세계는 현재 급격한 인구 증가와 산업화로 인해 물 부족 및 수질 오염의 문제를 맞이하였다. 분리막 생물반응기(membrane bioreactor, MBR)는 설비 면적을 절약하고 고품질의 물을 생산할 수 있는 기술이다. 그러나 MBR 운영 중에 발생하는 막오염은 여과수의 생산 효율성과 품질을 저하시키는 주요 문제 중 하나이다. 막오염은 무기침전물의 축적, 유기화합물의 흡착, 농도 분극, 미립자에 의한 케이크 층 형성, 미생물 성장 등의 다양한 메커니즘을 통해 발생할 수 있다. 특히 세포외 고분자 물질(extracellular polymeric substances, EPS)로 이루어진 생물막오염은 MBR 운영에 있어 중대한 문제로 인식되고 있다.
이러한 배경에서, 막오염을 효과적으로 제어하기 위해 기존의 방법보다 더 혁신적이고 효과적인 방법을 모색하는 연구가 필요하다. 최근에는 미생물 간의 의사소통 시스템을 조절하여 정족수 감지 기작(quorum sensing, QS)을 활용하는 방법이 주목 받고 있다. 정족수 감지 기작은 미생물 간의 신호물질인 N-acyl homoserine lactone(AHL)을 주고받아 독성 발현, 생물막 형성 등의 집단 활동을 조절하는 메커니즘이다. 이러한 기작을 통해 미생물 활동을 조절하고 막오염을 억제할 수 있다.
본 연구에서는 바닐린과 같은 천연화합물이 정족수 감지 기작을 억제하는 특성을 가지고 있어, 이를 활용하여 MBR 운영 중 발생하는 생물막오염을 제어하고자 하였다. 특히 화학적 세척제 NaOCl과 비교하여 바닐린이 강화역세척(enhanced backwash) 단계에 적용될 때의 세정효율을 확인하고자 한다. 이를 위해 최적의 NaOCl 농도를 선정하고, 역세척과 강화역세척, 그리고 바닐린을 적용한 강화역세척의 세정효과를 비교하였다. 먼저, 하수처리장 2차 처리수를 원수로 하고 다양한 농도의 바닐린을 주입하여 membrane filtration simulation(MFS)에서 운전하였다. EPS 분석을 통해 막표면에 형성된 생물막을 분석한 결과 62.5mg/L(46%), 125mg/L(73.2%), 250mg/L(46.4%)으로 저감된 것을 확인하였다. CLSM 분석 결과에서도 125mg/L에서 가장 뛰어난 오염물질 저감 능력을 확인하였다.
MBR 공정의 NaOCl 강화역세척 단계에 QSI를 적용하기 위해 NaOCl의 농도 설정 실험을 진행하였다. EPS는 전반적으로 NaOCl의 농도가 증가할수록 세척률이 상승하는 경향을 나타내었다. F-EEM 분석에서는 250mg/L 농도에서 가장 큰 효과를 나타내었으며, 이러한 분석 결과를 토대로 MBR 공정에서 NaOCl 역세척을 적용할 경우 250mg/L 농도를 사용하는 것이 타당하다고 판단하였다.
증류수, 바닐린, NaOCl, 바닐린 & NaOCl을 세정액으로 하여 5회 역세척 후 운전시간과 막표면 분석을 통해 세정효과를 비교하였다. 그 결과, 운전시간 측면에서 NaOCl 역세척은 운전시간이 260% 증가하는 매우 우수한 세척력을 보여주었지만, 바닐린은 121%의 미미한 수준의 증가만을 보였다. 하지만 구간별 회복률로 나누었을 때 II, IV 구간에서 바닐린의 QSI 기능을 확인할 수 있었다. 막표면 분석 결과는 NaOCl의 우수한 오염물질 제거효과와 막오염 제어 능력을 나타내었지만 바닐린의 경우 증류수 역세척보다 더 많은 오염물질을 지닌 것으로 나타났다. 이와 같은 이유는 미생물학적 복잡한 메커니즘으로 인해 명확히 판단하기 어렵지만 바닐린이 탄소원으로서 미생물들에게 영양분으로 작용하였기 때문으로 추측된다.
본 연구에서는 NaOCl과 바닐린을 활용하여 MBR 공정에서 발생하는 막오염을 효과적으로 제어하는 방법을 모색하고자 하였다. NaOCl의 사용은 이전에 많은 연구들의 결과와 마찬가지로 뛰어난 세척능력을 지녔으며 분리막의 수명을 크게 연장시켰다. 반면 바닐린의 사용으로 운전시간은 연장되었지만 오염물질의 저감은 이루어지지 않았는데, 이는 막오염의 완화가 EPS의 감소에 의한 것이 아닌 EPS 특성 및 미생물 군집의 변화에 영향을 받은 것으로 생각된다. 결론적으로 본 연구는 막오염 제어에 대한 NaOCl의 효능을 다시 한번 입증하고 바닐린의 EPS 특성 및 미생물 군집 변화에 대한 간접적인 정보를 제공하며, 새로운 세정 방법의 적용 가능성을 평가하였다.