MBR 멤브레인이 스케일링에 취약한 이유와 대처 방법

MBR 멤브레인이 쉽게 스케일 업되어 몇 달마다 세척이 필요하고, 온라인 역세척이 효과적이지 않은 이유는 무엇입니까?

MBR(Membrane Bioreactor) 기술은 폐수 처리에 널리 성공적으로 적용되어 왔습니다. MBR은 2차 침전조를 대체하여 높은 유출수 품질과 높은 슬러지 농도를 보장하여 폐수 처리 담당자의 많은 운영 문제를 줄여줍니다. 그러나 멤브레인 파울링은 항상 MBR 시스템의 개발 및 운영에 있어 과제였습니다. 그렇다면 MBR 운영자는 멤브레인 파울링의 원인을 신속하게 식별하고 효과적으로 해결하여 세척 빈도를 줄일 수 있을까요?

멤브레인 파울링의 정의

멤브레인 파울링은 일반적으로 혼합 액체 내 물질이 멤브레인 표면(외부)과 멤브레인 기공 내부(내부)에 축적되고 흡착되는 과정을 의미합니다. 이는 기공 막힘을 유발하고, 다공성을 감소시키며, 멤브레인 플럭스 감소를 유발하고, 여과 압력을 증가시킵니다.

멤브레인 여과 작업에서 물 분자와 작은 입자는 지속적으로 멤브레인을 통과하는 반면, 일부 물질은 멤브레인에 의해 유지되어 기공을 막거나 멤브레인 표면에 침착되어 파울링을 유발합니다. 본질적으로 멤브레인 파울링은 멤브레인 여과의 결과로 발생합니다. 멤브레인 파울링의 직접적인 징후는 멤브레인 플럭스의 감소 또는 작동 압력의 증가입니다.

활성 슬러지 혼합 액체 내 물질, 즉 영양분, 미생물 플록, 미생물 세포, 세포 조각, 대사 부산물(EPS, SMP) 및 다양한 유기 및 무기 용해성 물질은 모두 멤브레인 파울링에 기여합니다.

멤브레인 파울링의 단계

멤브레인 파울링은 일반적으로 세 단계로 진행됩니다(일부 분류에서는 두 단계를 언급합니다).

1. 초기 파울링: 이는 멤브레인 시스템 작동 초기 단계에서 발생합니다. 멤브레인 표면은 혼합 액체 내 콜로이드, 유기물 등과 강하게 상호 작용하여 부착, 전하 효과, 기공 막힘 등을 통해 파울링을 유발합니다. 교차 흐름 여과 조건에서 작은 생물학적 플록 또는 세포외 고분자는 여전히 멤브레인 표면에 부착되는 반면, 멤브레인 기공 크기보다 작은 물질은 기공 내에서 흡착될 수 있습니다. 농축, 결정화 및 성장을 통해 파울링이 발생합니다.

2. 느린 파울링: 처음에는 멤브레인 표면이 매끄럽고 큰 입자가 쉽게 부착되지 않습니다. 주요 파울링 물질은 EPS, SMP 및 생물학적 콜로이드로, 멤브레인 표면에 흡착되어 젤과 같은 층을 형성합니다. 이는 여과 저항을 서서히 증가시켜 혼합 액체 내 오염 물질을 유지하는 멤브레인의 능력을 향상시킵니다. 젤 층 파울링은 불가피하며, 멤브레인 저항이 점진적으로 상승합니다. 일정 유량 작동에서는 TMP(transmembrane pressure)가 서서히 증가하는 것으로 나타나고, 일정 압력 모드에서는 플럭스가 서서히 감소하는 것으로 나타납니다.

3. 급속 파울링: 두 번째 단계에서 형성된 젤 층은 지속적인 여과 압력과 투과 흐름 하에서 더욱 조밀해져 파울링이 점진적인 단계에서 급격한 단계로 전환됩니다. 다량의 플록이 멤브레인 표면에 빠르게 축적되어 슬러지 케이크를 형성하고, 멤브레인 간 압력이 급격히 증가합니다.

젤 층 파울링은 불가피하며 멤브레인 저항을 점진적으로 증가시킵니다. 일정 유량 작동에서는 TMP가 점진적으로 상승하는 것으로 나타나고, 일정 압력 모드에서는 플럭스가 서서히 감소하는 것으로 나타납니다. 다량의 슬러지 플록이 멤브레인 표면에 침착되어 슬러지 케이크를 형성하면 시스템은 더 이상 정상적으로 작동할 수 없습니다.

MBR 작동 및 유지 관리 중 주요 초점은 젤 층 파울링을 지연시키고(양호한 수력 조건 유지, 현장 세척, 멤브레인 파울링 개발 속도 제어 및 느린 파울링 단계 연장) 슬러지 케이크 파울링(급속 파울링)을 제어하는 것입니다.

멤브레인 파울링의 유형

1. 파울링 물질의 구성을 기반으로

   • 유기 파울링: 이는 주로 고분자 유기 물질(다당류, 단백질 등), 부식산, 미생물 플록 및 혼합 액체 내 세포 조각에서 비롯됩니다. 가용성 미생물 생성물(SMP)과 세포외 고분자 물질(EPS)은 MLSS(혼합 액체 부유 고형물)의 작은 부분을 차지하지만 멤브레인 파울링에 상당한 기여를 합니다(26%-52%). 멤브레인 기공 내부 및 멤브레인 표면에서 미생물의 성장 및 흡착 또한 파울링에 중요한 역할을 합니다.

   • 무기 파울링: 이는 칼슘, 마그네슘, 철 및 실리카와 같은 다리를 형성하는 금속 염 및 무기 이온으로 인해 발생하며, 특히 탄산칼슘, 황산칼슘 및 수산화마그네슘의 스케일링을 유발합니다.

2. 파울링의 특성을 기반으로

   • 가역적 파울링(일시적 파울링): 이 유형의 파울링은 깨끗한 물로 역세척하거나 통기하는 것과 같은 특정 수력 조치를 통해 제거할 수 있습니다.

   • 비가역적 파울링(영구적 파울링): 이 파울링은 수력 세척 방법으로는 제거할 수 없으며 산화제, 산, 염기 또는 환원제와 같은 화학 물질로 세척해야 합니다.

   가역적 파울링과 비가역적 파울링 모두 세척할 수 있지만, 비가역적 파울링은 멤브레인 성능에 영구적인 손상을 초래합니다.

3. 파울링 위치를 기반으로

   • 내부 파울링: 이는 혼합 액체 내 물질이 멤브레인 기공 내부에 축적, 결정화 및 응집될 때 발생합니다.

   • 외부 파울링: 이는 물질이 멤브레인 표면에 응집되고 침착될 때 발생합니다.

멤브레인 파울링에 영향을 미치는 요인

1. 혼합 액체의 특성

   MBR 시스템에서 파울링 물질의 원인은 활성 슬러지 혼합 액체이며, 이는 파울링에 영향을 미치는 복잡한 특성을 가지고 있습니다.

   • EPS 및 SMP: EPS 및 SMP는 파울링에 중요한 역할을 하는 미생물 대사 부산물입니다. 과도한 EPS는 혼합 액체의 점도를 증가시켜 산소 확산을 어렵게 하고 미생물 플록 활성에 영향을 미쳐 여과 저항을 증가시킵니다. EPS 수준이 너무 낮으면 플록이 분해되어 MBR 작동에 부정적인 영향을 미칩니다.

   • MLSS 농도: MLSS의 농도는 혼합 액체의 점도에 직접적인 영향을 미칩니다. MLSS가 증가함에 따라 점도가 기하급수적으로 증가하여 여과 효율이 감소합니다. 멤브레인 표면에 부착된 고형물을 씻어낼 수 있을 만큼 교차 흐름 속도 또는 통기 강도가 충분하지 않으면 파울링이 발생합니다.

   • 점도: 혼합 액체의 점도는 MLSS의 영향을 받으며 기포 크기 및 멤브레인 유연성뿐만 아니라 산소 전달 효율에도 직접적인 영향을 미칩니다. 점도가 높을수록 파울링 경향이 높아집니다.

   • 슬러지의 소수성: 연구에 따르면 슬러지의 소수성은 멤브레인 파울링에 중요한 역할을 합니다. 높은 소수성은 심각한 파울링을 유발할 수 있으며, 특히 과도한 사상 세균이 불규칙한 플록 모양을 유발할 때 더욱 그렇습니다.

   • 슬러지 입자 크기: 약 2미크론의 작은 입자는 멤브레인 표면에 침착되어 조밀한 층을 형성하고 여과 저항을 증가시킬 가능성이 더 높습니다.

   • 슬러지 침강 속도(SVI): SVI는 파울링에 직접적인 영향을 미치지 않지만 혼합 액체 내 유기물의 침강 특성을 나타낼 수 있습니다. 콜로이드 및 용해성 유기물은 파울링의 주요 기여 요인입니다.

2. MBR 작동 조건

   • 슬러지 유지 시간(SRT): SRT를 늘리면 SMP 및 EPS 생성을 줄여 파울링을 줄일 수 있습니다. 그러나 SRT가 너무 길면 슬러지 농도가 높아져 점도가 증가하고 파울링이 악화될 수 있습니다.

   • 수력 유지 시간(HRT): HRT는 파울링에 직접적인 영향을 미치지 않지만, HRT가 짧을수록 미생물에 더 많은 영양분을 공급하여 미생물 성장을 가속화하여 파울링 가능성을 높일 수 있습니다.

   • 온도 및 pH: 저온은 가역적 파울링을 유발하고, 고온은 비가역적 파울링을 가속화합니다. MBR은 일반적으로 pH 6-9 범위 내에서 작동합니다. 극단적인 pH 값은 질산화 세균을 억제하여 파울링을 증가시킬 수 있습니다.

   • 용존 산소(DO): 낮은 DO 수준은 미생물 세포의 소수성을 증가시켜 슬러지 플록 분해를 유발합니다. DO 수준이 1mg/L 미만으로 떨어지면 SMP 수준이 급격히 상승하여 파울링이 악화됩니다.

   • 멤브레인 플럭스: 플럭스가 증가하면 모든 멤브레인 공정에서 파울링 가능성이 높아집니다. 플럭스, 멤브레인 면적 및 역세척/화학 세척 간격의 균형을 맞추는 것이 파울링을 최소화하는 데 중요합니다.

3. 멤브레인 특성 및 멤브레인 모듈 구조

   • 기공 크기: 작은 기공 멤브레인은 더 많은 오염 물질을 유지하여 더 조밀한 파울링 층을 생성하는 경향이 있으며, 이는 제거하기 더 어렵습니다. 큰 기공 멤브레인은 초기 막힘이 더 높을 수 있지만 시간이 지남에 따라 여과 성능을 향상시킬 수 있는 동적 멤브레인을 형성합니다.

   • 멤브레인 재료: PVDF와 같은 소수성 멤브레인은 파울링에 더 취약한 경향이 있습니다. 반면에 세라믹 멤브레인은 파울링에 더 강하고 화학적 안정성과 강도 측면에서 장점이 있습니다.

   • 표면 거칠기: 멤브레인 표면의 거칠기는 오염 물질을 흡착하는 능력을 증가시키지만 일부 유연성을 도입하여 오염 물질이 영구적으로 달라붙을 가능성을 줄입니다.

   • 소수성 대 친수성: 친수성 재료로 만들어진 멤브레인은 일반적으로 파울링에 대한 저항성이 더 좋습니다.

멤브레인 파울링 제어 조치

파울링은 주로 멤브레인의 고유한 특성, 혼합 액체 특성 및 작동 조건의 영향을 받습니다. 따라서 파울링 제어는 이러한 세 가지 측면에 초점을 맞춰야 합니다.

1. 멤브레인 특성: 파울링 저항성을 향상시키기 위해 더 나은 친수성, 표면 거칠기 및 적절한 기공 크기를 가진 멤브레인을 선택하십시오. 세라믹 멤브레인은 강도와 화학적 안정성으로 인해 종종 좋은 선택입니다.

2. 혼합 액체 특성: 파울링을 줄이기 위해 MLSS 농도와 점도, 유기 및 무기 물질의 구성을 제어하십시오. 여과와 같은 전처리 단계는 큰 입자를 제거하고 막힘을 방지할 수 있습니다.

3. 시스템 작동 환경: 아임계 값 내에서 유지하기 위해 적절한 플럭스를 사용하십시오.