초록 ▼

MBR 공정에서 대두되는 가장 큰 문제는 분리막 오염현상(membrane fouling)이다. 이는 분리막의 운전인자(driving force)가 대부분 압력차에 의한 것이기 때문으로, 반응조 내의 활성슬러지 및 기타 분리막 오염물질들이 막 표면이나 공극 내에 축적되어 유효 막 표면적을 저감시키고 이로 인해 처리수의 수량이 줄어드는 문제가 야기된다.
이러한 분리막 오염현상을 저감시키기 위해 그동안 많은 연구가 이루어져왔다. 분리막 표면을 계면활성제나 플라즈마(plasma) 등을 이용하여 친수성 개질하는 방법, 물리적으로는

MBR 공정에서 대두되는 가장 큰 문제는 분리막 오염현상(membrane fouling)이다. 이는 분리막의 운전인자(driving force)가 대부분 압력차에 의한 것이기 때문으로, 반응조 내의 활성슬러지 및 기타 분리막 오염물질들이 막 표면이나 공극 내에 축적되어 유효 막 표면적을 저감시키고 이로 인해 처리수의 수량이 줄어드는 문제가 야기된다.
이러한 분리막 오염현상을 저감시키기 위해 그동안 많은 연구가 이루어져왔다. 분리막 표면을 계면활성제나 플라즈마(plasma) 등을 이용하여 친수성 개질하는 방법, 물리적으로는 여과방향에 대하여 역방향으로 처리수를 통과시켜 오염원을 막으로부터 이탈시키는 방법과 막 표면에 십자흐름(cross-flow)을 유도하여 막 표면에 축적된 슬러지 케이크(sludge cake)를 털어 내거나 쌓이지 못하도록 하는 방법 등이 알려져 있다. 특히 공기를 사용하여 막 표면에 십자흐름의 수류(water flow)를 형성시켜 막 오염을 저하시키는 방법은 분리막을 폭기조에 침적시켜 기존의 폭기 장치를 활용하게 될 때 매우 큰 장점을 갖게 된다. 미쯔비시 레이온(Mitsubishi rayon)社이나 지논(Zenon)社의 중공사형 분리막의 경우 중공사막의 양쪽 끝단을 통해 처리수가 모아지는 형태인데 이 경우 중공사막의 양쪽 끝단이 묶여 있게 되어 공기에 의한 중공사막의 움직임이 제한되고 이에 따라 공기에 의한 십자흐름 또는 공급된 공기에 의해 물리적 흔들림을 이용한 분리막 오염현상 저감효과를 얻는 데 한계가 있게 된다.
따라서 본 연구에서는 MBR공정에서 분리막의 오염현상에 의한 막의 폐색이나 오염물들을 제거하기위해 과도한 공기를 사용함으로써 처리비용이 증가하는 문제를 해결하기위해 적은 양의 공기를 사용하여도 막의 오염을 제어할 수 있는 모듈을 개발하고자 하였다. 즉 중공사막의 한쪽 끝단은 기존의 중공사막모듈과 같이 다발로 고정되어 있고 다른 한쪽 말단은 고정되어있지 않는 구조를 가져 공기에 의해 중공사막의 움직임이 자유로워 막 오염을 매우 효과적으로 제어할 수 있고 더불어 모듈에 guard구조를 도입하여 산기에 따른 중공사막의 fouling제거를 극대화시키도록 함으로써 공기사용에 따른 에너지소모량을 최소화시켰다.
MBR공정에 있어서의 두 번째 문제는 공정의 특성상 호기조내의 미생물의 농도를 높게 가져감으로 처리효율과 높이고 시간을 단축시키기 위해 슬러지 인발량을 적게 하게 되는데 이는 다른 한편 슬러지인발을 통해 제거되는 인의 양을 감소시켜 인제거에 취약한 단점이 나타난다는 것이다. 따라서 MBR공정의 개발측면에서는 기존의 생물학적 처리공법과 막분리법을 결합한 MBR 공법이 갖는 인제거 측면에서의 단점을 해결하기 위해 응집 공정과의 조합공정을 선택하여 공정을 최적화 하는 것을 전체 연구 목표로 삼고, 1·2차년도에는 $A_2/O$ MBR 공정을 구성하여 최적운전인자를 도출하는 연구를 수행하였다. 2·3차년도에는 A/O MBR 으로 확대하여 내부순환율 및 목표 인농도를 얻기 위한 최적의 응집제 주입량을 도출하는 연구를 수행하였다. 또한, 응집제 주입에 의한 생물반응조 내 미생물에 미치는 영향을 검토하였으며 최적화 된 응집제 첨가 MBR 공정의 처리수 수질의 재이용 용도에 따른 적합성을 평가하였다.
분리막 오염을 최소화하기 위해 개발된 End-free 모듈의 여과성능을 평가하고, 단위공간당 막면적을 증가시키기 위한 평판형 모듈과의 조합 가능성을 평가하였다. 아울러 분리막 운전에 있어 문제점이 되고 있는 산기관 폐색문제를 해결하고자 새로운 형태의 산기관을 고안하여 평가하는 연구를 수행하였다.
개발된 중공사막모듈과 MBR공정을 평가하기위해 10톤/일 규모와 100톤/일 규모의 파일럿테스트를 계획하였고 이를 통해 장기물성과 최적의 운전조건을 도출하고자 하였다. 더불어 동일한 원수와 동일한 운전조건하에서 개발된 중공사막모듈과 외국제품을 비교실험을 하여 성능에 대한 최종확인을 하였다.

Abstract ▼

The focus of this study is to give solutions overcoming disadvantage of MBR, membrane fouling and the low efficiency of phosphorus removal. First we investigated the mechanism to control the foulants on the membrane by aeration and designed a unique structure of membrane module enabling to maximize

The focus of this study is to give solutions overcoming disadvantage of MBR, membrane fouling and the low efficiency of phosphorus removal. First we investigated the mechanism to control the foulants on the membrane by aeration and designed a unique structure of membrane module enabling to maximize the cleaning effect of the aeration. Second we coupled chemical coagulation unit with MBR process to compensate the poor phosphorous removal. To verify the performance of the module and MBR process we designed and find out the optimum operational parameters, such as recycle ratio and alum dose to obtain phosphorus concentration of effluent below 1 mg/L in A/O MBR, the effect of coagulant on microorganisms in bio-reactors and effluent reusability, we conducted 10 and 100 ton/day-scale pilot test. Filtration performance of End-free module was compared with Zenon' s and Mistubishi' s products under the same condition and proved its superiority. The possibility of combining the end-free module to plate module was investigated also. Lastly, we devised a new diffuser to solve blockage problem and estimated its performance.

목차 Contents

• 최종보고서 제출서 ...1
• 표지 ...2
• 제출문 ...3
• 요약문 ...4
• Summary ...9
• CONTENTS ...13
• 목차 ...20
• 제 1 장 서 론 ...27
• 제1절 연구개발의 배경 및 목적 ...27
• 제2절 연구개발의 필요성 ...29
• 1. 막결합형 생물반응조(MBR) 오수처리공법 개요 ...29
• 2. MBR 공법의 한계 ...31
• 제 2 장 국내 ? 외 기술개발 현황 ...33
• 제1절 국외의 MBR 기술 적용 현황 ...33
• 1. 일본 ...33
• 2. 미국 ...34
• 3. 네덜란드 ...35
• 4. 독일 ...35
• 5. 영국 ...37
• 6. 이탈리아 ...39
• 7. 벨기에 ...39
• 8. 오스트리아 ...39
• 9. 이스라엘 ...39
• 10. 호주 ...40
• 제2절 국내의 MBR 기술 적용 현황 ...41
• 1. 국내 상용화된 MBR 공정 ...42
• 2. MBR 관련 신기술 및 특허 ...46
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ...47
• 제1절 이론적 배경 ...47
• 1. 생물학적 질소제거 ...47
• 가. 질산화 반응 ...47
• 나. 질산화반응의 영향인자 ...47
• (1) 용존산소 ...47
• (2) 온도 ...48
• (3) pH ...49
• (4) BOD5/TKN 비 ...49
• (5) 독성물질에 의한 저해 ...49
• (6) SRT ...49
• 다. 탈질화 반응 ...50
• 라. 탈질화 반응에 영향을 미치는 인자 ...50
• (1) 온도 ...50
• (2) pH ...51
• (3) 용존 산소 농도 ...51
• 2. 질소제거 공정 ...52
• 가. Bardenpho Process ...53
• 나. 산화구법(Oxidation ditch) ...54
• 다. Packed Bed Denitrification Reactor ...55
• 3. 생물학적 인제거 ...55
• 가. 기본원리 ...55
• 나. 생물학적 인제거에 미치는 영향인자 ...57
• (1) 환경조건 ...57
• (2) 설계 및 운전조건 ...57
• 4. 화학적 인제거 ...58
• 가. 금속염 (Al, Fe)첨가법에 의한 화학적인 인 제거 ...59
• 나. Lime 첨가법에 의한 화학적인 인 제거 ...60
• 다. 무기고분자응집제를 이용한 인 제거 ...60
• 라. 혼합응집제 ...60
• (1) 알루미늄-철 응집제 ...61
• (2) 알루미늄-철-실리케이트 응집제 ...61
• 마. 응집제 투입 장치 ...61
• (1) 가변 orifice에 의한 방식 ...61
• (2) 정량펌프 (Metering Pump)에 의한 방식 ...61
• (3) 콘트롤 밸브와 전자유량계 조합에 의한 방식 ...61
• 바. 공정효율의 조사 ...62
• 5. 인 제거 공정 ...62
• 가. SBR (Sequencing Batch Reactor) Process ...62
• 나. A2/O Process ...63
• 다. 5단계 Bardenpho 공정 ...64
• 라. UCT (University of Capetown) Process ...64
• 마. VIP (Virginia Initrative Plant) Process ...65
• 6. MBR 공정의 이론적 배경 ...66
• 가. 개요 ...66
• 나. MBR 적용의 필요성 ...66
• 다. 운전방식에 따른 MBR의 종류 ...67
• 라. MBR 공정의 운전 특성 ...67
• (1) 미생물 특성 변화 ...67
• (2) MBR 공정의 운전 효율 ...68
• (3) 플럭스 ...69
• (4) 슬러지 발생량 ...69
• 마. MBR 공정의 투과 유속에 영향을 미치는 요인 ...70
• (1) 생물학적 인자 ...70
• (2) 수리학적 인자의 영향 ...72
• 바. 세정 ...74
• (1) 물리적 세정 ...74
• (2) 약품세정 ...75
• 제2절 연구 내용 및 결과 ...78
• 1. 침지형 중공사막 모듈 및 SKID 개발 ...78
• 가. 침지형 중공사막 모듈 개발 ...78
• (1) 모듈개발의 Point ...78
• (2) End-free 실험모듈 제작 및 실험 ...79
• (3) End-free 형태에 따른 설계 및 결과 ...82
• 나. 모듈 SKID 개발 ...86
• (1) End-free SKID 개발 ...86
• (2) End-free SKID 개발결과 ...89
• 2. Jar-test를 통한 최적 응집제 주입량 도출 실험 ...93
• 가. 실험방법 ...93
• 나. 분석방법 ...93
• 다. 실험결과 ...93
• 3. 질소.인 동시제거 MBR 공정 ...94
• 가. A2/O MBR ...94
• (1) 실험장치 ...95
• (2) 실험조건 ...97
• (3) 최적반송율 도출 ...97
• (4) 단위공정별 물질 거동 ...102
• 나. 응집제 첨가 A2/O MBR ...105
• (1) 응집제 주입량 ...105
• (2) 처리수 수질 ...105
• (3) 흡입압력의 변화 ...109
• 다. A/O MBR ...110
• (1) 실험장치 ...110
• (2) 실험조건 ...113
• (3) 최적반송율 도출 ...113
• 라. 응집제 첨가 A/O MBR ...116
• (1) 응집제 주입량 ...117
• (2) 운전조건 ...117
• (3) 수질 ...118
• (4) 흡입압력의 변화 ...120
• (5) 응집제 주입에 의한 플록 크기 변화 ...122
• (6) 응집제 투여에 따른 반응조 내 미생물 영향 검토 ...125
• (7) 재이용 용도별 처리수 적합성 및 안전성 평가 ...128
• (8) 평막 조합형 Unit 구성 평가 ...130
• (9) End-free 모듈의 성능 평가 ...132
• (10) 폐색 저감형 산기관 평가 ...141
• 4. MBR공정개발 및 실증플랜트 운전결과 ...148
• 가. MBR공정개발 ...148
• (1) MBR 공정설계 ...148
• (2) MBR 공정개발 ...150
• 나. 실증플랜트 운전 및 평가 ...153
• (1) 실증플랜트장치 ...153
• (2)실증플랜트 운전조건 ...160
• (3) 실험결과 ...163
• 제3절 결론 ...234
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ...239
• 제1절 연구개발목표 달성도 ...239
• 제2절 대외기여도 ...241
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ...242
• 제1절 연구목표 및 내용 ...242
• 제2절 연구성과 현황 ...243
• 제3절 기술이전 및 연구결과 활용계획 ...244
• 1. 당해연도 활용계획 ...244
• 2. 활용방법 ...245
• 제4절 기대효과 ...246
• 1. 환경적 기대효과 ...246
• 2. 기술적 파급효과 ...246
• 3. 경제적 효과 ...246
• 제5절 사업화에 관한 의견 ...246
• 제 6 장 참고문헌 ...247
• 부 록 ...251