초록 ▼

1. 연구개발의 필요성
농산폐기물(볏집, 왕겨, 보릿짚, 콩줄기, 옥수숫대 등)의 연간 발생량은 약 949만톤에 이르며 이 가운데 볏집과 왕겨가 전체 발생량의 약 80%를 차지한다. 볏짚과 왕겨는 벼를 탈곡한 후 발생되는 탄소함량이 매우 높은 목질계 폐기물로, 볏짚의 경우 우리나라 총 농산폐기물 생산량의 50% 이상을 차지하는 주요 부존자원이다. 농산폐기물은 탄소함량은 높은 반면 질소함량이 낮으며 칼리함량은 질소나 인보다 높은 것이 특징이다. 볏집의 경우 과거에는 유기질 자급비료인 퇴비의 주요원료로 활용되었으나 최근에는 콤바인

1. 연구개발의 필요성
농산폐기물(볏집, 왕겨, 보릿짚, 콩줄기, 옥수숫대 등)의 연간 발생량은 약 949만톤에 이르며 이 가운데 볏집과 왕겨가 전체 발생량의 약 80%를 차지한다. 볏짚과 왕겨는 벼를 탈곡한 후 발생되는 탄소함량이 매우 높은 목질계 폐기물로, 볏짚의 경우 우리나라 총 농산폐기물 생산량의 50% 이상을 차지하는 주요 부존자원이다. 농산폐기물은 탄소함량은 높은 반면 질소함량이 낮으며 칼리함량은 질소나 인보다 높은 것이 특징이다. 볏집의 경우 과거에는 유기질 자급비료인 퇴비의 주요원료로 활용되었으나 최근에는 콤바인으로 수확할 때 절단하여 토양에 환원하고 있으며 약 15% 수준인 100～120여 만 톤만이 축우용 사료로 공급하거나 버섯자실체 배양의 배지로 사용되고 있으나, 대부분의 경우 운반, 보관 등의 어려움으로 인하여 소각되거나 현장에 버려지는 경우가 많다. 그러나 온실가스의 저감차원에서 농산폐기물의 소각을 전면 금지할 경우를 대비하여 이들 폐기물의 재활용에 관한 기술개발이 필요한 실정이다. 현재 중국에서까지도 볏짚 등 농산폐기물의 소각을 전면 금지하고 있다.
축산폐수는 전체 수질오염원에 미치는 부하량이 9%이상인 것으로 알려져 있으나 마땅한 처리법이 없어 수질오엽의 주 원인이 되고 있다. 또한 축산 폐수는 발생량에 비해 수질오염부하량이 매우 높은 고농도의 有機性 폐수로써 처리되지 않은 상태로 수계로 유입되면 하천의 수질 악화와 湖沼의 부영양화를 초래하며, 상수원 및 농업용수를 오염시킬 뿐만 아니라 분뇨에 함유된 병원성 미생물 등으로 인한 지하수 오염을 초래하게 된다. 그리하여 정부와 많은 농가에서는 축산폐수의 처리를 위하여 막대한 시설비와 운영비를 투자해 처리시설을 가동하고 있으나 우리 농가의 실정에 맞는 처리기술이 제대로 확립되어 있지 않아 많은 시행착오와 어려움을 겪고 있는 실정이다.
최근 들어서는 여러 가지 농산폐기물과 축산폐기물, 제지슬러지와 도시 고형폐기물, 하수슬러지와 도시고형 폐기물, 하수슬러지와 제과슬러지 등의 통합 혐기성 소화에 관한 연구가 이루어지고 있다. 이는 농산폐기물과 축산폐기물을 각각 처리시에 필요한 요소를 다른 폐수를 이용하여 보충하여 처리하는 방식으로 경제적으로 효율적으로 큰 효과를 볼 수 있는 시스템이라 할 수 있겠다.
2. 연구개발의 목적
본 연구에서는 농산폐기물은 C/N비가 높고 축산(돈분)폐수는 C/N비가 낮은 특성을 고려하여 농산폐기물과 돈분폐수를 일정한 비례로 혼합하여 혐기성 소화에 적절한 C/N를 유지시킴으로서 소화효율의 향상을 꾀하는 통합 혐기성 소화법(Co-digestion)을 이용하는데, 농산폐기물의 소화를 극대화하기 위해 폐기물 혼합전에 농산폐기물의 주요성분인 섬유소 등 고분자 분해활성이 높은 미생물 또는 미생물군을 이용하여 전처리를 시도하여 효율을 꾀해본다. 또한 혐기성 반응기 내에서 중추적 역할을 하는 반응기내의 미생물군을 배양또는 molecular microecological 방법으로 분석하여 미생물군의 상관관계를 알아보고 혐기성 반응기를 걸치면서 배출되는 이산화탄소를 고정화할 수 있는 미세조류의 효율성을 타진해보며, 또한 메탄가스를 고정화할 수 있는 균의 특성을 연구해보며, 산발효조에서 나오는 유기물과 빛을 이용해서 수소생산을 할 수 있는 광합성 세균을 분리해보며서 종합적인 처리시스템을 강구해본다.
아울러, 이러한 효율의 향상이 농산폐기물의 혐기성 소화에 적합한지를 최종적으로 검토해본다.

Abstract ▼

We could isolate rapidly many aerobic and anaerobic bacteriawhich secrete enzymes degrading polymer in compost, sludge, and soil by using chromogenic substrates in second year of this project. And we also developed a system that measures the enzyme activity of these microorganisms by using chromogen

We could isolate rapidly many aerobic and anaerobic bacteriawhich secrete enzymes degrading polymer in compost, sludge, and soil by using chromogenic substrates in second year of this project. And we also developed a system that measures the enzyme activity of these microorganisms by using chromogenic substrates. There are many microorganisms that can be classified asnew species by quite different evolutionary variations compared with established microbes in these isolated microorganisms. We made a close study on some types among these samples, and type DB5 classification was recently finalized and was classified to the new name Cellulomonas terrae. We analyzed microbial communityof granule sludge which plays a central role in the anaerobic reactor by comparative analysis attempting culture methods and non-culture methods like molecular ecological method (PCR/DGGE, Random cloning, T-RFLP). As a result, we couldobtain several tens of new bacteria not established until recently, and also know that these culturable bacteria are nondominant species in reactor through molecular ecological methods. Its type is named Ch05 and was isolated from granule sludge which is classified to the new species P aracoccus koreensis.
As a result of acid fermentation of the rice straw using rumen bacteria, general anaerobic sludge, and granule sludge, granule sludge show the highest degradation rate of the rice straw, but since the difference is small using general anaerobic sludge does not matter. The experiment show that adding isolated bacteria cannot result in a large effect.
As a result of analysis of microbial communityof acid/methane fermentor through random cloning, we know that unnamed bacteria groups uncultured until now play a role in the process, so this suggests culturingof these microbes is urgent.
The optimum anaerobic co-digestion mix rate of the agricultural waste and livestock wastewater with the best digestion rate is given at C/N (element analysis) ratio of 29.8. Because slow degradation rate of the agricultural waste by reactor operation using one-stage methane producing reactor is better than the separation of acid fermentor and methane producing reactor forconvenience and efficiency of operation. Agricultural and livestock anaerobic co-digestion improve 10% of digestion rate compared to existing methods. So the optimum digestion rate is given at pH 6.5-7.0, C/N ratio 29.8, and one-phase methane producing reactor. TS and VSS digestion rates reach 46.5% and 55.4% each. Average methane/biogas ratio is measured 52.1%. We secured this microbe which can fix $CO_2$ and methane, final product of anaerobic digestion, and accomplish isolation and identification. We isolated and identified 14 photosynthetic bacteria strains which proliferate by using light and partially fermented organic matter from acid fermentor and produce hydrogen. We also isolated methane-oxidizing bacteria strain (Y5, Y9) which can fix methane gas and did the characterisation.
In conclusion, we can present an efficient model of agricultural/livestock anaerobic co-digestion reactor helping to decrease the incineration which decreases the emission of $CO_2$, the greenhouse gas, and treating a mixture of agricultural waste and livestock wastewater.

목차 Contents

• 제출문 ...1
• 요약문 ...2
• Summary ...9
• CONTENTS ...13
• 목 차 ...14
• 제 1 장 서 론 ...18
• 1. 연구배경 및 필요성 ...18
• 2. 연구목적 ...19
• 3. 국내외 유사기술과의 차별성 ...20
• 4. 연구진행 방법 ...21
• 제 2장 국내외 기술개발 현황 ...24
• 1. 농ㆍ축산 폐수의 통합혐기성 소화 과정 ...24
• 2. 색소기질을 이용한 고분자 물질 분해균의 빠른 분리를 통한 미생물 자원확보와 동정 및 분류 ...26
• 3. 반응기 내 미생물 군집의 분자생태학적인 분석 및 모니터링과 배양의 중요성 ...27
• 4. 미세조류를 이용한 이산화탄소 고정화 ...28
• 제 3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...30
• 제 1 절 산발효조 효율을 증대시키기 위한 색소기질법을 이용한 Cellulose, hemicellulose의 대표적 산물인 xylan, amylose 등의 섬유소 분해 미생물의 신속한 분리 및 동정 ...30
• 1. 개요 ...30
• 2. Xylan 분해능이 있는 bacteria의 응용성 ...30
• 3. 색소 기질의 원리와 그 구조 ...32
• 가. 왜 색소기질을 제작하는가? ...32
• 나. 색소기질의 원리 ...33
• 다. 색소 기질을 포함한 고체 배지 제작의 효과 ...34
• 4. 재료 및 방법 ...35
• 가. 염색 시약을 이용한 색소기질의 종류 ...35
• 나. 염색 시약으로 표지한 Xylan Blue 제작 과정 ...35
• 다. 다른 종류의 기질을 이용한 색소 기질 제작 ...36
• 라. 색소 기질을 포함한 고체 배지 제작 과정 ...38
• 마. 미생물 분리 소스 ...40
• 바. 16S Partial sequencing을 통한 고분자 물질 분해균주의 동정 ...40
• 5. 결과 ...43
• 가. 색소기질을 이용한 고분자 물질 분해균의 빠른 스크리닝 ...43
• 나. 분리된 박테리아의 신속 동정 ...44
• 제 2 절 색소기질을 이용한 고분자 물질 분해 효소 활성 측정의 표준화 방법 제시 ...47
• 1. 개요 ...47
• 2. 실험 ...47
• 가. 색소기질법을 이용한 효소의 역가측정 ...47
• 나. 색소기질을 이용하여 만든 agar 플레이트를 이용한 효소의 활성 분석 ...48
• 3. 결과 ...48
• 가. 색소기질법을 이용한 효소의 역가측정 ...48
• 나. 색소기질을 이용하여 만든 agar 플레이트를 이용한 효소의 활성 분석 ...49
• 제 3 절 섬유소 등 고분자 물질 분해 활성이 높은 미생물군들을 이용한 농산폐기물의 전처리 ...50
• 1. 개요 ...50
• 2. 실험 ...52
• 가.농산폐기물 모델 선정 ...52
• 나. 시료 및 식종슬러지 ...52
• 다. 장치 ...52
• 라. 배지 및 분석방법 ...53
• 마. 산발효조 배치 실험 방법 ...54
• 3. 결과 및 고찰 ...55
• 가. 짚을 모델로 한 농산폐기물 처리 효율보기 ...55
• 나. 분리된 고분자 다당류 분해 미생물의 Control 산발효조에 투여 분해효율 증진 ...63
• 제 4 절 슬러지와 퇴비에서 분리한 호기, 혐기성 미생물의 동정 및 분류와 섬유소 분해 미생물의 분류 ...64
• 1. 개요 ...64
• 2. 호기성 박테리아의 분리 및 동정 ...64
• 가. 실험방법 ...64
• 나. 결과 및 고찰 ...64
• 3. 슬러지에서 혐기적 박테리아의 분리 및 동정 ...69
• 가. 미생물 분리 소스 ...69
• 나. 혐기성 배양 ...69
• 다. 혐기성 챔버의 세팅 ...69
• 라. 통성혐기성 박테리아 검출 ...69
• 4. 결과 ...71
• 가. 환경샘플에서 색소기질을 이용하여 고분자 물질을 분해할 수 있는 혐기성 세균의 분리 ...71
• 나. 색소기질을 이용한 혐기성 고분자분해 분해균의 분류학적 연구 ...72
• 다. 통성혐기성 박테리아의 확인과 분리된 Cellulomonas 속 박테리아의 특성연구 ...75
• 라. Polyphasic taxonomy를 통한 고분자 물질 분해균주 및 슬러지에서 분리된 균의 분류 ...79
• 제 5 절 농ㆍ축산 폐기물의 통합 혐기성 소화에서 Lab-scale 반응기의 운전을 통한 최적 혼합비율 및 반응조건 선택 ...92
• 1. 목적 ...92
• 2. 실험재료 및 방법 ...92
• 가. 돈분 채취 ...92
• 나. TSS, VSS 측정 ...92
• 다. 화학적 산소 요구량 (COD) 측정 ...92
• 라. C/N비 측정 ...93
• 마. 반응기의 운전 ...93
• 3. 결과 ...94
• 가. C/N비 측정 ...94
• 나. C/N 비 조절 ...95
• 다. 농ㆍ축산 통화혐기성 소화 효율 검증 및 고찰 ...95
• 제 6 절 농ㆍ축산 폐기물의 통합 혐기성 소화 Mini-Pilot scale 반응기의 운전 ...96
• 1. 목적 ...96
• 2. 반응기 구성 ...96
• 3. 측정항목 ...96
• 4. 결과 및 고찰 ...98
• 제 7절 분자생태학적 방법을 이용한 반응기내 미생물 분포 분석 및 모니터링 ...100
• 1. 연구배경-분자생태학적 연구의 필요성과 박테리아 배양의 중요성 ...100
• 2. 대표적인 분자생태학적 방법 ...102
• 가. 16S rRNA gene sequences random cloning and sequenicng ...102
• 나. PCR/DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) ...103
• 다. T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) ...107
• 3. 혐기성 산발효조와 메탄생성조에서 연구되어진 미생물 ...111
• 4. 혐기성 슬러지에서의 미생물 다양성 확인 ...114
• 가. 결과 ...114
• 나. Phylum별로 본 군집 분석 ...117
• 5. 농산 폐기물의 전처리 과정에서의 미생물 군집의 모니터링 ...118
• 가. 목적 ...118
• 나. PCR/DGGE의 방법 ...118
• 다. 결과 ...119
• 6. Granule내의 Bacteria군의 연구 ...121
• 7. 농ㆍ축산 통합 혐기성 소화조의 미생물의 군집 분포 ...123
• 가. 개요 ...123
• 나. 반응조의 선정 ...123
• 다. Clone data 분석 ...123
• 라. T-RFLP 프로파일 분석 ...127
• 제 8절 혐기성 소화에서 생성되는 biogas중 이산화탄소를 고정화할 수 있는 광합성 세균의 탐색 및 분리 동정과 메탄을 고정할 수 있는 메탄산화균의 분리 동정 ...129
• 1. 개요 ...129
• 2. 이론적 배경 ...129
• 가. 이산화탄소의 미세조류를 이용한 고정화 효과 ...129
• 나. 광합성 세균, Purple non-sulfur 박테리아를 이용한 광수소발생 ...132
• 다. 메탄산화균 연구의 필요성 ...133
• 3. 실험 ...135
• 가. 미세조류 및 배양 배지를 이용한 이산화탄소의 고정화시도 ...135
• 나. 광 생물 반응기 장치 ...135
• 다. purple sulfure 박테리아 세균 분리 ...136
• 라. 메탄 산화균의 분리 및 특성연구 ...140
• 4. 결과 및 고찰 ...140
• 가. Algae와 광합성 세균의 균체 생산능력 ...140
• 나. 광합성 세균의 동정 ...141
• 다. 메탄산화균의 분리 및 분류 ...142
• 제 4장 연구개발 목표 달성도 및 대외기여도 ...148
• 제 1 절 연구개발 목표 달성도...148
• 제 2 절 대외기여도...149
• 제 5장 연구개발결과의 활용계획 ...150
• 제 6장 참고문헌 ...151
• 부록 Ⅰ. 보도자료 ...158
• 부록 Ⅱ. 컬러사진 ...184