일반적인 MBR공법의 경우 허용한계 이상의 고농도 MLSS에서 운영되면 막오염이 급격히 발생된다. 이는 슬러지 케익 축적이 원인이며 이로 인해 분리막 회복을 위한 빈번한 세정이 적용되어야 하고 그 결과 운영비 증가 및 분리막 수 명이 단축된다. 본 연구에서는 (주)에코니티의 자유말단형(End-Free) 분리막을 이용한 MBR 시스템 운전을 진행하였다. 분리막 모듈의 구조적인 특성으로 슬러지가 쉽게 탈리되어 케익의 축적이 발생하지 않아 고농도 MLSS에서도 적용가능함을 확인 하였다. 이에 따라 운전 플럭스를 상향시킬 수 있었고 장기 운전을 통하여 막여과 시스템의 안정운영을 평가하였다.

공기를 이용한 분리막 세정은 MBR공정에서 fouling 억제 및 장기간 성능을 유지시키는 주요 핵심 방법이다. 기존의 MBR은 공기의 부상하는 힘을 이용한 방식으로 적은 동력을 이용하지만 주변환경, 유체흐름 및 원수성상 등으로 다양한 문제가 예기치 못하게 발생한다. 이를 개선하기 위하여 본사에서는 간헐적으로 가압 공기를 이용하여 fouling 억제 및 플럭스의 안정화를 이루는 i-MBR 모듈을 개발하였다. i-MBR 모듈에 들어가는 산기관을 개량하여 공기에 의한 파울링 억제 효과를 최대한 높이는 연구를 진행하였다. 산기관과 air의 상관관계를 진행하고, 이를 기반으로 pilot-scale 장치를 세팅하여 flux recovery 및 내구성 등을 비교분석하 였다.

분리막조 전단 침전조 하부에 경사판을 설치하고, 분리조의 활성슬러지는 막 모듈 하부의 공기에 의한 유동에너지를 이용하여 경사판 침전조와 분리조의 상부 위어를 통하여 이동할 수 있게 하였다. 분리조에 TORAY사의 침지식평막 (MEMBRAYTM)을 50 m3/일 규모로 설치하고, 20.4 LMH의 플럭스로 운전하였다. 경사판을 설치하지 않은 경우, 분리조의 MLSS가 침전조 보다 1,800 mg/L 높았 고, 경사판을 설치한 결과, 분리조의 MLSS 농도가 침전조 보다 1,300 mg/L 높 아 경사판이 분리조의 MLSS 농도를 저감하였다. 또한, 침전조와 분리막조의 유 로구간인 위어의 높이를 20, 30 및 40 cm로 증가시킬수록 MLSS의 이동이 보다 증가하여 막분리조의 MLSS 농도를 낮출 수 있었다.

급격한 산업화 및 인구증가로 물부족 문제가 가속화됨에 따라 최근 수처리 공정은 방류수 수질기준을 준수하여 방류하는 단순한 수준을 넘어서 보다 엄격한 수질을 만족시켜야하는 방향으로 발전하고 있는 추세이다. 이러한 노력의 일환으로 많은 하⋅폐수 처리장에서 생물학적 처리와 멤브레 인이 결합된 MBR 공정을 적용하고 있으나, 적용 현장별 특징을 충분히 반영하지 못한 설계로 MBR 공정의 우수한 처리성능을 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다. 이에, 본 연구에서는 산업단지 내에 설치되는 폐수처리시설의 입지여건과 특성을 반영하여 저유량 및 수질의 불균질화 문제를 해결하기 위한 설계사례 등 을 제시하고자 하였다.

본 연구에서는 사인파형 투과유속 운전방식을 중공사형 분리막에 적용하여 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측 정하였다. 유효 막면적이 100 cm2이고 공칭 세공크기가 0.45 μm인 중공사막 모듈을 MLSS 5,000 mg/L 활성슬러지 용액으로 투과 실험하였다. 연속적인 단계별 투과유속 변화법으로 임계 투과유속을 측정하였으며 그 값은 26.6 L/m2⋅hr이었다. 여과 운전/정지이완(FR), 정지이완시 역세척(FR/BW) 및 사인파형 투과유속 연속운전(SFCO) 방식에 따른 TMP를 측정하였다. 임 계 투과유속보다 낮은 15, 20 및 25 L/m2⋅hr에서는 SFCO 운전방식이 FR 및 FR/BW에 비하여 효과적이었다. 그러나 임계 투과유속 이상에서는 FR/BW 운전방식이 SFCO보다 효과적으로 막오염을 제어할 수 있음을 확인하였다.

고농도의 MBR처리공정에서 물리적 세정방법인 공기폭기(Aeration)는 장기간 막성능을 유지시키는기 위한 주요 방법으로, 기존의 연구들은 산기관의 성능을 극대화시켜 공기세정을 최적화시키는 연구를 주로 하였다. 효율적인 슬러지 탈리를 위해 폭기위치⋅시간⋅균일 배출성 및 데드존(Dead Zone) 감소 등 다양한 연구들이 진행되어 왔으며, 이를 통한 더 이상의 성능향상은 기대하기 어려운 상황이다. 산기관 최적화 이외에 막성능을 장기간 유지하기 위해서는 막모듈 전체에 공기에 의한 슬러지 탈리가 일어나야 하며, 이는 모듈의 구조적인 문제를 개선함으로써 해결책을 찾을 수 있다. 본 연구에서는 기존의 분리막 모듈과 구조가 변경된 모듈의 오염(fouling)에 따른 분리막 성능을 비교하고자 한다.

분리막 생물반응조내에 정밀여과용 중공사막을 침지시키고 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측정하여 막 오염 저감효과를 확인하였다. 사용한 분리막은 유효단면적이 0.01m²이고 공칭세공크기가 0.45μm인 중공사막이었다. 운전방식은 기존 운전/휴지(F/R)방식과 연속적으로 처리수를 생산할 수 있도록 개발한 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO)방법을 적용하였다. SFCO운전방법이 기존의 F/R방식보다 투과유속이 낮을 경우 매우 효과적임을 확인하였다.

MBR 공법의 처리수 중의 총인을 흡착하는 탈인장치를 50m³/일 규모로 운영하였다. 탈인장치는 Ф1m x 2.5mH(2mEH)로 원통형 구조이며, 내부에 모래 및 흡착제가 0.7m³ 및 0.3m³ 충진되었다. MBR 처리수는 탈인장치 하부에서 상부로 이동하면서 총인이 흡착되고, 모래와 흡착제는 중심부의 원형관을 통하여 상부로 이송되고, 재생용액인 ClO2/Ca(OH)2에 의하여 재생된 후 상부로 재 보충된다. MBR 처리수의 총인은 1.0~1.8mg/L였으며, 탈인 장치 처리수 중의 총인은 0.4~0.8mg/L로 나타났다. 흡착제 재생시 발생한 세척수는 약 4% 이내로 운영되었다.

30 LMH의 정유량 플럭스로 운전하는 MBR에서, 휴지 및 역세정에 따른 한외여과 분리막의 오염을 조사하였다. 또한, 연속적인 공기세정과 비교하여 분리막 여과저항을 최소화하기 위한 간헐적인 공기세정을 평가하였다. 여과 조건은 14.5분 여과와 0.5분의 휴지를 유지하였으며, 역세정 시간은 휴지 시간과 동일하게 운전하였다. 공기세정이 정지하는 동안에 분리막 표면의 겔층 위에 케잌이 빠르게 축척되었으며, 역세정으로 겔층과 케잌층의 복합층은 쉽게 제거되었다. 역세정 후에 공기세정이 정지하는 동안 분리막 표면에 케잌이 형성되어 공경 내부의 오염현상을 억제하였다. Pearson 상관성을 조사한 결과, 간헐적인 공기세정에서 공기 세정이 정지하는 시간과 분리막의 오염은 매우 연관성이 높다는 것을 알았다. 즉, 간헐적인 세정에서 공기세정이 정지하는 시간이 갈수록 오염억제에 효과적이었다.

탈기/무산소조, 삼중반응조, 경사판침전조, 막분리조에서 경사판침전조에서 탈기/무산소조로 1Q의 내부반송과 삼중반응조로 0.3~0.5Q의 30분 마다 교대반송을 하였다. 교대반송시 NaOH를 주입하여 탈질원을 제공하였다. TN 유입 농도는 30.1mg/L에서 4.7mg/L로 제거되었으며, 처리수의 NH3-N의 평균농도는 0.5mg/L로 처리되어 대부분 질산화가 이루어졌다. NO3-N은 2.1mg/L로 무산소/탈기, 삼중반응조 및 침전조가 모두 하부로 연결되어 무산소조의 역할이 크게 증가하여 나타난 것으로 판단된다. NaOH(2,000mg/L)를 34mL/min으로 주입한 결과 반송수 상징액의 CODMn 농도는 24.7(19.9~31.0)mg/L로 탈질원이 형성되었음을 알 수 있었다.

탈기/무산소조, 삼중반응조, 경사판침전조, 막분리조에서 2, 3단계에 침전조 하부에 경사판을 설치하였고, 위어의 높이를 증가시켰다. 1단계에서 침전조와 막분리조의 MLSS 차이는 1,800mg/L 정도이며, 2, 3단계에서는 1,300mg/L로 막분리조의 MLSS 농도가 낮아졌다. 경사판침전조에서 막분리조로 이송되는 위어의 단면적이 증가함에 따라 유속이 느려지고, 막분리조로 이동하는 유속인 ULd과의 합이 낮아져 유량이 감소하는 것을 알 수 있다. 위어의 높이를 증가시키거나 단면적을 증가시키면 막분리조의 MLSS의 농축을 낮출 수 있고 경사판침전조의 MLSS 농도를 고농도로 유지 할 수 있어 분리막의 오염을 낮출 수 있다. 처리수의 H3-N의 평균농도는 0.5mg/L로 처리되어 대부분 질산화가 이루어졌다.

분리막 생물반응조내 침지형 평막(공칭공경 0.15 ㎛, CPVC)을 사용하여 운전방식에 따른 막 오염 저감효과를 알아보았다. 또한 SMP, EPS와 같은 입자성 물질을 플록으로 형성시켜 장기운전을 가능하게 하였다. 운전방식은 기존 운전/휴지 방식과 연속적으로 처리수를 생산할 수 있도록 자체 개발한 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO)을 적용하였다. 응집제를 투여한 경우 기존 운전/휴지방식에 비하여 SFCO의 TMP는 최대 30% 미만으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

최근 방류수 수질 강화에 따라 총인 처리시설의 설치와 응집제 사용량이 증가하고 있다. 본 연구는 유입하수에 포함된 응집제 성분(Al3+, Fe3+ 등)을 활용하여 PO43-와 응집시킴으로써 하수처리공정에 별도의 응집제 주입 없이 총인 농도를 0.2mg/L 이하로 제거할 수 있는 MBR 하수처리공정을 개발하는 것이다. 활성슬러지와 차아염소산나트륨으로 제조한 알칼리슬러지를 MBR 공법의 생물반응조에 주입하여 적정 pH를 유지시킴으로써 유입하수 중의 용존성 이온을 상호 응집시켜 고형화 하였고 분리막으로 고액 분리하여 하수처리수의 총인 농도를 0.2mg/L이하로 달성하였다. 이 연구를 통해 개발한 공법은 응집제 주입 없이 하수처리수의 총인 농도를 0.2mg/L이하로 제거하여 약품비용을 절감에 기여할 것으로 예상된다.

본 연구에서는 MBR 내에 침지된 분리막 오염을 평가하기 위하여 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측정하였 다. 유효 막면적이 0.02 m2이고 공칭 세공크기가 0.15 μm인 정밀여과용 평막 모듈을 MLSS 5,000 mg/L인 활성슬러지 용액 에 침지시켰다. 운전/휴직(R/S) 및 사인파형 투과유속 연속운전(SFCO) 방식에 따른 TMP를 비교하기 위하여 동시에 투과 실 험을 수행하였다. SFCO 운전방법에 따른 TMP는 R/S에 비하여 최대 93% 낮게 유지되었으며 투과유속이 증가함에 따라서 TMP 감소 효과는 줄어들었다. 또한 응집제인 FeCl3를 활성슬러지 용액에 500 mg/L 농도로 주입시키면 SCFO 운전방식의 경우, 투과 운전시간을 5배 이상 증가시켜도 한계 운전 TMP인 55 kPa의 40% 미만으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

A pilot plant (Q=5 m3/d) study was implemented for small and medium sized personal wastewater treatment plant effluent to evaluate MBR and A/O processes utilizing self-sufficient energy composed of wind and solar energy. The removal efficiencies of BOD, SS, turbidity and color were sufficient for legal water quality standards for gray water. However, those of nitrogen and phosphorus could not meet legal regulations which suggested that further removal of those contaminants were needed for reuse of the treated water.Self-sufficient energy rate was 100 % for the pilot plant due to excessive design capacity. In this research, wind and solar energy system was applied considering geological characteristics, which significantly improved energy self-sufficiency. Substantial improvement on energy self-sufficiency can be obtained by optimized investment and operation at a full scale wastewater treatment plant.

본 실험은 실험실적 규모의 침지식 평막형 분리막이 장착된 활성슬러지 생물반응기에 인공폐수를 사용하여 수행하였다. 분리막 운전은 MLSS 5,000 mg/L 활성슬러지 용액을 일정 유량으로 계속 투과시키는 방식과 주기적으로 10분여과/2분휴지 방식으로 구분하여 실시하였다. 산기량은 0.25 L/min로 일정하게 유지한 상태에서 투과유속을 10에서 25 L/m2⋅hr까지 증가시키면서 막간차압을 측정하였다. 또한 분리막 오염 상태를 판단하기 위하여 완전막힘, 표준막힘, 중간막힘, 비압축성케이크 및 선형압축성 케이크 오염 모델을 실험값에 적용하였다. 10분운전/2분휴지 운전방식에서는 매 주기마다 펄스형태로 막간차압이 변화하므로 최고점 및 최저점 연결선으로 구분하여 막오염 모델을 적용하였다. 활성슬러지 케이크 막오염은 이상의 5가지 오염 모델 중 선형압축성 케이크 오염 모델이 모든 투과실험 결과와 가장 잘 일치하였다.

주류를 제외한 과일 및 탄산음료 등을 제조하는 비알코올성 음료품 제조시설에서 발생되는 폐수는 높은 농도의유기물과 낮은 농도의 질소, 인 등을 함유한다. 이러한 폐수의 처리 시설은 주로 호기성 공정과 약품응집 공정으로 구성하고 후단에 사여과지 또는 활성탄 공정을 추가하기도 한다. 하지만 이러한 방식은 긴 체류시간과 침전지 설치로 인해 많은 부지를 필요로 하는 문제가 있다. 본 연구에서는 부지소요 문제와 슬러지 유출로 인한 수질저하 문제를 해결하고자 W식품공장 폐수처리장 인근에 MBR pilot plant를 설치하고 장기간 운영을 통해 데이터를 확보하고 처리 효율을 평가하였다. 약 3개월간음료수 제조공정 폐수를 평막을 적용한 MBR pilot plant로 운전조건을 변화하며 처리한 결과, 처리유량 20 m3/day, HRT 29hr, 4Q 반송조건까지는 유기물 제거율 97% 이상으로 안정적인 처리가 가능했다. 하지만 그 이상의 운전조건에서는 생물반응조의 오염물질 제거율이 감소하였고 TMP가 급격히 증가하는 모습을 보였다.

MBR 기술은 지난 20여 년 동안 처리성능과 효율성 그리고 비용절감 측면에서 빠른 속도로 발전하고 있다. 또한 안정적인 하수처리와 하수재이용관점에서 핵심기술로 널리 인식되고 있다. 본고에서는 MBR 기술의 개발과 상업적 응용에 관한 발전과정을 재조명하고 세계 시장의 전망을 제시하고자 한다. 주요 적용기술에 대해 다음 5가지 측면에서 검토하여 제시하였는데 1) MBR 기술의 진화, 2) MRBs의 상업용 기술, 3) 대용량 MBR 플랜트 설치 사례, 4) MBR 시장의 성장, 5) 기술의 발전방향 순으로 제시하였다. 마지막으로 MBRs에 대한 경제적, 환경적, 그리고 기술적 측면에서 향후 발전방향을 1) 초기투자비, 2) 처리 수질, 3) 분리막 소재/모듈, 4) MBR 장비와 공정, 5) 운영비용, 향후 6) 혐기성 MBRs 공정과 같은 차세대 기술 분야로 나누어 제시하였다.

두 개의 간헐반응조, 막분리조, 탈기조로 구성된 생물학적 MBR고도처리 공정에 동일한 유입수량과 수질의 하수가 유입되는 경우 운전 온도 및 SRT (Sludge Retention Time)변화에 따른 질소제거 특성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 파악하였다. SRT가 25일이고 운전온도가 25℃인 경우 간헐반응조를 간헐폭기 시키는 경우에 운전온도 13℃의 59%에서 31%로 질소제거효율이 급격히 떨어지는데, 이는 운전온도 13℃에 비해서 간헐반응조의 RBO (Readily Biodegradable Organic) 농도가 낮아져서 발생한 현상으로 파악되었다. 운전온도 25℃에서 SRT를 12.6일로 운전하는 경우 간헐반응조 RBO농도는 증가하고 질소제거 효율은 회복되었다. 간헐반응조를 갖는 MBR시스템에서 SRT와 운전온도가 간헐반응조 RBO농도에 미치는 영향은 좀더 깊게 연구되어야 한다.

This study was carried out to investigate the performance of individual sewage treatment facilities with MBR(membrane bioreactor). After ratio of influent distribution of aerobic reactor to anoxic reactor from 4 : 6 to 7 : 3, the effluent quality is improved 5.3 mg/L as BOD, 3.8 mg/L as SS, 5.6 mg/L as T-N, and 1.6 mg/L as T-P, respectively. The removal efficiency rate of effluent increased upto 98% as BOD, 99% as SS 94%, as T-N as 93% and T-P, respectively. To maintain SS concentration of the effluent less than 1 mg/L, the washing and differential pressure of membrane management were required, the wasted activated sludge periodically discard to the sludge storage tank in order to meet standard criteria. The capacity of this individual facilities was overestimated, when low loading occur, an alternative is considered