초록 ▼

$\blacksquare$ 기존 질소제거공정에 비해 획기적을 에너지를 절감할 수 있고, 고속으로 질소를 제거할 수 있는 혐기성 암모늄 산화균의 고농도 배양기술을 확보, 입상화 기술과 고율 질소제거 시스템을 개발.
$\blacksquare$ 부직포와 혐기성 입상 슬러지를 이용하여 반응기내 미생물의 농도를 15g/L이상 유지할 수 있었고, 생물학적 입상화와 화학적 입상화를 성공적으로 수행하여, 2 $kg/m^3-day$(기존 질소제거공정의 5배이상)이상의 속도로 안정적으로

$\blacksquare$ 기존 질소제거공정에 비해 획기적을 에너지를 절감할 수 있고, 고속으로 질소를 제거할 수 있는 혐기성 암모늄 산화균의 고농도 배양기술을 확보, 입상화 기술과 고율 질소제거 시스템을 개발.
$\blacksquare$ 부직포와 혐기성 입상 슬러지를 이용하여 반응기내 미생물의 농도를 15g/L이상 유지할 수 있었고, 생물학적 입상화와 화학적 입상화를 성공적으로 수행하여, 2 $kg/m^3-day$(기존 질소제거공정의 5배이상)이상의 속도로 안정적으로 질소제거 달성.
$\blacksquare$ FISH (Fluorescence In Situ Hybridization)를 이용하여 반응기내 혐기성 암모늄 산화균이 50%이상 우점하는 것을 확인.
$\blacksquare$ 분자생물학적 기법을 이용하여 배양이 불가능한 혐기성 암모늄산화균의 군집특성을 조사한 결과 혐기성 암모늄산화균 및 Chloroflexi를 비롯한 다양한 미생물의 군집특성을 밝힘.
$\blacksquare$ 입상슬러지와 부직포를 결합한 복합형 반응기를 이용하여 30일이내에 0.4 $kgN/m^3-day$의 질소제거가 가능하였고, 하수처리장 혐기성소화조 탈리액을 대상으로 적용성시험을 수행한 결과 80%이상의 우수한 질소제거특성을 나타내었음.

Abstract ▼

This research conducted for 2 years and 10 months (2004. 6. 1-2007. 3. 31), consisted of two main parts. Firstly, process evaluation with engineering point of view was focused on incubation of highly concentrated anammox bacteria, granulation of anammox bacteria and system development for high-rate

This research conducted for 2 years and 10 months (2004. 6. 1-2007. 3. 31), consisted of two main parts. Firstly, process evaluation with engineering point of view was focused on incubation of highly concentrated anammox bacteria, granulation of anammox bacteria and system development for high-rate nitrogen removal. Secondly, microbial analysis by means of molecular biological techniques was taken to prove microbial community in granular sludge and the predominating species. Moreover, the applicability was evaluated on reject water from anaerobic digester in wastewater treatment plant.
In the $1^{st}-year$ research, anammox bacteria were screened and cultured from various wastewater such as reject water, leachate, urine and livestock wastewater containing high ammonia nitrogen concentration. Optimum operational parameters were investigated through anaerobic batch tests applied to synthetic wastewater. It was also tried to obtain the fundamental technique to cultivate highly concentrated anammox bacteria in fed-batch operation by stimulating growth rate.
In the $2^{nd}-year$ research, based on the $1^{st}-year$ results(DO concentration, influent nitrogen concentration, reducing agent addition, hydrazine audition, etc), anammox bacteria were cultivated in UASB reactor to examine the optimum conditions in continuous operation. To get over relatively long doubling time(about 11 days) of anammox bacteria, granular type of anammox bacteria formed biologically and chemically were used to estimate whether its activity increased or not. The continuous reactor was designed to maintain long SRT, more than 100 days, counterbalancing slow growth rate, and on-line real time monitoring system was equipped to control operational parameters(pH, ORP, temperature) which was attributed to set up stable nitrogen removal system.
In the $3^{rd}-year$ research, the ability to remove nitrogen was evaluated when applied to wastewater containing high nitrogen concentration (ammonium nitrogen 500 mg/L, nitrite nitrogen 500 mg/L) in bioreactor designed to have SRT more than 100 days. The techniques acquired from previous research were also used to cultivate and granulate anammox bacteria continuously in order to retain anammox bacteria. Additionally, the supernatant generated after anaerobic digestion of sludges(recycle water) was employed as a target to test the adaptability of anammox bacteria in the real wastewater. The activity of anammox bacteria from the continuous reactor was evaluated by RT-PCR, the quantitative analysis method. Fluorescent in situ hybridization(FISH), appropriate technique to analyze bacteria which are Impossible to get in pure culture, was also applied to observe distribution characteristics. The gene probe developed previously as a oligonucleotide type was used in detecting anammox bacteria.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...4
• 요약문...6
• SUMMARY...12
• Contents...18
• Table Lists...22
• Figure Lists...23
• 목차...28
• 제 1 장 연구개발과제의 개요...32
• 제 1 절 연구개발의 필요성 및 목적...34
• 제 2 절 연구개발의 내용 및 범위...35
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...38
• 제 1 절 국내의 기술개발 현황...40
• 제 2 절 국외의 기술개발 현황...42
• 1. 단축질소제거 메카니즘...42
• 2. Anammox의 대사 메커니즘...46
• 3. Anammox 공정의 적용...50
• 4. Anammox 공정 내 미생물 군집 분포...52
• 가. Fluorescence in-situ hybridization(FISH)...54
• 나. Design of group-specific oligonucleotide probes...57
• 다. rDNA library and sequencing...58
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...64
• 제 1 절 연구개발 수행 내용...66
• 1. 연속배양을 통한 Anammox균의 고농도배양조건 확립...66
• 2. Anammox 입상 슬러지 생산 및 안정성 평가...66
• 3. 초고율 생물반응기의 장기운전 및 성능평가...67
• 제 2 절 연구결과 및 고찰...68
• 1. 초고율 질소 제거 시스템 구성을 위한 안정적 배양 기술 확보...68
• 가. 개요...68
• 나. 연속 반응기의 특징 및 분석 방법...68
• (1) 연속반응기의 특징...68
• (2) 유입 합성폐수의 특성...72
• (3) 반응가스 측정 및 화학분석...73
• 다. 연속운전 결과...74
• (1) 부직포를 충진한 연속 배양기(R1)의 운전...74
• (2) 부직포 배양기와 UASB를 결합한 연속 배양기(R2)의 운전...83
• (3) 탄소섬유 반응기와 UASB를 결합한 연속 배양기(R3)의 운전...93
• (4) 질소 제거 시스템의 Anammox 반응 비교.평가...102
• (가) 본 연구에 사용된 연속 배양기의 성능 비교...102
• (나) $NO_2^{-}-N$가 Anammox 반응에 미치는 영향 분석...103
• 라. 실험 결과 요약...108
• 2. 분자생물학적 기법을 이용한 미생물의 규명 및 정량...109
• 가. Fluorescence in situ hybridization(FISH)...109
• (1) Cell fixation 및 granule 미세절단...109
• (2) In situ hybridization 방법...109
• (3) Fluorescence in situ hybridization(FISH) 결과...110
• 나. DNA 정보의 계통분류학적 분석...122
• (1) DNA 추출 및 PCR amplication...122
• (2) Gene Cloning 및 Transformation...122
• (3) DNA 정보의 계통분류학적 분석결과...123
• 다. Real-time qualitative PCR을 이용한 anammox 미생물의 정량...133
• (1) 개요...133
• (2) Real-time qPCR...133
• (3) Real-time qPCR 활용 가능성 타진...134
• (4) primer set 선정...135
• 라. T-RFLP를 이용한 미생물 군집구조 분석...138
• (1) 개요...138
• (2) T-RFLP...138
• (3) 실험목적...139
• (4) 실험방법...139
• (5) T-RFLP 실험결과...140
• (가) 미생물 식별을 위한 데이터베이스 구축...140
• (나) anammox 미생물 T-RF 식별 실험...142
• (다) 미생물 군집구조 변화 분석...142
• (6) 결론...144
• 마. 결과요약...145
• 3. Anammox 미생물의 입상화 및 적용성 평가...146
• 가. 개요...146
• 나. 실험방법...146
• (1) 생물학적 및 화학적 입상화...146
• (2) 고율 혐기성 암모늄 산화 반응기의 설계...146
• (3) 고율 혐기성 암모늄 산화반응기의 특징...146
• (4) 합성폐수의 특성...148
• (5) 반응가스 측정 및 화학분석...148
• 다. 실험결과...150
• (1) 생물학적 입상화...150
• (2) 화학적 입상화...150
• (3) 입상슬러지의 적용성 평가...152
• 라. 결과요약...154
• 4. 고율 혐기성 암모늄 산화균의 실폐수 적용성 평가...155
• 가. 개요...155
• 나. 실험장치 및 운전조건...155
• (1) 실험장치...155
• (2) 반류수의 특징...155
• 다. 실험결과...156
• 라. 결과요약...157
• 제 3 절 총괄결론...158
• 제 4 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도...162
• 제 1 절 목표달성도...164
• 1. 기술개발 추진체계...164
• 가. 최대 질소제거 부하율...165
• 나. Anammox 균주의 우점화 정도...165
• 다. 입상 Anammox 미생물의 활성도...165
• 2. 최종목표...166
• 제 2 절 관련분야에의 기여도...168
• 1. 관련분야에의 기여도...168
• 2. 관련분야의 기술발전의 활용실적...170
• 가. 국내외 논문게재...170
• 나. 국내외 학술회의 발표...171
• 다. 특허등록 및 출원...172
• 제 5 장 개발결과의 활용계획...174
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...178
• 제 7 장 참고문헌...184