고도처리 정수장에서의 유기물 특성 및 생물학적 안정성 변화 :Evaluating organic matter characteristics and biological stability in a drinking water treatment plant

박지원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박지원 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 맹승규

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

고도처리 정수장에서의 유기물 특성 및 생물학적 안정성 변화

박지원 건설환경공학 2016.01 학위논문

2015

유기물 특성과 미생물의 거동을 통한 정수공정에서의 생물학적 안정성 연구

박지원 , 이상재 , 맹승규 대한환경공학회 학술발표논문집 2015.10 학술대회자료

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자연유기물은 종속영양세균의 제한요인이면서 배수관망 등에서 미생물에 의한 2차 오염 및 바이오필름 형성으로 인한 수질 저하에 기여한다. 동화가능유기탄소(Assimilable organic carbon; AOC)는 상대적으로 빠르게 미생물이 가용 가능한 탄소원으로서 물의 생물학적 안정성 지표로서 유용하게 활용되고 있다. 우리나라는 염소소독 기반의 정수 시스템이 이뤄지고 있어 AOC를 적용하지 않고 있으나, 발암물질인 소독 부산물의 위험으로 AOC 기준과 관리 체계에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 AOC의 특성은 자세히 알려져 있지 않고 미생물 배양시간을 소모해 이미 소비자에게 공급된 물에 대한 정보만을 알려주는 제한적인 면이 있다. 유기물 특성 분석법은 상대적으로 빠르게 분석이 가능하고 널리 보급된 장점이 있으며 생물학적 안정성과 AOC와의 연구사례는 부족하다. 본 연구는 약 일 년 간 다양한 유기물 특성 및 미생물 분석 기법을 이용하여 고도처리 정수 공정에서의 물의 생물학적 안정성 변화를 유기물 특성과 연결하여 검토하였다. 연구결과, 원수에서 휴믹물질의 함량이 용존유기탄소의 대부분을 구성하였으며, 전염소 산화 이후 휴믹과 바이오폴리머 및 저분자 유기물이 함께 증가하였다. 바이오폴리머의 구성원으로는 폴리사카라이드와 단백질이 대표적이며, 정수공정에서 손상된 세포의 개수와 높은 상관성을 보여(), 세포막 파괴에 따라 용출되는 것으로 믿어졌다. 바이오폴리머와 휴믹물질은 응집 공정을 통해 가장 높은 제거율을 보였으며, 1k Da 이하의 저분자 유기물은 알려진 대로 제거효과가 적었다. 모래여과와 GAC(Granular activated carbon)에서는 건강한 세포들이 탈착되었으며 여과지에서 미생물이 부착되어 증식하고 있는 것으로 믿어진다. 즉, 전염소와 오존 산화를 거친 유기물의 생물학적 분해에 기여할 것으로 기대되었으며, 프로테오박테리아 문이 미생물 군집에서 우점을 보였다. 응집 공정과 GAC 이후, AOC의 저감이 이뤄져 기존의 AOC 개념과 달리 고분자 유기물도 AOC에 기여할 가능성을 보였다. 자연미생물은 단일 미생물 균주와 달리 다양한 효소활동으로 인하여 저분자뿐만 아니라 고분자 유기물의 분해 및 AOC 이용이 가능한 것으로 보인다. 기존의 van der Kooij 분석법은 저분자 유기물을 주로 사용하는 공시균주(P-17, NOX)를 이용하여 AOC를 계산하였으나, 자연미생물을 이용한 최신 AOC 분석법은 가수분해된 바이오폴리머가 AOC에 기여 가능한 것으로 보고하고 있다. 또한 휴믹물질도 산화를 통해 생분해성이 매우 높아지는 것으로 알려져, 염소나 오존과 같은 산화공정이 있는 정수장에서 다양한 유기물 특성과 거동이 수돗물의 생물학적 안정성에 복합적으로 기여할 것으로 파악된다. 따라서 응집·침전과 같은 표준정수처리도 생물학적 안정성에 기여 가능하며, 고도산화 이후에 생물막여과와 흡착 제거가 가능한 GAC 운전을 통해 생물학적 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 보인다. 따라서 수도사업자는 표준정수처리의 최적화와 고도처리에서 GAC의 생물학적 이점을 살리는 것이 생물학적으로 안전한 물 생산을 위하여 필요할 것으로 판단된다. 정수장에서 자연유기물 특성 분석과 거동 파악이 소독부산물 생성 저감 뿐만 아니라, 미생물 2차 오염 가능성 개선에도 유용한 정보를 제공할 것으로 보인다.

This study investigated the intercorrelation between natural organic matter characteristics and biological stability in a advanced drinking water treatment plant. To the best of our knowledge, natural organic matter (NOM) is a limiting factor for heterotrophic bacteria, and induces the deterioration of water quality in the distribution network. Assimilable organic carbon (AOC) is a important indicator to describe the microbial growth potentials of drinking water. But, AOC assay(van der Kooij method) is a labor-intensive technique, and the correlation between NOM characteristics and the microbial growth by indigenous bacteria is still unclear. The biological stability may vary on the properties of dissolved organic matter. A full-scale advanced drinking water treatment plant was monitored in this study for a year using liquid chromatography-organic carbon detector (LC-OCD), fluorescence excitation-emission matrix (F-EEM), adenosine tri-phosphate(ATP) and flow cytometry(FCM). Humic substance(HS), a sub-fraction of dissolved organic carbon (DOC) was major constituent of DOC. The concentration of biopolymers was well correlated with the fate of damaged cell count. It can be explained that biopolymers were originated from the release of intracellular polysaccharide, protein, nucleic acid, and extracellular polymeric substance (EPS) during oxidation treatments. The highest attenuation of DOC, biopolymer, HS, and growth potentials(by natual inoculum) was found after coagulation and sedimentation processes. Rapid sand filter and granular activated carbon(GAC) were revealed to be biologically active by the increase of intact cells compared to prior treatment. Both filters were predominated by the phyla proteobacteria. Especially, GAC shows high removal of HS, building blocks, and growth potentials. Hence, not only low molecular weight(LMW) NOM, but also the high molecular weight(HMW) NOM can be readily utilized by indigenous bacteria unexpectedly. The principal component analysis loading plot also bolsters these hypothesis by showing two discriminable groups(HMW or LMW NOM) of variables including NOM characteristics and growth potential. In brief, oxidation treatments weakened the biostability of drinking water and increased the bioavailability of HMW NOM during a tratment plant. Coagulation and GAC filter were effectively attenuated AOC. It is notable that HMW NOM can be partially attributed to AOC(indigenous bacteria assay) compared to van der Kooij assay using the inoculum P-17 and NOX. Hence, a broad range of NOM should be carefully considered to secure biostability of drining water in a view of public water utilities.

#LC-OCD #F-EEM #ATP #유세포분석 #동화가능유기탄소

Ⅰ. 서론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 3
Ⅱ. 이론적 배경 4
1. 자연 유기물의 거동 4
1.1 자연 유기물의 기원과 의미 4
1.2 자연 유기물의 특성 5
2. 먹는 물의 생물학적 안정성 8
2.1 생물학적 안정성의 판단 8
2.1.1 평판집락법(Heterotrophic plate count) 8
2.1.2 생물분해가능유기탄소(Biodegradable dissolved organic carbon) 8
2.1.2 동화가능유기탄소(Assimilable organic carbon) 9
2.1.3 아데노신 삼인산(Adenosine Tri-phosphate) 9
2.2 최신 기술 동향 및 분석법 10
2.2.1 유세포 분석 (Flow cytometry) 10
2.2.2 동화가능유기탄소 분석 기술 11
2.2.3 병원성 미생물 성장능(Pathogen growth potential) 분석 12
3. 유기물의 생물학적 안정성 관계 13
3.1 저분자 유기물의 생물학적 가용성(Bio-availability) 13
3.2 고분자 유기물의 생물학적 가용성(Bio-availability) 14
Ⅲ. 연구 방법 16
1. 채수 및 기본 수질 분석 16
1.1 채수 위치와 시료 취급 방법 16
1.2 해당 full-scale 정수장의 특징 및 운전 16
1.3 기본 수질 분석 17
2. 유기물 특성 분석 18
2.1 LC-OCD (Liquid Chromatography-Organic Carbon Detector) 18
2.2 F-EEM (Fluorescence Excitation Emission Matrix) 19
3. 미생물 정량 및 정성 분석 21
3.1 유세포 분석(FCM)을 이용한 총 세포수 정량 21
3.2 미생물의 핵산량(Nucleic acid-content)에 따른 구분 22
3.3 아데노신 삼인산(Adenosine Tri-phosphate) 분석 23
3.4 16s rRNA sequencing 23
3.5 AOC 및 미생물 성장능 분석 24
4. 통계학적 분석 25
4.1 주성분 분석(Principal component analysis) 25
Ⅳ. 결과 및 고찰 26
1. 기본 수질 26
2. 유기물 특성 및 거동 28
2.1 유기물의 분자량에 따른 공정별 거동 28
2.2 유기물 형광 특성의 공정별 변화 33
3. 생물학적 안정성 변화 36
3.1 Intact/Damaged 세포수의 공정별 변화 36
3.2 Cellbound ATP의 공정별 변화 39
3.3 미생물의 구성 변화 41
3.4 AOC 및 미생물 성장능 변화 44
4. 주성분 분석 결과 46
4.1 Loading plot을 이용한 유기물 특성 및 생물학적 안정성 관계 46
Ⅴ. 결론 48
참고문헌 50
부록 61
Abstract 65

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