바이오파울링은 역삼투막 여과 공정에서 운전 성능을 저해하는 주요 원인이다. 이전 연구들은 분리막 표면에 발생하는 바이오파울링을 제어하기 위해서 화학적 세정제를 주입하는 방법을 주로 사용하였다. 화학적 세정제의 주입은 분리막의 손상뿐만 아니라 이차적으로 수계 오염을 발생시키기 때문에 주입 농도와 운영 방법에 주의가 요구된다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 본 연구에서는 분리막 표면에 생물막 저해제를 고정하여 바이오파울링을 제어하는 연구를 수행하였다. 표면 고정화를 위한 방법으로 Layer-by-layer 기술을 적용하였고, 생물막저해제로 클로르헥시딘과 글루타알데하이드를 사용하였다. 막 표면의 생물막 저해제 고정화는 미생물의 부착 억제 및 사멸로 생물막 형성이 지연되어 운전 성능이 유지되는 효과를 나타냈다.

멤브레인 파울링은 지표수를 처리하는 저압 멤브레인 기술 적용의 확장에 있어 큰 장애가 된다. 따라서 파울링 제어를 위한 주기적인 수리학적 세정기술의 최적화는 매우 중요하다. 주기적인 수리학적 세정과 이와 연관된 파울링 현상에 관한 올바른 이해는 멤브레인 세정 전략을 최적화하기 위해 매우 유용할 수 있다. 실험적으로 측정한 투과도와 전통적인 Hermia 파울링 모델 예측 치의 비교를 통해, 본 연구에서는 합성 탁도유발 시료를 처리하는 가압식 멤브레인 공정에서 30분 여과와 정세정/역세정이 포함된 1분 세정조건을 바탕으로 6번의 운전사이클을 통해 발생하는 파울링 현상을 분석하고 이를 통해 지배적인 파울링 기작을 정량적으로 이해하고자 하였다. 단독 세정에서, 첫 번째 운전사이클에서 발생하는 파울링은 완 전공극막힘 현상에 의해 주로 지배되었고 마지막 운전 사이클에서는 케이크 형성이 지배적인 파울링 기작으로 관찰되었다. 정세정과 역세정이 혼합된 경우, 파울링 속도는 감소하였으나 전반적으로 케이크 형성이 주 파울링 기작으로 관찰되었다.

바이오파울링은 정삼투 공정(FO)에서 비가역성 오염을 야기한다. 바이오파울링 성장과정에서 미생물은 신호전달물질(AHL)의 분비를 통해 의사소통하며, 이를 쿼럼 센싱(QS)이라 한다. 본 연구에서는 Rhodococcus sp. BH4의 용해액에 있는 AHL 분해효소(quorum quencher; QQ)를 이용하여 FO에서의 바이오파울링을 저감하고자 한다. QQ 물질 유무에 따라 P.aeruginosa 종의 막 표면의 바이오필름 성장 및 부착량을 비교한 회분식 실험에서 10mg/L의 QQ 물질이 AHL을 70% 이상 분해함을 확인했다. FO 장치를 이용한 실험실 규모의 연속 실험에서는 10mg/L의 QQ 물질 존재 시 체외 고분자물질(EPS)이 대조군에 비해 80% 이상 감소했다. 위 연구를 통해 QQ가 FO에서 바이오파울링을 저감하는 새로운 방법이 될 수 있음을 확인하였다.

무기실리카 입자로 구성된 고탁도 원수를 처리하는 침지식 정밀여과 운전에서 휴민산과 2가 양이온의 존재유무에 따라 시간에 따른 파울링 저항을 관찰하였다. 공기폭기로 인한 무기실리카 입자의 파울링 감소효과는 휴민산과 칼슘이 혼합 으로 존재 시 감소하였다. 파울링층의 전자현미경 관찰결과 칼슘의 존재 시 휴민산의 무기실리카 입자 표면흡착이 관찰되었 다. 이는 멤브레인 표면에 조밀한 파울링층을 형성시켜 공기폭기 효과를 감소시킨 것으로 판단된다. 용액의 조성에 따른 고탁 도 원수의 탁도 제거율에는 큰 변화가 없었으나 공기폭기량에 따라 칼슘과 무기실리카 입자의 혼합 존재 시 유기물질의 제거 율은 80% 이상으로 증가하였다. 이는 공기폭기 하에 무기실리카 입자 표면에 흡착된 일부 휴민산들이 멤브레인 표면으로부 터 함께 역수송 되어 유기물질 제거율을 증가시킨 것으로 사료된다.

Pressure retarded osmosis (PRO) processes can be implemented on a number of water types, using different technologies and achieving various power outcomes. In this study, Sewage facility effluent was used for feed solution of PRO and synthetic NaCl water for draw solution. This study was conducted to investigate effect of water quality of pretreatment on power density and flux decline in PRO process. The results show that organic and particulate foulants have to be removed for more stable operation. Flourescence technique with EEM enables to investigate the chemical properties of aquatic organic matter by extracting spectral information. Humic/fulvic matters and soluble microbial by-products were analyzed as the most affecting factors on the PRO performance. As a result of analyzing the whole system based on the energy consumption of the unit process, specific energy consumption(SEC) of the applicable technology for PRO pre-treatment should be about 0.2 kWh/m3 or less.

새로운 알루미나 (Al2O3)와 실리카(SiO2)로 이루어진 규산알루미나질 납석광물을 적용하여 세라믹 지지체를 개발하고 수처리 적용가능성을 평가하였다. 납석 세라믹 지지체의 순수투과도는 약 1370 L/m2.hr.bar 였으며 지표수의 탁도 및 유기물의 제거율은 각각 98 %와 75 %였다. 실 하수처리장 MBR의 MLSS를 취수하여 실험한 결과 완벽한 SS 제거효율을 나타내었다. 모듈간격에 따른 납석지 지체 파울링 현상을 관찰한 결과 모듈간격이 증가할수록 파울링은 감소하였으나 일정 모듈간격(3.5 cm)이상인 경우 파울링은 증가하였고 이는 공기 폭기량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었다.

가압형 정삼투(pressure-assisted forward osmosis, PAFO) 공정은 기존의 정삼투(forward osmosis, FO) 공정의 단 점인 낮은 수투과도 및 유도용질의 역확산을 극복하여 전체 공정 효율을 향상시킨다. 하지만 가압에 의한 추가적인 수리학적 압력의 작용은 파울링을 가속화 시킨다는 단점이 있다. 본 연구는 PAFO의 간헐적 운전방법인 간헐적 가압형 정삼투 (Intermittent pressure-assisted forward osmosis, I-PAFO)의 파울링 저감 가능성을 평가하기 위해 수행되었다. 비교를 위해 FO 및 PAFO를 동시에 운전하여, 세 가지 운전에서의 파울링 거동을 관찰하였다. 파울링 실험을 위한 오염물질로 콜로이드 실리 카 입자를 사용하였고, 분리막 및 입자의 정전기적 상호작용 에너지 변화가 파울링 거동에 미치는 영향도 확인하였다. 실험 결과, I-PAFO 운전에서, 용액 pH 변화에 관계없이 가압구간, 압력완화 구간에서 각각 PAFO, FO보다 높은 수투과도를 유지 하였다. 파울링 실험 후, PAFO에 비해 I-PAFO운전에서 더 적은 수투과도 감소가 관찰되었고, 이로 인해 물리세정 후 향상된 수투과도 회복률 또한 관찰되었다.

새롭게 제조된 납석기반 세라믹 멤브레인의 기본성능을 관찰하였다. 실규모 하수처리 membrane bioreactor (MBR) 미생물 고농도 현탁액을(MLSS : 약 6 g/L) 처리하는 납석기반 멤브레인 파울링 현상을 서로 다른 공기 폭기량과 막 간격에 대해 관찰하였다. 공극크기가 약 1.0 μm인 비코팅 납석기반 세라믹 멤브레인 지지체의 순수투과도의 경우 약 1100 L/m2⋅hr⋅bar로 측정되었으나 알루미나로 코팅된 납석기반 세라믹 멤브레인은 공극크기의 감소로(0.3 μm) 순수 투과도는 두 배가량 감소하였다. 실규모 MBR 미생물 현탁액을 적용한 침지식 여과실험에서 납석 기반 세라믹 멤브레인 지지체의 경 우 투과플럭스 20 LMH에서 공기폭기량을 증가시켰을 때 파울링은 감소하였다. 그러나 공기폭기가 파울링에 미치는 영향은 막간 간격에 상당히 의존하였다. 일정한 공기폭기 유량에서 막간간격의 증가는 파울링을 감소시켰으나 막간 간격을 3.5에서 5.4 cm로 증가시켰을 때 파울링 속도는 오히려 증가하였다. 알루미나 용액으로 표면코팅된 납석기반 지지체의 경우 유사한 결과가 관찰되었으나 파울링 속도는 코팅층이 없는 지지체에 비해 상대적으로 낮았다. 표면코팅에 상관없이 납석기반 지지체 와 멤브레인의 경우 거의 완벽한 SS 제거효율을 나타내었다. 또한 납석 지지체 알루미나 표면코팅은 PEG (분자량 8,000 kDa)을 적용하였을 시 멤브레인의 유기물 배제율을 향상시켰다.

고염도 용액에서 sodium alginate 파울링을 가압식 전량여과 조건에서 관찰하였다. NaCl 및 CaCl2를 이용하여 이온 강도를 0.6 M로 제조한 용액에 sodium alginate를 2, 20 그리고 50 mg/L 투여한 후 공극크기 0.1 μm의 친수 성 PVDF 멤브레인을 통해 0.2 bar의 정압 조건에서 여과하였다. Na 혹은 Ca에 의한 이온강도가 높은 경우 파울링은 감소하였으나, Na와 Ca가 모두 존재하는 경우 여과 초기 파울링이 급격히 증가하는 경향을 나타내으며, 이온 강도가 높 은 경우 sodium alginate 농도에 따른 파울링속도에는 큰 차이가 없었다.

Single-staged anaerobic fluidized ceramic membrane bioreactor (AFCMBR) was operated at 25oC for the treatment of low-strength synthetic wastewater with chemical oxygen demand averaging 260 mg/L. Tubular ceramic membrane consisting of aluminun dioxide (Al2O3) with 0.5 μm pore size was used. Overall COD removal was achieved as 87-95% with effluent COD concentration of 15-30 mg/L at hydraulic retention time (HRT) ranging from 1 to 3 hr depending upon permeate flux. Maintenance cleaning with NaOCl solution improved GAC scouring to reduce biofouling effectively, which allowed TMP less than 0.15 bar at 20 L/m2.hr. Energy required to operate the AFCMBR was reduced to 0.038 Kwh/m3 at 17 L/m2.hr, which was about 17% of the electrical energy converted by methane produced by AFCMBR.

Biofouling is about of how marine organisms attach to marine substrata at different length and time scales. Anti-fouling is the process of removing the accumulation, or preventing their accumulation. Recently, many research groups in the world try to invent an anti-fouling agent via biomimicking processes. Naturally occurred antifouling materials and processes (i.e. calcareous algae that cause barren ground phenomenon, and periostracum of bivalves ) give us some insights to design novel anti-fouling agent via biomimicking. Here, I will present bio-inspired and environmentally friendly anti-fouling agents based on understanding marine fouling mechanisms.

저압 침지식 멤브레인을 이용한 해수 담수화 전처리에 있어서 유기 파울링은 막간 압력 증가로 인한 화학 세정 횟 수의 증가 및 에너지 소비 증가 등 멤브레인 운전시 문제점들을 야기한다. 조류대응 해수전처리에서 조류가 배출하는 extracellular polymeric substances의 대표물질인 sodium alginate를 이용하여 침지식 여과에서 파울링 현상을 관찰하였다. 공기 폭기가 적용되지 않은 경우 순수한 aglinate 파울링은 농도가 증가하면서 증가하였다. 그러나 공기 폭기를 적용해 준 경우 alginate 파울링 감소는 매우 효과적이었다. 공기 폭기가 없는 경우 칼슘 농도의 증가에 따라 alginate 파울링은 감소하였다. 동 일 조건에서 공기 폭기 시 높은 alginate 파울링 감소효과를 나타내었으나 NaCl 농도를 증가시킨 경우 칼슘 농도의 증가에 따 라 파울링 제어를 위한 공기 폭기 효과는 감소하였다. 해수와 유사한 높은 NaCl과 칼슘 농도에서 고농도 sodium alginate의 경우 공기 폭기량 증가를 통해 초기 파울링을 감소시킬 수 있었으나 시간의 경과에 따라 상대적으로 낮은 폭기량에서의 파울 링 감소 효과와 큰 차이는 없었다.

Temperature correction trans-membrane pressure (TC-TMP) is frequently used as a fouling index in membrane water treatment plants. TC-TMP equation is derived based on an assumption that the total membrane resistance (i.e. the sum of the intrinsic membrane resistance and fouling resistance) is not affected by temperature. This work verified the validity of this assumption using microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes with and without fouling. The foulants used in the work were kaolin (inorganic) and humic acid (organic). The intrinsic resistances of MF and UF membranes remains at constant values regardless of temperature change. When the same amount of foulants were accumulated on the membrane, inorganic fouling resistance with kaolin was constant regardless of temperature change while organic fouling resistance with humic acid decreased at higher temperatures, which means that TC-TMP cannot be used as a fouling index when organic fouling occurs in a real field application. Since TC-TMP underestimates the amount of fouling at higher temperatures, more attention should be necessary in the operation of membrane water treatment plant in a hotter season like summer.

고분자 PVDF 중공사막과 알루미나 평관형 정밀여과막의 침지식 여과에서 Sodium Alginate 파울링 거동을 관찰하였다. 공기폭기 없이 SA농도 (0.1 g/L)와 투과플럭스 (30 L/m²/hr)에서 PVDF막의 파울링 속도가 세라믹막 보다 높았다. SA 파울링 속도는 NaCl와 CaCl2 첨가 이온강도에서 더욱 높게 관찰되었다. 공기폭기를 적용 시 SA 파울링은 감소하였으나 동일한 공기유량에서 중공사막의 경우 세라믹막에 비해 감소효과는 더욱 높았다.

다공성 지지체인 Polyvinylidene flouride(PVDF) 중공사막에 가압법을 이용하여 수용성 고분자인 Poly(styrene sulfonic acid) (PSSA)와 Polyethyleneimine (PEI)으로 강제 파울링 유도시켜 나노여과막을 제조하였다. 가압법과 담금법의 차이 및 코팅용액의 농도, 코팅시간, 가교제의 영향에 대하여 알아보기 위하여 NaCl 100 ppm 에서 투과도와 제거율을 측정하였다. 측정결과 PSSA 2%에 이온세기 0.3으로 2분 코팅한 다음 PEI 3wt%에 이온세기 0.1으로 1분 코팅한 경우가 투과도 118 LMH, 제거율 79.1%로 가장 좋은 결과를 나타내었다.

저농도 합성폐수를 처리하는 membrane bioreactor (MBR) 시스템에서 공기폭기와 PET (polyethertaraphtalate) 입상메디아 혼합사용이 멤브레인 파울링과 처리효율에 미치는 영향을 관찰하였다. 일정한 공기폭기유량과 투과플럭스로 실험한 결과, PET 메디아를 첨가 시 메디아를 첨가하지 않은 경우보다 낮은 파울링 속도가 관찰되었다. MBR 반응기에서 입상 메디아에 의한 파울링 감소효과는 중공사막 모듈에 비해 평막 모듈이 더욱 효과적이었다. 공기폭기와 함께 멤브레인 표면을 따라 움직이는 입상 메디아의 접근성과 접촉성이 중공사막보다 효과적이었던 것으로 사료된다. MBR 적용에 있어 PET 메디아의 적용은 메디아를 적용하지 않았을 때와 비교 시 MBR 처리효율에 큰 영향을 주지 않았다.

Pressure retarded osmosis (PRO) process is one of membrane processes for harvesting renewable energy by using salinity difference between feed and draw solutions. Power is generated by permeation flux multiplied by hydraulic pressure in draw side. Membrane fouling phenomena in PRO process is presumed to be less sever, but it is inevitable. Membrane fouling in PRO process decreases water permeation through membrane, resulting in significant power production decline. This study intended to investigate the effect of hydraulic pressure in PRO process on alginate induced organic fouling as high and low hydraulic pressures (6.5 bar and 12 bar) were applied for 24 h under the same initial water flux. In addition, organic fouling in draw side from the presence of foulant (sodium alginate) in draw solution was examined. As major results, hydraulic pressure was found to be not a significant factor affecting in PRO organic fouling as long as the same initial water flux is maintained, inidicating that operating PRO process with high hydraulic pressure for efficient energy harvesting will not cause severe organic fouling. In addition, flux decline was negligible from the presence of organic foulant in draw side.

소수성의 폴리에틸렌 다공성막 표면에 오염물질이 흡착됨으로써 발생되는 파울링 현상으로 인한 투과도 감소 문 제를 해결하고자 함산소불소화법을 이용하여 막 표면을 친수화 하였다. 함산소불소화 처리 후 접촉각은 93°에서 50°까지 감 소하였고, 수투과량은 60% 이상 증가하였다. 또한, 모델오염물질 Albumin (form bovine serum, BSA), Humic acid sodium salt (HA), Alginic acid sodium salt (SA) 100 ppm의 수용액을 이용하여 투과도 평가 실험을 수행한 결과 막이 친수화 됨에 따라 오염물질이 흡착되는 정도가 감소하여 투과도가 향상된 것을 확인할 수 있었으며, 특히 SA에 대해서는 파울링 개선효 과가 크게 나타나 처리하지 않은 PE막에 비해 투과도가 두 배 이상 향상된 값을 나타내었다.

폴리아마이드 역삼투막 표면에 음이온 수용성 고분자인 poly(vinyl amine)(PVAm)을 코팅한 후 오염물질인 bovine serum albumin (BSA), humic acid (HA), sodium alginate (SA)에 대하여 파울링 개선효과가 있는지를 알아보고자 하였다. PVAm의 코팅과 파울링 여부는 scanning electron microscopy (SEM)을 통해 관찰하였다. BSA, HA, SA 100 ppm 공급원액을 이용하여 2, 4, 8 bar로 압력을 변화시켜 투과성능실험을 수행한 결과 PVAm으로 코팅되지 않은 막과 코팅된 막 모두 압력증가에 따라 파울링 현상이 심화되었으나 PVAm으로 코팅된 막이 BSA, HA, SA의 경우 모두에서 약 30%이상 투과도가 향상되어 파울링 개선효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. HA > SA > BSA의 순으로 파울링 개선효과가 나타났으며 HA의 경우 가장 두드러지게 나타났다.