미세플라스틱의 크기 및 밀도가 분리막 생물반응기의 생물막오염에 미치는 영향 :

고제현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 고제현 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 오현석

발행연도: 2022

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수194

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

미세플라스틱의 크기 및 밀도가 분리막 생물반응기의 생물막오염에 미치는 영향

고제현 2022.01 학위논문

2021

미세플라스틱의 크기와 밀도가 분리막 생물반응기의 막오염에 미치는 영향

고제현 , 오현석 , 최고은 대한환경공학회 학술발표논문집 2021.11 학술대회자료

2020

미세 플라스틱이 분리막 생물반응기의 막오염에 미치는 영향

고제현 , 쳉드아유시 , 오현석 대한환경공학회 학술발표논문집 2020.11 학술대회자료

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미세플라스틱은 직경이 5 mm 이하인 작은 플라스틱을 말하며 플라스틱의 사용량이 증가함에 따라 환경에 축적되는 미세플라스틱 또한 많아지면서, 수생태계와 인간에 미칠 수 있는 악영향에 대한 가능성이 대두되고 있다. 분리막 생물반응기(Membrane bioreactor, MBR)는 생물학적 공법과 분리막 공법이 융합된 수처리 공법으로 이론적으로 미세플라스틱을 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있지만, 미세플라스틱을 대상으로 한 MBR의 운전에 대한 기초 연구데이터는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 미세플라스틱의 크기와 밀도에 따라 MBR의 생물막오염에 어떠한 영향을 미치는 지를 알아보고, 막 세정방법에 따른 막 저항값 변화를 살펴보았다. 추가적으로, MBR의 미세플라스틱 제거율을 평가하고, 이를 Lab-scale 표준활성슬러지 (Conventional activated sludge, CAS) 반응기에서의 제거율과 비교해보았다.
미세플라스틱의 크기에 따른 생물막오염(membrane biofouling) 경향성 차이 실험에서 사용한 미세플라스틱은 polystyrene 재질의 평균 크기가 0.25, 31.6, 225 μm 인 구형 비드였다. 막오염의 척도인 막간차압이 가장 빠르게 올라간 MBR은 0.25 μm 미세플라스틱을 주입한 반응기였고, 그 다음으로는 31.6 μm 크기였으며, 225 μm와 대조군 사이에서는 명확한 차이가 일관되게 발견되지 않아 크기가 작은 미세플라스틱 일수록 생물막오염에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 미세플라스틱의 밀도에 따른 생물막오염 경향성 차이 실험에서는 평균 직경 53 μm인 밀도 0.99, 1.2 g/cm3의 polyethylene 구형 비드를 사용하였으며, 물보다 밀도가 큰 미세플라스틱일수록 생물막오염이 심하였다.
막 세정에 따른 막 저항 변화에서는 물리적 역세척과 NaOCl 및 Citric acid를 이용한 화학적 역세척을 진행하였으며, 물리적 역세척의 경우 초기 20분에 대부분의 막오염이 제거되었으며, 화학적 역세척의 경우 NaOCl이 Citric acid 보다 더 효과적으로 막오염을 제거하였다. 이 때, 분리막의 기공 크기(0.1 μm)와 비슷했던 0.25 μm 미세플라스틱을 여과한 분리막에서 세정 후에도 회복불가능한 오염이 가장 심했으며, 전자주사현미경 관찰을 통해 분리막에 플라스틱 입자가 남아있는 것이 확인되었다.
MBR에서의 미세플라스틱 제거율은 모든 크기와 밀도에 대하여 100%에 가까운 제거율을 보였으며, CAS 반응기(평균 87.6%)와 비교했을 때 훨씬 좋은 제거율을 보였다. 본 연구 결과는 미세플라스틱의 크기 및 밀도가 MBR의 생물막오염에 미치는 영향에 대한 정보를 제공하고, MBR 공정이 효과적으로 미세플라스틱을 제거할 수 있음을 확인하여 향후 MBR 공정의 하수처리 시설 적용 확대와 이의 효과적인 운영에 기여할 것으로 기대된다.

Microplastics are small plastics with a diameter of 5 mm or less. As the amount of plastic used increases, the amount of microplastics accumulated in the environment also increases, raising the possibility of adverse effects on the aquatic ecosystem and humans. A membrane bioreactor (MBR) is a wastewater treatment method that combines biological wastewater treatment and membrane separation. Although it can completely remove microplastics, basic research data on the operation of MBRs in the presence of microplastics is insufficient. Therefore, in this study, we investigated how the size and density of microplastics affect the biofouling of MBRs and examined the change in membrane resistance according to the membrane cleaning method. Additionally, the removal efficiency of microplastics in MBR was evaluated and compared with that in a lab-scale conventional activated sludge (C AS) reactor.
The difference in the tendency of biofouling according to the size of microplastics was analyzed using spherical polystyrene beads with an average size of 0.25, 31.6, and 225 μm. Microplastics of 0.25 μm size caused the most severe membrane fouling, followed by 31.6 μm microplastics, and no clear difference was found between 225 μm and the control group (w/o microplastics). In the experiment on the difference in biofilm tendency according to the density of microplastics, polyethylene spherical beads with an average diameter of 53 μm and densities of 1.2 and 0.99 mg/L were used. The more severe membrane fouling was observed with the higher density of microplastics.
Physical and chemical backwashing using NaOCl and citric acid was performed on the membranes fouled after continuous MBR operations. Backwashing for the first 20 min reduced the membrane resistance much more effectively than the subsequent backwashing. In the case of chemical cleaning, NaOCl showed more effective membrane cleaning than citric acid. At this time, the irrecoverable fouling was the most severe in the membrane filtered by 0.25 μm microplastic, which has a size similar to the pore size (0.1 μm) of the membrane. When observed by SEM, it was observed that plastic particles remained in the pores of the membrane.
The removal rate of microplastics in MBR was 100% for all sizes and densities, and the removal rate was much better compared to the CAS reactor (average 87.57%). The results of this study provide information on the effect of the size and density of microplastics on the biofouling of MBR and confirm that the MBR process can effectively remove microplastics, so it is expected to contribute to a broader application of MBR process to wastewater treatment.

#미세플라스틱 #분리막 생물반응기(membrane bioreactor #MBR)

요약 ⅰ
표 목차 ⅵ
그림 목차 ⅶ
기호 설명 ⅸ
Ⅰ. 서론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목표 3
Ⅱ. 이론적 고찰 4
1. 미세플라스틱 4
1.1 미세플라스틱의 정의 및 구분 4
1.2 담수계에서의 미세플라스틱의 연구 현황 5
1.2.1 국외에서의 담수계 미세플라스틱 연구 현황 5
1.2.2 국내에서의 담수계 미세플라스틱 연구 현황 8
2. 분리막 생물 반응기(Membrane bioreactor, MBR) 10
2.1 MBR의 정의 10
2.2 MBR 공정에서의 미세플라스틱 제거 연구 현황 11
3. MBR에서의 막오염 12
3.1 막오염의 정의 12
3.2 막오염의 종류 13
3.3 막오염에 대한 미세플라스틱 영향 연구 현황 15
Ⅲ. 실험 방법 16
1. 실험 장치 설계 16
1.1 반응기 설계 16
1.2 분리막 모듈 제작 18
1.3 Lab-scale MBR 반응기 20
1.4 CAS 반응기 21
2. 미세플라스틱 선정 24
3. 미세플라스틱 입자 제거 효율 및 막오염 경향성 분석 25
3.1 TMP 분석 25
3.2 제거효율 분석 25
4. 막 세정을 통한 막 저항 감소 분석 27
5. 분석방법 28
5.1 미세플라스틱 관찰 및 계수 28
5.2 슬러지 플록 입도 분석 28
5.3 체외 고분자 물질(Extracellular Polymeric Substances, EPS) 분석 28
5.4 화학적 산소 요구량(Chemical Oxygen Demand, COD) 분석. 29
5.5 공초점 레이저 주사현미경(Confocal laser scanning microscope, CLSM)을 통한 생물막 관찰 29
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 30
1. 미세플라스틱 관찰 30
1.1 현미경을 통한 미세플라스틱 관찰 30
1.2 CLSM과 SEM을 통한 미세플라스틱 관찰 30
2. MBR에서의 TMP 변화에 대한 미세플라스틱의 영향 32
2.1 미세플라스틱 크기에 따른 TMP 변화 실험 32
2.2 CSLM을 통한 생물막 관찰 35
2.3 EPS 분석 38
2.4 슬러지 플록 입도 분석 결과 41
2.5 COD 분석 결과 42
2.6 미세플라스틱의 밀도에 따른 막오염 경향성 분석 43
3. 막 세정에 따른 막 저항성 변화 분석 45
3.1 막 세정방법에 따른 막 저항 값 변화 45
3.2 세정 과정 후의 막 저항 값 비교 분석 47
4. 미세플라스틱 제거 효율 분석 48
4.1 미세플라스틱 크기와 밀도에 따른 제거율 분석 48
4.2 Lab-scale CAS 반응기에서의 미세플라스틱 제거율과 비교 51
Ⅴ. 결론 52
참고문헌 53
Abstract 60
감사의 글 62

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