생물반응기 MBR은 기존 폐수처리 공정의 한계를 보완하기 위해 개발된 고도 수처리 기술로, 생물학적 처리 공정과 막여과 기술을 결합한 공법입니다.
방류 수질 기준이 지속해서 강화되고 있고, 재이용수 수요 증가로 인해 중요성이 더욱 커지고 있는데요,
이전 글에서 말씀드렸듯이 이 글에서는 MBR 공정의 원리와 처리기술을 설명하고, 기존 활성슬러지 공정과 SBR 공정과의 차이를 비교하여 이해를 돕고자 합니다.
생물반응기 MBR 공정의 기본 원리와 구조
생물반응기 MBR은 활성슬러지법을 기반으로 한 생물학적 처리 공정 중의 하나로, 여기에 막여과 시스템을 결합한 것이 MBR 공정의 핵심입니다.(MBR : Membrane Bio-Reactor)
기존 폐수처리 공정에서는 최종 침전지를 이용해 고형물과 처리수를 분리합니다만, MBR 공정은 침전지를 사용하지 않고 막을 통해 직접 고액 분리를 수행하게 됩니다.
처리 후에는 막 여과를 통해 미생물과 부유물질을 완전히 차단하기 때문에, 처리수의 탁도가 정말 매우 낮은 수준으로 유지되고 부유물질 농도는 사실상 검출 한계 이하로 관리될 수 있습니다.
따라서 이 공법으로는 재이용수 기준까지 완벽하게 만족하는 고품질 처리수를 생산할 수 있습니다.
MBR의 기본 구성은 생물반응조, 막 모듈, 송풍 시스템으로 이루어져 있는데, 생물반응조에서는 미생물이 유기물과 질소 성분을 분해합니다.
막 모듈은 앞서 말씀드렸다시피 분해된 혼합액에서 처리수만 선택적으로 통과시키고, 송풍 시스템으로는 미생물에 산소를 공급하고 동시에 막 표면을 세정하는 역할을 담당합니다.
기존 활성슬러지 공법과 다르게 미생물이 고정되어 설계되기 때문에, MBR 공정은 높은 MLSS 농도로 운전이 가능하고 반응조 체적을 줄일 수 있습니다.
반응조 체적을 줄일 수 있고 침전조가 생략되어 있기 때문에, 시설 면적이 제한적인 현장에서도 적용성이 뛰어난 공법입니다.
현재 2026년 기준 공공 하수처리시설과 산업폐수처리시설 모두에서 적용이 확대되고 있습니다.
생물반응기 MBR의 처리기술과 운영 특성
① MBR 설계 요인
MBR 공정 설계에서 가장 중요한 요소는 MLSS 농도 설정입니다.
기존 활성슬러지 공정의 MLSS는 2,000~4,000mg/L 수준이지만, MBR 공정은 8,000~12,000mg/L 운전이 가능합니다.
최근에는 15,000mg/L까지 적용되는 사례도 증가하고 있습니다.
수리학적 체류시간인 HRT는 폐수 성상에 따라 결정됩니다.
생활하수 기준 HRT는 4~6시간이고, 비교적 오염물질 농도가 높은 산업폐수는 6~10시간 이상으로 설계됩니다.
다음으로는 질소 제거를 위해 무산소조와 호기조 체적 비율 설정이 중요합니다.
슬러지 체류시간인 SRT이 크다는 게 MBR 공정의 가장 큰 장점인데, 기존 활성슬러지 공정은 10~20일 수준이지만 MBR 공정은 30~60일 이상의 장기 SRT 운전이 가능합니다.
이는 잉여슬러지 발생량을 약 30~50% 저감할 수 있고, 반응기의 체적을 줄일 수 있는 장점입니다.
마지막 설계 요인은 막 플럭스(Flux)인데, 막 수명과 직접적으로 연관됩니다.
생활하수 기준 설계 플럭스는 15~25LMH이고, 산업폐수는 10~20 LMH 수준이 적용됩니다.
과도한 플럭스는 막오염을 가속화하기 때문에 최소/최대 Flux를 고려해서 꼭 설계해야 합니다.
② MBR 관리 요인
MBR도 기본적으로 생물학적 처리 방법이기 때문에 운영 방법이 가장 중요합니다.
또한 막을 통해서 처리수를 최종 걸러내기 때문에, 막 오염 제어도 가장 중요한 관리 요소라고 볼 수 있습니다.
먼저 막 오염 제어에 대한 관리 요인을 말씀드리자면, 막 차압인 TMP는 막 상태 판단의 핵심 지표입니다.
정상 TMP 범위는 10~30kPa이고, 40 kPa 이상 지속되면 세정이 필요합니다.
막 표면 오염 방지를 위해 공기 세정이 주로 수행되며, 공기 세정 방법은 막 모듈 하부에서 송풍하여 오염물질을 물리적으로 제거합니다.(막 모듈 하부 송풍량 약 0.3~0.6 Nm³/m²·hr)
당연히 송풍량이 필요 이상으로 과도하면 에너지 비용이 증가하기 때문에 TMP를 보면서 적당히 관리해주셔야 합니다.
만약 공기 세정으로도 막 오염물질 제거가 안된다면 화학 세정을 실시하면 되는데, 화학 세정은 주로 TMP 상승 추이에 따라 결정됩니다.
예를 들어 급격히 TMP가 상승하거나 하면 공기 세정보다는 화학 세정이 효과적일 수 있으며, 일반적으로 3~6개월 주기로 CIP가 실시됩니다.
최근에는 유지 세정과 회복 세정을 구분하여 적용하고는 합니다.
공정 운영 상태에 맞춰서 적당한 유지관리 기준을 수립하여 적용해주셔야 합니다.
다음으로 생물학적 처리 방법이기 때문에 미생물 관련 관리 요인을 정리해 보겠습니다.
예상하셨다시피 호기조 용존산소 농도 관리인데요,
권장 DO 농도는 1.5~2.5mg/L입니다.
DO가 낮으면 질산화 효율이 저하되고, DO가 높으면 불필요한 에너지 소비가 발생하기 때문에 권장 DO 농도를 일일 점검하여 관리하는 것이 좋습니다.
또한 MLSS 농도가 활성 슬러지 공법에 비해 고농도이지만, 15,000mg/L를 초과하면 문제가 발생할 수 있습니다.
MLSS가 15,000mg/L를 초과하면 미생물의 점도가 증가하고, 점도가 증가하면 막 투과성 저하로 이어지며, 막 투과성이 저하되면 TMP가 상승하고 막이 손상될 수도 있기 때문입니다.
따라서 주기적인 슬러지 인발을 통해 농도를 조절해서 운전해야 합니다.
생물반응기 비교: MBR, SBR, 활성슬러지 공정
마지막으로 생물 반응기의 종류 및 기존 생물학적 처리 방법과의 공법 비교를 해보고자 합니다.
각 공정별 특성을 비교하면 적용 목적에 따른 차이가 명확하게 구분됩니다.
| 구분 | MBR 공정 | SBR 공정 | 활성슬러지 공정 |
|---|---|---|---|
| 고액 분리 방식 | 막여과 | 침전 | 침전지 |
| MLSS 운전 범위 | 8,000~15,000mg/L | 3,000~5,000mg/L | 2,000~4,000mg/L |
| 처리수 수질 | 매우 우수, 재이용 가능 | 양호 | 보통 |
| 시설 면적 | 가장 작음 | 중간 | 가장 큼 |
| 운영 난이도 | 중~상 | 상 | 하 |
| 초기 설치비 | 높음 | 중간 | 낮음 |
| 적합 시설 | 고도처리, 재이용수 시설 | 중소규모 처리장 | 대규모 전통 시설 |
결론적으로 MBR 공정은 처리수 품질과 공간 효율성에서 가장 우수한 성능을 보이고, SBR 공정은 공간 활용도가 높지만 제어가 복잡합니다.
활성슬러지 공정은 비용은 낮으나 강화된 수질 기준 대응에는 한계가 있습니다.
이렇게 공정별 특성이 다르니, 발생하는 하·폐수의 특성 및 적용되는 배출 허용 기준을 고려하여 공법을 선택하는 것이 필요합니다.