Thiobacillus sp.IW를 사용한 효과적인 H2S 처리장치의 개발에 관한 연구

손희종, 오광중, 김동욱*

부산대 환경공학과, 인제대 화학공학과*

Development of the Effective H2S Removing Equipment

Using Thiobacillus sp.IW

Hee Jong Son, Kwang Jung Oh, and Dong uk Kim*

Department of Environmental Engineering, Pusan National University.

Department of Chemical Engineering, Inje University*

서론

석유화학공장, 하수처리장 및 축산농가 등에서는 심한 악취가 발생하는데, 이 악취중 황화합물이 가장 많이 함유되어있다. 그 중에서도 황화수소(H2S)는 상당부분을 차지하며, 후각감지값이 아주 낮아 대표적인 악취물질로 알려져 있다(1). 황화합물은 전통적으로 흡착이나 흡수와 같은 물리적, 화학적 방법으로 처리되어져 왔으나 이 방법은 많은 장치비가 소요되고, 이차적인 오염을 일으키는 등 많은 문제점이 있었다(2).

따라서 본 연구에서는 황산화미생물로 Thiobacillus sp.IW를 사용하여 생물학적방법으로 황화수소를 처리하고자 한다. Thiobacillus species는 gram 음성균이며, 주 편모를 가진 간균(polar flagellated rods)으로 주로 토양, 온천수 등에서 발견되어지며, 많은 수는 전자공여체로 ferrous iron을 사용하여 무기영양적으로도 성장이 가능하고 여러 황화합물을 에너지원으로 이용하며 일부는 공기중의 CO2를 고정화하여 탄소원으로 이용 성장할 수 있다(3). 25℃의 표준조건에서 황산화균이 황화합물을 기질로 사용하는 반응식은 다음과 같다.

H2S + 2O2 ----->SO42- + 2H+              □G°= -188.7 Kcal/mol

S + H2O + 1.5 O2 -----> SO42- + 2H+      □G°= -140.6 Kcal/mol

S2O3- + H2O + 2O2 -----> 2 SO42- + 2H+   □G°=  -97.7 Kcal/mol

본 연구에서 Thiobacillus sp.IW를 biosand에 고정화하여 고정화특성을 조사하였고, 이를 배지와 함께 3상 생물막 유동층반응기에 주입하여 H2S의 농도와 유량의 변화에 따른  황화수소의 처리효율을 조사하였다.

실험

본 연구에서 황산화균으로 화순근교의 폐탄광수에서 차진명 등(4)에 의해 분리된 Thiobacillus sp. IW를 선택하였는데 이 균은 본 연구자에 의하여 조사된 다른 황산화균에 비해 월등히 빠른 성장속도를 보여주었다. 배지에는 황원으로 Na2S2O3가 사용되었으며 기타 Co, Mo 등의 미량금속이 함유되어있다. 온도 및 pH의 변화에 따른 최적성장조건은 660nm에서 용액의 흡광도를 측정하여 얻어졌고, 생성된 SO42-의 농도는 동일 부피의 BaCl2와 혼합하여 440nm에서 흡광도를 측정하여 얻어졌다(5).

안정적인 악취처리를 위해 Thiobacillus sp. IW를 활성탄, bioceramics, biosand 및 난재배석에 고정화하여 다음과 같은 방법으로 균의 성장을 조사하였다. 용액내의 균수는 배지 상등액중 1mL를 취하여 0.9% NaCl로 102-106 배로 희석하여 pour plate법을 사용, 측정하였다. 담체에 고정화된 균수는 flask에서 용액을 완전히 제거한 후 담체에 0.9% NaCl 50mL를 첨가하여 15분 동안 다시 진탕배양하여 균들을 담체에서 제거하고 용액중 1mL를 취하여 102-106 배로 희석하여 pour plate법을 사용 측정하였다.  4가지 담체중균의 성장, 유동화정도를 고려하여 biosand(Crystal biosand:전우 art system, 서울)를 고정화담체로 선정하였으며, biosand의 물리적특성은 표1에 나타나있다.

악취제거장치로 Fig.1과 같은 3상생물막 유동층반응기를 사용하였다. Compressor로부터 나온 공기와 가스탱크에서 나온 H2S가 mixing chamber에서 혼합되어져서 일정농도, 유량의 H2S가 반응기의 아래로 주입되고, 가스는 Thiobacillus sp.IW로 고정화된 담체를 유동화시키면서 액상에 녹아 액상과 담체에 있는 미생물에 의해 산화되어 유동층의 상단부에 있는 출구로 빠져나간다. 반응기의 온도를 일정하게 유지하기 위해 반응기와 mixing chamber의 외부에 water jacket을 설치하였으며, 3상 유동층의 입구와 출구의 H2S의 농도를 H2S monitor(Neotronics, Takeley, UK)를 이용 측정하였다. 반응기로 유입되는 H2S의 농도를 30-350ppm으로 변화하고, 유입유량을 1-5L/min로 조절하여 3상미생물유동층반응기의 악취처리효율을 조사하였다.

결과 및 고찰

최적성장조건인 30℃, pH7에서 시간의 변화에 대한 Thiobacillus sp.IW의 성장과 생성된 SO42-의 농도가 Fig.2에 나타나있다. Fig.2로부터 균의 대수성장기는 9-21시간이었고 SO42-의 농도는 대수성장기의 끝부분에서 증가하였다. 흡광도와 균수의 관계를 나타내는 calibration curve로부터 Thiobacillus sp.IW는 대수성장기에 1.1hr-1의 비성장속도와 38분의 세대시간을 나타내었다.

Fig.3은 30℃, pH7에서 활성탄, bioceramics, biosand 및 난재배석에서의 담체와 용액에 존재하는 총균수를 나타낸다. 4가지 담체중 bioceramics, biosand 및 난재배석의 총균수는 큰 차이를 보이지 않았으며 활성탄의 경우 총균수가 다른 담체보다 작았다. Gruder등(6)은 석탄에서 세균발육을 억제하는 유기물의 유출가능성을 보고하였으므로 이와 유사한 현상이 활성탄에서 발생할 가능성이 있다. 본 실험에서는 총균수, 담체의 유동화정도, 마모성 및 구입용이성 등을 고려하여 biosand를  Thiobacillus sp.IW의 담체로 선정하였다. Biosand의 경우 총균수는 배양시작 3일 후에 가장 많았으며 이후 안정세를 보였다.

Fig.4는 60ppm의 H2S에서 1-5L/min의 유량변화에대한 처리효율을 나타내는데, 3시간정도 측정한 결과 유량에 관계없이 100%의 처리율을 보여주었다. Fig.5는 2L/min의 유량에서 30, 60, 150, 350ppm의 농도변화에 따른 처리효율을 보여주는데 150ppm까지는 99%이상의 처리율을 보였으며, 350ppm에서는 97-99%의 처리율을 나타내었다. 또한 8일간 계속 장치를 가동하여도 배지의 조성물을 적절히 주입시 처리효율은 처음과 같이 97-100%로 유지되었다. 위의 실험결과로 부터 Thiobacillus sp.IW의 고정화를 이용한 3상 생물막유동층반응기는 비교적 저농도의 H2S가 배출되는 폐수처리장, 축산농가에서의 악취처리에 상당히 효과적인 장치로 사료된다.

참고문헌

1. 양성봉, 이성화: 악취의 성분분석, 1994.

2. 최의소, 조광명: 환경공학, 1994.

3. Brock, T.D, and Madigan, T., Biology of Microorganisms, 1991.

4. 차진명: 석사학위논문, 유전자과학과, 조선대학교 1993.

5. Kelly, D.P., Chambers, L.A. and Trudinger, P.A., Anal. Chem., 41, 898,    1969.

6. Gruder, S and Genchev, F., Acad. Bulg. Sci., 32, 353, 1979.

Composition	SiO2
Media size	2-3mm
Density	1.267g/cm3
Specific surface area	538.962m2/g
Total pore area	589m2/g
Pore volume	739.785cm3/g

Fig.1 Schematic diagram of 3-phase

fluidized bed bioreactor system.

Table1. Physical Properties of Biosand

Fig.2 Effect of Cultivation time on

Thiobacillus sp.IW growth at pH7,30℃

Fig.3 Effect of Cultivation time on

immobilization of Thiobacillus sp.IW  for various carriers at pH7,30℃

Fig.4 Effect of H2S flow rate on

removal efficiency at 60ppm.

Fig.5 Effect of H2S concentration on

removal efficiency at 2 L/mm.