초록 ▼

개발 목적 및 필요성
· 황산화미생물을 이용한 독성 감시장치(S-TOMS;Toxicity Online Monitoring System using Sulfur Oxidizing Bacteria)를 개발하고, 개발된 장비가 전국의 취, 정수장, 하,폐수처리장 및 강, 호수 등에 설치되어 독성에 의한 오염을 실시간으로 감시하고, 예·경보할 수 있는 네트워크 시스템을 구성하여 수계 내 독성물질에 대한 통합관리 체계를 구축하고자 함

· 유해화학물질 종류의 급격한 증가로 인해 개별 물질에 대한 대응은 한계가 있으며, 또한 현

개발 목적 및 필요성
· 황산화미생물을 이용한 독성 감시장치(S-TOMS;Toxicity Online Monitoring System using Sulfur Oxidizing Bacteria)를 개발하고, 개발된 장비가 전국의 취, 정수장, 하,폐수처리장 및 강, 호수 등에 설치되어 독성에 의한 오염을 실시간으로 감시하고, 예·경보할 수 있는 네트워크 시스템을 구성하여 수계 내 독성물질에 대한 통합관리 체계를 구축하고자 함

· 유해화학물질 종류의 급격한 증가로 인해 개별 물질에 대한 대응은 한계가 있으며, 또한 현재 수질기준을 만족하는 수체에 대해서도 미지 독성물질에 의한 생태독성 발생으로 소하천 등 수생태계 손상의 우려는 상존함

· 따라서 정확하고 신뢰성 있는 생물독성 감시장치의 기술 개발이 필요하며 생물독성 감시장치와 이를 관리할 수 있는 통합관리 시스템의 통신을 위하여 프로토콜을 개발하고 M2M 네트워크를 이용한 생물독성감시 시스템 기술 개발이 필요함

연구개발 결과
· 기존 장비 개선을 위한 시제품 설계 및 제작
- 마이크로 컨트롤러 (마이컴)보드 개발
- 산업용 PC전용 운영프로그램 개발
- 5채널 전기전도도 측정기 개발
- 개발 프로그램 및 개선 모듈을 통합한 시제품 제작
· 황산화 미생물 배양을 위한 전용 배양기 개발 및 제작
- 황산화미생물 배양을 위한 전용 배양기 개발
- 성능검증을 위한 테스트 완료
· Test-bed 적용 실험을 통한 시스템 최적화
- 테스트베드 구축 및 운영
- 양방향통신을 이용한 측정장비 원격제어 및 통합관리시스템 구축.
· 제품 성능 개선을 위한 최적화
- 독성도 계산 알고리듬 개선
- 시제품을 이용한 독성 테스트 완료

공정·제품
사진 및 도면
< 독성감시장치 STOMS >
< 미생물배양기 >

성능사양 및 기술개발 수준
< 독성감시장치: S-TOMS >
측 정 항 목 : 독성도(0 ~ 100 %)
전기전도도(0 ~ 20 mS/㎝)
측 정 주 기 : 5 ~ 30 분 ( 사용자 설정 가능 )
운 전 방 식 : 연속 반응조 및 반연속 반응
디스 플레이 : LCD 터치스크린( Color / 12.1inch )
센 서 보 정 : Zero 및 전기전도도 표준 용액을 이용한 2점 보정
출 력 : Analog 4-20 ㎃, TCP/IP, 릴레이 접점 출력 3개
Serial RS-232 (환경관리공단 표준 프로토콜)
규 격 : 외함재질 - Steel 2 t / 분체 도장 방식
외함크기 - 600 x 600 x 880 mm
중 량 - 60 kg
사 용 환 경 : 작동온도 - 0-40 ℃, 습도 - 90 ％ 이내
전원공급 - AC 220 V, 소비전력 - 1 kW

< 미생물배양기 >
배양기 용적 : 21 Liters
온도제어방식 : Digital PID control
온도제어범위 : Amb+15 ~ 50 °C
온 도 편 차 : ±1.0 at 25°C
센 서 : Pt 100
규 격 : 내부크기 - 350 x 200 x 300 mm
외부크기 - 500 x 500 x 640 mm
사 용 환 경 : 전원공급 - AC 220 [ V ]
소비전력 - 1 [ kW ]

활용계획
· 본 연구의 성과물은 황산화미생물의 반응을 이용하여 수계에 유입되는 독성물질을 실시간으로 감시하여 경보하는 장치로서 종합적인 독성 물질에 대한 영향을 판단하기 위한 유용한 장비로 활용됨

· 오염사고 및 테러 등의 독성 오염사고에 즉각적인 대응을 위해 일정규모 이산의 국내 취·정수장에는 의무적인 설치가 수도법상에 명시되어 있으며, 이외에도 하·폐수처리장 원수 수질감시, 완충저류조 수질감시, 국가자동측정망, TMS 및 마을상수도 등에 적용이 가능

주요성과
기타
해외전시회 참가 2회, 국내 전시회 참가 1회 프로그램등록 1건

(출처 : 요약서 4p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
1. Microcontroller board development
- Modularization of electrical and electronic parts using existing PLC has been carried out through microcontroller, and it is possible to remove electrical noise in existing wiring process, thus ensuring stability of toxicity measurement.

Ⅳ. Results
1. Microcontroller board development
- Modularization of electrical and electronic parts using existing PLC has been carried out through microcontroller, and it is possible to remove electrical noise in existing wiring process, thus ensuring stability of toxicity measurement.

- In addition, it has become possible to miniaturize and lighten the product by modularization through the microcontroller in the existing PLC based products, and it has improved the ease of installation and maintenance of the product due to this, and it produces about 50% Cost reduction effect.

2. Development of operating program for PC specifically
- As the major development contents, we designed the transmission program using the the protocol authorized by Ministry of Environment, developed the DB data construction for transmission, and developed the protocol for web-based remote control.

- We have created design contents and contents for intuitive and efficient GUI development, and completed GUI software development through cooperation with professional design company (S-TOMS Ver. 1).
- In order to secure intellectual property rights for developed programs, S-TOMS Ver. 1 is completed.

3. Development of 5 channel electric conductivity meter
- Through this project, we developed the firmware program through the electric conductivity measurement algorithm, the electric conductivity correction, and the display algorithm design, and completed the design and manufacture of the electric conductivity PCB board. By integrating the electric conductivity measurement part, Improved modular component availability

- In addition, through the development of the 5-channel EC measurement module, product cost reduction was achieved through miniaturization and weight reduction of the product, and the electrical conductivity was evaluated objectively through an accredited testing laboratory to evaluate the measurement performance.

4. Toxicity measurement equipment prototype production
(1) Development of modular thermo chamber and reactor
- The system design of the previous thermo chamber was upgraded to facilitate user's convenience and maintenance, and the inflow water tank, the outflow water tank, the air pump, the flow meter and the sample pump were made into a single module form in one module. The mass transfer efficiency is increased to shorten the reaction time and improve the sensitivity.

- In case of the previous sample injection pump, the large capacity pump caused excessive power consumption and noise generation. To solve this problem, the pump was replaced with a small capacity pump. In the case of existing products, Maintenance was inconvenient, but modularized thermo chamber was designed by sliding pull-out method, which made maintenance convenient.

(2) Sample pre-heating tank and bioreactor improvement
- In order to improve this, an inner water tank was installed outside, a metal filter was installed to enable continuous filtration, a heater capable of temperature control was installed in a container made of glass rather than acrylic, After preheating, the sample was introduced into the bioreactor by the tube pump.

- In order to overcome the limitations of the existing bioreactors, the material of the reactor was changed to Pyrex glass, and the electric conductivity sensor installed at the upper part was in constant contact with the sample water while blocking the bubbles flowing in from the lower part, The diffusion of sulfated ions formed in the structure is changed to a structure in which rapid diffusion can occur.

(3) Improved case construction
- In the case of existing products, the product was made in the size of 600mm × 700mm × 1800mm, but it was downsized to the size of 600mm × 600mm × 880mm through this development. The total product weight was reduced from 100kg to 60kg, cost reduction by 50%, and also from maintenance aspect.

5. Development of SOB culture tank and production of prototype
(1) Design of incubator for SOB
- The structure is in the form of a hexahedron cabinet with a front window and a design with a constant temperature maintenance system, SOB culture tank made of glass, a sample water / air supply line and an electric conductivity sensor.

(2) Production of incubator for SOB
- We secured the prototype of the SOB incubator which was the main development goal of the second year research project.

- The reliability of the SOB incubator is secured through an external testing laboratory. The substrate required for microorganism cultivation is the first injected sulfur particles, and it is possible to maintain the activity of the microorganism by injecting additional air without additional substrate. If the microorganisms are killed by toxic substances during the operation of the toxic monitoring device, the microorganisms cultivated in the incubator may be inoculated to maximize the convenience and operational efficiency in the operation of the toxicity monitoring device.

6. System optimization through application of test-bed
- To verify the performance of the developed product, the test bed was operated from February 28, 2017 to November 30, 2017 in the National Automatic Water Quality Management Network of the Korea Environment Corporation in Yugu stream in Gongju, Chungnam.

- Through the operation results of 8 months long test bed, it was possible to obtain improved products such as tube material replacement by evaluating the durability of each part and the cause analysis in case of failure.

- The toxic monitoring equipment installed in the test bed is connected to the internet web-based monitoring network to perform data transmission and control remotely and patent related technology is registered.

7. Optimized to improve product performance
- In order to improve the EC change rate calculation method of cycle unit, it is improved to an algorithm which calculates the rate of change of electrical conductivity in real time and uses it for alarm. Through this, when EC slope decrease occurs within the measurement cycle, And it was improved to measure the EC change rate by mounting it on new equipment.

- Toxicity test result showed sensitive response to heavy metals such as arsenic, mercury and chromium 6.

- In the case of existing products, general tests for chromium 6 (2 ppm) have been conducted. However, the sensitivity of the test using the improved prototype was increased by 500 ppb.

- The toxicity level of 20% or more toxicity was measured six times using a sample of 500 ppb diluted with hexavalent chromium standard solution from the Korea Testing and Research Institute of Korea Testing and Research Institute. And the maximum expression time was 3 minutes 55 seconds. As a result of 6 experiments, more than 60% of toxicity was expressed and satisfied the alarm condition.

(출처 : SUMMARY 16p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출서 ... 2
• 제출문 ... 3
• 요약서 ... 4
• 요약문 ... 7
• SUMMARY ... 14
• 목차 ... 21
• 표목차 ... 23
• 그림목차 ... 24
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 26
• 1-1. 연구개발 목적 ... 28
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 29
• 1-3. 연구개발 범위 ... 30
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 34
• 2-1.국내 현황 ... 36
• 2-2. 국외 기술수준 시장 현황 ... 44
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 48
• 3-1. 연구개발 내용 및 최종목표 ... 50
• 가. 최종 연구 목표 ... 50
• 나. 1차년도 개발 목표 및 내용 ... 50
• 다. 2차년도 개발 목표 및 내용 ... 51
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 53
• 가. 마이크로 컨트롤러 보드 개발 ... 53
• 나. PC전용 운영 프로그램 개발 ... 56
• 다. 5채널 전기전도도 측정기 개발 ... 60
• 라. 독성측정 장비 시작품 제작 ... 63
• 마. 황산화 미생물 배양기 개발 및 시작품 제작 ... 70
• 바. Test-bed 적용을 통한 시스템 최적화 ... 75
• 사. 제품 성능 개선을 위한 최적화 ... 81
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 96
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 100
• 4-1. 목표달성도 ... 102
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 104
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 106
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 112
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 116
• 8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 120
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 124
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 128
• 11. 기타사항 ... 132
• 12. 참고문헌 ... 136
• 부록 ... 140
• 부록1. 황산화 미생물 독성 모니터링 시스템 사용 매뉴얼 ... 142
• 부록2. 황산화 미생물 배양기 사용 매뉴얼 ... 178
• 끝페이지 ... 192