2.1 실험장치의 구성

2.1.2 MBR 장치 구성

두 종류의 MMBR 및 BMBR 장치에 적용한 막은 Chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) 재질의 연구용 평막 모듈이었으며, 유효 막 면적 0.0162 m² (9 cm×9 cm), 평균공극 크기 0.1 µm의 MF 막을 사용하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 두 MBR 반응조의 용적은 약 4.6 L이었고, working volume은 약 3.6 L이었으며, 아크릴 반응조를 사용하였고, 두 반응조 모두 항온챔버에 설치 후 온도를 25℃로 유지해 주었으며, pH 컨트롤러를 사용하여 0.1 N H₂SO₄와 0.1 N NaOH를 주입하며 반응조의 pH를 7~7.5로 유지시켜 주었다. 그리고 미세조류 및 활성슬러지의 대사를 위한 탄소원 공급 및 폭기를 실시하고, 실제 현장과 같이 폭기에 의한 막 표면의 cake층 탈리를 유도하기 위해 막모듈 하부에 산기관을 설치한 후 0.4 vvm 강도로 폭기를 실시하였다.

Fig. 2. A conceptual diagram of the MBR setting.

MBR 운전은 sequencing batch reactor 운전으로 8분간의 미생물 성장과 파울링 억제를 위한 폭기를 동반한 운전과 2분간의 폭기가 없는 휴지기를 두고, 15 LMH에 해당하는 유출수를 정량유출시켰다. HRT는 17 시간이었으며, pressure data logger 기능이 있는 자동압력 측정계(Sensys Co., model SBS)를 통해 막간 차압(Transmembrane Pressure, TMP)을 측정하여, fouling 발생정도를 평가하였다. 본 실험에서의 막 한계차압은 임계플럭스 측정실험을 통해 도출된 25 kPa로 설정하였다(^{Le Clech et al., 2003}).

두 MBR에 유입시킨 배지의 탄소원은 glucose를 100 mg-OC/L, 무기탄소원으로 KHCO₃를 72 mg-IC/L가 되도록 제조하여 연속으로 유입시켰으며, 질소, 인과 미량 영양염류는 NH₄Cl 25 mg-N/L, KH₂PO₄ 2.5 mg-P/L, 그리고 MgSO₄⋅7H₂O 90 g/L, CaCl₂⋅2H₂O 6 g/L, FeCl₃⋅6H₂O 1.5 g/L, MnCl₂⋅4H₂O 6.5 g/L, ZnSO₄⋅7H₂O 1.7 g/L, CuCl₂⋅2H₂O 0.1 g/L, CoCl₂⋅6H₂O 1.9g /L, NiSO₄⋅6H₂O 6.5 g/L, H₃BO₃ 0.1 g/L, (NH₄)6Mo₇O₂₄⋅4H₂O 0.6 g/L, yeast extract 1 g/L를 1 ml/L의 농도로 넣어, 두 MBR에 연속적으로 유입시켜 주었으며, MLSS는 800 mg/L를 유지하도록 하였다. 또한 C. vulgaris의 mixotrophic 및 autotrophic 대사에 필요한 광은 C. vulgaris가 식종된 MMBR에만 Bar-LED를 사용하여 130 Photosynthesis Photon Flux Density (PPFD)의 광도로 빛을 조사해 주었으며, 활성슬러지가 식종된 BMBR에는 광을 조사하지 않았다.

2.2 분석방법

EPS는 존재하는 형태에 따라 soluble-EPS (sEPS)와 bound-EPS (bEPS)로 구분되는데, sEPS를 추출할 때는 시료를 3700 Relative centrifugal force (RCF)의 강도로 30분간 원심분리한 후, 상등액을 전량 GF/C 여지에 여과하여 이때의 여액을 sEPS 시료로 하였다. bEPS 시료는 여러 참고문헌에서 제시된 열처리법을 사용하여 추출하였는데, sEPS 시료를 추출할 때 원심분리 후 침전된 세포에 0.9 % NaCl 수용액을 같은 부피로 채워 재현탁시킨 후, 105℃ 오븐에 넣어 약 1시간 열처리 하였으며, 이를 상온까지 식힌 후 3700 RCF의 강도로 30분간 원심분리, 상등액을 GF/C 여지에 걸러 이때의 여액을 bEPS 시료로 하였다(^{Chang and Lee, 1998}; ^{Wang et al., 2009}). 또한, EPS의 70~80% 이상이 다당류와 단백질이 차지한다고 알려져 있기 때문에, 본 연구에서는 EPS를 측정할 때, 다당류와 단백질을 측정하여 대표치로 사용하였으며, 다당류 측정방법으로는 페놀황산법, 단백질 측정방법으로 BCA (Bicinchoninic acid method)법을 이용하였다(^{Dignac et al., 1998}; ^{Houghton and Stephenson, 2002}).

다당류 sEPS 측정시에는 기질로서 미처 대사되지 못한 glucose가 sEPS로 측정되는 것을 방지하기 위해, 포도당, 과당 등 환원당만을 선별적으로 검출 및 정량할 수 있는 Dinitrosalicylic acid method (DNS)법을 활용하여 glucose를 별도로 정량하여, 페놀황산법을 통해 정량된 다당류 값에서 DNS method를 통해 정량된 환원당들의 측정치를 빼주었다. 본 연구에서는 EPS를 각각 다당류 형태의 sEPS (C-sEPS), 다당류 형태의 bEPS (C-bEPS), 단백질 형태의 sEPS (P-sEPS), 단백질 형태의 bEPS (P-bEPS)로 구분하여 분석하였다.

3.1 BMBR과 MMBR의 fouling 발생특성

광조사를 제외한 나머지 조건이 동일한 상태에서 MMBR과 BMBR의 fouling 특성을 파악하기 위한 11일간의 시간에 따른 TMP 경시변화 결과를 Fig. 3 에 나타내었다.

Fig. 3. TMP variations in the MMBR and BMBR.

BMBR에서는 TMP 상승이 상대적으로 매우 완만(최대 약 30 kPa)했으며, 한계차압인 25 kPa에 도달하는데 3~5일 정도의 시간이 소요된 반면, MMBR에서는 24시간 이내에 한계차압을 현저하게 넘는 최대 70 kPa의 높은 TMP가 발생하였다. 뿐만 아니라 MMBR의 경우에서는 발생한 높은 TMP를 확인 후 막 세척을 실시하여 TMP를 회복시키더라도, 변함없이 빠른 속도로 TMP가 상승함을 확인할 수 있었다. 또한, TMP 변동에서 두 반응기에서의 막세척 후 TMP는 초기 TMP 값과 유사한 값으로 유지되었는데, 이는 MF 기공보다 크기가 큰 미세조류와 미생물이 MF 내부 기공을 막지 않고 막 위에 쌓였기 때문일 가능성이 언급될 수 있는데, 이와 관련해서는 입자 크기의 관점 이외에 MBR 운전기간이 단기간이었던 부분도 영향을 미쳤을 것으로 예상되어, 향후 장기운전에 따른 TMP 변화에 대한 검토도 필요하다.

실험을 시작하기 전에 다음의 이유 즉, 첫째, C. vulgaris의 세포 크기(10~20 µm)가 활성슬러지 내 박테리아의 크기(0.5~5 µm)에 비해 크기 때문에 pore clogging에 비교적 유리하고, 둘째, floc을 형성하며 침전하는 BMBR 활성슬러지와 달리, MMBR의 C. vulgaris는 floc을 활발하게 형성하지 않는데, 이러한 근거로 C. vulgaris의 경우, floc 형성에 가교역할을 하는 물질인 EPS 생성량이 활성슬러지 내 박테리아에 비해 적을 것(^{Ding et al., 2015}; ^{Flemming and Wingender, 2010}; ^{Guo et al., 2012})이므로 MMBR의 fouling 발생 정도가 BMBR에 비해 비교적 양호할 것으로 추측하였다. 그러나, 예상과 반대로 실제 본 실험의 결과에서는 오히려 MMBR에서 더욱 극심한 fouling이 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 fouling 결과의 원인을 규명하기 위해, MBR의 fouling 발생과 가장 큰 상관관계를 갖는 것으로 알려진 EPS 발생량을 직접 측정하여 비교해 보았다.

3.2 BMBR과 MMBR의 EPS 발생량 및 조성

MMBR과 BMBR 반응조에서 각각 C-EPS를 측정한 결과를 Fig. 4에, P-EPS를 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 참고로 C-EPS 측정시 완전히 대사되지 않은 glucose가 C-EPS로 측정되는 것을 보정하기 위해 DNS법으로 glucose를 측정했으나, 두 반응조 모두 대사에 이용되어 glucose는 검출되지 않았다.

Fig. 4. C-sEPS and C-bEPS productions in the MMBR and BMBR.

Fig. 5. P-sEPS and P-bEPS production in the MMBR and BMBR.

두 MBR의 유입수 중 유기탄소 농도는 동일하였으나, 각 MBR에서 측정된 C-EPS 생성량은 현저한 차이가 있었음을 알 수 있었다. BMBR에서는 C-sEPS가 2~3 mg/L 수준이었으며, 이는 운전기간 중에 지속적으로 유지되었지만, MMBR에서는 C-sEPS 농도가 빠른 속도로 지속적으로 증가하였으며, 초기에 12 mg/L 정도였던 C-sEPS 농도가 8일째에는 약 70 mg/L 수준을 나타내었다. 운전 8일째에 MMBR과 BMBR의 C-sEPS 농도를 비교해 보면, 약 30배나 차이를 보였다.

C-bEPS에 있어서도, C. vulgaris의 C-bEPS 생성량이 BMBR에 비해 2~4배 가량 많았음을 관찰할 수 있었다. 선행연구에 의하면, fouling에 미치는 영향은 C-sEPS가 C-bEPS에 비해 큰 것으로 보고되고 있으나, C. vulgaris에 비교적 약하게 결합된 loosely bound EPS (LB-EPS)가 확산되어 C-sEPS를 형성하는 등의 영향이 있기 때문에, C-bEPS도 fouling 발생에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(^{Chang et al., 2002}; ^{Wang et al., 2009}).

위와 같은 다당류 유래 C-EPS와 관련된 제반 경향을 종합하면, TMP 결과로부터 MMBR이 BMBR 보다 fouling에 취약함이 확인되었으며, 이에 대한 원인으로 8일간 지속적으로 CEPS 생성량이 BMBR 보다 많았다는 것을 잠정적인 원인으로 고려할 수 있다고 할 수 있다. 다만, 세부적인 C-sEPS 및 C-bEPS 측정결과가 경시적으로 증가하는 경향과 TMP 경향이 부합하지 않는 점으로부터 이 둘의 상관관계는 매우 약하며, 총량적으로 fouling 성향에 기여한다고 추측된다.

한편, 다당류 외에 단백질 형태의 EPS(P-EPS)를 측정한 결과에 따르면, C. vulgaris와 활성슬러지 사이에 30배 가량의 큰 차이가 나타났던 C-EPS의 경우와 달리, P-sEPS의 농도는 MMBR에서 후반에 다소 높은 경향을 보이긴 했으나, 20~40 mg/L 범위를 보였으며, P-bEPS 발생량은 역시 MMBR에서 후반에 다소 높은 경향을 보이긴 했으나 25~45 mg/gMLSS 범위를 나타내, C. vulgaris와 활성슬러지 사이에 TMP에 영향을 미쳤을 것으로 판단되는 유의적인 차이가 보이지 않았다.

이상의 결과들로부터, C. vulgaris와 활성슬러지 MBR로부터 생성된 EPS 중에서 측정값에서 큰 차이가 나타났던 EPS는 P-EPS 보다는 C-EPS 이었기 때문에, C. vulgaris를 식종한 MMBR의 fouling 발생은 특히 C-EPS에 의한 영향이 더 클 것으로 사료되며, C-sEPS 및 C-bEPS와 fouling 강도 사이의 상관성은 보이지 않았다고 정리할 수 있다(^{Chang et al., 2002}; ^{Nagaoka and Akoh, 2008}).

몇몇 선행연구 보고를 보더라도, 다당류 형태의 EPS가 fouling에 미치는 영향이 단백질 형태의 EPS에 비해 특히 크다고 알려져 있다(^{Rosenberger, 2006}; ^{Yigit, 2008}).