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전기응집 분리 막 생물반응기의 막 오염 저감
Membrane fouling reduction using electro-coagulation aided membrane bio-reactor 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.8, 2018년, pp.105 - 114  

김완규 (호서대학교 안전환경기술융합학과) ,  홍성준 (호서대학교 나노바이오트로닉스학과) ,  장인성 (호서대학교 환경공학과)

초록
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전기응집 (Electro-coagulation)을 활용한 분리 막 생물반응기 (Membrane Bio-Reactor) 공정의 막 오염 저감 현상을 확인하고 이를 해석하고자 하였다. 전기응집의 주요 운전 인자인 전류밀도와 접촉시간 변화가 활성슬러지 혼합액의 막 여과에 미치는 영향을 관찰하고 전기응집 과정에서 발생하는 수산화금속염이 막 오염에 미치는 역할에 대해 연구하였다. 전류밀도를 $10A/m^2$으로 높게 유지한 경우에는 전기응집 시간이 증가하여도 막 오염 감소 효과가 크지 않은 반면 $2.5A/m^2$의 낮은 전류밀도 하에서는 전기응집 시간이 증가하면 추가적인 막 오염 감소가 관찰되었다. 즉, 막 오염을 감소시키는 전류밀도와 접촉시간의 곱이 전체 막 오염 저감 정도를 지배하고 있음을 확인하였다. 또한 주어진 전류밀도와 인가시간에서 입도분포는 크게 변화하지 않은 것으로 나타나 콜로이드 입자와 막 오염 저감과는 큰 관련성이 없는 것으로 판단되었다. 그러나 전기응집을 통해 생성된 수산화알루미늄 (인산알루미늄)이 막 여과 과정에서 동적 막 (Dynamic Membrane)을 형성하여 막 오염 현상을 완화하는 것으로 확인되었다. 전기응집에서 발생한 수산화금속염이 막 표면에 동적 막을 형성하고 이로 인해 유입수의 입자성분이 직접 막 표면과 내부에 침적되는 것을 방해하고 동적 막에 주로 쌓이게 함으로써 막 오염이 감소된 것이다. 본 연구에서 밝힌 수산화금속염에 의한 동적 막의 역할은 전기응집을 활용한 MBR 공정의 후 막 오염 감소 메커니즘을 해석하는데 중요한 역할을 한다고 결론지을 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Membrane fouling in EC-MBR (Electro-Coagulation aided Membrane Bio-Reactor) processes was evaluated according to the operating parameters, such as current density and contact time. In addition, the fouling mechanism was investigated. Compared to the control (i.e., no electro-coagulation), membrane f...

주제어

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문제 정의

  • 특히, 전기응집을 수행하면 필연적으로 생성되는 수산화금속염 (metal hydroxide)이 막 여과 및 막 오염 감소에 어떤 영향을 미치는지에 대한 체계적인 해석이 전무하다. 따라서 본 연구에서는 전기응집의 운전인자를 변화시켜가며 이에 따른 막 오염 저감을 관찰하고, 막 오염 저감 메카니즘을 분석하고자 하였다. 특히 전기응집 수행 시 생성되는 수산화금속염이 막 여과에 미치는 영향을 파악하기 위한 일련의 여과 실험을 통해 전기응집의 막 오염 저감 메커니즘을 밝히고자 하였다.
  • 이처럼 다양한 막 오염 제어방법이 개발되어 시행되고 있음에도 불구하고, 여전히 경제적이고 효과적인 막 오염 제어기술을 개발하려는 노력은 지속되고 있다. 본 연구에서는 전기응집 (electro-coagulation) 기술을 MBR 에 적용하여 막 오염을 감소시키기 위한 연구에 주목하였다. 전기응집은 침지된 전극에 전류를 흘려 양극에서 용출된 금속 이온이 수중의 콜로이드성 물질을 응집하는 기술이다[10].
  • 본 연구에서는 활성슬러지 혼합액에 전기응집을 수행한 후 분리막 여과 효율에 미치는 영향을 살펴보았다. 특히 전류밀도 및 인가시간과 같은 전기응집 운전인자가 막 오염에 주는 영향과 전기응집 과정 중 생성되는 수산 화금속염의 역할에 대한 고찰을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 따라서 전기응집 과정에서 생성된 불용성 수산화알루미늄과 (또는) 인산알루미늄이 분리 막 표면에 동적 막을 형성할 수 있는 가능성이 있다. 이로 인해 막 오염이 감소하는 결과를 초래하였다는 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 일련의 여과 실험을 진행하였다.
  • 전기응집에 의해 형성된 불용성 수산화금속염이 막 오염 저감에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 알루미늄 전극을 사용하였기 때문에 생성된 금속염은 수산화알루미늄, Al(OH3)이다.
  • 따라서 본 연구에서는 전기응집의 운전인자를 변화시켜가며 이에 따른 막 오염 저감을 관찰하고, 막 오염 저감 메카니즘을 분석하고자 하였다. 특히 전기응집 수행 시 생성되는 수산화금속염이 막 여과에 미치는 영향을 파악하기 위한 일련의 여과 실험을 통해 전기응집의 막 오염 저감 메커니즘을 밝히고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MBR의 장점은? 하수 처리장 2차 유출수의 수질기준 강화 및 유출수 재이용 요구가 증가함에 따라 분리막 생물반응기 (Membrane Bio-reactor, 이하 MBR) 공정에 대한 관심이 증가하고 있다. MBR은 활성슬러지 공정의 2차침전조를 막 여과로 대체한 것으로 고/액 분리가 완벽하여 안정적인 유출수질을 유지할 수 있으며, 2차 침전조에 필요한 넓은 부지 면적이 요구되지 않는 등 많은 장점을 가지고 있어서 하수 처리장에서 그 활용이 점차 증가하고 있다[1,2]. MBR의 세계 시장 규모는 2005년 0.
MBR에서 막 오염이 생기는 과정은? 그러나 MBR은 분리 막을 사용한 여과 공정이기 때문에 필연적으로 막 오염 (membrane fouling) 현상이 발생하며, 이로 인해 유출수의 여과 속도가 감소하는 문제 점이 생겨난다. 막 표면에 침적되는 케이크 층과 용존성 오염 물질이 막 세공 내부에 침착되어 여과수의 흐름을 방해하여 비가역적인 막 오염이 발생한다[4].
전기응집과 MBR이 접목된 공정에서 막 오염을 감소시키기 위해서 조정해야 하는 것은? MBR의 막 오염에 중요한 역할을 하는 콜로이드성 물질이 응집되어 막 오염을 완화될 수 있기 때문에 전기응집과 MBR이 접목된 공정에 대한 연구들이 최근 관심을 받고 있다[11,12,13]. 특히 전기응집 공정의 주요 운전변수인 전류밀도와 접촉시간을 증가시키면 막 오염을 감소시킬 수 있다는 연구 결과들이 보고되고 있다[14,15,16,17,18]. 기존 MBR 공정에서 막 오염을 방지하기 위해 수행하는 조대포기에 소모되는 에너지는 전체 하수처리장 플랜트 에너지 소비량의 30-50% 가량인 것으로 알려져 있다[19].
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참고문헌 (24)

  1. L. Huang, D. J. Lee, "Membrane bioreactor: A mini review on recent R&D works", Bioresource Technology, Vol.194, pp. 383-388, Oct. 2015. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852415009669 

  2. S. Judd, "The status of membrane bioreactor technology", Trends in Biotechnology, Vol.26, No.2, pp. 109-116, Feb. 2008. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779907003216 

  3. F. Roayn, "Membrane multiplier: MBR set for global growth", WWI(Water & Wastewater International), 2012. http://www.waterworld.com/articles/wwi/print/volume-27/issue-2/regulars/creative-finance/membrane-multiplier-mbr.html 

  4. H. Ivnitsky, I. Katz, D. Minz, E. Shimoni, Y. Chen, J. Tarchitzky, R. Semiat, C. G. Dosoretz, "Characterization of membrane biofouling in nanofiltration processes of wastewater treatment", Desalination, Vol.185, No.1-3, pp. 255-268, Nov., 2005. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916405006272 

  5. M. Beyer, B. Lohregel, L. D. Nghiem, "Membrane fouling and chemical cleaning in water recycling applications", Desalination, Vol.250, No.3, pp. 977-981, Jan., 2010. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916409011175 

  6. F. Mang, B. Liao, S. Liang, F. Yang, H. Zhang, L. Song, "Morphological visualization, componential characterization and microbiological identification of membrane fouling in membrane bioreactros (MBRs)", Journal of Membrane Science, Vol.361, No.1-2, pp. 1-14, Sept., 2010. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738810004461 

  7. H. D. Park, I. S. Chang, K. J. Lee, Principles of membrane bioreactor for wastewater treatment, p. 242-245, CRC Press, 2015. 

  8. C. H. Nahm, D. C. Choi, H. Kwon, S. Lee, S. H. Lee, K. Lee, K. H. Choo, J. K. Lee, C. H. Lee, P. K. Park, "Application of quorum quenching bacteria entrapping sheets to enhance biofouling control in a membrane bioreactor with a hollow fiber module", Journal of Membrane Science, Vol.526, pp. 264-271, March, 2017. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738816322426 

  9. N. A. Weerasekara, K. H. Choo, C. H. Lee, "Biofouling control: bacterial quorum quenching versus chlorination in membrane bioreactors", Water Research, Vol.103, pp. 293-301, Oct., 2016. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135416305632 

  10. M. Kobya, E. Demibas, "Evaluations of operating parameters on treatment of can manufacturing wastewater by electrocoagulation", Journal of Water Process Engineering, Vol.8, pp. 64-74, Dec., 2015. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221471441530043X 

  11. K. Sadeddin, A. Naser, A. Firas, "Removal of turbidity and suspended solids by electro-coagulation to improve feed water quality of reverse osmosis plant", Desalination, Vol.268, No.1-3, pp. 204-207, March, 2011. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916410007423 

  12. L. Liu, J. Liu, B. Gao, F. Yang, "Cathode membrane fouling reduction and sludge property in membrane bioreactor integrating electrocoagulation and electrostatic repulsion", Separation and purification Technology, Vol.100, pp. 44-50, Oct., 2012. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586612004613 

  13. A. Deghles, U. Kurt, "Treatment of tannery wastewater by a hybrid electrocoagulation/electrodialysis process, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol.104, pp. 43-50, June., 2016. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S025527011630040X 

  14. B. M. Khalid, E. Maria, "Development of a novel submerged membrane electro-bioreactor (SMEBR): Performance for fouling reduction", Environmental Science and Technology, Vol.44, No.9, pp. 3298-3304, March, 2010. DOI : https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es902145g 

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  16. L. Liu, J. Liu, B. Gao, F. Yang, "Minute electric field reduced membrane fouling and improved performance of membrane bioreactor", Siparation and purification Technology, Vol.86, pp. 106-112, Feb., 2012. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586611006319 

  17. A. D. Tafti, S. Morteza, S. Mirzaii, M. R. Andalibi, "Optimized coupling of an intermittent DC electric field with a membrane bioreactor for enhanced effluent quality and hindered membrane fouling", Separation and prufication Technology, Vol.152, pp. 7-13, Sep., 2015. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586615300721 

  18. L. C. Hua, C. Huang, Y. C. Su, T. N. P. Nguyen, P. C. Chen, "Effect of electro-coagulation on fouling mitigation and sludge characteristics in a coagulation-assisted membrane bioreactor", Journal of Membrane Science, Vol.495, pp. 29-36, Dec., 2015. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738815300909 

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  20. S. Hasan, M. Elektorowicz, J. A. Oleszkiewicz, "Start-up period investigation of pilot-scale submerged membrane electro-bioreactor (SMEBR) treating raw municipal wastewater", Chemosphere, Vol.97, pp. 71-77, Feb., 2014. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653513015816 

  21. N. Dizge, C. Akarsu, Y. Ozay, H. E. Gulsen, S. K. Adiguzel, M. A.Mazmanci, "Sono-assisted electrocoagulation and corss-flow membrane processes for brewery wastewater treatment", Journal of Water Process Engineering, Vol.21, pp. 52-60, Feb., 2018. DOI : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214714417305184 

  22. S. Han, I. S. Chang, "Comparison of the cake layer removal options during determination of cake layer resistance (Rc) in the resistance-in-series model", Separation Science and Technology, Vol.49, No.16, pp. 2459-2464, July, 2014. DOI : https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01496395.2014.937005 

  23. S. E. Um, I. S. Chang, "Effect of current density and contact time on membrane fouling in electrocoagulation-MBR and their kinetic studies on fouling reduction rate", Journal of Korean Society of Water and Wastewater, Vol. 31, No.4, pp. 321-328, Aug., 2017. DOI : http://www.jksww.or.kr/journal/article.php?code54605 

  24. S.H Han, I. S. Chang, "Fluoride and nitrate removal in small water treatment plants using electro-coagulation", Journal of Korean Society of Water and Wastewater, Vol.25, No.5, pp. 767-775, Oct., 2011. DOI : ttp://www.koreascience.or.kr/article/ArticleFullRecord.jsp?cnSHSDB3_2011_v25n5_767 

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