막분리 생물반응조(MBR)

왜 배우는가: MBR은 고도처리 수질과 부지 절감을 동시에 만족시키는 공정이라 공공하수처리시설의 신설·증설과 재이용 사업에서 핵심 선택지가 된다. 막 오염과 에너지 문제가 운영의 중심 쟁점이어서 시험에서도 특징, 문제점, 고도처리 적용, 설계인자 등 여러 형태로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제133회 3교시 4번, 제126회 2교시 5번, 제97회 2교시 6번, 제95회 1교시 2번, 제93회 1교시 9번, 제92회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

막분리 생물반응조(MBR)는 활성슬러지 생물반응조에 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF) 막을 결합하여 최종침전지 없이 고액분리를 수행하는 하수처리 공정이다.

핵심 키워드

• 막분리 생물반응조(MBR)
• 침지형 MBR
• 분리형(가압형) MBR
• 막 오염(Fouling)
• MLSS 농도
• 고형물 체류시간(SRT)
• 막 플럭스
• 막간차압(TMP)
• 정밀여과(MF)·한외여과(UF)
• 막 세정(역세척·약품세정)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 MBR은 폭기조 안에 막을 넣어 물과 미생물 덩어리를 막으로 걸러내는 방식이다. 기존 활성슬러지법은 처리수와 슬러지를 중력침전으로 나누지만, MBR은 막의 미세한 구멍이 그 역할을 맡는다.

정식 정의로는 막분리 생물반응조(MBR)가 생물학적 분해 공정과 막여과(Membrane Filtration)에 의한 고액분리를 하나의 반응조에서 결합한 시스템이다. 막은 주로 공경 약 0.1μm 수준의 정밀여과 또는 한외여과 막을 쓴다. 이 막이 미생물과 부유물질을 반응조 내에 보유하므로 최종침전지(이차침전지)가 필요 없다.

막의 배치에 따라 두 형식으로 나뉜다. 침지형 MBR은 막 모듈을 생물반응조 내부에 잠기게 설치하고 하부 산기관으로 공기를 공급하여 막 표면을 세정한다. 분리형(가압형) MBR은 막을 반응조 외부에 두고 펌프로 혼합액을 가압하여 막을 통과시킨다. 이 두 형식의 차이는 6절에서 비교한다.

이 공정의 핵심 원리는 생물반응조의 MLSS를 높게 유지할 수 있다는 점이다. 기존 활성슬러지법은 슬러지 침강성 때문에 MLSS를 대략 2,000~3,000mg/L 수준으로 제한한다. MBR은 막이 고형물을 잡으므로 MLSS 8,000~12,000mg/L 수준까지 운영할 수 있다. 이 높은 농도는 반응조 용적을 줄이고 SRT를 길게 유지하게 한다.

SRT가 길어지면 질산화 세균이 충분히 증식하므로 질산화 효율이 높아진다. 또 잉여슬러지 발생량이 줄어든다. 따라서 MBR은 유기물 제거, 질소 제거, 부지 절감을 함께 얻는 구조다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 활성슬러지 공정의 가장 큰 제약은 최종침전지의 침강성 한계다. 슬러지 팽화나 벌킹이 생기면 처리수에 고형물이 빠져나가고, 이를 막으려면 반응조 농도와 유량을 제한해야 한다. 그 결과 처리 용량과 방류수질이 함께 흔들린다.

또 하수처리장의 방류수 기준이 강화되면서 부유물질(SS)과 총인, 총질소를 더 낮게 관리해야 하는 요구가 커졌다. 재이용 수요가 늘면서 살균 전 단계의 탁도와 미생물 제거 수준도 높아졌다. 이 요구를 만족시키는 방법으로 막이 주목받았다.

도시 인구 집중으로 부지 확보가 어려운 지역에서는 최종침전지와 3차 여과 설비를 줄일 수 있다는 점이 큰 장점으로 작용한다. 기존 시설을 증설할 때도 반응조 내부에 막을 추가하여 처리 능력을 늘리는 방식이 가능하다.