현대사회는 인구집중화와 급격한 산업화에 따른 물사용량 증대로 인하여 전세계적인 물부족 현상과 함께 다양한 오염원 발생에 의하여 사용가능한 수자원확보 문제에 직면하고 있다. 이에 따라 발생량이 비교적 일정한 하수처리수를 재이용하여 대체수자원으로 사용하는 기술이 주목받고 있으며 특히 현재 운영 중인 하수처리장에 적용이 용이하고 발생하는 처리수를 목적에 따라 직접적으로 재이용이 가능한 MBR(Membrane Bio Reactor)공정은 최근 10여년간 하수처리분야에서 성장세를 보이고 있는 고도처리 기술이다. 그러나 MBR공정은 많은 장점에도 불구하고 장기간 운전 시 발생하는 막오염(Fouling) 현상에 따른 투과율 감소로 인하여 현장적용에 어려움을 겪고 있다. 1990년대부터 막오염 억제에 관한 많은 연구가 진행되었는데, 특히 반응조 내 활성탄이나 응집제 등 화학첨가제를 주입함으로써 MBR의 장점을 유지하면서 막오염을 억제하기 위한 연구가 다양하게 진행되어왔다. 그러나 화학약품의 사용은 처리수의 인체위해성이나 슬러지발생량증가와 같은 제한요소가 문제점으로 나타나는 것으로 알려져 있다. 특히 하수처리수 재이용을 위해서는 이러한 2차오염의 문제를 해결할 수 있는 방안이 마련되어야하며, 이에 따라 생분해성이 뛰어난 천연물질의 이용에 대한 관심이 증가하고 있다. 하지만 현재 천연 고분자 응집제를 MBR공정에 주입함으로써 발생하는 막오염 특성이나 2차 오염문제 발생의 가능성, 잔류의약물질의 제거효과에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
본 연구에서는 lab-scale MBR반응조를 이용하여 천연 고분자 응집제로 알려진 키토산(Chitosan)주입에 따른 막오염 저감 효과와 안정적인 수질확보 가능성을 화학응집제인 PAC와 비교하였으며, 이 때 분리막 성능저하의 원인이 되는 오염물질을 분석함으로써 키토산(Chitosan)의 막오염 억제제로써의 활용 가능성을 평가하였다. 또한 lab-scale 반응조 내 잔류의약물질의 거동을 분석하여 다양한 분야로의 처리수 재이용 가능성을 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 막오염 억제를 위한 최적 주입량을 결정하기 위하여 jar-test를 수행하여, 주입량별 입도분포와 Zeta-potential을 분석하였다. 주입량이 증가할수록 응집/응결 반응에 의하여 floc size가 증가하고 Zeta-potential 값이 0에 가까워졌으며, 분석결과 PAC 20mg/L, Chitosan 10mg/L에서 막오염을 완화시킬 수 있을 것으로 판단하여, 이를 최적주입량으로 결정하였다.
최적주입량의 첨가제가 주입된 lab-scale MBR 반응조의 처리효율을 분석한 결과 TCODCr, T-N, T-P의 평균 제거 효율은 각각 93%, 52%, 75%로 나타났다. 또한 임계 flux 측정 결과 80LMH로 나타나 본 연구에 사용된 PVDF 중공사막의 경우 해당 flux이하로 반응조 운전 시 막오염을 안정적으로 제어할 수 있을 것으로 사료된다.
키토산의 막오염 억제효과를 파악하기 위하여 막오염 특성을 FT-IR과 SEM/EDX를 이용하여 분석하였다. 분석결과 다량의 유기물과 단백질, 황화물 등에 의한 유기오염이 발생한 것으로 나타났으며, EPS분석 결과 키토산 주입 시 total EPS 농도가 23%감소되어 생물막에 의한 막오염(Biofouling)억제에 효과가 있을 것으로 판단되었다. 키토산을 주입한 경우 Si, Mg, P, Al, Ca, Mn, Na 등 무기물에 의한 막오염이 크게 억제된 것으로 나타나 키토산 주입 시 생물막을 형성하는 EPS물질과 유기물질 뿐만 아니라 무기물질에 의한 막오염을 억제하는 것이 가능하다고 판단된다. 막오염이 억제된 주요원인을 비교하기 위하여 여과저항 측정과 투과유속 감소실험을 수행한 결과 케익층에 의한 막오염이 주요 원인으로 나타났으며, 키토산을 주입한 경우에는 floc size증가로 인하여 분리막내부의 공극 막힘에 의한 파울링과 물리세정으로 극복할 수 없는 비가역적 파울링이 감소하는 것으로 나타나 투과율을 증가시키고 분리막의 수명이 연장될 수 있다고 판단된다.
하수처리수 재이용을 위한 잔류의약물질의 거동을 분석한 결과 키토산 주입에 따라 대조군에 비하여 평균 63%의 제거효율 증가를 관찰하였다.
연구결과 MBR공정 내에 키토산을 주입하는 것은 막오염을 억제하여 운영비용의 효과적인 절감을 가능하게 하고, 2차오염이 없는 안정적인 처리수질 확보를 통하여 처리수의 재이용 범위를 확대시켜 안정적인 수자원확보를 가능하게 할 것으로 판단된다.

The submerged MBR Process is most desirable technology of wastewater treatment over the past decade because it is easy to apply the existing facilities and treated wastewater from MBR process can be reused immediately in various fields.
Despite the many advantages, the membrane fouling caused by continuous operation of the MBR process is so difficult to apply in the field. So, many studies have been conducted to overcome the membrane fouling, injecting coagulant, activated carbon and MFR(Membrane Fouling Reducer) while maintaining the advantages of MBR process. However, injection of additives for reduction of membrane fouling has a problem that may lead to secondary pollution and that is an obstacle to reuse of treated wastewater.
The purpose of this study are firstly confirming the suppression effect of the membrane fouling which it happens in the MBR process by using the natural polymer coagulant chitosan, secondly comparing the fouling characteristics when injecting the chitosan coagulant in the MBR process.
For this purpose, the chemical structure of chitosan-acetic acid coagulant using the availability as fouling inhibitor and operating a lab-scale MBR reactor was analyzed to secure stable quality of the treated water. Also, analyzing pollutants that cause membrane fouling and identifying the membrane fouling mechanism by measurement of fouling resistance and applying analysis results to membrane fouling model for evaluating the inhibitory effect of the chitosan ?acetic acid coagulant were conducted in the lab-scale MBR reactor.
As a result of product water quality and pollutant removal efficiency by lab-scale MBR process, the average removal efficiency of TCODCr, T-N, T-P were 92%, 52%, 75%, respectively.
An analysis of the MLVSS/MLSS ratio shows that MLSS concentration increased when PAC injecting because the metal salt was producted, so the sludge production is also expected to increase. However, when injecting the chitosan-acetic acid coagulant showed stable MLVSS/MLSS ratio.
Behavior of pharmaceuticals and personal care products for treated wastewater reuse showed the removal efficiency more than 70% on 10 compounds among domestic the material of 15 compounds which the large quantity is detected.
Critical flux was determined by stepwise method which is measuring the change of TMP with an increasing flux at 15minutes intervals. After 60 minutes, TMP was increasing rapidly and the average flux was 80LMH and TMP showed 35kPa. So Control-MBR and Coagulant-MBR was operating under critical flux.
From results of analysis, organic pollutants, elements of membrane surface and EPS concentration decreased 24% and inorganic pollutants isotopic composition also decreased in Coagulant- MBR that injecting the chitosan-acetic acid coagulant.
Result of the comparisons about specific components of membrane fouling by membrane fouling mechanism model showed that standard pore blocking and complete pore blocking composition were decreased 6%, 3% respectively. This results similar to the filtration resistance experiments.
Therefore, chitosan coagulant injection is expected to be able to replace the existing fouling inhibitor.