본 연구는 침지형 평막 분리막 생물반응기(membrane bioreactor, MBR) 투과 성능 향상과 막오염저하을 위한 새로운 운전기법을 제안하고, 실험적으로 입증한 것이다. 그리고 전산유체 프로그램을 이용하여 이를 해석하는 것이다.
먼저 MBR의 기존 처리수 제어방식인 운전/정지(run/stop, R/S)를 반복하는 방식에서 처리수를 연속적으로 생산할 수 있는 사인파형 투과유속 연속운전(sinusoidal flux continuous operation, SFCO)의 특징에 대해여 연구하였다.
MBR공정에서 처리수를 생산하는 과정에서 막오염현상은 불가피하게 발생하지만 운전방식을 개선함으로써 최소화시킬 수 있으며 이는 유지비절감의 효과를 줄 수 있다. 기존 MBR 운전방식인 R/S는 처리수 생산이 비연속적이지만 SFCO는 처리수를 연속적으로 생산하여 후단공정에 처리수를 경량화할 수 있으며 타 공정과 연동이 용이하다. 이러한 SFCO운전에 대해 수식으로 나타내면 파형 진폭과 길이를 결정하는 투과유속J0, 상수 n, A, C 및 운전주기시간인 t로 구성하여 J0(Asinn(ωt)+C)로 나타낼 수 있다.
우선적으로 MBR 활성슬러지의 막오염에 대하여 연구한 후 이를 근거로 SFCO의 운전특성 분석에 활용하였다. 일정하게 처리수를 생산하는 MBR의 특성 상 막오염 모델은 정유량 방식의 완전막힘, 표준막힘, 중간막힘, 비압축성 케이크 및 선형압축성 케이크 모델을 적용한 결과, 선형압축성 모델이 가장 잘 적용됨을 확인하였다. 이는 누적 투과량이 증가하면서 분리막 표면에 활성슬러지가 축적되고 투과시간이 경과함에 따라서 운전압력이 증가하여 점차적으로 케이크가 압축되는 것으로 판단된다. 또한 투과유속이 증가하면서 blocking coefficient, Kc도 증가함을 확인할 수 있었다.
사인형 투과유속 연속운전에 대해서는 투과유속, 파형의 최대/최소점 및 운전주기시간를 변수로 하여 그 특성에 대해 알아보았다. 투과유속에 따른 실험에서는 임계투과유속 영역을 가지고 있는 투과유속 20, 25, 30 L/m2.hr에서는 SFCO가 기존 R/S보다 낮은 막간차압(tansmembrane pressure, TMP)을 가졌지만, 임계투과유속 영역을 가기고 있지 않은 투과유속 35 L/m2.hr에서는 SFCO가 높은 TMP을 가지는 것을 확인하였다. 또한 투과부피에 따른 TMP의 경향을 파악하기 위한 blocking coefficient, Kc에서도 투과유속 20, 25, 30 L/m2.hr에서는 SFCO가 낮았지만, 35 L/m2.hr에서는 SFCO가 R/S보다 높은 값을 보였다. SFCO 제어함수는 파형의 형태로써 최대/최소점을 가지고 있으며 이러한 특징은 막오염에 영향을 줄 수 있다. SFCO 파형 최대점이 증가할수록 Kc값, 가역오염 및 비가역오염은 증가하였으며 최소점이 증가하면 Kc값, 가역 막오염은 감소하였지만, 비가역 막오염은 증가하였다. SFCO의 운전주기시간을 10, 12, 15분으로 증가할수록 운전시간에 따른 TMP은 기존 R/S보다 SFCO가 낮게 나타났으며 투과부피에 따른 TMP의 Kc는 감소하였다.
다음으로 전산수치해석(computational fluid dynmics, CFD)을 기반으로 효율적인 침지형 평막 MBR의 막모듈 및 반응기 설계을 하기 위해서 산기모델 pressure-drag balance slip과 난류모델 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes), k-ε(kinetic energy- dissipation)을 적용하였으며 일부구간에 대해서 실제 측정한 유속 값과 수치해석 결과를 비교하였다. 적용 대상으로는 실험실, Bench 및 파이로트 스케일 MBR로 하였다.
실험실 스케일로 수치해석한 3차원 원통 반응조에서는 중앙단면과 수면의 속도분포도에서 산기관과 막모듈 구간에서는 유속이 급격히 증가하나 막모듈을 지나면서 항력저항이 증가하여 유속이 크게 감소함을 확인하였다. 최대유속은 산기관과 막모듈 사이에서 나타났다. 반응기내에서 액체가 상하로 순환하였으며 막모듈 좌우측 상단과 수면사이에 와류가 존재하였고 이러한 현상은 산기량이 증가할수록 더욱 명확하게 나타났다. 막표면에서의 전단응력은 하단 중앙부에서 가장 크게 나타났으며 산기량이 증가할수록 전단응력이 증가하였고 특히 SADp값이 23과 38구간인 산기량 0.15에서 0.25 L/min로 증가할 경우 가장 크게 증가함을 확인할 수 있었다.
Bench 스케일에서는 침지형 평막 반응기 내에 평막모듈 2개을 장착하고 하부에서 산기를 하는 시스템에 대해서 유속분포, 막과 격막사이 전단응력, 막과 막사이 전단응력에 대해서 해석하였다. 반응기 내 유속개발을 하는 기포에 대해서는 이미지 분석을 통하여 직경과 유속을 측정하였으며 수치해석에 적용하였다. 막과 격막사이의 전단응력은 막모듈 하단 1/3지점에서 0에서 0.1 Pa로 상대적으로 높은 값을 보였으며 막모듈 상단부분에서도 일부 높은 전단응력을 나타냈다. 하지만 막과 막사이의 전단응력은 막과 격막사이의 전단응력보다 상대적으로 낮게 형성되어 투과유속이 존재하는 분리막 표면에 오염절감에 불리함을 판단할 수 있었다.
파이로트 스케일에서는 1일 20톤을 처리할 수 있는 A2O MBR 파이로트를 대상으로 하였다. 파이로트스케일의 모듈 및 반응기에 적용 시유속을 개발하는 산기의 형태가 homogeneous한 기포에서 heterogeneous한 기포로 물리적 현상이 바뀌어 거대 기포에 대한 물리적 표현으로 drag coefficient을 기반으로 하는 pressure-drag balance slip model를 적용하였으며 메

The present study is divided into two parts; PARTI, Sinusoidal continuous permeation characteristics for submerged flat sheet membrane bioreactor and Part II, computational fluid dynamics for submerged flat sheet membrane bioreactor.
First, in PART I, Sinusoidal continuous permeation characteristics for submerged flat sheet membrane bioreactor, the characteristics of the sinusoidal flux continuous operation (SFCO) was studied that can continuously produce treated water instead of the existing treated water controlling method used by membrane bioreactors (MBRs) in which run/stop (R/S) is repeated.
Although membrane-fouling unavoidably occurs in the process of producing treated water in MBRs, it can be minimized by improving the operation method and it will lead to maintenance cost savings. Whereas treated water production is discontinuous in the R/S, the existing MBR operation method, the SFCO can continuously produce treated water thereby simplifying following processes and can be easily interlocked with other processes. This SFCO can be expressed as a numerical formula as J0(Asinn(ωt)+C). where, J0 refers to operation flux that determines wave amplitudes and lengths, n, A, and C refer to constants, and t refers to operation cycle time.
First, the membrane fouling of MBR activated sludge was studied and the results were utilized in the analysis the operation characteristics of the SFCO. Considering the nature of MBRs that produce treated water constantly, constant flux complete blocking, standard blocking, intermediate blocking, incompressible cake and linear compressible cake fouling models were applied as membrane fouling models and according to the results, the linear compressible cake fouling model worked best. It is considered attributable to the fact that as the accumulated permeation volume increases, activated sludge is accumulated on the membrane surface and over permeation time, operation pressure increases so that cakes are gradually compressed. In addition, it could be identified that as operation flux increased, blocking coefficient, Kc also increased.
The characteristics of the SFCO were examined using operation flux and the maximum/minimum peaks and operation cycle time of waves as variables. In the experiment conducted with various operation flux rates, whereas the SFCO had lower trans-membrane pressure (TMP) that the existing R/S at operation flux rates 20, 25, and 30 L/m2.hr that have critical operation flux regions, the SFCO had higher TMP at an operation flux rate of 35 L/m2.hr that does not have any critical operation flux region. In addition, with regard to blocking coefficient, Kc obtained to figure out the trend of TMP according to permeation volumes, whereas the SFCO showed lower values at operation flux rates 20, 25, and 30 L/m2.hr, the SFCO showed higher values than the R/S at an operation flux rate of 35 L/m2.hr. The SFCO control function is in the form of waves and has maximum/minimum peaks. These characteristics can affect membrane fouling. As the SFCO wave maximum peak increased, Kc values, reversible fouling, and irreversible fouling increased. When the SFCO wave minimum peak increased, whereas Kc values and reversible membrane fouling decreased, irreversible membrane fouling increased. When SFCO operation cycle time was increased to 10, 12, and 15 minutes, the SFCO showed lower TMP than the existing R/S and the Kc of TMP decreased as permeation volumes increased.
Next, in PART II, computational fluid dynamics for submerged flat sheet membrane bioreactor, to design efficient submerged flat sheet membrane modules and reactors based on computational fluid dynamics (CFD), pressure-drag balance slip was applied as an aeration module and RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes) and k-ε(kinetic energy- dissipation) were applied as turbulence models and the CFD results were compared to liquid velocities actually measured in some sections. The models were applied to Lab, Bench, and pilot scale MBR.
In the 3 dimensional cylindrical reaction tank numerically analyzed in the Lab-scale, from the speed distribution charts for the central cross section and water surface, it was identified that whereas the liquid velocity rapidly increased in the aeration diffuser and membrane module sections, it greatly decreased when the liquid passed the membrane module because drag resistance increased. The maximum liquid velocity appeared in the aeration diffuser and the inter-membrane. The liquid recycled up and down in the reactor and eddy currents existed between the left and right top of the membrane module and the free surface. This phenomenon became clearer as the aeration rate increased. On the membrane surface, shear stress appeared strongest at the bottom center and the shear stress increased as the aeration rate increased. In particular, shear stress increased the most when the aeration rate increased from 0.15 to 0.25 L/min.
In the bench scale, the liquid velocity distribution, shear stress between the membranes and the buffle, and shear stress between the membranes were analyzed for a system to install two flat sheet membrane modules in an MBR and conduct aeration on the bottom. The diameter and liquid velocity of air bubbles that develop liquid velocity in the reactor were measured through image analysis and the results were applied to CFD. The shear stress between the membrane and the buffle showed relatively high values ranging from 0 to 0.1 Pa at the 1/3 point of the membrane module from the bottom and showed some high values at the top part of the membrane module. However, the shear stress between the membranes was formed relatively lower than the shear stress between the membrane and the buffle. This was judged to be disadvantageous in reducing contamination on the surface of the membranes where operation flux exists.
In the pilot scale, an A2O MBR pilot that can treat 20tons per day was used. When applied to the pilot scale mod