1. 서 론

침지식 분리막 생물반응기(membrane bioreactor, MBR) 공정은 기존 활성슬러지(conventional activated sludge, CAS) 공법에서 사용하는 활성슬러지 폭기조내에 분리 막을 침전시켜 투과수를 생산 가능하므로 추가적인 침 전조가 불필요하여 소요 면적을 크게 줄일 수 있는 큰 장점이 있다. 또한 분리막으로 입자성 물질이나 박테리 아와 바이러스 등의 분리도 향상과 활성슬러지 반응조 내에 MLSS 농도를 높게 유지할 수 있어서 생물학적 측면에서도 매우 효과적인 방법이다. 따라서 지난 10여 년 동안 대규모 수처리 공정에 적용되면서 2014년 현 재 MBR 세계시장 규모는 5,000억원 규모에 이르렀고, 매년 약 13%씩 성장하여 2019년에는 9,000억원 규모이 며 향후에도 하·폐수처리의 고도화, 수자원 부족에 따 른 방류수 재활용 등으로 그 수요가 급증할 것으로 전 망되고 있다[1]. 그러나 운전시간에 따라서 여과 공정 특성상 불가피하게 발생하는 분리막의 오염 관리, 막대 한 공기 공급에 따른 에너지 비용 및 응용 분야에 적절 한 공정 설계 및 운전 방안 등의 어려운 문제가 있다. 더욱이 최근에 사회적으로 큰 이슈가 되고 있는 에너지 절약과 관련하여 MBR 공정의 에너지 사용량은 지난 10년간 지속적으로 감소하여 0.4 kwh/톤 정도에 이르 렀지만 계속해서 에너지 절감 기술의 개발이 가중되는 실정이다. MBR 공정의 에너지 절감을 위한 방안으로 는 고집적 모듈의 개발 및 시스템 배열, 효율적인 산기 기술, 에너지 절감 세척 기술 및 분리막 오염 방지 기술 등이 있다. 산업적으로는 프리엔드(free-end) 중공사 모 듈[2], 역세척[3], 간헐적 산기[4], 응집제 주입[5,6] 및 분말 활성탄을 추가하여 유/무기물 제거와 동시에 물리 적 세척[7] 등의 다양한 기술이 적용되고 있다. 또한 GE WPT사는 에너지 소비량을 30% 감소시킬 수 있는 ZeeWeed 분리막을 개발하였으며 Pentair사는 역세척이 가능한 X-flow 관형막을 개발하여 투과유속을 40% 증 가시키고 에너지 사용량을 35% 줄일 수 있다고 발표하 였다[8].

또한 Inge사가 개발한 다공성 구조를 지니는 중공사 형 분리막은 기존 중공사막의 단점인 기계적 강도를 보 강하여 기계적 세척이나 역세척이 가능하다. 분리막이 오염될 경우에도 강력한 세척이 가능하므로 가압식 방 식으로 적용할 경우 약 50%의 에너지를 절감할 수 있 었다[9-11]. 이 밖에 침지형 분리막의 대표적인 막오염 제어방식인 여과운전/정지이완(filtration/relaxation, FR) 방식과는 달리 흡입 펌프를 정지하지 않고 투과 유속을 연속적인 사인파형으로 변화시켜 막오염을 제어하는 이른바 사인파형 투과 유속 연속운전(sinusoidal flux continuous operation, SFCO)이 보고되었다[12,13]. 또한 SFCO 운전방식은 흡입 펌프를 연속적으로 운전하므로 펌프 재가동에 대한 에너지 절감효과를 기대할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 자기 지지성(self-supporting)을 지니고 견고하며 또한 역세척에도 잘 견딜 수 있는 가 압식 in-to-out 형태의 다공성 중공사형 분리막을 침지 식 MBR에 적용하였다. 실험실적으로 운전이 가능한 소규모의 모듈을 제작하였고, FR과 기존의 FR에 역세 척을 추가한 FR/BW 그리고 SFCO의 3가지 운전 방식 으로 투과 실험을 수행하였다. 투과 유속, 공급 공기량 등의 운전 조건에 따른 분리막 오염도를 흡입 압력으로 확인하였으며 이에 따른 최적의 운전 방식을 제시하고 자 하였다.

2. 실험 장치 및 실험 방법

2.1. 다공성 중공사형 분리막 모듈

투과 실험에 사용한 분리막은 P사의 PVDF 재질로 공칭 세공크기가 0.2 μm인 2가지 종류의 다공성 중공 사형 분리막을 사용하였으며 자세한 규격은 Table 1과 같다. A, B type 분리막은 최대 외경이 각각 6.4 및 4.2 mm인 육각 형태로 되어 있으며, 각각의 내부에는 1.4 및 0.8 mm 직경의 bore가 Fig. 1(a)에서와 같이 중간에 3개 그리고 아래와 위에 각각 2개로 총 7개로 이루어져 있다. 투과 실험에 사용한 분리막 모듈은 Fig. 1(b)와 (c)와 같이 가닥수 2개 그리고 20 cm 길이로 제작하였 으며 이에 해당되는 type A와 B의 유효 막면적은 각각 80, 53 cm² 이었다. 분리막 모듈의 끝부분은 용액 내에 서 자유롭게 떠있는 프리엔드 형태이며 원료용액이 투 입되지 못하도록 에폭시 접착제로 밀봉하였다. 또한 침 지형 모듈을 통하여 처리된 투과수를 원활하게 수집하 기 위하여 3/8 inch PVC 튜브에 에폭시 접착제로 밀봉 하여 사용하였다.

2.2. 활성 슬러지 특성 및 수질관리

실험에 사용한 활성 슬러지는 E사의 주정 폐수를 사 용하였으며 실험에 적합하도록 별도의 생물 반응조를 설치하여 활성 슬러지 용액을 관리하였다. 활성 슬러지 의 MLSS 및 수질 유지를 위하여 인공폐수 70 L를 Table 2와 같은 조성으로 제조하였으며, HRT 37시간 기준으로 일정하게 주입하고 같은 양을 침지형 분리막 을 사용하여 연속적으로 배출하므로서 활성 슬러지 용 액의 수위를 일정하게 유지할 수 있었다. 활성 슬러지 의 수질은 Table 3과 같이 MLSS를 8,000 mg/L, 용존 산소(Dissolved Oxygen; DO)를 2 내지 4 mg/L 그리고 pH를 7이 되도록 유지하였다. 종벌레(Vorticella) 등의 원생동물이 많으면 슬러지의 침강성과 수질이 좋아지 고, 사상균(Sphaerotilus)이 많아질 경우에는 슬러지의 벌킹 현상이 일어나기 쉬운 조건이 형성되는 것으로 알 려져 있다[14]. Fig. 2(a)는 Vorticella 등의 원생동물, Fig. 2(b)는 사상균을 현미경으로(Eclipse Ci, Nikon) 촬 영한 결과이다. 따라서 분리막의 오염도에 큰 영향을 미치는 슬러지 상태를 관리하기 위하여 투과 실험 전에 현미경으로 슬러지를 관찰하였으며 또한 주기적으로 확인하여 활성슬러지 용액을 교체하였다.

2.3. 실험 장치

MBR 실험 장치의 개략적인 흐름도는 Fig. 3과 같다. 4 L 크기의 MBR 반응조(1)에는 2개의 동일한 20 cm 길이의 다공성 중공사형 모듈(2)이 침지되어 있다. 중공 사형 모듈은 각각의 펌프(3, 4)와 압력계(6, 7, Sensys PTDC-100, RCIA)로 연결되어 독립적으로 FR 및 SFCO 방식의 투과실험을 수행할 수 있었다. 역세척 운 전을 위한 펌프(5)를 별도로 설치하여 수동으로 조작하 였다. FR 운전의 투과 주기중 역세척조(8)에 수집한 투 과수를 펌프(5)로 역세척하였고, 남은 투과수는 활성슬 러지 MLSS 농도 유지를 위하여 MBR 반응조로 재순 환시켰다. 투과 운전시간에 따른 흡입 압력은 압력계(6, 7)로 측정하였으며 UTP 케이블로 연결된 컴퓨터(9)에 실시간으로 자동 기록되었다. 또한 펌프(10)을 사용하 여 호기성 MBR 반응조 내로 공기를 공급하였다. 공기 의 유량은 유량계(11)로 조절하였으며, MBR 반응조 크 기에 적절한 삼각기둥 모양의 산기관(12)을 통하여 공 기를 분산시켜 공급하므로서 활성 슬러지가 침강되지 않고 자연적으로 순환시킬 수 있었다.

2.4. 실험 방법

2.4.1. 투과 실험

본 실험은 통상적인 MBR 운전방식인 FR과 투과유 속을 멈추지 않고 연속적으로 운전하는 SFCO 방식을 기반으로 수행하였다. 2개의 동일한 중공사형 모듈을 제작하여 MLSS 8,000 mg/L인 활성슬러지 반응조에 침지시켜 동일한 조건에서 투과실험을 진행하였다. FR 및 SFCO 운전모드의 주기는 12분으로 동일하게 설정 하였다. FR 운전방식의 경우는 10분간 투과 운전후에 2분 동안 펌프를 정지하고 분리막을 이완시켰다. SFCO 운전방식은 FR 운전방식의 12분 주기 동안의 투과량과 같도록 이 Fig. 4(a)와 같이 Labview 프로그램을 이용 하여 1분 단위로 흡입펌프의 rpm을 sine파형으로 변화 시키면서 Fig. 4(b)와 같이 연속적으로 운전하였다. 또 한 분리막의 비가역적 오염 또는 파손을 막기 위해 흡 입압력이 50 kPa에 도달하거나 또는 12분 주기로 최대 100회까지 반복하여 투과 실험을 실시하였다.

본 실험에서의 운전 변수는 투과 유속, 공기 유량 및 막모듈 type을 변화에 따른 FR, SFCO 및 역세척을 동 반하는 FR/BW 운전방식에 대한 분리막 흡입 압력을 비교 측정하였다. 투과 유속은 30, 40, 50 L/m²⋅hr까지 증가시키면서 실험하였으며, 공기 유량은 2, 3, 4 L/min 로 각각 운전하였다. HRT는 type A 모듈 기준으로 투 과 유속 30, 40, 50 L/m²⋅hr일 경우, 각각 16.7, 12.5 그리고 10.0 hr에 해당된다. 투과 실험의 기준이 되는 조건은 투과 유속 40 L/m²⋅hr, 공기 유량 2 L/min으로 설정하였다. 다만, FR/BW 운전방식의 경우 실험의 용 이성을 위하여 50 L/m²⋅hr를 기준으로 비교하였다.

2.4.2. 역세척 방법

FR 운전방식에 역세척 펌프를 추가하여 투과를 정지 하고 분리막을 이완시키는 동안에 역세척을 실시하였 다. 10분간 투과 후 2분간 정지할 때 흡입 펌프에서 관 을 분리한 후 역세척용 펌프와 연결하여 1분 동안 역세 척 하였다. 역세척 유량은 실험 중 FR 방식 투과량의 1/10에 해당하도록 30, 40, 50 mL/min로 설정하여 실 시하였다. 활성슬러지 반응기 내의 미생물에 영향을 미 치지 않기 위해 화학적인 역세척은 실시하지 않았으며 역세척 후 남은 투과수는 MLSS를 일정하게 유지하기 위하여 반응기 내로 전량 회수시켰다.

2.4.3. 분리막 세정

분리막 모듈을 재사용하기 위하여 매 실험이 끝난 후 물리적, 화학적 세정을 실시하였다. 물리적 세정의 경우 스펀지를 이용하여 표면의 이물질을 제거한 후, 5분간 순수로 역세척을 실시하였으며, 그 후 분리막 모듈을 NaOCl 0.5 wt% 수용액에 1시간 동안 침지시켜 화학적 으로도 세척하였다. 분리막 세정 작업을 마친 후에 10 분간 30 L/m²⋅hr의 투과 유속으로 순수를 투과시킨 후 흡입 압력이 초기 흡입 압력의 10% 이내일 경우 분리막 세척 작업을 마치고 새로운 투과 실험을 진행하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1. 투과 유속에 따른 흡입 압력

FR, SFCO 운전방식에 대하여 투과 유속을 30, 40 그리고 50 L/m²⋅hr까지 증가시키면서 측정한 흡입 압 력을 Fig. 5에 나타내었다. 투과 유속이 30 L/m²⋅hr인 FR 운전방식의 경우는 Fig. 5(a)에서와 같이 운전시간 760분까지 흡입 압력이 선형적으로 증가하여 18.6 kPa 에 이르렀으며 그 이후에는 기울기가 증가하여 1,200분 에는 29.7 kPa에 도달하였다. 그러나 SFCO 운전방식은 운전시간에 따라서 거의 선형적으로 증가하여 1,200분 에 25.7 kPa로서 FR 방식보다 13% 정도 낮게 측정되 어 결과적으로는 막오염을 효과적으로 저감시키는 운 전방식임을 알 수 있었다. 투과 유속을 40 L/m²⋅hr로 증가시키면 Fig. 5(b)에서와 같이 초기에는 SFCO 운전 방식의 흡입 압력이 FR의 흡입 압력보다 높게 유지되 었지만, 476분에는 45 kPa로 동일하였다. 그 이후에는 FR 방식의 흡입 압력이 SFCO의 흡입 압력보다 높게 나타났으며, 514분에는 FR 방식의 흡입 압력이 50.0 kPa에 도달하여 투과 실험을 중단하였다. 이 때에 SFCO 방식의 흡입 압력은 47 kPa로서 FR 방식보다 6% 낮게 나타났으며, 초기 막오염 정도와 실험 오차 범위에서 SFCO 및 FR 방식의 흡입 압력은 비슷하게 증가하였다. 계속해서 투과 유속을 50 L/m²⋅hr까지 증 가시킬 경우, 흡입 압력을 Fig. 5(c)에 나타내었다. SFCO 방식의 흡입 압력은 급격히 증가하여 제13주기 중에는 50.0 kPa에 도달하여 실험을 중단하였다. 이 때 에 FR 방식의 흡입 압력은 44.9 kPa으로 SFCO 흡입 압력보다 11% 낮았으며, 이는 FR 방식이 SFCO보다 오히려 막 오염 제어에 효과적임을 알 수 있었다. 결과 적으로 투과 유속이 낮은 30 L/m²⋅hr에서는 SFCO 운 전방식이 유리하고 중간 상태인 40 L/m²⋅hr에서는 SFCO 및 FR 운전방식이 비슷한 수준이며 투과 유속이 높은 50 L/m²⋅hr에서는 FR 운전방식이 효과적이었다.

투과 유속이 변하는 SFCO 운전방식의 최대 투과유 속 운전시간은 Fig. 4(b)에서와 같이 FR의 경우보다 1/3 이하로 단축되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 막 오염 정도가 상대적으로 작아서 운전 중에 가역적 회복 이 가능한 임계 투과 유속 이하에서는 투과 유속을 연 속적으로 변화시키면서 막 오염도를 조절하는 SFCO 운전방식이 효과적이었다. 하지만, 임계 투과유속 이상 으로 막 오염도가 심각한 상태에서는 투과 조작을 정지 시키고 적극적으로 분리막을 이완시키며 산기되는 공 기로 오염된 모듈을 세척하는 FR 방식이 보다 효과적 임을 확인할 수 있었다[12].

3.2. 공기량에 따른 흡입 압력

투과 유속이 40 L/m²⋅hr일 경우 산기관을 통하여 MBR 반응조에 공급하는 공기량을 변화시킬 경우 흡입 압력을 측정하여 Fig. 6에 나타내었다. 공기량이 2 L/min일 경우 Fig. 6(a)와 같이 FR 운전방식의 흡입압 력이 낮게 나타났으며, 운전시간이 300분일 때 FR 및 SFCO의 흡입 압력은 각각 31.2, 35.6 kPa로 FR 방식이 14% 낮았다. 그러나 공기량을 3 L/min로 증가시켜 분 리막 근방의 물리적인 세척을 증가시키면, Fig. 6(b)에 서와 같이 SFCO 방식의 흡입압력이 낮았으며 300분일 때 FR 및 SFCO의 흡입 압력은 각각 18.4, 16.9 kPa로 SFCO 방식이 8% 낮았다. 계속해서 공기량을 4 L/min 로 더욱 증가시키면 물리적 세척 효과가 더욱 증가하여 Fig. 6(c)에서와 같이 SFCO 방식의 흡입압력이 낮게 나타났으며, 400분일 때 FR 및 SFCO의 흡입 압력은 각각 18.7, 14.3 kPa로 SFCO 방식이 24% 낮았다. 또한 운전시간 300분 기준으로 2 에서 3 L/min로 공기량을 증가시킬 경우, FR 및 SFCO 운전방식의 흡입 압력은 각각 41, 53% 감소하였다. 그러나 계속해서 3 에서 4 L/min로 공기량을 증가시키면 FR과 SFCO의 흡입 압 력은 각각 –2, 15%로 감소하여 공기량 증가에 대한 효 과가 점차 감소함을 확인할 수 있었다.

3.3. 모듈 및 역세척에 따른 흡입 압력

투과 유속이 50 L/m²⋅hr일 경우, 막 모듈에 따른 흡 입 압력 변화와 역세척의 효과를 Fig. 7에 나타내었다. 외경이 큰 type A 모듈의 흡입 압력은 초기의 제2주기 까지는 type B보다 낮았지만, 그 이후에는 급격하게 상 승하여 type B보다 높았다. Fig. 7(a)와 같이 분리막 오 염의 정도가 심각하지 않은 초기 단계에서는 SFCO 방 식의 흡입 압력이 FR보다 낮았지만, 제4주기부터는 SFCO의 흡입 압력이 FR의 경우보다 급격하게 상승하 였다. 그러나 type B 모듈의 흡입 압력은 서서히 증가 하였으며, 제10주기인 120분까지 SFCO의 흡입 압력이 낮았다. Table 4는 제12주기에서의 최대 흡입 압력을 비교하여 요약한 자료이다. 투과 유속이 높을 경우, type A 모듈의 FR 운전방식은 SFCO에 비하여 27% 정 도 막 오염 저감 효과가 있었지만, type B 모듈에 대하 여는 FR 및 SFCO 운전방식이 4% 정도로 비슷한 수준 이었다.

또한 역세척을 실시할 경우, type A, B 모듈의 흡입 압력은 각각 제1주기 12.6, 14.3 kPa에서 제12주기 23.6, 21.5 kPa로 안정적으로 유지되었다. 특히 type B 모듈의 경우는 흡입 압력이 크게 증가하지 않았으며 Table 4에서와 같이 SFCO, FR 및 FR/BW 운전방식에 따른 차이도 4 내지 6%로 별로 크지 않았다. 그러나 막 오염이 심각한 type A에 경우, 역세척을 실시하면 Table 4에서와 같이 제12주기에서 44%까지 흡입 압력 을 감소할 수 있는 효과적인 방법이었다.

결과적으로 심각한 오염을 유발할 수 있는 침지식 MBR에 적용하는 다공성 중공사형 분리막으로서 외경 이 상대적으로 작은 type B 모듈의 흡입 압력이 낮은 것으로 확인되었다.

4. 결 론

다공성 중공사형 분리막 모듈을 활성 슬러지 반응조 에 침지시키고 FR, 연속적인 SFCO 및 역세척을 실시 하는 FR/BW 운전에 따른 흡입 압력을 비교, 분석하였 다. 또한 활성 슬러지내의 미생물 군집을 주기적으로 관찰하여 일정한 상태로 유지하였으며 투과 유속, 공기 유량 및 막 모듈에 따른 투과 실험을 진행하였다.

투과 유속이 낮은 30 L/m²⋅hr에서는 투과 유속을 연속적으로 변화시키면서 막 오염도를 조절 가능한 SFCO 운전방식이 유리하였고, 투과 유속이 높아 막 오 염이 심각한 50 L/m²⋅hr에서는 투과 조작을 일시 정지 시키고 분리막을 이완시키는 기존의 FR 운전방식이 효 과적이었다. 공기량을 증가시키면, 분리막 근방에 물리 적 세정효과가 증가하여 막 오염을 감소시킬 수 있으므 로, 임계 투과 유속이하에서 SFCO 운전방식이 효율적 이었다. 또한 외경이 작은 type B 모듈의 흡입 압력 상 승은 비교적 낮았으며, 비록 type A 모듈의 흡입 압력 은 크게 상승하였지만 역세척으로 40% 이상 저감시킬 수 있었다.

분리막 오염이 심각한 악조건 상태의 MBR 반응조에 침지형 다공성 중공사형 모듈을 적용하여 높은 투과 유속을 유지하면서 동시에 SFCO 방식과 역세척 등을 결 합한 운전기법을 제시하였다.