수돗물의 C/N 비율에 따른 생물막 생장 특성 :Biofilm growth characteristics according to C/N ratio of drinking water

조지민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조지민 (강원대학교, 강원대학교 일반대학원)

지도교수: 김영관

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

수돗물의 C/N 비율에 따른 생물막 생장 특성

조지민 환경공학과 2018.01 학위논문

수돗물의 C/N 비율이 생물막 생장에 미치는 영향

조지민 , 김영관 상하수도학회지 2018.01 학술저널

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배·급수관망에서 생물막 형성은 미생물이 이용할 수 있는 영양분이 없거나, 소독제가 존재함에도 불구하고 흔히 나타나는 현상으로서 이는 배관의 부식, 수도물의 냄새 유발 및 수중에 존재하는 세균의 증가를 야기시킨다. 생물막 내에 병원성 미생물이 부착하게 되면 병원균에 의한 공중 보건학적인 문제가 발생하게 되는데 생물막 형성에 영향을 미치는 인자에는 수온, 관 재질, 탄소원, 그리고 영양물질(질소, 인 등) 이 있다. 본 연구에서는 탄소원과 질소 농도의 비율에 따른 수도관 생물막 생장의 특성을 알아보았다.
수도물 시료의 초기 탄소농도를 400 mg/L 로 조절한 후 질소를 적정량 첨가하여 C/N 비율을 100:5, 100:10, 100:20, 100:30, 100:40 으로 조절하였으며 실험 시작 후 3, 7, 14, 21, 28일 경과 시 생물막 형성을 위하여 vial에 설치된 coupon을 회수하여 형성된 생물막의 정량적 분석을 실시하였다. 종속영양 세균(HPC)은 100:10의 비율에서 가장 많은 개체수가 관찰되었으며, 21일 경과 후에는 100:10의 비율에서 자연적인 탈리에 의해 가장 적은 개체수가 관찰되었다. 이러한 결과는 MUF(methylumbelliferyl)에 의한 효소활성도 분석을 통한 생물막 형성 세균의 체외 분비 효소 활성과 유사한 패턴을 나타냈다. Vial에 잔류되어 있는 TOC 분석 결과, 탄소원의 농도가 일정하게 주입되었기 때문에 C/N 비율에 상관없이 농도가 감소하는 현상이 나타났으나 coupon 설치 3일 경과 후에 농도 감소가 급격하게 나타났다. 이후 28일 경과 시까지 약 96.4%로 대부분의 탄소가 소모되었다. 한편 비율에 따라 다르게 주입한 암모니아성 질소의 경우 각 비율별로 농도 감소가 다르게 나타났으며 28일이 경과한 후에는 약 63% 정도 농도가 감소하였고, 특히 100:10의 C/N 비율에서 가장 많은 농도 감소가 나타났다.
본 연구에서의 실험결과, C/N 비율에 따라 탄소원과 질소농도가 생물막 형성으로 인하여 소모되는 농도는 1차 반응 형태로 감소하였으며 TOC의 경우 k 값이 모든 비율에서 유사하였으나 질소의 경우 C/N 비율 100:10에서 k 값이 다르게 나타났다. 또한, TOC의 결과와 달리 암모니아성 질소의 농도는 비율에 따라 농도 감소가 다르게 나타났으며, 이로 인해 수돗물의 C/N 비율에 따른 수도관 생물막 생장 특성을 확인 할 수 있었다.

Biofilm formation in water distribution network is a common phenomenon in spite of the absence of nutrients available to microorganisms or the presence of disinfectants, which causes corrosion of water transmission pipe, unpleasant odor and taste, increases the occurrence of coliform in drinking water. The advent of pathogenic microorganisms in the biofilm can lead to public health problems. Water temperature, pipe material, carbon source, and nutrients (nitrogen, phosphorus, etc.) are factors that affect biofilm formation. In this study, effects of the carbon to nitrogen ratio (C/N) of tap water on the biofilm formation characteristics were investigated.
The initial carbon concentration of the tap water sample was adjusted to 400 mg/L and then the C/N ratio was adjusted to 100:5, 100:10, 100:20, 100:30 and 100:40 by adding an appropriate amount of nitrogen to the water samples. Five vials for each C/N ratio were prepared, and tatal number of vial was 25. A PVC coupon with a surface area of 5.5cm2 was immersed in each vial for biofilm formation. The coupon was sacrificed from the vial at 3, 7, 14, 21, and 28 days after the start of the experiment. The biofilm formed on the coupon was removed and analyzed for its heterotrophic plate counts (HPC) and extracellular enzyme activity (EEA). Of the 5 C/N ratios, HPC was highest at C/N of 100:10. The HPC, however, decreased after 21 days of experiment possibly due to the natural detachment of the biofilm from the coupon. The changes of HPC during the course of the experiment were similar to those of EEA. Relationship between the HPC and the EEA for all the C/N ratios demonstrated a positive correlation.
During the biofilm formation in each vial, TOC of the water decreased dramatically in 3 days of the experiment. In 28 days of operation, over 96% of the carbon source was consumed. It was about 63% for ammonia nitrogen. For both TOC and ammonia nitrogen, consumption reaction was found to follow a first-order reaction providing a similar reaction rate constant regardless of the C/N ratio.

#Biofilm #Drinking water #Extracellular enzyme activity #Heterotrophic plate count #C/N ratio #Ammonia-nitrogen #TOC

목 차
List of Tables 7
List of Figures 8
I. 서론 11
II. 문헌연구 13
2.1. 생물막 (Biofilm) 13
2.1.1. 생물막 형성 기작 15
2.2. EPS의 구성과 기능 18
2.3. 생물막 형성 인자 18
2.3.1. 영양물질 18
2.3.2. 수온 19
2.3.3. 관 재질 19
2.3.4. 소독제 22
2.4. 생물막 구성 미생물 23
2.4.1. 세균류 23
2.4.2. 기회성 병원균 23
2.4.3. 소독제 저항성 세균 23
III. 실험재료 및 방법 24
3.1. 대상시료 24
3.2. 실험 및 분석방법 24
3.2.1. 실험 재료 24
3.2.2. 실험 방법 25
3.2.3. 수질 분석 26
3.2.4. 생물막 분석 29
IV. 결과 및 고찰 32
4.1. 수돗물 내 시료와 생물막의 HPC 분석결과 32
4.1.1. 생물막의 종속영양세균 분석 32
4.1.2. 생물막의 효소학적 생물막 활성도 분석 37
4.1.3. 생물막 형성으로 인한 수돗물 시료의 TOC 변화 43
4.1.4. 생물막 형성으로 인한 암모니아성 질소 농도와 인 농도 분석 49
V. 결론 54
VI. 참고문헌 56
Abstract 63
List of Tables
Table 2.1. Bacteria found in drinking water distribution networks 14
Table 2.2. Status of drain pipe buried in 2015 21
Table 3.1. Characteristics of drinking water sample 25
Table 3.2. Carbon/Nitrogen ratio 26
Table 3.3. Analytical items and determination methods 27
Table 4.1. % of ammonia-nitrogen consumed during the experiment 51
List of Figures
Figure 2.1. Formation of biofilm on pipe surface 16
Figure 3.1. Size of PVC pipe used as coupon 23
Figure 3.2. Laboratory TOC Analyzer 28
Figure 3.3. Spread plate count method 30
Figure 3.4. Detection of extracellular enzyme activity using 31
Figure 4.1. Changes in the heterotrophic plate counts (HPC) of the biofilm samples formed at the C/N ratio of 100:5 33
Figure 4.2. Changes in the heterotrophic plate counts (HPC) of the biofilm samples formed at the C/N ratio of 100:10 34
Figure 4.3. Changes in the heterotrophic plate counts (HPC) of the biofilm samples formed at the C/N ratio of 100:20 35
Figure 4.4. Changes in the heterotrophic plate counts (HPC) of the biofilm samples formed at the C/N ratio of 100:30 36
Figure 4.5. Changes in the heterotrophic plate counts (HPC) of the biofilm samples formed at the C/N ratio of 100:40 36
Figure 4.6. Changes in the extracellular enzyme activity (EEA) of the biofilm formed at the C/N ratio of 100:5 37
Figure 4.7. Changes in the extracellular enzyme activity (EEA) of the biofilm formed at the C/N ratio of 100:10 38
Figure 4.8. Changes in the extracellular enzyme activity (EEA) of the biofilm formed at the C/N ratio of 100:20 38
Figure 4.9. Changes in the extracellular enzyme activity (EEA) of the biofilm formed at the C/N ratio of 100:30 39
Figure 4.10. Changes in the extracellular enzyme activity (EEA) of the biofilm formed at the C/N ratio of 100:40 39
Figure 4.11. Correlation between HPC and EEA at C/N ratio of 100:5 40
Figure 4.12. Correlation between HPC and EEA at C/N ratio of 100:10 40
Figure 4.13. Correlation between HPC and EEA at C/N ratio of 100:20 41
Figure 4.14. Correlation between HPC and EEA at C/N ratio of 100:30 41
Figure 4.15. Correlation between HPC and EEA at C/N ratio of 100:40 42
Figure 4.16. The Concentration of TOC consumed in biofilm at the C/N ratio of 100:5 43
Figure 4.17. The Concentration of TOC consumed in biofilm at the C/N ratio of 100:10 44
Figure 4.18. The Concentration of TOC consumed in biofilm at the C/N ratio of 100:20 44
Figure 4.19. The Concentration of TOC consumed in biofilm at the C/N ratio of 100:30 45
Figure 4.20. The Concentration of TOC consumed in biofilm at the C/N ratio of 100:40 45
Figure 4.21. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:5 46
Figure 4.22. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:10 47
Figure 4.23. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:20 47
Figure 4.24 Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:30 48
Figure 4.25. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:40 48
Figure 4.26. The Concentration of phosphate in drinking water 50
Figure 4.27. The Concentration of ammonia nitrogen consumed in biofilm samples 51
Figure 4.28. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:5 52
Figure 4.29. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:10 52
Figure 4.30. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:20 53
Figure 4.31. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:30 53
Figure 4.32. Rate of TOC consumption during the experiment at the C/N ratio of 100:40 54

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