In this work, we studied systematically the effects of NCIF on defouling for a range of solutes that foul (BSA protein) and form cakes (alumina colloids) on the membrane thereby causing severe reduction in the flux. Changing the gravitational orientation of the batch cell induces NCIF in the membrane module and higher inclined angle offers stronger NCIF. This induced NCIF enhances back transport of the deposited solutes away from the membrane surface, therefore gives for the improvement of membrane performance. The flux results according to the inclined angles (from 0° to 180°) of the batch cell were analyzed by the pore blocking filtration model. It was shown that NCIF reduced the fouling of intermediate pore blocking by about 66% at the beginning of UF operation, and thereafter reduced the fouling of cake filtration by about 98%.

본 연구에서는 역전기투석 공정에서 발생 가능한 막오염 현상을 in-situ로 측정하기 위하여 임피던스 스펙트로스 코피 방법을 도입하여 실제 발생한 막오염 현상 측정 방법을 제시하였다. 얻어진 임피던스 데이터를 활용하여 Nyquist 도시 법과 어드미턴스 도시법으로 스펙트럼을 도시하였으며 두 도시법 모두 유의미한 막오염 현상을 감지할 수 있었다. 또한 초기 막오염 현상에서 음이온 교환막 표면에 막오염물의 불안정한 축적 현상 및 역전기투석 공정의 운전 시간에 따른 막오염층의 구조적 변화를 감지할 수 있었다.

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.

분리막 장치는 액체, 기체의 물질분리를 위해 다양한 산업분야에 적용되어 왔다. 특히 액체 분리에 적용되는 분리막 장치는 수처리분야, 화학산업공정, 바이오산업공정, 의약분야 등으로 확장되면서 분리정제 공정에 보편적인 기술로 자리잡았다. 분리막 공정은 막 특성상 분리되는 물질에 따라 다양한 막힘현상이 발생하는데, 이러한 막힘현상을 방지하기 위해 막과 시스템이 발전하여왔고, 시스템 분야에서는 막힘현상을 방지하기 위해 진동, 회전, 와류 등을 이용하여 막표면에 발생하는 막힘현상을 억제하는 모듈들이 개발되어 상용화되고 있고, 이런 설비들을 Dynamic filtration 설비로 구분하고 있다. Dynamic filtration 설비들 중에서 특히, 와류를 이용하는 Anti-Fouling Membrane System(FMX)은 고농도 고점도 특성을 갖는 용액에서 물질을 분리하는 성능이 우수하여, 최근 급성장하는 바이오산업분야의 생산공정에 다양하게 적용되고 있다.

막여과 수처리 공정에서 막오염은 플럭스 감소나 막간차압 증가를 야기하는 중요한 문제로 남아있다. 막오염을 저감하는 여러 가지 방법 중, 막의 표면에 패턴을 입혀 그 패턴의 형상에 따라 유체의 이동을 변화시킴으로써 막오염을 저감시키는 방법이 연구되어 왔다. 특히 45° 회전된 피라미드 패턴은 피라미드 패턴에 비해 막오염 저감 효과가 크다는 연구결과가 있었다. 본 연구에서는 비용매상분리법과 소프트리소그래피(soft-lithograhy)를 이용하여 막의 표면에 45° 회전된 피라미드 패턴을 입히고, 크기가 다른 입자를 포함한 원수를 여과하면서 막오염 저감 효과를 비교해 보았다.

This study applied microbubbles to reduce membrane fouling in wastewater reuse membrane processes, evaluated and compared the transmembrane pressure with or without the application of microbubbles and the cleaning efficiency with the application of aeration and microbubbles. In addition, this study analyzed foulants removed from the membrane surface. Changes in the transmembrane pressure of membranes with the presence or absence of microbubbles were observed. As a result, transmembrane pressure (TMP) increasing rate decreased twofold when applying microbubbles to realize stable operations. This study compared and evaluated cleaning efficiency applying aeration and microbubbles. As a result, the cleaning efficiency was 5% higher on average when applying microbubbles. In turbidity and total organic carbon (TOC), foulants were discharged when applying microbubbles twice as much as applying aeration. It is thought that particulate foulants precipitated on the membrane surface were more likely to desorb because the adhesion between the membrane surface and particle was weakened by microbubbles. Therefore, it is considered possible to effectively control membrane fouling because of the increase in cleaning efficiency when applying microbubbles to wastewater reuse membrane processes.

Microfiltration (MF) and Ultrafiltration (UF) membrane processes capable of producing highly purified water have been extensively applied as a pretreatment process in the wastewater reuse field with the improvement of membrane properties and resistance, development of operating protocols, and improvement of technologies of backwashing and physicochemical cleaning, and improvement of scale and antifoulants. However, despite of the development of membrane production and process technologies, fouling still remains unresolved. This study confirmed that foulants such as polysaccharides, proteins and humic substances existed in final treated effluent (secondary effluent) by fluorescence excitation emission matrix (FEEM) and fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis. In addition, when constructing ozone oxidation and coagulation processes as a hybrid process, the removal efficiency was 5.8%, 6.9%, 5.9%, and 28.2% higher than that of the single process using coagulation in turbidity, color, dissolved organic carbon (DOC), and UV254, respectively. The reversible and irreversible resistances in applying the hybrid process consisting of ozone oxidation and coagulation processes were lower than those in applying ozone oxidation and coagulation processes separately in UF membrane process. Therefore, it is considered possible to apply ozonation/coagulation as a pretreatment process for stable wastewater reuse by and then contributing to the reduction of fouling when calculating the optimal conditions for ozone oxidation and coagulation and then to applying them to membrane processes.

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.

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.

수처리용 분리막 여과 공정에서 막오염의 문제는 여전히 해결해야 할 난제이다. 막오염 현상을 제어하기 위한 방안으로 막표면에 패턴을 도입하는 방법이 연구되어 왔다. 분리막의 패턴은, 막표면에서의 유체 흐름에 변화를 일으켜 오염물이 쌓이지 않게 하거나 쌓인 오염물이 일부 떨어져 나가는 효과를 주는 것 으로 보고된 바 있다. 본 연구에서는 수처리용 패턴 분리막을 제조하고, 패턴의 막오염 방지 효과를 평가하고자 하였다. 이를 위하여 CFD 기법을 이용하여 유 체 흐름을 시뮬레이션으로 분석하고, 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과를 비교 분석하기 위해 구형의 모델 입자로 막여과 실험을 수행하였다. 다양한 크기의 모델 입자를 이용함으로써 오염물의 크기에 따른 패턴의 막오염 방지 효과를 분석해 보고자 하였다.

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.

기후 변화 및 상수원 오염 등으로 원수 내 조류 증식의 빈도가 높아짐에 따라 모래여과와 마찬가지로 막여과 정수처리 공정 운영에서도 문제를 유발할 수 있기 때문에 이에 대한 기술적 대응 방안이 수립되어야 한다. 특히 우리나라와 같이 계절적 구분이 뚜렷한 지역에서 조류는 수온에 따라 우점하는 조류의 종이 변화하여, 외형 적 형태 및 성상이 종별로 다른 조류의 특성을 감안한 대처 방안이 검토되어야 한 다. 본 연구는 낙동강 수계를 원수로 하는 500m3/d 규모의 파일럿 플랜트를 이용하여 계절별로 상이하게 유입되는 조류의 분류에 따라 겨울철 저수온 시기에 규조류가 번성할 경우 염기 역세정 방법을 적용하고, 여름철 시기에 남조류가 번성할 경우에는 분말활성탄으로 처리하는 조류 대응 막여과 운전 방법과 전처리 공정에 대해 검토하였다.

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.

Shale gas has become increasingly important as a viable alternative to conventional gas resources. However, one of the critical issues in the development of shale gas is the generation of produced water, which contains high concentration of ionic compounds (> TDS of 100,000 mg/L). Accordingly, membrane distillation (MD) was considered to treat such produced water. Experiments were carried out using a laboratory-scale direct contact MD (DCMD). Synthetic produced water was prepared to examine its fouling propensity in MD process. Antiscalants and in-line filtration were applied to control fouling by scale formation. Fouling rates (-dJ/dt) were calculated for in-depth analysis of fouling behaviors. Results showed that severe fouling occurred during the treatment of high range produced water (TDS of 308 g/L). Application of antiscalant was not effective to retard scale formation. On the other hand, in-line filtration increased the induction time and reduced fouling.

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.

Membrane distillation (MD) is a novel separation process that have drawn attention as an affordable alternative to conventional desalination processes. However, membrane fouling and pore wetting are issues to be addressed prior to widespread application of MD. In this study, the influence of ultrasonic irradiation on fouling and wetting of MD membranes was investigated for better understanding of the MD process. Experiments were carried out using a direct contact membrane distillation apparatus Colloidal silica was used as a model foulants in a synthetic seawater (35,000 mg/L NaCl solution). A vibrator was directed attached to membrane module to generate ultrasonic waves from 25 kHz (the highest energy) to 75 kHz (the lowest energy). Flux and TDS for the distillate water were continuously monitored. Results suggested that ultrasonic irradiation is effective to retard flux decline due to fouling only in the early stage of the MD operation. Moreover, wetting occurred by a long-term application of ultrasonic rradiation at 75 kHz. These results suggest that the conditions for ultrasonic irradiation should be carefully optimized to maximize fouling control and minimize pore wetting.

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.

역삼투 해수담수화 공정에서 막 오염은 생산수량 감소 및 공정의 에너지 소비량 증가를 야기한다. 막간 차압 증가, 생산수량 감소 외에 막 저항 값의 증가는 막 오염 정도를 판단하는 수치로 사용이 가능하다. 특히 막 저항 값 기반의 세정은 막 오염 제어를 통해 역삼투 해수담수화 공정에서 막의 성능 유지 시 사용 가능하다. 이에 본 연구에서는 해수 수질 인자 및 공정 운전 인자에 기반하여 막 저항 값을 예측하는 알고리즘을 제안한다. 알고리즘은 해수담수화 플랜트의 운전 데이터에 기반하여 인자들과 막 저항 값 사이의 관계를 학습하고 검증과정을 거쳐 막 오염 발생 시점을 사전에 예측하는 방식으로 개발되었다. 예측 정확도를 분석하고 개발된 알고리즘의 수정을 통해 예측 정확도 향상을 위한 연구를 진행하였다.