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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.33 No.5 pp.379-388
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2019.33.5.379

Evaluation of inactivation kinetics on pathogenic microorganisms by free chlorine/UV hybrid disinfection system

Young-Seok Seo, Aerin Kim, Min Cho*
Division of Biotechnology, Chonbuk National University, 79, Gobong-ro, Iksan-si, Jeollabuk-do 54596, Republic of Korea
Corresponding author: Min Cho (E-mail: cho317@jbnu.ac.kr)
27/08/2019 11/10/2019 14/10/2019

Abstract


Chlorination and UV illumination are being widely applied to inactivate a number of pathogenic microbials in the environment. Here, we evaluated the inactivation efficiency of individual and combined treatments of chlorination and UV under various aqueous conditions. UV dosage was required higher in waste water than in phosphate buffer to achieve the similar disinfecting efficiency. Free chlorine generated by electrolysis of waste water was abundant enough to inactivate microbials. Based on these, hybrid system composed of sequential treatment of electrolysis-mediated chlorination and UV treatment was developed under waste water conditions. Compared to individual treatments, hybrid system inactivated bacteria (i.e., E. coli and S. typhimurium) and viruses (i.e., MS-2 bacteriophage, rotavirus, and norovirus) more efficiently. The hybrid system also mitigated the photo re-pair of UV-driven DNA damages of target bacteria. The combined results suggested the hybrid system would achieve high inactivation efficiency and safety on various pathogenic microbials in wastewater.



전해 염소수/자외선 결합 시스템을 이용한 병원성 미생물의 불활성화 키네틱스 평가

서 영석, 김 애린, 조 민*
전북대학교 생명공학부, 전라북도 익산시 고봉로 79, 54596

초록


    Ministry of Environment
    2018000700001

    1. 서 론

    최근 독감을 유발하는 novel swine-origin influenza A (H1N1) (Peiris et al., 2009), middle east respiratory syndrome(MERS)로 알려진 coronavirus (Hemida et al., 2013), 장염을 유발하는 rotavirus (Parashar et al., 2006), norovirus (Glass et al., 2009)와 같은 pathogenic virus와 식중독을 유발하는 Listeria monocytogenes (L. monocytogenes) (Allerberger and Wagner, 2009), Salmonella typhimurium (S. typhimurium) (Leclerc et al., 1997)와 같은 pathogenic bacteria에 의한 집단감염 사 례들이 언론 매체를 통해 보고되고 있으며, 이러한 사 회적 이슈로 인해 병원성 미생물을 효과적으로 제어 하는 기술의 필요성이 증가하고 있다. 특히, virus는 숙주(host)를 매개로 하여 증식/감염을 일으키기 때문 에 인간과 동물의 분뇨를 처리하는 배출시설(공공처 리시설, 하·폐수처리시설 등) 내에서의 제어를 하는 것이 위험성 및 위해성을 줄이기 위한 가장 원천적이 고 효과적인 방법이다. 현재, 국내 하수처리장의 방류 수 소독 기준은 대장균 (Escherichia coli, E. coli)에 초 점이 맞춰져 있고, 대부분 염소 소독이나 자외선 (ultraviolet, UV)소독을 주로 사용하고 있다. 그러나, 염소 소독의 경우, 잔류성이 있는 특성으로 하천이나 바다에 유출시 생태계 환경 파괴에 직접적인 영향을 줄 수 있기 때문에 (Travis and Heath, 1981) 배출수 내 소독제로의 사용에 제한이 있다. 최근 들어서 잔류성 이 없는 UV 소독 설비를 갖추고 있는 추세이지만, 방 류수 소독 기준이 bacteria를 3 log (99.9%) 불활성화 시키는 것으로 설계되어 있기 때문에 상대적으로 높 은 UV 조사량(UV dose)을 요구하는 virus를 제어하기 엔 충분하지 않다. UV 소독으로 virus의 3 log 불활성 화 달성을 위해서는 기존 설비를 약 6~10배 확대시켜 야 하므로 설치 및 운영 측면에서 경제성을 확보하기 에는 어려움이 따를 수 있다.

    본 연구에서는 이러한 단점들을 극복하기 위해 연 속적인 소독처리 방법으로써 전 처리로 전기분해를 통해 생성된 전해 염소수를 사용하고, 후 처리로 UV를 조사하는 free chlorine/UV 결합 시스템을 제안 하였다. 유리염소(free chlorine)는 Cl2 gas를 사용하거 나 NaOCl solution(sodium hypochlorite)의 용액을 희 석하여 사용하는 것이 일반적인데, 고농도의 시약이 나 가스의 위험성 등으로 인해 (Kraft et al., 1999) 최 근에는 식 1~4에 나타난 바와 같이 chloride ion을 전 기 분해하여 free chlorine을 발생시키는 공정이 증가 하고 있다.

    Anode: 2Cl Cl 2 (dissolved) + 2e
    (1)
    Cathode: 2H 2 O + 2e 2OH + H 2
    (2)
    Between the electrodes:
    Cl 2  + H 2 O HOCl + Cl + H +
    (3)
    HOCl  OCl + H +
    (4)

    또한, 하수 내에는 chloride ion이 존재하기 때문에 별도로 전해질을 첨가할 필요가 없다. 흥미롭게도 후 처리로 UV 조사를 실시하면, free chlorine은 식 5~7에 의해 광분해 됨에 따라 (Watts and Linden, 2007), 소멸 되기 때문에 잔류성을 갖는 소독제가 환경에 배출되 지 않아 친환경적인 장점이 있으며, 반응을 통해 생성 되는 radical들은 미량오염물질의 제거에 매우 효과적 이다 (Hwang et al., 2017).

    HOCl + UV photons OH + Cl
    (5)
    OCl + UV photons O + Cl
    (6)
    O + H 2 O OH + OH
    (7)

    이처럼, free chlorine/UV 결합 시스템의 연구는 대 부분 미량오염물질의 제거에 초점이 맞춰져 있고 (Fang et al., 2014; Wang et al., 2016), 이에 반해 미생 물의 불활성화에 관한 연구는 매우 미비한 실정이며, 소독을 위한 현장 적용을 위해서는 정량적인 평가를 통해 정확한 해석이 필요하다. 따라서, 본 연구는 크 게 세 가지 관점에서 free chlorine/UV 결합 시스템의 효용성을 검토하기 위한 연구를 수행하였다. 첫째, 다 양한 미생물(bacteria: E. coli, S. typhimurium; virus: MS-2 bacteriophage, rotavirus, norovirus (murine))을 대 상으로 개별 소독 공정 조건 (UV 소독, free chlorine 소 독)에서 불활성화 효율을 정량적으로 살펴보았다. 둘째, 병원성 미생물(pathogenic bacteria: S. typhimurium; pathogenic virus: rotavirus, norovirus)을 대상으로 결합 소독 공정의 효율을 검토하였다. 셋째, UV 소독의 단 점인 미생물의 광회복(photo re-pair) 또는 암회복(dark re-pair)에 대해서(Sinha and Häder, 2002) S. typhimurium 을 대상으로 UV 소독 공정과 결합 소독 공정을 각각 적용한 후, 회복 효율을 평가하였다.

    2. 연구방법 혹은 재료 및 실험방법

    본 연구에서 사용된 모든 시약은 초고순도 시약을 사 용하였으며, 모든 용액의 제조는 3차 초순수(deionized water, DI water)를 사용하였다. 실험에 사용된 유리 초 자(glassware)는 121℃에서 15분간 멸균(autoclaving)과 건조 과정을 거친 후 사용하였다.

    2.1 미생물의 배양 및 분석

    본 연구에서는 bacteria(E. coli, S. typhimurium)와 virus (MS-2 bacteriophage, rotavirus and norovirus (murine))를 대상으로 실험을 수행하였고, 각각의 미생물에 대한 배 양 및 분석방법은 다음과 같다. E. coli는 300 mL의 nutrient broth (Difco Co., USA), S. typhimurium은 300 mL 의 Luria-Bertani (LB) broth (Difco Co., USA)에 각각 접 종하여 37℃ shaking incubator에서 약 18시간 동안 배양을 실시하였다 (Cho et al., 2005; Dhandole et al., 2019). 배양 된 bacteria는 phosphate buffered solution (PBS, pH 7.1)을 이용하여 1,000 x g에서 15분간 원심분리를 실시하였고, 이와 같은 세척 과정을 3회 진행하였다. 마지막 단계에 서 bacteria를 수확(harvest) 후, 30 mL의 PBS를 이용하여 re-suspending을 실시하였고, ‘stock solution’으로 명명하 여 불활성화 실험에 사용하기 위해 냉장보관을 하였다. 초기 bacteria의 농도와 불활성화 실험 후 살아있는 bacteria의 농도는 spread plate method를 이용하여 분석 하였고, 결과를 colony forming units (CFU)/mL로 나타내 었다.

    MS-2 bacteriophage는 soft agar overlay (double-agar layer) method (Cho et al., 2005;Sjogren and Sierka, 1994) 를 이용하여 분석하였고, host로 E. coli C3000을 사용하 였다. 과정은 다음과 같다. E. coli C3000의 culture broth 는 100 mL의 DI water 기준으로 tryptone 1 g, glucose 0.1 g, yeast extract 0.1 g, NaCl 0.8 g, CaCl2 0.022 g을 각각 첨가하였고, top agar와 bottom agar는 culture broth 의 조성에 7 g/L와 15 g/L의 agar powder를 각각 첨가하 였다. E. coli C3000을 culture broth에 접종하여 37℃ shaking incubator에서 약 16시간 동안 배양을 실시하였 다. 이 후, 새로운 culture broth에 재 접종하여 약 4~6시간 동안 배양시켜 신선한 상태의 host를 MS-2 bacteriophage 분석에 사용하였다. 멸균된 glass tube에 top agar 4.5 mL, host 0.1 mL, 그리고 분석하고자 하는 MS-2 bacteriophage 0.3 mL을 spiking 하고, glass tube를 양손으로 세차게 흔 들어 혼합된 top agar를 bottom agar에 접종하였으며, 37℃ incubator에서 24시간 동안 배양 후, 생성된 plaque를 계 수하여 plaque forming units (PFU)/mL로 나타내었다. MS-2 bacteriophage의 stock solution은 다음과 같은 과정 을 통해 확보하였다. 다량의 plaque가 형성된 여러 개의 top agar를 harvest하여 1,000 x g에서 15분간 원심분리 후, 상등액을 멸균된 0.2μm filter로 여과한 뒤, -80℃ deep freezer에 보관하였다.

    Norovirus(murine)는 RAW 264.7 세포를 숙주로 사용 하였으며, plaque assay를 이용하여 분석하였다 (Lee et al., 2008;Lee and Ko, 2013). Norovirus(murine) stock solution의 준비는 간략히 설명하면 다음과 같다. RAW 264.7 세포 배양용 배지는 Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM, Gibco, USA)이며, 10% fetal bovine serum (FBS, Gibco, USA)를 보강하여 이용하였다. Norovirus(murine)는 RAW 264.7 세포 위에 접종하여 3~4일 동안 CO2 incubator (37℃, 5%)에서 배양을 실시하 였다. 감염된 세포는 virus를 방출하기 위해 3번의 동결 과 해동 과정을 거쳤다. 세포 파편은 원심분리(2,000 x g, 10분)를 통해 제거하였고, virus가 포함된 상층액을 농축하기 위해 ultrafiltration (Amicon Ultra-15, Merck Millipore, USA)을 이용하여 원심분리(5,000 x g, 10분)를 하였으며, 불활성화 실험에 사용하기 전까지 -80℃ deep freezer에 보관하였다. Norovirus(murine)의 plaque 계수 를 확인하기 위한 plaque assay는 다음과 같다. RAW 264.7 세포를 plate에 접종하여 CO2 incubator (37℃, 5%) 에서 6시간 동안 배양 및 부착 과정을 실시하였다. 정상 적으로 성장된 세포를 확인한 뒤, 그 위에 virus 현탁액 을 접종하였다. 1시간 경과 후 접종물을 제거하였고, SeaPlaque agarose를 함유한 minimal essential medium (MEM, Gibco, USA)을 보충하였으며, 응고 과정을 거친 후, plaque가 보일 때까지 배양을 실시하였다. 생성된 plaque를 좀 더 선명하게 관찰하기 위해 neutral red solution을 첨가하여 plaque를 계수하였으며, PFU/mL로 나타내었다.

    Rotavirus는 숙주 세포로 MA-104를 사용하였으며, plaque assay를 이용하여 분석하였다. 숙주 세포의 배양 은 norovirus(murine)와 동일한 방법으로 진행하였고, rotavirus를 숙주 세포에 감염시키기 전에 활성화를 위한 단계로 trypsin solution의 첨가 과정이 추가되었다. Plaque assay에서는 MEM 대신 RPMI medium 1640 (Gibco, USA) 을 사용하였고, 나머지 과정은 norovirus(murine)와 동일하 게 진행하였으며, 마지막 단계인 염색 과정에서 crystal violet을 첨가하여 plaque를 계수하였다.

    2.2 실험방법

    2.2.1 자외선 소독 및 전해수 발생 장치

    UV 소독 실험을 수행하기 위해 Fig. 1a와 같은 collimated beam UV system을 사용하였다. 광원은 3개 의 low pressure UV lamp (germicidal lamp (253.7 nm), 4 W, Philips Co., Netherland)를 사용하였고, 빛이 수직 으로 조사되게끔 조절하였다. 빛의 세기는 (light intensity)는 radiometer (UVX radiometer, UVP, USA)를 이용하여 측정하였고, 반응기와 램프 사이의 거리, 램프 개수를 조절하여 0.1~0.3 mW/cm2로 설정하였다. 실험 은 20℃에서 수행하였고, collimated beam UV system 에 설치된 air cooling system으로 조절하였다.

    본 연구에서 free chlorine를 생성하기 위해 사용된 전 해수 발생 장치의 모식도는 Fig. 1b와 같으며, 일반적으 로 염소 발생용으로 흔히 사용되는 전극인 dimensionally stable anodes (DSA)을 사용하였다. DSA 전극의 형태는 메쉬형(mesh)을 사용하였고, size는 50 x 100 mm (두께: 1 mm)로 조절하였다. 반응기는 아크릴 재질의 회분식 반응기를 사용하였고, 3개의 DSA 전극 을 병렬 구조로 배열하였다. 회분식 반응기 내에서 일정 하게 교반하기위해 stirrer와 magnetic bar를 사용하였고, 직류 전원 공급기(TOYOTECH, 30 V, 3 A)를 이용하여 전극에 전원을 공급하였다. 제작된 전해수 발생장치의 효율 평가는 free chlorine의 생성량으로 평가하였으며, 1) 전류 인가 시간, 2) 인가된 전류량, 3) chloride ion의 농도, 4) chloride ion의 source (NaCl, HCl, raw water (wastewater)), 그리고 5) 수온(5, 15, 25, 35℃)에 따른 영 향을 살펴보았다. Free chlorine의 농도는 N,N-Diethylp- phenylene diamine (DPD, HACH Co., USA) 시약을 사 용한 발색방법으로 Pocket Colorimeter II (HACH Co., USA)를 이용하여 측정하였다.

    2.2.2 미생물의 불활성화 실험

    모든 불활성화 실험은 pyrex 반응기에 10 mM의 phosphate buffer (pH 7.1)와 각각의 미생물이 포함된 30 mL에서 진행하였고, 3회 반복 수행하였다. UV에 의한 미생물의 불활성화 실험에서는 pyrex 반응기가 UV에 조사됨과 동시에 실험이 시작되었다. 시간이 경 과함에 따라 1 mL씩 sampling을 실시하였고, 불활성 화 정도에 따라 1/1~1/10,000까지 PBS로 희석하여 분 석을 실시하였다. 추가적으로 wastewater 조건에서도 동일하게 실험을 진행하였고, phosphate buffer 조건과 비교 분석을 실시하였다.

    Free chlorine에 의한 미생물의 불활성화 실험은 전 해수 발생장치를 통해 생성된 free chlorine stock solution(40 mg/L)을 pyrex 반응기에 희석되게끔 주입 하였으며, free chlorine의 주입과 동시에 실험이 시작되 었다. 접촉 시간이 경과함에 따라 1 mL씩 sampling을 실시하였고, sampling tube에 미리 sodium thiosulfate를 첨가하여 시료 내 존재하는 잔류 염소를 quenching 함 으로써 잔류 산화제에 의한 불활성화 영향이 미치지 않 도록 하였다. 시료는 미생물의 불활성화 정도에 따라 1/1~1/10,000까지 PBS로 희석하여 분석을 실시하였다.

    결합 소독 공정에 의한 미생물(S. typhimurium, rotavirus, norovirus)의 불활성화 실험은 전 처리로 free chlorine 소독, 후 처리로 UV 소독을 진행하였다. Free chorine의 농도는 0~1.5 mg/L로 조절하였고, 3초 동안 처리를 실시하였으며, UV dose는 0~60 mJ/cm2로 조절하였다. 반응이 종료됨에 따라 1 mL씩 sampling을 실시하였고, sampling tube에 미리 sodium thiosulfate를 첨가하여 시료 내 존재하는 잔류 염소를 quenching하 였으며, 미생물의 불활성화 정도에 따라 1/1~1/10,000 까지 PBS로 희석하여 분석을 실시하였다.

    2.2.3 광회복과 암회복

    S. typhimurium을 대상으로 광회복 또는 암회복이 발생하는지의 여부를 확인하기 위해 추가적으로 실험 을 진행하였다. 1) 오직 UV 만을 조사하여 4 log (99.99%) 불활성화 하였을 때와, 2) 전 처리로 free chlorine을 1.5 log (96.84%) 불활성화 한 뒤, 후 처리로 UV를 조사하여 총 4 log 불활성화 되었을 때, 광회복 또는 암회복을 관찰하였다. 광회복은 형광등 (Philips Co., 8 W, Netherland)을 사용하였고, 형광등과 시료 의 높이는 약 5 cm로 조절하였으며, 23±1℃의 온도 를 유지할 수 있는 incubator에서 실험을 진행하였다. 이 때 incubator의 온도는 25℃ 이하를 무조건 유지 해주어 배양이 되는 것을 방지해야한다. 암회복은 광회복과 같은 조건에서 실험을 진행하였고 다만, 빛이 투과되는 것을 방지하기 위해 알루미늄 호일을 이용하여 시료에 조사되는 빛을 차단하였다. 또한, S. typhimurium을 넣은 시료에 불활성화를 시키지 않 고, 광회복 또는 암회복과 동일한 조건(positive control)에서도 실험을 진행하였다. 모든 실험군에서 시료는 0, 1, 3, 5 시간 경과 후 sampling을 실시하여 분석을 진행하였다.

    2.3 소독 모델

    미생물의 불활성화 효율을 효과적이고 정량적으 로 해석 및 설명하기 위해서는 적절한 소독 모델을 사용해야 한다. 본 연구진은 선행 연구를 통하여 먹 는 물(drinking water)수준에서 소독 모델에 관한 다 양한 연구를 진행한 바 있으며, 아래 식과 같은 Delayed Chick-Watson 모델을 free chlorine 소독 (Son et al., 2005), ozone 소독 (Cho et al., 2003), UV 소독 (Cho et al., 2011), 그리고 TiO2/UVA 소독 (Cho et al., 2004)에서 제안한 바 있다. 여기서, 식 8은 chemical 소독제인 free chlorine에 해당하며, 식 9는 UV에 해 당한다.

    L o g N N 0 = ( 0 i f C ¯ T C ¯ T log = 1 k L o g ( N N 0 ) k ( C ¯ C ¯ T log ) i f C ¯ T C ¯ T log = 1 k L o g ( N N 0 ) )
    (8)
    L o g N N 0 = ( 0 i f I T I T log = 1 k L o g ( N N 0 ) k ( I T I T log ) i f I T I T log = 1 k L o g ( N N 0 ) )
    (9)

    (N = concentration of viable microorganisms at time t (cfu/mL or pfu/mL), N0 = initial concentration of microorganisms (cfu/mL or pfu/mL), C ¯ = 0 t C / t ,  dt = time averaged disinfectant concentration (mg/L), C = disinfectant concentration at time t (mg/L), I = light intensity (mW/cm2), k = the inactivation rate constant (L/mg·min or cm2/mJ), T = reaction time (min or sec), C ¯ T log  or  I T log = x-axis intercept of the inactivation curve)

    3. 결 과

    3.1 개별 소독 공정에 의한 미생물의 불활성화

    3.1.1 자외선 조사에 의한 미생물의 불활성화

    자외선 조사에 따른 미생물의 불활성화 평가는 UV dose로 나타낼 수 있는데, 빛의 세기(light intensity; mW/cm2)와 접촉 시간(contact time; sec)의 곱으로 나타 내며, mW/cm2.sec 또는 mJ/cm2으로 표현된다. Fig. 2는 UV dose에 따른 다양한 미생물의 불활성화 효율을 비교 하여 나타낸 것이다. Fig. 2에서 나타난 바와 같이, virus(MS-2 bacteriophage, rotavirus and norovirus (murine))가 bacteria(E. coli and S. typhimurium) 보다 약 6배 높은 UV dose를 필요로 하는 것을 확인할 수 있다. 즉, bacteria를 불활성화 시킬 경우 UV dose를 20 mJ/cm2 수준이면 충분히 제어가 가능하지만 virus의 제거를 목 표로 하는 경우 UV dose를 60 mJ/cm2 이상으로 조절해 야만 효과적으로 제어가 가능하다. 예를 들어, UV dose 가 10 mJ/cm2인 경우, Fig. 2a에 나타난 것처럼, E. coli 는 약 3.7 log (99.98%), S. typhimurium는 약 2.7 log (99.80%) 이상이 불활성화 되는 것으로 관찰되었지만, MS-2 bacteriophage, rotavirus, norovirus (murine)는 각각 0.4 log 미만으로 불활성화 된 것을 확인할 수 있다. 이러한 미생물의 불활성화 결과는 (E. coli and MS-2 bacteriophage) 본 연구팀의 선행 연구들과 일치하는 것으로 나타났다 (Cho et al., 2010; Cho et al., 2011). 일반적으로 다양한 미생물 별 불활성화를 위한 UV dose는 ‘원생동물 < 박테리아 < 포자류 < 바이러스’ 순으로 나타나는 것으로 보고되고 있으며, 본 연구 역시, 자외선 조사에 따른 미생물 별 불활성화 효율은 E. coli > S. typhimurium > MS-2 bacteriophage > norovirus (murine) > rotavirus 순으로 나타났다. 2000년대 초반에 는 미생물의 크기가 클수록 UV에 의해 공격받을 수 있는 target이 많기 때문에 상대적으로 genome size가 큰 원생동물에서 낮은 UV dose만으로도 쉽게 불활 성화가 되는 것으로 추정되었지만 (Shin et al., 2001), 그 원인에 대해서는 아직 뚜렷하게 규명되지 않고 있다.

    Phosphate buffer 조건과 유사한 지하수 또는 정수의 경우 대부분의 유입수에서 자외선 투과도 (Ultraviolet transmittance; UVT)는 95% 이상으로 유지되는데 반해, wastewater의 경우 수중에 포함된 다양한 유·무기물질에 의해 UVT가 50~85% 수준으로 나타나게 된다. Fig. 2b의 wastewater 조건의 결과에서 나타난 것처럼 (UVT: 76%) phosphate buffer와 동일한 수준의 불활성화 효율을 달 성하기 위해서는 20% 이상 더 높은 수준의 UV dose 를 필요로 하는 것을 확인할 수 있다.

    3.1.2 전해 염소수에 의한 미생물의 불활성화

    다양한 수질 조건에서 전류를 인가하였을 때, free chlorine의 생성량을 Fig. 3에 나타내었다. 일반적으로 동일한 전류 조건에서도 DSA 전극의 특성이나 면적 등에 따라 free chlorine의 생성 농도는 다르게 나타날 수 있다. 본 연구에서 사용된 조건은 0.5 A의 전류 인 가 시, 10분 만에 약 40 mg/L의 free chlorine이 생성됨 을 확인하였고 (최대 생성량: 약 54 mg/L, 15분), 동일 전류량에서 시간이 증가함에 따라 free chlorine의 농 도가 선형적으로 증가하는 것을 관찰할 수 있었다 (Fig. 3a). 또한, 1분 동안 전류를 인가할 경우, 인가된 전류량이 증가할수록 free chlorine의 농도가 증가하는 것으로 나타났고 (Fig. 3b), 이에 반해, chloride ion의 농도 (Fig. 3c), chloride ion의 다양한 소스 (Fig. 3d), 그 리고 수온 (Fig. 3e)에 의한 영향은 관찰되지 않았다. 이는 free chlorine을 생산함에 있어 chloride ion의 소 스로 wastewater의 적용이 가능하다는 것을 보여주는 결과이다.

    보고된 바에 의하면 free chlorine은 약산성 (pH 5.6) 조건에서 최대 불활성화 효율을 나타내며, pH가 증가 할수록 불활성화 효율이 급격하게 감소하는 것으로 나타난다 (Son et al., 2004). Fig. 4는 wastewater의 전 기분해로 생성된 free chlorine을 이용하여 다양한 미 생물의 불활성화 평가 결과를 나타낸 것이다. Bacteria 에 비해 virus에서 상대적으로 높은 CT값을 보였고, 2 log (99%) 불활성화를 위한 CT 값은 약 0.17 (E. coli), 0.20 (S. typhimurium), 0.23 (MS-2 bacteriophage), 0.27 (rotavirus), 0.32 (norovirus (murine)) mg/L.min으로 확 인되었으며, 특히 norovirus (murine)에서 상대적으로 높은 CT 값을 요구하는 것으로 나타났다. 이러한 결 과는 염소 소독에서 주로 사용되는 NaOCl (Sodium hypochlorite)의 결과와 일치하는 것으로 나타났으며 (Cho et al., 2011; Son et al., 2004), 전기분해를 통해 생성된 free chlorine에 의해 미생물의 불활성화가 가 능하다는 것을 직접적으로 보여주는 결과이다.

    3.2 결합 소독 공정에 의한 미생물의 불활성화

    개별 소독 공정에 의한 미생물의 불활성화 결과에 서 언급된 것처럼, 소독 방법에 따라 미생물의 불활성 화를 위한 처리 수준이 다르게 나타난다. UV의 경우 bacteria와 protozoa에 효과적이지만 virus를 제어하기 위해서는 3~6배 더 높은 수준의 UV dose를 필요로 하 게 된다. 이에 반해 free chlorine의 경우 virus에 효과 적인 것으로 알려져 있지만, 하수처리 공정에서 단독 으로 사용할 경우, 잔류 염소가 하천 등에 유출되어 생태계에 악영향을 미칠 우려가 있기 때문에 높은 농 도의 free chlorine 사용에는 한계를 가지게 된다. 따라 서 본 연구에서는 pathogenic virus (rotavirus and norovirus (murine))와 bacteria (S. typhimurium)을 대상 으로 상대적으로 낮은 농도의 free chlorine을 주입하 고 (전처리: free chlorine 소독), UV (후처리: UV 소독) 처리하여 불활성화 효율을 평가하였다. Fig. 5a에 나 타난 것처럼, 약 3.7 log (99.98%)의 rotavirus 불활성화 를 위해서는 60 mJ/cm2의 UV dose를 요구하는데 반해 0.8 mg/L의 free chlorine을 전처리로 실시할 경우 절반 인 30 mJ/cm2의 UV dose 만으로 약 4.3 log (99.995%) 의 불활성화 효율이 확인되었다. 이와 유사하게 norovirus의 경우에도 1.3 mg/L의 free chlorine을 처리한 경우 bacteria를 처리하기 위한 처리 수준인 20 mJ/cm2 의 UV dose에서도 약 4.3 log (99.995%)의 불활성화가 확인되었다 (Fig. 5b). 마지막으로 S. typhimurium의 경 우, free chlorine과 UV 소독의 각각에 의해서도 손쉽 게 불활성화 되는 특성에 의해, 0.5 mg/L의 free chlorine만을 주입하고 15 mJ/cm2의 UV dose로 처리하 였을 때에도 약 5.7 log (99.9998%)의 높은 수준의 불 활성화가 확인되었다 (Fig. 5c). 이상의 결과들은 free chlorine/UV 복합 시스템의 탁월한 병원성 미생물의 불활성화 효율을 확인해준다.

    3.3 광회복 또는 암회복

    광회복은 310~490 nm 파장의 빛이 광 에너지로 작 용하여 소독제에 의해 손상된 DNA를 회복시키는 현 상이다. UV 조사에 의해 손상된 DNA의 돌연변이는 cyclobutane-pyrimidine dimers (CPD)와 6-4 photoproducts (6-4 PP)의 2 종류인데 그 중 CPD가 가장 많이 존재하 며 UV로 유발된 DNA 손상 생성물의 75%를 차지한 다 (Sinha and Häder, 2002). 반면, 암회복은 빛이 조사 되지 않는 조건에서 효소 등에 의해 손상된 DNA의 회복이 이루어지는 현상으로 손상된 DNA를 손상되지 않은 새로운 nucleotides로 대체한다. 이러한 일련의 과정을 nucleotide excision repair (NER)이라 하는데, NER은 oligonucleotide를 포함하여 세포 DNA로부터의 손상을 제거하기 위해 약 30개의 유전자 산물을 사용 한다 (Sinha and Häder, 2002). Fig. 6S. typhimurium 을 대상으로 UV 또는 free chlorine/UV 복합 시스템을 4 log (99.99%) 불활성화 수준으로 처리하였을 때, 광 회복 및 암회복의 결과를 나타낸 것이다. 먼저 positive control에서는 암 조건과 광 조건 모두 뚜렷한 변화가 관찰되지 않았고, 이는 모든 실험군의 수용액 내에서 S. typhimurium의 증식은 발생하지 않았다는 것을 의미한다. UV 또는 free chlorine/UV 복합 시스템 을 처리하였을 때, 모든 시료에서 암회복은 관찰되지 않았지만 흥미롭게도 광회복이 관찰되는 것으로 나타 났다. 세부적으로 살펴보면 다음과 같다. UV을 단독 처리하게 되면, 1시간 후에 약 2.77 log (99.83%)만큼 회복이 일어나는 것으로 나타났고, 3시간만에 약 3.88 log (99.987%)로 거의 모두 회복이 가능한 것으로 나 타났다. 하지만, free chlorine/UV의 복합 시스템을 적 용할 경우, 1시간 후에 약 2 log (99%) 수준으로 회복 되는 것을 확인하였으며, 5시간까지 살펴본 결과, 더 이상의 큰 변화가 관찰되지 않았다. 이전 연구들을 살 펴보면, UV를 조사한 후 대부분 암회복은 발생하지 않았고, 광회복이 주로 발생하는 것으로 나타났으며, 이 는 본 연구의 결과와 일치하는 것으로 확인되었다 (Tosa and Hirata, 1999;Zimmer and Slawson, 2002; Oguma et al., 2004). 이처럼, 하수처리공정의 소독 단계에서 UV의 단독 처리의 경우, 광회복 가능성으로 인해 하천, 바다 등으로 유출 시 병원성 미생물에 의한 안전성이 원하는 수준으로 유지될 수 없음을 보여준다. 이에 반해, free chlorine/UV의 결합 시스템을 적용할 경우 동일 처리 수 준에서 높은 수준의 병원성 미생물의 불활성화 효율을 달성하는 것은 물론이고 (Fig. 5), free chlorine에 의한 미생물 사멸 효과로 인해 UV 소독의 단점인 광회복 문 제를 손쉽게 극복할 수 있을 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구는 전해수 발생장치를 통해 생성된 free chlorine을 전 처리로 실시하고, 후 처리로 UV 조사를 실 시하는 free chlorine/UV 결합 시스템을 하수처리공정의 소독 단계에 적용 가능성을 평가하기 위해 다양한 미생 물을 대상으로 불활성화 효율을 정량적으로 살펴보았다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • 1) UV 조사에 의한 미생물의 불활성화에서는 bacteria 를 매우 효과적으로 불활성화 시킬 수 있었고, virus는 bacteria 보다 약 6배 높은 UV dose를 요구하는 것으로 나타났다. 전해수 발생장치를 통해 생성된 free chlorine 으로 단독 처리한 경우, bacteria와 virus 모두 효과적으로 불활성화 되는 것을 확인하였으며, wastewater로도 충분 히 전해 염소수의 생성이 가능하다는 것을 확인하였다.

    • 2) 병원성 미생물을 대상으로 free chlorine/UV의 결 합 시스템을 적용한 결과, 미량의 free chlorine이 첨가 됨에 따라 낮은 UV dose 임에도 불구하고, bacteria를 제어하기 위한 수준의 UV dose를 조사하더라도 virus 를 효과적으로 제어할 수 있다는 것을 확인하였다.

    • 3) UV 소독에서의 가장 큰 단점은 광회복 또는 암 회복에 의해 DNA의 손상이 회복된다는 것이다. 본 연구에서는 UV에 의한 S. typhimurium의 불활성화 후 회복 실험에서 암회복은 관찰되지 않았지만 광회복은 발생하는 것을 확인하였으며, free chlorine/UV 결합 시스템을 적용하게 되면 광회복 효과를 저감시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

    이처럼, free chlorine/UV 결합 시스템은 free chlorine 을 미량으로 사용한다는 경제적인 측면과 소독부산물 의 생성 가능성을 낮춤과 동시에 free chlorine의 광분 해로 잔류 염소의 영향력을 낮춰 하천 및 해양 생태계 의 안전성 측면의 확보가 가능하다는 강점이 있다. 또 한, 반응에 의해 OH radical과 chlorine radical이 생성되 므로 수중에 존재하는 즉, 하수처리공정에 의해 처리되 지 않은 미량오염물질들까지 제어가 가능하기 때문에 후속 연구의 가치는 매우 높을 것으로 판단된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 재원으로 한국환경산업기술원의 “도서지역 상수원 확보를 위한 다목적 기능성 플라스 틱 저류조 실증기술 개발 (과제번호: 2018000700001)” 과 전북대학교의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

    Figure

    JKSWW-33-5-379_F1.gif

    Schematic image of (a) collimated beam UV system and (b) electrolysis apparatus.

    JKSWW-33-5-379_F2.gif

    Inactivation kinetics of various microorganisms using UV irradiation in (a) buffer condition and (b) waste water condition (Light intensity: 0.1 ~ 0.3 mW/cm2, [N]0: about 106 ~ 107 cfu/mL (or pfu/mL), [pH]0: 7.1 (10 mM phosphate buffer) for (a), UVT: 76% for (b), 20℃).

    JKSWW-33-5-379_F3.gif

    Effect of various condition on the production of free chlorine in electrolysis apparatus ((a): current time, (b): applied current, (c): chloride ion (NaCl) concentration, (d): chloride ion source, and (e): temperature).

    JKSWW-33-5-379_F4.gif

    Inactivation of various microorganisms using free chlorine generated from electrolysis apparatus ([N]0: about 106 ~ 107 cfu/mL (or pfu/mL), [pH]0: 7.1 (10 mM phosphate buffer), 15℃).

    JKSWW-33-5-379_F5.gif

    Inactivation kinetics of pathogenic microorganisms by free chlorine/UV hybrid system (Light intensity: 0.1 ~ 0.3 mW/cm2, [N]0: about 106 ~ 107 cfu/mL (or pfu/mL), [pH]0: 7.1 (10 mM phosphate buffer), 20℃).

    JKSWW-33-5-379_F6.gif

    Photo and dark re-pair efficiency of S. typhimurium following UV or free chlorine/UV hybrid system (Light intensity: 0.1 mW/cm2, [N]0: about 106 ~ 107 cfu/mL, [pH]0: 7.1 (10 mM phosphate buffer), 20℃).

    Table

    References

    1. Allerberger, F. and Wagner, M. (2010). Listeriosis: a resurgent foodborne infection, Clin. Microbiol. Infect., 16(1), 16-23.
    2. Cho, M. , Chung, H. , and Yoon, J. (2003). Quantitative evaluation of the synergistic sequential inactivation of Bacillus subtilis spores with ozone followed by chlorine, Environ. Sci. Technol., 37(10), 2134-2138.
    3. Cho, M. , Chung, H. , Choi, W. , and Yoon, J. (2004). Linear correlation between inactivation of E. coli and OH radical concentration in TiO2 photocatalytic disinfection, Water Res., 38(4), 1069-1077.
    4. Cho, M. , Chung, H. , Choi, W. , and Yoon, J. (2005). Different inactivation behaviors of MS-2 phage and Escherichia coli in TiO2 photocatalytic disinfection, Appl. Environ. Microbiol., 71(1), 270-275.
    5. Cho, M. , Kim, J. , Kim, J.Y. , Yoon, J. , and Kim, J.H. (2010). Mechanisms of Escherichia coli inactivation by several disinfectants, Water Res., 44(11), 3410-3418.
    6. Cho, M. , Gandhi, V. , Hwang, T.M. , Lee, S. , and Kim, J.H. (2011). Investigating synergism during sequential inactivation of MS-2 phage and Bacillus subtilis spores with UV/H2O2 followed by free chlorine, Water Res., 45(3), 1063-1070.
    7. Dhandole, L.K. , Seo, Y.S. , Kim, S.G. , Kim, A. , Cho, M. , and Jang J.S. (2019). A mechanism study on the photocatalytic inactivation of Salmonella typhimuriumbacteria by CuxO loaded rhodium–antimony co-doped TiO2 nanorods, Photochem. Photobiol. Sci., 18(5), 1092-1100.
    8. Fang, J. , Fu, Y. , and Shang, C. (2014). The roles of reactive species in micropollutant degradation in the UV/free chlorine system, Environ. Sci. Technol., 48(3), 1859-1868.
    9. Glass, R.I. , Parashar, U.D. , and Estes, M.K. (2009). Norovirus gastroenteritis, N. Engl. J. Med., 361(18), 1776-1785.
    10. Hemida, M.G. , Rerera, R.A. , Wang, P. , Alhammadi, M.A. , Siu, L.Y. , Li, M. , Poon, L.L. , Saif, L. , Alnaeem, A. , and Peiris, M. (2013). Middle East Respiratory Syndrome (MERS) coronavirus seroprevalence in domestic livestock in Saudi Arabia, 2010 to 2013, Euro Surveill., 18(50), 20659.
    11. Hwang, T.M. , Nam, S. , Kwon, M. , and Kang, J.W. (2017). Removal of microorganic pollutants based on reaction model of UV/chlorine process, J. Korean Soc. Water Wastewater, 31(1), 73-81.
    12. Kraft, A. , Stadelmann, M. , Blaschke, M. , Kreysig, D. , Sandt, B. , Schröder, F. , and Rennau, J. (1999). Electrochemical water disinfection Part I: Hypochlorite production from very dilute chloride solutions, J. Appl. Electrochem., 29(7), 859-866.
    13. Leclerc, G.J. , Tartera, C. , and Metcalf, E.S. (1998). Environmental regulation of Salmonella typhi invasion-defective mutants, Infect. Immun., 66(2), 682-691.
    14. Lee, J.E. , Zoh, K.D. , and Ko, G.P. (2008). Inactivation and UV disinfection of murine norovirus with TiO2 under various environmental conditions, Appl. Environ. Microbiol., 74(7), 2111-2117.
    15. Lee, J.E. and Ko, G.P. (2013). Norovirus and MS2 inactivation kinetics of UV-A and UV-B with and without TiO2, Water Res., 47(15), 5607-5613.
    16. Oguma, K. , Katayama, H. , and Ohgaki, S. (2004). Photoreactivation of Legionella pneumophila after inactivation by low- or medium-pressure ultraviolet lamp, Water Res., 38(11), 2757-2763.
    17. Parashar, U.D. , Gibson, C.J. , Bresee, J.S. , and Glass, R.I. (2006). Rotavirus and severe childhood diarrhea, Emerging Infect. Dis., 12(2), 304-306.
    18. Peiris, J.S.M. , Poon, L.L.M. , and Guan, Y. (2009). Emergence of a novel swine-origin influenza A virus (S-OIV) H1N1 virus in humans, Clin. Diagn. Virol., 45(3), 169-173.
    19. Shin, G.A. , Linden, K.G. , Arrowood, M.J. , and Sobsey, M.D. (2001). Low-pressure UV inactivation and DNA repair potential of Cryptosporidium parvum oocysts, Appl. Environ. Microbiol., 67(7), 3029-3032.
    20. Sinha, R.P. and Häder, D.P. (2002). UV-induced DNA damage and repair: a review, Photochem. Photobiol. Sci., 1(4), 225-236.
    21. Sjogren, J.C. and Sierka, R.A. (1994). Inactivation of phage MS2 by iron-aided titanium dioxide photocatalysis, Appl. Environ. Microbiol., 60(1), 344-347.
    22. Son, H. , Cho, M. , Chung, H. , Choi, S. , and Yoon, J. (2004). Bactericidal activity of mixed oxidants: Comparison with free chlorine, J. Ind. Eng. Chem., 10(5), 705-709.
    23. Son, H. , Cho, M. , Kim, J. , Oh, B. , Chung, H. , and Yoon, J. (2005). Enhanced disinfection efficiency of mechanically mixed oxidants with free chlorine, Water Res., 39(4), 721-727.
    24. Tosa, K. and Hirata, T. (1999). Photoreactivation of enterohemorrhagic Escherichia coli following UV disinfection, Water Res., 33(2), 361-366.
    25. Travis, T.W. and Heath, A.G. (1981). Some physiological responses of rainbow trout (Salmo gairdneri) to intermittent monochloramine exposure, Water Res., 15(8), 977-982.
    26. Wang, W.L. , Wu, Q.Y. , Huang, N. , Wang, T. , and Hu, H.Y. (2016). Synergistic effect between UV and chlorine (UV/chlorine) on the degradation of carbamazepine: influence factors and radical species, Water Res., 98, 190-198.
    27. Watts, M.J. and Linden, K.G. (2007). Chlorine photolysis and subsequent OH radical production during UV treatment of chlorinated water, Water Res., 41(13), 2871-2878.
    28. Zimmer, J.L. and Slawson, R.M. (2002). Potential repair of Escherichia coli DNA following exposure to UV radiation from both medium- and low-pressure UV sources used in drinking water treatment, Appl. Environ. Microbiol., 68(7), 3293-3299.