The anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) is a technology that is integrated with an anaerobic digestion process and membrane process, which can convert organic pollutants in wastewater into biogas as renewable energy, and by the usage of the membrane, hydraulic retention time (HRT) and sludge retention time (SRT) can be decoupled allowing the independent control. From these advantages, it is possible to reduce the total energy consumption by about 50% compared to the conventional wastewater treatment plant (WWTP). However, due to the occurrence of membrane fouling, which is the blockage of the membrane pore, more pressure is demanded on the pump for permeate production with the constant flux, and backwashing is required to reduce membrane fouling. This accounts for a significant amount of the total energy consumption in the AnMBR system, accounting for about 43% of the total energy consumption.
In this study, the energy-negative pressurized-anaerobic membrane bioreactor (p-AnMBR) has been developed by utilizing auto-generative pressure from biogas production and produced permeate flow and backwashed membrane without the usage of the pump.
The operation of p-AnMBR consists of four stages: the inflow stage of wastewater, the pressure build-up stage by the anaerobic digestion process, the permeate production stage, and lastly, the backwashing stage. The operation method for the p-AnMBR is developed by classifying a total of five operating factors which have been derived from fixed factors, such as the total volume of the reactor and the effective filtration area or else; permeate flux, operating pressure, gas production rate, void volume ratio, and hydraulic retention time. For operating 2 cycles of permeate production in one day, the operating factors have been determined by the theoretical calculation and experimental data (Flux: 15 LMH, Operating pressure: 3 bar, Gas production rate: 12.5 mL/min, Void volume ratio: 0.1, HRT: 2 days)
To verify the operation of p-AnMBR, a simulated operation of p-AnMBR has been done by using a mixture of gas (CH$_4$: 60%, CO$_2$: 40%), by comparing theoretical value and experimental value. The experimental time for pressure build-up was 4.1 h, which was similar to the theoretical value of 3.9 h. For the ratio of gas usage, 50 % of gas was used for pressure maintenance in the reactor, and 20 % was dissolved in the sludge for a total of 2.6 L. The CH$_4$ percentage in gas was enhanced to 28 %, compared with the value at normal pressure. The permeate production has been done for 2 cycles, corresponding with the theoretical flow rate and demanded time for 1 cycle. However, due to the occurrence of membrane fouling, only 75% of permeate volume has been produced, increasing up to 2 bar of transmembrane pressure (TMP) before the permeate production.
In conclusion, the pressurized anaerobic membrane bioreactor was developed, and theoretical calculation optimized each operating factor. By simulated operation of p-AnMBR, each operating factor has been compared with the theoretically calculated values, which was showing good agreements. However, as the membrane fouling was severe, more definite strategies for mitigating the membrane fouling should be developed. Also, further researches for fouling propensity, mechanism, and method for recovery of supersaturated biogas is needed.
혐기성 막 생물반응기(Anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)는 혐기성 소화 공정 및 막 공정과 통합된 기술로서, 폐수 내의 유기 오염물질을 신재생에너지인 바이오가스로 전환할 수 있으며, 막을 사용함으로써 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)과 미생물 체류시간(Sludge retention time, SRT)을 분리하여 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이러한 장점을 통해 기존 폐수처리공정(WWTP) 대비 공정 운전 시 총 에너지 소비량을 약 50% 절감할 수 있습니다. 그러나, 공극이 막히는 막 파울링(membrane fouling) 현상의 발생으로 인해 일정한 막투과유량을 유지하기 위해서는 펌프에 더 많은 압력이 요구되고, 막 파울링을 감소시키기 위해 역세 공정이 필요하다. 이는 전체 에너지 소비량의 약 43%를 차지할 만큼 AnMBR 시스템의 내에서 에너지 소비량이 높은 장비이다.
본 연구에서는 바이오가스 생산에 따른 자가발생 압력을 활용하여 에너지 소비를 저감할 수 있는 가압 혐기성 막 생물반응조(Pressurized anaerobic membrane bioreactor, p-AnMBR)를 개발하여 펌프를 사용하지 않고 투과수를 생산하고 막의 역세 공정까지 진행하고자 하였다.
p-AnMBR의 운전 방법은 총 단계로 이루어지면 순서대로, 폐수 유입단계, 혐기성 소화과정에 의한 압력상승단계, 투과수 생산 단계, 마지막으로 역세 단계로 구성된다. p-AnMBR의 운전방법은 반응조의 총 부피 및 유효여과면적 등 실험환경에 의해 고정된 인자들로부터 도출된 총 5개의 운전인자(운전 막투과유량, 운전압력, 가스생성속도, 공부피율, 수리학적 체류시간)를 분류하여 개발하였다. 하루에 2 사이클의 투과수 생산을 진행하기 위하여 이론 및 가정을 통해 각 운전 영향인자에 해당하는 공식을 정의하였으며 투과수 생산 방법에 의해 각각의 운전 영향인자들을 점차적으로 제한하면서 최종적으로 최적화시켰다. (Flux : 15 LMH, 운전압력 : 3 bar, 생산속도 : 12.5 mL/min, Void volume ratio : 0.1, HRT : 2 day)
p-AnMBR의 개발과 운전방법을 검증하기 위해 이론값과 실험값을 비교하여 혼합가스(CH$_4$:60%, CO$_2$:40%)을 이용한 p-AnMBR의 모사 운전 실험을 수행하였다. 목표압력까지 도달하는데 소요된실제 시간은 4.1시간으로 이론값인 3.9시간과 유사하였으며, 반응조 운전 시 사용된 가스의 이용 비율은 반응기 내 압력유지를 위해 50%, 가압상태에 의해 슬러지 내 용해된 비율 20%였으며, 반응조 운전을 통해 실제 생산할 수 있는 총 누적 가스량은 30 %로, 총 2.6L가 생산되었다. 기체 내 CH$_4$ 비율은 상압에서의 값과 비교하여 28%로 향상되었다. 누적 투과수 생산량에 경우, 첫 사이클이 진행 시 투과수 생산량은 기존 시간에 따른 이론값과 매우 유사한 2.3L를 생산하였으나, 멤브레인 파울링의 발생으로 인해 두번째 사이클의 경우 목표 투과 유량의 75%만이 생산되었으며, 투과수 생산 종료 이전에 최대 막간 차압(Transmembrane pressure, TMP)인 2 bar에 도달하였다.
결론적으로 가압 혐기막 생물반응기를 성공적으로 개발되었으며, 이론을 기반으로한 가정들과 고정인자간의 관계를 통해 운전영향인자를 최적화하였다. p-AnMBR의 반연속식 운전에 의해 각 운전영향인자들의 최적화된 값을 기반으로 도출된 이론값과 실험값을 비교하여 선형적으로 일치하는 경향성를 보였다. 그러나, 막 파울링이 심했기 때문에, 막 파울링을 완화하기 위한 보다 확실한 전략이 개발되어야 한다. 또한, 막 파울링 성분의 특성 및 메커니즘 그리고, 용해된 바이오가스의 회수 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
