막분리 하폐수 처리

김오식 지음

유니한자연구소 2025년 01월 03일 출간

작품소개

책소개

지속가능한 사회를 지향하기 위해 저탄소와 순환형 사회의 구축을 모색하고 있다. 하수처리장은 도시생활을 지지하는 중요한 사회 안프라의 하나이지만, 그 운용에서 에너지 절약과 자원회수 및 온실효과가스 배출량의 삭감이 큰 과제로 되고 있다. 이미 보급된 활성오니법은 폭기에 동반하는 에너지 소비가 많고 잉여오니의 발생량도 많은 등의 문제점이 있으므로 이를 대체할 새로운 기술개발이 요구되고 있다.
혐기성 막분리법(AnMBR)은 에너지 회수를 초대화할 수 있는 하수처리기술로서 주목받고 있다. 혐기성 막분리법의 AnMBR는 혐기성 소화(AD: Anaerobic Digestion) 프로세스와 막여과기술을 조합한 시스템이므로, 혐기성 반응속도를 높이면 처리수의 수질도 높일 수 있다. 그러나 AnMBR의 실용화에는 막파울링의 제어를 시작으로, 프로세스의 안정화 등 수많은 기술적 과제가 잔존하고 있다. 특히 막파울링은 막 투과성을 저하시켜 운용 코스트를 증가시키는 요인이 되고 있고, 예측과 관리는 AnMBR의 운용에 있어서 극히 중요하다.
이러한 과제를 극복하기 위해, 기계학습(ML: Machine Learning)의 도입이 주목받고 있다. ML은 복잡한 데이터 세트로부터 유용한 패턴을 추출하고, 시스템의 동작을 예측하고 최적화하기 위한 강력한 tool이 되고 있다. 환경공학에서 ML은 이미 다양한 분야에서 응용되고 있지만, 특히 예측모델의 정도향상이나 프로세스의 최적화에 대해서 성과를 올리고 있다. AnMBR의 기술에 있어서도 ML은 막파울링의 예측이나 AD프로세스의 제어에 유망한 수단으로 도입되고, 운용효율의 향상에도 기여하고 있다면서, 21세기에는 기계학습 등의 AI학습에 의한 막분리기술이 조속히 도입되어, 지구적인 막기술과 막분리기술을 선도할 것을 요망하고 기대하는 책이다.

목차

서론
1. 막분리기술과 효과적인 하폐수처리에의 적용
2. 순환형 사회형성에 기여하는 MBR의 효율화
3. 미생물 세포간 정보전달기구에 기반하는 MBR 막파울링의 제어
4. 기계학습에 의한 혐기성 MBR의 처리성능 예측모델링
5. 혐기성 MBR와 미세조류배양에 의한 낙농 바이오매스의 순환이용
6. 막여과법과 정수처리기술
7. 세라믹막 여과시스템 이용 조류피해 대책
8. 역삼투막법의 해수담수화 시스템 개발
9. 혐기성 MBR 공정과 생활하폐수의 메탄발효처리
10. 고농도 유기산폐수의 UASB처리와 메탄생성 변화
11. 혐기성 MBR공정과 유기성 하폐수 처리
12. 막여과법의 에너지 절약과 빗물이용 기술
13. 중력식 막분리법의 응용기술 연구
14. 막여과법의 응용과 정화조 시스템의 개발
15. 해수담수화용 역삼투막 모듈의 파울링 지표개발
16. 생물막 조절제와 역삼투막 모듈의 적용사례
17. 참고문헌

책 속으로

막분리활성오니법(MBR)은 고품질의 처리수, 용이한 운전관리 등의 뛰어난 특징을 가진 하수처리기술이다. MBR에 의한 하수의 재생과 순환이용이나 수환경보전이 기대되고 있고, 막의 눈막힘과 투수성 저하(막파울링)가 MBR의 운전코스트와 에너지 소비량을 증가시켜, MBR의 보급을 저해하고 있다. MBR에서의 효율적인 막파울링 억제기법의 확립을 지향하여 막파울링의 주원인물질의 하나이기도 하는 biopolumer에 착안해 연구하고 있다. 물순환을 위한 MBR의 활용에 추가하여 근년에는 메탄발효와 막분리를 조합시키는 혐기성 막분리법(AnMBR)를 이용하는 오나처리에도 착안해 연구하고 있다......
일부의 세균이나 고세균은 쿠오람센싱(Quorum sensing)이라고 부르고 있다. 세포 사이에서의 정보전달기구를 가지는 것으로 알려지고 있다. 근래 15년간에 쿠오람센싱이 막분리활성오니법의 막파울링과 연관성을 가지고 있으며, 쿠오람센싱을 저해하는 것으로 막파울링을 억제할 수 있다는 연구보고가 많이 발표되고 있다. 쿠오람센싱을 이용하는 아프로치는 미생물 생태학적 기구를 직접적으로 공학적 프로세스에 응용하는 점에서 혁신적이고, 폭기나 약품세정 이외의 미생물학적 막 파울링 제어기술로 되는 포텐샬을 가지고 있다......
환경분야에서의 연구는 분석방법, 제어시스템, 센서기술의 발달에 따라 큰 변화를 겪고 있다. 기술의 발달에 따라 유입되는 환경데이터의 정도(精度)나 상세함이 향상될 뿐만이 아니라 해석가능한 데이터세트의 양이나 복잡성도 대폭적으로 확대되고 있다. 종래의 통계 tools나 메커니즘 모델은 기본적이긴 하지만, 이와 같이 팽대한 데이터의 가능성을 최대한으로 활용하기 위해서는 불충분한 경우가 많다. 이에 대해 계산능력과 분석기술이 급속히 진화하고 있는 컴퓨터 사이언스의 분야에서는 ML기술이 그 데이터 해석능력으로 주목받고, 다양한 환경문제에 적응가능한 해결책을 제공하고 있다. ML은 데이터세트 내의 복잡한 관계를 해석하는 능력을 가지고, 환경분야 연구에서의 유망한 tools로 되고 있다.
ML(Machine Learning)은 인공지능(AI: Artificial Intelligence) 중에서도 끊임없이 변화하는 동적인 분야이고, 환경분야에서의 데이터 구동형 분석의 중요한 요소가 되고 있다. ML은 알고리즘을 활용하여 복잡한 데이터세트 내의 패턴을 검출하여 환경현상에 대한 혁신적인 이해를 제공한다. ML은 크게 ‘교사있는 학습’, ‘교사없는 학습’ 및 강화학습으로 분류된다. 교사있는 학습은 라벨부착 데이터세트를 이용하여 예측모델링에 주로 이용하고 있고, 입력변수와 출력변수의 관계를 확립하여 과거의 데이터를 사용하여 결과를 예측한다.
이와 같은 ‘교사있는 학습’은 라벨있는 회귀분석이나 분류에 기초하고 있고, 각각의 데이터를 분류하여, 연속응답을 예측하기 위하여 이용하고 있다. 예를 들자면, Breiman 박사(2001)는 교사있는 학습 알고르즘인 random forests가 토지피복의 분류나 삼림벌채율의 평가에 효과적으로 사용할 수 있는 것이라고 보고되고 있다. 한편으로 ‘교사없는 학습’은 라벨이 없는 데이터 내에 은닉된 구조나 패턴을 명확히 하는데 활용된다. 주성분 분석(PCA: Principal Components Analysis)나 k-means법클라스터링(k평균법)은 이것에 해당하는 데이터의 차원삭감이나 그루핑을 시행하는 것으로서 환경데이터의 특성을 이해하는데 유용한 분석이다.
강화학습은 피드백을 통해서 학습프로세스를 최적화하고, 동적인 환경에 있어서 적응적인 의사결정을 지원한다. 이러한 아프로치는 관개에서의 수자원의 최적이용에 있어서도 응용되고, 환경조건의 변동을 고려하는 전략적인 물이용의 최적화를 실현할 수 있다.
ML의 각 기법은 환경분야에서 각기 다른 역할을 하고 있으나, 나아가 디프러닝(DL: Deep Learning)의 등장에 의해 복잡한 비선형관계의 모델링이 가능하게 되어, 환경모니터링이나 위성해석에 있어서 새로운 전개를 보여주고 있다. 또한 부스팅(Boosting)이나 배깅(Bagging) 등의 앙상블・러닝(Ensemble Learning) 기법은 복수의 모델을 조합시키는 것으로서 예측정도를 향상시킬 수 있고, 대량의 기상 데이타를 통합시켜, 보다 정확한 예측을 실현하게 하고 있다. 이와 같이 ML의 다양한 어프로치는 환경공학에서의 데이터 분석의 가능성을 폭넓게 지속시켜 주고 있다.
ML의 응용은 혐기성 MBR실용화의 과제를 극복하기 위해서는 바람직한 수단이다. 특히 막 파울링의 예측과 제어 및 바이오가스 생성의 최적화에서 그 가능성이 나타나고 있다. ML모델의 실제장치에 대한 최적화, 모델해석성의 향상 및 앙상블이나 하이브리드 모델과 같은 고도의 계산수법의 도입에 관한 더 이상의 연구도 요구되고 있다. 이에 따라 혐기성 MBR시스템은 보다 유연하고 효과적이고 확장성이 있는 시스템으로 진화할 가능성도 있는 것이다......
또한 Biofilm의 생물막은 미생물과 다당류 등의 대사물질(대사물)로 구성되는 막상(막모양)의 물체이고, 물(水)이 존재하는 모든 장소에서 발생하여, 다종다양한 문제를 일으키고 있다. 예를 들자면, 역삼투막(RO막)을 이용하여 물 만드는 조수(造水)에서 균이 증식하기 쉬운 저수질의 원수를 이용하는 경우는 바이오필름의 발생에 기인하는 maintenance cost가 증대하기 때문에 효율이 나빠져서, 유효한 방제법의 개발이 중요한 과제의 하나가 되고 있다.
바이오필름에 기인하는 각양각색의 과제의 해결을 목적으로 세균의 세포간(細胞間: 세포 사이) 시그널 전달을 개입시키는 바이오필름형성(쿠오람센싱)을 저해하는 값싸고 실용적인 물질을 이용하는 신규의 바이오필름 형성억제・박리제(biofilm control-제)를 개발하여, RO막의 biofouling의 억제에 관해 검토하였다.
실제 규모 사이즈의 RO module을 이용하여 조수시험의 가속시험으로 본 약제를 이용하여 4개월간의 조수운전을 시행하였고, 약제무첨가에 대해서 모듈간(間)의 차압(압력차이)의 증가속도를 1/3로 저하시킬 수 있었다. 이러한 사실은 막폐쇄까지의 운전시간을 3배로 연장시키는 것을 의미하는 것이다. 예로서 자동약제 주입장치와 바이오필름콘트롤-제를 조합시키는 방안이 수동세정이나 막모듈(membrane module)교환에 걸리는 운전코스트의 절감을 기대하게 해주는 것이다.

출판사 서평

하폐수처리에서 주로 이용되는 막분리기술 중의 막분리활성오니법(MBR)은 양호한 처리수 획득, 분리스페이스 절약, 적정한 수리학적 체류시간(HRT)과 고형물체류시간(SRT) 및 완전한 오염물질 분리작용 등의 이점을 갖고 있지만, 막 오염(fouling)의 방지를 목적으로 하는 막 세정 폭기에 필요한 전력량이 많은 투입돼야 하는 등의 단점이 있다.
막분리활성오니법(MBR)은 고품질의 처리수, 용이한 운전관리 등의 뛰어난 특징을 가진 하폐수처리기술이다. MBR에 의한 하수의 재생과 순환이용이나 수환경보전이 기대되고 있지만, 막의 눈막힘과 투수성 저하(막파울링)가 MBR의 운전코스트와 에너지 소비량을 증가시켜, MBR의 보급을 저해하고 있다.
상수처리에서 이용되는 정수막은 정밀한 고액분리능력과 자동화에 의한 인건비 절감효과에 의해 근년 들어 대규모 정수장을 시작으로 전국의 정수장으로 도입되고 있다. 한편으로 막폐색의 제어나, 막만으로서는 제거할 수 없는 용해성 망간 및 소독 부생성물의 전구물질(부식물질) 등의 제거나 막여과도입에 있어서 과제가 되고 있다. 막여과 전후의 단계에 응집과 침전이나 망간제거 프로세스를 조합시킨 hybrid system이 다종다양하게 제안 및 도입되고 있다.
가장 미세한 처리능력을 가지는 역삼투(RO) 막에 의한 해수담수화에서는 안정된 운전을 유지하기 위해 수회수율이 35~45% 정도로 운전되고 있다. 그 때문에 해수 취수량과 전처리량은 생산수량의 2배 이상이 필요하였지만, 약품과 소모품 소비량이나 부지면적의 증대를 초래하여, 코스트와 환경부하의 관점에서 악영향을 미치었다. 해수담수화 플랜트의 건설비와 운전비와 환경부하의 저감과 연계되는 것이므로, RO프로세스의 물회수율 향상은 화급한 막기술개발 대상이어야 한다고 주장하는 막화학 공학서이다.

작가정보

저자(글) 김오식

저자 김오식 金五植 Ocica O. Kim Ph.D의 Ocica는 세상 그대로를 보고 싶어 관조(觀照)를 아호(雅號)로 앞세우고서, 「면업항심(勉業恒心)・청빈낙도(淸貧樂道)・소이부답(笑而不答)」을 인생의 Motto로 삼고 「묵언(meditation)・행선(meditation-in-walking)」을 생활의 좌표로 하고서, 「책이나 쓰며 사는 사람!」으로, 그의 우그리고 사는 오막살이 골방・우거(寓居)에 오동(梧桐) 나무 한 그루 심어놓고, 한중일영 과학선비 (Unique Visionist)로서 유유자적(悠悠自適) 미친(美親) 넘으로 살아가는 과학기술인이다. 특히 한자의 천하통일화는 한 중 일 인도의 30억 손자와 손녀를 위해 개발해 무료로 제공하는 미친(美親)) 정신(精神)을 보여주고 있다.
그는 종이책(c-book)의 부분에서 100권 이상을 저술하고, 전자시대에 들어서는 전자책(e-book)으로 500권 이상을 목표로 하고 살고 있다. 그는 저술로서 한국사회에 보다 많이 기여하고자 쉬임없이 공부(工夫)한다. 동시에 工夫(과학기술계 지아비)인 한국 과학기술인의 세계적 경쟁력의 기반이고 원천인 ‘한중일영 한자’ 능력을 모든 과학기술인에게 심어주고자 하는 염원 (유튜브: ‘김오식’ ‘가난대물’에서 동영상 356강해록 무료제공)으로 “생각의 자유화(自由化)와 생각의 민주화(民主化)”를 제공하면서, 전지구 과학기술인의 인권을 보장하여, 약사여래불에서 기사여래불로 승천시키겠다는 일념으로 살아가고 있다.
74세인 2024년 9월에는 손자손녀 5명을 제외하고 모두가 세게 반대하는 5만한자의 간이화・약자화에 대해 복잡한자의 번잡스런 5만 한자를 ‘한글・과학기술’을 응용하여 간략화의 “유니한자”(Unihanza)로 20,247자를 진시황의 한자중원통일 이후에 처음으로 창의개발하여, 한자 형상의 ‘한중일 삼국통일화’를 기하고, ‘발음까지 한중일 삼국통일’하여, 바야흐르 “한자의 중국화시대를 접고 유니한자의 한국화시대‘를 활짝 열었으매, 20,247자의 유니한자를 “한중일 18억 인구에 무상으로 이용하도록 기증해 놓고서는, 빙긋이 미소 짓고 있다. 더욱이 그는 자기돈・자기노력・자기 Idea로 20,247자의 유니한자를 10권 32,000페이지의 e-book으로 내어놓고서는 열락에 젖어 있다.