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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.31 No.5 pp.389-395
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.5.389

Characterization of membrane fouling and CEB (Chemical enhanced backwashing) efficiency with temperature in SMBR Process

Kitae Park, Jeonghoon Park, ・Eunhye Choi, Hyungsoo Kim, Jihoon Kim*
Sungkyunkwan University Graduate School of Water Resources
Corresponding author : Jihoon Kim (jjtt23@skku.edu)
August 4, 2017 August 28, 2017 August 31, 2017

Abstract

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.


MBR 공정에서 수온에 따른 막오염 및 CEB 세정효율 특성

박 기태, 박 정훈, 최 은혜, ・김 형수, 김 지훈*
성균관대학교 수자원전문대학원

초록


    Ministry of Environment
    2015000150004

    1.서 론

    생물학적 폐수처리 공정에 분리막을 도입한 membrane bioreactors (MBR) 공정은 폭기조 내에 고농도의 MLSS (Mixed liquer suspended solid, 약 8,000〜15,000 mg/L) 를 유지시킴으로써 처리용량 및 처리효율을 도모할 수 있다. 하지만 MBR 공정 운영 중 발생하는 막 오염 (fouling) 현상으로 인해 투과수량 감소 및 운전압력 상승 등이 발생하고, 이것은 유지관리비용 상승으로 직결되어 MBR 적용에 제한이 되고 있다 (Farquharson, Zhou, 2010; Han et al., 2016; Miyoshi et al., 2015).

    이러한 MBR 공정의 막오염 현상을 일으키는 여러 요인 중 수온은 기존 활성슬러지 시스템의 생물학적 성능의 영향뿐만 아니라 분리막의 성능에도 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 사전 문헌에 따르면 수 온이 낮아질수록 MBR 공정에서의 액체 및 기체의 물 리적인 현상으로는 혼합액의 점도가 증가되며, Airscrubbing의 전단응력이 낮아진다. 또한, 미생물의 생 물학적 현상으로는 미생물의 해교 (解膠, deflocculation) 현상이 심해지며, Floc size 감소, 및 미생물로부터 방 출되는 Extracellular polymeric substances(EPS) 농도가 높아져 분리막의 막오염을 심화 시킨다고 보고되고 있다(Ribeiro jr. and Mewes, 2006). 수온이 낮아짐에 따라 발생하는 분리막 오염 현상은 여러 논문에서 보고되어 있지만 용존된 EPS가 수온에 따라 분리막 의 부착특성 및 화학적 제거 특성에 대한 연구는 부 족한 현실이다. 따라서, 본 논문에서는 공공하수처리 장에서 운영되고 있는 일처리용량 100 m3/일 규모의 Pilot plant의 수온에 따른 분리막조 내 EPS 농도를 조 사하였고, 이와 연계하여 Lab-scale 장치로 미생물 유 무에 따른 분리막 오염 특성을 조사하였다. 또한 일 반적으로 막오염 제어로 수행하는 CEB(chemical enhanced back-washing)를 통해 수온조건에 지속시간 및 농도 변화에 따른 유지세정조건을 도출하고자 하 였다.

    2.실험장치 및 방법

    2.1.실험장치

    본 실험은 경기도 S 시 공공하수처리장 내 설치된 100 m3/일 규모의 MBR Pilot plant를 바탕으로 연구를 진행하였으며, Pilot plant의 운영조건은 Table 1과 같 이 나타냈다. Lab-scale 장치의 경우 100 L 반응조에 항온수조를 설치하여 수온을 일정하게 유지할 수 있도 록 구성하였으며, PLC 제어 프로그램을 통해 정유량으 로 공정제어가 가능하도록 구성하였다 (Fig. 1). 본 연 구에 사용된 분리막은 독일 M 사 Polyethersulfone (PES) 재질로 공극 크기는 0.04 μm의 역세척이 가능 한 평판형 막을 사용하였다(Table 3).Table 2Fig. 2

    2.2.운전조건

    본 연구의 lab-scale 실험조건은 수원하수처리장에서 운 영되고 있는 일 처리용량 100 m3 규모 MBR Pilot plant에서 운영 간(2016년 12월 ~ 2017년 7월) 분리막조의 EPS 농도를 측정하였다(Fig. 1). 이를 통해 lab-scale 실험의 수온 및 SMP농도를 선정하였으며, Lab-scale 장치의 세부적인 운전조건은 Table 3과 같이 나타냈다. 용존성 EPS 물질로는 Protein 물질로서 Bovine serum albumin(Sigma-aldrich, USA)을 사용하였고, Polysaccharide 로는 Sodium alginate (Sigma-aldrich, USA)를 이용하여 실험을 진행하였다.

    2.3.분석방법

    2.3.1.수온에 따른 여과저항 분석

    실험 조건에 따라 운전되는 Lab-scale 장치는 수온, 처 리수량 및 운전압력이 자동 저장이 가능하도록 구성하였 으며, 이렇게 측정된 값을 통해 여과저항으로 변환하여 막오염 특성을 분석하고자 하였다. 여과 저항은 Darcy’s law에서 유도한 식에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다. 식 (1)은 투과플럭스(J)로 분리막 단위 면적을 단위 시간 동안 투과하는 유량으로 정의되며, 이는 결국 식 (2)와 같이 총 여과저항(Rt)으로 바꾸어 나타낼 수 있다.

    J = Δ P μ R t
    (1)

    R t = Δ P μ J
    (2)

    • J : 플럭스 (m3/m2/sec)

    • t : 여과시간 (sec)

    • ΔP : 막간 차압 (Pa, TMP)

    • μ : 투과수 점성계수 (Pa·s)

    • Rt = 총 여과저항(m-1)

    또한 lab-test 운전 flux의 경우 수온에 따른 점성계 수에 대한 영향을 보정하기 위해 아래의 식 (3) (Iranpour et al., 2000)을 적용하여 운전 Flux 보정하여 실험을 진행하였다.

    J T = J 20 × 1.024 ( T 20 )
    (3)

    2.3.2.CEB(NaOCl의 농도 및 지속시간)에 따른 여과성능 회복율

    수온변화에 따라 발생된 막오염의 제어를 위해 NaOCl 농도 및 지속시간에 따라 유지세정효율을 도 출하고자 하였다. 각 수온조건에 따른 CEB 시점의 경 우 사전실험을(Table 4) 통해 운전압력 -0.020 MPa로 설정하였고, 본 연구의 실험조건은 Table 5와 같이 나 타냈다.

    2.3.3.수질 분석 방법

    유입원수, 처리수 및 막분리조 수질분석 방법은 Table 6에 나타낸 바와 같고, CODCr, T-N, NH3-N, NO3--N, T-P, PO43--P는 흡광도 측정을 위한 분광광도 계로 HACH 사의 DR-6000을 사용하였으며, MLSS 및 MLVSS 측정은 Standard method에 준하여 GF/C filter 와 Gucci 도가니를 이용하였다. 또한, EPS 분석의 경 우 선행연구 (Wang et al., 2008; Chang et al., 1998)을 참조하여 열 추출법으로 진행하였으며, Protein 분석은 Bradford Assay 방법, Polysaccharide는 페놀황산법으로 측정하였다 (Bradford, 1976; Gerhardt, 1994).

    3.결과 및 고찰

    3.1.SMP 물질의 수온에 따른 막오염 특성 분석

    EPS 대표물질인 Protein과 Polysaccharide의 수온에 따른 막 오염 특성을 알아보고자 하였고, 수온조건 10, 20 및 30˚C에 따라 미생물이 포함된 여과저항 증 가율은 9.73×108 /m・min, 9.04×108 /m・min 및 7.83×108 /m・min로 수온이 낮아질수록 높아지는 경향을 나타냈 다 (Fig. 3). 반면, SMP를 합성폐수로 한 실험의 경우 각 조건에 따라 1.84E×108 /m・min, 1.91×108 /m・min 및 3.34×108 /m・min 으로 수온이 증가할수록 여과저항 증가율이 높아지는 경향을 나타냈다 (Fig. 4). 이러한 결과는 Wang 등 (2010)의 연구에서 Biomass로부터 EPSbound 및 EPSsoluble가 수온이 저감됨에 따라 농도가 증가됨과 N. Jang 등 (2006)은 여과저항의 상승은 SMP 혹은 EPS 농도와 직접적인 관련 있다는 내용과 유사한 결과를 나타냈다. 반면, 미생물을 제외한 용존 성 EPS의 합성폐수의 경우 수온이 증가함에 따라 여 과저항 증가율이 높은 경향을 나타냈다. Rabe 등 (2011)에 따르면, 온도는 단백질의 흡착평형상태 및 동역학에 영향을 미치며 온도가 증가할수록 단백질 내부의 구조적 재배열에 따른 엔트로피 증가로 표면 흡착에 용이하다고 보고하였으며, 본 연구결과에서도 수온이 증가함에 따라 용존 된 Protein이 막 표면 및 공극에 흡착이 증가되어 여과저항의 증가율이 높게 나타난 것으로 판단된다.

    3.2.수온에 변화에 대한 CEB 농도별 세정 효율 분석

    각 수온 조건에 따른 막오염을 제어하기 위해 본 연구에서는 Sodium hypochlorite(NaOCl)를 이용하여 CEB의 농도 및 지속시간을 변화시켜 CEB 세정 효율 특성을 도출하고자 하였다. 먼저 CEB 지속시간을 15분 으로 고정하여 수온에 따라 CEB 농도를 변화하여 세 정효율을 측정하였다. 측정결과 수온이 10˚C에서 30˚C 로 변화됨에 따라 약품 농도별 여과저항 회복율은 300 mg/L as NaOCl 에서 20%, 28% 및 39%로 나타났 으며, 600 mg/L as NaOCl 29, 39 및 55%, 1,000 mg/L as NaOCl 은 35, 49 및 69% 로 나타났다 (Fig. 5). Joshi 등(2006)에 따르면 수온이 상승함에 따라 온도가 높아 질수록 펩티드 결합과 가수분해와 같은 화학 반응이 가속화 되어 단백질성 구조가 깨지고 용해되고, 세정 액의 점도 감소로 그에 상응하는 레이놀즈수가 증가하여 결국 화학반응 속도가 증가되기 때문이라고 보고하였 으며, 본 실험 결과에서도 온도의 변화는 반응 평형 및 반응 동역학을 변화시키고, 용질의 용해도를 증가 시킴으로써 막 세정의 효율 및 속도에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

    3.3.CEB 지속시간별 세정효율 분석

    CEB의 지속시간 변화에 따라 세정 효율 특성을 도 출을 위해 수온에 따른 농도별 실험결과를 토대로 효 율이 가장 낮았던 수온 10℃에서 15분에서 120분 까 지 구간을 선정하여 진행하였다. 실험결과 지속시간 이 길어질수록 여과저항 회복율은 높아졌으며, 특히 지속시간 60분 이후로는 세정효율 증가율이 낮아짐을 확인하였다 (Fig 6). 이러한 결과는 CEB 시, 약품이 분 리막 내에서 오염물질로의 확산과 용해할 수 있는 시 간이 적절히 요구되며, 본 논문에서는 60분이후로는 이러한 반응이 낮아지는 경향을 나타냈다. Lee (2014)Kim (2009)에 따르면, NaOCl 농도 300 mg/L 과 600 mg/L에서 접촉시간 늘어남에 따라 세정효과 가 증가하고 60분에서 최대 세정 효과를 나타냈다고 보고되었는데, 본 실험에서도 유사한 결과가 도출되 었다.

    4.결 론

    본 연구는 MBR 공정에서 수온에 따른 EPS 농도 를 분석하고, Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무 에 따른 분리막 오염 특성을 분석하였다. 수온에 따라 MBR 공정에서의 EPS 농도를 분석 결과를 통해 Lab-scale 장치를 이용하여 미생물 유무에 따른 분리 막 오염 특성을 분석하였다. 또한, 일반적으로 막오염 제어로 수행하는 CEB를 통해 수온조건에 지속시간 및 농도 변화에 따른 유지세정조건을 도출하였으며, 다 음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 수온에 따른 막오염 특성에서 미생물 유무에 따 라 실험을 진행하였으며, 미생물이 있는 경우 수온이 낮아질수록 미생물로부터 방출되는 EPS 농도가 높아 지면서 운전여과저항 증가율이 높아졌다. 반면, 동일 한 농도의 용존성 EPS를 합성폐수로 진행한 결과, 수 온이 높아질수록 운전여과저항 증가율은 높아졌으며, 수온이 증가함에 따라 용존 된 Protein이 막 표면 및 공극에 흡착이 증가되어 여과저항의 증가율이 높게 나타난 것으로 판단된다.

    • 2) 각 조건에 따라 발생된 막오염을 제어하기 위해 Sodium hypochlorite(NaOCl)를 이용하여 CEB 세정 특 성을 도출하였다. 이에 각 수온조건에 따라 약품 농 도 및 지속시간을 변화하여, 수온 및 약품농도가 높 아질수록 높은 효율을 나타냈다. 이는 수온증가가 단 백질 펩티드 결합과 가수분해와 같은 화학반응을 가 속화되어 부착된 단백질성 구조가 깨져 용해된 것으 로 사료되며, 농도가 높아질수록 단백질과의 약품과 의 반응 충돌 횟수가 높아졌기 때문이라고 판단된다. 이러한 결과를 통해 MBR 운전시 수온이 낮을수록 막 표면에서 발생하는 Cake fouling 등의 막오염 제어 를 집중하며, 반면 수온이 높아질수록 용존성 EPS 흡 착에 의한 fouling 제어의 운영 전략이 필요할 것으로 사료된다.

    사 사

    본 연구는 환경부 “환경산업선진화기술개발사업 [과제번호:2015000150004]에서 지원받았습니다.

    Figure

    JKSWW-31-389_F1.gif

    Schematic diagram of the Lab-scale reactor.

    JKSWW-31-389_F2.gif

    Concentration of EPS in activated sludge with temperature.

    JKSWW-31-389_F3.gif

    Result of fouling resistance in lab scale reactor with sludge according to water temperature.

    JKSWW-31-389_F4.gif

    Result of fouling resistance in lab scale reactor without sludge according to water temperature.

    JKSWW-31-389_F5.gif

    Evaluation results of CEB efficiency according to water temperature and chemical concentration.

    JKSWW-31-389_F6.gif

    Result of CEB efficiency with retention time at 10 ˚C.

    Table

    Operating condition of Pilot plant

    Specification of membrane

    Operating conditions of lab-scale reactor

    Pre-test results to determine CEB pressure points

    Experimental condition for deriving CEB efficiency with temperature

    Analytical methods and instrumentation

    References

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