분리막생물반응조기술동향 (Membrane Bioreactor Technology) HDR 이원태 1. 서론분리막생물반응조 (Membrane Bioreactor, 이하 MBR) 는현재가장각광받는고도하 폐수처리기술이다. MBR 은생물학적활성슬러지공법의최종침전지를대신하여정밀여과 (Microfiltration, MF) 또는한외여과 (Ultrafiltration, UF) 막을사용해슬러지를직접여과하는기술이다. MBR 공정은기존의활성슬러지공정에비하여적은설치부지면적을필요로하며부유물질제거효율이높고안정적이기때문에하 폐수고도처리와재이용등에적용이늘고있다. MBR 공정시장은 2005 년에 2 억 1,660 만달러규모였으며, 향후연평균 10.9% 로확대되어 2010 년에는 3 억 6,300 만달러에근접할것으로예측되고있다 (Business Communications Company, Inc. 2006). 전세계적으로많이사용되고있는 MBR 공정은 GE( 예전의 Zenon), Siemens( 예전의 US Filter), Kubota ( 미국시장판매사 Enviroquip), Mitsubishi-Rayon 사의제품이다 ( 표 1). 전세계적으로는 Kubota 사의 MBR 이가장많이설치되었으며, 미국의경우 GE(Zenon) 사의 MBR 이현재까지가장많이설치되었다. GE(Zenon) 사의 MBR 은대, 중, 소규모모두북미국가들 ( 미국, 캐나다, 멕시코 ) 에가장많이설치된제품이다 ( 그림 1). 미국내최초의 GE(Zenon) MBR 시설은 1 MGD (3785 m 3 / 일 ) 규모로 1998 년 Colorado 주 Arapahoe 에설치되었다. 미국내최초의 Kubota (Enviroquip) MBR 시설은 0.6 MGD (2300 m 3 / 일 ) 규모로 2002 년 California 주 Running Springs 에설치되었다. 1
표 1. 전세계및미국내 MBR 시설설치현황 ( 자료 : Yang et al, 2006) 제조업체 전세계 미국 GE (Zenon) 331 (204 + 127) a 155 (132 + 23) Siemens (US Filter) 16 (15 + 1) 13 (13 + 0) Kubota 1538 (1138 + 400) 51 (48 + 3) ( 미국시장 Enviroquip) Mitsubishi-Rayon 374 (170 + 204) 2 (2 + 0) Total 2259 (1527 + 732) 221 (195 + 26) 주 : a ( 도시하수처리장 + 산업폐수처리장 ) 그림 1. 북미의 MBR 설치현황 ( 제조회사별, 시설규모별 ) ( 자료 : Yang et al, 2006) 본기술동향보고서는다양한 MBR 공정의특성과대표적인제품에대하여소개한다. 본보고서는현재많이사용되고있는 MBR 제품인 GE(Zenon), Siemens(US Filter), Kubota(Enviroquip), Mitsubishi- Rayon 의 MBR 제품에 Huber, Koch 사의 MBR 제품을더하여총여섯가지 MBR 제품에대한정보를포함한다. 2. MBR 공정의형태및구성 MBR 장치는제조사에따라다양한형태및구성을나타낸다. 일부제품은간단하게구성된반면, 일부제품은매우복잡하게구성되어있다. 2
이러한차이점에따라전처리 ( 스크린크기및안정조유무 ), 에너지소비량, 약품주입량, 운전의용이함, 제어의복잡성, 세정주기및방법, 막및다른기기장치들의내구성, 그리고운전및유지관리사항들이다르게된다. 표 2 는제조회사별 MBR 공정의기본적인형태및특성을정리한것이다. MBR 은일반적으로정밀여과막또는한외여과막을사용하고, 막은포기조내에위치 ( 침지형 ) 하거나막을위한독립된구획 (cell compartment) 내에위치하게된다. 막의형태는평막과중공사 (hollow fiber) 막이주로사용된다. 중공사막은다시수평형과수직형으로구분된다. Kubota(Enviroquip) 사의 MBR 은저항이상대적으로적은평막 (flat membrane) 을이용하고막의공극크기가 0.4 µm 로상대적으로크기때문에중력에의해 MBR 운전이가능하다. 현재설치되거나설계중인 Kubota(Enviroquip) 제품의약 50% 가펌프없이중력으로운전된다. Kubota(Enviroquip) 사의 MBR 을제외한다른 회사의 MBR 들은운전시펌프가필요하다. 일반적으로막간차압 (transmembrane pressure, TMP) 은 -1 psi 에서 -4 psi 로낮다. 표 2. MBR 공정의특성 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 막형태 막위치 막종류 공극 크기 (µm) Kubota 수직형평막 포기조내 정밀여과 0.4 (Enviroquip) Huber 회전형평막 포기조내 한외여과 0.02 Mitsubishi 수평형 / 수직형 포기조내 정밀여과 0.4 중공사막 Koch 수직형중공사막 Cell 정밀여과 0.05 compartment Siemens 수직형중공사막 Cell 정밀여과 0.08 (US Filter) compartment GE (Zenon) 수직형중공사막 Cell compartment 한외여과 0.04 3
2.1. Enviroquip (Kubota) Enviroquip 은 Kubota MBR 제품을미국내에판매하고있다. 주요막 모듈은 EW400, EK400, ES200 등이고모두공극크기 0.4 µm 의 폴리에틸렌 (polyethylene) 평판정밀여과막을사용한다 ( 그림 2). 각평막은튜브로헤더 (header) 파이프에연결되어있다. 규모에따라세가지패키지 MBR 공정 (MPAC-S, MPAC-B, MPAC-C) 을선택할수있다 ( 그림 3). 제품별자세한정보는아래회사홈페이지를참조바람 : http://www.enviroquip.com/products/mbr/ 그림 2. Enviroquip(Kubota) 막모듈형태 MPAC-S MPAC-B MPAC-C 그림 3. Enviroquip(Kubota) 패키지 MBR 제품 4
2.2. Huber Huber 사의 MBR 은천천히회전하는봉 (shaft) 에막이설치되어있어가장독특한형태를나타낸다. 막이공기를따라서회전하므로공기세정장치 (air scour) 를반응기내한쪽에만설치하면된다. 그림 4 는 VRM (Vacuum Rotation Membrane) 회전막과막모듈을나타내고, 그림 5 는 Huber 사의패키지 MBR 공정인 BioMem 의구성도이다. 제품별자세한정보는아래회사홈페이지를참조바람 : http://www.huber-technology.com/products/membrane-bioreactormbr.html 그림 4. VRM 회전막과막모듈 그림 5. HUBER BioMem 패키지 MBR 시설 5
2.3. Mitsubishi ubishi-rayon Mitsubishi-Rayon 사의 MBR 공정은공극크기 0.4 µm 의중공사막을사용한다. 수평형 (SteraporeSUN) 과수직형 (SteraporeSADF) 두가지형태의막모듈이있다 ( 그림 6). 제품별자세한정보는아래회사홈페이지를참조바람 : http://www.mrc.co.jp/mre/english/sterapore/index.html SteraporeSUN SteraporeSADF 그림 6. Mitsubishi-Rayon 의 MBR 막모듈및장치 2.4. Koch Membrane Koch Membrane 사의 MBR 공정은공극크기 0.05 µm 의수직형중공사막을사용한다. 막모듈은번들 (bundle) 형태로구성되어있는데 Puron 이라는상표로판매한다 ( 그림 7). Koch membrane 사의패키지 MBR 은 PURON Plus 라는제품명으로보급되고있는데, 막모듈을포기조내에설치하지않고외부에따로설치하는것이특징이다 ( 그림 8). 제품별자세한정보는아래회사홈페이지를참조바람 : http://www.kochmembrane.com/mbr_advantages.html 6
그림 7. Koch PURON 막모듈 그림 8. Koch PURON Plus 패키지 MBR 시설구성도 2.5. Siemens (US Filter) Siemens( 예전의 US Filter) 사의 MBR 공정은공극크기 0.08 µm 의수직형 PVDF 중공사막을사용한다. 패키지 MBR 시설은 MemPulse MBR 과 7
Xpress MBR 이라는제품명으로공급되고있다 ( 그림 9). 제품별자세한정보는아래회사홈페이지를참조바람 : http://www.water.siemens.com/en/products/biological_treatment/memb rane_biological_reactor_systems_mbr/pages/default.aspx 그림 9. Xpress MBR 패키지시설구성도 ( 위 ) 와막모듈 ( 아래 ) 8
2.6. GE (Zenon) GE( 예전의 Zenon) 사의 MBR 공정은공극크기 0.04 µm 의수직형중공사막을사용한다. ZeeWeed 500 UF 막모듈을사용하는데, 48 개의모듈을묶어 cassette 형태로제공한다 ( 그림 10). 위쪽과아래쪽모두에서막투과수를빨아들인다. 일반적인 MBR 공정구성은그림 11 과같다. 제품별자세한정보는아래회사홈페이지를참조바람 : http://www.gewater.com/products/equipment/mf_uf_mbr/mbr.jsp 그림 10. ZeeWeed 500 UF 막모듈과카세트 (cassette) 그림 11. GE/ZeeWeed MBR 공정구성도 9
3. MBR 공정운전및막세정표 3 은제조회사별 MBR 장치의운전형태를나타낸다. 이보고서에소개된모든 MBR 제품은부압 (negative pressure) 으로물을막바깥쪽에서안쪽으로흡입하는형태 (outside-to-inside) 이다. 표 3 에나타나듯이모든 MBR 제품이공기방울을이용 (air scour) 하여막표면에형성된슬러지케이크층을탈착시키거나케이크층이형성되는것을방지한다. 공기세척방식은제조사에따라각기다르다. GE(Zenon) 사의제품은 50% onoff 형태의비연속적공기세척을사용한다. 일반적으로 10 초포기, 10 초휴지로이루어진다. 표 3. 제조회사별 MBR 장치운전형태 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 운전형태 Enviroquip 연속적인 공기세척 (air scour) 과 주기적인 막투과 (Kubota) 휴지기 (permeation relax) Huber 한쪽면은연속적으로공기세척 (air scour); 간헐적공기세척 a Mitsubishi 연속적인 공기세척 (air scour) 과 주기적인 막투과 휴지기 (permeation relax) Koch 주기적인공기세척 (air scour) ( 전체운전시간의 33%), 5 분마다 10 초씩간헐적인역세척 (backpulse) Siemens 연속적인 공기세척 (air scour), 주기적인 막투과 (US Filter) 휴지기 (permeation relax); 간헐적역세척 (30 초 /12 분 ) a GE (Zenon) 주기적인공기세척 (air scour) ( 전체운전시간의 50%), 주기적인막투과휴지기 (permeation relax); 간헐적역세척 (15 초 /15 분 ) a 주 : a 기존의모델에사용된기능이나새로운모델에는사용되지않음 Huber 사의 MBR 을제외한모든 MBR 장치가막투과휴지기 (permeation relaxation mode) 를가진다. 막투과를주기적으로중단하며 10
공기세척을실시하면막표면의케이크층제거를향상시킬수있다. 전형적인막투과휴지기주기는매 10 분당 1 분정도이며, 1 분에서 3 분사이로조절가능하다. 이때, 역세척을실시할경우막오염을더욱줄일수있으나역세척을위한장비가필요하고물생산율도낮아지게되는단점이있다. 초기의 Huber MBR 은노즐 (nozzle) 을통해서슬러지를분사하는간헐적물세척장치를사용하였으나, 최근의제품들은물을이용한세척장치를사용하지않고연속적공기세척을이용한다. Siemens(US Filter) 와 GE(Zenon) 사의 MBR 은막투과수를간헐적으로역세척또는역분사 (backpulsing) 하여막을세정하였으나새로개발된 MBR 들은이러한역세척 / 역분사기능을점차사용하지않고있다. 두회사의신형 MBR 장치는운전개시 (start-up) 와주기적세정시사용하기위하여역세척장치를갖추고있으나항상역세척을하는것은아니다. MBR 공정의효율적인운전을위해서는두가지형태의막세정이필요하다 : 1) 유지관리용 (maintenance) 세정, 2) 회복 (recovery) 세정. 유지관리용세정은주기적으로자주시행하는세정법으로, MBR 공정이낮은막간차압 (TMP) 을유지하며오랫동안운전할수있도록한다. 막간차압의증가없이연속적으로 MBR 공정을운전할수있는플럭스 (flux) 를임계플럭스 (critical flux) 라한다. 표 4 는각제조사별유지관리용세정형태와주기를나타낸다. 유지관리용세정은역세척이나막투과휴지기등의물리적인세정법이다. 대부분의제품들이유지관리용세정시막투과휴지기를두고있는데, 이것은막투과를중단하는동안펌프를통한흡입이중단되므로막표면에형성된케이크층이더쉽게탈착되기때문이다. 그러나, Huber 사의 MBR 제품은막투과휴지기가없다. 따라서같은양의물을생산하는데다른제품에비하여막표면적이 10% 정도적게든다. 막투과휴지기주기는매 10 분당 1 분정도이나 1-3 분내에서조절가능하다. Koch, Siemens(US Filter), 11
GE(Zenon) 사의제품은역세척 / 역분사를통하여유지관리용세정의효율을 증가시키고있다. 역세척 / 역분사를위해서는추가적인탱크, 펌프, 배관, 밸브등이필요하다. 따라서전체시스템이더욱복잡하게되는단점이있다. 표 4. 유지관리용막세정 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 세정형태 세정주기 Enviroquip (Kubota) 막투과휴지기 10 분당 1, 2, 또는 3 분 Huber 없음 없음 Mitsubishi 막투과휴지기 10 분당 1, 2, 또는 3 분 Koch 막투과수역세척 / 역분사 5-15 분 Siemens (US Filter) 막투과 휴지기, 염소 10 분당 1, 2, 또는 3 분 ; 역세척 / 역분사 매주 GE (Zenon) 막투과휴지기, 염소역세척 / 역분사 10 분당 1, 2, 또는 3 분 ; 필요시 표 5. 막의회복 ( 화학 ) 세정 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 세정형태 세정주기 Enviroquip (Kubota) 염소역세척, in-situ 반년에 1 회 Huber 염소역세척, in-situ 필요시 Mitsubishi 염소역세척, in-situ 분기별 1 회 Koch 염소역세척, in-situ 필요시 Siemens (US Filter) MBR 반응조를비우고 분기별 1 회 염소용액에담근후, 다시염소용액을배출하고반응조재가동 GE (Zenon) MBR 반응조를비우고염소용액에담근후, 다시염소용액을배출하고반응조재가동 반년에 1 회 유지관리용세정을주기적으로하더라도막오염으로인하여막간차압이 증가할경우회복 (recovery) 세정이필요하다. 회복세정은막간차압증가의 직접적원인인막오염을제거하기위한세정으로대부분화학약품을 사용한다. 주로염소를사용하나필요에따라산이나염기를이용하는 경우도있다. 표 5 에나타나듯이 Enviroquip(Kubota), Huber, Mitsubishi, 12
그리고 Koch 사의 MBR 은염소용액을막투과수쪽에서포기조내로주입하는 in-situ 세정을사용한다. 일반적으로염소용액주입하고약 2 시간정도운전을멈춘후재가동한다. 이러한세정방법은막을화학약품에완전히담구는세정법에비하여간단하다. Siemens(US Filter) 와 GE(Zenon) 의 MBR 은화학약품세정을위해서먼저 MBR 반응조를비워야한다. 비워진 MBR 반응조에염소용액을유입시켜막을염소용액에완전히담근후, 다시염소용액을배출하고반응조재가동하게된다 ( 그림 12). 회사별로추천된회복 (recovery) 세정의주기가있으나처리대상폐수의성상에따른막오염의정도에따라주기는달라질수있다. 그림 12. Siemens(US Filter) 와 GE(Zenon) MBR 의회복 ( 화학 ) 세정 4. MBR 설계요소 MBR 공정은제조사별로, 제품별로다양한형태로설계되기때문에어떤제품을선택하느냐에따라전체공정의가격과운전및유지관리법이달라지게된다. 따라서설계에앞서사용할 MBR 공정을선택하는것이중요하다. MBR 공정설계시공정구성, 유량안정조, 전처리, 일차처리, 막플럭스, 막세정법, 펌프및배관, 송풍기, 포기시설, 슬러지반송시설, 소독시설등에대하여고려해야한다. 이보고서는 MBR 제품의종류및특성에중점을두고있으므로설계요소에대한자세한설명은생략한다. 표 6 은제조사별 MBR 공정의중요한설계요소를간략히정리한것이다. 13
표 6. MBR 공정설계요소 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 설계플럭스 (GFD) 최대플럭스 (GFD) 막간차압 (-psi) 공기사용량 (CFM/100 ft 2 ) Enviroquip (Kubota) 14.7 43 0.1-4 3 (4 MGD 이하 ) 1.8 (4 MGD 이상 ) Huber 13-14 33.5 2-6 1.4-1.8 Mitsubishi 10 32.3 1-4 1.8 Koch 14.3 26.8 0.2-2 1.0 Siemens 15 30 1-4 1.6 (US Filter) GE (Zenon) 10-15 22 2-8 1.7-1.8 5. MBR 공정선택시고려사항 MBR 공정은수명주기비용 (life cycle costs) 과비용외의요소들을고려하여설계전에원하는공정을선택해야설계비용을줄일수있다. 일반적으로고려해야할사항은수질, 설치소의특정한상황, 비용, 운전및 유지관리방법등이다. 사실상모든 MBR 장치들이처리수의수질적인 측면에서는모두비슷하게좋다고할수있다. 따라서, 수질보다는설치소별특정한상황이나운전및유지관리방법등과같은요소가 MBR 선택에있어서더중요하다. 앞서살펴본바와같이각 MBR 제조사의제품마다구성이나운전방법이다르다. 특히, 막종류및형태, 그리고최소필요한막면적등이많이다르다. 또한전력소비량과화학약품소모량, 전처리의필요유무및정도, 막및다른장치의내구성등도제조사마다다르다. 이러한사항들은모두비용과관련된내용이다. 비용외의고려사항은운전의용이성, 제어의복잡성, 세정주기및회수, 세정형태및복잡성, 제조사의애프터서비스등이다. 경우에따라서는설치소의특정한상황 (site-specific issue) 이가장중요할수있다. 예를들어운전자가상주할수없는시설의경우자동화및원격조정이잘구축된시설이필요하고, 비숙련운전자가운전해야하는경우간단하고막세정회수가적으며유지관리가쉬운시설이필요하다. 14
표 7 은 MBR 공정별복잡한정도에대한주관적인평가이고, 표 8 은운전및유지관리영향인자별평가를나타낸다. 일반적으로 Enviroquip(Kubota), Huber, Mitsubishi 의 MBR 공정의구성이간단한편이고, Koch, Siemens (US Filter), GE(Zenon) 의 MBR 공정이역세척 / 역분사시설을갖추고있어복잡한편이다. 또한 Siemens (US Filter), GE(Zenon) 의 MBR 공정은막세정시많은양의화학약품이사용된다. 그러나다른 MBR 에비하여전기비는적게드는편이다. 일반적으로막 세정회수가적을수록전기비가많이드는편이다. 표 9 는설계 플럭스 (flux) 가막필요량에미치는영향을설계플럭스에대한최대유량비율 (peak flow factor) 별로나타낸것이다. 최대유량비율에따라차이는있으나같은양의하수를처리하기위하여 GE(Zenon) 사의 MBR 이가장많은막면적을필요로하고 Enviroquip(Kubota) 사의 MBR 이가장적은막면적을필요로한다. 표 7. MBR 공정의복잡성평가 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 Enviroquip (Kubota) Huber Mitsubishi Koch Siemens (US Filter) GE (Zenon) MBR 구성의복잡한정도 가장간단함 중간 가장복잡함 송풍기 (Blower), 투과수용펌프 회전봉 (rotating shaft) 송풍기 (Blower), 투과수용펌프 주기적으로작동하는 공기압밸브 (pneumatic valves), 역세척 / 역분사시설 주기적으로작동하는 역세척 / 역분사시설 주기적으로작동하는 공기압밸브 (pneumatic valves), 역세척 / 역분사시설 15
표 8. 운전및유지관리영향인자별평가 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 Enviroquip (Kubota) Huber Mitsubishi Koch Siemens (US Filter) GE (Zenon) 운전및유지관리영향인자 스크린 ( 전처리 ) 전기비 세정회수 화학약품사용량 사용이적음 최고 최저 최저 3 mm 사용이적음 중 최저 최저 3 mm 반드시사용 중 저 저 1 mm 사용이적음 중 저 중 3 mm 반드시사용 최저 최고 고 1 mm 반드시사용 중 저 고 1 mm 표 9. 설계플럭스 (flux) 가막필요량에미치는영향 ( 자료 : WateReuse Foundation, 2009) 제조업체 최대유량비율 (peak flow factor) 의영향 2.0 2.5 3.0 Enviroquip (Kubota) 저 저 최저 ( 적은막이필요 ) Huber 고 저 고 Mitsubishi 최고 중 고 Koch 저 고 고 Siemens 저 고 고 (US Filter) GE (Zenon) 고 최고 최고 ( 많은막이필요 ) MBR 공정선택시고려해야할다른요소는전처리의필요유무및 정도이다. MBR 제품에따라작은스크린 ( 예, 1 mm) 으로전처리를해야하는 제품들도있다. 처리장에따라전처리에서발생하는폐기물과처리비용을 16
줄여야할곳도있다. 또다른설치소별특정설계요소는설계플럭스 (flux) 이다. 제조사별로 MBR 공정설계플럭스가다르고, 또한시설별로설계에반영할최대유량비율이다르다. 설계플럭스에대한최대유량비율은수처리를위해필요한막의총면적을결정짓는요소로중요하다. 최근에너지비용의증가로인하여 MBR 공정선택시전력소모량이중요한고려인자가되었다. 그림 13 는 MBR 공정의에너지소모량을나타낸다. 시설규모에따라차이가있으나막투과수 1 m 3 당약 0.5 1.8 kwh 의전력이소모된다 (DeCarolis et al, 2009). 일반적인활성슬러지공정의전력소모량은 4,000 m 3 / 일규모시설의경우약 0.7 kwh/m 3 이다 (Metcalf & Eddy, 2003). 전기비가 MBR 운전비용중가장큰부분을차지하므로전기비가비싼지역의경우전력소모량이 MBR 선택의중요한요소가될수있다. 그림 13. MBR 에너지소모량 ( 자료 : DeCarolis et al, 2009) 6. 결론이상으로현재가장각광받는고도하 폐수처리기술중하나인 MBR 공정의특성과대표적인제품에대하여살펴보았다. 현재전세계적으로많이사용되고있는 GE( 예전의 Zenon), Kubota( 미국시장 Enviroquip) 사의 MBR 17
제품을비롯하여 Siemens( 예전의 US Filter), Mitsubishi-Rayon, Koch, Huber 사의 MBR 제품들에대하여소개하였다. 본보고서에소개된 6 개회사의 MBR 기술모두가처리성능및처리수수질면에서는양호하다고알려져있다. 따라서 MBR 공정선택시에는처리성능및효율보다는수명주기비용 (life cycle costs), 처리비용, 전력소모량, 운전및유지관리의용이성등의다른요소들을고려하여야한다. MBR 공정은제조회사마다구성이나운전및유지관리요소가다르므로파일럿운전등을통하여설치할 MBR 장치를먼저선택하는것이전체설계비용을줄일수있는길이다. 7. 참고문헌 Business Communications Company, Inc., 2006. Membrane Bioreactors in the Changing World Water Market. DeCarolis, J.F.; Oppenheimer, J.; Hirani, Z.; Rittmann, B. 2009. WateReuse Annual Symposium. September 13-16, Seattle, Washington. Metcalf & Eddy. 2003. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse; 4th Ed., McGraw-Hall. WateReuse Foundation, 2009, Honolulu Membrane Bioreactor Pilot Study Yang, W.; Cicek, N.; Ilg, J. 2006. State of the art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America. Journal of Membrane Science. 270:201-211. 18