가축분뇨 폐수 처리용 MBR에서 MLSS 농도가 질산화 및 막오염 특성에 미치는 영향: 자유말단형 중공사막의 적용성 평가 = Effects of MLSS Concentration on Nitrification and Membrane Fouling in an MBR Treating Livestock Manure Wastewater: Potential of an End-free Hollow Fiber Membrane

국문 초록 (Abstract)

가축분뇨 폐수는 높은 유기물 및 암모니아성 질소 농도를 갖는 대표적인 고농도 폐수로서, 안정적인 생물학적 처리와 질산화 운전을 어렵게 한다. 본 연구에서는 자유말단형 중공사막을 적용한 침지식 막생물반응조(MBR)를 이용하여 가축분뇨 폐수 처리 시 MLSS 농도가 질산화 특성과 막 여과 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 유입 원수의 평균 성상은 pH 8.6, CODcr 24,476mg/L, T-N 2,593 mg/L, NH3-N 1,979mg/L, TS 21,851 mg/L, TSS 12,519 mg/L였으며, 반응조는 MLSS를 약 4,050 mg/L에서 18,872 mg/L까지 단계적으로 증가시키며 운전하였다. 질산화율은 MLSS 증가에 따라 7.7%에서 70.3%까지 향상되었고, MLSS 15,828 mg/L에서 최대값을 나타냈다. 그러나 MLSS 18,872 mg/L에서는 질산화율이 66.2%로 소폭 감소하여, 과도한 슬러지 농도에서는 산소전달 제한이 발생할 가능성을 시사하였다. TMP는 MLSS 증가에 따라 점진적으로 상승하였으며, 약 15,000mg/L 이상에서 상승 속도가 뚜렷하게 증가하여 고농도 조건에서 막오염이 가속됨을 확인하였다. 한편 MLSS 약 15,000mg/L 조건에서 자유말단형 중공사막의 TMP 증가율은 0.05 kPa/d로 나타나, 기존 연구에서 보고된 여러 MBR 운전점과 비교할 때 상대적으로 낮은 수준을 보였다. 따라서 본 연구 결과는 약 15,000mg/L 수준의 MLSS가 질산화 효율과 막 여과 안정성 사이의 균형 운전 조건이 될 수 있으며, 자유말단형 중공사막이 고농도 가축분뇨 폐수 처리 공정에서 막오염 저감을 위한 구조적 대안이 될 가능성을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Livestock manure wastewater is a representative high-strength wastewater characterized by high concentrations of organic matter and ammonia, which can hinder stable biological treatment and nitrification. In this study, an immersed membrane bioreactor (MBR) equipped with an end-free hollow fiber membrane was operated to evaluate the effects of mixed liquor suspended solids (MLSS) concentration on nitrification and membrane filtration performance during livestock manure wastewater treatment. The influent wastewater had average concentrations of pH 8.6, CODcr 24,476 mg/L, T-N 2,593mg/L, NH3-N 1,979 mg/L, TS 21,851 mg/L, and TSS 12,519mg/L. The reactor was operated by stepwise increases in MLSS from approximately 4,050 to 18,872 mg/L. As MLSS increased, nitrification efficiency improved from 7.7% at 4,050mg/L to 70.3% at 15,828 mg/L, but slightly decreased to 66.2% at 18,872mg/L. This result indicates that increasing biomass concentration promoted nitrifier retention and nitrification, whereas excessively high MLSS likely limited oxygen transfer and reduced nitrification performance. Transmembrane pressure (TMP) increased gradually with increasing MLSS, and a marked acceleration in the rise of TMP was observed above approximately 15,000mg/L, indicating intensified membrane fouling under high-solids conditions. Under the MLSS condition of about 15,000 mg/L, the TMP increase rate of the end-free hollow fiber membrane was 0.05 kPa/d, which was lower than those reported at comparable operating points in previous MBR studies. These results suggest that an MLSS level of approximately 15,000mg/L can be considered an appropriate operating condition for balancing nitrification efficiency and membrane filtration stability, and that the end-free hollow fiber configuration may provide a useful structural option for mitigating fouling in high-strength livestock manure wastewater treatment.