[논문]MBR 공정에서 수온에 따른 막오염 및 CEB 세정효율 특성

박기태; 박정훈; 최은혜; 김형수; 김지훈

doi:10.11001/jksww.2017.31.5.389

[국내논문] MBR 공정에서 수온에 따른 막오염 및 CEB 세정효율 특성
Characterization of membrane fouling and CEB (Chemical enhanced backwashing) efficiency with temperature in SMBR Process 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.31 no.5, 2017년, pp.389 - 395

박기태 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 박정훈 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 최은혜 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 김형수 (성균관대학교 수자원전문대학원) , 김지훈 (성균관대학교 수자원전문대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigate the characteristics of membrane fouling caused by water temperature in the Membrane bioreactor(MBR) process and try to derive the membrane fouling control by chemical enhanced backwashing(CEB). The extracellular polymeric substances(EPS) concentration was analyzed according to the water temperature in the MBR, and the membrane fouling characteristics were investigated according to the conditions, with sludge & without sludge, through a lab-scale reactor. As shown in the existing literature the fouling resistance rate was increased within sludge with the water temperature was lowered. However, in the lab-scale test using the synthetic wastewater, the fouling resistance increased with the water temperature. This is because that the protein of the EPS was more easily adsorbed on the membrane surface due to the increase of entropy due to the structural rearrangement of the protein inside the protein as the water temperature increases. In order to control membrane fouling, we tried to derive the cleaning characteristics of CEB by using sodium hypochlorite(NaOCl). We selected the condition with the chemicals and the retention time, and the higher the water temperature and the chemical concentration are the higher the efficiencies. It is considered that the increasing temperature accelerated the chemical reaction such as protein peptide binding and hydrolysis, so that the attached proteinaceous structure was dissolved and the frequency of the reaction collision with the protein with the chemical agent becomes higher. These results suggest that the MBRs operation focus on the fouling control of cake layer on membrane surface in low temperatures. On the other hand, the higher the water temperature is the more the operation strategies of fouling control by soluble EPS adsorption are needed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

각 수온 조건에 따른 막오염을 제어하기 위해 본연구에서는 Sodium hypochlorite(NaOCl)를 이용하여 CEB의 농도 및 지속시간을 변화시켜 CEB 세정 효율 특성을 도출하고자 하였다. 먼저 CEB 지속시간을 15분으로 고정하여 수온에 따라 CEB 농도를 변화하여 세정효율을 측정하였다.
수온이 낮아짐에 따라 발생하는 분리막 오염 현상은 여러 논문에서 보고되어 있지만 용존된 EPS가 수온에 따라 분리막의 부착특성 및 화학적 제거 특성에 대한 연구는 부족한 현실이다. 따라서, 본 논문에서는 공공하수처리 장에서 운영되고 있는 일처리용량 100 m³ /일 규모의 Pilot plant의 수온에 따른 분리막조 내 EPS 농도를 조사하였고, 이와 연계하여 Lab-scale 장치로 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 조사하였다. 또한 일반적으로 막오염 제어로 수행하는 CEB(chemical enhanced back-washing)를 통해 수온조건에 지속시간 및 농도 변화에 따른 유지세정조건을 도출하고자 하였다.
따라서, 본 논문에서는 공공하수처리 장에서 운영되고 있는 일처리용량 100 m³ /일 규모의 Pilot plant의 수온에 따른 분리막조 내 EPS 농도를 조사하였고, 이와 연계하여 Lab-scale 장치로 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 조사하였다. 또한 일반적으로 막오염 제어로 수행하는 CEB(chemical enhanced back-washing)를 통해 수온조건에 지속시간 및 농도 변화에 따른 유지세정조건을 도출하고자 하였다.
수온변화에 따라 발생된 막오염의 제어를 위해 NaOCl 농도 및 지속시간에 따라 유지세정효율을 도출하고자 하였다. 각 수온조건에 따른 CEB 시점의 경우 사전실험을(Table 4) 통해 운전압력 -0.

가설 설정

수온변화에 따라 발생된 막오염의 제어를 위해 NaOCl 농도 및 지속시간에 따라 유지세정효율을 도출하고자 하였다. 각 수온조건에 따른 CEB 시점의 경우 사전실험을(Table 4) 통해 운전압력 -0.020 MPa로설정하였고, 본 연구의 실험조건은 Table 5와 같이 나타냈다.

제안 방법

2) 각 조건에 따라 발생된 막오염을 제어하기 위해 Sodium hypochlorite(NaOCl)를 이용하여 CEB 세정 특성을 도출하였다. 이에 각 수온조건에 따라 약품 농도 및 지속시간을 변화하여, 수온 및 약품농도가 높아질수록 높은 효율을 나타냈다.
CEB의 지속시간 변화에 따라 세정 효율 특성을 도출을 위해 수온에 따른 농도별 실험결과를 토대로 효율이 가장 낮았던 수온 10℃에서 15분에서 120분 까지 구간을 선정하여 진행하였다. 실험결과 지속시간이 길어질수록 여과저항 회복율은 높아졌으며, 특히 지속시간 60분 이후로는 세정효율 증가율이 낮아짐을 확인하였다 (Fig 6).
수온에 따라 MBR 공정에서의 EPS 농도를 분석 결과를 통해 Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 분석하였다. 또한, 일반적으로 막오염 제어로 수행하는 CEB를 통해 수온조건에 지속시간및 농도 변화에 따른 유지세정조건을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
각 수온 조건에 따른 막오염을 제어하기 위해 본연구에서는 Sodium hypochlorite(NaOCl)를 이용하여 CEB의 농도 및 지속시간을 변화시켜 CEB 세정 효율 특성을 도출하고자 하였다. 먼저 CEB 지속시간을 15분으로 고정하여 수온에 따라 CEB 농도를 변화하여 세정효율을 측정하였다. 측정결과 수온이 10˚C에서 30˚C 로 변화됨에 따라 약품 농도별 여과저항 회복율은 300 mg/L as NaOCl 에서 20%, 28% 및 39%로 나타났 으며, 600 mg/L as NaOCl 29, 39 및 55%, 1,000 mg/L as NaOCl 은 35, 49 및 69% 로 나타났다 (Fig.
본 연구는 MBR 공정에서 수온에 따른 EPS 농도를 분석하고, Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 분석하였다. 수온에 따라 MBR 공정에서의 EPS 농도를 분석 결과를 통해 Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 분석하였다.
본 연구는 MBR 공정에서 수온에 따른 EPS 농도를 분석하고, Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 분석하였다. 수온에 따라 MBR 공정에서의 EPS 농도를 분석 결과를 통해 Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무에 따른 분리막 오염 특성을 분석하였다. 또한, 일반적으로 막오염 제어로 수행하는 CEB를 통해 수온조건에 지속시간및 농도 변화에 따른 유지세정조건을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
실험 조건에 따라 운전되는 Lab-scale 장치는 수온, 처리수량 및 운전압력이 자동 저장이 가능하도록 구성하였 으며, 이렇게 측정된 값을 통해 여과저항으로 변환하여 막오염 특성을 분석하고자 하였다. 여과 저항은 Darcy’s law에서 유도한 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
1). 이를 통해 lab-scale 실험의 수온 및 SMP농도를 선정하였으며, Lab-scale 장치의 세부적인 운전조건은 Table 3과 같이 나타냈다. 용존성 EPS 물질로는 Protein 물질로서 Bovine serum albumin(Sigma-aldrich, USA)을 사용하였고, Polysaccharide 로는 Sodium alginate (Sigma-aldrich, USA)를 이용하여 실험을 진행하였다.

대상 데이터

본 실험은 경기도 S 시 공공하수처리장 내 설치된 100 m³ /일 규모의 MBR Pilot plant를 바탕으로 연구를 진행하였으며, Pilot plant의 운영조건은 Table 1과 같이 나타냈다. Lab-scale 장치의 경우 100 L 반응조에 항온수조를 설치하여 수온을 일정하게 유지할 수 있도록 구성하였으며, PLC 제어 프로그램을 통해 정유량으로 공정제어가 가능하도록 구성하였다 (Fig.
본 연구에 사용된 분리막은 독일 M 사 Polyethersulfone (PES) 재질로 공극 크기는 0.04 µm의 역세척이 가능한 평판형 막을 사용하였다(Table 3).
본 연구의 lab-scale 실험조건은 수원하수처리장에서 운영되고 있는 일 처리용량 100 m³ 규모 MBR Pilot plant에서 운영 간(2016년 12월 ~ 2017년 7월) 분리막조의 EPS 농도를 측정하였다(Fig. 1). 이를 통해 lab-scale 실험의 수온 및 SMP농도를 선정하였으며, Lab-scale 장치의 세부적인 운전조건은 Table 3과 같이 나타냈다.
이를 통해 lab-scale 실험의 수온 및 SMP농도를 선정하였으며, Lab-scale 장치의 세부적인 운전조건은 Table 3과 같이 나타냈다. 용존성 EPS 물질로는 Protein 물질로서 Bovine serum albumin(Sigma-aldrich, USA)을 사용하였고, Polysaccharide 로는 Sodium alginate (Sigma-aldrich, USA)를 이용하여 실험을 진행하였다.

이론/모형

또한 lab-test 운전 flux의 경우 수온에 따른 점성계 수에 대한 영향을 보정하기 위해 아래의 식 (3) (Iranpour et al., 2000)을 적용하여 운전 Flux 보정하여 실험을 진행하였다.
-P는 흡광도 측정을 위한 분광광도 계로 HACH 사의 DR-6000을 사용하였으며, MLSS 및 MLVSS 측정은 Standard method에 준하여 GF/C filter 와 Gucci 도가니를 이용하였다. 또한, EPS 분석의 경우 선행연구 (Wang et al., 2008; Chang et al., 1998)을 참조하여 열 추출법으로 진행하였으며, Protein 분석은 Bradford Assay 방법, Polysaccharide는 페놀황산법으로 측정하였다 (Bradford, 1976; Gerhardt, 1994).
유입원수, 처리수 및 막분리조 수질분석 방법은 Table 6에 나타낸 바와 같고, COD_Cr , T-N, NH₃-N, NO₃^--N, T-P, PO₄^3--P는 흡광도 측정을 위한 분광광도 계로 HACH 사의 DR-6000을 사용하였으며, MLSS 및 MLVSS 측정은 Standard method에 준하여 GF/C filter 와 Gucci 도가니를 이용하였다. 또한, EPS 분석의 경우 선행연구 (Wang et al.

성능/효과

1) 수온에 따른 막오염 특성에서 미생물 유무에 따라 실험을 진행하였으며, 미생물이 있는 경우 수온이 낮아질수록 미생물로부터 방출되는 EPS 농도가 높아 지면서 운전여과저항 증가율이 높아졌다. 반면, 동일한 농도의 용존성 EPS를 합성폐수로 진행한 결과, 수온이 높아질수록 운전여과저항 증가율은 높아졌으며, 수온이 증가함에 따라 용존 된 Protein이 막 표면 및공극에 흡착이 증가되어 여과저항의 증가율이 높게 나타난 것으로 판단된다.
EPS 대표물질인 Protein과 Polysaccharide의 수온에 따른 막 오염 특성을 알아보고자 하였고, 수온조건 10, 20 및 30˚C에 따라 미생물이 포함된 여과저항 증가율은 9.73×10 8 /m･min, 9.04×108/m･min 및 7.83×108 /m･min로 수온이 낮아질수록 높아지는 경향을 나타냈다 (Fig. 3).
1) 수온에 따른 막오염 특성에서 미생물 유무에 따라 실험을 진행하였으며, 미생물이 있는 경우 수온이 낮아질수록 미생물로부터 방출되는 EPS 농도가 높아 지면서 운전여과저항 증가율이 높아졌다. 반면, 동일한 농도의 용존성 EPS를 합성폐수로 진행한 결과, 수온이 높아질수록 운전여과저항 증가율은 높아졌으며, 수온이 증가함에 따라 용존 된 Protein이 막 표면 및공극에 흡착이 증가되어 여과저항의 증가율이 높게 나타난 것으로 판단된다.
CEB의 지속시간 변화에 따라 세정 효율 특성을 도출을 위해 수온에 따른 농도별 실험결과를 토대로 효율이 가장 낮았던 수온 10℃에서 15분에서 120분 까지 구간을 선정하여 진행하였다. 실험결과 지속시간이 길어질수록 여과저항 회복율은 높아졌으며, 특히 지속시간 60분 이후로는 세정효율 증가율이 낮아짐을 확인하였다 (Fig 6). 이러한 결과는 CEB 시, 약품이 분리막 내에서 오염물질로의 확산과 용해할 수 있는 시간이 적절히 요구되며, 본 논문에서는 60분이후로는 이러한 반응이 낮아지는 경향을 나타냈다.
실험결과 지속시간이 길어질수록 여과저항 회복율은 높아졌으며, 특히 지속시간 60분 이후로는 세정효율 증가율이 낮아짐을 확인하였다 (Fig 6). 이러한 결과는 CEB 시, 약품이 분리막 내에서 오염물질로의 확산과 용해할 수 있는 시간이 적절히 요구되며, 본 논문에서는 60분이후로는 이러한 반응이 낮아지는 경향을 나타냈다. Lee (2014)와 Kim (2009)에 따르면, NaOCl 농도 300 mg/L 과 600 mg/L에서 접촉시간 늘어남에 따라 세정효과가 증가하고 60분에서 최대 세정 효과를 나타냈다고 보고되었는데, 본 실험에서도 유사한 결과가 도출되었다.
2) 각 조건에 따라 발생된 막오염을 제어하기 위해 Sodium hypochlorite(NaOCl)를 이용하여 CEB 세정 특성을 도출하였다. 이에 각 수온조건에 따라 약품 농도 및 지속시간을 변화하여, 수온 및 약품농도가 높아질수록 높은 효율을 나타냈다. 이는 수온증가가 단백질 펩티드 결합과 가수분해와 같은 화학반응을 가속화되어 부착된 단백질성 구조가 깨져 용해된 것으로 사료되며, 농도가 높아질수록 단백질과의 약품과의 반응 충돌 횟수가 높아졌기 때문이라고 판단된다.
먼저 CEB 지속시간을 15분으로 고정하여 수온에 따라 CEB 농도를 변화하여 세정효율을 측정하였다. 측정결과 수온이 10˚C에서 30˚C 로 변화됨에 따라 약품 농도별 여과저항 회복율은 300 mg/L as NaOCl 에서 20%, 28% 및 39%로 나타났 으며, 600 mg/L as NaOCl 29, 39 및 55%, 1,000 mg/L as NaOCl 은 35, 49 및 69% 로 나타났다 (Fig. 5). Joshi 등(2006)에 따르면 수온이 상승함에 따라 온도가 높아 질수록 펩티드 결합과 가수분해와 같은 화학 반응이 가속화 되어 단백질성 구조가 깨지고 용해되고, 세정 액의 점도 감소로 그에 상응하는 레이놀즈수가 증가하여 결국 화학반응 속도가 증가되기 때문이라고 보고하였 으며, 본 실험 결과에서도 온도의 변화는 반응 평형및 반응 동역학을 변화시키고, 용질의 용해도를 증가 시킴으로써 막 세정의 효율 및 속도에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

후속연구

이는 수온증가가 단백질 펩티드 결합과 가수분해와 같은 화학반응을 가속화되어 부착된 단백질성 구조가 깨져 용해된 것으로 사료되며, 농도가 높아질수록 단백질과의 약품과의 반응 충돌 횟수가 높아졌기 때문이라고 판단된다. 이러한 결과를 통해 MBR 운전시 수온이 낮을수록막 표면에서 발생하는 Cake fouling 등의 막오염 제어를 집중하며, 반면 수온이 높아질수록 용존성 EPS 흡착에 의한 fouling 제어의 운영 전략이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EPS 대표물질은?	EPS 대표물질인 Protein과 Polysaccharide의 수온에 따른 막 오염 특성을 알아보고자 하였고, 수온조건 10, 20 및 30˚C에 따라 미생물이 포함된 여과저항 증가율은 9.73×10 8 /m･min, 9.
	membrane bioreactors 공정의 전망은?	생물학적 폐수처리 공정에 분리막을 도입한 membrane bioreactors (MBR) 공정은 폭기조 내에 고농도의 MLSS (Mixed liquer suspended solid, 약 8,000〜15,000 mg/L) 를 유지시킴으로써 처리용량 및 처리효율을 도모할 수 있다. 하지만 MBR 공정 운영 중 발생하는 막오염 (fouling) 현상으로 인해 투과수량 감소 및 운전압력 상승 등이 발생하고, 이것은 유지관리비용 상승으로 직결되어 MBR 적용에 제한이 되고 있다 (Farquharson, Zhou, 2010; Han et al.
	membrane bioreactors공정의 문제점은?	생물학적 폐수처리 공정에 분리막을 도입한 membrane bioreactors (MBR) 공정은 폭기조 내에 고농도의 MLSS (Mixed liquer suspended solid, 약 8,000〜15,000 mg/L) 를 유지시킴으로써 처리용량 및 처리효율을 도모할 수 있다. 하지만 MBR 공정 운영 중 발생하는 막오염 (fouling) 현상으로 인해 투과수량 감소 및 운전압력 상승 등이 발생하고, 이것은 유지관리비용 상승으로 직결되어 MBR 적용에 제한이 되고 있다 (Farquharson, Zhou, 2010; Han et al., 2016; Miyoshi et al.

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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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