1Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

이 정 학 교 수

WWater ater EEnvironment nvironment -- MMembrane embrane TTechnology Lab.echnology Lab. ((물환경물환경-- 막기술막기술 연구실연구실))

Contact 연구실 (302동 816호) : tel) 880-7075

실험실 (302동 515호) : tel) 874-0896

http://wemt.snu.ac.kr

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3Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

융합기술에 의한 창조형 R&D WEMT 연구실WEMT WEMT 연구실연구실

융합기술

미생물미생물 군집군집, , 생리생리,,

분자생물학분자생물학

BT IT 영상정보

분석기술

수처리 및 환경 신소재 기술

ET +

공극률, Biovolume, Cluster size

분리막 공정, 활성슬러지

CLSM, FISH, PCR-DGGE,

Quorum sensing

생물막:

나노구조 형상화 기술

NT 리소그래피 기술 분리막 제조

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MBR ?수(水)처리용 분리막 기술

폐수처리 분야

정수처리 분야

중수도 분야

해수담수화 분야

기능성 분리막 분야

분리막의분리막의 수처리수처리 적용적용

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Membrane bioreactor (MBR) : Leading edge technology Environmental Biotechnology + Membrane ProcessEnvironmental Biotechnology + Membrane Process

적은 부지면적, 양질의 처리수 , 타공정과 혼성가능.

수자원 부족 문제 해결을 위한 핵심 기술.

인구밀도가 높고 수자원이 부족한 지역에서 높은 기술 경쟁력을 가짐.

Ex) 유럽, 아시아 (일본, 한국, 중국 등)

하폐수 유입 MBR 여과수

정밀여과막(MF) / 한외여과막(UF)

활성슬러지 반응조

RO 여과수 (음용수)

역삼투막(RO)

MBR

(중수도)

RO 공정

WEMT공학한림원 선정 미래유망 기술 25

구 분 내 용 구 분 내 용 ∙ 지능형 텔레매틱스 ∙ 환경기계기술 ∙ 지능형로봇 ∙ 초미세 부품 장비 ∙ 차세대 반도체 ∙ 신․재생에너지 (풍력발전, 연료전지) ∙ IPTV ∙ 로봇기술 ∙ 광대역 유․무선 통합 통신망 기술 ∙ 하이브리드 자동차

∙ 차세대 디스플레이용 (고분자)소재▶ 분리막 생물반응조 공정 (MBR : Membrane Bioreactor)

∙ 고성능콘크리트 ∙ 신에너지(석탄액화․가스화, 연료전지, 수소에너지) ∙ U-건설현장 관리 제어 시스템 ∙ 소재혁명, 나노 기술 ∙ 실시간 버스통행거리 및 환승횟수 판단 기술 ∙ 차세대 전지용(고분자)소개 ∙ 지속가능 건축시스템 기술 ∙ 재생에너지 ∙ 고질소 오스테나이트계 스테인리스강

∙ 염료 감응형 유기 태양전지 ∙ 초내식성 지르코늄핵연료 피복관 개발 ∙ 화염분무열분해법(FSP)을 이용한

나노분말 제조기술 ∙ 반도체 조명 기술

재 료 자원공학

화 학 생명공학

건 설 환경공학

기계공학전기전자정보공학

출처 한국공학한림원, “미래기술전략 보고서”, 2006

2006.12 선정근거 : 산업의 규모, 전략적 측면, 사회적 영향

7Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

1990

100

200

300

400 362.6362.6

11 11.411.4

107.9107.9

216.6216.6

1995 2000 2005 2010

$ 백

만

Year

1 전세계 가동 MBR 플랜트 : 4,000 여 개

2 국내 가동 MBR 플랜트 : 1,700 여 개 (설치수 기준 43%)

MBR시장의 성장 추세MBR시장의 성장 추세

출처 BCC Inc., (2006) MBR MBR 관련관련 세계적세계적 기업기업

Siemens (독일 )

Veolia (프랑스)

GE-Zenon (미국)

Kubota, Mitsibishi (일본)

삼성엔지니어링, 코오롱 대한통운, 제닉스, 한국분리막, (한국)

Shanghai Yiming Filtration Tech (중국)

연평균성장율연평균성장율 : 10.9%: 10.9% ( 향후 5년간 플랜트 최소 1,000개 증가)

MBR : MBR : 세계시장세계시장 경쟁경쟁

8Water Environment Water Environment -- Membrane Technology Lab.Membrane Technology Lab.

하폐수 유입 MBR 여과수

정밀여과막(MF) / 한외여과막(UF)

활성슬러지 반응조

RO 여과수 (음용수)

역삼투막(RO)

MBR 여과수 (Permeate)

분리막 표면

“생물막(Biofilm)”

투수도(Water Flux) 감소

MBR MBR 시스템의시스템의 핵심핵심 장애물장애물

(중수도)

RO 공정

차세대 MBR시스템(MBR+RO)의 활용 및 핵심장애물(생물막 형성)

낮은낮은 투수도투수도; ~15 L/m; ~15 L/m22⋅⋅hr hr 높은높은 설치비설치비

막막 수명수명 단축단축; 3; 3--55년년

높은높은 에너지에너지 소모소모; 0.3~0.6 kWh/m; 0.3~0.6 kWh/m33 높은 운전비용

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Hydrodynamic Hydrodynamic & Mass transport approach & Mass transport approach

Critical flux Membrane module Operation parameter (SRT, HRT, Pressure, Pump type Aeration intensity etc.. )

Biofilm

Membrane material Surface modification Hybrid system Chemical additives

2. Research objective

Open the black-box!!

Biofilm

New paradigm in MBR researchNew paradigm in MBR research: : Open the blackOpen the black--box, box, ““BiofilmBiofilm””

Need more challenge

MicroMicro--level level

researchresearch

Commercialization

Microbial activity, physiology, metabolism Biofilm formation mechanism Spatial distribution of various components (Cell and EPS)

PhysicoPhysico--chemical chemical approachapproach

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세계적으로세계적으로 MBRMBR 관련관련 대형대형 프로젝트프로젝트 진행진행 중중

EU Research Project 1 : EUROMBRA

MBR technology with an EU perspective for advanced municipal wastewater treatment strategies for the 21st century

10개국, 17개 기관, 연구비 460만 유로, 2005~

EU Research Project 2 : AMEDEUS

Accelerate Membrane Development for Urban Sewage Purification

6 개국, 11개 기관, 연구비 530만 유로, 2005~

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현재 MBR 시스템

생물막오염

투과도 (Flux) 저하

막 수명 단축

높은 에너지 소모

분석 (Analysis)

생물막(Biofilm)

정보 (Information)

제어 (Control)

CLSM 영상 분석분자 생물학

Molecular technology for biomolecules

+ +

3D (X,Y,Z)

3D Biofilm image

Image Structure Analyzer

Porosity Fractal dimension

Run length Surface coverage ratio

↑

생물막 구조변화 유도 : 공극률 증가 생물막 탈착전환 : 침식에서 탈리로의 전환 생물막 형성억제 : 정족수 감지

차세대 MBR 시스템

투과도 (Flux) 상승 막 수명 연장

낮은 에너지 소모

분자 수준에서 막오염 제어

생물막생물막 분석분석//제어를제어를 통한통한 차세대차세대 MBRMBR 개발개발

체외고분자 물질 (EPS)의 성분 및 시·공간적 분포 변화

미생물군집 분포

생물막의 X, Y, Z 방향 성장 속도 생물막의 비저항 및 압축도

Dead and live cell의 비율

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생물막 분석 (Biofilm analysis)

Volumetric 3D restructured biofilm images Vertical distribution of the live-to dead ratio in the biofilm

- Green : Bacterial Cell - Red : Polysaccharide

Bottom

Top

Top

Bottom

구조 (공극률 등)의 공간적 (3차원), 시간적 변화 측정 Cell, EPS (단백질, 다당류 등)의 공간분포 Live/Dead cell의 공간분포 분석

이미지이미지 분석분석 (Image analysis)(Image analysis)

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생물막 제어방법

• 막오염 완화제 개발

• 생물막 EPS 제어

• 선형플록 유도 *나노 패터닝 분리막

• 고효율 오존 접촉조

• RO 전처리

생물막 형성 억제

슬러지 감량

약성물질 분해

• 미생물 신호전달

• 자기유도물질 차단

Quorum Quenching

기능성 분리막 제조높은 공극률 구조유도 TJC 오존처리

1 2 3 4

TJC 오존

*항균 코팅막

14Water Environment Water Envi