최근들어 각광받는 MBR 공법의 문제..

[엔젤리카]

MBR(Membrane Bio Reactor) 공법

1. 공법의 개요

 1.1  MBR의 정의

   활성슬러지 공정과 분리막(Membrane) 기술의 장점을 결합하여, 기존 활성슬러지 공정의단점을 해결하고자 중력침전에 의한 고액분리를 막분리로 치환하는 연구가 진행되어 왔는데 이러한 방식들을 활성슬러지 막분리 공정 또는 막결합형 활성슬러지 공정 이라고도 하며, 또한 활성슬러지법에 국한되지 않고 일반적인 생물반응조와 막분리 공정을 결합시킨 것을 총칭하여 분리막 생물반응기(MBR, Membrane Bio Reactor)이라 한다.

  분리막의 세공크기(수㎜~수십㎛)와 막표면 전하에 따라 원수 및 하·폐수 중에 존재하는 처리대상물질(유기, 무기 오염물질 및 미생물등)을 거의 완벽하게 분리, 제거 할 수 있는 고도의 분리공정이다. 특히 국내에서는 방류수 수질기준의 강화에 따라 하수고도처리 공정인 BNR(Biological Nutrient Removal) 공정과 MBR 공정을 결합하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

○ 부유고형물을 100% 제거할 수 있어 슬러지 침강성에 관계없이 안정적인 처리가 가능

○ 활성슬러지법에 비해 미생물 농도를 3~4배 높게 유지하는 것이 가능하여 호기조 용양이 감소하고 유기물 분해가 효과적

○ 침전조가 필요없고 농축조 부피 또한 감소되므로 공정의 Compact가 가능

○ 슬러지체류시간(SRT)의 극대화가 가능하여 질산화를 유도할 수 있으며, 잉여슬러지 발생량이 적어진다.

○ 막 단독으로 제거할 수 없는 저분자 용존 유기물질을 미생물이 분해 또는 균체성분으로 전환시켜 처리수질이 향상

○ 세균이나 바이러스의 제거가 가능

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  MBR은 국내가동실적이 없는 외국도입기술로써 국내 기후와 하수성상에 적합한 운전인자 등을 도출하기 위하여 Pilot Plant를 설치하여 성능시험을 실시할 필요가 있다.

 또한, 막 분리공법에 대하여 분리막의 교체주기, 유지관리비용 및 세정방법(약품종류, 주입량, 세척주기 등)에 대하여는 외국현장 적용실적을 이용해야 하는 실정이다.

1.2  분리막의 개요

○ 기존의 생물학적 공정에서의 침전조 대신 침지형 평막 적용

○ 호기조에서 호기조 슬러지와 처리수를 분리막으로 처리수 배출

○ MBR 공정에 적용되는 분리막은 체거름 현상(여과 원리)에 의해 고액 분리

○ 막세공보다 큰 입자는 배제하고 작은 입자만 처리수로 배출

○ 분리막의 유지관리는 일정한 설계유량을 여과함으로써 분리막의 수명을 고려

○ 운전시간 경과에 따라 여과저항(차압) 증가, 주기적 세정 필요

2. 공법의 특징

○ 경제적 처리공정

• 초기시설비용, 운전관리비용이 기존 생물학적 처리방법에 비해 경제적

• 중수도를 얻을 수 있어 경제적

○ 소요부지면적의 감소

•막을 사용한 고부하 운전 및 고도처리시설의 불필요(설치공간의 1/2이하로 감소)

○ 처리수질의 안정적

•막에 의한 물리적 여과 System으로 탁도물질과 세균류도 배제가 가능

•처리수가 매우 안정적(BOD 및 SS를 5㎎/L이하로 처리가능)

•중수로 재이용할 수 있는 수질을 보증

○ 유지관리가 용이함

•미생물 상태 및 고액분리의 관리가 거의 불필요

•자동화시스템에 의한 제어로 유지관리 인원이 거의 불필요

○ 잉여슬러지 발생량 감소

•높은 MLSS농도(5,000~15,000㎎/L)로 단위용적당 처리량이 증가

•슬러지 체류시간이 길어져 슬러지 자기소화량이 많기 때문에 잉여슬러지가 적게 발생

기존공법 고수시 높은 호환성

•기존 처리장에서 수질 향상 및 슬러지량 증가에 대한 개선시 포기조내에 막 유니트를 설치하여 처리수질을 향상이 가능

3. 하폐수처리분야의 적용

  MBR은 기존 활성슬러지공법보다 다양한 장점을 가지고 있다. 분리막에 의한 완벽한 고∙액 분리가 가능하며, 반응조내에 높은 MLSS농도(5,000~15,000㎎/L)를 유지할 수가 있다. 높은 미생물 농도는 질산화의 효율을 증가시키고 슬러지 체류시간(SRT)이 증가하며 이로 인해 슬러지 자산화가 증가하여 슬러지 발생량이 줄어드는 효과를 가져온다. 이는 슬러지 처리에 소요되는 비용이 전체 폐수처리 비용에서 차지하는 부분이 크기 때문에 MBR의 장점이 부각 될 수 있다. 또한 침전지 대신 분리막을 사용함으로 침전지에 소요되는 비용 및 부지를 절감할 수 있다.

  MBR의 장점중에서 무엇보다도 중요한 사항은 안정적인 운전이 가능하다는 것이다. 즉 2차침전지에서 발생되는 슬러지 팽화(Sludge Bulking), Foaming, pin-point floc 현상 등을 전혀 우려할 필요가 없는데 이는 슬러지 팽화가 발생하면 침전지의 원활한 고∙액분리가 수행할 수 없으므로 전체적인 폐수처리 효율을 저하시키는 원인이 된다. 그러나 MBR에서는 분리막으로 팽화된 슬러지를 모두 분리하기 때문에 안정적인 폐수처리가 가능하다.

  하지만 다양한 장점에도 불구하고 상용화 되기 어려운 이유는 첫째 과다한 초기투자설비 둘째 에너지 비용 그리고 마지막으로 막오염(Membrane Fouling)현상 이였다. 현재 분리막의 제조기술로의 발달로 분리막의 가격이 많이 하락되었으며, 에너지 비용측면에서는 낮은 압력(약 < 0.3 bar)으로 운전이 가능하기 때문에 펌프에 소요되는 에너지 비용을 상당 부분 절약 할 수 있다. 그러나 막오염 현상은 피할 수가 없으며 이를 해결하기 위해 현재 많은 연구가 이루어지고 있다. 막오염 현상을 줄이기 위해 역세척과 화학약품을 통한 막의 세척등 해결 할 수 있는데 화학세척은 2차오염 물질을 발생하고 취급 및 운전이 용이하지 않은 단점이 있다.

  또한 MBR은 높은 MLSS에 의한 슬러지 체류시간이 증가하면 수리학적 체류시간(HRT)이 짧아져서 부지면적이 줄어들 수 있는 장점이 있으나 슬러지의 활동성(Activity)과 고도처리와 연계시의 인 제거에 커다란 문제점을 일으킬 수 있다. 긴 SRT는 미생물의 활동성을 저하시켜 처리수질이 악화될 우려가 있으며, 질산화 측면에서는 SRT를 길게 운영하는 것이 유리하지만 짧은 SRT를 요구하는 인 제거 관점에서는 불리하다.

  MBR 공법은 여재(media)공법과 마찬가지로 높은 미생물에 의한 긴 SRT로 질산화 효율이 좋고 슬러지 자산화로 인한 슬러지 발생량이 줄어드는 효과도 있지만, 미생물의 활동성의 저하와 인 제거에 대한 문제가 발생할 수 있다. 결국 MBR은 SRT에 따라 처리수질 및 슬러지 발생량이 결정되며 질산화, 슬러지 발생량, 인 제거를 모두 만족 할 수 있는 운전 SRT를 찾기에는 국내에서는 운전경험이 부족하여 어려운 점이 있다.

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일단은 여기까지가 MBR 공법의 간략한 개요라고 볼 수 있습니다. 책이나 카탈로그에 있는 자료를 옮기기에는 시간적인 문제도 있고 해서 일단 인터넷을 참조하였는데요, 사실상 MBR 공법의 가장 큰 당면 문제점이라 함은 시간당 처리용량일 것입니다. 처리용량이라고 하기에는 좀 그렇고 공학적인 의미에서는 여과용량이라고 해야 옳겠지요?

근 3년 내 열린 환경기술전을 돌아보니 이 MBR 이라는 고기를 물기 위해서 해가 갈 수록 수많은 업체들이 한 단계씩 진보한 MBR 변형을 들고 자사의 주력으로 만들기 위해 노력에 노력을 거듭하고 있습니다. 물론 현장이나 파일럿에 설비된 장치의 여과속도를 보면 그럴 듯 하지만 아직도 MBR 을 국내 폐수의 성상에 적용할 수가 있는가? 에 대해서는 다분히 비관적인 것이 현실입니다.

최초 500m^3 에서 지금은 하루평균 50,000m^3 - 유닛과 유닛을 멀티로 하여 거대한 인공모듈을 만들어 50,000톤이 넘는 대단위 폐수를 처리하려는 시도도 이루어지고 있습니다만, 아직은 MBR 에 대해서 더 깊은 연구가 필요하다고 보여집니다. 파일럿에서 평가단에 의해 검증된 처리능력은 일단은 합격점이라는 평입니다. SS는 보통 1 이하(유입수 대비 SS 제거율 99.99% 이상), 로 나오지만 다른 항목인 TN, TP 는 여전히 높은 상태이지요, 계절에 따라서 폐수의 성상이 달라지므로 처리율은 어디까지나 비교대상에 불과합니다만, 그래도 NAS 기본 변법에 비교한다면 높은 수치를 기록하고 있습니다. 육안으로 보아서는 농도가 낮아보일지는 몰라도 현장에서의 DR을 이용한 간이 측정 및 실험실에서의 공정시험 역시 하천에 그대로 방류되어서는 안될 농도로 나오게 됩니다.

특히나 모듈 자체를 Sedi-Chamber(침전조)에 직, 간접 투입하는 방식의 경우는 슬러지의 성상이 여과의 효율에 치명적일 수도 있으며, 반면 모듈에 따라선 그 반대로 될 수도 있습니다. 에어, 필터브러쉬를 이용한 자동세척 기능을 부가했고, 여재의 교환 주기를 1-2년으로 보고 있습니다만, 아직 장기적으로 여재를 담그어 놓고 일간 부하량을 높게 잡아놓은 곳이 있을런지는 의문이네요, 침전조 자체의 부하가 원체 높다보니까 대부분은 심층에 기계를 넣는게 아닌 2단 침전방식으로 1단 침전에서 우선 거르고 나온 폐수의 상등액을 모아 이것을 MBR 로 처리하는 방식이거나, MLSS 가 가득 찬 포기조에 집어 넣고 압력을 줘서 직접 걸러버리는 방식도 있지만 후자의 경우는 최근들어 저효율의 문제가 하나 둘 씩 떠오름에 따라 문제가 되고 있습니다.

이에 대해서는 연구가 더 필요하고 장기적인 운영 차원에서 MBR 의 경우는 값비싼 처리장의 부지를 대폭 감소하고 처리효율 역시 기존의 NAS 가 지니는 효율성을 뛰어 넘겠다는 차원에서 개발되었지만 이 MBR 이 해외에서는 어떻게 이용될지에 대해서도 궁금하네요~ 어찌 보면 MBR 의 개발 의도는 <부지감소>의 측면이, 효율성을 앞지르는게 사실인지라...

[환경기능사2]

아이고. 이런 실험적인 방법을 우리 처리장에서 도입하다니...머리 아픔..