의 폭 결정단계(S40)는 오염지역의 현장 조사를 통해 얻은 기초 정보를 토대로 본 발명의 정화방법을 실시하는데 필요한 공정 조건을 계산하는 단계이므로, 실제 현장 적용에 있어서는 그 순서를 자유롭게 변경할 수 있다 할 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 정화방법의 공정 조건이 결정되면, 상기 지하수의 이동 경로 상에 호기성 공동대사(Aerobic Cometabolism)를 하는 미생물이 포괄고정된 담체가 충전된 투수성 반응벽체를 설치한다(S50). 보다 상세하게 설명하면, 오염지역에 지하수의 흐름 방향을 가로질러 트렌치(Trench)를 파고, 여기에 슈도모나스 세파시아 G4(Pseudomonas cepacia G4)의 호기성 미생물을 포괄고정시킨 담체를 충전한 투수성 반응벽체를 매설하여 생물활성대(Bioactive zone)를 형성시킨다. 이 때 투수성 반응벽체의 규격, 특히 투수성 반응벽체의 폭은 1차 기질인 톨루엔이 투수성 반응벽체 내에서 농도당 체류하는 시간이 0.5 ~ 7 hr/ppm이 되도록 해주는 폭으로 결정됨은 상기한 바와 같다.

투수성 반응벽체의 설치가 완료되면, 상기 투수성 반응벽체의 일측에 설치된 기질 투입관을 통해 1차 기질인 톨루엔 및 과산화수소를 상기 결정된 투입농도에 따라 투입한다(S60). 1차 기질인 톨루엔은 오염물질인 트리클로로에틸렌과의 농도비가 1:50 ~ 1:70의 범위 내에서 투입되고, 호기성 미생물의 공동대사 작용에 필수 성분인 산소의 공급원인 과산화수소는 1차 기질인 상기 톨루엔과의 농도비가 1:2 ~ 1:3의 범위 내에서 투입된다는 점은 상기한 바와 같다.

다음으로, 상기 투수성 반응벽체 내에서 1차 기질의 순환이 이루어지도록 상기 투수성 반응벽체의 반대측에 설치된 기질 회수관을 통해 상기 톨루엔을 흡입한다(S70). 이는 호기성 미생물에 의해 분해되지 않은 톨루엔을 1차 기질로서 재사용함과 동시에 톨루엔이 투수성 반응벽체의 외부로 유출되어 2차 오염원이 되는 것을 방지하기 위함이다. 본 발명의 정화방법에 따르면, 상기 기질 회수관을 통해 회수된 톨루엔은 일직선에 위치한 상기 기질 투입관이 아니라 대각선 상에 위치한 기질 투입관으로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 투수성 반응벽체의 너비 방향으로 톨루엔의 분해 정도가 균일하지 못한 경우에 회수된 톨루엔을 지그재그로 재공급함으로써 톨루엔의 사용 효율을 향상시키기 위함이다. 이에 대한 상세한 기술구성은 도 7을 참조로 후술하기로 한다.

마지막으로, 본 발명의 정화방법은 상기 투수성 반응벽체의 내부 온도를 22 ~ 28℃로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명자는 이 온도 범위에서 상기 슈도모나스 세파시아 G4는 2년 이상 생존할 수 있고 일정 수준 이상의 트리클로로에틸렌의 제거효율을 나타낸다는 사실을 실험적으로 확인하였다.

이하에서는 상술한 본 발명에 따른 미생물을 이용한 오염지하수 정화방법을 구현하는데 필요한 투수성 반응벽체의 기술구성에 대하여 도 4 내지 도 7을 참조로 더욱 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 투수성 반응벽체의 일 실시예를 나타낸 사시도이다. 트리클로로에틸렌과 같은 염소계 유기화합물로 오염된 지역을 정화하기 위해 오염지하수의 이동 경로 상에 설치되는 투수성 반응벽체는, 특정 미생물이 포괄고정된 담체(110)가 수용되는 케이스(100); 상기 케이스(100)의 일측에 설치되고 상기 특정 미생물에 기질을 공급해주는 기질 투입관(200); 및 상기 케이스(100)의 반대측에 설치되고 상기 케이스(100) 내에서 상기 기질의 순환이 이루어지도록 공급된 기질을 회수하는 기질 회수관(300)으로 구성된다.

상기 투수성 반응벽체의 케이스(100)는 중앙에 미생물 담체(110)가 충전된 담체 충전구역이 마련되고, 이 담체 충전구역의 양측으로 상기 기질 투입관(200) 및 기질 회수관(300)이 설치되는 공간이 다공판(120)에 의해 구획 마련된다. 상기 담체 충전구역에는 담체 내에 포괄고정된 미생물의 활성화에 적합한 온도로 유지시켜주는 온도 조절기(130)가 설치될 수 있다.

상기 기질 투입관(200)은 케이스(100)의 일측에서 너비 방향을 따라 일정 간격으로 복수개가 이격 배치되고, 각각의 기질 투입관(200)에는 길이 방향으로 담체에 포괄고정된 미생물에 기질을 공급하기 위한 복수의 분사노즐이 설치된다. 상기 기질 회수관(300)은 케이스(100)의 반대측에 상기 기질 투입관(200)과 서로 대향되도록 일정 간격으로 나란하게 배치되며, 각각의 기질 회수관(300)에는 담체 충전구역을 통과한 기질을 회수하기 위한 복수개의 흡입망이 설치된다.

도 5는 상기 기질 투입관(200)과 케이스(100) 내의 담체 충전구역과의 위치 관계에 따른 여러 가지 실시예를 나타낸다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 기질 투입관(200)이 다공판(120)에 의해 케이스(100)의 중앙에 위치한 담체 충전구역으로부터 분리된 별도의 공간에 설치될 수 있다. 이에 따르면, 톨루엔, 미네랄 용액 등이 담체(110)와 접촉하기 이전에 지하수와 균일하게 혼합될 수 있고 케이스의 단면적 전체에 걸쳐 골고루 공급될 수 있기 때문에, 호기성 미생물에 의한 톨루엔의 분해 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 기질 투입관(200)이 케이스(100)의 중앙에 위치한 담체 충전구역 내에 직접 삽입 설치될 수도 있다. 도 5의 (a)와 비교할 때 상대적으로 톨루엔을 균일하게 공급하지 못한다는 단점이 있으나, 시설 및 설치가 간단하므로 염소성 유기화합물에 의한 오염의 정도가 낮은 지역에 설치할 때 유용하게 사용할 수 있다.

도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 기질 투입관(200)이 케이스(100) 외부의 토양(800)에 직접 삽입 설치될 수도 있다. 도 5의 (a)와 비교할 때 다공판(120)이라는 별도의 부재가 없이도 톨루엔 등이 일정 폭의 토양(800)을 통과하는 동안에 균일하게 혼합되어 담체 내에 골고루 공급되는 효과를 얻을 수 있고, 동일한 규격의 투수성 반응벽체의 경우 담체 충전구역을 더욱 넓게 이용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 토양 내에 톨루엔을 분해하는 토착 미생물이 있는 경우에는 담체 충전구역으로 공급되는 톨루엔의 농도가 저하될 수도 있으므로 오염 구역의 현장 조사 결과에 따라 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.

도 6은 투수성 반응벽체 내부에 미생물 담체를 저장하는 2가지 방식을 나타낸다.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 투수성 반응벽체의 케이스(100) 내부에는 담체 충전구역을 위한 하나의 공간이 마련되고, 이 전체 공간에 미생물이 포괄고정화된 담체(110)를 충전시킬 수 있다. 이는 케이스의 구조가 간단하므로 설치가 용이하다는 장점이 있으나, 시간이 경과함에 따라 연질로 된 담체가 중력에 의해 아래 방향으로 압착되어 케이스(100) 상부에의 담체 밀도가 저하되는 문제점이 있다. 그 결과, 케이스(100) 하부에는 지하수 및 톨루엔의 흐름이 원활하지 않게 되고 케이스(100)의 상부에는 미생물의 밀도가 저하되므로, 오염지하수에 대한 정화 효과가 떨어지게 된다.

도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 투수성 반응벽체의 케이스(100) 내부에는 그 깊이 방향을 따라 복수 개가 적층되는 내부 저장망(600)이 설치되고, 상기 특정 미생물이 포괄고정된 담체(110)가 상기 내부 저장망(600) 내에 독립적으로 수용되도록 구성될 수 있다. 이에 따르면 담체(110)의 무게가 각 내부 저장망(600)으로 분산되므로 중력에 의한 담체의 하부 몰림 현상을 방지할 수 있어 케이스(100)의 깊이 방향으로 균일한 정화 효과를 얻을 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 기질 공급관 및 기질 회수관의 2가지 연결 형태를 나타낸다.

도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 기질 투입관(200) 및 기질 회수관(300)은 복수 개로 설치되고, 회수된 기질이 상기 투수성 반응벽체 내로 재투입될 수 있도록 재공급관(700)을 매개체로 하여 상기 기질 투입관(200) 및 기질 회수관(300)이 상호 일직선 상에 대향하는 것끼리 연결 설치될 수 있다. 지하수가 투수성 반응벽체의 케이스(100)의 너비 방향으로 균일하게 흐르는 경우에는 톨루엔의 분해 효과가 케이스(100)의 너비 방향으로 동일하기 때문에 회수되는 톨루엔의 양도 거의 유사하다. 따라서, 이 경우에는 기질 투입관(200)과 기질 회수관(300)을 상호 일직선 상에 대향하는 것끼리 연결 설치할 수 있다.

도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 기질 투입관(200) 및 기질 회수관(300)은 북수 개로 설치되고, 회수된 기질이 상기 투수성 반응벽체 내로 재투입될 수 있도록 재공급관(700)을 매개체로 하여 상기 기질 투입관(200) 및 기질 회수관(300)이 상호 대각선 상에 대향하는 것끼리 연결 설치될 수 있다. 지하수가 투수성 반응벽체의 케이스(100)의 너비 방향으로 불균일하게 흐르는 경우에는 톨루엔의 분해 효과가 케이스(100)의 너비 방향으로 상이하기 때문에 회수되는 톨루엔의 양도 달라지게 된다.

따라서, 이 경우에는 기질 투입관(200)과 기질 회수관(300)을 상호 대각선 상에 대향하는 것끼리 연결 설치함으로써, 톨루엔이 많이 회수되는 쪽(지하수의 유속이 빠른 쪽)의 기질 회수관(300)으로부터 톨루엔이 적게 회수되는 쪽(지하수의 유속이 느린 쪽)의 기질 투입관(200)으로 톨루엔을 재공급하여 균일한 정화 효과를 얻을 수 있다.

지금까지 설명한 본 발명의 투수성 반응벽체는 슈도모나스 세파시아 G4를 이용하여 트리클로로에틸렌으로 오염된 지하수를 정화하는데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 다른 미생물을 이용하여 다양한 염소계 유기화합물을 분해하는 장치로도 사용가능하다 할 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 케이스 110: 담체
120: 다공판 130: 온도 조절기
200: 기질 투입관 300: 기질 회수관
400: 펌프 500: 지하수
600: 내부 저장망 700: 재공급관
800: 토양

Claims (13)

1. 트리클로로에틸렌(TCE)으로 오염된 지역의 지하수 유속 및 상기 트리클로로에틸렌의 오염농도를 측정하는 단계;
   상기 트리클로로에틸렌과 1차 기질인 톨루엔(Toluene)의 농도비가 1:50 ~ 1:70이 되도록 톨루엔의 투입농도를 결정하는 단계;
   상기 지하수의 이동 경로 상에 호기성 공동대사(Aerobic Cometabolism)를 하는 미생물이 포괄고정된 담체가 충전된 투수성 반응벽체를 설치하는 단계;
   상기 투수성 반응벽체의 일측에 설치된 기질 투입관을 통해 1차 기질인 상기 톨루엔을 상기 결정된 투입농도에 따라 과산화수소와 함께 투입하고, 이 때 상기 과산화수소의 투입농도는 70mg/L를 초과하지 않는 범위 내에서 1차 기질인 상기 톨루엔과의 농도비가 1:2 ~ 1:3이 되도록 결정하는 단계; 및
   상기 투수성 반응벽체 내에서 1차 기질의 순환이 이루어지도록 상기 투수성 반응벽체의 반대측에 설치된 기질 회수관을 통해 상기 톨루엔을 흡입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 오염지하수의 정화방법.
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4. 청구항 1에 있어서,
   상기 투수성 반응벽체의 폭은 1차 기질인 상기 톨루엔이 상기 투수성 반응벽체 내에서 농도당 체류하는 시간이 0.5 ~ 7 hr/ppm이 되도록 해주는 폭으로 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 오염지하수의 정화방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 호기성 공동대사를 하는 미생물은 슈도모나스 세파시아 G4(Pseudomonas cepacia G4)인 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 오염지하수의 정화방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 기질 회수관을 통해 회수된 톨루엔은 일직선에 위치한 상기 기질 투입관이 아니라 대각선 상에 위치한 기질 투입관으로 재공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 오염지하수의 정화방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 투수성 반응벽체의 내부 온도를 22 ~ 28℃로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 오염지하수의 정화방법.
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