Groundwater contaminated, predominantly with aromatics (m/p-xylene: 1750 μg/l, toluene: 1200 μg/l, ethyl benzene: 650 μg/l) and chlorinated ethylenes (cis-DCE: 1800 μg/l, TCE: 500 μg/l) were biologically treated in a fluidized-bed reactor with immobilized cells. The aromatics were completely decomposed, while the decomposition of cis-DCE and TCE were only approx. 20 and 15 %, respectively. Since the adsorption capacity for chlorinated ethylenes is quite low it limits the lifetime of adsorbents such as activated carbon, which is used for post treatment. Inefficiency increases costs and the costs for post treatment become a critical concern for the cost of the entire treatment process.
This experiment achieved a significant improvement in decomposition efficiency for chlorinated ethylenes using cometabolism. The effectiveness of the various substrates used differed highly.
Methanol and toluene were used as the substrate for a one-stage reactor. Methanol increased the decomposition efficiency up to 40 and 60 % for cis-DCE and TCE, respectively, at a retention time of 10 h. The substrate concentration in the feed was 200 mg/L. Toluene gave better decomposition efficiency, 92 % for cis-DCE and 76 % for TCE, with 20 mg/L of toluene in the feed.
Methanol and methane were used as the substrate for a two reactor system. In this system, cells grown on methanol or methane in the first reactor were continuously fed into the second reactor and groundwater was fed only into the second reactor.
When methanol $(384 mg/L^*d)$ was used, the decomposition efficiency for cis-DCE and TCE were 60 and 70 %, respectively. Similar decomposition efficiency was observed with only small amount of methane $(20.1 mg/L^*d)$.
Further investigations on TCE degradation with a two reactor system applying model groundwater showed better decomposition efficiency while using toluene as substrate. 500 ㎛g/L$ TCE in the influent could be decomposed completely, for 1000 ㎛g/L$ TCE the decomposition efficiency was 90-100 %, and for 1500 ㎛g/L$ decomposition efficiency from 80 - 95 % could be achieved. Toluene concentration in the feed was in the range of 1.5 - 1.75 g/L.
Simulating groundwater temperature of 14°C in treatment reactor (TR) did not show negative effects on TCE degradation performance. The mixed culture adapted to toluene and a temperature to 30°C in cell growth reactor performed well at a sudden temperature change to 14°C in TR.
Microbial community monitoring with denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and T-RFLP (terminal restriction fragment length polymorphism) analysis revealed that the community in the reactors are stabilized quickly. Clearly distinguishable major bands in DGGE and peaks in T-RFLP were revealed. CGR and TR showed similar fingerprints since they were connected to each other. Phylogenetic analysis of 16S rRNA gene sequence of the sample DNA showed that the most clones were in the class of β-Proteobacteria followed by Flavobacteria. Few were in the class of Sphingobacteria and low G+C gram positive bacteria. Main species in β-Proteobacteria was Curvibacter gracilis. None of the species are known for being able to degrade TCE. Pseudomonas putida and Rhodococcus ruber, known species for degrading TCE, put into the reactors together with activated sludge could not be detected at the end of reactor operation.
주로 다음의 방향족 화합물 (m/p-크실렌: 1750 μg/l, 톨루엔: 1200 μg/l, 에틸벤젠: 650 μg/l)과 염소계 에틸렌 화합물 (cis-DCE: 1800 μg/l, TCE: 500 μg/l)에 오염된 지하수를 고정화셀을 탑재한 유동층 반응기에서 생물학적으로 처리하였다. 방향족 화합물들은 완전히 분해되는 반면에 cis-DCE와 TCE는 각각 20%, 15%의 비율밖에 분해되지 못하였다. 왜냐하면 염소계 에틸렌에 대한 흡착력은 상당히 낮아, 이것이 후처리에 쓰이는 활성탄소와 같은 흡착제의 수명을 제한시키기 때문이다. 이러한 비효율성은 처리비용을 증가시키고, 후처리에 드는 비용은 전체 처리공정비용에서 지대한 관심사가 되고있다. 이 실험은 공동대사를 이용하여 염소계 에틸렌 화합물들의 분해작용을 현저하게 증가시켰다. 메탄올과 톨루엔이 단상 반응기에서 기질로써 이용되었다. 메탄올을 기질로 체류시간 10시간, 기질 투여 농도 200mg/L로 운전시에 cis-DCE와 TCE의 분해효율은 각각 40, 60% 로 증가되었다. 톨루엔은 같은 체류시간에 기질 투여 농도20 mg/L로 운전시에 cis-DCE와 TCE의 분해율은 더욱 높아져 각각 92%, 76%의 분해율을 보였다. 메탄올과 메탄을 기질로 이용하여 이단반응기를 설치하였다. 이 시스템에서는 메탄올과 메탄을 이용하여 첫번째 반응기에서 연속적으로 증식시킨 균체를 지하수를 바로 직접적으로 넣는 두번째 반응기에 공급하였다. 메탄올 $(384 mg/L^*d)$ 을 기질로 이용시에는 cis-DCE와 TCE의 분해효율은 각각 60과 70%였다. 비슷한 분해효율이 적은양의 메탄올 $(20.1 mg/L^*d)$ 을 이용했을 때도 관찰되었다. 톨루엔을 기질로 오염된 모델 지하수를 처리하는 이단반응기 시스템에서 TCE를 분해하는 실험을 더욱 수행한 결과 증진된 분해효율을 얻을 수 있었다. TCE 초기 유입농도 500 ㎛g/L$ 일때는 TCE가 완전히 분해되었고, 1000 ㎛g/L$ 일때의 분해 효율은 90-100%를 보였고, 1500 ㎛g/L$ 일 때의 분해효율은 80-95%를 얻을 수 있었다. 이 때의 투여 톨루엔의 농도는 1.5 - 1.75 g/L였다. 실제 지하수 온도인 14°C를 모방하여 만든 처리 반응기 (TR)은 TCE 분해 수행을 하는데 있어 부정적인 영향을 미치지 않았다. 30°C에 순응되어 증식된 혼합배양균체는 TR에서 온도가 14°C로 갑자기 하강하여도 처리를 훌륭히 하였다.
Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)와 terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP)를 이용한 미생물 군집 모니터링을 통하여 반응기내 미생물 군집이 초기에 안정화되었다는 것을 알 수 있었다. 아주 선명하게 구분되어 우점종을 뜻하는 DGGE에서의 강한 밴드와 T-RFLP에서의 높은 신호가 잡혔다. 균체증식반응기와 처리 반응기는 비슷한 박테리아 군상을 보였는데, 그 이유는 두 반응기가 연결되어 있었기 때문이었다. 16S rRNA gene 염기서열을 이용한 계통도 분석결과 가장 많은 클론은 β-Proteobacteria 였고, 그 다음은 Flavobacteria였다. 작은 클론수를 보인 것에는 Sphingobacteria와 낮은 G+C 함량 그람양성군이 있었다. 우점종은 β-Proteobacteria내의 Curvibacter gracilis였다. 16S rDNA 기반 분자생물학적 방법으로 밝혀낸 우점종에는 지금까지 TCE를 분해한다고 하여 반응기 초기에 활성슬러지와 같이 투여해준 Pseudomonas putida 나 Rhodococcus ruber의 흔적은 반응기 말기에는 찾아볼 수 없었다.
