막생물반응기

Membrane bioreactor

막바이오리액터(MBR)는 미세여과 또는 초여과와 같은 막 프로세스와 생물학적 폐수 처리 프로세스인 활성 슬러지 프로세스의 조합입니다.그것은 현재 도시 및 산업 폐수 [1]처리에 널리 사용되고 있다.일반적으로 (1) 수중막 생물반응기(SMBR)와 (2) 측류막 생물반응기의 두 가지 [2]MBR 구성이 있다.첫 번째 구성에서 막은 폐수 속에 잠겨 있는 생물학적 원자로 내부에 위치한다.후자의 구성에서 막은 생물학적 처리 후의 추가 단계로 원자로 외부에 위치한다.

개요

물 부족은 일단 적절하게 처리된 물을 재사용해야 한다는 것을 의미하며, 따라서 환경 보호를 보장한다.폐수 재생에 이용 가능한 처리 기술 중 막을 사용하는 것은 고형물, 염분, 심지어 소독수까지 보유할 수 있어 관개 및 기타 용도로 재사용하기에 적합한 물을 생산하는 것이 눈에 띈다.

막은 특정 물질을 선택적으로 흐르게 하는 물질이다.정수 또는 재생의 경우, 물이 막을 통과하여 다른 쪽에 바람직하지 않은 입자를 유지하는 것이 목적입니다.막의 종류에 따라 오염물질의 보존이 개선될 수 있습니다.다른 종류의 재료를 사용하여 막을 제조할 수 있습니다.그러나 폐수 처리 분야와 몇 가지 운영상의 제약으로 인해 막 구축에 사용할 수 있는 재료의 수는 [3]다른 분야와 다릅니다.폐수 처리를 위한 막에서 요구되는 특성 중 일부는 5년 작동 기간의 화학 및 기계적 저항성, 고산성 또는 기본성, 광범위한 [4]pH에서 작동하기 위한 적응성입니다.

시판되는 막 재료에는 유기 기반 고분자 막과 세라믹 막의 두 가지 유형이 있습니다.고분자 막은 물과 폐수 처리에 가장 일반적으로 사용되는 물질입니다.특히 폴리비닐리덴디플루오르화물(PVDF)은 긴 수명 및 화학적 기계적 저항성으로 [4]인해 가장 인기 있는 물질이다.

고분자 막 재료
팬 폴리아크릴로니트릴
(HD) PE (고밀도) 폴리에틸렌
PES 폴리에틸술폰
PS 폴리술폰
PTFE 폴리테트라플루오로에틸렌
PVDF 폴리불화비닐리딘
세라믹 막 재료
Al2O3

SiC

TiO2

ZrO2

산화알루미늄/알루미나

탄화규소

이산화티타늄/티타니아

이산화 지르코늄

비교:고분자막과 세라믹막의 비교
고분자 세라믹스
기계적 손상이 있을 수 있습니다. 높은 기계적 강도
수백 개의 중공사 묶음 요소당 1개의 "피스"
화학물질에 약하다 뛰어난 내화학성
용량 측면에서 비용 절감 높은 자본 비용
매우 일반적인 제품 조작 경험이 적다
대부분의 상용 제품 응용 프로그램이 적다
MBR 프로세스를 설명하는 간단한 도식

MBR 공정은 가정용 폐수와 함께 사용하면 도시 관개를 위해 매립할 수 있는 바다나 해양, 지표면, 기수체 또는 수로 등으로 배출될 수 있는 양질의 유출물을 발생시킬 수 있습니다.기존 프로세스에 비해 MBR의 다른 이점으로는 작은 설치 공간, 손쉬운 개조, 오래된 폐수 처리 공장 업그레이드 등이 있습니다.

기존 침하분리시스템에 비해 높은 혼합액 부유고형(MLSS) 농도로 MBR 공정을 운전할 수 있어 원자로 부피를 감소시켜 동일한 부하율을 달성할 수 있다.

두 가지 MBR 구성이 존재합니다.막은 생물학적 원자로에 침지되어 일체화되어 있는 내부/잠수형이고,막은 중간 펌핑 단계가 필요한 별도의 단위 프로세스인 외부/측류형입니다.

기존 활성 슬러지 공정(상부)과 외부(하부)막 생물반응기(하부)의 개략도

최근 기술 혁신과 상당한 막 비용 절감으로 MBR은 폐수 [1]처리를 위한 확립된 프로세스 옵션이 되었습니다.그 결과 MBR 프로세스는 산업용 및 도시용 폐수의 처리 및 재사용에 있어 매력적인 선택지가 되었습니다.그 수는 계속 증가하고 용량은 증가하고 있습니다.현재의 MBR 시장은 2006년에 약 2억1600만달러, 2010년에는 [5]3억6300만달러로 증가할 것으로 예측되고 있습니다.

2011년 전 세계 MBR 시장 8억3820만 달러를 기준으로 MBR은 평균 22.4%의 성장률을 보이며 2018년에는 [6]총 시장 규모가 34억4000만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

전 세계 막바이오 리액터 시장은 가까운 장래에 성장할 것으로 예상되는데, 예를 들어 전 세계적으로 물이 부족하기 때문에 폐수 재활용이 반드시 필요하다.이것은 기후변화에 [7]의해 더욱 악화될 것이다.산업폐수 처리에 대한 환경적 우려가 커지고 있는 것과 동시에 개발도상국 전체의 담수자원 감소도 MBR 기술에 대한 수요를 설명한다.인구 증가, 도시화, 산업화는 사업 [8]전망을 더욱 복잡하게 만들 것이다.이러한 변경은 그 구성에 따라서는 천연자원에 대한 요구가 크고 환경에 지속 불가능한 과제가 될 수 있습니다.따라서 멤브레인 바이오리액터(MBR) 기술은 고급 폐수 처리 및 재사용 계획의 핵심 요소로 간주되며 도시 [7]및 산업 부문에 걸쳐 지속 가능한 물 관리로 성장하는데 초점을 맞추고 있습니다.

그러나 높은 초기 투자와 운영 지출은 전 세계 막 생물반응기 시장의 발목을 잡을 수 있다.또, MBR에서의 파울링의 재발등의 기술적인 제약이, 생산의 채용을 방해할 가능성이 있다.생산량을 늘리고 슬러지 형성을 최소화하기 위한 지속적인 R&D 진전은 산업 [6]성장을 촉진할 것으로 예상됩니다.

침수 MBR의 개략

막생물반응기는 혼합액의 액체성분 중 일부를 제거함으로써 활성화된 슬러지 하수처리시스템의 풋프린트를 줄이기 위해 사용할 수 있다.그러면 농축 폐기물이 남아 활성화된 슬러지 프로세스를 사용하여 처리됩니다.

최근의 연구는 폐수 처리를 [9]위한 보다 효율적이고 지속 가능한 막 생물반응기(Nanomaterials Membrane Bireactor - NMS-MBR)의 실현을 위해 나노물질을 사용할 기회를 보여준다.

이력 및 기본 동작 파라미터

MBR 공정은 상업용 UF막과 MF막이 나오자마자 1960년대 후반에 도입되었습니다.원래 공정은 Dorr-Oliver Inc.에 의해 도입되었으며 활성 슬러지 바이오리액터의 사용과 직교막 여과 루프를 결합하였다.이 공정에서 사용된 평판 막은 고분자로 0.003 ~ 0.01 μm 범위의 모공 크기를 특징으로 했습니다.기존 활성 슬러지 공정의 침전 탱크를 교체하는 아이디어는 매력적이었지만, 높은 막 비용, 제품의 경제적 가치(여유)가 낮고 막 오염으로 인한 성능 저하가 발생할 수 있기 때문에 그러한 공정의 사용을 정당화하기 어려웠다.그 결과, 높은 플럭스 달성에 초점을 맞췄기 때문에 오염을 줄이기 위해 상당한 에너지 수요(10kWh/m3 제품)에서 높은 크로스 플로우 속도로 MLSS를 펌핑해야 했습니다.1세대 MBR의 경제성이 좋지 않았기 때문에, 그들은 고립된 트레일러 파크나 스키장과 같이 특별한 필요가 있는 틈새 지역에만 적용되었다.

MBR의 돌파구는 1989년 야마모토와 동료들이 생물반응기의 막을 잠그는 아이디어로 이루어졌다.이때까지 MBR은 원자로 외부에 위치한 분리장치(측류 MBR)로 설계되었으며 여과유지를 위해 높은 막간압(TP)에 의존하였다.막이 생물반응기에 직접 담그는 경우, 특히 가정용 폐수 처리의 경우, 수중 MBR 시스템이 사이드 스트림 구성보다 일반적으로 선호됩니다.수중 구성은 거친 버블 통기에 의존하여 혼합을 생성하고 오염을 제한합니다.수중 시스템의 에너지 요구량은 측류 시스템의 에너지 요구량보다 최대 2배 이상 낮을 수 있으며, 수중 시스템은 더 많은 멤브레인 영역을 요구하는 낮은 플럭스로 작동합니다.수중 구성에서는 통기성이 유압 및 생물학적 프로세스 성능의 주요 매개 변수 중 하나로 간주됩니다.에어레이션은 부유물의 고형물을 유지하고, 막 표면을 훑고, 바이오매스에 산소를 공급하여 생분해성과 세포 합성이 향상됩니다.

최근 MBR 개발의 다른 주요 단계는 적당한 플럭스(1세대 플럭스의 25% 이하)를 수용하고 오염을 제어하기 위해 2상 거품 흐름을 사용하는 아이디어였습니다.수몰 구성에서 얻은 낮은 운영 비용과 멤브레인 비용의 꾸준한 감소는 90년대 중반부터 MBR 플랜트 설치의 기하급수적인 증가로 이어졌습니다.그 이후 MBR 설계 및 운영에 대한 추가 개선이 도입되어 대형 발전소에 통합되었다.기존 MBR은 최대 30g/L의 MLSS를 사용하여 100일 이상 고형 유지 시간(SRT)에서 작동했지만, 최근에는 더 낮은 고형 유지 시간(약 10-20일)을 적용하여 MLSS 수준(10~15g/L)을 관리하는 경향이 있습니다.이러한 새로운 작동 조건 덕분에 MBR의 산소 이동 및 펌핑 비용이 감소하는 경향이 있으며 전반적인 유지보수가 간소화되었습니다.현재 시판되고 있는 MBR 시스템은 다양하며, 일부 외부 모듈을 사용할 수 있지만 대부분은 수중 막을 사용합니다. 이러한 외부 시스템은 파울링 제어를 위해 2상 흐름도 사용합니다.일반적인 유압 유지 시간(HRT)은 3시간에서 10시간 사이입니다.막의 구성 측면에서는 주로 중공사막과 평판막이 MBR [10]용도로 사용된다.

UF막 측류 구성

수중 막의 에너지 사용이 보다 유리함에도 불구하고, 특히 소규모 산업용 애플리케이션에서는 사이드 스트림 구성에 대한 시장이 계속 존재했습니다.유지보수를 용이하게 하기 위해 플랜트 건물의 하부 레벨에 사이드 스트림 구성을 설치할 수 있습니다.특수 리프팅 장비 없이도 멤브레인 교체가 가능합니다.그 결과, 사이드 스트림 구성으로 연구를 계속하였으며, 이 기간 동안 본격적인 발전소는 더 높은 플럭스로 가동될 수 있다는 것을 알게 되었다.이는 작동 매개변수에 대한 보다 정교한 제어와 주기적인 백워시(backwash)를 통합한 저에너지 시스템의 개발로 최근 몇 년 동안 절정에 달했습니다. 이를 통해 0.3kWh3/m의 낮은 제품 사용 시에도 지속 가능한 작동이 가능합니다.

구성

내부/잠수/잠수

강화 침지 중공사막 카세트[11]

침지막바이오레액터(iMBR) 구성에서는 여과요소가 주바이오레액터 용기 또는 다른 탱크 중 하나에 설치된다.모듈은 통기 시스템 위에 위치하며 산소 공급과 막 청소라는 두 가지 기능을 수행합니다.막은 평평한 시트 또는 튜브형 또는 둘의 조합일 수 있으며, 막을 통해 펌핑하여 막 표면의 오염을 줄이는 온라인 역세척 시스템을 통합할 수 있습니다.블루 풋 멤브레인(Blue Foot 멤브레인)에서 개발한 것처럼 IPC 멤브레인(필름)을 사용하여 역세척 시스템을 최적화할 수 있습니다.막이 생물반응기에 대한 별도의 탱크에 있는 시스템에서는 막의 개별 트레인을 분리하여 막의 소크를 포함하는 청소 방법을 수행할 수 있지만, 바이오매스는 MLSS 농도 증가를 제한하기 위해 주 원자로로 연속적으로 펌핑해야 한다.오염을 줄이기 위해 공기 정화 기능을 제공하기 위해 추가 통기성도 필요합니다.주 원자로에 막이 설치된 경우에는 막모듈을 용기에서 분리하여 오프라인 [12]세척탱크로 이송한다.일반적으로 내부/잠수 구성은 대규모 저강도 [13]애플리케이션에 사용됩니다.수몰 MBR계통은 일반적으로 원자로 부피를 최적화하고 슬러지 생성을 최소화하기 위해 12000 mg/L ~ 20000 mg/L의 MLSS 농도로 작동하므로 설계 슬러지 유지시간 선택에 있어 유연성이 우수하다.혼합액 부유 고형물의 지나치게 높은 함량은 통기 시스템을 그렇게 효과적이지 않게 만들 수 있고 막에 의해 처리되는 물의 유용한 플럭스가 감소한다는 것을 고려해야 합니다. 이 최적화 문제의 고전적인 해결책은 혼합액 부유 고형물의 농도를 보장하는 것입니다.10.000 mg/L의 바퀴를 돌리면 산소의 질량 전달이 원활하고 투과 플럭스가 양호합니다.이러한 유형의 솔루션은 일반적으로 내부/잠수 구성이 사용되는 대규모 단위에서 널리 받아들여지는데,[14] 이는 탱크에 필요한 추가 용량에 비해 막의 상대적 비용이 높기 때문입니다.

침지 MBR은 사이드 스트림 멤브레인 생물반응기에 비해 낮은 에너지 소비 수준, 높은 생분해 효율, 낮은 오염률로 인해 선호되어 왔습니다.또한 iMBR 시스템은 더 높은 SSLM 농도를 처리할 수 있습니다.기존 시스템은 2.5~3.5의 MLSS 농도로 동작하지만 iMBR은 300% 증가한 4~12g/L의 농도를 처리할 수 있습니다.이러한 구성은 [15]섬유, 식음료, 석유 및 가스, 광업, 발전, 펄프, 제지 등의 산업 부문에서 채택되고 있습니다.

외부/사이드스트림

sMBR 기술에서는 여과 모듈이 에어로빅 탱크 외부에 있으므로 사이드 스트림 구성이라고 합니다.iMBR 구성과 마찬가지로, 통기 시스템도 유기 화합물을 분해하는 박테리아를 세척하고 산소를 공급하는 데 사용됩니다.바이오매스는 다수의 멤브레인 모듈을 통해 직렬로 펌핑되고 바이오매스는 모듈 뱅크에 펌핑되어 두 번째 펌프가 모듈을 통해 바이오매스를 순환시킵니다.설치된 세척 탱크, 펌프 및 파이프 구조를 사용하여 멤브레인 청소 및 적셔 작업을 현장에서 수행할 수 있습니다.최종 제품의 품질은 미세 여과막과 극 여과막의 여과 능력으로 인해 공정에서 재사용할 수 있습니다.

일반적으로 외부/측면 스트림 구성은 소규모 고강도 애플리케이션에 사용됩니다. 외부/측면 스트림 구성에서 보여지는 주요 장점은 장치의 작동 및 유지보수에 실질적인 이점을 가지고 탱크와 막을 별도로 설계하고 크기를 조정할 수 있다는 것입니다.다른 멤브레인 프로세스와 마찬가지로 막 표면의 전단은 오염을 방지하거나 제한하기 위해 필요하다; 외부/측류 구성은 펌핑 시스템을 사용하여 이러한 전단을 제공하는 반면, 내부/잠수 구성은 생물반응기의 통기를 통해 전단을 제공하며, 전단을 촉진하기 위한 에너지 요구 사항이 있기 때문이다.ar, 이 설정에서는 추가 비용이 표시됩니다.또한 MBR 모듈 파울링은 이 [16]구성에 관여하는 플럭스가 높기 때문에 더욱 일관성이 있습니다.

두 구성 비교

마지막으로 두 구성의 특성과 성능을 비교하기 위해 비교 대상인 몇 가지 포인트를 제시합니다.- iMBR은 세척 빈도가 낮고 에너지 소비량이 낮지만 그렇지 않으면 sMBR은 MLSS(혼합액 부유 고형분)보다 높은 농도를 처리할 수 있습니다.이 때문에 시스템이 보다 콤팩트하기 때문에 유지보수 작업, 모듈 교체 및 청소가 용이합니다.

주요 고려 사항

파울링 및 파울링 제어

MBR 여과 성능은 여과 시간에 따라 불가피하게 감소합니다.이는 활성 슬러지 성분과 막 사이의 상호작용에 기인하는 용해성 및 미립자 물질이 막 위에 및 막 안으로 퇴적되기 때문입니다.이러한 주요 결함과 프로세스 제한은 이전 MBR부터 조사되어 왔으며, MBR의 [17][18]추가 개발에 직면한 가장 어려운 문제 중 하나로 남아 있습니다.

오염은 입자(콜로이드 입자, 용질 고분자)가 물리적, 화학적 상호작용 또는 기계적 작용에 의해 막 표면 또는 모공에 퇴적 또는 흡착되는 과정입니다.이로 인해 막공의 크기나 막힘이 감소합니다.

막 오염은 심각한 플럭스 저하를 일으킬 수 있으며 생성된 물의 수질에 영향을 미칠 수 있습니다.오염이 심할 경우 화학 세정 또는 막 [19]교체가 필요할 수 있습니다.이로 인해 처리 공장의 운영 비용이 증가합니다.멤브레인 오염은 전통적으로 1) 완전한 모공 차단, 2) 표준 차단, 3) 중간 차단 및 4) 케이크 층 형성의 [2]네 가지 메커니즘을 통해 발생하는 것으로 여겨져 왔다.생물(박테리아, 곰팡이), 콜로이드(점토, 플록스), 스케일링(미량 침전물), 유기(오일, 고분자 전해질) 등 다양한 유형의 오염물질이 있습니다.

막오염은 TMP(Transmembrane Pressure)를 일정하게 유지한 상태에서 투과 플럭스를 감소시키거나 일정 플럭스 모드에서 TMP(Transmbrane Pressure)를 증가시킴으로써 인식할 수 있다.그럼에도 불구하고 대부분의 폐수처리장은 일정한 플럭스 모드로 가동되고 있다.따라서 파울링 현상은 일반적으로 시간에 따른 TMP의 변화를 관찰함으로써 인식된다.생체반응기에 대한 멤브레인 적용을 다루는 최근 리뷰에서 다른 멤브레인 분리 프로세스와 마찬가지로 멤브레인 오염이 시스템 성능에 영향을 미치는 가장 심각한 문제인 것으로 나타났다.오염은 유압저항의 현저한 증가로 이어지며,[20] 각각 일정한 TMP 또는 일정한 플럭스 조건에서 공정을 작동시킬 때 투과속 감소 또는 TMP(Transmembrane 압력)가 증가함에 따라 나타납니다.TMP를 증가시켜 플럭스를 유지하는 시스템에서는 여과 달성에 필요한 에너지가 증가합니다.그 대신에, 빈번한 멤브레인 클리닝이 필요하게 되어, 세정제나 생산 다운타임이 원인으로 운용 코스트가 큰폭으로 증가합니다.또한 보다 빈번한 막 치환도 기대된다.

막 오염은 막 재료와 활성 슬러지 액체의 성분 간의 상호작용에서 발생합니다. 활성 슬러지 액체는 수용성 및 콜로이드 화합물과 함께 광범위한 생물 또는 죽은 미생물에 의해 형성되는 생물학적 플럭을 포함합니다.부유 바이오매스는 일정한 조성이 없으며 급수 조성 및 MBR 운전 조건에 따라 상이합니다.따라서 멤브레인 오염에 대한 많은 연구가 발표되었지만, 사용된 다양한 작동 조건과 급수 매트릭스, 사용된 다양한 분석 방법, 그리고 부유 바이오매스 조성에 대한 대부분의 연구에서 보고된 제한된 정보는 다음과 관련된 어떠한 일반 거동을 확립하는 것을 어렵게 만들었습니다.특히 MBR의 막 오염이 있습니다.

파울링에 영향을 미치는 요인(빨간색 상호 작용)

물에 잠긴 MBR에서 얻은 공기 유도 크로스 플로우는 멤브레인 표면의 오염층을 효율적으로 제거하거나 최소한 줄일 수 있습니다.최근 리뷰에서는 수중막 구성에서 통기 적용에 대한 최신 결과를 보고하고 가스 버블링에 [18]의해 제공되는 성능의 향상에 대해 설명합니다.통기량의 추가 증가는 파울링 제거에 영향을 미치지 않는 최적의 공기 유량이 확인되었으므로, 통기량의 선택은 MBR 설계에서 핵심 파라미터입니다.

MBR 어플리케이션에는 다른 많은 오염방지 전략을 적용할 수 있습니다.예를 들어 다음과 같이 구성됩니다.

  • 간헐적 투과 또는 이완.여과가 재개되기 전에 일정한 시간 간격으로 정지됩니다.막 표면에 퇴적된 입자는 원자로로 다시 확산되는 경향이 있으며, 이 현상은 이 휴식 기간 동안 지속적인 통기 작용에 의해 증가한다.
  • 침투한 물이 막으로 역류하여 모공을 통해 공급 채널로 흘러들어 내부 및 외부 오염 물질을 제거합니다.
  • 공기 역세척: 막 투과측에서 가압된 공기가 축적되어 매우 짧은 시간 내에 상당한 압력을 방출합니다.따라서 멤브레인 모듈은 환기 시스템에 연결된 가압 용기 안에 있어야 합니다.공기는 보통 막을 통과하지 않는다.그렇게 되면 공기가 막을 건조시키고 막의 공급측을 가압하여 다시 습윤시킬 필요가 있습니다.
  • Nalco의 멤브레인 퍼포먼스 강화 테크놀로지 [21]등 독자적인 오염 방지 제품.

또한 다음과 같은 다양한 유형의 화학 세척이 권장될 수 있습니다.

  • 화학적으로 강화된 역세척(매일)
  • 높은 화학 농도의 유지관리 청소(주간)
  • 집중적인 화학 세척(연 1~2회)

또한 TMP(Trans-membrane pressure)가 상승하여 더 이상의 여과가 지속될 수 없는 경우에도 집중적인 세척이 수행됩니다.MBR의 주요 공급업체 4곳(Kubota, Evoka, Mitsubishi 및 GE Water)은 각각 자체 화학 세척 방법을 가지고 있으며, 주로 농도 및 방법 면에서 다릅니다(표 1 참조).정상적인 조건에서는 일반적인 세정제는 NaOCl(차아염소산나트륨)과 구연산을 유지합니다.MBR 공급업체는 개별 [10]시설에 대한 화학 정화(즉, 화학 농도 및 세척 빈도)에 대한 특정 프로토콜을 적용하는 것이 일반적이다.

4개 MBR 공급업체에 대한 집중적인 화학 세척 프로토콜(화학 세척을 위한 정확한 프로토콜은 공장마다 다를 수 있음)

생물학적 퍼포먼스/동태

COD 제거 및 슬러지 수율

단순히 MBR에 미생물이 많기 때문에 오염물질의 흡수율을 높일 수 있다.이로 인해 특정 시간 범위 내에서 열화가 개선되거나 필요한 원자로 부피가 작아집니다.일반적으로 95%를 달성하는 기존의 활성 슬러지 공정(ASP)에 비해 MBR에서 COD 제거율을 96~99%까지 높일 수 있습니다(표 [22]참조).COD 및 BOD5 제거는 MLSS 농도에 따라 증가하는 것으로 확인되었습니다.15 g/L 이상의 COD 제거는 96%[23] 이상의 바이오매스 농도와 거의 무관해진다.단, 비뉴턴 유체 점도가 높아 산소 전달이 방해되기 때문에 임의의 높은 MLSS 농도는 사용되지 않습니다.또, 기판에의 액세스가 용이하기 때문에, 키네틱스도 다를 수 있습니다.ASP에서는 플록의 크기가 100μm에 달할 수 있습니다.즉, 기판은 확산에 의해서만 활성 부위에 도달할 수 있으며, 이는 추가적인 저항을 유발하고 전체 반응 속도를 제한한다(확산 제어됨).MBR의 유체역학적 응력은 floc 크기(side stream MBR의 경우 3.5μm까지)를 감소시켜 외관반응률을 증가시킨다.기존 ASP와 마찬가지로 SRT 또는 바이오매스 농도가 높을 때 슬러지 수율이 감소한다.슬러지는 0.01kgCOD/(kgMLSS d)[24]의 슬러지 부하 속도로 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.부과된 바이오매스 농도 한계 때문에 이러한 낮은 부하율은 기존의 ASP에서 엄청난 탱크 크기 또는 긴 HRT를 초래할 수 있습니다.

영양소 제거

영양소 제거는 특히 부영양화에 민감한 지역에서 현대 폐수 처리의 주요 관심사 중 하나이다.질소(N)는 여러 가지 이유로 제거되어야 하는 폐수에 존재하는 오염물질이다. 질소(N)는 지표수의 용존산소를 감소시키고, 수생 생태계에 독성이 있으며, 공중 보건에 위험을 초래하며, 인(P)과 함께 조류와 같은 광합성 유기체의 과도한 성장에 책임이 있다.이 모든 요소들이 폐수 처리에 초점을 맞춥니다.폐수에는 여러 가지 형태로 질소가 존재할 수 있습니다.기존 ASP와 마찬가지로 현재 도시 폐수로부터의 N-제거에 가장 널리 사용되는 기술은 질화 및 세균 질화 및 통성 생물의 관여에 의해 이루어지는 탈질화이다.인의 침전 외에 추가적인 혐기성 공정 단계를 필요로 하는 강화된 생물학적 인 제거(EBPR)를 실시할 수 있다.MBR 기술의 일부 특성은 EBPR을 탈질 후와 결합하여 매우 낮은 영양소 유출 [23]농도를 달성하는 매력적인 대안으로 만듭니다.이를 위해 MBR은 고형물의 유지에 유익하며, 고형물의 생육이 더딘 미생물, 특히 질화 미생물의 발달을 지원하여 N(질화) 제거에 특히 효과적입니다.

도시 폐수 처리를[22] 위한 MBR의 영양소 제거

혐기성 MBR

혐기성 MBR(일명 AnMBR)은 1980년대에 남아프리카에 도입되어 현재 연구의 부흥을 경험하고 있다.그러나 혐기성 프로세스는 일반적으로 에너지 회수가 가능하지만 고급 치료(저탄소 제거, 영양소 제거 없음)를 달성하지 못하는 저비용 치료가 필요할 때 사용됩니다.이와는 대조적으로 막 기반 기술은 고도의 치료(소독)를 가능하게 하지만 높은 에너지 비용이 듭니다.따라서 에너지 회수를 위한 콤팩트한 공정을 원하거나 혐기성 처리 후 소독이 필요한 경우(영양소와 함께 물을 재사용하는 경우)에만 이 두 가지 조합이 경제적으로 실현될 수 있다.최대 에너지 회수가 필요한 경우 단일 혐기성 프로세스가 막 프로세스와의 조합보다 항상 우수합니다.

최근 혐기성 MBR은 일부 유형의 산업용 폐수(일반적으로 고강도 폐기물) 처리에 성공적으로 적용되고 있습니다.예를 들어[25] 일본의 알코올 스틸레이지 폐수 처리와 미국의 샐러드 드레싱/[26]바베큐 소스 폐수 처리가 있습니다.

혼합 및 유체역학

다른 원자로와 마찬가지로 MBR 내의 유체역학(또는 혼합)은 MBR 내의 오염물질 제거 및 오염 제어를 결정하는 데 중요한 역할을 한다.MBR의 에너지 사용량 및 크기 요건에 상당한 영향을 미치기 때문에 MBR의 전체 수명 비용이 높습니다.

오염물질 제거는 유체 요소가 MBR에서 보내는 시간(즉, 거주 시간 분포 또는 RTD)에 의해 크게 영향을 받는다.상주 시간 분포는 시스템의 유체 역학/혼합에 대한 설명이며 MBR 설계에 따라 결정됩니다(예: MBR 크기, 흡기/재순환 유량, 벽/배플/혼합기/에이터 위치 설정, 에너지 입력 혼합).혼합효과의 예로는 연속교반탱크 원자로는 단위부피당 오염물질 변환이 플러그플로 원자로만큼 높지 않다.

앞서 언급한 바와 같이 파울링 제어는 주로 거친 기포 통기를 사용하여 수행됩니다.막 주위의 기포 분포, 케이크 제거를 위한 막 표면의 전단 및 기포의 크기는 시스템의 혼합/유체 역학에 의해 크게 영향을 받습니다.시스템 내 혼합물은 가능한 파울런트 생성에도 영향을 미칠 수 있습니다.예를 들어, 완전히 혼합되지 않은 용기(즉, 플러그 플로우 원자로)는 세포 용해 및 가용성 미생물 제품의 방출을 야기할 수 있는 충격 하중의 영향을 받기 쉽다.

풀스케일 MBR에 대한 CFD(Computational Fluid Dynamic) 모델링 결과(스트림라인)의 예(프로젝트 AMEDEUS – Australian Node Newsletter 2007년[27] 8월 참조).

많은 요인들이 폐수 과정과 MBR의 유체역학에 영향을 미칩니다.여기에는 물리적 특성(예: 혼합 레올로지 및 가스/액체/고체 밀도 등)부터 유체 경계 조건(예: 흡입구/출구/재생 유량, 배플/믹서 위치 등)까지 다양합니다.그러나 MBR에 고유한 많은 요인이 있으며, 여기에는 여과조 설계(예: 막 유형, 막 패킹 밀도, 막 방향 등)와 그 작동(예: 막 완화, 막 역류 등)이 포함됩니다.

MBR에 적용되는 혼합 모델링 및 설계 기법은 기존의 활성 슬러지 시스템에 사용되는 것과 매우 유사합니다.여기에는 프로세스(예: MBR) 또는 프로세스 단위(예: 막 여과 용기)의 RTD만 도출하고 각 서브 유닛의 혼합 특성에 대한 광범위한 가정에 의존하는 비교적 빠르고 쉬운 구획 모델링 기법이 포함된다.반면에, 계산 유체 역학 모델링(CFD)은 혼합 특성에 대한 광범위한 가정에 의존하지 않으며, 기초 수준에서 유체 역학을 예측하려고 시도한다.이는 모든 유체 흐름 척도에 적용 가능하며 RTD에서 막 표면의 전단 프로필까지 공정의 혼합에 대한 많은 정보를 나타낼 수 있습니다.MBR CFD 모델링 결과의 시각화가 이미지에 표시됩니다.

MBR 유체역학 연구는 막 표면에서의 전단 응력 검사부터 전체 MBR의 RTD 분석까지 다양한 척도로 이루어졌다.쿠이 등(2003)[18]는 관상막을 통한 테일러[28][29][30][31] 버블의 움직임을 조사했다.Khosravi, M.(2007)[32]은 CFD 및 속도 측정을 사용하여 전체 막 여과 용기를 조사했으며, Brannock 등은 조사했다.(2007)[33]는 추적자 연구 실험과 RTD 분석을 사용하여 전체 MBR 시스템을 조사했다.

시장 프레임워크

지역별 통찰력

MBR 시장은 최종 사용자(시, 산업, 유럽, 중동 및 아프리카(EMEA), 아시아 태평양(APAC) 및 아메리카 [34]대륙으로 구성된 지역 포함)에 따라 세분화됩니다.

이 분야에서는 2016년 APAC 지역이 41.90%의 점유율을 기록하며 시장점유율에서 선두를 차지했다는 연구 및 보고서도 있다.한편, EMEA의 시장 점유율은 약 31.34%로, 최종적으로 아메리카 대륙이 [34]26.67%를 차지하고 있습니다.

APAC는 가장 큰 막 생물반응기 시장을 가지고 있다.인도, 중국, 인도네시아, 필리핀과 같은 개발도상국들이 성장에 크게 기여하고 있다.APAC는 세계에서 가장 재해가 발생하기 쉬운 지역 중 하나입니다.2013년, 이 지역에서 수천 명의 사람들이 물과 관련된 재해로 사망했는데, 이는 전 세계적으로 물과 관련된 사망자의 9/10을 차지한다.또, 미국, 캐나다, 유럽등의 다른 나라에 비해, 지역의 공공 급수 시스템은 그다지 발달되어 있지 않다.[34]

EMEA의 막 생물반응기 시장은 안정적인 성장을 보였다.사우디아라비아, UAE, 쿠웨이트, 알제리, 터키, 스페인과 같은 나라들이 그 성장률에 크게 기여하고 있다.깨끗하고 신선한 물의 부족은 효율적인 수처리 기술에 대한 수요 증가의 핵심 요인입니다.이런 점에서 수처리 및 안전한 식수에 대한 인식이 높아진 것도 성장을 [34]견인하고 있다.

궁극적으로, 아메리카 대륙은 미국, 캐나다, 안티구아, 아르헨티나, 브라질, 칠레와 같은 국가들로부터의 주요 수요를 목격하고 있습니다.MBR 시장은 폐수의 안전한 방류를 위한 엄격한 규제 집행으로 인해 성장해왔다.이 새로운 기술을 사용한다는 주장은 주로 제약, 식음료, 자동차,[34] 화학 산업에서 나온다.

멤브레인 바이오리액터에 대한 요약

다음 요점은 막 생물반응인자를 다루는 데 관련된 특징과 개선 사항을 요약한 것입니다.

  • 기기 비용 절감
  • 공간 요건 감소
  • 소독 개선 및 정제수 향상
  • 배출물에서 BOD, COD, 미생물, 영양소 95~99% 제거
  • 수명 10년 이상

「 」를 참조해 주세요.

Wikimedia Commons에는 멤브레인 바이오액터 관련 미디어가 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ a b S. Judd, MBR 책 (2006) 옥스포드 엘세비어, 물과 폐수 처리에서의 막 생물반응기의 원리와 응용 ISBN1856174816
  2. ^ a b Goswami, Lalit; Vinoth Kumar, R.; Borah, Siddhartha Narayan; Arul Manikandan, N.; Pakshirajan, Kannan; Pugazhenthi, G. (2018-12-01). "Membrane bioreactor and integrated membrane bioreactor systems for micropollutant removal from wastewater: A review". Journal of Water Process Engineering. 26: 314–328. doi:10.1016/j.jwpe.2018.10.024. ISSN 2214-7144.
  3. ^ Al-Asheh, Sameer; Bagheri, Marzieh; Aidan, Ahmed (2021-12-01). "Membrane bioreactor for wastewater treatment: A review". Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 4: 100109. doi:10.1016/j.cscee.2021.100109. ISSN 2666-0164.
  4. ^ a b Zhen, Guangyin; Pan, Yang; Lu, Xueqin; Li, Yu-You; Zhang, Zhongyi; Niu, Chengxin; Kumar, Gopalakrishnan; Kobayashi, Takuro; Zhao, Youcai; Xu, Kaiqin (2019-11-01). "Anaerobic membrane bioreactor towards biowaste biorefinery and chemical energy harvest: Recent progress, membrane fouling and future perspectives". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 115: 109392. doi:10.1016/j.rser.2019.109392. ISSN 1364-0321.
  5. ^ S. Atkinson (2006). "Research studies predict strong growth for MBR markets". Membrane Technology. 2006 (2): 8–10. doi:10.1016/S0958-2118(06)70635-8.
  6. ^ a b "WaterWorld. (2012). Membrane multiplier: MBR set for global growth e water world". WaterWorld.
  7. ^ a b "Membrane bioreactors for water treatment". Advances in Membrane Technologies for Water Treatment. 2: 155–184.
  8. ^ Koop, S. H., & van Leeuwen, C. J. (2017). "The challenges of water, waste and climate change in cities". Environment, Development and Sustainability. 19 (2): 385–418. doi:10.1007/s10668-016-9760-4. S2CID 148564435.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  9. ^ Pervez, Md Nahid; Balakrishnan, Malini; Hasan, Shadi Wajih; Choo, Kwang-Ho; Zhao, Yaping; Cai, Yingjie; Zarra, Tiziano; Belgiorno, Vincenzo; Naddeo, Vincenzo (2020-11-05). "A critical review on nanomaterials membrane bioreactor (NMs-MBR) for wastewater treatment". NPJ Clean Water. 3 (1): 1–21. doi:10.1038/s41545-020-00090-2. ISSN 2059-7037. S2CID 226248577.
  10. ^ a b P. Le-Clech; V. Chen; A.G. Fane (2006). "Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment". Journal of Membrane Science. 284 (1–2): 17–53. doi:10.1016/j.memsci.2006.08.019.
  11. ^ MBR-The reliable solution for difficult to treat Wastewaters (PDF). OWEA NE Industrial Waste Seminar. 20 February 2014.
  12. ^ Wang, Z.; Wu, Z.; Yin, X.; Tian, L. (2008). "Membrane fouling in a submerged membrane bioreactor (MBR) under sub-critical flux operation: Membrane foulant and gel layer characterization". Journal of Membrane Science. 325 (1): 238–244. doi:10.1016/j.memsci.2008.07.035.
  13. ^ "Introduction", Catalytic Membranes and Membrane Reactors, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, pp. 1–14, 2002, doi:10.1002/3527601988.ch1, ISBN 3-527-30277-8
  14. ^ Hai, F.I.; Yamamoto, K. (2011), "Membrane Biological Reactors", Treatise on Water Science, Elsevier, pp. 571–613, doi:10.1016/b978-0-444-53199-5.00096-8, ISBN 978-0-444-53199-5
  15. ^ "2018 oleochemicals market size, share & trends analysis report". Focus on Surfactants. 2019 (1): 2. January 2019. doi:10.1016/j.fos.2019.01.003. ISSN 1351-4210.
  16. ^ Hrubec, Jiri, ed. (1995). "Water Pollution". The Handbook of Environmental Chemistry. 5 / 5B. doi:10.1007/978-3-540-48468-4. ISBN 978-3-662-14504-3. ISSN 1867-979X.
  17. ^ Membrane Bieractors 2008-03-08 Wayback Machine에 보관.membrane.unsw.eduau
  18. ^ a b c Z.F. Cui; S. Chang; A.G. Fane (2003). "The use of gas bubbling to enhance membrane processes". Journal of Membrane Science. 221 (1–2): 1–35. doi:10.1016/S0376-7388(03)00246-1.
  19. ^ Liu, Lingling; Luo, Xu-Biao; Ding, Lin; Luo, Sheng-Lian (2019-01-01), Luo, Xubiao; Deng, Fang (eds.), "4 - Application of Nanotechnology in the Removal of Heavy Metal From Water", Nanomaterials for the Removal of Pollutants and Resource Reutilization, Micro and Nano Technologies, Elsevier, pp. 83–147, doi:10.1016/b978-0-12-814837-2.00004-4, ISBN 978-0-12-814837-2, retrieved 2022-06-02
  20. ^ Meng, Fangang; Yang, Fenglin; Shi, Baoqiang; Zhang, Hanmin (February 2008). "A comprehensive study on membrane fouling in submerged membrane bioreactors operated under different aeration intensities". Separation and Purification Technology. 59 (1): 91–100. doi:10.1016/j.seppur.2007.05.040.
  21. ^ Nalco. http://www.nalco.com/ASP/applications/membrane_tech/products/mpe.asp. 2008년 6월 7일 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  22. ^ a b M. Kraume; U. Bracklow; M. Vocks; A. Drews (2005). "Nutrients removal in MBRs for municipal wastewater treatment". Water Science and Technology. 51 (6–7): 391–402. doi:10.2166/wst.2005.0661. PMID 16004001.
  23. ^ a b A. Drews; H. Evenblij; S. Rosenberger (2005). "Potential and drawbacks of microbiology-membrane interaction in membrane bioreactors". Environmental Progress. 24 (4): 426–433. doi:10.1002/ep.10113.
  24. ^ T. Stephenson, S. Judd, B. Jefferson, K. Brindle, 폐수 처리용 막 생물반응기, IWA 퍼블리싱(2000) ISBN 190022078
  25. ^ Grant, Shannon; Page, Ian; Moro, Masashi; Yamamoto, Tetsuya (2008). "Full-Scale Applications of the Anaerobic Membrane Bioreactor Process for Treatment of Stillage from Alcohol Production in Japan". Proceedings of the Water Environment Federation. WEFTEC 2008: Session 101 through Session 115. 2008 (7): 7556–7570. doi:10.2175/193864708790894179.
  26. ^ Christian, Scott; Shannon Grant; Peter McCarthy; Dwain Wilson; Dale Mills (2011). "The First Two Years of Full-Scale Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR) Operation Treating High-Strength Industrial Wastewater". Water Practice & Technology. 6 (2). doi:10.2166/wpt.2011.032.
  27. ^ MBR-Network 2008-04-25를 Wayback Machine에서 아카이브.mbr-network.eu
  28. ^ Mao, Zai-Sha; Dukler, A. E (1990-11-01). "The motion of Taylor bubbles in vertical tubes. I. A numerical simulation for the shape and rise velocity of Taylor bubbles in stagnant and flowing liquid". Journal of Computational Physics. 91 (1): 132–160. doi:10.1016/0021-9991(90)90008-O. ISSN 0021-9991.
  29. ^ Salman, Wael; Gavriilidis, Asterios; Angeli, Panagiota (2006-10-01). "On the formation of Taylor bubbles in small tubes". Chemical Engineering Science. 61 (20): 6653–6666. doi:10.1016/j.ces.2006.05.036. ISSN 0009-2509.
  30. ^ Zhou, Guangzhao; Prosperetti, Andrea (August 2021). "Faster Taylor bubbles". Journal of Fluid Mechanics. 920. doi:10.1017/jfm.2021.432. ISSN 0022-1120.
  31. ^ Fabre, Jean; Figueroa-Espinoza, Bernardo (September 2014). "Taylor bubble rising in a vertical pipe against laminar or turbulent downward flow: symmetric to asymmetric shape transition". Journal of Fluid Mechanics. 755: 485–502. doi:10.1017/jfm.2014.429. ISSN 0022-1120.
  32. ^ Khosravi, M. and Kraume, M. (2007) 영국 IWA Harrogate 막 생물반응기 순환속도 예측
  33. ^ Brannock, M.W.D., Kuechle, B., Wang, Y. 및 Leslie, G. (2007) 거주 시간 분포 분석을 통한 막 생물반응기 성능 평가: 독일 IWA 베를린의 본격적인 MBR에서 막 구성의 영향
  34. ^ a b c d e "Membrane Bioreactors Market - Segments and Forecast by Technavio". www.businesswire.com. 2017-09-07. Retrieved 2020-05-27.