토양환경기술사시험자료집 - 오염확산방지 및 정화기술Ⅱ(01)

※ 생물학적 처리의 기초

 

1. 생물학적 처리의 정의 및 특성

      (1) 미생물을 이용하여 유기오염물질을 분해하는 방법으로서 변화의 정도에 따라 

           생물변환(Biotransformation)과 완전분해(Mineralization)로 나뉜다.

      (2) 미생물이 증식하거나 생존하는데 필요한 탄소원이나 에너지원으로 유기오염물질을 

           사용하는 과정에서 유기오염물질이 변환되거나 소멸(완전분해)되는 현상을 보다

           효과적인 처리가 되도록 인위적으로 조절하는 방법이다.

      (3) 처리비용이 저렴하고 부산물의 생성이 적어 선호된다.

 

2. 난분해성 물질(유기화합물질의 생분해능은 화합물의 분자구조에 크게 의존)

      (1) 할로겐화 화합물

      (2) 분자내에 할로겐원소를 많이 함유한 화합물

      (3) 가지구조가 많은 화합물

      (4) 물에 대한 용해도가 낮은 화합물

      (5) 원자의 전하차가 큰 화합물

 

3. 독성(Toxicity) / 저해(Inhibition)작용

       NAPL의 경우 Log Kow < 2 : 물에 대한 용해도가 상대적으로 크다.

                                               독성이 큰 유기용제의 경우 미생물의 활성에 나쁜 영향을 미친다.

                          Log Kow > 4 : 물에 대한 용해도가 작다.

                                               미생물에 대한 독성은 작으나 미생물의 이용가능성이 낮아지므로

                                               계면활성제 등으로 흡착량을 줄일 필요가 있다.

 

4. 미생물의 순응(Acclimation)

      (1) 미생물이 유기성 오염물질에 노출되어 오염물질의 분해가 개시되는 데에 일정한 시간이

           소요되는 현상을 미생물의 순응이라 하며, 이 시간을 순응시간(Acclimation Period) 또는

           지연시간(Lag Period)이라 한다.

      (2) 순응시간은 처리대상화학물질의 종류와 농도, 환경조건(온도, 산소 등)에 따라 천차만별이다.

           순응시간이 긴 생물학적처리에서는 미리 순응된 종들을 접종(Bioaugmentation)함으로써

           순응시간을 단축시킬 필요가 있다.

 

5. 공동대사(Co-metabolism)

      (1) 1차기질과 2차기질

              1) 1차기질 : 미생물에게 직접적으로 탄소원이나 에너지원이 되는 기질

              2) 2차기질 : 미생물에게 탄소원이나 에너지원이 되지 못하면서

                                미생물이 갖는 효소에  의해서 다른 화합물로 전환되는 기질

      (2) 공동대사의 정의

              1) 2차기질로 분해되는 현상(대사과정)을 말한다.

              2) 기질로부터 에너지, 탄소, 양분을 소모시키지 않으면서,

                  미생물에 의해 기질이 변환되는 대사과정으로서,

                  미생물은 기질을 중간분해산물로 변환시킬 수 있으나 증가시키지는 못한다.

      (3) 공동대사의 예

              1) 느리게 분해되는 TCE는 호기성 환경에서 페놀, 톨루엔, 메탄, 메탄올 등을

                  탄소원 및 에너지원으로 하는 공동대사과정에 의하여 분해된다.

              2) 메탄산화균이 생성하는 메탄산화효소는 우연히 TCE를 산화하여 불안정한 

                  TCE Epoxide를 만들고 이는 다른 미생물에 의해 무기화된다.

 

6. 처리대상환경 속에서 유기오염물질이 생분해되기 위한 조건

      (1) 처리대상 오염물질을 분해할 수 있는 분해효소를 가지고 있는 미생물종이 있어야 한다.

      (2) 해당 미생물이 오염부지에 존재해야 한다.

      (3) 처리대상 오염물질의 미생물에 대한 접근이 용이해야 한다.

      (4) 초기효소반응이 세포외에서 일어나는 경우 기질과 효소결합에 의한 복합체가 만들어져야 

           촉매작용이 개시되며, 세포내에서 초기분해가 일어나는 경우에는 유기오염물질이 일단 

           세포내로 흡수되어야 한다.

      (5) 분해초기에는 미생물의 개체수가 적기 때문에 미생물의 증식이 용이한 환경이 조성되어야 

           한다.

 

7. 미생물의 증식에 유리한 환경인자

      (1) 전자수용체

              1) 호기성호흡에서 미생물은 산소를

                  전자의 최종수용체(Terminal Electron Acceptor, TEA)로 이용한다.

                    ⊙ 산소의 공급방법

                         - 산소분압을 높여서(2mg/L 이상 유지) 용존산소농도를 상승시키는 방법이나 

                            비효율적이다.

                         - 과산화수소 형태로 공급하는 방법 : H2O2 → H2O +1/2 O2

              2) NO3-, SO42- 사용 : 생분해율이 낮아 장시간이 소요되며 비경제적이다.

      (2) PH : 6~8 영역에서 성장속도가 최적이다.

      (3) 영양물질 : 암모늄이온(질소 공급), 인산염(인 공급)

 

8. 미생물의 분류

		탄소원	에너지원
종속영양 미생물	화학합성종속영양	유기탄소	유기물의 산화환원반응
	광합성종속영양	유기탄소	빛
독립영양 미생물	화학합성자가영양	CO2	무기물의 산화환원반응
	광합성자가영양	CO2	빛

 

⊙ 생물학적 처리에 사용되는 미생물은 종속영양미생물로서 유기오염물질을

    탄소원과 에너지원으로 이용한다.

⊙ 화학합성 종속영양미생물은 호기성 미생물과 혐기성 미생물로 나뉜다.

⊙ 미생물에 의한 유기오염물질의 분해는 미생물이 가지고 있는 생물학적 촉매인

    효소에 의해 이루어진다.

 

9. 대사

      (1) 호흡성 대사

              효소에 의하여 전자공여체(유기물질, 산화됨)로부터 전자수용체(산소 등, 환원됨)로

              전자가 전달되는 과정에서 에너지를 얻는다.

      (2) 발효성 대사

              1) 외부의 전자수용체가 관여하지 않는다.

                  (유기물질이 전자수용체와 전자공여체의 역할을 한다)

              2) 에너지 생산과정이 비효율적이어서 미생물은 낮은 성장율과 세포생산량을 갖는다.

 

10. 호흡

      (1) 호기성 호흡(Aerobic Respiration)

              분자상태의 산소(O2)가 전자수용체로 사용된다.

      (2) 무산소성(혐기성) 호흡(Anoxic Respiration)

              질산염(NO3-), 아질산염(HNO3), 황산염(SO42-), Fe(OH)3, MnO2 등이

              전자수용체로 사용된다.

 

11. 호기성 및 혐기성계에서의 산화환원반응

호기성	호기성호흡	O2(g) + 4H++ 4e- → 2H2O
혐기성	탈질	2NO3-+ 12H++ 10e- → N2(g) + 6H2O
	질산염환원	NO3-+ 10H++ 8e- → NH4++ 3H2O
	황산염환원	SO42-+ 9H++ 8e- → HS-+ 4H2O
	발효	CH2O + 2H++ 2e- → CH3OH
	메탄발효	CO2(g) + 8H++ 8e- → CH4(g) + 2H2O

 

12. 산화, 환원상태에 따른 토양이온의 형태

산화	CO2	NO3	SO42-	Fe3+	Mn4+
환원	CH4	N2 /NH3	S/H2S	Fe2+	Mn2+/Mn3+