슬림평막모듈·여과스크린 이용 MBR 공정 안정성 확보
2012년 법정방류수질기준 만족하는 국내최초 MBR 공법

5월15일‘환경신기술인증기업’현판수여
LG전자㈜(사장 이영하)가‘G-MBR 하수처리공법(신기술인증 제322호, 기술검증 제145호)’으로 지난 5월15일 환경부·한국환경산업기술원이 수여하는‘환경신기술 인증기업’현판을 받았다.

환경부(장관 유영숙)와 한국환경산업기술원(원장 윤승준)은 지난 5월15∼16일 전라남도 여수 디오션 리조트에서 환경기술 확산을 위한‘민·관 합동 환경기술워크숍’을 개최하고 올해 환경신기술인·검증(NET)과 녹색인증을 받은 기업을 대상으로 인증기업 현판 수여식을 가졌다.

 

▲ LG전자㈜가‘G-MBR 하수처리공법’으로 지난 5월15일 환경부·한국환경산업기술원이 수여하는‘환경신기술 인증기업’현판을 받았다. 이찬희 환경부 녹색환경정책관(오른쪽 세번째)과 장재구 한국환경산업기술원 환경인증본부장(오른쪽 첫번째).

고플럭스 친수성 슬림평막 침지된 생물반응공정

▲ LG전자㈜는 G-MBR 하수처리공법으로 신기술인증 제322호, 기술검증 제145호를 획득했다.

신기술인증 제322호, 기술검증 제145호를 획득한 LG전자㈜의 G-MBR(Green Membrane Bio-reactor) 하수처리공법은 고플럭스 슬림평막모듈 및 내부여과스크린을 이용해 MBR 공정의 안정성을 확보하고, 혼합, 교반, 응집, 여과가 동시에 일어나는 일체형 탈인장치를 이용해 잔류 인을 제거하는 기술이다.

이 기술은 고플럭스 친수성 슬림평막이 침지된 생물반응공정으로서 완충조, 무산소조, 혐기조, 호기조를 통해 생물학적인 질산화/탈질화, 인방출/인과잉 섭취를 유도, 유기물과 질소·인을 제거하고, 분리막조에서 이온성 물질 및 콜로이드성 물질을 제외한 오염물질과 활성미생물을 고액분리 한다.

완충조에서 무산소조로 내부반송 시, 내부여과스크린(G-Screen)을 통과시켜 생물반응공정 내 분리막 폐색의 주요 원인이 되는 이물질(debris)의 농축을 방지했으며 후처리공정으로는 혼합, 교반, 응집, 여과가 동시에 일어나는 일체형 탈인공정을 사용해 잔류 인을 제거·처리한다. 이러한 일련의 과정을 통해 하수 내 유기물과 부유물질(SS), 질소, 인을 동시에 제거할 수 있으며 안정되고 탁월한 처리수질을 확보할 수 있다.

 

▲ [그림 1] G-MBR 공정도

무산소-혐기-호기, 질소·인 등 제거
G-MBR 공정은 무산소조-혐기조-호기조-분리막조-완충조로 구성되어 있으며, 완충조를 통해 무산소조로 내부순환하여 탈질화 능력을 향상시켰다. 무산소조에서는 고농도인 유기물의 농도를 낮추고 분리막조로부터의 반송슬러지 내 포함되어 있는 질산성 질소를 유입유기물을 이용해 탈질시켜 제거한다. 또한 후속 반응조인 혐기조에 질산성 질소 유입을 최소화해 혐기조건을 최적화했다.

혐기조에서는 인 축적 미생물이 쉽게 분해되는 유기물을 이용해 성장하면서 미생물 내 포함되어 있는 인을 방출하고, 후단 호기조에서 인 축적 미생물 내부로 수중의 인이 과잉 섭취되게 했다.

호기조에서는 종속영양 미생물이 산소를 이용해 유기물을 산화시킨다. 동시에 암모니아성 질소가 질산성 질소로 전환되는 질산화가 일어나며 인 축적 미생물은 혐기조에서 체내에 축적된 BOD를 이용해 인을 과잉 섭취한다.

▲ [표 1] 분리막 제원

분리막조에는 균일한 0.1㎛ 공경의 고플럭스 친수성 슬림형 정밀여과 평막 모듈을 침지해, 이온성 물질 및 콜로이드성 물질을 제외한 오염물질과 활성미생물을 고액분리한다.

MBR은 미생물과 처리수가 막을 통해 물리적으로 분리되므로 일반 활성슬러지의 침전조에서 빈번히 발생하는 슬러지 벌킹과 핀플럭(pin-floc)에 의한 슬러지 유실 현상을 방지하고 특히 분리막조 내에서는 미생물 농도를 평균 1만㎎/L 이상의 고농도로 유지할 수 있어 충격부하에 강하며 처리수질이 매우 안정적이다. 또한 미생물 성장계수가 낮은 질산화세균과 같은 독립영양세균의 경우 고농도로 유지할 수 있으므로 질산화 공정에 매우 효율적이다.

고농의 미생물이 유지되면 처리수의 수질이 매우 양호해지며, SRT가 길어져서 슬러지 자산화가 유도되어 슬러지 발생량이 줄어들게 된다. 그리고 분리막조의 구조 크기가 줄어들어 부지와 토목물의 비용이 감소되는 장점이 있다. 그러나 일반적으로 고농도 환경에서의 분리막은 유량감소와 막간차압(TMP)이 증가해 운영과 유지비용이 증가하게 된다.

그래서 고농도 환경에서도 막오염에 강하며, 처리유량이 높고, 막집적도를 높일 수 있는 제품이 필요하다. LG전자㈜는 이를 위해 분리막의 장점을 유지하면서, 단점을 보완하는 침지형 슬림평막을 개발·제조해 본 공법에 적용했다. 

LG전자㈜ 개발·제조한 정밀여과 평막 적용
LG전자㈜의 슬림평막은 공칭공경이 0.1㎛이고, 친수성이 우수한 폴리에테르설폰(PES, Poly Ether Sulfone)재질의 정밀여과막(Microfiltration)이다.

유로의 저항을 저감하기 위해 교차식 사선격자구조(Grilled Diagonal Type)의 형태를 가지고 있으며 막간 거리 최적화 및 산기관효율 극대화가 가능하다. 적용된 분리막의 막 면적은 장당 0.9㎡이며, 100장의 분리막으로 구성된 프레임 2개가 설치되어 있어, 막분리에 사용된 총 막 면적은 180㎡이다.

 

G-Screen, 막 세정주기·수명 연장 

▲ [표 2] G-Screen의 구성 및 기능

MBR 공정의 운영 중, 분리막에 영향을 주는 3가지는 첫째, Cake 형성, 둘째 Bio film 형성, 셋째 Pore Blocking이다. 이로 인해 분리막은 유량감소, 차압상승, 처리탁도 증가, 심각하게는 막손상으로 인해 슬러지 유출도 발생할 수 있다. 미생물에 의해 분해되지 않은 이물질은 운영기간이 길어질수록 반응조 내에 농축되어 분리막 사이에 부착돼 cake를 형성하고 궁극적으로는 분리막의 세정주기를 단축시키며 그에 따라 분리막의 수명을 단축시키는 주요 원인이 되어 왔다.

또한 금속성 이물질, 플라스틱, 나뭇가지 등 분리막에 물리적 손상을 일으키는 물질이 생물반응조 내에 유입될 경우 배출되지 않고 지속적으로 분리막을 손상시킨다. 따라서 내부반송라인에 설치된 G-Screen 장치로 주기적인 스크리닝을 통해 이물질(debris)의 계내 농축을 예방하고 분리막 손상물질의 계외 배출을 통해 막의 세정주기 및 수명을 연장이 가능하다.(관련 특허출원 번호 : 10-09692220)

 

▲ [그림 2] G-Screen 상세 구성도

일체형 탈인공정으로 인 방류기준 만족

▲ [그림 3] G-Filter의 구성

생물학적 처리공정에서 처리된 인의 농도는 약 1∼2㎎/L 정도이며, 2012년 수질기준 강화에 따른 방류수 수질기준 이하로 인을 처리하기 위해서는 별도의 총인처리공정이 필요하다. 그러나 기존의 처리공정은 응집조, 교반조, 침전조, 여과조, 여과기 등의 구성으로 시설이 복잡하고 부지가 많이 소요된다.

G-MBR 하수처리공법의 일체형 탈인공정(G-Filter)은 기존의 응집조와 침전조를 설치하지 않고, 분리막 처리수에 in-line상으로 약품을 투입하고 Line mixer를 통해 혼합시킨 다음 여과기 상부에서 응집반응을 한 후, 바로 여과에 의해 응집된 인을 분리함으로써 짧은 시간에 높은 처리효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.

이처럼 기존 공정의 혼합, 교반, 응집, 침전, 여과수조, 여과펌프, 여과필터 등의 장비를 일체형 공정으로 대체함으로써 시설투자비 절감, 유지관리 용이, 소요부지 및 운영비 절감 등의 효과를 가져올 수 있다.

 

▲ [표 3] 기존 탈인공정과 G-Filter 비교

 

2012년 방류수질기준 만족하는 국내최초 MBR 공법
G-MBR 공법은 친환경공정으로 제조된 고플럭스 친수성 슬림평막을 이용한 고액분리로 안정적인 처리가 가능하고, 더불어 국내 최초로 2012년 강화된 방류수질기준을 만족해 신기술인증 및 기술검증을 받은 공법이다. 내부여과스크린을 도입해 생물반응조 내의 분해되지 않고 농축되는 이물질을 제거하고 분리막의 폐색을 방지하는 것이 강점이다. 특히, 최초로 혼합, 교반, 응집, 여과가 동시에 일어나는 일체형 탈인공정을 통해 복잡 다단형 반응조 없이 잔류 인을 제거할 수 있다.

고플럭스 친수성 슬림평막을 이용해 약품세정 없이 0.4∼0.7㎥/㎡·일의 플럭스에서 6개월 이상 고액분리로 안정적인 처리수를 확보했으며 분리막 공경의 균일도를 향상시킴으로써 안정적 처리수질을 확보했다. 무엇보다 내부여과스크린을 적용해 생물반응조 내 이물질의 농축을 방지할 수 있으며 일체형 탈인공정을 적용해 역세효율을 향상시켰다.

현장적용성도 뛰어나다. 기존제품 대비 우수한 플럭스의 구현을 통해 집적도를 높여 모듈의 수량을 감소시켜 프레임의 규격 및 수량을 줄였다. 또한, 산기관의 개선과 슬림모듈을 적용해 막 세정을 위한 톤당 투입 공기량을 절감했으며 혼합, 교반, 응집, 여과가 동시에 일어나는 공정의 단순화를 통해 설치비를 줄였다.

Membrane의 제조공정상 인체에 유해한 독성물질인 유기용제를 사용하지 않는 친환경 제조기술이 도입된 것도 특징이다. 특히, 막 모듈의 측면삽입방식을 채택해 세정이나 교체 시 편리성을 확보했으며 탈인공정의 단순화를 통해 유지관리 편의성을 증가시켰다.

 

▲ 남양주 진건하수처리장 시설 내외부 전경.

진건하수처리장 pilot plant 설치·운영
슬림평막모듈과 일체형 탈인장치 및 내부반송 여과에 의한 하수고도처리 기술의 환경신기술인증을 획득하기 위해 LG전자㈜는 지난 2009년 12월부터 2012년 2월까지 남양주 진건하수처리장 내에 100㎥/일 규모의 pilot plant를 설치·운영했다. 신기술인증을 획득한 후, 신기술검증을 위해 지난해 7∼12월까지 6개월간 총 30회에 걸쳐 평가를 실시했다.

지난해 7월25일부터 12월23일까지의 평가기간 중 유입유량은 평균 102.6(91.1∼106.9)㎥/일의 범위로 유입됐으며, MBR 처리수량 및 탈인 여과장치 처리수량은 각각 평균 103.9(94.7∼109.8)㎥/일, 평균 102.7(96.4∼106.0)㎥/일로 확인됐다.

▲ [표 4] 강화된 방류수 수질기준과 평가대상시설 처리수질 비교

▲ [그림 4] 평가기간 중 처리량의 변화

 

SS 제거효율 평균 99.8%로 우수
유입수의 BOD₅ 농도는 평균 139.6(9.2∼447.0)㎎/L, MBR 및 탈인여과장치 공정으로 처리 후 최종처리수의 농도는 평균 1.3(0.3∼6.7)㎎/L로 조사됐으며, BOD₅ 제거효율은 평균 97.2(68.5∼99.8)%로 확인됐다.

유입수의 COD_Mn 농도는 평균 67.1(12.6∼161.0)㎎/L, MBR 및 탈인여과장치 공정으로 처리 후 최종처리수의 농도는 평균 3.5(2.0∼6.2)㎎/L로 조사됐으며, COD_Mn 제거효율은 평균 90.7(50.8∼97.5)%로 확인됐다.

유입수의 SS 농도는 평균 124.2(16.8∼378.0)㎎/L, MBR 및 탈인여과장치 공정으로 처리 후 최종처리수의 농도는 평균 0.1(0.0∼1.8)㎎/L로 조사됐으며, SS 제거효율은 평균 99.8(98.2∼100.0)%로 확인됐다. 이로써 평가기간 중 BOD_5, COD_Mn, SS 제거성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.

 

	▲ [그림 5] BOD5 제거효율 변화

	▲ [그림 6] CODMn 제거효율 변화

▲ [그림 7] SS 제거효율 변화

T-P 제거효율 98.2%로 대폭 개선

▲ [표 5] 대장균군 제거효율

유입수의 T-N 농도는 평균 20.23(7.05∼28.70)㎎/L, MBR 및 탈인여과장치 공정으로 처리 후 최종처리수의 농도는 평균 6.45(2.57∼9.67)㎎/L로 조사됐으며, T-N 제거효율은 평균 65.9(28.6∼81.8)%로 확인됐다.

유입수의 T-P 농도는 평균 2.19(0.40∼4.80)㎎/L, MBR 및 탈인여과장치 공정으로 처리 후 최종처리수의 농도는 평균 0.03(0.00∼0.12)㎎/L로 조사됐으며, T-P 제거효율은 평균 98.2(89.5∼100.0)%로 확인됐다. 이는 지난 1월1일부터 강화된 공공하수처리시설의 방류수 수질기준을 만족하는 수치이다.

유입수의 대장균군수는 평균 6.2×10⁴(6.2×10³∼3.5×10⁵)개/mL, MBR 및 탈인여과장치 공정으로 처리 후 최종처리수의 대장균군은 검출되지 않았으며, 대장균군 제거효율은 100%로 확인됐다.

 

▲ [그림 8] T-N 제거효율 변화

▲ [그림 9] T-P 제거효율 변화

막 성능 유지 위해 공기세정 실시
막의 여과는 10분 가동, 1분 휴지의 간헐여과 방식을 사용했으며 흡입펌프를 통한 정량여과로 막여과 유속은 평균 24.1 L/㎡·h로 운전됐다.

평가에 적용된 분리막의 경우, 유지세정 및 회복세정 등 막오염 방지를 위한 화학세정은 평가기간 6개월 동안 수행되지 않았다. 대신 막 성능 유지를 위해 운전 중 공기를 지속적으로 주입함으로써 현탁물질이 막 표면에 부착되는 것을 방지하는 물리적인 세정방법에 의해 유지관리 됐다.

 

공기세정은 막 모듈 하단에 설치된 산기장치에 의해 공기를 공급하면 공기방울이 막 표면을 따라 상부로 이동하며 전단력을 발생시키고, 막 표면에 쌓인 오염물질이 탈리되어 막 오염을 방지하는 것으로 운전기간 중 평균 68.7(65.0∼71.0)N㎥/일의 공기가 상시 공급됐다. 분리막 운전결과 평가대상 시설은 정유량방식으로 운전됐으며 평가기간 동안의 공기주입량 및 여과유량 변화는 [그림 10]과 같다.

분리막조의 호기조건 유지와 분리막 막힘현상 완화를 위해 지속적으로 주입되는 공기는 평균 68.7(65.0∼71.0)N㎥/일로 주입됐으며, 여과유량은 24.1∼28.0L/㎡·h 범위에서 평균 26.5 L/㎡·h로 안정적으로 운전됐다.

 

▲ [그림 10] 분리막조 여과유량 변화

▲ [표 6] 분리막조 운전결과

평가기간 중 분리막의 운전결과 막차압(TMP)의 변화는 평가대상 시설에 부착되어 있는 압력계를 통해 측정하고, 평가가 진행됐던 6개월 간 분리막 화학세정은 수행하지 않았으며, 막차압은 0.14∼0.22kgf/㎠ 범위에서 평균 0.18kgf/㎠로 차압의 상승 없이 안정적으로 유지됐다.

수온 변화에 따라 변하는 물의 점성이 막차압에 미치는 영향을 배제하기 위해 섭씨 25도를 기준온도로 환산한 결과, 수온이 낮아지는 평가 후반으로 갈수록 실측 여과압력이 보정 여과압력보다 높게 측정된 것을 확인했다.

평가기간 동안 막여과 시스템 및 분리막의 결함여부를 평가하기 위해 막여과수의 탁도를 측정했다. 그 결과, 막손상이나 모듈과 배관 등 연결부위 이상 발생 시, 처리수의 탁도 상승을 유발하게 되므로 막여과수의 탁도를 지속적으로 모니터링 했으며 평가기간 중 막여과수의 탁도는 평균 0.07(0.05∼0.11)NTU로 유지되어 막여과 성능이 안정적이었음을 확인했다.

 

▲ [그림 11] 막차압 변화

▲ [그림 12] 막여과수의 탁도 변화

▲ [표 7] G-MBR 사업화 실적

공공시장·해외시장 진출 본격화
G-MBR 공법은 현재까지 총 7건의 사업화를 추진했다. 이중 성주하수처리장(4천500㎥/일)은 정부의 강화된 총인관리에 대응이 가능한 G-Filter만 적용한 사례이다. 세계 최대 평막 생산라인(연 70만㎡)을 구축완료하고, G-MBR 공법을 통해 막성능을 검증한 LG전자㈜는 G-MBR 공법 전체에 대한 실적은 아직 미흡하지만 신기술 검증획득을 기점으로 본격적인 공공시장 진입 및 해외진출을 위해 박차를 가할 계획이다. <배철민 편집국장>

문의 : 이상훈 선임연구원 shoon.lee@lge.com          정규연 차장 kyuyeon.jeong@lge.com