KR20240022274A - Operation method of bioreactor and water treatment system for controlling contamination of membrane in bioreactor - Google Patents

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KR20240022274A KR1020220100754A KR20220100754A KR20240022274A KR 20240022274 A KR20240022274 A KR 20240022274A KR 1020220100754 A KR1020220100754 A KR 1020220100754A KR 20220100754 A KR20220100754 A KR 20220100754A KR 20240022274 A KR20240022274 A KR 20240022274A
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조진우
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Abstract

본 발명은 폐수가 생물 반응조 내에 침지된 분리막의 외부에서 내부로 유입되면서 정수되는 공정이 연속적으로 수행되는 상기 생물 반응조의 운전 방법에 관한 것으로, 상기 생물 반응조 내부에 람노리피드 생성 미생물을 포함하고 외부가 고분자 물질로 코팅된 담체를 주입하는 단계를 포함함으로써 생성된 람노리피드에 의해 분리막 표면의 생물막 제거 또는 생성저해 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 담체에 포함된 미생물은 지속적으로 람노리피드를 생성할 수 있는바 1회 주입만으로도 분리막 표면의 생물막 저해 또는 제거 효과를 나타낼 수 있어 경제성이 높다. 상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅되어 있으므로 담체의 안정성이 증가하여 장기적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method of operating a bioreactor in which a process of purifying waste water flows from the outside to the inside of a separation membrane immersed in the bioreactor and is continuously performed. The bioreactor includes rhamnolipid-producing microorganisms inside the bioreactor and an external By including the step of injecting a carrier coated with a polymer material, the produced rhamnolipid may have the effect of removing or inhibiting the production of biofilm on the surface of the separation membrane. In addition, the microorganisms contained in the carrier can continuously produce rhamnolipids, so a single injection can exhibit the effect of inhibiting or removing biofilm on the surface of the separation membrane, making it highly economical. Since the outside of the carrier is coated with a polymer material, the stability of the carrier increases and it has the advantage of being usable for a long period of time.

Description

생물 반응조 내 분리막 오염 제어를 위한 생물 반응조의 운전 방법 및 수처리 시스템{OPERATION METHOD OF BIOREACTOR AND WATER TREATMENT SYSTEM FOR CONTROLLING CONTAMINATION OF MEMBRANE IN BIOREACTOR}Operating method and water treatment system of a biological reactor for controlling contamination of the membrane in the biological reactor {OPERATION METHOD OF BIOREACTOR AND WATER TREATMENT SYSTEM FOR CONTROLLING CONTAMINATION OF MEMBRANE IN BIOREACTOR}

본 발명은 생물 반응조 내 분리막 오염 제어를 위한 생물 반응조의 운전 방법 및 수처리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method of operating a biological reactor and a water treatment system for controlling contamination of a membrane in a biological reactor.

분리막 생물반응조 (membrane bioreactor, MBR)는 생활 하수 및 산업폐수들을 처리하기 위해 생물학적 처리 시설과 막을 이용한 오염물질의 분리를 통합한 공정이다. 이러한 통합을 통해서 MBR은 통상적으로 사용하는 활성슬러지 공정 (conventional activated sludge process, CASP)보다 더 높은 수준의 처리수를 생산할 수 있다. 또한, MBR 은 운전이 간단하고 적은 양의 슬러지를 생산한다는 장점이 있다. 그뿐만 아니라 소요부지가 적어서 인구 밀집 지역과 같이 공간이 적고 값비싼 곳에서도 운전이 쉽다는 장점도 있다. 덧붙여서 분리막 원재료 가격의 지속적인 감소와 점점 더 높은 수준의 처리수 수준이 요구되는 환경 덕분에 하·폐수 시설에서의 MBR 의 비중은 점점 더 넓어질 전망이다.A membrane bioreactor (MBR) is a process that integrates the separation of pollutants using a biological treatment facility and membrane to treat domestic sewage and industrial wastewater. Through this integration, MBR can produce a higher level of treated water than the commonly used activated sludge process (CASP). In addition, MBR has the advantage of being simple to operate and producing a small amount of sludge. In addition, since it requires less land, it has the advantage of being easy to drive even in places where space is limited and expensive, such as densely populated areas. In addition, the proportion of MBR in sewage and wastewater facilities is expected to gradually expand thanks to the continued decline in the price of membrane raw materials and an environment requiring increasingly higher levels of treated water.

그럼에도 불구하고 MBR 의 급속한 발전에 불가피한 가장 큰 장애물이 있다. 바로 미생물이 분리막 표면에 생물막을 형성하여 발생하는 분리막 오염 현상 (membrane fouling)이다 (도 1). 막 오염 현상은 처리수 수질을 저하하는 단점이 있을 뿐만 아니라 에너지 소모와 세정 빈도를 증가시킨다. 이는 곧 분리막 수명 단축과 운전비용 증가로 이어진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 분리막 오염을 제어하는 방법 및 세정하는 방법에 관한 연구가 계속되고 있다.Nevertheless, there is a major inevitable obstacle to the rapid development of MBR. This is membrane fouling, which occurs when microorganisms form a biofilm on the surface of the membrane (Figure 1). Membrane fouling not only has the disadvantage of lowering the quality of treated water, but also increases energy consumption and cleaning frequency. This leads to a shortened separator lifespan and increased operating costs. To solve these problems, research is continuing on methods for controlling and cleaning membrane contamination.

그중에서도 극심한 파울링이 발생하고 투과성의 복구가 필요한 MBR 같은 경우 화학적 세정이 불가피하다. 화학적 세정이란 화학물질을 이용하여 분리막에 붙어있는 오염물질과의 화학적 반응을 통해 분리막을 세정하는 방법으로서 세정에 이용되는 화학물질에는 산, 염기, 산화제, 계면활성제 등의 물질이 있다.Among them, chemical cleaning is inevitable in cases such as MBR where extreme fouling occurs and permeability needs to be restored. Chemical cleaning is a method of cleaning a separator through a chemical reaction with contaminants attached to the separator using chemicals. Chemicals used for cleaning include acids, bases, oxidizing agents, and surfactants.

그 중에서도 계면활성제의 경우 분리막 손상에 영향을 적게 줄뿐더러 분리막 표면에서 단백질 물질과 결합하여 미셀(micelle)을 형성하고 생물막 (biofilm)생성을 저감시키는 것이 확인되었고 또한 분리막 표면을 친수화 시켜 막의 생물막 형성 물질의 부착을 억제하는 것이 확인되었다. 기존에 주로 사용하던 화학적 계면활성제의 일종인 SDS (sodium dodecyl sulfate)나 Tween 20 은 화학적 계면활성제가 분리막 오염을 제어하고 처리수 flux를 상당히 복구시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 그러나 세정 효율이 30~50% 일 때도 있고 어떤 때는 90% 가 넘는 둥 효과가 일정하지 않을뿐더러 생분해가 어려워 막 오염 제어에 있어 산업적인 적용이 어렵다고 판단되었다. 또한, SDS 같은 경우 생태 독성을 가지고 있어 MBR 세정에 적용 시 미생물의 세포질에 단백질 변형을 일으켜 물질대사에 안 좋은 영향을 끼칠 수 있다.Among them, surfactants were confirmed to not only have less effect on membrane damage, but also bind with protein substances on the membrane surface to form micelles and reduce biofilm formation. They also made the membrane surface hydrophilic, forming a biofilm. It was confirmed that it inhibits adhesion of substances. SDS (sodium dodecyl sulfate) and Tween 20, a type of chemical surfactant commonly used in the past, have shown that chemical surfactants can control membrane contamination and significantly restore treated water flux. However, the cleaning efficiency is sometimes 30-50% and sometimes exceeds 90%, and the effectiveness is not constant, and biodegradation is difficult, so it was judged that industrial application in membrane pollution control is difficult. In addition, SDS has ecotoxicity, so when applied to MBR cleaning, it can cause protein deformation in the cytoplasm of microorganisms and have a negative effect on metabolism.

그에 따라 생물학적 계면활성제의 일종인 람노리피드(rhamnolipid) 를 이용한 막오염 저감에 관한 연구가 새로운 막 오염 제어 방법으로서 대두되었다. 그러나 람노리피드의 생합성 후 정제하는 과정에서 발생하는 높은 비용 때문에 상업적 생산과 적용에 어려움이 있다. 정제된 람노리피드를 얻어내는 과정은 아직 어려움이 있어 높은 비용을 요구한다. 이처럼 순도 높은 람노리피드를 정제하는 과정에서 발생하는 어려움 때문에 람노리피드를 생물반응조에 지속적으로 주입하는 것은 높은 비용을 요구한다.Accordingly, research on reducing membrane fouling using rhamnolipid, a type of biological surfactant, has emerged as a new membrane fouling control method. However, commercial production and application are difficult due to the high cost incurred during the purification process after biosynthesis of rhamnolipids. The process of obtaining purified rhamnolipids is still difficult and requires high costs. Because of the difficulties that arise in the process of purifying highly pure rhamnolipids, continuous injection of rhamnolipids into a bioreactor requires high costs.

따라서, 기존의 방법보다 적은 비용으로 우수한 막 오염 제어 효과를 나타낼 수 있는 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need to develop a method that can exhibit excellent membrane fouling control effects at a lower cost than existing methods.

한국공개특허 제2014-0026116호Korean Patent Publication No. 2014-0026116

본 발명은 생물 반응조 내 분리막 오염 제어를 위한 생물 반응조의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a method of operating a biological reactor for controlling contamination of a membrane in the biological reactor.

본 발명은 생물 반응조 내 분리막 오염 제어를 위한 수처리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a water treatment system for controlling contamination of a membrane in a biological reactor.

1. 폐수가 생물 반응조 내에 침지된 분리막의 외부에서 내부로 유입되면서 정수되는 공정이 연속적으로 수행되는 상기 생물 반응조의 운전 방법으로서,1. A method of operating the bioreactor in which the process of purifying waste water flows from the outside to the inside of the separation membrane immersed in the bioreactor and is continuously performed,

상기 생물 반응조 내부에 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 주입하는 단계를 포함하고,Comprising the step of injecting a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms into the bioreactor,

상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된, 생물 반응조의 운전 방법.A method of operating a biological reactor, wherein the carrier is coated on the outside with a polymer material.

2. 위 1에 있어서, 상기 람노리피드 생성 미생물은 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens)인, 생물 반응조의 운전 방법.2. The method of operating a biological reactor according to 1 above, wherein the rhamnolipid-producing microorganism is Pseudomonas nitroreducens .

3. 위 1에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리설폰(polysulfone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(polyamide elastomer), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methymethacrylate)), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride)), 및 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인, 생물 반응조의 운전 방법.3. In 1 above, the polymer material is polysulfone, polyurethane, polyacetal, polyamide, polyamide elastomer, polyester, poly. ester elastomer, polypropylene, polyacrylonitrile, poly(methymethacrylate), polyolefin, poly(vinyl chloride), and A method of operating a biological reactor, one selected from the group consisting of silicon.

4. 위 1에 있어서, 상기 담체는 상기 생물 반응조 내부에 1회 주입되는, 생물 반응조의 운전 방법.4. The method of operating a biological reactor according to 1 above, wherein the carrier is injected once into the biological reactor.

5. 위 1에 있어서, 상기 담체는 상기 생물 반응조의 용적당 300개/L 이하의 개수밀도로 주입되는, 생물 반응조의 운전 방법.5. The method of operating a biological reactor according to 1 above, wherein the carrier is injected at a number density of 300/L or less per volume of the biological reactor.

6. 폐수를 주입하기 위한 유입 펌프;6. Inlet pump for injecting waste water;

상기 유입 펌프에 의해 주입된 폐수가 활성슬러지에 침지된 후 분리막을 통과하도록 구성된 생물 반응조; 및a bioreactor configured to allow wastewater injected by the inlet pump to pass through a separation membrane after being immersed in activated sludge; and

상기 분리막의 내부와 연통되며 상기 분리막을 통과한 폐수를 상기 생물 반응조 외부로 유출시키기 위한 유출 펌프를 포함하고,It communicates with the interior of the separation membrane and includes an outflow pump for discharging wastewater that has passed through the separation membrane to the outside of the bioreactor,

상기 생물 반응조는 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 포함하고,The biological reactor includes a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms,

상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된, 수처리 시스템.A water treatment system wherein the carrier is coated on the outside with a polymer material.

7. 위 6에 있어서, 상기 람노리피드 생성 미생물은 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens)인, 수처리 시스템.7. The water treatment system of 6 above, wherein the rhamnolipid-producing microorganism is Pseudomonas nitroreducens .

8. 위 6에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리설폰(polysulfone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(polyamide elastomer), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methymethacrylate)), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride)), 및 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인, 수처리 시스템.8. In item 6 above, the polymer material is polysulfone, polyurethane, polyacetal, polyamide, polyamide elastomer, polyester, poly. ester elastomer, polypropylene, polyacrylonitrile, poly(methymethacrylate), polyolefin, poly(vinyl chloride), and A water treatment system selected from the group consisting of silicon.

본 발명의 생물 반응조의 운전 방법은 생물 반응조 내부에 람노리피드 생성 미생물을 포함하고 외부가 고분자 물질로 코팅된 담체를 주입함으로써 분리막 표면의 생물막 제거 또는 생성저해 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 담체에 포함된 미생물은 지속적으로 람노리피드를 생성할 수 있는바 1회 주입만으로도 분리막 표면의 생물막 저해 또는 제거 효과를 나타낼 수 있어 경제성이 높다. 상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅되어 있으므로 담체의 안정성이 증가하여 장기적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.The operating method of the biological reactor of the present invention can exhibit the effect of removing or inhibiting the production of biofilm on the surface of the separation membrane by injecting a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms inside the biological reactor and coated on the outside with a polymer material. In addition, the microorganisms contained in the carrier can continuously produce rhamnolipids, so a single injection can exhibit the effect of inhibiting or removing biofilm on the surface of the separation membrane, making it highly economical. Since the outside of the carrier is coated with a polymer material, the stability of the carrier increases and it has the advantage of being usable for a long period of time.

도 1은 생물막 (biofilm) 형성에 따른 막 오염 기작을 도식화한 것이다.
도 2는 람노리피드(rhamnolipid)의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 람노리피드의 계면 활성 작용에 의한 생물막 저감 효과에 따른 막 오염 제어 기작을 도식화한 것이다.
도 4는 미생물의 고정에 사용한 알지네이트 비드 제조 과정을 도식화한 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 실시예에서 사용한 실험실 규모의 생물 반응조(MBR)를 도식화한 것과 실제 MBR의 사진이다.
도 7은 실시예에서 사용한 수질 분석 기기의 사진이다. (좌: UV/vis 분광광도계, 우: Hach kits)
도 8은 전량여과(dead end filtration) 방식의 공정을 도식화한 것이다.
도 9는 실시예에서 사용한 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)의 사진이다.
도 10은 실시예 3-1-(2)에서 확인한 배지, 투입 균주 및 투입 방식에 따른 람노리피드 생성 능력 평가 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 11 내지 도 13은 실시예 3-1-(4)에서 확인한 분리막 생물반응조(MBR) 종류에 따른 유입수 및 처리수의 COD 농도(도 11), NH4 +-N 농도(도 12) 및 NO3-N 농도(도 13)와 제거율 또는 생성율을 나타낸 것이다. (상: 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 중: 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 MBR2, 하: 미생물을 고정하지 않은 알지네이트 비드를 투입한 MBR3)
도 14는 실시예 3-1-(5)에서 확인한 MBR 종류에 따른 막간차압(specific TMP) 변화를 나타낸 것이다.
도 15는 실시예 3-1-(6)에서 확인한 MBR 종류에 따른 활성슬러지 비저항 값(specific cake resistance, α) 산출을 위한 선형 회귀식을 나타낸 것이다. (상: 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 하: 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 MBR2)
도 16은 실시예 3-1-(7)에서 확인한 MBR 종류에 따른 EPS(extracellular polymeric substance) 탄수화물 성분 측정 결과를 나타낸 것이다. (좌: LB-EPS (loosely bound EPS), 우: TB-EPS (tightly bound EPS))
도 17은 실시예 3-1-(7)에서 확인한 MBR 종류에 따른 EPS 단백질 성분 측정 결과를 나타낸 것이다. (좌: LB-EPS, 우: TB-EPS)
도 18은 실시예 3-2-(2)에서 확인한 MBR에 투입된 담체 종류에 따른 담체 무게 변화를 나타낸 것이다.
도 19 내지 도 22는 실시예 3-2-(3)에서 확인한 MBR 종류에 따른 유입수 및 처리수의 COD 농도(도 19), NH4 +-N 농도(도 20), NO3-N 농도(도 21) 및 T-N 농도(도 22)와 제거율 또는 생성율을 나타낸 것이다. (상: 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 중: 미생물 고정 코팅 알지네이트 비드를 투입한 MBR2, 하: 코팅하지 않은 미생물 고정 알지네이트 비드를 투입한 MBR3)
도 23은 실시예 3-2-(4)에서 확인한 MBR 종류에 따른 막간차압(specific TMP) 변화를 나타낸 것이다.
도 24는 실시예 3-2-(5)에서 확인한 MBR 종류에 따른 EPS 탄수화물 성분 측정 결과를 나타낸 것이다. (좌: LB-EPS, 우: TB-EPS)
도 25는 실시예 3-2-(5)에서 확인한 MBR 종류에 따른 EPS 단백질 성분 측정 결과를 나타낸 것이다. (좌: LB-EPS, 우: TB-EPS)
도 26은 실시예 3-2-(5)에서 확인한 MBR 종류에 따른 EPS 성분을 누적합으로 나타낸 것이다. (상: EPS 탄수화물 성분, 하: EPS 단백질 성분)
도 27은 실시예 3-2-(6)에서 확인한 각 MBR에서 건져낸 분리막 사진이다. (좌: 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 중: 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입해준 MBR2, 우: 미생물 고정 알지네이트 비드를 투입한 MBR3)
도 28 및 도 29는 실시예 3-2-(6)에서 확인한 각 MBR에서 건져낸 분리막의 1k배(도 28) 또는 10k배(도 29) FE-SEM 이미지이다. (상: 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 중: 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입해준 MBR2, 하: 미생물 고정 알지네이트 비드를 투입한 MBR3)
도 30은 실시예 3-2-(7)에서 확인한 배지, 투입 균주, 투입 방식, 코팅 유무 및 MBR 투입 여부에 따른 람노리피드 생성 능력 평가 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 31은 실시예 3-2-(8)에서 사용한 실험실 규모의 회분식 반응조 (batch reactor) 사진이다.
도 32는 실시예 3-2-(8)에서 확인한 MBR 종류에 따른 활성슬러지 비저항 값(specific cake resistance, α) 산출을 위한 선형 회귀식을 나타낸 것이다. (상: 아무 담체도 투입하지 않은 첫 번째 반응조, 하: 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입한 두 번째 반응조)
Figure 1 schematically illustrates the mechanism of membrane contamination due to biofilm formation.
Figure 2 shows the structure of rhamnolipid.
Figure 3 is a schematic diagram of the membrane fouling control mechanism according to the biofilm reduction effect due to the surface activity of rhamnolipid.
Figure 4 is a schematic diagram of the alginate bead manufacturing process used for fixation of microorganisms.
Figures 5 and 6 are a schematic diagram of the laboratory-scale biological reactor (MBR) used in the examples and a photograph of the actual MBR, respectively.
Figure 7 is a photograph of the water quality analysis device used in the examples. (Left: UV/vis spectrophotometer, Right: Hach kits)
Figure 8 is a schematic diagram of the dead end filtration process.
Figure 9 is a photograph of a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) used in the examples.
Figure 10 shows the results of an experiment evaluating rhamnolipid production ability according to the medium, input strain, and input method confirmed in Example 3-1-(2).
11 to 13 show the COD concentration (FIG. 11), NH 4 + -N concentration (FIG. 12), and NO of influent and treated water according to the type of membrane bioreactor (MBR) confirmed in Example 3-1-(4). 3 -N concentration (Figure 13) and removal or production rate are shown. (Top: MBR1 without any carrier, middle: MBR2 with microorganism-immobilized alginate beads, bottom: MBR3 with alginate beads without immobilized microorganisms)
Figure 14 shows the change in transmembrane pressure (specific TMP) according to the type of MBR confirmed in Example 3-1-(5).
Figure 15 shows a linear regression equation for calculating the activated sludge specific resistance value (specific cake resistance, α) according to the MBR type identified in Example 3-1-(6). (Top: MBR1 without any carrier, Bottom: MBR2 with microorganism-immobilized alginate beads)
Figure 16 shows the results of measuring EPS (extracellular polymeric substance) carbohydrate components according to the type of MBR confirmed in Example 3-1-(7). (Left: LB-EPS (loosely bound EPS), Right: TB-EPS (tightly bound EPS))
Figure 17 shows the results of measuring EPS protein components according to the type of MBR confirmed in Example 3-1-(7). (Left: LB-EPS, Right: TB-EPS)
Figure 18 shows the change in carrier weight according to the type of carrier added to the MBR confirmed in Example 3-2-(2).
19 to 22 show the COD concentration (FIG. 19), NH 4 + -N concentration (FIG. 20), and NO 3 -N concentration (FIG. 19) of the influent and treated water according to the type of MBR confirmed in Example 3-2-( 3 ). Figure 21) and TN concentration (Figure 22) and removal or production rate are shown. (Top: MBR1 without any carrier, middle: MBR2 with microorganism-immobilized coated alginate beads, bottom: MBR3 with uncoated microorganism-immobilized alginate beads)
Figure 23 shows the change in transmembrane pressure (specific TMP) according to the type of MBR confirmed in Example 3-2-(4).
Figure 24 shows the results of measuring EPS carbohydrate components according to the type of MBR confirmed in Example 3-2-(5). (Left: LB-EPS, Right: TB-EPS)
Figure 25 shows the results of measuring EPS protein components according to the type of MBR confirmed in Example 3-2-(5). (Left: LB-EPS, Right: TB-EPS)
Figure 26 shows the cumulative sum of the EPS components according to the MBR type confirmed in Example 3-2-(5). (Top: EPS carbohydrate component, Bottom: EPS protein component)
Figure 27 is a photograph of the separator removed from each MBR confirmed in Example 3-2-(6). (Left: MBR1 without any carrier, Middle: MBR2 with microorganism-immobilized coated alginate beads, Right: MBR3 with microorganism-immobilized alginate beads)
Figures 28 and 29 are FE-SEM images at 1k times (Figure 28) or 10k times (Figure 29) of the separator removed from each MBR confirmed in Example 3-2-(6). (Top: MBR1 without any carrier, middle: MBR2 with microorganism-immobilized coated alginate beads, bottom: MBR3 with microorganism-immobilized alginate beads)
Figure 30 shows the results of an experiment evaluating rhamnolipid production ability according to the medium, input strain, input method, presence or absence of coating, and MBR input confirmed in Example 3-2-(7).
Figure 31 is a photograph of a laboratory-scale batch reactor used in Example 3-2-(8).
Figure 32 shows a linear regression equation for calculating the activated sludge specific resistance value (specific cake resistance, α) according to the type of MBR identified in Example 3-2-(8). (Top: first reaction tank without any carrier, bottom: second reaction tank with microbial immobilization coated alginate beads)

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 폐수가 생물 반응조 내에 침지된 분리막의 외부에서 내부로 유입되면서 정수되는 공정이 연속적으로 수행되는 상기 생물 반응조의 운전 방법을 제공한다.The present invention provides a method of operating a bioreactor in which wastewater flows from the outside to the inside of a separation membrane immersed in the bioreactor and the purification process is continuously performed.

본 발명의 생물 반응조의 운전 방법은 상기 생물 반응조 내부에 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된 것이다.The method of operating a biological reactor of the present invention includes the step of injecting a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms into the biological reactor, and the carrier is coated on the outside with a polymer material.

분리막(membrane)은 생물 반응조 내에 침지시켜 사용할 수 있는 막이라면 제한되지 않고, 예를 들면 정밀여과(Microfiltration; MF)막 또는 한외여과(Ultrafiltration; UF)막일 수 있으며, 처리 대상 폐수의 성질에 따라 임의로 선택될 수 있다.The separation membrane is not limited as long as it can be used by immersing it in a biological reactor. For example, it may be a microfiltration (MF) membrane or an ultrafiltration (UF) membrane, and may be optionally used depending on the nature of the wastewater to be treated. can be selected

분리막의 형태는 평막 또는 중공사막일 수 있다.The form of the separation membrane may be a flat membrane or a hollow fiber membrane.

람노리피드(rhamnolipid)는 생물학적 계면활성제의 일종이다. 람노리피드는 글리코리피드(glycolipid)의 한 종류로서 도 2와 같이 다당류인 람노오스(rhamnose)와 지방산(fatty acid)로 이루어져 있다. 람노리피드는 생분해성이 높고 적은 독성을 가지고 있으며, 여러 환경에 호환성이 좋고 비교적 높은 계면 활성도를 가진다. 람노리피드는 계면 활성 작용에 의해 생물막 저감 효과를 나타낸다. 람노리피드의 생물막 저감 효과에 따른 막 오염 제어 기작은 도 3과 같다.Rhamnolipid is a type of biological surfactant. Rhamnolipid is a type of glycolipid and is composed of the polysaccharide rhamnose and fatty acid, as shown in Figure 2. Rhamnolipids are highly biodegradable, have low toxicity, are compatible with various environments, and have relatively high surface activity. Rhamnolipids exhibit a biofilm reduction effect through surface activity. The membrane fouling control mechanism according to the biofilm reduction effect of rhamnolipid is shown in Figure 3.

람노리피드 생성 미생물은 박테리아와 같은 임의의 미생물을 의미하고, 적절한 조건에서 람노리피드를 합성 또는 생산할 수 있는 능력을 가진 것이라면 제한되지 않는다. 람노리피드 생성 미생물은 예를 들면 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens), 슈도모나스 알칼리게네스(Pseudomonas alcaligenes), 슈도모나스 클로라피스(Pseudomonas chlororaphis), 슈도모나스 클리멘시아(Pseudomonas clemencia), 슈도모나스 콜리에리아(Pseudomonas collierea), 슈도모나스 플루오레스센스(Pseudomonas fluorescens), 슈도모나스 루테올라(Pseudomonas luteola), 슈도모나스 퓨티다(Pseudomonas putida), 슈도모나스 스트투제리(Pseudomonas stutzeri) 및 슈도모나스 티시디아(Pseudomonas teessidea)일 수 있다.Rhamnolipid-producing microorganism refers to any microorganism such as bacteria, and is not limited as long as it has the ability to synthesize or produce rhamnolipid under appropriate conditions. Rhamnolipid-producing microorganisms include, for example, Pseudomonas nitroreducens , Pseudomonas alcaligenes , Pseudomonas chlororaphis, Pseudomonas clemencia , and Pseudomonas collieria. collierea ), Pseudomonas fluorescens , Pseudomonas luteola , Pseudomonas putida, Pseudomonas stutzeri and Pseudomonas teessidea .

일 실시예에 있어서, 람노리피드 생성 미생물은 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens)일 수 있다.In one embodiment, the rhamnolipid-producing microorganism may be Pseudomonas nitroreducens .

일 실시예에 있어서, 람노리피드 생성 미생물은 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens) KCTC12325일 수 있다.In one embodiment, the rhamnolipid-producing microorganism may be Pseudomonas nitroreducens KCTC12325.

람노리피드 생성 미생물은 물기를 함유한 고형물 형태일 수 있고, 이 경우 용어 “wet cell”로 표현될 수 있다.Rhamnolipid-producing microorganisms may be in the form of solids containing water, in which case they may be expressed by the term “wet cell.”

람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 분리막 생물 반응조 내부에 주입하면, 미생물에 의해 생성된 람노리피드의 계면 활성 작용에 의해 분리막 오염 제어 효과가 있다. 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 이용하는 경우, 담체에 포함된 미생물이 지속적으로 람노리피드를 생성하기 때문에 람노리피드 자체를 생물 반응조 내부에 여러번 주입해 주지 않아도 된다. 또한, 분리막에 담체가 충돌하기 때문에 물리적인 막 오염 제어 효과도 있다.When a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms is injected into the membrane bioreactor, there is an effect of controlling membrane contamination due to the surface activity of rhamnolipids produced by the microorganisms. When using a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms, the rhamnolipid itself does not need to be injected multiple times into the bioreactor because the microorganisms contained in the carrier continuously produce rhamnolipids. Additionally, because the carrier collides with the separation membrane, there is also a physical membrane fouling control effect.

람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체는 상기 생물 반응조 내부에 1회 주입될 수 있다. 담체에 포함된 미생물이 지속적으로 람노리피드를 생성하기 때문에 1회 주입만으로도 우수한 막 오염 제어 효과가 있다.A carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms may be injected once into the bioreactor. Since the microorganisms contained in the carrier continuously produce rhamnolipids, a single injection has an excellent membrane fouling control effect.

일 실시예에 있어서, 람노리피드 생성 미생물은 람노리피드 생성 미생물이 배양된 배지를 원심분리한 후 상등액을 제거하여 수득된 것일 수 있다. 상기 배지는 액체상태의 영양 배지일 수 있다.In one embodiment, the rhamnolipid-producing microorganism may be obtained by centrifuging the medium in which the rhamnolipid-producing microorganism was cultured and then removing the supernatant. The medium may be a liquid nutrient medium.

일 실시예에 있어서, 람노리피드 생성 미생물은 람노리피드 생성 미생물이 배양된 배지를 원심분리한 후 수득된 펠렛으로부터 수득될 수 있다.In one embodiment, rhamnolipid-producing microorganisms can be obtained from a pellet obtained after centrifuging the medium in which the rhamnolipid-producing microorganisms were cultured.

상기 원심분리의 속도는 5,000 g 내지 15,000 g, 6,000 g 내지 14,000 g, 7,000 g 내지 13,000 g, 8,000 g 내지 12,000g 또는 9,000 g 내지 11,000 g일 수 있다.The centrifugation speed may be 5,000 g to 15,000 g, 6,000 g to 14,000 g, 7,000 g to 13,000 g, 8,000 g to 12,000 g, or 9,000 g to 11,000 g.

일 실시예에 있어서, 담체는 알지네이트 비드(예컨대, 칼슘 알지네이트 비드)일 수 있다.In one embodiment, the carrier may be alginate beads (eg, calcium alginate beads).

일 실시예에 있어서, 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체는 람노리피드 생성 미생물이 배양된 배지를 원심분리한 후 수득된 펠렛과 알지네이트 용액의 혼합물로부터 수득될 수 있다. 상기 펠렛은 증류수에 현탁된 것일 수 있다.In one embodiment, a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms can be obtained from a mixture of a pellet obtained after centrifuging a medium in which rhamnolipid-producing microorganisms are cultured and an alginate solution. The pellet may be suspended in distilled water.

람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된 것이다. 담체 외부에 코팅층이 형성되므로 담체의 안정성이 증가하여 담체의 형태와 무게를 유지할 수 있어 이에 포함된 미생물이 장기적으로 람노리피드를 생성할 수 있다. 본 발명자들은 람노리피드 생성 미생물을 포함하고 외부가 고분자 물질로 코팅된 담체가 생물 반응조에 주입된 후 20일 이상, 30일 이상 또는 40일 이상의 장기간 동안에도 형태와 무게를 안정적으로 유지하며 람노리피드를 생성하는 것을 확인하였다.The carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms is coated on the outside with a polymer material. Since a coating layer is formed on the outside of the carrier, the stability of the carrier increases and the shape and weight of the carrier can be maintained, allowing microorganisms contained therein to produce rhamnolipids for a long period of time. The present inventors have found that a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms and coated on the outside with a polymer material maintains its shape and weight stably even for a long period of 20 days or more, 30 days or more, or 40 days or more after being injected into a bioreactor, and I confirmed that the feed was being created.

람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체의 외부를 코팅하는 고분자 물질은 폴리설폰(polysulfone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(polyamide elastomer), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methymethacrylate)), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride)), 및 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.The polymer materials that coat the outside of the carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms include polysulfone, polyurethane, polyacetal, polyamide, polyamide elastomer, and polyester. ester, polyester elastomer, polypropylene, polyacrylonitrile, poly(methymethacrylate), polyolefin, polyvinyl chloride It may be any one selected from the group consisting of vinyl chloride), and silicon.

일 실시예에 있어서, 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체의 외부를 코팅하는 고분자 물질은 폴리설폰(polysulfone)일 수 있다.In one embodiment, the polymer material that coats the exterior of the carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms may be polysulfone.

람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체는 상기 생물 반응조의 용적당 300개/L 이하, 250 개/L 이하, 200 개/L 이하, 180 개/L 이하, 170 개/L 이하 또는 170 개/L의 개수밀도로 주입될 수 있다. 즉, 적은 개수의 담체만으로도 우수한 생물 반응조 내 분리막의 오염 제어 효과가 있다.The number of carriers containing rhamnolipid-producing microorganisms is 300 or less, 250 or less, 200 or less, 180 or less, 170 or less, or 170 or less per volume of the biological reactor. It can be injected at a number density of . In other words, even with a small number of carriers, there is an excellent contamination control effect of the separation membrane in the biological reactor.

람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체의 평균 직경은 3.0 mm 내지 4.5 mm일 수 있다.The average diameter of the carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms may be 3.0 mm to 4.5 mm.

담체에 포함된 람노리피드 생성 미생물의 평균 농도는 20 mg/ml 내지 30 mg/ml, 21 mg/ml 내지 28 mg/ml 또는 22 mg/ml 내지 26 mg/ml일 수 있다. 상기 미생물의 평균 농도는 람노리피드 생성 미생물이 배양된 배지를 원심분리한 후 수득된 펠렛(혹은 펠렛의 현탁액) 및 알지네이트 용액 혼합물의 부피(ml)에 대한 상기 펠렛의 무게(mg)의 비율로 계산된 것일 수 있다.The average concentration of rhamnolipid-producing microorganisms contained in the carrier may be 20 mg/ml to 30 mg/ml, 21 mg/ml to 28 mg/ml, or 22 mg/ml to 26 mg/ml. The average concentration of the microorganisms is the ratio of the weight (mg) of the pellet to the volume (ml) of the pellet (or suspension of pellet) and alginate solution mixture obtained after centrifuging the medium in which rhamnolipid-producing microorganisms were cultured. It may have been calculated.

본 발명의 생물 반응조의 운전 방법은 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 이용함으로써, 별도의 람노리피드 정제 과정이 요구되지 않는다. 람노리피드를 생합성 후 이용하는 경우, 람노리피드의 분리 및 정제를 위해 추가 공정이 필요하기 때문에 산업적 측면에서 작업환경적, 경제적 부담이 있다. 따라서, 본 발명의 생물 반응조의 운전 방법은 산업적으로도 높은 활용 가치가 있다.The operating method of the biological reactor of the present invention uses a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms, so a separate rhamnolipid purification process is not required. When rhamnolipids are used after biosynthesis, additional processes are required to separate and purify the rhamnolipids, which poses an environmental and economic burden on the industrial side. Therefore, the method of operating a biological reactor of the present invention has high industrial utility.

또한, 본 발명은 수처리 시스템을 제공한다.Additionally, the present invention provides a water treatment system.

본 발명의 수처리 시스템은 폐수를 주입하기 위한 유입 펌프; 상기 유입 펌프에 의해 주입된 폐수가 활성슬러지에 침지된 후 분리막을 통과하도록 구성된 생물 반응조; 및 상기 분리막의 내부와 연통되며 상기 분리막을 통과한 폐수를 상기 생물 반응조 외부로 유출시키기 위한 유출 펌프를 포함한다.The water treatment system of the present invention includes an inlet pump for injecting wastewater; a bioreactor configured to allow wastewater injected by the inlet pump to pass through a separation membrane after being immersed in activated sludge; and an outflow pump that communicates with the interior of the separation membrane and discharges wastewater that has passed through the separation membrane to the outside of the bioreactor.

상기 생물 반응조는 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 포함하고, 상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된 것이다.The biological reactor includes a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms, and the exterior of the carrier is coated with a polymer material.

본 발명의 수처리 시스템은 람노리피드 생성 미생물이 상기 생물 반응조 내에 유입되는 담체 유입로를 더 포함할 수 있다. 상기 담체 유입로는 상기 생물 반응조 내부와 연결된 것일 수 있다.The water treatment system of the present invention may further include a carrier inlet through which rhamnolipid-producing microorganisms are introduced into the bioreactor. The carrier inlet may be connected to the inside of the biological reactor.

유입 펌프는 외부로부터 생물 반응조 내부에 폐수를 이송하기 위한 펌프로, 유입 펌프에 의해 주입된 폐수는 생물 반응조 내부의 활성슬러지에 침지된다.The inlet pump is a pump for transporting wastewater from the outside into the bioreactor, and the wastewater injected by the inlet pump is immersed in the activated sludge inside the bioreactor.

활성슬러지는 폐수 속 물질을 섭취 또는 분해하는 능력이 있는 슬러지로, 세균류, 원생동물, 후생동물 등의 미생물 및 비생물성의 무기물과 유기물 등으로 구성된다. 유입 펌프에 의해 주입된 폐수가 활성슬러지에 침지되어 폐수 내 유기물 등이 흡착된다.Activated sludge is sludge that has the ability to ingest or decompose substances in wastewater, and is composed of microorganisms such as bacteria, protozoa, and metazoans, as well as abiotic inorganic and organic substances. The wastewater injected by the inlet pump is immersed in activated sludge, and organic substances in the wastewater are adsorbed.

분리막은 활성슬러지에 침지되어 있으며, 활성슬러지에 침지된 폐수가 분리막을 통과하면서 폐수 내 오염 물질이 제거된다. 분리막의 종류 및 형태는 전술한 범위 내의 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 분리막은 생물 반응조 내부에 한 개 또는 두 개 이상 포함될 수 있다.The separation membrane is immersed in activated sludge, and as wastewater immersed in activated sludge passes through the membrane, contaminants in the wastewater are removed. The type and shape of the separator may be within the above-mentioned range, but is not limited thereto. One or more separation membranes may be included inside the bioreactor.

유출 펌프는 생물 반응조 내부로부터 외부로 처리수(즉, 처리된 폐수)를 이송하기 위한 펌프로, 활성슬러지에 침지된 후 분리막을 통과하여 처리된 폐수는 유출 펌프에 의해 외부로 이송된다.The effluent pump is a pump for transporting treated water (i.e., treated wastewater) from the inside of the bioreactor to the outside. After being immersed in activated sludge, the treated wastewater that passes through the separation membrane is transported to the outside by the effluent pump.

상기 생물 반응조는 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 포함함으로써 담체에 포함된 미생물이 계속 람노리피드를 생성하기 때문에 람노리피드 자체를 생물 반응조 내부에 지속적으로 주입해 주지 않아도 분리막 오염 제어 효과가 우수하다. 또한, 분리막에 담체가 충돌하기 때문에 물리적인 막 오염 제어 효과도 있다.The bioreactor contains a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms, so that the microorganisms contained in the carrier continuously produce rhamnolipids, so the membrane contamination control effect is achieved even if the rhamnolipid itself is not continuously injected into the bioreactor. great. Additionally, because the carrier collides with the separation membrane, there is also a physical membrane fouling control effect.

람노리피드, 람노리피드 생성 미생물, 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체 및 고분자 물질은 전술한 범위 내의 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Rhamnolipids, rhamnolipid-producing microorganisms, carriers containing rhamnolipid-producing microorganisms, and polymer materials may be within the above-mentioned range, but are not limited thereto.

일 실시예에 있어서, 생물 반응조는 내부에 산소를 발생시키는 산소발생기를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the biological reactor may further include an oxygen generator that generates oxygen therein.

일 실시예에 있어서, 생물 반응조는 내부에 수위를 조절해 주는 수위 조절 센서를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the biological reactor may further include a water level control sensor that controls the water level inside the bioreactor.

일 실시예에 있어서, 생물 반응조는 내부에 분리막의 막간차압을 모니터링하는 막간차압 센서를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the biological reactor may further include an intermembrane differential pressure sensor therein that monitors the transmembrane differential pressure of the separation membrane.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

실시예Example

1. 실험 재료1. Experimental Materials

1-1. 담체 (meida)1-1. Carrier (meida)

(1) 람노리피드(Rhamnolipid) 생성 미생물과 성장조건(1) Rhamnolipid-producing microorganisms and growth conditions

본 실시예에서 담체에 고정할 rhamnolipid 생성 미생물로서 생물자원센터 (KCTC)에서 분양받은 pseudomonas nitroreducens KCTC12325 를 이용하였다. pseudomonas nitroreducens KCTC12325 는 감염성 물질을 생성하지 않으면서도 람노리피드 생성율이 높은 미생물이다.In this example, pseudomonas nitroreducens KCTC12325, purchased from the Biological Resources Center (KCTC), was used as a rhamnolipid-producing microorganism to be immobilized on the carrier. pseudomonas nitroreducens KCTC12325 is a microorganism that does not produce infectious substances but has a high rhamnolipid production rate.

동결건조 상태로 분양받은 KCTC12325 를 먼저 Nutrient Agar (NA)평판 배지에 접종시킨 뒤 인큐베이터 내에 30℃ 의 온도에서 배양시켰다. 고정화에 사용할 때는 평판 배지에 배양된 군집 중 하나를 고압멸균 (121℃, 15 min)된 액체상태의 영양염류 배지 (mineral salt medium, MSM)에 접종하여 사용하였다. 영양염류 배지의 탄소원은 본 실시예에서 사용한 인공하수의 탄소원과 같은 글루코스(C6H12O6)로 하여 제조하였고 그 외의 배지 영양 성분은 선행 문헌 (Onwosi and Odibo 2013)을 참조하여 본 실험 조건에 맞게 제작하였다 (표 1).KCTC12325, delivered in freeze-dried form, was first inoculated onto Nutrient Agar (NA) plate medium and then cultured in an incubator at a temperature of 30°C. When used for immobilization, one of the colonies cultured on a plate medium was inoculated into liquid nutrient salt medium (MSM) that had been autoclaved (121°C, 15 min). The carbon source of the nutrient medium was prepared from glucose (C 6 H 12 O 6 ), the same as the carbon source of the artificial sewage used in this example, and the other nutritional components of the medium were determined under the conditions of this experiment with reference to previous literature (Onwosi and Odibo 2013). It was manufactured to suit (Table 1).

구성성분Ingredients 농도 (mg/L)Concentration (mg/L) 탄소원carbon source C6H12O6 C 6 H 12 O 6 20,00020,000 다량 영양소
(macro nutrient)
macronutrients
(macro nutrient)
KH2PO4 KH 2 PO 4 2,0002,000
K2HPO4 K 2 HPO 4 5,0005,000 (NH4)2SO4 (NH 4 ) 2 SO 4 3,0003,000 NaNO3 NaNO 3 2,0002,000 NaClNaCl 100100 MgSO4·7H2OMgSO 4 ·7H 2 O 200200 FeSO4·7H2O FeSO4 · 7H2O 1010 CaCl2 CaCl 2 1010 미량 영양소
(micro nutrient)
micronutrients
(micro nutrient)
ZnSO4·7H2OZnSO 4 ·7H 2 O 5.255.25
MnSOH2OMnSO H 2 O 140140 CuSO4·5H2OCuSO 4 ·5H 2 O 70.570.5 NaMoO4·2H2ONaMoO 4 ·2H 2 O 19.519.5 CoCl2·6H2OCoCl 2 ·6H 2 O 200200 H3BO3 H3BO3 _ 1515

미생물 접종 및 배지 샘플링 등 미생물과 관련된 모든 실험은 KCTC12325 를 제외한 다른 균들이 잘못 배양되는 것을 막기 위해 멸균된 클린벤치에서 진행하였으며 미생물 관련 실험에 사용한 모든 실험 도구들 또한 같은 이유로 모두 멸균하여 사용하였다.All experiments related to microorganisms, such as microorganism inoculation and medium sampling, were conducted on a sterilized clean bench to prevent incorrect cultivation of other bacteria except KCTC12325, and all laboratory tools used in microorganism-related experiments were also sterilized for the same reason.

(2) 미생물 고정 알지네이트 비드 제조(2) Manufacturing of microorganism-immobilized alginate beads

미생물 고정에 사용한 담체로서 생태 독성이 적어 생체 적합성이 우수한 칼슘 알지네이트 비드를 사용하였다. 본 실시예에서 활성슬러지 반응조에 직접 투입 시킬 예정이었으므로 생태 독성이 적은 이 칼슘 알지네이트 비드를 미생물 고정 담체로써 사용하였다. Calcium alginate beads, which have low ecotoxicity and excellent biocompatibility, were used as a carrier for fixing microorganisms. In this example, since it was planned to be directly added to the activated sludge reaction tank, these calcium alginate beads, which have low ecological toxicity, were used as a microbial immobilization carrier.

칼슘 알지네이트 비드의 제작법은 도 4와 같다. NA 평판 배지에 배양하던 람노리피드(rhamnolipid) 생성 미생물인 KCTC12325 를 MSM 액체배지에 접종한 후에 30 ℃의 인큐베이터 안에서 180 rpm 으로 36 시간 동안 배양하였다. KCTC12325 를 배양한 액체배지를 10,000 g 의 속도로 15 분 동안 원심분리하여 상등액을 제거한 뒤 남은 wet cell 을 10 mL 의 증류수에 재현탁 해주었다. 10 mL 의 KCTC12325 용액은 2% (w/v)의 소듐 알지네이트 용액 40 mL 와 섞어 KCTC12325-알지네이트 용액을 만들어 주었다. KCTC12325-알지네이트 용액은 연동펌프를 이용하여 1.2 mL/min 의 일정한 속도로 3 mm 의 지름을 가지는 노즐을 통해 200 rpm 의 일정한 속도로 교반되고 있는 4% (w/v)의 염화칼슘 수용액에 떨어뜨렸다. 떨어뜨려 준 후 10 시간의 경화시간을 거친 후에 증류수로 3 번 세정하였다.The manufacturing method of calcium alginate beads is shown in Figure 4. KCTC12325, a rhamnolipid-producing microorganism cultivated on NA plate medium, was inoculated into MSM liquid medium and cultured in an incubator at 30°C at 180 rpm for 36 hours. The liquid medium in which KCTC12325 was cultured was centrifuged at a speed of 10,000 g for 15 minutes to remove the supernatant, and the remaining wet cells were resuspended in 10 mL of distilled water. 10 mL of KCTC12325 solution was mixed with 40 mL of 2% (w/v) sodium alginate solution to create a KCTC12325-alginate solution. The KCTC12325-alginate solution was dropped into a 4% (w/v) calcium chloride aqueous solution being stirred at a constant speed of 200 rpm through a nozzle with a diameter of 3 mm at a constant speed of 1.2 mL/min using a peristaltic pump. After dropping and curing for 10 hours, it was washed three times with distilled water.

(3) 미생물 고정 알지네이트 비드 코팅(3) Coating of microorganism immobilized alginate beads

미생물 고정 알지네이트 비드 코팅 방법으로 비 용매 유도 상전이법 (non-solvent phase separation, NIPs)을 이용하였다. 비드를 코팅하는 고분자 물질 재료로서 GoodFellow 사에서 구매한 polysulfone granule (SU346320)을 사용했다. 고분자 물질을 녹이는 유기용매는 N-Methyle-2-pyrrolidone을 사용했고 히팅 플레이트를 이용하여 24 시간 동안 60 ℃ 의 온도에서 400 rpm 으로 교반시켜 균질한 용액을 만들어 주었다. 기존에 만들어 준 미생물 고정 알지네이트 비드는 수분을 충분히 함유하게 한 다음 polysulfone 용액에 잠기게 하여 10초간 반응시켰다. 이 과정에서 알지네이트 비드가 함유한 수분이 확산, 대류 현상을 통해 유기용매와 상전이가 일어났고 이로 인해 고분자 물질인 polysulfone 이 알지네이트 비드 표면에 석출되었다. 일차적으로 고분자 용액에서 미세다공성 층이 생겨난 비드를 추출하여 증류수에 1시간 동안 담가 놓았고 이를 통해 polysulfone 용액을 제거함과 동시에 이차적으로 미세다공성 층을 생성시켰다. 두 겹의 코팅이 완료된 알지네이트 비드는 증류수로 세 번 세정하였고, 유기용매의 잔류를 방지하기 위해 24시간 이상 증류수에 보관한 뒤에 실험에 사용하였다.Non-solvent phase separation (NIPs) was used as a microbial immobilized alginate bead coating method. As a polymer material for coating the beads, polysulfone granules (SU346320) purchased from GoodFellow were used. N-Methyle-2-pyrrolidone was used as an organic solvent for dissolving the polymer material, and a homogeneous solution was created by stirring at 400 rpm at 60°C for 24 hours using a heating plate. The previously prepared microorganism-immobilized alginate beads were allowed to contain sufficient moisture, then submerged in a polysulfone solution and reacted for 10 seconds. During this process, the moisture contained in the alginate beads underwent a phase transition with the organic solvent through diffusion and convection, and as a result, polysulfone, a polymer material, precipitated on the surface of the alginate beads. First, the beads that formed a microporous layer were extracted from the polymer solution and soaked in distilled water for 1 hour to remove the polysulfone solution and secondarily create a microporous layer. Alginate beads with two layers of coating completed were washed three times with distilled water and stored in distilled water for more than 24 hours to prevent residual organic solvents before being used in the experiment.

1-2. 분리막 (membrane)1-2. Separator (membrane)

MBR 운전에 사용한 분리막은 YUASA Co.(Japan)에서 제조된 MF (microfiltration) 평막을 사용하였다. 막 표면은 친수성으로 코팅되어 있고 막의 유효면적은 0.1 m2/module 이다. 공칭공경은 0.4 ㎛ 이고 세부 사항은 표 2 에 자세히 기술하였다.The separation membrane used in MBR operation was a MF (microfiltration) flat membrane manufactured by YUASA Co. (Japan). The membrane surface is hydrophilically coated and the effective area of the membrane is 0.1 m 2 /module. The nominal pore diameter is 0.4 ㎛ and details are detailed in Table 2.

ParameterParameter PropertyProperty 막의 재질Material of the membrane PE (polyethylene)PE (polyethylene) 막의 종류type of membrane 평막Flat membrane 막의 유효면적 (m2)Effective area of membrane (m 2 ) 0.10.1 공칭공경 (㎛)Nominal pore diameter (㎛) 0.40.4 막의 크기 (mm)Membrane size (mm) W240 × H340 × T7.5W240 × H340 × T7.5 운전 Flux 범위 (m/day)Operating flux range (m/day) 0.3 - 0.50.3 - 0.5 운전 온도 범위 (℃)Operating temperature range (℃) 2 - 382 - 38 운전 압력 범위 (kPa)Operating pressure range (kPa) -4.9 - 0-4.9 - 0 운전 pH 범위Operating pH range 3 - 103 - 10

1-3. 활성슬러지 (activated sludge)1-3. activated sludge

서울시 J 물 재생 센터에 있는 A20 공정의 호기조에서 활성슬러지를 채취하여 사용하였다. 채취한 활성슬러지는 불필요한 고형물을 제거하기 위해 2mm 눈금의 채를 이용하여 3회 거른 후 침전시켰다. 그 후 상등수를 제거하는 작업을 통해 기타 불순물들과 기름 성분을 제거해 주었다. 전처리를 진행해준 활성슬러지는 12 시간 이상 공기를 공급하여 활성슬러지의 활성도를 유지하고 안정화한 후 MLSS(mixed liquor suspended solids) 농도를 각 실험에 맞게 맞추어 반응조 안에서 식종하였다.Activated sludge was collected and used from the aerobic tank of the A20 process at J Water Reclamation Center in Seoul. The collected activated sludge was filtered three times using a 2 mm graduated sieve to remove unnecessary solids and then allowed to settle. Afterwards, other impurities and oil components were removed by removing the supernatant. The activated sludge that underwent pretreatment was maintained and stabilized by supplying air for more than 12 hours, and then seeded in a reaction tank with the MLSS (mixed liquor suspended solids) concentration adjusted to suit each experiment.

1-4. 인공하수 (synthetic waste water)1-4. artificial waste water

MBR 실험에 사용한 유입수로는 인공하수를 제작하여 사용했다. 인공하수의 탄소원으로는 글루코스 (C6H12O6), 질소원으로는 탄산암모늄 (NH4HCO3)을 사용하였고 알칼리도를 유지하기 위해 NaHCO3 를 사용하였다. 이외에 투입한 다량 영양소 (macro nutrient) 와 미량 영양소 (micro nutrient) 성분들은 표 3 에 자세히 기술하였다.Artificial sewage was used as the inflow water used in the MBR experiment. Glucose (C 6 H 12 O 6 ) was used as a carbon source for artificial sewage, ammonium carbonate (NH 4 HCO 3 ) was used as a nitrogen source, and NaHCO 3 was used to maintain alkalinity. In addition, the macro and micro nutrients added are detailed in Table 3.

구성성분Ingredients 농도 (mg/L)Concentration (mg/L) 탄소원carbon source C6H12O6 C 6 H 12 O 6 300300 질소원nitrogen source NH4HCO3 NH 4 HCO 3 300300 알칼리도 유지Maintain alkalinity NaHCO3 NaHCO 3 211.6211.6 다량 영양소
(macro nutrient)
macronutrients
(macro nutrient)
NaH2PO4 NaH2PO4 _ 7272
MgSO4·7H2OMgSO 4 ·7H 2 O 3535 CaCl2H2OCaCl 2 · 2H 2 O 55 NaClNaCl 180180 KClKCl 3030 yeast extractionyeast extraction 1One 미량 영양소
(micro nutrient)
micronutrients
(micro nutrient)
EDTAEDTA 1010
FeCl3·6H2OFeCl 3 6H 2 O 1.51.5 H3BO3 H3BO3 _ 0.150.15 CuSO4·5H2OCuSO 4 ·5H 2 O 0.060.06 KIKI 0.180.18 MnCl4H2OMnCl 2 · 4H 2 O 0.120.12 Na2MoO4·2H2ONa 2 MoO 4 ·2H 2 O 0.060.06 ZnSO4·7H2OZnSO 4 ·7H 2 O 0.120.12 CoCl2·6H2OCoCl 2 ·6H 2 O 0.150.15

2. 실험 방법2. Experimental method

2-1. 람노리피드 (Rhamnolipid) 정량2-1. Rhamnolipid quantification

람노리피드를 정량하는 방법으로는 분광광도법 중에서도 널리 사용되고 있는 orcinol test (Onwosi and Odibo 2013)를 이용하였다. orcinol test 는 측정하고자 하는 시료 내에 glycolipid 의 양을 직접 측정하여 람노리피드의 양을 정량하는 방법이다. 먼저 람노리피드를 정량하기 위해 채취한 시료를 원심분리 (10000 g ,15 min)하여 상등액만 분리했다. 분리해 준 상등액을 3번 반복실험을 위해 0.3 mL 씩 3개로 나누었다. 나누어진 샘플을 1 mL 다이에틸 에터(diethyle ether) 로 두 번 추출해 주었다. 추출해 준 글리코리피드(glycolipid) 에 증류수를 부어 글리코리피드 용액 1mL 를 만들어 주고, 53% 의 H2SO4 에 오르시놀(orcinol) 을 0.19% 의 농도로 녹인 오르시놀 용액을 9mL 주입했다. 최종적으로 만들어 준 용액은 30 분 동안 80 ℃ 의 온도로 가열했고 실온에 15 분 식힌 후에 UV 분광광도계를 이용하여 OD421을 측정해 주었다. 측정 시에 표준 곡선은 람노오스 (rhamnose) (0, 10, 20, 30, 40, 50 mg/L)로 준비했고 람노오스 1 ㎍에 람노리피드가 2.5 ㎍ 상응한다는 가정하에 간접적으로 람노리피드의 농도를 구하였다.The orcinol test (Onwosi and Odibo 2013), which is widely used among spectrophotometric methods, was used to quantify rhamnolipids. The orcinol test is a method of quantifying the amount of rhamnolipid by directly measuring the amount of glycolipid in the sample to be measured. First, to quantify rhamnolipids, the collected samples were centrifuged (10000 g, 15 min) to separate only the supernatant. The separated supernatant was divided into three portions of 0.3 mL each for three repeated experiments. The divided samples were extracted twice with 1 mL diethyl ether. Distilled water was poured into the extracted glycolipid to make 1 mL of glycolipid solution, and 9 mL of orcinol solution in which orcinol was dissolved at a concentration of 0.19% in 53% H 2 SO 4 was injected. The final solution was heated to a temperature of 80°C for 30 minutes, cooled to room temperature for 15 minutes, and then OD421 was measured using a UV spectrophotometer. At the time of measurement, a standard curve was prepared with rhamnose (0, 10, 20, 30, 40, 50 mg/L), and the rhamnolipid was indirectly measured under the assumption that 1 μg of rhamnose corresponds to 2.5 μg of rhamnolipid. The concentration was obtained.

2-2. MBR (membrane bioreactor) 장치2-2. MBR (membrane bioreactor) device

분리막 생물반응조 (MBR)는 침지형으로 실험실 규모의 3개의 반응조를 유효용적을 6L 로 하여 아크릴로 제작하였다 (도 5). MBR 장치는 유입수와 처리수를 주입하고 배출시켜주는 연동펌프 (peristaltic pump), 반응조 내부의 공기주입을 해주는 산기장치 (aerator), 반응조 내부의 수위를 조절해주는 수위 센서 (water level sensor), 분리막의 막간차압을 모니터링 하는 TMP(Transmembrane Pressure) 센서, 생물반응조 내부에 침지되어 있는 평판형 막 모듈로 이루어져 있다 (도 6).The membrane bioreactor (MBR) was an immersion type, made of acrylic with three laboratory-scale reaction tanks with an effective volume of 6L (FIG. 5). The MBR device includes a peristaltic pump that injects and discharges influent and treated water, an aerator that injects air into the reaction tank, a water level sensor that controls the water level inside the reaction tank, and a separation membrane. It consists of a TMP (Transmembrane Pressure) sensor that monitors the differential pressure between membranes, and a flat membrane module immersed inside the bioreactor (Figure 6).

운전방식은 연동펌프를 이용하여 연속적으로 유입수를 생물반응조 내부로 주입해 주었고, 평판형 모듈에 또 다른 연동펌프를 연결하여 연속적으로 막 여과를 진행하고 처리수를 생산해주었다. 또 연속적인 유입수 주입으로 인한 반응조 내부의 슬러지가 넘치는 사고를 막기 위해 수위 조절센서를 유입수 펌프에 연결했다. 수위가 일정 이상 상승하게 되면 유입수 펌프의 가동을 멈추어 반응조의 수위를 조절하는 방식이다. 반응조 내부 막에 걸리는 막간차압을 TMP 센서를 통해 모니터링 해주는 방식으로 침지형 분리막 생물반응조를 운전하였다.The operation method used a peristaltic pump to continuously inject influent water into the bioreactor, and connected another peristaltic pump to the flat module to continuously perform membrane filtration and produce treated water. In addition, a water level control sensor was connected to the influent pump to prevent accidents where sludge overflows inside the reaction tank due to continuous injection of influent water. When the water level rises above a certain level, the inlet pump is stopped to control the water level in the reaction tank. A submerged membrane bioreactor was operated by monitoring the transmembrane pressure applied to the internal membrane of the reactor using a TMP sensor.

2-3. 수질 분석2-3. water quality analysis

(1) MLSS, MLVSS(1) MLSS, MLVSS

SRT (solid retention time) 유지를 위해 반응조에서 빼내 준 슬러지를 이용하여 MLSS (mixed liquor suspended solids) 및 MLVSS (mixed liquor volatile suspended solids)를 측정하였다. MLSS 는 공정시험법을 기준으로 하여 1.2㎛ GF/C filter (Whatman, U.K.)로 여과한 후 105 ℃ 에서 2 시간 건조해 수분이 제거된 중량을 측정하였고, 이후 550 ℃ 에서 15 분간 회화시켜 유기물을 연소시킨 뒤 남아있는 고형물 중량과 건조 중량의 차이로 MLVSS 를 측정하였다.To maintain SRT (solid retention time), mixed liquor suspended solids (MLSS) and mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) were measured using sludge removed from the reactor. Based on the process test method, MLSS was filtered with a 1.2㎛ GF/C filter (Whatman, U.K.), then dried at 105 ℃ for 2 hours to measure the weight of moisture removed, and then incinerated at 550 ℃ for 15 minutes to remove organic matter. MLVSS was measured as the difference between the solid weight remaining after combustion and the dry weight.

(2) COD, NH(2) COD, NH 44 ++ -N, NO-N,NO 33 ++ -N, T-N-N,T-N

MBR 의 유기물 및 질소처리능력을 확인하기 위해 COD, NH4 +-N, NO3 +-N, T-N 분석을 진행하였다. 분석은 채취한 유입수 및 처리수 시료에 대해 Hach 사의 kits 를 이용하여 UV/vis 분광광도계 (OPTIZEN POP, K LAB KISWIRE Co., Korea)를 통해 분석하였다. COD, NH 4 + -N, NO 3 + -N, and TN analyzes were conducted to confirm the organic matter and nitrogen treatment ability of MBR. The collected influent and treated water samples were analyzed using a UV/vis spectrophotometer (OPTIZEN POP, K LAB KISWIRE Co., Korea) using kits from Hach.

2-4. 막간차압 분석(transmembrane pressure, TMP)2-4. Transmembrane pressure (TMP) analysis

실험에 사용한 각 MBR 의 파울링 정도를 간접적으로 판단하기 위해 처리수 라인에 전자 압력 게이지를 설치하여 TMP 를 측정하였다. 전자 압력 게이지를 노트북에 연결하여 수학식 1 이 자동으로 입력된 LabVIEW 프로그램을 이용하여 1 분마다 TMP 의 변화를 관찰하였다. To indirectly determine the degree of fouling of each MBR used in the experiment, an electronic pressure gauge was installed in the treated water line to measure TMP. An electronic pressure gauge was connected to a laptop, and changes in TMP were observed every minute using a LabVIEW program in which Equation 1 was automatically entered.

[수학식 1][Equation 1]

(P1= 막에 유입되는 압력 (kPa), P0= 막에 처리되는 압력 (kPa))(P 1 = pressure entering the membrane (kPa), P 0 = pressure being applied to the membrane (kPa))

실험에 사용한 각 MBR 의 파울링 정도를 간접적으로 판단하기 위해 처리수 라인에 전자 압력 게이지를 설치하여 TMP 를 측정하였다. 전자 압력 게이지를 노트북에 연결하여 수학식 1 이 자동으로 입력된 LabVIEW 프로그램을 이용하여 1 분마다 TMP 의 변화를 관찰하였다. To indirectly determine the degree of fouling of each MBR used in the experiment, an electronic pressure gauge was installed in the treated water line to measure TMP. An electronic pressure gauge was connected to a laptop, and changes in TMP were observed every minute using a LabVIEW program in which Equation 1 was automatically entered.

[수학식 1][Equation 1]

(P1= 막에 유입되는 압력 (kPa), P0= 막에 처리되는 압력 (kPa))(P 1 = pressure entering the membrane (kPa), P 0 = pressure being applied to the membrane (kPa))

2-5. 슬러지 비저항 값 분석 (specific cake resistance, α)2-5. Sludge resistivity value analysis (specific cake resistance, α)

반응조를 운영한 후에 rhamnolipid 생성 미생물을 고정한 담체가 활성슬러지의 비저항 값에 어떤 영향을 끼쳤는지를 분석하기 위하여 dead end filtration test (Grenier, Meireles et al. 2008)를 진행하였다. 250 mL 의 Amicon cell 에 면적이 28.7 cm2 인 PE (polyethylene) 막을 장착하였고 내부에 시료를 180 mL 채우고 질소가스를 5 kPa 로 일정하게 주입하여 주었다 (도 8). 이후 시간에 따라 막을 통과하는 처리수의 질량을 컴퓨터에 연결된 전자 저울을 이용해 10 분 동안 5 초 간격으로 연속 측정, 기록하였다. 10 분 동안 측정된 질량은 측정 당시의 온도에 따른 물의 밀도로 나누어 부피 (Vp)로 나타내었으며, 나타낸 부피 Vp 와 시간을 부피로 나눈 값 t/Vp 사이의 선형 회귀식을 통해 기울기 값을 구하였다. 구해준 기울기 값을 Vp 와 t/Vp 상관관계 방정식 (수학식 2)에서 도출한 수학식 3 에 대입하여 슬러지 비저항 값 (α)을 구하였다.After operating the reactor, a dead end filtration test (Grenier, Meireles et al. 2008) was performed to analyze the effect of the carrier immobilizing rhamnolipid-producing microorganisms on the resistivity value of activated sludge. A PE (polyethylene) membrane with an area of 28.7 cm 2 was installed in a 250 mL Amicon cell, 180 mL of sample was filled inside, and nitrogen gas was injected at a constant rate of 5 kPa (FIG. 8). Afterwards, the mass of the treated water passing through the membrane over time was continuously measured and recorded at 5-second intervals for 10 minutes using an electronic scale connected to a computer. The mass measured for 10 minutes was divided by the density of water according to the temperature at the time of measurement and expressed as volume (Vp), and the slope value was obtained through a linear regression equation between the indicated volume Vp and the time divided by volume t/Vp. . The sludge resistivity value (α) was obtained by substituting the obtained slope value into Equation 3 derived from the Vp and t/Vp correlation equation (Equation 2).

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 3][Equation 3]

(△P = 막의 막간차압 (Pa), (△P = transmembrane differential pressure (Pa),

Vp = 유출수의 누적 부피 (m3), V p = cumulative volume of effluent (m 3 ),

J = 유출수의 여과속도 (m/s),J = filtration rate of effluent (m/s),

μ = 유출수의 점성(Pa·sec),μ = viscosity of effluent (Pa·sec),

Rm = 막의 내부공극 저항 (m-1), A = 막 면적 (m2), R m = internal pore resistance of the membrane (m -1 ), A = membrane area (m 2 ),

C(t) = 시간에 따른 슬러지 농도(kg/m3),C(t) = sludge concentration over time (kg/m 3 ),

t = 경과 시간 (s),t = elapsed time (s),

α= 슬러지 비저항 값 (m/kg))α=Sludge resistivity value (m/kg))

2-6. EPS(Extracellular polymeric substance) 추출 및 분석2-6. EPS (Extracellular polymeric substance) extraction and analysis

생물막 (biofilm)형성 억제 기작을 판단하기 위하여 생물막 형성의 주요 원인중 하나인 EPS 에 대해 람노리피드 생성 미생물을 고정한 담체가 어떤 영향을 미치는지를 분석하였다. 시료는 MLSS 분석 시와 마찬가지로 SRT (solids retention time) 유지를 위해 반응조에서 빼내 준 활성슬러지를 채취하여 사용하였다. Heat extraction method (Morgan, Forster et al. 1990)를 이용하여 채취한 시료로부터 loosely bound EPS (LB-EPS)와 tightly bound EPS (TB-EPS)를 각각 추출하였다. 25 mL의 샘플을 원심분리 (4,000 g, 5 min) 하여 상등액을 버리고 남은 고형물을 70 ℃ 의 PBS solution (phosphate buffered saline) 용액으로 재현탁시켜 처음과 같은 25 mL 부피로 만들었다. Vortexing mixer 를 이용해 1분 동안 섞어준 다음 다시 원심분리 (4,000 g, 10 min) 하고 상등액을 LB-EPS 로서 추출하였다. 추출하고 남은 고형물은 60 ℃ 의 PBS solution 으로 재 현탁 시켜 처음과 같은 25 mL 부피로 만들었다. Vortexing mixer 를 이용해 1분 동안 섞어준 다음 60 ℃에서 30 분 동안 반응시킨 후 다시 원심분리 (4,000 g, 15 min) 하고 상등액을 TB-EPS 로서 추출하였다. 추출한 LB-EPS 와 TB-EPS 는 단백질과 탄수화물로 나누어 성분을 분석하였다. EPS 중 단백질 물질은 수정된 Lowry method 라고도 하는 Bio-Rad DC protein assay (Dreher, Modjtahedi et al. 2005) 를 사용하여 UV/vis 분광광도계를 이용해 분석하였고, 탄수화물 물질은 The phenol-sulfuric acid method (Nielsen 2017) 를 이용하여 UV/vis 분광광도계를 이용해 분석하였다.In order to determine the mechanism of inhibiting biofilm formation, we analyzed the effect of a carrier immobilizing rhamnolipid-producing microorganisms on EPS, one of the main causes of biofilm formation. As in the MLSS analysis, activated sludge removed from the reaction tank was used as a sample to maintain SRT (solids retention time). Loosely bound EPS (LB-EPS) and tightly bound EPS (TB-EPS) were extracted from the collected samples using the heat extraction method (Morgan, Forster et al. 1990). A 25 mL sample was centrifuged (4,000 g, 5 min), the supernatant was discarded, and the remaining solid was resuspended in 70°C PBS solution (phosphate buffered saline) to make the same volume of 25 mL. After mixing for 1 minute using a vortexing mixer, centrifugation was performed again (4,000 g, 10 min), and the supernatant was extracted as LB-EPS. The solid remaining after extraction was resuspended in 60°C PBS solution to make the same volume of 25 mL as before. After mixing for 1 minute using a vortexing mixer, the mixture was reacted at 60°C for 30 minutes, centrifuged again (4,000 g, 15 min), and the supernatant was extracted as TB-EPS. The extracted LB-EPS and TB-EPS were divided into protein and carbohydrate and analyzed for composition. Protein substances in EPS were analyzed using a UV/vis spectrophotometer using the Bio-Rad DC protein assay (Dreher, Modjtahedi et al. 2005), also known as the modified Lowry method, and carbohydrate substances were analyzed using The phenol-sulfuric acid method (Nielsen). 2017) was analyzed using a UV/vis spectrophotometer.

2-7. FE-SEM image 분석2-7. FE-SEM image analysis

MBR 실험 종료 직후 분리막을 데시게이터 (desiccator)에서 3 일 이상 건조한 다음에 FE-SEM (field emission scanning electron microscope) image 분석을 진행하였다. 분석기기는 HITACHI 사의 SU-8010 (도 9) 을 이용했고 분리막 표면을 확대하여 관찰함으로써 막 오염 상태를 시각적으로 비교분석 하였다.Immediately after completing the MBR experiment, the separator was dried in a desiccator for more than 3 days, and then FE-SEM (field emission scanning electron microscope) image analysis was performed. The analysis device used was HITACHI's SU-8010 (Figure 9), and the membrane contamination status was visually compared and analyzed by magnifying and observing the membrane surface.

3. 실험 결과3. Experimental results

3-1. 람노리피드 생성 미생물 고정화 담체 적용 가능성 평가3-1. Evaluation of applicability of rhamnolipid-producing microorganism immobilization carrier

(1) 미생물 고정화 알지네이트 비드 특징(1) Characteristics of microbial immobilized alginate beads

위 1-1-(2)의 방법으로 제조된 pseudomonas nitroreducens KCTC12325 고정화 알지네이트 비드는 평균 3.0 ~ 4.0 mm 의 지름을 갖는 탁한 구 모양이며, 평균 무게는 35 ~ 45 mg이고, 알지네이트 비드에 고정된 wet cell 의 농도는 25.25 mg/mL 의 특징을 갖는다 (표 4). The pseudomonas nitroreducens KCTC12325 immobilized alginate beads prepared by the method of 1-1-(2) above have a turbid spherical shape with an average diameter of 3.0 to 4.0 mm, an average weight of 35 to 45 mg, and wet cells immobilized on the alginate beads. The concentration is characterized as 25.25 mg/mL (Table 4).

ParametersParameters PropertiesProperties ShapeShape Unclear sphereUnclear sphere Diameter (cm)Diameter (cm) 3.5 - 4.03.5 - 4.0 Weight (mg)Weight (mg) 35 - 4535 - 45 Wet cell/Beads (mg/mL)Wet cells/Beads (mg/mL) 25.2525.25

(2) 미생물 고정화 알지네이트 비드의 람노리피드 생성 능력 평가(2) Evaluation of rhamnolipid production ability of microbial immobilized alginate beads

만들어 준 미생물 고정화 알지네이트 비드를 MBR 에 투입하기 전에 알지네이트 비드의 람노리피드 생성능력을 확인하는 실험을 진행했다. 3 개의 250 mL 삼각플라스크에 각각 다른 조건을 부여했다. 1 번 삼각플라스크에는 50 mL 의 증류수에 KCTC12325 를 배양하였고 2 번 삼각플라스크에는 50 mL 의 영양염류 배지 (mineral salt medium, MSM)에 KCTC12325 를 배양했다. 3 번 플라스크에는 50 mL 의 MSM 에 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입하였다 (표 5). 1 번과 2 번 삼각플라스크에 투입한 KCTC12325 는 3 번 플라스크에 투입한 미생물 고정화 알지네이트 비드와 같은 조건을 주기 위해 KCTC12325 를 50 mL 의 MSM 에 30 ℃ 의 온도에서 180 rpm 으로 36 시간 배양시켜 준 후에, 원심분리 (10,000 g, 15 min)하여 상등액을 제거하고 사용하였다. 세 가지 플라스크는 30 ℃ 의 온도에서 180 rpm 으로 7 일 동안 배양시켰다. 배양시키는 동안 24 시간 간격으로 각 플라스크에서 1 mL 씩 채취한 후에 orcinol test 를 통해 람노리피드를 정량하였고 얻어진 결과를 누적합 (cummulative sum)을 이용하여 비교하였다.Before adding the prepared microbial immobilized alginate beads to MBR, an experiment was conducted to check the rhamnolipid production ability of the alginate beads. Different conditions were given to three 250 mL Erlenmeyer flasks. In Erlenmeyer flask No. 1, KCTC12325 was cultured in 50 mL of distilled water, and in Erlenmeyer flask No. 2, KCTC12325 was cultured in 50 mL of nutrient salt medium (MSM). Microorganism-immobilized alginate beads were added to 50 mL of MSM in flask 3 (Table 5). KCTC12325 added to Erlenmeyer flasks 1 and 2 was cultured in 50 mL of MSM at 30°C at 180 rpm for 36 hours to provide the same conditions as the microorganism-immobilized alginate beads added to flask 3. The supernatant was removed by centrifugation (10,000 g, 15 min) and used. The three flasks were incubated for 7 days at 180 rpm at a temperature of 30 °C. During the culture, 1 mL was collected from each flask at 24-hour intervals, and rhamnolipids were quantified using the orcinol test, and the obtained results were compared using cumulative sum.

그 결과 KCTC12325 를 증류수에 배양한 1 번 플라스크는 가장 낮은 람노리피드 생성능력을 보였고 MSM 에 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 2 번 플라스크는 그 다음으로 높은 생성능력을, MSM 에 KCTC12325 를 배양한 3 번 플라스크는 가장 높은 생성능력을 보여주었다 (도 10). 실험 결과 미생물을 알지네이트 비드에 고정시켜도 양분이 있는 환경에서 람노리피드를 생성하는 것을 확인할 수 있었다.As a result, flask No. 1, which cultured KCTC12325 in distilled water, showed the lowest rhamnolipid production ability, flask No. 2, which added microbial immobilized alginate beads to MSM, showed the next highest production ability, and flask No. 3, which cultured KCTC12325 in MSM, showed the lowest production ability. The flask showed the highest production capacity (Figure 10). As a result of the experiment, it was confirmed that rhamnolipids were produced in an environment with nutrients even when microorganisms were immobilized on alginate beads.

1 번 플라스크Flask No. 1 2 번 플라스크flask number 2 3 번 플라스크Flask No. 3 배지badge 50 mL 증류수50 mL distilled water 50 mL MSM50 mL MSM 50 mL MSM50 mL MSM 투입 균주Input strain pseudomonas nitroreducens KCTC12325 pseudomonas nitroreducens KCTC12325 투입 방식Input method wet cellwet cell wet cellwet cell 미생물 고정화 알지네이트 비드Microorganism immobilized alginate beads

(3) 알지네이트 비드 주입 및 MBR 반응조 조건(3) Alginate bead injection and MBR reaction tank conditions

만들어 준 알지네이트 비드가 양분이 있는 환경에서 람노리피드를 생성하는 것을 확인한 후에 MBR 운전 실험을 시작하였다. 본 실시예에서 수행한 람노리피드 생성 미생물 고정화 담체 적용 가능성 평가 실험은 미생물을 고정시킨 알지네이트 비드가 람노리피드 생성에 의한 막 오염 제어효과를 보이는지 뿐만 아니라, 막에 대한 비드의 충돌에 의한 물리적인 막 오염 제어효과까지도 보이는지를 알아보았다.After confirming that the prepared alginate beads produced rhamnolipids in a nutrient environment, the MBR operation experiment was started. The experiment to evaluate the applicability of the carrier for immobilizing rhamnolipid-producing microorganisms performed in this example was conducted to determine not only whether the alginate beads immobilized with microorganisms showed an effect in controlling membrane contamination due to rhamnolipid production, but also whether the physical impact of the beads on the membrane was confirmed. We just checked to see if there was even a pollution control effect.

각 반응조에 3일간의 안정화 기간을 거친 후에 MBR1 은 담체를 아무것도 투입하지 않은 대조군(control) 반응조로서 운전하였고 MBR2 는 KCTC12325 를 고정시킨 알지네이트 비드를 투입하여 운전하였다. 그리고 MBR3 에는 미생물을 고정하지 않은 알지네이트 비드를 투입하여 막에 대한 비드의 충돌에 의한 물리적인 막 오염 제어 효과만을 보고자 하였다. MBR2 와 MBR3 에 투입하는 비드의 양은 2% (w/v)의 소듐 알지네이트 용액 100 mL 를 이용하여 알지네이트 비드를 제조할 때 생성되는 양인 45 g 으로 정하여 투입하였다. 그 외에 MBR 반응조 조건들은 세 반응조 모두 같게 설정하였으며 표 6 에 자세히 기술하였다.After a 3-day stabilization period in each reaction tank, MBR1 was operated as a control reaction tank without any carrier, and MBR2 was operated with alginate beads immobilized on KCTC12325. In addition, alginate beads that did not immobilize microorganisms were added to MBR3 to examine only the effect of controlling physical membrane contamination caused by the beads colliding with the membrane. The amount of beads added to MBR2 and MBR3 was set to 45 g, which is the amount produced when producing alginate beads using 100 mL of 2% (w/v) sodium alginate solution. In addition, the MBR reaction tank conditions were set to be the same for all three reactors and are described in detail in Table 6.

MBR2 와 MBR3 에 각각 투입한 미생물 고정 알지네이트 비드 및 미생물을 고정하지 않은 알지네이트 비드들은 반응조 가동 7 일차에 확인한 결과 모두 녹아 사라져 버린 것을 발견하였다. 장기적인 관점에서 보았을 때 미생물 고정화 알지네이트 비드를 적용하기에는 가능성이 떨어진다 판단하였다. 이에 3-2에서 후술한 바와 같이 미생물 고정화 알지네이트 비드를 코팅하여 실험에 적용하였다.When checked on the 7th day of operation of the reactor, it was found that the alginate beads immobilized with microorganisms and the alginate beads without immobilized microorganisms added to MBR2 and MBR3, respectively, had all melted and disappeared. From a long-term perspective, it was judged that it was unlikely to apply microorganism-immobilized alginate beads. Accordingly, as described later in 3-2, microorganism-immobilized alginate beads were coated and applied to the experiment.

반응조reaction tank MBR1MBR1 MBR2MBR2 MBR3MBR3 주입 담체injection carrier -- 미생물 고정 알지네이트 비드Microbial immobilized alginate beads 알지네이트 비드alginate beads 주입량 (g)Injection amount (g) -- 4545 4545 MLSS (mg/L)MLSS (mg/L) 5,000±5005,000±500 HRT (hr)HRT (hr) 44 SRT (days)SRT (days) 2525 Flux (L/m2/hr)Flux (L/ m2 /hr) 1515 유효용적 (L)Effective volume (L) 66 반응조 온도 (℃)Reactor temperature (℃) 20 - 2420 - 24 반응조 pHReactor pH 6.8 - 7.46.8 - 7.4 반응조 포기 유량 (L/min)Reactor aeration flow rate (L/min) 44 OLR
(kgCOD/m3/day)
OLR
(kgCOD/m 3 /day)
1.51.5

(4) 수질 분석(4) Water quality analysis

COD 및 NH4 +-N 분석 결과는 각 반응조 마다의 유입수와 처리수 수질 분석 성분 및 제거율 (%)을 나타낸 그래프로, NO3 -N 분석 결과는 각 반응조 마다의 유입수와 처리수 수질 분석 성분 및 생성율 (%)을 나타낸 그래프로 나타내었다 (수학식 4).The COD and NH 4 + -N analysis results are graphs showing the water quality analysis components and removal rate (%) of the influent and treated water for each reaction tank, and the NO 3 -N analysis results are the water quality analysis components of the influent and treated water for each reaction tank. and a graph showing the production rate (%) (Equation 4).

[수학식 4][Equation 4]

(CF = 유입수 성분의 농도 (mg/L),(C F = concentration of influent components (mg/L),

CP = 처리수 성분의 농도 (mg/L))C P = concentration of treated water components (mg/L))

도 11 에는 각 반응조의 COD 유입수 농도와 처리수 농도, 제거율을 나타냈다. 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 MBR2, 미생물을 고정하지 않은 알지네이트 비드를 투입한 MBR3 세 반응조 모두 95% 정도의 COD 제거율을 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 제거율이 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.888). 도 12 에는 각 반응조의 NH4 +-N 유입수 농도와 처리수 농도, 제거율을 나타내었다. 그 결과 세 반응조 모두 97% 정도의 NH4 +-N 제거율을 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 제거율이 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.176). 도 13 에는 각 반응조의 NO3 -N 유입수 농도와 처리수 농도, 생성율을 나타내었다. 그 결과 세 반응조 모두 88% 정도의 NO3 -N 생성율을 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 생성율이 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.658). Figure 11 shows the COD influent concentration, treated water concentration, and removal rate of each reactor. All three reaction tanks, MBR1 without any carrier, MBR2 with microorganism-immobilized alginate beads, and MBR3 with alginate beads without immobilized microorganisms, all showed COD removal rates of about 95%, and the removal rates of the three reaction tanks were determined through two-way analysis of variance. It was confirmed that there was no significant difference ( p = 0.888). Figure 12 shows the NH 4 + -N influent concentration, treated water concentration, and removal rate of each reaction tank. As a result, all three reaction tanks showed NH 4 + -N removal rates of about 97%, and two-way analysis of variance confirmed that there was no significant difference in the removal rates of the three reaction tanks ( p = 0.176). Figure 13 shows the NO 3 - -N influent concentration, treated water concentration, and production rate of each reaction tank. As a result, all three reaction tanks showed a NO 3 - -N production rate of about 88%, and through two-way analysis of variance, it was confirmed that there was no significant difference in the production rates of the three reaction tanks ( p = 0.658).

결과적으로 세 반응조의 COD 및 NH4 +-N 제거율 그리고 NO3 -N 생성율이 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 보아 (p>0.05) MBR 운전 과정에서 담체의 투입 여부가 MBR의 유기물 처리 능력이나 질소처리 능력에 큰 영향을 끼치지 않는 것을 확인할 수 있었다.As a result, it appears that the COD, NH 4 + -N removal rates, and NO 3 -N production rates of the three reactors do not show significant differences ( p > 0.05), indicating that the input of carriers during MBR operation has a significant effect on the MBR's organic matter treatment ability or nitrogen treatment. It was confirmed that it did not have a significant effect on ability.

COD
제거율 (%)
COD
Removal rate (%)
NH4 +-N
제거율 (%)
NH4 + -N
Removal rate (%)
NO3 -N
생성율 (%)
NO 3 - -N
Creation rate (%)
MBR1MBR1 94.9694.96 97.1897.18 88.5788.57 MBR2MBR2 95.2595.25 97.4397.43 87.8887.88 MBR3MBR3 95.2395.23 96.3696.36 88.3888.38

(5) 막간차압 (Transmembrane Pressure, TMP)(5) Transmembrane Pressure (TMP)

안정화가 끝난 후 MBR 에 담체를 투입한 7 일 동안 반응조 마다의 막간차압 변화를 관찰하였다. 반응조마다 사용한 막의 고유 저항값이 다르므로 막간차압의 변화를 비교하기 위해 TMP 를 TMP0 로 나누어 정규화시킨 막간차압 (specific TMP)의 값을 이용하여 그래프로 표현하였다 (도 14).After stabilization, the change in transmembrane pressure in each reactor was observed for 7 days after the carrier was added to the MBR. Since the specific resistance value of the membrane used is different for each reaction tank, in order to compare the change in the transmembrane differential pressure, the value of the transmembrane differential pressure (specific TMP) normalized by dividing TMP by TMP 0 was expressed in a graph (FIG. 14).

그래프를 보았을 때 아무것도 투입하지 않은 반응조 MBR1 의 막간차압이 가장 빨리 상승했다. 그다음으로 미생물을 고정하지 않은 알지네이트 비드를 투입해준 MBR3 의 막간차압이 빨리 상승하였고 미생물을 고정해준 알지네이트 비드를 투입해준 MBR2 의 막간차압이 가장 느리게 상승했다. 실험 가동 7 일 후 기준으로 막간차압이 가장 높은 반응조인 MBR1 과 specific TMP 를 비교하여 보았을 때 MBR 1 에 비해 MBR2 는 3.21 배, MBR3 는 1.64 배 낮은 막간차압이 측정되었다.Looking at the graph, the transmembrane differential pressure of reactor MBR1, where nothing was added, rose the fastest. Next, the transmembrane differential pressure of MBR3, which contained alginate beads that did not immobilize microorganisms, rose quickly, and the transmembrane differential pressure of MBR2, which contained alginate beads that immobilized microorganisms, rose the slowest. When comparing MBR1, the reactor with the highest transmembrane differential pressure, and specific TMP, 7 days after the experimental operation, the transmembrane differential pressure was measured to be 3.21 times lower for MBR2 and 1.64 times lower for MBR3 compared to MBR 1.

실험 결과 미생물을 고정하지 않은 알지네이트 비드를 넣어준 MBR3 의 막간차압 상승률이 아무것도 넣어주지 않은 MBR1 보다 낮은 것으로 보아 알지네이트 비드 자체의 충돌에 의한 물리적인 막 오염 저감 효과가 있다는 것이 판단되었다. 또한, 미생물을 고정시킨 알지네이트 비드를 넣어준 MBR2 의 막간차압 상승률이 가장 낮은 것을 보아 비드 자체의 충돌에 의한 물리적인 막 오염 저감 효과 뿐만 아니라 미생물을 고정한 알지네이트 비드의 람노리피드 생성이 생물막 (biofim) 형성을 억제해 막 오염 저감 효과를 보였다고 판단되었다.As a result of the experiment, the rate of increase in transmembrane differential pressure of MBR3 with alginate beads that did not immobilize microorganisms was lower than that of MBR1 with no microorganisms added, and it was determined that there was an effect of reducing physical membrane contamination due to collision of the alginate beads themselves. In addition, the rate of increase in transmembrane differential pressure of MBR2 containing alginate beads immobilized with microorganisms was the lowest, indicating that not only the effect of reducing physical membrane contamination due to collision of the beads themselves, but also the production of rhamnolipids from alginate beads immobilized with microorganisms promotes the formation of biofilms. It was judged that it showed an effect in reducing membrane contamination by inhibiting formation.

(6) 슬러지 비저항 값 분석(6) Sludge resistivity value analysis

미생물 고정화 담체가 활성슬러지 비저항 값 (specific cake resistance, α)에 어떤 영향을 끼치는지 알아보기 위하여 dead end filtration test 를 이용하였다. MBR 실험이 끝난 직후 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1 과 KCTC12325 를 고정시킨 알지네이트 비드를 투입한 MBR2 에서 활성슬러지 샘플을 채취한 후 dead end filtration test 를 진행하였다. 2-5 에서 언급한 활성슬러지 케이크 비저항 값 방정식을 이용하여 V와 t/V 사이의 선형 회귀식을 구하고 그 기울기 값을 이용하여 활성슬러지 비저항 값을 산출하였다 (도 15). A dead end filtration test was used to determine the effect of the microbial immobilization carrier on the specific cake resistance (α) of activated sludge. Immediately after the MBR experiment was completed, activated sludge samples were collected from MBR1 without any carrier and MBR2 with alginate beads immobilized on KCTC12325, and a dead end filtration test was performed. Using the activated sludge cake resistivity value equation mentioned in 2-5, a linear regression equation between V and t/V was obtained, and the slope value was used to calculate the activated sludge resistivity value (FIG. 15).

그 결과 MBR1 의 활성슬러지 비저항 값이 MBR2 보다 1.44 배 높게 측정되었고 이것으로 보아 KCTC12325 를 고정시킨 알지네이트 비드가 생물막 (biofilm)형성을 억제하여 활성슬러지의 비저항 값을 감소시켰다고 판단 하였다 (표 8). 3-1-(5) 에서 미생물 고정화 알지네이트 비드를 넣어줬던 MBR2 의 막간차압 상승률이 가장 낮았던 결과와 연관지었을 때, 미생물 고정화 알지네이트 비드가 생물막 형성을 억제하여 활성슬러지의 비저항 값을 감소시켰고 그 결과 막 오염이 제어 되어 막간차압 상승률이 가장 낮았다고 판단된다. As a result, the activated sludge resistivity value of MBR1 was measured to be 1.44 times higher than that of MBR2. Based on this, it was determined that the alginate beads immobilized with KCTC12325 suppressed biofilm formation and reduced the resistivity value of activated sludge (Table 8). When correlated with the result in 3-1-(5) that the rate of rise in transmembrane differential pressure was the lowest for MBR2 in which microorganism-immobilized alginate beads were added, the microorganism-immobilized alginate beads inhibited biofilm formation and reduced the resistivity value of the activated sludge, resulting in a membrane It is believed that contamination was controlled and the rate of increase in transmembrane pressure was the lowest.

slopeslope R2 R 2 αα MBR1
(control)
MBR1
(control)
9 × 1011 9 × 10 11 0.99490.9949 3.43 × 1011 3.43 × 10 11
MBR2
(KCTC12325 immobilized bead)
MBR2
(KCTC12325 immobilized bead)
7 × 1011 7 × 10 11 0.99180.9918 2.39 × 1011 2.39 × 10 11

(7) EPS (extracellular polymeric substance)(7) EPS (extracellular polymeric substance)

활성슬러지의 생물막 (biofilm)형성에 가장 큰 요인 중의 하나인 EPS 를 분석함으로써 람노리피드 생성 담체가 EPS 에 어떤 영향을 미치는지를 분석하였다.By analyzing EPS, one of the biggest factors in biofilm formation in activated sludge, we analyzed how rhamnolipid-producing carriers affect EPS.

아무 것도 투입하지 않은 반응조 MBR1 과 KCTC12325 를 고정시킨 알지네이트 비드를 투입한 반응조 MBR2 에 대해 LB-EPS (loosely bound EPS)와 TB-EPS (tightly bound EPS) 각각의 탄수화물 성분 (도 16)과 단백질 성분 (도 17)을 측정하였다.For the reactor MBR1 in which nothing was added and the reaction tank MBR2 in which alginate beads immobilizing KCTC12325 were added, the carbohydrate component (FIG. 16) and protein component (FIG. 16) of LB-EPS (loosely bound EPS) and TB-EPS (tightly bound EPS) Figure 17) was measured.

그 결과 KCTC 12325 를 고정시킨 담체를 투입한 MBR2 의 EPS 값이 아무것도 투입하지 않은 반응조 MBR1 에 비해 생성량이 약간 감소한 경향을 보였으나 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다. As a result, it was confirmed that the EPS value of MBR2 in which the carrier immobilizing KCTC 12325 was added showed a slight decrease in production compared to the reactor MBR1 in which nothing was added, but there was no significant difference.

람노리피드에 EPS 생성 저감 효과가 있으나 그 효과가 적어 람노리피드의 주요 막 오염 제어 기작이 정족수 제어 (quorum quenching, QQ) 와 같은 미생물 자체의 EPS 생성 저감을 통한 생물막 형성 감소가 아니라고 판단된다. 또한, 3-1-(6)에서 MBR2 의 슬러지 비저항값이 가장 낮았던 결과와 연관 지었을 때, 생성된 람노리피드가 활성슬러지 미생물의 생장에는 영향을 미치지 않았고 람노리피드의 계면활성제 활동에 따라 생물막을 형성하는 소수성 미생물들 사이의 접촉이 줄어들어 생물막 형성이 억제되는 것으로 판단된다. Although rhamnolipids have an effect in reducing EPS production, the effect is small, so it is believed that the main membrane fouling control mechanism of rhamnolipids is not a reduction in biofilm formation through reduction of EPS production by the microorganism itself, such as quorum control (QQ). In addition, when correlated with the result in 3-1-(6) that the sludge resistivity value of MBR2 was the lowest, the generated rhamnolipid did not affect the growth of activated sludge microorganisms and biofilm was formed according to the surfactant activity of the rhamnolipid. It is believed that biofilm formation is suppressed by reducing contact between hydrophobic microorganisms that form .

3-2. 코팅된 람노리피드 생성 미생물 고정화 담체의 장기 적용 가능성 평가3-2. Evaluation of long-term applicability of coated rhamnolipid-producing microorganism immobilization carrier

(1) 코팅된 알지네이트 비드 특징(1) Coated alginate bead characteristics

위 3-1에서 진행한 람노리피드 생성 미생물 고정화 담체 적용 가능성 평가 실험에서 제조하여 사용했던 알지네이트 비드는 MBR 투입 6 ~ 7일 만에 반응조 내부에서 전부 녹아 사라졌다. 비드의 장기간 사용을 위해 앞서 1-1-(3) 에서 언급해 준 방법으로 pseudomonas nitroreducens KCTC12325 를 고정시킨 알지네이트 비드를 코팅하였다. 제조된 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드는 평균 지름 3.5 ~ 4.5 mm 의 지름을 갖는 백색의 구 모양이며 평균 무게는 45 ~ 55 mg이고, 코팅 알지네이트 비드에 고정된 wet cell 의 농도는 23.45 mg/mL 의 특징을 갖는다 (표 9).The alginate beads prepared and used in the experiment evaluating the applicability of the rhamnolipid-producing microorganism immobilization carrier conducted in 3-1 above completely melted and disappeared inside the reaction tank within 6 to 7 days of adding MBR. For long-term use of the beads, alginate beads immobilized with pseudomonas nitroreducens KCTC12325 were coated using the method previously mentioned in 1-1-(3). The manufactured microorganism-immobilized coated alginate beads have a white spherical shape with an average diameter of 3.5 to 4.5 mm and an average weight of 45 to 55 mg, and the concentration of wet cells immobilized on the coated alginate beads is 23.45 mg/mL. (Table 9).

ParametersParameters PropertiesProperties ShapeShape White spherewhite sphere Diameter (cm)Diameter (cm) 3.5 - 4.53.5 - 4.5 Weight (mg)Weight (mg) 45 - 5545 - 55 Wet cell/Beads (mg/mL)Wet cells/Beads (mg/mL) 23.4523.45

(2) 코팅 알지네이트 비드 주입 및 MBR 반응조 조건(2) Coated alginate bead injection and MBR reaction tank conditions

본 실시예에서 수행한 코팅 미생물 고정화 담체 장기 적용 가능성 평가 실험은 미생물을 고정시킨 코팅 알지네이트 비드가 람노리피드 생성에 의한 막 오염 제어효과를 보이는지 알아볼 뿐만 아니라 이를 장기적으로 적용할 수 있는 가능성이 있는지에 대해 알아보기 위해 진행하였다.The experiment to evaluate the long-term applicability of the coated microorganism-immobilized carrier performed in this example not only examined whether the coated alginate beads immobilized with microorganisms showed an effect in controlling membrane fouling by producing rhamnolipids, but also examined the possibility of long-term application of this. We proceeded to find out about it.

4 일 동안 각 반응조에 안정화 기간을 거친 후에 MBR1 은 담체를 아무것도 투입하지 않은 대조군(control) 반응조로서 운전하였고 MBR2 는 알지네이트 비드에 KCTC12325 를 고정시킨 후 코팅한 코팅 알지네이트 비드를 투입하였다. 그리고 MBR3 에는 KCTC12325 를 고정시킨 코팅을 하지 않은 알지네이트 비드를 투입하였다. 전술한 3-1-(3) 에서는 담체의 투입량을 무게로 정하여 투입하였지만 본 실험에서는 알지네이트 비드의 코팅 유무에 따라 무게가 크게 달라져서 무게가 아닌 반응조의 용적에 따른 담체의 투입 개수를 지정하였다. 그에 따라 MBR2 에는 코팅한 미생물 고정 알지네이트 비드를 170 ea/L 투입하였고 MBR3 에는 코팅을 하지 않은 미생물 고정 알지네이트 비드를 170 ea/L 투입하였다. 그 외에 MBR 반응조 조건들은 세 반응조 모두 같게 설정하였으며 표 10 에 자세히 기술하였다. 3-1-(3)에서는 flux 를 15 L/m2/hr 로 운전하여 7 일 만에 막 오염 현상을 유도해냈으나, 본 실험에서는 코팅 알지네이트 비드의 장기적인 적용 가능성을 확인하기 위해 초기 flux 를 10 L/m2/hr 로 운전하였다. 그러나 막 오염 현상이 본격적으로 일어나기 시작한 시점부터는 더 급격한 변화를 보기 위하여 flux 를 15 L/m2/hr 로 운전하였다. 이에 관련된 내용은 후술하는 3-2-(4)에서 더 자세하게 언급하였다.After a stabilization period in each reaction tank for 4 days, MBR1 was operated as a control reaction tank without any carrier, and MBR2 was operated by immobilizing KCTC12325 on alginate beads and then adding coated alginate beads. And uncoated alginate beads immobilizing KCTC12325 were added to MBR3. In the above-mentioned 3-1-(3), the amount of carrier input was determined by weight, but in this experiment, the weight varied greatly depending on the presence or absence of coating on the alginate beads, so the number of carriers input was specified according to the volume of the reaction tank rather than the weight. Accordingly, 170 ea/L of coated microorganism-immobilized alginate beads were added to MBR2, and 170 ea/L of uncoated microorganism-immobilized alginate beads was added to MBR3. In addition, the MBR reaction tank conditions were set to be the same for all three reactors and are described in detail in Table 10. In 3-1-(3), membrane fouling was induced in 7 days by operating the flux at 15 L/m 2 /hr, but in this experiment, the initial flux was set to 10 to confirm the long-term applicability of the coated alginate beads. It was operated at L/m 2 /hr. However, from the point when contamination began to occur in earnest, the flux was operated at 15 L/m 2 /hr to see more rapid changes. Details related to this are mentioned in more detail in 3-2-(4) below.

MBR3에 투입한 코팅을 하지 않은 미생물 고정 알지네이트 비드는 비드 투입 후 점점 팽윤 현상이 일어나 무게가 증가하다가 6 일이 지나고 확인한 결과 모두 녹아 사라져버린 것을 발견했고 그에 비해 MBR2 에 투입한 코팅을 한 미생물 고정 알지네이트 비드는 36 일간의 투입 기간 동안 애초에 코팅막이 불완전해 유실된 알지네이트 비드들을 제외하고는 형태와 무게를 유지하였다. 이는 SRT 유지를 위해 슬러지를 폐기할 때, 함께 나온 담체들 중 무작위로 10 개씩 골라 증류수로 세 번 세척해 준 뒤에 물기를 제거하고 잰 무게를 평균을 내어 기록함으로써 판단할 수 있었다. (도 18). 초기에 알지네이트 비드가 모두 녹아 사라진 MBR3 는 결국엔 아무것도 투입하지 않은 반응조 MBR1 과 비슷한 속도로 막 오염이 진행되었고 코팅 알지네이트 비드가 유지됐던 MBR2 는 막 오염이 저감되었다. 이는 3-2-(4)에서 막간차압 상승률과 함께 더 자세히 기술하였다.The uncoated microorganism-immobilized alginate beads added to MBR3 gradually swelled and increased in weight after the beads were added, but when checked after 6 days, it was found that all of them had melted and disappeared. In contrast, the coated microorganism-immobilized alginate added to MBR2 was found to have melted and disappeared. The beads maintained their shape and weight during the 36-day application period, except for alginate beads that were lost due to incomplete coating. This could be determined by randomly selecting 10 of the accompanying carriers when disposing of sludge to maintain SRT, washing them three times with distilled water, removing the moisture, and averaging the measured weights. (Figure 18). In MBR3, where all the alginate beads initially dissolved and disappeared, membrane contamination progressed at a similar rate to MBR1, a reaction tank in which nothing was added, and in MBR2, where the coated alginate beads were maintained, membrane contamination was reduced. This is described in more detail along with the rate of increase in transmembrane pressure in 3-2-(4).

반응조reaction tank MBR1MBR1 MBR2MBR2 MBR3MBR3 주입 담체injection carrier -- 미생물 고정 코팅 알지네이트 비드Microbial immobilization coated alginate beads 미생물 고정 알지네이트 비드Microbial immobilized alginate beads 주입량 (ea/L)Injection volume (ea/L) -- 170170 170170 MLSS (mg/L)MLSS (mg/L) 6,000±5006,000±500 HRT (hr)HRT (hr) 1st : 6 / 2nd : 41 st : 6 / 2 nd : 4 SRT (days)SRT (days) 2525 Flux (L/m2/hr)Flux (L/ m2 /hr) 1st : 10 / 2nd : 151 st : 10 / 2 nd : 15 유효용적 (L)Effective volume (L) 66 반응조 온도 (℃)Reactor temperature (℃) 20 - 2420 - 24 반응조 pHReactor pH 6.8 - 7.46.8 - 7.4 반응조 포기 유량 (L/min)Reactor aeration flow rate (L/min) 44 OLR
(kgCOD/m3/day)
OLR
(kgCOD/m 3 /day)
1st : 1.2 / 2nd : 1.5 1st : 1.2 / 2nd : 1.5

(3) 수질 분석(3) Water quality analysis

도 19 에는 각 반응조의 COD 유입수 농도와 처리수 농도, 제거율을 나타내었다. 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 미생물 고정 코팅 알지네이트 비드를 투입한 MBR2, 코팅하지 않은 미생물 고정 알지네이트 비드를 투입한 MBR3 세 반응조 모두 97% 정도의 COD 제거율을 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 제거율이 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.351). 도 20 에는 각 반응조의 NH4 +-N 유입수 농도와 처리수 농도, 제거율을 나타내었다. 그 결과 세 반응조 모두 99% 정도의 NH4 +-N 제거율을 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 제거율이 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.627). 도 21 에는 각 반응조의 NO3 -N 유입수 농도와 처리수 농도, 생성율을 나타내었다. 그 결과 세 반응조 모두 92% 정도의 NO3 -N 생성율을 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 생성율이 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.531). 도 22 에는 각 반응조의 T-N 유입수 농도와 처리수 농도를 나타내었다. 그 결과 세 반응조의 처리수는 모두 27 mg/L 정도의 T-N 농도를 보였고 이원배치분산분석을 통해 세 반응조의 농도가 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p=0.420). 결과적으로 세 반응조의 COD 및 NH4 +-N 제거율 그리고 NO3 -N 생성율과 T-N 농도가 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 보아 (p>0.05) MBR 운전 과정에서 코팅한 알지네이트 비드의 투입 여부가 MBR의 유기물 처리 능력이나 질소처리 능력에 큰 영향을 끼치지 않는 것을 확인할 수 있었다. Figure 19 shows the COD influent concentration, treated water concentration, and removal rate of each reactor. MBR1 without any carrier, MBR2 with microorganism-immobilized coated alginate beads, and MBR3 with uncoated microorganism-immobilized alginate beads all showed a COD removal rate of about 97%. The removal rates of the three reaction tanks were determined through two-way analysis of variance. It was confirmed that there was no significant difference ( p = 0.351). Figure 20 shows the NH 4 + -N influent concentration, treated water concentration, and removal rate of each reaction tank. As a result, all three reaction tanks showed NH 4 + -N removal rates of about 99%, and two-way analysis of variance confirmed that there was no significant difference in the removal rates of the three reaction tanks ( p = 0.627). Figure 21 shows the NO 3 - -N influent concentration, treated water concentration, and production rate of each reaction tank. As a result, all three reaction tanks showed a NO 3 - -N production rate of about 92%, and through two-way analysis of variance, it was confirmed that there was no significant difference in the production rates of the three reaction tanks ( p = 0.531). Figure 22 shows the TN influent concentration and treated water concentration of each reaction tank. As a result, the treated water of the three reaction tanks all showed a TN concentration of about 27 mg/L, and through two-way analysis of variance, it was confirmed that there was no significant difference in the concentrations of the three reaction tanks ( p = 0.420). As a result, the COD and NH 4 + -N removal rates, NO 3 -N production rates, and TN concentrations of the three reactors did not show significant differences ( p > 0.05), indicating that the input of coated alginate beads during MBR operation was a significant factor in MBR operation. It was confirmed that there was no significant effect on the organic matter treatment ability or nitrogen treatment ability.

COD
제거율 (%)
COD
Removal rate (%)
NH4 +-N
제거율 (%)
NH4 + -N
Removal rate (%)
NO3 -N
생성율 (%)
NO 3 - -N
Creation rate (%)
처리수 T-N 농도 (mg/L)Treated water T-N concentration (mg/L)
MBR1MBR1 97.2597.25 98.9798.97 92.0792.07 27.3327.33 MBR2MBR2 97.2497.24 98.8398.83 92.0892.08 27.8927.89 MBR3MBR3 97.8097.80 99.0399.03 92.0092.00 26.6026.60

(4) 막간차압 (Transmembrane Pressure, TMP)(4) Transmembrane Pressure (TMP)

반응조마다 막간차압의 변화를 40 일 동안 관찰하였다. 반응조마다 사용한 막의 고유 저항값이 다르므로 막간차압의 변화를 비교하기 위해 TMP 를 TMP0 로 나누어 정규화 시킨 막간차압 (specific TMP)의 값을 이용하여 그래프로 표현하였다 (도 23).Changes in transmembrane pressure in each reactor were observed for 40 days. Since the specific resistance value of the membrane used is different for each reaction tank, in order to compare the change in the transmembrane differential pressure, the specific TMP value normalized by dividing TMP by TMP 0 was expressed in a graph (FIG. 23).

그래프를 보았을 때 22 일차부터 아무것도 투입하지 않은 반응조 MBR1 과 코팅을 하지 않은 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입해준 MBR3 의 막간차압이 코팅 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입해준 MBR2 에 비해서 빨리 상승하는 것을 볼 수 있었다. 이후에 막간차압 변화율이 줄어들어서 더 급격한 막간차압 변화를 보기 위해 30 일차에 flux 를 초기에 지정했던 10 L/m2/hr에서 15 L/m2/hr 로 높여주었고 그 결과 더 급격한 막간차압 변화를 볼 수 있었다. 이후의 막간차압을 보면 MBR1 과 MBR3 가 MBR2 보다 확연히 빠르게 상승하는 것을 볼 수 있었다. 실험 가동 40 일 후 기준으로 막간차압이 가장 높은 반응조인 MBR1 과 specific TMP 를 비교하여 보았을 때 MBR2 는 3.24 배, MBR3 는 1.04 배 낮은 막간차압이 측정되었다.Looking at the graph, it was seen that the transmembrane differential pressure of reactor MBR1, in which nothing was added from day 22, and MBR3, in which uncoated microorganism-immobilized alginate beads were added, increased faster than that in MBR2, in which coated microorganism-immobilized alginate beads were added. Afterwards, the rate of change in transmembrane differential pressure decreased, and in order to see a more rapid change in transmembrane differential pressure, the flux was increased from the initially specified 10 L/m 2 /hr to 15 L/m 2 /hr on day 30, resulting in a more rapid change in transmembrane differential pressure. could be seen. Looking at the subsequent transmembrane pressure, it was seen that MBR1 and MBR3 rose noticeably faster than MBR2. When comparing specific TMP with MBR1, the reactor with the highest transmembrane differential pressure as of 40 days after the experimental operation, the transmembrane differential pressure was measured to be 3.24 times lower for MBR2 and 1.04 times lower for MBR3.

결과적으로 MBR3 의 경우, 실험 종료 시점의 막간차압이 MBR1 과 크게 차이가 나지 않는데 이는 3-2-(2)의 도 18 에서와 같이 MBR3 에 넣어준 코팅을 하지 않은 알지네이트 비드가 투입 후 6 일차에 모두 녹아 사라져 버려 결국엔 아무것도 넣어주지 않은 MBR1 과 큰 차이가 없어진 것 때문이라고 판단되었다. 또한 MBR2 의 막간차압 상승률이 가장 낮은 것으로 보아 3-1-(5)의 결과와 같이 투입해준 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드의 지속적인 람노리피드 생성에 따른 생물막 (biofilm) 형성 억제와 내구성을 유지하는 코팅 알지네이트 비드의 물리적인 충돌이 막 오염 저감 효과를 보였다고 판단되었다.As a result, in the case of MBR3, the transmembrane differential pressure at the end of the experiment is not significantly different from that of MBR1. This is because, as shown in Figure 18 of 3-2-(2), the uncoated alginate beads added to MBR3 are 6 days after injection. It was judged that this was because everything melted and disappeared, so there was no significant difference from MBR1 in which nothing was added. In addition, considering that the rate of increase in transmembrane pressure of MBR2 was the lowest, as shown in the results of 3-1-(5), the coating alginate suppresses biofilm formation and maintains durability due to the continuous production of rhamnolipids in the microbial immobilization coated alginate beads. It was determined that the physical collision of the beads was effective in reducing contamination.

(5) EPS (extracellular polymeric substance)(5) EPS (extracellular polymeric substance)

전술한 3-1-(7)에서 람노리피드 생성 미생물 고정 담체가 EPS 생성에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 3-1 의 MBR 운전 기간이 길지 않았기에 비교적 장기간 운전을 했던 3-2 에서 EPS 를 분석함으로써 람노리피드 생성 미생물 고정 담체가 EPS 에 어떤 영향을 미치는지 다시 한번 확인하였다.In the above-mentioned 3-1-(7), it was confirmed that the rhamnolipid-producing microorganism immobilization carrier did not have a significant effect on EPS production. However, because the MBR operation period of 3-1 was not long, the EPS was analyzed in 3-2, which was operated for a relatively long period of time, to confirm once again the effect of the rhamnolipid-producing microorganism immobilization carrier on EPS.

아무 담체도 투입하지 않은 MBR1, 코팅 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 MBR2, 코팅을 하지 않은 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 MBR3 세 반응조 모두에 대해 LB-EPS (loosely bound EPS)와 TB-EPS (tightly bound EPS) 각각의 탄수화물 성분 (도 24)과 단백질 성분 (도 25)을 측정하였다.LB-EPS (loosely bound EPS) and TB-EPS (tightly bound) for all three reactors: MBR1 without any carrier, MBR2 with coated microorganism-immobilized alginate beads, and MBR3 with uncoated microorganism-immobilized alginate beads. EPS) each carbohydrate component (Figure 24) and protein component (Figure 25) were measured.

그 결과 3-1-(7) 과 마찬가지로 EPS 생성량이 약간 감소된 경향을 보였으나 이원배치분산분석을 통해 유의미한 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다 (p>0.05). 도 24 과 도 25 로는 감소한 경향은 잘 보이지 않아서 이를 누적합으로 나타낸 결과 장기간 운전에서도 MBR1 에 비해 MBR2 의 EPS 생성이 미비하게 감소하였다는 것을 확인했다 (도 26).As a result, like 3-1-(7), the amount of EPS produced tended to slightly decrease, but it was confirmed through two-way analysis of variance that there was no significant difference ( p >0.05). The decreasing trend was not clearly visible in Figures 24 and 25, so when this was expressed as a cumulative sum, it was confirmed that the EPS generation of MBR2 was slightly reduced compared to MBR1 even during long-term operation (Figure 26).

이에 장기간 운전에서도 람노리피드에 EPS 생성 저감 효과가 있기는 하나 그 정도가 적어 람노리피드의 주요 막 오염 제어 기작이 미생물 자체의 EPS 생성 저감을 통한 생물막 형성 감소가 아니라고 판단하였다. 또한, 후술하는 3-2-(8)에서 코팅 미생물 고정화 알지네이트 비드를 투입한 활성슬러지의 비저항값이 가장 낮은 결과와 연관 지었을 때, 생성된 람노리피드가 활성슬러지 미생물의 생장에는 영향을 미치지 않았고 람노리피드의 계면활성제 활동에 따라 생물막을 형성하는 소수성 미생물들 사이의 접촉이 줄어들어 생물막 형성이 억제되는 것으로 판단된다.Accordingly, although rhamnolipids have an effect in reducing EPS production even during long-term operation, the degree is small, so it was determined that the main membrane fouling control mechanism of rhamnolipids is not reduction of biofilm formation through reduction of EPS production by microorganisms themselves. In addition, when correlated with the result in 3-2-(8) described later that the specific resistance value of activated sludge added with coated microorganism immobilized alginate beads was the lowest, the generated rhamnolipid did not affect the growth of activated sludge microorganisms. It is believed that biofilm formation is suppressed by reducing contact between hydrophobic microorganisms that form biofilms due to the surfactant activity of rhamnolipids.

(6) FE-SEM image 관측 결과(6) FE-SEM image observation results

코팅 미생물 고정화 담체 장기 적용 가능성 평가 실험 종료 후 반응조에 침지되어 있던 막을 건져 육안으로 활성슬러지 케이크 형성 정도를 관찰한 결과 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입해준 MBR2 의 표면에 cake 형성이 가장 적고 비교적 깨끗한 것을 확일할 수 있었다 (도 27). 그러나 확대하여 좀더 세밀한 시각적 정보를 얻기 위해 FE-SEM image 분석을 진행하였다. FE-SEM image 분석은 각각 1 k 배 image (도 28)와 10 k 배 image (도 29)로 나누어 분석하였다.After completing the experiment evaluating the long-term applicability of the coated microorganism immobilization carrier, the membrane immersed in the reaction tank was removed and the degree of activated sludge cake formation was observed with the naked eye. As a result, it was confirmed that the surface of MBR2 to which the microorganism immobilization coating alginate beads had been added had the least amount of cake formation and was relatively clean. was able to work (Figure 27). However, FE-SEM image analysis was performed to obtain more detailed visual information by enlarging. FE-SEM image analysis was divided into 1 k times image (Figure 28) and 10 k times image (Figure 29).

그 결과 아무 담체도 투입하지 않은 MBR1 과 코팅을 하지 않은 미생물 고정 알지네이트 비드를 투입한 MBR3 의 표면이 모두 케이크로 덮여있는 것을 확인할 수 있었다. 그에 비해 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입한 MBR2 의 경우, 표면이 부분적으로 케이크로 뒤덮인 부분이 있었으나 다른 두 막에 뒤덮인 케이크보다 그 두께가 얇게 관측되었다. 또한, 다른 두 막에서는 보이지 않던 막의 기공들이 많이 관측되었다. 육안 관측 결과 및 FE-SEM image 관측 결과로 보아 막간차압 상승과 비례한 결과 값을 통해 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드의 지속적인 람노리피드 생성에 의한 생물막 형성 억제 및 담체의 물리적인 충돌에 의해 막 오염이 제어된 것을 시각적으로 판단할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the surfaces of MBR1 without any carrier and MBR3 with uncoated microorganism-immobilized alginate beads were both covered with cake. In contrast, in the case of MBR2 with microbial immobilization coated alginate beads, the surface was partially covered with a cake, but the thickness was observed to be thinner than the cakes covered with the other two films. Additionally, many membrane pores that were not visible in the other two membranes were observed. Based on the visual observation results and FE-SEM image observation results, the result is proportional to the increase in transmembrane differential pressure, suppressing biofilm formation by continuously producing rhamnolipids from the microbial immobilization coated alginate beads, and controlling membrane contamination by physical collision of the carrier. I was able to visually judge what had happened.

(7) 코팅 알지네이트 비드의 장기적인 람노리피드 생성 능력 평가(7) Evaluation of the long-term rhamnolipid production ability of coated alginate beads

코팅 미생물 고정화 담체 장기 적용 가능성 평가 실험 종료 후에 MBR2 반응조 안에 투입되었던 코팅 미생물 고정화 담체들을 모두 분리해 내서 증류수로 3회 이상 씻어주었다. 그 후에 반응조에 36 일 동안 사용된 이 담체들의 람노리피드 생성 능력을 반응조에 사용하지 않은 새로운 코팅 미생물 고정화 담체 및 코팅되지 않은 미생물 고정화 담체들과 비교하여 보았다. 3 개의 250 mL 삼각플라스크에 각각 100 mL 의 영양염류 배지 (mineral salt medium, MSM)를 넣고 1 번 플라스크에는 새로운 코팅 미생물 고정화 담체를, 2 번 플라스크에는 새로운 코팅되지 않은 미생물 고정화 담체를, 마지막 3 번 플라스크에는 반응조에 36일 동안 사용된 담체들을 투입시켜 주었다 (표 12). 1 번과 2 번 플라스크에 투입해준 새로운 담체의 양은 3.2 의 MBR 실험에 처음 투입해주었던 양과 같은 양을 투입해주었다. 세 가지 플라스크는 30 ℃ 의 온도에서 180 rpm 으로 8 일 동안 배양시켜 주었다. 배양시켜 주는 동안 24 시간 간격으로 각 플라스크에서 1 mL 씩 채취한 후에 2.2.1 의 orcinol test 를 통해 람노리피드를 정량하였고 얻어진 결과를 누적합 (cummulative sum)을 이용하여 비교하였다.After completion of the experiment evaluating the long-term applicability of the coated microorganism immobilization carrier, all of the coated microorganism immobilization carriers that had been added to the MBR2 reactor were separated and washed at least three times with distilled water. Afterwards, the rhamnolipid production ability of these carriers used in the reaction tank for 36 days was compared with a new coated microbial immobilization carrier that was not used in the reaction tank and an uncoated microbial immobilization carrier. Add 100 mL of nutrient medium (mineral salt medium, MSM) to each of three 250 mL Erlenmeyer flasks, add a new coated microbial immobilization carrier to flask 1, a new uncoated microbial immobilization carrier to flask 2, and finally 3 flasks. The carriers used in the reaction tank for 36 days were added to the flask (Table 12). The amount of new carrier added to flasks 1 and 2 was the same as the amount initially added in the MBR experiment in 3.2. The three flasks were cultured at 30°C and 180 rpm for 8 days. During the culture, 1 mL was collected from each flask at 24-hour intervals, and rhamnolipids were quantified using the orcinol test in 2.2.1, and the obtained results were compared using cumulative sum.

그 결과 1 번과 3 번 플라스크에 넣어준 새로운 코팅 미생물 고정화 알지네이트 비드 및 새로운 미생물 고정화 알지네이트 비드는 비슷한 람노리피드 생성 능력을 보였고 2 번 플라스크에 넣어준 반응조에 사용됐었던 담체는 새로운 담체들 보다는 낮은 생성능력을 보여주었다 (도 30). 실험 결과 미생물 고정화 알지네이트 비드는 코팅 유무에 상관없이 비슷한 양의 람노리피드 생성 능력을 보인다는 것을 알 수 있었고 반응조에 사용되었던 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드는 MBR 운전 동안의 불완전한 코팅막 등의 이유로 유실된 비드들이 있어 더 낮은 람노리피드 생성 능력을 보이지만, 36 일간의 반응조 투입 이후에도 계속해서 람노리피드를 생성하는 것으로 보아 코팅 미생물 고정화 담체의 장기적인 사용 가능성을 판단하였다.As a result, the new coated microorganism-immobilized alginate beads and the new microorganism-immobilized alginate beads added to flasks 1 and 3 showed similar rhamnolipid production ability, and the carrier used in the reaction tank added to flask 2 had a lower yield than the new carriers. showed production ability (Figure 30). As a result of the experiment, it was found that the microorganism-immobilized alginate beads showed a similar amount of rhamnolipid production ability regardless of the presence or absence of coating, and the microorganism-immobilized coated alginate beads used in the reaction tank had beads lost due to incomplete coating film during MBR operation. Although it shows a lower ability to produce rhamnolipids, the possibility of long-term use of the coated microorganism immobilization carrier was determined as it continued to produce rhamnolipids even after 36 days of input into the reactor.

1 번 플라스크Flask No. 1 2 번 플라스크flask number 2 3 번 플라스크Flask No. 3 배지badge 50 mL MSM50 mL MSM 투입 균주Input strain pseudomonas nitroreducens KCTC12325 pseudomonas nitroreducens KCTC12325 투입 방식Input method 미생물 고정화 알지네이트 비드Microorganism immobilized alginate beads 코팅 유무Coated or not 코팅coating 코팅하지 않음No coating 코팅coating MBR
투입 여부
MBR
Input or not
MBR에 투입하지 않았던 새로운 담체New carrier that was not used in MBR MBR에 36 일 동안 투입됐던 담체Carrier injected into MBR for 36 days

(8) 슬러지 비저항값 분석(8) Sludge resistivity value analysis

1) Batch reactor 반응조 조건1) Batch reactor reaction tank conditions

40일 동안의 장기 운전 후에 아무것도 투입하지 않은 MBR1 과 코팅 알지네이트 비드를 투입해준 MBR2 의 막간차압이 3배 이상 차이나는 것을 확인하였다. 운전 기간이 길어질수록 막간차압의 차이가 점점 크게 났기 때문에 MBR1 의 처리수 flux 도 MBR2 에 비해 점점 작아졌다고 판단되었다. 연속적인 공정이기 때문에 처리수의 flux 가 감소함에 따라 유입수의 flux 도 감소됐을 것이고 이는 곧 시간당 유입되는 기질의 양도 달라졌다는 것을 의미한다. 이에 따라 40 일간의 실험에 사용되었던 슬러지를 건져서 슬러지 비저항값 (specific cake resistance, α)을 분석하는 것은 신뢰성이 떨어진다고 판단하였다.After long-term operation for 40 days, it was confirmed that the transmembrane pressure difference between MBR1 with nothing added and MBR2 with coated alginate beads was more than three times different. As the operation period became longer, the difference in transmembrane pressure became larger, so it was determined that the treated water flux of MBR1 became smaller than that of MBR2. Because it is a continuous process, as the flux of treated water decreases, the flux of influent water also decreases, which means that the amount of substrate flowing in per hour also changes. Accordingly, it was judged to be unreliable to collect the sludge used in the 40-day experiment and analyze the sludge specific resistance value (specific cake resistance, α).

따라서 서울시 J 물 재생 센터의 A2O 공정의 호기조에서 같은 종류의 새로운 활성슬러지를 채취한 후 두 실험실 규모의 회분식 반응조 (batch reactor)에 식종하여 추가적인 반응조 운영 실험을 진행하였다. 실험에는 총 2 가지의 반응조를 이용하였다. 첫 번째 반응조는 담체를 아무것도 투입하지 않은 대조군(control) 반응조로서 운전하였고 두 번째 반응조는 3-2-(2)의 코팅 미생물 고정화 담체 장기 적용 가능성 평가 실험 이후 건져냈던 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입하여 운전하였다 (도 31). 담체의 투입 여부 외에 두 반응조의 운전 조건들은 모두 같게 설정하였으며 표 13 에 자세히 기술하였다. 운전 기간 동안 유입수는 MBR 반응조 운전에 사용했던 유입수와 같은 성분의 인공하수를 0.5 kgCOD/m3/day 의 유기물 부하량 (organic loading rate, OLR)에 맞추어 제작하여 사용하였다. 총 15 일 동안 운전하였고 운전 이후의 dead end filtration test 를 통해서 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드가 활성슬러지에 미친 영향을 분석하였다.Therefore, new activated sludge of the same type was collected from the aerobic tank of the A2O process at J Water Reclamation Center in Seoul, and then seeded into two laboratory-scale batch reactors to conduct additional reactor operation experiments. A total of two reaction tanks were used in the experiment. The first reactor was operated as a control reaction tank in which no carrier was added, and the second reactor was operated with microbial immobilization coated alginate beads rescued after the experiment evaluating the long-term applicability of the coated microorganism immobilization carrier of 3-2-(2). Driving (Figure 31). Other than the input of carrier, the operating conditions of both reactors were set to be the same and are described in detail in Table 13. During the operation period, the influent was artificial sewage with the same composition as the influent used in the operation of the MBR reactor, adjusted to an organic loading rate (OLR) of 0.5 kgCOD/m 3 /day. It was operated for a total of 15 days, and the effect of the microbial immobilization coated alginate beads on activated sludge was analyzed through a dead end filtration test after operation.

반응조reaction tank Reactor#1Reactor#1 Reactor#2Reactor#2 주입담체Injection carrier -- 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드Microorganism immobilization coated alginate beads MLSS (mg/L)MLSS (mg/L) 5000±5005000±500 F/MF/M 0.10.1 SRT (days)SRT (days) 1212 OLR
(kgCOD/m3/day)
OLR
(kgCOD/m 3 /day)
0.50.5
반응조 유효 용적 (L)Reactor effective volume (L) 33 반응조 온도 (℃)Reactor temperature (℃) 20 - 2420 - 24 반응조 pHReactor pH 6.8 - 7.46.8 - 7.4 반응조 포기 유량 (L/min)Reactor aeration flow rate (L/min) 22

2) 슬러지 비저항 값 분석2) Sludge resistivity value analysis

15 일 동안의 회분식 반응조 (batch reactor)운전 후에 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드가 활성슬러지 비저항 값 (specific cake resistance, α)에 어떤 영향을 끼치는지 알아보기 위하여 dead end filtration test 를 진행하였다. 아무 담체도 투입하지 않은 첫 번째 반응조와 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 투입한 두 번째 반응조에서 각각 샘플을 채취한 직후 dead end filtration test 를 진행하였다. 2-5 에서 언급한 활성슬러지 케이크 비저항 값 방정식을 이용하여 V와 t/V 사이의 선형 회귀식을 구하고 그 기울기 값을 이용하여 활성슬러지 비저항 값을 산출하였다 (도 32).After operating the batch reactor for 15 days, a dead end filtration test was performed to determine the effect of the microbial immobilization coated alginate beads on the specific cake resistance (α) of the activated sludge. A dead end filtration test was performed immediately after samples were collected from the first reactor in which no carrier was added and the second reactor in which microbial immobilization coated alginate beads were added. Using the activated sludge cake resistivity value equation mentioned in 2-5, a linear regression equation was obtained between V and t/V, and the slope value was used to calculate the activated sludge resistivity value (FIG. 32).

그 결과 첫 번째 반응조 의 활성슬러지 값이 두 번째 반응조 보다 4.72 배 높게 측정되었고 이것으로 미루어 보아 KCTC12325 를 고정시킨 알지네이트 비드가 생물막 형석 억제를 통해 활성슬러지의 비저항 값을 감소시켜 막 오염 저감 효과를 보였다고 판단하였다 (표 14). 3-2-(4)에서 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드를 넣어줬던 MBR2 의 막간차압 상승률이 가장 낮았던 결과와 연관 지었을 때, 미생물 고정화 코팅 알지네이트 비드가 생물막 형성을 억제하여 활성슬러지의 비저항 값을 감소시켰고 그 결과 막 오염이 제어되어 막간차압 상승률이 가장 낮았다고 판단된다. As a result, the activated sludge value of the first reactor was measured to be 4.72 times higher than that of the second reactor. Judging from this, it was determined that the alginate beads immobilized with KCTC12325 showed the effect of reducing membrane contamination by reducing the resistivity value of activated sludge through biofilm fluorite suppression. (Table 14). When correlated with the result in 3-2-(4) that the rate of increase in transmembrane differential pressure was the lowest for MBR2 in which microorganism-immobilized coated alginate beads were added, the microorganism-immobilized coated alginate beads suppressed biofilm formation and reduced the resistivity value of the activated sludge. As a result, it was determined that membrane contamination was controlled and the rate of rise in differential pressure between membranes was the lowest.

slopeslope R2 R 2 αα MBR1
(control)
MBR1
(control)
9 × 1011 9 × 10 11 0.99390.9939 3.27 × 1013 3.27 × 10 13
MBR2
(KCTC12325 immobilized bead)
MBR2
(KCTC12325 immobilized bead)
2 × 1011 2 × 10 11 0.96890.9689 6.93 × 1012 6.93 × 10 12

Claims (8)

폐수가 생물 반응조 내에 침지된 분리막의 외부에서 내부로 유입되면서 정수되는 공정이 연속적으로 수행되는 상기 생물 반응조의 운전 방법으로서,
상기 생물 반응조 내부에 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 주입하는 단계를 포함하고,
상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된, 생물 반응조의 운전 방법.
A method of operating the bioreactor in which the process of purifying wastewater flows from the outside to the inside of the separation membrane immersed in the bioreactor and is continuously performed,
Comprising the step of injecting a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms into the bioreactor,
A method of operating a biological reactor, wherein the carrier is coated on the outside with a polymer material.
청구항 1에 있어서, 상기 람노리피드 생성 미생물은 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens)인, 생물 반응조의 운전 방법.
The method of claim 1, wherein the rhamnolipid-producing microorganism is Pseudomonas nitroreducens .
청구항 1에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리설폰(polysulfone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(polyamide elastomer), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methymethacrylate)), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride)), 및 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인, 생물 반응조의 운전 방법.
The method of claim 1, wherein the polymer material is polysulfone, polyurethane, polyacetal, polyamide, polyamide elastomer, polyester, polyester elastomer. (polyester elastomer), polypropylene, polyacrylonitrile, poly(methymethacrylate), polyolefin, poly(vinyl chloride), and silicone ( A method of operating a biological reactor, which is any one selected from the group consisting of silicon).
청구항 1에 있어서, 상기 담체는 상기 생물 반응조 내부에 1회 주입되는, 생물 반응조의 운전 방법.
The method of claim 1, wherein the carrier is injected once into the biological reactor.
청구항 1에 있어서, 상기 담체는 상기 생물 반응조의 용적당 300개/L 이하의 개수밀도로 주입되는, 생물 반응조의 운전 방법.
The method of operating a biological reactor according to claim 1, wherein the carrier is injected at a number density of 300/L or less per volume of the biological reactor.
폐수를 주입하기 위한 유입 펌프;
상기 유입 펌프에 의해 주입된 폐수가 활성슬러지에 침지된 후 분리막을 통과하도록 구성된 생물 반응조; 및
상기 분리막의 내부와 연통되며 상기 분리막을 통과한 폐수를 상기 생물 반응조 외부로 유출시키기 위한 유출 펌프를 포함하고,
상기 생물 반응조는 람노리피드 생성 미생물을 포함하는 담체를 포함하고,
상기 담체는 외부가 고분자 물질로 코팅된, 수처리 시스템.
Inlet pump for injecting waste water;
a bioreactor configured to allow wastewater injected by the inlet pump to pass through a separation membrane after being immersed in activated sludge; and
It communicates with the interior of the separation membrane and includes an outflow pump for discharging wastewater that has passed through the separation membrane to the outside of the bioreactor,
The biological reactor includes a carrier containing rhamnolipid-producing microorganisms,
A water treatment system wherein the carrier is coated on the outside with a polymer material.
청구항 6에 있어서, 상기 람노리피드 생성 미생물은 슈도모나스 니트로리듀센스(Pseudomonas nitroreducens)인, 수처리 시스템.
The water treatment system according to claim 6, wherein the rhamnolipid-producing microorganism is Pseudomonas nitroreducens .
청구항 6에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리설폰(polysulfone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리아미드 엘라스토머(polyamide elastomer), 폴리에스터(polyester), 폴리에스터 엘라스토머(polyester elastomer), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methymethacrylate)), 폴리올레핀(polyolefin), 폴리비닐클로라이드(poly(vinyl chloride)), 및 실리콘(silicon)으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인, 수처리 시스템.
The method of claim 6, wherein the polymer material is polysulfone, polyurethane, polyacetal, polyamide, polyamide elastomer, polyester, polyester elastomer. (polyester elastomer), polypropylene, polyacrylonitrile, poly(methymethacrylate), polyolefin, poly(vinyl chloride), and silicone ( A water treatment system selected from the group consisting of silicon.
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