[논문]침지형 MBR 공정의 공기 세정 최적화를 통한 효율적 막 오염 제어

김준영; 백병도; 장인성

doi:10.11001/jksww.2016.30.6.645

[국내논문] 침지형 MBR 공정의 공기 세정 최적화를 통한 효율적 막 오염 제어
Optimization of air scouring for an effective control of membrane fouling in submerged MBR 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.6, 2016년, pp.645 - 652

김준영 (호서대학교 환경공학과) , 백병도 (호서대학교 환경공학과) , 장인성 (호서대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A membrane module including grid was designed and introduced to MBR (membrane bio-reactor) for the purpose of better control of membrane fouling. It could be anticipated that the grid enhances the shear force of fluid-air mixture into the membrane surface by even-distributing the fluid-air to the membrane module. As MLSS concentration, packing density which is expressed in the ratio of the housing and the cross-sectional area of membrane fibers ($A_m/A_t$) and air-flow rate were changed, membrane foulings were checked by monitoring fouling resistances. The total fouling resistance ($R_c+R_f$) without grid installation (i.e., control) was $2.13{\times}10^{12}m^{-1}$, whereas it was reduced to $1.69{\times}10^{12}m^{-1}$ after the grid was installed. Regardless of the grid installation, the $R_c+R_f$ increased as the packing density increased from 0.09 to 0.28, however, the increment of resistance for the grid installation was less than that of the control. Increase in the air flow rate did not always guarantee the reduction of fouling resistance, indicating that the higher air flow rate can partially de-flocculate the activated sludge flocs, which led to severer membrane fouling. Consequently, installation of grids inside the housing have brought a beneficial effect on membrane fouling and optimum air flow rate is important to keep the membrane lowering fouling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

MBR의 운영 MLSS은 비교적 높은 농도 (< 5 g/L)로 운영되지만 본 연구에서는 비교적 다양한 MLSS 농도 (3, 6 & 10g/L)를 얻기 위하여 순차적으로 F/M 비를 조절하여 각각의 반응조에 합성폐수를 공급하였다
따라서 본 연구의 목적은 침지형 MBR 공정의 분리 막표면에 공급되는 공기 유동을 최적화하기 위하여 다양한 MLSS 농도를 가지는 조건에서 공급되는 공기 유량과 분리막 모듈 집적도와 같은 수리학적 환경 변화가 막오염에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
다만 활성슬러지 농도가 높은 조건하에서는 격자 설치에 의한 저항감소 효과가 상대적으로 적은 이유는 주어진 공기유량 조건 하에서 활성슬러지액을 충분히 유동시키기에 부족하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 장방형 하우징 내부에서 활성슬러지의 원활한 유동을 위한 공기유량 및 모듈 집적도와 막오염 저감 효과가 밀접한 상관관계가 있을 것으로 생각되어서 이를 실험하였으며 이후 논의될 것이다.
본 연구에서는 침지형 MBR 공정의 분리막 표면의 전단력을 강화하기 위해 분리막 모듈 주변에 장방형 하우징 및 그리드를 설치하여 막 오염 제어 효과를 관찰하였다. 동시에 막 오염에 영향을 미치는 인자인 MLSS 농도, 하우징 및 그리드 내 분리막 집적도 및 공기 유량을 변화시켜가며 이들의 상관관계를 비교 평가하여 다음과 같이 요약하였다.
즉, 하우징 하단의 노즐을 통해 내부로 공급되는 공기는 분리막 표면으로의 전단력 전달 목적과 활성슬러지의 원활한 유동을 위한 것이며, 하우징 외부로 공급되는 공기는 반응기 하단에 설치된 튜브형 산기관을 통해 활성슬러지에 산소 전달 및 혼합을 목적으로 하였다.

제안 방법

1). 가로 및 세로 길이가 각각 42 mm, 높이는 200 mm로 제작된 장방형 하우징을 설치하였고, 그 내부에 수직으로 침지된 중공사형 분리막 모듈을 침지하였다 (Fig. 1a). 또한 가로 및 세로의 길이가 각각 10 mm인 총 9개의 격자를 하우징 내부에 설치하였다 (Fig.
1b). 각각의 격자 안에 중공사형 분리막을 수직으로 고정시켰다. 또한 분리막 모듈의 집적도에 따른 막오염 정도를 비교 관찰하기 위하여 분리막 면적을 0.
본 연구에서는 침지형 MBR 공정의 분리막 표면의 전단력을 강화하기 위해 분리막 모듈 주변에 장방형 하우징 및 그리드를 설치하여 막 오염 제어 효과를 관찰하였다. 동시에 막 오염에 영향을 미치는 인자인 MLSS 농도, 하우징 및 그리드 내 분리막 집적도 및 공기 유량을 변화시켜가며 이들의 상관관계를 비교 평가하여 다음과 같이 요약하였다.
동시에 장방형 하우징 내부에 격자 (grid)의 설치 유/무를 통해 분리막 모듈 집적도에 따른 막 오염을 관찰하였다 (Fig. 1). 가로 및 세로 길이가 각각 42 mm, 높이는 200 mm로 제작된 장방형 하우징을 설치하였고, 그 내부에 수직으로 침지된 중공사형 분리막 모듈을 침지하였다 (Fig.
각각의 격자 안에 중공사형 분리막을 수직으로 고정시켰다. 또한 분리막 모듈의 집적도에 따른 막오염 정도를 비교 관찰하기 위하여 분리막 면적을 0.034, 0.068, 0.1 m²으로 각각 다르게 설치하였다.
)값은 활성슬러지를 여과하기 전에 순수를 여과하면서 측정된 TMP 값을 이용하여 계산하였다. 또한 케이크층에 의한 저항 (R_c)과 내부오염 저항 (R_f)을 별도로 정량하지 않는 대신에 총오염저항 (R_c+R_f)을 계산하였다. 총오염저항은 여과시간 경과에 따른 TMP 자료를 이용하여 계산하였다.
막자체 저항 (R_m)값은 활성슬러지를 여과하기 전에 순수를 여과하면서 측정된 TMP 값을 이용하여 계산하였다. 또한 케이크층에 의한 저항 (R_c)과 내부오염 저항 (R_f)을 별도로 정량하지 않는 대신에 총오염저항 (R_c+R_f)을 계산하였다.
장방형 하우징의 격자 내부에 침지된 분리막의 집적도 (packing density)는 공급되는 공기 유동에 의해 발생하는 전단력과 밀접한 상관관계가 있는 인자이다. 본 연구에서는 분리막 모듈의 집적도를 관내부에 침지된 막의 단면적 (Am)과 장방형 하우징의 단면적 (At)의 비율 (A_m/A_t)로 표현하였다. 즉 0.
서로 다른 MLSS 농도 (3, 6, & 10 g/L)를 갖는 반응조에 분리막 모듈을 침지시킨 후, 공기유량을 각각 1.5와 2.7, 4.5 L/min으로 증가시키면서 막 오염 정도를 관찰하였다.
장방형 하우징 내 격자 설치 유/무에 따른 MLSS 농도 및 공기 공급량 변화, 그리고 분리막 모듈 집적도에 따른 막 오염정도를 정량화하기 위하여 TMP 변화를 측정할 수 있도록 하였다 (Fig. 2). 즉, 연동펌프를 이용하여 투과수를 생산할 때 발생되는 압력을 여과시간에 따라 디지털 압력게이지 (ZSE40F, SMC, Co.
또한 케이크층에 의한 저항 (R_c)과 내부오염 저항 (R_f)을 별도로 정량하지 않는 대신에 총오염저항 (R_c+R_f)을 계산하였다. 총오염저항은 여과시간 경과에 따른 TMP 자료를 이용하여 계산하였다.
측정된 TMP 자료는 다음과 같은 직렬여과저항모델 (Resistance-in-series model) 식에 대입하여 각각의 저항 값 (resistance)을 계산하여 막오염 정도를 정량화하였다.
1 μm를 가지는 정밀여과막 (MF) 막으로 특성 및 사양을 Table 2에 나타내었다. 침지된 분리막 모듈 주변에 장방형 관이 도입된 MBR의 플럭스를 30 L/m² ･h로 유지하면서, MLSS 농도 및 분리막 면적, 그리고 공기유량에 따른 각각의 막 오염 정도를 비교하기 위하여 총 3개의 MBR이 운전되었으며, 그 운전 조건을 Table 3에 나타내었다.

대상 데이터

막 여과 실험에 사용된 분리막은 중공사 (hollow fiber) 형태이며, 공칭공경 0.1 μm를 가지는 정밀여과막 (MF) 막으로 특성 및 사양을 Table 2에 나타내었다.
본 연구에 사용된 활성슬러지는 C시 환경 사업소의 포기조혼합액을 채취한 후 실험실에서 연속회분식반응조 (Sequencing Batch Reactor)를 이용하여 정상상태에 도달할 때까지 합성폐수로 순응시킨 후 사용하였으며, 운전 조건을 Table 1에 나타내었다. MBR의 운영 MLSS은 비교적 높은 농도 (< 5 g/L)로 운영되지만 본 연구에서는 비교적 다양한 MLSS 농도 (3, 6 & 10g/L)를 얻기 위하여 순차적으로 F/M 비를 조절하여 각각의 반응조에 합성폐수를 공급하였다
2). 즉, 연동펌프를 이용하여 투과수를 생산할 때 발생되는 압력을 여과시간에 따라 디지털 압력게이지 (ZSE40F, SMC, Co., Japan)로 측정한 후, TMP 측정 프로그램이 내장되어 있는 컴퓨터로 전송하여 막오염을 정량화하기 위한 데이터로 사용하였다.

성능/효과

5는 서로 다른 공기 유량 조건에서 분리막 자체의 저항 (R_m)에 의한 영향을 배제하기 위하여 각각의 반응조에서 측정된 데이터를 바탕으로 R_t/R_m, 즉, (R_c+R_f)/Rm비로 변환하여 나타낸 것이다. 격자가 설치되지 않은 경우 (a) 2.7 L/min의 공기 유량 조건에서 MLSS 농도가 크게 증가하였음에도 불구하고 저항비 (R_t/R_m)의 차이가 크지 않았다. 4.
1) 하우징 내부의 격자 설치 여부와 관계없이 MLSS 농도가 증가함에 따라 TMP가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 격자가 설치된 경우에는 상대적으로 TMP가 적게 증가하였다.
2) 하우징 내 격자의 설치 여부와 관계없이 집적도 (A_m/A_t)가 0.09에서 0.28로 증가할수록 총오염저항 (R_c+R_f) 값은 증가하였다. 그러나 격자가 설치된 경우의 총오염저항값이 격자가 설치되지 않은 경우보다 적었으며 이는 분리막과 격자와의 좁은 공간으로 인해 슬러지 퇴적 현상이 발생되었기 때문인 것으로 판단된다.
3) 공기유량이 증가하면 총오염저항 (R_c+R_f) 값은 감소할 것으로 예상되었으나, 공기유량 2.7 L/min이상이 되면 오히려 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 MBR 공정에서 공기유량의 증가로 인해 활성슬러지 플록 해체 현상이 유도되어 입자크기가 작아진 것에 기인하는 것으로 추정된다.
4) 이상의 결과를 종합하면 막 오염 감소를 위해 수행하는 조대폭기에는 최적의 공급 유량이 존재하며, 과도한 공기 공급에 의해 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있는 여지가 있음을 시사하고 있다.
격자 설치 유･무에 관계없이 집적도가 0.09에서 0.28로 증가할수록 총 오염저항, (R_c+R_f) 값은 증가함을 알 수 있다. 또한 격자가 설치된 경우의 총오염저항이 격자가 설치하지 않은 경우보다 적음을 알 수 있다.
0 L/min로 동일하였다. 격자 설치 유･무와 관계없이 활성슬러지 농도, MLSS가 증가함에 따라 TMP가 증가하는 것으로 나타났지만, 격자가 설치된 경우에는 상대적으로 증가분이 낮은 것으로 관찰되었다. 이는 장방형 하우징 내부에 설치된 격자에 의해 공기 유동이 보다 효율적으로 분배됨으로써 분리막 표면에 공급되는 전단력이 증가한 것으로 판단된다(Nagaoka et.
공기유량이 증가하면 총오염저항 (R_c+R_f)값은 감소 할 것으로 예상되었으나, 공기유량 2.7 L/min이상이 되면 오히려 총오염저항 (R_c+R_f)값이 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 MBR 공정에서 공기유량의 증가가 활성슬러지 플록의 해체 (floc breakage) 현상을 유도하여 활성슬러지 플록의 입자 크기가 작아진 것에 기인하는 것으로 판단된다.
이러한 경향은 MLSS 농도가 6 g/L와 10 g/L로 증가한 경우에도 동일하게 관찰되었다. 다만 MLSS 농도가 증가할수록 격자를 설치하여 얻는 저항의 감소 효과가 적은 것으로 나타났다.
, 2003). 따라서 본 연구에서 시도된 장방형 하우징이 이런 흐름을 유도하는데 효과적으로 설계 제작되었음을 시사하고 있다.
6에 제시하였다. 즉 침지형 MBR 공정의 운전에 있어 막오염 제어를 위해 공급하는 공기의 유량과 MLSS 농도가 총 오염 저항에 미치는 총괄적인 영향을 보여주고 있다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MBR 공정의 효율을 저하시키는 것은 무엇인가?	, 2000). 그러나 MBR 공정의 효율성을 저하하는 막 오염 (membrane fouling) 문제를 해결하기 위해 다양한 노력이 시도되고 있으나 대부분의 막 오염 제어 방안이 막대한 에너지를 소모하는 문제점을 가지고 있어 이를 해결하는 것이 중요한 과제로 남아있다.
	2차 유출수의 재이용을 위한 기술적 대응법은?	하･폐수 처리장 유출수 수질기준은 강화되고 있으며, 처리된 2차 유출수의 재이용이 활성화되고 있는 추세이다. 이에 기술적으로 대응하기 위해서 MBR (membrane bio-reactor) 공정이 기존의 활성슬러지 공정을 대체해 나가고 있다 (Stehenson et.al.
	조대폭기의 목적은?	조대폭기의 목적은 분리막 표면에서 강한 난류를 형성하여 막 표면에 전단력 (shear force)을 가함으로써 입자상물질 (particulate matters)이 분리막 표면에 빠르게 퇴적하여 발생하는 가역적 (reversible) 막 오염을 억제하기 위한 것이다 (Lee et. al.

참고문헌 (13)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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