Recently, two-liquid-phase (TLP) bioremediation has been studied as an alternative method to the surfactant-enhanced bioremediation for treatment of soil contaminated by hydrophobic organic compounds (HOCs) with poor bioavailability to microorganism. Overall mechanisms of TLP bioremediation for removal of contaminants consist of desorption from soil, mass transfer to water-immiscible liquid (WIL), and biodegradation. This dissertation focused mainly on the understanding of these mechanisms with various experimental parameters.
Studies were conducted to observe the solubility of phenanthrene, anthracene, and pyrene in four WILs and the mass transfer of PAH in a TLP system. The order of solubility in WILs for three different PAHs was phenanthrene > pyrene>> anthracene. Among the WILs tested in a TLP system, paraffine oil did not affect the mass transfer of three PAHs, while silicone oil reduced the mass transfer of anthracene significantly because paraffine oil had a higher solubilization capacity for anthracene than silicone oil. When initial PAH concentration increased up to 2500 mg PAH/kg soil, the mass transfer of phenanthrene and pyrene were hardly influenced, while that of anthracene was lowered to 40 %. As the amount of light paraffine oil decreased, the mass transfer of anthracene decreased considerably compared to that of phenanthrene and pyrene. Based on the present results, it was confirmed that the mass transfer of PAHs from soil to WIL was governed mainly by the solubilization capacity of WIL for PAHs.
A two-liquid-phase bioreactor (TLPB) was employed to study the degradation of phenanthrene, anthracene, and pyrene using Sphingomonas sp. 3Y. Among three PAHs, most of phenanthrene was degraded very rapidly within 5 days and anthracene was also degraded simultaneously with phenanthrene. Pyrene was not biodegraded during the short period of the TLPB operation, but it was removed almost completely from soil by mass transfer. The degradation efficiencies of phenanthrene and anthracene were varied with the amount of WIL and initial PAH concentration. The optimum mixing speed for the effective degradation of PAH was 300 rpm in this study. From these results, it was found that the degradation of PAH occurred dominantly after most of PAH was transferred in WIL phase during the first 24 hrs.
To operate the TLPB system for a long time, a soil slurry-sequencing batch reactor (SS-SBR) was introduced. Phenanthrene and anthracene were degraded periodically for each cycle of SSSBR. During the second cycle, the degradation rate and efficiency of two PAHs were reduced slightly. Pyrene was not biodegraded and was periodically transferred to WIL during overall operation period.
For the field application of TLPB system, it is necessary to treat contaminants which are composed of complex mixtures. The feasibility of two-liquid-phase (TLP) system for the remediation of diesel oil-contaminated soil was evaluated by investigating the effects of mass transfer of diesel oil with experimental parameters. Paraffine oil showed higher mass transfer than silicone oil for aliphatics in diesel oil. At 25 t and 150 rpm, the increase of mixing speed and temperature enhanced the mass transfer of diesel oil because the rapid mixing and the rising temperature increased the mobility of diesel oil. When the amount of silicone oil increased from 2.5 % to 15 % (v/v), the mass transfer of aliphatics in diesel oil was higher than that of aromatics. The viscosity of silicone oil did not affect the mass transfer of diesel oil. The maximum mass transfer of diesel oil from soil to WIL was about 95 %, which showed the possibility of TLP system to treat diesel oil-contaminated soil.
최근 국내외적으로 지하수 및 토양 오염 문제의 심각성이 크게 부각되고 있다. 대표적인 오염물에는 유류 오염토양에서 주로 발견되는 석유계 유기 화합물이 있다. 특히 석유계 유기 화합물 중 다환방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)는 낮은 휘발성과 용해도, 그리고 강한 친유성으로 인해 토양으로부터 처리가 특히 어려운 물질로 알려져 있다. PAH로 오염된 토양을 복원하는 방법들 중에 미생물의 PAH에 대한 분해 공정을 이용하는 생물학적 정화법 (bioremediation)은 다른 물리화학적 정화법과 비교하여 저렴한 비용과 환경친화적인 장점을 가지고 있다. 그러나 미생물의 오염물에 대한 느린 분해 속도로 인해 처리 기간의 긴 단점이 있다. PAH의 경우에는 물에 대한 용해도가 낮기 때문에 미생물의 PAH대한 bioavailability가 떨어져서 더욱 분해 속도가 느린 것으로 알려져 있다. 그래서 지금까지 많은 연구진들에 의해 PAH의 효율적인 생물학적 분해를 위해 bioavailability를 향상시키는 연구들이 다양하게 이루어지고 있는데, 대부분이 첨가제를 사용하는 방법이다.
첨가제로 사용되는 대표적인 물질에는 계면활성제가 있다. 계면활성제는 임계농도 이상에서 미셀을 형성하여 오염물의 수용액상에서의 용해도를 증가시키는 역할을 한다. 계면활성제를 이용한 오염토양 복원 공정으로는 토양세척법 (soil washing)이 가장 널리 이용되고 있으며, 생물학적 처리에서도 계면활성제를 첨가하여 미생물의 분해속도를 향상시키는 enhanced bioremediation 공정이 개발되고 있다. 그러나 계면활성제를 이용하는 경우, 사용되는 계면활성제가 토양에 재흡착되는 문제가 가장 심각하다. 그래서 생분해도를 가진 생계면활성제를 이용하고 있으나, 이는 비용면에서 아직 경쟁력을 갖추고 있지 못하며, 계면활성제를 사용하여 오히려 분해 속도를 저하시키는 현상도 보고되고 있다. 생물학적 정화법은 현장에서 직접 처리하는 in-situ 공정과 오염토양을 굴착하여 생물반응기를 이용해 처리하는 ex-situ 공정이 있다. 생물반응기를 이용하는 경우 현장에서 직접 처리하는 것에 비해 비용면에서는 가격 경쟁력이 떨어지나, 미생물의 배양 조건의 조절이 가능하기 때문에 처리 속도가 월등히 높아 처리 기간을 단축함으로써 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 연구에서는 첨가제로 계면활성제를 사용하는 방법을 대신하여 비수용성 용매를 이용하는 이액상 계를 생물반응기 공정에 적용한 two-liquid-phase (TLP) bioremediation방법을 개발하여 운전 효율을 살펴보았다. 사용되는 비수용성 용매는 생물학적으로 분해는 일어나지 않지만 생적합성 (biocompatible) 을 가지고 있으며, 생물반응기에서 토양슬러리상과 분리가 일어나기 때문에 실제 토양에 흡착되는 양도 매우 적은 장점을 가지고 있다. TLP-bioremediation은 먼저 오염물이 토양으로부터 탈착되면서, 토양상에서 비수용성 용매상으로 오염물의 이동이 일어나고, 미생물에 의해 토양슬러리상과 비수용성 용매상 사이의 계면이나 또는 액상에서 계면 사이의 partitioning 현상에 의해 오염물의 분해가 이루어지는 메커니즘으로 이루어져 있다.
본 논문에서는 TLP-bioremediation 공정에서 다환방향족 탄화수소들의 이동과 분해에 대한 메커니즘을 다양한 실험인자에 따라 살펴보고, 장기간 운전을 위해 soil slurry-sequencing batch reactor (SS-SBR) 공정을 적용하였다. 사용된 PAH는 벤젠링을 3, 4개 가진 phenanthrene, anthracene, pyrene이며, 비수용성 용매로는 silicone oil과 paraffine oil을 선정하였다. 먼저 토양슬러리상에서 비수용성 용매상으로의 이동 특성을 살펴본 결과, 세 가지 PAH에 대한 각 비수용성 용매에서의 용해도가 PAH의 이동에 큰 영향을 미쳤다. 대부분의 PAH는 토양으로부터 비수용성 용매층으로 24시간 내에 이동하였으며, 이후에는 평형 상태가 유지되거나 매우 느린 상간의 이동이 관찰되었다. 특히 교반속도는 24시간 내에 일어나는 PAH의 이동 속도에 큰 영향을 미쳤으며, 24시간 이후의 전체 PAH의 이동은 주로 사용된 비수용성 용매의 PAH에 대한 용해도에 의존하였다.
TLP-bioremediation 공정의 운전을 위해 사용된 미생물은 국내의 유류 토양으로부터 분리된 Sphingomonas sp. 3Y로 phenanthrene에 대한 우수한 분해능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. Sphingomonas sp. 3Y를 이용하여 약 1000 mg PAH/kg soil 농도의 오염토양과 비수용성 용매를 주입하여 공정을 운전한 결과, phenanthrene은 4일 이내에 90% 이상의 분해되었으며, anthracene의 분해도 동시에 유도되었고, 분해효율은 최대 80% 정도였다. 이 결과는 일반적인 생물반응기를 이용한 공정에서 얻어진 분해속도보다 훨씬 빠르며, 또한 고농도의 PAH 오염 토양을 처리했음에도 분해효율이 매우 높다. Pyrene의 분해는 본 TLP-bioremediation 공정 운전 기간인 6일 내에서는 관찰되지 않았으나, 이는 미생물이 탄소원으로 링의 개수가 적은 phenanthrene과 anthracene을 먼저 이용하기 때문으로 공정 운전 기간을 늘리거나 실제 토양에서는 상대적으로 오염농도들이 다르기 때문에 pyrene의 분해가 가능하다. 또한 비수용성 용매층으로 pyrene이 이동함으로써 토양으로부터 제거되었으므로 추출 공정으로써의 활용가능성도 있다. 본 공정에서 미생물에 의한 PAH 분해는 PAH가 비수용성 용매상으로 거의 100% 가까이 이동이 이루어진 24시간 이후에 매우 빠른 속도로 진행되었다. 교반속도가 느리거나 빠른 경우에는 PAH의 분해 효율과 속도를 저감시키는 현상을 보였으며, 교반속도를 최적화함으로써 토양슬러리 생물반응기의 운전기간을 단축하고 분해 효율을 극대화할 수 있었다. 또한 SS-SBR 공정을 적용하는 것은 비수용성 용매 및 배지와 미생물의 첨가 없이 일정 처리 기간 후 처리된 토양을 빼내고 오염토양으로 교체함으로써 많은 양의 오염 토양을 지속적으로 처리하는 것으로 실제 PAH의 분해가 교체시기에 따라 주기적으로 관찰되었다.
PAH를 이용해 개발된 TLP-bioremediation 공정의 현장적용 가능성을 높이기 위해 복합오염물 중 대표적인 디젤오일로 오염된 토양의 복원에 본 공정을 적용하였다. 디젤오일 성분 중 aliphatic 계열은 미생물에 의한 분해가 쉬우며, PAH는 본 논문을 통해 분해 효율을 확인하였기 때문에 미생물의 주입없이 TLP 공정만을 이용하여 디젤오일의 각 성분에 따른 이동 특성을 살펴보았다. 디젤오일의 성분 중 aliphatic 계열 성분들보다는 aromatic 계열의 성분들의 이동성이 훨씬 높았으며, 이는 발암성 유독 물질인 aromatic 계열이 디젤오일 처리 후 토양에 잔류하는 문제를 해결하는데 하나의 대안으로 제시할 수 있었다. Aliphatic 계열 성분들은 미생물에 의한 분해가 매우 용이하기 때문에 비수용성 용매층으로의 이동성이 크게 중요하지 않으나, aromatic 계열 성분들은 100% 가까이 빠른 시간 내에 이동함으로 미생물에 의한 빠른 분해를 유도할 수 있다.
본 연구를 통해 개발된 TLP-bioremediation 공정은 고농도의 PAH로 오염된 토양뿐만 아니라 복합성분을 가진 오염물에 대해서도 충분한 적용가능성이 있음을 확인하였다. 향후 본 TLP-bioremediation 공정을 염소계 유기화합물 같은 오염물에 대해서도 적용을 확대해 나감으로써 공정의 이용 가능성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
