Nitrogen oxide emissions caused by human activities are accelerating the imbalance in nitrogen cycle. The importance of reducing emissions from engineered systems is emphasized to resolve the serious environmental problems arising from alterations in nitrogen cycle. This thesis was a study on the biological treatment system of nitrogen oxides emitted from indestrial off-gas. In the first research topic of the thesis, the feasibility analysis for various concentration of $N_2O$ removal was performed by operate the pilot-scale biotrickling filter integrated into the anoxic-anaerobic-oxic ($A_2O$) and partial nitritation-anammox (PN-A)-type wastewater treatment plants (WWTPs) during 1 year and 6 months, respectively. Cost-efficiency operation was achieved by using dissolved organic carbon (DOC) in primary sedimentation sewage as an electron donor and self-conveying $N_2O$ as covering the aeration section. The stability of the $N_2O$ removal performance was confirmed through the combination of the bench-scale system operated in parallel at the full-scale $A_2O$ WWTP. The robustness and resilence of microbial compositions in the biofilm to seasonal variations were demonstrated by microbial community analyses based on 16s rRNA sequencing. Taxonomic classification of 157 diverse nosZ genes was identified using metagenome analysis, and the distribution of nosZ genes maintained similar within both systems, regardless of variations in the $N_2O$ concentration and operating conditions. Therefore, the long-term stability of $N_2O$ abatement in this system was identified in highly variable WWTP conditions.
In the second research topic was development of biological treatment system for gaseous nitrogen oxide ($NO_x$) removal generated from the combustion of industrial fuels. Considering that oxygen permeation impact on anoxical reation of denitrification and iron-reduction, the reactor system was designed as packed bed plug flow system, and Fe(II)EDTA-NO$^{2-}$ reduction which formed by NO absorption into aqueous Fe(II)EDTA$^{2-}$ solutions was caused by denitrification as inoculating the activated sludge. Moerever, the regeneration of aqueous solution of Fe(II)EDTA$^{2-}$ was performed by iron-reducing bacteria, suggesting the cost efficiency could be increased. The long-term monitoring was performed to assess the stable removal efficiency of $NO_x$ and the conversion rate of Fe(II)EDTA$^{2-}$. As a results, the 16s rRNA sequencing analysis revealed the predominance of Clostridium sensu stricto species, which are known for fermentative anaerobes. This finding suggests that these species play a crucial role in the recirculated PFR system.
인류 활동에 의한 질소 산화물 배출은 질소 순환의 불균형을 가속화하고 있다. 질소 순환의 변화는 심각한 지구환경문제를 발생시키기 때문에 이를 해결하기 위한 공학적 시스템의 배출량 저감 노력이 중요하다. 따라서 본 학위는 산업용 배출가스에 포함된 질소 산화물의 생물학적 처리 시스템에 대한 연구이다. 첫 번째 연구는 두가지 생물반응조 ($A_2O$, PN/A)를 대상으로 파일럿 규모의 바이오 필터 시스템을 각각 1년, 6개월간 운전하여 다양한 농도로 발생되는 $N_2O$의 저감 가능성을 평가하였다. 가동 기간동안 1차 침전수 내 용존유기탄소를 전자공여체로 사용하였으며, 폭기조 자체압력을 통해 $N_2O$를 공급하여 경제적인 시스템을 달성할 수 있었다. 병렬로 수행된 실험실 규모의 운전 결과와 결합하여 $N_2O$ 처리효율의 안정성을 확인하였다. 바이오필름 내 16s rRNA 미생물 군집 분석으로 시계절 변화의 영향에 따른 미생물 군집의 견고성을 검증하였다. 메타지놈 분석 결과, 157 종류의 다양한 nosZ 유전자가 동정되었으며, 유입 $N_2O$ 농도 및 운전조건의 변화에 관계없이 nosZ 유전자의 전체적인 분포가 두 시스템 내에서 비슷하게 유지되는 것을 확인하였다. 이를 통해 변동성이 큰 하수처리시설에서 해당 시스템의 장기간 $N_2O$ 저감 가능성을 규명하였다.
두 번째 연구 주제에서는 산업 연료에 포함되어 있는 질소화합물의 산화에서 기인하는 가스상 $NO_x$ 제거를 위한 생물학적 처리 시스템을 개발하였다. 플러그 흐름의 반응 시스템을 설계하여 산소 침투로 인한 효율 저하를 최소화 하였으며, 활성슬러지를 접종하여 Fe(II)EDTA$^{2-}$에 흡수 된 Fe(II)EDTA-NO를 탈질균의 환원 반응을 통해 제거 됨을 확인하였다. 또한 철 환원 미생물에 의해 Fe(II)EDTA$^{2-}$를 재사용 함으로써 경제적인 시스템을 구축하였다. 장기간 안정된 $NO_x$ 제거 효율과 Fe(II)EDTA$^{2-}$의 전환율 모니터링을 진행 하였고 16s rRNA sequencing 분석을 통해 Clostridium sensu stricto species의 높은 풍부도를 확인하였다.
