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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.17 No.3 pp.215-223
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2018.17.3.215

Application of fungal cultivation in biofiltration systems for hydrogen sulfide removal

Junehyung Lee, Daekeun Kim*
Department of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology
Corresponding author Tel : +82-2-970-6606 E-mail : kimd@seoultech.ac.kr
27/07/2018 22/08/2018 28/08/2018

Abstract


A lab-scale biofilter with fungal growth has been studied to investigate the removal of gas-phase hydrogen sulfide. The biofilter inoculated initially with the aerobic activated sludge was operated for 100 days under acidic condition, and 0.36 L/d of the buffered nutrient with 0.05 g/L Chloramphenicol and Gentamicin was injected into the biofilter. The critical removal capacity of hydrogen sulfide was up to 22 g/m3/h. The pH of the effluent liquid was stable at pH 1.5-2, corresponding to the volatile suspended solids of 20-50 mg/L. In microbial analysis through the plate count method, it was found that fungi were dominant over bacteria. The fungi isolated from biomass in the bilfilter were identified as Acidomyces acidophilus and Aspergillus fumigatus. Sulfate and thiosulfate were also detected in liquid samples, as a result of the biological sulfur oxidation in the biofilter bed. For the analysis of sulfur mass balance, the accumulated mass of sulfate and thiosulfate reached up to 67.5% of inlet sulfur. Sulfur was also detected on the biomass collected from the biofilter through Scanning electron microscopy/Energy dispersive Xray spectroscopy.



황화수소 처리를 위한 바이오필터 기술의 곰팡이 적용 가능성

이 준형, 김 대근*
서울과학기술대학교 환경공학과

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    무색의 악취를 발생시키는 황화수소는 해양, 토양 지역의 미생물에 의한 활동과 화산활동에 의해 자연적 으로 발생되며, 인간의 산업 활동과정에서도 배출되고 있다(Simon, 2000; Choi, et al., 2018). 황화수소는 0.01-0.3 ppm의 낮은 농도에서도 악취를 일으키며, 1,000 ppm 이상의 고농도에서 수분 동안 노출될 경우 에는 치명적인 독성을 보인다(Patnaik et al., 2007). 또 한, 금속성 물질들과 반응하여 기계장치 또는 관을 부 식시켜 산업 공정에 기술적인 문제를 발생시킨다. 특히 오일이나 가스를 생산하는 공정의 파이프라인과 도시 하수관은 황화수소에 의한 부식이 문제가 되고 있으며, 이들 화합물을 제거할 수 있는 기술이 요구된다 (Popoola et al., 2013; Pikaar et al., 2014).

    황화수소를 제거하기 위한 방법은 크게 흡착과 흡수 작용을 이용한 물리적 처리방법과 산화제나 알칼리 용 액, 금속 킬레이트를 이용한 화학적 처리방법, 바이오 필터와 같은 생물학적 처리방법 등이 있다. 이들 중 생 물학적 처리방법은 화학 약품의 사용이 적고 에너지 요구량이 낮아서, 황화수소와 같은 악취물질의 제거에 효과적이다(Shareefdeen and Singh, 2005).

    가스상 물질을 제거하기 위한 생물학적 반응기에는 충전탑 형태의 바이오필터가 일반적으로 사용된다. 생 물학적 처리기술은 미생물을 이용하기 때문에 미생물 의 안정적인 활성화가 필수적이며, 이를 위한 적정수준 의 온도, 수분, pH 등의 유지가 필수적이다(Lee and Cho, 2008; Yoon, et al., 2016). 바이오필터의 황화수 소 처리에서 흔히 발견되는 문제점은 미생물의 활동으 로 황화수소가 산화되고 최종산물인 황산염을 생성한 다는 것이다. 황산염이 바이오필터에 축적될 경우 담체 의 표면은 쉽게 산성화되고 미생물의 활성화도가 감소 하여 처리효율이 낮아진다(Cox and Deshusses, 2002).

    황화수소를 산화시킬 수 있는 대표적인 미생물에는 Acidithiobacillus 등이 있다. Acidithiobacillus에 속하는 미생물 중 Acidithiobacillus ferrooxidans는 pH 1.3-4.5 의 조건에서, Acidithiobacillus thiooxidans는 pH 2.0- 3.5의 조건에서 최적의 생장 속도를 보인다(Takano et al., 1997). 이러한 세균은 산성조건에서 생장할 수 있 기 때문에 황화수소 처리에 적합하다고 할 수 있다. 하 지만 Acidithiobacillus는 독립영양군으로 CO2를 탄소 기질로 사용하기 때문에 미생물의 생장을 유지하기 위 해 일정 농도 이상의 CO2가 요구된다. 또한 세균은 pH의 생장범위가 제한적이고, 충분한 습도가 유지되어 야 한다(Syed et al., 2006).

    원핵성 세포인 세균과 달리 복잡한 구조와 다핵성 세포를 가지는 곰팡이는 환경 저항성이 뛰어난 것으로 알려져 있다. pH 6-8의 중성 조건과 다습한 환경을 요 구하는 세균과 비교하여 곰팡이는 낮은 pH 환경을 선 호하고 건조 조건에서도 생존력이 높다(Arriaga and Revah, 2005). 또한 곰팡이는 가는 실 모양의 균사체를 생성하여 오염물질을 흡착 또는 흡수할 수 있는 충분 한 표면적을 가지고 있다.

    Phae and Shoda (1991)는 곰팡이가 황화수소와 유기 황화합물을 효과적으로 제거할 수 있다고 보고하였다. 곰팡이를 바이오필터에 적용한 연구들은 대부분 소수 성 유기오염물질을 처리 대상 물질로 하고 있으며, 세 균과 비교하여 곰팡이는 BTEX, Hexane 등의 유기성 오염물질에 효과적이라고 보고하고 있다(Van et al., 2001; Kennes and Veiga, 2004; Iranmanesh et al., 2015; Vergara-Fernández et al., 2016; Mohammad et al., 2017). NO와 H2S 등의 무기 가스를 곰팡이 바이오 필터에 적용한 연구(Woertz et al., 2001; Liu et al., 2013)가 진행되고 있으나, 이러한 무기물질의 연구는 제한적으로 보고되고 있다.

    본 연구는 가스상 황화수소를 처리하기 위한 바이오 필터 기술에서 곰팡이의 활용 가능성을 확인하고자 하 였다. 곰팡이의 생장에 유리한 산성 조건에서 바이오필 터 내 세균과 곰팡이가 형성하는 집락 수의 변화를 관 찰하였다. 또한 바이오필터에서 배출되는 유출수의 황 산화물과 미생물을 분석하여 황 물질 수지를 세우고, 운전 특성을 해석하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 바이오필터 준비 및 운전조건

    2.1.1 바이오필터 접종

    바이오필터에 사용된 초기 접종원은 A시 하수처리 장의 호기성반응기의 반송슬러지를 사용하였다. 채취한 호기성 슬러지와 액상 영양물질을 1:1로 혼합하여 담체 가 채워진 바이오필터 반응기(총 충전부피 0.0047m3) 에 담체가 모두 잠기게 한 후, 반응기 하단에 100 mL/ min 압축공기를 제공하였다. 접종 기간은 총 3일 이었 으며, 슬러지를 배출한 후 본 실험을 진행하였다.

    2.1.2 바이오필터 구성

    바이오필터는 담체가 충전될 수 있도록 내경 100mm, 높이 600mm의 원통형 아크릴 모형으로 제작하였으며, 반응기 하단에 바이오필터를 통과한 유출수를 채취할 수 있도록 저류조를 설치하였다(Fig. 1). 가스가 이송되 는 튜브는 외경 1/4인치의 테프론 튜브를 사용하였다. 바이오필터에 충전되는 담체는 1-2 mm 크기의 정육면 체 폴리우레탄 담체를 사용하였다.

    유입 가스는 황화수소 가스실린더(5%, N2 balance; Air Korea, Korea)와 압축공기를 혼합하여 사용하였다. 적산 유량계(KOFLOC-3660, Kojima instrument Inc., Japan)를 이용하여 압축공기의 유량을 조절하였고, 황 화수소 농도는 스테인리스 스틸 재질의 내부식성 니들 밸브(VN5, UNILOK Co., Korea)를 사용하여 조절하 였다. 바이오필터의 전단과 후단에 가스 샘플링 포트가 포함된 가스혼합 챔버를 설치하여 가스 시료 채취 시 농도의 균일성을 보장하였다.

    바이오필터의 상단 1/3 지점에 영양액 공급장치를 설치하여 영양분이 골고루 공급되게 하였으며, 솔레노 이드 펌프를 이용해 360 mL/day의 영양분을 공급하였 다. 조류와 같은 광합성 미생물의 생장을 피하기 위해 바이오필터에 차광막을 덮어 암실을 조성하였고, 실온 에서 운전하였다. 반응기 상단과 하단에는 차압계를 설 치하여 바이오필터의 압력강하를 측정하였다.

    영양액의 조성은 1 L당 Glucose 9 g; NH4Cl 0.4 g; KH2PO4 2 g; K2HPO4 2 g; MgCl2·6H2O 0.5 g이며, HCl을 사용하여 pH 4로 조정하였다. 또한 곰팡이의 우점종화를 이루고 박테리아의 생장을 억제시키기 위 해 Chloramphenicol과 Gentamicin 항생제를 각각 0.05 g/L씩 영양액에 첨가하였다. 두 종류의 항생제는 각각 Gram-negative와 Gram-positive 세균에 특정화된 단백질 합성효소에 작용하여 단백질을 합성할 수 없게 만들고 결과적으로 생장을 저해시키는 역할을 하는 것 으로 알려져 있다(Jardetzky, 1963).

    2.1.3 바이오필터 운전조건

    바이오필터는 Table 1에 제시된 운전조건으로 총 100일간 운전되었다. 초기 가스의 흐름은 위로 향하는 상향류로 설정하였고, 이후 하향류로 전환하였다. 황화 수소의 유입농도는 40, 80, 200 ppm으로 설정하여 공 급하였다. 공탑 체류시간은 141초, 70.5초, 50초로 진 행하였다.

    2.2 분석방법

    2.2.1 황화수소 가스분석

    황화수소 가스분석은 펄스형 불꽃광도 검출기를 장 착한 가스크로마토그래피(YL6100, Young Lin Co., Ltd., Korea)를 사용하였다. 컬럼은 Agillent사의 캐필 러리 컬럼인 HP-5 (30 m × 0.25 mm, 1.00 μm)를 사용 하였다. 유입구 온도는 150°C, He 1.2 mL/min이며, 오 븐온도는 초기온도 50°C에서 1분간 유지 후 분당 20°C로 승온하여 최종온도는 130°C였다. 검출기온도는 250°C이며, 공기1 10 mL/min, 공기2 10 mL/min, 수소 12.5 mL/min으로 설정되었다.

    2.2.2 유출수 분석

    유출수 내 미생물량은 건조중량측정법을 사용하였다. 유출수를 GF/C필터에 거른 후 105°C에서 건조시켜 수 분을 제거한 후 무게를 측정하고, 550°C에서 태운 후 무게를 측정하여 VSS (Volatile suspended solids)를 계 산하였으며, 이를 미생물의 양으로 추정한다.

    바이오필터 내 우점 미생물을 파악하고자 유출수를 대상으로 세균과 곰팡이의 생균수를 다음과 같이 측정 하였다. 실험에 사용된 배지는 Potato dextrose agar (PDA)와 Tryptic soy agar (TSA)이었으며, 각각 곰팡 이와 세균 배양을 위해 사용되었다. 접종된 배지는 배 양기 안에서 5일간 25로 배양되었고, 집락이 나타나기 시작한 날부터 미생물의 집락수를 파악하였다.

    유출수의 pH는 pH meter를 이용하여 분석하였으며, SO42−와 S2O32−이온은 이온크로마토그래피(883 Basic IC plus, Metrohm, Switzerland)를 사용하여 분석하였 다. 이온크로마토그래프에 사용된 컬럼은 Metrosep A Supp 5-150/4.0 (Metrohm, Switzerland)이었다.

    2.2.3 담체 분석

    바이오필터의 운전 종료 후 임의 채취된 미생물 담 체를 대상으로 표면 분석과 곰팡이 종 분석을 수행하 였다. 바이오매스가 부착된 미생물 담체의 표면 분석은 Lee and Chow (2012)의 연구를 참고하여 전처리 한 후 Scanning electron microscope (TESCAN VEGA3, Tescan, Czech)기기를 사용하여 담체에 고정화된 미생 물의 표면형상을 관찰하였다. 또한, Energy dispersive spectrometer (EDS)를 통해 시료의 성분을 분석하였다. 곰팡이 종 분석은 담체의 표면에서 채취한 바이오매스 를 PDA배지에 도말하여 배양한 후, 순수 분리된 곰팡 이 2가지 종의 균체를 ITS-5.8S rRNA sequencing를 통해 분석하였다. 본 연구에 사용된 종 분석법은 Internal transcribed spacer (ITS)라고 지칭되는 구역의 코드 를 분석하는 방법으로 넓은 범위에서 곰팡이를 동정할 수 있는 것으로 알려져 있다(Schoch et al., 2012). 미생 물 분석은 한국 미생물 보존센터(KCCM) 연구기관에 서 수행되었다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 황화수소 제거효율

    Fig. 2는 바이오필터의 운전기간 동안 공탑 체류시간 에 따른 황화수소 유입농도와 배출농도, 황화수소 제거 효율, 압력강하를 보여준다. 초기 13일 동안 황화수소 제거효율은 99% 이상을 보였고, 이후 일시적인 감소 현상을 보였으나 운전 20일까지 99% 이상을 유지하였 다. 이 때 유출수 pH는 운전 시작 단계의 pH 8에서 pH 4.5까지 낮아졌다. 초기접종원인 호기성 슬러지는 다양한 종류의 미생물군이 존재하며, 대부분의 미생물 들은 pH 6-8의 중성조건에서 활성화된다고 볼 수 있다. 따라서 바이오필터가 점차적으로 산성화 됨에 따라 대 부분 미생물들의 활성이 억제되었다고 보며, 초기 운전 기간을 산성 조건에 특화된 미생물들의 적응 단계로 볼 수 있다.

    황화수소 유입농도를 80 ppm (3.1 g/m3/h)으로 증가 시킨 운전 21일 이후에는 황화수소 제거효율이 급격히 낮아졌다. 바이오필터 내 황산화 미생물들이 충분히 확 보되지 않은 상태에서 독성을 나타내는 고농도 황화수 소(80 ppm)에 노출되어 미생물군의 활성이 감소한 것 으로 보인다(Wani et al., 1998). 또한, 바이오필터는 가 스의 흐름방향에 따라 미생물의 분포도가 달라질 수 있다. 미생물들은 기질이 유입되는 영역에서 미생물의 개체수가 많아지며, 하향류로 공급된 유출수의 흐름방 향으로 바이오매스가 증가하는 경향이 있다(Kim and Sorial, 2007). 상향류식 가스흐름은 바이오필터 상단 담체가 건조해 지는 경우가 있으며, 유출수의 배수가 원할하지 않다는 단점이 있다(Prado et al., 2005). 이러 한 문제점 때문에 황산화 미생물들이 바이오필터 전체 에 균등하게 분배될 수 있도록 가스와 액체의 흐름이 동일한 방향인 하향류로 조정하였다. 하향류로 변경한 이후 42일차에 유입농도 40 ppm에서 98% 이상의 제 거효율로 회복되었고, 유입농도 80 ppm (유입부하량 3.1 g/m3/h)와 200 ppm (7.75 g/m3/h)에서도 99% 이상 의 안정적인 제거효율을 보였다.

    운전 64일 이후에는 공탑 체류시간이 70.5초로 변경 되었으며, 황화수소 유입부하량은 6.2-15.5 g/m3/h이었 다. 이와 같은 운전 조건은 바이오필터의 운전효율에 아무런 영향을 주지 않았으며, 황화수소 제거효율은 안 정적으로 99%를 유지하였다. 운전 77일이후에는 공탑 체류시간이 50초로 변경되었으며(8.83-22.1 g/m3/h), 황 화수소 제거효율은 82%까지 점차적으로 감소하였다. 이 때의 필터 내 압력 강하는 23 mmH2O/m이었다. 바 이오필터에서의 압력강하는 고농도의 오염물질이 유입 에 의해 미생물의 과대 생성과 관련이 있으며, 가스의 실제 체류시간은 짧아지고 비균등한 가스흐름을 보인 다(Yang and Allen, 1994). 본 연구에서는 23 mmH2O/ m의 압력강하가 나타난 후 바이오필터 내 담체를 물리 적으로 세척하여 바이오매스를 조절하였으며, 이후 0 mmH2O/m의 압력강하를 보였고 제거효율은 99% 이 상으로 회복되었다. Table 2는 문헌에 보고된 박테리아 로 우점화된 바이오필터의 황화수소 임계 제거용량을 보여준다. 본 연구의 황화수소 임계 제거용량은 22 g/ m3/h이었으며, 다른 연구의 결과와 비교하여 유사하거 나 다소 우수하였다.

    3.2 바이오필터 유출수 특성

    Fig. 3은 바이오필터에서 배출된 유출수의 pH와 VSS, 세균과 곰팡이의 생균수를 보여준다. 운전 초기 에 pH가 급격히 증가하였는데, 이는 중성을 띤 접종 슬러지와 담체의 초기 pH로 기인된 일시적 현상으로 보이며 전체 공정에는 영향을 주지 않았다. 이후 pH는 점차 감소하여 바이오필터의 산성화를 유도하였고, 유 입 부하량이 20 g/m3/h 이상에서 pH 1.5를 보였다. 유 출수의 VSS는 운전 초기 동안 담체에 고정화되지 못 한 슬러지와 미생물이 배출되면서 최고 415 mg/L까지 측정되었으나, 운전 28일 이후에는 20-56 mg/L를 유지 하였다. 미생물 생균수 분석결과, 초기 유출수에서 세 균의 수가 곰팡이의 수보다 높게 측정되었으며, 세균과 곰팡이의 CFU값은 운전 8일차에 각각 1.9 × 1010 CFU/ L와 9.0 × 109 CFU/L로 측정되었다. 반응기 내부가 지속 적으로 산성 환경이 유지됨에 따라 운전 52일에는 세균 의 생균수는 7.5 × 107, 곰팡이의 생균수는 1.3 × 108로 관 찰되었고, 이후 곰팡이 생균수가 세균 생균수 보다 월등 히 많았으며 최대 3.3배의 차이를 보였다. 일반적으로 낮 은 pH조건에서는 곰팡이의 생존률이 세균보다 뛰어나 며, 곰팡이와 세균이 공동으로 서식할 경우 세균의 생 존률이 높아진다(Liu et al., 2013). 본 연구에서는 항생 제를 영양액과 함께 주입함으로써 곰팡이 우점화를 달 성한 것으로 본다.

    3.3 담체 표면 분석결과

    Fig. 4는 바이오필터 운전 종료 후 반응기 중간 위치 의 담체를 채취하여 표면 형태를 분석한 결과이다. 미 생물이 접종되지 않은 담체와 비교하여 상당량의 바이 오매스가 담체표면을 감싸고 있는 것이 확인되었다. 또 한, 담체 주위에 엉켜 있는 균사의 형상이 관찰되었으 며, 단일화된 균사뿐만 아니라 여러 균사가 뭉쳐져 있 는 형태가 확인되었다. 곰팡이는 세균과 달리 균사가 담체에 부착되는 특징이 있으며, 담체 공극 또는 담체 와 담체사이를 균사로 엮여서 오염물질이 미생물들에 접촉할 수 있는 표면적이 넓어진다고 볼 수 있다. EDS 분석 결과를 기준으로 담체 표면에 황이 차지하는 비 율은 약 21% (질량 기준)이었다. 따라서 바이오필터로 유입된 황화수소는 산화되어 SO42−, S0 등으로 유출수 로 배출되거나, 담체 표면에 산화된 형태 또는 흡착된 상태로 잔류하는 것으로 판단된다.

    ITS-5.85 rRNA sequencing에 의한 종 분석을 수행 한 결과에서는 99%의 유사성으로 Acidomyces acidophilus (GenBank accession no. JQ172741)와 Aspergillus fumigatus (GenBank accession no. NR121481)가 확인되었다. Acidomyces acidophilus 균은 pH 1-3의 극 심한 산성조건에서 최적의 생장 조건을 가지는 곰팡이 종이며(Selbmann et al., 2013), Aspergillus fumigatus 균은 대기 중에서 흔히 나타나는 곰팡이며 포자가 활 발히 발달하는 것으로 보고되고 있다. 확인된 곰팡이는 황산화물을 체내에 보관할 수 있고 동화작용에 이용한 다고 알려져 있다(Amich et al., 2013).

    3.4 황 물질 수지

    Fig. 5는 바이오필터에서 제거된 가스상의 황화수소 와 유출수로 배출된 황산화물을 황의 질량으로 환산하 여 나타낸 그래프이다. 본 실험에서 분석된 황산화물은 SO42−와 S2O32−이며, 대부분의 미생물들이 황화수소를 산화시켜 최종부산물로 배출하는 물질이다. 유입 황의 약 67.5%가 두 음이온의 형태로 유출수를 통해 배출된 것으로 보인다. 미생물에 의한 황화수소의 산화작용은 토양생태계에서도 확인된다. 토양에서 나타나는 생물 학적 황화수소의 산화는 H2S→S0 →SO32− →SO42− 또는 H2S→S0 →S2O32− →S4O62− →SO32− →SO42−의 순서로 추 정된다(Fike et al., 2016). 물질수지 분석에서 회수되는 않은 유입 황의 32.5%는 유출수 내에서 분석되지 않은 S0 , SO32−, S4O62− 등의 이온들과 담체에 축적된 황일 것 으로 추정된다. 또한, 바이오필터 내 미생물이 시스테 인(Cysteine)과 메티오닌(Methionine)과 같은 단백질을 합성했을 것으로 보며, 이러한 세포합성 과정에서 SO32− , SO42− 등의 황산화물을 이용했을 것으로 추정된 다(Saito, 2000).

    4. 결 론

    본 연구에서는 산성조건에서 운전된 바이오필터의 황화수소 처리 가능성을 확인하였다. 바이오필터는 산 성조건(pH 1-4)에서 곰팡이의 우점화가 관찰되었으며, 22 gH2S/m3/h의 임계 제거용량을 보였다. 본 연구에서 도출된 상세한 결론은 다음과 같다.

    첫째, 바이오필터의 유입 가스 및 유입 액체의 하향 류 운전을 통해서 미생물의 균등한 성장과 안정적인 처리효율을 확인할 수 있었다.

    둘째, 산성조건에서 운전된 바이오필터의 우점화 미 생물은 곰팡이류이며, ITS-5.85 rRNA sequencing에 의 한 종 분석에서 Acidomyces acidophilusAspergillus fumigatus가 분류되었다.

    셋째, 바이오필터 내 황산화반응의 산물인 SO42−와 S2O32−가 유출수 내에서 확인되었으며, 유입된 황의 약 67.55%가 두 이온으로 배출되고 그 외 황은 바이오필 터 내에 축적된 것으로 분석되었다.

    감사의 글

    이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으 로 수행되었습니다.

    Figure

    JOIE-17-215_F1.gif

    Schematic diagram of biofilter system.

    JOIE-17-215_F2.gif

    Hydrogen sulfide removal performance of biofilter with respect to gas flow direction, empty bed retention time, and inlet hydrogen sulfide concentration.

    JOIE-17-215_F3.gif

    Performance of effluent liquid in biofilter.

    JOIE-17-215_F4.gif

    Scanning electron microscope images of raw polyurethane foam (left: ×500, ×2,000) and microorganism attached to polyurethane foam (right: ×500, ×2,000).

    JOIE-17-215_F5.gif

    Sulfur mass balance in the biofilter.

    Table

    Operation condition of biofilter

    Comparison of biofilter performance for hydrogen sulfide removal

    Reference

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