Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) treatment has been widely studied in recent years because of the potential for production of bio-energy from wastewater and energy-positive operation of wastewater treatment plants. Several AnMBR systems, including those that incorporate ceramic membranes, take advantage of enhanced water permeability and low membrane fouling potentials. Given that differences in the ceramic membranes may influence the results of AnMBR studies, relevant details are discussed in this review, which focuses on the profiles of common ceramic membranes used in AnMBR, treatment and filtration performances of different anaerobic ceramic membrane bioreactors (AnCMBRs), and the membrane fouling mitigation methods available for effective AnCMBRs operation. The aim of this review is to provide a comprehensive summary of AnCMBR performance, feed wastewater characteristics, operating conditions, and the methods available for effective fouling mitigation.
수처리에 사용되는 세라믹 분리막은 친환경적이고 낮은 에너지 소비 등의 장점으로 인해 많이 사용되고 있으나, 40 % 이상의 높은 기공률로 인해 수처리 모듈에 적용되는 과정에서 강도에 대한 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도자기에 사용되는 유약을 이용하여 분리막 끝단의 강도를 향상시키고자 하였다. 분리막의 미세구조 변형을 최소화하기 위하여 낮은 소성온도에서 사용되는 저온용 유약 조성 4가지를 선정하였다. 저온용 유약을 이용하여 코팅 후 열팽창 계수 차이로 크랙 발생이 관찰되었다. 따라서 유약의 열팽창 계수를 cordierite와 petalite를 첨가하여 제어하였다. 코팅 후 세라믹 분리막의 압축강도는 $27N/m^2$에서 $117N/m^2$ 증가하였으며, 이는 깨지기 쉬운 세라믹 분리막의 단점을 충분히 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
A single layer ultrafiltration(UF) ceramic membrane was prepared using boehmite sol. Boehmite was synthesized using a typical sol-gel process with optimization of the viscosity, pH, molar ratio of aluminum isopropoxide(AIP) and $HNO_3$. Boehmite sol was coated on a microfiltration(MF) support using the dip-coating method. MF support was dipped into the boehmite sol with a withdrawal speed of 5 mm/s and was maintained for 10 s in the boehmite sol, resulting in a uniform UF membrane layer of $10{\mu}m$ thickness. The porosity of the obtained membrane was measured and found to be 41.2%; the pore size was found to range from 80~100 nm, corresponding to the pore size of the UF membrane. The flux of the obtained membrane was initially 540 $L/m^2h$ and approximately 85% of the initial flux was recovered using a periodic back-flushing process.
A tube-type ceramic membrane for microfiltration was developed, and the membrane module comprised of three membranes was also applied to biological carbon and nitrogen removal processes for post-treatment. Manufacturing the microfiltration membrane was successful with the structure and boundary of the coated and support layers within the membrane module clearly observable. Total kjeldahl nitrogen removal from effluent was additionally achieved through the elimination of solids containing organic nitrogen by use of the ceramic membrane module. Removal of suspended solids and colloidal substances were noticeably improved after membrane filtration, and the filtration function of the ceramic membrane could also easily be recovered by physical cleaning. By using the ceramic membrane module, the system showed average removals of organics, nitrogen, and solids up to 98%, 80% and 99.9%, respectively. Thus, this microfiltration system appears to be an alternative and flexible option for existing biological nutrient removal processes suffering from poor settling performance due to the use of a clarifier.
In this research, the $3.6m^3/day$ scale pilot plant consisting preozonation, coagulation, flocculation, and ceramic membrane processes was operated for long term period to evaluate the validity of ceramic membrane filtration process for treating lake water containing high concentration manganese. The higher concentration of dissolved manganese($Mn^{2+}$) was effectively oxidized to the bigger insoluble colloidal manganese ($MnO^2$) by 1~2 mg/L ozone. The colloidal manganese reacted with coagulant (poly aluminium chloride, PAC) and then formed the big floc. Ceramic membrane rejected effectively manganese floc during membrane filtration. Dissolved organic carbon(DOC) removal was dependent upon $Mn^{2+}$ concentration. While average $Mn^{2+}$ concentration was 0.43 and 0.85 mg/L in raw water, DOC removal rate in preozonation was 26.5 and 13.5%, respectively. The decrease rate of membrane permeability was faster without preozonation than with preozonation while membrane fouling decreased with NOM oxidation by ozone. In conclusion, raw water containing high concentration of manganese can be effectively treated in preozonation-coagulation-ceramic membrane filtration system.
세라믹 소재는 고분자 나노섬유 분리막과 비교하여 우수한 열안정성과 고투과 물성을 가짐으로써 지난 10여 년간 많은 주목을 이끌어왔다. 최근 들어 높은 다공도와 유량을 가지는 세라믹 섬유 분리막이 금속 산화물을 이용하여 주로 전기방사법에 의해 제조되어 왔는데, 이러한 세라믹 분리막의 제조 단가를 감소하며 성능을 향상시키기 위해 나노섬유의 선택층을 가지는 세라믹 분리막들이 전기방사 공정과 개질 과정을 통해 개발되었다. 본 리뷰에서는 최근 수년간 세라믹 섬유 분리막의 개발을 위한 연구 동향에 대하여 정리하였다.
To enhance the efficiency of water treatment and reduce the extent of membrane fouling, the membrane separation process is frequently preceded by other physico-chemical processes. One of them might be ion exchange. The aim of this work was to compare the efficiency of natural organic matter removal achieved with various anion-exchange resins, and to verify their potential use in water treatment prior to the ultrafiltration process involving a ceramic membrane. The use of ion exchange prior to ceramic membrane ultrafiltration enhanced final water quality. The most effective was MIEX, which removed significant amounts of the VHA, SHA and CHA fractions. Separation of uncharged fractions was poor with all the resins examined. Water pretreatment involving an ion-exchange resin failed to reduce membrane fouling, which was higher than that observed in unpretreated water. This finding is to be attributed to the uncharged NOM fractions and small resin particles that persisted in the water.
The permeation characteristics and reclamation efficiency of waste lubricating oil were studied as a function of the types of ceramic composite membranes and the membrane separation process variables. The oil permeability of the TiO2 composite membrane(pore size 0.015 $\mu\textrm{m}$) was directly proportional to the crossflow velocity(0.22∼0.9 m/s) and temperature(150$^{\circ}C$∼200$^{\circ}C$). In the batch concentration process, as the concentration factor increased, both the permeability and the ash content of the permeate decreased. The average ash contents of the total permeate through the A6 alumina membrane(average pore size 0.8$\mu\textrm{m}$), Z1/A6 and Z1/A4(pore size 0.23$\mu\textrm{m}$)/A7(pore size 6$\mu\textrm{m}$) zirconia composite membrances(average pore size 0.07$\mu\textrm{m}$) were about 0.063 wt%, 0.045wt% and 0.08wt% in the region of 1∼2 concentration factor, respectively. The ash content of the mixed permeate through the A6 alumina and zirconia composite membrane was about 0.06 wt% and it can be also reduced to 0.06 wt% in the Z1/A6 membrane and below 0.003 wt% in the TiO2/Z1/A6 membrane. It was concluded that the treated oil obtained from the multi-step membrane separation process could be used as reclaimed lubricating oil as well as reclained fuel oil.
The purpose of this study was to investigate membrane fouling caused by microalgal cells in submerged membrane systems consisting of polymeric and ceramic microfiltration membranes. In this study, one polymeric (flat-sheet, pore size: $0.2{\mu}m$) and two ceramic (flat-sheet, pore size: $0.2{\mu}m$ and cylindrical, pore size: $1{\mu}m$) membranes were used. Physical cleaning was performed with water and air to determine the potential for reversible and irreversible membrane fouling. The study results showed that substantial irreversible membrane fouling (after four filtration cycles, irreversible fouling degree 27% (cleaning with water) and 38% (cleaning with air)) occurs in the polymeric membrane. In cleaning studies performed using water and air on ceramic membranes, it was observed that compressed air was more effective (recovery rate: 87-91%) for membrane cleaning. The harvesting performance of the membranes was examined through critical flux experiments. The critical flux values for polymeric membrane with a pore size of $0.20{\mu}m$ and ceramic membranes with a pore size of $0.20{\mu}m$ and $1{\mu}m$ were ${\leq}95L/m^2hour$, ${\leq}70L/m^2hour$ and ${\leq}55L/m^2hour$, respectively. It was determined that critical flux varies depending on the membrane material and the pore size. To obtain more information on membrane fouling caused by microalgal cells, the characterization of the fouled polymeric membrane was performed. This study concluded that ceramic membranes with a pore size of $0.2-1{\mu}m$ in the submerged membrane system could be efficiently used for microalgae harvesting by cleaning the membrane with compressed air at regular intervals.
본 논문에서는 ~1.5 ㎛의 기공 크기를 가지는 고투과도 알파 알루미나 지지체 위에 도포된 서스펜션의 증발유도 자기조립 현상을 이용하여 중간층을 형성하는 새로운 코팅 방식을 소개한다. 새로운 코팅 방법으로 만들어진 중간층은 일반적으로 사용되는 담지법으로 코팅된 중간층과 비교하여 표면거칠기와 불균일도가 낮아 코팅에 적합하였다. 복합막 지지체로서의 평가를 위해 제조된 지지체는 감마 알루미나 복합막 제조에 사용되었다. 메조 기공을 가지는 감마 알루미나 복합막은 반복코팅 없이도 매크로 기공 크기의 결함이 존재하지 않았으며 일반적으로 널리 사용되는 100~200 nm의 기공 크기를 가지는 지지체로부터 만들어진 같은 두께의 복합막과 비교하여 2.3배 이상의 높은 질소투과도를 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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