막 결합형 생물반응기 (Membrane Bio-Reactor, MBR)는 활성슬러지 공정에 비해 적은 부지면적, 안정적인 유출수질의 확보, 완벽한 고/액 분리 등 여러 장점으로 인해 그 활용이 점차 증가되고 있다. 그러나 MBR 공정은 막 오염 저감을 위해 소요되는 에너지 소비가 매우 크기 때문에 막 오염을 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 MBR 공정의 여과성능 향상을 위해 막 오염을 저감하기 위한 여러 방법 중, 수처리에 활용되고 있는 응집 메커니즘을 기반으로 하는 전기응집 (electro-coagulation, EC)을 도입하였다. 다양한 전류밀도 (current density)와 접촉시간 (contact time)에 따라 전기응집을 수행했을 때, 활성슬러지 부유미생물 농도에 따라 반응기 내에서 발생되는 전기화학 반응과 활성슬러지 특성 변화의 상관관계 이해를 통해 막 오염 메커니즘을 해석하고자 하였다.
서로 다른 활성슬러지 MLSS 농도별 전기응집을 수행한 뒤 막 여과를 수행하였다. 이때 발생한 막 오염을 정량 분석하고 막 오염 저감 속도를 반응속도론 (kinetics)에 기초하여 모델링 하였다.
전기응집을 통해 전류밀도와 접촉시간이 증가할수록 막 여과 성능이 향상되었으며 활성슬러지의 MLSS 농도가 증가하여도 동일한 경향을 나타냈다. 정량적 해석을 위해 각각의 총오염저항 (Rc+Rf) 값을 계산하였다. 직렬여과저항 모델을 이용하여 총오염저항 값을 계산하여 전기응집에 의한 여과성능 향상을 정량화하였다. 전류밀도가 가장 높은 24A/m2일 경우, 활성슬러지 농도가 4,500mg/L일 때 접촉시간이 2, 6, 12hr으로 증가할수록 여과성능이 14, 68, 89% 증가했으며 6,500mg/L일 때는 14, 61, 86% 증가했고, 8,500mg/L일 때는 18, 60, 82% 증가했다. 이 결과를 바탕으로 동력학적 모델링 작업을 통해 서로 다른 MLSS 농도 하에서 전류밀도와 접촉시간이 막 오염 저감속도에 미치는 영향에 대한 모델식, , , 을 도출하였다. 이 모델식은 활성슬러지의 MLSS가 일정할 때, 총오염저항 (Rc+Rf) 값이 10% 감소할 때 요구되는 전류밀도와 접촉시간의 곱이 항상 일정하다는 의미이다. 즉 전류밀도의 세기가 증가하면 접촉시간이 감소하고, 접촉시간이 증가하면 전류밀도의 세기가 감소된다. 또한 MLSS 농도가 증가할수록 동일한 막오염 저감 효과를 얻기 위해서 요구되는 접촉시간과 전류밀도가 더욱 크게 요구된다는 것을 시사하고 있다.
막 여과 성능이 향상된 원인을 파악하기 위해 활성슬러지 현탁액의 성분 및 특성 변화를 분석하였다. 전기응집은 콜로이드성 부유 물질들을 효율적으로 응집시킴과 동시에 용존성 유기물질의 농도를 감소시켰으며 저항값의 감소를 유도하였다. Soluble-EPS는 24A/m2 일 때를 제외하고 모두 감소했다. 일정수준 이상의 전류밀도 인가는 오히려 응집의 효율성을 저감시켰다. 미생물 플록 표면에 부착되어 있는 Bound-EPS 농도는 전류밀도의 세기가 증가할수록 감소하였으며 이는 플록 표면의 유기물질이 탈착되어 반응하지 않은 EPS 농도가 용존성 물질에 영향을 미친 것으로 추측된다.
용존성 물질의 분석 결과 COD의 경우 24A/m2일 때를 제외하고 나머지 전류밀도 조건에서는 COD가 감소하였으나, 이는 전기응집 접촉시간이 12hr 이상 진행하지 않았기 때문에 추가적인 관찰이 필요하다. 24A/m2에서 오히려 COD 농도가 증가하였다. 이러한 결과로 미생물에 과한 전기적 자극으로 인해 미생물 활성도가 떨어졌거나 금속이온의 과한 용출이 미생물 자체에 악영향을 미칠 수 있기 때문으로 판단된다. TN과 TP는 거의 변화가 발생하지 않았으며 실험오차 범위 내로 측정되었다.

Membrane Bio-Reactor (MBR) is increasingly utilized due to its advantages such as small footprints, excellent effluent qualities and complete solid/liquid separation capabilities compared to activated sludge process. However, MBR consumes huge energy to reduce membrane fouling, so that various researches have been carried out to solve the membrane fouling problem.
Recently, electro-coagulation (EC) has been gained an great attention as a alternative technique for controlling membrane fouling in MBR process. The purpose of this study was to investigate effect of the operation parameters of EC on membrane fouling and to develop a model equation describing their relationship. Effect of the key operational parameters in EC, current density (ρi) and contact time (t) on membrane fouling reduction was investigated. A kinetic model for ρi and t required to reduce the membrane fouling was suggested under different MLSS concentration. Total 48 batch type experiments of EC under different sets of current densities (2.5, 6, 12 and 24 A/m2), contact times (0, 2, 6 and 12 hr) and MLSS (mixed liquor suspended solids) concentration (4500, 6500 and 8500mg/L) were run. After each EC under different conditions, a series of membrane filtration was performed to get information on how much of membrane fouling was reduced. The membrane fouling decreased as the ρi and t increased but as MLSS decreased. Total fouling resistances, Rt (=Rc+Rf) were calculated and compared to those of the controls (Ro), which were obtained from the experiments without electro-coagulation. A kinetic approaches was carried out and three equations under different MLSS were suggested: i) (at MLSS = 4,500 mg/L), ii) (at MLSS = 6,500 mg/L), iii) (at MLSS = 8,500 mg/L). These equations state that the product of ρi and t needed to reduce the fouling in certain amounts (in this study, 10% of fouling reduction) is always constant.
In order to investigate the cause of improved membrane filtration performance, the composition and characteristics of activated sludge suspension were analyzed. Electrolytic aggregation efficiently coalesced colloidal suspended solids, reduced the concentration of dissolved organic materials, and thus resulted in a decrease in filtration resistance. Soluble EPS concentration decreased except 24A/m2 condition. Applying a current density higher than a certain level would rather reduce the efficiency of flocculation. Bound EPS concentration on microbial floc surface decreased with increasing current density. The COD decreased at all the current density condition except for 24A/m2. TN and TP showed little change and were measured within the experimental error range. These results suggest that microbial activity decreased due to excessive electrical stimulation on microorganisms or excessive leaching of metal ions may adversely affect microorganisms themselves. Further studies are needed because the contact time of the EC did not exceed 12 hr.