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 90 cm2, 공칭 세공크기가 0.4 μm인 평막이다. 입자 농도가 증가할수록 TMP가 감소하였으며 FR 모드, 입자 농도 2%일 때 가장 효과적 인 것으로 확인되었다.

(주)에코니티에서 개발한 자유말단형 분리막모듈(End-Free type)은 기존 분리 막 모듈과는 달리 고농도의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids) 에서도 지속적인 운전이 가능하며, 그 외 다양한 현장 문제 발생 시에서도 쉽게 대응이 가능하여 안정적으로 운영이 가능한 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 (주)에코니티 자유말단형 분리막의 MBR(Membrane Bioreactor) 장기 운전 성능을 평가하였다. 운영을 하는 동안 발생하는 이벤트에 대한 해결 방안을 확인하면서 최적의 운전조건을 검토하였다. 또한 하수처리수가 재이용으로 적용되는 시스템에서 MBR 처리수가 역삼투 멤브레인의 원수로 공급되는 만큼 안정적이며 양호한 수질이 생성되는지 지속적으로 검토하였다.

평관형 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 실험실 규모의 단독 혐기성 유동상 멤브레인 생물반응기에서 알루미나 세라믹막과 비흡착성 PET구형입자를 유동메디아로 적용하여 평균 유입 COD 250 mg/L를 포함하는 합성폐수를 적용하여 상온에서 유기물 제거효율과 파울링 현상을 관찰하였다. 약 250일 연속운전에서 약 10 L/m2.hr 투과플럭스가 달성되었다. 운전기간 동안 약 80% COD 제 거율을 나타내었고 0.075 kWh/m3 운전에너지가 요구되었고 이는 생산되는 메탄발생 전기에너지의 약 30%에 해당되었다. 실험결과는 GAC를 유동메디아로 사용한 동일 반응기의 결과와 비교분석하였다.

탄화규소(Silicon Carbide, SiC) 세라믹 멤브레인은 알루미나 원료의 세라믹 멤브레인보다 높은 친수성을 나타내어 동일한 압력 하에 높은 수투과도 유지가 가 능하다. 이러한 탄화규소 세라믹 멤브레인을 혐기성 생물막 반응조(Anaerobic Membrane Bioreactor, AnMBR)에 설치하여 고농도의 생물반응조 운전에도 불구하고 낮고 안정된 운전압력을 유지할 수 있었으며, 막오염 현상의 획기적인 저감이 가능하였다. 본 연구에서는 도시하수와 음폐수를 혼합 처리함에 있어서 탄화규소 세라믹 멤브레인을 적용한 AnMBR의 운전결과를 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 경우와 비교 평가하였다.

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.

Recently EC-MBR (Elctrocoagulation - Membrane Bio Reactor) has been suggested as one of alternative processes to overcome membrane fouling problems. Most important operational parameters in the EC-MBR are known to current density and contact time. Their effect on membrane filtration performances has been reported well, however, quantitative interrelationship between both parameters not been investigated yet. The purpose of this study is to give a kinetic model suggesting the current density and the contact time required to reduce the membrane fouling. The 4 different set of current densities (2.5, 6, 12 and 24 A/m2) and contact times (0, 2, 6 and 12 hr) were selected as operational parameters. After each electro-coagulation under the 16 different conditions, a series of membrane filtration was carried out. The membrane fouling decreased as the current density and contact time increased, Total fouling resistances under different conditions, Rt(=Rc+Rf) were calculated and compared to those of the controls (R0), which were calculated from the data of experiments without electro-coagulation. A kinetic approach for the fouling reduction rate (Rt / R0) was carried out and the equation ρi0.46t=7.0 was obtained, which means that the product of current density and the contact time needed to reduce the fouling in certain amounts (in this study, 10% of fouling reduction) is always constant.

MBR(membrane bioreactor)공정에서 막 오염이 진행되면 막간차압압력(TMP, transmembrane pressure)가 증가한다. 일반적으로는 막분리 공정에서 운전/휴지(F/R, Filtration/Relaxation) 방식을 적용하여 TMP의 증가를 억제하고 있다. 본 연구에서는 활성 슬러지 용액과 밀도가 유사한 구형 비드를 제작하여 MBR 하부에서 산기되는 공기와 함께 자연적으로 순환되도록 하였다. 그리고 이러한 장치의 운전에 따른 막간차압압력의 변화를 운전/휴지 방식 및 사인파형 연속 투과운전(SFCO, Sinusoidal Filtration Continuous Operation)방식을 이용하여 확인하고자 하였다.

지난 2011년부터 수처리용 멤브레인 개발을 진행하던 롯데케미칼은 침지식 PVDF 중공사 멤브레인을 기반으로 MBR을 포함하는 수처리 시장에 진출하기 위하여, 2015년 2월 삼성 SDI의 관련 기술 및 연구장비, 파일럿을 인수하여 기술개발과 실적확보를 위한 연구를 지속적으로 수행하였다. 롯데케미칼의 침지식 멤브레인은 평균 기공크기가 30 nm의 한외여과막으로서 고강도 멤브레인과 저에너지형 멤브레인의 두 종류로 구성되어 있다. 특히, 저에너지형 멤브레인은 고강도 대비 30%의 fiber 무게를 감소시킴으로서 적은 세정용 공기 소비량에서도 세정효율을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 내경의 단면적을 약 90% 정도 향상시켜 중공사막 내부의 유체저항을 최소화시켰다.

A membrane bioreactor by sequentially alternating the inflow and by applying a two-stage coagulation control based on pre-coagulation was evaluated in terms of phosphorus removal efficiency and cost-savings. The MBR consisted of two identical alternative reaction tanks, followed by aerobic, anoxic and membrane tanks, where the wastewater and the internal return sludge alternatively flowed into each alternative reaction tank at every 2 hours. In the batch-operated alternative reaction tank, the initial concentration of nitrate rapidly decreased from 2.3 to 0.4 mg/L for only 20 minutes after stopping the inflow, followed by substantial release of phosphorus up to 4 mg/L under anaerobic condition. Jar test showed that the minimum alum doses to reduce the initial PO4-P below 0.2 mg/L were 2 and 9 mol-Al/mol-P in the wastewater and the activated sludge from the membrane tank, respectively. It implies that a pre-coagulation in influent is more cost-efficient for phosphorus removal than the coagulation in the bioreactor. On the result of NUR test, there were little difference in terms of denitrification rate and contents of readily biodegradable COD between raw wastewater and pre-coagulated wastewater. When adding alum into the aerobic tank, alum doses above 26 mg/L as Al2O3 caused inhibitory effects on ammonia oxidation. Using the two-stage coagulation control based on pre-coagulation, the P concentration in the MBR effluent was kept below 0.2 mg/L with the alum of 2.7 mg/L as Al2O3, which was much lower than 5.1∼7.4 mg/L as Al2O3 required for typical wastewater treatment plants. During the long-term operation of MBR, there was no change of the TMP increase rate before and after alum addition.

A membrane module including grid was designed and introduced to MBR (membrane bio-reactor) for the purpose of better control of membrane fouling. It could be anticipated that the grid enhances the shear force of fluid-air mixture into the membrane surface by even-distributing the fluid-air to the membrane module. As MLSS concentration, packing density which is expressed in the ratio of the housing and the cross-sectional area of membrane fibers (Am/At) and air-flow rate were changed, membrane foulings were checked by monitoring fouling resistances. The total fouling resistance (Rc+Rf) without grid installation (i.e., control) was 2.13×1012 m-1 , whereas it was reduced to 1.69×1012 m-1 after the grid was installed. Regardless of the grid installation, the Rc+Rf increased as the packing density increased from 0.09 to 0.28, however, the increment of resistance for the grid installation was less than that of the control. Increase in the air flow rate did not always guarantee the reduction of fouling resistance, indicating that the higher air flow rate can partially de-flocculate the activated sludge flocs, which led to severer membrane fouling. Consequently, installation of grids inside the housing have brought a beneficial effect on membrane fouling and optimum air flow rate is important to keep the membrane lowering fouling.

하수처리장 반송슬러지를 채취하여 안정시킨 후 중공사막 모듈을 침지시키고 운전시간에 따른 막간차압(TMP)를 막 오염의 정도로 측정하였다. 사용한 분리막은 공칭 세공크기 0.4㎛인 P사의 중공사막이며 유효 막면적이 약 0.01m2 되도록 실험실적으로 모듈을 제작하였다. 기존 MBR공정에서 사용하는 운전 및 휴지 (F/R)방식과 동시에 자체적으로 개발한 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO)방법을 적용하였다. 운전변수으로는 Aeration 을 0, 100, 300 및 500 cc/min으로 변화시키면서 각 조건에 대한 막 오염 정도를 측정하였다.

MBR공정에서 물리적 세정방법인 공기폭기(Aeration)는 장기간 막성능을 유지시키기 위한 주요 핵심 방법으로, 기존의 연구들은 산기관의 성능을 극대화시켜 공기세정을 최적화시키려 하였다. 분리막의 효율적인 슬러지 탈리를 위해 폭기위 치⋅시간⋅균일 배출성 및 데드존(Dead Zone) 감소 등에 대한 다양한 연구들이 진행되어 왔으나, 이를 통한 더 이상의 성능향상은 기대하기 어려운 상황이다. 본 연구에서는 기존의 분리막 모듈을 개량하여 공기폭기의 효과를 극대화 하는 연구를 진행하였다. 선행연구로 진행된 Lab-scale실험을 기반으로, Pilot-scale 장치를 세팅하여 장기평가 및 분석 등을 진행하였다. 동일 site에서 개량모듈한 것과 그렇지 아니한 것에 대하여 비교분석하였다.

현재, 하수처리분야에서 MBR 공정은 대부분 침지식 분리막에 의존하고 있다. 하지만, 실제 적용현장에서는 유지관리 및 막오염 제어의 어려움 그리고 낮은 처리 flux로 인해 대안이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 침지식 MBR의 문제점을 보완하고자 가압식 분리막을 이용한 85m3/일 규모의 MBR 공정을 구성하여 운전 특성을 고찰하였다. 슬러지 원천감량 기술을 결합한 가압식 MBR공정은 분리막 내부로 MLSS와 공기를 동시에 주입함으로써 40~50 LMH의 높은 여과 성능을 나타냈을 뿐 아니라 약 60%의 잉여슬러지 감량효과도 보여 주었다.

기존의 혐기성 MBR 기술의 파울링 제어방식은 높은 에너지가 요구되어 저에너지 파울링 감소기술의 개발이 필요하다. 혐기성 유동상 MBR 기술은 혐기성 유동상 생물학적 반응기와 침지식 멤브레인 기술이 조합된 기술로서 에너지원인 바이오가스의 파울링 제어를 위한 사용 없이 반응기 내부 벌크용액의 순환 하에 유동메디아를 유동시켜 파울링을 감소시키는 기술이다. 본 연구에서는 혐기성 유동상 MBR 기술의 최적화를 위해 유동메디아 기계세정의 이해와 에너지 저감방안에 대한 연구들과 향후 연구방향을 제시하고자 한다.

혐기성 MBR은 에너지 소비가 높은 기존 호기성 처리를 대체할 수 있는 에너지 중립형 기술로서 최근 하폐수 처리의 차세대 기술로 주목받고 있다. 혐기성 MBR은 다양한 장점을 가지고 있지만, 분리막 파울링은 해결해야하는 과제이다. 따라서 본 연구에서는 막 파울링 억제를 위하여 섬유볼 미디어와 회전판을 이 용하여 혐기성 MBR의 막 파울링을 제어하였다. 혐기성 MBR을 이용하여 저농 도의 유기물 부하 조건에서 안정적인 처리수질을 보였으며, 유기물 부하가 높을 수록 높은 메탄가스 생산량을 보였다. 이를 토대로 혐기성 MBR의 적용에 효율적일 것으로 보이는 고농도 폐수의 처리 가능성 확인하기 위하여 음폐수를 대상으로 혐기성 MBR의 처리 특성을 살펴보고 고효율 혐기성 MBR 기술의 에너지 자립의 가능성을 평가하였다.

납석광물(Al2Si4O10(OH)2)은 알루미나, 실리카 등으로 조성된 비금속광물로 국내 매장량이 풍부하고 매장상태가 양호하여 산업원료소재로서 가치가 높다. 비금속광물 중 전라남도 A 광산에서 생산되는 납석은 세계 납석가격의 표준이 될 정도로 높은 품질을 보유하고 있으나, 분체기술력의 부족으로 원료만 수출하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 납석 세라믹 분리막 지지체 표면에 알루미나 코팅액을 사용하여 0.3μm의 기공크기를 가진 세라믹 분리막을 개발하였다. 또한, 혐기성 분리막 생물반응조 운전을 통해 세라믹 분리막의 여과 성능을 평가하였으며, 바이오 메탄가스 발생량 측정과 체류시간 변화에 따른 슬러지의 물리화학적 특성변화 조사를 통해 분리막 파울링의 원인을 규명하고자 하였다.

수처리용 분리막 시스템의 경우, 생물막 형성됨에 따라 분리막의 효율성이 저해된다. 이러한 문제를 완화 시키고자 생물막 형성을 방해하는 정족수 감지 억제 기술이 연구 되고 있다. 본 연구에서는 미생물의 내생기작과 외생기작을 각각 적용하여 생물막 저감 효과를 한 줄로 구성된 중공사막 모듈과 다발형 모듈에서 비교하였다. 그 결과 한 줄로 구성된 모듈에서는 내생기작과 외생기작이 미생물 생성 억제 성능에 큰 차이가 없었지만, 다발형 모듈에서는 외생 기작이 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 다발형 모듈로 구성된 실제 중공사 수처 리 시스템에서는 외생 기작을 가진 정족수 감지 억제 미생물을 사용하여 분리 막 표면에 생기는 생물막을 저감하는 것이 내생 기작을 가진 미생물을 적용하는 것 보다 효율적인 것으로 보여진다.

Membrane bioreactors (MBRs) employ a process of biological treatment that is based on a membrane that has the advantages of producing high-quality treated water and possessing a compact footprint. However, despite these advantages, the occurrence of “fouling” during the operation of these reactors causes the difficulty of maintenance.Hence, in this study, three physical cleaning methods, namely, backwashing, air scrubbing, and mechanical cleaning ball was performed to identify optimum operating conditions through laboratory scale experiments, and apply them in a pilot plant. Further, the existing MBR process was compared with these methods, and the field applicability of a combination of these physical cleaning methods was investigated.Consequently, MCB, direct control of cake fouling on the membrane surface was found to be the most effective. Moreover, as a result of operating with combination of the physical cleaning process in a pilot plant, the TMP increasing rate was found to be – 0.00007 MPa/day, which was 185% higher than that obtained using the existing MBR process. Therefore, assuming fouling only by cake filtration, about one year of operation without chemical cleaning is considered to be feasible through the optimization of the physical cleaning methods.

This study compares characteristic of membrane fouling in MBR-RO systems. In lab. scale MBRs test, MBRs were operated at different Flux(10, 20, 30 & 40 LMH) and temperature(10, 15, 20, 25 & 30°C). The results show that MBR permeate was measured lower amounts of organic substances in Higher flux and lower temperature and led to lower RO fouling rates. The main cause was that due to cake fouling formed on membrane surfaces in MBRs. Under both cases, Cake layer of membrane surfaces formed in MBRs removed RO fouling factors, polysaccharide and protein, because of cake layer attached on membrane surfaces greater amounts of organic substances. This study implies that optimization of MBR with operating conditions is a crucial strategy to RO membrane fouling control.

하수처리장 반송슬러지를 채취한여 안정시킨 후 같은 평막 모듈 2개를 침지 시키고 각각의 막에 기존 MBR 공정인 FR (Filtration/Relaxation) 운전방식 및 연속운전을 적용시켜 막에 손상이 가지않을 정도의 압력에 도달할 때까지 운전 하였다. 이후 여러 가지 물리적 세척방법을 적용하여 막을 세척하는 실험을 반복하여 각 세척법에 대한 가역오염 기울기를 측정하였다. 또한 막에 대한 임계 투과유속을 측정하여 실험에 어떠한 영향을 끼치는지 확인하였다. 실험에 사용한 막은 P사의 평막이며 공칭세공크기 0.4 μm이며 막 면적은 약 0.02 m2이다.