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SUMMARY
목차
1. 연구개발과제의 개요 21
1-1. 연구개발 목적 21
1-2. 연구개발의 필요성 22
가. 사회적 측면 23
나. 기술적 측면 24
다. 경제적 측면 24
1-3. 연구개발 범위 24
2. 국내외 기술개발 현황 32
2-1. 국내 기술 수준 및 시장 현황 32
가. 응집 침전 공정 32
나. 혐기성 소화 33
다. 미세조류 34
라. Membrane Distillation 35
마. 바이오차 36
2-2. 국외 기술 수준 및 시장 현황 37
가. 응집 침전 공정 37
나. 혐기성 소화 38
다. 미세조류 39
라. Membrane Distillation 및 바이오차 40
3. 연구수행 내용 및 결과 42
3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 42
가. 연구개발의 내용(범위) 42
나. 연구개발의 최종목표 45
3-2. 연구개발 결과 및 토의 47
가. 고효율 응집-침전 실험 48
나. 혐기성 소화 58
다. MD Hybrid 미세조류 배양 79
라. 바이오차 99
3-3. 연구개발 결과 요약 113
가. 연구개발 추진전략 및 방법 113
나. 연구개발 추진일정 115
다. 연구 목표 달성도 117
라. 연구 목표 달성도 120
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 122
4-1. 목표달성도 122
가. 1차년도 목표달성도 122
나. 2차년도 목표달성도 124
4-2. 관련분야 기여도 125
가. 고효율 응집-침전 APT 공정 125
나. 혐기성 병합소화조 바이오가스 생산효율 향상도 126
다. 미세조류-Hybrid MD 126
라. 수열탄화 126
5. 연구결과의 활용계획 126
5-1. 연구개발결과의 활용방안 126
가. 기술적 학문적 측면 127
나. 환경적 측면 127
다. 경제적·산업적 측면 128
5-2. 추가 연구의 필요성 128
5-3. 사업화계획 및 효과 (해당사항 없음) 129
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 130
6-1. 응집-침전 공정 130
6-2. 혐기성 소화 131
6-3. MD Hybrid 미세조류 배양 132
6-4. 바이오차 134
7. 연구개발결과의 보안등급 135
8. 국립과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 136
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 136
9-1. 연구실 안전조치 이행 사항 136
가. 기술적 위험요소 분석 136
나. 안전관리 대책 137
9-2. LMO 연구시설 및 수입신고 현황 138
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 138
11. 기타사항 140
12. 참고문헌 140
〈표 1.3.1〉 국내 하수처리시설에서 주로 사용하는 응집제의 특성 25
〈표 1.3.2〉 Membrane Distillation 원리와 개요 30
〈표 1.3.3〉 Membrane Distillation 공정 구성 30
〈표 3.1.1〉 1차년 연구 개발 내용 및 범위 43
〈표 3.1.2〉 2차년 연구 개발 내용 및 범위 45
〈표 3.1.3〉 본 연구결과에 따른 정량적 기술목표 달성 기대효과 46
〈표 3.1.4〉 연구결과에 따른 정량적 기술목표 달성근거 47
〈표 3.2.1〉 본 연구에 이용된 응집제 종류 49
〈표 3.2.2〉 2가지 응집제 주입 농도 및 혐기성 소화 적용 제외 사유 54
〈표 3.2.3〉 함수식을 이용한 하수처리시설 운영비용 57
〈표 3.2.4〉 전처리 방법 66
〈표 3.2.5〉 전처리 결과에 따른 VFA/SCOD 74
〈표 3.2.6〉 각 성분에 대한 미세조류 증식계수 결과 82
〈표 3.2.7〉 방류수 수질기준 (「하수도법」 시행규칙 제 3조 제 1항 제 1호) 86
〈표 3.2.8〉 공정 적용에 따른 잔류 부산물 농도 98
〈표 3.2.9〉 슬러지 성상 99
〈표 3.2.10〉 생산된 바이오차의 성상 102
〈표 6.1.1〉 홍콩에 설치된 하수처리시설 현황 130
〈그림 1.1.1〉 본 연구팀이 제안하는 Next-generation WWTP 21
〈그림 1.2.1〉 연구의 필요성 및 중요성 23
〈그림 1.3.1〉 본 연구개발의 핵심기술 25
〈그림 1.3.2〉 Advanced Primary Treatment (APT) 시스템의 개략도 26
〈그림 1.3.3〉 혐기성 소화공정 모식도 27
〈그림 1.3.4〉 고효율 응집-침전 APT 농축 슬러지 및 미세조류 병합소화 모식도 28
〈그림 1.3.5〉 Metagenomics 활용 미생물군집 및 통계분석 (좌);... 28
〈그림 1.3.6〉 혐기성 소화 단계별 연구 패키지 (좌);... 29
〈그림 1.3.7〉 본 연구팀이 제안하는 MD Hybrid 미세조류배양 31
〈그림 1.3.8〉 일반적 소각공정과 열처리 공정비교 32
〈그림 3.1.1〉 탄소 및 에너지 중립적 유기성 자원순환을 위한 핵심기술 및 달성목표 46
〈그림 3.2.1〉 Jar test (좌 : 급속 교반 및 완속교반, 우 : 침전) 48
〈그림 3.2.2〉 FLOPAM을 응집제로 이용했을... 49
〈그림 3.2.3〉 응집제 투입에 따른 TSS, 탁도 저감 변화 50
〈그림 3.2.4〉 응집제 투입에 따른 이온 농도 변화 51
〈그림 3.2.5〉 응집제 투입에 따른(위)T-P, (아래)T-N 농도 변화 52
〈그림 3.2.6〉 2가지 응집제 동시 투입에 따른 탁도, TSS 결과 53
〈그림 3.2.7〉 응집-침전 APT 반응기 CFD 모델링 결과 (Baffle 길이 수정 전) 55
〈그림 3.2.8〉 응집-침전 APT 반응기 CFD 모델링 결과 (Baffle 길이 수정 후) 56
〈그림 3.2.9〉 고효율 응집-침전 APT 연속 반응기 56
〈그림 3.2.10〉 연속 운전에 따른 침전조 결과 차이 57
〈그림 3.2.11〉 APT 슬러지 혐기성 소화 테스트 요약도 (단일 응집제) 58
〈그림 3.2.12〉 APT 슬러지 험기성 소화에 따른 누적 메탄 발생량 59
〈그림 3.2.13〉 APT 슬러지의 혐기소화효율 60
〈그림 3.2.14〉 APT 슬러지 혐기성 소화에 따른 SCOD 농도 변화 60
〈그림 3.2.15〉 APT 슬러지 혐기성 소화 테스트 요약도 (복합 응집제) 62
〈그림 3.2.16〉 APT 슬러지 혐기성 소화에 따른 유기물 저감 정도 63
〈그림 3.2.17〉 APT 슬러지 혐기성 소화에 따른 (좌) protein, (우) carbohydrate 농도 변화 64
〈그림 3.2.18〉 APT 슬러지 (복합 응집제)의 혐기성 소화에 따른 미생물 군집 변화... 65
〈그림 3.2.19〉 APT 슬러지 (복합 응집제)의 험기성 소화에 따른 미생물 군집 변화 (Archaea) 65
〈그림 3.2.20〉 TPAD 공정도 67
〈그림 3.2.21〉 TAD 공정도 68
〈그림 3.2.22〉 본 실험에 이용된 TPAD, TAD 반응기 68
〈그림 3.2.23〉 HRT 변화에 따른 SCOD 농도 변화 69
〈그림 3.2.24〉 HRT 변화에 따른 protein 농도 변화 70
〈그림 3.2.25〉 HRT 변화에 따른 ammonia 농도 변화 70
〈그림 3.2.26〉 HRT 변화에 따른 총 VFA 농도 변화 (85℃ 전처리 기준) 71
〈그림 3.2.27〉 HRT 변화에 따른 총 VFA 농도 변화 (55℃ 전처리 기준) 72
〈그림 3.2.28〉 HRT 변화에 따른 총 VFA 농도 변화 (TAD 전처리 기준) 73
〈그림 3.2.29〉 HRT, 미세조류 전처리 방법에 따른 혐기성 소화 효율 75
〈그림 3.2.30〉 HRT, 미세조류 전처리 방법에 따른 혐기성 소화 효율... 76
〈그림 3.2.31〉 미세조류 배양조 (a) 암막 안 앞쪽, (b) 암막... 79
〈그림 3.2.32〉 C. Vulgaris 농도 변화에 따른 유출수 수질 변화 80
〈그림 3.2.33〉 F/M비에 따른 미세 조류의 평균 비 증식 속도 81
〈그림 3.2.34〉 성분에 따른 C. Vulgaris 증식 계수 산출 82
〈그림 3.2.35〉 미세조류 농도에 따른 유입수와 처리수의 온도차이, 막 표면 흐름... 85
〈그림 3.2.36〉 각 조건에 따른 처리수 수질 평가 86
〈그림 3.2.37〉 미세조류 농도가 0.5g/L일 때 막 표면의 FE-SEM 결과 87
〈그림 3.2.38〉 미세조류 농도가 1g/L일 때 막 표면의 FE-SEM & EDX 결과 88
〈그림 3.2.39〉 미세조류 농도가 3g/L일 때 막 표면의 FE-SEM & EDX결과 89
〈그림 3.2.40〉 미세조류 농도가 0.5 g/L일 때 FT-IR 결과 90
〈그림 3.2.41〉 미세조류 농도가 1g/L일 때 FT-IR 결과 91
〈그림 3.2.42〉 미세조류 농도가 3 g/L일 때 FT-IR 결과 91
〈그림 3.2.43〉 각 조건에 따른 분리막 표면의 접촉각 측정 결과 93
〈그림 3.2.44〉 폐 미세조류에 대한 투과 유속의 변화 94
〈그림 3.2.45〉 폐 미세조류에 대한 각 성분의 제거율 95
〈그림 3.2.46〉 폐 미세조류 농축 이후 막 표면의 FE-SEM 측정 결과 95
〈그림 3.2.47〉 폐 미세조류 농축 이후 막 표면의 FT-IR 측정 결과 96
〈그림 3.2.48〉 폐 미세조류 농축 이후 막 표면의 접촉각 측정 결과 97
〈그림 3.2.49〉 실제 하수를 FeCl₃로 침전 후 상징액을 미세조류 0.5 g/L를 이용하여 1일간... 98
〈그림 3.2.50〉 수열탄화 반응기 모습 및 구성도 100
〈그림 3.2.51〉 생성된 바이오차의 van Krevelen diagram 101
〈그림 3.2.52〉 바이오차의 연료비 및 발열량 103
〈그림 3.2.53〉 수열탄화처리를 통한 바이오차의 성상 변화 103
〈그림 3.2.54〉 바이오차의 에너지 회수 효율 및 에너지 밀도 105
〈그림 3.2.55〉 슬러지, 바이오차의 TG, DTG 그래프 107
〈그림 3.2.56〉 바이오차의 FT-IR 그래프 108
〈그림 4.1.1〉 탄소 및 에너지 중립적 유기성 자원순환을 위한 핵심기술 및 달성목표 122
〈그림 5.1.1〉 연구개발결과의 활용방안 127
〈그림 5.1.2〉 본 연구를 통한 개발기술 대상 SWOT 분석 128
〈그림 6.1.1〉 Stonecutters Island Sewage Treatment 131
〈그림 6.2.1〉 캐나다에서 진행된 미세조류 전처리 및 혐기성 소화 반응기 (UASB) 132
〈그림 6.3.1〉 AlgaePARC의 대형 광반응배양기 133
〈그림 6.3.2〉 미국 사파이어 에너지사의 실증단지 134
〈그림 6.4.1〉 CPL사의 수열탄화 공정 모식도 134
〈그림 6.4.2〉 독일 HTC공장 135
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