저 시-비 리- 경 지 2.0 한민

는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

다 과 같 조건 라야 합니다:

l 하는, 저 물 나 포 경 , 저 물에 적 된 허락조건 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저 터 허가를 면 러한 조건들 적 되지 않습니다.

저 에 른 리는 내 에 하여 향 지 않습니다.

것 허락규약(Legal Code) 해하 쉽게 약한 것 니다.

Disclaimer

저 시. 하는 원저 를 시하여야 합니다.

비 리. 하는 저 물 리 목적 할 수 없습니다.

경 지. 하는 저 물 개 , 형 또는 가공할 수 없습니다.

공학 사 학위논문

해 담 처리용 여과 공 에

조 리아에 막 염 특

Microfiltration Biofouling by Marine Bloom-forming Algae;

Comparison with Bacterial Biofouling

2013 2월

울 원

생 공 부

차

해 담 처리용 여과 공 에

조 리아에 막 염 특

Microfiltration Biofouling by Marine Bloom-forming Algae;

Comparison with Bacterial Biofouling

지도 용

이 논 공 사 논 출함.

2012 2월

울 원

생 공 부

차

차 공 사 논 인 함

2012 2월

원 장 (인)

부 원장 (인)

원 (인)

i

역삼 (reverse osmosis, RO)막 이용 해 담 공 에 심과

이용이 증가 면 , 이러 공 에 막 염 상, 특히 algal

bloom 부 조 해 내 리아 등 미생 들에 해 생 는

막 염이 가 고 있다. 이들 막 염 과 량 감소 막 손상

며, 심 경우 랜트 운 이 단 도 다. 라 해

담 를 RO 시스 에 처리 공 택과 운 막

염 지 요소이다. 근 여과(microfiltration, MF)나

외여과(ultrafiltration, UF) 막 이용 처리 공 이 고 있 며,

이를 통해 RO 막 막 염 부 보 있다. 지만 는

MF/UF 막 자체 염이다. 라 본 연구에 는 해 담 처리

단계 써 MF/UF 막 공 운 면 해 에 식 는 미생 에 막

염 조사 다. 특히 MF막 단 운 시 조 리아에

단계 막 염 도 특 며, 이들 미생 부

생 는 EPS(extracellular polymeric substances)가 MF 막 염에 미 는

향 조사 다. 조 는 리아보다 격 막 염 일 키며,

이는 조 에 존재 는 미 질들 향 생각 었다.

ii

조 는 역 향 크게 았 나, 리아는 역 에 해 거 떨어

나 지 않아 가역 인 막 염 특 이 증가 다. 염소를 역 에

첨가 , 역 효과가 추가 증가 지 않았 나, 조 리아

cell들이 불 었고, 미생 부 생 EPS가 분해 찰 다.

역 압 100kPa 높 경우 조 리아 모 역 효과가

증가 며, 특히 조 경우 그 효과가 크게 나타났다. 에

존재 EPS는 MF막 거 부분 통과 므 막 염에 거

향 미 지 않았다. 지만 장 운 시 미생 에 해 생 는 막

염 해 모델 EPS alginate를 첨가 경우 과 량

감소 이 증가 고, 특히 가역 인 막 염 특 이 증가 다.

주요어 : 여과(MF), 해 담 , 처리, 조 , 리아, 막 염,

역

번 : 2011-21078

iii

목 차

….……………………………………………………………………………………………………………ⅰ

목 차..……………………………………………………………………………………………………………..ⅲ

List of Figures……………………………………………………………………………………………………ⅵ

List of Tables………………………………………………………………………………………..…….……..ⅹ

1 장 …………………………………………………………………………………………………1

2 장 헌 연구……………………………………………………………………………………………5

2.1 MF, UF 막 공 ……….……………………………………………………………………………5

2.1.1 해 담 처리 공 운 ….……………………………………….…..….5

2.1.2 MF, UF 막 염 커니즘……..….……………………………………….…..….9

2.2 미생 에 막 염……………..…………………………………………………………14

2.2.1 Marine algal blooms 과 그 인 MF/UF 막 염...….………..….14

iv

2.2.2 리아가 MF/UF 막 염에 미 는 향…………………....….…..….17

2.2.3 Algal Organic Matter 가 MF/UF 막 염에 미 는 향…….…...19

2.3 MF/UF 막 염 어………………………………………………………….…………….22

2.3.1 입 처리………………………………………………………………….…..…..23

2.3.2 막 재질 면 개질……………………………………………………………….25

2.3.3 운 조건 ….…………………………………….……………………….……29

2.3.4 역 식 변 …….…………………………………….……………………….……30

3 장 연구 법……………………………………………………………………………………….…..33

3.1 미생 양 특 분 ..……………………………….……………………………..…33

3.2 MF 막 면 분 ……………..…………………………………………….………39

3.3 MF 막 시스 ………..…………………………..…………………….………………....………43

3.3.1 시스 구 과 운 …………………………………………….………………..….……43

3.3. 2 역 법…………………………………………………………………..….……………….47

3.4 막 염 질 분 질 지 계산...………………….………………....……49

v

3.4.1 막 염 질 (Foulant) 분 …..……………………….………………..….……49

3.4.2 미경 분 ……………………………………………………………..….….…………….50

3.4.3 Chlorophyll-a 농도 ………………………………………….…….……………51

3.4.4 도말 평 법……………………………………………………………….……..……………53

3.4.5 EPS ……………………………………………………………………………….………53

4 장 연구 결과 고찰……………………………………………………………………………..54

4.1 조 리아 특 ………………………………………………………………………. 54

4.2 조 리아에 MF 막 염…………………………………………………59

4.3 역 식 향…………………………..….…………………………………………………66

4.4 Alginate 향 (장 운 시 )………………………….……….………76

5 장 결 …………………………………………………………………………………………………79

참고 헌……………………………………………………………………………………………………..…81

Abstract……………………………………………………………………………………………………………95

vi

List of Figures

Figure 1. Schematic presentation of different membrane fouling models .................... 12

Figure 2. The main general approaches to control biofouling in terms of material

design (Mansouri et al. 2010) ............................................................................ 27

Figure 3. Schematic presentation of grafting method (comb and copolymers) ............ 28

Figure 4. Linear relationship between algal cell number and optical density at 600 nm

......................................................................................................................... 38

Figure 5. ATR-FTIR spectra of clean MF membrane ................................................. 42

Figure 6. Schematic design of MF membrane system ................................................ 45

Figure 7. Flux confirmation with clean seawater ........................................................ 46

Figure 8. Linear relationship between algal cell number and cell activity (concentration

of chlorophyll a) ................................................................................................ 52

Figure 9. Removal of algae (Heterosigma akashiwo) and bacteria (Pseudomonas

aeruginosa) by MF membrane (pore size 0.1μm) ............................................... 57

Figure 10. Size distribution of (a) algae and (b) bacteria ............................................ 58

Figure 11. Normalized flux decline by algae (Heterosigma akashiwo) and bacteria

(Pseudomonas aeruginosa) in MF membrane process (without backwash)......... 60

Figure 12. CLSM images (3D) of membrane fouling by (a) algae and (b) bacteria ..... 61

Figure 13. SEM images of (a) clean membrane, (b) membrane fouled by algae, (c)

membrane fouled by bacteria ............................................................................. 62

Figure 14. Concentration of EPS produced by bacteria and algae in MF membrane

process; (a) polysaccharide, (b) protein .............................................................. 65

Figure 15. Normalized flux decline by (a) algae (Heterosigma akashiwo) and (b)

bacteria (Pseudomonas aeruginosa) in MF membrane process with backwash ... 71

Figure 16. Reversibility of fouling (in two cycle of backwash by (a) algae

(Heterosigma akashiwo) and (b) bacteria (Pseudomonas aeruginosa) in MF

membrane process ............................................................................................. 72

vii

Figure 17. Mass balance of (a) algae (b) bacteria in MF membrane system with typical

backwash (pure synthetic seawater, 60kPa) ........................................................ 73

Figure 18. CLSM images (2D) of membrane fouling by (a) algae without backwash,

(b) algae with backwash of pure seawater, (c) algae with backwash of chlorine

added seawater, (d) bacteria without backwash, (e) bacteria with backwash of pure

seawater, (f) bacteria with backwash of chlorine added seawater ........................ 74

Figure 19. Removal of EPS (polysaccharides + proteins) in permeate (after chlorine

added backwash) ............................................................................................... 75

Figure 20. Prediction of long-term operation in MF membrane process; (a) Normalized

flux decline by algae and bacteria with alginate solution (10 mg/L), (b)

Reversibility of fouling by algae and (c) bacteria with alginate solution (10 mg/L)

......................................................................................................................... 77

Figure 21. SEM images of membrane fouling by (a) algae, (b) bacteria with alginate

(10 mg/L) .......................................................................................................... 78

List of Tables

Table 1. Cost analysis comparison of conventional and UF/MF pretreatments ............. 8

Table 2. Composition of F/2 medium agar (Guillard 1975) ........................................ 36

Table 3. Composition of synthetic seawater(Grasshoff et al. 1983)............................. 37

Table 4. Characteristics of PVDF-0.1 membrane ....................................................... 41

Table 5. Characteristics of algae (Heterosigma akashiwo) and bacteria (Pseudomonas

aeruginosa) ........................................................................................................ 56

1

1 장

자원 안 인 보를 해 담 에 심과 연구가

증가 고 있다. 특히 역삼 (Reverse Osmosis, RO) 막 이용 담

법 높 에 지 효 과 간단 운 등 여러 장

에 많이 이용 고 있 며, 앞 그 용도가 욱 높아질 것이다.

지만 이러 RO 막 운 나타나는 막 염(fouling) 상이 가

고 있다. 막 염이 생 면 공 효 이 감소 고, 경 용

매우 증가 에, RO 막에 입 는 (feed water)는 드시

처리를 통해 막 염 는 입자나 이드, · 질,

미생 등 거해야 다(Brehant et al. 2002). 라 처리 공

택과 운 해 담 를 RO (Seawater RO, SWRO) 시스 에 막

염 지 요소이다.

근, 여과(Microfiltration, MF) 외여과(Ultrafiltration, UF) 막 공 이

이러 해 담 시스 처리 법 고 있다(Bonnelye et al.

2008; Valavala et al. 2011). MF/UF 막 공 높 과 질과 경 이

등 인해 집(Coagulation)과 입상 여과(Granular media filtration) 등

2

통 인 법 체 는 매우 효 인 처리 공 이다. MF/UF 막

공 막 염 지 (Fouling index)를 상당히 여주어 체 인 시스

운 용 감소시킨다. 특히 미생 를 매우 여주므 미생 에

RO 막 염 가능 감소시킨다(Vedavyasan 2007; Valavala et al. 2011).

미생 에 막 염(Biofouling) 미생 이 막 면에 이거나

부착 면 장 는 상 가장 어 힘든 막 염 알

있다(Characklis and Marshall 1990). Algal bloom 에 조 입, 해 내

식 는 리아 등 미생 인 여 생 는 막 염에 해 과

량이 감소 고, 막이 손상 며, 심 경우 운 이 단 도 다(Ladner

2009). RO 막 공 MF/UF 막 이용 처리 공 에 해 이러 막

염 부 안 있다. 지만 는 MF/UF 막 자체 막

염이다(Athukorala et al. 2007). 특히, 조라 불리는 Harmful algal

blooms(HAB) 생 해 내 지나 게 높 미생 양과 그들이

생산 는 다양 질 인해 해 담 랜트에 큰 가 고

있 며(Caron et al. 2010), RO 막 공 보다 MF/UF 막 공 에 심 막

염 다. Algal blooms 이 생 해 가 RO 막 공 에 입 었

24 시간 이후에도 과 량이 90% 이 떨어지지 않았 면, MF/UF

막 공 에 입 었 경우 분 이내 매우 르고 심각 막 염이

3

생 여 체 시스 운 이 단 도 했다(Handler et al. 1997; Gabelich

et al. 2006; Ladner 2009). 해 내에 존재 는 다양 리아 역시

MF/UF 막 염 며, MF 막 공극과 사 크 를 가지는

리아 경우 직 막 공극 막 도 있다(Xu and Chellam

2005).

이러 미생 에 막 염이 일 인 · 질 인 막

염과 특히 다른 시간이 지남에 라 미생 이 생 는

EPS(extracellular polymeric substances)이다. EPS 는 주 polysaccharide

protein 분 구 며, 미생 과 막 면 사이에 끈 끈

태 (gel-like) 여 막 염 심 시킨다(Geesey, 1982; Neu and

Marshall, 1990). 항상 cross-flow 모드 운 는 RO 막 경우 이들 EPS 가

막 염에 미 는 향이 매우 크다. RO 막 공 에 입 는 체 약

85-90%가 cross-flow 막 그냥 지나 에, 미생 과 같 염

질들이 막 면에 이는 도가 훨씬 며, 3~6 달 간격 인

법 막 다. 그 간격이 매우 에 막 면에 인

미생 부 상당량 EPS 가 분 며 이는 미생 들 생존과 군집

에 도움 주어 막 염 심 시킨다. 면, MF/UF 막 주 량

여과 dead-end 모드 운 에, 염 질들이 막 면에 이는

4

도가 매우 크고 르다. 라 인 역 를 통해 이 염 질들

떨어뜨리는 것이 이며, 역 간격 15 분 ~ 1 시간 도 짧다. 그

주 가 짧 에 미생 부 생 는 EPS 가 막 염에 미 는

향이 상 다고 알 있다(Jacangelo et al. 1997; Wang et al. 2005;

Liang et al. 2008).

본 연구는 해 담 처리 공 MF/UF 막 공 운 과

미생 에 막 염 조사 다. MF 막 공 30 분 간격

역 면 운 며, 해 에 식 는 조 리아에 막

염 다. 특히 본 연구에 는 MF 막 공 단 운 에

생 는 단계 막 염 조사 는 것에 집 며, 역 법

다양 게 변 시키면 그 효과를 찰 다.

5

2 장 헌 연구

2.1 MF, UF 막 공

2.1.1 해 담 처리 공 운

지구 난 후 변 , 인구 증가 속 산업 에 른

소 량 증 인해 자원 분포 불균 이 가속 고 있 며, UN

보고 에 르면 2025 계 인구 2/3 가 부족 겪 것

망 다. 라 자원 안 인 보는 계 인 떠 르고

있 며, 지구상 자원 97%를 차지 는 해 담 에 심과

연구가 증가 고 있다 (Zahid et al. 1999) (Burbano et al. 2007).

재 해 담 크게 증 법과 RO 법(Reverse Osmosis, RO)

분 있 며, 이 RO 법 통과 지만 속에 용해 어 있는

염분 등 과 지 않는 과막에 해 를 가압 여 담 를 얻는

법이다. 해 RO (Seawater Reverse Osmosis, SWRO) 담 법 에 지

효 이 높고, 운 식이 쉬우며, 경 인 특

에 시장 이 격 게 증가 고 있다(Greenlee et al. 2009). 지만

RO 막 염(membrane fouling) 인 공 효 감소 경 용

6

증가가 큰 가 고 있다. 라 RO 막에 입 (feed

water)는 드시 처리 과 거쳐 막 염 는 입자나

이드, · 질, 미생 등 거해야 며(Brehant et al. 2002),

처리 공 택과 운 SWRO 시스 에 막 염

감소시 막 명 연장 고 결과 경 용 이는 매우

요 요소이다 (Tenzer et al. 1999) (Bonnelye et al. 2004) (Bourouni)

근, 여과(Microfiltration, MF) 외여과(Ultrafiltration, UF) 막 공 이

해 담 를 RO 시스 울링 지를 처리 법

고 있다(Bonnelye et al. 2008; Valavala et al. 2011). MF, UF 막 체거름

작용에 해 부 질 거 며, 해 담 처리 외에도 처리,

처리 등에 용 고 있다. MF 막 다른 막 분리 공 보다 높 과

량(flux) 가지며 보통 지름 0.025∼10 ㎛ 입자를 거 다. UF 막

0.01~0.001 ㎛ 범 공극 가지며, 공극 크 가 매우 작 에 막이

90% 이상 거를 있는 분자량 크 를 미 는 분획분자량 막

능 시 다. UF 막 1,000∼300,000Da 균, 이드, 단 질,

고분자 입자를 거 는데 사용 다(Mallevialle et al. 1996).

MF/UF 막 공 높 과 질과 다양 경 이 등 인해

집(coagulation)과 입상 여과(granular media filtration) 등 통 인 법

체 는 매우 효 인 SWRO 처리 공 알 있다 (Wilf and

7

Klinko 1998; Drioli et al. 1999; Wilf and Schierach 2001). Table 1 에 존 처리

공 과 MF/UF 처리 공 다. MF/UF 막 공 가

존 처리 공 에 해 많이 들지만, 막 염 지 (fouling index)를

상당히 여주어 체 인 공 운 용 여 다. 미생 도

존 처리 법에 해 상당히 여주므 미생 에 막 염

가능 도 여 다(Vedavyasan 2007) (Valavala et al. 2011). 지만 이러

MF/UF 막 공 역시 막 염 를 가지고 있다.

8

Table 1. Cost analysis comparison of conventional and UF/MF pretreatments

9

2.1.2 MF, UF 막 염 커니즘

막 염 입 에 녹아있는 이나 입자 질 는 미생 이 막

면에 이는 상 과 량 감소 막 명 단축 야 다. 막

염 는 질 4 가지 분 있다.

a) Organic fouling

b) Biofouling

c) Inorganic fouling or scaling

d) Particulate fouling

에 막 염(organic fouling) 입 에 포함 이 막

면에 착 거나 이는 가장 게 생 는 막 염이다. 미생 에

막 염(biofouling) 미생 이 막 면에 이거나 부착 면

장 는 상 가장 거 힘든 막 염 알 있다(Characklis

and Marshall 1990). 에 막 염(inorganic scaling) 이 결 이

막 면에 어 이는 상 , 이 거를 있는 나노

여과(nanofiltration, NF)나 RO 막에 생 다. 입자에 막

염(particulate fouling) 0.45 µm 보다 큰 입자나 이드가 막 면에

이면 막 공극 막는 상이다(Strathmann 1981).

10

막 염 가역 막 염(reversible fouling)과 가역 막

염(irreversible fouling) 분 있다. 가역 막 염 역 에 해

회복 는 과 량 감소를 미 며, 가역 막 염 역 에 해

회복 지 못 는 장 인 막 염 미 다. 고압 NF/RO 막 공

과 량이 낮아 역 없 에, 막 염 가역 여부는 MF/UF

막 공 에 만 효 개 이다. (Kimura et al. 2004)

MF/UF 막 염 surface fouling, cake filtration, pore blocking 가지

커니즘 명 있다.

a) Surface Fouling

입 에 포함 어 있 염 질이 막에 해 분리 면 막 면에

이는 상 말 다. 운 압 , 막과 염 질 면 마찰 항

등 향 는다 (Al-Ahmad et al. 2000).

b) Cake Filtration

막 면에 인 염 질 농도가 높아지고 약 이 결합 게

면 gel-layer 가 만들어진다. 역 나 십자 름(cross-flow)에 해 gel-

layer 약 결합 구조를 분산시키거나 거 있 나, 곧 다시 르게

에 인 이 요 다. Gel-layer 과 량

11

감소 이어지며, 과 량 일 게 해 운 압 이 증가 다.

높 압 막 면 gel-layer 를 집시키면 cake layer 를 며,

이를 거 해 는 이 요구 다 (Al-Ahmad et al. 2000).

c) Pore Plugging

입 내 이드 같 작 염 질이 막 공극 막 면

공극 사이즈나 태가 변 며, 과 량 감소시킨다. 역 에 해

공극이 다시 열릴 있 나, 공극 내부에 부착 모든 염 질 거

는 없 며 이미 변 공극 사이즈나 태를 회복 없다

(Comstock 1982).

Hermia(1982)는 MF/UF 막 공 압 공 에 과 량 감소시키는

4가지 막 염 모델 시 다. 이를 Figure 1에 나타냈다(Hermia 1982)

(Bowen et al. 1995).

a) Complete blocking: 입자 첩 없이 공극 막는 상

b) Intermediate blocking: 입자 첩과 함께 공극 막는 상

c) Standard blocking: 공극보다 작 입자가 공극 내부에 이면

공극 크 를 이는 상

d) Cake filtration: 공극보다 큰 입자가 막 면에 이는 상

12

Figure 1. Schematic presentation of different membrane fouling models

(Bowen et al. 1995)

13

Ye et al.(2005)는 이들 막 염 모델 합 단 해 alginate 를

이용 여 MF/UF 막 공 운 다. MF 막 공 과 량

감소에는 alginate 입자들이 막 공극 내부에 이는 standard blocking

모델이 용 며, 공극이 부분 막힌 이후에는 막 면에 cake layer 가

며 막 차압(trans-membrane pressure, TMP)이 증가 고 과 량이

감소 다. 면 UF 막 공 과 에 cake filtration 모델이 용 며,

연속 동시에 생 는 gel-layer 에 향 는다(Ye et

al. 2005). 일 UF 막 공 보다 MF 막 공 에 심 과 량

감소가 찰 다. 그러나 이러 막 염 커니즘 막 종 (MF versus

UF) 뿐만 아니라 염 질 상 인 크 에 해 향 는다(Lee et al.

2004).

MF/UF 같 크 (size exclusion) 막에 미생 에 막 염

에 과 량이 감소 는 상 2 단계 나 어 명 있다. 첫

번째는 단 운 에 미생 cell 들과 질 등에 pore blocking 과

cake formation 인 과 량 감소, 번째는 장 운 에

EPS(extracellular polymeric substances)가 생 에 른 cake compaction 과

가역 막 염 특 증가에 막 염 심 이다(Davis 1992).

막 염 입 pH, 이 강도, • 질 구 분과

막 면 등 여러 특 에 해 도 향 는다 (Zularisam et al.

14

2006). 를 들어 입 pH 가 낮거나 이 강도가 높 , 막과

염 질 사이 이 감소 면 막 염이 증가 있다 (Braghetta

et al. 1997). 이는 DLVO(Derjaguin-Landay-Verwey-Overbeek) 이

과 데르 스 힘에 해 명 있다. 를 가지는 입자

는 막 면 양이 들이 러싸면 electrical double layer 를 다.

이 입자들 막 면과 입자 사이 이

감소 면 데르 스 힘에 해 를 끌어당 다. 이에 해 염

질들이 막 면에 농축 어 고 도 cake layer 가 고, 막 자체

압축에 해 공극 크 가 감소 도 며 결과 과 량이

감소 다 (Song and Singh 2005).

2.2 미생 에 막 염

2.2.1 Marine algal blooms 그 인 MF/UF 막 염

히 조라 불리는 harmful algal blooms(HAB) 생 해 내에

존재 는 지나 게 높 미생 양과 그들이 생산 는 다양 질 인해

해 담 랜트에 큰 가 고 있다. 조 생 시 입 는

해 는 막 염과 높 집 주입량 요구 등 인해 심각 운 상

15

를 야 며, 심 경우 랜트 운 이 단 도 다(Caron et al.

2010). 조에 막 염 인해 2008 아랍에미리트(United Arab

Emirates, UAE) 소 5 개 SWRO 랜트가 조가 사라질 지

운 추었 며 (Richlen et al. 2010; Seubert et al. 2012), 일부 랜트에 는

담 생산량이 30~ 40% 지 감소 다. 황 갈색 띄는 Heterosigma

종이 조 부분 차지했 며, 농도 범 는 1,800~2,400cells/mL

보고 었다(Handler et al. 1997; Sale et al. 2011). 국내에 도 마산만에

생 조에 해 50% 지 담 생산량이 감소 사 가 있다(Kim and

Yoon 2005).

조를 는 조 들 5~50 μm 크 를 가지며, 취 스크린

쉽게 통과 다. 이들 부 과 아래 자 롭게 움직이는 질

집과 침 일 모래 여과에 거를 해 다 (Edzwald 1993;

SENGCO and ANDERSON 2004). 이를 체 는 처리 공 도입 MF

막 효과 조 를 거 며, 이를 통해 RO 막 능이 지

있다고 보고 었다(Athukorala et al. 2007).

지만 조 는 RO 막 공 보다 MF/UF 막 공 에 가 다.

70,000 cell/mL 조 를 포함 해 가 RO 막 공 에 입 었

24 시간 이후에도 과 량이 90% 이 떨어지지 않았 면, MF/UF 막

공 에 입 었 경우 분 이내 매우 르고 심각 막 염이

16

생 다(Ladner 2009). 조 는 그 크 에 MF/UF 막에 해 쉽게

거 있지만 격 과 량 감소를 며, 높 농도 존재

경우(on the order of 105 cells/ mL) cake layer 를 르게 며 막 염

심 시킨다(Bonnelye et al. 2004).

조 가 MF 막에 일 키는 막 염 커니즘 단계 명

있다. 조 가 막에 입 는 단계에는 pore blocking 상이 생 고,

사이클(여과+역 )이 진행 에 라 intermediate blocking 커니즘이

나타난다. 그리고 종 공극이 가역 막히고 남아있는 공극

크 가 작아지면 cake filtration 과 compaction 이 생 다(Ladner 2009).

막 염 사이클이 연속 진행 에 라 막 염 47%, 30%,

26%, 20%가 각각 역 단계에 회복 었다(reversible fouling). 즉, 시간이

지남에 라 가역 인 막 염이 증가 지만, 실 각각 단계에

추가 인 가역 막 염이 생 는 감소 다. 이미 단계에

부분 공극이 막히고 크 가 어들 에, 염 질이 막

있는 공극(active pore) 양 시간이 지남에 라 차 어든다(Ladner

2009).

Babel et al.(2010) 조 에 MF/UF 막 염 조 크 태

변 , 포 주 hydrodynamic shear 에 해 조 부 생 는

질 인해 매우 복잡 다고 보고 다. 조 에 막 염 부분

17

cake formation 에 해 심 며, 미 입자 에 용해 질에

해 가역 인 특 이 나타난다(Babel and Takizawa 2010).

그 에도 UF 랜트는 평균 34 일 운 이후에 과 량

감소를 보 나, 조 생 이후 30 시간 이내 격 과 량 감소를

나타냈다. 평균 18~20 일 운 시간 가지 MF 랜트는 조

생 이후 4~5 일 그 운 간이 매우 감소 다(Handler et al. 1997).

미국 캘리포니아주 Port Hueneme 에 해 담 시 (MF followed

by RO) 조에 생 심각 MF 막 손상 에 운

단 며, 막 용 들여 막 체해야 했다. 막

지 염 덮 며, infrared absorption 분 에 해 염

질 주 분이 carbohydrates proteins 임이 다(Gabelich et al. 2006).

2.2.2 리아가 MF/UF 막 염에 미 는 향

리아에 MF/UF 막 염 intermediate blocking 과 cake formation

커니즘 명 있다. Xuet al.(2005)는 막 태 리아에

단계 MF 막 염 intermediate blocking 모델과 약 cake filtration

모델 만족함 다. 지만 시간이 지남에 라 리아가 EPS 를

분 게 면, 생 cake layer 에 compaction 이 나타나면 막 염이

18

심 다고 명 다(Xu and Chellam 2005). EPS 는 주 polysaccharide

protein 분 구 며, 리아 막 면 사이에 끈 끈

태 (gel-like) 여 막 염 심 시킨다 (Neu and Marshall 1990).

Ridgway Flemming(2001) 리아에 막 염에 EPS 가 미 는

요 에 해 연구 다. 리아는 EPS 를 분 며, EPS 자체가 막

염 있다. EPS 는 cell 이 막 면에 쉽게 착

있도 돕는 역 며, 심지어 과압 이 존재 지 않 경우에도

미생 EPS 에 해 그들 스스 막 면에 가역 부착 는

경향이 있다. 이 게 막에 착 cell 일 인 역 만 는 거 가

매우 어 다(Flemming and Wingender 2001).

NF/RO 막 경우 이들 EPS 가 막 염에 미 는 향이 매우 크다.

지만 MF/UF 막 NF/RO 막에 해 그 향이 상 다고 알

있다. 이는 이들 막 공 자인과 운 면에 근본 인 차이

이다. 를 들어 NF/RO 막 항상 cross-flow 모드 운 에

막에 입 는 체 약 10-15%만이 막 통과 고 나 지 85-90%

름 cross-flow 막 그냥 지나 다. 라 체에 포함 어 있는

미생 과 같 염 질이 막 면에 이는 도도 훨씬 에,

주 인 역 를 지 않는다. 신 3~6 달 간격 운 단 고

막 다. 그 간격이 매우 에 막 면에 인

19

미생 부 상당량 EPS 가 분 며 이는 미생 들 생존과 군집

에 도움 주어 막 염 심 시킨다. 면 MF/UF 막 주 량

여과 dead-end 모드 운 에, 막 공극보다 큰 모든 염

질들 막 면에 이게 어 매우 르게 막 염이 나타나게 다.

라 인 역 를 통해 그 염 질들 떨어뜨리는 것이

이며, 역 간격 15 분 ~ 1 시간 도 짧다. 그 주 가 매우 짧

에 미생 부 생 는 EPS 가 막 염에 미 는 향이 상

것이라고 알 있다(Jacangelo et al. 1997; Wang et al. 2005; Liang et al.

2008).

2.2.3 Algal Organic Matter이 막 염에 미 는 향

조 자체보다는 조 부 생 는 질 등이 막 염에 큰

향 미 다는 여러 연구 결과가 보고 었다(Ladner 2009). 이들

질 리아 부 생 는 EPS 사 분 가진다. 특히

polysaccharides proteins 등 강 막 염 며, proteins이

polysaccharides보다 많 차지 는 것 알 있다

(Wiesner 1992; Cho et al. 1999). Kim et al.(2005) 조가 생

해 에 해 MF 막 시스 막 염이 생 여 막간 차압(TMP)이

20

증가 고, 조 개체 가 증가함에 라 polysaccharide 농도 역시

증가 며, 이는 막 염과 이 있 다 (Kim and

Yoon 2005)

조 부 생 는 질 algal organic matter(AOM)이라 며,

주 hydrophilic 질(proteins and polysaccharides), 일부

hydrophobic 질과 transphilic (TPI) acids 구 다 (Pivokonsky et

al. 2006). 자연 인 포주 나 hydrodynamic shear에 해 cell이

경우 생 는 0.2 μm 이 크 AOM는 pore blocking에

막 염 다(Bonnelye et al. 2004). 일부 AOM MF/UF 막

통과 여 직 RO 막 염 있 며, 해 내 존재 는

리아 질 작용 있 에 조 자체보다 심각 막

염 질 여겨진다(Rosenberger et al. 2006).

Bench-scale SWRO 공 에 40,000 cells/mL 조 는 24시간

안에 10% 과 량 감소시 며, 0.45 μm 이상 입자가 거

이후에는 남아있는 AOM에 해 2% 미만 과 량이 감소 다.

실 막에 침 AOM 찰 나, RO 막 자체 낮

과 량 인해 그 향이 매우 었다(Ladner 2009).

Her et al.(2004) blue-green algae(cyanobacteria) 이 부

생 AOM에 NF 막 염 특 에 해 보고 다. AOM

21

일 인 (suwannee river humic acid, SRHA)보다 막 염에

큰 향 미쳤 며, 이는 매우 불 균일 분자량 분포 약 57% 가량

높 분 인 것 다. AOM 68% protein,

22% carbohydrate, 5% lipid, 그리고 3% chlorophyll a 이루어

있었 며, protein과 carbohydrate 모 막 염 는 것

다(Her et al. 2004).

AOM EOM과 AOM 분 있는데, 조 생장 단계(growth

phase)에 분 는 포 내 질(intracellular organics)

EOM(extracellular organic matter)라 고, 포 용해(cell lysis)

hydrodynamic force 등에 포 벽 인해 출 는

질 IOM(intracellular organic matter)라 다(Lee et al. 2006; Hense

2010). 이러 AOM 특 조 종 에 라 다양 게

나타난다(Leppard 1995).

EOM 에 용해 EOM(dissolved EOM, dEOM)과 cell에

부착 어 있는 EOM(bound EOM, bEOM) 분 있다. Qu et

al.(2012) cyanobacteria 부 생 EOM dEOM과 bEOM

분리 며, 각각 특 분 다. dEOM hydrophilic 고,

bEOM이 큰 분자량 가지는 것 나타났다. 이러 dEOM과

bEOM 특 UF 막 공 에 다르게 향 미쳤다. bEOM에 cake

22

layer는 dEOM에 cake layer보다 과 량 게 감소시 며,

이는 큰 크 bEOM이 많 void를 이었다.

dEOM hydrophilic 특 심 과 량 감소를 다.

막 염 가역 특 질 양보다는 특 에 좌우 며,

hydrophobic 질(bEOM) 막에 착 에 큰 가역

특 나타냈다(Qu et al. 2012)

지만 단 간 막 공 운 에 는 AOM이 막 염에 거 향

주지 않는 것 알 있다(Ladner et al. 2010).

Kwon et al.(2005) UF 막에 Microcystis aeruginosa(blue-

greenalgae)에 막 염에 NOM이 미 는 향 조사 다.

조 NOM 개별 작용 보다 함께 작용 과 량

감소에 미 는 향이 크며, 이는 NOM과 조 에 생 는 EPS

상 작용에 해 큰 항 과 낮 과 가지는 막 염이

이다(Kwon et al. 2005).

2.3 MF/UF 막 염 어

MF/UF 막 염 어 법 크게 1) 입 처리, 2)

막 재질 면 개질, 3) 운 조건 , 4) 역 법 변

23

나 있다. 1)~3) 법 막 염 미리 지 고 이는 것에 목 이

있 며, 4) 법 이미 생 막 염 처리 고 어 는 것에 그

목 이 있다.

2.3.1 입 처리

막에 입 다양 법 처리를 통해 막 염 지

있다. 특히 미생 에 막 염 어 가장 합 법

막에 입 에 미생 불 시키거나 거 는 것이다.

집 조 에 막 염 이는 나 책이 있다. 를

들어 토를 입 탱크에 주입 경우 조 부 감소시 침 에

해 이들 거 있 며, 막에 입 는 조 양 근본

일 있다. 지만 토를 사용 경우에도 지나 양 사용 경우

폐 가 생 에, 그 주입량 잘 조 요가 있다.

염 철 집 사용 경우 히 막 과 량 감소를 심 시키는

것 알 다. Shen(2011) 집 염소를 동시에 사용 며,

potassium permanganate 를 추가 주입 다. 이처럼 복합 인 처리

식 용 조 농도가 매우 높 경우에도 (40×106 cells/L)

98%이상 조 가 막에 입 는 것 막 있다(Shen et al. 2011).

24

Heng et al.(2008) UF 막 공 에 permanganate 과 염소(chlorine)에

처리를 용 다. 염소 permanganate 각각과 이들 조합 통해

조 에 막 염 효과 어함 써 막 간 차압 증가를 막고,

과 질 역시 개 었다(Heng et al. 2008). Chen et al.(2005)는 pre-

oxidant 써 potassium permanganate 역 과 커니즘 연구 다.

Potassium permanganate 원 인 MnO2 존재 , 조 cell 들

집 진 여, 그에 른 침 속도를 증가시킨다. calcium 이 이

이 존재 경우 강 집 진 며, 이는 charge neutralization

명 있다. 지만 permanganate 는 조 부 EOM 용출시킨다.

용출 EOM 자체 는 막 염 심 시킬 있 나, 면 MnO2

조 floc 상 작용 강 시키는 역 도 다(Chen and Yeh 2005).

Preozonation 조 도를 떨어뜨리고, 조 cell 크 를

감소시킨다. 라 cake 압축 이 떨어지고 결과 막에 이는

미생 양이 감소 다. 지만 polysaccharide 농도를 증가시키는

단 도 존재 다(Hung and Liu 2006). Babel (2011) MF 막에 조 에

막 염 어 해 alum 이용 집과 ozone 이용 처리

식 사용 며, 이를 통해 cake resistance 를 70% 이상

감소시 다(Babel and Takizawa 2011).

25

2.3.2 막 재질 면 개질

막 재질 변 시키거나 면 개질함 써 막과 사이

착 감소시킬 있다(Wakeman and Williams 2002). 라 막 염

어 다양 막 재질이 개 고 있 며, 특히 미생 들이 막에

착 여 장 는 것 막 해 존 막 면 간단 게 개질 는

식이 연구 고 있다(Hilal et al. 2003).

이러 크게 anti-adhesion 과 anti-microbial 근 나 있다

(Figure 2) (Mansouri et al. 2010). Anti-adhesion 착

어 는 식이며, anti-adhesion 이미 부착 미생 들

억 거나 분산 도 는 식이다. 즉, 들이 잘 부착 없는

거 고 면 구조를 만들거나, 미생 군집 해 고

EPS 생 억 함 써 막 염이 잘 생 지 않는 막 만든다.

를 들어 polymer 를 면에 blending 함 써, 안 공극 구조를

함과 동시에 anti-fouling 특 가지는 막 만들 있다.

Grafting 식 통해 동일 monomer 들 막 면에

polymerization 시킴 써 일 조 가지는 능 막 만들 있다

(Figure 3). 이를 해 , 라즈마법 등

용 있다. Coating 앞 식에 해 단 다. Anti-fouling 특

26

가지는 polymer 등 함 용액 막에 후 사용 면 막 염에

항 가지는 막이 다. slica, nano-sized TiO2 등 능

질 막에 첨가함 써 과 안 가지는 막 조

있다(Mansouri et al. 2010). 뿐만 아니라 근 항균 가지는

Ag/MWNT 를 막에 함 써 미생 에 막 염 효과

어 는 도 연구 었다(Gunawan et al. 2011).

27

Figure 2. The main general approaches to control biofouling in terms of material

design (Mansouri et al. 2010)

28

Figure 3. Schematic presentation of grafting method (comb and copolymers)

for membrane modification (Mansouri et al. 2010)

29

2.3.3 운 조건

량과 막 간 차압(TMP)에 hydrodynamic shear, 도, air sparging 등

여러 운 조건 조 에 해 막 염 지 고 어 있다. TMP

량이 높 막 염에 과 량 감소가 증가 다고 알

있다 (Hong et al. 2002). 특히 미생 포벽이 면 EPS가 분

에, 이를 막 해 요 없는 hydrodynamic shear는 소 어야 다.

특히 조 경우 리아보다 hydrodynamic shear에 약 경우가 있 므

algal bloom 시 에는 특히 펌 , 체 통 폭 등 택과 운 이

요 다(Bonnelye et al. 2004). 지만 당 hydrodynamic shear는 막

면에 생 있는 농도 분극(concentration polarization) 막아주

에 막 염 어에 효과 일 있다 (Winzeler and Belfort 1993).

조 역시 요 다. 특히 조 경우 이 높 그 개체 가

격 게 증가 에, 추가 인 증식 막 해 는

지해야 다(Shen et al. 2011).

조 는 그 자체가 가라앉 보다는 에 떠 르는 특 가지므 ,

Air sparging 통 dissolved air flotation (DAF) 식 효과 분리

있다. 지만 DAF는 cell과 cell에 부착 EPS만 분리 며, 부 는

EPS를 거 는 데에는 합 지 않다(Bare et al. 1975). Ueda et al.(1997) air

30

blowing rate가 증가함에 라 막 면에 인 염 질들 back transport이

생 여 막 염이 어든다는 연구 결과를 했다(Ueda et al. 1997)

Ultrasound를 이용 여 막 면에 미생 장 억 함 써 막

염 어 는 식도 있 며, 이는 ultrasound 강도, 주

막 부 거리 등에 해 다양 효 나타낸다(Zips et al. 1990).

2.3.4 역 식 변

MF/UF 막 염 어 는 가장 일 인 법 역 이다. MF/UF

막 매우 르게 막 염이 나타나므 , 15분~1시간 간격 인

역 를 통해 그 막 염 어 다. 라 역 효 MF/UF 막

공 운 에 매우 요 인자이며, 역 압 , 간격, 약품

첨가 등 여러 조건에 해 달라진다. 라 역 식 택과

용 막 염 어 매우 직 인 이 있다(Hillis et al. 1998).

Hillis et al.(1998) MF 막에 주 가해지는 간 인 역 가 막

염 어 는 데 매우 효과 이었다고 보고 다. 간 높

압 진행 역 (backpulsing)에 해 막에 염 질들이

떨어 나갔 며, 이는 hydraulic shear보다는 갑작스러운 역 향 량

증가 인 리 인 해에 것이라 말 다. 지만 역 압 이

31

지나 게 높 경우, 막 손상 에 과 질이 악 었다(Hillis et al.

1998). Liang(2008) 역시 backpulsing과 향 척(forward flushing) 병행에

해 UF 막 과 량이 효과 회복 었다고 보고 다(Liang et al.

2008).

역 효과는 EPS가 분 에 그 를 나타낸다. 일단 EPS가

생 면 그 막 염 가 강 므 단 리 인 척인

역 척이나 향 척(forward flushing)만 는 과 량이

회복 없다. 라 처 부 역 간격 잘 조 여 EPS가 막에

미 는 향 이거나, EPS 농도를 게 는 것이 가장 좋다.

이미 생 EPS를 어 해 는 인 약품 역 에

첨가 도 다.

Liang(2008) NaOH, NaOCl, citric acid를 cleaning agents 사용 여 UF

막에 역 를 시도 다. 각각 약품 사용 는 것보다 조합 여

이용 는 것이 보다 효 이었 며, 0.02 N NaOH 100 mg/L NaOCl

조합 95% 지 과 량 회복시키며 가장 효과 인 결과를 나타냈다.

NaClO는 강 산 써, 조 리아 등 미생 불 시키고,

EPS에 해 생 gel layer를 해 고 다. NOM 산 시키고

증가시키면 에 막 염 어 다. NaOH는 NOM에

organic fouling hydrolysis solubilization 통해 다. 이 게

32

경우 나 거 효과가 나타나지만, 막이

손상 는 역효과가 있 있다. 높 농도 약품 랜 시간

동안 사용 경우 막 손상 야 다(Liang et al. 2008).

33

3 장 연구 법

3.1 미생 양 특 분

본 실험에 는 Heterosigma akashiwo pseudomonas aeruginosa 균주를

사용 다. Heterosigma akashiwo 는 해양에 Harmful Algal Bloom (HAB)를

는 조 알 있 며(Horner et al. 1997; Lu et al. 2003; O’Halloran et

al. 2006; Anderson et al. 2008; Khan et al. 2008), 해양에 식 는 pseudomonas

aeruginosa PA01 (Montana state university, USA)를 상 리아

택 다(Mates 1992; Kimata et al. 2004).

Heterosigma akashiwo 는 f/2 지에 양 었다(Table 2) (Guillard 1975).

증 에 해 주요 분 첨가 고(Table 3), 121℃에 15 분

동안 멸균 여 인공 해 를 만들었다(Grasshoff et al. 1983). 인공 해 를

상 식힌 후 1 mL f/2 지를 1L 인공해 에 첨가 다. 도는

22℃ 조 며, 3000 lux 14 시간 공 , 10 시간 암 조건 지를

복 며 양 다(Price et al. 1988). 약 3~4 주 양 후 Hemocytometry

법 이용 여 조 를 계 다. Sedgiwick Rafter chamber

(50mm×20mm×1mm)에 1 mL sample 고 미경 (LEICA,

34

DM2500) 계 며(Sambrook and Russell 2006), 105cells/mL 이

도 농도를 조 다.

Hemocytometry 를 이용 여 조 cell number 는 UV

spectrometer(8453, Agilent, USA)를 사용 여 Optical Density

(O.D 600)과 계를 가진다. (Figure 4) 리아 사용

Pseudomonas aeruginosa 역시 O.D 600 를 통 여 cell 농도를

에, 이를 이용 여 실험 농도를 택 다. Heterosigma akashiwo

105cells/mL 는 Pseudomonas aeruginosa PA01 1.23*107cells/mL

O.D 600 값이 일 며, Total Organic Carbon(TOC) analyzer(GE

Analytical Instruments, Inc., USA) TOC 값 역시 조

리아 각각 실험 농도에 사 값 가지는 것 인 다.

Pseudomonas aeruginosa PA01 를 Tryptic Soy Agar (TSA) 지

에 링 streaking 고 37℃에 18 시간 동안 양 여

PA01 strain 다. 이 후 colony 개를 링

Tryptic Soy Broth (Difco, Frnklin Lakes, NJ) 지에 종 고, 37℃,

110 rpm 에 18 시간 동안 증식시 다. 증식이 료 후, 4,500

rpm 에 10 분 간 원심 분리 후 양분 척 는 과 2 번 복 다.

리아 농도는 UV spectrometer 를 사용 여 600nm 에 다.

35

optical density (O.D600) 값 통해 농도를 계산 며,

인공해 에 희 여 1.23*107 cell/mL 가 도 농도를 조 다.

조 리아 사이즈(hydrodynamic diameter, HDD) 면

(zeta (ζ) potential)는 Electron Light Scattering spectrophotometry

(ELS-8000, Otsuka, Japan)를 사용 여 다.

36

Table 2. Composition of F/2 medium agar (Guillard 1975)

Parameter Component Concentration

Nutrients

NaNO3 75 mg/L

NaH2PO

4·H

2O 5 mg/L

Trace metals

FeCl3·6H

2O 3.15 mg/L

Na2EDTA·2H

2O 4.36 mg/L

CuSO4·5H

2O 9.8 μg/L

Na2MoO

4·2H

2O 6.3 μg/L

ZnSO4·7H

2O 22 μg/L

CoCl2·6H

2O 10 μg/L

MnCl2·4H

2O 0.18 mg/L

Vitamins

Thiamine-HCl 0.1 mg/L

Biotin 0.5 μg/L

Cyanobalamin 0.5 μg/L

37

Table 3. Composition of synthetic seawater(Grasshoff et al. 1983)

Component Concentration

NaCl 23.9 g/l

Na2SO

4 4 g/l

KCl 0.7 g/l

NaHCO3 0.2 g/l

KBr 0.1 g/l

MgCl2·6H

20 10.8 g/l

CaCl2·2H

2O 1.5 g/l

38

Cell number

0 1e+6 2e+6 3e+6 4e+6 5e+6 6e+6

Op

tica

l De

nsi

ty (

600

nm

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

y = 2E-07x - 0.0785

R2 = 0.9966

Figure 4. Linear relationship between algal cell number and optical density at 600

nm

39

3.2 MF 막 면 분

Flat sheet type MF 막 (AMFOR INC., USA) 사용 다.

Polyvinylideneflouride(PVDF) 재질이며, pore size 는 0.1µm 이다. ELS

막 면 는 -7 mV 거 값 나타냈다. MF 막 특

Table 4 에 나타내었다. 실험 , 사용 MF 막 불 거를

해 증 soaking 상태 48 시간 이상 냉장 보 (4℃) 다. 사용

막 효 면 3*10 cm2 이다.

막 면 조 조사 해 FT-IR 다. 가루

태가 아닌 면에 고분자 태 시료이므 ATR FT-

IR(Attenuated Total Reflective Fourier Transform Infrared spetra,

window ZnSe/diamond, Nicolet spectrophotometer 6700, Thermo

Electron Corp., USA) 사용 다. MF 막 sample 상 에 건조

상태 고, 해상도 8, 650-4000 cm-`1 장 범 에 32 번

scan 여 면 조 다(Figure 5). 1335, 3016 cm-1

장에 peak 는 CH2 bond 를 미 고, 840, 677 cm-1 는 CH2, CF2

작용 를 미 다. 1000-1120 cm-1 장에 peak 는 alcoholic C-O

40

absorption , 3400 cm-1 장 O-H band 를 미 다(Lanceros-

Mendez et al. 2001).

면상태를 찰 해 FE-SEM (Field Emission Scanning

Electron Microscope, JSM-6700F, JEOL, Japan) 사용 다.

막 건조상태 Pt 며, 계 사 주사 자 미경 사용 여

5,000 에 면 찰 다.

41

Table 4. Characteristics of PVDF-0.1 membrane

Type Material Pore size

(µm)

Water

flux (LMH)

@ 25 ℃,

@

0.1MPa

Zeta

Potential

(mV)

Area

(cm2)

PVDF

0.1

Polyvinylidene

flouride 0.1 >500 -7 3*10

42

1/cm

300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900

Ab

so

rba

nce

(%

)

0

10

20

30

401000-1210

840

3016

1335

677 3400

Figure 5. ATR-FTIR spectra of clean MF membrane

43

3.3 MF 막 시스

3.3.1 시스 구 과 운

Figure 6 본 실험에 사용 MF 시스 공 도이다. 미생 과

양분이 포함 인공 해 를 장 는 feed ( 입 ) tank, 입 조

일 게 stirrer, 입 를 membrane test unit 보내

pump (펌 ), 압 조 pressure controller (압 조 계), MF 막이

장착 membrane test unit, permeate ( 과 ) 량 는 balance

컴퓨 구 어있다. 역 를 backwashing water tank 역

압 조 는 pressure controller, membrane test unit 통과 역 를

장 는 backwashing waste tank 구 다.

MF 막 공 다 과 같 압 조건에 down flow dead-end

filtration 모드 운 다.

1) 압(60 kPa) 조건에 인공 해 30 분 이상 filtratiton

시키며, 2 시간 이상 flux 가 지 는 것 인 다 (JP(0) : 143

LMH). (Figure 7)

44

2) 미생 이 포함 TSB 1% 인공 해 (feed)를 30 분 동안

filtration 시킨다.

3) 2 분 동안 역 다. (by placing the reverse side upwards)

4) 이 과 에 flux 변 를 찰 다.

5) cycle 3 번 복 다.

6) 매 실험마다 MF 막 체 다. 0.5% NaOCl 용액

2 시간, 증 1 시간 이상 척 거나 튜 를 체 후

실험 다.

7) 모든 실험 3 번 복 여 재 인 다.

45

Figure 6. Schematic design of MF membrane system

46

Time (min)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Flu

x (L

/M2/H

)

0

30

60

90

120

150

180

Figure 7. Flux confirmation with clean seawater

47

3.3.2 역 법

역 법 3가지 분 었다. 첫 번째는 60 kPa 압 조건에

인공 해 를 역 사용 고, 번째는 같 압 조건에

sodium hypochlorite (NaOCl) 10mg/L가 포함 인공 해 를 사용 며,

pH는 7.8±0.1 지 다. 번째는 압 100 kPa 높여

인공 해 역 다. 역 시간 미생 용액 30분 filtration 시킨

후 2분 동일 다. (3번 복)

역 이후 과 량 회복 찰 며, 다 과 같 법 막

염 가역 계산 다. (Equation 1)

48

Equation 1. Calculation of reversible property on membrane fouling

-

TF: Total Fouling

RF: Reversible Fouling

IF: Irreversible Fouling

n: number of cycle

S: Starting flux

E: Ending flux

49

3.4 막 염 질 분 질 지 계산

3.4.1 막 염 질(Foulant) 분

Filtration 30 분, 역 2 분 cycle 3 번 복 후, membrane test

unit 에 MF 막 분리 다. 분리 MF 막 EPS 미생

량분 해 10 mL 증 에 고, 2 분간 sonication (60 kHz,

500 W, Powersonic 410, Whasin Tech Co., Korea) 처리 고, 3 분 간

voltexing 여 막 면에 foulant 를 탈착시킨다. 탈착 미생

fluorescence detecting 통해 chlorophyll-a 농도를 거나(조 ),

도말 평 법 colony 를 계 다( 리아). 미생 부 분

Extracellular Polymeric Substances(EPS)를 추출 해 양이

지 (Cation Exchange Resin, DOWEXR MARATONR C, Sigma-

Aldrich, MO, USA) 법 사용 다(Frølund et al. 1996). MF

막 부 탈착 용액 10 mL 를 0.45 μm cell 분리 다. 이후

양이 지 4 g 과 후 1 시간 동안 400 rpm 에 시킨다.

이 료 후 용액 원심 분리 여 양이 지가 거

상등액 얻는다. 추출 EPS 를 phenol/sulfuric 법과 lowry 법

이용 여 각각 polysaccharides proteins 분 다.

50

3.4.2 미경 분

MF 막 면에 미생 foulant를 찰 해 Confocal Laser

Scanning Microscopy (CLSM, Nikon 90 i, Tokyo, Japan) 사용 다. Water

immersion objective 즈를 사용 며, 512ｘ512 pixels에 다.

foulant는 Z축 1 μm 께 닥부 면 지 었 며,

작 3번 복 다. 이미지는 생 막 분 소 트웨어

IMARIS (Version 6.1.5., Bitplane AG, Zurich, Switzerland)를 사용 여 2D,3D

이미지 상 다. Pseudomonas aeruginosa PA01 리아에 해

foulant 경우 Bac Light Live/Dead kit (Molecular probes, Eugene, OR, USA)를

사용 여 염색시 며, Heterosigma akashiwo 조 는 염색 없이도 633

nm에 자체 므 , 650nm long-pass filter를 사용 여 찰 다.

FE-SEM 사용 여 MF 막 면에 미생 foulant를

찰 다. Foulant가 막 상 과 암 조건에 24시간 건조 후 Pt

며, 계 사 주사 자 미경 사용 여 5,000 에 면

찰 다.

51

3.4.3 Chlorophyll-a 농도

Heterosigma akashiwo 조 부 생 는 chlorophyll-a 농도를

fluorescence detector (XFLUOR4GENIOSPRO, V 4.63)를 사용 여 다.

510 nm excitation wavelength 670nm emission wavelength에

fluorescence Top mode 며, 원리는 조 합 에 있다.

이 있는 조 는 에 노출 었 일 장 고,

그 강도는 chlorophyll-a 농도 다. 죽 cell들 생시키지

못 므 이 같 원리를 통해 cell activity를 있다. Figure 8에

조 개체 chlorophyll a 농도 계를 나타내었다. 이를 통해

feed, foulant, permeate 그리고 backwashing waste에 포함 조 cell

activity를 고, 공 내에 조 질 지를 계산 다.

52

Cell number

0.0 2.0e+5 4.0e+5 6.0e+5 8.0e+5 1.0e+6 1.2e+6

Ce

ll a

ctivi

ty

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Figure 8. Linear relationship between algal cell number and cell activity

(concentration of chlorophyll a)

53

3.4.4 도말 평 법

Pseudomonas aeruginosa PA01 리아 공 내에 질 지는 도말

평 법 통해 평가 다. 입 (feed), 막 염 질 (foulant), 과

(permeate), 역 폐 (backwashing waste) 각각 sample 104~105 지

희 시킨 후 TSA plate에 100 μl를 골고루 도말 다. 도말 TSA 지는

37℃ 인큐베이 에 18시간 양 후 집락 단 (Colony Forming Unit,

CFU)를 계 며, 이를 통해 리아 공 내 질 지를

계산 다.

3.4.5 EPS 분

EPS는 polysaccharides proteins 구 어있다. Sample 0.45 ㎛ 를

통과시 cell들 거른 후, polysaccharide protein 농도를 다. 이

polysaccharides는 phenol/sulfuric 법 사용 여 량 다(Dubois et al. 1956).

2 mL 샘 에 50% phenol 80 μL 주입 고, 5 mL sulfuric acid 원액 추가

주입 후 30분 동안 시킨다. 이후 490 nm 장에 도를 며,

glucose를 사용 곡 에 입 여 량 다. Proteins는 lowry 법

사용 여 량 다. (Markwell et al. 1978) 샘 1 mL를 1mL Lowry

54

시약 (Sigma, L3540 + 40 mL 증 )과 20분 동안 시킨 후, Folin &

Ciocalteu's Phenol 시약 (Sigma, F9252 18 mL + 증 90 mL) 0.5 mL를 추가

주입 여 30분 동안 시킨다. 이후 750 nm에 도를 며,

단 질인 Bovine Serum Albunin (BSA)를 사용 곡 에 입 여

량 다.

4 장 연구 결과 고찰

4.1 조 리아 특

Table 5 에 heterosigma akashiwo pseudomonas aeruginosa 특

리 다. Heterosigma akashiwo 는 평균 10 ㎛ (6~20 ㎛) 크 를 가지며,

이는 약 1 ㎛ (0.5~1.5 ㎛) pseudomonas aeruginosa 보다 략 10 이상

큰 크 이다. 이러 결과 부 조 리아 모 MF 막 100%

통과 지 못 것 상 다. 지만 Figure 9 에 나타낸 조

리아 MF 막에 거 보면, 리아는 99% 이상

55

거 었 나, 조 는 95% 가량만이 거 었다. 그 이 는 Figure 10 에

알 있다. Figure 10 조 리아 용액 내 질들 size 분포

결과이다. 조 는 리아 달리 막 공극 크 인 0.1 ㎛ 크 이

질들이 일 부분 검출 었다. 이는 cell 자체가 아닌 cell 포

용해(cell lysis) hydrodynamic force 등에 포 벽 인해

출 는 질인 것 생각 다(Bonnelye et al. 2004). 라 이러

미 질들이 막 통과 면 거 이 다소 낮게 나타난 것

단 있다.

조 리아 모 면 를 가지며, 조 는 약 -40 mV,

리아는 약 -28 mV 조 가 조 큰 를 가지는 것

찰 었다. 조 는 강 에 재질 막과 착 이

낮고, 집에 거 낮다고 알 있다(Shen et al. 2011).

실험 조건인 heterosigma akashiwo 105 cell/mL pseudomonas aeruginosa

1.23*107 cell/mL 가 MF 막 공 입 EPS 농도를 다.

조 는 약 105 mg/L, 리아는 156 mg/L polysaccharide 포함 고

있었 며, protein 경우 조 는 약 17 mg/L, 리아는 28 mg/L 를

포함 다. 즉, 조 리아 모 조건에 부 일 량 EPS 를

지니고 있 며, 리아는 조 보다 약 1.5 높 농도를 나타냈다.

56

Table 5. Characteristics of algae (Heterosigma akashiwo) and bacteria (Pseudomonas aeruginosa)

Algae Bacteria

Name Heterosigma akashiwo Pseudomonas aeruginosa

Concentration

(cells/mL) 1*105 1.23*107

Size

(um)

Average 9.7

(5.9~19)

Average 0.98

(0.4~1.5)

Zeta potential

(mV) -41.6 -28.4

EPS

(mg/L)

Polysaccharides: 104.5

Proteins: 17.25

Polysaccharides: 156.3

Proteins: 27.8

57

Re

mo

va

l (%

)

0

20

40

60

80

100

Algae Bacteria

Figure 9. Removal of algae (Heterosigma akashiwo) and bacteria (Pseudomonas aeruginosa) by MF membrane (pore size 0.1μm)

58

Figure 10. Size distribution of (a) algae and (b) bacteria

59

4.2 조 리아에 MF 막 염

Figure 11 는 MF 막 공 에 조 리아에 해 나타나는 과 량

감소 결과이다. 조 리아 모 르게 과 량

감소시 며, 조 가 그 도가 르고 심 것 찰 었다. 이는

조 용액에 견 미 질들 향일 것이다 (Figure 10).

막 공극과 슷 크 를 가지는 질들이 르게 막 공극

막 면 보다 격 과 량 감소를 다 (pore blocking + cake

formation) (Bonnelye et al. 2004). MF 막에 인 미생 들 CLSM 3D

이미지를 Figure 12 에 나타내었다. 조 리아가 MF 막에 여있 며,

단 운 시 단 미생 염 알 있다. Figure

13 SEM 이미지에 리아는 cell 들이 직 부분 막 염

면, 조 는 보다 복잡 게 작 질들이 막 염에 향

미쳤 찰 다.

60

0 15 30 45 60 75 90 105

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Algae

Bacteria

Time (min)

No

rmali

ze

d f

lux

(J/J

0)

Figure 11. Normalized flux decline by algae (Heterosigma akashiwo) and bacteria (Pseudomonas aeruginosa) in MF membrane process (without backwash)

61

(b) (a)

Figure 12. CLSM images (3D) of membrane fouling by (a) algae and (b) bacteria

62

Figure 13. SEM images of (a) clean membrane, (b) membrane fouled by algae, (c) membrane fouled by bacteria

63

Figure 14 에 MF 공 내에 조 리아 부 나 EPS

농도를 결과를 나타내었다. Figure 14 a)는 polysaccharide

결과를 보여주며, b)는 protein 결과를 나타낸다. 조 리아 모

막에 인(foulant) EPS 양이 거 없 알 있다. 이는 에

존재 는 EPS 가 부분 MF 막 통과함 미 다. 실험 시간이

약 2 시간 이내 짧 에 막에 인 cell 들 부 생 는 EPS 가

거 없 알 있다. 라 EPS 가 MF 막 단 운 에 막 염에

미 는 향 시해도 좋 것이다. Ladner(2010)는 단 간 막 공

운 에 는 조 부 나 AOM 즉, polysaccharides proteins 이 막

염에 거 향 주지 않는다는 연구 결과를 시 며(Ladner et al.

2010), Xuet al.(2005) 역시 리아가 EPS 를 새 분 후

MF 막 공 단 장 나 어 운 , 새 운 EPS 가

분 지 막 염 주 리아 cell 자체에 것이라는

연구 결과를 다(Xu and Chellam 2005).

과 (Permeate) EPS 농도를 보면, 리아 경우

feed 조건에 해 polysaccharide 농도가 약 1.2 , protein 농도는 약

1.6 증가 알 있다. 이는 리아가 짧 운 시간에도

불구 고 feed 과 내에 EPS 를 새롭게 생 는 것 미 다.

라 EPS 가 통과 지 못 가능 이 있는 UF 막 는 NF/RO 막

64

공 경우, 단 간 운 에 도 EPS 에 해 막 염이 심

가능 이 존재 것이다. 면 조 EPS 농도는 단 운 시간 동안

거 증가 지 않았다.

65

Feed

Co

nc

en

tra

tio

n (

mg

/L)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Algae

Bacteria

Permeate Foulant

(a)

0

10

20

30

40

50 Algae

Bacteria

Feed

Co

nc

en

tra

tio

n (

mg

/L)

Permeate Foulant

(b)

Figure 14. Concentration of EPS produced by bacteria and algae in MF membrane process; (a) polysaccharide, (b) protein

66

4.3 역 향

Figure 15 에 역 를 용 (a) 조 (b) 리아에

MF 막 염에 른 과 량 감소 나타내었 며, Figure 16 에 이들

막 염 역 에 가역 특 결과를 나타내었다. 30 분 filtration 후

2 분 역 를 2 번 시행 며, 역 조건 3 가지 분 여

실험 다. 첫 번째 typical backwash 에 는 인공 해 를 역

사용 고, 역 압 운 압 과 동일 60 kPa 용 다. 번째

역 식에 는 인공 해 에 NaOCl 첨가 10 mg/L 염소 농도

역 를 사용 고, 역 압 운 압 과 동일 60 kPa

용 다. 번째 역 압 존 60 kPa 에 100 kPa 높 며,

역 는 인공 해 를 사용 다.

Typical backwash 에 조 리아 모 역 에 해 과 량이 일

회복 었 며, 조 경우 그 도가 크게 나타났다(Figure 15).

이는 미생 과 막과 명 있다. 조 가 리아보다 큰

를 가지며(Table 5), 사용 PVDF 재질 MF 막 거

면 (약 -7 mV)를 가진다(Table 4). 라 조 막과 이

리아보다 강 것이며, 역 에 해 쉽게 막 부 떨어 나갈

67

것이다. 실 Figure 17 에 MF 공 내에 조 리아 질

지를 평가 , 조 는 역 에 해 약 40% 이상 막 부

떨어 나갔 나, 리아는 약 2%만이 역 에 해 거 었 며 98%

가량 cell 들이 그 막 에 여있었다.

Figure 16 에 typical backwash 를 진행 에는 조 가

리아보다 체 인 막 염과 가역 인 막 염 도가 큰

것 찰 었 나 이후 사이클에 조 는 체 막 염 도 막

염 특 이 변 지 않 면(Figure 16a)), 리아는 가역 인 막

염 다소 감소 나 가역 인 막 염 도가 존 에

40% 가량 증가함 볼 있다(Figure 16b)). 조 는 이미 첫 번째

사이클에 작 질들에 해 부분 공극이 막히고 어들어

(pore blocking) 이상 남아있는 active pores 이 없게 다. 이후 는

cell 들이 막 에 이면 cake 며, 단 운 시 EPS 가 생 지

않 므 막 염 특 이 변 지 않는다. 면 리아는 막과

이 며, cell 들이 막에 이는 도가 늘어나면 직

공극 막 가능 이 있다(Figure 13). 라 가역 특 이 증가 며,

결과 리아가 조 보다 가역 특 이 큰 것 나타났다.

68

염소 첨가 여부는 MF 막 염 어에 향 미 지 않았다. 과

량 감소 변 는 염소를 첨가 과 거 히 일 했 며(Figure

15), 막 염 가역 특 역시 거 변 지 않았다(Figure 16).

Figure 18 에 이들 막 염 CLSM 이미지를 나타냈다. 우 역 를 지

않 a), d)에 해 역 를 처리 b), c), e), f) 모 막 염이 실히

감소 볼 있다. 리아는 해 를 역 사용

경우에는 죽 cell 이 거 보이지 않았 나, 역 에 염소를 첨가

죽 cell 들이 다소 찰 었다. 지만 체 인 cell 들 양 거

변 지 않았다. 즉, 역 에 첨가 염소는 리아 cell 들 사멸시킬

는 있 나 죽 cell 들이 막에 그 이 에 막 염 도

특 이 변 지 않았 알 있다. 조 경우 염색 지 않았

에 죽 cell 들 찰 는 없었지만 있는 조 가

감소 볼 있다. 조 역시 리아 마찬가지 실

죽 cell 들이 막 면에 그 남아있 것 상 다. 염소는

강 산 써, 조 리아 등 미생 불 시키는 것

잘 알 있다(Liang et al. 2008).

염소는 조 리아 부 생 EPS 를 분해 는데도

효과 이었다(Figure 19). 해 역 를 경우 여

염소를 첨가 역 이후 과 EPS 농도는 조 경우

69

polysaccharide 농도가 약 90%, protein 농도는 79% 가량 감소 며,

리아는 polysaccharide 약 56%, protein 농도는 8% 감소 다. 즉,

염소를 첨가 역 를 사용 경우 미생 부 생 EPS 를 거 는

데 효과 이며, 그 효과는 조 경우 클 것이라 말 있다. 염소는

EPS 를 거 고, EPS 에 해 생 gel layer 를 해 고 는

효과 인 라 알 있다(Liang et al. 2008). 이러 결과들 통해

염소를 첨가 역 는 단 MF 공 운 에 는 막 염 어 는데

큰 효과가 없 나, cell 들 사멸시킬 있고(EPS 새 운 생 이나

미생 생장 억 가능), 이미 존재 는 EPS 를 분해 있 므 장

운 시나 UF,NF/RO 막 운 에 는 막 염 어 는 데 매우 효과가

있 것이라 생각 다.

마지막 역 압 100 kPa 높여 역 리 인 힘

강 며, 조 리아 모 역 효과가 매우 증가 다. Figure

15 에 보는 것처럼 역 에 해 과 량이 많이 회복 었 며,

결과 과 량 감소 도도 낮게 나타났다. Figure 16 통해

체 인 막 염이 감소 고 특히 가역 인 특 이 매우 어들었

인 있다. 조 경우 그 효과가 크게 나타났다. 이 같

결과를 통해 단 MF 공 운 에 는 인 법에 역 보다

70

리 인 힘 높인 역 가 보다 효과 임 알 있다. 이는 간

높 압 진행 역 (backpulsing)에 해 막에 염 질들이

떨어 가며, 이는 hydraulic shear 보다는 갑작스러운 역 향 량 증가

인 리 인 해에 것이라고 생각 다(Hillis et al. 1998; Liang et al.

2008).

\그 이상 압 에 도 시도 나 막에 손상이 나타나 결과를 얻

없었다. 역 압 이 지나 게 높 경우, 막 손상 에 과 질이

악 있다고 알 있 며(Hillis et al. 1998), 압 이 증가함에 라

추가 인 hydrodynamic shear 가 생 므 이에 해 조 부 AOM,

리아 부 생 는 EPS 양이 증가 있 므 주 해야

것이다(Bonnelye et al. 2004; Hense 2010).

71

Time (min)

No

rma

lized

flu

x (

J/J

0)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Typical backwash (w/o chlorine, 60kPa)

Backwash with chlorine

Backwash (100kPa)

(a)

Backwash Backwash

Time (min)

No

rmalized

flu

x (

J/J

0)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Typical backwash (w/o chlorine, 60kPa)

Backwash with chlorine

Backwash (100kPa)

(b)

Backwash Backwash

Figure 15. Normalized flux decline by (a) algae (Heterosigma akashiwo) and (b)

bacteria (Pseudomonas aeruginosa) in MF membrane process with backwash

72

Typical backwash

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Irreversible fouling

Reversible fouling

Backwash (w/ chlorine) Backwash (100kPa)

No

rmalized

fo

ulin

g(a)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Irreversible fouling

Reversible fouling

Typical backwash Backwash (w/ chlorine) Backwash (100kPa)

No

rma

lized

fo

uli

ng

(b)

Figure 16. Reversibility of fouling (in two cycle of backwash by (a) algae (Heterosigma akashiwo) and (b) bacteria (Pseudomonas aeruginosa) in MF

membrane process

73

Figure 17. Mass balance of (a) algae (b) bacteria in MF membrane system with typical backwash (pure synthetic seawater, 60kPa)

74

Figure 18. CLSM images (2D) of membrane fouling by (a) algae without backwash, (b) algae with backwash of pure seawater, (c) algae with backwash of

chlorine added seawater, (d) bacteria without backwash, (e) bacteria with backwash of pure seawater, (f) bacteria with backwash of chlorine added

seawater

75

Polysaccharide

Rem

ova

l (%

)

0

20

40

60

80

100

Algae

Bacteria

Protein

Figure 19. Removal of EPS (polysaccharides + proteins) in permeate (after

chlorine added backwash)

76

4.4. Alginate 향 (장 운 시 )

Alginate 10 mg/L 를 첨가 막 염에 과 량 감소 그

특 변 를 Figure 20 에 나타내었다. MF 막 공 장 간 운 경우

미생 에 해 생 는 막 염 해 모델 EPS alginate 를

첨가 여 실험 다(Boyd and Chakrabarty 1995; Ye et al. 2005). Figure 20a)에

alginate 첨가 시 조 리아에 막 염 부 과 량

감소 이 심 었다(특히 리아). Figure 20b)에 가역 인 막

염 특 이 증가 볼 있다. 즉 장 운 시 막에 인

미생 부 EPS 가 생 경우 막 염이 심 것 있 며,

특히 리아 경우 막 에 인 cell 양이 많고, 역 에 해 잘

떨어 나가지 않 므 (Figure 17), 그 도가 클 것 생각 다. Figure

21 에 나타낸 SEM 이미지에 alginate 를 첨가 막 염이

심해 며, 특히 리아에 막 염에 alginate 첨가 후 cell

자체보다는 덩어리진 막 염이 었 볼 있었다.

77

Figure 20. Prediction of long-term operation in MF membrane process; (a)

Normalized flux decline by algae and bacteria with alginate solution (10 mg/L),

(b) Reversibility of fouling by algae and (c) bacteria with alginate solution (10

mg/L)

78

Figure 21. SEM images of membrane fouling by (a) algae, (b) bacteria with

alginate (10 mg/L)

79

5 장 결

본 연구에 는 해 담 처리 공 MF/UF 막 공

운 면 해 에 식 는 조 리아에 막 염 조사 다.

특히 MF 막 공 단 운 에 생 는 단계 막 염

조사 는 것에 집 며, 여러 역 법 용 여 그 차이를

찰 다.

MF 막에 조 는 리아보다 격 막 염 일 키며,

이는 조 에 존재 는 미 질들 향 생각 다.

에 존재 는 EPS 는 조 리아 모 MF 막 염에 거

향 미 지 않았다. 이는 이들 EPS 가 MF 막 거 부분

통과 며, 단 운 동안 막에 인 미생 부 새롭게 생 지

않았 이다.

조 는 역 에 해 막 부 많이 떨어 나갔지만, 리아는

역 에 해 거 떨어 나 지 않아 부분 cell 들이 막에 며,

이 함께 가역 인 막 염 특 이 증가 다. 염소를 역 에

첨가 , 단 MF 막 공 운 에 는 막 염 어 는 데에

80

큰 효과가 나타나지 않았다. 지만 실 조 리아 cell 들이

불 었 며, 미생 부 생 EPS 가 분해 었 찰 다.

역 압 100kPa 높 경우 조 리아 모 역 효과가

증가 며, 특히 조 경우 그 효과가 크게 나타났다. 이를 통해

단 MF 공 운 에 는 인 법에 역 보다 리 인 힘

높인 역 가 보다 효과 임 알 있었다.

MF 막 공 장 간 운 경우 미생 에 해 생 는 막 염

해 모델 EPS alginate 를 첨가 며, 과 량 감소 이

증가 고, 특히 가역 인 막 염 특 이 증가함 찰 다. 이러

결과를 통해 장 운 시에 EPS 양이 증가 게 면 미생 에 막

염이 심 것 있다.

81

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Abstract

Seoeun Cha

School of Chemical and Biological Engineering, College of Engineering

The Graduate School

Seoul National University

For securing stabilized water resources, there are increasing interest and study about

seawater desalination, especially Reverse Osmosis (RO) membrane process. But algal

blooms and bacteria in seawater can foul membrane causing flux decline and

membrane damage. In some cases, plant operation can be stopped. Therefore,

appropriate selection and operation of pretreatment process before RO membrane is

necessary to prevent fouling in membrane system. Recently, microfiltration(MF) and

ultrafiltration(UF) are preferred as pretreatment process before RO process. However,

the main problem is MF/UF membranes’ own fouling.

This study investigated MF/UF membrane fouled by algae and bacteria in seawater

as seawater desalination pretreatment process. Especially, initial stage of MF

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membrane fouling in short-term operation was examined with various kinds of

backwashing methods. We compared the extent and the characteristics of fouling by

algae and bacteria. Algae caused more severe flux decline but backwashed more easily

than bacteria. EPS(extracellular polymeric substances) produced by microorganism has

no effect on MF membrane fouling in short-term operation. Addition of chlorine in

backwash inactivated algae and bacteria cells, but flux decline was not restored. High

pressure on backwash restored flux decline effectively. Alginate was added in feed as

model EPS and it exacerbate membrane fouling (prediction of long-term operation).

Keywords: Desalination, Bio-fouling, Algae, Bacteria, Pretreatment, MF, backwashing

Student Number : 2011-21078