초록 ▼

연구개발결과
본 연구과제를 통해서 얻은 연구개발 결과는 다음과 같다.
1. 다양한 유동성 담체의 개발: 연구 초기 천연고분자물질인 Alginate을 이용한 bead를 사용하였으나 Alginate bead는 장시간 사용 시 분해가 되는 문제점이 있다. 따라서 이를 극복하기 위해서 Alginate bead에 상전이법을 이용하여 다공성 분리막을 코팅하여 물리 기계적 강도를 높인 M-bead를 개발하였다. 그리고 이를 더 개량하여 합성고분자 물질을 사용한 W-bead를 최종 개발했고, 이를 실폐수 Pilot MBR에 약 5개월

연구개발결과
본 연구과제를 통해서 얻은 연구개발 결과는 다음과 같다.
1. 다양한 유동성 담체의 개발: 연구 초기 천연고분자물질인 Alginate을 이용한 bead를 사용하였으나 Alginate bead는 장시간 사용 시 분해가 되는 문제점이 있다. 따라서 이를 극복하기 위해서 Alginate bead에 상전이법을 이용하여 다공성 분리막을 코팅하여 물리 기계적 강도를 높인 M-bead를 개발하였다. 그리고 이를 더 개량하여 합성고분자 물질을 사용한 W-bead를 최종 개발했고, 이를 실폐수 Pilot MBR에 약 5개월 이상 운전 중에 있다. 이밖에 W-bead를 응용하여 보다 모양을 쉽게 변화시킬 수 있는 유동실 (Fiber)도 개발하였다.
2. 다양한 미생물 고정용기의 개발: 기존에 0.4 μm 의 공극 크기의 PE 중공사막을 활용한 미생물 고정용기를 사용했으나 이를 보다 더 개발하여 PVDF, PES, 세라믹 등의 재료를 이용한 분리막을 이용하여 새로운 미생물 고정용기를 개발하였다. 특히 세라믹 분리막을 이용한 미생물 고정 용기는 기존의 미생물 고정용기의 문제점이 물질전달 문제를 폐수를 Inner flow로 공급하는 방법을 적용하여 해결하였다. 이 방법으로 보다 더 많은 물질 전달이 미생물 고정 용기에서 발생하여 정족수 감지 억제 효과를 증가 시킬 수 있었다.
3. Bead와 고정용기의 장점을 취한 정족수감지 억제용 유동성 실 (QQ-Fiber)을 개발하였다.
4. 정족수 감지 억제제의 실폐수 Pilot MBR 적용 평가: 대전과 덕평 하폐수 처리장에 반응기 크기 80~110L의 MBR을 설치하였다. 대전은 평막 형태의 분리막에 유동성 담체인 W-bead를 적용하여 막간차압 상승을 약 4.5배 지연시켰으며, 포기량(Aeration)조절을 통한 에너지 소비량 저감효과를 확인해본 결과 정족수 감지 억제제를 투입할 경우 기존 MBR의 운전 에너지를 45% 저감하는 것으로 확인했다. 덕평에 설치된 Pilot MBR은 중공사막 형태의 분리막에 PE 중공사막을 이용한 정족수 감지 억제제를 설치하였고, 막간차압 상승을 2배 지연 시키는 것으로 확인되었다.
5. 정족수 감지 억제제를 적용했을 때 에너지 소비감소를 평가하는 방법을 확립했다.
6. 천연물질을 이용한 정족수 감지 억제제 개발: 자연계에 존재하는 천연물질인 Curcumin과 Vanillin을 이용한 정족수 감지 억제제를 개발하려고 하였다. Lab. MBR test결과 Curcumin은 막간차압 상승 지연 효과가 적었지만 Vanillin은 매우 큰 효과를 나타내는 것으로 확인하였다. Vanillin을 유동성 담체와 같은 중간체를 이용하여 MBR에 적용하는 방법을 연구할 예정이다. 또한 새로운 천연물질로 Cinnamaldehyde를 MBR에 적용하여 막간 차압 상승 지연효과를 확인했다.
7. AI-2 신호전달 물질을 저해를 목적으로 한 새로운 정족수 감지 억제제 개발 연구: 기존에 이루어졌던 AI-1 신호전달 물질이 아닌 다른 신호전달물질인 AI-2 신호전달물질 저해를 위해서 현재 3가지의 저해 물질을 가지고 Lab. MBR test를 통하여 그 효율성을 확인하였다.
8. 정족수 감지 억제제 적용시 MBR의 생물학적 처리 능력에 영향이 있을 것을 우려하여 연구실에 A/O MBR을 설치하고 질소 제거와 유기물질 제거율을 관찰한 결과 정족수 감지 억제 효과로 인해서 막간 차압 상승이 지연이 되어도, MBR의 생물학적 처리 능력에는 아무런 부작용이 없는 것을 확인하였다.
9. 본 연구를 진행하는 20개월 동안 (2012.10~ 2014,5) 2회의 국제학회를 성공적으로 개최했으며, 본 연구팀은 총 37회의 국제학회에서 연구 결과를 발표하였다.

Abstract ▼

Ⅳ. Results
The outcomes generated from this research project is as follows:
1. Development of various types of moving bead: In the early phase of the research, alginate, a natural polymeric substance, was used to entrap quorum quenching bacteria for biofouling inhibition. However, we observed

Ⅳ. Results
The outcomes generated from this research project is as follows:
1. Development of various types of moving bead: In the early phase of the research, alginate, a natural polymeric substance, was used to entrap quorum quenching bacteria for biofouling inhibition. However, we observed the gradual decomposition of alginate matrix in a long-term operation of MBR. To solve the stability limitation of the alginate beads, we prepared M-bead and W-bead. The M-bead is a macrocapsule in which alginate bead is coated by polymeric membrane and it exhibited high retention of encapsulated quorum quenching bacteria in harsh chemical environment. W-bead is prepared from synthetic polymer and it showed enhanced quorum quenching activity and structural stability which were maintained for more than 84 days in both synthetic and real wastewater. Moreover, flexibility of shape of W-bead in the preparation step enabled production of different shapes W-bead material. As a result, W-fiber with a cylindrical geometry was developed recently.
2. Development of various types of microbial vessels: The previous microbial vessels were used with PE hollow fiber membrane which has a 0.4 μm pore size. Recently, new microbial vessels made of PVDF, PES, and ceramics were developed. Especially, the ceramic vessels incorporated inner flow to directly supply nutrients to quorum quenching bacteria in the microbial vessel. The inner flow feeding mode of the ceramic vessel was expected to facilitate the mass transfer of air and nutrients and thus augment the local F/M ratio eventually enhancing the quorum quenching bacterial viability in the vessel.
3. Quorum quenching mobile fiber (QQ-fiber), which takes advantages of both bead and microbial vessel, was developed.
4. Application of quorum quenching agent in pilot-scaled MBR for real wastewater treatment: Two pilot-scaled MBRs of 80 to 110 liter-size were installed in real wastewater treatment plants located in Daejeon and Deokpyeong. In the Daejeon plant, W-bead extended the time required to reach the TMP of 40 kPa by ~4.5-fold. Also, our energy savings assessment showed that application of quorum quenching agent reduced required aeration intensity in membrane tank lowering energy consumption by 45%. Use of QQ vessel in pilot MBR in Deokpyeong delayed TMP jump by two folds.
5. Method of assessing reduction in energy consumption upon application of quorum quenching agents was established.
6. Development of quorum quenching agent from natural products: Natural compounds found in nature such as vanillin and curcumin were developed as quorum quenching agent. The result of lab-scaled MBR showed that vanillin mitigated the TMP rise-up although curcumin did not show significant quenching activity. A research developing vanillin entrapping medium will be carried out. Also, another natural product, cinnamaldehyde, was applied and its anti-biofouling effect was observed through delay in the TMP rise-up in MBR.
7. Development of quorum quenching agent for inhibition of AI-2 signal molecules: Previous studies have focused on controling AI-1 signal molecules which are exchanged among gram negative bacteria only, but, recently, we have conducted preliminary tests on three kinds of inhibitors for quenching inter-species quorum sensing molecules, AI-2 signal molecules, for more effective biofouling mitigation. The AI-2 quorum quenching activity of the three agents is currently tested through continuous lab-scale MBR operations.
8. In order to verify whether application of quorum quenching in MBR affects biological processing capabilities, we installed A/O MBR and monitored removal efficiencies of Nitrogen and organic compounds. The result showed that the quorum quenching induced biofouling inhibition is carried out with no influence on biological processing capacities.
9. During the 20 months (2012.10~2014.05) of proceeding with current project, two international workshops were successfully held, and the research team have presented the findings 37 times at international conferences.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 환경기술개발사업 최종보고서(제출서) ... 2
• 제출문 ... 3
• 요약서 ... 4
• 요약문 ... 8
• SUMMARY ... 12
• 목차 ... 17
• 제 1 장 서 론 ... 18
• 제1절 연구개발과제의 개요 ... 18
• 제2절 연구개발의 국내외 현황 ... 22
• 제3절 연구개발의 내용 및 범위 ... 27
• 제 2 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 30
• 제1절 연구개발 결과 및 토의 ... 30
• 제2절 연구개발 결과 요약 ... 154
• 제 3 장 목표 달성도 및 관련분야 기여도 ... 156
• 제1절 연도별 연구개발목표의 달성도 ... 156
• 제2절 관련분야의 기술발전 기여도(환경적 성과 포함) ... 158
• 제 4 장 연구개발결과의 활용계획 등 ... 164
• 제1절 연구개발 결과의 활용계획 ... 164
• 제2절 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 165
• 제3절 연구개발결과의 보안등급 ... 166
• 제4절 NTIS에 등록한 연구시설·장비현황 ... 166
• 제 5 장 참고문헌 ... 167
• 부 록(기타 부록, 지침서, 매뉴얼, 안내서, 핸드북 등) ... 169
• 끝페이지 ... 181