[논문]MBR 공정에서 물리세정 조건에 따른 막 오염 제어 성능 평가와 현장 적용성에 관한 연구

박정훈; 김형수; 박기태; 박정우; 박세근; 강희석; 김지훈

doi:10.11001/jksww.2016.30.5.605

MBR 공정에서 물리세정 조건에 따른 막 오염 제어 성능 평가와 현장 적용성에 관한 연구
Evaluating membrane fouling and its field applicability under different physical cleaning conditions in MBRs 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.30 no.5, 2016년, pp.605 - 612

박정훈 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 김형수 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 박기태 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 박정우 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 박세근 (정우이엔티(주)) , 강희석 (정우이엔티(주)) , 김지훈 (성균관대학교 수자원전문대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Membrane bioreactors (MBRs) employ a process of biological treatment that is based on a membrane that has the advantages of producing high-quality treated water and possessing a compact footprint. However, despite these advantages, the occurrence of "fouling" during the operation of these reactors causes the difficulty of maintenance. Hence, in this study, three physical cleaning methods, namely, backwashing, air scrubbing, and mechanical cleaning ball was performed to identify optimum operating conditions through laboratory scale experiments, and apply them in a pilot plant. Further, the existing MBR process was compared with these methods, and the field applicability of a combination of these physical cleaning methods was investigated. Consequently, MCB, direct control of cake fouling on the membrane surface was found to be the most effective. Moreover, as a result of operating with combination of the physical cleaning process in a pilot plant, the TMP increasing rate was found to be - 0.00007 MPa/day, which was 185% higher than that obtained using the existing MBR process. Therefore, assuming fouling only by cake filtration, about one year of operation without chemical cleaning is considered to be feasible through the optimization of the physical cleaning methods.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이에 따라 본 연구에서는 역세척이 가능한 평막을 이용하여 공기세척, mechanical cleaning ball(MCB) 및 역세척 등 실험실 규모 장치를 통해 최적 운전인자를 도출하고자 하였으며, 일 처리용량 100 m³/일 규모의 파일럿 장치에 적용하여 기존 MBR 공정과의 운전 비교 및 각각의 물리세정 효율 평가 등을 통해 실증화 가능성 평가를 하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 역세척이 가능한 평판형 분리막을 사용하여 MCB, 공기세척 및 역세척 등 3가지의 물리 세정 방법을 통해 MBR 막 오염 제어 특성을 알아보고자 하였으며, 기존 MBR 공정과의 비교 평가를 통해 복합 물리세정의 효율과 현장 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 도출된 결론은 다음과 같다.
실험실 규모 장치를 이용하여 최적 조건을 도출한 각 물리세정 공정의 세정 효율을 평가하기 위하여 파일럿 규모 장치를 이용한 3가지 mode를 실험하였다. mode 1의 경우 역세척의 효율 평가를 위해 MCB와 공기 세척의 최적 조건을 적용하고, mode 2에서는 MCB의 효율 평가를 위해 역세척과 공기 세척을 적용하였으며, mode 3에는 공기 세척, MCB, 역세척을 적용하였다.

대상 데이터

1에 나타내었다. 본 실험에 사용된 분리막은 독일 M사의 역세척이 가능한 평판형 막으로 공극의 크기는 0.04 µm, 재질은 Polyethersulfone(PES)이며, 분리막 특성은 아래의 Table 3과 같이 나타냈다.

이론/모형

유입원수와 막분리조 수질 분석 방법은 Table 8과 같다. COD_cr, T-N, NH₄⁺-N, NO₃^-N, T-P, PO₄^3—P는 HACH사의 분광광도계 DR-6000을 사용하여 흡광도 측정을 하였으며 MLSS의 측정은 standard methods (APHA, 2005)에 준하여 GF/C filter와 Gucci 도가니를 사용하였다.

성능/효과

1) 실험실 규모 장치를 통해 도출된 최적 운전조건을 파일럿 장치에 적용하여 운전한 결과 각각의 물리 세정 조건별 효율 평가에서는 MCB 및 공기 세척 등 막표면의 직접적인 막 오염 제어가 역세척과 비교하여 높은 효율을 나타냈으며, MCB + 공기 세척이 공기 세척 단독 공정보다 높은 효율을 나타냈다. 이를 통해 MBR 공정 운영 간 막 오염 특성은 막 표면에서의 cake 형성으로 인한 막오염이 지배적으로 나타났으며, MCB와 같은 비압축성 물체와 결합한 공정이 막 오염 제어에 용이한 것으로 사료된다.
2) 파일럿 규모 장치를 통해 조대 기포를 이용하여 기존 MBR 공정을 모사한 mode 4과 미세 기포, MCB 및 역세척 등 복합 물리세정을 적용한 mode 3의 운전 비교 결과 복합 물리세정이 적용된 mode 3 공정의 경우 약 30일간 운전결과를 통해 TMP 상승률은 – 0.00007 MPa/day인 것으로 나타났으며, 기존 MBR 공정을 모사한 mode 4의 TMP 상승률은 – 0.00013 MPa/day으로 나타나 mode 3 대비 mode 4의 TMP 상승률은 185%인 것으로 나타났다. 이를 통하여 MBR 공정에서 cake 막오염 만을 고려하였을 경우 화학세정 없이 약 1년 이상 운전이 가능할 것으로 판단된다.
00013 MPa/day으로 나타나 mode 3 대비 mode 4의 TMP 상승률은 185%인 것으로 나타났다. 이를 통하여 MBR 공정에서 cake 막오염 만을 고려하였을 경우 화학세정 없이 약 1년 이상 운전이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MBR (membrane bioreactor) 공정의 장점은?	2012년부터 공공하수처리시설의 방류수수질기준을 2〜10배 강화함에 따라 기존의 활성슬러지공법 (conventional activated sludge process)으로 방류수질을 적용시키기에 다소 어려움이 따르고 있다. 향후 더욱 강화될 수질규제 기준과 수자원 재이용 보급률의 증가 측면에서 볼 때, 소요부지 면적이 적고 고농도의 MLSS(약 8,000〜15,000 mg/L)를 유지할 수 있는 MBR (membrane bioreactor) 공정이 대응책으로 제시되고 있 으며, 처리 효율이 높고 운전 및 유지 관리가 비교적 간단하다는 장점으로 점차 도입사례가 급증하고 많은 연구가 진행되고 있다(Judd, 2006; Park, 2016).
	막 오염을 제어하기 위한 방법은 무엇으로 나눌 수 있나?	이러한 막 오염을 제어하기 위한 방법으로 세정약품을 사용하는 화학세정 방법(Beyer et al., 2010; Field et al., 2008; Kimura et al., 2006)과 공기 세척(Psoch, Schiewer, 2006) 혹은 역세척(Hilal et al., 2005; Pearce, 2007) 등의 물리세정 방법(Han, Chang, 2016; Lin et al., 2010; Rodgers, Sparks, 1991; Raosenberger et al., 2011)으로 나눌 수 있으며, 잦은 화학세정의 경우 분리막의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 세정 약품비 및 폐액 처리비 등 운영비 상승에 요인이 되고 있다. 이에 다양한 물리세정방법 즉 초음파(Fang, Shi, 2005), 메디아(Meng, Yang, 2007; Wang et al.
	MBR (membrane bioreactor) 공정 적용이 제한되는 이유는?	하지만 이러한 장점에도 불구하고 분리막을 이용한 하수처리공정에서 발생되는 막 오염은 분리막의 투과 수량 감소 및 운전압력 상승 등을 유발하여 유지관리비용 상승으로 연결되어 MBR 적용에 제한이 되고 있으며 (Farquharson, Zhou, 2010; Han et al., 2016; Miyoshi et al.

참고문헌 (25)

American Public Health Association(APHA). (2005). American Public Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21th ed., American Public Health Association, Washington, DC, USA.
Beyer, M., Lohrengel, B., Nghiem, L. D. (2010). Membrane fouling and chemical cleaning in water recycling applications, Desalination, 250, 977-981.

상세보기
Chang, I. S., Bag, S. O., Lee, C. H. (2001). Effects of membrane fouling on solute rejection during membrane filtration of activated sludge, Process Biochem., 36, 855-860.

상세보기
Fang, H. H. P., Shi, X. (2005). Pore fouling of microfiltration membranes by activated sludge, J. Membr. Sci., 264, 161-166.

상세보기
Farquharson, A., Zhou, H. (2010). Relationships of activated sludge characteristics to fouling rate and critical flux in membrane bioreactors for wastewater treatment, Chemosphere, 79, 149-155.

상세보기
Field, R., Hughes, D., Cui, Z., Tirlapur, U. (2008). Some observations on the chemical cleaning of fouled membranes, Desalination, 227, 132-138.

상세보기
Han, S. H., Chang, I. S. (2016). Comparison of Filtration Resistances according to Membrane Cleaning Methods, J. Env. Sci. Intern., 25, 817-827.

원문보기 상세보기
Han, X., Wang, Z., Wang, X., Zheng, X., Ma, J., Wu, Z. (2016). Microbial responses to membrane cleaning using sodium hypochlorite in membrane bioreactors : Cell integrity, key enzymes and intracellular reactive oxygen species, Water Res., 88, 293-300.

상세보기
Hilal, N., Ogunbiyi, O. O., Miles, N. J., Nigmatullin, R. (2005). Methods employed for control of fouling in MF and UF membranes: A comprehensive review, Sep. Sci. Technol., 40, 1957-2005.

상세보기
Judd, S., Judd, C. (2006). The MBR Book : Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment. 2nd Ed., Vasa, England. pp. 342.
Kim, B. K. (2011). Prediction of Membrane Fouling by using Flux Decline Model in Microfiltration, Master's Thesis, The graduate school of University of Seoul.
Kimura, K., Maeda, T., Yamamura, H., Watanabe, Y. (2008). Irreversible membrane fouling in microfiltration membranes filtering coagulated surface water, J. Membr. Sci., 320, 356-362.

상세보기
Kimura, K., Yamamura, H., Watanabe, Y. (2006). Irreversible Fouling in MF/UF Membranes Caused by Natural Organic Matters (NOMs) Isolated from Different Origins, Sep. Sci. Technol., 41, 131-1344.
Lee, S. J. (2009). A Study on Membrane Fouling by COD fraction of Influent in Submerged MBR, Master's Thesis, The graduate school of University of Seoul.
Lin, J. C. T., Lee, D. J., Huang, C. (2010). Membrane Fouling Mitigation : Membrane Cleaning, Sep. Sci. Technol., 45, 858-872.

상세보기
Meng, F., Yang, F. (2007). Fouling mechanisms of deflocculated sludge, normal sludge, and bulking sludge in membrane bioreactor, J. Membr. Sci., 305, 48-56.

상세보기
Miyoshi, T., Yuasa, K., Ishigami, T., Rajabzadeh, S., Kamio, E., Ohmukai, Y., Saeki, D., Ni, J., Matsuyama, H. (2015). Effect of membrane polymeric materialson relationship between surface pore size and membrane fouling in membrane bioreactors, Appl. Surf. Sci., 330, 351-357.

상세보기
Park, J. W. (2016). Characteristic of membrane fouling and control according to temperature changes in MBRs process, Master's Thesis, The graduate school of SungKyunKwan University.
Pearce, G. (2007). Introduction to membranes : Fouling control, Filtr. Sep., 44, 30-32.

상세보기
Psoch, C., Schiewer, S. (2006). Resistance analysis for enhanced wastewater membrane filtration, J. Membr. Sci., 280, 284-297.

상세보기
Raosenberger, S., Helmus, F. P., Krause, S., Bareth, A., Meyer- Blumenroth, U. (2011). Principles of an enhanced MBRprocess with mechanical cleaning, Water Sci. Technol., 64, 1951-1958.

상세보기
Rodgers, V. G. J., Sparks, R. E. (1991). Reduction of membrane fouling in the ultrafiltration of binary protein mixtures, AICHE J., 37, 1517-1528.

상세보기
Shim, S. N. (2013). Optimization of mechanical cleaning effect of moving beads using Box-Behnken design in MBR for wastewater treatment, Master's Thesis, The graduate school of Seoul National University.
Wang, Z., Wu, Z., Tang, S. (2009). Extracellular polymeric substances (EPS) properties and their effects on membrane fouling in a submerged membrane bioreactor, Water Res., 43, 2504-2512.

상세보기
Yang, Q., Chen, J., Zhang, F. (2006). Membrane fouling control in a submerged membrane bioreactor with porous, flexible suspended carriers, Desalination, 189, 292-302.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증