KR20140114564A - 고농도 오폐수 중 질소를 제거하기 위한 미생물제제 및 이를 이용한 축산분뇨처리 시설의 처리방법 - Google Patents
고농도 오폐수 중 질소를 제거하기 위한 미생물제제 및 이를 이용한 축산분뇨처리 시설의 처리방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유기물 분해능이 우수한 질화균인 신규한 나이트로 박터 속(Nitrobacter sp. H2S1) 균주를 포함하는 질소의 제거 및 이를 이용한 축산폐수를 정화하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 축산폐수로부터 질소를 제거하는 단계에서 생육이 우수한 신규한 나이트로 박터 속(Nitrobacter sp. H2S1) 균주를 포함하여 질산화과정을 안정하게 유지하고 혐기성소화조의 탈질과정과 아질산화과정을 반복 배열하여, 저 C/N비 및 고농도의 질소를 함유하고 있는 축산폐수 내의 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 제거 방법 및 정화시스템에 관한 것이다.
본 발명은 미생물의 조절을 통하여 혐기성 암모니아 산화 과정 및 반응생산물의 조성을 조절할 수 있으며, 질산화(nitrification) 과정에서 NO3와 NO2과정을 분리하여 질소의 제거 및 충분한 질산염의 공급으로 고도처리까지 가능하여 방류는 물론 순환 재사용이 가능하고 기존 시설을 이용 가능하여 과도한 설비비가 필요 없으며 유지관리비가 현저히 저렴하다
본 발명은 미생물의 조절을 통하여 혐기성 암모니아 산화 과정 및 반응생산물의 조성을 조절할 수 있으며, 질산화(nitrification) 과정에서 NO3와 NO2과정을 분리하여 질소의 제거 및 충분한 질산염의 공급으로 고도처리까지 가능하여 방류는 물론 순환 재사용이 가능하고 기존 시설을 이용 가능하여 과도한 설비비가 필요 없으며 유지관리비가 현저히 저렴하다
Description
본 발명은 고농도의 오폐수 처리에 관한 것으로, 상세하게는 오폐수 중의 유기물 중에서 질산염 분해능이 우수하며 생육이 빠른 고농도의 질소제거 능력이 탁월한 신규 나이트로박터속과 이를 이용하여 대표적 유기성폐기물인 축산분뇨를 친환경 생물학적 연계공정을 적용하여 효율적인 바이오에너지 생산은 물론 양질의 액비와 기존 혐기성 소화공정을 실제 적용하는데 있어서 큰 약점으로 작용하였던 소화조 유출수을 효과적으로 처리할 수 있는 생물학적 공정을 개발하여 패키지형 시스템을 이룩하고자 한다..
축산분뇨의 대부분은 등록특허공보 제 10-0921194에는 현재 축산폐수의 퇴비 및 액비로 자원화하고 있으나, 분뇨의 야적 및 액비 무단방류, 액비살포 시 악취발생 등으로 환경피해가 심하고, 저품질 비료는 농민들의 신뢰를 잃고 적은 토지에 많은 액비를 살포하여, 토양 및 수질 오염을 더욱 심각하게 만들고 있다. 또한 비료자원화가 어려운 농가는 정화처리시설을 설치하나, 일반하수나 공장폐수보다 고농도인 가축분뇨 처리에 기술적, 경제적인 어려움이 크고, 농가의 관리소홀로 부적정 처리하거나 무단방류하는 사례가 많다.
한편, 현대 사회는 화석에너지, 원자력에너지, 수력에너지, 풍력에너지 등에 의해 지탱되고 있으나 대부분의 지역 및 국가에서는 화석에너지가 차지하는 비중이 80% 이상을 차지하고 있다. 그러나 석유와 석탄으로 대표되는 화석에너지는 한정된 부존량으로 인해 지속가능하지 못하고 지역 간 불균등한 분포로 인해 국제분쟁을 초래함은 물론 이산화탄소, 일산화탄소, 질산화물등과 같은 온실가스를 발생시켜, 홍수, 폭염, 엘니뇨 등 심각한 이상기후 현상을 초래하고 있다.
또한, 선진국의 경우 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오가스는 청정재생에너지로 인식되어 활발한 연구가 진행되고 있는 실정인 반면, 우리나라는 등록특허공보 제 10-1207532에서와 같이 에너지 빈국임에도 불구하고 유기성 폐자원을 이용한 바이오가스의 생산 및 이용 기술개발은 아직 기초단계를 벗어나지 못하고 있는 실정이다. .
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 고농도의 높은 유기성 폐수 조건에서도 성장할 수 있는 질산화 미생물을 분리하고, 이를 포함하는 복합 미생물제제를 이용하여 축산분뇨처리시스템에서 폐수의 물리화학적 성질뿐 아니라 생물학적 성질을 개량하는 활성촉진제로서 이용하는 방법 또는 고효율정화 및 바이오가스를 생산하는 데 촉진할 수 있는 미생물제제로서의 이용 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 종래의 규정치 수질을 정화하는 것에서 고효율 정화를 이루어 정화한 폐수를 실용적으로 재이용하고 종래의 정화처리에서 문제가 있는 잉여슬러지의 감량화하며 수질의 주요 원인인 미생물 생육을 원활하게 한 것이며 추가 시설이 필요 없이 경제적인 유지관리비용의 정화 처리시설을 달성하고자 한다.
기술적과제
본 발명은 가축분뇨에서 발생되는 폐수에서 발생되는 슬러지와 고농도의 질소를 제거하기 위한 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S 1 균주를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S1 균주를 첨가한 고효율질산화조, 이를 이용한 고효율 질산화조 및 축산폐수처리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 복합 미생물제제를 이용하여 축산분뇨처리시스템을 개량하는 방법을 제공한다.
기술적 해결방법
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 종래의 균주들보다 매우 빠르고 효율적으로 유기물 특히 질소를 제거하는 능력이 있는 신규한 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S1를 제공한다.
본 발명은 상기 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S1는 축산폐수에서 슬러지 및 질소를 우수하게 감소시켰다. 따라서 본 발명에 따른 미생물제제는 축산폐수를 정화하는 데 널리 사용될 수 있다.
상기 호기성 조에서 처리된 질산염을 탈질시키기 위한 혐기조;
상기 혐기조에서 분해하지 못한 암모니아와 아질산염을 질산화 시키는 질산화조;
상기 혐기조에서 침전된 처리수를 유입하여 전기분해장치로 미세 분자를 제거하고 살균을 하기위한 살균 소독조;
상기 살균소독조에서 발생하는 고농도의 산소와 잉여 에너지을 재이용하여 각 질산화조와 아질산조의 미생물 생육을 위한 산소와 에너지를 공급하는 시스템을 포함하여 구성한다.
본 발명은 가축분뇨에서 발생되는 폐수에서 발생되는 슬러지와 고농도의 질소를 제거하기 위한 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S1제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S1를 첨가한 고효율질산화조, 이를 이용한 고효율 질산화조 및 축산폐수처리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 축산폐수의 정화 방법에 사용되는 정화 장치를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 신규한 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) H2S1 균주의 16S rDNA gene sequence를 이용한 계통분류학적 분석을 나타낸 것이다.
본 발명은 새로운 나이트로박터 속(Nitrobacter sp) 균주를 제공한다. 구체적으로 본 발명은 축산폐수를 정화하는 기능을 가진 폐수로부터 분리한 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) 균주를 제공한다.
본 발명의 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) H2S1 균주인 것이 바람직하다.
본 발명의 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) H2S1”라고 명명하였다.
본 발명은 축산폐수로부터 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) H2S1 균주를 분리하는 방법을 제공한다.
본 발명에서 축산폐수의 유기물제거 및 질소제거 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명의 질소 제거 방법에 사용되는 질소 제거 장치에 대하여 살펴본다.
도1에서 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 축산폐수의 정화에 사용되는 장치는, 탈리액 저류조(T-101), 유량저장조(T-102), 제1아질산화조(T-103), 제1무산소조(T-104), 제1질산화조(T-105), 제2무산소조(T-106), 제2아질산화조(T-107) 및 제3무산소조(T-108), 폭기조 (T-109), 살균소독조(T-110), 침전/방류조(T-111)를 포함한다.
상기 저류조(T-101)는 축사에서 나온 분뇨를 저장하는 공간이며, 상기 분뇨는 고액분리기 혹은 시브스크린 등에 의해 탈리액만 유량저장조(T-102)로 공급된다.
상기 제1아질산화조(T-103)는 유량저장조(T-102)에서 정량으로 유입된 탈리액의 암모니아(NH3)를 아질산화균 또는 질산화균의 작용으로 아질산염 또는 질산염으로 산화시키는 데, 그 중에서도 살균소독조(T-110)에서 전기분해시 발생하는 산소와 열을 공급되어 내부 온도를 34 내지 40℃로 유지되어 질산화균은 억제되고 아질산화균 생육이 우점하게 된다.
상기 제1무산소조(T-104)는 상기 제1아질산화조(T-103)에서 유입된 탈리액의 아질산염(NO2) 또는 질산염(NO3)을 아질산염 또는 질산염을 전자수용체로 사용하는 탈질 미생물에 의해 질소가스(N2)로 전환하는 역할을 수행한다.
상기 제1질산화조(T-105)는 제1무산소조(T-104)에서 유입된 탈리액과 제2질산화조에서 내부반송된 소화액의 암모니아(NH3)를 질산화균의 작용으로 질산염으로 산화시키고 상기 제2무산소조(T-106)로 이송시키는 역할을 수행한다. 특히, 고농도의 축산폐수의 질소를 제거하기 위해 나이트로박터 속(Nitrobacter sp)를 정량 첨가하여 질산화의 효율을 높여주는 역할을 한다.
상기 제2무산조조(T-106)는 상기 제2질산화조(T-105)에서 유입된 탈리액의 질산염을, 질산염을 전자수용체로 사용하는 탈질 미생물에 의해 질소가스로 전환하여 탈질하는 역할을 수행한다.
상기 제2아질산화조(T-107)는 제2무산조조(T-106)에서 제거되지 않은 암모니아(NH3)를 아질산염으로 산화시켜주는 역할을 한다.
상기 제3무산소조(T-108)는 최종탈질조로 제2아질산화조(T-107)에서 유입된 아질산염 혹은 질산염을 질소가스로 전환하는 역할을 한다.
상기 폭기조(T-109)는 잉여 질소와 인을 제거하는 역할을 한다
상기 살균소독조(T-110)은 특수 개발된 전기분해장치로 색도 제거, 살균소독, 잉여질소를 제거하는 역할을 한다.
최종적으로 상기 침전조(T-111)는 상기 살균소독조에서 유입된 탈리액에서 슬러지를 분리하는 역할을 수행하며, 분리된 슬러지의 일부는 상기 제1무산소조(T-104)로 반송된다.
본 발명에서 모든 조에는 미생물여재가 충진되어 있어 혐기/호기성 소화의 효율을 높였으며, 슬러지 저감효과를 높이기 위해 4방향의 특수 개발된 미생물 여재이다.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 다만 하기 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 축산폐수로부터 나이트로박터 속 균주의 분리
본 발명은 축산폐수로부터 질화능력을 가지며 유기물 분해능이 우수한 균주를 분리하기 위하여 축산분뇨로부터 시료를 Bacto peptone 5g, Bacto yeast extract 1g, Fe(III) citrate 0.1, MgCl2 (dried) 5.9g, Na2SO4 3.24g, CaCl2 1.8g, KCl 0.55g, Na2CO3 0.16g ,KBr 0.08g, SrCl2 34mg, H3BO3 22mg, Na-silicate 4mg, NaF2 4mg, (NH4)NO3 1.6mg, Na2HPO4 8mg, NaCl 33g, agar 15g을 증류수 1ℓ에 넣고 고온멸균 시켜 제조한 고체배지에 도말하였다. 30℃에서 24시간 동안 배양하여 1차적으로 총 20종의 균주를 선발하였다.
상기에서 선발된 균주를 대상으로 여러 가지 탄소원 이용실험을 통하여 넓은 스펙트럼의 탄소원을 이용할 수 있는 균주 5종을 2차로 선발하였으며, 이들의 생장에 필요한 온도, pH, 및 NaCl 농도를 측정한 결과 모두 10~42℃ 온도, pH 6~10 및 1~2% NaCl 농도에서 좋은 생장을 보여 이러한 조건이 충족되는 넓은 환경에 응용될 수 있는 가능성이 있다는 것을 확인하였다.
2차로 선발된 5종의 균주를 대상으로 고농도 유기물의 분해능을 시험한 결과, 유기물 분해능이 우수한 균주 H2S1를 최종적으로 선발하고 계대배양을 통하여 균주의 활성을 확인하고 다음 실험을 위하여 글리세롤 저장
법(glycerol stock)으로 보존하였다.
[실시예 2] 분리된 나이트로박터 속 H2S1 균주의 동정
상기 선별된 유기물 분해능이 우수한 균주 H2S1의 16S rDNA의 염기서열을 분석하였다. 분자 생물학적 미생물 동정 방법인 ribosomal 16S rDNA의 서열분석을 위해 DNeasy Tissue Kit(Qiagen, Valencia, Calif.)를 이용하여 상기 균주로부터 genomic DNA를 획득한 후, Universal primer인 9F, 1512R을 이용하여 PCR을 수행하였다. PCR 결과물을 다시 QIAquick PCR purification kit Qiagen, Valencia, Calif., USA)를 이용하여 정제한 후, ABI PRISM BigDye Terminator cycle sequencing ready reaction kit(Applied Biosystems, Foster, Calif., USA)를 이용하여 반응물을 만든 후, ABI Prism 3700 DNA analyzer를 이용하여 염기서열을 분석 하였다. 분석결과를 서열목록 1에 나타내었다.
상기 염기서열 분석방법을 통하여 얻어진 H2S1 균주의 16S rDNA 염기서열(서열번호 1)을 BLAST(Basic Local Alignment Search Tool) 서치한 결과 상기 H2S1 균주는 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.)에 속하는 것으로 판단되었고, 각각 Nitrobacter hmbrgensis X14T와 98.0%, Nitrobacter vulgaris DSM 10236T와 98.0%, Nitrobacter alkalicus AN1T와 97.85% 그리고 Nitrobacter winogradskyi Nb-255T와 97.75%의 서열 상동성을 보였다(도 2 참조).
[실시예 3] 분리된 나이트로박터 속 H2S1 균주의 생리 및 생화학적 특성
상기 H2S1 균주는 호기성, 그람-음성, 포자를 형성하지 않으며 세균의 형태는 주모성 편모(peritrichous flagella)를 갖는 막대모양(0.8~1.0 x 2.0~4.0 ㎛)이었다.
본 발명의 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) H2S1 균주의 그람염색 및 생화학적 특성은 하기 표 1과 같이 옥시다제 시험 및 카탈라제 시험에서 양성반응을 보였다. 그리고 API 20NE/50CH/ZYM kit(bioMerieux)을 이용하여 탄소원 이용 및 효소 활성을 실험한 결과 다양한 탄소원을 기질로 이용할 수 있었으며(표1, 참조).
| 구 분 | H2S1 | 구 분 | SCL2 |
| Cell size (um) | 0.8-1.0 | Nitrite reduction | + |
| 2.0-4.0 | |||
| Cell shape* | rods | Hydoysis of | |
| Flagellar motility | + | Aesculin | - |
| Color of cell suspension | Cream-colored | Gelatin | - |
| Internal membrane system | V | Acid production from | |
| Slime production | + | Amygdalin | - |
| Oxidase | + | Arabinose | - |
| Catalase | + | Glucose | - |
| Tempature range (optimum, ℃) | 15-37 (25-30) | Inositol | - |
| pH range (optimum) | 6.0-9.0 (7.0) | Mannitol | - |
| H2Sproduction | - | Melibiose | - |
| Indole production | - | Rhamnose | - |
| Arginine dihydrolase | - | Sorbitol | - |
| Lysine decarboxylase | - | Sucrose | - |
| Ornithine decarboxylase | - | VogesProskauer reaction | - |
| Phenylalanine deaminase | - | Quinone | Ubiquinone 10 (Q-10) |
| Urease | + | DNA G+C content (mol%) | 64.0 |
상기 H2S1의 형태학적, 생화학적 및 분자생물학적 분류 특성을 분석한 결과 상기 균주는 나이트로박터 속(Nitrobacter sp.)에 속하는 새로운 종으로 동정되어 "나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) H2S1" 균주로 명명하였다.
[실시예 4]
도 1에 나타낸 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 질소 제거 방법에 사용되는 미생물과 정화장치를 이용하여 충남예산 한일농장에서 3개월간 탈리액의 질소 제거 및 정화처리를 수행하였다.
고효율 분해조의 수중 기작은 크게 흡착 응집 침전이 복합적으로 동시에 반응하는 특징을 갖고 있으며, 수중 접촉면적의 극대화, 입자의 비표면적의 극대화로 우수한 흡착능력을 갖고 있는 특수 개발된 미생물여재로 이용하여 호기적 산화 및 혐기적 소화 반응이 동시에 적용되는 기술로 생물막법의 장점을 최대한 살리면서 단점을 없애 질소와 인을 제거한다 (표 2).
| T-N (단위:mg/l) |
T-P (단위 : mg/l) |
|
| 유량저장조 | 2659.2 | 89.916 |
| 제1 | 1163.9 | 44.616 |
| 고효율분해조 | 864.28 | 23.836 |
| 혐기조 | 538.24 | 26.476 |
| 고효율분해조 | 460.92 | 18.336 |
| 혐기조 | 365.48 | 11.396 |
| 고효율분해조 | 223.18 | 11.816 |
| 침전조 | 160.5 | 10.156 |
| 살균소독조 | 131.94 | 8.996 |
| 침전/방류조 | 94.92 | 5.596 |
그림 2 . 충남 예산군 고덕면 semi-plant 수질분석결과 (T-N, T-P)
고효율 분해조로 인하여 유기물질을 분해하여 퇴적물의 부피 감소 및 암밀화, 악취저감 등의 효과를 갖게 되고 중금속 및 오염인자의 흡착 등을 통해 수계로의 용출을 억제하여 저질 환경을 호기환경으로 급속하게 변화시킬 수 있는 역할을 한다.
종래의 고효율 정화처리의 과다했던 시설비를 줄이고 유지관리비가 저렴하게 운영될 수 있는 생물학적 고효율 접촉산화방법을 적용하였으며, 특히, 살균처리 과정에서 종래의 자외선 및 약품을 이용한 방법이 있으나 시설비가 과다하며 수시로 관리해야 하는 어려움이 있었다. 본 기술에서는 변형된 오존 살균기를 최적의 이용하여 살균 소독 및 색도제거를 시켜, 약품을 사용하지 않아 오염을 줄일 수 있다.
이와 같이 처리되는 오폐수는 최상의 수질로 정화되며 별도로 2차 고도처리시설을 시설하지 않고도 고효율로 정화하여 종래의 처리 방법보다 유입수와 유입량에 대응한 처리가 용이하고 경제적이며 최상의 수질은 재활용수로가능하게 된다. 한편, 상기한 오폐수 처리는 수세식 화장실 전용으로 설치하여 중수도(재사용)화장실에 적용할 수 있으며, 고농도 축산폐수의 경우에는 종래의 액비저장조에서 침전한 중간수를 본 발명의 고효율 정화처리에 적용하고, 탈색 살균 및 소취하여 효과적으로 적용할 수 있다. 이상에서 설명한 본 발명에 따른 고효율 축산폐수 정화처리는 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 그 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
Claims (3)
- 유기물 분해능이 우수하고 생육능력이 우수한 신규 나이트로 속 (Nitrobacter sp.) H2S1.
- 제1항의 나이트로박터 속 (Nitrobacter sp.) H2S1 균주의 균체 또는 그 배양액을 유효성분으로 하는 미생물제제.
- 1항 또는 제2항에 있어서, 축산분뇨처리시스템에서 폐수의 물리화학적 특성을 개량하는 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 복합 미생물제제.
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|---|---|---|---|
| KR20130028943A KR20140114564A (ko) | 2013-03-19 | 2013-03-19 | 고농도 오폐수 중 질소를 제거하기 위한 미생물제제 및 이를 이용한 축산분뇨처리 시설의 처리방법 |
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|---|---|---|---|
| KR20130028943A KR20140114564A (ko) | 2013-03-19 | 2013-03-19 | 고농도 오폐수 중 질소를 제거하기 위한 미생물제제 및 이를 이용한 축산분뇨처리 시설의 처리방법 |
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2013
- 2013-03-19 KR KR20130028943A patent/KR20140114564A/ko not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190067517A (ko) | 2017-12-07 | 2019-06-17 | 주식회사 유앤아이미트 | 축산분뇨에 대한 악취저감 효능을 갖는 오시아노바실러스 속 신규 균주들 및 이들을 포함하는 가축분뇨 악취저감 조성물 |
| KR102368580B1 (ko) | 2021-10-07 | 2022-02-25 | 박한용 | 고온축산분뇨에 대한 악취저감 효능을 갖는 고온성 바실러스 속의 신규 균주 및 이를 포함하는 축산분뇨 악취저감 조성물 |
| KR102380358B1 (ko) | 2021-10-07 | 2022-03-30 | 박한용 | 고온축산분뇨에 대한 악취저감 효능을 갖는 고온성 바실러스 속의 신규 균주 및 이를 포함하는 축산분뇨 악취저감 조성물 |
| KR102541401B1 (ko) | 2022-11-10 | 2023-06-14 | 우림바이오 주식회사 | 악취 저감 효과를 갖는 신규한 저온성 사이크로바실러스 사이크로듀란스 ub-153 균주 및 이의 용도 |
| KR20240176124A (ko) | 2023-06-14 | 2024-12-24 | 부여군 | 악취 저감 효과 및 토양 선충 방제 효과를 갖는 신규한 저온성 바실러스 갈락토시딜리티쿠스 bsm-6 균주, 및 이의 용도 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20130319 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |