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SUMMARY
목차
1. 연구개발과제의 개요 26
1-1. 연구개발 목적 26
1-2. 연구개발의 필요성 28
1-3. 연구개발 범위 30
2. 국내외 기술개발 현황 31
2-1. 해외 기술개발 동향 31
가. 아질산/아탈질 기술개발 및 실증화 설치 31
나. 혐기성암모늄산화 공정의 기술개발 및 실증화 설치 33
2-2. 국내 기술개발 동향 35
3. 연구수행내용 및 결과 38
3-1. 연구개발내용(범위) 및 최종목표 38
가. 연구개발의 최종목표 38
나. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 38
3-2. 연구개발 결과 및 토의 40
가. 아질산-아탈질 미생물 그래뉼을 이용한 고농도 질소제거 시스템 개발 40
나. 부분 아질산화 효율 평가 106
다. 혐기성암모늄산화 공정 개발 112
3-3. 연구개발 결과 요약 141
가. 아질산-아탈질 미생물 그래뉼을 이용한 고농도 질소제거 시스템 개발 141
나. 부분 아질산화 효율 평가 144
다. 혐기성암모늄산화 공정 개발 144
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 146
4-1. 목표달성도 146
가. 연구개발목표 달성도 146
나. 성과목표 달성도 148
4-2. 관련분야 기여도 150
가. 기술적 측면 150
나. 환경적 측면 150
다. 경제적·산업적 측면 151
라. 일자리 창출 측면 151
5. 연구결과의 활용계획 153
5-1. 국내 사업화 매출 확대 방안 153
5-2. 해외 사업화 전략 153
5-3. 과학기술적 성과(SCI, 특허등록, 신기술 인·검증) 창출 계획 154
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술 정보 155
7. 연구개발결과의 보안등급 156
8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 157
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 158
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 159
11. 기타사항 160
12. 참고문헌 161
부록 164
가.운전매뉴얼 164
나.유지관리지침서 186
다.시험성적서 198
〈표 1.1.1〉 슬러지 혐기성소화조 설치된 국내 하수처리장의 운영현황 27
〈표 2.1.1〉 국외 SHARON 공정 운영 Full-scale Plant 현황 32
〈표 2.1.2〉 네덜란드 SHARON 공정의 다양한 Full-scale 운전 결과 33
〈표 2.1.3〉 혐기성 암모늄산화 공정의 최적 운전인자 34
〈표 2.2.1〉 Two stage공정 특허에 대한 분류 및 출원건수 37
〈표 3.2.1〉 대전공공하수처리시설 순수하수 유입수질 현황(2015년) 41
〈표 3.2.2〉 대전공공하수처리시설 반송수 및 연계처리수 포함 유입수질 현황(2015년) 42
〈표 3.2.3〉 대전공공하수처리시설 슬러지처리시설 현황 42
〈표 3.2.4〉 3, 4처리장 발생 반류수 성상 분석 결과 45
〈표 3.2.5〉 반응기 운전조건 50
〈표 3.2.6〉 아질산화 미생물 그래뉼 반응기 운전조건 53
〈표 3.2.7〉 아탈질 미생물 그래뉼 반응기 운전조건 59
〈표 3.2.8〉 반류수 성상 61
〈표 3.2.9〉 아질산화/아탈질공정 최적 운전 및 설계인자 도출 65
〈표 3.2.10〉 실증시설 계획 유입 및 목표 방류수질 67
〈표 3.2.11〉 실증시설 설계기준 및 적용값 68
〈표 3.2.12〉 인공폐수 내 염양염류 및 소량 미네랄 용액 구성 75
〈표 3.2.13〉 운전조건별 유입처리량 변화 78
〈표 3.2.14〉 운전 조건에 따른 아질산/아탈질 공정 처리효율 80
〈표 3.2.15〉 운전 조건에 따른 총질소 부하 및 제거율 80
〈표 3.2.16〉 운전 조건에 따른 아질산반응조의 암모니아 부하 및 제거율 81
〈표 3.2.17〉 알칼리제 미주입시 단위 공정별 질소계열 거동 83
〈표 3.2.18〉 알칼리제 미주입시 아질산반응조 질소거동 83
〈표 3.2.19〉 처리수 순환(알칼리회복) 시 단위 공정별 질소계열 거동 84
〈표 3.2.20〉 처리수 순환(알칼리회복) 시 아질산반응조 질소거동 85
〈표 3.2.21〉 알칼리제 투입시 단위 공정별 질소계열 거동 86
〈표 3.2.22〉 유입 알칼리도 비율에 따른 아질산성 질소 전환율 87
〈표 3.2.23〉 운전조건에 따른 암모니아 산화속도 89
〈표 3.2.24〉 알칼리도가 충분한 조건에서 온도에 따른 암모니아 산화속도 90
〈표 3.2.25〉 메탄올에 의한 BDCOD 함량에 따른 비탈질 속도 91
〈표 3.2.26〉 산소소요량 평가를 위한 운전조건 92
〈표 3.2.27〉 송풍량 절감 조건에 따른 암모니아 유입 및 유출수질 93
〈표 3.2.28〉 각 단계별 산소소비량 평가 94
〈표 3.2.29〉 아질산화 그래뉼의 분자생물학적 분석결과 100
〈표 3.2.30〉 아탈질화 그래뉼의 분자생물학적 분석결과 103
〈표 3.2.31〉 반류수 내 고농도 질소제거 공정비교를 위한 설계조건 104
〈표 3.2.32〉 질소제거 방법에 따른 효과 비교 105
〈표 3.2.33〉 운전조건에 따른 부분 아질산화 유입유량 및 체류시간 106
〈표 3.2.34〉 체류시간에 따른 암모니아 산화 및 아질산성 질소 전환율 107
〈표 3.2.35〉 미생물 군집 분석을 위한 가축분뇨공공처리시설 및 샘플 표기 112
〈표 3.2.36〉 미생물 군집 분석을 위한 PCR 조건 113
〈표 3.2.37〉 미생물 군집 sequence 분석 결과 115
〈표 3.2.38〉 아나목스 미생물 정량 PCR을 위한 primer 116
〈표 3.2.39〉 시료별 가스 발생량 117
〈표 3.2.40〉 국내 혐기성암모늄산화 미생물의 유전정보 확보를 위한 시료 및 수질 정보 121
〈표 3.2.41〉 혐기성암모늄산화 미생물의 검출에 사용된 PCR primer정보 및 PCR조건 122
〈표 3.2.42〉 주요 분류기능단위(OTU) 염기서열을 통한 계통분류학적 분석에 대한 정보 125
〈표 3.2.43〉 본 연구에 사용된 미생물 담체(폴리에틸렌)의 성상 127
〈표 3.2.44〉 미생물담체와의 결합정도에 따른 바이오매스의 양 129
〈표 3.2.45〉 배양조 유입 합성폐수 조성(1L 기준) 134
〈그림 1.1.1〉 반류수 미처리에 따른 하수처리장 질소농도 초과사례 26
〈그림 2.1.1〉 SHARON 공정 흐름 개념도 31
〈그림 2.1.2〉 반류수에 대한 처리기술의 발전단계 34
〈그림 2.2.1〉 연도별 특허출원 건수 및 누적 출원건수 36
〈그림 2.2.2〉 분야별 특허출원 건수 및 공정분야 출원특허 분류 37
〈그림 3.2.1〉 대전공공하수처리시설 조감도 40
〈그림 3.2.2〉 대전하처리시설 1, 2처리장(시설용량 30만 톤/일) 처리계통도 43
〈그림 3.2.3〉 대전하처리시설 3, 4처리장(시설용량 60만 톤/일) 처리계통도 44
〈그림 3.2.4〉 대전공공하수처리시설 내 실증시설 설치 부지 및 유입/유출 계획 46
〈그림 3.2.5〉 아질산화 미생물 농화배양에 따른 활성슬러지 변화 관찰 47
〈그림 3.2.6〉 암모니아 산화균 농화배양에 따른 MLSS, 질산성 질소, 아질산 질소 및... 48
〈그림 3.2.7〉 농화배양 단계에 따른 암모니아성 질소 산화 속도 변화 48
〈그림 3.2.8〉 농화배양 단계의 아질산성 질소 및 질산성 질소 생산속도 변화 49
〈그림 3.2.9〉 AGSAR 설계도면 및 사진, 1:유입수 탱크, 2:정량펌프, 3:타이머, 4:유출수 탱크 50
〈그림 3.2.10〉 Phase I 운전조건의 아질산화조 내 COD 및 질소 농도변화 51
〈그림 3.2.11〉 아질산화조 내 FA 농도 및 pH 변화 51
〈그림 3.2.12〉 Phase II 운전조건에서의 아질산화조 내 질소계열 농도 변화 52
〈그림 3.2.13〉 Phase II(운전주기 8hr)에서의 COD, 질소, FA 및 FNA 농도 변화 54
〈그림 3.2.14〉 Phase V(운전주기 4hr)에서의 COD, 질소, FA 및 FNA 농도 변화 54
〈그림 3.2.15〉 Phase VI(운전주기 2hr)에서의 COD, 질소, FA 및 FNA 농도 변화 54
〈그림 3.2.16〉 아질산화 그래뉼의 PCR-DGGE 분석 결과 56
〈그림 3.2.17〉 호기성 그래뉼 슬러지(AGS) 및 아질산화 미생물 그래뉼(AOB AGS)의 FISH... 57
〈그림 3.2.18〉 아질산화 그래뉼의 FE-SEM 사진 58
〈그림 3.2.19〉 CODCr 및 아질산성 질소 농도 변화,... 60
〈그림 3.2.20〉 C/N비 변화에 따른 아질산성 질소 농도 변화 60
〈그림 3.2.21〉 아질산성 미생물(우)과 아탈질 미생물(좌) 접종된 그래뉼 슬러지 61
〈그림 3.2.22〉 아질산-아탈질 Lab 반응기 공정도 및 운전순서 62
〈그림 3.2.23〉 아질산화/아탈질 공정의 운전결과 63
〈그림 3.2.24〉 아질산 반응조의 1 주기 내 질소농도 변화 64
〈그림 3.2.25〉 아탈질 반응조의 1 주기 내 질소 및 COD농도 변화 64
〈그림 3.2.26〉 소화슬러지 탈리액의 질소제거를 위한 아질산-아탈질 시스템 구성도 66
〈그림 3.2.27〉 소화슬러지 탈리액의 질소제거를 위한 실증시설 배치계획도 67
〈그림 3.2.28〉 대전하수처리시설 슬러지 탈리액 반류수 및 연계 실증시설 계통도 68
〈그림 3.2.29〉 소화슬러지 탈리액의 질소제거를 위한 실증시설 처리계통도 69
〈그림 3.2.30〉 실증시설 터파기 및 기초공사 70
〈그림 3.2.31〉 아질산-아탈질 반응조 설치공사 및 설치전경 71
〈그림 3.2.32〉 호기성 그래뉼 슬러지의 생성원리 72
〈그림 3.2.33〉 호기성 그래뉼 슬러지 형성과정 73
〈그림 3.2.34〉 그래뉼 슬러지 생산을 위한 생산설비 74
〈그림 3.2.35〉 그래뉼 생산설비에서 생산된 그래뉼 슬러지 및 회수장치 76
〈그림 3.2.36〉 실증시설 운영기간 동안의 유입수의 오염물질 변화 78
〈그림 3.2.37〉 운전조건별 실증시설의 유입처리량 79
〈그림 3.2.38〉 운전조건별 유입 총질소 부하 및 제거율 변화 81
〈그림 3.2.39〉 운전조건에 따른 암모니아 부하 및 제거율 변화 82
〈그림 3.2.40〉 알칼리제 미주입시 단위공정별 질소계열 농도 변화 82
〈그림 3.2.41〉 처리수 순환조건에 따른 단위공정별 질소계열 농도 변화 85
〈그림 3.2.42〉 알칼리제 주입시 단위공정별 질소계열 농도 변화 86
〈그림 3.2.43〉 유입 알칼리도/암모니아 비율에 따른 아질산성 질소 전환율 변화 87
〈그림 3.2.44〉 제거된 암모니아와 소모된 알칼리도의 상관관계 88
〈그림 3.2.45〉 NOx-N 제거량과 소모된 유기물량의 상관관계 89
〈그림 3.2.46〉 암모니아 유입부하에 따른 암모니아 산화속도 90
〈그림 3.2.47〉 반응조 온도에 따른 암모니아 산화속도 변화 91
〈그림 3.2.48〉 탈질에 소모된 유기물의 메탄올 함량에 따른 비탈질속도 변화 92
〈그림 3.2.49〉 산소소요량 평가를 위한 단계별 암모니아 제거량 및 송풍량 변화 93
〈그림 3.2.50〉 송풍량 절감조건 별 암모니아 산화 산소소비율 변화 95
〈그림 3.2.51〉 아질산화 반응조 온도조건에 따른 아질산화 효율 변화 95
〈그림 3.2.52〉 아질산반응조 MLSS와 SVI변화 96
〈그림 3.2.53〉 아탈질반응조 MLSS와 SVI 변화 96
〈그림 3.2.54〉 아질산 반응조 내 그래뉼의 사이즈별 분포 97
〈그림 3.2.55〉 실증시설 아질산 반응조 내 그래뉼 사이즈 현미경 사진 98
〈그림 3.2.56〉 실증시설 아질산 반응조 내 그래뉼 FE-SEM 사진 99
〈그림 3.2.57〉 실증시설 아탈질 반응조 내 그래뉼 사이즈 현미경 사진 101
〈그림 3.2.58〉 아탈질 반응조 내 그래뉼의 사이즈별 분포 102
〈그림 3.2.59〉 실증시설 아질산 반응조 내 그래뉼 FE-SEM 사진 102
〈그림 3.2.60〉 운전조건에 따른 유입유량 및 반응조 체류시간 변화 106
〈그림 3.2.61〉 운전조건에 따른 유입, 유출 암모니아 및 유출 아질산성 질소 변화 108
〈그림 3.2.62〉 유입 암모니아 부하에 따른 유출수 내 NO₂/NH₄ 비율 변화 108
〈그림 3.2.63〉 저농도의 유입조건에서 운전조건 변화에 따른 부분아질산화 운전결과 109
〈그림 3.2.64〉 부분 아질산화 조건에서 암모니아 산화에 따른 산소소비율 변화 110
〈그림 3.2.65〉 유입 알칼리도/암모니아 비율에 따른 아질산성 질소 전환율 변화 111
〈그림 3.2.66〉 혐기성암모늄산화균 primer를 이용한 DGGE profile 결과 (M; maker) 114
〈그림 3.2.67〉 시료별 평균 가스발생량 118
〈그림 3.2.68〉 AMX와 HZO의 활성에 대한 정량 PCR (사천 HZO는 10배 축소) 118
〈그림 3.2.69〉 가축분뇨 슬러지 혐기성암모늄산화 미생물의 농화과정 119
〈그림 3.2.70〉 혐기성암모늄산화 미생물의 농화배양 기간 동안의 질소제거 속도변화 120
〈그림 3.2.71〉 혐기성암모늄산화 미생물의 다양성 연구를 위한 시료채취장소 122
〈그림 3.2.72〉 각 시료당 시퀀스 reading수와 출현 OTU (Operational Taxomomic Unit) 123
〈그림 3.2.73〉 각 시료로부터 발견된 혐기성암모늄산화 미생물의 종류와 우점도 124
〈그림 3.2.74〉 다양한 환경시료에 대한 혐기성암모늄산화 미생물의 계통분석도 125
〈그림 3.2.75〉 서로 다른 조직종류를 같은 폴리에틸렌 소재의 미생물담체... 126
〈그림 3.2.76〉 미생물 담체의 표면개질 전후 XPS 분석 결과이미지.(좌:개질전, 우:개질후) 127
〈그림 3.2.77〉 담체 미생물 부착량 평가를 위한 부직포 및 반응기 설치사진 128
〈그림 3.2.78〉 단위 담체당 혐기성암모늄산화 미생물의 활성 130
〈그림 3.2.79〉 미생물 건조중량당 혐기성암모늄산화 미생물의 활성 131
〈그림 3.2.80〉 단위 담체량 당 부착된 바이오매스량 131
〈그림 3.2.81〉 실증시설 내 혐기성암모늄산화 미생물 대량 배양시스템 배치도 및 설치사진 132
〈그림 3.2.82〉 혐기성암모늄산화 미생물 대량 배양시스템 계통도 133
〈그림 3.2.83〉 아질산농도에 따른 다양한 혐기성암모늄산화 미생물의 비성장속도 135
〈그림 3.2.84〉 배양을 위한 non-woven 담체 및 식종 초기 사진 136
〈그림 3.2.85〉 운전조건에 따른 유입질소 부하 및 질소제거율 변화 137
〈그림 3.2.86〉 혐기성암모늄산화 미생물 배양조 5개월 운전 후 사진 138
〈그림 3.2.87〉 암모니아성 질소 제거에 따른 아질산성 질소 소모 및 질산성 질소 생성 139
〈그림 3.2.88〉 배양조 내 잔류 아질산성 질소 농도와 질소제거효율 상관관계 140
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