Biofilm growth is a major problem in membrane-coupled water and wastewater treatment processes because it leads to higher pressure loss, chemical cleaning and shortened membrane life. Among the various stages of membrane fouling, initial deposition. is the most important step as the formation of foulant layer on membrane surface is progressed in order of initial deposition, extracellular polymers (EPS) growth and stabilization. For better management of fouling phenomena, control of initial deposition is one of the most essential and effective strategies. Generally, the attraction and repulsion force of microorganism can be predicted and measured by DLVO theory which includes surface characteristics as main parameters.
In DLVO theory, main parameters which induce DLVO forces are surface characteristics of microorganism including zeta potential of the membrane and particle. Therefore, the initial deposition of microorganism is greatly affected by surface structure of the particles such as EPS layer. However, conventional DLVO theory has limitation because it assumed microorganism as hard particle ignoring the surface structure. The soft particle theory which is focused on the existence of EPS-considered surface layer has been proposed recently. In conjunction with soft particle theory, more accurate surface potential of microorganisms can be predicted.
In this study, initial attachment and detachment of yeast cells on membrane surface was conducted to compare feasibility of modified DLVO theory with conventional DLVO theory. Direct observation system (DOB), which is a tool for membrane fouling study, is applied to increase the accuracy of attachment and detachment force measurement. Cake layer formation on membrane surface was quantified with the cross flow microfiltration DOB system under various ionic strength and crossflow velocity to justify the modified DLVO theory.
Membrane fouling의 가장 주된 원인은 장기운전에 의한 미생물이 막 표면에 흡착되어 발생하는 생물학적 막 오염(biofouling)으로써 이러한 biofouling을 예측하는 방법을 개발하는 것은 막 오염을 해석하고 새로운 막 공정 개발을 통해 막공정을 도입하기 위한 중요한 과제이다.
물리화학적 관점에서 미생물의 흡착을 바라봄에 있어서 세포의 표면 성질이 흡착에 중요한 역할을 하는데 이러한 성질들을 통해 세포에 작용하는 힘들이 DLVO 이론을 통해 모사된다. DLVO 이론에서 미생물의 부착 특성은 콜로이드와 입자 사이에 작용하는 van der Waals 인력과 정전기적 반발력의 합으로 표현되며 표면 전하, 표면 에너지 등 여러 가지 변수에 의해 좌우된다. 여기에, Biofouling에 있어서 EPS의 역할이 주목됨에 따라 EPS를 고려해 표면 전위를 추정하는 Soft particle theory가 제시되었는데, 이를 적용한 DLVO이론은 기존의 전통적인 DLVO 이론에 비해 미생물 입자의 특성을 바라보는 보다 정확한 시야를 제공한다. 본 연구에서는 Membrane 공정에 있어서 biofouling을 해석하고 예측하는 데 Soft particle theory의 적용성을 실제 미생물을 이용하여 실험적으로 증명하였다.
미생물 부착의 직접적인 관찰을 위해 Lab scale의 정밀여과장치를 이용하여 cross flow에서의 탈부착을 관찰하였고 여기서 얻은 영상을 변환하여 부착속도를 계산해낼 수 있었다. 염색된 효모 입자가 포함된 용액을 친수 처리된 평막에 여과시켜가면서 부착을 관찰한 결과, 이온강도가 증가함에 따라 표면전위가 감소하여 부착 속도가 증가하는 것이 관찰되었으며, 이온의 종류와, 원자가에 따라서도 경향이 달라지는 것이 관찰되었다.
