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한국어

연구주제

지반 환경의 호기적 생분해능 향상을 위한 다기능성 미세기포

Multifunctional Microbubbles for the Enhancement of Aerobic Biodegradation in the Subsurface

 

연구배경 | 미생물에 의하여 오염물질이 분해되는 과정인 생물학적 분해(Biodegradation)는 오염물질의 주요한 화학적 변화를 가져와 그 독성을 저감하는 효과적인 기작인 것으로 알려져 있다. 특히 산소를 최종 전자수용체로 이용하는 호기적 생분해는 혐기적 분해과정에 비해 그 효율과 분해 산물 면에서 장점을 가지고 있다. 그러나 지하 환경은 오염물질의 호기적 분해에 필요한 산소와 영양분이 부족할 뿐만 아니라, 해당 오염물질을 분해하는 토착 미생물의 수가 충분하지 않을 수 있으므로 자연적인 분해능만 가지고는 분해 반응의 효율성과 지속성을 보장할 수 없다. 따라서 지하 환경에 영양분과 전자 수용체를 공급하거나(Biostimulation), 해당 오염물질의 분해능을 갖는 미생물을 주입함으로써(Bioaugmentation) 생물학적 분해능을 향상시키기 위한 노력이 이루어져 왔다. 지하 환경에 호기적 분해를 위한 전자 수용체인 산소를 전달하는 방법으로 최근 Air Sparging이 많이 이용되고 있으나, 주입된 기체의 선택적 흐름(Preferential Flow)은 큰 제약 요인이 되고 있다. 이러한 특성은 지반의 균열 등 불균질성이 존재할 때 특히 크게 나타난다. 또한 지난 몇 년간 지반 환경에 오염물질 분해 미생물을 공급하여 생분해를 촉진시키기 위한 노력이 계속되어 왔으나, 미생물의 흡착으로 인한 전달 능력의 한계와 토착 미생물과의 경쟁 등으로 오염된 지반 환경을 정화하는 데 있어 큰 효과를 거두지 못하고 있다. 따라서 보다 성공적인 지반 내 오염 물질의 생물학적 정화를 위하여 대상 지역에 산소와 미생물을 효과적으로 전달할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

 

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연구개요 및 장점 |  기포(Foam)를 지반에 주입하는 기술은 이러한 문제점을 극복하는 대안의 하나로 제시되고 있다. 기포는 물속에 존재하는 불안정한 Dispersion으로 정의될 수 있으며, 계면활성제의 존재로 인해 그 불안정성이 부분적으로 극복될 수 있다. 이러한 기포는 투수성이 높은 지반 환경에서 그 이동성이 감소되어 궁극적으로 불균질한 지반에서 비교적 균질한 흐름을 유도할 수 있는 장점이 있다. 미세기포의 일종인 Colloidal Gas Aphron(CGA)은 Sebba가 처음으로 제안한 25~100 μm 크기의 구형 기포로서 펌프를 통하여 토양 내로 직접 주입할 수 있다는 장점을 지니고 있다.

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                                                                  △ Colloidal Gas Aphron (CGA) 개념도

 

기존 연구를 통하여 이러한 미세기포가 지하 환경에 산소를 효율적으로 전달할 수 있으며 미세기포의 미생물 전달을 계면활성제 용액과 비교하여 보다 효과적으로 미생물을 전달할 수 있음이 밝혀진 바 있다. 또한 미세기포는 다공성 매질에서의 Channeling을 감소시키는 효과가 있어 지반 환경의 불균질성으로 인한 물질 전달의 비효율성을 극복할 수 있을 것으로 생각된다. 발생된 미세기포는 기체 함유율이 50% 가량으로, 액체에 용해된 상태의 물질과 기체상의 물질을 동시에 전달할 수 있는 특성을 지니고 있다. 미세기포에 포함되는 미생물은 액체에 부유된 상태나 기포에 부착된 상태로 공급될 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 특성으로 말미암아 미세기포는 오염된 지하 환경에 영양분과 산소, 미생물을 동시에 전달하는 다기능성 매개체로 기능할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 오염된 지하 환경에 영양분과 산소, 오염물질 분해 미생물을 동시에 전달하여 오염물질의 호기적 생분해에 적합한 환경을 조성할 수 있는 원위치(in situ) 미세기포의 개발과 그 주입 기술을 개발하고 그 효율을 향상시키며 현장에 적용하기 위한 미세기포 주입의 최적화 전략을 개발하고자 한다.

 

관련 연구현황 | 본 연구에서 제안하는 CGA와 유사한 형태의 산소공급 방법이 미국에서 “Oxygen Microbubble을 이용한 정화기술”이라는 이름으로 1992년 USEPA Emerging Technology Program에 등록된 바 있다. Oxygen Microbubble in situ Bioremediation이라고 불리는 이 방법은 아직 평가단계에 있으며 실용화 기술로 입증되거나 등록된 것은 아니며 IT Corporation을 중심으로 효과적인 Oxygenation 기술로 개발하기 위한 연구가 지속되고 있다. CGA는 부상/분리공정 분야에서 가장 활발하게 연구가 이루어지고 있으며 관련 논문의 숫자도 가장 많다. 국내에서는 Aphron과 관련하여 KAIST 분리공정연구실에서 Colloidal Liquid Aphron(CLA)을 이용한 선분산 용매 추출법(Predispersed Solvent Extraction, PDSE)을 연구하고 있으나 CGA보다는 주로 CLA를 이용하여 수용액 중의 유기 염료 제거 및 중금속 이온 회수 공정을 기존의 추출공정과 비교하고, 반응 추출공정에 이용하기 위한 다양한 추출제와 희석제를 이용한 CLA의 제조와 회수법에 관해 연구하고 있다. 자연정화능을 이용한 토양 및 지하수 복원에 관한 국내 연구진의 관심은 최근 몇 년 사이 크게 증가하였으나 대부분의 경우 아직은 지하수에서의 모니터링과 자연정화능의 존재 가능성 등에 연구의 주안점을 두고 있는 실정이다.