중금속 제거 기술 - KISTIgift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-KJH-heavy... · 2008-11-18 · 2 생물학적 방법에 의한 중금속 제거 기술 2. 연구의 방법

중금속 제거 기술

김종학․강종석

머 리 말

21세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식

기반 산업사회로 나아가고 있으며, 최고가 아니면 살아남을

수 없는 무한경쟁시 가 되어가고 있습니다. 이러한 변화 속

에서 각 국가에서는 미래 유망기술(Emerging Technology)을

선정하여 국가 역량을 집 함으로써 차세 국가경쟁력을 확

보하려는 여러 가지 노력을 기울이고 있습니다.

최근 우리나라에서도 미래 유망기술에 한 심이 어느 때

보다도 증 되고 있는 가운데, 한국과학기술정보연구원에서는

과학계량학 인 방법으로 미래 국가 유망기술을 측하기

한 일련의 연구를 수행하고 있습니다.

본 보고서는 과학기술정보데이터베이스(SCIE)에서 최근 6

년간 분야별 피인용도가 높은 핵심논문들을 가지고 정보계량

학 인 분석을 행하여 선정된 핵심 유망 연구 역에 해

련 국내 문가들의 자문을 토 로 작성된 R&D 동향보고서입

니다. 본 보고서가 련 과학기술정보를 국내에 확산시키고,

미래 국가유망기술의 략 육성을 한 연구개발 활동에 작

으나마 도움이 되었으면 합니다.

마지막으로 본 보고서를 집필한 자들의 노고에 감사드리

며, 본고의 내용은 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아

님을 밝 둡니다.

2005년 12월

한국과학기술정보연구원

원 장

ⅰ

목 차

제1장 서 론 ······················································································1

1. 연구의 배경 ·····························································································1

2. 연구의 방법 ·····························································································2

제2장 기술의 개요 ·············································································3

1. 미생물을 이용한 속 제거 ································································3

2. 식물을 이용한 속 제거(Phytoremediation) ···································9

제3장 국내외 기술개발동향 ····························································13

1. 국내기술 동향 ·······················································································13

2. 해외기술 동향 ·······················································································20

제4장 결론 제언 ·········································································27

참고문헌 ····························································································29

ⅲ

표 목차

<표 3-1> 미국내 환경오염지역을 리하는 기 로그램 ··················21

그림 목차

<그림 3-1> 무처리구와 토비 처리구의 재배 후의 Cd별 함량변화 비교 · 16

<그림 3-2> 무처리구와 황처리구의 재배 후의 Cd별 함량변화 비교 ····17

<그림 3-3> 화학비료처리구와 복합처리구의 Cd 형태별 함량변화 비교 ···18

<그림 3-4> 생물학 복원기술의 유율 ····················································22

<그림 3-5> 스탠포드 지구환경과학과 Fendorf 박사 실험실에서의 속

제거 토양 복원 개략도 ·······················································24

1

제1장

서 론

1. 연구의 배경

○ 21세기 지식기반사회에서 과학기술경쟁력은 국가경쟁력

의 원천이며, 이에 세계 각국들은 미래의 경쟁에 살아남

기 해 핵심기술과제를 선정하여 연구개발에 박차를 가

하고 있음.

○ 우리나라 과학기술부도 2005년 6월 ‘미래국가유망기술

원회’를 구성하여 ‘과학기술 측조사(2005-2030)’ 결과

(2005년 5월, 국가과학기술 원회 보고)에서 도출된 기

술후보군을 바탕으로 『미래 국가유망기술 21』을 선정

하여 발표한 바 있음.

○ 한 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 2005년 SCIE

논문데이터베이스를 이용한 정보계량학 분석을 통해

『미래 유망연구 역 선정연구』를 시도하 으며, 본 보고

서는 그 결과에 기 하여 최근 2～3년간 논문의 인용도가

속히 높아지고 있는 유망 연구 역을 심으로 기술논

평 형식으로 풀이한 심층 Expert Review임.

2 생물학적 방법에 의한 중금속 제거 기술

2. 연구의 방법

○ 한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에 등

록된 논문(1999~2005년 상반기까지 발표된 논문) 에

서, 각 연도 각 분야별( 분류 22분야)로 피인용수

가 상 1%인 고인용 논문(HCP; Highly cited papers)

을 추출하고 공인용분석(Co-citation analysis) 동시단

어분석(Co-word analysis) 등의 과학계량학 방법들과

문가 평가(Expert evaluation)를 통해 ‘미래 유망연구

역’을 도출하 음.

○ 상기 도출된 미래 유망연구 역 에서 통계학 방법으

로 최근 논문의 인용도가 격히 상승하는 연구 역을

과학기술 분야별로 추출하여 본 테크이슈 보고서의 주제

로 삼았음.

○ 본 보고서는 생물학 방법에 의한 속 제거 기술 분

야에 있어서 최근 많이 발표되고 있는 논문들을 종합하

여 련 분야 연구에 한 기 지식과 함께 세계 인

연구동향을 개 으로 살펴보고, 미래 핵심기술로 자리

잡기 한 연구개발 략을 제시하 음.

3

제2장

기술의 개요

○ 격한 산업화와 인구의 폭발 증가로 인한 지구의 자

정 능력의 상실로 환경문제의 두됨.

- 자, 반도체, 자동차, 속, 석유화학 등의 발 으로

인한 속이 함유된 유해 산업폐기물의 의 증하고,

- 속은 먹이사슬을 통해 최종 소비자인 인간의 체내

에 축 되어 각종 질병 유발되고 있는 실정임.

- 미생물을 이용한 속 제거기술은 고효율 미생물의

확보 공정 개발에 크게 의존하고 있어 국제 으로

는 신규 미생물 공정에 한 특허 출원이 증하고

있음.

- 미생물에 의한 속 제거 기작은 크게 살아있는 미

생물의 사작 용의 일환인 축 미생물 표면 는 미

생물이 생산하는 기능성 유용 물질의 작용에 의한 흡

착으로 구분됨.

1. 미생물을 이용한 중금속 제거

○ 생물학 복원(Bioremediation)이란 생물학 으로 유해

한 유기 화합 물을 무해한 물질로 변화시키고 유해한


무기물은 구조를 단순화하여 안 한 물질로 변화시켜

환경복원을 꾀하는 것을 지칭[1]

○ 속을 최종 자 수용체(terminal electron acceptor)

로 사용하거나 혹은 무독화(detoxification)작용에 의해

환원시키는 미생물은 토양이나 침 토 는 지표수 등

의 자연 환경에 큰 향을 미치는 요 소임[2].

○ 기 조건에서 미생물들은 산소 신 질산염, 황산염, 철

등을 자 수용체로 이용.

○ 미생물이 속 이온을 산화 는 환원시킬 때 속 이온

은 독성이 감소하거나 침 물을 형성하여 유동성을 감소

시킴.

○ 이러한 미생물의 속 환원작용을 오염된 토양이나 지

하수 는 산업폐기물의 정화에 이용.

○ 철(Fe(III))의 환원

- 1990년 이 까지는 토양에서의 Fe(III)의 환원은 효소

작용이 아닌 단순한 화학반응에 의해 일어나는 것으로

알려짐.

- Lovely 등은 기 조건하에서 Fe(III)로의 환원이

미생물에 의한 것임을 입증[3,4]

.

- 당이나 아미노산을 분해하는 과정에서 Fe(III)를 환원시

키는 것으로 밝 졌으나 부분의 경우 부수 인 반응.

- 당이나 아미노산의 사과정 동안에 일어나는 Fe(III)로

제2장 기술의 개요 5

의 자 달은 부분 발효 산물의 산화에 의해 발생.

- 담수에서 분리한 Geobacter matallireducens의 경우 최

로 발견된 acetate-oxidizing Fe(III) reducer로 알려짐.

○ 우라늄(U(VI))의 환원

- 미생물에 의한 우라늄의 환원작용은 지구의 우라늄 순

환은 물론 오염 지역으로부터 우라늄을 제거하는데 있

어서 매우 요한 과정임[5].

- 우라늄의 환원능력이 최 로 밝 진 미생물은 G.

metallireducens 로서 acetate를 자 공여체로, U(IV)를

최종 자 수용체로 사용하여 성장.

- U(VI)는 용해도가 높으나 U(IV)는 용해도 떨어져서

쉽게 침 됨으로 이를 정화에 응용.

- S. putrefaciens의 경우에도 U(VI)를 자 수용체로

사용함으로써 U(IV)를 환원시키는데 이 경우 자 공

여체로서 수소를 사용함.

- U(VI)은 자연 상태에서 부분 uranyl-carbonate 복합

체의 형태로 존재하며, 인간에 의해 오염되는 우라늄

도 부분 이와 같은 형태로 존재.

- G. metallireducens와 D. desulfuricans를 이용한 연구에

의하면 이러한 미생물들은 uranyl-carbonate 복합체의

형태로 존재하는 U(IV)을 효율 으로 환원시키는 것

으로 밝 짐.

- D. sulfuricans의 경우 략 배양이 용이할 뿐만 아니라

동결 건조 한 상태로 상온에 6개월 이상 보 해도 우

라늄 환원 능력을 100% 유지하는 으로 밝 져 재

많은 연구가 진행되고 있음.


○ 크롬(Cr(VI))의 환원

- 크롬은 지구상에 리 존재하지만 그 양은 많지 않으

며, 보통 천연에서 크롬철석(FeCrO4), 홍연석(PbCrO4)

등에 함유.

- 크롬은 +2가, +3가, +4가, +5가, +6가 등 다양한 산

화수를 가지는데, +3가인 크롬백반이나 +6가인 크

롬산 칼륨이 주로 사용됨.

- 열역학 으로 가장 안정한 형태인 Cr(III)은 물에 잘

안녹고 독성 이 거의 없지만 Cr(VI)은 물에 잘 녹고

독성이 강해 동물이나 인체에 매우 유해함.

- 미생물에 의한 Cr(VI)의 Cr(III)으로의 환원

- 기 Pseudomonas dechromaticans, P. chromatophila

Aeromonas dechromatica 등의 미생물이 기 인

조건에서 Cr(VI)을 Cr(III)로 환원시킴으로서 결국은

Cr(II) 침 물을 형성시킴[6,8]

.

- 이어 Bacillus cereus, B. subtilis, P. aeruginos, P.

ambigua, P. putida, P. fluorescens, Achromobacter

eurydice, Micrococcus roseus, E. coli, Entrobacter

cloacae, Steptomyces spp. D. dedulfuricans, D.

vulgaris 등 많은 미생물 종에서 Cr(VI)의 환원 능력

이 확인됨.

- 이들 미생물의 부분은 호기성 조건하에서 Cr(VI)을

환원시키는데 그 생리학 요성은 아직 밝 진 바

없음.

- 1990녀 반, P. putida와 P. ambigua를 상으로

Cr(VI) 환원 효소에 한 생화학 연구가 수행되었

고, 이 효소를 정제하려는 시도가 있었으나 정제된 효소


의 순도가 낮아서 생화학 분석이 이루어지지 못했으

며 효소의 유 자에 한 연구는 이루어지지 못함[9,10].

- 최근 P. putida 로부터 Cr(VI) 환원효소의 순수정제가

이루어졌고 정제된 효소의 생화학 특성이 밝 짐[11]

.

○ 수은의 환원

- 수은은 유일한 액체 속이라는 것 때문에 고 로부터

요한 속으로 사용되었으며, BC 1500년경의 이집트

분묘에서도 발견됨.

- 수은은 속 상태로 한란계, 기압계와 여러 가지 이화

학 기계, 수은등, 정류기, 펌 등에 사용됨.

- 수은은 미국의 714개 오염지역에서 발견될 정도로 환

경 인간 에게 큰 험을 주고 있음.

- 수은 독은 이들 오염지역에 노출되거나, 아말감 치

료, 깨진 형 등이나 수은 온도계, 치료상 사용하는 수

은연고나 수은이뇨제 등의 과잉투여로 발생.

- 수은은 무기수은, 유기수은, 속수은으로 존재하며,

무기수은의 경우, 0가, +1가, +2가의 산화수를 가지

며, 이들은 유독하고, 염소, 황, 산소 등과 결합해 흰

색의 분말이나 결정을 형성.

- 일부 호기성 물질에 의해 수용성 Hg(II)가 기화성

Hg(0)로 환원되는 상이 밝 졌으며, 다른 부분의

속과는 달리 수은의 환원은 에 지 생성을 수반하

는 자 달계와는 계가 없는 것으로 알려짐[12,14]

.

- 미생물에 의한 수은의 환원작용을 오염지역의 정화에

이용하기 해서는 [mercury-resistance(mer) operon

의 발 을 증가시킴으로서 수은의 환원력을 높여주는


것[15,16]

.

- 그러나 오염된 수은 미생물에 의해 환원이 가능한

상태로 존재하는 것은 체의 반 혹은 10% 미만으

로 음[17]

.

○ 비소의 환원

- 천연으로는 드물게 유리상태로 존재하는 경우도 있으

나 계 석, 웅황, 황화철석 등 주로 황화 물로서 산출

되며, 비화, 단사비화, 등산화 물 비화 물 등에

도 함유.

- 비소는 주로 합 첨가제로 사용되는데, 구리에 소량

첨가할 경우 내열성이 향상되고, 납에 소량을 첨가하

면, 굳기가 증가하는 특징을 지님.

- 일반 으로 비소를 다루는 사람이나 비소를 함유한 살

충제나 화장품 의약품을 사용하는 사람이 많이

독 됨.

- 비소 자체는 독성이 없으나 이산화물에 맹독이 있으며,

As(III)에 의하는 경우가 많음.

- 비소는 원소 주기율표에서 제 5그룹에 속하며, -3, 0,

+3, +5의 산화수를 가지며, 자연계에서의 유동성

독성은 산화수에 따라 다르게 나타나는데, 원소 형태

인 As(0)이 가장 안 .

- 비소는 호기조건에서 +5가인 H3AsO4, H2AsO4-, HAsO4

2-,

AsO43-의 형태로 존재하며, 양이온과는 침 물을 형성.

- 수산화철 등에 흡착에 의해 고정화된 비소는 Fe(III)를

자수용체로 사용하는 Sulfurospirillum Barnessi 와


같은 미생물에 의해 Fe(II)와 함께 As(V)의 형태로

용출됨.

○ 납의 환원

- 납은 자연계에서 방연석, 백연석, 홍연석, 황산연석 등

의 물로서 단독으로 존재하거나, , 은, 구리, 아연

등과 함께 복잡한 물로서 존재.

- 납은 속재료로는 녹는 이 낮고, 경도가 작아 가공

성이 용이해 BC1500년경부터 인류가 사용함.

- 납은 0가와 +2가의 형태로 존재하는데, Cl-, CO3

2-,

SO42-, PO4

3- 와 같은 무기물이나 휴믹산, 엽산,

EDTA와 같은 유기물이 존재할 때 용해도가 낮은 화

합물을 형성함.

- 지표수 지하수 내의 납은 PbCO3, Pb2O, Pb(OH)2,

PbSO4 등의 침 물 형태로 존재하며, 물의 표면에

쉽게 흡착됨.

- 황환원균을 이용해 납을 황화물의 형태로 침 시키거

나 납을 체 내에 축 할 수 있는 미생물을 사용.

2. 식물을 이용한 중금속 제거(Phytoremediation)

○ Phytoremediation은 식물을 이용하여 오염된 지역을 정

화하는 기술을 말하며, 향후 렴한 비용으로 오염 물질

을 정화할 수 있기 때문에 기존의 값비싼 정화기술을

체할 수 있는 새로운 분야로 각 을 받음.


○ Phytoremediation은 1991년부터 사용하기 시작했으나 식

물을 이용 한 오염 지역의 정화는 300년 부터 존재.

○ 19세기 후반 Thlaspi caerulescens와 Viola calaminaria를

상으로 이루어진 연구에 의하면 이들 식물이 잎에 고

농도의 속을 농축 함.

○ Minguzzi와 Vergnano 는 식물 기에 니 이 고농도로

축 되는 것을 확인하 고, 최근 Thlaspi caerulescens의

기에 아연이 고농도로 축 되는 것이 밝 짐[18]

.

○ Utasunamyia와 Chaney에 의해서 식물을 사용하여

속으로 오염된 토양을 정화하는 방법이 소개되었고, Baker

등은 처음으로 아연과 카드뮴의 식물을 이용한 정화방법을

실제 오염지역에서 테스트함[19,21]

.

○ Phytoextraction

- 식물의 뿌리를 통해서 흡수된 오염 물질을 식물과 함

께 제거하는 방법임.

- 속을 제거할 때 주로 사용하는 방법으로서 soil,

sediment, sludge 등의 정화에 사용됨.

- 장 은 축 된 속을 함유하는 식물 자체가 하나의

자원으로서의 역할 가능, 를 들어 필수 양소의 하

나인 셀 니움이 축 된 식물은 셀 니움이 부족한 지

역의 가축 사용에 사용[22]

.

- 그러나 속을 비교 빨리 흡수하는 식물들은 체

로 성장 속도가 느리기 때문에 정화하는데 걸리는 시


간이 길어질 수 있고, 속을 축 한 후에는 식물을

제거한 후 속을 추출하거나 혹은 한 방법을

사용해서 폐기 처분해야 하기 때문에 추가 경비 소요.

- 정화 가능한 오염물질은 카드뮴, 코발트, 크롬, 구리,

수은, 망간, 몰리 덴, 납, 아연, 등의 속과 우라늄,

세슘, 루토늄 등의 방사선 동 원소가 주를 이룸.

- 1990년 반의 연구결과에 의하면 Indian mustard인

Brassica juncea가 납, 6가 크롬, 카듀뮴, 니 , 아연 등

을 효율 으로 축 하 는 것으로 밝 짐[23]

.

- Alpine pennycress 인 Thlaspi caerulescens 는 니 과

아연의 축 에 큰 효과가 있는 것으로 밝 졌고,

Thlaspi rotundifolium은 납을 효율 으로 축 하는 식

물로 알려짐[24]

.

- 경제 인 측면에서도 효과가 있으며, 를 들어 20 인

치 둑께의 모래가 많은 토양을 정화하는데 통 인

excavation and disposal 방법을 사용하면 약 540만 달

러가 소요되는데 비해, phytoextraction 방법을 사용할

경우 6만 내지 10만 달러 비용으로 가능[23]

.

○ Rhizofiltration

- Rhizofiltration은 식물의 뿌리나 뿌리 주변에 속

등을 흡착시 키거나 침 시킴으로서 오염 물질을 정

화시키는 방법임.

- 뿌리에서 나온 분비물에 의해 속이 침 되기도 하

는데 이러한 과정을 통해서 해로운 속이 다른 지역

으로 이동하지 못하게 일정 지역을 고정시키는 효과를

가질 수 있음.


- 뿌리 주변의 침 되거나 흡착된 속은 식물을 제거

함으로서 제거됨.

- 지하수나 지표수 혹은 폐수 등 수용성 오염지역의 정

화 용 가능하나 토양이나 침 토 등에는 용이 어

려움.

- 육상식물과 수생식물 모두 사용 가능한 것이 큰 장

으로 작용함.

- 육상 식물의 경우 부유 등을 사용하여 지지해 주어

야 하나 정화 효율 면에서 수생식물보다 높은 효과를

보임.

- 효과 극 화를 해서 뿌리 주변으로 흘러 들어오는

유입수 (influent solution)의 pH를 지속 으로 조

해 주어야 함.

- 정화 가능한 속 방사성 동 원소는 납, 카드뮴,

구리, 니 , 아연, 크롬, 우라늄, 세슘 등이며,

- Salt 등은 그린하우스에서 재배한 sunflower (Helianthus

annuus)를 사용하여 망간, 니 , 카드뮴, 우라늄 아연

등을 성공 으로 제거 가능함[23]

.

- Raskin 등의 연구 결과에 의하면, wetland에 서식하는

식물을 이용하여 납, 6가크롬, 니 , 아연, 구리 등의

속을 제거에 효과 임[25]

.

13

제3장

국내외 기술개발동향

1. 국내기술 동향

○ 국내의 경우 국에 906개의 속 산이 있으며, 이

토양 오염의 주원인이 되는 휴․폐 속 산은 894개로

체의 98.7%를 차지.

○ 폐 속 산 지역은 1920년-193년 후로 개발되어

부분 방치된 상태이며 제련과정에서 발생되는 미의 유

실, 갱내수 유출 등으로 주변 농경지 하천 등이 범

하게 오염됨.

○ 오염 방지를 하여 국립환경연구원, 농업과학기술원, 한

국지질자원연구원 등의 기 에서 토양 오염 우려가 큰

158개 산을 상으로 매년 10개씩 토양오염 실태 정

조사사업 착수.

○ 1999년 조사에 의하면 10개 주요 폐 속 산 주변 조사

상 927개 지 가운데 40%인 368개 지 의 속 오

염도가 기 치 과.


○ 속 제거능을 가진 미생물 연구

- 속 제거능을 가지고 있는 미생물의 고정화

속 제거 기작과 련이 있는 유 자를 분리를 하여

재조합 균주를 제조하여 기존의 미생물이 가지고 있는

속 제거능을 개선하는 기술

- Escherichia coli ATCC 33456균주가 가지고 있는,

Cr(VI)를 Cr(III)로 변환시켜, 수 에 존재하는 OH-

와 침 을 유도하는 Cr(VI) reductase를 분리,

Citrobacter sp. N14 균주가 가지고 있는 phosphatase

를 분리해냄.

- 본 기술에 해 선진국에서는 10여년 정도 집 인

연구를 진행하고 하 고, 미국의 경우 EPA(US

environmental Protection Agency)의 지원을 받아 기

업, 연구소, 학 등에서 활발한 연구가 수행되어 미생

물을 이용한 일부 속 처리기술이 실용화되기 시작

하 으나 아직 개발 기단계임.

- 재조합 균주를 고정화담체에 고정화함으로써, 기존의

이온교환수지의 생산원가에 비해 최 6배이상 은

비용 생산이 가능하며, 일정한 조건 유지, capacity,

selectivity 면에서 유리함.(미생물($5/kg)+고정화비

용($1/kg)<이온교환수지($15-30/kg))

- 재조합 균주의 기존의 야생형이 가지고 있는 속

제거능에 비해 약 5배 이상의 속 제거능의 개선

효과 기 됨.

- 재조합 균주 제조 고정화 기술을 이 함으로써

량생산을 기 로 한 공 을 용이하게 함.

- 재조합 균주를 고정화담체에 고정한 미생물제제 개발

제3장 국내외 기술개발동향 15

이 가능함

- 재조합 균주를 컬럼에 충진한 형태의 시스템의 개발이 가

능하고, 이와 같은 시스템은 연속 인 공정을 용이하게 함

○ 소각제 내의 증 속 제어기술

- 미생물을 이용하여 소각재 내의 속을 제거하는 방

법에 한 것으로, 소각재에 물과 배지를 혼합하고 미

생물을 첨가하여 배양하면, 미생물이 성장하면서 생성

된 유기산에 의해 소각재 내의 속이 수용액 상으로

용출되고, 수용액 상에서 미생물의 속 흡착능 에 의

하여 상기 미생물에 속이 흡착되면, 그 미생물을 회

수함으로써 제거됨.

○ 속 제거용 미생물 배양기술

- 속 제거용 미생물 배양 바이오 필터를 개발, 특허 출원

- 자연석(심성암, 수성암, 변성암) 흙을 책정되어 있는

양을 혼합하여 325mesh이하로 쇄석하여 고주 화학

물리 반응에 의하여 자 자장을 갖게 하고

외선 방사유를 증폭시켜주고 산화망간에 의해 산소가

발생되게 하고, 미네랄의 활성화되게 하여 와 같은

역할을 할 수 있는 원료를 제조하는 방식을 제공.

○ 식물을 이용한 토양 속 제거기술

- 식물을 이용한 휴·폐 산 토양의 속 제거방법임.

- 식물을 이용한 휴·폐 속 산토양의 속 제거방법

에 한 것으로 유황가루(S)를 퇴비와 함께 속이

오염된 토양에 투여한 다음 쑥(Artemisia princeps)을


식생 재배함으로서 카드뮴(Cd), 아연 (Zn), 납(Pb)등

의 흡수능을 획기 으로 증 시켜 제거.

- 속 오염토양에 분말유황(S) 0.3~0.6 TON/HA를

퇴비 10~30 TON/HA와 함께 처리한 후 쑥을 재배하

므로써 속이 오염된 토양으로부터 식물체 내에

유효태 속 이온을 축 시킴을 특징으로 하는 식물

을 이용한 휴·폐 속 산토양의 속 제거방법.

- <그림 1>은 무처리구와 퇴비처리구의 재배 후의 Cd

의 형태별 함량 변화를 비교한 것으로, 재배 에 비

해 재배 후 토양에서 Cd의 총량이 감소. 무처리구의

경우 치환태와 유기물 고정태 함량은 다소 증가한 반

면, 탄산염 산화물태와 황화물 잔류태의 함량이 감소

하 으며 특히 탄산염 산화물태의 함량이 크게 감소함.

무처리구와는 달리 퇴비 처리구의 경우, 치환태, 탄산

염 산화물태, 황화물 잔류태의 함량은 감소하 으나,

유기물 고정태의 함량은 증가됨.

<그림 3-1> 무처리구와 토비 처리구의 재배 후의 Cd별 함량변화 비교


- <그림 3-2>는 무처리구와 황 처리구의 재배 후의

Cd의 형태별 함량 변화를 비교한 것으로, 황 처리구

의 토양은 재배 에 비해 재배 후가 치환태 함량이

퇴비 처리구와는 달리 증가하 고, 유기물 고정태 함

량도 증가하 으나, 탄산염 산화물태와 황화물 잔류태

의 함량은 감소.

<그림 3-2> 무처리구와 황처리구의 재배 후의 Cd별 함량변화 비교

- <그림 3-3>에는 화학비료 처리구와 복합 처리구의 Cd

의 형태별 함량 변화를 비교한 것으로 총함량은 재배

후에 따른 차이를 보이지 않음. <그림 3-1> <그

림 3-3>을 통해 Cd의 형태별 함량의 특징을 살펴보면,

체 으로 탄산염 산화물태의 함량이 식물체 재배

에 비해 식물체 재배 후에 감소하는 것을 알 수 있었

고, 총 함량에 한 형태별 비율은 탄산염 산화물태,


황화물 잔류태, 치환태, 유기물 고정태 순으로 나타남.

<그림 3-3> 화학비료처리구와 복합처리구의 Cd 형태별 함량변화 비교

○ 황산화 세균을 활용한 속 제거기술.

- 폐수 처리장에서 발생하는 활성 오니 기·호기 소

화 슬러지, 하천과 호수의 퇴 오니, 속 오염 토

양, 소각재 등과 같이 속을 함유하는 오염 폐기물

을 황산화 세균 티오바실러스 티오옥시단스 엠이티

(Thiobacillus thiooxidans MET) KCTC 8928P를 이용

하여 생물학 으로 속을 용출하는 방법.

- 기·호기 소화 슬러지 활성오니의 속 제거에

있어서, 불용성 속을 함유하는 기·호기 소화 슬

러지 는 활성오니에 황산화 세균인 티오바실러스 티

오옥시단스 엠이티 균주를 종한 다음, 상기 균주가

종된 슬러지 는 활성오니에 황산화 세균의 에 지


원인 유리황을 첨가하여 혼합하고 공기를 공 하면서

배양하고, 상기 균주가 배양된 슬러지 는 활성오니

의 pH가 1.5∼2.5 범 에 이르 을 때 상기 슬러지

는 활성오니를 탈수하며, 상기 탈수된 고형 슬러지는

석회석으로 화처리하고, 분리된 폐액은 화 처리하

여 침 시키는 단계로 구성.

○ 유기담체 충 층 반응기를 활용한 속 제거기술

- 유기성 담체 함유 충 층 반응기를 이용하여 폐수에서

속을 제거하는 생물학 방법임

- 황산염 환원 세균을 이용하여 6가 크롬 등의 속

함유 폐수를 처리하는 방법에 있어서, 불용성의 고형

유기물 (유기성 담체)가 충 된 충 층 반응기를 이용

하는 폐수 처리 방법.

- 속의 처리 효과를 높이기 해서, 유기 수용성 폐

수를 유기성 담체와 혼합하거나 는 별도로 동시에

공 할 수 있는데, 이 때 유기성 폐수에서 유래하는

유기물이 처리수로 배출되지 않도록 운 함으로써 동

시에 두 가지 폐수의 처리가 가능.

- 황산염 환원 세균을 이용하여 속 함유 폐수를 처

리하는 방법에 있어서, 폐수를 석회석으로 화시키고,

기성 소화조 오니와 혼합한 후, 고형 유기물로 충

된 충 층 반응기에 투입하여 환원 처리하는 것을 특

징으로 하는, 속 함유 폐수 처리 방법.

○ 서울 학교-한국특허 533,873[31]

- 속 제거를 한 생물흡착제의 제조방법 그에


의해 제조된 생물흡착제

- 속 제거를 한 생물흡착제의 제조방법 그에

의해 제조된 생물흡착제에 한 것으로, 폴리비닐알콜

수용액에 알긴산 는 갈조류를 혼합, 가열하여 폴리

비닐알콜에 알긴산 는 갈조류가 고정화된 생물흡착

제 구체 용액을 제조하는 단계 제조된 생물흡착

제 구체 용액에 잔탄검 계면활성제와 루타르

알데하이드가 함유된 붕산수용액을 첨가하여, 상기 생

물흡착제 구체의 표면을 변형시켜 구형의 생물흡착

제를 제조하는 단계, 제조된 생물흡착제를 숙성시킨

후, 여과, 세척, 건조하는 단계를 포함하여 이루어지는

속 제거를 한 생물흡착제의 제조방법 그에

의해 제조된 생물흡착제.

○ 국내의 경우 생물학 인 방법에 의한 속의 제거에

한 연구는 매우 미미한 수 임. 국내의 경우 속

제거는 주로 물리 화학 방법에 의존하고 있음[32,34].

2. 해외기술 동향

○ 과거 20년간 다양한 연구기 과 로그램을 활용하여 미

연방정부나 주정부에 의해 밝 진 오염 지역의 수는 50

만 지역으로 조사되었고, 이 20만 지역은 오염이 심

각하여 지속 인 정화와 리가 필요한 상태로 보고되고

있음.


○ 속이나 방사성 동 원소 등 정화하기 까다로운 오염

물질이 많은 DOE의 1만여 오염 지역은 정화시키는데

향후 70년 정도 소요되고 경비는 약 2천억 달러 상됨.

<표 3-1> 미국내 환경오염지역을 리하는 기 로그램[2]

구분 오염지역 수 정화완료 정연도 총정화비용(억 $)

NPL 547 미결정 70

RCRA 3,000 2025 390

UST 165,000 미결정 210

DOD 8,336 2015 290

DOE 10,500 2070 630

CFA 700 이상 지역에 따라 상이 150

States 29,000 지역에 따라 상이 130

총계 217,083 2015-2070 1,870

○ Superfund Sites

- 미국 EPA에 의해 진행되는 연방 로그램으로서 휘

발성 유기물질, 속 각종 유해 물질로 오염된

지역을 복원하기 해 만들어짐. (<그림 3-4> 참조)


<그림 3-4> 생물학 복원기술의 유율[36]

- EPA의 보고에 따르면 78%가 휘발성 유기물질에 의

해서, 77%는 속에 의해서 오염됨.

- 이러한 속 오염 지역은 EPA 지역뿐만 아니라

DoD 나 DOE 지역에서도 범 하게 오염.

- DOE 지역은 미국 체 오염 지역의 1/3에 해당하며,

납, 6가 크롬, 수은, 아연, 베릴륨, 비소, 카드뮴, 구리

등으로 오염.

○ Department of Chemical Engineering, University of

California, Berkely[2,37]

- 미생물의 사 과정을 유 자 조작을 통해 변화시킴으

로서 환경 오염물질을 정화하는데 응용하려는 시도를

하고 있음.

- 미생물의 사산물로 방출하는 hydrogen sulfide를 이

용해서 속을 침 시키려는 시도가 이루어져 왔으


나 여러 가지 제한 요인 특히 본 미생물은 기성 조

건에서 자라는 등의 문제로 아직 실용화 단계에 이르

지 못함.

- 호기성 미생물인 장균에서 sulfide가 방출되도록 만

듦으로서 속을 침 시키려는 연구 수행

○ Department of Geology and Environmental Science,

Stanford University, Stanford[2,38]

- 6가 크롬이나 우라늄은 미생물의 호흡과정을 통해 미

생물 내의 환원효소에 의해 환원되어 침 됨으로서 독

성을 감소

- Shewwanella alga(Strain BrY)를 상으로 6가 크롬

의 간 인 환원작용을 으로 연구.

- BrY와 hydrous ferric oxide mineral의 혼합물에 6가

크롬을 지속 으로 흘려 주면서 3가 크롬으로의 환원

성을 조사한 결과 이 과정에서 미생물의 호흡과정을

통해 형성된 Fe(II)가 매로 작용하여 6가 크롬을 3

가 크롬으로 환원시키고 자신은 환원되는 상 발견.

○ California Polytechnic State University, Department of

Civil & Environmental Engineering, San Luis Obispo,

California[2].

- 미생물을 이용하여 보다 효율 으로 6가 크롬을 정화

하기 하여 소형 라스틱 칩이 충진된 KONTES

Airlift Bioreactor를 사용.


<그림 3-5> 스탠포드 지구환경과학과 Fendorf 박사 실험실에서의 속 제

거 토양 복원 개략도

- 칩을 사용함으로써 미생물이 흡착할 수 있는 표면 을

증 시켜 주는 동시에 양분 흡수를 극 화할 수 있

는 효과를 낼 수 있음.

- 지 까지 미생물을 라스크 등에서 순수 배양하면서

6가 크롬의 환원 능력을 조사한 연구결과는 자주 발표

되었으나, bioreactor를 사용하여 환원효율을 체계 으

로 분석한 경우는 거의 없었으나 본 연구 기 에서 연

구를 통하여 그 가능성을 보여 .

○ Department of Civil & Environmental Engineering,

Stanford University, California[2,39].


- Chlorinated ethene의 기 분해 기작을 DuPont 사

DOE와 공동으로 수행

- 지 까지 chlorinated aliphatic hydrocarbon을 정화시킬

수 있는 미생물 군집은 다수 발견되었으나 구체 으로

어떤 종류의 미생물이 tetrachloroethylene(PCE)을

ethene으로 변환시키는지에 해서는 아직 밝 진 바

는 없음.

- 미생물을 환경정화에 보다 효율 으로 응용하기 하

여 작용 미생물을 정확히 동정하는 기법 연구.

○ Dipartimento di Ingegneria Chimica e di Processo, Italy[40].

- Sphaerotilus natans에 의한 카드뮴과 구리를 수용액상

으로부터 생물흡착으로 제거하는 연구를 수행

- 카드뮴과 구리의 생물흡착 평형은 pH biomass의

농도에 크게 의존하는 것으로 알려져 있음.

○ Department of Chemical Engineering, McGill University,

Ca[41]

.

- 바이오 매스를 이용하여 용액으로부터 속을 농축,

제거시킴.

- 생물 흡착 기술은 극히 가격 인 면에서 유리하고,

한 최근 많은 연구를 수행하고 있는 분야로 부상되고

있음[42,47].

27

제4장

결론 및 제언

○ 우리는 일반 으로 환경 문제를 산업의 발달로 불가항력

으로 나타나는 상으로 치부해 왔으나, 환경은 한 세

의 유물이 아니라 자손 로 오랫동안 보존해야

할 의무가 있음.

○ 환경문제는 기본 으로 오염된 후 정화 복원하는 기술을

요하는 것이 아니라 생산 단계에서부터 오염을 방지하는

것이 최선임.

○ 토양이나 지하수와 같은 일단 오염이 된 후에는 복원이

어렵거나 천문학 인 비용을 투자해야 복원 가능함.

○ 오늘날 미국이나 일본과 같은 선진국의 경우, 오염토양

이나 지하수의 복원이 보편화되어 있으며, 사 오염 방

지를 한 책이 잘 마련되어 있음.

○ 우리나라의 경우, 토양 오염, 지하수 오염 등의 복원은

시작 단계에 불과하며, 따라서 무조건 선진국의 를 따

르기보다는 우리의 실정에 맞는 친환경 방법을 검토

복원에 용하려는 노력 필요.

○ 통 인 방법에 의한 속의 제거 방법으로 화학침

여과(Chemical precipitation and filtration), 화학

산화 는 환원(Chemical oxidation or reduction), 기


화학 처리(Electrochemical treatment), 역삼투

(Reverse Osmosis), 이온교환(Ion exchange), 흡착

(Adsorption), 증발(Evaporation) 등이 있음.

○ 이런 통 인 방법은 일반 으로 고농도 분리에는 용이

하지 않거나 분리공정 자체가 매우 까다롭거나 효과가

의문시 되는 공정도 있으며, 혹은 처리 결과 슬러지를

발생시키기도 하고, 첨가제를 추가로 요구하기도 하며,

는 주 환경에 매우 민감한 경우도 있고, 고압과 스

일을 형성하거나 비용이 고가인 것 등의 문제들을 내

포함.

○ 국내의 경우 재, 주로 분리막을 이용한 여과, 이온교환

수지의 사용, 는 화학 침 등의 물리 화학 방법

을 주로 사용하며, 선진국에 비해 생물학 처리방법에

한 연구가 극히 미비.

○ 한 국내의 경우, 속 오염의 상당부분이 폐 산으

로부터 발생하고 있음에도 불구하고 아직 구체 인 실태

조사가 없었으며, 얼마 속 오염에 의한 양 주

민들의 항의와 같은 사태가 벌어졌음에도 불구하고 처

능력이 미비 등 반 리의 부재.

○ 향후, 속 오염지역의 면 한 찰과, 오염지역 확산

방지를 한 책, 그리고 친환경 인 속 오염 제거

법인 생물학 방법 등의 연구 확 로 기술 노하우 축

이 필요할 것으로 망.

29

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inpress.

저자소개

김 종 학

․공학박사

․ , 연세 화학공학과 교수

․ 서: 에 지 사 등

강 종 석

․공학박사

․ , 한국과학기술정보연구원 선임연구원

․ 서: BT분야 국가연구개발 심층분석,

리튬이차 지 등

BB092 김종학․강종석

중금속 제거 기술

2005년 12월 19일 인쇄

2005년 12월 23일 발행

발행처

서울특별시 동 문구 청량리동 206-9

ꂕ 130-742

화 : 3299-6114

등록: 1991년 2월 12일 제5-258호

발행인

조 화

인쇄처

신기획

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중금속 제거 기술 - KISTIgift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI-200512-KJH-heavy... · 2008-11-18 · 2 생물학적 방법에 의한 중금속 제거 기술 2. 연구의 방법