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제출문

보고서 초록

목차

제1장 서론 20

제1절. 연구개발의 중요성 및 필요성 22

제2절. 연구개발의 국내외 현황 23

1. 해외 기술개발 동향 23

2. 국내 기술개발 동향 27

제3절. 연구개발대상 기술의 차별성 30

제2장 연구개발의 목표 및 내용 32

제1절. 연구의 최종목표 34

제2절. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 35

제3절. 연도별 추진체계 36

1. 연구개발 전략 36

2. 연차별 추진체계 37

제3장 연구개발 결과 및 활용계획 38

제1절. 연구개발 결과 및 토의 40

1. 혐기성 암모늄 산화균의 고농도 유지를 위한 최적화 40

2. 반류수의 안정적인 아질산화 공정 개발 58

3. Batch Type 아질산화 반응조 64

4. Continuous Flow Type 아질산화 반응조 72

5. 35℃ 아질산화 반응조 연구 82

6. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구 94

7. 가축분뇨에서의 아질산화 반응 유도 1 (Y 축산분뇨 처리장) 106

8. 가축분뇨에서의 아질산화 반응 유도 2 (H 축산분뇨 처리장) 116

9. 혐기성 암모늄 산화균에 의한 반류수내 질소제거 공정 133

10. 국내 고유의 혐기성 암모늄 발굴 및 동정 정량분석 143

11. 차세대 혐기성 암모늄 산화 반응기 구축 160

12. 반류수에 대한 아질산화-혐기성 암모늄 산화 연계처리 165

13. Pilot Plant 운전결과 173

14. 축산폐수의 혐기성 암모늄 산화 처리 185

제2절. 연구개발 결과 요약 187

제3절. 연도별 연구개발목표의 달성도 192

제4절. 연도별 연구성과(논문 특허 등) 193

제5절. 관련분야의 기술발전 기여도 196

제6절. 연구개발 결과의 활용계획 198

제4장 참고문헌 200

부록 (Raw Data) 204

표 1.1. 생물학적 질소제거공정의 대표적인 운전인자 비교 25

표 1.2. 혐기성 암모늄 산화 미생물의 공학적 활용 사례 26

표 1.3. 하수처리장의 방류수 수질기준 27

표 1.4. 수역별 수질평가 결과 28

표 3.1.1. 혐기성 암모늄 산화 반응기 내 NH₄+ -N와 NO₂- -N 농도 조건(이미지참조) 45

표 3.1.2. 회분식 배양 실험을 위한 NH₄+ -N와 NO₂- -N 주입 비율(이미지참조) 45

표 3.1.3. NH₄+ -N/NO₂- -N 비율에 따른 반응상수 비교(이미지참조) 47

표 3.1.4. 회분식 실험에서의 NH₄+ -N/NO₂- -N 비율에 따른 질소가스 발생량과 Specific Anammox Activity (SSA)(이미지참조) 49

표 3.1.5. 회분식 실험에서 유기성 탄소 농도에 따른 질소 가스 생산 속도 비교 56

표 3.2.1. 연구 목표 및 세부 연구 목표 59

표 3.2.2. J 하수처리장 반류수 성상 60

표 3.2.3. S 하수처리장 반류수 성상 60

표 3.2.4. Y 가축분뇨 처리장 유입 원수 성상 61

표 3.2.5. H 가축분뇨 처리장 유입 원수 성상 61

표 3.2.6. H 가축분뇨 처리장 혐기성 소화 상징액 성상 61

표 3.2.7. 실험 방법 및 분석 기기 63

표 3.6.1. 다양한 HRT 하에서의 NH₄+ -N제거효율 및 NO₂- -N 전환율(이미지참조) 104

표 3.9.1. J 하수처리장 반류수 전처리 평가 133

표 3.10.1. 혐기성 암모늄 산화 미생물 탐침을 위한 올리고염기(oligonucleotide)와 목표 미생물 145

표 3.10.2. real-time qPCR에 사용된 혐기성 암모늄 산화 미생물 탐침자 147

표 3.10.3. 혐기성 암모늄 산화균의 정량결과를 바탕으로 Seeding 슬러지 선정 151

표 3.10.4. 처리공법차이에 따른 혐기성 암모늄 산화 미생물 비교를 위한 Seeding 슬러지 선정 151

표 3.10.5. 공정간의 혐기성 암모늄 산화 미생물의 특성을 비교하고자 Seeding 슬러지 선정 151

표 3.10.6. 혐기성 암모늄 산화균의 계통학적 정보 152

표 3.11.1. 분리막 생물반응기의 SBR 운전 방식 161

표 3.11.2. 분리막 생물반응기의 SBR 유입 기질 비율 162

표 3.12.1. S 하수처리장 소화농축조 상징수의 평균 성상 (mg/L) 165

표 3.12.2. 소화농축조 및 아질산 반응조 유출수 특성 168

표 3.13.1. S 하수처리장 내 반류수 처리공정의 특성분석 (2008년 7월 22일) 174

표 3.13.2. S 하수처리장 내 반류수 처리공정의 특성분석 (2008년 10월 15일) 175

표 3.14.1. 응집제 주입율에 따른 성상 변화 186

그림 3.1.1. 부직포 생물막 반응기와 UASB를 결합한 형태의 Hybrid 반응기 40

그림 3.1.2. 효과적인 질소 제거 속도 증가를 위한 운전 전략 42

그림 3.1.3. Hybrid 반응기의 NH₄+ -N 농도 경항(이미지참조) 42

그림 3.1.4. Hybrid 반응기의 NO₂- -N 농도 경향(이미지참조) 43

그림 3.1.5. Hybrid 반응기의 질소부하율과 총질소 제거율 43

그림 3.1.6. Hybrid 반웅기의 NH₄+ -N 대 NO ₂- -N 비율 경향(이미지참조) 44

그림 3.1.7. 혐기성 암모늄 산화 회분식 실험에서의 NH₄+ -N-N/NO ₂- -N 비율에 따른 NH₄+ -N 농도변화(이미지참조) 46

그림 3.1.8. 혐기성 암모늄 산화 회분식 실험에서의 NH₄+ -N-N/NO ₂- -N 비율에 따른 NO₂- -N 농도변화(이미지참조) 47

그림 3.1.9. Gompertz 식에 따른 질소가스 누적 발생량 회귀분석 48

그림 3.1.10. 회분식 분석에서의 NH₄+ -N/NO₂- -N 비율에 따른 질소가스 누적 발생량(이미지참조) 49

그림 3.1.11. 회분식 분석에서의 NH₄+ -N/NO₂- -N 비율에 따른 총질소 농도 변화(이미지참조) 50

그림 3.1.12. 회분식 실험에서 유기성 탄소원 농도에 따른 NH₄+ -N 농도 변화(이미지참조) 53

그림 3.1.13. 회분식 실험에서 유기성 탄소 농도에 따른 NO₂- -N 농도 변화(이미지참조) 53

그림 3.1.14. 회분식 실험에서 유기물 탄소 농도에 따른 NO₃- -N 농도 변화(이미지참조) 54

그림 3.1.15. 회분식 실험에서 유기성 탄소 농도에 따른 총질소 농도 변화 55

그림 3.1.16. 회분식 실험에서 유기성 탄소 농도에 따른 질소가스 누적량 56

그림 3.1.17. 회분식 실험에서 유기성 탄소 농도에 따른 유기성 탄소 잔류량 57

그림 3.2.1. Lab Scale 아질산화 반응기 모식도 62

그림 3.3.1. Batch Type 아질산화 반응조의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 65

그림 3.3.2. Batch Type 아질산화 반응조의 질소 농도 변화 65

그림 3.3.3. Batch Type 아질산화 반응조의 pH 및 Alkalinity 변화 66

그림 3.3.4. Batch Type 아질산화 반응조의 pH와 질소 농도에 따른 질산화 저해 조건 67

그림 3.3.5. 총 부유성 고형물(TSS)과 수용성 화학적 산소요구량 (SCOD)이 Batch Type 아질산화 반응조의 NO₂- -N Conversion(%)에 미치는 영향(이미지참조) 68

그림 3.3.6. Batch Type 아질산화 반응조의 유입 및 유출수 성분 영향 통계 분석 70

그림 3.3.7. Batch type 아질산화 반응조의 유입 및 유출수 성분의 Person Correlation Coefficients(r) 71

그림 3.4.1. Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 73

그림 3.4.2. 유입수내 Alkalinity 충전 후 Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 74

그림 3.4.3. Continuous Flow Type 아질산화 반응기의 질소 농도 변화 74

그림 3.4.4. 유입수내 Alkalinity 충전 후 Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 pH 및 Alkalinity 변화 75

그림 3.4.5. Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 pH와 질소 농도에 따른 저해 조건 76

그림 3.4.6. 총 부유성 고형물(TSS)과 수용성 화학적 산소요구량 (SCOD)이 Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 NO₂- -N Conversion(%)에 미치는 영향(이미지참조) 77

그림 3.4.7. Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 유입 및 유출수 성분 영향 통계 분석 79

그림 3.4.8. Continuous Flow Type 아질산화 반응조의 유입 및 유출수 성분의 Person Correlation Coefficients(r) 80

그림 3.5.1. 35℃ 반응조의 NH₄+ -N, NO₂- -N, NO₃- -N의 변화(이미지참조) 83

그림 3.5.2. 35℃ 반응조의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 84

그림 3.5.3. 35℃ 반응조의 질소 농도 변화 84

그림 3.5.4. 35℃ 반응조의 pH 및 Alkalinity 변화 85

그림 3.5.5. 35℃ 반응조의 아질산화 반응속도 85

그림 3.5.6. 35℃ 아질산화 반응조의 NO₂- -N 전환율(이미지참조) 86

그림 3.5.7. 35℃ 아질산화 반응조의 순 아질산성 질소 발생속도 86

그림 3.5.8. 35℃ 아질산화 반응조의 pH와 질소 농도에 따른 저해 조건 87

그림 3.5.9. 총 부유성 고형물(TSS)과 수용성 화학적 산소요구량 (SCOD)이 35℃ 아질산화 반응조의 NO₂- -N Conversion(%)에 미치는 영향(이미지참조) 88

그림 3.5.10. 35℃ 아질산화 반응조의 유입 및 유출수 성분 영향 통계 분석 90

그림 3.5.11. 35℃ 아질산화 반응조의 유입 및 유출수 성분의 Person Correlation Coefficients(r) 91

그림 3.6.1. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 Alkalinity, NH₄+ -N, NO₂- -N, 및 NO₃- -N(이미지참조) 96

그림 3.6.2. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 96

그림 3.6.3. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 질소 농도 변화 97

그림 3.6.4. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 pH 및 Alkalinity 변화 97

그림 3.6.5. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 pH와 질소 농도에 따른 저해 조건 98

그림 3.6.6. 총 부유성 고형물(TSS)과 수용성 화학적 산소요구량 (SCOD)이 Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 NO₂- -N Conversion(%)에 미치는 영향(이미지참조) 99

그림 3.6.7. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 유입 및 유출수 성분 영향 통계 분석 101

그림 3.6.8. Pilot Plant 규모 아질산화 반응조 설계 재원 연구에서의 유입 및 유출수 성분의 Person Correlation Coefficients(r) 103

그림 3.7.1. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 Alkalinity 및 질소 농도 변화 107

그림 3.7.2. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 108

그림 3.7.3. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 질소 농도 변화 108

그림 3.7.4. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 pH 및 Alkalinity 변화 109

그림 3.7.5. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 아질산화 반응속도 109

그림 3.7.6. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 NO₂- -N 전환율(이미지참조) 110

그림 3.7.7. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 순 아질산성 질소 발생속도 110

그림 3.7.8. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 pH와 질소 농도에 따른 저해 조건 111

그림 3.7.9. 총 부유성 고형물(TSS)과 수용성 화학적 산소요구량 (SCOD)이 Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 NO₂- -N Conversion(%)에 미치는 영향(이미지참조) 112

그림 3.7.10. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 유입 및 유출수 성분 영향 통계 분석 114

그림 3.7.11. Y 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 유입 및 유출수 성 분의 Person Correlation Coefficients(r) 115

그림 3.8.1. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 Alkalinity 및 질소 농도 변화 118

그림 3.8.2. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 NH₄+ -N 및 Alkalinity 변화(이미지참조) 118

그림 3.8.3. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 질소 농도 변화 119

그림 3.8.4. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 pH 및 Alkalinity 변화 119

그림 3.8.5. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 아질산화 반응속도 120

그림 3.8.6. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 NO₂- -N 전환율(이미지참조) 120

그림 3.8.7. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 순 아질산성 질소 발생속도 121

그림 3.8.8. H 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 pH와 질소 농도에 따른 저해 조건 122

그림 3.8.9. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 pH와 질소 농도에 따른 저해 조건 123

그림 3.8.10. 총 부유성 고형물(TSS)과 수용성 화학적 산소요구량 (SCOD)이 H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 NO₂- -N Conversion(%)에 미치는 영향(이미지참조) 124

그림 3.8.11. H 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 유입 및 유출수 성분 영향 통계분석 126

그림 3.8.12. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 유입 및 유출수 성분 영향 통계 분석 127

그림 3.8.13. H 축산분뇨 처리장 유입수 아질산화 반응에서의 유입 및 유출수 성분의 Person Correlation Coefficients(r) 129

그림 3.8.14. H 축산분뇨 처리장 혐기성 소화 유출수 아질산화 반응에서의 유입 및 유출수 성분의 Person Correlation Coefficients(r) 130

그림 3.9.1. RJ 반응기에서의 암모니아성 질소 농도 변화 (198일 이후 FeCl₃ 전처리 적용) 134

그림 3.9.2. RJ 반응깅서의 아질산성 질소 농도 변화 (198일 이후 FeCl₃ 전처리 적용) 134

그림 3.9.3. RJ 반응기에서의 암모니아성 질소 부하에 따른 제거 효율 변화 (198일 이후 FeCl₃ 전처리 적용) 136

그림 3.9.4. RJ 반응기에서의 아질산성 질소 부하에 따른 제거 효율 변화 (198일 이후 FeCl₃ 전처리 적용) 136

그림 3.9.5. RJ 반응기에서의 질산성 질소 농도 변화 137

그림 3.9.6. 질소부하율에 따른 질소제거 속도 추이 137

그림 3.9.7. RJ 반응기에서의 총 질소 농도 및 제거 효율 139

그림 3.9.8. RJ 반응기에서의 이론적 질소 발생량 및 측정치 139

그림 3.9.9. RJ 반응기 에서의 ORP 변화 140

그림 3.9.10. RJ 반응기에서의 pH 변화 140

그림 3.9.11. RJ 반응기에서의 Alkalinity의 변화 141

그림 3.9.12. RJ 반응기에서의 Alkalinity 제거량 141

그림 3.9.13. RJ 반응기에서의 TOC 변화와 질소부하량 142

그림 3.9.14. RJ 반응기에서의 TOC 변화와 T-N 제거율 142

그림 3.10.1 TanMan 탐침자에 의한 유전체 정량 모식도 144

그림 3.10.2. Real-time qPCR에 의한 혐기성 암모늄 산화 미생물 16S rDNA 증폭곡선 148

그림 3.10.3. 혐기성 암모늄 산화 미생물의 Real-Time qPCR 정량 표준선 149

그림 3.10.4. 계통분지도를 통한 혐기성 암모늄 산화균 자생 확인 153

그림 3.10.5. 혐기성 암모늄 산화 활성 조기 달성 현황 155

그림 3.10.6. 농후배양 후 혐기성 암모늄 산화 미생물 개체수 비교 분석 156

그림 3.10.7. A 하수처리장 슬러지 내 자생 혐기성 암모늄 산화균 군집 확인 157

그림 3.10.8. 혐기성 암모늄 산화 미생물 내성 조사 157

그림 3.10.9. 혐기성 암모늄 산화균 개체수 시계열 분석 159

그림 3.11.1. 분리막을 결합한 혐기성 암모늄 산화 반응기 160

그림 3.11.2. 분리막 생물반응기의 NH₄+ -N, NO₂- -N 농도 및 질소 제거 효율(이미지참조) 162

그림 3.11.3. 운영 모드에 따른 F/M 비의 경향 163

그림 3.11.4. 분리 막 생물반응기의 pH 경향 163

그림 3.11.5. 생물막 반응기의 Alkalinity 경향 164

그림 3.12.1. 아질산화 연계 전 RJ 반응기의 NH₄+ -N 농도 경향(이미지참조) 166

그림 3.12.2. 아질산화 연계 전 RJ 반응기의 NO₂- -N 농도 경향(이미지참조) 167

그림 3.12.3. 아질산화 연계 전 RJ 반응기의 질소 부하율 및 총질소 제거율 경향 167

그림 3.12.4. 아질산화 연계 전 RJ 반응기의 NO₂- -N 대 NH₄+ -N 비율 경향(이미지참조) 168

그림 3.12.5. RJ 반응기의 NH₄+ -N 농도 경향 (아질산 연계 기간)(이미지참조) 170

그림 3.12.6. RJ 반응기의 NO₂- -N 농도 경향 (아질산 연계 기간)(이미지참조) 170

그림 3.12.7. RJ 반응기의 질소농도 부하 및 총질소 제거 효율 (아질산 연계 기간) 171

그림 3.12.8. RJ 반응기의 NO₂- -N 대 NH₄-N 비율 경향 (아질산 연계 기간)(이미지참조) 171

그림 3.12.9. RJ 반응기의 총유기탄소(TOC) 농도 경향 (아질산 연계 기간) 172

그림 3.12.10. RJ 반응기의 화학적산소유구량(COD) 농도 경향 (아질산 연계 기간) 172

그림 3.13.1. S 하수처지랑의 반류수 처리공정 174

그림 3.13.2. 제안된 공정의 배치도 176

그림 3.13.3. 제안된 공정의 구성 개략도 177

그림 3.13.4. Pilot Plant의 설치 전경 178

그림 3.13.5. Pilot Plant 1단계 운영에서의 부유물 추세 178

그림 3.13.6. Pilot Plant 1단계 운영에서의 질소농도 추세 179

그림 3.13.7. Pilot Plant 1단계 운영에서의 질소 제거와 혐기성 암모늄 산화 활성 179

그림 3.13.8. Pilot Plant 2단계 운영에서의 부유물 추세 180

그림 3.13.9. Pilot Plant 2단계 운영에서의 질소농도 추세 181

그림 3.13.10. Pilot Plant 2단계 운영에서의 질소 제거와 혐기성 암모늄 산화 활성 181

그림 3.13.11. Pilot Plant 3단계 운영에서의 부유물 추세 182

그림 3.13.12. Pilot Plant 3단계 운영에서의 질소농도 추세 183

그림 3.13.13. Pilot Plant 3단계 운영에서의 질소 제거와 혐기성 암모늄 산화 활성 183

그림 3.14.1. Aluminum Sulfate를 이용한 축산폐수의 응집 효과 185

그림 3.14.2. 축산분뇨 혐기성 암모늄 산화 처리 가능도 테스트 186