KR20170069394A - 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물 - Google Patents

수질정화용 포러스 콘크리트 조성물 Download PDF

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김우석
이형주
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Abstract

본 발명은 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비표면적이 높고, 생물 친화성을 갖는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber), 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 포함하여 내부 구조를 다공성 구조(porous structure)로 형성함으로써 오염 물질의 흡착 및 분해 능력이 향상된 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물은 물, 시멘트, 잔골재를 포함하는 시멘트 페이스트와 상기 시멘트 중량 대비 0.5 내지 3 중량% 포함되는 활성 탄소 섬유와 상기 시멘트 페이스트 중량 대비 0.1 내지 2 중량% 포함되는 미생물 배양액을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수질정화용 포러스 콘크리트 조성물{POROUS CONCRETE COMPOSITION FOR WATER PURIFICATION}
본 발명은 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비표면적이 높고, 생물 친화성을 갖는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber), 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 포함하여 내부 구조를 다공성 구조(porous structure)로 형성함으로써 오염 물질의 흡착 및 분해 능력이 향상된 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
최근 산업화 및 도시화로 인한 환경오염에 대한 인식이 확산되어 환경보존의 필요성이 대두되고 있다. 사회 기반 시설인 도로, 철도, 항만, 상수도 등의 토목 구조물 및 건축 구조물에 사용되어온 콘크리트는 경제와 문화 발전에 크게 공헌하여 왔다. 그러나 이들 콘크리트는 기능을 추구하는데 그쳐 자연을 파괴하고 동식물의 서식을 방해하여 환경문제에 있어 부정적으로 인식되고 있다. 특히 하천 호안 및 연안지역의 호안블록이나 수중콘크리트 구조물은 육상생태계와 수중생태계의 단절로 인한 생태계의 파괴 및 환경오염을 가속화시키는 원인이 되고 있다.
상기 문제를 해결하기 위하여 한국등록특허 제 10-1045317호(콘크리트 자갈의 다공성 집합성형체 제조방법)은 접촉면적을 극대화하기 위한 다공성 집합 성형체의 제조방법을 제시하고 있다.
하지만 상기 특허 문헌은 그 다공성 구조에만 특징이 있는 것으로서 직접적인 수질 정화 효과는 미미한 한계가 있으며, 물성을 유지하면서 수질 정화 효과를 극대화한 수질 및 환경정화용 콘크리트의 개발이 시급하다.
한국등록특허 제 10-1045317호(콘크리트 자갈의 다공성 집합성형체 제조방법)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 비표면적이 높고, 생물 친화성을 갖는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber)과 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 포함한 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 포러스 구조(porous structure)로 형성함으로써 미생물의 서식 기반이 됨과 동시에 오염 물질의 흡착 및 분해가 원활하게 이루어지도록 한 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물은 물, 시멘트, 잔골재를 포함하는 시멘트 페이스트와; 상기 시멘트 중량 대비 0.5 내지 3 중량% 포함되는 활성 탄소 섬유와; 상기 시멘트 페이스트 중량 대비 0.1 내지 2 중량% 포함되는 미생물 배양액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시멘트 페이스트 중 물과 시멘트는 W/C(Water cement ratio) 30 내지 50% 로 포함되고, 잔골재는 시멘트 중량 대비 200 내지 300% 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 미생물 배양액은 EM(Effective Microorganism)원액, 바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis), 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 활성 탄소 섬유는 100 내지 300 ㎛ 의 입경을 가지는 분말상인 것을 특징으로 한다.
상기 콘크리트 조성물은 공극률 10 내지 20% 갖는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 의하면, 비표면적이 높고, 생물 친화성을 갖는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber)와 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 포함한 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물을 제공하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 의하면, 포러스 구조(porous structure)로 형성함으로써 미생물의 서식 기반이 됨과 동시에 오염 물질의 흡착 및 분해가 원활하게 이루어지도록 한 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 활성 탄소 섬유에 부착된 미생물을 보여주는 SEM 사진.
도 2는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 단면을 SEM 분석 사진.
도 3은 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 수질 정화 능력을 확인하기 위하여 설치한 회분식 반응조 사진.
도 4는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 BOD, COD의 제거효율 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 SS, T-N의 제거효율 변화를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 T-P의 제거효율 변화를 보여주는 그래프.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비표면적이 높고, 생물 친화성을 갖는 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber), 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 포함하여 내부 구조를 다공성 구조(porous structure)로 형성함으로써 오염 물질의 흡착 및 분해 능력이 향상된 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수질정화용 포러스 콘크리트 조성물은 물, 시멘트, 잔골재를 포함하는 시멘트 페이스트와 상기 시멘트 중량 대비 0.5 내지 3 중량% 포함되는 활성 탄소 섬유와 상기 시멘트 페이스트 중량 대비 0.5 내지 2 중량% 포함되는 미생물 배양액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시멘트 페이스트는 물, 시멘트, 잔골재를 포함하는데, 이때 물과 시멘트는 물과 시멘트의 비(W/C, Water cement ratio)가 30 내지 50% 되도록 포함되고, 잔골재는 시멘트 중량 대비 200 내지 300% 포함되는 것을 특징으로 한다.
물과 시멘트의 비(W/C, Water cement ratio)는 30 내지 50% 가 바람직한데, W/C 가 30 % 미만일 경우 워커빌리티(workability)가 저하될 뿐만 아니라 콘크리트 내부에 공극을 형성하기 힘들고, W/C 가 50 % 를 초과할 경우 강도의 급격한 저하가 발생될 수 있기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않도록 한다.
잔골재(fine aggregate)는 유동성 및 물성을 고려하여 시멘트 중량 대비 200 내지 300% 포함되는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 잔골재가 시멘트 중량 대비 200% 미만으로 첨가되면 충진성이 저하되고, 시멘트 중량 대비 300% 초과하여 첨가되면 시멘트에 비해 잔골재가 과다하게 포함되어 결합성이 저하되어 콘크리트에 균열이 발생하고 압축강도가 급격하게 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
상기 활성 탄소 섬유(Activated Carbon Fiber)는 비표면적이 크고, 생물 친화성을 가져 단시간에 생물막이 형성되어 화학약품도 에너지도 필요 없이 물의 정화가 가능하다. 생물막이 수중의 점착성균의 고착과 부유 물질을 부착함으로써 수질을 개선하게 된다. 또한, 미생물과의 친화성이 뛰어나 미생물을 고정하는 담체로서 역할을 수행하게 된다.
상기 활성 탄소 섬유는 시멘트 중량 대비 0.5 내지 3 중량% 포함되는 것이 바람직한데, 시멘트 중량 대비 0.5% 미만으로 첨가되면 그 기능을 기대하기 힘들고, 시멘트 중량 대비 3%를 초과하여 첨가되면 압축 강도, 휨 강도 등의 물리적인 성질이 급격히 저하되기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직할 것이다.
상기 활성 탄소 섬유는 100 내지 300 ㎛ 의 입경을 가지는 분말상인 것을 특징으로 한다. 100 ㎛ 미만의 입경을 가지면, 미세 분말의 뭉침으로 인한 혼합성의 저하가 발생하거나, 미생물이 부착되기 위한 충분한 면적을 갖기 힘들고, 300 ㎛ 초과한 입경을 가지면 충진성, 휨강도 및 압축강도의 급격한 저하를 발생시킬 수 있기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
상기 미생물 배양액은 EM(Effective Microorganism)원액, 바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis), 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
EM(Effective Microorganism)원액은 쌀겨, 당밀 등의 유기물을 발효시킨 것으로 효모, 유산균, 누룩균, 광합성 세균, 방선균 등의 미생물이 풍부하게 들어 있어 강력한 항산화능을 가지며, 산화환원반응에 따른 유해성분 분해 능력이 있는 것으로 알려져 있다. EM원액은 직접 제조할 수 있으며, 시판되는 제품을 구매하여 사용할 수도 있다.
바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis), 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens)는 제주도의 청정지역에서 발견되는 미생물로서 수질 정화 능력을 갖는다. 특히, SS(Suspended Solids), T-N(Total-Nitrogen), T-P(Total-Phosphorous)에 대해 우수한 제거 능력을 갖는다.
상기 미생물 배양액은 시멘트 페이스트 중량 대비 0.5 내지 2 중량% 포함되는데, 시멘트 페이스트 중량 대비 0.5 중량% 미만으로 첨가되면 그 효과를 기대하기 힘들고, 시멘트 페이스트 중량 대비 2 중량% 초과하여 첨가되면 그에 따른 효과의 변화가 없고, 비경제적이기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 광물을 더 포함할 수 있으며, 상기 광물은 제올라이트(zeolite), 버미큘라이트(vermiculite), 일라이트(illite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 돌로마이트(dolomite), 옥석, 백운모, 석영, 장석, 황토 및 점토 중 어느 하나 이상일 수 있다.
저수지, 하천 및 자연 호소 등에 빈번하게 발생되는 탁수(濁水)현상은 콜로이드상의 오탁물 입자가 주요 원인이며, 오탁물 입자 중의 유기물이나 영양염류는 부영양화를 일으켜 녹조 및 담수 적조 현상을 발생시킨다. 이러한 오탁물 입자는 전기적으로 음이온의 성질을 가진다.
상기 광물은 많은 양의 양이온을 치환할 수 있는데, 양이온을 치환한 광물 입자는 음전하를 띠는 오탁물 입자의 표면에 양이온이 분포되도록 함으로써, 결과적으로 수질 개선제를 오탁물 입자가 감싸는 형태로 오탁물 입자를 응집하는 반응구조를 가지게 된다.
또한, 상기 광물은 미네랄이 풍부하며, 수생 생태계에 무해하고, 정균 작용을 하면서 응집 및 침전된 퇴적물에서 오염물이 재번성하는 것을 방지하게 된다.
또한, 상기 광물은 수많은 공극을 가져 유해 물질을 흡착 및 분해될 수 있는 환경을 조성하고, 미세 공극 내에 미생물이 흡착되어 미생물을 고정하는 담체로서 작용할 수 있다.
이때, 상기 광물은 워커빌리티(workability) 및 물성을 고려하였을 때 시멘트 중량 대비 3 내지 10 중량% 포함되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 작업성 및 내구성을 개선하기 위해 감수제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 추가로 포함되는 감수제의 양은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 시멘트 대비 0.5 내지 15 중량% 로 포함될 수 있다. 상기 감수제는 AE 감수제를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 기술자가 사용하는 어떠한 감수제도 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 공극률 10 내지 20% 갖는 것이 바람직한데, 공극률이 10% 미만이면 콘크리트 조성물 내부로 물이 침투되기 힘들고 오염물질의 흡착이 어려워 수질 정화 기능을 가지기 힘들고, 공극률이 20% 를 초과하면 강도가 급격히 저하되기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않도록 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하기로 한다.
시멘트 페이스트의 제조
시멘트는 국내 S사에서 생산된 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 표 1은 시멘트의 특성을 보여준다.
비중
(g/cm3)		 분말도
(cm3/g)		 응결(분) 안정도 압축강도(Mpa)
초결 종결 3일 7일 28일
3.15 3400 230 390 0.1 22.54 29.40 40.18
잔골재는 KS F 2502와 KS F 2573 규격에 적합한 잔골재를 사용하였으며, 표 2는 잔골재의 특성을 보여준다.
최대치수(mm) 밀도(g/cm3) 흡수율(%) 조립율(F,M) 단위용적질량(kg/cm3)
5 2.61 1.62 2.82 1590
W/C는 40% 로 포함하고, 잔골재는 시멘트 중량비의 3배 첨가하여 시멘트 페이스트를 제조하였다.
활성 탄소 섬유의 함량에 따른 물성의 변화
상기 제조된 시멘트 페이스트에 활성 탄소 섬유의 함량을 달리하여 혼합하여 24시간의 기건 양생과 28일간 20 ± 3℃ 에서 수중 양생을 거친 후 휨강도와 압축강도를 측정하였다.
압축강도는 KS L 5105 압축강도 시험방법에 의거하여 50×50×50mm의 정방형 공시체를 제작하고, 휨강도는 KS F 2408 휨강도 시험방법에 의거하여 40×40×160mm의 각형 공시체를 제작하여 만능시험기(U.T.M)를 사용하여 측정하였다.
활성 탄소 섬유의 함량은 시멘트 중량대비 0%, 0.5%, 1%, 5% 첨가하였다.
표 3은 활성 탄소 섬유의 함량에 따른 휨강도를 보여준다.

 휨강도(Mpa)
ACF 0% ACF 0.5 % ACF 1% ACF 5%
1 17.3 21.1 23.7 17.3
2 20.4 20.2 24.8 13.4
3 19.9 20.9 23.0 15.0
평균 19.2 20.7 23.8 15.2
활성 탄소 섬유(ACF) 함량의 증가에 따라 ACF 1% 까지 휨강도가 서서히 증가하여 ACF 1% 혼합되었을 때, 휨강도에서 최고값을 나타냈으며, 그 후에는 서서히 감소하여 ACF 5% 를 첨가하였을 때는 활성 탄소 섬유를 첨가하지 않았을 때(ACF 0%)와 비교하였을 때 급격한 휨강도의 감소를 나타내었다.
표 4는 활성 탄소 섬유의 함량에 따른 압축강도를 보여준다.

 압축강도(Mpa)
ACF 0% ACF 0.5 % ACF 1% ACF 5%
1 56.4 55.6 53.3 48.6
2 57.7 54.6 52.9 41.5
3 61.9 55.6 54.8 38.6
4 58.1 54.0 53.4 49.3
5 49.6 52.2 53.8 41.2
6 55.6 56.4 54.1 50.8
평균 55.6 54.7 53.7 45.0
전반적으로 활성 탄소 섬유(ACF) 함량의 증가에 따라 압축 강도가 감소하는 양상을 보였다. 활성 탄소 섬유(ACF) 함량이 1% 때까지 압축 강도가 소폭으로 감소하였고, 활성 탄소 섬유(ACF)의 함량이 5% 일 때는 초기 압축강도의 약 20% 가 감소한 것을 확인 할 수 있었다.
미생물의 배양
제주도의 청정지역(방선문계곡, 미천굴, 천미천, 쇠소깍, 협재굴)에서 채취한 물을 TSA(Tryptic Soy Agar)배지를 사용하여 미생물을 분리 및 배양하여 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 확인하였다. 수질 정화 능력을 갖는 미생물을 동정한 결과 바실러스 서틸러스(Bacillus subtilis sp .)와 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스 (Bacillus amyloliquefaciens)로 확인되었다.
콘크리트 조성물을 제조함에 앞서, 활성 탄소 섬유와 미생물의 부착관계를 FE-SEM(S-4300 와 EDX-350; Hitachi, Tokyo, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 그 결과, 도 1에 도시된 바와 같이, 미생물이 활성 탄소 섬유에 잘 부착된 것을 확인할 수 있었다.
균체량 3.7 ×107 CFU/ml 을 갖는 바실러스 서틸러스(Bacillus subtilis sp.)와 균체량 2.8 ×109 CFU/ml 을 갖는 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스 (Bacillus amyloliquefaciens)를 시멘트 페이스트 중량 대비 1% 포함되도록 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
조성물의 배열 및 균열 상태를 파악하기 위하여 5mm 크기 내외로 조각낸 후, 백금 코팅을 한 후 분석을 하였다. 그 결과, 시멘트 페이스트, 활성 탄소 섬유 및 미생물이 잘 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 도 2는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 단면을 SEM 분석 사진을 보여준다.
수질 정화 능력 비교
ACF를 첨가하지 않았을 때(대조군)와 ACF를 1% 첨가하였을 때(실험군) 콘크리트 조성물을 도 3과 같이 회분식 반응조(CMB, Completely mixed batch reactor)에 침지시켜 수질 정화 능력을 확인하였다.
원수는 Y환경사업소의 유입수를 1차 정화(사석 및 협작물 제거)한 처리수를 사용하였다.
오염물질 제거 평가 항목은 BOD(Biochemical Oxygen Demand), COD(Chemical Oxygen Demand), SS(Suspended Solids), T-N(Total-Nitrogen), T-P(Total-Phosphorous)로 선정하였으며, 수질오염공정시험기준(환경부, 2012)에 의거하여 분석하였다.
표 5는 BOD(Biochemical Oxygen Demand), COD(Chemical Oxygen Demand)의 농도 변화를 보여주고, 도 4은 BOD, COD의 제거효율 변화를 보여준다.

 BOD COD
1일 7일 14일 21일 1일 7일 14일 21일
0%(mg/L) 212 154 132 126 69.01 40.8 29.95 25.85
1%(mg/L) 212 156 127 120 69.01 34.76 27.21 22.85
표 6은 SS(Suspended Solids), T-N(Total-Nitrogen)의 농도 변화를 보여주고, 도 5는 SS, T-N의 제거효율 변화를 보여준다.

 SS T-N
1일 7일 14일 21일 1일 7일 14일 21일
0%(mg/L) 220.5 91 54.5 48 41.24 30.87 27.55 26.34
1%(mg/L) 220.5 93.5 31 29.5 41.24 27.7 23.44 21.09
표 7은 T-P(Total-Phosphorous)의 농도 변화를 보여주고, 도 6은 T-P의 제거효율 변화를 보여준다.

T-P
1일 7일 14일 21일
0%(mg/L) 8.35 5.76 4.81 3.12
1%(mg/L) 8.35 6.02 3.23 1.85
상기 결과에서 대조군보다 실험군이 수질 정화 능력이 우수하다는 것을 확인할 수 있었으며, 콘크리트 조성물 내의 공극 구조 및 활성 탄소 섬유가 오염물질을 흡착하고, 미생물이 이를 분해함으로써 수질 정화 작용을 한 것으로 판단하였다.
이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 수질을 정화하는 콘크리트 조성물에 있어서,
    물, 시멘트, 잔골재를 포함하는 시멘트 페이스트와;
    상기 시멘트 중량 대비 0.5 내지 3 중량% 포함되는 활성 탄소 섬유와;
    상기 시멘트 페이스트 중량 대비 0.1 내지 2 중량% 포함되는 미생물 배양액을 포함하는 것을 특징으로 하는
    수질정화용 포러스 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시멘트 페이스트 중
    물과 시멘트는 W/C(Water cement ratio) 30 내지 50% 로 포함되고,
    잔골재는 시멘트 중량 대비 200 내지 300% 포함되는 것을 특징으로 하는
    수질정화용 포러스 콘크리트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 미생물 배양액은
    EM(Effective Microorganism)원액, 바실러스 서브틸러스(Bacillus subtilis), 바실러스 아밀로리쿠에파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    수질정화용 포러스 콘크리트 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 활성 탄소 섬유는
    100 내지 300 ㎛ 의 입경을 가지는 분말상인 것을 특징으로 하는
    수질정화용 포러스 콘크리트 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물은
    공극률 10 내지 20% 갖는 것을 특징으로 하는
    수질정화용 포러스 콘크리트 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200043008A (ko) * 2018-10-17 2020-04-27 가천대학교 산학협력단 미세먼지 제거를 위한 콘크리트 조성물 및 이를 포함하는 콘크리트 패널
CN111575210A (zh) * 2020-05-26 2020-08-25 浙江工业大学 一种解淀粉芽孢杆菌zjb19161及其应用

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