Accumulation of pore-filling materials produced by bacteria, such as insoluble extracellular polymeric substances (EPS) can modify the properties of soil matrix and decrease the porosity and hydraulic conductivity, is referred to bioclogging. Numerous laboratory experiments and field-scale applications have shown the substantial reduction in hydraulic conductivity of porous media by the growth of biofilm producing bacteria. However, the effect of grain size in biofilm production and hydraulic conductivity have not yet been investigated. Therefore, this study explores the effect of grain size in hydraulic conductivity with a model bacterium Leuconostoc mesenteroides. Two kinds of sands having different grain size were selected and used as a host sand: (1) fine sand (Ottawa F110) and (2) coarse sand (Ottawa 20/30). An acrylic (polycarbonate) column equipped with two pressure transducers and a differential pressure transducer was used to measure hydraulic conductivity of soil specimen. Two experiments with model bacteria Leuconostoc mesenteroides was conducted in two separate phases. During the first phase (~25 days), the hydraulic conductivity reduced by more than one order of magnitude regardless of the grain size. After the hydraulic conductivity reached a plateau, the neutral pH growth medium containing 0.1 M potassium phosphate buffer was injected into the columns (Second phase). The hydraulic conductivity began to decrease again in both columns. Thereafter, the feasibility of bioclogging for field application was investigated by observing the hydraulic conductivity variation with bacteria originated from embankment. The reduction of hydraulic conductivity caused by natural soil bacteria was also observed during the experiment which was carried out for ~47 days. The hydraulic conductivity at the middle part of soil column decreased by approximately two orders of magnitude which is assumed to be the contribution of inhomogeneous biofilm formation. After the hydraulic conductivity reached plateau, the acrylic (polycarbonate) column was dismantled to measure the quantity of biofilm formation. From the measurement, it was observed that biofilm was formed more around inlet part of column. Furthermore, the biofilm pore saturation and thickness were estimated with hydraulic conductivity variation by using several analytical models. While pore saturation showed great gap with different model, biofilm thickness showed relatively similar range. The pore saturation estimated with mass measurement was much smaller than that estimated with analytical models.
생물학적 방법을 이용한 지반 물성의 개량은 친환경적인 건설 기술 및 재료에 대한 늘어나는 수요와 함께 많은 관심을 받고 있다. 이번 연구에서는 박테리아가 생성하는 바이오필름 형성에 따른 흙의 투수 계수 감소에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 실험은 미생물을 토양에 직접 주입하는 Bioaugmentation과 흙 속에 이미 존재하는 미생물의 생장에 적합한 환경만을 조성해주는 Biostimulation의 두가지 경우로 나누어 진행되었다. 흙의 투수 계수는 영양분을 공급하는 동안 1개의 차압계와 1쌍의 압력계로 압력을 측정한 뒤 Darcy’s law를 이용하여 계산되었다. Bioaugmentation 실험에서는 입자 크기와 pH에 따른 투수계수 감소를 살펴보기 위해 조립질과 세립질 두 종류의 모래가 사용되었으며 Leuconostoc mesneteroides 라는 많은 양의 바이오 폴리머를 생성하는 박테리아 종을 흙 속에 주입하였다. 그 결과 약 25일 동안 입자 크기와 상관 없이 약 92-96%의 투수 계수 감소를 보였다. 투수 계수가 안정된 후에는 pH 완충제를 주입하여 박테리아 성장에 적합한 환경을 조성해주었다. 그 결과 정체되었던 투수 계수는 다시 감소하기 시작하였으며 추가로 진행된 10일 동안 약 97-99.1%까지 투수 계수가 감소되었다. 한편 Biostimulation 실험은 고창에 위치한 제방에서 흙 시료를 채취한 후, 흙 속에 포함된 박테리아를 추출하여 실험을 진행하였다. 실험은 47일 동안 진행되었으며 약 99.9%의 투수 계수 감소를 보였다. 이 실험 결과는 국내 토양 환경에서도 미생물 생장에 적합한 환경을 조성해주면 지반의 투수 계수를 크게 감소시킬 수 있음을 보여준다. 실험이 진행된 이후에는 바이오 필름 질량 측정과 기존에 제시된 분석 모델을 이용하여 흙 내부에 생성된 바이오 필름 양을 유추해 보았다. Bioaugmentation 실험의 경우, pH 완충제를 넣어주었을 때 더 많은 양의 바이오 필름을 형성하였으며 바이오 필름 질량 측정을 통해 흙 내부의 바이오 필름 포화도를 유추한 결과 최종적으로 약 2.5%의 포화도를 보였다. Biostimulation의 경우 투수 계수 감소 측정 결과에서도 유추 하였듯이 바이오 필름 질량 측정 결과 입구부분에서 가장 많은 양의 바이오 필름이 형성되었다. 기존에 제시된 분석 모델을 이용한 경우, 모델마다 큰 차이를 보였으며 약 20-80%의 바이오 필름 포화도를 보였다. 바이오 필름 두께는 모델 별로 큰 차이가 없었으며 조립질 모래의 경우 약 $30-50\mu m$, 세립질 모래의 경우 약 $3-5\mu m$ 두께의 바이오 필름이 형성되었을 것으로 추정된다.
