Saline wastewaters, generated from food processing, canning, petroleum, and petrochemical industries, are usually difficult to treat with conventional wastewater treatment processes. Application of membrane bioreactors (MBRs) in high salinity wastewater treatment may overcome low biodegradation rates and poor sludge settling in the secondary sedimentation basin. We investigated the influence of salinity variation on the treatment performance of biological reactor and biomass characteristics using four 7-L submerged MBRs. The MBRs were subjected to four different NaCl loadings of 0, 5, 10, and 20 g/L. Two different types of shock load scenarios-stepwise and instant shock mode-- were compared. Removal efficiencies of dissolved organic carbon (DOC) and NH3-N were monitored to evaluate the overall performance of the MBRs at different salt loading rates. Saline inhibition due to the high salt loadings significantly reduced NH3-N removals in the initial phase of the MBR operation. However, removal efficiencies of NH3-N were gradually recovered in 10-50 days of operation (i.e., recovery periods). The recovery periods were longer in MBRs with higher salt loadings. Several physicochemical and biological characteristics of biomass (e.g., extracellular polymeric substances, zeta potential, MLVSS, particle size, and molecular weight distribution) were measured to assess the effect of high salinity on biomass characteristics and their relationships with membrane fouling. High salinity adversely impacted the properties of biomass and membrane filtration: decreased MLVSS concentration, increased EPS concentration, and accelerated membrane fouling. PCR-DGGE analysis results indicated that microbial diversity was decreased in MBRs at high salt concentration. But, Nitrosomonas eutropha and Nitrosomonas europaea were still present at the 20 g/L of salt and its intensity was especially increased with increasing salt concentration. This result may be a direct cause of recovery of NH3-N treatment efficiency.
염분 폐수는 수산물 가공, 절임 공정, 화학 및 석유 산업을 포함한 다양한 산업분야에서 발생되지만, 전통적인 생물학적 폐수처리공법으로 처리에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 막 결합 생물반응조 (MBR)는 고농도 염분폐수 처리에 있어서 기존의 하수처리장에서 발생되는 낮은 생분해율과 2차 침전지에서의 슬러지 침전율 저하 (슬러지 벌킹)의 문제를 극복할 수 있는 공법으로 평가된다. 본 실험에서는 7L의 호기성 MBR 반응조를 사용하여 염분 농도에 따른 MBR공정에서의 처리효율 변화와 슬러지 특성 및 미생물 군집 변화를 관찰하고 이에 따른 MBR반응조 운전에서의 막 오염 특성에 관한 연구를 수행하였다. 염분 농도는 0, 5, 10, 20 g/L로 모사하였고, 또한 단계적과 지속적인 염분 농도 주입으로 슬러지의 염분 적응에 따른 처리효율 변화를 관찰하였다. 염분 농도에 따른 MBR반응조의 처리효율을 평가하기 위하여 유출수 내의 용존 유기탄소 (DOC)와 암모니아성 질소 (NH3-N)를 분석하였다. 염분에 의한 처리효율의 저해는 용존 유기 탄소 제거율 보다 암모니아성 질소 제거율에서 크게 나타났다. 하지만 감소된 암모니아성 질소 제거효율은10~50일 (처리효율 회복기간) 후에 다시 회복되는 경향을 나타내었다. 처리효율 회복기간은 염분농도가 높을 수록 더욱 길어지는 것으로 관찰되었다. 또한, 염분 농도 변화에 따른 슬러지 특성변화를 관찰하기 위하여 미생물 체외 분비물질 (EPS), 제타 전위, 입도 분석, MLSS, 분자량 분포 (MW)를 분석하였고, 이에 따른 막 오염 특성의 경향을 분석하였다. 염분 농도의 증가는 슬러지 특성에 부정적인 영향 (MLVSS 농도 감소, EPS 생산량 증가, 슬러지 플록의 약화)을 끼쳤고, 또한 이러한 슬러지 특성 변화는 공극 막힘 현상을 가속화 시켜 막 오염 현상을 가속화 시키는 MBR운전에서의 부정적인 영향을 끼쳤다. PCR-DGGE분석을 통한 염분농도에 따른 미생물 군집 변화를 관찰한 결과, 염분 농도가 증가함에 따라 미생물의 다양성이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 높은 염분 농도 (20 g NaCl/L)에서도 질산화 미생물 Nitrosomonas eutropha 와Nitrosomonas europaea 종의 존재를 확인하였고 미생물 농도 또한 더욱 강해진 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 미생물 군집 변화는 높은 염분농도에서 암모니아성 질소 제거효율이 다시 회복되는 현상의 직접적인 원인이라고 판단된다.
