[논문]활성슬러지 수용액 내 침지식 중공사막의 역세척 및 사인파형 연속투과 운전방식에 따른 막간차압

정도인; 정승희; 이솔; 정건용

doi:10.14579/membrane_journal.2015.25.6.524

초록
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본 연구에서는 사인파형 투과유속 운전방식을 중공사형 분리막에 적용하여 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측정하였다. 유효 막면적이 $100cm^2$이고 공칭 세공크기가 $0.45{\mu}m$인 중공사막 모듈을 MLSS 5,000 mg/L 활성슬러지 용액으로 투과 실험하였다. 연속적인 단계별 투과유속 변화법으로 임계 투과유속을 측정하였으며 그 값은 $26.6L/m^2{\cdot}hr$이었다. 여과운전/정지이완(FR), 정지이완시 역세척(FR/BW) 및 사인파형 투과유속 연속운전(SFCO) 방식에 따른 TMP를 측정하였다. 임계 투과유속보다 낮은 15, 20 및 $25L/m^2{\cdot}hr$에서는 SFCO 운전방식이 FR 및 FR/BW에 비하여 효과적이었다. 그러나 임계 투과유속 이상에서는 FR/BW 운전방식이 SFCO보다 효과적으로 막오염을 제어할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study transmembrane pressure (TMP) was measured with respect to operational time by applying the sinusoidal flux continuous operation (SFCO) for the hollow fiber membrane. The hollow fiber module which has $100cm^2$ of effective area and $0.45{\mu}m$ nominal pore size w...

In this study transmembrane pressure (TMP) was measured with respect to operational time by applying the sinusoidal flux continuous operation (SFCO) for the hollow fiber membrane. The hollow fiber module which has $100cm^2$ of effective area and $0.45{\mu}m$ nominal pore size was submerged in the activated sludge solution of MLSS 5,000 mg/L. The critical permeate flux was measured as $26.6L/m^2{\cdot}hr$ by the method of continuous flux step change. TMPs of the filtration/relaxation (FR), FR with backwashing (FR/BW) and SFCO modes were measured. The SFCO mode was more effective than FR and FR/BW modes below the critical permeate flux such as 15, 20 and $25L/m^2{\cdot}hr$. However, the FR/BW was confirmed as more effectively fouling controlled mode than SFCO mode above the critical permeate flux.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실험적 규모의 MBR 시스템에서 FR과 기존의 FR 방식에 역세척을 추가한 FR/BW 그리고 SFCO의 3가지 운전방식으로 침지식 정밀여과용 중공사막으로 활성슬러지를 투과시키며 막 오염 특성을 비교하였다. 각각의 운전방식에서 임계 투과유속 이하 또는 이상의 투과유속에 따른 TMP를 측정하여 운전 범위에 따른 투과 특성과 성능을 평가하고자 하였다.

제안 방법

매 투과 실험을 마친 후에는 분리막 모듈을 배관에서 분리하여 순수에 침지시키고 흔들어서 분리막에 붙어있는 슬러지 입자를 물리적으로 제거하였다. 그리고 순수에 침지시켜 TMP를 확인하고 초기 순수에서 측정한 TMP와 ± 10% 범위를 벗어나면 5 wt% NaOCl 수용액에 침지시켜 10분간 화학적으로 세정하였다.
본 연구에서 사용한 중공사형 분리막의 임계 투과유속(critical permeation flux)을 측정하기 위하여 활성슬러지 저장조 내에 중공사형 분리막 모듈을 침지시키고 투과유량을 10부터 40 L/m²⋅hr까지 15분 단위로 3 L/m²⋅hr씩 상승시키고 40 L/m²⋅hr 이후에는 10 L/m²⋅hr까지 감소시키면서 연속적으로 TMP를 측정하였다[13].
본 연구에서는 실험적 규모의 MBR 시스템에서 FR과 기존의 FR 방식에 역세척을 추가한 FR/BW 그리고 SFCO의 3가지 운전방식으로 침지식 정밀여과용 중공사막으로 활성슬러지를 투과시키며 막 오염 특성을 비교하였다. 각각의 운전방식에서 임계 투과유속 이하 또는 이상의 투과유속에 따른 TMP를 측정하여 운전 범위에 따른 투과 특성과 성능을 평가하고자 하였다.

대상 데이터

투과실험에 사용한 정밀여과용 중공사막은 폴리설폰(polysulfone) 재질로 공칭 세공크기가 0.45 µm, 길이 400 mm, 외경 1.6 mm, 내경 0.9 mm의 4가닥으로 구성되어 있으며 유효 막면적은 약 100 cm²이었다. 막 모듈은 중공사막의 양끝을 접어 처리수가 모일 수 있도록 3/8 inch PVC 튜브 내에 에폭시 접착제로 밀봉하여 U자 형태로 제작하였다.
활성슬러지는 경기도 P 하수처리장의 반송 슬러지를 사용하였으며 실험에 적합하도록 별도의 생물 반응조를 설치하여 주기적으로 슬러지를 관리하였다. 활성슬러지와 미생물 성장에 필요한 인공폐수를 주입하였으며 미생물의 생장을 조절하기 위하여 종균제를 주입하였다.

성능/효과

연속적으로 투과운전이 가능한 SFCO 운전방식을 중공사형 MBR 모듈에 적용하였으며 FR 및 역세척을 실시하는 FR/BW 운전방식에 따른 투과성능을 비교하였다. 또한 투과유속에 따른 분리성능을 분석하기 위하여 임계 투과유속을 측정하였으며 MLSS 5,000 mg/L이고 폭기가 없는 활성슬러지 용액의 경우 26.6 L/m²⋅hr로 확인되었다. 임계 투과유속보다 낮은 운전 영역에서는 SFCO 운전방식이 FR 및 FR/BW에 비하여 효과적이었으나 임계 투과유속 이상에서는 역세척이 적용된 FR/BW 운전방식이 보다 효과적으로 막오염을 제어할 수 있음을 확인하였다.
6 L/m²⋅hr로 확인되었다. 임계 투과유속보다 낮은 운전 영역에서는 SFCO 운전방식이 FR 및 FR/BW에 비하여 효과적이었으나 임계 투과유속 이상에서는 역세척이 적용된 FR/BW 운전방식이 보다 효과적으로 막오염을 제어할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MBR 공정에서 분리막 오염을 저감시키기 위한 방안으로 어떠한 기술들이 도입되고 있는가?	화학적 세척이 용이하고 단위부피당 투과유속을 높일 수 있는 고집적 모듈이 개발되고 있으나 현재까지는 침지식 형태의 평막과 중공사형 모듈이 대세를 이루고 있다. MBR 공정에서는 분리막 오염을 저감시키는 방안으로는 간헐적 흡입, 역세척[3], 간헐적 산기[4,5], 응집제 주입[6-8] 등의 다양한 기술이 도입되고 있다[9]. 또한 간헐적 흡입 또는 역세척의 조건이나 주기를 조절하여 최적의 운전조건을 제시하거나 역세척수 사용에 따른 투과수의 감소 등을 고려하여 효율적인 세척방법을 개발하고 있다[1].
	사인파형 투과유속 연속운전이란 무엇인가?	최근에는 생물학적인 접근방식으로 하⋅폐수 내에 미생물과 미생물이 통신하는 감각 현상을 일으키는 quorum sensing 물질을 인위적으로 차단하여 분리막 오염을 저감시키는 기술이 성공적으로 개발되고 있다[10]. 이 밖에 침지형 평막 분리막의 투과성능향상과 막오염 저하를 위하여 기존의 MBR 제어방식인 여과운전/정지이완(filtration/relaxation, FR)을 반복하는 방식에서 처리수를 연속적으로 생산할 수 있는 새로운 운전기법인 사인파형 투과유속 연속운전(sinusoidal flux continuous operation, SFCO)을 제안하고 이에 따른 분리 투과특성이 보고된 바 있다[11,12].
	분리막 생물반응기는 어떠한 장점을 가지는가?	분리막 생물반응기(membrane bioreactor, MBR)를 이용한 하⋅폐수 처리공정은 기존의 활성슬러지 공법과 비교하여 매우 효율적이므로 전 세계적으로 활발히 확대 응용되고 있다. 분리막 특성상 입자성 물질이나 박테리아와 바이러스 등을 매우 효과적으로 분리할 수 있으며 또한 활성슬러지 반응기 내에 MLSS 농도를 높게 유지할 수 있으므로 생물학적 측면에서도 매우 긍정적이다. 하지만, 운전시간이 경과함에 따라서 불가피하게 발생하는 분리막의 오염으로 인하여 처리수량이 감소하거나 이를 극복하기 위하여 분리막간 차압(transmembrane pressure, TMP)을 증가시키는 공정상의 어려움이 있다.

참고문헌 (13)

T. Zsirai, P. Buzatu, P. Aerts, and S. Judd, "Efficacy of relaxation, backflushing, chemical cleaning and clogging removal for an immersed hollow fiber membrane bioreactor", Water Research, 46, 4499 (2012).

상세보기
J. Wu, P. Le-Clech, R. M. Stuetz, A. G. Fane, and V. Chen, "Effects of relaxation and backwashing conditions on fouling in membrane bioreactor", J. Membr. Sci., 324, 26 (2008).

상세보기
J. Y. Park and J. H. Hwang, "Hybrid water treatment of photocatalyst coated polypropylene beads and ceramic membranes: effect of membrane and water back-flushing period", Membr. J., 23, 211 (2013).
F. Wicaksana, A. G. Fane, and V. Chen, "Fibre movement induced by bubbling using submerged hollow fibre membranes", J. Membr. Sci., 271, 186 (2006).

상세보기
Y. K. Choi, O. S. Kwon, H. S. Park, and S. H. Noh, "Mechanism of gel layer removal for intermittent aeration in the MBR Process", Membr. J., 16, 188 (2006).
K. G. Song, Y. Kim, and K. H. Ahn, "Effect of coagulant addition on membrane fouling and nutrient removal in a submerged membrane bioreactor", Desalination, 221, 467 (2008).

상세보기
K. Y. Kim, J. H. Kim, Y. H. Kim, and H. S. Kim, "The effect of coagulant on filtration performance in submerged MBR system", Membr. J., 16, 182 (2006).
K. Y. Chung, D. C. Kim, and I. H. Won, "Transmembrane pressure of the sinusoidal flux continuous operation mode for the submerged flat-sheet membrane bioreactor in coagulant dosage", Membr. J., 25, 7 (2015).

원문보기 상세보기
J. W. Kim and S. H. Noh, "Study of two-shaft rotary disc UF module for the separation of oil emulsion", Membr. J., 6, 220 (1996).
K. M. Yeon, W. S. Cheong, H. S. Oh, W. N. Lee, B. K. Hwang, C. H. Lee, H. Beyenal, and Z. Lewandowski, "Quorum sensing: a new biofouling control paradigm in a membrane bioreactor for advanced wastewater treatment", Environ. Sci. Technol., 43, 380 (2009).

상세보기
I. H. Won, H. W. Lee, H. J. Gwak, and K. Y. Chung, "Transmembrane pressure of flat-sheet membrane in emulsion type cutting oil solution for symmetric/asymmetric sinusoidal flux continuous operation mode", Membr. J., 25, 320 (2015).

원문보기 상세보기
I. H. Won and K. Y. Chung, "Characteristics of the sinusoidal flux continuous mode for the submerged flat-sheet membrane module in cutting oil solution", Korean Chem. Eng. Res., 53, 646 (2015).

원문보기 상세보기
P. L. Clech, B. Jefferson, I. S. Chang, and S. J. Judd, "Critical flux determination by the flux-step method in a submerged membrane bioreactor", J. Membr. Sci., 271, 81 (2003).

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