연구주제
생물학적 방법을 이용한 1,4-dioxane 처리 기술 개발
Isolation and Characterization of 1,4-dioxane of 1,4-dioxane Degrading Bacteria from Contaminated Sludge
and Application in Wastewater Treatment
연구배경 | 1,4-dioxane은 에테르 결합을 가지고 있는 고리형태의 구조를 갖는 물질로서 화학물질의 합성, 용매, 그리고 유기용매의 안정제 등으로 널리 사용되고 있는 물질이다. 또한 자연계로 부터의 산물이 아니고 용제, 세정제 안정제로 사용되는 유기합성화합물이다. 이 물질은 약간의 향을 내는 무색의 액체로서 물이나 대부분의 유기용제에 가용성이며 끓는점이 101℃ 이므로 물과 끓는점이 비슷하여 물에 혼입될 경우 거의 분리 제거가 곤란한 성질을 갖고 있다. 또한 토양흡착계수가 낮아서 토양 및 부유물질에 잘 흡착되기 않기 때문에 지하수 등에 매우 높은 농도로 존재하여 지하수 오염을 유발할 뿐만 아니라 공장 유출수에서도 흔히 발견되고 있다. 이 물질은 인간과 동물에게 있어서 만성적 눈의 염증과 호흡기 질환을 유발하고, 수 시간 동안 고농도의 1,4-dioxane에 노출된 인간과 동물은 신장과 간에 심각한 손상을 입는 것으로 알려져 있으며 호흡과 피부 접촉에 의한 1,4-dioxane의 직업적인 노출로 인한 신장 손상으로 사망사례가 보고되었다. (EPA, 123-91-1) 따라서 1,4-dioxane은 국제암연구기관 (IARC) 에 의해 발암가능성 등급인 Group B2로 분류되고 있다.
현재 미국 EPA에서는 1,4-dioxane의 수질권고치를 30 μg/L 로 정하고 있고, 일본은 수질기준을 50 μg/L 로 정하여 규제를 실시하고 있는 상황이다. 환경부에서 발표한 2005 환경부 환경백서에서 낙동강 본류 왜관철교 지점 갈수기 원수 기준으로 1,4-dioxane의 가이드라인이 50μg/L 농도로 확정되었다. 이는 대구지역 1,4-dioxane 검출 (오마이뉴스, 2004-6-24) 사태에 따라 우리나라 상수에서도 1,4-dioxane이 검출됨에 따른 조치이다. 우리나라 대구 지역 및 두류 정수장, 매곡정수장에서 2001년 기준하여 각각 217 μg/L, 173.7 μg/L 이 검출되었다. 뿐만 아니라 1,4-dioxane의 높은 용해도와 낮은 흡착계수 및 증기압으로 인해 활성탄과 같은 고도 폐수처리 방법으로 처리 되지 않으며 오존처리, 전통적인 처리에 의한 공법으로도 처리하기 곤란한 실정이다. 따라서 다양한 관점에서의 1,4-dioxane 처리 기술 연구가 절실히 요구된다.
연구의 필요성 | 현재 미국 EPA에서는 1,4 dioxane의 수질 권고치를 30 μg/L 로 정하고 있고, 일본은 50 μg/L 로 정하여 규제를 실시하고 있는 상황이다. 그러나 우리나라는 아직 기준이 정해지지 않은 실정이다. 따라서 환경부에서는 우리나라 1,4-dioxane 기준이 정해지기 전까지 대구지역에만 2005년 환경백서를 통해 1,4-dioxane의 가이드라인을 원수기준 50μg/L 농도로 정하여 놓았다. 뿐만 아니라 1,4-dioxane은 높은 용해도와 낮은 흡착계수 및 증기압으로 인해 활성탄과 같은 고도 폐수처리 방법으로 처리 되지 않으며 오존처리, 전통적인 처리에 의한 공법으로도 처리하기 곤란하다. 따라서 다양한 관점에서의 1,4-dioxane 처리 기술 연구가 절실히 요구된다. 다이옥산을 처리하는 방법으로는 화학적 처리가 주를 이룬다. 현재까지는 고급산화공정 (Advanced Oxidation Processes) 이 가장 효율적이 것으로 보고되고 있다. 특히 오존/과산화수소공정의 경우 적절한 주입비에서 1,4-dioxane이 완전히 제거됨을 관찰하였으나, 중간 부산물로 ethylene glycol diformate, formic acid, formaldehyde 등이 생성되고, 처리 후 BOD의 증가가 관찰되는 문제점이 발견되었다. 따라서 본 연구에서는 화학적 처리의 문제점을 보완 하고자 분해 미생물을 이용하여 생물학적인 처리 기술을 개발하고자 한다.
연구내용 | 1,4 다이옥산은 에테르 결합을 가지고 있으므로 현재는 1,4 다이옥산 분해 미생물을 분리하는 기술이 미흡하다. 본 연구는 세 가지 전략을 통해 미생물을 이용한 1,4 다이옥산의 생물학적 처리 기술을 개발한다. 첫 번째 전략은 활성 슬러지로부터 기존의 전통적인 방법을 사용하여 미생물을 분리하는 것이다. 두 번째 전략으로 THF (Tetrahydrofuran) 를 이용한다. THF는 1,4 다이옥산과 같이 에테르 결합을 갖고 있는 화학물질로써 분해 미생물 분리가 상대적으로 용이하다는 점에 착안하여 이 미생물의 돌연변이체를 이용하여 1,4 다이옥산 분해 미생물을 분리한다. 마지막으로는 간단한 화학적 전처리를 통해 1,4 다이옥산의 탄소 고리를 끊어 선형 (linear) 형태로 만든 후 기존의 MTBE 분해 미생물을 이용하여 선형 에테르결합을 끊음으로 최종적으로 1,4 다이옥산을 분해 할 수 있게 하는 전략이다.
분리된 미생물을 현실적으로 처리하고, 적용하기 위해서는 이 미생물의 특성 파악이 필요하다. 따라서 특성연구가 이루어져야 한다. 미생물 특성 연구는 크게 물리·화학적 특성, 생물학적 특성 파악 분야가 있다. 물리·화학적 특성 고찰에는 분해능 시험, 최적 조건 파악 등이 있고, 생물학적 고찰에는 분해 미생물의 이용 기질의 범위 확인 및 분자생물학적 접근을 통한 미생물 계통 조사가 있다. 분리한 미생물이 이용하는 기질의 다양한 종류를 찾아 1,4 다이옥산 이외의 적용 범위를 알 수 있다. 특히 에테르 결합을 가지고 있는 화합물이나 염소계 용매를 대상으로 연구하여 이 미생물이 적용 될 수 있는 범위를 계획할 수 있다. 위의 연구 결과를 바탕으로 실험실 수준 (lab scale) 에서 적용 기술을 개발한다. 인공 1,4 다이옥산 오염 폐수를 반응조에 일정 유량으로 유입시킨 후 공기 펌프를 이용해 호기 조건을 만들어 준다. 이때 반응조는 앞선 연구를 바탕으로 분리 미생물 활성에 최적 환경으로 한다. 분리 미생물이 없는 반응조와의 비교를 통해 실제 오염폐수에서 1,4 다이옥산의 생물학적 처리 능력을 확인한다.