As water resources are limited and legal regulations are strengthened, there is a growing need to reuse residuals in WTP(Water Treatment Plant). In this study, membrane filtration system was constructed and its operation method was studied for water quality stabilization and reuse of WTP residuals. The operation parameters were stable for 1 year and 6 months. Membrane fouling was identified as particulate pollution (activated carbon) and inorganic pollution (manganese). The membrane system was operated steadily with raw water of high concentration SS(Suspended solid) containing activated carbon because membrane fouling was reduced by the effect of End-Free type. In the case of inorganic contamination, dissolved manganese eluted by chemicals and acted as a membrane fouling source, and the operating conditions for minimizing membrane fouling were confirmed by newly developing application methods and types of cleaning chemicals. Based on the results, design parameters for reducing manganese membrane fouling were derived.

본 연구에서는 역세척이 가능한 평막과 MBR 하부에서 공급되는 공기 및 자연적으로 순환되는 구형 입자를 이용하여 투과 실험하였다. 활성슬러지 수용액은 MLSS 8,000 mg/L로 유지하였으며 여과/이완(FR), 이완시 역세척(FR/BW), 사인파형 연속투과 운전(SFCO) 및 사인파형 연속투과 운전 시 역세척(SFCO/BW) 방식에 따른 막간차압(TMP)을 측정하였다. 역세척 유량을 47에서 14 L/m2⋅hr로 감소시키면, TMP가 증가하였으며 SFCO보다는 FR 방식의 TMP가 크게 증가하였다. 또한 역세척 방식이 구형입자를 이용한 세척방식보다 TMP를 더 감소시켰으며, 구형입자와 역세척 방식을 동시에 사용하면 각각의 방법보다 더 효과적임을 확인할 수 있었다.

본 실험에서는 조류 제거 및 농축을 위해 Silicon Carbide(SiC) 재질의 침지형 세라믹막을 적용하여 운전 특성을 평가하고자 하였다. SiC 세라믹막은 막표면이 음전하를 띄어 음전하를 띄는 조류 제거에 적용이 가능하고 고유량으로 역세척(Backwashing)을 할 수 있어 고농도의 조류 농축시에도 적용이 가능하다. 역세척 유량과 역세척 시간, 역세척수 수온, 역세척수에 차아염소산나트륨 주입 유무, 여과/역세시 air scrubbing 유량에 따라 역세척 효율을 평가하였으며 Jar test를 통해 선정한 농도로 응집제 주입 유무에 따라 운전 특성을 비교하였다. 또한 동일한 조건에서 세라믹막과 유기막의 운전 특성과 비교하였다. 본 연구는 환경부의 “환경정책기반공공기술개발사업”으로 지원받은 과제입니다.

이소프로필알코올/물 혼합물은 가교된 폴리비닐알코올 복합막을 이용하여 투과특성평을 알아보았다. 검화도가 다 른 3종 PVA를 이용하여 고분자의 농도와 GA 농도에 따라서 투과특성을 확인하였다. 복합막은 PVA 용액을 PAN 지지체 위에 캐스팅한 후, 열가교를 통해 제조하였다. PVA 농도가 증가할수록 투과도는 감소하지만 선택도는 증가하는 것을 확인하였다. PVA-3이 7 wt% 농도로 코팅된 복합막에서 209 g/m2h의 투과도를 가지고, 100 이상의 선택도를 가지는 것을 확인하였다. 침지형 분리막을 제조하여 feed tank 온도와 feed 용액의 IPA 농도에 따라서 투과실험을 확인하였다. 또한 IPA 수용액에 농축실험을 지속적으로 한 결과, 60시간 후에 IPA의 농도가 99%까지 증가하는 것을 확인하였다.

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.

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.

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.

담체가 투여된 침지형 막결합 연속회분식 반응기(SMSBR)를 사용한 하수의 고도처리에서 담체가 여과성능과 제 거효율에 미치는 영향을 조사하였다. 담체는 반응기 부피 기준으로 10% 투여하였고, 담체와 분말활성탄을 첨가하지 않은 반 응기, 분말활성탄(10 g/L)만을 첨가한 반응기 및 담체와 분말활성탄을 모두 첨가한 반응기를 대조군으로 하였다. COD, T-N 및 T-P에 대한 제거효율은 담체 및 분말활성탄 첨가 유무에 따라 큰 차이가 없었다. 그러나 담체를 첨가하지 않은 경우 막간 차압(TMP)은 급격히 증가하였으나, 담체를 첨가한 경우에 막간차압은 매우 서서히 증가하였다. 담체를 투여한 SMSBR를 사 용하여 하수를 고도처리 할 때, 91일 이상의 운전기간 동안 막 세정 없이 운전이 가능하였다. 담체만을 투여한 경우, 운전 80 일 경과 이후의 COD, T-N 및 T-P 평균 제거율은 각각 95.0, 69.3% 및 51.4%이었다.

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.

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.

본 연구는 잉여슬러지와 차아염소산나트륨을 혼합하여 제조한 차아염소산나트륨 처리 슬러지를 침지형 분리막이 설치된 생물반응조에 주입하여 수처리 미생물에 기질을 공급하고 수처리에 적합한 pH와 알칼리도를 유지함으로써 응집제 주입 없이 방류수의 총질소 농도 20 mg/L, 총인 농도 0.2 mg/L 이하로 처리할 수 있는 MBR 하수처리공정을 개발하였다. 개발된 공정은 별도의 응집제 주입 없이 질소와 인의 법적 방류수 수질기준 을 만족하였고, 향후 하수처리장 약품비용 절감에도 기여할 것으로 기대된다.

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 산기량의 변화에 따른 임계 투과유속을 투과유속단법으로 측정하였다. 유효 막 면적이 85 cm2이고 공칭 세공크기가 0.4 μm인 중공사형 막모듈을 MLSS 5,000 mg/L인 활성슬러지 수용액에 침지시켜 투과 실험하였다. 산기시 키지 않을 경우 임계 투과유속은 15.2 L/m2⋅h로 측정되었으나 산기량을 100에서 1,000 mL/min까지 증가시키면 임계 투과 유속이 20.6에서 32.5 L/m2⋅h까지 크게 상승하였다.

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.

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.

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.

침지식분리막 오염을 최소화하기 위한 두 가지 공기세정방식을 비교하였다. 연속적인 공기세정과 단계별 공기량을 증가시키는 방식을 연구하였다. 15분의 여과 중에 세정공기의 증가는 5분마다 단계별로 공기량을 증가시켜주었다. 모의 여과 원수에 분말활성탄을 10 g/L 이하 그리고 카올린은 20 g/L 이하로 준비하였으며, 플러스는 80 LMH로 하였다. 단계별 공기세정방식은 연속적인 공기세정 방식보다 분리막 오염억제에 효과적이었다. 추가적으로 주입된 응집제는 분리막 오염저감을 보다 향상시켰다. 연속적인 공기세정의 오염현상은 공경막힘과 분리막 표면에 지속적인 입자의 축적에 기인하였다.

본 연구에서는 침지형 정밀여과막(공칭공경 0.15㎛, CPVC)을 사용하여 에멀젼형 절삭유(MECOOL-7000, Megalube사) 수용액을 처리하였다. 막 오염을 효과적으로 감소시키기 위하여 대칭형 또는 비대칭형의 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO) 실험을 실시하였다. 분리막의 투과유속이 증가함에 따라서 막간차압이 증가하였으나, 대칭형 운전방식이 비대칭형 운전방식에 비하여 막간차압이 낮게 형성되어 막오염 제어에 효과적임을 확인할 수 있었다.