보고서 정보
주관연구기관 |
연세대학교 Yonsei University |
연구책임자 |
박준홍
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-09 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700011412 |
과제고유번호 |
1711024711 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-13
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키워드 |
아산화질소.아질산성질소.연소추진제.고농도질소오수.부분탈질.오수처리.nitrous oxide.nitrite.propellent.nitrogen-rich wastewater.incomplete denitrification.wastewater treatment.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011412 |
초록
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□ 연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 최종 목표는 고농도 유기물/질소 오수에서 아산화질소를 생물화학적으로 생성하는 새로운 공정 개발을 연구하고, 이를 위해서 RNA-NGS (next generation sequencing) 기반의 metagenomic metabolism engineering의 BT 기술과 오수처리공정기술의 융합화를 연구하는 것이다. 본 연구의 연차별 연구 목표는 다음과 같다.
1차 년도 : 고농도 유기물 및 아질산성질소 조건에서 고효율 N2O 생성 생물화학적 공정 개발
□ 연구의 목적 및 내용
본 연구과제의 최종 목표는 고농도 유기물/질소 오수에서 아산화질소를 생물화학적으로 생성하는 새로운 공정 개발을 연구하고, 이를 위해서 RNA-NGS (next generation sequencing) 기반의 metagenomic metabolism engineering의 BT 기술과 오수처리공정기술의 융합화를 연구하는 것이다. 본 연구의 연차별 연구 목표는 다음과 같다.
1차 년도 : 고농도 유기물 및 아질산성질소 조건에서 고효율 N2O 생성 생물화학적 공정 개발
2차 년도 : 질산화균에 의한 독립영양 탈질에서의 고효율 아산화질소 생산 공정 개발 및 NGS-RNA 기반의 metagenomics을 활용한 reactor metabolism 규명방법의 최적화
3차 년도 : 실지 고농도 유기물/질소 오수에 개발된 N2O 생성 공정 적용성 평가
□ 연구결과
1차년도에는 지속적인 Carbonate Green Rust (GR) 를 이용한 화학적 N2O 생성을 위해, GR 산화물로 알려진 Lepidocrocite(γ-FeOOH) 의 생물학적 환원을 통한 GR 생성 최적화를 도출하였다. 또한 생물학적 N2O 생성을 위해, BES 공정을 이용한 전류의 세기에 따른 독립영양 탈질 기반 N2O 생성 및 미생물 생태 연구를 진행하여 N2O의 변환율을 10% 이상 높였고, RNA 수준의 전체 미생물 활성 분석과 각 pathway 에 관여하는 유전자 발현 분석을 통하여, 실제 CANDO 시스템 내에서 종속영양 탈질 단계별 활성을 가지는 미생물을 검측하였다. 또한, N2O 정제를 위해, CO2가 N2O보다 극성이 큰 특징을 이용하여, NaOH 용액을 CO2 흡수제로 사용해 N2O와 분리시키는 방법을 실험하였으며, 농도별 CO2 / N2O 분리능을 평가하였다. 2차년도에는 멤브레인 생물막 반응조(Membrane Biofilm Reactor)를 구축하여 산소 주입 조건을 변화시키며 질산화균에 의한 질산화-독립영양 탈질에서의 N2O생성을 비교하였고, 미생물 전기화학 시스템을 이용하여 질산화균의 독립영양 탈질효율 및 N2O 생성을 평가하였다. 더불어, N2O 생성 공정에서의 N2O / CO2 기체 정제 연구를 통해 N2O를 성공적으로 분리하는 방법을 최적화하였고, NGS-RNA 기반의 metagenomics를 활용하여 반응조 내 생물학적 질소 기작 규명방법을 최적화 하고 N2O생성 미생물 정보를 획득하였다. 3차년도에는 MABfR 공정을 이용하여 온도변화에 따른 N2O 생성 효율을 비교하여 실지 고농도 질소 오수와 같은 조건의 온도(중온, 30℃이상)에서 7%정도 높은 생성율을 확인하였다. 또한 실지 고농도 유기물/질소 폐수내 존재하는 VFA 탄소원을 사용하여, 질소제거 및 N2O 생성 효율을 평가하여 Propionate을 탄소원으로 사용할 경우 최대화가 가능하다는 것을 도출하였고 N2O생성 미생물 자원을 획득였다. 실제 사용되고 있는 질소 저감 공정 중, 기존 일반 질산화-탈질 공정 외 조류-박테리아 공정에서의 N2O 발생 특성 평가를 통해, 낮은 N2O 발생율과 긴 체류시간(60일 이상)으로 질소처리 및 N2O 생성 공정 적용에 적합하지 않다는 것을 확인하였다.
□ 연구결과의 활용계획
본 연구의 후속 연구로서 파일럿/현장 규모의 실제 음식폐기물 기반 N2O 바이오가스 생성 공정을 1년간 운영한 후 특허/신기술 등록 및 사업화를 추진할 계획이다. 이산화탄소/아산화질소 분리 기술을 실제 N2O 바이오가스 생성 공정에 적용하여, 1년간 운영/개선한 후 신기술 등록을 추진할 것이며 이산화탄소/아산화질소 분리에 사용되는 타 흡수제의 성능 결과를 관찰 중이며, 이 또한 특허 등록 및 기술이전을 추진할 계획이다.
( 출처 : 요약문 5p )
Abstract
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□ Purpose&contents
The purpose of this study is to develop a new biological process for producing N2O from high organic/N wastewater and to converge RNA-NGS based metagenomics & metabolism engineering with wastewater treatment reactor engineering. Specific objectives are (i) to develop
□ Purpose&contents
The purpose of this study is to develop a new biological process for producing N2O from high organic/N wastewater and to converge RNA-NGS based metagenomics & metabolism engineering with wastewater treatment reactor engineering. Specific objectives are (i) to develop biological N2O production process under high organic and nitrite condition (ii) to develop high N2O production by AOB-based autotrophic denitrification and to optimize identification methods of reactor metabolism using metagenomic approaches by NGS-RNA (iii) to evaluate applicabilities of N2O production process under real wastewater condition
□ Result
In the 1st year, In terms of chemical N2O production, we characterized microbial reduction of lepidocrocite(γ-FeOOH) for recycle of carbonate green rust which can produce N2O by oxidation to lepidocrocite. In terms of biological N2O production, we 10% increased N2O conversion by using BES system based on autotrophic denitrification, and identified functionally denitrifying bacterial populations by RNA-level denitrifying gene analysis. In addition, we separated N2O from CO2/N2O mixture using NaOH solution. In the 2nd year, AOB-based N2O production was characterized in response to different oxygen concentration by membrane biofilm reactor, and it was also characterized by BES system. In addition, we optimized the method of N2O separation from CO2, and developed identification methods of nitrogen metabolism and characterized N2O producing bacteria in N2O production systems using NGS-RNA-based metagenomic approach. In 3rd year, N2O production increased as 7% in high temperature as same as real anaerobic digested effluent. Also, N2O production was characterized in response to different VFAs under high organic/nitrogen wastewater. As the results, propionate-based denitrification produced the highest N2O (~30%) and realted microbial populations were characterized. In addition, as other process than denitrification, N2O production in algal-bacterial process was evaluated, and it resulted in low N2O production and high HRT.
□ Expected Contribution
As further works of this project, we will operate N2O production process using food waste at pilot or field scale, and then plan to apply patent or ‘Environmental New Excellent Technology’, and to commercialization. In addition, N2O separation technology will be combined into the N2O production process and operated for 1 year at pilot scale to apply ‘Environmental New Excellent Technology’. Moreover, new N2O separation methods by other absorption materials is being observed, and will be applied to the patent.
( 출처 : SUMMARY 6p )
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과 요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 67 5. 연구결과의 활용계획 ... 69 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 69 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 69 8. 참고문헌 ... 70 9. 연구성과 ... 72 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 77 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 77 12. 기타사항 ... 78별첨1. 대표연구성과 ... 79끝페이지 ... 91
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