작성자: 케이트
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날짜: 2024년 12월 4일
1. MBR 프로세스 개요
MBR(막 생물 반응기)수처리에 사용되는 막 생물학적 처리 기술입니다. 막분리 기술과 폐수 생물학적 처리 기술을 융합한 시스템입니다. 이는 오늘날 세계에서 가장 진보되고 효율적인 폐수 처리 및 자원 회수 기술 중 하나로 인정받고 있습니다.
MBR 기술은 막의 분리 기능을 활용하여 기존 활성 슬러지 공정의 2차 침전조, 모래 필터, 소독 장치 및 기타 구성 요소를 막 분리 장치로 대체합니다. 미세여과/한외여과(MF/UF) 멤브레인을 사용하여 폭기조에서 나오는 유출수를 직접 필터링합니다. 활성 슬러지 혼합물의 부유 고형물은 완전히 유지되어 반응기로 다시 재순환됩니다. 결과적으로, 슬러지 수명이 연장되고, 슬러지 농도가 증가하며, 슬러지 부하가 감소됩니다. 이는 오염물질의 미생물 분해를 가속화하고, 폐수 처리 효율성을 크게 향상시키며, 배출수 품질이 안정적이고 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라 고품질 재생수 기준을 충족하도록 보장합니다. 특히 2011년에 설정된 새로운 배출 기준을 충족하기 위해 중국의 폐수 처리장을 업그레이드하고 산업 폐수를 재사용하는 데 적합합니다.
미세여과/한외여과(MF/UF)막에는 기공 크기와 분자량 차단 범위가 있습니다. 일반적으로 한외여과막의 기공 크기는 0.01 ~ 0.1 μm이며, 분자량 차단(MWCO) 범위는 5,000 ~ 500,{{ 9}} 달튼. 일반적으로 폐수 처리에 사용되는 정밀여과막의 명목 MWCO 범위는 30000~800000 Dalton입니다.
2. MBR 멤브레인의 장점
MBR은 다른 독립형 생물학적 프로세스와 비교할 수 없는 중요한 이점을 제공합니다.
1.우수하고 안정적인 배출수 품질
이는 고액 분리 효율이 높다는 점에서 나타납니다. 유출수의 부유물질은 거의 항상 0에 가깝게 유지될 수 있으며, 단기적으로는 슬러지 분해나 슬러지 벌킹 등의 요인에 쉽게 영향을 받지 않습니다.
2.소형 반응기 설계
반응기는 높은 슬러지 농도에서도 정상적으로 작동할 수 있어 더욱 컴팩트해지며, 공간을 절약하면서 유기물 제거 효율이 높아집니다. 2차 침전조 시스템이 필요하지 않습니다.
3.호기성 질화균 배양에 유리
이 시스템은 호기성 구역의 질화 능력을 향상시킵니다. 이는 암모니아 질소 제거의 높은 효율성에 반영되며, 이는 장기간에 걸쳐 안정적으로 유지됩니다.
4.수력학적 체류시간과 슬러지 체류시간의 완전한 분리
원자로의 수리학적 체류시간(HRT)과 슬러지 체류시간(SRT)의 완전한 분리로 보다 유연한 운전 제어가 가능합니다.
5.높은 미생물 농도와 강한 충격 부하 저항
반응기 내 미생물 농도가 높고, 충격 하중에 대한 저항력이 강합니다. 슬러지 수명이 길어지면 막 분리를 통해 폐수에 있는 크고 분해하기 어려운 분자가 생물학적으로 제한된 반응기 부피 내에서 충분한 체류 시간을 갖도록 보장합니다. 이는 난분해성 유기물의 분해 효율을 크게 향상시킵니다. 반응기는 높은 부피 부하, 낮은 슬러지 부하 및 긴 슬러지 수명 하에서 작동하므로 슬러지 배출을 효과적으로 줄이는 데 도움이 됩니다.
3. MBR 멤브레인의 향후 개발 동향
1.폐수 처리에서 MBR 기술의 중요한 역할
최근 몇 년간의 경험에 따르면 MBR 기술은 성숙되었으며 성공적인 설계 및 운영이 가능합니다. 도시 폐수 및 산업 폐수 처리에 모두 사용할 수 있습니다. 따라서 MBR 기술은 지속적으로 발전하고 성숙해짐에 따라 경제적이며 실용적인 기술로서 전 세계적으로 널리 적용될 것으로 예상된다.
2.MBR 적용 전망
MBR의 주요 응용 분야는 도시 폐수 처리여야 합니다. 특히 도시에서는 폐수 처리를 위해 작은 토지 면적이 필요하기 때문입니다. 고품질의 유출수는 재사용되거나 나노여과 및 역삼투압을 위한 전처리 역할을 할 수 있으며, 엄격한 배출 기준을 충족해야 합니다.
MBR 기술은 식품가공 폐수, 도축장 폐수, 매립지 침출수 등 산업폐수 처리에도 효과적이다. 매립지 침출수 내 내분비 교란 물질(EDS)에 대한 탁월한 제거 효율을 입증했으며, 식수 내 질산염을 제거할 수 있습니다(제거율 최대 98.5%).
3.막 오염 제어
막 오염 메커니즘, 특히 생물학적 오염에 대한 연구에 대한 추가 연구가 필요합니다. 더욱 효과적이고 제어 가능하며 최소화된 멤브레인 오염 솔루션을 개발해야 합니다. 온라인 막 오염 제어를 위한 컴퓨터 및 센서 기술의 사용을 완전히 탐구해야 합니다. 세척 방법을 개선할 때 안전한 화학물질 사용에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
4.폐수 유형에 따른 막 구조 및 재료 선택
폐수의 종류에 따라 막의 구조와 재질을 올바르게 선택해야 합니다. 새로운 에너지 효율적인 고성능 멤브레인 소재와 모듈 어셈블리를 채택해야 합니다. 호기성 및 혐기성 MBR 시스템의 통합을 촉진해야 합니다. 또한 수학적 모델과 컴퓨터 기술을 최대한 활용하여 운영 매개변수를 최적화하여 더 나은 배출수 품질을 달성하고 공정을 더욱 경제적이고 효율적으로 만들어야 합니다.
4. MBR 멤브레인의 작동 원리
실제 엔지니어링 응용 분야에서는 침지형 MBR(Membrane Bio-Reactor) 공정이 더 일반적으로 사용되며 이러한 유형의 시스템에 대한 업계 경험은 상대적으로 성숙합니다. 따라서 이러한 유형의 MBR을 분석의 예로 사용하겠습니다. 일반적인 원칙은 다음과 같습니다.
원수가 생물반응기로 유입되면 고농도 혼합 활성슬러지에 의해 유기물이 산화 및 분해됩니다. 막 모듈 아래에는 혼합액의 미생물에 충분한 용존 산소(DO)를 제공할 뿐만 아니라 철저한 혼합을 촉진하는 통기 시스템이 있습니다. 막 표면에 형성된 순환 흐름과 함께 기포에 의한 교반은 막 표면에 수색 및 전단 효과를 가져서 비인위적인 조건에서 막 표면에 오염 물질이 비가역적으로 침전되는 것을 효과적으로 방지합니다. 처리된 물은 자체 프라이밍 펌프를 통해 흡입되어 멤브레인으로 분리되며, 액상은 멤브레인을 통과하여 시스템에서 배출됩니다.
일반적으로 MBR 공정에는 멤브레인 플럭스, 투과성 계수, 보유율 및 농도 분극을 비롯한 여러 가지 주요 작동 매개변수가 있습니다.
1.멤브레인 플럭스
막 플럭스(J)는 단위 시간당 막의 단위 면적을 통과하는 물질의 양을 나타냅니다. 일반적으로 SI 단위로 [m³/(m²·s)]로 표시되거나 m/s로 단순화됩니다. 실제 엔지니어링 계산에서는 [L/(m²·h)] 단위로 LMH(시간당 평방미터당 리터)와 같은 비SI 단위를 사용하여 플럭스를 측정하는 경우가 많습니다. 일반적인 폐수 처리 요구 사항을 충족하는 일반적인 MBR 멤브레인의 LMH는 최소 10 L/(m²·h)입니다.
막 플럭스에 영향을 미치는 요인에는 물질 이동의 추진력, 막 저항, 막 측면 공급 용액의 흐름 조건(경계층 저항과 동일) 및 막 오염 정도가 포함됩니다.
2.투과율 계수
막의 투과계수(Lp)는 단위 압력 하에서 단위 시간 및 단위 면적당 막을 통과하는 물질의 양을 나타냅니다. 이는 단위 압력 조건 하에서 막 유속으로 간단히 표현됩니다. 투과성 계수는 멤브레인의 현재 성능을 평가하는 주요 매개변수 중 하나입니다.
3.유지율
막분리 과정에서 막을 통과하는 액체를 투과액(permeate)이라 하고, 막에 머금고 있는 액체를 잔류물(retentate)이라 한다. 유지율은 관찰/보고된 유지율(Robs) 및 실제/내재적 유지율(Ract)을 포함하여 막의 분리 성능을 특성화하는 데 사용됩니다. 그 정의는 다음과 같습니다:
여기서 Cp와 Cb는 각각 투과액과 공급액의 용질 농도를 나타내며 직접 측정할 수 있습니다. 그러나 용질이 막 표면에 유지되고 부착되기 때문에 막 표면의 용질 농도(Cm)는 공급 용액의 평균 농도보다 높습니다. 따라서 실제 유지율은 다음과 같습니다.
Cm 값은 일반적으로 직접 측정할 수 없으며 계산 모델을 사용하여 추정해야 합니다.
4.농도 양극화
실제 압력 구동 공정 중에 막 플럭스는 시간이 지남에 따라 감소하는 경우가 많으며 용질 보유율도 변경됩니다. 이러한 현상의 주요 원인은 농도분극과 막오염이다.
농도 분극은 압력 구동 조건에서 공급 용액의 용매가 막을 통해 자유롭게 통과하는 반면 용질은 막에 유지되는 현상을 의미합니다. 용매 흐름은 계속해서 용질을 막 표면으로 운반하여 막에 용질이 축적되도록 합니다. 그 결과, 막 표면의 용질 농도(Cm)가 점차 증가하여 막 표면에서 공급 용액으로 역확산을 일으키는 농도 구배가 발생합니다. 안정화 기간 이후, 막 표면으로의 공급 용액의 흐름이 역확산과 같아지면 안정적인 농도 분극 경계층이 형성됩니다. 완전 보존 조건은 다음 방정식으로 표현됩니다.
Cm/Cb 비율을 농도 분극비라고 합니다. 비율이 높을수록 막 분리에 불리하다.
막 플럭스(J)는 측정하기 쉽지만 k는 경계층 두께에 대한 확산 계수의 비율입니다. k 값은 막 표면의 흐름 조건과 관련이 있으며 물질 전달 무차원 수 상관 관계를 사용하여 계산하거나 실험적으로 결정할 수 있습니다. k 값을 결정하는 방법은 Zeman 및 Zydney(1996)의 논문에서 찾을 수 있습니다.
