Recent studies on wastewater treatment using MBR have focused on nutrient removal Although these MBRs have shown improved nitrogen removal, phosphorous has not been removed in significant amounts by these systems. Building upon such previous work, a vertical MBR composed of anoxic and oxic zones in one reactor has been fabricated and operated for about three years, which due to its physical structure, is expected to challenge current problems related both to the effective removal of pollutants from wastewater and the reduction of membrane fouling.
From the study about the development of operating factors of the vertical MBR, it could be concluded that the optimum internal recycle rate and HRT were found to be 4Q and 8 hours, respectively. Under these conditions, the average removal efficiency of total nitrogen was 75% and total phosphorus was 71% at a COD/T-N ratio of 10, respectively.
In the laboratory-scale vertical MBRs fed with various substrates (sodium acetate, propionic acid and glucose), total removal of particulate matter below detection level for suspended solids was possible and high removal efficiency of COD was (> 95%) observed regardless of operating conditions. In addition, it was found that the average removal efficiency of total nitrogen was 79% for all the MBRs. However, total phosphors removal efficiency decreased in order of the acetate fed MBR (87%), the propionic acid fed MBR (83%), and the glucose fed MBR (78%) at COD/T-N ratio of 10. When the condensate of food waste (CFW) was supplemented, phosphorus removal efficiency was improved and several kinds of PHAs were detected inside the cells. As based on the results of the lab-scale study, a pilot-scale vertical MBR treating municipal wastewater with a low COD/T-N ratio of 5.5 was operated for about two years. Removal efficiencies of total COD, T-N and T-P averaged 96%, 74% and 78%, respectively at 8 hours HRT and internal recycle rate of 400%. Subsequently, as the CFW was supplemented, the T-N and T-P removal efficiencies increased to 81% and 91%, respectively. Remarkable differences were not found in nutrient removal efficiency at differing temperatures (13 - 25℃). The effluent quality of the pilot-scale MBR treating municipal wastewater could satisfy all the listed items except for ammonia-N of the current drinking water standards of Korea and drinking water standards issued by the WHO.
From the membrane fouling study, it was found that the anoxic/oxic series MBR exhibited a greater fouling tendency that the vertical MBR due to relatively high concentration of MLSS in the oxic zone. A comparison between the laboratory-scale and the pilot-scale vertical MBRs revealed that high fouling potential was observed in the pilot-scale MBR maintaining high MLSS concentration at an SRT of 60 days. In the pilot-scale MBR, as HRT decreased from 10 to 4 hours, EPS concentrations and hydrophobicity increased and the nominal particle size decreased deteriorating sludge settleability and membrane resistances. The air backwashing was more efficient than the air punch because it could reduce membrane fouling caused by adsorption, pore blocking, and cake layer formation.
From the population dynamics analysis, it was found that the number of microbial species decreased as the COD/T-N ratio decreased from 10 to 5 in the laboratory-scale MBRs fed with synthetic wastewater. Species of the beta subclass of Proteobacteria, which were predominant in the laboratory and pilot-scale MBRs, are considered to play an important role in EBPR. In addition, Geothrix fermentans, which is able to use various simple organic acids such as acetate, propionate, lactate and fumarate for growth, appeared when the CFW was supplemented.
From the mathematical, it was concluded that daily sludge production (DSP) from the vertical MBR was only 4% of total DSP from the CASP. The produced sludge was consisted of the biomass synthesis by organic oxidation (10.8%), nitrification (32.1%), and denitrification (57.1%) in the vertical MBR. In case of membrane fouling, the difference between measurement and simulated values could be occurred due to insufficient accuracy of the model parameters (EPS formation coefficient and EPS hydrolysis rate constant). Two parameters were optimized minimizing error between experimental data and prediction value.
최근 하폐수처리 분야에 측류식 (side stream-type) 및 침적형 (submerged-type)의 막 결합 생물 반응조 (membrane bioreactor)가 다양한 형태로 적용되고 있다. 침적형 분리 공정은 측류식 공정에 비해 막 외부의 연결된 펌프에서 감압하여 투과수를 얻는 감압식으로 운전되어 상대적으로 폐색의 위험이 적고 동력비가 적게 소모되는 장점이 있다. 1990 년대 이후로 침적형 공정의 상용화가 급격히 진행되어 현재 전세계적으로 널리 이용되고 있는 실정이다. 하수 처리 분야에 있어서, 초기의 침적형 막 결합 생물 반응조의 주요한 역할은 막 분리에 의한 안정적인 고형물 제거 및 고농도 미생물 유지에 따른 질산화 효율 향상이었다. 그 이후, 탈질을 위해 분리 막을 포함하는 호기조의 앞단 또는 후단에 무산소 반응조가 추가되었다. 국내에서도 다양한 형태의 막 결합 생물 반응조가 개발 또는 이용되고 있는데, 본 연구에서는 저농도 유기물을 함유하는 하폐수로부터 변화하는 환경에서도 안정적으로 유기물 및 질소, 인 등의 영양염류를 제거하기 위하여, 부지 및 에너지 절약이 가능한무산소조, 호기조 일체의 수직형 막 결합 생물 반응조를 개발하였고 다양한 운전 조건에서 성능 평가를 수행하였다.
새롭게 개발된 수직형 막 결합 생물반응조의 적정 운전 조건을 도출하기 위하여 실험실 규모의 반응조 (32L)를 고형물 체류시간 (SRT) 30 일에서 약 1 년간 운전하며 내부 순환율, 수리적류시간 (HRT), 유입수의 COD/T-N 비를 변화시켜가며 유기물 및 영양염류의 제거 효율을 평가하였다. 그 결과, 내부 순환율 400%, HRT 8 시간, COD/T-N 비 10 에서 각각 75%, 71%의 질소, 제거 효율을 달성할 수 있었다. 그리고, 적정 운전조건에서 유입수의 유기물 기질을 sodium acetate, propionic acid, glucose 로 다양화시켜 420 일간 운전하였을 때, 미생물 순응에 의하여 COD/T-N 비 10 에서 기질 종류에 상관없이 질소 제거효율은 약 80%, 인 제거 효율은 acetate 기질의 경우 87%, propionic acid 기질의 경우 83%, glucose 기질의 경우 78%로 나타났다. 보조 탄소원으로 음식폐기물의 산발효 산물인 응축수를 주입하였을 때, 질소, 인 제거 효율이 향상되는 것이 관찰되었으며, 생물학적인 제거에 관련된 세포 내 저장 물질인 PHA 의 종류가 다양화 되는 것으로 조사되었다.
한편, 실험실 규모 반응조로부터 도출된 운전 조건을 적용하여, 파일롯 규모 (1,333L)의 반응조를 제작하였으며, 고형물 체류시간 (SRT) 60 일에서 생활 하수 (COD/T-N = 5.5)를 유입수로 주입하여 660 일간 운전하였다. HRT 8 시간에서 고형물, 유기물, 질소 및 인의 평균 제거효율은 각각 100%, 96%, 74% 그리고 78%로 나타났다. 보조 탄소원으로서 응축수를 유입수 유량의 0.86%로 주입한 경우 질소, 인 제거 효율이 각각 81%와 91%로 증가하였다. 전체 운전 기간 동안 수온은 13 - 25°C 범위에서 변화하였는데, 겨울철 온도가 낮아진 경우에도 질산화 및 인 제거 효율에는 큰 변동이 없었다. 파일롯 규모 반응조 유출수의 수질을 분석한 결과 암모니아성 질소 항목만 제외하고는 우리 나라의 먹는 물 수질기준에 적합하고, 중수도 수질기준은 모두 만족하는 것으로 판단되었다.
또한 실험실 및 파일롯 규모의 수직형 막 결합 생물 반응조를 운전하며, 변화하는 다양한 운전 조건에서의 막 오염 특성을 파악하고자 하였다. 그 결과, 수직형 반응조의 구조적 특성상 하부 무산소조에는 상대적으로 고농도의 미생물이 유지되었고, 상부 호기조에서 상대적으로 저농도의 미생물이 유지되어 호기조에 침적된 막의 오염이 늦게 진행되는 현상이 관찰되었다. 물리, 화학적 및 생물학적 막 오염 인자를 분석한 결과 막 표면에 biofilm 형성과 밀접하게 관련된 미생물 체외 분비물인 EPS 등이 전체 막 저항을 증가시키는 주요한 원인임을 규명하였다. 이러한 생물학적 막 오염 인자를 제어하기 위해 압축 공기를 사용한 두 가지 막 오염 복원 기법이 적용되었다. 그 결과 막 내부에서 외부로 압축 공기를 주입한 경우가, 막 표면에서 압축 공기를 적용한 경우보다 효과적으로 막 오염을 저감할 수 있었으며, 동일한 운전 기간 동안 세정을 하지 않은 경우보다 3 배 큰 투과 유속 (permeate flux)을 얻을 수 있었다.
전체 운전 기간 동안에 실험실 및 파일롯 규모의 수직형 막 결합 생물 반응조내의 미생물의 변화를 분자 생물학적 기법 (PCR-DGGE)을 사용하여 관찰하였다. 그 결과 실험실 규모 반응조에서는 초기 식종한 활성 슬러지에 비해 유입수의 COD/T-N 비가 감소할 때 미생물의 종 (species)수가 감소하는 현상이 관찰되었고, 운전 기간이 경과함에 따라 초기에 다양했던 미생물 종이 Proteobacteria beta subcalss 로 단일화 되는 것을 알 수 있었다. 파일롯 규모 반응조에서는 운전 기간 변화에 따른 미생물 종의 큰 변화는 관찰되지 않았다.
마지막으로 수직형 막 결합 생물반응조에서의 슬러지 발생량과 막 오염 발생을 예측하기 위해 모델링 기법을 적용하였다. 그 결과 수직형 막 결합 생물 반응조의 일 슬러지 생산량 (daily sludge production)은 표준 활성 슬러지 공법의 4% 수준으로 나타났고, 반응조내의 미생물은 유기물 산화, 질산화 및 탈질에 의해 각각 11%, 32% 및 57% 비율로 합성되는 것으로 나타났다. 주요한 막 오염 인자인 EPS 의 발생량과 막 오염 진행 현상을 예측하기 위한 모델링에서는, 기존의 문헌에서 제시된 EPS 합성 및 분해 계수를 적용한 경우에 모델 결과 값과 실제 측정값 사이에 큰 차이를 나타내어서, 인자 보정 (parameter optimization)을 통하여 수직형 반응조내의 EPS 합성을 효과적으로 예측할 수 있는 새로운 계수 값을 도출하였다. 그 결과 막 오염 발생 초기에는 EPS 농도 증가와 막간 차압 (TMP) 사이에 직접적인 상관 관계가 있는 것을 확인하였고, 운전 기간이 경과 할수록 EPS 농도는 안정화 되어 그 후에 진행되는 막 오염은 EPS 이외에 biofilm 형성에 의한 중공사 모듈 자체의 엉김 및 결합 현상 (interfiber clogging) 등에 의해 심화되는 것으로 판단되었다.
