본 연구의 목표는 전기화학적 활성미생물의 활성도 변화를 측정하여 독성물질의 유입을 신속하게 감지할 수 있는 새로운 독극물 감지센서와 이를 이용한 독극물 감지장치를 개발하고, 독극물에 대한 반응성 테스트와 현장 적용을 통해 센서와 기기를 최적화함으로써 효과적인 수질의 독성물질 감시를 위한 시스템을 구성함에 있다.

이에 본 연구에서는 전기 화학적 활성균과 Bio-electrochemical Technique를 이용한 미생물 연료전지형 독극물 감지센서를 개발하였으며, 개발된 센서에 수질 측정항목 9가지 규제항목(Cd, As, CN, Pb, Hg, 유기인, 6가 크롬, PCB, 계면활성제)에 해당하는 물질을 적용하여 이에 대한 전류의 변화를 측정하여 반응성을 연구하였다. 위 독극물 감지센서를 장착하여 독극물 감지장치를 개발하였으며, 현장에 설치하여 운전하였을 때 현장폐수에 대한 반응성 및 복합 독극물의 감지범위, 기기의 안정성 등을 종합적으로 평가하였다.

미생물 연료전지형 독극물 감지센서에 Cd, As, CN, Pb, Hg, 유기인, 6가 크롬, PCB, 계면활성제를 포함한 폐수를 적용하여 전류값의 변화를 살펴본 결과, 독극물질이 전기화학적 활성미생물의 정상적인 전자전달 체계에 영향을 미쳐 정상적인 전류생성 패턴에 영향을 주어 반응성을 나타내었다.

그결과 미생물 연료전지를 독극물 감지센서로 이용하는 독극물 감지장치를 개발하였다. 시료는 살균용 자외선 램프를 이용한 전처리조를 통과하여 협잡물이 제거되어 센서로 유입되며, 독극물 감지센서는 센서의 온도를 일정하게 유지시켜 주는 항온장치 내에 장착되어 출력 신호의 안정성을 확보할 수 있었다. 또한 독극물 감지센서는 2개를 장착하여 독극물의 유입으로 센서내부의 기능에 손상을 입었을 때에도 즉시 측정이 가능하도록 구성하였다. 독극물 센서로부터의 신호는 전압측정기를 이용하여 측정되며 Coulombic Yield의 차이에 의해 독성도(단위:%)로 계산되어 화면에 나타나며 일정 독성도 이상이 되면 경보기능이 작동하도록 하였다.

독극물 감지장치의 현장폐수에 대한 적용성을 알아보기 위하여 폐수처리장 유입구에 설치하였다. 현장시료에 임의로 납과 카드뮴의 환경기준치 농도인 0.1mg/L과 0.01 mg/L을 주입하여 준 결과, 전류값이 급격히 감소하였으며 약 36%의 독성도를 나타내었다.

본 연구를 통해 개발된 미생물 연료전지를 이용한 독극물 감지장치는 기존의 생물학적 방법을 이용한 독극물 감지장치에 비해 센서부 미생물의 배양 및 유지를 위한 부가적인 관리가 불필요하고 단시간 내에 유입된 독극물 감지가 가능하여 보다 신속하게 오염물을 제어할 수 있다. 또한 타제품과 결합된 효율적인 환경감시 시스템의 구축이 가능함으로써 후처리공정의 미생물 보호 및 전체공정의 조절과 운영의 효율성을 증대하는 효과를 나타낼 것으로 생각된다.

 

국내 시판되고 있는 감지장치는 대부분은 수입제품인데 비해, 본 개발기술은 센서부를 포함하여 기술전반의 국내화로서 기기 설치와 운영, 그리고 추후의 센서부의 유지, 관리 및 보수가 매우 간편하며 After Sales Service 및 부품교체 등을 위한 부가적인 비용을 최소화함으로써 타제품에 비해 경제적 손실을 최소화 할 수 있다.

개발된 독극물 감지장치는 상수원 보호를 위한 정부기관 산하의 많은 국내외 관리시설 및 상수원보호구역, 그리고 하수종말처리장의 유입구 및 방류구 유역에 주로 적용시켜 독극물 유입에 대한 사전감지 및 차단수단으로 적용시킬 수 있다.

 

또한 독극물 방류 가능성이 높은 기업을 중심으로 설치함으로써 미연에 방지하는 제어시스템으로서 그 활용성이 높다. 뿐만 아니라 현재 다양한 환경규제항목들에 대한 측정기기 및 설비들과 연계하여 전반적인 시스템을 운영, 제어하는 총괄시스템으로의 구축이 가능하여 실시간 모니터링이 요구되는 처리장 및 시설에도 그 적용 가능성이 매우 높을 것으로 생각된다.

 

[출처 = 한국환경산업기술원(www.keiti.re.kr)]