폐수 처리를 위한 첨단 막 생물반응기에 대한 비교: 파울링 저감 및 에너지 수요

• Published in: Daehan hwan'gyeong gonghag hoeji Vol. 46; no. 10; pp. 629 - 647
• Main Authors: 유태열(Tae-Youl Ryu), 원종엽(Jongyeob Won), 정현기(Hyunki Jung), 임홍래(Hongrae Im)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한환경공학회 01.10.2024
• Subjects: 환경공학; Membrane bioreactor; 분리막 생물반응기; Non-aeration system; 막오염; Energy saving membrane bioreactor; 특정 에너지 수요 지표; 비폭기 방식; Membrane fouling; 에너지 저감형 분리막 생물반응기; Specific energy demand
• ISSN: 1225-5025; 2383-7810
• DOI: 10.4491/KSEE.2024.46.10.629

목적:최근 급속한 산업화로 인해 환경 문제와 물 공급 수요의 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라 공공 및 산업 부문에서 물 순환 관리를 개선하기 위한 혁신적인 해결책으로 분리막 생물반응기(Membrane bioreactor, MBR) 기술이 도입되었다. 본 연구의 목적은 MBR 공정에서 막오염 메커니즘 및 특성을 파악하고, 이에 따른 에너지 소모량을 비교함으로써 MBR의 공정 개선 및 에너지 효율성을 향상시키는 것이다. 방법:본 연구에서는 다양한 MBR 공정의 인자를 고려하여 막오염에 대한 메커니즘 및 특성을 분석하였다. 이를 통해 막오염이 공정에 미치는 영향을 평가하고, 에너지 소모량을 비교하였다. 특히, 평판형과 중공사형 MBR의 전력 소비량을 분석하고, 미생물 처리와 분리막 세정에 소요되는 공기 송풍의 비중을 조사하였다. 또한, 특정 에너지 수요(Specific Energy Demand, SED)를 계산하여 MBR의 에너지 소비 효율을 평가하였다. 결과 및 토의:일반적인 MBR 공정에서 전력 소비량의 68.0%(평판형)과 53.0%(중공사형)는 미생물 처리와 분리막 세정에 소요되는 공기 송풍에 의해 소모되었다. 특히, 분리막의 여과 성능을 유지하기 위해 부착된 오염물을 탈리하기 위해 공급되는 공기 송풍에 소요되는 전력은 57.0%(평판형)과 36.0%(중공사형)를 차지하였다. 이러한 결과는 MBR 공정 내 폭기가 주요한 에너지 소모 비중을 차지하고 있음을 나타낸다. SED는 MBR의 특정 오염 제어 방법의 에너지 소비를 평가하는 중요한 지표로 작용하며, 일반적인 MBR 공정에서의 SED는 0.2-0.3 kWh/m3였다. 반면, 비폭기 방식의 분리막 모듈을 사용하여 왕복 관성력으로 탈기할 경우, SED는 0.005-0.01 kWh/m3로 20-60배 정도의 에너지 소비 감소를 보여주었다. 이는 에너지 저감의 필요성을 시사한다. 결론:본 연구는 MBR 공정에서 막오염 저감 특성을 파악함으로써, 향후 MBR 공정의 경제성을 확보하기 위한 새로운 패러다임을 제시하였다. 에너지 소비를 줄이기 위한 비폭기 방식의 분리막 모듈 적용은 MBR의 효율성을 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 에너지 저감 및 환경 친화적인 기술 개발에 중요한 기여를 할 수 있다. 따라서, MBR 공정에서 에너지 효율성을 극대화하고 환경 영향을 최소화하는 전략이 필요하다. Objectives:Rapid industrialization has highlighted the importance of addressing environmental issues and the increasing demand for water supply. As a result, innovative solutions to improve water circulation management in both public and industrial sectors have been proposed, one of which is the introduction of Membrane Bioreactor (MBR) technology. This study aims to understand the mechanisms and characteristics of membrane fouling in MBR processes and compare the associated energy consumption, with the goal of improving process efficiency and energy performance. Methods:In this study, various factors influencing the MBR process were considered to analyze the mechanisms and characteristics of membrane fouling. The impact of fouling on the process was assessed, and energy consumption was compared. Specifically, the power consumption of flat-sheet and hollow-fiber MBRs was analyzed, focusing on the proportion of energy used for microbial treatment and membrane cleaning. The Specific Energy Demand (SED) was calculated to evaluate the energy consumption efficiency of different fouling control methods in MBRs. Results and Discussion:In typical MBR processes, 68.0% (flat-sheet) and 53.0% (hollow-fiber) of the power consumption is attributed to air scouring for microbial treatment and membrane cleaning. Notably, 57.0% (flat-sheet) and 36.0% (hollow-fiber) of the power is consumed to supply air for detaching adhered foulants to maintain filtration performance. These results indicate that aeration is a major energy consumer in MBR processes. SED is a critical indicator for assessing the energy consumption of specific fouling control methods, with typical MBR processes having an SED of 0.2-0.3kWh/m3. In contrast, using a non-aerated membrane module with reciprocating inertial force for fouling control reduces SED to 0.005-0.01 kWh/m3, representing a 20-60 fold decrease in energy consumption, highlighting the need for energy reduction. Conclusion:This study provides insights into fouling reduction characteristics in MBR processes, suggesting a new paradigm for enhancing the economic feasibility of MBR technology. Applying non-aerated membrane modules to reduce energy consumption can significantly improve MBR efficiency, contributing to energy reduction and environmentally friendly technology development. Therefore, strategies to maximize energy efficiency and minimize environmental impact in MBR processes are essential. KCI Citation Count: 0