MBR (Membrane Bioreactor) 공법

MBR공법이란?

MBR공법은 많은 생물학적 처리장에서 사용 중인 공법입니다. 일반적인 생물학적 처리 공법에 멤브레인을 이용한 막공정을 더하여 오염된 유입수를 처리하는 방식입니다. MBR 공법은 0.05 ~ 0.1um 정도의 공극을 가지는 매우 작은 막 필터입니다. 일반적인 생물학적 공법을 이용하는 처리장에서 발생할 수 있는 문제들을 해결해 주고 좋은 처리수를 얻는데 특화되어 있기 때문에 널리 사용되고 있습니다.

 

여과 공정의 메커니즘

1. 차단효과

입자의 크기가 공극 크기보다 큰 경우 공극을 통과하지 못하고 여과되게 됩니다. 유속에는 크게 영향을 받지 않고 입자의 크기가 클수록 또는 여재의 공극이 작을수록 차단효과가 커지게 됩니다. 

2. 관성효과

유체 속에 무거운 입자는 관성에 의해 유선을 따라 흐르지 않고 직진하려는 경향이 있습니다. 이때 입자는 여재에 직접적으로 충돌하면서 공극을 통과하지 못하고 처리되게 됩니다. 관성효과의 경우 유속과 입자의 크기가 클수록 효과가 커집니다.

3. 확산효과

0.1um 이하의 작은 입자는 브라운 운동을 하게 됩니다. 임의 확산을 하는 브라운 운동은 충돌의 원동력이 되어 여과효율에 영향을 주게 됩니다. 확산효과는 유속과 입자의 크기가 감소할수록 효과가 커집니다.

 

분리막의 종류

1. 정밀여과(MF)

정밀여과는 운전압력 0.5 ~ 3 Bar에서 운전되며 분리 가능한 입자는 0.1um 이상입니다. 공극의 크기가 다른 분리막에 비해 큰 편에 속합니다. 

2. 한외여과(UF)

정밀여과의 경우 공극이 대칭형 세공구조로 이루어져 있습니다. 하지만 UF의 경우 비대칭형 세공구조를 가지고 있어서 더욱 치밀한 층 구조를 가지게 됩니다. 그렇기 때문에 MF에 비해 더 작은 입자를 분리할 수 있게 됩니다. 운전압력은 1~3 Bar 정도이며 분리되는 물질은 분자량 1,000 ~ 300,000 darton 정도의 고분자 유기물을 제거할 수 있습니다.

3. 나노여과(NF)

UF와 달리 NF의 경우 수백 Dalton 의 분자량을 가진 입자도 처리가 가능합니다. 그만큼 강한 운전 압력이 필요해집니다. 일반적으로 5 ~ 20 bar 정도의 압력으로 여과시킵니다. NF는 저분자 유기물, 맛, 냄새, 칼슘 이온, 마그네슘 이온, 황산이온 등을 처리할 수 있습니다.

MBR공법의 장점

MBR공법은 일반적인 공정을 대체할 수 있습니다. 대표적으로 침전, 여과, 소독 등을 경우에 따라 대체할 수 있습니다.

그럼 MBR의 장점에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 높은 처리 효율

MBR 공법은 깨끗한 처리수를 얻을 수 있습니다. 매우 작은 공극을 통과해야 하기 때문에 유기물, 질소와 인, SS 등의 오염물질을 매우 낮은 농도로 방류시킬 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 높은 처리 효율을 얻을 수 있습니다. 또한 멤브레인이 없는 생물학적 처리장에 비해 처리수의 안정성이 올라갑니다. 유입 부하 변동에 충격을 받을 경우 높은 농도의 처리수가 유출될 수 있는데 후단 공정에 멤브레인이 있을 경우 이러한 처리수, 사고수 유출을 방지할 수 있습니다.

 

2. 좁은 부지에서도 사용 가능

일반적으로 BNR 공법과 같이 많은 부지를 사용해야 하는 공법들도 있지만 MBR의 경우 작은 부지에서도 사용이 가능합니다. 앞서 말씀드린 바와 같이 일반적으로 침전, 농축, 살균 등의 공정을 대체할 수 있기 때문에 용량이 줄어들고 부지를 적게 소요합니다. 또한 MBR 공법은 지하에 설치될 수 있다는 장점도 가집니다. MBR은 다양한 규모의 처리시설에 유연하게 사용할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있습니다.

 

3. 슬러지 발생량이 적다.

MBR 공법은 막을 통해 처리하므로 발생되는 슬러지량이 적습니다. 슬러지 처리 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 

일반 생물학적 처리공법에 비해 유지 MLSS의 농도가 높으므로 공정 내에서 체류하는 슬러지의 양이 많으므로 발생하는 잉여슬러지의 량이 적습니다.

 

MBR 공법의 단점

1. 비용이 많이 들고 관리가 어렵다.

MBR 공법은 초기 설치 비용이 많이 듭니다. 전통적인 하수 처리 공법에 비해 멤브레인 필터링 과정에 필요한 정수막 모듈, 펌프, 배관 등 추가적으로 필요한 장비의 비용이 발생하기 때문입니다. MBR 공법에서 사용되는 멤브레인은 미세 공극을 통해 유입수를 처리하기 때문에 공정 자체의 처리 효율성이 떨어집니다. 멤브레인 관리를 잘하지 못하면 빠른 막 교체를 필요로 할 수 있습니다. 또한 MBR 시스템에 필요한 펌프 및 블로워가 필요해지며 전력비용이 상승하게 됩니다. 주기적으로 필요한 막 세척과 교체에 필요한 비용도 존재합니다.

 

2. 막 오염

막을 오랜시간 사용하다 보면 당연하게도 막에 이물질이 쌓이게 됩니다. 역세척이 필수적으로 들어가긴 하지만 역세척을 한다고 해서 100% 막이 깨끗해지지 않기 때문에 시간이 지나면 막을 교체해줘야 하거나 막을 꺼내서 약품으로 세척을 하는 등의 조치가 필요해집니다. 

 

3. 처리 용량이 제한됩니다.

MBR 공법에서 많은 양의 유입수를 처리하려면 막의 모듈의 크기와 갯수가 많이 필요해집니다. 그러므로 소규모 처리장에 비해 대규모 처리장에 이용할 경우 시설 비용이 크게 증가할 수 있습니다. 

 

단점에 비해 장점의 효과가 강하기 때문에 정말 많은 곳에서 사용되고 있으며 과거에 비해 유지관리 비용 또한 많이 감소하여 사용하는 곳이 점점 증가하고 있습니다. 계속해서 기술이 발전하면 더욱 사용하는 곳이 많아질 것으로 보입니다.