Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, pp.269-276 (2012)

Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, 2012

PTFE막을 이용한 빗물 수 통합형 MBR 시스템 개발 성능 평가

이태섭ᆞ김 진ᆞ함상우ᆞ홍승 †ᆞ박병주*ᆞ신용일*ᆞ정인식*

고려 학교 건축사회환경공학부*(주)시노펙스 물환경기술연구소

Development of PTFE Membrane Bio-reactor (MBR) for Integrating Wastewater Reclamation and Rainwater Harvesting

Taeseop Lee⋅Youngjin Kim⋅Sangwoo Ham⋅Seungkwan Hong†⋅Byungjoo Park*⋅Yongil Shin*⋅Insik Jung*

School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University*Synopex, Water Environmental Technical Research Institute

(Received 12 December 2011, Revised 5 January 2012, Accepted 19 February 2012)

AbstractThe surface characteristics and performance of PTFE (polytetrafluoroethylene) hollow fiber membranes have been systema-tically investigated at lab- and pilot-scale to assess their application to membrane-bioreactor, particularly for integrating wastewater reclamation and rainwater harvesting. The PTFE membrane expressed some surface features, such as hydropho-bicity, which might enhance membrane fouling. However, lab-scale performance and cleaning experiments under various conditions demonstrated that the PTFE membrane could produce the desirable water flux with good cleaning efficiency, implying easy operation and maintenance due to superior chemical resistance of PTFE membranes. Most of effluent water qualities were met with Korean standard for discharge and reuse, except color. Color level was further reduced by blending with rainwater at 75:25 ratio. Based on the lab-scale experimental results, the pilot plant was designed and operated. Pilot operation clearly showed sTable performance with satisfactory water quality, suggesting that PTFE membrane could be applied for decentralized MBR integrated with rainwater use.

keywords : Color removal, Membrane bio-reactor, Polytetrafluoroethylene (PTFE) hollow fiber membrane, Rainwater harvesting, Wastewater reclamation

1. 서 론1)

지구 온난화로 인한 기상 이변은 집 호우와 가뭄 등을

야기하여 수자원의 장과 활용의 효율성을 낮아지게 하고

있다. 이러한 상으로 인해 세계 각 지역에서는 물 부족

으로 고통 받는 인구가 증가하고 있으며, 한국 역시 1인당

사용가능한 수자원량이 약 540 m3로 OECD 평균 920 m3

보다 은 양을 사용하고 있으며, 30개 OECD국가에서 17를 차지하고 있다(국토해양부, 2010). 기후의 심각한 변

화와 심화되는 물 부족 상을 해결하기 하여 다양한 연

구와 개발이 시도되고 있다. 그 물 재이용 기술은 경제

성 높은 미래 수자원 확보 방법의 하나로 각 받고 있다.물 재이용 기술의 핵심은 첨단 분리막을 이용한 기술이

며 이를 통해 생활 하수 산업 폐수 등 다양한 오염 물

질을 포함한 질의 원수로부터 깨끗한 물을 생산한다. 이러한 분리막 기술은 뛰어난 제거 효율과 부지 감 등 막

분리 기술이 가지는 고유한 강 으로 인해 다양한 수처리

†To whom correspondence should be addressed.skhong21@korea.ac.kr

분야에서 차 사용이 확 되고 있다(Davis and Masten, 2004). 특히, 생물학 처리공정과 막분리 공정이 결합된

MBR (membrane bio-reactor)은 고농도의 MLSS를 유지하여

처리효율이 높고 침 조가 필요하지 않기 때문에 공간 활

용 측면에서 유리하며, 슬러지 발생량을 감시키는 장 을

가진 기술이다. 한 원격 감시, 진단, 제어 등 자동화가

가능하고 설계가 단순하며 유지･ 리가 용이하다.MBR을 통하여 부분의 수도 수질 기 을 만족하는

물을 생산할 수 있으나 기본 으로 색도와 같이 MF 혹은

UF로는 제거하기가 힘든 항목의 경우에는 수질 기 을 만

족시키기 해 별도의 방법이 요구된다. 그 안으로, MBR 처리수와 빗물을 정 비율로 혼합하여 색도 등을 조 할

수 있는 빗물- 수 통합 시스템이 필요하다. 이 시스템을

이용하면, MBR을 통해 생산된 수를 별도의 복잡한 후처

리 공정을 거치지 않고, 빗물과의 블 딩을 통하여 수질

향상이 가능하다.미래에는 수자원의 효율 인 리를 하여 재의 규

모 집 형 리 시스템이 소규모 분산형 시스템으로 발

할 것으로 상되고 있다(Mankad and Taqsuwan, 2011; Varbanets et al., 2009). 그러나 이러한 분산화를 해서는

이태섭ᆞ김 진ᆞ함상우ᆞ홍승 ᆞ박병주ᆞ신용일ᆞ정인식

한국물환경학회지 제28권 제2호, 2012

270

Table 1. Development of various membrane materials for membrane bioreactor1st generation 2nd generation 3rd generation

Materials PP/ PE/ PES/ PAN PVDF PTFEPoss. Temp. Low ~ Mid Mid ~ High High

Chemical resistance Low ~ Mid Mid ~ High HighDurability Low ~ Mid Mid ~ High HighMBR app. Mid High High

필수 인 요건으로 운 의 편리성 안정성, 그리고 렴

한 유지･보수 비용 등이 만족되어야 한다. 미래 분산형 시

스템에 MBR을 용하여 하･폐수를 처리하고 수로 재사

용하기 해서는 막오염으로 인한 막 교체 비용 문제와 화

학 세정으로 인한 막의 수명 단축 문제, 그리고 막 완결성

유지 등이 가장 큰 걸림돌이 된다. 이러한 이유 때문에 좀

더 성능이 좋고 내구성도 강한 분리막을 제조하기 한 노

력은 과거부터 재까지 꾸 히 이어지고 있다(Table 1). 1세 라 할 수 있는 막은 주로 PP/PE/PES/PAN 등 다양한

재질이 이용되었으나 체 으로 장에 용할 수 있을

정도의 투과성 내구성 등을 갖추지 못하 다(Meng et al., 2009).이후 2세 로 PVDF막이 개발되면서 1세 막보다 더 높

은 화학 , 물리 내구성을 지녀 막의 수명이 연장되었다. 그러나 PVDF는 기본 으로 소수성재질이어서 막 오염이

비교 잘 일어나고, 강염기 환경에는 약하다는 한계 이

있다(Liu et al., 2011). 특히 막 오염을 해결하기 한 방법

으로 화학세정을 실시하는데, 화학세정을 자주 실시하게 되

면 비용 인 부담도 늘어나고 막 재질에 손상이 가해지게

된다(Bohner and Bradley, 1992; Chong et al., 1985).한편 미래의 막으로 심이 고조되고 있는 PTFE막은 분

자구조 특성상 단이 일어나기 어려우며 높은 내열성

내화학성을 보여 PVDF막보다 높은 온도 다양한 세척조

건에서 사용할 수 있다(Frake et al., 2007). 최근 들어 lab- scale 규모에서 PTFE막의 막오염 상에 한 연구가 수행

되었고(최재훈과 김형수, 2008), 하수처리를 한 MBR 공정에서 PTFE 평막의 성능과 집 도 향상 등을 한 pilot- scale 연구가 보고되었다(이의종 등, 2011). 그러나 PTFE 재질의 공사막은 아직까지 용사례가 고 막의 성능에

한 연구 한 부분 소규모로 이루어지고 있는 상황이다.본 연구에서는 PTFE 공사막을 분산형 MBR시스템에

용하여 미래 소형화/자동화/무인화시스템에 필요한 막 운

Fig. 1. Concept and benefits of integrating wastewater recla-mation and rainwater harvesting.

안정성을 강화하고자 하 다. 한 빗물 장 이용

을 통해 MBR시스템의 후처리 등을 단순화하여 비용의

소규모 분산형 물 재이용 시스템을 개발하 다. 다시 말해

안정 인 수량을 확보할 수 있으나 수질이 좋지 않아 비용

이 많이 드는 하･폐수처리와 수질은 양호하나 안정 인 수

량확보가 어려운 빗물이용을 연계한 빗물- 수 퉁합 MBR 시스템(Fig. 1)을 개발하여, 실험실 일럿 규모에서 다

양한 실험 조건아래 체계 으로 운 하고, 성능을 분석하 다.

2. 연구방법

2.1. PTFE막 표면 분석

2.1.1. 동 각(Dynamic contact angle)

동 각은 Sigma 701 microbalance (KSV instrument, Ltd., Finland)를 이용하여 wilhelmy plate method를 통해 측정하

다. 동 각이 측정되는 동안에 막 샘 은 수직으로 장비

에 매달린 상태로 3차 증류수(Unions, Water Purification System, Sinhan Science Tech, Korea)에 들어가게 되고 막이

용액과 된 순간부터 발생하는 힘을 측정하여 이를 동

각으로 환하게 된다. 실험에 사용된 공사막은 15 mm의 길이로 휘어지지 않게 잘라서 실험에 사용되었다. 실험에

사용된 용액자체의 표면장력은 용액 온도 20 ~ 22°C, 실험실

온도 20 ~ 24°C, 그리고 20 ~ 25%의 습도에서 Du Nouy ring method를 사용하여 측정되었다. 표면장력 측정용 링은 사용

하기 에 에틸 알콜을 이용하여 세척되 다.

2.1.2. 제타 포텐셜(Zeta potential)

제타 의 측정은 Anton-paar사(오스트리아)의 SurPass 모델을 이용하여 이루어졌다. 본 연구에서는 cylindrical cell을 사용하고 분리막의 재질이 모두 동일하지 않기 때문

에 Helmholtz-Smouluchowski 공식보다는 컨덕턴스가 반

된 Fairbrother-Mastin공식을 사용하 다. 측정에 사용된

PTFE막은 공사막 형태이기 때문에 기존 방식이 아닌

공사막 외부표면의 제타측정방법을 이용하여 측정하 다

(이태섭 등, 2009).

2.1.3. FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

본 연구에 사용된 공사막의 표면재질을 분석하기 해

서 FT-IR (FT/IR-4100, Jasco, Japan)이 사용되었다. 원에

서 나온 외선을 시료에 주사하면, 특정 화학종이 고유

역의 장을 흡수하여 이 에 지에 응하는 특징 인

스펙트럼을 나타내게 된다. 이 스펙트럼을 해석하여 분자구

조 특수한 작용기에 해 분석을 하 다.

PTFE막을 이용한 빗물 수 통합형 MBR 시스템 개발 성능 평가

Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, 2012

271

Fig. 2. Illustration of MBR system integrating wastewater reclamation and rainwater harvesting.

2.1.4. 주사 미경 (SEM, Scanning electron microscope)

PTFE 공사막의 구조를 찰하기 해서 단면을 주사

미경(Hitachi S-4300, Hitachi, Japan)으로 찰하 다. 샘은 양면테이 로 속 에 고정시키고 아르곤 존재 하에

서 백 코 을 하 으며, 단면 측정시 액체질소로 얼린 뒤

깨는 방식으로 측정을 하 다.

2.2. Lab-scale 빗물- 수 통합형 MBR 시스템 실험

PTFE 공사막은 일본에 있는 S사의 침지식이 아닌 외

부형의 시범모듈을 제작･사용하 으며, 외부순환형 MBR 방식이 용된 빗물- 수 통합형 MBR에 용되었다. 빗물

- 수통합형 MBR의 구성 원리는 Fig. 2와 같다. 비강우

시와 강우시로 운 이 나뉘는데 비강우시에는 MBR이 단

독으로 운 되며 압RO 등의 후처리를 통해 최종처리수

가 생산되고, 강우시에는 막여과 생물반응조에서 처리된 물

이 빗물과 블 딩을 통하여 소비자가 원하는 수질로 다양

하게 조 될 수 있다.생물반응조는 10 L의 유효부피를 가지는 원통형 아크릴

반응기를 사용하 으며, 반응조의 바닥에 호기성 미생물의

산소공 을 한 폭기 장치를 설치하 다. 생물반응조를 거

친 슬러지 혼합액은 순환펌 를 이용하여 외부에 설치된

형 막 모듈로 순환되도록 하 으며, 형 막 모듈의 상

부에는 흡입 펌 를 설치하여 공사막을 통과한 처리수를

얻을 수 있도록 하 다. 형 막 모듈의 하단에는 폭기 장

치를 설치하여 공기방울과 막 표면과의 에 의한 단

력과 슬러지 혼합액의 순환흐름을 이용한 막 표면에서의

단력에 의하여 막오염을 최소화함으로써 안정 인 flux를

유지하 다. 막 모듈에 설치된 펌 는 PLC (programmable logic controller)를 이용하여 흡입 주기와 역세척 주기를 설

정된 시간 값에 따라 자동 으로 작동되도록 하 고, 압력

계는 PLC에 연결되어 흡입 압력과 역세척 압력을 실시간

으로 자동 모니터링하여 장되도록 하 다.성남시 하수처리장에서 채취한 2차 침 지 슬러지를 식

종하여 사용하 으며, 원수도 동일한 하수처리장에서 1차

처리수를 취수하여 사용하 다. SRT는 30일로 고정하 으

며 MLSS의 경우 8000 ± 500 mg/L 로 유지하 다. 역세척

은 투과수를 이용하 으며, 투과유량의 최 30% 정도를

역세척 유량으로 사용하 다. 막 모듈의 운 주기는 10분

단 로 [처리(9분)-휴지(10 )-역세척(40 )-휴지(10 )]의 순

서가 계속 반복되도록 PLC로 조정하 다. 역세척과 처리

사이에는 휴지기를 둠으로써 울링 측면에서 정 인 효

과를 기 하 다(Wu et al., 2008). Lab-scale에서의 실험은

빗물- 수 통합형 MBR의 pilot-scale 설계 운 을 해

운 조건을 다양하게 변화시켜 수행하 다.막 오염으로 인한 막 생산성 감소를 회복하기 해 본 연

구에서는 화학세척을 실시하 다. 세척실험은 막간차압(TMP: trans-membrane pressure) 증가가 두드러졌을 때 NaOH와 NaOCl를 이용하여 각각 세척하 다. NaOH 1%와 NaOCl 0.3% (S막

제조사에서 제공한 화학세척 농도)로 각각 한 시간씩 용액에

담궈서 화학세정을 실시하 으며, 그 후 공기분산(air sparging)도 함께 실시한 후 TMP 회복률을 확인해 보았다.

MBR 처리수의 후처리로 빗물과 혼합하는 방식을 채택하

다. 블 딩 실험에는 50일 이상 빗물탱크에 장해 놓은

빗물과 MBR의 처리수가 사용되었다. 빗물탱크에 장해

놓은 빗물은 강우시 고려 학교의 이학별 옥상부터 내려

오는 홈통에서 직 취수하 다. 기우수를 배제한 뒤, 직 채수된 빗물은 직사 선이 미치지 않는 실내에 치한

1톤 용량의 빗물탱크에 보 을 하고 실험은 상등수를 사용

하 다. 빗물과 처리수의 비율을 다섯 가지로 나눠서 실험

을 하고 수질 분석을 통해 최 혼합 조건을 찾도록 하

다. 즉 빗물과 처리수가 각각 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100이 되도록 혼합한 후 분석하 다.

2.3. Pilot-scale 빗물- 수 통합형 시스템 실험

Lab-scale에서 개발된 MBR시스템의 장기 인 연속운

가능성 안정성을 평가하기 해 pilot test를 진행하 다.

이태섭ᆞ김 진ᆞ함상우ᆞ홍승 ᆞ박병주ᆞ신용일ᆞ정인식

한국물환경학회지 제28권 제2호, 2012

272

Fig. 3. Schematics of pilot-scale MBR plant.

Pilot-plant는 lab-scale 시스템을 바탕으로 Fig. 3과 같이 구

성되었으며, 10 m3/day의 유량이 나오도록 제작되었다. 설치 운 장소는 경기도 동탄시 내 치한 시노펙스사의

빌딩 지하 공간에서 운 하 으며 기본 설계는 lab-scale과

동일한 원리로 작동되도록 하 다. 리자의 편의와 data의

안정 인 확보, 그리고 원거리에서의 운 조건 변경과 모니

터링을 하여 PLC 원격제어시스템을 용하 다.Fig. 3에서와 같이 본 plant는 원수를 원수 장조로 공

하는 수 펌 , 원수 장조의 원수를 폭기조로 이송하는 원

수이송펌 (feed pump), 폭기조의 슬러지혼합액을 분리막과

폭기조로 순환시키는 순환펌 (circulation pump), 흡입을

통한 처리수 생산을 한 흡입펌 (suction pump), 1차 처

리수의 활성탄 처리 는 블 딩 비율 조 을 한 처리수

펌 (permeate pump), 일정주기에 따른 수세역세를 한

역세펌 (back washing pump) 그리고 폭기조 공기분사를

한 로워(blower)와 빗물 장조의 빗물이송을 한 빗물

이송펌 (rain puum)로 구성되었다. 각 사양의 호환성과 추

후 보수 등을 고려하여 모든 펌 를 WILO사의 pump로 동

일하게 사용하 다. 공기분산에 들어가는 공기는 3마력을

가진 ring type의 로워를 용하 다. 한, pilot plant의

운 데이터 구축을 해 폭기조 내에 pH DO meter와

pilot 내에 유량계 압력계, 그리고 원수와 처리수수질의

탁도 확인을 한 탁도계 등을 설치하 다.원수는 시노펙스사의 빌딩 내에서 발생하는 실제 오수

하수를 사용하 으며 빗물은 건물 옥상과 연결된 우수

배 을 통해 10톤 규모의 빗물 장조에 장하여 사용하

다. 우수배 을 통해 얻어지는 빗물을 우수배제 필터를 통

해 기우수 배제 부유물질 제거 등의 처리를 거친 후

빗물 장조로 이송하도록 하 다. 한 빗물 장조 내 격막

설치, 빗물을 월류 시킴으로써 바닥의 이물질이 부상하지

않도록 하 다. 뿐만 아니라, 빗물 장조 내에 수 에 따

라 유입 치가 변하는 시스템을 설치하여 빗물 장조 내의

빗물량을 기 으로 간부분의 빗물을 사용함으로써 혼합

에 사용되는 빗물의 수질을 향상시키도록 하 다.폭기조의 슬러지는 기존 침지형 MBR 시스템(성균 학

교)의 호기조 내 슬러지를 식종하여 사용하 다. 이때 MLSS

Table 2. Comparison of operating conditions between lab- and pilot-scale systems

Parameter Lab-scale Pilot-scaleHRT (hr) 7.12 / 16.67 10

Operation (sec) 540-10-40-10* 480-30-60-30*

Flux (LMH) 14 / 20 30MLSS (mg/L) 8000 ± 500 3000 ± 500

SRT (days) 30pH 7 ± 0.5

DO (mg/L) 2 >Temp (°C) 20-23

*Filtration-Releasing-Backwashing-Releasing

는 3000 ± 500 mg/L 로 lab-scale과의 차이를 나타내었다. MLSS는 막 오염 운 조건에 큰 향을 미치는데, MLSS가 50%이상 감소하 기 때문에 pilot에서는 lab에서의 운

결과보다 더 나은 flux를 기 할 수 있다고 단하여 계획

되었던 20 LMH보다 50% 향상된 30 LMH로 운 을 시도

하 다. 기타 SRT와 pH, DO 등은 lab-scale과 동일한 조건

으로 맞춰주었다. 하지만 운 시간의 경우, PTFE막 모듈

의 크기가 커짐에 따라 운 주기는 lab-scale보다 휴지

역세기간을 좀 더 갖도록 하여, 여과(480 )-휴지(30 )-역세(60 )-휴지(30 )의 10분을 1 cycle 기 으로 24시간 연

속 운 하 다(Table 2).Pilot-plant 운 에 사용된 빗물은 2011년 7월 부터 약

70일 동안 연속 운 한 것을 바탕으로 실험하 으며, 본

연구에 용된 분리막은 PTFE 재질의 공경이 0.2 μm인

공사형태의 MF 막으로써, 기존 S사의 모듈을 그 로 사용

하지 않고 lab-scale의 충진율과 비슷하도록 모듈을 개량하

여 사용하 다. 그때의 유효면 은 12 m2로 충진율이 18%로 lab-scale과 동일하게 제작하 다. 본 pilot-plant의 운

조건에 맞게 새로운 디자인으로 모듈로 변경하여 용한

것에 하여 모듈의 사양은 다음 Table 3에 정리하 다.Pilot-plant는 비강우시에는 생물반응조와 PTFE분리막을

통해 처리된 MBR 처리수가 활성탄에 제거되어 재이용수로

사용 할 수 있도록 하 다. 반면, 강우 시에는 생물반응조와

PTFE분리막을 통해 처리된 처리수와 빗물을 색도 기 으로

혼합함으로써, 후처리공정인 활성탄을 체하여 재이용하 다.

PTFE막을 이용한 빗물 수 통합형 MBR 시스템 개발 성능 평가

Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, 2012

273

Fig. 4. SEM images of the PTFE membrane cross-section.

Table 3. Specifications of PTFE membrane and moduleParameter SpecificationsMaterial PTFE

Type Hollow fiberPore size (μm) 0.2

Diameter (OD / ID mm) 2.3 / 1.0Filtration type Outside-inMax. Turbidity 100

Pressure(bar) ~ 1.0Temp. (°C) 1 ~ 80

pH 0 ~ 14Membrane Surface (m2) 0.2 (lab) 12 (pilot)Module size (DxL, m) 0.04 × 0.435 (lab) 0.2 × 1.3 (pilot)

Packing density 18% (lab) 18% (pilot)

3. 결과 고찰

3.1. PTFE 표면 분석 결과

본 연구에 사용된 PTFE막에 하여 표면 분석을 심도있

게 실시하 다. 막 표면이 가지는 특성은 크게 물리 특

성과 화학 특성으로 분류할 수 있다. 막의 물리 특성

을 분석하기 해 SEM을 이용하여 막의 단면을 측정하

다(Fig. 4). 그 결과 PTFE 공사막은 표면층과 지지층으로

구성된 비 칭 형태로서 스폰지 형태의 지지층을 가지고

있다는 것을 확인할 수 있다.막 표면의 물리 특성을 분석하기 해서 AFM을 이용

하여 표면의 거칠기를 측정하 다. 그 결과 PTFE막의 거칠

기(RMS)는 324.08 nm로 측정되었고, 이는 PTFE 공사막

의 표면이 상 으로 거친 구조를 가지고 있다는 것을 알

려 다. 막의 화학 특성을 분석하기 해서 FT-IR을 이

용하여 표면의 작용기를 분석하 다. PTFE의 분자구조를

살펴보면 C-F 결합이 반복된다는 것을 알 수 있는데 분석 결

과 활성층(active layer)에서 C-F peak만 발견되었다(Fig. 5). 이를 통해 PTFE 공사막에 다른 표면처리가 되어 있지

않다는 것을 알 수 있다. 다음으로 막 표면의 zeta potential을 분석하 는데 PTFE 공사막의 경우 zeta potential이

pH가 증가하더라도 거의 변화가 없이 0에 가까운 값을 보

이며 하를 갖지 않는 것으로 확인되었다(Fig. 6). 마지막

으로 PTFE막의 동 각은 106.2°로 측정되었다. 이는 PTFE

Fig. 5. FT-IR spectrum of the PTFE membrane surface.

Fig. 6. Zeta-potential of PTFE membrane.

막 표면이 소수성을 가지고 있으며 소수성 유기물 등에 의

한 막오염이 발생할 수도 있다는 것을 알려 다.결론 으로 PTFE막 표면 분석 결과, PTFE막은 거친 표

면을 가지고 있을 뿐만 아니라 거의 하를 띄지 않고 소

수성이 강하다는 것을 알 수 있다. 이러한 표면 특성은 막

오염이 심하게 발생할 수 있는 가능성이 있어 앞으로 재

상용화된 PVDF막처럼 표면개질을 통하여 친수성을 개선시

킬 필요가 있음을 의미한다. 하지만 산/알칼리 등에 강한

내화학성을 가진 PTFE막은 막오염이 일어나더라도 화학세

척이 용이하고 친수성 표면개질만 이루어진다면 분산형 수

처리 시스템에서 차세 분리막으로 충분히 가능성이 있을

것으로 단된다.

이태섭ᆞ김 진ᆞ함상우ᆞ홍승 ᆞ박병주ᆞ신용일ᆞ정인식

한국물환경학회지 제28권 제2호, 2012

274

Table 4. Quality of the effluent from lab-scale system at flux of 20 LMHParameter Wastewater reuse standard Raw water Effluent Rain water Blending (Eff. : Rain (%) = 75 : 25)

pH 5.8 ~ 8.5 7.99 6.63 7.3 6.9BOD5 (mg/L) < 10 32 1.3 0.8 1.1

CODMn (mg/L) < 20 140.4 18.9 1.2 13.3Turbidity (NTU) < 2 61.94 0.45 0.2 0.38

Color (PtCo) < 20 179 33 0 20E.Coli 0 Too high 0 0 0

3.2. Lab-scale 시스템 운 분석

Lab-scale의 MBR 운 은 HRT에 따라서 flux를 14 LMH (7.12 hr HRT)와 20 LMH(4.5 hr HRT)로 변화시키면서 평

가를 하 다. 실험 결과는 Fig. 7에 flux를 TMP로 나 어

주어 분리막의 생산성만 비교할 수 있도록 specific flux로

나타내었다. Fig. 7에서 볼 수 있듯이 체 으로 14와 20 LMH의 운 조건에서는 막오염 상에 의한 생산성 감소

율이 비슷한 것으로 찰되었다.MBR 처리수의 수질을 HRT를 4.5 hr와 7.12 hr로 변화

시키며 분석해 본 결과, HRT의 변화에 따라서 확실한 차

이를 보이진 않았다(Fig. 8). COD의 경우, 각각 85% 이상

의 제거율을 나타내었는데 이는 기존의 연구와 유사한 결

과를 보 다(Xing et al., 2001). 일반 가정하수는 HRT가 1~3시간정도로 짧더라도 충분한 유기물 제거가 가능하다는 연

Fig. 7. Variation of specific flux at operating flux of 14 and 20 LMH.

Fig. 8. Quality of MBR effluent under various operating conditions.

구(Ren et al., 2005)도 보고되고 있다. HRT에 상 없이 색

도를 제외한 모든 수질 항목은 방류수 수질기 (Table 4)을

만족하는 것을 알 수 있다.MBR 처리수의 색도는 MF/UF로는 완벽한 제거가 불가

능하기 때문에 일반 으로 후처리가 필요하다. 그 에서

빗물을 이용하는 것은 가장 효과 이고 렴한 기술이기에

(Rygaard et al., 2011) 후처리로 빗물과 혼합하는 방법을

사용했으며 비율에 따른 수질 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 색도는 75:25의 혼합비율에서 방류수 수질기 인 20 PtCo를 만족시킴을 알 수 있다. 오존과 RO를 이용해 후처리

하 을 경우 매우 높은 색도 제거율을 보 으나, 빗물과의

혼합기법과는 달리 MBR후단에 오존 RO공정을 설치하

고 운 해야 하는 어려움이 있다. 마지막으로 PTFE막의 화학세정을 통한 생산성 회복실험

을 수행하 다. NaOH와 NaOCl을 이용하여 각각 세척 후

공기분산을 함께 용하여 TMP 회복율을 살펴보았다. 그

Fig. 9. Color of treated water qualities after blending with rainwater, ozone, and RO.

Fig. 10. TMP recovery after chemical cleaning by NaOH and NaOCl.

PTFE막을 이용한 빗물 수 통합형 MBR 시스템 개발 성능 평가

Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 2, 2012

275

Table 5. Quality of the effluent from pilot-scale system at 30 LMH fluxParameter Wastewater reuse standard Raw water Effluent Rain water Blending (Eff. : Rain (%) = 75 : 25)

pH 5.8 ~ 8.5 8.11 7.65 7.41 7.87BOD5 (mg/L) < 10 95 7 1.5 4

CODMn (mg/L) < 20 103.5 10.7 2.9 7.5Turbidity (NTU) < 2 63.1 0.2 1.5 0.47

Color (PtCo) < 20 65 18.8 0 2.5E.Coli 0 24,500 0 0 0

결과 NaOH는 88.2%, NaOCl은 96.7%의 TMP 회복율을 보

다. Guglielmi et al. (2007)는 높은 농도의 화학 세정

은 여과성능을 정상상태로 회복시킬 수 있지만 막손상등

궁극 으로 막 성능 하를 심화시킬 수 있다고 하 다. 하지만 PTFE의 재질의 경우, 내화학성이 매우 뛰어나기 때

문에 화학약품에 의한 막성능 하가 거의 없을 것이라

단할 수 있으며, 특히 NaOCl과 같은 화학약품을 사용하여

고회복율을 유지할 수 있다면 분산형 MBR 시스템의 리

에 매우 큰 이 이 있을 것으로 사료된다.

3.3. Pilot-scale 시스템 설계, 운 분석

Pilot-plant는 lab-scale 시스템 성능평가의 결과를 바탕으

로 설계 운 되었다. SRT, pH, DO, 온도는 lab-scale과

같은 조건에서 운 이 되었다. 하지만 pilot의 MLSS가 lab- scale에 비해 낮아 막 오염이 덜 생길 것이라고 단되어

(Psoch and Schiewer, 2006) flux를 20 LMH에서 30 LMH로 상승시켜 운 을 하 다. 운 방법의 경우, 10분 cycle은 유지하되 연결 이 lab-scale에 비해 길고 모듈이 크기

때문에 기존 9분 처리-1분 휴지 여과에서 8분 처리-2분

휴지 여과로 수정 용하 다.PTFE 분리막을 이용한 pilot-plant의 장기 인 연속운

안정성에 해 평가하 다. 기의 경우, lab-scale에서

보인 것과 같이 일정하게 TMP가 증가하여 약 152 mmHg까지 안정화 단계를 확인하 다. 안정화 단계 이후부터 약

175 mmHg의 TMP를 유지하면서 연속 인 운 이 가능함

을 보 다. 안정화 단계까지 일정하게 TMP가 증가한 것은

슬러지가 모듈 내부의 일정부분에 고정되어 생물반응조로

반송되지 못하면서 압력이 증가한 상으로 보인다. 일정

시간이 지난 후 부터는 cycle 주기에 맞는 유효면 에서 순

환 역세척에 따른 모듈 내의 고정되는 슬러지양이 일정

하게 유지하면서 압력이 일정하게 유지된 것으로 단된다.Pilot-plant의 기 TMP 상승 상을 lab-scale과 비교하기

해 막오염 항 값을 식 (1)을 이용해 분석하 다(Chang and Kim, 2005).

Rm∝J×CMLSSdP

A (1)

Rm : 막 항 (1/m)dP : 막간차압 (bar)J : 유량 (L/m2h)CMLSS : 농도(mg/L)A : 기타 다른 조건에 한 미지수 표 값

Fig. 11. Variation of TMP and Flux during pilot study.

Fig. 12. Comparisons of Rm (membrane resistance) values during stabilization between lab- and pilot-scale operations.

Fig. 12에서 볼 수 있듯이 lab과 pilot-scale 실험의 Rm 값이 3.25 × 10-6 까지 증가하고 그 후 안정화 되어 일정한

막의 항을 유지하고 있는 모습을 볼 수 있다. 이는 MLSS와 HRT 등에 따라서 운 조건이 다른 상황에서 동일한 막

을 사용할 경우 막의 증가 추세를 측할 수 있으며 규모

를 확장할 시 유용한 설계지수로도 활용될 수 있을 것이다.수질의 경우, Table 5에서와 같이, 수도 기 을 모두

만족하 지만 색도는 18.8로 기 치에 근 한 값을 나타냄

으로써, 후처리공정이 필요하다고 단되었다. 한, 수도

의 재이용 색도는 심미 기 으로써 사람들로부터의

거부감이 없어야 하는 것이기에 빗물과의 혼합을 통한 수

질제어를 실시하 다. Pilot에서 블 딩 실험을 할 때 사용

하 던 빗물은 탁도가 lab-scale보다 높은 수치를 나타내는

것을 확인하 는데, 이는 빗물 집수장치가 설치된 시노펙스

이태섭ᆞ김 진ᆞ함상우ᆞ홍승 ᆞ박병주ᆞ신용일ᆞ정인식

한국물환경학회지 제28권 제2호, 2012

276

사 빌딩의 옥상이 화단이나 흡연구역을 통한 사람들의 왕

래가 잦은 곳이었기 때문이라고 단되며, 빗물을 이용할

시 옥상의 이용 상태 등도 고려해야 함을 알 수 있다.Pilot의 빗물- 수 통합형 MBR을 70일 이상의 연속운

비가 오는 시 을 기 으로 3 차례의 빗물 병합운 을 시

도하 다. Lab-scale의 혼합 실험결과, 75:25(처리수:빗물)의

비율이 수질기 을 만족하는 범 이므로 빗물 장조의 빗물

의 양을 히 사용하면서 7:3(처리수:빗물)의 비율을 선정

하여 운 하 다. 최종 블 딩 수질은 MBR 처리수의 색도

와 빗물의 탁도를 보완하는 만족스러운 수질결과를 나타냄

으로써, 빗물- 수 통합형 MBR의 안정 운 을 확인하 다.

4. 결 론

본 연구에서는 PTFE재질의 공사막을 물리･화학 으로

표면분석하고 lab-scale과 pilot-scale에서 빗물- 수 통합형

MBR의 개발, 운 , 평가를 실시하 다. PTFE막 표면 분석

결과, 막 표면은 거의 하를 갖지 않고 거칠 뿐만 아니라

소수성을 띄고 있어 재의 PTFE막은 막 오염에 취약할

수 있다. 하지만 막 오염 발생 시 강한 내화학성으로 인해

세척이 용이하고 앞으로 표면개질을 통하여 친수성을 강화

한다면, PTFE 공사막은 분산형 수처리 시스템에 용되

어 운 리가 매우 용이할 것이라 단할 수 있다. Lab-scale MBR의 운 결과, 약 85%이상의 COD 제거율을

나타내는 등 색도를 제외한 모든 수질이 방류수 기 에 만

족함을 보 다. 색도의 경우, 빗물과의 블 딩을 통하여 낮

출 수 있다. 실제 오수 하수를 이용한 빗물- 수 통합형

MBR pilot plant를 장기 으로 운 하여 장 용 가능성

을 확인하 으며, 수질/수량 심미 인 요인까지도 수요

자가 원하는 수질로 쉽게 맞춰서 운 할 수 있음을 보여

주 다. PTFE막을 이용한 빗물- 수 통합형 MBR은 미래

수자원 이용의 소형화, 분산화에 합한 시스템이며, 빗물

과의 혼합 기법을 활용하여 시설의 설치 유지 리비를

감할 뿐만 아니라, 수 수질에 한 불신을 감소시키는

역할을 할 것이라 기 된다.

사 사

본 연구는 환경부 차세 핵심환경기술개발사업의 연구비

지원(과제 번호 061-091-050)으로 수행되었습니다.

참고문헌

국토해양부(2010). http://www.index.go.kr/egams/stts/jsp/potal/stts/ PO_STTS_IdxMain.jsp?idx_cd=1214/.

이의종, 김 엽, 권진섭, 김 훈, 이용수, 이창하, 민정, 김형수, 김정래, 정진호(2011). PTFE재질의 평 형 분리막

과 인제거를 해 Alum 주입을 용한 고 럭스 MBR 시스템에 한 연구, 상하수도학회지, 25(1), pp. 95-106.

이태섭, 이상엽, 이주희, 홍승 (2009). 공사막 외부표면의

제타 측정방법 고찰, 상하수도학회지, 23(3) pp. 353-362.

최재훈, 김형수(2008). 침지형 막 분리 활성슬러지법에서 막

의 재질 구조가 울링에 미치는 향, 한환경공학

회지, 30(1), pp. 31-36.Bohner, H. F. and Bradley, R. L. (1992). Effective Cleaning and

Sanitizing of Polysulfone Ultrafiltration Membrane Systems, Journal of Dairy Science, 75(3), pp. 718-724.

Chang, I. and Kim, S. (2005). Wastewater Treatment Using Membrane Filtration-effect of Biosolids Concentration on Cake Resistance, Process Biochemistry, 40(3-4), pp. 1307-1314.

Chong, R., Jelen, P., and Wong, W. (1985). The Effect of Cleaning Agents on a Noncellulosic Ultrafiltration Mem-brane, Seperation Science Technology, 20(5-6), pp. 393-402.

Davis, M. L. and Masten, S. J. (2004). Principles of Environ-mental Engineering and Science, Mc Graw Hill, Singapore, pp. 1-704.

Frake, R., Lehmann, D., and Kunze K. (2007). Tribological Behavior of New Chemically Bonded PTFE Polyamide Com-pounds, Wear : An International Journal on the Science and Technology of Friction, Lubrication on Wear, 262(3/4), pp. 242-252.

Guglielmi, G., Chiarani, D., Judd, S. J., and Andreottola, G. (2007). Flux Criticality and Sustainability in a Hollow Fibre Submerged Membrane Bioreactor for Municipal Wastewater Treatment, Journal of Membrane Science, 289(1-2), pp. 241-289.

Liu, F., Hashim, N. A., Liu, Y., Moghareh Abed, M. R., and Li, K. (2011). Progress in the Production and Modification of PVDF Membranes, Journal of Membrane Science, 375(1-2), pp. 1-27.

Mankad, A. and Taqsuwan, S. (2011). Review of Socio-econo-mic Drivers of Community Acceptance and Adoption of Decentralised Water Systems, Journal of Environmental Management, 92(3), pp. 380-391.

Meng, F., Chae, S. R., Drews, A., Kraume, M., Shin, H. S., and Yang, F. (2009). Recent Advances in Membrane Bioreactors (MBRs): Membrane Fouling and Membrane Material, Water Research, 43(6), pp. 1489-1512.

Psoch, C. and Schiewer, S. (2006). Anti-fouling Application of Air Sparging and Backflushing for MBR, Journal of Mem-brane Science, 283(1-2), pp. 273-280.

Ren, N., Chen, Z., Wang, A., and Hu, D. (2005). Removal of Organic Pollutants and Analysis of MLSS-COD Removal Relationship at Different HRTs in a Submerged Membrane Bioreactor, International Biodeterioration & biodegradation, 55(4), pp. 279-284.

Rygaard, M., Binning, P. J., and Albrechtsen, H. (2011). Increasing Urban Water Self-sufficiency: New Era, New Challenges, Journal of Environmental Management, 92(1), pp. 185-194.

Varbanets, M. P., Zurbrugg, C., Swartz, C., and Pronk, W. (2009). Decentralized Systems for PoTable Water and the Potential of Membrane Technology, Water Research, 43(2), pp. 245-265.

Wu, J. L., Le-Clech, P., Stuetz, R. M., Fane, A. G., and Chen, V. (2008). Effects of Relaxation and Backwashing Conditions on Fouling in Membrane Bioreactor, Journal of Membrane Science, 324(1-2), pp. 26-32.

Xing, C., Wen, X., Qian, Y., and Tardieu, E. (2001). Micro Filtration Membrane Coupled Bioreactor for Urban Waste-water Reclamation, Desalination, 141(1), pp. 67-73.