초록 ▼

1. 폐수처리시 발생하는 $N_2O$의 발생특성
가. 질산화 및 탈질로부터의 $N_2O$ 발생
질산화는 아래와 같은 과정에 의해서 진행되고, $N_2O$는 질산화에서 산소가 제한될 경우 암모니아 산화균(AOB ; Ammonia Oxidation Bacteria)에 의하여 $N_2O$의 환원(전자수용체)과정에서 발생한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 관계에 입각하여 하/폐수의 고도처리에 있어 질산화 과정에서 발생하는 $N_2O$

1. 폐수처리시 발생하는 $N_2O$의 발생특성
가. 질산화 및 탈질로부터의 $N_2O$ 발생
질산화는 아래와 같은 과정에 의해서 진행되고, $N_2O$는 질산화에서 산소가 제한될 경우 암모니아 산화균(AOB ; Ammonia Oxidation Bacteria)에 의하여 $N_2O$의 환원(전자수용체)과정에서 발생한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 관계에 입각하여 하/폐수의 고도처리에 있어 질산화 과정에서 발생하는 $N_2O$의 발생 특성을 파악하고, 더 나아가 저감(발생억제) 방안을 제시하는 것을 주요 연구범위 중의 하나로 설정하였다.
또한, 고도처리에 있어 $N_2O$는 다음과 같은 탈질과정에서도 다량 발생하므로 이에 대한 특성파악 및 저감(억제)방안의 제시도 포함되었다.
이러한 내용에 대한 연구를 위하여 본 연구진은 cubic형 스폰지 담체의 투입여부에 따라 2 계열의 고도처리 반응조를 제작하여 장기간 운전하였으며, 상기의 목적을 달성하기 위해 DO, pH, 유기물 농도, HRT, C/N ratio 등의 운전인자가 $N_2O$ 발생에 마치는 제반영향을 조사하였다.
나. FISH법을 이용한 질산화 미생물의 동정 및 공간분포 조사
본 연구에서는 FISH(Fluorescent in situ Hybridization)법을 폐수처리 시스템에 적용하여, 처리대상 물질의 성상과 운전방식 및 운전조건 등에 따른 $N_2O$ 발생패턴과 미생물상의 동정 및 공간분포를 가시적이면서 동시에 정량적으로 파악하여, 궁극적으로는 $N_2O$ 발생과 관련된 미생물에 대한 정보를 획득하고, 보다 효과적인 $N_2O$ 저감방안 도출이 가능하도록 하기 위한 기초적 연구를 수행하였다.
다. 질소의 방사성 동위원소를 이용한 $N_2O$ 발생원의 규명
특히, 담체를 이용한 질소제거 고도처리 프로세스의 경우, 담체 내부에서의 탈질로 인한 $N_2O$ 발생이 예상되는바 $N_2O$ 발생저감을 실현하기 위한 대전제 조건으로 발생한 $N_2O$ 의 source(질산화인지 탈질인지)를 아는 것이 매우 중요한데, 이를 위해 방사성 동위원소($^{15}N$-isotope)를 응용하고, GC/MS 분석을 통하여 $N_2O$의 source를 판단할 수 있었다.
2. $N_2O$ 분석을 위한 real time 미량 분석장비 요소기술 개발
필드에서의 $N_2O$ 분석을 위한 real time 미량 분석장비 요소기술을 확보하기 위하여, 본 연구에서는 미국 레이저 컴포넌트사에서 세계적으로 독점제조, 판매하는 적외선 다이오드 레이저를 부품으로 구입하여 필요한 광학소자와 전자장치를 부착하여 $N_2O$의 real time 미량 정성분석을 시도하였고 이 과정에서 목적장비 개발을 위한 요소기술을 확보하고자 하였다. 그리고 적외선 다이오드 레이저의 발진에는 아직 고도의 숙련된 인력이 필요하므로 이를 최대한 시스템화하려고 노력하였다.
그 구체적인 단계는 다음과 같다.
가. 적외선 다이오드 레이저 설치
기체 분자의 양자역학적 에너지 상태를 구별해서 시간에 따른 상태밀도의 변화를 측정한다. 모니터하고 싶은 $N_2O$ 의 진동 및 회전상태를 고정하고, 록-인 증폭기(Lock-in Amplifier)를 이용하여 적외선 검출기의 신호가 고정되도록 다이오드 레이저 조종기의 전류를 feed-back시키는 과정 등을 수행하였다.
나. 실험실 조건에서 $N_2O$ 정량 분석
고해상도 적외션 스펙트럼은 일반적인 적외선 스펙트럼과 달리 매우 복잡하고 많은 전이선들로 구성되어 었다. 따라서 이들 전이선이 $N_2O$에 해당되는 것인지, 아니면 다른 분자의 것인지를 동정 후 정량분석을 수행하였다.
다. 실험실 조건에서 실시간 $N_2O$ 정량분석
$N_2O$의 전이선을 확인하고, 검출 흡수도 선호의 세기에서 기체사료 셀안의 $N_2O$ 의 농도를 추정할 수 있다면, 특정한 $N_2O$ 전이선에 레이저의 파장을 고정시키고 시간에 따라 그 흡수도의 변화를 알 수 있는 바, 이에 대한 심도있는 조사를 통하여 정확한 동정과 감도상승을 도모하였다.
라. 고도처리 반응조와 조합하여 적용성 검토
고농도 질소 하/폐수처리를 위해 제작하여 운전중인 전술한 고도처리 반응조에 다이오드 레이저 분광기를 결합하여 반응조에서 발생하는 $N_2O$의 농도를 실시간으로 분석하므로서 장비의 성능이 검증되고, 이 과정에서 얻어진 결과는 반응조로부터의 $N_2O$ 발생특성의 해석에 크게 기여하도록 하였다.
마. 현장 사이트에서의 타당성 조사
실험실에서 검증된 다이오드 레이저 분광기를 몇 개의 현장 사이트로 옮겨 현장에서 실시간으로 $N_2O$의 농도를 측정하므로서 실용화를 염두에 둔 가능성을 타진해 본다.

Abstract ▼

1.Characteristics of $N_2O$ production from wastewater treatment.
Nitrification process is like to following phase. Owing to a short supply of $O_2$, the $N_2O$ are release from nitrification. Because Ammonia Oxidizer deoxidize $NO_2^-$. and $NH_2O

1.Characteristics of $N_2O$ production from wastewater treatment.
Nitrification process is like to following phase. Owing to a short supply of $O_2$, the $N_2O$ are release from nitrification. Because Ammonia Oxidizer deoxidize $NO_2^-$. and $NH_2OH$ is reduced.
As above-mentioned, we study to draw the minimum $N_2O$ release.
Denitrification process is like to following phase. $N_2O$ is released by NO reduction.
In this study, we research that operation condition change influence on the bulk reactor and reactor with medium; such as DO, pH, organic compounds concentration, HRT, C/N ratio
FISH method
By appling FISH, we can analyze visual data of $N_2O$ production pattern, microorganism change, space distribution in the wastewater according to operation condition.
Finally we acquire information of microorganism connect with $N_2O$ emission, and then we draw effective operation condition.
Examine of $N_2O$ emISSIon source usmg $^{15}N$-isotope
To achieve a decrease of $N_2O$ production, it is important to understand $N_2O$ production phase. we use $^{15}N$-isotope and GC/MS application. So we can come to reach at a conclusion about $N_2O$ emission source.
In case of nitrogen removal reactor with medium, we use $^{15}N$-isotope to examine $N_2O$ emission source by de nitrifying in the medium.
2. Development of $N_2O$ real time microanalysis system.
The operating principle of semiconductor diode laser is as follows. The semiconductor materials have valence band V and conduction band C, the energy level of conduction band is Eg (Eg>O) higher than that of valence band. Initially the conduction band is completely empty and the valence band is completely filled. When some electrons are excited from valence band to conduction band, electrons in the conduction band drop to the lowest unoccupied levels of this band, we name the upper boundary of the electron energy levels in the conduction band the quasi-Fermi level Efc Meanwhile holes appear in the valence band and electrons near the top of the valence band drop to the lowest energy levels of the unoccupied valence energy levels, leave on the top of the valence band an empty part. The pumping of semiconductor lasers can be realized by US111g electrical current that flows through the semiconductor junctions. This uses the semiconductor laser in the form of diode.
To analyze the $N_2O$ concentration in real time, IR TDL spectrometer should be used with data digitizer and storing system. To interface the IR TDL spectrometer to the personal computer, GPIB interface method is employed. The front end program for the digital storage oscilloscope is Scope Explorer program from LeCroy. The program can be used for $N_2O$ data retrieval and remote control of the DSO.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• Summary ... 12
• Contents ... 20
• 목차 ... 25
• List of Figures ... 30
• List of Tables ... 40
• 제1장 서 론 ... 43
• 제1절 연구 배경 및 필요성 ... 43
• 제2절 연구목표 및 범위 ... 50
• 1. 폐수처리 시 발생되는 N2O의 발생특성 파악 ... 50
• 가. 질산화로부터의 N2O 발생 패턴의 조사 ... 50
• 나. 탈질로부터의 N2O 발생 패턴의 조사 ... 51
• 다. 반응조 ... 51
• 라. 유입기질 ... 51
• 2. FISH법을 이용한 N2O 발생 미생물의 유전학적 접근 시도 ... 52
• 3. N2O의 Real time 미량 분석장치의 개발 ... 52
• 가. 적외선 다이오드 레이저 설치 ... 53
• 나. 실험실 조건에서 N2O 정량분석 ... 54
• 다. 실험실 조건에서 실시간 N2O 정량분석 ... 54
• 라. 시험용 반응조와 조합하여 작동 확인 ... 55
• 마. 현장 사이트에서의 타당성 조사 ... 55
• 4. N2O 발생현황의 파악 ... 55
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 56
• 제1절 국.내외 관련분야에 대한 기술개발 현황 ... 56
• 1. 적외선 다이오드 레이저의 개발 역사 ... 56
• 2. 적외선 다이오드 레이저 분광법 ... 58
• 3. 다이오드 레이저 측정법의 적용 사례 ... 59
• 가. 비행기에 장치된 다이오드 레이저 분광기를 이용한 포름알데히드의 측정 ... 59
• 나. 근적외선 다이오드 레이저 분광법을 이용한 대기 중 이산화탄소 농도 측정 ... 62
• 다. 다이오드 레이저 분광법을 이용한 디젤 엔진 트럭으로부터 배출되는 NO와 NO2의 원격 검출 ... 65
• 라. 그 외 측정의 예 ... 68
• 4. N2O 발생제어 기술 분야 ... 70
• 제2절 국내외 기술 개발 현황에서 차지하는 위치 ... 72
• 1. 다양한 N2O 농도 측정방법 ... 72
• 가. 기체 크로마토그래피 ... 72
• 2. 적외선 흡수분광법 ... 73
• 3. 적외선 가변 다이오드 레이저 분광법 ... 76
• 4. N2O 측정 방법들의 비교 ... 80
• 제3장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 83
• 제1절 이론적 배경 ... 83
• 1. N2O 발생현황 및 특성 ... 83
• 가. 온설가스의 배출현황 ... 83
• 나. N2O 특성 및 발생 ... 87
• 2. 생물학적 질산화 과정에서의 N2O 발생 ... 91
• 가. 산소 농도 ... 92
• 나. 공극율 ... 93
• 다. 온도 ... 94
• 라. pH ... 94
• 마. 온도 ... 96
• 바. 유기물 및 질소부하 ... 96
• 사. 자연계에 걸친 질산화에 의한 N2O 생성 ... 96
• 3. 생물학적 탈질 과정에서의 N2O 발생 ... 97
• 가. 산소농도 ... 97
• 나. 함수율 ... 98
• 다. 질산성 질소, 아질산성 질소 ... 99
• 라. pH ... 99
• 마. 온도 ... 100
• 바. 저해물질 ... 100
• 4. 폐수처리시 N2O 발생에 영향을 끼치는 환경인자 ... 101
• 가. pH ... 101
• 나. C/N비 ... 101
• 다. HRT ... 102
• 라. 산소농도 ... 104
• 5. N2O 발생과정상의 특정 ... 104
• 6. 처리상황의 형태에 의한 발생기구 ... 105
• 가. 질산형 ... 105
• 나. 아질산형 ... 105
• 다. 질산화/탈질형 ... 105
• 7. N2O 발생과 수질과의 관계 ... 106
• 가. 폭기조의 수질과 N2O 발생량과의 관계 ... 106
• 나. 유입/유출수의 물질수지와 N2O 발생량과의 관계 ... 106
• 다. 운전관리지표(MLSS, SRT)과 N2O 발생량과의 관계 ... 107
• 라. 수질분석에 의한 N2O 발생량 추정에의 가능성 ... 107
• 8. Isotope를 이용한 N2O 발생원 규명 ... 107
• 가. 질량분석법 (GC-MS) ... 107
• 나. 발광분광분석법 ... 108
• 다. N2O의 각 동위체 성분별 존재비 및 사료 중 15N-atom% 산출법 ... 108
• 라. N2O의 각 동위체 성분별 정량을 위한 두 가지 가정 ... 109
• 9. 다이오드 레이저의 원리 ... 109
• 10. N2O 실시간 분석 메커니즘 ... 114
• 11. Head-Space Method에 의한 N2O 측정법 ... 120
• 가. 측정방법 ... 120
• 나. 살균제를 주입한 효과 ... 121
• 제2절 폐수처리시 발생되는 N2O의 발생특성 파악 ... 122
• 1. 반응조 제작 및 운전 ... 122
• 가. 반응조 구성 ... 122
• 나. 운전조건 ... 123
• 다. Headspace법에 의한 N2O 측정법 ... 125
• 2. 반응조 운전 결과 ... 127
• 가. C/N비 변화가 N2O 발생에 미치는 영향 ... 127
• 나. 유입 암모니아 농도의 영향 ... 142
• 다. pH의 영향 ... 147
• 라. HRT 변화의 영향 ... 148
• 3. FISH(Fluorescent in situ Hybridization) 분석 ... 159
• 가. 이론적 배경 ... 159
• 나. FISH(Fluorescence in situ Hybridization) 원리 ... 160
• 다. FISH(Fluorescence in situ Hybridization)의 장점 ... 162
• 라. Probe 종류 및 분류 ... 162
• 마. CLSM (Confocal Laser Scanning Microscope)의 원리 및 구성 ... 164
• 바. 실험방법 ... 168
• 사. 실험 결과 ... 171
• 4. N2O의 발생원 규명을 위한 isotope 추적법 ... 178
• 가. 실험 목적 ... 178
• 나. 실험 방법 ... 178
• 다. 실험 결과 ... 180
• 5. 다이오드 레이저를 이용한 N2O 분석 ... 185
• 가. 실험 장치 ... 185
• 나. 다이오드 레이저 분광법의 요소기술 확보 ... 197
• 다. 결론 ... 221
• 6. 현장적용에 관한 타당성 조사 ... 222
• 가. 현장적용 목적 ... 222
• 나. 다이오드 레이저의 현장적용에 대한 검토 ... 222
• 다. Headspace법과 직접포접법을 이용한 측정 ... 227
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 233
• 제1절 연구개발목표의 달성도 ... 233
• 1. 연구개발 목표 ... 233
• 2. 연구개발 목표 대비 달성도 ... 234
• 제2절 관련분야의 기술발전에의 기여도 ... 235
• 1. 경제적 파급효과 ... 235
• 가. 국제경제 상황 ... 235
• 나. 국내 경제 파급효과 ... 236
• 2. 환경 기술적 측면의 파급효과 및 활용방안 ... 237
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 240
• 제6장 참고문헌 ... 243