반응벽체와 토착탈질균을 이용한 농촌지역 지하수의 질산성질소 제거에 관한 연구    

Use of Molasses as an External Carbon Source for In Situ Heterotrophic Denitrification

연구배경 | 2008년 현재 전국의 상수도 보급율은 92% 이다. 그러나 농촌지역의 경우, 면 단위는 45%, 읍 단위는 86%에 그쳐, 위를 제외한 나머지 지역에서는 주된 용수원으로 지하수 및 계곡수를 사용하는 것으로 밝혀졌다(환경부, 2008). 한편 2008년도 지하수 수질 측정망 보고(환경부, 2008)에 의하면, 농촌지역 지하수를 중심으로 오염물질 검사항목 중 기준치를 초과하는 항목은 일반세균과 질산성질소인 것으로 보고되었다. 이중, 질산성 질소는 농촌 지역의 과다 시비와 축산폐수의 유출 등으로부터 기인하며 농촌지역에서 지하수의 직접 이용 시 손쉽게 자주 사용되는 클로라이드 소독법으로도 제거되지 않는다. 또한 질산성 질소는 인체에 유입될 경우 7세 이하의 유아에서 청색증을 일으키고 성인에게서는 신장과 관련된 질환을 일으킬 수 있는 것으로 보고 되어있어 WHO와 우리나라 음용수 수질 기준으로 10 mg/L 이하를 제시하고 있다. 그래서 최근, 농촌 지역 지하수를 정화하기위한 방법들이 활발히 논의 되고 있다.

연구내용 | 농촌지역 지하수의 질산성 질소를 제거하기 위한 방법으로는 Pump & Treat을 이용한 생물학적 탈질공정의 적용 그리고 Permeable Reactive Barrier를 이용한 in situ bioremediation 등이 활발히 연구되고 있다. 지하로부터 추출한 지하수를 생물학적 탈질공정을 이용하여 처리하는 경우, 농촌지역의 특성상 질산성 질소 오염원이 비점오염원의 특징을 가지고 있어 일시적이고 지엽적인 처리 효과 이상을 기대하기 어렵다. 이에 반해, 최근 활발한 연구가 이루어지고 있는 PRB(Permeable Reactive Barrier)의 경우 오염대가 존재하는 대수층에 수리학적 흐름 방향으로 정화 대상 물질의 반응 벽체를 설치하여 화학적 생물학적 반응을 유도함으로써 오염물을 제거하는 방법이다. 특히, 지하수의 흐름을 유지한 채로 원 위치에서 정화할 수 있으므로 별도의 후처리가 필요하지 않다는 장점이 있다(박준범 등, 1999) 또한, 단기간 내에 정화가 용이하지 않고 지속적으로 지하수의 오염이 이루어지는 지역의 경우 흐름 방향의 변경 없이 정화가 가능하여 농촌 지역 질산성 질소 오염 지역에의 적용이 적절하다. 투수성 반응벽체는 충전 매질인 전자 공여체의 종류에 따라 장단점을 가지고 있다. 무기물을 전자 공여체로 사용한 경우 황화합물(S2, S, S2O32, S4O62, SO32), 철화합물(F(0)), 수소 등을 산화 시키는 독립영양 미생물의 탈질능을 이용하여 탈질을 수행한다(Moon et al., 2008; Biswas and Bose, 2005). 충전 반응물에 따라 가격이 경제적이고 장기간 사용이 가능하다는 장점이 있다. 그라나 황화합물이나 철화합물과 같은 전자공여체 활용은 수중 pH의 급격한 변화와 산화된 부산물의 증가 그리고 무엇보다 독립영양 미생물의 느린 성장 등으로 인해 실제 현장에서 정화기대 수준을 요구하기 어렵다는 단점이 있다(Biswas and Bose, 2005). PRB의 충전 매질로 유기물을 사용하는 경우는 지반환경 내에 솜이나 당밀과 같은 외부 탄소원을 이용하여 종속영양 탈질 미생물의 탈질능을 향상시키는 방법이다. 이는 무엇보다 외부탄소원을 사용하므로 현장 토양에 흔히 존재하고 있는 종속영양 탈질 미생물을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 종속영양 탈질 미생물은 독립영양 탈질 미생물에 비해 성장이 빠르고 수율이 높은 특징을 가지고 있어 짧은 시간 내에 정화수준을 도출할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 지반환경 내에 과잉탄소원의 유입으로 인해 이차 오염이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 그리하여 본 연구에서는 외부탄소원인 당밀로 충전한 반응벽체 기법을 도입하여 질산성 질소로 오염된 지하수의 정화 시, 현장토착 탈질미생물의 외부탄소원 주입에 따른 탈질능 향상 정도를 확인하고 이때, 지반환경 내 외부탄소원의 충격을 최소로 하기 위하여 당밀과 질산성 질소의 최적 반응조건을 도출하였다. 또한 현장 규모 실험에 따른 토착탈질 미생물의 탈질능 향상을 분자생물학적 기법을 통해 모니터링 함으로써 미생물의 활성에 영향을 미치는 다양한 환경 인자들을 조사하여 최적의 탈질 반응 벽체 설계의 가이드라인을 제시한다    

△ 지하수의 질산성질소 제거 개념도