미세조류를 활용한 축산폐수 처리과정에서의 저농도 Sulfonamide 분해 및 영양물질 제거

성수영 ( Sooyoung Sung ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2019 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2019 No.-

미세조류를 활용한 가축분뇨의 페자원에너지화시 항생제 제거에 의한 독성저감

성수영 ( Sooyoung Sung ),김정민 ( Jungmin Kim ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

축산농가의 수는 2017년 기준 201,745호로 감소추세 이나, 축산폐수발생량은 176,434 m³/d로 오히려 해마다 증가하고 있다. 축산폐수는 고농도의 질소, 인 및 유기물을 함유하여 부영양양화(적조, 녹조)를 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 대량사육과 질병예방을 위한 항생제 남용으로 일부 잔류하다고 알려졌다. 농·산업 그리고 가정폐기물에서도 검출되는 이 잔류항생제는 수계로 노출될 시 잠재적으로 인간에게 독성을 미쳐 생활과 보건에 혼란을 줄 수 있다. 따라서 본 연구는 축산폐수 내의 고농도 유기물 및 영양염류를 동시에 제거하며 바이오매스를 합성하는 광독립영양 미세조류를 파악하여 조류바이오매스를 활용한 가축분뇨 에너지화 방법의 적용 타당성을 평가하였고, 이 과정에서 항생제 제거율과 Daphnia magna를 활용한 생태독성의 저감율을 모니터링하였다. 본 연구는 미세조류 식종균인 Chlorella sorokiniana을 28℃ 인큐베이터에서 1L bottle의 용량으로 Phototrophic 조건(연속 빛조사)과 Mixotrophic 조건(16hr light-8hr dark 주기 반복)으로 Batch test를 진행하였다. 실험결과 Control 대비 미세조류 평균 비성장률(specific growth rate)이 Control은 0.25 d^-1인데 반해 sulfamethoxazole, sulfathiazole, sulfamethazine를 투입한 실험구는 각각 0.34 d^-1, 0.33 d^-1, 0.32 d^-1로 밝혀져 거의 비등하게 성장함을 보였다. LC/MS/MS 분석을 통하여 항생제 농도분석 결과 농도의 감소는 ~10% 미만 저감되는 것으로 나타났다. TU는 1.4에서 0.7로 저감되는 결과를 보였다. 또한 Phototrophic 조건(20%)보다 Mixotrophic 조건(40%)이 TU를 상대적으로 더 크게 낮추는 것으로 밝혀졌다. 본 실험은 미세조류가 잔류항생제의 영향을 받지 않고 질소(>65%)와 인(>80%)의 제거율을 매우 높게 유지할 수 있음을 보였으며, 항생제도 10%가량 제거가 가능함을 보였다. 종합하면, 본 연구는 생물학적 가축분뇨 처리 시 조류Biomass생성 및 항생제 제거를 동시에 진행하여 생태계로부터 폐자원 에너지화 생성과 항생제 독성위험을 낮출 수 있음을 보여준다.

경미범죄 감경제도의 실태 및 개선방안에 관한 연구

성수영(SooYoung Sung) 마인드교육융합학회 2022 마인드 교육 Vol.1 No.2

본 연구는 경찰 단계에서 경미한 범죄에 대한 처리 절차상 회복적 사법을 적용하여 범죄행위로 인한 다양한 갈등과 문제해결을 위한 개선방안을 제시하기 위한 목적의 연구이다. 현재의 경찰 단계에서 경미 범죄에 대한 대응 방식의 문제점과 한계상황에 대한 진단을 통하여 회복적 사법을 알맞게 적용하기 위한 조직구성원들의 사물을 분별하고 판단하는 인식 제고와 공감대 확산 및 회복적 사법제도 적용을 위한 경찰조직과 운영체계의 정비가 우선 되어야 한다. 즉결심판 제도에 대한 효율적 활용에 있어 경찰의 단계에서 경미 범죄에 대한 즉결심판 청구나 훈방권 행사가 적극적으로 이루어지지 못하는 현실을 감안하면, 경미범죄에 대한 즉결심판 절차법에 따른 훈방처분이나 형사입건을 경찰의 감경 처분으로 즉결심판을 청구할 수 있는 근거 규정의 정비가 이루어져야 한다. 이러한 명확한 법적 규정에 의하여 경찰 단계에서 경미범죄 사건을 종결 처리할 수 있는 즉결심판 청구와 훈방처분의 활성화가 필요하다. 지역사회의 실질적인 참여를 위해서 지역 경찰과 사건 관계자뿐만 아니라, 지역사회가 골고루 참여하여 서로 의견과 필요한 정보를 교환하고 무엇보다 중요한 같은 범죄가 일어나지 않도록 예방과 억제를 통해 불안감을 없앨 수 있는 실질적 경찰활동 프로그램이 개발되어야 한다. The purpose of this study is to present improvement measures for solving various conflicts and problems caused by criminal acts by applying restorative justice in the process of handling minor crimes at the police level. At the current police stage, it is necessary to improve the awareness of identifying and judging objects of members to properly apply restorative justice through diagnosis of problems and limitations in responding to minor crimes, spread consensus, and improve the police organization and operating system. Considering the fact that the police are not actively seeking summary judgment or exercising the right to discipline minor crimes at the police stage in efficient use of the summary judgment system, it is necessary to reorganize the grounds for requesting summary judgment through police mitigation. In accordance with these clear legal regulations, it is necessary to activate the request for summary judgment and disciplinary action that can terminate minor crime cases at the police stage. For the actual participation of the community, not only local police and incident officials, but also local communities should participate evenly to exchange opinions and necessary information, and most importantly, to eliminate anxiety by preventing and suppressing the same crime.

축산폐수처리를 위한 미세조류 선정 및 성장 저해동역학적 평가

성수영 ( Sooyoung Sung ),이재철 ( Jae-cheol Lee ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

인구의 증가와 산업화는 돼지, 소, 닭 등의 육류 식품의 급격한 수요증가를 초래하여 축산폐수발생량 역시 증가하였다. 2012년 해양투기의 법적 금지는 축산폐수 발생량을 173,304m³/day에 이르게 하였고 지속적인 증가추세에 있다(2016, 환경부). 축산폐수는 고농도의 질소, 인, 유기물을 포함하므로 수계 노출 시 부영양화를 유발하여 인간의 생활과 보건에 혼란과 악영향을 초래한다. 이러한 문제해결을 위해 혐기성 생물공학기술, 화학적 산화기술 등이 적용되어 왔으나 고부하에 취약하고 높은 비용을 요구하는 한계를 지닌다. 최근 새로운 대안으로 미세조류를 활용한 처리방법이 주목받고 있는데, 그 이유는 광독립영양 성장을 하는 미세조류의 특성상 빛에서 에너지를 얻어 경제적으로 지속가능하고 CO₂를 탄소원으로 이용하여 탄소중립적으로 폐수 내의 고농도의 질소와 인을 동시에 처리할 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구는 축산폐수내의 고농도의 유기물 및 영양염류를 동시에 가장 효과적으로 제거 가능한 미세조류를 문헌조사하여 대상 미세조류의 적용 타당성을 평가하였고, 최적 종을 선정하기 위한 성능평가 및 성장저해 분석을 수행하였다. 문헌조사를 통해 선정된 Scenedesums quadricauda, Scenedesums obliquus, Chlorella sorokiniana 을 28℃ 인큐베이터에서 500mL bottle의 용량으로 Phototrophic 조건(연속 빛조사)과 Mixotrophic 조건(16hr light-8hr dark 주기 반복)으로 Batch test를 진행하였고 그 결과를 성장 동역학적으로 해석하여 최적 종을 제시하였다. 실험은 BG-11을 대조구(Control)로 하여 미세조류의 cell counting결과를 바탕으로 비성장률(specific growth rate)을 도출한 결과 0.293 hr^-1 (Scenedesums quadricauda), 0.302 hr^-1(Scenedesums obliquus), 0.243 hr^-1(Chlorella sorokiniana) 로 밝혀져 Scenedesums obliquus 가 가장 빠른 성장속도를 보였고, 축산폐수를 원수, 2배, 5배, 10배 희석을 하여 미세조류를 배양했을 때에도 최적의 유기물 및 영양염류 제거가 가능함을 보였다. 본 연구는 최적미세조류를 활용한 축산폐수 처리가 저에너지를 사용하며 기후변화에 대응하고 지속가능한 고농도 축산폐수처리 방법이 될 수 있음을 입증 하였다.

축산폐수 내 sulfonamide 계 항생제에 대한 미세조류 활용한 메커니즘 및 독성 평가

성수영 ( Sooyoung Sung ),이재철 ( Jae-cheol Lee ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

축산폐수는 고농도의 질소, 인 및 유기물을 포함하므로 수계 노출 시 수계 생태계뿐만 아니라 인간의 건강에도 해로운 영향을 미친다. 또한 대량사육을 위한 동물용 항생제를 사용한다. 축산폐수에 남아있는 항생제는 전통적인 폐수처리에서 할 수 없고 항생제에 대한 내성을 활성화시킬 수 있다. 이를 처리하는 대안으로 미세조류를 활용한 처리방법이 주목받고 있는데, 그 이유는 광독립영양 성장을 하는 미세조류의 특성상 빛에서 에너지를 얻어 경제적으로 지속가능하고 CO₂를 탄소원으로 이용해 탄소중립적으로 폐수 내의 고농도의 질소와 인을 동시에 처리할 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구는 전 세계 축산업에서 많이 사용되는 sulfonamide계 항생제가 혼합영양(mixotrophic) 조건과 광 독립영양(phtoautotrophic) 조건에서 성장하는 미세조류 성장 동역학에 어떠한 영향을 미치는지를 평가하고, 어떠한 항생물질 제거 메커니즘이 성장억제와 관련이 있는지 확인한다. 사용된 미세조류의 종은 선행연구를 통해 선정된 Scenedesmus quadricauda 이었다. 이를 28℃ 인큐베이터에서 1L bottle의 용량으로 광 독립영양 조건(연속 빛조사)과 혼합영양 조건(16hr light-8hr dark 주기 반복)에서 batch test를 진행하였다. 항생제는 sulfonamide계의 3종류(sulfamethazine, sulfamethoxazole, sulfathiazole)를 사용해 미세조류의 성장, 저해, 항생제 제거율을 평가하였다. Control 1 대비 미세조류 cell counting 결과를 바탕으로 비성장률을 도출한 결과 최소 0.07 d^-1, 최대 0.26 d^-1 로 억제가 됨을 알 수 있었다. 질소, 인 그리고 황의 제거율은 71, 83, 90 % 였다. 축산폐수 내의 항생제의 농도 변화를 LC/MS/MS 분석을 통해 확인한 결과 sulfathiazole, sulfamethazine, sulfamethoxazole은 42-99 %, 42-67 % 및 44-55 % 제거 될 수 있음을 보여주었다. 항생제 감소에 따라 Daphnia magna 에 대한 치사농도의 비율도 감소하여 항생제 분해가 독성 감소와 관련이 있음이 입증되었다. 본 연구결과 미세조류를 통한 축산폐수처리와 동시에 생물학적 흡착/흡수 기작으로 항생제를 제거하는 방법 개발에 기여할 수 있으며, 나아가 축산폐수를 처리한 미세조류의 수확은 생태계로부터 항생제의 위험 최소화에 도움이 될 수 있음을 의미한다. 사사: 이 논문은 2018년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. (NRF-2017R1A2B4012762)

미세조류를 활용한 축산폐수처리시 Sulfonamide 항생제의 성장저해평가

성수영 ( Sooyoung Sung ),이재철 ( Jae-cheol Lee ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회 2018 젊은 연구자 학술연구발표회 Vol.16 No.0

소규모 하수처리장 방류수 후처리를 위한 막여과 광생물반응조와 화학적 후처리 성능비교

김정민 ( Jungmin Kim ),성수영 ( Sooyoung Sung ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

2017년도 기준 소규모하수처리장(500 m³/d 이하)개소 수는 일반 하수처리장(500 m³/d 이상)의 5배 이상 이지만 계절적 요인에 의한 유입특성 변화에 따라 처리효율 변동 폭이 크다. 특히 여름철 혹은 겨울철의 유입유량과 오염물질 성상의 변동은 혐기조, 무산소조, 혐기조를 이용하는 생물학적 처리효율의 급격한 저하를 가져와 수계의 부영양화를 초래하거나 방류수 수질기준 준수를 어렵게 하는 실정이다. 이 문제에 대한 현행 방류수 수질기준 대응방안은 미생물제제 혹은 화학약품의 활용인데 수질기준은 맞출 수 있지만 운영상의 경제적인 부담으로 연결될 수 있다. 이에 본 연구의 목적은 소규모하수처리장의 주된 애로사항인 질소와 인 제거 효율의 최적화 방안을 고찰하는 것이다. MPBR(막여과광생물반응조)를 통한 생물학적 질소/인 처리공정의 최적운영조건 도출, 질소 제거제 활용방안 마련 및 인 제거 응집제의 최적 투여방안 비교는 적정 방류수 수질기준을 준수할 수 있는 후처리 공정운영 방안 마련의 근거를 제시한다. MPBR의 경우 HRT(수리학적 체류시간)을 3 d부터 1 d로 줄이며 질소와 인의 제거효율을 평가한 결과 최대 95%의 질소제거율과 83%의 인 제거율을 얻을 수 있었다. HRT가 감소하면 질소와 인의 농도가 증가하지만 방류수 수질기준을 만족함을 확인하였다. 실험계획법을 바탕으로 jar test를 활용하여 질소 제거제와 인 응집제의 양과 pH를 독립변수로 조절하며 질소 제거율과 인 제거율 등을 종속변수로 관찰하였다. MPBR 운영 시 질소와 인의 방류수 수질기준을 만족할 수 있었지만, 화학적 처리의 경우 질소 제거율과 인 제거율이 최대 35% 수준으로 나타났다. 질소제거제와 인 응집제를 사용했을 때보다 MPBR를 후처리 공정으로 운영했을 때에 더 높은 후처리 효율을 기대할 수 있었다. 이상의 결과를 종합하면 본 연구는 MPBR을 활용한 생물학적 후처리가 방류수 수질악화 방지 및 개선에 가장 적합함을 보였고, 질산화 및 탈질 미생물 제제로 확인되는 질소제거제의 효과를 담보하기 위해서는 체류시간의 확보가 중요함을 밝혔으며, 화학적 인 제거를 위한 최적 응집제 투여가 유출수의 인농도 제거에 획기적인 성능을 보임을 입증하여 실용적이고 지속가능한 소규모하수처리장 운영방안 마련에 기여한다.

잔류항생제의 농도가 가축분뇨로 배양된 미세조류 바이오매스기반 바이오디젤의 수율에 미치는 영향

정상준 ( Sangjun Jeong ),양솔 ( Sol Yang ),성수영 ( Sooyoung Sung ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

육류소비 증가는 다량의 축산업 잔재물 및 가축분뇨를 발생시키는 원인이 된다. 이 잔재물과 가축분뇨 내에는 고농도의 질소, 인, 유기물 뿐 만 아니라 가축 질병 예방을 위한 항생제가 잔류하는 것으로 알려져 있다. 가축분뇨를 미세조류로 처리하는 방법은 가축분뇨 내 고농도의 질소와 인을 광합성의 기질로 이용하여 제거할 수 있으며, 분뇨처리 과정에서 배양된 미세조류 바이오매스를 수거해 바이오디젤로의 전환을 가능하게 한다. 선행연구는 미세조류가 가축분뇨 잔류항생제를 저감함을 확인하였으나, 이 항생제의 존재가 바이오디젤 수율에 어떻게 그리고 얼마나 부정적인 영향을 끼치는가에 대한 정보는 부족하다. 따라서 본 연구는 가축분뇨를 처리하여 생성된 미세조류 바이오매스로부터 생성된 바이오디젤 수율에 가축분뇨 내 존재하는 항생제의 농도가 어떠한 영향을 주는가를 규명한다. 실험에 사용한 미세조류는 Chlorella sorokiniana로 과거 연구에서 분뇨 처리의 높은 효율과 함께 다량의 지질 축적이 가능한 미세조류 종으로 보고되어 왔다. 미세조류 배양 실험은 인공배지인 BG-11과 가축분뇨를 배지로 사용하여 혼합영양조건(16hr light-8hr dark 주기반복)에서 batch test를 진행하였고, 사용된 항생제는 Amoxicillin이며 0.01~20 ppm의 범위의 다양한 농도에서 실험하였다. 항생제를 포함하지 않은 대조구(BG-11 배지)의 미세조류 바이오디젤 수율(건조중량 기준 약 5.8~7.2%)과 비교시 가축분뇨 미세조류 바이오디젤의 수율은 항생제의 농도증가에 따라 감소함을 확인하였다. 이는 항생제의 농도가 0.01mg/L에서 20 mg/L로 증가함에 따라 미세조류의 성장이 대조구 대비 약 80% 낮아지는 것으로 나타났고, 이 저해는 지질합성을 방해하여 바이오디젤 수율이 낮추는 원인으로 판단된다. 종합하면, 본 연구 결과는 가축분뇨의 미세조류 처리를 통해 수계에서 고농도의 영양염류 제거와 함께 생태 독성과 같은 위험을 줄이면서 생산 바이오매스를 에너지로 전환할 때 신규오염물질의 영향을 고려하여야 함을 입증한다.

가축분뇨의 잔류항생제가 미세조류 바이오매스기반 바이오디젤의 수율과 구성 성분에 미치는 영향

정상준 ( Sangjun Jeong ),양솔 ( Sol Yang ),성수영 ( Sooyoung Sung ),김현우 ( Hyun-woo Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2020 No.1

가축산업은 사회에 단백질원을 공급하는 중요한 산업이다. 산업의 발전과 더불어 가축산업도 양적, 질적으로 성장하여 총 가축두수가 급격히 증가함에 따라서 가축분뇨와 축산업 잔재물의 배출량도 함께 증가하였다. 이는 질소, 인 및 유기물과 같은 고농도의 오염물질로 인해 부영양화는 심각한 사회 및 환경적인 문제를 야기했다. 또한, 가축 질병을 예방하기 위해 사용된 항생제가 잔류하는 것으로 알려져 있다. 미세조류는 가축분뇨 내 고농도의 질소와 인을 광합성의 기질로 이용하여 제거할 수 있으며, 분뇨처리 과정에서 배양된 미세조류 바이오매스를 수거해 유용한 재생 에너지 원인 바이오디젤로의 전환을 가능하게 한다. 일부 미세조류는 광 독립영양 또는 종속영양의 조건에서 항생제를 흡수 및 분해하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 잔류항생제가 바이오디젤의 수율과 구성 성분에 어떤 영향을 미치는지에 대한 정보는 비교적 적다. 따라서 본 연구는 가축분뇨를 처리하여 생성된 미세조류 바이오매스로부터 생성한 바이오디젤 수율과 구성성분에 가축분뇨 내 존재하는 항생제의 농도가 어떠한 영향을 주는가를 규명한다. 실험에 사용한 미세조류는 Chlorella sorokiniana로 과거 연구에서 분뇨 처리의 높은 효율과 함께 다량의 지질 축적이 가능한 미세조류 종으로 보고되어 왔다. 미세조류 배양실험은 인공배지인 BG-11과 가축분뇨를 배지로 사용하여 혼합영양조건(16hr light-8hr dark 주기반복)에서 batch test를 진행하였고, 사용된 항생제는 Amoxicillin이며 0.01~20 ppm의 범위의 다양한 농도에서 실험하였다. 항생제를 포함하지 않은 대조구(BG-11 배지)의 미세조류 바이오디젤 수율(건조중량 기준 약 5.8~7.2%)과 비교시 가축분뇨 미세조류 바이오디젤의 수율은 항생제의 농도증가에 따라 감소함을 확인하였다. 이는 항생제의 농도가 0.01 mg/L에서 20 mg/L로 증가함에 따라 미세조류의 성장이 대조구 대비 약 80% 낮아지는 것으로 나타났고, 이 저해는 지질합성을 방해하여 바이오디젤 수율이 낮추는 원인으로 판단된다. 바이오디젤의 주요성분 중 C16과 C18의 함량이 산성촉매를 사용했을 때 최대 96% 감소하는 것으로 나타났다. 종합하면, 본 연구결과는 가축산업에서 항생제의 남용이 폐기물-에너지전략의 친환경 전환에 해를 끼칠 수 있으며, 생산 바이오매스를 에너지로 전환할 때 신규오염물질의 영향을 고려하여야 함을 입증한다.