오염총량관리제도의 확대 등으로 인한 수질 규제의 강화와 하수의 재이용 의무화 등으로 인하여 하수의 고도처리기술에 대한 관심이 날로 고조되고 있다. 분리막을 이용한 수처리 기술은 고도처리기술 중 주요한 기술로써 다수의 하수처리시설에 활용되고 있다.
활성슬러지 공정을 이용한 하수처리에서 2차 침전조를 막분리로 대체한 MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정은 설치면적이 적게 소요되고 안정적으로 수처리를 할 수 있다는 점 등에서 많은 장점을 갖고 있다. 그러나 막의 폐색 등으로 인한 교체비용의 과다 및 유지관리 비용이 높다는 점이 단점으로 지목되고 있다. 이로 인하여 분리막을 이용한 기술이 적용된 하수처리시설에서는 막의 투과효율을 적정하게 확보하기 위하여 막 오염(membrane fouling)에 대한 제어가 중요하다.
따라서 본 연구에서는 분리막의 오염에 영향을 미치는 인자 중 하수 중의 유기물질인 BOD 및 MLSS의 농도변화가 막의 투과효율에 미치는 영향과 상관관계에 대하여 연구를 수행하였다.
연구수행을 위하여 실제 분리막이 설치된 하수처리시설을 대상으로 하수의 유기물질의 농도와 분리막에 발생하는 차압을 기준으로 하여 막의 투과효율을 분석하였다. 4개소의 하수처리시설을 대상으로 운영 실태를 분석하였으며 그중 하수의 유기물질의 농도의 변화가 심한 시설을 대상으로 하여 집중적인 분석을 수행하였다.
또한 분리막의 오염에 대한 명확한 검증 및 해석을 위하여 회분식 여과실험을 실시하여 유기물질의 농도 및 활성슬러지 MLSS 농도변화에 따른 막의 투과효율을 연구하였다.
하수처리시설의 조사 및 분석기간은 수온이 변화가 크지 않고 BOD의 농도 변화가 큰 시점을 중심으로 30일간의 운영 실태를 분석하였다. 분석 결과 하수의 BOD 농도가 상승할 경우 분리막에 발생하는 차압도 높게 나타나는 추세를 나타냈으며, BOD 농도가 200mg/L를 초과하는 경우에는 세정작업을 실시하더라도 분리막의 성능 회복이 정상적으로 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 즉, 막 오염 양상이 비가역적 막 오염 (irreversible membrane fouling)으로 진행되고 있음을 알 수 있었다. 이와 같은 사실로 비추어볼 때 하수 중의 BOD가 분리막의 성능에 주요한 영향을 미치고 있다고 판단된다.
정량여과실험은 현장 플랜트에서 채취한 슬러지와 실험실에서 배양한 슬러지를 대상으로 BOD와 MLSS의 농도를 달리하여 실험을 실시하였다. 8개의 시료를 대상으로 실험을 실시한 결과 MLSS의 농도가 높을수록 막의 투과효율이 저하됨을 확인할 수 있었다. 또한 MLSS 농도가 동일한 경우에도 BOD의 농도에 따라 막의 저항에 변화가 나타났다. 실험결과 막의 저항은 케이크층에 의한 표면 오염으로 발생하는 저항이 막의 내부오염으로 인하여 발생하는 저항보다 크게 나타났다. 그러나 BOD와 MLSS 농도의 변화에 더 민감하게 반응하는 것은 막의 내부오염으로 인한 저항이었다. 또한 막의 저항은 MLSS 농도 변화보다 BOD 농도변화에 더 탄력적으로 반응을 한다는 사실을 확인하였다.
따라서 분리막의 효율 및 성능을 안정적으로 확보하기 위해서는 하수의 유입 BOD 농도가 중점적인 관리대상이 되어야 할 것으로 판단된다. 막의 손상을 방지하고 내구 연한을 증대시켜 하수처리시설의 운영비용을 저감시키기 위해서는 분리막을 이용한 여과공정의 이전 단계에서 생물반응기의 최적운전을 통하여 유기물질의 농도 특히 BOD의 농도를 낮게 유지하는 것이 필요하다고 결론지을 수 있다.