지하수 내에서 독립영향 탈질 미생물(autotrophic denitrifier)에 의해 탈질작용은 지하수 내의 질산성질소오염을 자연적으로 제어할 수 있는 주요 기작이 될 수 있다. 오염물질을 제거하기 위해 현장정화기법(in-Situ Remediation)이 유럽을 중심으로 시작되어 현재 미국을 위주로 다방면으로 연구가 진행되고 있는데, 황탈질미생물은 다른 종속 영양미생물보다 현장정화에 적용하기 적당한 미생물로 사료된다. 이는 황탈질미생물이 탈질반응 수행시 탄소원을 추가로 공급해줄 필요가 없고, 슬러지의 발생이 적다는 장점을 가지고 있기 때문이다.

  국내에서도 황탈질미생물에 관한 연구가 많이 논의되었으나, 지하수내에 존재하는 TCE 등과 같은 염소계 유기화합물과 크롬(Ⅵ)등의 중금속 오염물질이 독립영양 탈질반응에 미치는 영향에 관한 연구는 전무한 상태이다. 따라서, 본 연구에서 질산성질소를 비롯한 염소계 유기오염물질 및 중금속으로 오염된 지하수에서의 독립영양 탈질반응의 특성을 연구하였다. 황 탈질 반응에서는 알카리도의 보충과 무기탄소의 공급이 중요한데 본 연구에서는 황입자와 함께 석회석을 첨가하였다. 또한 굴패각을 이용해 석회석을 대신하는 알칼리원으로 이용해 더욱 경제적이고 효율적인 황탈질 반응을 관측하였다.

  본 연구는 지하수 내의 질산성 질소를 제거하는 황탈질미생물을 대상으로 하여 미생물에 의한 질산성 질소 제거율에 대한 여러 환경인자의 영향을 회분식 실험을 통해 알아보고, 각 영향인자들에 대한 1/2차 반응상수를 도출하여 지하수 내에서의 황탈질미생물을 이용한 질산성 질소 저감효과를 확인하는 실험을 수행하였다.

  TCE가 탈질에 미치는 영향을 알아보기 위해 지하수 수질기준에 포함되어 있는 TCE농도를 각각 10, 20, 80 mg/L로 달리하여 시간에 따른 nitrate, nitrite, sulfate 농도 및 TCE 농도를 살펴보았다. 실험 결과로부터, TCE 80 mg/L 이상의 높은 농도에서는 황탈질반응이 일어나지 못하나 20 mg/L 이하의 낮은 농도의 TCE가 존재하는 환경에서는 큰 저해를 받지 않고 황탈질반응이 일어나는 것을 알 수 있었다. 이 때 소량의 TCE는 황/석회석 또는 황/굴패각에 흡착이 되어 흡착에 의한 오염물질의 제거효과 또한 얻을 수 있다. 황탈질반응이 종료된 후에는 sulfate-reducing bacteria에 의해 TCE의 분해작용을 기대할 수 있다.

  중금속이 탈질에 미치는 영향을 알아보기 위하여 수질기준에 포함되어 있는 Cr(Ⅵ), Cu, Zn을 농도를 달리하여 무기질 배지에 첨가해 그 영향을 살펴보았다.

  회분식 실험 결과 구리, 아연, 크롬과 같은 중금속이 존재하는 지하수 환경에 유입됬을 경우 초기에 황탈질 미생물의 작용이 저해받을 수 있으나 침전에 의한 중금속 제거 효과를 기대할 수 있다.

  또한 본 연구에서 황/석회석 및 황/굴패각 회분식 실험에서 초기 질산성 질소농도, 온도, 부피비, 황과 굴패각 입경과 같은 설계인자의 최적 조건을 찾기 위한 황탈질반응을 수행하였다. 그 결과, 40~140 mg-N/L의 초기 질산성 질소 농도 범위에서 황탈질 반응을 수행하였을 때 높은 질산성질소 제거율을 관찰할 수 있었으며 초기 질산성 질소 농도가 높을수록 반응속도상수값이 작아졌다. 그리고 황/굴패각 회분식 실험은 황/석회석 회분식 반응에 비해 빠른 반응속도를 나타내었으나 질산성 질소 농도가 높을수록 반응속도값이 작아지는 같은 경향을 얻을 수 있었다. 또한 황/굴패각 회분식 시스템은 황/석회석 시스템에 비해 더 높은 황산이온이 발생하였다. 또한 황/석회석 반응조에서는 황 입경이 작을수록 표면적의 증가로 인해 높은 탈질속도를 나타낸 반면 황/굴패각 반응조에서는 굴패각 입경이 작아질수록 큰 반응상수값을 나타내었으나 그 값의 차이는 크지 않았다. 최적 황/석회석 부피비는 3:1로 알려져 있으나 본 연구에서는 지하수의 질산성 질소를 제거에 적합한 비율인지 확인하고자, 황/석회석 부피비를 4:1, 3:1, 2:1 그리고 1:1로 나누어 회분식 실험을 시행하였다. 또한 황/구래각의 부피비는 최적 부피비가 알려져있지 않으므로, 같은 건에서 황/굴패각의 부피비도 달리하여 황탈질 반응의 변화를 살펴보았다. 배치 실험 결과와 더불어 실제로 지하수 내에 존재하는 알칼리도를 고려하면 황탈질반응에서 황/석회석 및 황/굴패각의 부피비는 3:1이 적합할 것으로 사료된다. 마지막으로 본 연구의 황탈질 반응은 궁극적으로는 지하수의 질산성 질소를 제거하고자하므로, 평균적인 지하수 온도 14~15℃의 조건이 황탈질 반응에 미치는 영향을 온도를 15, 30℃로 달리하여 살펴보았다. 온도가 낮아질수록 탈질속도는 감소함을 관찰하였으나, 지하수의 온도 범위인 10~20℃에서 탈질이 일어날 것으로 예상된다. 또한 유기물질이 존재하는 환경에서의 황탈질 반응을 모사하기 위하여 메탄올을 첨가하여 회분식 반응을 시행한 경우에서도 높은 탈질률을 관측하였으며 메탄올을 이용한 종속영양 탈질 반응은 관찰되지 않았다.

주요어: 지하수, 질산성 질소, 황탈질반응, 황, 석회석, 굴패각, TCE, 구리, 아연, 크롬, 반응벽체