[논문]세척용 구형입자 순환에 따른 활성슬러지내 침지식 평막의 막간차압

정도인; 민지수; 이수민; 정건용

doi:10.14579/membrane_journal.2018.28.1.62

초록
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본 연구에서는 순수와 유사한 밀도의 세척형 구형 입자를 제작하고 순수 수조 내에서 산기량 및 입자 농도에 따른 입자의 유동 속도를 측정하였다. 세척형 구형 입자 1~3%를 MLSS 8,000 mg/L인 활성슬러지 용액에 주입하고 20 LMH 및 산기량 500 mL/min 조건에서 FR 및 SFCO 모드로 동시에 투과 실험하였다. 사용한 분리막은 유효 막면적이 $90cm^2$, 공칭 세공크기가 $0.4{\mu}m$인 평막이다. 입자 농도가 증가할수록 TMP가 감소하였으며 FR 모드, 입자 농도 2%일 때 가장 효과적인 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study the cleaning spherical beads with same density as water were fabricated. Bead moving velocity was measured with respect to the aeration rate and bead concentration in water reservoir. The permeation experiments for FR (filtration and relaxation) and SFCO (sinusoidal filtration continuo...

In this study the cleaning spherical beads with same density as water were fabricated. Bead moving velocity was measured with respect to the aeration rate and bead concentration in water reservoir. The permeation experiments for FR (filtration and relaxation) and SFCO (sinusoidal filtration continuous operation) modes were simultaneously carried out under the condition of 1 to 3% cleaning spherical bead concentration, 20 LMH and 500 mL/min aeration rate in the MLSS 8,000 mg/L activated sludge solution. The used membrane was the $90cm^2$ effective area and $0.4{\mu}m$ nominal pore size flat membrane. The TMP (transmembrane pressure) decreased as the bead concentration increased, and was shown most effective in FR mode with 2% bead concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 활성슬러지 수용액과 유사한 밀도를 지닌 세척용 구형 입자를 제작하여 반응조에 주입하였다. 구형 입자는 하부에서 공급되는 공기와 함께 유동하면서 FR 또는 SFCO 운전방식에 따라서 침지된 분리막 표면의 오염 물질축적 절감으로 운전 시간에 따라서TMP가 효과적으로 관리되는지를 확인하고자 하였다.

제안 방법

본 실험은 2개의 같은 분리막을 하나의 수조에 침지시켜 20 LMH (L/m2⋅hr)의 유량인 FR 모드와 그에 상응하는 SFCO 모드를 이용하여 진행하였다. FR 모드는20 LMH로 10분간 운전 및 2분간 휴지를 반복하였고 SFCO는 컴퓨터 제어 프로그램인 Labview를 이용하여 운전하였다.
본 연구에서는 활성슬러지 수용액과 유사한 밀도를 지닌 세척용 구형 입자를 제작하여 반응조에 주입하였다. 구형 입자는 하부에서 공급되는 공기와 함께 유동하면서 FR 또는 SFCO 운전방식에 따라서 침지된 분리막 표면의 오염 물질축적 절감으로 운전 시간에 따라서TMP가 효과적으로 관리되는지를 확인하고자 하였다.

대상 데이터

입자가 유체의 밀도와 같아 중력적으로 중립 상태가 되면 입자유동을 위한 추가적인 동력이 없어도 유체의 흐름에 따라서 효율적인 세척이 가능할 수 있다. 본 실험에서는 지름이 1 cm이고 중간에 약 2 mm 크기의 원통형 공간이 있는 플라스틱 입자를 사용하였으며, 이 입자는 물보다 약간 가벼우므로 비어있는 공간에 에폭시 접착제를 소량 주입하여 구형 입자를 제조하였다.
실험에 사용한 분리막은 P사의 CPVC (Chlorinated Poly-Vinyl Chloride) 평막이며 공칭 세공크기(normal pore size)는 0.4 μm이다. 분리막은 실험실적으로 투과실험이 가능하도록 높이 15.

성능/효과

본 연구에서는 활성슬러지 수용액과 유사한 밀도를 지닌 세척용 구형 입자를 제작하여 반응조에 주입하고 하부에서 산기되는 공기와 함께 유동하면서 분리막 표면의 오염 물질을 효과적으로 감소시키는 가능성을 확인하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 먼저 세척용 입자가 별도의 구동 장비없이 산기되는 공기와 함께 순수에서 유동되는 것을 육안으로 확인하였으며 입자속도는 산기량과 입자 농도에 따라서 증가함을 확인하였다. 최적 입자속도 영역인 1~3% 입자 농도와 산기량 500 mL/min 조건에서 FR 및 SFCO 모드의 투과실험 결과, 입자 농도가 증가할수록 TMP가 감소하였으며 FR 모드, 입자 농도 2%일 때 가장 효과적인 것으로 확인되었다.
먼저 세척용 입자가 별도의 구동 장비없이 산기되는 공기와 함께 순수에서 유동되는 것을 육안으로 확인하였으며 입자속도는 산기량과 입자 농도에 따라서 증가함을 확인하였다. 최적 입자속도 영역인 1~3% 입자 농도와 산기량 500 mL/min 조건에서 FR 및 SFCO 모드의 투과실험 결과, 입자 농도가 증가할수록 TMP가 감소하였으며 FR 모드, 입자 농도 2%일 때 가장 효과적인 것으로 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활성슬러지공법의 한계점은?	하폐수 처리장에서 일반적으로 사용하는 활성슬러지공법(Conventional Activated Sludge; CAS)은 오랫 동안 다양한 운전 기술축적 및 연구 개발 등으로 매우 안정적이고 경제적인 수처리 기술이지만, 부유물을 침전시켜 처리용수를 배출하여야 하므로 대규모의 침전지가 필요하며 또한 고도처리를 위한 탁도, 미생물 및 세균의 조절에 많은 기술적 한계가 있다. 이에 비하여MBR 공법(Membrane Bioreactor)은 분리막을 활성슬러지 반응조에 침지시켜 생물학적 반응과 동시에 처리수를 분리하는 방법이다.
	MBR 공법은 어떤 방법인가?	하폐수 처리장에서 일반적으로 사용하는 활성슬러지공법(Conventional Activated Sludge; CAS)은 오랫 동안 다양한 운전 기술축적 및 연구 개발 등으로 매우 안정적이고 경제적인 수처리 기술이지만, 부유물을 침전시켜 처리용수를 배출하여야 하므로 대규모의 침전지가 필요하며 또한 고도처리를 위한 탁도, 미생물 및 세균의 조절에 많은 기술적 한계가 있다. 이에 비하여MBR 공법(Membrane Bioreactor)은 분리막을 활성슬러지 반응조에 침지시켜 생물학적 반응과 동시에 처리수를 분리하는 방법이다. 따라서 기존 CAS 공정에 비교하여 침전지가 불필요하여 설치공간이 절반 이하밖에 필요하지 않으므로 특히 토지 비용이 고가인 대도시 근방에서는 매우 경제적일 뿐만 아니라 분리막을 이용하여 탁도, 콜로이드 등의 입자성 물질 제거와 박테리아와 같은 병원성 미생물을 효과적으로 제거할 수 있다[1].
	MBR 공법이 CAS공정에 비해 어떤 이점이 있는가?	이에 비하여MBR 공법(Membrane Bioreactor)은 분리막을 활성슬러지 반응조에 침지시켜 생물학적 반응과 동시에 처리수를 분리하는 방법이다. 따라서 기존 CAS 공정에 비교하여 침전지가 불필요하여 설치공간이 절반 이하밖에 필요하지 않으므로 특히 토지 비용이 고가인 대도시 근방에서는 매우 경제적일 뿐만 아니라 분리막을 이용하여 탁도, 콜로이드 등의 입자성 물질 제거와 박테리아와 같은 병원성 미생물을 효과적으로 제거할 수 있다[1]. 하지만 MBR 공정은 분리막을 사용하기 때문에 운전시간이 경과할수록 분리막 표면 근방에는 제거된 각종 콜로이드 또는 입자가 축적되고 경우에 따라서는 미생물 플록이 흡착하여 성장 또는 증착하고 상당한 두께의 케이크 층을 형성하기도 한다.

참고문헌 (9)

O. Ferrer, R. Casas, C. Galvan, F. Lucena, A. Vega, O. Gibert, J. Jofre, and X. Bernat, "Challenge tests with virus surrogates: An accurate membrane integrity evaluation system", Desalination and Water Treat., 51, 25 (2013).
I. H. Won, W. G. Jang, K. Y. Chung, and H. S. Byun, "Preparation of PVdF/GO composite nanofibrous flat membrane and its permeation characteristics in activated sludge", Membr. J., 25, 67 (2015).

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J. H. Lee, J. H. Yun, and H. S. Byun, "Integration of graphene oxide into PAN nanofibers with improved physical property", Membr. J., 27, 255 (2017).

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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).
D. J. Jeong and K. Y. Chung, "Critical flux with respect to aeration rate for the submerged microfiltration hollow fiber membrane in the activated sludge solution", Membr. J., 26, 116 (2016).

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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).
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).

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