Synergistic effects of mechanical reciprocation, biogas scouring, and quorum quenching on membrane fouling mitigation in an Anaerobic Migrating Bed Reactor (AnMBR)

하수 처리를 수행하는 동시에 연료를 생성하는 도시를 상상해 보십시오. 이것은 혐기성 막 생물 반응기(anaerobic membrane bioreactor)라고 불리는 특정 기술의 약속입니다. 산소에 의존하며 엄청난 양의 슬러지를 배출하는 전통적인 처리장과 달리, 이 시스템은 공기 없이 번식하는 박테리아를 사용하여 폐기물을 분해하고, 이를 통해 에너지로 포집할 수 있는 메탄 가스를 방출합니다. 이 과정은 깨끗하고 효율적이지만, 하나의 고질적인 물리적 문제에 직면해 있습니다. 바로 필터입니다. 이 반응기에서 막(membrane)은 미생물이 활동하는 동안 깨끗한 물을 분리하는 체 역할을 합니다. 시간이 지나면서 생물학적 끈적임과 미세 입자들로 이루어진 끈적한 층이 이 체를 막게 되는데, 이는 마치 커피 필터가 커피 가루로 막히는 것과 같습니다. '파울링(fouling)'이라고 알려진 이 막힘 현상은 시스템을 더 힘들게 일하게 만들고, 더 많은 에너지를 소비하게 하며, 결국 깨끗한 물의 흐름을 멈추게 합니다. 수년간 엔지니어들은 가혹한 화학 물질이나 과도한 에너지를 사용하지 않고 이 필터를 깨끗하게 유지하기 위해 고군분투해 왔습니다.

베트남 다낭 기술대학교의 연구팀은 세 가지 서로 다른 세척 방법을 하나의 조율된 전략으로 결합함으로써 이 막힘 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 실험실 규모의 반응기를 구축하고 장기간 동안 하수를 얼마나 잘 처리할 수 있는지 테스트했습니다. 그들의 접근 방식은 단 하나의 기술에 의존하는 것이 아니라, 기계적 움직임, 가스 기포, 그리고 생물학적 간섭을 층층이 쌓는 것이었습니다. 그들은 필터를 흔들고, 필터에 기포를 불어넣고, 막힘을 유발하는 미생물의 통신을 방해하는 박테리아를 도입하는 것이 단일 방법보다 더 효과적으로 작동할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 목표는 시스템이 스스로의 폐기물에 의해 질식하지 않고 몇 주 동안 물이 원활하게 흐르도록 유지하는 것이었습니다.

연구진은 미생물 군집이 안정화되고 폐기물을 효율적으로 섭취하는 법을 배울 수 있도록 17주 동안 반응기를 안정시키는 과정을 거쳤습니다. 이 기간 동안 시스템은 물에서 화학적 산소 요구량(COD)의 약 69%, 생화학적 산소 요구량(BOD)의 76%를 성공적으로 제거하며 생물학적 엔진이 원활하게 작동하고 있음을 증명했습니다. 시스템이 안정된 후, 연구진은 막을 통해 물을 밀어내는 속도를 높여 한계까지 몰아붙였습니다. 물을 시간당 제곱미터당 400리터의 속도로 너무 빠르게 밀어 넣었을 때, 필터는 급격히 막혔습니다. 불과 이틀 만에 깨끗한 물의 흐름이 73% 이상 감소했습니다. 이는 높은 압력이 필터의 구멍을 막는 미세 입자의 문제를 넘어, 표면에 두껍고 단단한 케이크 형태의 층을 형성하는 구조적 변화를 가속화한다는 것을 확인시켜 주었습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 먼저 기계적 해결책인 막을 앞뒤로 흔드는 방법을 테스트했습니다. 그들은 막을 움직이는 것이 느슨한 오물 층을 제거하는 데 도움이 된다는 것을 발견했지만, 이는 적절한 속도로 흔들었을 때만 가능했습니다. 만약 너무 격렬하게 흔든다면, 오히려 폐기물 덩어리를 더 작은 조각으로 부수어 필터 구멍 속으로 더 깊숙이 침투하게 만들어 문제를 악화시켰습니다. 그러나 중간 정도의 흔드는 속도에서는 물의 흐로가 강하게 유지되었습니다. 이러한 기계적 작용은 표면을 깨끗하게 유지하는 데는 효과적이었지만, 막힘을 유발하는 생물학적 접착제를 막을 수는 없었습니다.

이어 연구진은 생물학적 반전을 도입했습니다. 그들은 막힘을 유발하는 박테리아가 사용하는 통신 신호를 교란하는 역할을 하는 '쿼럼 퀀칭(quorum-quenching)' 미생물이라 불리는 특정 유형의 박테리아를 투입했습니다. 보통 이 막힘 박테리아들은 서로 대화를 나누며 끈적한 생체막(biofilm)을 형성하기 위한 물질을 방출하도록 조율합니다. 쿼럼 퀀칭 박테리아는 이 대화를 방해하여 생체막이 단단하고 불침투적인 껍질을 형성하는 것을 방지합니다. 연구진이 기계적 흔들기, 가스 기포, 그리고 신호 교란 박테리아를 결합했을 때, 결과는 신호 교란 박테리아가 없는 대조군 시스템보다 훨씬 뛰어났습니다. 10일 동안, 이 결합된 접근 방식을 사용한 반응기는 신호 교란 박테리아가 없는 대조군에 비해 훨씬 높은 수준의 깨끗한 물 흐름을 유지했으며 필터에 가해지는 압력도 훨씬 적게 쌓였습니다.

아마도 가장 중요한 발견은 막힘의 성질 자체가 변했다는 점일 것입니다. 표준 시스템에서는 막힘의 상당 부분이 비가역적이었습니다. 즉, 물리적인 세척으로는 제거할 수 없을 정도로 필터에 너무 단단히 붙어 있다는 뜻입니다. 하지만 결합된 전략을 사용한 시스템에서는 이러한 영구적인 막힘의 양이 절반으로 줄어들었습니다. 대신 형성된 막힘은 대부분 가역적이었습니다. 즉, 쉽게 씻겨 나갈 수 있는 느슨한 층이었습니다. 연구진은 통계적 분석을 통해 이 세 가지 방법이 함께 작용하여 필터가 더러워지는 방식 자체를 근본적으로 변화시켰음을 확인했습니다. 즉, 문제를 깊고 영구적인 막힘에서 관리 가능한 표면 층의 문제로 전환시킨 것입니다.

이 연구는 막을 부드럽게 흔들고, 표면을 훑어내기 위해 기포를 불어넣으며, 접착제 형성 과정을 방해하는 박테리아를 사용함으로써, 이러한 첨단 수처리 시스템을 고장 없이 훨씬 더 오래 가동할 수 있다는 결론을 내립니다. 이 통합적 접근 방식은 단순히 막힘을 늦추는 것에 그치지 않고, 형성되는 막힘의 유형을 근본적으로 변화시켜 장비를 덜 손상시키고 세척을 더 쉽게 만듭니다. 비록 폐기물을 부수는 것을 피하기 위해 흔드는 속도를 세심하게 관리해야 하는 과제가 남아 있지만, 물리적 및 생물학적 전술의 결합은 에너지 양의 수처리 시설을 지속 가능하고 장기적으로 운영할 수 있는 유망한 길을 제시합니다.